Sådan overvåges og styres gasflow nøjagtigt i industrielle applikationer
Bidraget af DigiKeys nordamerikanske redaktører
2022-01-04
Mange industrielle automatiserings- og produktionsanlæg kræver ofte brug af gasser som luft, ilt, nitrogen, brint, helium og argon til forskellige processer og applikationer. Disse anvendelser omfatter rengøring, skæring, svejsning og kemisk fremstilling. I mange tilfælde kræver præcisionsudstyr og kemiske processer ekstremt fin kontrol af gassen for at undgå fejl i udstyret eller fejlslagne processer, der er vanskelige at diagnosticere. Et for stort gasflow kan også resultere i tab af effektivitet samt ekstra omkostninger i forbindelse med udskiftning af gasbeholdere.
Præcise gasflow, målt i standard liter pr. minut (SLM), er et interessant problem, da målepræcisionen påvirkes af tryk og temperatur samt af nøjagtigheden af målemekanismen. Standard MFC'er (Mass Flow Controller) anvendes almindeligvis til at styre gasflowet, men de kan miste nøjagtighed med tiden og kræver periodisk kalibrering, mens de stadig er i drift, hvilket øger omkostningerne i levetiden. Teknologiske fremskridt har ført til anvendelse af mikrotermisk måling af gastemperaturer til nøjagtig bestemmelse af den præcise SLM-volumenstrøm.
Denne artikel omhandler betydningen af industrigasser og de problemer, der opstår som følge af upræcis gasflowstyring. Derefter ser den på MFC'er fra Sensirion med avanceret gasflow-sensorteknologi og forklarer, hvordan man indstiller og bruger dem effektivt for at sænke de samlede omkostninger, samtidig med at effektiviteten, pålideligheden og produktiviteten forbedres.
Industrielle gasser kræver præcis kontrol
Industrianlæg bruger en række forskellige gasser til forskellige formål, baseret på de enkelte gassers egenskaber. Nogle systemer, f.eks. varme-, ventilations- og klimaanlæg (HVAC-systemer), kan tilgive små fejl i styringen af gasflow, men præcisionsudstyr som f.eks. kemisk dampudfældning (CVD), gas- og væskekromatografi og massespektrometri kræver ekstremt præcis styring af gasser for at undgå fejl i udstyret eller fejlslagne processer. Disse typer af fejl er vanskelige at diagnosticere og kan resultere i langvarig og dyr nedetid.
Brandfarlige gasser som f.eks. brint, acetylen og butan blandes med ilt for at skabe varme, flammer eller en kontrolleret eksplosion. Gasserne skal blandes sammen i den koncentration, der er nødvendig for processen. Ligesom i bilens forbrændingsmotor kan en for mager eller for fed blanding af brændbar gas give en flamme med en forkert temperatur, hvilket resulterer i en ineffektiv eller fejlslagen proces.
Komprimerede gasser som f.eks. ilt, nitrogenoxid og luft anvendes som oxidationsmidler og også som hjælp til forbrænding. For lidt komprimeret gas kan resultere i en fejlslagen kemisk proces, mens for meget gas resulterer i tabt effektivitet, spild af gas og stigende omkostninger.
Inerte gasser som f.eks. argon, kuldioxid og nitrogen anvendes ofte til kritiske sikkerhedsoperationer som f.eks. brand- eller oxidationskontrol og til at undertrykke visse kemiske reaktioner. For lidt gas kan resultere i en mislykket brandslukning, mens for meget gas er spild af gas og øger de dermed forbundne omkostninger.
Styring af gasflow med industrielle MFC'er
MFC'er bruges til at dosere den rette mængde gas. I deres enkleste form er MFC'er helt manuelle og kræver ingen strømforsyning. Gasmængden justeres ved at dreje en drejeknap til den rette indstilling. Manuelle MFC'er måler dog kun volumen ved omgivelsestemperatur og kan ikke tage højde for volumenændringer som følge af tryk- eller temperaturændringer i gassen. Derfor anvendes elektroniske MFC'er til præcisionsstyring af gasser.
SLM-måleenheden for volumenstrøm af industrigasser er defineret som en liter gasflow over et minut ved en standardgastemperatur på 0 °C/32 °F og et absolut standardgastryk på 1 bar. Volumenet af enhver gas varierer afhængigt af temperatur og tryk, så massestrømsregulatoren skal kunne tage højde for ændringer i de omgivende forhold og variere flowvolumenet i overensstemmelse hermed. De fleste elektroniske MFC'er er kalibreret til en målgas for at give nøjagtig strømningsregulering over variationer i temperatur og tryk, men ofte afviger denne kalibrering over tid, hvilket kræver periodisk omkalibrering, mens de er i drift. Dette øger vedligeholdelsen, mens en overstået kalibrering reducerer systemets effektivitet.
Præcisions-MFC'er uden kalibrering under drift
Løsningen på dette problem er en familie af præcisions-MFC'er der ikke kræver kalibrering under drift. Sensirion har en løsning med sin SFC5500-serie MFC'er (Figur 1). SFC5500-serien anvender mikrotermisk måling af gastemperaturer til nøjagtig bestemmelse af den præcise SLM-volumenmåling, uanset ændringer i gastemperatur og -tryk.
Figur 1: Sensirion SFC5500 MFC-familien anvender mikrotermisk CMOSens-teknologi til nøjagtig måling af gasmængden gennem gasflow-kanalen uanset temperatur- og trykvariationer. (Billedkilde: SENSIRION)
Sensirions gasvolumenflow-teknologi, kaldet CMOSens, måler nøjagtigt gasvolumen gennem gasflow-kanalen. CMOSens er en generel betegnelse for Sensirions tilgang, der kombinerer aftastning, signalbehandling og behandling på en enkelt CMOS-enhed for at opnå præcis kontrol over tid i en lille enhed (Figur 2, øverst).
Figur 2: CMOSens kombinerer registrering, signalbehandling og behandling på en enkelt CMOS-enhed (øverst). I en gasflowmåleapplikation (nederst) udfører temperatursensorer og tilhørende behandling mikrotermisk måling for at sikre præcision. (Billedkilde: SENSIRION)
I implementeringen af gasflowmåling med CMOSens er der placeret temperatursensorer upstream og downstream med et justerbart varmelegeme monteret på en trykstabiliseret membran i mellem (figur 2, nederst). En tredje temperaturføler registrerer gassens temperatur.
Gasflow over de to sensorer og varmelegemet skaber temperaturmålinger ved de to sensorer. Disse to aflæsninger sammen med gassens temperaturføler aflæses af en integreret signalprocessor og kombineres med de lagrede kalibreringsindstillinger for den pågældende gas, hvilket giver en nøjagtig aflæsning af volumenstrømmen uanset tryk og temperatur.
Den typiske nedreguleringstid for SFC5500 MFC'er er mindre end 100 millisekunder (ms), hvilket giver mulighed for nøjagtige aflæsninger under hurtige ændringer i temperatur, tryk og flowforhold. Da CMOSens-teknologien kompenserer for temperatur og tryk, har denne konfiguration ingen drift over tid, så en SFC5500 skal aldrig rekalibreres i marken, medmindre målgassen ændres.
MFC baseret på CMOSens
Et eksempel på en SFC5500-MFC er SFC5500-200SLM. Det er en flowcontroller med høj volumen, der er designet og kalibreret til kun luft, nitrogen og oxygen. Nitrogen- og luftgasser understøttes med en maksimal volumenstrøm i fuld skala på 200 SLM og en specificeret kontrolnøjagtighed på 0,10 % af fuld skala eller 0,20 SLM. Oxygen gasflowet understøttes med en maksimal fuldskala-flowhastighed på 160 SLM med en specificeret kontrolnøjagtighed på 0,20 % af fuldskala-flowet eller 0,32 SLM. Sensirion angiver, at nøjagtigheden for denne enhed kan forringes en smule, når gasflow'et er over 100 SLM. SFC5500-200SLM er konstrueret således, at den muliggør præcisionsstyring af luft eller ilt uden kalibrering under drift.
Sensirion SFC5500-200SLM er forbundet med en host-computer via et almindeligt RS-485 DB-9-stik. DeviceNet- og IO-Link-kommunikation understøttes også. Gasindgangs- og -udgangsforbindelser er Legris-kompressionsfittings med en udvendig diameter på 10 mm (10 millimeter). Den er kompatibel med standard 10 mm gasfittings.
For at understøtte andre gasser tilbyder Sensirion SFC5500-10SLM MFC til flere gasser. Ud over luft, kvælstof og ilt understøtter denne controller også hydrogen, helium, argon, kuldioxid, lattergas og metan. Den understøtter en maksimal fuldskala flow på 10 SLM for alle gasser undtagen lattergas, argon og kuldioxid, med en fuldskala flow på 5,0 SLM. Den værst tænkelige nøjagtighed er 0,30 % af det fulde flow i fuld skala. Den understøtter de samme kommunikationsinterfaces som SFC5500-200SLM. Gasindgangs- og -udgangstilslutninger er Legris-kompressionsfittings med en udvendig diameter på 6 mm, der er kompatible med standard 6 mm gasfittings.
SFC5500-10SLM giver fleksibilitet til at understøtte flere gasser med én controller, hvilket forenkler lagerbeholdningen. Regulatoren skal konfigureres og prækalibreres, inden den tages i brug for den målgas, der skal reguleres. Den kan ikke bruges til en anden gas uden at blive omkonfigureret.
Konfiguration og udvikling
SFC5500 MFC'er skal være forudkonfigureret til målgassen, før de tages i brug. Da forskellige gasser har forskellige tætheder og egenskaber, kræver hver gas en anden opsætning og kalibrering. For at hjælpe med konfiguration, kalibrering og evaluering tilbyder Sensirion EK-F5X-evalueringssættet til SFC5500-serien (Figur 3). Bemærk, at sættet ikke omfatter en massestrømningsregulator.
Figur 3: Sensirion EK-F5X-evalueringssættet giver udviklere mulighed for at konfigurere, kalibrere og evaluere SFC5500 MFC'er (leveres ikke med sættet), før de tages i brug. (Billedkilde: SENSIRION)
For at konfigurere en SFC5500 til service skal den først tilsluttes den gas, der skal styres. EK-F5X-evalueringssættet leveres med et brugerdefineret DB-9-kabel, som sættes i DB-9-stikket på toppen af SFC5500. DB-9-kablet deles op i en AC-adapter til strømforsyning af SFC5500 under drift og et USB-stik til tilslutning til en host-computer. Der medfølger et USB-flashdrev med SFC5500-enhedsdriveren til host-computeren sammen med SFC5000 viewer software, som begge skal indlæses på host-computeren, før der tilsluttes via USB. SFC5500 tilsluttes først strømmen, og derefter tilsluttes USB-stikket til host-computeren. Efter de sædvanlige bip, som computeren gør sig bekendt med den USB-tilsluttede SFC5500, starter SFC5xxx viewer softwaren og beder om, at COM-porten konfigureres. Softwaren viser derefter alle tilgængelige kalibreringer for hver gas, der understøttes af den pågældende SFC5500, sammen med tilgængelige kalibreringer (Figur 4).
Figur 4: Sensirion SFC5500 viewer softwaren giver et udvalg af kalibreringer for hver gas, der understøttes af den tilsluttede enhed. (Billedkilde: Sensirion)
SFC5xxx viewer softwaren viser den tilsluttede SFC5500-variant med dens serienummer og firmwareversion samt COM-portkonfigurationen. Fanen System vælges ved opstart og viser tilgængelige flowkalibreringer markeret med grønt, med den aktive kalibrering markeret med rødt. For at ændre en kalibrering skal du højreklikke på kalibreringen for målgassen og derefter vælge "Load Calibration" (indlæs kalibrering). Den tilsluttede SFC5500 er nu kalibreret for den valgte gas. Kalibreringen gemmes i EEPROM, så det er ikke nødvendigt at kalibrere igen efter en strømcyklus. Det er kun nødvendigt at kalibrere igen, hvis enheden bruges til en anden gas.
Efter kalibrering vælges fanen Dato display. Denne fane indstiller og styrer gasflowet, som kan indstilles til en konstant strømningshastighed, eller der kan genereres en brugerdefineret bølgeform for at variere strømmen. SFC5500 er nu kalibreret og konfigureret til automatiseret drift.
Til mere komplekse applikationer, hvor flowet skal varieres programmatisk, kan SFC5500 styres via DeviceNet. Under fanen DeviceNet konfigureres DeviceNet MAC ID og baud rate. Flowet kan nemt fjernstyres via DeviceNet ved at sende 0x0000 til enheden for intet flow, 0xFFFFFF for fuldt flow eller en værdi derimellem. Dette giver mulighed for komplekse flowkontroloperationer og giver mulighed for hurtig og nem fjernafbrydelse af gasflowet, hvilket er nyttigt i nødsituationer.
Konklusion
Nøjagtig styring af industrigasser er afgørende i industrielle processer. Mens kalibreringsdrift kan kræve periodisk omkalibrering for at opretholde nøjagtigheden, kan nye gasmålingsteknologier fjerne dette behov, hvilket resulterer i forbedret effektivitet, reduceret vedligeholdelse og samlede omkostningsbesparelser på lang sigt.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.