Surveiller et contrôler avec précision le débit de gaz dans les applications industrielles

De nombreuses installations d'automatisation industrielle et de fabrication nécessitent souvent l'utilisation de gaz tels que l'air, l'oxygène, l'azote, l'hydrogène, l'hélium et l'argon pour divers processus et applications, notamment le nettoyage, le découpage, le soudage et la fabrication de produits chimiques. Dans de nombreux cas, les équipements de précision et les processus chimiques exigent un contrôle extrêmement précis des gaz afin d'éviter les dysfonctionnements de l'équipement ou les erreurs de processus difficiles à diagnostiquer. De plus, un débit de gaz excessif peut entraîner une perte d'efficacité, ainsi que des coûts supplémentaires liés au remplacement du réservoir de gaz.

Un débit de gaz précis, mesuré en litres standard par minute (SLM), est un problème intéressant car la précision de la mesure est affectée par la pression et la température, ainsi que par la précision du mécanisme de détection. Les contrôleurs de débit massique standard sont fréquemment utilisés pour contrôler le débit de gaz, mais ils peuvent perdre en précision au fil du temps et ils requièrent un étalonnage périodique lorsqu'ils sont encore en service, ce qui augmente le coût du cycle de vie. Les avancées technologiques ont conduit à l'utilisation de la mesure microthermique de la température des gaz pour déterminer le débit volumique SLM précis.

Cet article traite de l'importance des gaz industriels et des problèmes résultant d'un contrôle imprécis du débit de gaz. Il étudie ensuite les contrôleurs de débit massique de Sensirion, dotés d'une technologie avancée de détection du débit de gaz, et explique comment les configurer et les utiliser efficacement pour réduire le coût global tout en améliorant l'efficacité, la fiabilité et la productivité.

Les gaz industriels nécessitent un contrôle précis

Les installations industrielles utilisent une grande variété de gaz à des fins diverses, en fonction des propriétés des différents gaz. Certains systèmes, tels que les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), peuvent tolérer de petites erreurs dans le contrôle du débit de gaz, mais les techniques de précision telles que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), la chromatographie en phase liquide et gazeuse et la spectrométrie de masse exigent un contrôle extrêmement précis des gaz pour éviter les dysfonctionnements de l'équipement ou l'échec des processus. Ces types de dysfonctionnements sont difficiles à diagnostiquer et peuvent entraîner des temps d'arrêt longs et coûteux.

Les gaz inflammables tels que l'hydrogène, l'acétylène et le butane se mélangent à l'oxygène pour créer de la chaleur, des flammes ou une explosion contrôlée. Les gaz doivent être mélangés dans la concentration appropriée pour le processus. Tout comme dans le moteur à combustion interne d'une automobile, un mélange de gaz inflammables trop pauvre ou trop riche peut produire une flamme à une température inadéquate, entraînant un processus inefficace ou défaillant.

Les gaz comprimés tels que l'oxygène, l'oxyde nitrique et l'air sont utilisés comme agents oxydants et pour faciliter la combustion. Une quantité insuffisante de gaz comprimé peut entraîner l'échec du processus chimique, tandis qu'une quantité excessive de gaz entraîne une perte d'efficacité, un gaspillage de gaz et une augmentation des coûts.

Les gaz inertes tels que l'argon, le dioxyde de carbone et l'azote sont souvent utilisés pour des opérations de sécurité critiques telles que le contrôle des incendies ou de l'oxydation, et également pour supprimer certaines réactions chimiques. Une quantité insuffisante de gaz peut entraîner l'échec de l'activité d'extinction d'un incendie, tandis qu'une quantité excessive gaspille du gaz et augmente les coûts associés.

Contrôle du débit de gaz avec des contrôleurs de débit massique industriels

Les contrôleurs de débit massique sont utilisés pour réguler le volume de gaz approprié. Dans leur forme la plus simple, les contrôleurs de débit massique sont entièrement manuels et ne nécessitent pas d'alimentation électrique. Le volume de gaz est ajusté en tournant un cadran jusqu'au réglage approprié. Cependant, les contrôleurs de débit massique manuels ne mesurent le volume qu'à la température ambiante et ne peuvent pas tenir compte des changements de volume dus aux variations de pression ou de température du gaz. C'est pourquoi les contrôleurs de débit massique électroniques sont utilisés pour le contrôle de précision des gaz.

L'unité de mesure SLM pour le débit volumique des gaz industriels est définie comme étant un litre de débit de gaz pendant une minute à une température de gaz standard de 0°C/32°F et à une pression absolue de gaz standard de 1 bar. Le volume de tout gaz varie en fonction de la température et de la pression. Le contrôleur de débit massique doit donc être capable de tenir compte des changements des conditions ambiantes et de faire varier le volume du débit en conséquence. La plupart des contrôleurs de débit massique électroniques sont étalonnés pour un gaz cible afin de fournir un contrôle précis du débit en cas de variations de température et de pression, mais souvent cet étalonnage dérive avec le temps, ce qui nécessite un ré-étalonnage périodique en service. Cela augmente la maintenance, tandis que l'absence d'étalonnage réduit l'efficacité du système.

Contrôleurs de débit massique de précision sans étalonnage en service

Ce problème est résolu grâce à une gamme de contrôleurs de débit massique de précision ne requérant pas d'étalonnage en service. Sensirion offre une solution avec ses contrôleurs de débit massique série SFC5500 (Figure 1). La série SFC5500 utilise la mesure microthermique de températures de gaz pour déterminer exactement la mesure précise du volume en SLM, indépendamment des variations de température et de pression du gaz.

Figure 1 : La série SFC5500 de contrôleurs de débit massique de Sensirion utilise la technologie CMOSens microthermique pour mesurer avec précision le volume de gaz traversant le canal d'écoulement, indépendamment des variations de température ou de pression. (Source de l'image : Sensirion)

Appelée CMOSens, la technologie de débit volumique de gaz de Sensirion mesure avec précision le volume de gaz à travers le canal d'écoulement. CMOSens est un terme général pour l'approche de Sensirion qui combine la détection, la mise en forme des signaux et le traitement dans un seul dispositif CMOS pour un contrôle précis dans le temps dans un petit dispositif (Figure 2, en haut).

Figure 2 : CMOSens combine la détection, la mise en forme des signaux et le traitement dans un seul dispositif CMOS (en haut). Dans une application de mesure du débit de gaz (en bas), les capteurs de température et le traitement associé effectuent une mesure microthermique pour garantir la précision. (Source de l'image : Sensirion)

Dans une implémentation de mesure du débit de gaz à l'aide de CMOSens, les capteurs de température sont positionnés en amont et en aval, avec un élément chauffant réglable monté sur une membrane stabilisée en pression entre les deux (Figure 2, en bas). Un troisième capteur de température détecte la température du gaz.

Le débit de gaz sur les deux capteurs et l'élément chauffant crée des relevés de température sur les deux capteurs. Ces deux relevés, ainsi que le relevé du capteur de température de gaz, sont lus par un processeur de signaux intégré et combinés avec les paramètres d'étalonnage stockés pour le gaz particulier, produisant un relevé précis du débit volumique indépendamment de la pression et de la température.

Le temps de stabilisation typique des contrôleurs de débit massique SFC5500 est inférieur à 100 millisecondes (ms), ce qui permet d'obtenir des relevés précis lors des variations rapides des conditions de température, de pression et de débit. Comme la technologie CMOSens compense la température et la pression, cette configuration ne présente aucune dérive dans le temps, de sorte qu'un SFC5500 n'a jamais besoin d'être ré-étalonné sur le terrain, sauf si le gaz cible est modifié.

Contrôleur de débit massique basé sur CMOSens

Un exemple de contrôleur de débit massique SFC5500 est le SFC5500-200SLM. Il s'agit d'un contrôleur de débit haut volume conçu et étalonné uniquement pour l'air, l'azote et l'oxygène. L'azote et l'air sont pris en charge avec un débit volumique pleine échelle maximum de 200 SLM et une précision de contrôle spécifiée de 0,10 % du débit pleine échelle ou 0,20 SLM. Le débit d'oxygène est pris en charge avec un débit pleine échelle maximum de 160 SLM, avec une précision de contrôle spécifiée de 0,20 % du débit pleine échelle ou 0,32 SLM. Sensirion spécifie que la précision de cette unité peut se détériorer légèrement lorsque le débit de gaz est supérieur à 100 SLM. La conception du SFC5500-200SLM est telle qu'elle permet un contrôle précis de l'air ou de l'oxygène sans étalonnage en service.

Le SFC5500-200SLM de Sensirion interagit avec un ordinateur hôte via un connecteur commun RS-485 DB-9. Les communications DeviceNet et IO-Link sont également prises en charge. Les connexions d'entrée et de sortie du gaz sont des raccords à compression Legris d'un diamètre extérieur de 10 millimètres (mm), compatibles avec les raccords de gaz standard de 10 mm.

Pour la prise en charge d'autres gaz, Sensirion propose le débitmètre massique multi-gaz SFC5500-10SLM. Outre l'air, l'azote et l'oxygène, ce contrôleur prend également en charge l'hydrogène, l'hélium, l'argon, le dioxyde de carbone, le protoxyde d'azote et le méthane. Il prend en charge un débit pleine échelle maximum de 10 SLM pour tous les gaz, à l'exception du protoxyde d'azote, de l'argon et du dioxyde de carbone, avec un débit pleine échelle de 5,0 SLM. La précision la plus faible est de 0,30 % du débit pleine échelle. Il prend en charge les mêmes interfaces de communications que le SFC5500-200SLM. Les raccords d'entrée et de sortie de gaz sont des raccords à compression Legris d'un diamètre extérieur de 6 mm, compatibles avec les raccords de gaz standard de 6 mm.

Le SFC5500-10SLM offre la flexibilité de prendre en charge plusieurs gaz avec un seul contrôleur, ce qui simplifie l'inventaire. Le contrôleur doit être configuré et pré-étalonné avant d'être mis en service pour le gaz cible contrôlé. Il ne peut pas être utilisé pour un gaz différent sans être reconfiguré.

Configuration et développement

Les contrôleurs de débit massique SFC5500 doivent être pré-configurés pour le gaz cible avant d'être mis en service. Les gaz ayant des densités et des propriétés différentes, chaque gaz requiert une configuration et un étalonnage différents. Pour faciliter la configuration, l'étalonnage et l'évaluation, Sensirion propose le kit d'évaluation EK-F5X pour la série SFC5500 (Figure 3). Notez que le kit n'inclut pas de contrôleur de débit massique.

Figure 3 : Le kit d'évaluation EK-F5X de Sensirion permet aux développeurs de configurer, étalonner et évaluer les contrôleurs de débit massique SFC5500 (non fournis avec le kit) avant de les mettre en service. (Source de l'image : Sensirion)

Pour configurer un SFC5500 en vue de sa mise en service, il faut d'abord le connecter au gaz à contrôler. Le kit d'évaluation EK-F5X est fourni avec un câble DB-9 personnalisé qui se branche au connecteur DB-9 situé sur le dessus du SFC5500. Le câble DB-9 se divise en un adaptateur CA pour alimenter le SFC5500 pendant le fonctionnement, et un connecteur USB pour l'interface avec un ordinateur hôte. Une clé USB est incluse avec le pilote de périphérique SFC5500 pour l'ordinateur hôte, ainsi que le logiciel de visualisation SFC5000, qui doivent tous les deux être chargés sur l'ordinateur hôte avant la connexion via USB. Le SFC5500 est d'abord branché sur le secteur, puis le connecteur USB est connecté à l'ordinateur hôte. Après les bips habituels lorsque l'ordinateur reconnaît le SFC5500 connecté via USB, le logiciel de visualisation SFC5xxx démarre et invite à configurer le port COM. Le logiciel affiche alors tous les étalonnages disponibles pour chaque gaz pris en charge par le SFC5500 en question, ainsi que les étalonnages disponibles (Figure 4).

Figure 4 : Le logiciel de visualisation SFC5500 de Sensirion fournit une sélection d'étalonnages pour chaque gaz pris en charge par l'unité connectée. (Source de l'image : Sensirion)

Le logiciel de visualisation SFC5xxx affiche la variation SFC5500 connectée avec son numéro de série et la version micrologicielle, ainsi que la configuration du port COM. L'onglet System est sélectionné au démarrage et affiche les étalonnages de débit disponibles surlignés en vert, l'étalonnage actif étant surligné en rouge. Pour modifier un étalonnage, il faut effectuer un clic droit sur l'étalonnage du gaz cible, puis sélectionner "Load Calibration". Le SFC5500 connecté est maintenant étalonné pour le gaz sélectionné. L'étalonnage étant stocké en mémoire EEPROM, il n'est pas nécessaire d'effectuer un nouvel étalonnage après un cycle d'alimentation. Le ré-étalonnage est uniquement requis si l'unité est utilisée pour un gaz différent.

Après l'étalonnage, l'onglet Data Display est sélectionné. Cet onglet définit et contrôle le débit de gaz, qui peut être réglé sur un débit constant, ou une forme d'onde personnalisée peut être générée pour faire varier le débit. Le SFC5500 est maintenant étalonné et configuré pour un fonctionnement automatisé.

Pour les applications plus complexes où le débit doit être modifié par programmation, le SFC5500 peut être contrôlé par DeviceNet. L'onglet DeviceNet permet de configurer l'ID MAC DeviceNet et le débit en bauds. Le débit peut être facilement contrôlé à distance via DeviceNet en envoyant 0x0000 à l'unité pour un débit nul, 0xFFFF pour un débit pleine échelle, ou toute valeur intermédiaire. Cela permet de réaliser des opérations complexes de contrôle de débit, et d'effectuer une coupure à distance simple et rapide du débit de gaz, ce qui s'avère utile dans les situations d'urgence.

Conclusion

Le contrôle précis des gaz industriels est vital dans les processus industriels. Alors que la dérive de l'étalonnage peut nécessiter un ré-étalonnage périodique pour maintenir la précision, les nouvelles technologies de mesure des gaz peuvent éliminer ce besoin, ce qui se traduit par une meilleure efficacité, une maintenance réduite et des économies totales à long terme.