如何精确监测和控制工业应用中的气体流量

作者：Bill Giovino

许多工业自动化 (IA) 和制造设施在各种工艺和应用中经常需要使用空气、氧气、氮气、氢气、氦气和氩气等气体。具体用途包括清洁、切割、焊接和化学品制造。在许多情况下，精密设备和化学工艺需要对气体进行极其精细的控制，以避免造成难以诊断的设备故障或过程失败。此外，过量的气体流量会导致效率损失，以及与气体容器更换有关的额外费用。

以标准升/分钟 (SLM) 为单位测量精确气体流量是一个有趣的问题，因为测量精度受压力和温度以及传感机构的精度影响。标准质量流量控制器通常用于控制气体流量，但这些控制器会随着时间的推移而失去准确性，并且在使用过程中需要定期校准，从而增加了寿命成本。技术的进步催生了对气体温度进行微热测量的使用，从而精确确定具体 SLM 体积流量。

本文讨论了工业气体的重要性以及气体流量控制不准确导致的问题。然后，介绍了 Sensirion 采用先进气体流量传感技术的质量流量控制器，并解释了如何有效地设置和使用它们来降低总体成本，同时提高效率、可靠性和生产率。

工业气体需要精确控制

工业设施根据各种气体的特性，将其用于各种用途。一些系统，如加热、通风和空调 (HVAC) 系统可以容忍气体流量控制的小误差，但精密设备，如化学气相沉积 (CVD)、气相色谱和液相色谱以及质谱仪，需要极其精确的气体控制，以避免设备故障或过程失败。这些类型的故障很难诊断，并可能导致漫长而昂贵的停机时间。

氢气、乙炔和丁烷等易燃气体与氧气混合，产生热量、火焰或受控爆炸。具体过程中这些气体必须以适当的浓度混合在一起。就像在汽车的内燃机中一样，过稀或过浓的可燃气体混合物会产生温度不合适的火焰，导致效率低下或失败。

压缩气体如氧气、一氧化二氮和空气被用作氧化剂，也用于协助燃烧。压缩气体太少会导致化学过程失败，而气体太多则会导致效率下降，浪费气体，并增加成本。

惰性气体，如氩气、二氧化碳和氮气，通常用于重要安全操作场合，如火灾或氧化控制，也用于抑制一些化学反应。气体太少会导致灭火活动失败，而太多则会浪费气体并增加相关成本。

用工业质量流量控制器控制气体流量

质量流量控制器用来测量合适的气体量。在其最简单的形式中，质量流量控制器是完全手动的，不需要电源。气体的体积是通过转动表盘到适当的设置点来调整的。然而，手动质量流量控制器只能测量环境温度下的体积，无法考量由于气体的压力或温度变化而引起的体积变化。出于这个原因，人们使用了电子质量流量控制器进行气体的精确控制。

工业气体体积流量的测量单位 SLM 定义为，在标准气体温度为 0°C/32°F 和标准气体绝对压力为 1 bar 的情况下 1 分钟 1 升的气体流量。任何气体的体积都会根据温度和压力而变化，所以质量流量控制器需要能够考虑到环境条件的变化，并相应地改变流量。大多数电子质量流量控制器针对目标气体进行校准，以便在温度和压力变化的情况下提供准确的流量控制，但这种校准往往会随着时间的推移而漂移，需要在使用中定期重新校准。这增加了维护工作量，而忽略校准则会降低系统的效率。

无需服务中校准的精密质量流量控制器

在这方面的解决方案是一个不需要服务中校准的精密质量流量控制器系列。Sensirion 的 SFC5500 系列质量流量控制器就是这样一个解决方案（图 1）。SFC5500 系列使用气体温度微热测量技术来准确确定精确的 SLM 体积流量，而不受气体温度和压力变化的影响。

图 1：Sensirion SFC5500 质量流量控制器系列使用微热 CMOSens 技术，精确测量通过气体流动通道的气体体积，而不受温度或压力变化的影响。（图片来源：Sensirion）

Sensirion 的气体体积流量技术称为 CMOSens，能准确测量通过气体流量通道的气体体积。CMOSens 是 Sensirion 方法使用的一个通用术语，它将传感、信号调节和处理功能结合在一个单一的 CMOS 器件上，从而在一个小器件中实现精确的时间控制（图 2，上）。

图 2：CMOSens 将传感、信号调节和处理技术结合在一个 CMOS 器件上（上）。在气体流量测量应用中（下），温度传感器和相关处理进行微热测量以确保精度。（图片来源：Sensirion）

在使用 CMOSens 的气体流量测量实现中，温度传感器放置在上游和下游，中间有一个安装在压力稳定膜上的可调加热器（图 2，下）。第三个温度传感器用来检测气体的温度。

流过两个传感器的气体和加热器气体流量会在两个传感器上产生温度读数。这两个读数与气体温度传感器读数一起，由一个集成的信号处理器读取，并与储存的针对特定气体的校准设置相结合，产生一个精确的体积流量读数，而不受压力和温度的影响。

SFC5500 质量流量控制器的典型建立时间小于 100 毫秒 (ms)，允许在温度、压力和流量条件快速变化时获得准确读数。由于 CMOSens 技术可以对温度和压力进行补偿，这种配置随着时间的推移具有零漂移，因此除非目标气体发生变化，否则 SFC5500 在现场永远不需要重新校准。

基于 CMOSens 的质量流量控制器

SFC5500 质量流量控制器的一个实例是 SFC5500-200SLM。它是一个大容量的流量控制器，旨在用于空气、氮气和氧气，并针对这些气体进行了校准。支持氮气和空气气体，最大满量程流量为 200 SLM，指定控制精度为满量程流量的 0.10% 或 0.20 SLM。支持氧气流量，最大满量程流量为 160 SLM，指定控制精度为满量程流量的 0.20% 或 0.32 SLM。Sensirion 指明，当气体流量超过 100 SLM 时，该装置的精度可能会略有下降。SFC5500-200SLM 的设计是这样的，它允许对空气或氧气进行精确控制，而不需要服务中校准。

Sensirion SFC5500-200SLM 通过一个普通的 RS-485 DB-9 连接器与主机计算机连接。此外，还支持 DeviceNet 和 IO-Link 通信。气体进出连接采用的乐可利压缩接头，外径为 10 毫米 (mm)。这与标准的 10 mm 气体接头兼容。

为了支持其他气体，Sensirion 推出了 SFC5500-10SLM 多气体质量流量计。除了空气、氮气和氧气外，这个控制器还支持氢气、氦气、氩气、二氧化碳、氧化亚氮和甲烷。除了一氧化二氮、氩气和二氧化碳满量程流量为 5.0 SLM 外，它支持的所有气体的最大满量程流量为 10 SLM。最坏情况下的精度是满量程流量的 0.30%。它支持与 SFC5500-200SLM 相同的通信接口。气体进出连接采用乐可利压缩接头，外径为 6 mm，与标准的 6 mm 气体接头兼容。

SFC5500-10SLM 提供了用一个控制器支持多种气体的灵活性，简化了库存。该控制器在投入运行前必须对所控制的目标气体进行配置和预校准。如果不进行重新配置，它不能用于其他气体。

配置和开发

SFC5500 质量流量控制器在投入运行前必须对目标气体进行预先配置。由于不同的气体有不同的密度和特性，每种气体需要不同的设置和校准。为了帮助进行配置、校准和评估，Sensirion 为 SFC5500 系列提供了 EK-F5X 评估套件（图 3）。请注意，该套件不包括质量流量控制器。

图 3：Sensirion EK-F5X 评估套件允许开发人员在投入使用前对 SFC5500 质量流量控制器（套件中未提供）进行配置、校准和评估。（图片来源：Sensirion）

要对 SFC5500 进行配置服务，首先必须将其与所控制的气体连接起来。EK-F5X 评估套件带有一条定制的 DB-9 电缆，可以插入 SFC5500 顶部的 DB-9 连接器。DB-9 电缆分成一个交流适配器，用于在操作中为 SFC5500 供电，以及一个 USB 连接器，用于与主机连接。附带的 USB 闪存驱动器中提供了用于主机计算机的 SFC5500 设备驱动程序，以及 SFC5000 查看器软件，这两个软件在通过 USB 连接之前必须在主机上加载。首先将 SFC5500 插入电源，然后将 USB 连接器连接到主机计算机。在计算机熟悉 USB 连接的 SFC5500 时发出通常的蜂鸣声后，SFC5xxx 查看器软件会启动并要求对 COM 端口进行配置。然后软件会显示特定 SFC5500 支持的每种气体的所有可用校准以及使用中的校准（图 4）。

图 4：Sensirion SFC5500 查看器软件为所连接装置支持的每种气体提供了众多校准选择。（图片来源：Sensirion）

SFC5xxx 查看器软件显示所连接的 SFC5500 变型及其序列号和固件版本，以及 COM 端口配置。System 选项卡在启动时是选中的，并显示可用的流量校准，以绿色突出显示，使用中的校准以红色突出显示。要改变某个校准，需要右击目标气体的校准，然后选择 "Load Calibration"（加载校准）。所连接的 SFC5500 现在已经为选定的气体进行了校准。校准存储在 EEPROM 中，所以在电源重启后不需要重新校准。只有在设备用于不同的气体时才需要重新校准。

校准后，选择 Data Display（数据显示）选项卡。这个选项卡用于设置和控制气体流量，可以设置为恒定流动速率，也可以生成一个自定义的波形来改变流量。现在，SFC5500 已经过校准并配置为自动操作。

对于必须以编程方式改变流量的更复杂应用，SFC5500 可以由 DeviceNet 控制。DeviceNet 选项卡用于配置 DeviceNet MAC ID 和波特率。发送表示无流量的 0x0000、表示满量程流量的 0xFFFF 或介于两者之间的任何值到装置，可以很容易地通过 DeviceNet 远程控制流量。这样就可以进行复杂的流量控制操作，并且可以快速、方便地远程关闭气流，这在紧急情况下非常有用。

结语

工业气体的精确控制在工业过程中是至关重要的。虽然校准漂移可能需要定期重新校准以保持准确性，但新的气体测量技术可以消除这种需要，从而提高了效率，减少了维护，长远来看就节省了总成本。