【導(dǎo)讀】許多工業(yè)自動化 (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、氮氣、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，過量的氣體流量會導(dǎo)致效率損失，以及與氣體容器更換有關(guān)的額外費用。
許多工業(yè)自動化 (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、氮氣、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，過量的氣體流量會導(dǎo)致效率損失，以及與氣體容器更換有關(guān)的額外費用。
以標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘 (SLM) 為單位測量精確氣體流量是一個有趣的問題，因為測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，但這些控制器會隨著時間的推移而失去準(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。壓縮氣體太少會導(dǎo)致化學(xué)過程失敗，而氣體太多則會導(dǎo)致效率下降，浪費氣體，并增加成本。
惰性氣體，如氬氣、二氧化碳和氮氣，通常用于重要安全操作場合，如火災(zāi)或氧化控制，也用于抑制一些化學(xué)反應(yīng)。氣體太少會導(dǎo)致滅火活動失敗，而太多則會浪費氣體并增加相關(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的，不需要電源。氣體的體積是通過轉(zhuǎn)動表盤到適當(dāng)?shù)脑O(shè)置點來調(diào)整的。然而，手動質(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)往往會隨著時間的推移而漂移，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。
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 方法使用的一個通用術(shù)語，它將傳感、信號調(diào)節(jié)和處理功能結(jié)合在一個單一的 CMOS 器件上，從而在一個小器件中實現(xiàn)精確的時間控制（圖 2，上）。
圖 2：CMOSens 將傳感、信號調(diào)節(jié)和處理技術(shù)結(jié)合在一個 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 的氣體流量測量實現(xiàn)中，溫度傳感器放置在上游和下游，中間有一個安裝在壓力穩(wěn)定膜上的可調(diào)加熱器（圖 2，下）。第三個溫度傳感器用來檢測氣體的溫度。
流過兩個傳感器的氣體和加熱器氣體流量會在兩個傳感器上產(chǎn)生溫度讀數(shù)。這兩個讀數(shù)與氣體溫度傳感器讀數(shù)一起，由一個集成的信號處理器讀取，并與儲存的針對特定氣體的校準(zhǔn)設(shè)置相結(jié)合，產(chǎn)生一個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間小于 100 毫秒 (ms)，允許在溫度、壓力和流量條件快速變化時獲得準(zhǔn)確讀數(shù)。由于 CMOSens 技術(shù)可以對溫度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償，這種配置隨著時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實例是 SFC5500-200SLM。它是一個大容量的流量控制器，旨在用于空氣、氮氣和氧氣，并針對這些氣體進(jìn)行了校準(zhǔn)。支持氮氣和空氣氣體，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，該裝置的精度可能會略有下降。SFC5500-200SLM 的設(shè)計是這樣的，它允許對空氣或氧氣進(jìn)行精確控制，而不需要服務(wù)中校準(zhǔn)。
Sensirion SFC5500-200SLM 通過一個普通的 RS-485 DB-9 連接器與主機(jī)計算機(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。除了空氣、氮氣和氧氣外，這個控制器還支持氫氣、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。該控制器在投入運行前必須對所控制的目標(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行前必須對目標(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)和評估，Sensirion 為 SFC5500 系列提供了 EK-F5X 評估套件（圖 3）。請注意，該套件不包括質(zhì)量流量控制器。
圖 3：Sensirion EK-F5X 評估套件允許開發(fā)人員在投入使用前對 SFC5500 質(zhì)量流量控制器（套件中未提供）進(jìn)行配置、校準(zhǔn)和評估。（圖片來源：Sensirion）
要對 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 電纜分成一個交流適配器，用于在操作中為 SFC5500 供電，以及一個 USB 連接器，用于與主機(jī)連接。附帶的 USB 閃存驅(qū)動器中提供了用于主機(jī)計算機(jī)的 SFC5500 設(shè)備驅(qū)動程序，以及 SFC5000 查看器軟件，這兩個軟件在通過 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)計算機(jī)。在計算機(jī)熟悉 USB 連接的 SFC5500 時發(fā)出通常的蜂鳴聲后，SFC5xxx 查看器軟件會啟動并要求對 COM 端口進(jìn)行配置。然后軟件會顯示特定 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）。
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 變型及其序列號和固件版本，以及 COM 端口配置。System 選項卡在啟動時是選中的，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才需要重新校準(zhǔn)。
校準(zhǔn)后，選擇 Data Display（數(shù)據(jù)顯示）選項卡。這個選項卡用于設(shè)置和控制氣體流量，可以設(shè)置為恒定流動速率，也可以生成一個自定義的波形來改變流量。現(xiàn)在，SFC5500 已經(jīng)過校準(zhǔn)并配置為自動操作。
對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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