Hvordan overvåke og regulere gasstrøm i industrielle konstruksjoner på en nøyaktig måte

Mange anlegg for industriautomasjon (IA) og produksjon krever ofte bruk av gasser som luft, oksygen, nitrogen, hydrogen, helium og argon for ulike prosesser og bruksområder. Disse bruksområdene omfatter rengjøring, skjæring, sveising og kjemisk produksjon. I mange tilfeller krever presisjonsutstyr og kjemiske prosesser ekstremt fin regulering av gasser for å unngå utstyrsfeil som er vanskelig å diagnostisere eller feilslåtte prosesser. Overskytende gasstrøm kan også føre til tap av effektivitet, samt ekstra kostnader forbundet med utskifting av gassbeholdere.

Nøyaktig gasstrøm, målt i standard liter per minutt (SLM), er et interessant problem siden målingsnøyaktigheten påvirkes av trykk og temperatur, i tillegg til nøyaktigheten til sensormekanismen. Standard massestrømregulatorer brukes ofte til å regulere gasstrømmen, men disse kan miste nøyaktighet over tid og kreve periodisk kalibrering mens de fortsatt er i drift, noe som dermed øker levetidskostnadene. Teknologiske fremskritt har ført til bruken av mikrotermisk måling av gasstemperaturer for å nøyaktig fastsette den nøyaktige SLM-volumstrømmen.

Denne artikkelen tar for seg viktigheten av industrigasser og problemene som følger av unøyaktig regulering av gasstrøm. Den ser deretter på massestrømregulatorer fra Sensirion med avansert teknologi for gasstrømmåling, og forklarer hvordan du konfigurerer og bruker dem på en effektiv måte for å redusere den samlede kostnaden og samtidig forbedre effektivitet, pålitelighet og produktivitet.

Industrigasser trenger nøyaktig regulering

Industrianlegg bruker en rekke gasser til ulike bruksområder basert på egenskapene til de enkelte gassene. Enkelte systemer, for eksempel oppvarmings-, ventilasjons- og klimaanlegg, kan være tilgivende når det kommer til små feil i reguleringen av gasstrøm, men presisjonsutstyr som kjemisk dampavsetning (CVD – chemical vapor deposition), gass- og væskekromatografi og massespektrometri krever ekstremt nøyaktig regulering av gasser for å unngå utstyrsfeil eller feilslåtte prosesser. Disse funksjonsfeiltypene er vanskelige å diagnostisere og kan resultere i langvarig og dyr nedetid.

Brennbare gasser som hydrogen, acetylen og butan blandes med oksygen for å skape varme, flamme eller en kontrollert eksplosjon. Gassene må blandes i riktig konsentrasjon for prosessen. På samme måte som i forbrenningsmotoren i en bil, kan en blanding av brennbar gass som er for mager eller for rik produsere en flamme med feil temperatur, noe som resulterer i en ineffektiv eller mislykket prosess.

Komprimerte gasser som oksygen, nitrogenoksid og luft brukes som oksidasjonsmidler, samt for å hjelpe til med forbrenning. For lite komprimert gass kan resultere i en mislykket kjemisk prosess, mens for mye gass kan resultere i tapt effektivitet, noe som er sløsing med gass og gir økte kostnader.

Inerte gasser som argon, karbondioksid og nitrogen brukes ofte for kritiske sikkerhetsoperasjoner som brann- eller oksidasjonsstyring, samt for å undertrykke noen kjemiske reaksjoner. For lite gass kan resultere i mislykket brannslukking, mens for mye gass er sløsende og øker de relaterte kostnadene.

Regulering av gasstrøm med industrielle massestrømregulatorer

Massestrømregulatorer brukes til å dosere ut riktig gassvolum. I sin enkleste form er massestrømregulatorer fullstendig manuelle og krever ingen strømforsyning. Gassvolumet justeres ved å vri en skive til riktig innstilling. Manuelle massestrømregulatorer måler imidlertid bare volum ved omgivelsestemperatur, og de kan ikke ta hensyn til endringer i volum på grunn av trykk- eller temperaturendringer i gassen. Derfor brukes elektroniske massestrømregulatorer for nøyaktig regulering av gasser.

SLM-enheten for måling av volumstrøm av industrigasser er definert som én liter gasstrøm over ett minutt ved en standard gasstemperatur på 0 °C (32 °F) og et standard absolutt gasstrykk på 1 bar. Volumet til en hvilken som helst gass varierer basert på temperatur og trykk, så massestrømregulatoren må kunne ta hensyn til endringer i omgivelsesforholdene og variere strømningsvolumet i henhold til disse forholdene. De fleste elektroniske massestrømregulatorer er kalibrert for en målgass for å gi nøyaktig strømregulering over variasjoner i temperatur og trykk, men denne kalibreringen utsette ofte for avvik over tid, noe som krever periodisk omkalibrering under drift. Dette øker vedlikeholdet, mens en kalibrering som utelates reduserer systemets effektivitet.

Nøyaktige massestrømregulatorer uten kalibrering under drift

Løsningen er en nøyaktig familie av massestrømregulatorer som ikke krever kalibrering under drift. Sensirion har en løsning med sin SFC5500-serie massestrømregulatorer (figur 1). SFC5500-serien bruker mikrotermisk måling av gasstemperaturer for å nøyaktig fastsette den nøyaktige SLM-volummålingen, uavhengig av endringer i gasstemperatur og -trykk.

Figur 1: Sensirion SFC5500-familien massestrømregulatorer bruker mikrotermisk CMOSens-teknologi til å nøyaktig måle gassvolumet gjennom gasstrømkanalen, uavhengig av temperatur- eller trykkvariasjoner. (Bildekilde: Sensirion)

Sensirion-teknologien for gassvolumstrøm kalles CMOSens, og måler gassvolumet nøyaktig gjennom gasstrømkanalen. CMOSens er en generell betegnelse på Sensirions tilnærming, som kombinerer deteksjon, signalbehandling og prosessering på én enkelt CMOS-enhet, noe som gir nøyaktig regulering over tid i en liten enhet (figur 2, øverst).

Figur 2: CMOSens kombinerer deteksjon, signalbehandling og prosessering på én enkelt CMOS-enhet (øverst). I en konstruksjon for måling av gasstrøm (nederst), utfører temperatursensorer og tilknyttet prosessering mikrotermisk måling for å sikre nøyaktighet. (Bildekilde: Sensirion)

I implementeringen av gasstrømmåling ved hjelp av CMOSens, plasseres temperatursensorer oppstrøms og nedstrøms, med en justerbar varmer montert på en trykkstabilisert membran mellom disse (figur 2, nederst). En tredje temperatursensor registrerer temperaturen til gassen.

Gasstrøm over de to sensorene og varmeren skaper temperaturavlesninger på de to sensorene. Disse to avlesningene, kombinert med sensoravlesningen for gasstemperaturen, avleses av en integrert signalprosessor og kombineres med de lagrede kalibreringsinnstillingene for den bestemte gassen, noe som gir en nøyaktig avlesning av volumstrømmen uavhengig av trykk og temperatur.

Den typiske innsvingningstiden for SFC5500-massestrømregulatorer er mindre enn 100 millisekunder (ms), noe som muliggjør nøyaktige avlesninger under raske endringer i temperatur-, trykk- og strømningsforhold. Fordi CMOSens-teknologien kompenserer for temperatur og trykk, har denne konfigurasjonen null drift over tid. En SFC5500 trenger derfor aldri omkalibreres ute i felten, med mindre målgassen endres.

Massestrømregulator basert på CMOSens

Et eksempel på en SFC5500-massestrømregulator er SFC5500-200SLM. Det er en strømregulator for høyt volum som er konstruert og kalibrert for kun luft, nitrogen og oksygen. Nitrogen- og luftgasser støttes med en maksimal volumstrøm på 200 SLM og en spesifisert reguleringsnøyaktighet på 0,10 % av fullskalastrømmen eller 0,20 SLM. Oksygengasstrøm støttes med en maksimal fullskala strømningshastighet på 160 SLM, med en spesifisert reguleringsnøyaktighet på 0,20 % av fullskalastrømmen eller 0,32 SLM. Sensirion spesifiserer at nøyaktigheten for denne enheten kan forringes noe når gasstrømmen er over 100 SLM. SFC5500-200SLM er konstruert slik at den muliggjør nøyaktig regulering av luft eller oksygen uten kalibrering under drift.

Sensirion SFC5500-200SLM kan kommunisere med en vertsdatamaskin ved å bruke en vanlig RS-485 DB-9-kontakt. DeviceNet- og IO-Link-kommunikasjon støttes også. Inngangs- og utgangsforbindelsene for gass er Legris-kompresjonsrørdeler med en ytre diameter på 10 millimeter (mm). Dette er kompatibelt med standard gassrørdeler på 10 mm.

For å støtte andre gasser, tilbyr Sensirion massestrømmåleren SFC5500-10SLM. I tillegg til luft, nitrogen og oksygen, støtter denne regulatoren også hydrogen, helium, argon, karbondioksid, dinitrogenoksid (lystgass) og metan. Den støtter en maksimal fullskalastrøm på 10 SLM for alle gasser unntatt dinitrogenoksid, argon og karbondioksid, med en fullskalastrøm på 5,0 SLM. I verste fall er nøyaktigheten 0,30 % av fullskalastrømmen. Den støtter de samme kommunikasjonsgrensesnittene som SFC5500-200SLM. Inngangs- og utgangsforbindelsene for gass er Legris-kompresjonsrørdeler med en ytre diameter på 6 mm, og de er kompatible med standard gassrørdeler på 6 mm.

SFC5500-10SLM gir fleksibiliteten som trengs for å støtte flere gasser med én regulator, noe som gjør det enklere å administrere lagerbeholdningen. Regulatoren må konfigureres og forhåndskalibreres før den settes i drift for den aktuelle gassen som skal reguleres. Den kan ikke brukes for en annen gass uten å rekonfigureres.

Konfigurasjon og utvikling

SFC5500-massestrømregulatorene må forhåndskonfigureres for den aktuelle gassen før de settes i drift. Siden ulike gasser har forskjellige tettheter og egenskaper, krever hver gass forskjellig oppsett og kalibrering. For å hjelpe til med konfigurasjon, kalibrering og evaluering, tilbyr Sensirion EK-F5X-evalueringssettet for SFC5500-serien (figur 3). Vær oppmerksom på at settet ikke inkluderer en massestrømregulator.

Figur 3: Sensirion EK-F5X-evalueringssettet gjør det mulig for utviklere å konfigurere, kalibrere og evaluere SFC5500-massestrømregulatorer (følger ikke med i settet) før de settes i drift. (Bildekilde: Sensirion)

For å konfigurere en SFC5500 for service, må den først kobles til gassen som skal reguleres. EK-F5X-evalueringssettet leveres med en tilpasset DB-9-kabel som er koblet til DB-9-kontakten øverst på SFC5500. DB-9-kabelen deler seg i en vekselstrømadapter som strømsetter SFC5500 mens den er i drift, og en USB-kontakt som kan kobles til en vertsdatamaskin. SFC5500-enhetsdriveren for vertsdatamaskinen kommer med en USB-minnepinne, samt SFC5000-visningsprogramvaren, som begge må lastes inn på vertsdatamaskinen før de kobles til via USB. SFC5500 kobles først til strømforsyningen, deretter kobles USB-kontakten til vertsdatamaskinen. Etter de vanlige pipelydene, som er et resultat av at datamaskinen gjør seg kjent med den USB-tilkoblede SFC5500, starter SFC5xxx-visningsprogramvaren og ber om at COM-porten konfigureres. Programvaren viser deretter alle tilgjengelige kalibreringer for hver gass som støttes av den bestemte SFC5500, sammen med tilgjengelige kalibreringer (figur 4).

Figur 4: Sensirion SFC5500-visningsprogramvaren gir et utvalg av kalibreringer for hver gass som støttes av den tilkoblede enheten. (Bildekilde: Sensirion)

SFC5xxx-visningsprogramvaren viser SFC5500-variasjonen som er koblet til med serienummeret og fastvareversjonen, samt COM-portkonfigurasjonen. System-fanen velges ved oppstart og viser tilgjengelige strømkalibreringer markert med grønt, der den aktive kalibreringen er markert med rødt. For å endre en kalibrering, høyreklikkes kalibreringen for den aktuelle gassen, og deretter velges «Last inn kalibrering» (Load Calibration). Den tilkoblede SFC5500 er nå kalibrert for den valgte gassen. Kalibrering lagres i EEPROM, så det er ikke nødvendig å rekalibrere etter en av- og påslåing (power cycle). Det er kun nødvendig å rekalibrere hvis enheten brukes til en annen gass.

Etter kalibrering velges fanen Datavisning (Data Display). Denne kategorien angir og regulerer gasstrømmen, som kan angis til en konstant strømningshastighet, eller en egendefinert bølgeform kan genereres for å variere strømningen. SFC5500 er nå kalibrert og konfigurert for automatisk drift.

For mer komplekse bruksområder der strømningen må varieres programmatisk, kan SFC5500 reguleres av DeviceNet. DeviceNet-fanen konfigurerer DeviceNet MAC-ID og datatakten. Strømning kan enkelt reguleres eksternt via DeviceNet ved å sende 0x0000 til enheten for å gi null strømning, 0xFFFF for å gi fullskala-strømning eller en hvilken som helst verdi derimellom. Dette muliggjør kompleks strømreguleringdrift, og muliggjør rask og enkel fjernavstengning av gasstrømmen, noe som er nyttig i nødssituasjoner.

Konklusjon

Nøyaktig regulering av industrigasser er avgjørende i industrielle prosesser. Selv om kalibreringsavvik kan kreve periodisk omkalibrering for å opprettholde nøyaktighet, kan nye gassmålingsteknologier eliminere dette behovet, noe som resulterer i forbedret effektivitet, redusert vedlikehold og samlet kostnadsbesparelse på lang sikt.