כיצד לנטר ולבקר במדויק זרימת גז ביישומים תעשייתיים

מתקני אוטומציה תעשייתית (IA) וייצור רבים דורשים לעיתים קרובות שימוש בגזים כגון אוויר, חמצן, חנקן, מימן, הליום וארגון עבור תהליכים ויישומים שונים. שימושים אלה כוללים ניקוי, חיתוך, ריתוך וייצור כימי. במקרים רבים, ציוד מדויק ותהליכים כימיים דורשים בקרה עדינה ביותר של הגז כדי למנוע תקלות בציוד שקשה לאבחן או תהליכים פגומים. כמו כן, זרימת-יתר של גז עלולה לגרום לירידה בנצילות, לצד העלויות הנוספות הכרוכות בהחלפת מכל הגז.

זרימת גז מדויקת, הנמדדת בליטרים סטנדרטיים לדקה (SLM), היא בעיה מעניינת מכיוון שדיוק המדידה מושפע מהלחץ והטמפרטורה, כמו גם מדיוק מנגנון החישה. בקרי זרימת מסה סטנדרטיים משמשים בדרך כלל לבקרת זרימת הגז, אך אלה עלולים לאבד את הדיוק לאורך זמן ולדרוש כיול תקופתי בעודם בשירות, ובכך להוסיף לעלות במשך החיים. חידושים טכנולוגיים הובילו לשימוש במדידה מיקרו-תרמית של טמפרטורות הגז כדי לקבוע במדויק את זרימת הנפח המדויקת ב- SLM.

מאמר זה דן בחשיבותם של גזים תעשייתיים ובבעיות הנובעות מבקרת זרימת גז לא-מדויקת. לאחר מכן הוא בוחן בקרי זרימת מסה מבית Sensirion עם טכנולוגיית חישת זרימת גז מתקדמת ומסביר כיצד לכונן אותם ולהשתמש בהם ביעילות כדי להוזיל את העלות הכוללת תוך שיפור הנצילות, האמינות והפרודוקטיביות.

גזים תעשייתיים זקוקים לבקרה מדויקת

מתקנים תעשייתיים משתמשים במגוון של גזים עבור שימושים שונים על בסיס מאפייני הגזים השונים. מערכות מסוימות, כגון מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC), יכולות להיות סלחניות לשגיאות קטנות בבקרת זרימת הגז, אך ציוד מדויק כגון שיקוע אדים כימי (CVD), כרומטוגרפיה של גז ונוזל כרומטוגרפיה של מסה דורשים דיוק רב ביותר בבקרה על הגזים כדי למנוע תקלות בציוד או תהליכים פגומים. תקלות כאלו הן קשות לאבחון ועלולות לגרום להשבתה ממושכת ויקרה.

גזים דליקים כגון מימן, אצטילן ובוטאן מעורבבים עם חמצן ליצירת חום, להבה או פיצוץ מבוקר. יש לערבב את הגזים ביחד בריכוז הנכון עבור התהליך. בדיוק כמו במנוע בעירה פנימית של מכוניות, תערובת של גז דליק רזה מדי או עשירה מדי יכולה לייצר להבה שהיא בטמפרטורה לא מתאימה, וכתוצאה מכך תהליך לא-יעיל או פגום.

גזים דחוסים כגון חמצן, תחמוצת חנקן ואוויר משמשים כחומרי חמצון, וגם כדי לסייע בבעירה. מעט מדי גז דחוס עלול לגרום לתהליך כימי פגום, בעוד שכמות גדולה מדי של גז גורמת לירידת הנצילות, לבזבוז גז ולהגדלת העלות.

גזים אינרטיים כגון ארגון, פחמן דו-חמצני וחנקן משמשים לעתים קרובות לפעולות בטיחות קריטיות כגון בקרת אש או חמצון, וגם כדי לשכך תגובות כימיות מסוימות. מעט מדי גז עלול לגרום לפעילות כיבוי אש פגומה, בעוד שיותר מדי גז גורם לבזבוז ומגדיל את העלויות הנלוות.

בקרת זרימת גז עם בקרי זרימת מסה תעשייתיים

בקרי זרימת מסה משמשים כדי למדוד את נפח הגז המתאים. בצורתם הפשוטה ביותר, בקרי זרימת מסה הם ידניים ואינם דורשים הספקת-כוח. נפח הגז מכוון על ידי סיבוב חוגה לערך המתאים. עם זאת, בקרי זרימת מסה ידניים מודדים רק נפח בטמפרטורת הסביבה ואינם יכולים למדוד שינויים בנפח עקב שינויי לחץ או טמפרטורה של הגז. מסיבה זו, בקרי זרימת מסה אלקטרוניים משמשים לבקרה מדויקת של גזים.

יחידת המדידה SLM עבור זרימת נפח של גזים תעשייתיים מוגדרת כליטר אחד של זרימת גז במשך דקה אחת בטמפרטורת גז סטנדרטית של 0°C/32°F ולח גז אבסולוטי סטנדרטי של Bar‏ 1‏. הנפח של כל גז משתנה בהתאם לטמפרטורה וללחץ, כך שבקר זרימת מסה צריך להיות מסוגל להביא בחשבון שינויים בתנאי הסביבה ולשנות את נפח הזרימה בהתאם. מרבית בקרי זרימת מסה אלקטרוניים מכוילים לגז מטרה כדי לספק בקרת זרימה מדויקת על פני שינויי טמפרטורה ולחץ, אך לעתים קרובות כיול זה נסחף במשך זמן, ומצריך כיול-מחדש תקופתי במהלך חיי השירות. זה מגדיל את התחזוקה, בעוד שדילוג על הכיול מפחית את יעילות המערכת.

בקרי זרימת מסה מדויקים ללא כיול במהלך חיי השירות

הפתרון לכך הוא משפחת בקרי זרימת מסה מדויקת שאינה דורשת כיול במהלך חיי השירות. לחברת Sensirion יש פתרון עם בקרי זרימת מסה סדרת SFC5500 (איור 1). סדרת SFC5500 משתמשת במדידה מיקרו-תרמית של טמפרטורת הגז כדי לקבוע את מדידת נפח SLM המדויקת, ללא קשר לשינויים בטמפרטורת ולחץ הגז.

איור 1: משפחת בקרי זרימת מסה מבית Sensirion SFC5500 משתמשת בטכנולוגיית CMOSens מיקרו-תרמית למדידה מדויקת של נפח הגז דרך תעלת זרימת הגז, ללא קשר לשינויים בטמפרטורה או בלחץ. (מקור התמונה: Sensirion)

נקראת CMOSens, טכנולוגיית זרימת נפח הגז מבית Sensirion מודדת במדויק את נפח הגז דרך תעלת זרימת הגז. CMOSens הוא כינוי כללי לגישה של Sensirion המשלבת חישה, אכשור אותות ועיבוד בהתקן CMOS יחיד עבור בקרה מדויקת לאורך זמן בהתקן קטן (איור 2, למעלה).

איור 2: CMOSens משלב את החישה, אכשור האותות והעיבוד בהתקן CMOS יחיד (למעלה). ביישום למדידת זרימת גז (למטה), חיישני טמפרטורה ופלטפורמת העיבוד הנלווית מבצעים מדידה מיקרו-תרמית כדי להבטיח דיוק. (מקור התמונה: Sensirion)

ביישום מדידת זרימת גז באמצעות CMOSens, חיישני טמפרטורה ממוקמים במעלה-הזרם ובמורד-הזרם, עם מחמם מתכוונן המותקן על ממברנה מיוצבת-לחץ ביניהם (איור 2, למטה). חיישן טמפרטורה שלישי מגלה את טמפרטורת הגז.

זרימת גז על פני שני החיישנים והמחמם יוצרת קריאת טמפרטורה בשני החיישנים. שתי קריאות אלו, ביחד עם קריאת חיישן טמפרטורת הגז, נקראות על ידי מעבד אותות משולב, וביחד עם הגדרות הכיול המאוחסנות עבור הגז המסוים, יוצרת קריאה מדויקת של זרימת הנפח ללא קשר ללחץ ולטמפרטורה.

זמן ההתייצבות הטיפוסי עבור בקרי זרימת מסה SFC5500 הוא פחות מ- 100 מילי-שניות (ms), מה שמאפשר קריאות מדויקות במהלך שינויים מהירים בתנאי הטמפרטורה, הלחץ והזרימה. מכיוון שטכנולוגיית CMOSens מפצה על טמפרטורה ולחץ, לתצורה זו יש אפס סחיפה לאורך זמן, כך שה- SFC5500‏ לעולם אינו זקוק לכיול-מחדש בשטח אלא אם כן גז המטרה משתנה.

בקר זרימת מסה המבוסס על CMOSens

בקר זרימת מסה SFC5500 לדוגמה הוא SFC5500-200SLM. זהו בקר זרימה בנפח גבוה שתוכנן ומכויל עבור אוויר, חנקן וחמצן בלבד. גזי חנקן ואוויר נתמכים עם קצב זרימת נפח מקסימלי של SLM‏ 200 ודיוק בקרה מוגדר של 0.10% מהזרימה בתחום-מלא או SLM‏ 0.20. זרימת גז החמצן נתמכת עם קצב זרימה מקסימלי בתחום-מלא של SLM‏ 160, עם דיוק בקרה מוגדר של 0.20% מהזרימה בתחום-מלא או SLM‏ 0.32. חברת Sensirion מגדירה שהדיוק עבור יחידה זו עשוי לרדת כאשר זרימת הגז היא מעל SLM‏ 100. התכן של SFC5500-200SLM הוא כזה המאפשר בקרה מדויקת באוויר או בחמצן ללא כיול במהלך חיי השירות.

ה- SFC5500-200SLM מבית Sensirion מתממשק למחשב מארח באמצעות מחבר RS-485 DB-9 נפוץ. תקשורת DeviceNet ו- IO-Link נתמכות גם כן. חיבורי כניסת ויציאת גז הם אביזרי דחיסה Legris‏ בקוטר חיצוני של 10 מילימטר (מ"מ). הם תואמים לאביזרי גז סטנדרטיים 10 מ"מ.

כדי לתמוך בגזים אחרים, חברת Sensirion מציעה את מד זרימת מסה עבור מספר גזים SFC5500-10SLM. מלבד אוויר, חנקן וחמצן, בקר זה תומך גם במימן, הליום, ארגון, פחמן דו-חמצני, תחמוצת חנקן ומתאן. הוא תומך בזרימה מקסימלית בתחום-מלא של SLM‏ 10 עבור כל הגזים להוציא תחמוצת חנקן, ארגון ופחמן דו-חמצני, עם זרימה בתחום-מלא של SLM‏ 5.0. הדיוק במקרה-הגרוע-ביותר הוא 0.30% מהזרימה בתחום-מלא. הוא תומך באותם ממשקי תקשורת כמו ה- SFC5500-200SLM. חיבורי כניסת ויציאת גז הם אביזרי דחיסה Legris בקוטר חיצוני של 6 מ"מ, התואמים לאביזרי גז סטנדרטיים בקוטר 6 מ"מ.

ה- SFC5500-10SLM מעניק את הגמישות לתמיכה במספר גזים עם בקר אחד, המפשט את ניהול המלאי. יש להגדיר ולכייל את הבקר מראש לפני הפעלתו עבור גז המטרה המבוקר. לא ניתן להשתמש בו לגז אחר מבלי להגדיר אותו מחדש.

תצורה ופיתוח

יש להגדיר מראש את בקרי זרימת מסה SFC5500 עבור גז המטרה לפני הפעלתם. מכיוון שלגזים שונים יש צפיפויות ותכונות שונות, כל גז דורש הגדרה וכיול שונים. כדי לעזור בהגדרה, כיול והערכה, חברת Sensirion מציעה את ערכת ההערכה EK-F5X עבור סדרת SFC5500 (איור 3). שימו לב שהערכה אינה כוללת בקר זרימת מסה.

איור 3: ערכת ההערכה EK-F5X מבית Sensirion מאפשרת למפתחים להגדיר, לכייל ולהעריך את בקרי זרימת מסה SFC5500 (לא מסופקים עם הערכה) לפני הכנסתם לשימוש. (מקור התמונה: Sensirion)

כדי להגדיר את ה- SFC5500 לשימוש, יש לחבר אותו תחילה לגז המבוקר. ערכת ההערכה EK-F5X מגיעה עם כבל DB-9 מותאם-במיוחד הנתקע למחבר DB-9 על גבי ה- SFC5500. כבל DB-9 מתפצל למתאם AC עבור הזנת ה- SFC5500 בזמן פעולה, ומחבר USB להתממשקות למחשב מארח. כונן Flash‏ USB‏ כלול עם מנהל ההתקן SFC5500 עבור המחשב המארח, יחד עם תוכנת התצוגה SFC5000, ושתיהן חייבות להיטען במחשב המארח לפני חיבור דרך USB. ה- SFC5500 מחובר תחילה להספקת-הכוח, ואז מחבר ה- USB מחובר למחשב המארח. לאחר הצפצופים הרגילים כשהמחשב מכיר את ה- SFC5500 המחובר ל- USB, תוכנת התצוגה SFC5xxx מופעלת ומבקשת להגדיר את נקודת-חיבור COM. לאחר מכן, התוכנה מציגה את כל הכיולים הזמינים עבור כל גז הנתמך על ידי ה- SFC5500 המסוים, יחד עם כיולים קיימים (איור 4).

איור 4: תוכנת התצוגה SFC5500 מבית Sensirion מספקת מבחר כיולים עבור כל גז הנתמך על ידי היחידה המחוברת. (מקור התמונה: Sensirion)

תוכנת התצוגה SFC5xxx מציגה את גרסת SFC5500 המחוברת ביחד עם המספר הסידורי וגרסת הקושחה שלה, לצד תצורת נקודת-חיבור COM. לשונית System נבחרת בעת האתחול ומציגה כיולי זרימה קיימים המודגשים בירוק, כשהכיול הפעיל מודגש באדום. כדי לשנות כיול, לוחצים לחיצה-ימנית על הכיול עבור גז המטרה, ולאחר מכן נבחרת "טעינת כיול". ה- SFC5500 המחובר מכויל כעת עבור הגז הנבחר. הכיול מאוחסן ב- EEPROM כך שאין צורך בכיול-מחדש לאחר מחזור הפעלה. יש צורך בכיול-מחדש רק אם היחידה משמשת עבור גז אחר.

לאחר הכיול, לשונית תצוגת נתונים נבחרת. לשונית זו מכוננת ומבקרת את זרימת הגז, אותה ניתן להגדיר עבור קצב זרימה קבוע, או שניתן ליצור צורת גל מותאמת-במיוחד כדי לשנות את הזרימה. ה- SFC5500 מכויל ומוגדר כעת עבור פעולה אוטומטית.

עבור יישומים מורכבים יותר שבהם יש צורך לשנות את הזרימה באמצעות תכנות, ניתן לבקר את ה- SFC5500 באמצעות DeviceNet. לשונית DeviceNet מגדירה את מזהה DeviceNet MAC ואת קצב בוד. הזרימה מבוקרת בקלות מרחוק באמצעות DeviceNet על ידי שליחת 0x0000 ליחידה עבור חסימת זרימה, 0xFFFF עבור זרימה בתחום-מלא, או כל ערך שביניהם. זה מאפשר פעולות מורכבות של בקרת זרימה, ומאפשר כיבוי מהיר וקל מרחוק של זרימת הגז, שהוא שימושי במצבי חירום.

סיכום

בקרה מדויקת של גזים תעשייתיים היא חיונית בתהליכים תעשייתיים. בעוד שסחיפת הכיול עשויה לדרוש כיול-מחדש תקופתי כדי לשמור על הדיוק, טכנולוגיות חדשות למדידת גז יכולות לבטל את הצורך, וכתוצאה מכך נצילות משופרת, תחזוקה מופחתת וחיסכון כולל בעלויות לטווח ארוך.