Miten kaasunvirtausta monitoroidaan ja säädetään tarkasti teollisuussovelluksissa

Monissa teollisuusautomaatio- ja tuotantolaitoksissa usein tarvitaan erilaisiin prosesseihin ja sovelluksiin sellaisia kaasuja kuin ilmaa, happea, typpeä, vetyä, heliumia ja argonia. Näitä käytetään esimerkiksi puhdistukseen, leikkaukseen, hitsaukseen ja kemikaalien valmistukseen. Monissa tapauksissa tarkkuuslaitteet ja kemialliset prosessit edellyttävät erittäin tarkkaa kaasunsäätöä, jotta vältetään vaikeasti diagnosoitavat laiteviat tai prosessien epäonnistuminen. Liiallinen kaasunvirtaus voi myös johtaa tehokkuuden laskuun ja aiheuttaa kaasusäiliön vaihtoon liittyviä lisäkustannuksia.

Tarkka kaasunvirtaus, joka mitataan standardilitroina minuutissa (SLM), on mielenkiintoinen ongelma, koska mittaustarkkuuteen vaikuttavat paine ja lämpötila sekä anturimekanismin tarkkuus. Kaasunvirtauksen säätöön käytetään yleisesti tavallisia massavirtaussäätimiä, mutta niiden tarkkuus voi ajan mittaan heikentyä, ja ne täytyy kalibroida säännöllisesti käytön aikana, mikä lisää elinkaarikustannuksia. Tekniikan kehittyminen on johtanut kaasulämpötilojen mikrotermiseen mittaukseen, jolloin SLM-tilavuusvirta voidaan määrittää tarkasti.

Tässä artikkelissa käsitellään teollisuuskaasujen merkitystä ja kaasunvirtauksen epätarkasta säädöstä johtuvia ongelmia. Sen jälkeen siinä tarkastellaan kehittynyttä kaasuvirtauksen tunnistustekniikkaa käyttäviä Sensirion-massavirtaussäätimiä, ja selitetään, miten ne asennetaan ja miten niitä käytetään tehokkaasti kokonaiskustannusten alentamiseksi ja samalla tehokkuuden, luotettavuuden ja tuottavuuden parantamiseksi.

Teollisuuskaasut edellyttävät tarkkaa säätöä

Teollisuuslaitoksissa käytetään erilaisia kaasuja eri käyttötarkoituksiin, jotka perustuvat yksittäisten kaasujen ominaisuuksiin. Jotkin järjestelmät, kuten lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmät (LVI), voivat antaa anteeksi pieniä virheitä kaasunvirtauksen säädössä, mutta sellaiset tarkkuuslaitteet kuin kemiallinen kaasufaasipinnoitus (CVD), kaasu- ja nestekromatografia ja massaspektrometria vaativat erittäin tarkkaa kaasujen säätöä. Tällä vältetään laiteviat ja prosessien epäonnistuminen. Tämäntyyppisiä vikoja on vaikea diagnosoida, ja ne voivat aiheuttaa pitkiä ja kalliita seisokkeja.

Syttyviä kaasuja, kuten vety, asetyleeni ja butaani, sekoitetaan hapen kanssa ja ne tuottavat lämpöä, liekin tai hallitun räjähdyksen. Kaasut on sekoitettava prosessin kannalta oikeaan pitoisuuteen. Aivan kuten auton polttomoottorissa, liian laiha tai liian vahva palavien kaasujen seos voi aiheuttaa lämpötilaltaan virheellisen liekin, mikä johtaa epätäydelliseen tai epäonnistuneeseen prosessiin.

Sellaisia painekaasuja kuin happea, typpioksidia ja ilmaa käytetään hapettimina ja myös palamisen apuna. Painekaasun liian vähäinen määrä voi johtaa epäonnistuneeseen kemialliseen prosessiin, kun taas liian suuri määrä kaasua aiheuttaa hyötysuhteen laskua, kaasun tuhlaamista ja kustannusten nousua.

Inerttejä kaasuja, kuten argonia, hiilidioksidia ja typpeä, käytetään usein kriittisiin turvallisuustoimintoihin, kuten tulipalon tai hapettumisen hallintaan ja myös joidenkin kemiallisten reaktioiden estämiseen. Kaasun liian vähäinen määrä voi johtaa palonsammutuksen epäonnistumiseen, kun taas liian suuri määrä tuhlaa kaasua ja lisää kustannuksia.

Kaasunvirtauksen säätö teollisilla massavirtaussäätimillä

Massavirtaussäätimiä käytetään oikean kaasumäärän mittaamiseen. Yksinkertaisimmillaan massavirtaussäätimet ovat täysin manuaalisia eivätkä vaadi virtalähdettä. Kaasun määrää säädetään kääntämällä säädin haluttuun asentoon. Manuaaliset massavirtaussäätimet mittaavat tilavuuden kuitenkin vain ympäristön lämpötilassa. Ne eivät osaa ottaa huomioon kaasun paineen tai lämpötilan muutoksista johtuvia tilavuuden muutoksia. Tästä syystä kaasujen tarkkaan säätöön käytetään elektronisia massavirtaussäätimiä.

Teollisuuskaasujen tilavuusvirran SLM-mittayksikön määritelmä on yksi litra kaasuvirtausta yhden minuutin ajan kaasun vakiolämpötilassa 0 °C/32 °F ja kaasun vakiossa absoluuttipaineessa 1 bar. Minkä tahansa kaasun tilavuus vaihtelee lämpötilan ja paineen mukaan, joten massavirtaussäätimen on pystyttävä ottamaan huomioon ympäristöolosuhteiden muutokset ja muuttamaan virtaustilavuutta vastaavasti. Useimmat elektroniset massavirtaussäätimet on kalibroitu kohdekaasulle, jotta virtauksen säätö olisi tarkkaa lämpötilan ja paineen vaihtelujen aikana, mutta tämä kalibrointi ryömii usein ajan myötä, joten uudelleenkalibrointia tarvitaan käytön aikana säännöllisesti. Tämä lisää huoltoa, kun taas kalibroinnin väliin jättäminen heikentää järjestelmän hyötysuhdetta.

Tarkat massavirtaussäätimet ilman käytönaikaista kalibrointia

Ratkaisu ongelmaan on tarkkojen massavirtaussäätimien perhe, joka ei vaadi kalibrointia käytön aikana. Sensirion tarjoaa ratkaisun SFC5500-sarjan massavirtaussäätimillä (kuva 1). SFC5500-sarjassa käytetään kaasun lämpötilan mikrotermistä mittausta tarkan SLM-tilavuusmittauksen määrittämiseksi kaasun lämpötilan ja paineen muutoksista riippumatta.

Kuva 1: Sensirion SFC5500 -massavirtaussäädinten perhe käyttää mikrotermistä CMOSens-tekniikkaa kaasun tilavuuden tarkkaan mittaamiseen kaasunvirtauskanavan läpi lämpötilan tai paineen vaihteluista riippumatta. (Kuvan lähde: Sensirion)

Sensirionin kaasun tilavuusvirtatekniikka nimeltään CMOSens mittaa tarkasti kaasuvirtauskanavan läpi kulkevan kaasun tilavuuden. CMOSens on yleisnimitys Sensirionin lähestymistavalle, jossa yhdistyvät mittaus, signaalinparannus ja prosessointi yhdellä ainoalla CMOS-laitteella. Tämä mahdollistaa tarkan säädön pitkäksi aikaa pienellä laitteella (kuva 2, yllä).

Kuva 2: CMOSens yhdistää mittauksen, signaalinparannuksen ja prosessoinnin yhdessä ainoassa CMOS-laitteessa (yllä). Kaasunvirtauksen mittaussovelluksessa (alla) lämpötila-anturit ja niihin liittyvä prosessointi suorittavat mikrotermisen mittauksen tarkkuuden varmistamiseksi. (Kuvan lähde: Sensirion)

CMOSens-tekniikkaa käyttävässä kaasunvirtauksen mittaustoteutuksessa lämpötila-anturit on sijoitettu ylävirtaan ja alavirtaan, ja niiden väliin on sijoitettu säädettävä lämmitin painevakautetulle kalvolle (kuva 2, alhaalla). Kolmas lämpötila-anturi mittaa kaasun lämpötilan.

Kaasun virtaus kahden anturin ja lämmittimen kautta tuottaa lämpötilalukemat kahdessa anturissa. Integroitu signaaliprosessori lukee nämä kaksi lukemaa yhdessä kaasun lämpötila-anturin lukeman ohella ja yhdistää ne kyseiselle kaasulle tallennettuihin kalibrointiasetuksiin, jolloin saadaan tarkka lukema tilavuusvirrasta paineesta ja lämpötilasta riippumatta.

SFC5500-massavirtaussäätimien tyypillinen asettumisaika on alle 100 millisekuntia (ms), mikä mahdollistaa tarkat lukemat lämpötilan, paineen ja virtausolosuhteiden nopeiden muutoksien aikana. Koska CMOSens-tekniikka kompensoi lämpötilan ja paineen, tässä konfiguraatiossa ei tapahdu ryömimistä ajan suhteen. Siksi SFC5500-säädin ei edellytä koskaan uudelleenkalibrointia kentällä, ellei kohdekaasua vaihdeta.

CMOSens-tekniikkaan perustuva massavirtaussäädin

Esimerkki SFC5500-massavirtaussäätimestä on SFC5500-200SLM. Se on suuren virtausmäärän virtaussäädin, joka on suunniteltu ja kalibroitu vain ilmalle, typelle ja hapelle. Typpi- ja ilmakaasujen suurin tuettu täysimittainen tilavuusvirta on 200 SLM ja määritetty säätötarkkuus on 0,10 % täysimittaisesta virtauksesta tai 0,20 SLM. Happikaasuvirtauksen suurin tuettu täysimittainen virtausnopeus on 160 SLM ja määritetty säätötarkkuus on 0,20 % täysimittaisesta virtauksesta tai 0,32 SLM. Sensirion ilmoittaa, että tämän yksikön tarkkuus voi hieman heikentyä, jos kaasunvirtaus ylittää 100 SLM. SFC5500-200SLM on suunniteltu siten, että se mahdollistaa ilman tai hapen tarkan säädön ilman käytönaikaista kalibrointia.

Sensirion SFC5500-200SLM liitetään isäntäkoneeseen tavallisella RS-485 DB-9 -liittimellä. Laite tukee myös DeviceNet- ja IO-Link-kommunikaatiota. Kaasun tulo- ja poistoliitännät ovat Legris-puristusliittimiä, joiden ulkohalkaisija on 10 millimetriä (mm). Tämä halkaisija on yhteensopiva tavallisten 10 mm:n kaasuliitinten kanssa.

Sensirion tarjoaa muita kaasuja varten useita kaasuja tukevan SFC5500-10SLM-massavirtausmittarin. Ilman, typen ja hapen lisäksi tämä säädin tukee myös vetyä, heliumia, argonia, hiilidioksidia, dityppioksidia ja metaania. Se tukee kaikkien kaasujen enintään 10 SLM:n täysimittaista virtausta lukuun ottamatta dityppioksidia, argonia ja hiilidioksidia, joiden täysimittainen virtaus on 5,0 SLM. Huonoimmassa tapauksessa tarkkuus on 0,30 % täysimittaisesta virtauksesta. Se tukee samoja tiedonsiirtorajapintoja kuin SFC5500-200SLM. Kaasun tulo- ja poistoliitännät ovat Legris-puristusliittimiä, joiden ulkohalkaisija on 6 mm ja jotka ovat yhteensopivia tavallisten 6 mm:n kaasuliitinten kanssa.

SFC5500-10SLM tarjoaa joustavuutta mahdollistamalla useiden kaasujen käytön yhdellä säätimellä, mikä yksinkertaistaa varastointia. Säädin on konfiguroitava ja esikalibroitava käytettävälle kohdekaasulle ennen käyttöönottoa. Sitä ei voi käyttää muulle kaasulle ilman uudelleenkonfigurointia.

Konfigurointi ja kehittäminen

SFC5500-massavirtaussäätimet on esikonfiguroitava kohdekaasulle ennen niiden käyttöönottoa. Koska eri kaasuilla on erilaiset tiheydet ja ominaisuudet, kukin kaasu edellyttää erilaista asetusta ja kalibrointia. Sensirion tarjoaa konfiguroinnin, kalibroinnin ja arvioinnin helpottamiseksi EK-F5X-arviointisarjan (kuva 3) SFC5500-sarjaa varten. Huomaa, että sarja ei sisällä massavirtaussäädintä.

Kuva 3: Sensirion EK-F5X -arviointisarjan avulla kehittäjät voivat konfiguroida, kalibroida ja arvioida SFC5500-massavirtaussäätimiä (eivät sisälly sarjaan) ennen niiden käyttöönottoa. (Kuvan lähde: Sensirion)

Jotta SFC5500-säädin voidaan konfiguroida käyttöä varten, se on ensin kytkettävä säädettävään kaasuun. EK-F5X-arviointisarja sisältää DB-9-kaapelin, joka kytketään SFC5500-säätimen päällä olevaan DB-9-liittimeen. DB-9-kaapeli sisältää AC-adapterin, josta SFC5500 saa virtaa käytön aikana, ja USB-liittimen, jolla se voidaan liittää isäntätietokoneeseen. USB-muistitikku sisältää isäntätietokoneelle tarkoitetun SFC5500-laiteajurin kuten myös SFC5000 Viewer Software -ohjelmiston. Molemmat on ladattava isäntätietokoneeseen ennen yhdistämistä laitteeseen USB:n kautta. SFC5500-säädin liitetään ensin virtalähteeseen, ja sitten USB-liitin kytketään isäntätietokoneeseen. Tyypillisten äänimerkkien jälkeen tietokoneen tunnistaessa USB-liitetyn SFC5500-säätimen, SFC5xxx Viewer Software käynnistyy ja pyytää COM-portin konfigurointia. Tämän jälkeen ohjelmisto näyttää kaikki käytettävissä olevat kalibroinnit kullekin kyseisen SFC5500-säätimen tukemalle kaasulle yhdessä käytettävissä olevien kalibrointien kanssa (kuva 4).

Kuva 4: Sensirion SFC5500 Viewer Software -ohjelmisto tarjoaa valikoiman kalibrointeja kaikille kaasuille, joita liitetty yksikkö tukee. (Kuvan lähde: Sensirion)

SFC5xxx Viewer Software näyttää liitetyn SFC5500-mallin sarjanumeron ja laiteohjelmistoversion sekä COM-portin konfiguraation. System-välilehti valitaan käynnistyksen yhteydessä. Siinä näkyvät käytettävissä olevat virtauskalibroinnit vihreällä korostettuna ja aktiivinen kalibrointi punaisella. Kalibrointia voidaan muuttaa klikkaamalla hiiren kakkospainikkeella kohdekaasun kalibrointia ja valitsemalla ”Load Calibration”. Liitetty SFC5500 on nyt kalibroitu valitulle kaasulle. Kalibrointi tallennetaan EEPROM-muistiin, joten uudelleenkalibrointi ei ole tarpeellista virran katkaisun ja uudelleenkytkemisen jälkeen. Uudelleenkalibrointi on tarpeen vain, jos laitetta halutaan käyttää eri kaasulle.

Kalibroinnin jälkeen valitaan Data Display -välilehti. Tällä välilehdellä asetetaan kaasuvirtaus ja ohjataan sitä. Kaasunvirtaus voidaan asettaa tasaiseksi vakiovirtaukseksi tai sille voidaan luoda mukautettu aaltomuoto virtauksen vaihtelua varten. SFC5500 on nyt kalibroitu ja konfiguroitu automaattista toimintaa varten.

Monimutkaisemmissa sovelluksissa, joissa virtausta on vaihdeltava ohjelmallisesti, SFC5500-säädintä voidaan ohjata DeviceNetin kautta. DeviceNet-välilehdellä konfiguroidaan DeviceNet MAC ID ja baudinopeus. Virtausta voidaan ohjata helposti etäältä DeviceNetin kautta lähettämällä laitteeseen arvo 0x0000, jos virtaus halutaan katkaista, 0xFFFF, jos halutaan täyttä virtausta, tai mikä tahansa arvo siltä väliltä. Tämä mahdollistaa kompleksiset virtaussäätötoiminnot sekä kaasunvirtauksen nopean ja helpon etäkatkaisun, mistä on hyötyä hätätilanteissa.

Yhteenveto

Teollisuuskaasujen tarkka säätö on erittäin tärkeää teollisuusprosesseissa. Vaikka kalibroinnin ryömintä voi vaatia säännöllistä uudelleenkalibrointia tarkkuuden säilyttämiseksi, uudet kaasunmittaustekniikat voivat eliminoida tämän tarpeen. Ne parantavat hyötysuhdetta, vähentävät huollontarvetta ja säästävät kokonaiskustannuksia pitkällä aikavälillä.