1、引言
    真空冷凍干燥的主要原理是先將含水物料完全凍結(jié)，然后在負(fù)壓、低溫（低于物料共晶點(diǎn)溫度以下）加熱升華而不出現(xiàn)液相區(qū)的干燥方法。此法在醫(yī)藥、食品和生物工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
    LGJ-80冷凍干燥烘干機(jī)主要是為藥品制備、生物制品加工等方面應(yīng)用而研制的，因此它對(duì)控制系統(tǒng)要求比食品用冷凍干燥設(shè)備更為精細(xì)、準(zhǔn)確。其控制系統(tǒng)可分為3個(gè)相互聯(lián)系的過程控制：共晶點(diǎn)測(cè)定及預(yù)凍控制、加熱升華控制和解吸控制3個(gè)過程，其中還穿插了對(duì)真空系統(tǒng)的控制，其核心控制是加熱升華控制。
2、控制系統(tǒng)主要硬件組成
    本控制系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的Atmel 89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心。由于需要對(duì)擱板溫度、冷阱溫度、物料溫度和物料電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，選用8通道8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。對(duì)真空的測(cè)量采用成華電子儀器廠的ZDR-Ⅱ型數(shù)顯雙路電阻真空計(jì)。此外，還有一塊包含8個(gè)觸摸按鍵的薄膜面板，一個(gè)液晶顯示器，一個(gè)4k容量的數(shù)據(jù)存貯器(RAM)。圖1為本系統(tǒng)的簡(jiǎn)單模塊結(jié)構(gòu)圖。
3、共晶點(diǎn)測(cè)定及預(yù)凍控制
    共晶點(diǎn)是物料完全凍結(jié)成固態(tài)時(shí)的溫度。它是冷凍干燥過程中關(guān)鍵性指標(biāo)。對(duì)物料共晶點(diǎn)測(cè)定是根據(jù)S.A.Arrhenius（阿侖尼烏斯）電離學(xué)說原理，當(dāng)水中含有雜質(zhì)時(shí)，部分雜質(zhì)就分解成電離子，這時(shí)水是導(dǎo)電的，當(dāng)溫度下降溶液電阻會(huì)逐漸增加，當(dāng)溶液全部凝固成固體時(shí)，溶液中離子就完全失去自由活動(dòng)能力，電阻會(huì)突然增大，此時(shí)溫度即為共晶點(diǎn)，電阻為共晶點(diǎn)處電阻，富通新能源銷售木屑烘干機(jī)、木屑顆粒機(jī)等和生物質(zhì)燃料成型木屑烘干機(jī)械設(shè)備。
    本系統(tǒng)共晶點(diǎn)的測(cè)定采用單片機(jī)不斷循環(huán)讀取A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果，并動(dòng)態(tài)計(jì)算出物料電阻相對(duì)物料溫度的曲線斜率。如下公式：
    式中L為曲線斜率，△R為本次采樣物料電阻值與上一次之值差，△C為本次物料溫度與上一次值差。
    當(dāng)斜率L滿足條件：L≥1.732，即斜率角達(dá)到1200可以認(rèn)為此時(shí)的溫度為共晶點(diǎn)，此時(shí)的電阻為共晶點(diǎn)處電阻，并在單片機(jī)數(shù)據(jù)存貯區(qū)(idata)內(nèi)，保存此二值，備后用。
    為確保物料凍透，應(yīng)使物料繼續(xù)降溫達(dá)共晶點(diǎn)以下5℃～10℃并維持0.5h．這樣預(yù)凍階段就完成了。
4、加熱升華控制
    加熱升華控制作為整個(gè)控制的核心部分，是決定冷凍干燥成敗的關(guān)鍵。加熱溫度高于物料共晶點(diǎn)時(shí)，物料會(huì)干縮起泡，溫度過低升華速率低，升華時(shí)間加長(zhǎng)。通常加熱升華是通過采樣溫度變化實(shí)現(xiàn)控制的。由于溫度的少許變化不易被檢測(cè)和控制，而物料在接近共晶點(diǎn)時(shí)溫度少許變化就會(huì)引起物料電阻非常大的變化，電阻的明顯變化是很容易被檢測(cè)和控制的，所以本研究采用物料電阻控制為主，溫度監(jiān)控為輔的雙重控制。為確保凍干成功，我們?cè)O(shè)定安全跳變電阻為共晶點(diǎn)電阻乘以系數(shù)1.1，使其略大于晶點(diǎn)電阻，溫度為共晶點(diǎn)以下5℃～lO℃，具體數(shù)值可在系統(tǒng)啟動(dòng)初始化時(shí)通過鍵盤設(shè)定。這樣，只要物料電阻大于設(shè)定的安全電阻值時(shí)，擱板就加熱，一旦物料溫度上升到接近共晶點(diǎn)時(shí)，物料電阻就會(huì)降低，當(dāng)物料電阻小于或等于設(shè)定的安全值時(shí)，便切斷擱板加熱。在整個(gè)升華階段機(jī)器自動(dòng)根據(jù)物料電阻的變化控制擱板加熱或切斷，使物料溫度保持在一個(gè)盡可能高的溫度，最大限度地加快升華干燥過程。
此外，升華過程中凍干箱的壓力控制也是控制的一個(gè)重要方面。凍干箱壓力大小影響升華干燥過程，壓力過大雖然傳熱效果好，但不利于水蒸氣的溢出；壓力過低有利于水蒸氣溢出，但不利于對(duì)流傳熱。通常應(yīng)把壓力控制在略高于最高升華溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓的二分之一的壓力附近，一般在30～90Pa之間。本系統(tǒng)設(shè)定加熱啟動(dòng)氣壓為60Pa。
5、解吸控制
    當(dāng)物料電阻大于設(shè)定的安全值且物料溫度高于共晶點(diǎn)溫度時(shí)，就進(jìn)入解吸干燥階段。在此階段物料中己不存在結(jié)晶水，所以物料溫度上升很快。解吸控制要求物料溫度不能高于物料崩塌溫度。所謂崩塌溫度就是物料加熱允許的最高溫度，高于此溫度物料將變質(zhì)。由于物料含水量很難準(zhǔn)確測(cè)量，為確保物料含水量低于凍干要求（通常是2%~5%），解吸控制要求物料在崩塌溫度以下保持th左右。
    在解吸階段由于水蒸氣溢出量減少，一般凍干箱內(nèi)氣壓下降到20Pa左右，此氣壓是有利于解吸干燥的，但氣壓過低熱傳導(dǎo)差不利于干燥。本系統(tǒng)設(shè)定氣壓跳變值為10Pa，當(dāng)凍干箱內(nèi)氣壓低于10Pa，自動(dòng)打開電磁閥加入干燥的氮?dú)猓�維持箱內(nèi)氣壓在20Pa左右。
6、結(jié)束語(yǔ)
    本研究是利用物料在液態(tài)和固態(tài)兩相區(qū)轉(zhuǎn)化時(shí)，其電阻呈現(xiàn)的巨大變化來自動(dòng)測(cè)定共晶點(diǎn)電阻及溫度，并依此實(shí)現(xiàn)凍干過程的自動(dòng)控制。由于電阻變化幅度大，測(cè)定準(zhǔn)確，使控制更簡(jiǎn)單、精細(xì)。對(duì)不同產(chǎn)品都可直接凍干，而無需事先設(shè)定好凍干曲線，且使升華與解吸階段溫度、壓力保持在最佳狀態(tài)，提高了凍干效率。
    由于凍干工藝復(fù)雜，控制要求高，此機(jī)在能耗控制方面有待進(jìn)一步研究提高。