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如何精確監(jiān)測和控制工業(yè)應(yīng)用中的氣體流量

發(fā)布時(shí)間:2022-02-09 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】許多工業(yè)自動(dòng)化 (IA) 和制造設(shè)施在各種工藝和應(yīng)用中經(jīng)常需要使用空氣、氧氣、氮?dú)?、氫氣、氦氣和氬氣等氣體。具體用途包括清潔、切割、焊接和化學(xué)品制造。在許多情況下,精密設(shè)備和化學(xué)工藝需要對(duì)氣體進(jìn)行極其精細(xì)的控制,以避免造成難以診斷的設(shè)備故障或過程失敗。此外,過量的氣體流量會(huì)導(dǎo)致效率損失,以及與氣體容器更換有關(guān)的額外費(fèi)用。


許多工業(yè)自動(dòng)化 (IA) 和制造設(shè)施在各種工藝和應(yīng)用中經(jīng)常需要使用空氣、氧氣、氮?dú)狻錃?、氦氣和氬氣等氣體。具體用途包括清潔、切割、焊接和化學(xué)品制造。在許多情況下,精密設(shè)備和化學(xué)工藝需要對(duì)氣體進(jìn)行極其精細(xì)的控制,以避免造成難以診斷的設(shè)備故障或過程失敗。此外,過量的氣體流量會(huì)導(dǎo)致效率損失,以及與氣體容器更換有關(guān)的額外費(fèi)用。


以標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘 (SLM) 為單位測量精確氣體流量是一個(gè)有趣的問題,因?yàn)闇y量精度受壓力和溫度以及傳感機(jī)構(gòu)的精度影響。標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量控制器通常用于控制氣體流量,但這些控制器會(huì)隨著時(shí)間的推移而失去準(zhǔn)確性,并且在使用過程中需要定期校準(zhǔn),從而增加了壽命成本。技術(shù)的進(jìn)步催生了對(duì)氣體溫度進(jìn)行微熱測量的使用,從而精確確定具體 SLM 體積流量。


本文討論了工業(yè)氣體的重要性以及氣體流量控制不準(zhǔn)確導(dǎo)致的問題。然后,介紹了 Sensirion 采用先進(jìn)氣體流量傳感技術(shù)的質(zhì)量流量控制器,并解釋了如何有效地設(shè)置和使用它們來降低總體成本,同時(shí)提高效率、可靠性和生產(chǎn)率。


工業(yè)氣體需要精確控制


工業(yè)設(shè)施根據(jù)各種氣體的特性,將其用于各種用途。一些系統(tǒng),如加熱、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)可以容忍氣體流量控制的小誤差,但精密設(shè)備,如化學(xué)氣相沉積 (CVD)、氣相色譜和液相色譜以及質(zhì)譜儀,需要極其精確的氣體控制,以避免設(shè)備故障或過程失敗。這些類型的故障很難診斷,并可能導(dǎo)致漫長而昂貴的停機(jī)時(shí)間。


氫氣、乙炔和丁烷等易燃?xì)怏w與氧氣混合,產(chǎn)生熱量、火焰或受控爆炸。具體過程中這些氣體必須以適當(dāng)?shù)臐舛然旌显谝黄?。就像在汽車的?nèi)燃機(jī)中一樣,過稀或過濃的可燃?xì)怏w混合物會(huì)產(chǎn)生溫度不合適的火焰,導(dǎo)致效率低下或失敗。


壓縮氣體如氧氣、一氧化二氮和空氣被用作氧化劑,也用于協(xié)助燃燒。壓縮氣體太少會(huì)導(dǎo)致化學(xué)過程失敗,而氣體太多則會(huì)導(dǎo)致效率下降,浪費(fèi)氣體,并增加成本。


惰性氣體,如氬氣、二氧化碳和氮?dú)?,通常用于重要安全操作場合,如火?zāi)或氧化控制,也用于抑制一些化學(xué)反應(yīng)。氣體太少會(huì)導(dǎo)致滅火活動(dòng)失敗,而太多則會(huì)浪費(fèi)氣體并增加相關(guān)成本。


用工業(yè)質(zhì)量流量控制器控制氣體流量


質(zhì)量流量控制器用來測量合適的氣體量。在其最簡單的形式中,質(zhì)量流量控制器是完全手動(dòng)的,不需要電源。氣體的體積是通過轉(zhuǎn)動(dòng)表盤到適當(dāng)?shù)脑O(shè)置點(diǎn)來調(diào)整的。然而,手動(dòng)質(zhì)量流量控制器只能測量環(huán)境溫度下的體積,無法考量由于氣體的壓力或溫度變化而引起的體積變化。出于這個(gè)原因,人們使用了電子質(zhì)量流量控制器進(jìn)行氣體的精確控制。


工業(yè)氣體體積流量的測量單位 SLM 定義為,在標(biāo)準(zhǔn)氣體溫度為 0°C/32°F 和標(biāo)準(zhǔn)氣體絕對(duì)壓力為 1 bar 的情況下 1 分鐘 1 升的氣體流量。任何氣體的體積都會(huì)根據(jù)溫度和壓力而變化,所以質(zhì)量流量控制器需要能夠考慮到環(huán)境條件的變化,并相應(yīng)地改變流量。大多數(shù)電子質(zhì)量流量控制器針對(duì)目標(biāo)氣體進(jìn)行校準(zhǔn),以便在溫度和壓力變化的情況下提供準(zhǔn)確的流量控制,但這種校準(zhǔn)往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而漂移,需要在使用中定期重新校準(zhǔn)。這增加了維護(hù)工作量,而忽略校準(zhǔn)則會(huì)降低系統(tǒng)的效率。


無需服務(wù)中校準(zhǔn)的精密質(zhì)量流量控制器


在這方面的解決方案是一個(gè)不需要服務(wù)中校準(zhǔn)的精密質(zhì)量流量控制器系列。Sensirion 的 SFC5500 系列質(zhì)量流量控制器就是這樣一個(gè)解決方案(圖 1)。SFC5500 系列使用氣體溫度微熱測量技術(shù)來準(zhǔn)確確定精確的 SLM 體積流量,而不受氣體溫度和壓力變化的影響。


如何精確監(jiān)測和控制工業(yè)應(yīng)用中的氣體流量

圖 1:Sensirion SFC5500 質(zhì)量流量控制器系列使用微熱 CMOSens 技術(shù),精確測量通過氣體流動(dòng)通道的氣體體積,而不受溫度或壓力變化的影響。(圖片來源:Sensirion)


Sensirion 的氣體體積流量技術(shù)稱為 CMOSens,能準(zhǔn)確測量通過氣體流量通道的氣體體積。CMOSens 是 Sensirion 方法使用的一個(gè)通用術(shù)語,它將傳感、信號(hào)調(diào)節(jié)和處理功能結(jié)合在一個(gè)單一的 CMOS 器件上,從而在一個(gè)小器件中實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制(圖 2,上)。


如何精確監(jiān)測和控制工業(yè)應(yīng)用中的氣體流量

圖 2:CMOSens 將傳感、信號(hào)調(diào)節(jié)和處理技術(shù)結(jié)合在一個(gè) CMOS 器件上(上)。在氣體流量測量應(yīng)用中(下),溫度傳感器和相關(guān)處理進(jìn)行微熱測量以確保精度。(圖片來源:Sensirion)


在使用 CMOSens 的氣體流量測量實(shí)現(xiàn)中,溫度傳感器放置在上游和下游,中間有一個(gè)安裝在壓力穩(wěn)定膜上的可調(diào)加熱器(圖 2,下)。第三個(gè)溫度傳感器用來檢測氣體的溫度。


流過兩個(gè)傳感器的氣體和加熱器氣體流量會(huì)在兩個(gè)傳感器上產(chǎn)生溫度讀數(shù)。這兩個(gè)讀數(shù)與氣體溫度傳感器讀數(shù)一起,由一個(gè)集成的信號(hào)處理器讀取,并與儲(chǔ)存的針對(duì)特定氣體的校準(zhǔn)設(shè)置相結(jié)合,產(chǎn)生一個(gè)精確的體積流量讀數(shù),而不受壓力和溫度的影響。


SFC5500 質(zhì)量流量控制器的典型建立時(shí)間小于 100 毫秒 (ms),允許在溫度、壓力和流量條件快速變化時(shí)獲得準(zhǔn)確讀數(shù)。由于 CMOSens 技術(shù)可以對(duì)溫度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償,這種配置隨著時(shí)間的推移具有零漂移,因此除非目標(biāo)氣體發(fā)生變化,否則 SFC5500 在現(xiàn)場永遠(yuǎn)不需要重新校準(zhǔn)。


基于 CMOSens 的質(zhì)量流量控制器


SFC5500 質(zhì)量流量控制器的一個(gè)實(shí)例是 SFC5500-200SLM。它是一個(gè)大容量的流量控制器,旨在用于空氣、氮?dú)夂脱鯕?,并針?duì)這些氣體進(jìn)行了校準(zhǔn)。支持氮?dú)夂涂諝鈿怏w,最大滿量程流量為 200 SLM,指定控制精度為滿量程流量的 0.10% 或 0.20 SLM。支持氧氣流量,最大滿量程流量為 160 SLM,指定控制精度為滿量程流量的 0.20% 或 0.32 SLM。Sensirion 指明,當(dāng)氣體流量超過 100 SLM 時(shí),該裝置的精度可能會(huì)略有下降。SFC5500-200SLM 的設(shè)計(jì)是這樣的,它允許對(duì)空氣或氧氣進(jìn)行精確控制,而不需要服務(wù)中校準(zhǔn)。


Sensirion SFC5500-200SLM 通過一個(gè)普通的 RS-485 DB-9 連接器與主機(jī)計(jì)算機(jī)連接。此外,還支持 DeviceNet 和 IO-Link 通信。氣體進(jìn)出連接采用的樂可利壓縮接頭,外徑為 10 毫米 (mm)。這與標(biāo)準(zhǔn)的 10 mm 氣體接頭兼容。


為了支持其他氣體,Sensirion 推出了 SFC5500-10SLM 多氣體質(zhì)量流量計(jì)。除了空氣、氮?dú)夂脱鯕馔?,這個(gè)控制器還支持氫氣、氦氣、氬氣、二氧化碳、氧化亞氮和甲烷。除了一氧化二氮、氬氣和二氧化碳滿量程流量為 5.0 SLM 外,它支持的所有氣體的最大滿量程流量為 10 SLM。最壞情況下的精度是滿量程流量的 0.30%。它支持與 SFC5500-200SLM 相同的通信接口。氣體進(jìn)出連接采用樂可利壓縮接頭,外徑為 6 mm,與標(biāo)準(zhǔn)的 6 mm 氣體接頭兼容。


SFC5500-10SLM 提供了用一個(gè)控制器支持多種氣體的靈活性,簡化了庫存。該控制器在投入運(yùn)行前必須對(duì)所控制的目標(biāo)氣體進(jìn)行配置和預(yù)校準(zhǔn)。如果不進(jìn)行重新配置,它不能用于其他氣體。


配置和開發(fā)


SFC5500 質(zhì)量流量控制器在投入運(yùn)行前必須對(duì)目標(biāo)氣體進(jìn)行預(yù)先配置。由于不同的氣體有不同的密度和特性,每種氣體需要不同的設(shè)置和校準(zhǔn)。為了幫助進(jìn)行配置、校準(zhǔn)和評(píng)估,Sensirion 為 SFC5500 系列提供了 EK-F5X 評(píng)估套件(圖 3)。請(qǐng)注意,該套件不包括質(zhì)量流量控制器。


如何精確監(jiān)測和控制工業(yè)應(yīng)用中的氣體流量

圖 3:Sensirion EK-F5X 評(píng)估套件允許開發(fā)人員在投入使用前對(duì) SFC5500 質(zhì)量流量控制器(套件中未提供)進(jìn)行配置、校準(zhǔn)和評(píng)估。(圖片來源:Sensirion)


要對(duì) SFC5500 進(jìn)行配置服務(wù),首先必須將其與所控制的氣體連接起來。EK-F5X 評(píng)估套件帶有一條定制的 DB-9 電纜,可以插入 SFC5500 頂部的 DB-9 連接器。DB-9 電纜分成一個(gè)交流適配器,用于在操作中為 SFC5500 供電,以及一個(gè) USB 連接器,用于與主機(jī)連接。附帶的 USB 閃存驅(qū)動(dòng)器中提供了用于主機(jī)計(jì)算機(jī)的 SFC5500 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,以及 SFC5000 查看器軟件,這兩個(gè)軟件在通過 USB 連接之前必須在主機(jī)上加載。首先將 SFC5500 插入電源,然后將 USB 連接器連接到主機(jī)計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)熟悉 USB 連接的 SFC5500 時(shí)發(fā)出通常的蜂鳴聲后,SFC5xxx 查看器軟件會(huì)啟動(dòng)并要求對(duì) COM 端口進(jìn)行配置。然后軟件會(huì)顯示特定 SFC5500 支持的每種氣體的所有可用校準(zhǔn)以及使用中的校準(zhǔn)(圖 4)。


如何精確監(jiān)測和控制工業(yè)應(yīng)用中的氣體流量

圖 4:Sensirion SFC5500 查看器軟件為所連接裝置支持的每種氣體提供了眾多校準(zhǔn)選擇。(圖片來源:Sensirion)


SFC5xxx 查看器軟件顯示所連接的 SFC5500 變型及其序列號(hào)和固件版本,以及 COM 端口配置。System 選項(xiàng)卡在啟動(dòng)時(shí)是選中的,并顯示可用的流量校準(zhǔn),以綠色突出顯示,使用中的校準(zhǔn)以紅色突出顯示。要改變某個(gè)校準(zhǔn),需要右擊目標(biāo)氣體的校準(zhǔn),然后選擇 "Load Calibration"(加載校準(zhǔn))。所連接的 SFC5500 現(xiàn)在已經(jīng)為選定的氣體進(jìn)行了校準(zhǔn)。校準(zhǔn)存儲(chǔ)在 EEPROM 中,所以在電源重啟后不需要重新校準(zhǔn)。只有在設(shè)備用于不同的氣體時(shí)才需要重新校準(zhǔn)。


校準(zhǔn)后,選擇 Data Display(數(shù)據(jù)顯示)選項(xiàng)卡。這個(gè)選項(xiàng)卡用于設(shè)置和控制氣體流量,可以設(shè)置為恒定流動(dòng)速率,也可以生成一個(gè)自定義的波形來改變流量?,F(xiàn)在,SFC5500 已經(jīng)過校準(zhǔn)并配置為自動(dòng)操作。


對(duì)于必須以編程方式改變流量的更復(fù)雜應(yīng)用,SFC5500 可以由 DeviceNet 控制。DeviceNet 選項(xiàng)卡用于配置 DeviceNet MAC ID 和波特率。發(fā)送表示無流量的 0x0000、表示滿量程流量的 0xFFFF 或介于兩者之間的任何值到裝置,可以很容易地通過 DeviceNet 遠(yuǎn)程控制流量。這樣就可以進(jìn)行復(fù)雜的流量控制操作,并且可以快速、方便地遠(yuǎn)程關(guān)閉氣流,這在緊急情況下非常有用。


結(jié)語


工業(yè)氣體的精確控制在工業(yè)過程中是至關(guān)重要的。雖然校準(zhǔn)漂移可能需要定期重新校準(zhǔn)以保持準(zhǔn)確性,但新的氣體測量技術(shù)可以消除這種需要,從而提高了效率,減少了維護(hù),長遠(yuǎn)來看就節(jié)省了總成本。

(來源:Digi-Key,作者:Bill Giovino)


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