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中药提取自动化几种关键计量仪表及工艺控制难点探析

中药提取自动化几种关键计量仪表及工艺控制难点探析

时间:2020-03-12 09:56:20

 摘要:随着中药生产技术的提高,中药提取车间为了更好的响应国家 GMP 要求,大都采取自动化生产线来避免人员误操作而引起的交叉污染和差错。因此,一些新设备和仪器逐渐被用于中药提取过程中,通过动态、智能的方式进行中药提取控制。本文简要介绍了提取自动化设计中常用的几种关键计量仪表:液位计、压力变送器、温度变送器、流量计、密度计,并就提取自动化系统的部分关键工艺控制难点提出一些好特的设计及解决方法。AYM压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
1、提取自动化设计中常用的计量仪表
提取、浓缩、醇沉是中药提取过程中的三道重要工序,但其过程都具有扰动性、多变量、非线性等特点,所以需要对关键工艺参数进行实时检测,并实时反馈,这些参数的检测离不开计量仪表,也就是说,要实现中药提取自动化,就必须对计量仪表进行合理选型,这样才能保证中药提取生产的连续化。提取车间大部分计量仪表都安装在提取罐、储液罐、单、双效浓缩器、乙醇储罐、醇沉罐等设备。
 
1.1、液位计
1.1.1、磁致伸缩液位计
磁致伸缩液位计由探测杆、电路单元和浮子组成。首先,由电路单元提供电流脉冲,接着脉冲按照磁致伸缩线向下方向传输,构成环形磁场。浮子将会沿着探测杆并随液位的变化而往复移动。同时,浮子内的永磁铁产生一个磁场。在浮子磁场与电流磁场相碰时,随即产生一个“返回”脉冲。将电流脉冲与“返回”脉冲的时间差转换成脉冲信号,从而计算出浮子的实际位置,即液位。磁致伸缩液位计精度高、环境适应性强、安装方便以及防爆型设计,适合高精度及危险场合。由于非常好可动部件为
浮子,故障低,维修简单,并且量程大,转换连续性好,便于系统自动化工作,但安装、维护、成本高。
 
1.1.2、隔膜静压液位计
静压式液位计的两线制液位变送器由一个内置毛细软管的特殊导气电缆、一个抗压接头和一个探头组成。静压式液位计的探头构造是一个不锈钢筒芯,底部带有膜片,并由一个带孔的塑料外壳罩住。通过测量探头上的液体静压与实际大气压之差后,再由陶瓷传感器和电子元件经过温度补偿和线性修正,将压差转换成 4 ~ 20mA 输出信号。静压式液位计量程较大,无可动部件,高可靠性,长期稳定性高,使用寿命长,具有防爆型可选。由于其受介质密度和温度影响很大,所以精度比较差,为此要搭配其他测试仪表来消除影响。
 
1.1.3、电容式液位计
电容式液位计是运用电容感应原理,当被测介质浸汲测量电极的高度变化时,电容也相应变化。随后,它将液位介质的高度变化转换成标准电流信号,远传至操作显示控制平台。
 
由于电容液位计体积小,容易实现远传和调节,它可测量强腐蚀型介质,高温介质,密封容器的液位,与介质的粘度、密度、工作压力无关。但其灵敏度常因被测液体的介电常数不稳定而引起误差。
 
1.2、压力变送器
        压力变送器是由压力传感器、测量电路及过程连接件组成。它将压力传感器检测到的介质压力参数变换成标准的电信号,供给二次仪表进行相应测量、指示和过程调节。我们选型通常考虑以下几点:(1)压力量程。一般选择大于非常大值 1.5 倍左右压力,这样有效避免峰值与波动带来的破坏,提高效应速度和稳定性。(2)所要检测的介质。考虑黏性液体、泥浆、腐蚀性物质等因素,选择直接的隔离膜及直接与介质接触的材料。(3)精度等级。非线性,迟滞性,温度、零点偏置刻度都会影响精度。(4)温度范围。选择工作状态下不被破坏的温度范围,并考虑在温度补偿范围达到其应有的性能指标。(5)输出信号。采用 mA 输出的压力变送器可以解决与控制器间距离较远的设备;如果需要将输出信号放大,非常好采用具有内置放大的压力变送器;采用频率输出可以解决有较强的电子干扰信号的设备,如果在射频干扰或电磁干扰指标很高的环境中,还要考虑特殊的保护或过滤器。(6)压力变送器的封装。经过超时工作后,大部分的压力变送器在会产生“漂移”,造成稳定性降低,因此要考虑压力变送器的封装,特别是机架。再就是工作环境与湿度,以及安装方式不当造成的振动与撞击等。
 
1.3、温度变送器
温度变送器主要测温器件是热电偶或者热电阻,由测温器件输出信号至变送器,然后,再通过转换电路将信号转换为标准电流或电压信号输出。
 
常见的温度变送器分为热电偶、热电阻、一体化的温度变送器,其选型大体参照测量范围、精度要求、信号接口、结构形式和安装要求。温度变送器结构相对简单,不含可动或弹性元件,其可靠性较高,维护量少。但在使用中常因线路长,造成信号衰减;也因线路阻抗不匹配以及其他信号干扰,而造成的数据显示不准确。
 
1.4、流量计
1.4.1、电磁流量计
         电磁流量计是依据导电体在磁场中运动产生的感应电动势,与流量值成正比关系来标定管道流量的原理。测量导管中无阻力件,压力损失极小;其流速测量范围宽,为每秒 0.5 ~ 10m;范围度可达 10:1;精度 0.5 ~ 1.5 级;口径可由几毫米到几米以上;仪表反应快,示值受流动状态影响较小。但对气体、蒸汽等导电率低的介质则不能应用。电磁流量计的成本价格较高,很容易受外磁场信号的干扰而造成示数不准确。
 
1.4.2、涡街流量计
        涡街流量计主要作用部件是非流线型游涡发生体,通过游涡的速度与流体的速度成一定比例来计算出体积流量。它可测量液体、气体或蒸汽,而且流体温度、压力、密度、黏度等变化几乎对它无影响。涡街流量计的仪表内部不存在可动部件,使用寿命长;压力损失小;范围度可达 30:1;输出为频率信号;测量精度为 ±0.5% ~ ±1%。但涡街流量计会产生噪音,对流体流速要求高,这样才可以产生旋涡。影响测量准确度的两大因素是流体流速分布情况与脉动情况,同时,旋涡发生体被沾污也能引起一定的误差。
 
1.4.3、质量流量计
质量流量计是采用感热式测量,通过分体分子带走的分子质量多少来测量流量。质量流量计具有准确性高、稳定性强等特点,阻流元件和可动部件不存在;可直接测得质量流量信号,不受被测介质物理参数的影响,而且精度较高;可以测量多种液体;由于质量流量计不受管内流态的影响,因此,对于流量计前后直管段要求并不高;其范围度可达到100:1。但是,它的阻力损失较大,存在零点漂移,同样管路的振动会导致测量不准确。不适用于测量低密度的介质。极易受外界振动的干扰,为消除管道振动的影响,对质量流量计的流量传感器安装固定要求较高。目前也不能应用于较大的管径,仅局限于 150mm 或者 200mm 以下,且价格较贵。
 
1.5、密度计
1.5.1、差压式在线密度计
差压式在线密度计是利用浮力和重力平衡的原理。它主要由一个电容式差压传感器、一对压力中继器构成。在两个压力中继器之间设有一个温度传感器,并用它来补偿过程液体的温度变化。差压式在线密度计根据密度和浓度的大小产生相应的 4 ~ 20mA 信号,并通过数字通信进行远程监测与校准。在线密度计适合安装于管道和罐体内;它采用一体化结构的两线制变送器,不存在活动部件,所以维护相对简单。无过程中断,可以连续在线测量液体密度和温度,可直接用于生产过程的控制,密度和温度两参数可同时显示,便于进行行业标准密度换算。
 
由于所测液体并非全是静止的,有时在不断地循环和搅动。因此,在不适合直接测量的地方,要通过增设测试罐辅助测量,为保证密度计读数的稳定,务必让密度计工作在流速较小和波动不大的地方。要求现场安装密度计时确保两只压力中继器在同一垂直面上 , 这样才会避免测量误差。为保证正确测量,现场被测液体还要保持没过两个测量传感器。
 
1.5.2、音叉密度计
音叉密度计是依据类似于两齿的音叉元器件产生振动的原理设计而成,由叉体位于齿根的一个压电晶体而产生振动,而振动的频率则通过另一个压电晶体检测出来,并通过移相和放大电路,将叉体稳定在固有谐振频率上。当叉体有介质流经时,介质质量不断地改变,并引起谐振频率的相应变化。音叉密度计即插即用,安装方便,不需要花费很多时间去维护。音叉密度计可以测量含有气泡或者固定的混合介质密度,对于易结晶、结垢介质的测量效果则不理想。
 
2、中药提取自动化系统关键工艺控制难点
中药提取自动化系统不仅要实现数字化信息管理,保持生产数据的完整性,提高产品批间稳定性,达到生产记录可追溯,而且还要做到节能环保、安全保险、技术优化等。通过分析提取车间工艺控制关键点,相应的自动化系统对生产工艺的控制也相当重要。
 
2.1、提取罐温度控制
提取过程要求罐内温度均匀快速升至沸点温度并保持微沸,而自控系统的温度检测常采用温度探头,但由于外有套管,传热有一定的延迟,容易造成蒸汽调节不是很准确。故在升温前期可适度开大蒸汽阀门,当温度达到沸点 90% 左右,自动调小蒸汽阀门。
 
2.2 出液判堵
采用自动控制系统后,出液顺畅与否,出液判堵检测很重要。可在出液泵出口安装压力变送器,在罐底到过滤器之间的出液管道上安装流量开关。当正常出液过程中泵出口压力降低到一定值时,流量开关无信号,则判断为罐底堵塞;若流量开关有信号,则判断为过滤器堵塞。
 
2.3 浓缩器加热室列管结垢
浓缩过程需要高温,自控系统加入适当的操作可以延长浓缩器的使用寿命,所以在双效倒罐后适量加水控制降温,在浓缩过程中低液位时设置自动补液控制。
 
2.4 浓缩终点判断
浓缩过程使用在线密度计自动检测密度时,浓缩密度在1.10 以下且黏度不大的药液,使用密度计比较准确;在浓缩密度大于 1.10 时,黏度大时会有较大的误差,因为此时浓缩过程中的药液处于动态状态,某些黏度较大的药液会带有大量细小气泡造成音叉探头检测误差,这时需要人工离线检测密度复核的方式来判断。如果采用质量流量计检测,则需要充分考虑其循环管道的清洗问题。
 
2.5、醇沉罐上清液出液控制
醇沉罐出液分层虽然不好控制,但可以根据生产经验固定管道位置,出液阀自控,同时,在上清液出液的主管道上设置流量计计算上清液体积。
 
3、结语
中药提取自动化就是在中药提取车间没有人或者较少人参与的情况下,按照人的要求,经过自动检测、信息处理、分析判断、操作控制,实现人的预期目标的过程。实现中药提取自动化,势必可以减轻劳动强度和危险工作环境,但同时,我们必须从关键计量仪表与工艺控制难点入手来提高质量问题。
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