Cum să monitorizați și să controlați cu precizie debitul de gaz în aplicațiile industriale

Multe instalații de automatizare industrială (IA) și de producție necesită adesea utilizarea unor gaze precum aerul, oxigenul, azotul, hidrogenul, heliul și argonul pentru diverse procese și aplicații. Aceste utilizări includ curățare, tăiere, sudare și fabricarea produselor chimice. În multe cazuri, echipamentele de precizie și procesele chimice necesită un control extrem de fin al gazului pentru a evita defecțiuni ale echipamentelor sau erori de proces greu de diagnosticat. De asemenea, un debit excesiv de gaz poate duce la pierderea eficienței, pe lângă costurile suplimentare asociate cu înlocuirea rezervorului de gaz.

Debitul de gaz exact, măsurat în litri standard pe minut (SLM), este o problemă interesantă, deoarece precizia măsurătorilor este afectată de presiune și temperatură, precum și de precizia mecanismului de detectare. Controlerele standard de debit masic sunt utilizate în mod obișnuit pentru a controla debitul de gaz, dar acestea își pot pierde acuratețea în timp și necesită calibrare periodică în timpul funcționării, adăugând astfel costuri suplimentare legate de durata de viață. Progresele tehnologice au dus la utilizarea măsurătorii microtermice a temperaturilor gazelor pentru a determina cu exactitate debitul volumetric precis SLM.

Acest articol discută importanța gazelor industriale și problemele care rezultă din controlul inexact al debitului de gaze. În continuare, articolul analizează controlerele de debit masic de la Sensirion, cu tehnologie avansată de detectare a debitului de gaz, și explică cum să le configurați și să le folosiți în mod eficient pentru a reduce costul total, îmbunătățind în același timp eficiența, fiabilitatea și productivitatea.

Gazele industriale au nevoie de un control precis

Instalațiile industriale utilizează o varietate de gaze pentru diverse utilizări, în funcție de proprietățile gazelor individuale. Unele sisteme, cum ar fi sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC), pot tolera mici erori în controlul fluxului de gaz, dar echipamentele de precizie, cum ar fi depunerea chimică în fază de vapori (CVD), cromatografia în fază gazoasă și lichidă și spectrometria de masă, necesită un control extrem de precis al gazelor pentru a evita defecțiunile echipamentelor sau erori de proces. Aceste tipuri de defecțiuni sunt dificil de diagnosticat și pot cauza perioade de nefuncționare lungi și costisitoare.

Gazele inflamabile, cum ar fi hidrogenul, acetilena și butanul, sunt amestecate cu oxigenul pentru a crea căldură, flăcări sau o explozie controlată. Gazele trebuie să fie amestecate în concentrația adecvată pentru proces. La fel ca în cazul motorului cu combustie internă al unui automobil, un amestec de gaze inflamabile prea slab sau prea puternic poate produce o flacără la temperatură necorespunzătoare, ceea ce duce la un proces ineficient sau eronat.

Gazele comprimate, cum ar fi oxigenul, oxidul de azot și aerul, sunt utilizate ca agenți oxidanți și, de asemenea, pentru a ajuta la ardere. O cantitate prea mică de gaz comprimat poate duce la eșecul unui proces chimic, în timp ce o cantitate prea mare de gaz cauzează pierderea de eficiență, risipirea gazului și creșterea costurilor.

Gazele inerte, cum ar fi argonul, dioxidul de carbon și azotul, sunt adesea utilizate pentru operațiuni de siguranță critice, cum ar fi controlul focurilor sau al oxidării, precum și pentru a suprima unele reacții chimice. O cantitate prea mică de gaz poate duce la un eșec al activității de stingere a focurilor, în timp ce o cantitate prea mare de gaz duce la risipirea gazului și la creșterea costurilor aferente.

Controlul debitului de gaz cu ajutorul controlerelor industriale de debit masic

Controlerele de debit masic sunt utilizate pentru a măsura volumul adecvat de gaz. În forma lor cea mai simplă, controlerele de debit masic sunt complet manuale și nu necesită o sursă de alimentare. Volumul de gaz se reglează prin rotirea unui selector până la setarea corectă. Cu toate acestea, controlerele manuale de debit masic măsoară doar volumul la temperatura ambiantă și nu pot lua în considerare modificările de volum cauzate de schimbările de presiune sau de temperatură ale gazului. Din acest motiv, controlerele electronice de debit masic sunt utilizate pentru controlul precis al gazelor.

Unitatea de măsură SLM pentru debitul volumetric al gazelor industriale este reprezentată de un debit de gaz de un litru pe parcursul unui minut la o temperatură standard a gazului de 0 °C/32 °F și la o presiune absolută standard a gazului de 1 bar. Volumul oricărui gaz variază în funcție de temperatură și presiune, astfel încât controlerul de debit masic trebuie să poată lua în considerare modificările condițiilor ambientale și să modifice volumul de debit în consecință. Majoritatea controlerelor electronice de debit masic sunt calibrate pentru un gaz țintă, pentru a asigura un control precis al debitului în funcție de variațiile de temperatură și presiune, dar adesea această calibrare se modifică în timp, necesitând o recalibrare periodică în timpul funcționării. Acest lucru implică mai multă întreținere, în timp ce o calibrare omisă reduce eficiența sistemului.

Controlerele de debit masic de precizie fără calibrare în timpul funcționării

Soluția este o familie de controlere de debit masic de precizie care nu necesită calibrare în timpul funcționării. În acest sens, Sensirion oferă controlerele de debit masic din seria SFC5500 (Figura 1). Seria SFC5500 utilizează măsurarea microtermică a temperaturilor gazelor pentru a determina cu exactitate măsurarea precisă a volumului SLM, indiferent de schimbările de temperatură și presiune ale gazului.

Figura 1: familia de controlere de debit masic Sensirion SFC5500 utilizează tehnologia microtermică CMOSens pentru a măsura cu precizie volumul de gaz prin canalul de curgere a gazului, indiferent de variațiile de temperatură sau presiune. (Sursa imaginii: Sensirion)

Denumită CMOSens, tehnologia pentru volumul de gaz de la Sensirion măsoară cu exactitate volumul de gaz prin canalul de curgere a gazului. CMOSens este un termen general pentru abordarea celor de la Sensirion, care combină detectarea, condiționarea și procesarea semnalelor pe un singur dispozitiv CMOS, pentru un control precis în timp, într-un dispozitiv de mici dimensiuni (Figura 2, sus).

Figura 2: CMOSens combină detectarea, condiționarea și procesarea semnalelor pe un singur dispozitiv CMOS (sus). Într-o aplicație de măsurare a debitului de gaz (jos), senzorii de temperatură și procesarea asociată efectuează măsurători microtermice pentru a asigura precizia. (Sursa imaginii: Sensirion)

Pentru implementarea măsurării debitului de gaz folosind CMOSens, senzorii de temperatură sunt poziționați în amonte și în aval, având între ei un încălzitor reglabil montat pe o membrană stabilizată prin presiune (Figura 2, jos). Un al treilea senzor de temperatură detectează temperatura gazului.

Circularea gazului pe cei doi senzori și încălzitor generează citiri de temperatură la cei doi senzori. Aceste două citiri, împreună cu citirea senzorului de temperatură a gazului, sunt preluate de un procesor de semnal integrat și combinate cu setările de calibrare stocate pentru gazul respectiv, producând o citire precisă a debitului de volum indiferent de presiune și temperatură.

Timpul tipic de stabilizare pentru controlerele de debit masic SFC5500 este mai mic de 100 de milisecunde (ms), ceea ce permite citiri precise în timpul schimbărilor rapide de temperatură, presiune și condiții de debit. Deoarece tehnologia CMOSens compensează temperatura și presiunea, această configurație are o abatere zero în timp, astfel că un SFC5500 nu are niciodată nevoie de recalibrare pe teren, cu excepția cazului în care gazul țintă este schimbat.

Controler de debit masic bazat pe CMOSens

Un exemplu de controler de debit masic SFC5500 este SFC5500-200SLM. Acesta este un controler de debit de mare volum, proiectat și calibrat numai pentru aer, azot și oxigen. Gazele de azot și aer sunt acceptate cu un debit volumetric maxim de 200 SLM și cu o precizie de control specificată de 0,10% din debitul la scară completă sau 0,20 SLM. Debitul de oxigen gazos este acceptat cu un debit maxim complet de 160 SLM, cu o precizie de control specificată de 0,20% din debitul la scară completă sau 0,32 SLM. Sensirion specifică faptul că precizia pentru această unitate se poate deteriora ușor atunci când debitul de gaz este mai mare de 100 SLM. Proiectarea SFC5500-200SLM este concepută astfel încât să permită controlul de precizie al aerului sau oxigenului fără calibrare în timpul funcționării.

Sensirion SFC5500-200SLM se conectează la un computer gazdă prin intermediul unui conector RS-485 DB-9 comun. De asemenea, sunt acceptate și comunicațiile DeviceNet și IO-Link. Conexiunile de intrare și ieșire a gazelor sunt fitinguri de compresie Legris cu un diametru exterior de 10 milimetri (mm). Acesta este compatibil cu fitingurile standard de 10 mm pentru gaz.

Pentru a accepta alte gaze, Sensirion oferă debitmetrul masic pentru gaze multiple SFC5500-10SLM. Pe lângă aer, azot și oxigen, acest controler acceptă și hidrogen, heliu, argon, dioxid de carbon, protoxid de azot și metan. Acceptă un debit maxim la scară completă de 10 SLM pentru toate gazele, cu excepția protoxidului de azot, a argonului și a dioxidului de carbon, cu un debit la scară completă de 5,0 SLM. Precizia în cel mai rău caz este de 0,30% din debitul la scară completă. Acesta acceptă aceleași interfețe de comunicații ca și SFC5500-200SLM. Conexiunile de intrare și ieșire a gazelor sunt fitinguri de compresie Legris cu un diametru exterior de 6 mm, compatibile cu fitingurile standard de 6 mm pentru gaze.

SFC5500-10SLM oferă flexibilitatea de a accepta mai multe gaze cu un singur controler, simplificând astfel inventarul. Înainte de a fi pus în funcțiune, controlerul trebuie configurat și precalibrat pentru gazul țintă care este controlat. Acesta nu poate fi utilizat pentru un alt gaz fără a fi reconfigurat.

Configurare și dezvoltare

Controlerele de debit masic SFC5500 trebuie să fie pre-configurate pentru gazul țintă înainte de a fi puse în funcțiune. Deoarece diferite gaze au densități și proprietăți diferite, fiecare gaz necesită o configurație și o calibrare diferite. Pentru a facilita configurarea, calibrarea și evaluarea, Sensirion oferă kitul de evaluare EK-F5X pentru seria SFC5500 (Figura 3). Rețineți că acest kit nu include un controler de debit masic.

Figura 3: kitul de evaluare Sensirion EK-F5X permite dezvoltatorilor să configureze, să calibreze și să evalueze controlerele de debit masic SFC5500 (nu sunt furnizate cu kitul) înainte de a le pune în funcțiune. (Sursa imaginii: Sensirion)

Pentru a configura un SFC5500 pentru funcționare, acesta trebuie mai întâi să fie conectat la gazul care este controlat. Kitul de evaluare EK-F5X este livrat cu un cablu DB-9 personalizat care se conectează la conectorul DB-9 din partea superioară a SFC5500. Cablul DB-9 se împarte într-un adaptor de curent alternativ pentru alimentarea SFC5500 în timpul funcționării și un conector USB pentru interfațarea cu un computer gazdă. O unitate flash USB este inclusă cu driverul dispozitivului SFC5500 pentru computerul gazdă, împreună cu software-ul de vizualizare SFC5000, iar ambele trebuie încărcate pe computerul gazdă înainte de conectarea prin USB. SFC5500 este mai întâi conectat la priză, apoi conectorul USB este conectat la computerul gazdă. După semnalele acustice obișnuite, ce semnifică familiarizarea computerului cu SFC5500 conectat prin USB, software-ul de vizualizare SFC5xxx pornește și solicită configurarea portului COM. Software-ul afișează apoi toate calibrările disponibile pentru fiecare gaz acceptat de SFC5500 în parte, împreună cu calibrările disponibile (Figura 4).

Figura 4: software-ul de vizualizare Sensirion SFC5500 oferă o selecție de calibrări pentru fiecare gaz acceptat de unitatea conectată. (Sursa imaginii: Sensirion)

Software-ul de vizualizare SFC5xxx afișează variația SFC5500 conectată cu numărul de serie și versiunea firmware, împreună cu configurația portului COM. Fila System (Sistem) este selectată la pornire și afișează calibrările de debit disponibile evidențiate cu verde, iar calibrarea activă este evidențiată cu roșu. Pentru a modifica o calibrare, se face clic dreapta pe calibrarea pentru gazul țintă, apoi se selectează „Load Calibration” (Încărcare calibrare). SFC5500 conectat este acum calibrat pentru gazul selectat. Calibrarea este stocată în EEPROM, astfel că nu este necesară recalibrarea după un ciclu de alimentare. Recalibrarea este necesară numai dacă unitatea este utilizată pentru un gaz diferit.

După calibrare, se selectează fila Data Display (Afișare date). Această filă stabilește și controlează debitul de gaz, care poate fi setat la o valoare constantă, sau se poate genera o formă de undă personalizată pentru a varia debitul. SFC5500 este acum calibrat și configurat pentru funcționare automată.

Pentru aplicații mai complexe, în care debitul trebuie să fie modificat prin programare, SFC5500 poate fi controlat prin DeviceNet. În fila DeviceNet se configurează ID-ul MAC DeviceNet și viteza de transmisie. Debitul este ușor de controlat de la distanță prin DeviceNet, trimițând 0x0000 la unitate pentru debit zero, 0xFFFFFF pentru debit la scară completă sau orice valoare intermediară. Acest lucru permite operațiuni complexe de control al debitului și permite oprirea rapidă și ușoară de la distanță a debitului de gaz, utilă în situații de urgență.

Concluzie

Controlul precis al gazelor industriale este vital în procesele industriale. În timp ce abaterea calibrării poate necesita o recalibrare periodică pentru a menține acuratețea, noile tehnologii de măsurare a gazelor pot elimina această necesitate, ceea ce duce la o eficiență îmbunătățită, întreținere redusă și la economii totale de costuri pe termen lung.