산업 응용 분야에서 가스 유량을 정확하게 모니터링하고 제어하는 ​​방법

많은 산업 자동화(IA) 및 제조 시설에서 공기, 산소, 질소, 수소, 헬륨 및 아르곤과 같은 가스를 다양한 공정 및 응용 분야에 사용해야 할 경우가 많습니다. 청소, 절단, 용접, 화학 제조가 그 예입니다. 많은 경우 정밀 장비 및 화학 공정은 진단이 어려운 장비 오작동이나 실패 공정을 방지하기 위해 극도로 정밀한 가스 제어가 필요합니다. 또한 과도한 가스 유량은 가스 용기 교체와 관련된 추가 비용과 함께 효율성 손실을 초래할 수 있습니다.

분당 표준 리터(SLM)로 측정된 정확한 가스 유량은 측정 정확도가 감지 메커니즘의 정확도뿐만 아니라 압력과 온도의 영향을 받기 때문에 흥미로운 문제입니다. 표준 질량 유량 컨트롤러는 일반적으로 가스 유량을 제어하는 ​​데 사용되지만 시간 경과에 따른 정확도가 떨어지고 작동 중에 주기적으로 보정해야 하므로 수명 비용이 증가합니다. 기술 발전으로 인해 가스 온도의 미세열 측정을 사용하여 정밀한 SLM 체적 유량을 결정할 수 있게 되었습니다.

이 기사에서는 산업용 가스의 중요성과 부정확한 가스 유량 제어로 인해 발생하는 문제에 대해 설명합니다. 그런 다음 고급 가스 유량 감지 기술이 적용된 Sensirion의 질량 유량 컨트롤러를 검토하고 효율성, 신뢰성, 생산성을 향상시키면서 총 비용을 절감하기 위해 효과적으로 설정하고 사용하는 방법을 설명합니다.

정밀한 제어가 필요한 산업용 가스

산업 시설은 개별 가스의 특성에 따라 여러 용도로 다양한 가스를 사용합니다. 난방, 환기 및 공조(HVAC) 시스템과 같은 일부 시스템은 가스 유량 제어의 작은 오류를 허용하지만 화학 기상 증착법(CVD), 가스 및 액체 색층 분석, 질량 분석과 같은 정밀 장비는 장비 오작동 또는 실패 공정을 방지하기 위해 매우 정밀한 가스 제어가 필요합니다. 이러한 유형의 오작동은 진단하기 어려우며 가동 중지 시간이 길고 비용이 많이 소요될 수 있습니다.

수소, 아세틸렌 및 부탄과 같은 가연성 가스는 산소와 혼합되어 열, 화염 또는 제어된 폭발을 생성합니다. 가스는 공정에 적합한 농도로 혼합되어야 합니다. 자동차의 내연 기관과 마찬가지로 가연성 가스의 혼합물이 너무 희박하거나 너무 많으면 잘못된 온도에서 화염이 발생하여 공정이 비효율적이거나 실패할 수 있습니다.

산소, 산화 질소, 공기와 같은 압축 가스는 산화제로 사용되며 연소를 돕기도 합니다. 압축 가스가 너무 적으면 화학 공정이 실패할 수 있고 가스가 너무 많으면 효율성이 떨어지고 가스가 낭비되며 비용이 증가합니다.

아르곤, 이산화탄소 및 질소와 같은 불활성 가스는 화재 또는 산화 제어와 같은 중요한 안전 작업과 일부 화학 반응을 억제하는 데 자주 사용됩니다. 가스량이 너무 적으면 화재 진압 활동에 실패를 초래하고, 가스량 너무 많으면 가스가 낭비되어 관련 비용이 증가합니다.

산업용 질량 유량 컨트롤러를 사용한 가스 유량 제어

질량 유량 컨트롤러는 적절한 가스량을 측정하는 데 사용됩니다. 가장 단순한 형태의 질량 유량 컨트롤러는 완전히 수동이며 전원 공급 장치가 필요하지 않습니다. 가스량은 다이얼을 적절한 설정값으로 돌려서 조절합니다. 그러나 수동 질량 유량 컨트롤러는 주변 온도에서만 부피를 측정하고 가스의 압력 또는 온도 변화로 인한 부피 변화를 설명할 수 없습니다. 이러한 이유로 전자식 질량 유량 컨트롤러가 가스의 정밀한 제어를 위해 사용됩니다.

산업용 가스의 체적 유량에 대한 SLM 측정 단위는 0°C/32°F의 표준 가스 온도와 1bar의 표준 가스 절대 압력에서 1분 동안 1리터의 가스 유량으로 정의됩니다. 각 가스의 부피는 온도와 압력에 따라 달라지므로 질량 유량 컨트롤러는 주변 조건의 변화를 수용하고 그에 따라 유량 부피를 변화시킬 수 있어야 합니다. 대부분의 전자식 질량 유량 컨트롤러는 온도 및 압력 변화에 대한 정밀한 유량 제어를 제공하기 위해 대상 가스에 대해 보정되지만 종종 이 보정은 시간이 지남에 따라 드리프트되어 사용 중에 주기적으로 재보정해야 합니다. 이는 유지 보수 노력을 증가시키는 반면 보정을 건너뛰면 시스템의 효율성을 감소시킵니다.

자체 교정이 필요 없는 정밀 질량 유량 컨트롤러

이 문제에 대한 해결책은 작동 중 교정이 필요하지 않은 정밀 질량 유량 컨트롤러 제품군입니다. Sensirion에는 SFC5500 계열의 질량 유량 컨트롤러를 통한 솔루션이 있습니다(그림 1). SFC5500 계열은 가스 온도의 미세열 측정을 사용하여 가스 온도 및 압력의 변화에 ​​관계없이 정밀한 SLM 부피 측정을 정확하게 결정합니다.

그림 1: Sensirion SFC5500 질량 흐름 컨트롤러 제품군은 온도 또는 압력 변화에 관계없이 미세열 CMOSens 기술을 사용하여 가스 유량 채널을 통해 가스의 부피를 정확하게 측정합니다. (이미지 출처: Sensirion)

CMOSens라고 하는 Sensirion의 가스 체적 유량 기술은 가스 유량 채널을 통해 가스의 부피를 정확하게 측정합니다. CMOSens는 소형 장치에서 시간 경과에 따른 정밀한 제어를 위해 단일 CMOS 장치에서 감지, 신호 조절 및 처리를 결합하는 Sensirion의 접근 방식에 대한 일반적인 용어입니다(그림 2, 상단).

그림 2: CMOSens는 단일 CMOS 장치에서 감지, 신호 조절 및 처리를 결합합니다(상단). 가스 유량 응용 제품(하단)에서 온도 센서 및 관련 처리는 정밀성을 보장하기 위해 미세열 측정을 수행합니다. (이미지 출처: Sensirion)

CMOSens를 사용하여 가스 유량 측정을 구현할 때 온도 센서는 업스트림 및 다운스트림으로 위치하며 그 사이에 압력이 안정화된 멤브레인에 장착된 조절 가능한 히터가 있습니다(그림 2, 하단). 세 번째 온도 센서는 가스의 온도를 감지합니다.

2개의 센서와 히터를 통한 가스 유량은 2개의 센서에서 온도 판독값을 생성합니다. 이 두 판독값은 가스 온도 센서 판독값과 함께 통합 신호 프로세서에 의해 판독되고 특정 가스에 대해 저장된 보정 설정과 결합되어 압력 및 온도에 관계없이 체적 유량의 정확한 판독값을 생성합니다.

SFC5500 질량 유량 컨트롤러의 일반적인 정착 시간은 100밀리초(ms) 미만이므로 온도, 압력 및 유량 조건이 급격히 변할 때 정확한 판독이 가능합니다. CMOSens 기술은 온도와 압력을 보정하기 때문에 이 구성은 시간이 지나도 제로 드리프트를 유지하므로 대상 가스가 변경되지 않는 한 SFC5500을 현장에서 재보정할 필요가 없습니다.

CMOSens 기반 질량 유량 컨트롤러

SFC5500 질량 유량 컨트롤러의 예는 SFC5500-200SLM입니다. 공기, 질소 및 산소 전용으로 설계 및 보정된 대용량 유량 컨트롤러입니다. 질소 및 공기 가스는 최대 체적 유량율 200 SLM과 체적 유량의 0.10% 또는 0.20 SLM의 지정된 제어 정확도로 지원됩니다. 산소 가스 흐름은 최대 유량율 160 SLM으로 지원되며 지정된 제어 정확도는 전체 유량의 0.20% 또는 0.32 SLM입니다. Sensirion은 가스 흐름이 100 SLM을 초과하면 이 장치의 정확도가 약간 저하될 수 있다고 명시합니다. SFC5500-200SLM의 설계는 서비스 보정 없이 공기 또는 산소를 정밀하게 제어할 수 있도록 설계되었습니다.

Sensirion SFC5500-200SLM은 공통 RS-485 DB-9 커넥터를 통해 호스트 컴퓨터에 인터페이스합니다. DeviceNet 및 IO-Link 통신도 지원됩니다. 가스 입출구 연결은 외부 직경이 10밀리미터(mm)인 Legris 압축 피팅입니다. 표준 10mm 가스 피팅과 호환됩니다.

다른 가스를 지원하기 위해 Sensirion은 SFC5500-10SLM 다중 가스 질량 유량계를 제공합니다. 이 컨트롤러는 공기, 질소 및 산소 외에도 수소, 헬륨, 아르곤, 이산화탄소, 아산화질소 및 메탄을 지원합니다. 아산화질소, 아르곤 및 탄소를 제외한 모든 가스에 대해 최대 10 SLM의 전체 유량을 지원하며 5.0 SLM의 전체 유량을 지원합니다. 최악의 경우 정확도는 전체 흐름의 0.30%입니다. SFC5500-200SLM과 동일한 통신 인터페이스를 지원합니다. 가스 입출구 연결은 외부 직경이 6mm인 Legris 압축 피팅으로 표준 6mm 가스 연결부와 호환됩니다.

SFC5500-10SLM은 하나의 컨트롤러로 여러 가스를 지원할 수 있는 유연성을 제공하여 재고를 단순화합니다. 컨트롤러는 작동하기 전에 조절될 대상 가스에 대해 구성되고 사전 보정되어야 합니다. 재구성하지 않고는 다른 가스에 사용할 수 없습니다.

구성 및 개발

SFC5500 질량 유량 컨트롤러는 작동하기 전에 대상 가스에 대해 사전 구성되어야 합니다. 가스마다 밀도와 특성이 다르기 때문에 가스마다 다른 설정과 보정이 필요합니다. 구성, 보정 및 평가를 지원하기 위해 Sensirion은 SFC5500 계열용 EK-F5X 평가 키트를 제공합니다(그림 3). 키트에는 질량 유량 컨트롤러가 포함되어 있지 않습니다.

그림 3: Sensirion EK-F5X 평가 키트를 사용하면 개발자가 SFC5500 질량 유량 컨트롤러(키트와 함께 제공되지 않음)를 작동하기 전에 구성, 교정 및 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Sensirion)

서비스를 위해 SFC5500을 구성하려면 먼저 제어할 가스에 연결해야 합니다. EK-F5X 평가 키트에는 SFC5500 상단의 DB-9 커넥터에 연결되는 맞춤형 DB-9 케이블이 함께 제공됩니다. DB-9 케이블은 작동 중 SFC5500에 전원을 공급하기 위한 AC 어댑터와 호스트 컴퓨터에 인터페이스하기 위한 USB 커넥터로 나뉩니다. USB 플래시 구동은 SFC5000 뷰어 소프트웨어와 함께 호스트 컴퓨터용 SFC5500 장치 구동기가 포함되어 있으며, USB를 통해 연결하기 전에 이 두 소프트웨어를 호스트 컴퓨터에 로드해야 합니다. SFC5500은 먼저 전원에 연결한 다음 USB 커넥터를 호스트 컴퓨터에 연결합니다. 컴퓨터가 USB를 통해 연결된 SFC5500을 인식하면 일반적인 경고음이 울린 후 SFC5xxx 뷰어 소프트웨어가 시작되고 COM 포트를 구성하도록 요청합니다. 그런 다음 소프트웨어는 사용 가능한 보정과 함께 특정 SFC5500에서 지원하는 각 가스에 대해 사용 가능한 모든 보정을 표시합니다(그림 4).

그림 4: Sensirion SFC5500 뷰어 소프트웨어는 연결된 장치에서 지원하는 각 가스에 대한 보정 선택을 제공합니다. (이미지 출처: Sensirion)

SFC5xxx 뷰어 소프트웨어는 COM 포트 구성과 함께 일련 번호 및 펌웨어 버전과 연결된 SFC5500 변형을 표시합니다. System 탭은 시작 시 선택되며 사용 가능한 유량 보정이 녹색으로 강조 표시되고 활성 보정이 빨간색으로 강조 표시됩니다. 보정을 변경하려면 마우스 오른쪽 버튼을 사용하여 대상 가스에 대한 보정을 클릭한 다음 '부하 보정'을 선택합니다. 이제 연결된 SFC5500이 선택한 가스에 대해 보정되었습니다. 보정은 EEPROM에 저장되므로 전원을 껐다가 켠 후 다시 보정할 필요가 없습니다. 장치가 다른 가스에 사용되는 경우에만 재보정이 필요합니다.

보정 후 Data Display 탭이 선택됩니다. 이 탭은 가스 유량을 설정 및 제어하는데 일정한 유량 비율로 설정하거나 맞춤 파형을 생성하여 유량을 변경할 수 있습니다. 이제 SFC5500이 자동 작동을 위해 보정 및 구성되었습니다.

유량을 프로그래밍 방식으로 변경해야 하는 보다 복잡한 응용 제품의 경우 SFC5500을 DeviceNet으로 제어할 수 있습니다. DeviceNet 탭은 DeviceNet MAC ID와 전송 속도를 구성합니다. 장치에 유량이 없는 경우 0x0000, 전체 유량의 경우 0xFFFF 또는 그 사이의 값을 전송하여 DeviceNet을 통해 원격으로 쉽게 유량을 제어할 수 있습니다. 이를 통해 복잡한 유량 제어 작업이 가능하고 가스 유량을 빠르고 쉽게 원격으로 차단할 수 있어 비상 상황에서 유용합니다.

결론

산업용 가스의 정확한 제어는 산업 공정에서 매우 중요합니다. 보정 드리프트는 정확성을 유지하기 위해 주기적인 재보정이 필요할 수 있지만 새로운 가스 측정 기술은 필요성을 제거하여 효율성을 개선하고 유지 관리 비용을 낮추며 장기적으로 전반적인 비용을 절감할 수 있습니다.