วิธีการตรวจสอบและควบคุมการไหลของก๊าซอย่างแม่นยำในการใช้งานทางอุตสาหกรรม
Contributed By DigiKey's North American Editors
2022-01-04
ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม (IA) และโรงงานผลิตหลายแห่งมักต้องการใช้ก๊าซ เช่น อากาศ ออกซิเจน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน ฮีเลียม และอาร์กอนสำหรับกระบวนการและการใช้งานที่หลากหลาย การใช้งานเหล่านี้รวมถึงการทำความสะอาด การตัด การเชื่อม และการผลิตสารเคมี ในหลายกรณี อุปกรณ์ที่มีความแม่นยำและกระบวนการทางเคมีต้องการการควบคุมก๊าซอย่างละเอียดถี่ถ้วน เพื่อหลีกเลี่ยงการทำงานผิดพลาดของอุปกรณ์ที่ยากต่อการวินิจฉัยหรือกระบวนการที่ล้มเหลว นอกจากนี้ การไหลของก๊าซส่วนเกินอาจทำให้สูญเสียประสิทธิภาพ พร้อมด้วยค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนถังแก๊ส
การไหลของก๊าซที่แม่นยำซึ่งวัดเป็นลิตรต่อนาทีมาตรฐาน (SLM) เป็นปัญหาที่น่าสนใจ เนื่องจากความแม่นยำในการวัดได้รับผลกระทบจากแรงดันและอุณหภูมิ ตลอดจนความแม่นยำของกลไกการตรวจจับ ตัวควบคุมการไหลของมวลมาตรฐานมักใช้เพื่อควบคุมการไหลของก๊าซ แต่สิ่งเหล่านี้อาจสูญเสียความแม่นยำเมื่อเวลาผ่านไป และต้องมีการสอบเทียบเป็นระยะในขณะที่ยังให้บริการ ซึ่งจะทำให้ต้นทุนตลอดอายุการใช้งานเพิ่มขึ้น ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนำไปสู่การใช้การวัดอุณหภูมิแบบ microthermal ของอุณหภูมิก๊าซเพื่อกำหนดการไหลของปริมาตร SLM ที่แม่นยำอย่างแม่นยำ
บทความนี้กล่าวถึงความสำคัญของก๊าซอุตสาหกรรมและปัญหาที่เกิดจากการควบคุมการไหลของก๊าซที่ไม่ถูกต้อง จากนั้นจะดูที่ตัวควบคุมการไหลของมวลจาก Sensirion ด้วยเทคโนโลยีการตรวจจับการไหลของก๊าซขั้นสูงและอธิบายวิธีการตั้งค่าและใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อลดต้นทุนโดยรวมในขณะที่ปรับปรุงประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และผลผลิต
ก๊าซอุตสาหกรรมต้องการการควบคุมที่แม่นยำ
โรงงานอุตสาหกรรมใช้ก๊าซหลายชนิดสำหรับการใช้งานที่หลากหลายโดยพิจารณาจากคุณสมบัติของก๊าซแต่ละชนิด ระบบบางระบบ เช่น ระบบทำความร้อน การระบายอากาศ และระบบปรับอากาศ (HVAC) สามารถให้อภัยข้อผิดพลาดเล็กน้อยในการควบคุมการไหลของก๊าซ แต่อุปกรณ์ที่มีความแม่นยำ เช่น การสะสมไอเคมี (CVD) แก๊สและโครมาโตกราฟีของเหลว และแมสสเปกโตรเมตรีต้องการความแม่นยำอย่างยิ่ง การควบคุมก๊าซเพื่อหลีกเลี่ยงอุปกรณ์ทำงานผิดปกติหรือกระบวนการที่ล้มเหลว ความผิดปกติประเภทนี้วินิจฉัยได้ยากและอาจส่งผลให้มีการหยุดทำงานเป็นเวลานานและมีราคาแพง
ก๊าซไวไฟ เช่น ไฮโดรเจน อะเซทิลีน และบิวเทน ผสมกับออกซิเจนเพื่อสร้างความร้อน เปลวไฟ หรือการระเบิดที่ควบคุมได้ ก๊าซจะต้องผสมเข้าด้วยกันในความเข้มข้นที่เหมาะสมสำหรับกระบวนการ เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์สันดาปภายในของรถยนต์ ส่วนผสมของก๊าซไวไฟที่มีไขมันน้อยหรือเข้มข้นเกินไปสามารถทำให้เกิดเปลวไฟที่มีอุณหภูมิไม่เหมาะสม ส่งผลให้กระบวนการไม่มีประสิทธิภาพหรือล้มเหลว
ก๊าซอัด เช่น ออกซิเจน ไนตริกออกไซด์ และอากาศ ใช้เป็นสารออกซิไดซ์ และยังช่วยในการเผาไหม้ ก๊าซอัดที่น้อยเกินไปอาจส่งผลให้กระบวนการทางเคมีล้มเหลว ในขณะที่ก๊าซมากเกินไปส่งผลให้สูญเสียประสิทธิภาพ สิ้นเปลืองก๊าซ และเพิ่มต้นทุน
ก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอน คาร์บอนไดออกไซด์ และไนโตรเจน มักใช้สำหรับการดำเนินการด้านความปลอดภัยที่สำคัญ เช่น ไฟไหม้หรือการควบคุมการเกิดออกซิเดชัน และเพื่อยับยั้งปฏิกิริยาเคมีบางอย่าง ก๊าซที่น้อยเกินไปอาจส่งผลให้กิจกรรมการดับเพลิงล้มเหลว ในขณะที่สิ้นเปลืองก๊าซมากเกินไปและเพิ่มค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้อง
ควบคุมการไหลของก๊าซด้วยตัวควบคุมการไหลของมวลอุตสาหกรรม
ตัวควบคุมการไหลของมวลใช้เพื่อวัดปริมาณก๊าซที่เหมาะสม ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด ตัวควบคุมการไหลของมวลเป็นแบบแมนนวลและไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟ ปริมาตรของก๊าซจะถูกปรับโดยหมุนแป้นหมุนไปที่การตั้งค่าที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ตัวควบคุมการไหลของมวลแบบแมนนวลจะวัดปริมาตรที่อุณหภูมิแวดล้อมเท่านั้น และไม่สามารถพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรอันเนื่องมาจากความดันหรือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของก๊าซ ด้วยเหตุนี้จึงใช้ตัวควบคุมการไหลของมวลแบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อการควบคุมก๊าซอย่างแม่นยำ
หน่วยวัด SLM สำหรับการไหลของปริมาตรของก๊าซอุตสาหกรรมถูกกำหนดให้เป็นการไหลของก๊าซหนึ่งลิตรในหนึ่งนาทีที่อุณหภูมิก๊าซมาตรฐานที่ 0°C/32°F และความดันสัมบูรณ์ของก๊าซมาตรฐานที่ 1 บาร์ ปริมาตรของก๊าซจะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิและความดัน ดังนั้นตัวควบคุมการไหลของมวลจะต้องสามารถแยกปัจจัยในการเปลี่ยนแปลงในสภาวะแวดล้อมและแปรผันปริมาตรการไหลตามลำดับ ตัวควบคุมการไหลของมวลแบบอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ได้รับการสอบเทียบสำหรับก๊าซเป้าหมายเพื่อให้สามารถควบคุมการไหลได้อย่างแม่นยำตามความแปรผันของอุณหภูมิและความดัน แต่บ่อยครั้งที่การสอบเทียบจะเลื่อนลอยไปตามกาลเวลา สิ่งนี้จะเพิ่มการบำรุงรักษา ในขณะที่การสอบเทียบที่ข้ามไปจะลดประสิทธิภาพของระบบ
ตัวควบคุมการไหลของมวลที่แม่นยำโดยไม่ต้องสอบเทียบระหว่างใช้บริการ
วิธีแก้ปัญหานี้คือกลุ่มผลิตภัณฑ์ควบคุมการไหลของมวลที่แม่นยำซึ่งไม่ต้องการการสอบเทียบระหว่างบริการ Sensirion มีวิธีแก้ปัญหาด้วย SFC5500 ของตัวเองซึ่งเป็นชุดควบคุมการไหลของมวล (รูปที่ 1) ซีรี่ส์ SFC5500 ใช้การวัดอุณหภูมิก๊าซแบบ microthermal เพื่อกำหนดการวัดปริมาตร SLM ที่แม่นยำอย่างแม่นยำ โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันก๊าซ
รูปที่ 1: ตัวควบคุมการไหลของมวล Sensirion SFC5500 ใช้เทคโนโลยี microthermal CMOSens เพื่อวัดปริมาตรของก๊าซผ่านช่องทางการไหลของก๊าซอย่างแม่นยำ โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิหรือความแปรผันของความดัน (ที่มาของภาพ: Sensirion)
เรียกว่า CMOSens ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการไหลของปริมาณก๊าซของ Sensirion วัดปริมาณก๊าซผ่านช่องทางการไหลของก๊าซได้อย่างแม่นยำ CMOSens เป็นคำทั่วไปสำหรับแนวทางของ Sensirion ที่รวมการตรวจจับ การปรับสัญญาณ และการประมวลผลบนอุปกรณ์ CMOS เครื่องเดียวเพื่อการควบคุมที่แม่นยำตลอดเวลาในอุปกรณ์ขนาดเล็ก (รูปที่ 2 ด้านบน)
รูปที่ 2: CMOSens รวมการตรวจจับ การปรับสภาพสัญญาณ และการประมวลผลบนอุปกรณ์ CMOS เครื่องเดียว (ด้านบน) ในแอปพลิเคชันการวัดการไหลของก๊าซ (ด้านล่าง) เซ็นเซอร์อุณหภูมิและการประมวลผลที่เกี่ยวข้องจะทำการวัดค่าความร้อนระดับไมโครเพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำ (ที่มาของภาพ: Sensirion)
ในการใช้งานการวัดการไหลของก๊าซโดยใช้ CMOSens เซ็นเซอร์อุณหภูมิจะอยู่ในตำแหน่งต้นน้ำและปลายน้ำ โดยมีตัวทำความร้อนแบบปรับได้ซึ่งติดตั้งอยู่บนเมมเบรนที่มีแรงดันคงที่อยู่ระหว่าง (รูปที่ 2 ด้านล่าง) เซ็นเซอร์อุณหภูมิที่สามตรวจจับอุณหภูมิของก๊าซ
การไหลของก๊าซเหนือเซ็นเซอร์สองตัวและเครื่องทำความร้อนจะสร้างการอ่านค่าอุณหภูมิที่เซ็นเซอร์สองตัว การอ่านค่าทั้งสองนี้ พร้อมกับการอ่านค่าเซ็นเซอร์อุณหภูมิแก๊ส จะอ่านโดยตัวประมวลผลสัญญาณแบบบูรณาการ และรวมกับการตั้งค่าการสอบเทียบที่เก็บไว้สำหรับก๊าซนั้นๆ ทำให้อ่านค่าการไหลของปริมาตรได้อย่างแม่นยำโดยไม่คำนึงถึงความดันและอุณหภูมิ
เวลาการตกตะกอนโดยทั่วไปสำหรับตัวควบคุมการไหลของมวล SFC5500 จะน้อยกว่า 100 มิลลิวินาที (มิลลิวินาที) ช่วยให้อ่านค่าได้อย่างแม่นยำระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความดัน และสภาวะการไหลอย่างรวดเร็ว เนื่องจากเทคโนโลยี CMOSens ชดเชยอุณหภูมิและความดัน การกำหนดค่านี้จึงไม่มีการเบี่ยงเบนเมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้น SFC5500 จึงไม่จำเป็นต้องปรับเทียบใหม่ในภาคสนาม เว้นแต่ว่าก๊าซเป้าหมายจะมีการเปลี่ยนแปลง
ตัวควบคุมการไหลของมวลตาม CMOSens
ตัวอย่างตัวควบคุมการไหลของมวล SFC5500 คือ SFC5500-200SLM เป็นตัวควบคุมการไหลปริมาณมากที่ออกแบบและสอบเทียบสำหรับอากาศ ไนโตรเจน และออกซิเจนเท่านั้น ก๊าซไนโตรเจนและอากาศได้รับการสนับสนุนโดยมีอัตราการไหลของปริมาตรเต็มสเกลสูงสุดที่ 200 SLM และความแม่นยำในการควบคุมที่ระบุที่ 0.10% ของการไหลเต็มสเกลหรือ 0.20 SLM รองรับการไหลของก๊าซออกซิเจนด้วยอัตราการไหลเต็มสเกลสูงสุด 160 SLM พร้อมความแม่นยำในการควบคุมที่ระบุ 0.20% ของการไหลเต็มสเกลหรือ 0.32 SLM Sensirion ระบุว่าความแม่นยำสำหรับหน่วยนี้อาจลดลงเล็กน้อยเมื่อการไหลของก๊าซสูงกว่า 100 SLM การออกแบบของ SFC5500-200SLM ช่วยให้สามารถควบคุมอากาศหรือออกซิเจนได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องสอบเทียบระหว่างใช้บริการ
อินเทอร์เฟซ Sensirion SFC5500-200SLM เชื่อมต่อกับโฮสต์คอมพิวเตอร์โดยใช้ตัวเชื่อมต่อ RS-485 DB-9 ทั่วไป รองรับการสื่อสาร DeviceNet และ IO-Link ข้อต่อเข้าและออกของแก๊สเป็นอุปกรณ์บีบอัด Legris ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 10 มม. (มม.) ใช้ได้กับข้อต่อแก๊สมาตรฐาน 10 มม.
เพื่อสนับสนุนก๊าซอื่นๆ Sensirion ขอเสนอSFC5500-10SLM เครื่องวัดการไหลของมวลก๊าซหลายตัว นอกจากอากาศ ไนโตรเจน และออกซิเจนแล้ว ตัวควบคุมนี้ยังสนับสนุนไฮโดรเจน ฮีเลียม อาร์กอน คาร์บอนไดออกไซด์ ไนตรัสออกไซด์ และมีเทนอีกด้วย รองรับการไหลเต็มสเกลสูงสุด 10 SLM สำหรับก๊าซทั้งหมด ยกเว้นไนตรัสออกไซด์ อาร์กอน และคาร์บอนไดออกไซด์ โดยมีอัตราการไหลเต็มรูปแบบที่ 5.0 SLM ความแม่นยำกรณีที่เลวร้ายที่สุดคือ 0.30% ของการไหลเต็มสเกล รองรับอินเทอร์เฟซการสื่อสารเดียวกันกับ SFC5500-200SLM ข้อต่อเข้าและออกของแก๊สเป็นอุปกรณ์บีบอัด Legris ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 6 มม. เข้ากันได้กับข้อต่อแก๊สมาตรฐาน 6 มม.
SFC5500-10SLM ให้ความยืดหยุ่นในการสนับสนุนก๊าซหลายชนิดด้วยตัวควบคุมเดียว ทำให้สินค้าคงคลังง่ายขึ้น ต้องกำหนดค่าตัวควบคุมและปรับเทียบล่วงหน้าก่อนนำไปใช้งานสำหรับก๊าซเป้าหมายที่ถูกควบคุม ไม่สามารถใช้กับก๊าซอื่นได้โดยไม่ต้องกำหนดค่าใหม่
การกำหนดค่าและการพัฒนา
ตัวควบคุมการไหลของมวล SFC5500 ต้องได้รับการกำหนดค่าล่วงหน้าสำหรับก๊าซเป้าหมายก่อนที่จะนำไปใช้งาน เนื่องจากก๊าซต่าง ๆ มีความหนาแน่นและคุณสมบัติต่างกัน แก๊สแต่ละชนิดจึงต้องการการตั้งค่าและการสอบเทียบที่แตกต่างกัน เพื่อช่วยในการกำหนดค่า สอบเทียบ และประเมินผล Sensirion ขอเสนอ EK-F5X ชุดประเมินผลสำหรับซีรี่ส์ SFC5500 (รูปที่ 3) โปรดทราบว่าชุดประเมินผลนี้ไม่มีตัวควบคุมการไหลของมวล
รูปที่ 3: ชุดประเมินผล Sensirion EK-F5X ช่วยให้นักพัฒนากำหนดค่า ปรับเทียบ และประเมินตัวควบคุมการไหลของมวล SFC5500 (ไม่ได้ให้มาพร้อมกับชุดอุปกรณ์) ก่อนนำไปใช้งาน (ที่มาของภาพ: Sensirion)
ในการกำหนดค่า SFC5500 สำหรับการบริการ จะต้องเชื่อมต่อกับแก๊สที่กำลังควบคุมก่อน ชุดประเมินผล EK-F5X มาพร้อมกับสายเคเบิล DB-9 แบบกำหนดเอง ซึ่งเสียบเข้ากับขั้วต่อ DB-9 ที่ด้านบนของ SFC5500 สายเคเบิล DB-9 แยกออกเป็นอะแดปเตอร์ AC สำหรับจ่ายไฟให้กับ SFC5500 ขณะใช้งาน และขั้วต่อ USB สำหรับเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์โฮสต์ แฟลชไดรฟ์ USB มาพร้อมกับไดรเวอร์อุปกรณ์ SFC5500 สำหรับคอมพิวเตอร์แม่ข่าย พร้อมกับ ซอฟต์แวร์ตัวแสดง SFC5000 ซึ่งจะต้องโหลดทั้งสองอย่างนี้บนคอมพิวเตอร์โฮสต์ก่อนเชื่อมต่อผ่าน USB SFC5500 เสียบปลั๊กเข้ากับแหล่งจ่ายไฟก่อน จากนั้นขั้วต่อ USB จะเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์โฮสต์ หลังจากส่งเสียงบี๊บตามปกติเมื่อคอมพิวเตอร์คุ้นเคยกับ SFC5500 ที่เชื่อมต่อ USB ซอฟต์แวร์ตัวแสดง SFC5xxx จะเริ่มทำงานและขอให้กำหนดค่าพอร์ต COM ซอฟต์แวร์จะแสดงการสอบเทียบที่มีอยู่ทั้งหมดสำหรับก๊าซแต่ละชนิดที่รองรับโดย SFC5500 โดยเฉพาะ พร้อมกับการสอบเทียบที่มี (รูปที่ 4)
รูปที่ 4: ซอฟต์แวร์ตัวแสดง Sensirion SFC5500 มีตัวเลือกการสอบเทียบสำหรับก๊าซแต่ละชนิดที่รองรับโดยหน่วยที่เชื่อมต่อ (ที่มาของภาพ: Sensirion)
ซอฟต์แวร์ตัวแสดง SFC5xxx แสดงรูปแบบ SFC5500 ที่เชื่อมต่อกับหมายเลขซีเรียลและเวอร์ชันเฟิร์มแวร์ พร้อมกับการกำหนดค่าพอร์ต COM ระบบ แท็บจะถูกเลือกเมื่อเริ่มต้นและแสดงการปรับเทียบการไหลที่พร้อมใช้งานซึ่งไฮไลต์ด้วยสีเขียว โดยการปรับเทียบที่ใช้งานอยู่จะไฮไลต์ด้วยสีแดง หากต้องการเปลี่ยนการสอบเทียบ การปรับเทียบสำหรับก๊าซเป้าหมายจะถูกคลิกขวา จากนั้นเลือก "โหลดการปรับเทียบ" ตอนนี้ SFC5500 ที่เชื่อมต่อได้รับการสอบเทียบสำหรับก๊าซที่เลือกแล้ว การสอบเทียบจะถูกเก็บไว้ใน EEPROM ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องปรับเทียบใหม่หลังจากรอบพลังงาน จำเป็นต้องปรับเทียบใหม่เฉพาะในกรณีที่ใช้เครื่องกับก๊าซชนิดอื่น
หลังจากสอบเทียบแล้ว การแสดงข้อมูล แท็บถูกเลือก แท็บนี้จะตั้งค่าและควบคุมการไหลของก๊าซ ซึ่งสามารถตั้งค่าเป็นอัตราการไหลคงที่ หรือสามารถสร้างรูปคลื่นที่กำหนดเองเพื่อเปลี่ยนแปลงการไหลได้ SFC5500 ได้รับการปรับเทียบและกำหนดค่าสำหรับการทำงานอัตโนมัติแล้ว
สำหรับแอปพลิเคชันที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งต้องเปลี่ยนโฟลว์โดยทางโปรแกรม DeviceNet สามารถควบคุม SFC5500 ได้ DeviceNet แท็บกำหนดค่า DeviceNet MAC ID และอัตราบอด ควบคุมโฟลว์จากระยะไกลได้อย่างง่ายดายผ่าน DeviceNet โดยส่ง 0x0000 ไปยังยูนิตโดยไม่มีโฟลว์, 0xFFFF สำหรับโฟลว์เต็มรูปแบบ หรือค่าใด ๆ ระหว่างนั้น ซึ่งช่วยให้ดำเนินการควบคุมการไหลที่ซับซ้อน และช่วยให้ปิดการไหลของก๊าซจากระยะไกลได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย ซึ่งมีประโยชน์ในสถานการณ์ฉุกเฉิน
บทสรุป
การควบคุมก๊าซอุตสาหกรรมอย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญในกระบวนการทางอุตสาหกรรม ในขณะที่การเบี่ยงเบนของการสอบเทียบอาจต้องมีการปรับเทียบใหม่เป็นระยะเพื่อรักษาความถูกต้อง เทคโนโลยีการวัดก๊าซแบบใหม่สามารถขจัดความจำเป็น ส่งผลให้ประสิทธิภาพดีขึ้น การบำรุงรักษาลดลง และประหยัดค่าใช้จ่ายโดยรวมในระยะยาว

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.