Přesné monitorování a regulace průtoku plynu v průmyslových aplikacích

V mnoha výrobních závodech a závodech s průmyslovou automatizací (IA) se k různým procesům a aplikacím často vyžaduje použití plynů, jako je vzduch, kyslík, dusík, vodík, helium a argon. Mezi tato použití patří čištění, řezání, svařování a chemická výroba. V mnoha případech vyžadují přesná zařízení a chemické procesy extrémně jemnou regulaci plynu, aby se zabránilo obtížně diagnostikovatelným poruchám zařízení nebo selhání procesů. Nadměrný průtok plynu může vést také ke ztrátě účinnosti spolu s dodatečnými náklady spojenými s výměnou nádoby na plyn.

Přesný průtok plynu, měřený ve standardních litrech za minutu (SLM), je zajímavý problém, protože přesnost měření je ovlivněna tlakem a teplotou stejně jako přesností snímacího mechanismu. K regulaci průtoku plynu se běžně používají standardní regulátory hmotnostního průtoku, ale mohou časem ztrácet přesnost a vyžadují pravidelnou kalibraci během provozu, čímž se zvyšují náklady po dobu životnosti. Technologický pokrok vedl k použití mikrotermálního měření teplot plynu k exaktnímu určení přesného objemového průtoku SLM.

Tento článek pojednává o důležitosti průmyslových plynů a o problémech vyplývajících z nepřesné regulace průtoku plynu. Poté se v něm podíváme na regulátory hmotnostního průtoku od společnosti Sensirion s pokročilou technologií snímání průtoku plynu a vysvětlíme, jak je efektivně nastavit a používat ke snížení celkových nákladů a zároveň ke zlepšení účinnosti, spolehlivosti a produktivity.

Průmyslové plyny vyžadují přesnou regulaci

Průmyslová zařízení používají k různým účelům různé plyny na základě vlastností těchto jednotlivých plynů. Některé systémy, jako jsou systémy vytápění, větrání a klimatizace (HVAC), mohou být k malým chybám v regulaci průtoku plynu shovívavé, ale přesná zařízení, jako je chemická depozice v parní fázi (CVD), plynová a kapalinová chromatografie a hmotnostní spektrometrie, vyžadují extrémně přesnou regulaci plynů, aby se zabránilo poruchám zařízení nebo selhání procesů. Tyto typy poruch se obtížně diagnostikují a mohou mít za následek zdlouhavé a nákladné prostoje.

Hořlavé plyny, jako je vodík, acetylen a butan, se mísí s kyslíkem a vytvářejí teplo, plamen nebo řízenou explozi. Pro proces se plyny musí smíchat dohromady ve správné koncentraci. Stejně jako ve spalovacím motoru automobilů může směs hořlavých plynů, která je příliš chudá nebo příliš bohatá, produkovat plamen s nevhodnou teplotou, což vede k neefektivnímu nebo neúspěšnému procesu.

Jako oxidační činidla a také k podpoře spalování se používají stlačené plyny, jako je kyslík, oxid dusnatý a vzduch. Příliš málo stlačeného plynu může způsobit selhání chemického procesu, zatímco příliš mnoho plynu má za následek ztrátu účinnosti, plýtvání plynem a zvýšení nákladů.

Inertní plyny, jako je argon, oxid uhličitý a dusík, se často používají pro kritické bezpečnostní operace, jako je požár nebo řízená oxidace, a také k potlačení některých chemických reakcí. Příliš málo plynu může mít za následek selhání při hašení požáru, zatímco příliš mnoho plýtvá plynem a zvyšuje související náklady.

Regulace průtoku plynu pomocí průmyslových regulátorů hmotnostního průtoku

Regulátory hmotnostního průtoku se používají k odměřování správného objemu plynu. Ve své nejjednodušší podobě jsou regulátory hmotnostního průtoku zcela manuální a nevyžadují napájení. Objem plynu se nastavuje otočením ovladače na správné nastavení. Manuální regulátory hmotnostního průtoku však měří pouze objem při okolní teplotě a nemohou zohledňovat změny objemu způsobené změnami tlaku nebo teploty plynu. Z tohoto důvodu se k přesné regulaci plynů používají elektronické regulátory hmotnostního průtoku.

Jednotka měření SLM pro objemový průtok průmyslových plynů je definována jako jeden litr průtoku plynu za jednu minutu při standardní teplotě plynu 0 °C / 32 °F a standardním absolutním tlaku plynu 1 bar. Objem jakéhokoli plynu se mění v závislosti na teplotě a tlaku, takže regulátor hmotnostního průtoku musí být schopen zohlednit změny okolních podmínek a podle toho měnit objem průtoku. Většina elektronických regulátorů hmotnostního průtoku je kalibrována pro cílový plyn, aby poskytovala přesnou regulaci průtoku v závislosti na změnách teploty a tlaku, ale často se tato kalibrace v průběhu času mění a vyžaduje za provozu periodickou rekalibraci. To zvyšuje údržbu, zatímco vynechání kalibrace zase snižuje účinnost systému.

Přesné regulátory hmotnostního průtoku bez kalibrace za provozu

Řešením je řada přesných regulátorů hmotnostního průtoku, která nevyžaduje kalibraci za provozu. Společnost Sensirion má řešení v podobě regulátorů hmotnostního průtoku řady SFC5500 (obrázek 1). Řada SFC5500 využívá mikrotermální měření teplot plynu k exaktnímu určení přesného měření objemu SLM bez ohledu na změny teploty a tlaku plynu.

Obrázek 1: Řada regulátorů hmotnostního průtoku SFC5500 společnosti Sensirion využívá mikrotermální technologii CMOSens k přesnému měření objemu plynu prostřednictvím kanálu průtoku plynu bez ohledu na změny teploty nebo tlaku. (Zdroj obrázku: společnost Sensirion)

Technologie objemového průtoku plynu společnosti Sensirion, nazývaná CMOSens, měří přesně objem plynu prostřednictvím kanálu průtoku plynu. CMOSens je obecný termín pro přístup společnosti Sensirion, který kombinuje snímání, úpravu a zpracování signálu na jediném zařízení CMOS pro přesnou regulaci postupem času v malém zařízení (obrázek 2 nahoře).

Obrázek 2: Technologie CMOSens kombinuje snímání, úpravu a zpracování signálu na jediném zařízení CMOS (nahoře). V aplikaci měření průtoku plynu (dole) provádějí snímače teploty a související zpracování mikrotermální měření, aby byla zajištěna přesnost. (Zdroj obrázku: společnost Sensirion)

V implementaci měření průtoku plynu pomocí technologie CMOSens jsou snímače teploty umístěny proti proudění a ve směru proudění, přičemž mezi nimi je nastavitelný ohřívač namontovaný na tlakově stabilizované membráně (obrázek 2, dole). Třetí snímač teploty detekuje teplotu plynu.

Průtok plynu přes dva snímače a ohřívač vytváří hodnoty teploty na dvou snímačích. Tyto dva údaje spolu s údaji ze snímače teploty plynu jsou čteny integrovaným signálovým procesorem a kombinovány s uloženými kalibračními nastaveními pro konkrétní plyn, čímž vzniká přesný údaj o objemovém průtoku bez ohledu na tlak a teplotu.

Typická doba ustálení pro regulátory hmotnostního průtoku SFC5500 je méně než 100 ms, což umožňuje přesné odečty během rychlých změn teploty, tlaku a podmínek průtoku. Protože technologie CMOSens kompenzuje teplotu a tlak, má tato konfigurace v průběhu času nulový drift, takže zařízení SFC5500 nikdy nepotřebuje rekalibraci v terénu, dokud se nezmění cílový plyn.

Regulátor hmotnostního průtoku založený na technologii CMOSens

Příkladem regulátoru hmotnostního průtoku SFC5500 je model SFC5500-200SLM. Jedná se o velkoobjemový regulátor průtoku navržený a kalibrovaný pouze pro vzduch, dusík a kyslík. Dusík a vzduchové plyny jsou podporovány maximálním objemovým průtokem v plném rozsahu 200 SLM a specifikovanou přesností regulace 0,10 % plného rozsahu nebo 0,20 SLM. Průtok plynného kyslíku je podporován maximálním objemovým průtokem v plném rozsahu 160 SLM a specifikovanou přesností regulace 0,20 % plného rozsahu nebo 0,32 SLM. Společnost Sensirion uvádí, že přesnost této jednotky se může mírně zhoršit, když je průtok plynu vyšší než 100 SLM. Konstrukce regulátoru SFC5500-200SLM je taková, že umožňuje přesnou regulaci vzduchu nebo kyslíku bez kalibrace za provozu.

Model SFC5500-200SLM společnosti Sensirion se připojuje k hostitelskému počítači pomocí běžného konektoru RS-485 DB-9. Podporovány jsou také komunikace DeviceNet a IO-Link. Přípojky pro vstup a výstup plynu jsou kompresní šroubení Legris s vnějším průměrem 10 mm. To je kompatibilní se standardními 10mm plynovými armaturami.

Pro podporu jiných plynů nabízí společnost Sensirion víceplynový hmotnostní průtokoměr SFC5500-10SLM. Kromě vzduchu, dusíku a kyslíku podporuje tento regulátor také vodík, helium, argon, oxid uhličitý, oxid dusný a metan. Podporuje maximální průtok v plném rozsahu 10 SLM pro všechny plyny kromě oxidu dusného, argonu a oxidu uhličitého s průtokem v plném rozsahu 5,0 SLM. Přesnost je v nejhorším případě 0,30 % průtoku plného rozsahu. Regulátor podporuje stejná komunikační rozhraní jako model SFC5500-200SLM. Přípojky pro přívod a odvod plynu jsou kompresní šroubení Legris s vnějším průměrem 6 mm, kompatibilní se standardními 6mm plynovými armaturami.

Regulátor SFC5500-10SLM poskytuje flexibilitu při podpoře více plynů pomocí jednoho regulátoru, což zjednodušuje inventarizaci. Regulátor musí být před uvedením do provozu pro regulovaný cílový plyn nakonfigurován a předkalibrován. Bez překonfigurování jej nelze pro jiný plyn použít.

Konfigurace a vývoj

Regulátory hmotnostního průtoku SFC5500 musí být před uvedením do provozu předem nakonfigurovány pro cílový plyn. Protože různé plyny mají různé hustoty a vlastnosti, vyžaduje každý plyn jiné nastavení a kalibraci. Jako pomoc s konfigurací, kalibrací a vyhodnocením nabízí společnost Sensirion pro řadu SFC5500 vyhodnocovací soupravu EK-F5X (obrázek 3). Je nutné upozornit, že sada neobsahuje regulátor hmotnostního průtoku.

Obrázek 3: Vyhodnocovací sada EK-F5X společnosti Sensirion umožňuje vývojářům konfigurovat, kalibrovat a vyhodnocovat regulátory hmotnostního průtoku SFC5500 (nejsou součástí sady) před jejich uvedením do provozu. (Zdroj obrázku: společnost Sensirion)

Chcete-li nakonfigurovat regulátor SFC5500 pro provoz, musí být nejprve připojen k regulovanému plynu. Vyhodnocovací sada EK-F5X se dodává s vlastním kabelem DB-9, který se zapojuje do konektoru DB-9 na horní straně regulátoru SFC5500. Kabel DB-9 se dělí na AC adaptér pro napájení regulátoru SFC5500 za provozu a USB konektor pro propojení s hostitelským počítačem. USB flash disk je součástí ovladače zařízení SFC5500 pro hostitelský počítač spolu s prohlížecím softwarem SFC5000 – oba musí být načteny do hostitelského počítače před připojením přes USB rozhraní. Regulátor SFC5500 se nejprve zapojí do napájení a poté se konektor USB připojí k hostitelskému počítači. Po obvyklém pípnutí, kdy počítač rozpoznává regulátor SFC5500 připojený přes USB, se spustí prohlížecí software SFC5xxx a požádá o konfiguraci portu COM. Software poté zobrazí všechny dostupné kalibrace pro jednotlivé plyny podporované konkrétním regulátorem SFC5500 spolu s dostupnými kalibracemi (obrázek 4).

Obrázek 4: Prohlížecí software SFC5500 společnosti Sensirion poskytuje výběr kalibrací pro jednotlivé plyny podporované připojenou jednotkou. (Zdroj obrázku: společnost Sensirion)

Prohlížecí software SFC5xxx zobrazuje variaci regulátoru SFC5500 spojenou s jejím sériovým číslem a verzí firmwaru spolu s konfigurací portu COM. Při spuštění se vybere karta System a zobrazí se na ní dostupné kalibrace průtoku zvýrazněné zeleně, přičemž aktivní kalibrace je zvýrazněna červeně. Chcete-li změnit kalibraci, klikněte pravým tlačítkem na kalibraci pro cílový plyn a poté vyberte možnost „Load Calibration“. Připojený regulátor SFC5500 se tak nyní zkalibruje pro vybraný plyn. Kalibrace se uloží do paměti EEPROM, takže po vypnutí napájení není nutné kalibrovat znovu. Překalibrovat je nutné pouze v případě, že se bude jednotka používat pro jiný plyn.

Po kalibraci se vybere karta Data Display. Na této kartě se nastavuje a reguluje průtok plynu, který lze nastavit na konstantní průtok, nebo jej lze změnit a vytvořit vlastní tvar vlny. Regulátor SFC5500 je nyní zkalibrován a nakonfigurován pro automatický provoz.

Pro složitější aplikace, kde se musí průtok měnit programově, lze regulátor SFC5500 ovládat přes protokol DeviceNet. Na kartě DeviceNet se konfiguruje DeviceNet MAC ID a přenosová rychlost. Průtok lze snadno ovládat na dálku přes protokol DeviceNet odesláním 0x0000 do jednotky pro žádný průtok, 0xFFFF pro průtok v plném rozsahu nebo odesláním jakékoli hodnoty mezi tím. To umožňuje složité operace regulace průtoku a umožňuje rychlé a snadné dálkové zastavení průtoku plynu, což je užitečné v nouzových situacích.

Závěr

Přesná regulace průmyslových plynů je v průmyslových procesech zásadní. Zatímco odchylka kalibrace může vyžadovat pravidelnou rekalibraci pro zachování přesnosti, nové technologie měření plynů mohou tuto potřebu eliminovat, což vede ke zlepšení účinnosti, snížení údržby a k celkovým úsporám nákladů v dlouhodobém horizontu.