Številni industrijski avtomatizirani (IA) in proizvodni obrati za različne procese in aplikacije pogosto zahtevajo uporabo plinov, kot so zrak, kisik, dušik, vodik, helij in argon. Te uporabe vključujejo čiščenje, rezanje, varjenje in kemično proizvodnjo.
V mnogih primerih precizna oprema in kemični procesi zahtevajo izjemno natančni nadzor plina, da bi se izognili okvaram opreme, ki jih je težko diagnosticirati, ali neuspešnim procesom. Poleg tega lahko prekomerni pretok plina povzroči izgubo učinkovitosti, skupaj z dodatnimi stroški, povezanimi z zamenjavo plinskega rezervoarja.
Natančen pretok plina, merjen v standardnih litrih na minuto (SLM), je zanimiva težava, saj na natančnost merjenja vplivajo tlak in temperatura ter natančnost senzorskega mehanizma. Standardni regulatorji masnega pretoka se običajno uporabljajo za nadzor pretoka plina, vendar lahko sčasoma izgubijo na natančnosti in zahtevajo občasno umerjanje, medtem ko so še v uporabi, kar poveča stroške med življenjsko dobo. Tehnološki napredek je privedel do uporabe mikrotermičnih meritev temperatur plina za določitev natančnega volumskega pretoka SLM.
Ta članek obravnava pomen industrijskih plinov in težave, ki so posledica nenatančnega nadzora pretoka plina. Nato si ogleda regulatorje masnega pretoka podjetja Sensirion [1] z napredno tehnologijo zaznavanja pretoka plina in razloži, kako jih nastaviti in učinkovito uporabiti za znižanje skupnih stroškov, hkrati pa izboljšati učinkovitost, zanesljivost in produktivnost.
Industrijski plini potrebujejo natančen nadzor
Industrijski objekti uporabljajo različne pline za različne namene glede na lastnosti posameznih plinov. Nekateri sistemi, kot so sistemi za ogrevanje, prezračevanje in klimatizacijo (HVAC), lahko dopuščajo majhne napake pri nadzoru pretoka plina, vendar precizna oprema, kot so kemično naparevanje (CVD), plinska in tekočinska kromatografija ter masna spektrometrija, zahtevajo izjemno natančni nadzor plinov, da bi se izognili okvaram opreme ali neuspešnim procesom. Te vrste okvar je težko diagnosticirati in lahko povzročijo dolgotrajne in drage izpade.
Vnetljivi plini, kot so vodik, acetilen in butan, se mešajo s kisikom, da ustvarijo toploto, plamen ali nadzorovano eksplozijo. Pline je treba mešati skupaj v ustrezni koncentraciji za postopek. Tako kot v avtomobilskem motorju z notranjim zgorevanjem lahko mešanica vnetljivega plina, ki je preveč pusta ali prebogata, povzroči plamen neustrezne temperature, kar vodi do neučinkovitega ali neuspešnega procesa.
Stisnjeni plini, kot so kisik, dušikov oksid in zrak, se uporabljajo kot oksidanti in tudi za pomoč pri zgorevanju. Premalo stisnjenega plina lahko povzroči neuspešen kemični proces, medtem ko preveč plina povzroči izgubo učinkovitosti, tratenje plina in povečanje stroškov.
Inertni plini, kot so argon, ogljikov dioksid in dušik, se pogosto uporabljajo za kritične varnostne operacije, kot je nadzor požara ali oksidacije, ter tudi za zatiranje nekaterih kemičnih reakcij. Premajhna količina plina lahko povzroči neuspešno gašenje požara, medtem ko prevelika količina porabi plin in poveča s tem povezane stroške.
Krmiljenje pretoka plina z industrijskimi regulatorji masnega pretoka
Regulatorji masnega pretoka se uporabljajo za odmerjanje ustrezne količine plina. V svoji najpreprostejši obliki so regulatorji masnega pretoka popolnoma ročni in ne potrebujejo napajanja. Volumen plina nastavite z vrtenjem gumba na ustrezno nastavitev. Vendar pa ročni regulatorji masnega pretoka merijo prostornino le pri sobni temperaturi in ne morejo upoštevati sprememb prostornine zaradi sprememb tlaka ali temperature plina. Zaradi tega se za natančno regulacijo plinov uporabljajo elektronski regulatorji masnega pretoka.
Merska enota SLM za prostorninski pretok industrijskih plinov je opredeljena kot en liter pretoka plina v eni minuti pri standardni temperaturi plina 0 °C/32 °F in standardnem absolutnem tlaku plina 1 bar. Prostornina katerega koli plina se spreminja glede na temperaturo in tlak, zato mora biti krmilnik masnega pretoka sposoben upoštevati spremembe okoljskih pogojev in ustrezno spreminjati prostornino pretoka. Večina elektronskih regulatorjev masnega pretoka je umerjenih za ciljni plin, da se zagotovi natančen nadzor pretoka nad spremembami temperature in tlaka, vendar se to umerjanje sčasoma pogosto zamakne, kar zahteva občasno ponovno kalibracijo med uporabo. To poveča vzdrževanje, medtem ko preskočeno umerjanje zmanjša učinkovitost sistema.
Natančni regulatorji masnega pretoka brez umerjanja med obratovanjem
Rešitev za to je natančna družina regulatorjev masnega pretoka, ki ne zahteva umerjanja med obratovanjem. Sensirion ima rešitev s svojimi regulatorji masnega pretoka serije SFC5500 [2] (slika 1). Serija SFC5500 uporablja mikrotermično merjenje temperatur plina za natančno določitev meritve prostornine SLM, ne glede na spremembe temperature in tlaka plina.
Tehnologija volumskega pretoka plina podjetja Sensirion, imenovana CMOSens, natančno meri prostornino plina skozi kanal za pretok plina. CMOSens je splošen izraz za pristop podjetja Sensirion, ki združuje zaznavanje, kondicioniranje signala in obdelavo na eni sami napravi CMOS za natančen nadzor v majhni napravi (slika 2, zgoraj).
Pri izvedbi merjenja pretoka plina s pomočjo CMOSens so temperaturni senzorji nameščeni v pretoku navzgor in navzdol, vmes pa je nastavljiv grelnik nameščen na membrani, ki je stabilizirana s tlakom (slika 2, spodaj). Tretji temperaturni senzor zazna temperaturo plina.
Pretok plina čez dva senzorja in grelnik ustvarjata odčitke temperature na dveh senzorjih. Ta dva odčitka, skupaj z odčitkom senzorja temperature plina, odčita integriran signalni procesor in jih kombinira s shranjenimi nastavitvami kalibracije za določen plin, kar zagotavlja natančno odčitavanje prostorninskega pretoka ne glede na tlak in temperaturo.
Tipičen čas poravnave za regulatorje masnega pretoka SFC5500 je manj kot 100 milisekund (ms), kar omogoča natančne odčitke med hitrimi spremembami temperature, tlaka in pogojev pretoka. Ker tehnologija CMOSens kompenzira temperaturo in tlak, ima ta konfiguracija sčasoma ničelni zamik, zato SFC5500 nikoli ne potrebuje ponovnega umerjanje na terenu, razen če se spremeni ciljni plin.
Regulator masnega pretoka na osnovi CMOSen
Primer regulatorja masnega pretoka SFC5500 je SFC5500-200SLM [3]. Je regulator pretoka velike količine, zasnovan in umerjen samo za zrak, dušik in kisik. Dušik in zračni plini so podprti z največjim volumskim pretokom celotne skale v višini 200 SLM in določeno natančnostjo nadzora 0,10 % celotnega pretoka ali 0,20 SLM. Pretok plina s kisikom je podprt z največjo stopnjo pretoka celotne skale v višini 160 SLM, z določeno natančnostjo nadzora 0,20 % celotnega pretoka ali 0,32 SLM. Sensirion navaja, da se lahko natančnost te enote nekoliko poslabša, če je pretok plina nad 100 SLM. Zasnova SFC5500-200SLM je taka, da omogoča natančen nadzor zraka ali kisika brez umerjanja med obratovanjem.
Sensirion SFC5500-200SLM se povezuje z gostiteljskim računalnikom s skupnim priključkom RS-485 DB-9. Podprte so tudi DeviceNet in IO-Link komunikacije. Priključki za vstop in izstop plina so kompresijski priključki Legris z zunanjim premerom 10 milimetrov (mm). To je združljivo s standardnimi 10 mm plinskimi priključki.
Za podporo drugim plinom ponuja Sensirion večnamenski merilnik masnega pretoka plina SFC5500-10SLM [4]. Poleg zraka, dušika in kisika ta krmilnik podpira tudi vodik, helij, argon, ogljikov dioksid, dušikov oksid in metan. Podpira največji pretok celotnega obsega v višini 10 SLM za vse pline, razen dušikovega oksida, argona in ogljikovega dioksida, s pretokom v celotnem obsegu 5,0 SLM. Natančnost v najslabšem primeru je 0,30 % celotnega pretoka. Podpira enake komunikacijske vmesnike kot SFC5500-200SLM. Priključki za vstop in izstop plina so kompresijski priključki Legris z zunanjim premerom 6 mm, združljivi s standardnimi 6-mm plinskimi priključki.
SFC5500-10SLM zagotavlja prilagodljivost za podporo več plinov z enim regulatorjem, kar poenostavlja inventar. Regulator mora biti konfiguriran in predhodno umerjen, preden se zažene za ciljni plin, ki se nadzoruje. Brez ponovne konfiguracije ga ni mogoče uporabiti za drug plin.
Konfiguracija in razvoj
Regulatorji masnega pretoka SFC5500 morajo biti pred začetkom delovanja vnaprej konfigurirani za ciljni plin. Ker imajo različni plini različno gostoto in lastnosti, vsak plin zahteva drugačno nastavitev in umerjanje. Za pomoč pri konfiguraciji, umerjanju in ocenjevanju ponuja Sensirion ocenjevalni komplet EK-F5X [5] za serijo SFC5500 (slika 3). Upoštevajte, da komplet ne vključuje regulatorja masnega pretoka.
Če želite konfigurirati SFC5500 za servis, ga morate najprej povezati s plinom, ki ga nadzorujete. Razvojni komplet EK-F5X je opremljen s kablom DB-9 po meri, ki je priključen v priključek DB-9 na vrhu enote SFC5500. Kabel DB-9 se odcepi v enosmerni adapter za napajanje enote SFC5500 med delovanjem in na priključek USB za povezovanje z gostiteljskim računalnikom. USB pogon je priložen gonilniku naprave SFC5500 za gostiteljski računalnik, skupaj s programsko opremo za pregledovanje SFC5000 [6], ki morata biti oba naložena v gostiteljski računalnik, preden se povežete preko USB. Enota SFC5500 je najprej priključena na napajanje, nato se USB priključek priključi na gostiteljski računalnik. Po običajnih piskih, ko se računalnik seznani z enoto SFC5500, ki je povezana z USB, se programska oprema za pregledovanje SFC5xxx zažene in zahteva, da se konfigurirajo vrata COM. Programska oprema nato prikaže vse razpoložljive kalibracije za vsak plin, ki ga podpira določena enota SFC5500, skupaj z razpoložljivimi kalibracijami (slika 4).
Programska oprema pregledovalnika SFC5xxx prikazuje različico SFC5500, povezano z njeno serijsko številko in različico vdelane programske opreme, skupaj s konfiguracijo COM vrat. Zavihek System (Sistem) je izbran ob zagonu in prikazuje razpoložljive kalibracije pretoka, označene z zeleno, aktivna kalibracija pa je označena z rdečo. Če želite spremeniti kalibracijo, z desno miškino tipko kliknete kalibracijo za ciljni plin, nato izberete »Load Calibration« (Naloži kalibracijo). Priključena enota SFC5500 je zdaj umerjena za izbrani plin. Kalibracija je shranjena v EEPROM-u, tako da po ciklu napajanja enote ni treba ponovno umerjati. Ponovno umerjanje je potrebno le, če se enota uporablja za drug plin.
Po umerjanju je izbran zavihek Prikaz podatkov. Ta zavihek nastavlja in nadzira pretok plina, ki ga lahko nastavite na konstanten pretok ali pa ustvarite valovno obliko po meri za spreminjanje pretoka. Enota SFC5500 je zdaj umerjena in konfigurirana za samodejno delovanje.
Za bolj zapletene aplikacije, kjer je treba pretok programsko spreminjati, lahko enoto SFC5500 krmili DeviceNet. Zavihek DeviceNet konfigurira DeviceNet MAC ID in hitrost prenosa. Pretok je enostavno nadzorovan na daljavo preko DeviceNet tako, da enoti pošljete 0x0000 za brez pretoka, 0xFFFF za pretok v celotnem obsegu ali katero koli vmesno vrednost. To omogoča zapletene operacije nadzora pretoka, omogoča pa tudi hitro in enostavno daljinsko zaustavitev pretoka plina, kar je uporabno v izrednih razmerah.
Zaključek
Natančen nadzor industrijskih plinov je ključnega pomena v industrijskih procesih. Medtem ko lahko zamik kalibracije zahteva občasno ponovno kalibracijo za ohranjanje natančnosti, lahko nove tehnologije merjenja plina odpravijo to potrebo, kar vodi do izboljšane učinkovitosti, zmanjšanja vzdrževanja in dolgoročnih prihrankov pri skupnih stroških.
Viri:
https://www.digikey.si/en/supplier-centers/sensirion
https://www.digikey.si/en/product-highlight/s/sensirion/sfc5500-series-multi-gas-mass-flow-sensor
https://www.digikey.si/en/products/detail/sensirion-ag/SFC5500-200SLM/14122692
https://www.digikey.si/en/products/detail/sensirion-ag/SFC5500-200SLM/14122692đ
https://www.digikey.si/en/products/detail/sensirion-ag/EK-F5X/14122690
https://sensirion.com/resource/viewer_software/sfc5xxx
