【導讀】許多工業自動化 (IA) 和制造設施在各種工藝和應用中經常需要使用空氣、氧氣、氮氣、氫氣、氦氣和氬氣等氣體。具體用途包括清潔、切割、焊接和化學品制造。在許多情況下，精密設備和化學工藝需要對氣體進行極其精細的控制，以避免造成難以診斷的設備故障或過程失敗。此外，過量的氣體流量會導致效率損失，以及與氣體容器更換有關的額外費用。
許多工業自動化 (IA) 和制造設施在各種工藝和應用中經常需要使用空氣、氧氣、氮氣、氫氣、氦氣和氬氣等氣體。具體用途包括清潔、切割、焊接和化學品制造。在許多情況下，精密設備和化學工藝需要對氣體進行極其精細的控制，以避免造成難以診斷的設備故障或過程失敗。此外，過量的氣體流量會導致效率損失，以及與氣體容器更換有關的額外費用。
以標準升/分鐘 (SLM) 為單位測量精確氣體流量是一個有趣的問題，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確性，并且在使用過程中需要定期校準，從而增加了壽命成本。技術的進步催生了對氣體溫度進行微熱測量的使用，從而精確確定具體 SLM 體積流量。
本文討論了工業氣體的重要性以及氣體流量控制不準確導致的問題。然后，介紹了 Sensirion 采用先進氣體流量傳感技術的質量流量控制器，并解釋了如何有效地設置和使用它們來降低總體成本，同時提高效率、可靠性和生產率。
工業氣體需要精確控制
工業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，如化學氣相沉積 (CVD)、氣相色譜和液相色譜以及質譜儀，需要極其精確的氣體控制，以避免設備故障或過程失敗。這些類型的故障很難診斷，并可能導致漫長而昂貴的停機時間。
氫氣、乙炔和丁烷等易燃氣體與氧氣混合，產生熱量、火焰或受控爆炸。具體過程中這些氣體必須以適當的濃度混合在一起。就像在汽車的內燃機中一樣，過稀或過濃的可燃氣體混合物會產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，也用于協助燃燒。壓縮氣體太少會導致化學過程失敗，而氣體太多則會導致效率下降，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合，如火災或氧化控制，也用于抑制一些化學反應。氣體太少會導致滅火活動失敗，而太多則會浪費氣體并增加相關成本。
用工業質量流量控制器控制氣體流量
質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動表盤到適當的設置點來調整的。然而，手動質量流量控制器只能測量環境溫度下的體積，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，人們使用了電子質量流量控制器進行氣體的精確控制。
工業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根據溫度和壓力而變化，所以質量流量控制器需要能夠考慮到環境條件的變化，并相應地改變流量。大多數電子質量流量控制器針對目標氣體進行校準，以便在溫度和壓力變化的情況下提供準確的流量控制，但這種校準往往會隨著時間的推移而漂移，需要在使用中定期重新校準。這增加了維護工作量，而忽略校準則會降低系統的效率。
無需服務中校準的精密質量流量控制器
在這方面的解決方案是一個不需要服務中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來準確確定精確的 SLM 體積流量，而不受氣體溫度和壓力變化的影響。
圖 1：Sensirion SFC5500 質量流量控制器系列使用微熱 CMOSens 技術，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稱為 CMOSens，能準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語，它將傳感、信號調節和處理功能結合在一個單一的 CMOS 器件上，從而在一個小器件中實現精確的時間控制（圖 2，上）。
圖 2：CMOSens 將傳感、信號調節和處理技術結合在一個 CMOS 器件上（上）。在氣體流量測量應用中（下），溫度傳感器和相關處理進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定膜上的可調加熱器（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生溫度讀數。這兩個讀數與氣體溫度傳感器讀數一起，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設置相結合，產生一個精確的體積流量讀數，而不受壓力和溫度的影響。
SFC5500 質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確讀數。由于 CMOSens 技術可以對溫度和壓力進行補償，這種配置隨著時間的推移具有零漂移，因此除非目標氣體發生變化，否則 SFC5500 在現場永遠不需要重新校準。
基于 CMOSens 的質量流量控制器
SFC5500 質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，并針對這些氣體進行了校準。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 的設計是這樣的，它允許對空氣或氧氣進行精確控制，而不需要服務中校準。
Sensirion SFC5500-200SLM 通過一個普通的 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。氣體進出連接采用的樂可利壓縮接頭，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。氣體進出連接采用樂可利壓縮接頭，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氣體進行配置和預校準。如果不進行重新配置，它不能用于其他氣體。
配置和開發
SFC5500 質量流量控制器在投入運行前必須對目標氣體進行預先配置。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，該套件不包括質量流量控制器。
圖 3：Sensirion EK-F5X 評估套件允許開發人員在投入使用前對 SFC5500 質量流量控制器（套件中未提供）進行配置、校準和評估。（圖片來源：Sensirion）
要對 SFC5500 進行配置服務，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，用于與主機連接。附帶的 USB 閃存驅動器中提供了用于主機計算機的 SFC5500 設備驅動程序，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 時發出通常的蜂鳴聲后，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，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 現在已經為選定的氣體進行了校準。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才需要重新校準。
校準后，選擇 Data Display（數據顯示）選項卡。這個選項卡用于設置和控制氣體流量，可以設置為恒定流動速率，也可以生成一個自定義的波形來改變流量。現在，SFC5500 已經過校準并配置為自動操作。
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 遠程控制流量。這樣就可以進行復雜的流量控制操作，并且可以快速、方便地遠程關閉氣流，這在緊急情況下非常有用。
結語
工業氣體的精確控制在工業過程中是至關重要的。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可以消除這種需要，從而提高了效率，減少了維護，長遠來看就節省了總成本。
（來源：Digi-Key，作者：Bill Giovino）
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