Genaue Überwachung und Regelung des Gasdurchflusses in industriellen Anwendungen

Von Bill Giovino

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

In vielen industriellen Automatisierungs- und Fertigungsanlagen werden Gase wie Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Helium und Argon für verschiedene Prozesse und Anwendungen benötigt. Zu diesen Verwendungszwecken gehören Reinigen, Schneiden, Schweißen und die Herstellung von Chemikalien. In vielen Fällen erfordern Präzisionsanlagen und chemische Prozesse eine extrem feine Regelung des Gases, um schwer zu diagnostizierende Anlagenfehler oder misslungene Prozesse zu vermeiden. Außerdem kann ein zu hoher Gasdurchfluss zu Effizienzverlusten und zusätzlichen Kosten für den Austausch von Gasbehältern führen.

Der genaue Gasdurchfluss, gemessen in Standardlitern pro Minute (SLM), ist ein interessantes Problem, da die Messgenauigkeit von Druck und Temperatur sowie die Genauigkeit des Messmechanismus beeinflusst wird. Zur Regelung des Gasdurchflusses werden häufig Standard-Massendurchflussregler verwendet, die jedoch mit der Zeit an Genauigkeit verlieren können und während des Betriebs regelmäßig kalibriert werden müssen, was die Kosten über den Lebenszyklus erhöht. Technologische Fortschritte haben zum Einsatz von mikrothermischen Messungen der Gastemperaturen geführt, um den genauen SLM-Volumenstrom zu bestimmen.

In diesem Artikel werden die Bedeutung von Industriegasen und die Probleme erörtert, die sich aus einer ungenauen Gasflussregelung ergeben. Anschließend werden Massenstromregler von Sensirion mit fortschrittlicher Gasdurchfluss-Sensortechnologie vorgestellt und erklärt, wie man sie effektiv einrichtet und einsetzt, um die Gesamtkosten zu senken und gleichzeitig Effizienz, Zuverlässigkeit und Produktivität zu verbessern.

Industriegase erfordern eine präzise Regelung

Industrieanlagen verwenden eine Vielzahl von Gasen für verschiedene Zwecke, die auf den Eigenschaften der einzelnen Gase beruhen. Einige Systeme, wie z. B. Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK), verzeihen kleine Fehler bei der Regelung des Gasdurchflusses, aber Präzisionsanlagen wie zur chemischen Dampfabscheidung (chemical vapor deposition, CVD), Gas- und Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie erfordern eine äußerst präzise Regelung der Gase, um Anlagenfehler oder misslungene Prozesse zu vermeiden. Diese Art von Störungen sind schwer zu diagnostizieren und können zu langen und teuren Ausfallzeiten führen.

Entflammbare Gase wie Wasserstoff, Acetylen und Butan werden mit Sauerstoff gemischt und erzeugen Hitze, Flammen oder eine kontrollierte Explosion. Die Gase müssen in der für den Prozess geeigneten Konzentration gemischt werden. Genau wie im Verbrennungsmotor eines Autos kann ein zu mageres oder zu fettes Gemisch aus brennbarem Gas eine Flamme mit der falschen Temperatur erzeugen, was zu einem ineffizienten oder fehlgeschlagenen Prozess führt.

Komprimierte Gase wie Sauerstoff, Stickstoffoxid und Luft werden als Oxidationsmittel und zur Unterstützung der Verbrennung genutzt. Zu wenig komprimiertes Gas kann zu einem fehlgeschlagenen chemischen Prozess führen, während zu viel Gas zu Effizienzverlusten, Gasverschwendung und steigenden Kosten führt.

Inertgase wie Argon, Kohlendioxid und Stickstoff werden häufig für kritische Sicherheitsvorgänge wie Brand- oder Oxidationskontrolle und auch zur Unterdrückung einiger chemischer Reaktionen verwendet. Zu wenig Gas kann zu einem Fehlschlag bei der Brandbekämpfung führen, während zu große Mengen Gas verschwenden und die damit verbundenen Kosten erhöhen.

Regelung des Gasflusses mit industriellen Massenstromreglern

Massenstromregler werden verwendet, um die richtige Gasmenge zu dosieren. In ihrer einfachsten Form sind Massenstromregler vollständig manuell und benötigen keine Stromversorgung. Die Gasmenge wird durch Drehen eines Drehknopfes auf die richtige Einstellung gebracht. Manuelle Massenstromregler messen jedoch nur das Volumen bei Umgebungstemperatur und können keine Volumenänderungen aufgrund von Druck- oder Temperaturänderungen des Gases berücksichtigen. Aus diesem Grund werden elektronische Massenstromregler für die präzise Regelung von Gasen eingesetzt.

Die SLM-Maßeinheit für den Volumendurchfluss von Industriegasen ist definiert als ein Liter Gasdurchfluss über eine Minute bei einer Standard-Gastemperatur von 0 °C und einem Standard-Absolut-Gasdruck von 1 bar. Das Volumen jedes Gases schwankt je nach Temperatur und Druck, so dass der Massenstromregler in der Lage sein muss, Änderungen der Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen und das Durchflussvolumen entsprechend zu variieren. Die meisten elektronischen Massenstromregler werden für ein Zielgas kalibriert, um eine genaue Durchflussregelung bei Temperatur- und Druckschwankungen zu gewährleisten, aber oft weicht diese Kalibrierung im Laufe der Zeit ab, so dass eine regelmäßige Neukalibrierung während des Betriebs erforderlich ist. Das erhöht den Wartungsaufwand, während eine ausgelassene Kalibrierung die Effizienz des Systems verringert.

Präzise Massenstromregler ohne betriebsinterne Kalibrierung

Die Lösung für dieses Problem ist eine Familie von präzisen Massenstromreglern, die keine Kalibrierung während des Betriebs erfordern. Sensirion bietet mit den Massenstromreglern der Serie SFC5500 eine Lösung an (Abbildung 1). Die Serie SFC5500 nutzt die mikrothermische Messung der Gastemperaturen, um die genaue SLM-Volumenmessung unabhängig von Änderungen der Gastemperatur und des Drucks zu bestimmen.

Abbildung: Massenstromregler der Familie SFC5500 von SensirionAbbildung 1: Der Massenstromregler der Familie SFC5500 von Sensirion nutzt die mikrothermische CMOSens-Technologie zur genauen Messung des Gasvolumens im Gasflusskanal, unabhängig von Temperatur- oder Druckschwankungen. (Bildquelle: Sensirion)

Die CMOSens genannte Gasvolumenstrom-Technologie von Sensirion misst das Gasvolumen durch den Gasflusskanal präzise. CMOSens ist ein allgemeiner Begriff für den Ansatz von Sensirion, der die Messung, die Signalaufbereitung und die Verarbeitung in einem einzigen CMOS-Baustein kombiniert und so eine präzise zeitliche Steuerung in einem kleinen Gerät ermöglicht (Abbildung 2, oben).

Abbildung: CMOSens kombiniert Messung, Signalaufbereitung und VerarbeitungAbbildung 2: CMOSens kombiniert die Messung ebenso wie die Signalaufbereitung und -verarbeitung in einem einzigen CMOS-Baustein (oben). In einer Anwendung zur Messung des Gasdurchflusses (unten) führen Temperatursensoren und die zugehörige Verarbeitung mikrothermische Messungen durch, um die Präzision zu gewährleisten. (Bildquelle: Sensirion)

Bei der Implementierung der Gasdurchflussmessung mit CMOSens sind Temperatursensoren vorgelagert und nachgelachert positioniert; dazwischen befindet sich ein einstellbares Heizelement auf einer druckstabilisierten Membran (Abbildung 2, unten). Ein dritter Temperatursensor erfasst die Temperatur des Gases.

Der Gasfluss über die beiden Sensoren und das Heizelement erzeugen Temperaturmesswerte an den beiden Sensoren. Diese beiden Messwerte werden zusammen mit dem Messwert des Gastemperatursensors von einem integrierten Signalprozessor gelesen und mit den gespeicherten Kalibrierungseinstellungen für das jeweilige Gas kombiniert, so dass unabhängig von Druck und Temperatur eine genaue Messung des Volumenstroms erfolgt.

Die typische Einschwingzeit der Massedurchflussregler SFC5500 beträgt weniger als 100 Millisekunden (ms), was genaue Messwerte bei schnellen Änderungen von Temperatur, Druck und Durchflussbedingungen ermöglicht. Da die CMOSens-Technologie Temperatur und Druck kompensiert, ist diese Konfiguration über Zeit driftfrei, so dass ein SFC5500 im Betrieb nie neu kalibriert werden muss, es sei denn, das Zielgas wird geändert.

Massenstromregler auf Basis von CMOSens

Ein Beispiel für einen SFC5500-Massenstromregler ist der SFC5500-200SLM. Es ist ein Volumenstromregler, der nur für Luft, Stickstoff und Sauerstoff ausgelegt und kalibriert ist. Stickstoff und Luftgase werden mit einem maximalen Volumenstrom von 200 SLM und einer spezifizierten Regelgenauigkeit von 0,10 % des Volumenstroms oder 0,20 SLM unterstützt. Der Sauerstoffgasfluss wird mit einer maximalen vollen Durchflussrate von 160 SLM unterstützt, mit einer spezifizierten Regelgenauigkeit von 0,20 % des vollen Durchflusses oder 0,32 SLM. Sensirion gibt an, dass sich die Genauigkeit dieser Komponente leicht verschlechtern kann, wenn der Gasfluss über 100 SLM liegt. Der SFC5500-200SLM ist so konzipiert, dass er eine präzise Regelung von Luft oder Sauerstoff ohne Kalibrierung im Betrieb ermöglicht.

Der SFC5500-200SLM von Sensirion wird über einen üblichen DB-9-RS-485-Stecker mit einem Host-Computer verbunden. DeviceNet- und IO-Link-Kommunikation werden ebenfalls unterstützt. Bei den Gasein- und -auslässen handelt es sich um Legris-Klemmringverschraubungen mit einem Außendurchmesser von 10 Millimetern (mm). Das bietet Kompatibilität mit gängigen 10-mm-Gasanschlüssen.

Für andere Gase bietet Sensirion den Mehrgas-Massenstrommesser SFC5500-10SLM an. Neben Luft, Stickstoff und Sauerstoff unterstützt dieser Regler auch Wasserstoff, Helium, Argon, Kohlendioxid, Distickstoffoxid und Methan. Er unterstützt einen maximalen Durchfluss von 10 SLM für alle Gase außer Distickstoffoxid, Argon und Kohlendioxid mit einem vollen Durchfluss von 5,0 SLM. Im ungünstigsten Fall beträgt die Genauigkeit 0,3 % des vollen Durchflusses. Er unterstützt die gleichen Kommunikationsschnittstellen wie der SFC5500-200SLM. Die Anschlüsse für den Gasein- und -auslass sind Legris-Klemmringverschraubungen mit einem Außendurchmesser von 6 mm, die mit gängigen 6-mm-Gasanschlüssen kompatibel sind.

Der SFC5500-10SLM bietet die Flexibilität, mehrere Gase mit einem Regler zu unterstützen, was Lagerbestände reduziert. Der Regler muss vor der Inbetriebnahme für das zu regelnde Zielgas konfiguriert und vorkalibriert werden. Er kann nicht für ein anderes Gas verwendet werden, ohne neu konfiguriert zu werden.

Konfiguration und Entwicklung

Die Massenstromregler SFC5500 müssen vor der Inbetriebnahme für das Zielgas vorkonfiguriert werden. Da verschiedene Gase unterschiedliche Dichten und Eigenschaften aufweisen, erfordert jedes Gas eine andere Einrichtung und Kalibrierung. Zur Unterstützung bei der Konfiguration, Kalibrierung und Evaluierung bietet Sensirion das Evaluierungskit EK-F5X für die Serie SFC5500 an (Abbildung 3). Es gilt zu beachten, dass das Kit keinen Massenstromregler enthält.

Abbildung: Evaluierungskit EK-F5X von SensirionAbbildung 3: Mit dem Evaluierungskit EK-F5X von Sensirion können Entwickler die Massedurchflussregler der Serie SFC5500 (nicht im Lieferumfang enthalten) konfigurieren, kalibrieren und evaluieren, bevor sie sie in Betrieb nehmen. (Bildquelle: Sensirion)

Um einen SFC5500 für den Betrieb zu konfigurieren, muss er zunächst an das zu regelnde Gas angeschlossen werden. Das Evaluierungskit EK-F5X wird mit einem DB-9-Kabel geliefert, das in den DB-9-Stecker auf der Oberseite des SFC5500 eingesteckt wird. Das DB-9-Kabel teilt sich auf in einen AC-Adapter für die Stromversorgung des SFC5500 während des Betriebs und einen USB-Anschluss für die Verbindung mit einem Host-Computer. Ein USB-Flash-Laufwerk wird zusammen mit dem Gerätetreiber des SFC5500 für den Host-Computer und der SFC5000-Viewer-Software geliefert, die beide vor dem Anschluss über USB auf den Host-Computer geladen werden müssen. Der SFC5500 wird zunächst an die Stromversorgung angeschlossen, dann wird der USB-Anschluss mit dem Host-Computer verbunden. Nach den üblichen Pieptönen, wenn sich der Computer mit dem über USB angeschlossenen SFC5500 vertraut macht, startet die SFC5xxx-Viewer-Software und fragt nach dem zu konfigurierenden COM-Port. Die Software zeigt dann alle verfügbaren Kalibrierungen für jedes von dem jeweiligen SFC5500 unterstützte Gas an, zusammen mit den verfügbaren Kalibrierungen (Abbildung 4).

Abbildung: SFC5500-Viewer-Software von Sensirion (zum Vergrössern klicken)Abbildung 4: Die SFC5500-Viewer-Software von Sensirion bietet eine Auswahl an Kalibrierungen für jedes vom angeschlossenen Regler unterstützte Gas. (Bildquelle: Sensirion)

Die SFC5xxx-Viewer-Software zeigt die angeschlossene SFC5500-Variante mit ihrer Seriennummer und Firmware-Version sowie die COM-Port-Konfiguration an. Die Registerkarte System wird beim Start ausgewählt und zeigt die verfügbaren Durchflusskalibrierungen grün und die aktive Kalibrierung rot hervorgehoben an. Um eine Kalibrierung zu ändern, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Kalibrierung für das Zielgas und wählen dann „Load Calibration“ (Kalibrierung laden). Der angeschlossene SFC5500 ist nun für das ausgewählte Gas kalibriert. Die Kalibrierung wird im EEPROM gespeichert, so dass eine Neukalibrierung nach einem Stromausfall nicht erforderlich ist. Eine Neukalibrierung ist nur erforderlich, wenn der Regler für ein anderes Gas verwendet wird.

Nach der Kalibrierung wird die Registerkarte Data Display (Datenanzeige) ausgewählt. Auf dieser Registerkarte wird der Gasdurchfluss eingestellt und gesteuert. Es kann eine konstante Durchflussrate eingestellt oder eine benutzerdefinierte Wellenform erzeugt werden, um den Durchfluss zu variieren. Der SFC5500 ist nun kalibriert und für den automatischen Betrieb konfiguriert.

Für komplexere Anwendungen, bei denen der Durchfluss programmatisch verändert werden muss, kann der SFC5500 über DeviceNet gesteuert werden. Auf der Registerkarte DeviceNet werden die DeviceNet-MAC-ID und die Baudrate konfiguriert. Der Durchfluss kann einfach über DeviceNet ferngesteuert werden, indem 0x0000 für keinen Durchfluss, 0xFFFF für vollen Durchfluss oder ein beliebiger dazwischen liegender Wert an den Regler gesendet wird. Dies ermöglicht komplexe Durchflussregelungen und ein schnelles und einfaches Abschalten des Gasflusses aus der Ferne, was in Notfallsituationen nützlich ist.

Fazit:

Die genaue Regelung von Industriegasen ist in industriellen Prozessen unerlässlich. Während die Kalibrierungsabweichung eine regelmäßige Neukalibrierung zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit erforderlich machen kann, können neue Gasmesstechnologien dies überflüssig machen, was langfristig zu verbesserter Effizienz, geringerem Wartungsaufwand und Gesamtkosteneinsparungen führt.

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Über den Autor

Bill Giovino

Bill Giovino ist Elektronikingenieur mit einem BSEE von der Syracuse University und einer der wenigen, die erfolgreich vom Entwicklungsingenieur über den Anwendungsingenieur zum Technologiemarketing wechselten.

Seit über 25 Jahren wirbt Bill für neue Technologien vor technischem und nicht-technischem Publikum für viele Unternehmen, darunter STMicroelectronics, Intel und Maxim Integrated. Während seiner Zeit bei STMicroelectronics trug Bill dazu bei, die frühen Erfolge des Unternehmens in der Mikrocontroller-Industrie voranzutreiben. Bei Infineon inszenierte Bill die ersten Erfolge des Unternehmens im Bereich Mikrocontroller-Design in den USA. Als Marketingberater für sein Unternehmen CPU Technologies hat Bill vielen Unternehmen geholfen, unterbewertete Produkte in Erfolgsgeschichten zu verwandeln.

Bill war zudem ein früher Anwender des Internets der Dinge, einschließlich der Implementierung des ersten vollständigen TCP/IP-Stacks auf einem Mikrocontroller. Die Botschaft von „Verkauf durch Aufklärung“ und die zunehmende Bedeutung einer klaren, gut geschriebenen Kommunikation bei der Vermarktung von Produkten im Internet sind Bills Anliegen. Er ist Moderator der beliebten „Semiconductor Sales & Marketing Group“ auf LinkedIn und spricht fließend B2E.

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