Dokładne monitorowanie i regulacja przepływu gazu w zastosowaniach przemysłowych

Wiele zakładów automatyki przemysłowej (IA) i produkcyjnych często wymaga użycia w różnych procesach i zastosowaniach gazów, takich jak powietrze, tlen, azot, wodór, hel i argon. Zastosowania te obejmują czyszczenie, cięcie, spawanie i produkcję chemiczną. W wielu przypadkach precyzyjny sprzęt i procesy chemiczne wymagają niezwykle precyzyjnej regulacji gazów, aby uniknąć trudnych do zdiagnozowania awarii sprzętu lub nieudanych procesów. Ponadto nadmierny przepływ gazu może spowodować utratę efektywności oraz wygenerować dodatkowe koszty związane z wymianą zbiornika gazu.

Precyzyjny przepływ gazu, mierzony w standardowych litrach na minutę (SLM), jest interesującym problemem, ponieważ na dokładność pomiaru mają wpływ ciśnienie i temperatura, a także dokładność mechanizmu pomiarowego. Do regulacji przepływu gazu powszechnie stosuje się standardowe masowe regulatory przepływu, jednak z upływem czasu mogą one tracić dokładność i wymagać okresowej kalibracji podczas pracy, co zwiększa koszty eksploatacji. Postęp technologiczny umożliwił zastosowanie mikrotermicznego pomiaru temperatury gazu w celu dokładnego określenia precyzyjnego przepływu objętościowego w standardowych litrach na minutę (SLM).

W artykule omówiono znaczenie gazów przemysłowych oraz problemy wynikające z niedokładnej regulacji ich przepływu. W dalszej części zaprezentowano masowe regulatory przepływu firmy Sensirion z zaawansowaną technologią wykrywania przepływu gazu oraz wyjaśniono sposób ich konfigurowania i efektywnego wykorzystywania, aby obniżyć ogólne koszty przy jednoczesnej poprawie wydajności, niezawodności i produktywności.

Gazy przemysłowe wymagają precyzyjnej regulacji

W obiektach przemysłowych wykorzystuje się różne gazy do różnych zastosowań, w zależności od ich właściwości. Niektóre instalacje, takie jak instalacje grzewcze, wentylacyjne i klimatyzacyjne (HVAC) mogą wybaczać drobne błędy w regulacji przepływu gazu, ale precyzyjne urządzenia np. wykorzystujące proces osadzania chemicznego z fazy gazowej (CVD), chromatografii gazowej i cieczowej oraz spektrometrii mas, wymagają niezwykle precyzyjnej regulacji gazów w celu uniknięcia wadliwego działania sprzętu lub nieudanych procesów. Tego typu awarie są trudne do zdiagnozowania i mogą skutkować długimi i kosztownymi przestojami.

Gazy łatwopalne, takie jak wodór, acetylen i butan, są mieszane z tlenem w celu wytworzenia ciepła, płomienia lub kontrolowanej eksplozji. Gazy muszą być ze sobą mieszane w odpowiednim dla procesu stężeniu. Podobnie jak w silniku spalinowym samochodu, zbyt uboga lub bogata mieszanka gazów palnych może wytworzyć płomień o niewłaściwej temperaturze, co będzie skutkować nieefektywnym lub nieprawidłowym procesem.

Sprężone gazy, takie jak tlen, tlenek azotu i powietrze, są wykorzystywane jako utleniacze, a także wspomagają spalanie. Zbyt mała ilość sprężonego gazu może skutkować niepowodzeniem procesu chemicznego, podczas gdy zbyt duża ilość gazu powoduje utratę wydajności, marnowanie gazu i wzrost kosztów.

Gazy obojętne, takie jak argon, dwutlenek węgla i azot, są często wykorzystywane do procesów krytycznych z punktu widzenia bezpieczeństwa, takich jak kontrola spalania lub utleniania, a także do tłumienia niektórych reakcji chemicznych. Zbyt mała ilość gazu może skutkować nieskuteczną czynnością gaszenia ognia, podczas gdy zbyt duża powoduje straty gazu i generuje zwiększone koszty.

Regulacja przepływu gazu za pomocą przemysłowych masowych regulatorów przepływu

Masowe regulatory przepływu służą do dozowania odpowiednich objętości gazu. W swojej najprostszej postaci masowe regulatory przepływu są całkowicie ręczne i nie wymagają zasilania. Objętość gazu reguluje się obracając pokrętło do odpowiedniego położenia. Jednak ręczne masowe regulatory przepływu mierzą objętość tylko w temperaturze otoczenia i nie mogą uwzględniać zmian objętości spowodowanych zmianami ciśnienia lub temperatury gazu. Z tego powodu do precyzyjnej regulacji gazów stosuje się elektroniczne masowe regulatory przepływu.

Jednostkę miary SLM dla przepływu objętościowego gazów przemysłowych definiuje się jako jeden litr przepływu gazu w ciągu jednej minuty przy standardowej temperaturze gazu wynoszącej 0°C/32°F i standardowym ciśnieniu bezwzględnym gazu wynoszącym 1bar. Objętość każdego gazu zmienia się w zależności od temperatury i ciśnienia, więc masowy regulator przepływu musi być w stanie uwzględnić zmiany warunków otoczenia i odpowiednio zmieniać objętość przepływu. Aby zapewnić dokładność regulacji przepływu gazu przy zmianach temperatury i ciśnienia, większość elektronicznych masowych regulatorów przepływu kalibruje się dla gazu docelowego, ale często z biegiem czasu ulegają one rozregulowaniu, wymagając okresowej ponownej kalibracji podczas eksploatacji. Pominięcie ponownej kalibracji będzie powodować obniżenie efektywności systemu, natomiast jej dokonanie będzie wiązać się z dodatkowymi pracami konserwacyjnymi.

Precyzyjne masowe regulatory przepływu bez kalibracji podczas eksploatacji

Rozwiązaniem tego problemu jest grupa precyzyjnych masowych regulatorów przepływu, które nie wymagają kalibracji podczas eksploatacji. Firma Sensirion oferuje rozwiązanie w postaci masowych regulatorów przepływu serii SFC5500 (ilustracja 1). Seria regulatorów SFC5500 do precyzyjnego pomiaru objętości SLM niezależnie od zmian temperatury i ciśnienia gazu wykorzystuje mikrotermiczny pomiar temperatury gazu.

Ilustracja 1: grupa masowych regulatorów przepływu SFC5500 firmy Sensirion do precyzyjnego pomiaru objętości gazu przepływającego przez kanał gazu niezależnie od zmian temperatury i ciśnienia gazu wykorzystuje technologię mikrotermiczną CMOSens. (Źródło ilustracji: Sensirion)

Technologia CMOSens firmy Sensirion służy do precyzyjnego pomiaru objętości gazu przepływającego przez kanał. CMOSens to ogólny termin określający podejście firmy Sensirion, które łączy funkcje pomiaru, kondycjonowania sygnału i przetwarzania w jednym urządzeniu CMOS w celu realizacji precyzyjnej regulacji w małym urządzeniu (ilustracja 2, u góry).

Ilustracja 2: urządzenie CMOSens łączy w sobie funkcje wykrywania, kondycjonowania sygnału i przetwarzania (u góry). W pomiarze przepływu gazu (u dołu) czujniki temperatury i powiązane z nimi procesy przetwarzania realizują precyzyjne pomiary mikrotermiczne. (Źródło ilustracji: Sensirion)

W instalacjach do pomiaru przepływu gazu wykorzystujących technologię CMOSens, czujniki temperatury są umieszczone na wlocie i wylocie, a regulowana grzałka zamontowana jest na membranie stabilizowanej ciśnieniowo (ilustracja 2, na dole). Trzeci czujnik temperatury mierzy temperaturę gazu.

Przepływ gazu nad dwoma czujnikami i grzałką generuje odczyty temperatury na wspomnianych dwóch czujnikach. Te dwa odczyty, wraz z odczytem czujnika temperatury gazu, są pobierane przez zintegrowany procesor sygnałów i łączone z zapisanymi ustawieniami kalibracji dla konkretnego gazu, dając dokładny odczyt przepływu objętościowego niezależnie od ciśnienia i temperatury.

Typowy czas ustalania się dla masowych regulatorów przepływu SFC5500 wynosi mniej niż 100ms, co pozwala na dokładne odczyty podczas szybkich zmian temperatury, ciśnienia i warunków przepływu. Ponieważ technologia CMOSens kompensuje temperaturę i ciśnienie, w tej konfiguracji dryft w czasie jest zerowy, co oznacza, że regulator SFC5500 nigdy nie wymaga ponownej kalibracji w trakcie eksploatacji, chyba że zmieni się gaz docelowy.

Masowy regulator przepływu oparty na technologii CMOSens

Przykładowym masowym regulatorem przepływu SFC5500 jest urządzenie SFC5500-200SLM. Jest to regulator przepływu o dużej objętości, zaprojektowany i skalibrowany tylko dla powietrza, azotu i tlenu. Azot i powietrze są obsługiwane przy maksymalnym natężeniu pełnoskalowego przepływu objętościowego 200SLM i określonej w specyfikacji dokładności regulacji 0,10% przepływu pełnoskalowego lub 0,20SLM. Przepływ tlenu jest obsługiwany przy maksymalnym natężeniu przepływu pełnoskalowego 160SLM, z określoną w specyfikacji dokładnością regulacji 0,20% przepływu pełnoskalowego lub 0,32SLM. Firma Sensirion podaje, że dokładność tego urządzenia może ulec nieznacznemu pogorszeniu, gdy przepływ gazu przekroczy 100SLM. Konstrukcja regulatora SFC5500-200SLM umożliwia precyzyjną regulację powietrza lub tlenu bez kalibracji podczas eksploatacji.

Regulator SFC5500-200SLM firmy Sensirion łączy się z komputerem hosta za pomocą popularnego złącza RS-485 DB-9. Obsługiwana jest również komunikacja DeviceNet i IO-Link. Przyłącza dopływu i odpływu gazu mają postać złączek zaciskowych Legris o średnicy zewnętrznej 10mm. Są one zgodne ze standardowymi złączami gazowymi 10mm.

Do obsługi innych gazów firma Sensirion oferuje wielogazowy przepływomierz masowy SFC5500-10SLM. Oprócz powietrza, azotu i tlenu, omawiany regulator obsługuje również wodór, hel, argon, dwutlenek węgla, podtlenek azotu i metan. Obsługuje on maksymalny przepływ pełnoskalowy 10SLM dla wszystkich gazów z wyjątkiem podtlenku azotu, argonu i dwutlenku węgla, dla których przepływ pełnoskalowy wynosi 5,0SLM . Dokładność w najgorszym przypadku wynosi 0,30% przepływu pełnoskalowego. Regulator posiada te same interfejsy komunikacyjne co model SFC5500-200SLM. Przyłącza dopływu i odpływu gazu mają postać złączek zaciskowych Legris o średnicy zewnętrznej 6mm, kompatybilne ze standardowymi złączkami gazowymi 6mm.

Regulator SFC5500-10SLM zapewnia elastyczność obsługi wielu gazów za pomocą jednego urządzenia, co upraszcza zarządzanie zapasami. Przed uruchomieniem regulator wymaga konfiguracji i wstępnej kalibracji pod kątem regulowanego gazu docelowego. Nie można go używać do innego gazu bez ponownej konfiguracji.

Konfiguracja i rozwój

Masowe regulatory przepływu SFC5500 przed uruchomieniem wymagają wstępnej konfiguracji pod kątem gazu docelowego. Ponieważ różne gazy mają różne gęstości i właściwości, każdy gaz wymaga innej konfiguracji i kalibracji. Aby ułatwić konfigurację, kalibrację i ewaluację, firma Sensirion oferuje zestaw ewaluacyjny EK-F5X do serii SFC5500 (ilustracja 3). Należy pamiętać, że zestaw nie zawiera masowego regulatora przepływu.

Ilustracja 3: zestaw ewaluacyjny EK-F5X firmy Sensirion umożliwia deweloperom konfigurację, kalibrację i ewaluację masowych regulatorów przepływu SFC5500 (nie dostarczone w zestawie) przed oddaniem ich do użytku. (Źródło ilustracji: Sensirion)

Aby skonfigurować regulator SFC5500 do pracy, należy go najpierw podłączyć do regulowanego gazu. Zestaw ewaluacyjny EK-F5X jest dostarczany z niestandardowym kablem DB-9, podłączanym do złącza DB-9 w górnej części regulatora SFC5500. Kabel DB-9 rozgałęzia się na zasilacz prądu zmiennego do zasilania regulatora SFC5500 podczas pracy oraz złącze USB do podłączenia do komputera hosta. W zestawie dostarczany jest pendrive USB zawierający sterownik urządzenia SFC5500 dla komputera hosta oraz oprogramowanie przeglądarki SFC5xxx. Oba te elementy programowe trzeba wgrać do komputera hosta przed nawiązaniem połączenia USB. Regulator SFC5500 należy najpierw podłączyć do zasilania, a następnie podłączyć złącze USB do komputera hosta. Po wyemitowaniu standardowego sygnału dźwiękowego, gdy komputer rozpoznaje regulator SFC5500 podłączony przez USB, nastąpi uruchomienie oprogramowania przeglądarki SFC5xxx i pojawi się monit o skonfigurowanie portu COM. Oprogramowanie wyświetla następnie wszystkie dostępne kalibracje dla poszczególnych gazów obsługiwanych przez dany regulator SFC5500 (ilustracja 4).

Ilustracja 4: oprogramowanie przeglądarki SFC5xxx firmy Sensirion umożliwia wybór kalibracji dla poszczególnych gazów obsługiwanych przez podłączone urządzenie. (Źródło ilustracji: Sensirion)

Oprogramowanie przeglądarki SFC5xxx wyświetla wariant podłączonego urządzenia SFC5500 oraz jego numer seryjny i wersję oprogramowania wraz z konfiguracją portu COM. Po uruchomieniu oprogramowania aktywna jest karta System, na której dostępne kalibracje przepływu są wyświetlane kolorem zielonym, a kalibracje aktywne kolorem czerwonym. Aby zmienić kalibrację, należy kliknąć prawym przyciskiem myszy kalibrację dla gazu docelowego, a następnie wybrać opcję „Load Calibration” (Załaduj kalibrację). Podłączony regulator SFC5500 jest teraz skalibrowany dla wybranego gazu. Kalibracje są przechowywane w pamięci EEPROM, dlatego nie ma konieczności ponownego przeprowadzania kalibracji po wyłączeniu i włączeniu zasilania. Ponowna kalibracja jest konieczna tylko wtedy, gdy urządzenie jest używane do innego gazu.

Po zakończeniu kalibracji należy wybrać kartę Data Display (Wyświetlanie danych). Ta karta służy do ustawiania i regulacji przepływu gazu. Natężenie przepływu można ustawić na wartość stałą lub można wygenerować niestandardową krzywą pozwalającą na jego zmienność. Regulator SFC5500 jest teraz skalibrowany i skonfigurowany do pracy automatycznej.

W przypadku bardziej złożonych zastosowań, w których przepływ musi być zmieniany programowo, regulator SFC5500 może być sterowany przez protokół DeviceNet. Karta DeviceNet pozwala skonfigurować identyfikator MAC DeviceNet i szybkość transmisji danych. Przepływ można łatwo regulować zdalnie przez protokół DeviceNet, wysyłając do urządzenia sygnał 0x0000 w przypadku braku przepływu, 0xFFFF w przypadku przepływu pełnoskalowego lub dowolną wartość pośrednią. Pozwala to na wykonywanie złożonych operacji regulowania przepływu oraz na szybkie i łatwe zdalne odcinanie przepływu gazu, przydatne w sytuacjach awaryjnych.

Podsumowanie

Dokładna regulacja gazów przemysłowych ma kluczowe znaczenie w procesach przemysłowych. Podczas gdy dryft kalibracji może wymagać okresowej ponownej kalibracji w celu utrzymania dokładności, nowe technologie pomiaru gazów pozwalają wyeliminować tę potrzebę, co skutkuje lepszą wydajnością, zmniejszonymi wymogami konserwacji i oszczędnościami w kosztach ogólnych w dłuższej perspektywie.