Hoe de gasstroom in industriële toepassingen nauwkeurig bewaken en regelen

In veel industriële automatiserings- en productie-installaties is het gebruik van gassen zoals lucht, zuurstof, stikstof, waterstof, helium en argon voor diverse processen en toepassingen vaak noodzakelijk. Deze toepassingen zijn onder meer schoonmaken, snijden, lassen en chemische fabricage. In veel gevallen vereisen precisieapparatuur en chemische processen een uiterst fijne regeling van het gas om moeilijk te diagnosticeren storingen in de apparatuur of mislukte processen te voorkomen. Ook kan een te grote gasstroom leiden tot verlies van efficiëntie, samen met de extra kosten die gepaard gaan met het vervangen van de gascontainer.

Een nauwkeurige gasstroom, gemeten in standaard liters per minuut (SLM), is een interessant probleem, aangezien de meetnauwkeurigheid wordt beïnvloed door druk en temperatuur, alsmede door de nauwkeurigheid van het meetmechanisme. Standaard massadebietregelaars worden gewoonlijk gebruikt om de gasstroom te regelen, maar deze kunnen in de loop van de tijd aan nauwkeurigheid inboeten en moeten periodiek worden gekalibreerd terwijl ze nog in gebruik zijn, waardoor de kosten tijdens de levensduur toenemen. Technologische vooruitgang heeft geleid tot het gebruik van microthermische meting van gastemperaturen om de precieze SLM-volumestroom te bepalen.

In dit artikel wordt ingegaan op het belang van industriële gassen en de problemen die het gevolg zijn van een onnauwkeurige regeling van de gasstroom. Vervolgens wordt ingegaan op massadebietregelaars van Sensirion met geavanceerde gasstroomsensortechnologie en wordt uitgelegd hoe deze doeltreffend kunnen worden ingesteld en gebruikt om de totale kosten te verlagen en tegelijk de efficiëntie, betrouwbaarheid en productiviteit te verbeteren.

Industriële gassen vereisen nauwkeurige controle

In industriële installaties worden diverse gassen gebruikt voor uiteenlopende toepassingen, op basis van de eigenschappen van de afzonderlijke gassen. Sommige systemen, zoals verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC) vergeven kleine fouten in de regeling van de gasstroom, maar precisieapparatuur zoals chemische dampdepositie (CVD), gas- en vloeistofchromatografie en massaspectrometrie vereisen een uiterst nauwkeurige regeling van de gassen om storingen in de apparatuur of mislukte processen te voorkomen. Dit soort storingen is moeilijk te diagnosticeren en kan leiden tot lange en dure stilstand.

Brandbare gassen zoals waterstof, acetyleen en butaan worden gemengd met zuurstof om warmte, vlammen of een gecontroleerde explosie te creëren. De gassen moeten met elkaar worden vermengd in de juiste concentratie voor het proces. Net als in de interne verbrandingsmotor van een auto kan een mengsel van brandbaar gas dat te arm of te rijk is een vlam produceren met de verkeerde temperatuur, wat leidt tot een inefficiënt of mislukt proces.

Samengeperste gassen zoals zuurstof, stikstofmonoxide en lucht worden gebruikt als oxidatiemiddel, en ook om te helpen bij de verbranding. Te weinig samengeperst gas kan resulteren in een mislukt chemisch proces, terwijl te veel gas leidt tot verlies van efficiëntie, verspilling van gas en hogere kosten.

Inerte gassen zoals argon, kooldioxide en stikstof worden vaak gebruikt voor kritische veiligheidsoperaties zoals brand- of oxidatiebeheersing, en ook om bepaalde chemische reacties te onderdrukken. Te weinig gas kan resulteren in een mislukte brandbestrijdingsactiviteit, terwijl te veel gas verspilt en de daarmee samenhangende kosten doet stijgen.

Gasstroom regelen met industriële massastroomregelaars

Massadebietregelaars worden gebruikt om de juiste hoeveelheid gas te doseren. In hun eenvoudigste vorm zijn massadebietregelaars volledig manueel en vereisen zij geen stroomvoorziening. Het gasvolume wordt ingesteld door een draaiknop op de juiste stand te draaien. Handmatige massastroomregelaars meten echter alleen het volume bij omgevingstemperatuur en kunnen geen rekening houden met volumeveranderingen ten gevolge van druk- of temperatuursveranderingen van het gas. Daarom worden elektronische massastroomregelaars gebruikt voor de nauwkeurige regeling van gassen.

De SLM meeteenheid voor de volumestroom van industriële gassen wordt gedefinieerd als één liter gasstroom gedurende één minuut bij een standaardgastemperatuur van 0 °C/32 °F en een standaard absolute gasdruk van 1 bar. Het volume van een gas varieert op basis van temperatuur en druk, zodat de massastroomregelaar in staat moet zijn rekening te houden met veranderingen in de omgevingsomstandigheden en het debiet dienovereenkomstig moet kunnen variëren. De meeste elektronische massadebietregelaars zijn gekalibreerd voor een doelgas om een nauwkeurige debietregeling bij temperatuur- en drukschommelingen mogelijk te maken, maar vaak wijkt deze kalibratie in de loop van de tijd af, zodat tijdens het gebruik periodieke herkalibratie nodig is. Dit verhoogt het onderhoud, terwijl een overgeslagen kalibratie de efficiëntie van het systeem vermindert.

Precisie massadebietregelaars zonder ijking tijdens bedrijf

De oplossing hiervoor is een serie precisie-massastroomregelaars die geen kalibratie tijdens bedrijf vereisen. Sensirion heeft een oplossing met zijn SFC5500-serie massadebietregelaars (Afbeelding 1). De SFC5500-serie maakt gebruik van microthermische meting van gastemperaturen om de precieze SLM-volumemeting nauwkeurig te bepalen, ongeacht veranderingen in gastemperatuur en -druk.

Afbeelding 1: De Sensirion SFC5500-serie massadebietregelaars maakt gebruik van microthermische CMOSens-technologie om nauwkeurig het gasvolume door het gasstroomkanaal te meten, ongeacht temperatuur- of drukvariaties. (Bron afbeelding: Sensirion)

De gasvolumestroomtechnologie van Sensirion, CMOSens genaamd, meet nauwkeurig het gasvolume door het gasstroomkanaal. CMOSens is een algemene term voor de aanpak van Sensirion die de detectie, signaalconditionering en -verwerking combineert op één enkel CMOS-apparaat voor nauwkeurige controle in de tijd in een klein apparaat (Afbeelding 2, boven).

Afbeelding 2: CMOSens combineert de detectie, signaalconditionering en -verwerking op één enkel CMOS-apparaat (boven). In een toepassing voor gasstroommeting (onder) voeren temperatuursensoren en bijbehorende verwerking microthermische metingen uit om de nauwkeurigheid te waarborgen. (Bron afbeelding: Sensirion)

In de uitvoering van de gasstroommeting met CMOSens zijn de temperatuursensoren stroomopwaarts en stroomafwaarts geplaatst, met daartussen een regelbaar verwarmingselement gemonteerd op een drukgestabiliseerd membraan (Afbeelding 2, onder). Een derde temperatuursensor detecteert de temperatuur van het gas.

De gasstroom over de twee sensoren en het verwarmingselement zorgen voor temperatuurmetingen bij de twee sensoren. Deze twee metingen worden samen met de meting van de gastemperatuursensor gelezen door een geïntegreerde signaalprocessor en gecombineerd met de opgeslagen kalibratie-instellingen voor het specifieke gas, waardoor een nauwkeurige meting van de volumestroom wordt verkregen, ongeacht de druk en de temperatuur.

De typische bezinkingstijd voor SFC5500-massadebietregelaars is minder dan 100 milliseconden (ms), waardoor nauwkeurige metingen mogelijk zijn bij snelle veranderingen in temperatuur, druk en debietcondities. Omdat de CMOSens-technologie temperatuur en druk compenseert, heeft deze configuratie geen drift in de tijd, zodat een SFC5500 nooit opnieuw hoeft te worden gekalibreerd in het veld, tenzij het doelgas wordt gewijzigd.

Massadebietregelaar gebaseerd op CMOSens

Een voorbeeld van een SFC5500-massadebietregelaar is de SFC5500-200SLM. Het is een debietregelaar voor grote volumes, ontworpen en gekalibreerd voor uitsluitend lucht, stikstof en zuurstof. Stikstof- en luchtgassen worden ondersteund met een maximale volumestroom van 200 SLM en een gespecificeerde regelnauwkeurigheid van 0,10% van de volumestroom of 0,20 SLM. De zuurstofgasstroom wordt ondersteund met een maximale volleschaalstroom van 160 SLM, met een gespecificeerde regelnauwkeurigheid van 0,20% van de volleschaalstroom of 0,32 SLM. Sensirion specificeert dat de nauwkeurigheid voor dit toestel enigszins kan verslechteren wanneer de gasstroom hoger is dan 100 SLM. Het ontwerp van de SFC5500-200SLM is zodanig dat een nauwkeurige regeling van lucht of zuurstof mogelijk is zonder kalibratie tijdens het gebruik.

De Sensirion SFC5500-200SLM heeft een interface met een hostcomputer via een gewone RS-485 DB-9 connector. DeviceNet en IO-Link communicatie worden ook ondersteund. Gasin- en gasuitlaatverbindingen zijn Legris knelkoppelingen met een buitendiameter van 10 millimeter (mm). Deze is compatibel met standaard 10 mm gasfittingen.

Voor andere gassen biedt Sensirion de SFC5500-10SLM meervoudige gasmassadebietmeter. Naast lucht, stikstof en zuurstof ondersteunt deze regelaar ook waterstof, helium, argon, kooldioxide, distikstofoxide en methaan. Hij ondersteunt een maximale volschalige doorstroming van 10 SLM voor alle gassen behalve distikstofoxide, argon en kooldioxide, met een volschalige doorstroming van 5,0 SLM. De nauwkeurigheid in het slechtste geval is 0,30% van het volledige debiet. Hij ondersteunt dezelfde communicatie-interfaces als de SFC5500-200SLM. De gasin- en uittredingsaansluitingen zijn Legris knelkoppelingen met een buitendiameter van 6 mm, compatibel met standaard 6 mm gasfittingen.

De SFC5500-10SLM biedt de flexibiliteit om meerdere gassen te ondersteunen met één controller, wat de inventaris vereenvoudigt. De regelaar moet worden geconfigureerd en voorgekalibreerd voordat hij in werking wordt gesteld voor het te regelen doelgas. Hij kan niet voor een ander gas worden gebruikt zonder opnieuw te worden geconfigureerd.

Configuratie en ontwikkeling

De SFC5500-massastroomregelaars moeten vooraf worden geconfigureerd voor het doelgas voordat zij in bedrijf worden gesteld. Aangezien verschillende gassen verschillende dichtheden en eigenschappen hebben, vereist elk gas een andere opstelling en ijking. Als hulp bij de configuratie, kalibratie en evaluatie biedt Sensirion de EK-F5X evaluatiekit voor de SFC5500-serie (Afbeelding 3). Merk op dat de kit geen massastroomregelaar bevat.

Afbeelding 3: Met de Sensirion EK-F5X-evaluatiekit kunnen ontwikkelaars SFC5500-massadebietregelaars (niet bij de kit geleverd) configureren, kalibreren en evalueren voordat ze in gebruik worden genomen. (Bron afbeelding: Sensirion)

Om een SFC5500 voor service te configureren, moet deze eerst worden aangesloten op het gas dat wordt geregeld. De EK-F5X-evaluatiekit wordt geleverd met een aangepaste DB-9 kabel die in de DB-9-connector bovenop de SFC5500 gestoken wordt. De DB-9-kabel splitst zich in een AC-adapter voor de voeding van de SFC5500 tijdens de werking, en een USB-connector voor de verbinding met een hostcomputer. Een USB-stick wordt geleverd met het SFC5500-stuurprogramma voor de hostcomputer, samen met de SFC5000-viewersoftware, die beide op de hostcomputer moeten worden geladen alvorens een verbinding via USB tot stand te brengen. De SFC5500 wordt eerst aangesloten op de stroomvoorziening, daarna wordt de USB-aansluiting aangesloten op de hostcomputer. Na de gebruikelijke piepjes wanneer de computer zichzelf vertrouwd maakt met de op USB aangesloten SFC5500, start de SFC5xxx-viewersoftware en vraagt om de COM-poort te configureren. De software toont vervolgens alle beschikbare kalibraties voor elk gas dat door de specifieke SFC5500 wordt ondersteund, samen met de beschikbare kalibraties (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De Sensirion SFC5500-viewersoftware biedt een selectie van kalibraties voor elk gas dat door de aangesloten eenheid wordt ondersteund. (Bron afbeelding: Sensirion)

De SFC5xxx-viewersoftware toont de SFC5500 variatie aangesloten met zijn serienummer en firmware-versie, samen met de COM-poortconfiguratie. Het tabblad Systeem wordt bij het opstarten geselecteerd en geeft de beschikbare stroomkalibraties in het groen weer, waarbij de actieve kalibratie in het rood wordt weergegeven. Om een kalibratie te wijzigen, wordt met de rechtermuisknop op de kalibratie voor het doelgas geklikt en vervolgens "Laad kalibratie" geselecteerd. De aangesloten SFC5500 is nu gekalibreerd voor het geselecteerde gas. De kalibratie wordt opgeslagen in EEPROM, zodat na een stroomcyclus niet opnieuw hoeft te worden gekalibreerd. Het is alleen nodig opnieuw te ijken als het toestel voor een ander gas wordt gebruikt.

Na de kalibratie wordt het tabblad Gegevensweergave geselecteerd. Dit tabblad stelt de gasstroom in en regelt deze, die kan worden ingesteld op een constante stroomsnelheid, of een aangepaste golfvorm kan worden gegenereerd om de stroom te variëren. De SFC5500 is nu gekalibreerd en geconfigureerd voor automatische werking.

Voor complexere toepassingen waarbij het debiet programmatisch moet worden gevarieerd, kan de SFC5500 worden aangestuurd via DeviceNet. Het DeviceNet-tabblad configureert de DeviceNet MAC ID en baudrate. De doorstroming kan gemakkelijk op afstand worden geregeld via DeviceNet door 0x0000 naar de eenheid te zenden voor geen doorstroming, 0xFFFF voor doorstroming op volle schaal, of een waarde daartussenin. Dit maakt complexe debietregeling mogelijk en maakt het mogelijk de gasstroom snel en gemakkelijk op afstand af te sluiten, wat nuttig is in noodsituaties.

Conclusie

Nauwkeurige controle van industriële gassen is van vitaal belang in industriële processen. Terwijl kalibratiedrift periodieke herkalibratie kan vereisen om de nauwkeurigheid te handhaven, kunnen nieuwe gasmeettechnologieën deze noodzaak elimineren, wat resulteert in verbeterde efficiëntie, minder onderhoud en totale kostenbesparingen op lange termijn.