A gázáramlás pontos figyelése és szabályozása ipari felhasználási területeken

Számos ipari automatizálási (IA) és gyártólétesítményben a különböző folyamatokhoz és felhasználási területeken gyakran van szükség olyan gázok használatára, mint a levegő, az oxigén, a nitrogén, a hidrogén, a hélium és az argon. Ezek közé a felhasználási területek közé tartozik a tisztítás, a vágás, a hegesztés és a vegyipari gyártó tevékenység. A precíziós berendezések és a vegyi folyamatok a nehezen diagnosztizálható berendezések meghibásodásának vagy hibás munkafolyamatainak elkerülése végett sok esetben rendkívül finom gázáramlás-szabályozást igényelnek. Emellett a túl nagy gázáramlás a hatékonyság csökkenését is eredményezheti, a gáztartály cseréjével járó többletköltségeket nem is említve.

A szabványos liter per percben (SLM) mért pontos gázáramlás érdekes problémát vet fel, mert a mérési pontosságot befolyásolja a nyomás és a hőmérséklet, valamint az érzékelőmechanizmus pontossága. A gázáramlás szabályozására általában szabványos tömegáram-szabályozókat használnak, de ezek idővel veszíthetnek a pontosságukból, és még üzem közben is rendszeres kalibrálást igényelnek, ami növeli a teljes élettartamra vetített költségeket. A műszaki fejlődés oda vezetett, hogy mára a gázhőmérséklet mikrotermikus mérését használják az SLM-ben mért térfogatáram pontos meghatározására.

Ez a cikk az ipari gázok fontosságát és a pontatlan gázáramlás-szabályozásból eredő problémákat tárgyalja. Ezután a Sensirion korszerű gázáramlás-érzékelő technikával rendelkező tömegáram-szabályozóit járja körül, és elmagyarázza, hogyan lehet ezeket hatékonyan beállítani és használni úgy, hogy csökkentsék az összköltséget, miközben javítják a hatékonyságot, a megbízhatóságot és a termelékenységet.

Az ipari gázok pontos szabályozást igényelnek

Az ipari létesítményekben különböző gázokat használnak különféle célokra az egyes gázok tulajdonságai alapján. Egyes rendszerek, például a fűtő-, szellőztető- és légkondicionáló (HVAC) rendszerek nem érzékenyek a gázáramlás szabályozásának apró hibáira, de az olyan precíziós berendezések, mint a gőzfázisból történő vegyi réteg-előállítás (CVD), a gáz- és folyadékkromatográfia és a tömegspektrometria rendkívül pontos gázszabályozást igényelnek a berendezések meghibásodásának vagy a hibás folyamatoknak az elkerülése érdekében. Az ilyen típusú meghibásodásokat nehéz diagnosztizálni, ezért hosszadalmas és költséges állásidőt eredményezhetnek.

Az olyan gyúlékony gázokat, mint a hidrogén, az acetilén és a bután, oxigénnel keverve hőt termelnek, illetve lángot vagy ellenőrzött robbanást hoznak létre. A gázokat a folyamatnak megfelelő pontos töménységben kell összekeverni. Akárcsak az autók belső égésű motorjában, a túl szegény vagy túl dús éghető gázkeverék nem kellő hőmérsékletű lángot hozhat létre, ami kis hatásfokú folyamatot eredményezhet, vagy a folyamat sikertelenségéhez vezethet.

A sűrített gázokat, például oxigént, dinitrogén-oxidot és levegőt oxidálószerként, valamint égés elősegítésére is használják. A túl kevés sűrített gáz sikertelen vegyi folyamatot eredményezhet, míg a túl sok gáz a hatásfok csökkenéséhez, gázpazarláshoz és a költségek növekedéséhez vezet.

Az olyan semleges gázokat, illetve nemesgázokat, mint az argon, a szén-dioxid és a nitrogén, gyakran használják kritikus biztonsági műveletekhez, például égés- vagy oxidációszabályozáshoz, valamint egyes vegyi reakciók elfojtásához. Ha túl kevés a gáz, az sikertelen tűzoltási tevékenységet eredményezhet, míg ha túl sok a gáz, az gázpazarlást eredményez, és növeli a kapcsolódó költségeket.

A gázáramlás szabályozása ipari tömegáram-szabályozókkal

A tömegáram-szabályozókat a megfelelő gázmennyiség adagolására használják. A tömegáram-szabályozók a legegyszerűbb formájukban teljesen kézi vezérlésűek, és nem igényelnek áramellátást. A gázmennyiséget egy tárcsát a megfelelő értékre elforgatva lehet beállítani. A kézi tömegáram-szabályozók azonban csak a környezeti hőmérsékletnek megfelelő térfogat adagolására alkalmasak, és nem tudják figyelembe venni a gáz nyomás- és hőmérséklet-változásából eredő térfogatváltozásokat. Ezért a gázok adagolásának pontos szabályozására elektronikus tömegáram-szabályozókat használnak.

Az ipari gázok térfogatáramának mérésére szolgáló SLM mértékegység meghatározása: egy liter gázáram egy perc alatt, a szabványos gáz 0 °C (32 °F) hőmérsékletén és 1 bar abszolút nyomásán. A hőmérséklet és a nyomás függvényében minden gáz térfogata változik, ezért a tömegáram-szabályozónak képesnek kell lennie a környezeti feltételek változásainak figyelembevételére és az áramlási mennyiség ennek megfelelő változtatására. A legtöbb elektronikus tömegáram-szabályozót egy célgázra kalibrálják, hogy pontos áramlásszabályozást biztosítsanak a hőmérséklet és a nyomás változása esetén is, de idővel ez a kalibrálás gyakran eltolódik, és ezért üzem közbeni időszakos újrakalibrálást igényel. Ez növeli a karbantartási igényt, míg az elmulasztott kalibrálás csökkenti a rendszer hatásfokát.

Precíziós tömegáram-szabályozók üzem közbeni kalibrálás nélkül

A megoldás erre egy olyan precíziós tömegáram-szabályozó termékcsalád, amely nem igényel üzem közbeni kalibrálást. A Sensirion megoldást kínál erre a problémára az SFC5500 sorozatú tömegáram-szabályozókkal (1. ábra). Az SFC5500 sorozat a gázhőmérséklet mikrotermikus mérését használja a gáz hőmérsékletének és nyomásának változásától függetlenül pontos SLM-térfogatméréshez.

1. ábra: A Sensirion SFC5500 tömegáram-szabályozó termékcsalád a mikrotermikus CMOSens technikát használja a gázáramlási csatornán áthaladó gáz mennyiségének a gáz hőmérsékletének és nyomásának változásától függetlenül pontos mérésére (kép: Sensirion)

A Sensirion cég CMOSens nevű gázáramlásmérési technikája pontosan méri a gázáramlási csatornán keresztüláramló gázmennyiséget. A CMOSens egy általános kifejezés a Sensirion módszerére, amely egyetlen CMOS-eszközben egyesíti az érzékelést, a jelformálást és a jelfeldolgozást, így pontos időbeli szabályozást kínál egy kisméretű eszközben (2. ábra, fent).

2. ábra: A CMOSens egyetlen CMOS-eszközben egyesíti az érzékelést, a jelformálást és a jelfeldolgozást (fent). Egy gázáramlásmérő megoldásban (alul) a hőmérséklet-érzékelők és a hozzájuk kapcsolódó jelfeldolgozás mikrotermikus mérést végeznek a pontosság biztosítása érdekében (kép: Sensirion)

A gázáramlás mérésének a CMOSens használatával történő megvalósításában a hőmérséklet-érzékelők a CMOSens eszköz előtt és után helyezkednek el, és a két érzékelő között egy nyomásstabilizált membránra szerelt szabályozható fűtőberendezés van elhelyezve (2. ábra, alul). A gáz hőmérsékletét egy harmadik hőmérséklet-érzékelő érzékeli.

A két érzékelőn és a fűtőberendezésen keresztül történő gázáramlás a két érzékelőnél valamilyen mért hőmérsékletet eredményez. Ezt a két mért hőmérsékletet, valamint a gázhőmérséklet-érzékelő által mért értéket egy beépített jelfeldolgozó olvassa le, és összeveti az adott gázra vonatkozó tárolt kalibrációs beállításokkal, ami a térfogatáram pontos mérését eredményezi, a nyomástól és a hőmérséklettől függetlenül.

Az SFC5500 tömegáram-szabályozók tipikus beállási ideje kevesebb mint 100 ms, ami pontos mérést tesz lehetővé a hőmérséklet, a nyomás és az áramlási viszonyok gyors változása esetén is. Mivel a CMOSens technika kompenzálja a hőmérséklet és a nyomás változását, ez az összeállítás hosszabb időn át is nulla munkapont-elvándorlást eredményez, így az SFC5500 soha nem igényel helyszíni újrakalibrálást, csak ha a célgáz megváltozik.

CMOSens alapú tömegáram-szabályozó

Az SFC5500 eszközre épülő tömegáram-szabályozó például az SFC5500-200SLM. Ez egy nagy térfogatáramú áramlásszabályozó, amelyet kizárólag levegő, nitrogén és oxigén áramlásának szabályozására terveztek és kalibráltak. Az eszköz a nitrogén- és a levegőáramlás szabályozását 200 SLM legnagyobb áramlási sebesség mellett 0,10%-os legnagyobb sebességre vetített szabályozási pontossággal, azaz 0,20 SLM-nek megfelelő szabályozási pontossággal képes megvalósítani. Az oxigénáramlás szabályozását 160 SLM legnagyobb áramlási sebesség mellett 0,20%-os legnagyobb sebességre vetített szabályozási pontossággal, azaz 0,32 SLM-nek megfelelő szabályozási pontossággal képes végezni. A Sensirion szerint a készülék pontossága valamelyest csökkenhet, ha a gázáramlási sebesség 100 SLM fölött van. Az SFC5500-200SLM kialakítása lehetővé teszi a levegő- vagy oxigénáramlás üzem közbeni kalibrálás nélküli pontos szabályozását.

A Sensirion SFC5500-200SLM egy hétköznapi RS-485 DB-9 csatlakozón keresztül csatlakozik a számítógéphez. Az eszköz támogatja a DeviceNet- és az IO-Link-kommunikációt is. A gáz be- és kimeneti csatlakozói 10 mm külső átmérőjű Legris nyomásálló csatlakozók. Ezek kompatibilisek a szabványos 10 mm-es gázcsatlakozókkal.

Más gázokhoz a Sensirion az SFC5500-10SLM többgázos tömegárammérőt kínálja. Ez a szabályozóegység a levegő, a nitrogén és az oxigén mellett használható hidrogén, hélium, argon, szén-dioxid, dinitrogén-oxid (kéjgáz) és metán közeggel is. A készülék minden gáz esetében legfeljebb 10 SLM legnagyobb áramlási sebességet tesz lehetővé, kivéve a dinitrogén-oxidot, az argont és a szén-dioxidot, amelyek esetében 5,0 SLM-et. A pontosság legrosszabb esetben a legnagyobb áramlási sebesség 0,30%-a. Az eszköz ugyanazokkal a kommunikációs csatlakozókkal van ellátva, mint az SFC5500-200SLM. A gáz be- és kimeneti csatlakozói 6 mm külső átmérőjű Legris nyomásálló csatlakozók, amelyek kompatibilisek a szabványos 6 mm-es gázcsatlakozókkal.

Az SFC5500-10SLM megadja azt a rugalmasságot, hogy egyetlen szabályozóegység többféle gázhoz is használható legyen, ami csökkenti a raktárkészletet. A szabályozóegységet üzembe helyezés előtt be kell állítani, és előzetesen kalibrálni kell a szabályozandó célgázra. Az eszköz a beállítás módosítása nélkül nem használható más gázhoz.

Beállítás és fejlesztés

Az SFC5500 tömegáram-szabályozókat üzembe helyezés előtt előzetesen be kell állítani a célgáznak megfelelően. Mivel a különböző gázok különböző sűrűségűek és tulajdonságúak, minden gáz más-más beállítást és kalibrálást igényel. A beállítás, kalibrálás és értékelés megkönnyítésére a Sensirion az EK-F5X fejlesztőkészletet kínálja az SFC5500 sorozathoz (3. ábra). Itt jegyezzük meg, hogy a készlet tömegáram-szabályozót nem tartalmaz.

3. ábra: A Sensirion EK-F5X fejlesztőkészlet lehetővé teszi a fejlesztők számára (a készlethez részét nem képező) SFC5500 tömegáram-szabályozók üzembe helyezés előtti beállítását, kalibrálását és értékelését (kép: Sensirion)

Az SFC5500 készüléket az üzembe helyezés előtti beállításhoz először is csatlakoztatni kell a szabályozandó gáz vezetékéhez. Az EK-F5X fejlesztőkészlethez egy egyedi DB-9-es kábel tartozik, amelyet az SFC5500 tetején lévő DB-9-es csatlakozóhoz kell csatlakoztatni. A DB-9-es kábel elágazik egy hálózati adapterre, amely az SFC5500 működéshez szükséges áramellátását biztosítja, valamint egy USB-csatlakozóra, amellyel a számítógéphez lehet csatlakoztatni az eszközt. A csomag része egy USB-meghajtó is, amelyen megtalálható az SFC5500-nak a számítógépre telepítendő eszközillesztő programja, valamint az SFC5000 megtekintőszoftver – mielőtt USB-n keresztül csatlakoztatná az SFC5500-at a számítógéphez, mindkettőt be kell tölteni a számítógépbe. Az SFC5500-at először az áramellátáshoz kell csatlakoztatni, csak azután kell bedugni az USB-csatlakozót a számítógépbe. A szokásos hangjelzések után, amelyek akkor hallhatóak, amikor a számítógép felismeri az USB-n keresztül csatlakoztatott SFC5500-at, elindul az SFC5xxx megtekintőszoftver, és kéri a COM port beállítását. A szoftver ezután megjeleníti az adott SFC5500 által támogatott összes gázhoz elérhető valamennyi kalibrációt, valamint az éppen használt kalibrációt (4. ábra).

4. ábra: A Sensirion SFC5500 megtekintőszoftver kalibrációkat kínál a csatlakoztatott eszköz által támogatott összes gázhoz (kép: Sensirion)

Az SFC5xxx megtekintőszoftver megjeleníti a csatlakoztatott SFC5500-változatot és annak gyári számát és firmware- (belsővezérlőprogram-) verzióját, valamint a COM port beállítását. Indításkor a System (Rendszer) lap lesz kiválasztva, amely zöld színnel mutatja a választható áramlási kalibrációkat, az éppen használt kalibráció pedig piros színnel lesz kiemelve. A kalibráció módosításához kattintson jobb gombbal a célgáz kalibrációjára, majd válassza a Load Calibration (Kalibráció betöltése) parancsot. A csatlakoztatott SFC5500 ekkortól a választott gázra lesz kalibrálva. A kalibráció EEPROM-ban van tárolva, így ki- és bekapcsolás után nincs szükség újrakalibrálásra. Újrakalibrálásra csak akkor van szükség, ha a készüléket más gázzal szeretné használni.

A kalibrálás után az Data Display (Adatmegjelenítés) lap lesz látható. Ezen a lapon lehet beállítani és szabályozni a gázáramlást, amely beállítható állandó áramlási sebességre, vagy létre lehet hozni egyéni hullámformát az áramlás időbeni változtatására. Az SFC5500 most már kalibrálva van, és be van állítva az automatikus működéshez szükséges módon.

Az összetettebb felhasználási módok esetében, ahol az áramlási sebességet programozottan kell változtatni, az SFC5500 a DeviceNet segítségével vezérelhető. A DeviceNet lapon a DeviceNet MAC-azonosítót és az átviteli sebességet lehet beállítani. Az áramlás egyszerűen vezérelhető távolról a DeviceNet protokoll segítségével. Ha a 0x0000 értéket küldi az egységnek, akkor leállítja az áramlást, ha a 0xFFFF értéket, akkor a legnagyobb áramlási sebességet állítja be, és használhatja a kettő közötti bármelyik értéket is. Ez összetett áramlásszabályozási műveleteket tesz lehetővé, és módot ad a gázáramlás gyors és egyszerű távoli leállítására, ami hasznos lehet például vészhelyzetekben.

Összegzés

Az ipari folyamatokban létfontosságú az ipari gázok áramlásának pontos szabályozása. Míg a kalibráció elvándorlása miatt a pontosság fenntartásához rendszeres újrakalibrálásra lehet szükség, az új gázáramlásmérési technikák kiküszöbölhetik ennek szükségességét, ami hosszú távon nagyobb hatékonyságot, kevesebb karbantartást és nagyobb költségmegtakarítást eredményez.