【導讀】許多工業(yè)自動(dòng)化 (IA) 和制造設施在各種工藝和應用中經(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，精密設備和化學(xué)工藝需要對氣體進(jìn)行極其精細的控制，以避免造成難以診斷的設備故障或過(guò)程失敗。此外，過(guò)量的氣體流量會(huì )導致效率損失，以及與氣體容器更換有關(guān)的額外費用。
許多工業(yè)自動(dòng)化 (IA) 和制造設施在各種工藝和應用中經(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，精密設備和化學(xué)工藝需要對氣體進(jìn)行極其精細的控制，以避免造成難以診斷的設備故障或過(guò)程失敗。此外，過(guò)量的氣體流量會(huì )導致效率損失，以及與氣體容器更換有關(guān)的額外費用。
以標準升/分鐘 (SLM) 為單位測量精確氣體流量是一個(gè)有趣的問(wèn)題，因為測量精度受壓力和溫度以及傳感機構的精度影響。標準質(zhì)量流量控制器通常用于控制氣體流量，但這些控制器會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而失去準確性，并且在使用過(guò)程中需要定期校準，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確導致的問(wèn)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置和使用它們來(lái)降低總體成本，同時(shí)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)設施根據各種氣體的特性，將其用于各種用途。一些系統，如加熱、通風(fēng)和空調 (HVAC) 系統可以容忍氣體流量控制的小誤差，但精密設備，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，以避免設備故障或過(guò)程失敗。這些類(lèi)型的故障很難診斷，并可能導致漫長(cháng)而昂貴的停機時(shí)間。
氫氣、乙炔和丁烷等易燃氣體與氧氣混合，產(chǎn)生熱量、火焰或受控爆炸。具體過(guò)程中這些氣體必須以適當的濃度混合在一起。就像在汽車(chē)的內燃機中一樣，過(guò)稀或過(guò)濃的可燃氣體混合物會(huì )產(chǎn)生溫度不合適的火焰，導致效率低下或失敗。
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(huì )導致化學(xué)過(guò)程失敗，而氣體太多則會(huì )導致效率下降，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(chǎng)合，如火災或氧化控制，也用于抑制一些化學(xué)反應。氣體太少會(huì )導致滅火活動(dòng)失敗，而太多則會(huì )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(lái)測量合適的氣體量。在其最簡(jiǎn)單的形式中，質(zhì)量流量控制器是完全手動(dòng)的，不需要電源。氣體的體積是通過(guò)轉動(dòng)表盤(pán)到適當的設置點(diǎn)來(lái)調整的。然而，手動(dòng)質(zhì)量流量控制器只能測量環(huán)境溫度下的體積，無(wú)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(gè)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，在標準氣體溫度為 0°C/32°F 和標準氣體絕對壓力為 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(huì )根據溫度和壓力而變化，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，并相應地改變流量。大多數電子質(zhì)量流量控制器針對目標氣體進(jìn)行校準，以便在溫度和壓力變化的情況下提供準確的流量控制，但這種校準往往會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而漂移，需要在使用中定期重新校準。這增加了維護工作量，而忽略校準則會(huì )降低系統的效率。
無(wú)需服務(wù)中校準的精密質(zhì)量流量控制器
在這方面的解決方案是一個(gè)不需要服務(wù)中校準的精密質(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(gè)解決方案（圖 1）。SFC5500 系列使用氣體溫度微熱測量技術(shù)來(lái)準確確定精確的 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(guò)氣體流動(dòng)通道的氣體體積，而不受溫度或壓力變化的影響。（圖片來(lái)源：Sensirion）
Sensirion 的氣體體積流量技術(shù)稱(chēng)為 CMOSens，能準確測量通過(guò)氣體流量通道的氣體體積。CMOSens 是 Sensirion 方法使用的一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，它將傳感、信號調節和處理功能結合在一個(gè)單一的 CMOS 器件上，從而在一個(gè)小器件中實(shí)現精確的時(shí)間控制（圖 2，上）。
圖 2：CMOSens 將傳感、信號調節和處理技術(shù)結合在一個(gè) CMOS 器件上（上）。在氣體流量測量應用中（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(lái)源：Sensirion）
在使用 CMOSens 的氣體流量測量實(shí)現中，溫度傳感器放置在上游和下游，中間有一個(gè)安裝在壓力穩定膜上的可調加熱器（圖 2，下）。第三個(gè)溫度傳感器用來(lái)檢測氣體的溫度。
流過(guò)兩個(gè)傳感器的氣體和加熱器氣體流量會(huì )在兩個(gè)傳感器上產(chǎn)生溫度讀數。這兩個(gè)讀數與氣體溫度傳感器讀數一起，由一個(gè)集成的信號處理器讀取，并與儲存的針對特定氣體的校準設置相結合，產(chǎn)生一個(gè)精確的體積流量讀數，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(shí)間小于 100 毫秒 (ms)，允許在溫度、壓力和流量條件快速變化時(shí)獲得準確讀數。由于 CMOSens 技術(shù)可以對溫度和壓力進(jìn)行補償，這種配置隨著(zhù)時(shí)間的推移具有零漂移，因此除非目標氣體發(fā)生變化，否則 SFC5500 在現場(chǎng)永遠不需要重新校準。
基于 CMOSens 的質(zhì)量流量控制器
SFC5500 質(zhì)量流量控制器的一個(gè)實(shí)例是 SFC5500-200SLM。它是一個(gè)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。支持氮氣和空氣氣體，最大滿(mǎn)量程流量為 200 SLM，指定控制精度為滿(mǎn)量程流量的 0.10% 或 0.20 SLM。支持氧氣流量，最大滿(mǎn)量程流量為 160 SLM，指定控制精度為滿(mǎn)量程流量的 0.20% 或 0.32 SLM。Sensirion 指明，當氣體流量超過(guò) 100 SLM 時(shí)，該裝置的精度可能會(huì )略有下降。SFC5500-200SLM 的設計是這樣的，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。
Sensirion SFC5500-200SLM 通過(guò)一個(gè)普通的 RS-485 DB-9 連接器與主機計算機連接。此外，還支持 DeviceNet 和 IO-Link 通信。氣體進(jìn)出連接采用的樂(lè )可利壓縮接頭，外徑為 10 毫米 (mm)。這與標準的 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(gè)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(mǎn)量程流量為 5.0 SLM 外，它支持的所有氣體的最大滿(mǎn)量程流量為 10 SLM。最壞情況下的精度是滿(mǎn)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(lè )可利壓縮接頭，外徑為 6 mm，與標準的 6 mm 氣體接頭兼容。
SFC5500-10SLM 提供了用一個(gè)控制器支持多種氣體的靈活性，簡(jiǎn)化了庫存。該控制器在投入運行前必須對所控制的目標氣體進(jìn)行配置和預校準。如果不進(jìn)行重新配置，它不能用于其他氣體。
配置和開(kāi)發(fā)
SFC5500 質(zhì)量流量控制器在投入運行前必須對目標氣體進(jìn)行預先配置。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置和校準。為了幫助進(jìn)行配置、校準和評估，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(kāi)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、校準和評估。（圖片來(lái)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(lái)。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(gè)交流適配器，用于在操作中為 SFC5500 供電，以及一個(gè) USB 連接器，用于與主機連接。附帶的 USB 閃存驅動(dòng)器中提供了用于主機計算機的 SFC5500 設備驅動(dòng)程序，以及 SFC5000 查看器軟件，這兩個(gè)軟件在通過(guò) USB 連接之前必須在主機上加載。首先將 SFC5500 插入電源，然后將 USB 連接器連接到主機計算機。在計算機熟悉 USB 連接的 SFC5500 時(shí)發(fā)出通常的蜂鳴聲后，SFC5xxx 查看器軟件會(huì )啟動(dòng)并要求對 COM 端口進(jìn)行配置。然后軟件會(huì )顯示特定 SFC5500 支持的每種氣體的所有可用校準以及使用中的校準（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選擇。（圖片來(lái)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(dòng)時(shí)是選中的，并顯示可用的流量校準，以綠色突出顯示，使用中的校準以紅色突出顯示。要改變某個(gè)校準，需要右擊目標氣體的校準，然后選擇 "Load Calibration"（加載校準）。所連接的 SFC5500 現在已經(jīng)為選定的氣體進(jìn)行了校準。校準存儲在 EEPROM 中，所以在電源重啟后不需要重新校準。只有在設備用于不同的氣體時(shí)才需要重新校準。
校準后，選擇 Data Display（數據顯示）選項卡。這個(gè)選項卡用于設置和控制氣體流量，可以設置為恒定流動(dòng)速率，也可以生成一個(gè)自定義的波形來(lái)改變流量?，F在，SFC5500 已經(jīng)過(guò)校準并配置為自動(dòng)操作。
對于必須以編程方式改變流量的更復雜應用，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(wú)流量的 0x0000、表示滿(mǎn)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(guò) DeviceNet 遠程控制流量。這樣就可以進(jìn)行復雜的流量控制操作，并且可以快速、方便地遠程關(guān)閉氣流，這在緊急情況下非常有用。
結語(yǔ)
工業(yè)氣體的精確控制在工業(yè)過(guò)程中是至關(guān)重要的。雖然校準漂移可能需要定期重新校準以保持準確性，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，長(cháng)遠來(lái)看就節省了總成本。
（來(lái)源：Digi-Key，作者：Bill Giovino）
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