Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Nová generace převodníků hmotnostního průtoku plynů

číslo 7/2004

Nová generace převodníků hmotnostního průtoku plynů

Již déle než 30 let se pro přesné měření, regulaci a dávkování průtoku plynů standardně používají tepelné hmotnostní průtokoměry se sondou z ocelové kapiláry ovinuté topným vinutím, založené na zákonitostech výměny tepla mezi zdrojem a proudícím médiem. Fyzikální princip osvědčené kalorimetrické metody nyní originálním způsobem využila švýcarská firma Sensirion AG: při použití standardní výrobní metody CMOS umístila senzorový prvek spolu s inteligentním vyhodnocovacím obvodem na jediný křemíkový čip. Obr. 1. Tím se podařilo několikanásobně zvětšit rychlost i zlepšit přesnost měření hmotnostního průtoku plynu a se senzorem nové generace následně realizovat kompaktní převodník, který při malých pořizovacích nákladech nabízí desetkrát rychlejší odezvu a výrazně větší přesnost regulace hmotnostního průtoku plynu. Součástí nových převodníků s označením CMOSens je také doplňkové čidlo teploty, umožňující přesně kompenzovat její vliv, a přídavné inteligentní obvody pro zlepšení funkce a zajištění vnitřní diagnostiky přístroje.

Realizace polovodičového senzoru

V křemíkovém čipu je leptáním vytvořena tlakově stabilizovaná membrána, pasivovaná skleněnou vrstvou. V jejím středu se nachází topný prvek a souměrně k němu, vzdálena jen zlomky milimetru po a proti směru proudění plynu, jsou umístěna dvě čidla teploty (obr. 2). Jakýkoliv pohyb plynu v kanálku o průřezu 0,8 × 1,2 mm, který přiléhá k membráně, znamená deformaci teplotního pole kolem topného prvku. Toto pole v senzoru generuje přesně měřitelný signál, jenž je přímo úměrný hmotnostnímu průtoku plynu. Vlivem velmi nepatrné tepelné kapacity membrány reaguje polovodičový senzor na změny průtoku plynu do asi 1,7 ms, tedy téměř okamžitě.

Obr. 2.

Úlohou patentovaného vyhodnocovacího obvodu, vytvořeného také technikou CMOS na tomtéž čipu jako senzor, je velmi přesně a rychle zesilovat analogový signál ze senzoru, digitalizovat ho a přesně digitálně linearizovat, teplotně kompenzovat (s využitím signálu z doplňkového čidla teploty) a kalibrovat při použití kalibračních údajů uložených ve vnější EEPROM. Na výstupu polovodičového senzoru hmotnostního průtoku CMOSens je tak k dispozici velmi rychle proměnný a velmi přesný signál proudění, který může být podle potřeby využíván buď přímo v analogovém tvaru, nebo jako pulsní šířkově modulovaný výstup (Pulse Width Moduation – PWM) pro další zpracování.

Pro použití v nepříznivém průmyslovém prostředí je senzor CMOSens umístěn v hermeticky uzavřeném pouzdru z korozivzdorné oceli, opatřeném osvědčenými skleněnými průchodkami pro elektrické vývody. Uživatel musí mít na zřeteli, že měřený plyn procházející měřicím kanálem proudění přichází do přímého styku s materiálem membrány. Kdyby byl tento plyn příliš agresivní, mohl by membránu poškodit.

Obr. 3.

Spolehlivost každého elektronického přístroje je do značné míry určena počtem jeho elektrických kontaktů, které obsahuje. Ty se mohou vždy časem výrazně zhoršit. Protože u polovodičových senzorů CMOSens je signál plně analogově i digitálně zpracováván na jediném čipu, pájecí místa jako zdroje poruch při malých úrovních signálů odpadají. Tím lze mimo jiné také vysvětlit mimořádně velkou spolehlivost převodníků se senzorem CMOSens i při použití ve ztížených provozních podmínkách. Další neopomenutelnou výhodou metody CMOSens je její velká odolnost proti elektromagnetickému rušení.

Regulace hmotnostního průtoku plynu

Senzor CMOSens je klíčovou součástí nové generace regulátorů hmotnostního průtoku řady CMOSens PerformanceLine, které firma Sensirion AG uvedla na trh pro přesné měření, řízení a dávkování průtoku plynů především ve zpracovatelském a polovodičovém průmyslu. Zjednodušené blokové schéma regulátoru této řady je na obr. 3. Průtok měřeného plynu QH se zjišťuje převodníkem CMOSens, jehož výstup, neboli skutečná hodnota hmotnostního průtoku QHS, se porovnává s požadovanou hodnotou QHP. Rozdíl obou hodnot představuje regulační odchylku QH, která po zesílení ovládá ventil v potrubí vedoucím měřený plyn tak, aby průtok QHS měl stále požadovanou velikost nezávisle na změnách teploty, provozního tlaku apod.

Obr. 4.

Rozhodujícím kritériem výkonnosti regulátorů hmotnostního průtoku je rychlost regulace. Protože senzor hmotnostního průtoku běžných regulátorů hmotnostního průtoku (Mass Flow Controller – MFC) má typicky dobu odezvy několik sekund, používá se u dobrých MFC pro urychlení odezvy přídavná elektronika, která analyzuje reakci senzoru již v počátcích změny signálu a předem odhaduje možný výsledný vliv. Tím se sice regulační doba zkracuje na přibližně 1 s, avšak při vyšší ceně přístroje a horší stabilitě regulační smyčky. Protože polovodičový senzor hmotnostního průtoku CMOSens reaguje na změny průtoku plynu asi tisíckrát rychleji, dokáže průtok regulovat mnohem lépe a rychleji i s použitím tradičních a stabilních regulačních algoritmů. U typického regulátoru se senzorem CMOSens je doba potřebná pro dosažení 98 % skokově zadané změny průtoku kratší než 150 ms. Na obr. 4 jsou pro porovnání ukázány přechodové charakteristiky regulátoru při použití nového polovodičového a standardního senzoru hmotnostního průtoku.

Dalšími důležitými provozními vlastnostmi regulátoru hmotnostního průtoku jsou jeho přesnost a reprodukovatelnost, vyjádřené v procentech požadované (nastavované) hodnoty, které jsou určeny zejména stabilitou a odolností vyhodnocovacího obvodu proti poruchám a offsetem senzoru. Díky souměrnému uspořádání polovodičového senzoru a umístění vyhodnocovacího obvodu na tomtéž čipu s účinnou kompenzací offsetu mají polovodičové senzory proudění plynu velmi malý a stabilní offset (typicky menší než 0,1 % měřicího rozsahu). Proto je u regulátorů hmotnostního průtoku řady CMOSens PerformanceLine v rozmezí 10 až 100 % měřicího rozsahu zaručena vynikající konstantní přesnost 0,8 % z požadované hodnoty. Obr. 5. Při tak velkém dynamickém rozsahu lze často použít jeden a týž přístroj pro regulaci dvou různých hmotnostních průtoků se stejnou procentuální odchylkou od požadované hodnoty. Dosud, při využívání standardních regulátorů hmotnostního průtoku, bylo v takovém případě třeba použít pro každé měření vlastní, příslušně cejchovaný přístroj.

Regulátory hmotnostního průtoku řady CMOSens PerformanceLine se vyznačují robustní a kompaktní konstrukcí (obr. 5). Ve spodní části přístroje je hermeticky uzavřené pouzdro s polovodičovým senzorem CMOSens, jež je opatřeno nátrubky se šroubením G" (Swagelog) pro vstup a výstup protékajícího plynu. Nad ním je v hliníkovém pouzdru umístěna veškerá elektronika regulátoru, včetně paměti EEPROM s kalibračními údaji a standardního devítikolíkového konektoru Sub-D (Canon). Regulátory hmotnostního průtoku řady CMOSens PerformanceLine jsou nabízeny v různých verzích. Pro běžné použití je cenově nejvýhodnější a při krátkých dodacích lhůtách také nejdostupnější základní model PC1 L…, kalibrovaný dusíkem, který je s vestavěnými konverzními funkcemi použitelný pro měření hmotnostního průtoku i jiných plynů (O2, CO2, N2O, Ar, He, CH4 aj.). Jeho nejdůležitější provozní vlastnosti jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1. Základní technické parametry regulátoru hmotnostního průtoku plynu CMOSens PerformanceLine v provedení PC1 L… (MR – měřicí rozsah, PH – požadovaná hodnota)

Rozsah průtoku 0,05 až 0,5 l/min
Přesnost: 10 až 100 % MR; do 10 % MR 0,8 % PH; 0,08 % MR
Opakovatelnost: 10 až 100 % MR; do 10 % MR 0,1 % PH; 0,01 % MR
Doba náběhu (10 až 100 % MR) <0,15 s
Standardní kalibrační plyn N2
Měřené plyny O2, CO2, N2O, Ar, He, CH4, C2H6, C3H8
Maximální tlak plynu 1 MPa bar (145 psi)
Pracovní teplota plynu/prostředí 0 až 50 °C
Rozsah regulace 1 : 1000 a větší
Doba uvedení do provozu 5 s
Výstupní napětí 0 až 5 V DC
Napájecí napětí ±10 V DC
Rozměry (d × š × v) 76 × 25,4 × 95 mm
Hmotnost (bez šroubení) 250 g

Závěr

Vedle použití ve vlastních regulátorech hmotnostního průtoku řady CMOSens PerformanceLine nabízí firma Sensirion senzory CMOSens také samostatně, především ostatním výrobcům pro aplikaci v jejich finálních výrobcích k použití tam, kde je kladen velký důraz na výkon a cenu. Typickými oblastmi využití nových polovodičových senzorů jsou např. analytické přístroje, systémy pro řízení spojitých zpracovatelských procesů, kalibrační zařízení, lékařské přístroje (umělé dýchání, anesteziologie) nebo palivové články. Účelné spojení vyšší výkonnosti s malými pořizovacími náklady dává technice CMOSens dobré předpoklady k tomu, aby po 30 letech nadvlády tepelných hmotnostních průtokoměrů se sondami s ocelovými kapilárami přivodila generační změnu. K úplné náhradě měřicích sond s ocelovými kapilárami však v dohledné době nedojde, protože tam, kde se vyskytují velké provozní tlaky nebo agresivní plyny, zůstanou zatím jedinou volbou běžné MFC nabízené pro provozní tlaky překračující 20 MPa. Zato tam, kde jsou při provozních tlacích do 1 MPa prvořadými požadavky kvalita měření a regulace či nízké náklady, by se nová technika brzy mohla stát standardním řešením.

Literatura:

[1] KUBASCH, J.: Chip-basierter Generationswechsel (Generační změna založená na čipové technice). elektroAUTOMATION, 2003, č. 5, s. 54–55.

[2] Generationswechsel in der Massendurchflussmesstechnik (Generační změna v technice měření hmotnostního průtoku). MSR Magazín, 2003, č. 6, s. 10–11.

[3] CMOSens PerformanceLine (Mass Flow Controller for Gases). Sensirion AG, 2003.

Ing. Karel Kabeš

Inzerce zpět