如何在工業應用中準確監測和控制氣體流量

許多工業自動化 (IA) 和製造設施通常需要在各種流程和應用中使用空氣、氧氣、氮氣、氫氣、氦氣和氬氣等氣體。常用於清潔、切割、熔接和化學製造等用途。在許多情況下，精密設備和化學過程需要對氣體進行極其精細的控制，以避免難以診斷的設備故障或流程失敗。此外，過多的氣體流量會損失效率，並產生與更換氣體容器相關的額外成本。

以標準升每分鐘 (SLM) 為單位測量的精確氣體流量是一個值得探討的問題，因為測量準確度受壓力和溫度以及感測機制的準確度影響。通常使用標準質量流量控制器控制氣體流量，但隨著時間的推移，這些控制器可能會失去準確性，並且需要在仍在使用時進行定期校準，從而增加使用壽命成本。技術進步導致使用氣體溫度的微熱測量來準確確定精準的 SLM 體積流量。

本文討論工業氣體的重要性以及氣體流量控制不準確會導致的問題。然後介紹 Sensirion 具備先進氣體流量感測技術的質量流量控制器，並解釋如何有效設置和使用以降低總體成本，同時提高效率、可靠性和生產力。

工業氣體需要精確控制

工業設施根據每種氣體的特性將氣體用於各種用途。某些系統可以容忍氣體流量控制中的小誤差，例如暖通空調 (HVAC) 系統，但化學氣相沉積 (CVD)、氣相和液相色譜以及質譜等精密設備需要非常精確控制氣體以避免設備故障或流程失敗。這些類型的故障難以診斷，且可能導致長期且昂貴的停機時間。

氫氣、乙炔和丁烷等易燃氣體與氧氣混合以產生熱、火焰或受控的爆炸。氣體必須以適合該過程的濃度進行混合。就像在汽車的內燃機中一樣，太稀或太濃的易燃氣體混合物會產生溫度不適合的火焰，進而導致流程效率低下或失敗。

壓縮氣體如氧氣、一氧化氮和空氣用作氧化劑，也有助於燃燒。壓縮氣體過少會導致化學流程失敗，而壓縮氣體過多則會導致效率降低、浪費氣體並增加成本。

氬氣、二氧化碳和氮氣等惰性氣體通常用於火災或氧化控制等關鍵安全操作，也可用於抑制某些化學反應。氣體太少會導致滅火失敗，而太多則會浪費氣體並增加相關成本。

使用工業質量流量控制器控制氣體流量

質量流量控制器用於計量適當體積​​的氣體。在最簡單的形式中，質量流量控制器是完全手動的，不需要電源供應器。透過將刻度盤轉到適當的設置來調整氣體的體積。然而，手動質量流量控制器僅測量環境溫度下的體積，並且不能考慮由於氣體的壓力或溫度變化引起的體積變化。因此，需採用電子質量流量控制器，精確控制氣體。

工業氣體體積流量的 SLM 測量單位定義為在 0°C/32°F 的標準氣體溫度和 1 bar 的標準氣體絕對壓力下，一分鐘內的一升氣體流量。任何氣體的體積都會根據溫度和壓力而變化，因此質量流量控制器需要能夠考慮環境條件的變化並對應改變流量。大多數電子質量流量控制器都針對目標氣體經過校準，以提供對溫度和壓力變化的準確流量控制，但這種校準通常會隨著時間的推移而漂移，需要在運作期間定期重新校準。這增加了維護需求，且若無校準會降低系統效率。

無需在運作期間校準的精密質量流量控制器

其解決方案是不需要在運作期間進行校準的精密質量流量控制器系列。Sensirion 的 SFC5500 系列質量流量控制器提供解決方案 (圖 1)。SFC5500 系列使用氣體溫度的微熱測量來準確確定精確的 SLM 體積測量值，而不受氣體溫度和壓力變化的影響。

圖 1：Sensirion 的 SFC5500 質量流量控制器系列使用微熱 CMOSens 技術來準確測量通過氣流通道的氣體體積，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稱為 CMOSens，可準確測量通過氣體流動通道的氣體體積。CMOSens 是 Sensirion 方法的總稱，將感測、訊號調整和處理結合在單一 CMOS 元件上，以便在小型元件中隨時間進行精確控制 (圖 2 上)。

圖 2：CMOSens 在單一 CMOS 元件上結合感測、訊號調整和處理 (上)。在氣體流量測量應用 (下) 中，溫度感測器和相關流程執行微熱測量以確保準確度。(圖片來源：Sensirion)

使用 CMOSens 實作氣體流量量測，溫度感測器位於上游和下游，可調式加熱器安裝在兩者之間的壓力穩定膜上 (圖 2 下)。第三個溫度感測器偵測氣體的溫度。

流過兩個感測器和加熱器的氣流會在兩個感測器上產生溫度讀數。這兩個讀數以及氣體溫度感測器讀數由整合式訊號處理器讀取，並與儲存的特定氣體校準設定結合，無論壓力和溫度為何，都能產生準確的體積流量讀數。

SFC5500 質量流量控制器的典型趨穩時間小於 100 ms，允許在溫度、壓力和流量條件快速變化期間獲得準確讀數。由於 CMOSens 技術可以補償溫度和壓力，因此這種配置隨時間的漂移為零，因此除非改變目標氣體，否則 SFC5500 無需在現場重新校準。

基於 CMOSens 的質量流量控制器

SFC5500-200SLM 是 SFC5500 質量流量控制器的一例 。這是一種大容量流量控制器，僅針對空氣、氮氣和氧氣經過設計和校準。支援氮氣和空氣氣體的最大滿量程體積流量為 200 SLM，指定控制準確度為滿量程流量的 0.10% 或 0.20 SLM。支援氧氣流量的最大滿量程流量為 160 SLM，指定控制準確度為滿量程流量的 0.20% 或 0.32 SLM。Sensirion 指定當氣體流量高於 100 SLM 時，該裝置的準確度可能會略有下降。SFC5500-200SLM 的設計使其無需在運作期間校準即可精確控制空氣或氧氣。

Sensirion 的 SFC5500-200SLM 透過通用 RS-485 DB-9 連接器與主機連接。並支援 DeviceNet 和 IO-Link 通訊。氣體入口和出口連接外徑 10 mm 的樂可利壓縮接頭。這與標準 10 mm 氣體接頭相容。

為了支援其他氣體，Sensirion 推出 SFC5500-10SLM 多氣體質量流量計。除了空氣、氮氣和氧氣，該控制器還支援氫氣、氦氣、氬氣、二氧化碳、一氧化二氮、甲烷。支援除一氧化二氮、氬氣和二氧化碳以外的所有氣體的最大滿量程流量為 10 SLM，滿量程流量為 5.0 SLM。最差狀況下的準確度為滿量程流量的 0.30%。支援與 SFC5500-200SLM 相同的通訊介面。氣體入口和出口連接為 Legris 壓縮接頭，外徑為 6 mm，與標準 6 mm 氣體接頭相容。

SFC5500-10SLM 可靈活地透過一個控制器支援多種氣體，進而簡化庫存。控制器必須在受控的目標氣體投入作業之前進行配置和預校準。若要用於另一種氣體，需重新配置。

配置和開發

SFC5500 質量流量控制器在投入作業之前必須針對目標氣體進行預配置。由於各氣體密度和特性不同，因此每種氣體都需要不同的設置和校準。為協助進行配置、校準和評估，Sensirion 為 SFC5500 系列提供 EK-F5X 評估套件 (圖 3)。請注意，該套件不包括質量流量控制器。

圖 3：Sensirion 的 EK-F5X 評估套件能讓開發人員在將 SFC5500 質量流量控制器 (不隨附套件) 投入作業之前對其進行配置、校準和評估。(圖片來源：Sensirion)

要配置 SFC5500 進行服務，首先需將其連接到受控氣體。EK-F5X 評估套件隨附一條客製化 DB-9 纜線，此纜線插入 SFC5500 頂端的 DB-9 連接器。DB-9 纜線分為一個 AC 配接器，用於在操作時為 SFC5500 供電，以及一個用於介接主機的 USB 連接器。主機包含一個 USB 隨身碟，內含 SFC5500 裝置驅動程式以及 SFC5000 查看軟體，在透過 USB 連接之前，這兩者都必須加載至主機。首先將 SFC5500 插入電源，接著將 USB 連接器連接到主機。在電腦取得 USB 連接的 SFC5500 時會發出常聽到的嗶聲，SFC5xxx 查看體軟體會啟動並要求配置 COM 連接埠。然後，該軟體會顯示特定 SFC5500 支援的每種氣體的所有可用校準以及可用校準 (圖 4)。

圖 4：Sensirion 的 SFC5500 查看軟體為連接裝置所支援的每種氣體提供各種校準選項。(圖片來源：Sensirion)

SFC5xxx 查看軟體顯示其連接 SFC5500 款式的序號和韌體版本，以及 COM 連接埠配置。系統 選項可在啟動時選擇，並顯示可用的流量校準 (綠色高亮度顯示)，以及進行中的校準 (紅色高亮度顯示)。要更改校準項目，在目標氣體按下右鍵，並選擇 [Load Calibration] (加載校準)。連接的 SFC5500 現在已針對目標氣體進行校準。校準儲存在 EEPROM 中，因此無需在電源重啟後重新校準。只有當設備用於不同的氣體時才需要重新校準。

校準後，選擇 [Data Display] (資料顯示)選項。此選項設置和控制氣體流量，可以將其設置為恆定流率，或產生自定義波形來改變流量。SFC5500 現在已完成校準並配置為自動操作。

針對必須以編程方式改變流量的較複雜的應用，可由 DeviceNet 控制SFC5500。DeviceNet 選項配置 DeviceNet MAC ID 和鮑率。流量可輕鬆透過 DeviceNet 遠端控制，方法是向設備發送 0x0000 表示無流量，0xFFFF 表示滿量程流量，或任何介於兩者之間的值。這允許複雜的流量控制作業，並可快速輕鬆地從遠端關閉氣流，在緊急情況下十分有用。

結論

工業氣體的精確控制在工業製程中非常重要。雖然校準漂移可能會需要定期重新校準以保持準確度，但新的氣體量測技術可以消除這種需求，進而提高效率、減少維護並長期節省總成本。