Průtok plynu se uvádí v litrech za minutu (SLM - standard liter per minute) a přesnost měření je ovlivněna tlakem, teplotou a přesností snímacího mechanismu. Standardní regulátory průtoku mohou časem ztrácet přesnost a vyžadují pravidelnou kalibraci, a tím se zvyšují náklady. Technologický pokrok vedl k použití mikrotermálního měření, které umožňuje přesně určit objem procházejícího plynu.

Tento článek pojednává o důležitosti průmyslových plynů a problémech vyplývajících z jejich nepřesného řízení. Dále si představíme průtokové regulátory od společnosti Sensirion, jejich nastavení a použití v praxi.

Plyny používané v průmyslu

Systémy vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC) jsou tolerantní vůči malým výkyvům v průtoku plynu, ale existují jiné systémy, které kladou důraz na vysokou přesnost množství proudícího plynu. Jedná se o měřící systémy - například tzv. chemická depozice z plynné fáze (CVD - Chemical vapor deposition), plynová a kapalinová chromatografie a hmotnostní spektrometrie. Vysoká přesnost se vyžaduje proto, 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, acetylén a butan, se mísí s kyslíkem a vytvářejí teplo, plamen nebo řízenou explozi. Plyny tak musí být smíchány dohromady ve správné koncentraci. Typickým příkladem je koncentrace vzduchu a benzínu ve spalovacím motoru. Směs hořlavých plynů, která je příliš chudá nebo příliš bohatá má za následek neefektivní spalování, a tím dochází ke snížení výkonu motoru.

Stlačené plyny, jako je kyslík, oxid dusnatý a vzduch se používají jako oxidační činidla a také slouží k podpoře spalování. Příliš málo stlačeného plynu může vést k selhání chemického procesu, zatímco příliš mnoho plynu má za následek ztrátu účinnosti, plýtvání plynem a zvýšené náklady.

Inertní plyny, jako je argon, oxid uhličitý a dusík se často používají pro kritické bezpečnostní operace jako je hašení požáru nebo potlačení některých chemických reakcí. Příliš málo plynu může snížit účinnost při hašení požáru, zatímco příliš mnoho plynu způsobuje jeho plýtvá a zvyšují se opět náklady.

Řízení průtoku plynu pomocí hmotnostních regulátorů

Hmotnostní regulátory průtoku se používají k odměřování správného objemu plynu. Nejjednodušší hmotnostní regulátory jsou zcela manuální a nevyžadují napájení. Objem plynu se nastavuje otočením ovladače na správnou hodnotu. Tyto regulátory měří pouze objem plynu při okolní teplotě a nemohou zohledňovat změny objemu způsobené změnami tlaku nebo teploty. Z tohoto důvodu se pro přesnou regulaci plynů používají elektronické hmotnostní regulátory průtoku.

Jednotka SLM 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 průtoku musí být schopen zohlednit změny okolních podmínek a podle toho měnit objem průtoku.

Většina elektronických regulátorů je kalibrována pro určitý plyn, aby poskytovaly přesné řízení průtoku v závislosti na změnách teploty a tlaku. Tato kalibrace se v průběhu času mění a proto je nutná periodická „rekalibrace“ během provozu, a to samozřejmě zvyšuje náklady na údržbu.

Přesné regulátory průtoku bez nutnosti provozní kalibrace

Přesné regulátory, které nevyžadují kalibraci za provozu nabízí Sensirion. Jejich řešení v podobě řady SFC5500 je na obrázku 1. Řada SFC5500 využívá mikrotermální měření teploty plynu k přesnému určení objemu v jednotkách SLM bez ohledu na změny teploty a tlaku plynu.

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

Technologie CMOSens kombinuje snímání, úpravu signálu a zpracování v jednom CMOS čipu (obrázek 2 nahoře).

Obrázek 2: CMOSens kombinuje snímání, úpravu signálu a zpracování v jediném čipu CMOS (nahoře). V aplikaci pro měření průtoku plynu (dole) provádějí teplotní senzory mikrotermální měření, aby byla zajištěna vysoká přesnost. (Zdroj obrázku: Sensirion)

Při implementaci měření průtoku plynu pomocí CMOSens jsou teplotní senzory umístěny proti proudu a po proudu, přičemž mezi nimi je umístěn ohřívač na tlakově stabilizované membráně (obrázek 2, dole). Třetí teplotní senzor detekuje teplotu plynu. Průtok plynu přes oba senzory a ohřívač vytváří teplotní rozdíl na obou senzorech. Tyto naměřené hodnoty spolu s uloženými kalibračními konstantami pro konkrétní plyn slouží k přesnému výpočtu objemového průtoku bez ohledu na tlak a teplotu.

Typická doba ustálení pro regulátory SFC5500 je méně než 100 ms. To umožňuje přesné odečty během rychlých změn teploty, tlaku a jiných změnách. Technologie CMOSens kompenzuje teplotu a tlak, a tudíž je její měření v čase stálé a přesné, SFC5500 nikdy nepotřebuje tzv. „rekalibraci“ v průběhu měření, za podmínky, že se nezmění proudící plyn.

Regulátor založený na technologii CMOSens

Příkladem takového regulátoru je SFC5500-200SLM. Jedná se o velkoobjemový regulátor průtoku pro vzduch, dusík a kyslík. Průtok dusíku lze řídit až do hodnoty 200 SLM s přesností řízení 0,1 %. Průtok kyslíku je schopen ovlivnit až do hodnoty 160 SLM s přesností řízení 0,20 %.

Sensirion uvádí, že přesnost této jednotky se může mírně zhoršit, pokud průtok plynu bude vyšší než 100 SLM. Nicméně konstrukce SFC5500-200SLM je taková, že umožňuje přesné řízení vzduchu nebo kyslíku bez provozní kalibrace. Sensirion SFC5500-200SLM se připojuje k počítači pomocí běžného konektoru RS-485 DB-9. Podporována je také komunikace DeviceNet a IO-Link. Připojení pro vstup a výstup plynu jsou řešeny pomocí kompresního šroubení Legris s vnějším průměrem 10 mm.

Pro regulaci jiných plynů nabízí Sensirion víceplynový průtokoměr SFC5500-10SLM. Kromě vzduchu, dusíku a kyslíku tento regulátor podporuje také vodík, helium, argon, oxid uhličitý, oxid dusný a metan. Je schopen regulovat průtok až do hodnoty 10 SLM pro všechny plyny kromě oxidu dusného, ​​argonu a oxidu uhličitého, kde lze dosáhnout maximálního průtoku 5,0 SLM. Přesnost v nejhorším případě je 0,3 %. Přípojky pro vstup a výstup plynu jsou řešeny pomocí šroubení Legris s vnějším průměrem 6 mm. Regulátor musí být před uvedením do provozu nakonfigurován a „předkalibrován“ pro konkrétní plyn. Bez „překalibraci“ jej nelze použít pro jiný plyn.

Konfigurace a vývoj

Regulátory průtoku SFC5500 musí být před uvedením do provozu předem nakonfigurovány pro konkrétní plyn. Protože plyny mají různé hustoty a vlastnosti tak každý plyn vyžaduje jiné nastavení a kalibraci. Pro pomoc s konfigurací, kalibrací a vyhodnocením vlastností regulátoru nabízí Sensirion vývojovou sadu EK-F5X, která je určena pro řadu SFC5500 (obrázek 3). Je nutné upozornit, že sada neobsahuje regulátor průtoku !

Obrázek 3: Vývojová sada Sensirion EK-F5X umožňuje vývojářům konfigurovat, kalibrovat a vyhodnocovat vlastnosti regulátoru průtoku SFC5500 (není součástí sady) před jejich uvedením do provozu. (Zdroj obrázku: Sensirion)

Pro konfiguraci SFC5500, musí být nejprve regulátor připojen k danému plynu. Vývojová sada EK-F5X se dodává s vlastním kabelem DB-9, který se zapojuje do konektoru DB-9 na horní straně SFC5500. Kabel DB-9 se dělí na AC adaptér pro napájení SFC5500 a USB konektor pro propojení s hostitelským počítačem. Součástí sady je také driver pro hostitelský počítač a také SFC5000 viewer software. Oba musí být nainstalovány do hostitelského počítače před připojením přes USB.

SFC5500 se nejprve zapojí do napájení a poté se konektor USB připojí k počítači. Po zvukovém pípnutí, kdy se počítač seznámí s SFC5500, se spustí viewer SFC5xxx a požádá o konfiguraci COM portu. Software poté zobrazí všechny dostupné kalibrace pro každý podporovaný plyn spolu s dostupnými kalibracemi (obrázek 4).

Obrázek 4: Software viewer od Sensirion poskytuje výběr kalibrací pro každý plyn podporovaný připojenou jednotkou. (Zdroj obrázku: Sensirion)

Software viewer SFC5xxx zobrazuje jednotku SFC5500 spojenou s jejím sériovým číslem a verzí firmware spolu s konfigurací COM portu. Záložka System  zobrazuje dostupné kalibrace průtoku zvýrazněné zeleně, přičemž aktivní kalibrace je zvýrazněna červeně. Je-li potřeba změnit kalibraci, je nutné kliknout pravým tlačítkem na příslušnou kalibraci pro konkrétní plyn a poté vybrat „Load Calibration“.

Připojený SFC5500 je nyní zkalibrován pro zvolený plyn a kalibrace je uložena v paměti EEPROM. Takže není nutné znovu kalibrovat po vypnutí/zapnutí napájení. Překalibrování je nutné pouze v případě, že se jednotka bude používat s jiným plynem. Po kalibraci se vybere záložka Zobrazení dat. Tato záložka nastavuje a ovládá průtok plynu, který lze nastavit na konstantní průtok, nebo lze vytvořit vlastní scénář průtoku. SFC5500 je nyní zkalibrován a nakonfigurován pro automatický provoz.

Pro složitější aplikace, kde se musí průtok měnit programově, lze SFC5500 ovládat pomocí DeviceNet. Záložka DeviceNet konfiguruje MAC ID DeviceNet a přenosovou rychlost. Průtok lze snadno ovládat na dálku přes DeviceNet odesláním 0x0000 do jednotky pro nulový průtok, 0xFFFF pro průtok v plném rozsahu nebo jakoukoli hodnotu mezi tím. To umožňuje složité řízení průtoku a umožňuje rychlé a snadné dálkové zastavení průtoku plynu, a to je užitečné v nouzových situacích.

Závěr

Přesná regulace průtoku plynů je v průmyslových procesech zásadním faktorem. Standardní regulátory jsou náchylné na změnu tlaku a teploty, a to vede k časté kalibraci i během provozu. Nové technologie regulace plynů tuto častou kalibraci nepotřebuje. To vede ke zlepšení účinnosti, snížení nákladů na údržbu a celkových úsporách v dlouhodobém horizontu.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Giovino.