Hur man på ett noggrant sätt övervakar och styr gasflödet i industriella tillämpningar

Många industriella automations- och tillverkningsanläggningar kräver ofta användning av gaser som luft, syre, kväve, väte, helium och argon i olika processer och tillämpningar. Dessa användningsområden omfattar rengöring, kapning, svetsning och kemisk tillverkning. I många fall kräver precisionsutrustning och kemiska processer en extremt noggrann styrning av gasen för att undvika svårdiagnostiserade fel i utrustningen eller misslyckade processer. Ett överflödigt gasflöde kan även leda till minskad effektivitet och extra kostnader i samband med byte av gasbehållare.

Ett exakt gasflöde, mätt i standardliter per minut (SLM), är ett intressant problem eftersom mätnoggrannheten påverkas av tryck och temperatur likväl som av mätmekanismens noggrannhet. Vanliga massflödesregulatorer används ofta för att styra gasflödet, men de kan med tiden förlora sin noggrannhet och kräver regelbunden kalibrering medan de fortfarande är i drift, vilket ökar kostnaderna under hela livstiden. Tekniska framsteg har lett fram till användning av mikrotermisk mätning av gastemperaturer för att konstatera det exakta SLM-volymflödet på ett korrekt sätt.

Artikeln diskuterar betydelsen av industrigaser och de problem som uppstår till följd av felaktig styrning av gasflödet. Därefter beskrivs massflödesregulatorer från Sensirion med avancerad teknik för mätning av gasflöde och hur man installerar och använder dessa effektivt för att sänka den totala kostnaden, samtidigt som man förbättrar effektiviteten, tillförlitligheten och produktiviteten.

Industrigaser kräver noggrann styrning

Industrianläggningar använder en mängd olika gaser för olika användningsområden, baserat på de enskilda gasernas egenskaper. Vissa system, t.ex. luftbehandlingssystem (HVAC) kan vara förlåtande vid små fel i styrningen av gasflödet, men precisionsutrustning som kemisk förångningsdeposition (CVD), gas- och vätskekromatografi och masspektrometri kräver extremt noggrann styrning av gaser för att undvika fel i utrustningen eller misslyckade processer. Dessa typer av fel är svåra att diagnostisera och kan leda till långa och dyra driftstopp.

Brandfarliga gaser som exempelvis väte, acetylen och butan blandas med syre för att skapa värme, lågor eller en kontrollerad explosion. Gaserna måste blandas i rätt koncentration för processen. Precis som en förbränningsmotor på en bil kan en blandning av brännbar gas som är för mager eller för rik ge upphov till en låga med fel temperatur, vilket leder till en ineffektiv eller misslyckad process.

Komprimerade gaser som syre, kväveoxid och luft används som oxidationsmedel, och för att underlätta förbränning. För lite komprimerad gas kan leda till en misslyckad kemisk process, medan för mycket gas leder till sämre effektivitet, slöseri med gas och ökade kostnader.

Inerta gaser som argon, koldioxid och kväve används ofta för kritiska säkerhetsåtgärder, som exempelvis brand- eller oxidationskontroll, och även för att undertrycka vissa kemiska reaktioner. För lite gas kan leda till misslyckad brandbekämpning, medan för mycket gas innebär slöseri med gas och ökade kostnader.

Styrning av gasflöde med industriella massflödesregulatorer

Massflödesregulatorer används för att mäta upp rätt gasvolym. I sin enklaste form är massflödesregulatorer helt manuella och kräver ingen strömförsörjning. Gasvolymen justeras genom att vrida på en ratt till rätt inställning. Manuella massflödesregulatorer mäter dock endast volymen vid omgivningstemperaturen och kan inte ta hänsyn till volymförändringar på grund av tryck- eller temperaturförändring i gasen. Därför används elektroniska massflödesregulatorer för precisionsstyrning av gaser.

Måttenheten SLM för volymflöde av industrigaser definieras som en liter gasflöde under en minut vid en standardgastemperatur på 0 °C och ett absolut standardgastryck på 1 bar. Volymen hos en gas varierar beroende på temperatur och tryck, så massflödesregulatorn måste kunna ta hänsyn till förändringar i de omgivande förhållandena och variera flödesvolymen i enlighet med detta. De flesta elektroniska massflödesregulatorer är kalibrerade för en målgas för att ge noggrann flödesreglering vid variationer i temperatur och tryck, men ofta avviker denna kalibrering med tiden, vilket kräver en periodisk omkalibrering under drift. Detta ökar underhållsbehovet, medan en utebliven kalibrering minskar systemets effektivitet.

Noggranna massflödesregulatorer utan kalibrering under drift

Lösningen på detta är en familj av massflödesregulatorer som inte behöver kalibreras under drift. Sensirion har en lösning med sina massflödesregulatorer i serien SFC5500(figur 1). Serien SFC5500 använder en mikrotermisk mätning av gastemperaturer för att noggrant bestämma den exakta volymmätningen av SLM-volymmätningen, oavsett förändringar i gastemperatur och tryck.

Figur 1: Massflödesregulatorfamiljen SFC5500 från Sensirion använder mikrotermisk CMOSens-teknik för att mäta gasvolymen genom gasflödeskanalen noggrant, oberoende av variationer i temperatur eller tryck. (Bildkälla: Sensirion)

Sensirions teknik för gasvolymflöde, som kallas CMOSens, mäter gasvolymen genom gasflödeskanalen korrekt. CMOSens är en allmän term för Sensirions tillvägagångssätt som kombinerar avkänning, signalbehandling och bearbetning i en enda CMOS-enhet för noggrann kontroll över tid, i en liten enhet (figur 2, överst).

Figur 2: CMOSens kombinerar avkänning, signalbehandling och bearbetning i en enda CMOS-enhet (överst). I en tillämpning för mätning av gasflöden (nederst) utför temperaturgivare och tillhörande bearbetning en mikrotermisk mätning för att säkerställa precisionen. (Bildkälla: Sensirion)

I den gasflödesmätning där CMOSens används är temperaturgivarna placerade uppströms och nedströms, med en justerbar värmare monterad på ett tryckstabiliserat membran mellan dem (figur 2, nederst). En tredje temperaturgivare känner av gasens temperatur.

Gasflödet över de två givarna och värmaren skapar temperaturavläsningar vid de två givarna. Dessa två avläsningar, tillsammans med avläsningen från gastemperaturgivaren, avläses av en inbyggd signalprocessor och kombineras med de lagrade kalibreringsinställningarna för den aktuella gasen, vilket ger en exakt avläsning av volymflödet oberoende av tryck och temperatur.

Den typiska stabiliseringstiden för massflödesregulatorn SFC5500 är mindre än 100 ms, vilket möjliggör noggranna avläsningar vid snabba förändringar i temperatur-, tryck- och flödesförhållanden. Eftersom CMOSens-tekniken kompenserar för temperatur och tryck har den här konfigurationen ingen avvikelse över tid, så en SFC5500 behöver aldrig kalibreras på fältet om inte målgasen ändras.

Massflödesregulator baserad på CMOSens

Ett exempel på en massflödesregulator i familjen SFC5500 är SFC5500-200SLM. Det är en flödesregulator med hög volym som är utformad och kalibrerad för enbart luft, kväve och syre. Kväve- och luftgaser stöds med ett maximalt volymflöde i full skala på 200 SLM och en specificerad kontrollnoggrannhet på 0,10 % av flödet i full skala eller 0,20 SLM. Syrgasflödet stöds med ett maximalt volymflöde i full skala på 160 SLM, en specificerad kontrollnoggrannhet på 0,20 % av flödet i full skala eller 0,32 SLM. Sensirion anger att noggrannheten för denna enhet kan försämras något om gasflödet överstiger 100 SLM. SFC5500-200SLM är konstruerad för att möjliggöra precisionsreglering av luft eller syre utan kalibrering under drift.

Sensirion SFC5500-200SLM ansluts till en värddator via en vanlig RS-485 DB-9-kontakt. Kommunikationsprotokolllen DeviceNet och IO-Link stöds också. Anslutningarna för gasingång och gasutgång är Legris kompressionskopplingar med en ytterdiameter på 10 mm. Den är kompatibel med vanliga 10 mm gaskopplingar.

För andra gaser erbjuder Sensirion massflödesmätaren SFC5500-10SLM för flera gaser. Förutom luft, kväve och syre har regulatorn även stöd för väte, helium, argon, koldioxid, lustgas och metan. Den stöder ett maximalt fullskaligt flöde på 10 SLM för alla gaser utom lustgas, argon och koldioxid, med ett fullskaligt flöde på 5 SLM. Den lägsta noggrannheten är 0,30 % av det fullskaliga flödet. Den har stöd för samma kommunikationsgränssnitt som SFC5500-200SLM. Anslutningar för gasingång och gasutgång är Legris kompressionskopplingar med en ytterdiameter på 6 mm som är kompatibla med vanliga 6 mm gaskopplingar.

SFC5500-10SLM ger flexibilitet för att stödja flera gaser med en enda styrenhet, vilket förenklar lagerhanteringen. Regulatorn måste konfigureras och förkalibreras innan den tas i drift för den målgas som ska styras. Den kan inte användas för någon annan gas utan att konfigureras om.

Konfigurering och utveckling

Massflödesregulatorerna SFC5000 måste förkonfigureras för målgasen innan de tas i drift. Eftersom olika gaser har olika densitet och egenskaper kräver varje gas olika inställningar och kalibreringar. Sensirion erbjuder utvärderingssatsen EK-F5X för SFC5500-serien (figur 3) för att underlätta konfigurering, kalibrering och utvärdering. Observera att satsen inte innehåller någon massflödesregulator.

Figur 3: Med utvärderingssatsen EK-F5X från Sensirion kan utvecklare konfigurera, kalibrera och utvärdera massflödesregulatorerna SFC5500 (ingår inte i satsen) innan de tas i bruk. (Bildkälla: Sensirion)

För att konfigurera en SFC5500 för service måste den först anslutas till den gas som ska styras. Utvärderingssatsen EK-F5X levereras med en anpassad DB-9-kabel som ansluts till DB-9-kontakten ovanpå SFC5500. DB-9-kabeln delas upp i en växelströmsadapter för strömförsörjning av SFC5500 under drift och en USB-kontakt för anslutning till en värddator. Ett USB-minne med värddatorns drivrutin för SFC5500 medföljer, tillsammans med visningsprogrammet SFC5000, som båda måste läsas in på värddatorn innan du ansluter den via USB. SFC5500 ansluts först till strömmen och sedan ansluts USB-kontakten till värddatorn. Efter de vanliga pipen när datorn bekantar sig med den USB-anslutna SFC5500, startar visningsprogrammet SFC5xxx och frågar vilken COM-port som ska konfigureras. Programmet visar sedan alla tillgängliga kalibreringar för respektive gas som stöds av den aktuella SFC5500, tillsammans med tillgängliga kalibreringar (figur 4).

Figur 4: Visningsprogrammet SFC5500 från Sensirion innehåller ett urval av kalibreringar för respektive gas som stöds av den anslutna enheten. (Bildkälla: Sensirion)

Visningsprogrammet SFC5xxx visar den anslutna varianten av SFC5500 med dess serienummer och version av det inbyggda programmet, tillsammans med konfigurationen för COM-porten. Fliken System väljs vid start och visar tillgängliga flödeskalibreringar markerade med grönt, där den aktiva kalibreringen markeras med rött. För att ändra en kalibrering högerklickar du på kalibreringen för målgasen och väljer sedan "Läs in kalibrering" (Load Calibration). Den anslutna SFC5500 kalibreras nu för den valda gasen. Kalibreringen lagras i EEPROM så det är inte nödvändigt att kalibrera om efter att strömmen slagits av och på. Det är bara nödvändigt att kalibrera om enheten när en annan gas ska användas.

Efter kalibrering väljer du fliken Datavisning (Data Display). Fliken ställer in och styr gasflödet, som kan ställas in på en konstant flödeshastighet eller så kan en anpassad vågform genereras för att variera flödet. SFC5500 är nu kalibrerad och konfigurerad för automatisk drift.

För mer komplicerade tillämpningar där flödet måste varieras via programmet kan SFC5500 styras via DeviceNet. På fliken DeviceNet konfigurerar man MAC ID och baudrate för DeviceNet. Flödet kan enkelt fjärrstyras via DeviceNet genom att skicka 0x0000 till enheten för inget flöde, 0xFFFF för fullt flöde eller något värde däremellan. Detta gör det möjligt att utföra komplicerad flödesstyrning, och möjliggör en snabb och enkel fjärravstängning av gasflödet, vilket är användbart i nödsituationer.

Sammanfattning

Noggrann styrning av industrigaser är avgörande för industriella processer. Medan avvikelser i kalibrering kan kräva regelbunden omkalibrering för att bibehålla noggrannheten, kan ny teknik för gasmätning eliminera detta behov, vilket leder till förbättrad effektivitet, minskat underhåll och totala kostnadsbesparingar på lång sikt.