Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Fluidikové mikromoduly pro regulaci tlaku a průtoku

číslo 10/2006

Fluidikové mikromoduly pro regulaci tlaku a průtoku

Výrobci měřicích zařízení a systémů hledají kompaktní moduly umožňující v jimi dodávaných zařízeních měřit anebo řídit průtok nebo tlak plynů. Jelikož rozměry měřicích zařízení se stále zmenšují, musí se miniaturizovat i v nich vestavěné jednotky pro měření a řízení průtoku a tlaku plynů.

Jako příklad lze uvést plynové chromatografy, které v tradičním provedení zaujímají objem přibližně 1 m3, zatímco u nejnovější generace (přenosných) chromatografů je tento objem redukován až asi na jednu čtyřiašedesátinu (rozměry přibližně 25 × 25 × 25 cm). V chromatografu se obvykle používá tří do šesti regulátorů průtoku a tlaku plynu. Tradiční regulátory hmotnostního průtoku a regulátory tlaku s rozměry asi 2,5 × 7,5 × 12,5 cm (š × d × v) neumožňují výrobcům dále zmenšovat nabízená zařízení. Použití individuálních přístrojových jednotek navíc znamená větší pravděpodobnost výskytu netěsností.

Obr. 1.

Obr. 1. Princip činnosti tepelného průtokoměru

V článku je představena nová generace přístrojů, které svými rozměry i dalšími vlastnostmi odpovídají požadavkům kladeným výrobci měřicích zařízení. Díky modulární struktuře lze navíc používat kompaktní rozdělovací a sběrná potrubí, a tudíž minimalizovat počet a délku spár (které jsou potenciálním zdrojem netěsností) při současném velmi efektivním využití prostoru.

Struktura a princip činnosti tepelného průtokoměru

Vlastní senzor tepelného průtokoměru, vyrobený metodami mikrosystémové techniky (MST/MEMS), je tvořen tenkou čtvercovou membránou, na jejímž povrchu jsou umístěny dvojice topných těles a dvojice senzorů teploty. Membrána má po obvodu nosný rám a odolává rozdílu tlaků až 1,5 MPa.

Princip měření je následující: obě topná tělesa jsou konstantním elektrickým proudem ohřívána na teplotu o něco málo větší, než je teplota měřeného média. Senzory teploty jsou na membráně umístěny ve směru toku média, a to symetricky k topným tělesům. Rozdíl mezi teplotou naměřenou senzorem umístěným proti směru proudění v průtokoměru a senzorem umístěným po směru proudění je mírou průtoku média.

Obr. 2.

Obr. 2. Pohled na rozložený modul senzoru průtoku (vlevo) a modul ventilu (vpravo)

Uvedený princip činnosti je názorně ukázán na obr 1. Topná tělesa jsou napájena tak, aby při nulovém průtoku bylo rozdílové elektrické napětí mezi měřicími obvody, v nichž jsou zapojeny senzory teploty, nulové. Výsledný průběh teploty na povrchu membrány je na obr. 1 zobrazen zelenou křivkou platnou při nulovém hmotnostním průtoku (Fm = 0). Jakmile začne médium proudit, teplota senzoru bližšího ke vstupu média do průtokoměru Thorní poklesne a teplota senzoru bližšího k výstupu z průtokoměru Tdolní naopak vzroste (modrá křivka na obr. 1 odpovídající situaci Fm > 0). Výsledný rozdíl teplot DT je, jak již bylo řečeno, mírou hmotnostního průtoku média.

Převodní charakteristiku senzoru tepelného průtokoměru, tj. závislost mezi hmotnostním průtokem Fm a výsledným rozdílem teplot DT, nelze popsat jednoduchým matematickým vztahem. Rozdíl teplot DT totiž závisí na rozměrech a fyzikálních vlastnostech materiálu membrány a na fyzikálních vlastnostech média. Přesnou závislost DT na Fm lze určit simulací při použití metody konečných prvků. Při známé závislosti lze pak predikovat chování senzoru při průtoku různých plynných médií.

Fluidikové mikromoduly

Popsaný senzor a další potřebné komponenty tvoří v praxi dohromady průtokoměrný modul s půdorysem asi 20 × 20 mm. Aby bylo možné sestavit miniaturní systém pro regulaci průtoku, je třeba mít celkem k dispozici v podobě modulů (s obdobným půdorysem) tyto prvky:

  • průtokoměrný modul (s již popsaným senzorem průtoku) s typickými horními mezemi měřicího rozsahu od 20 do 2 000 Nml/min,

  • snímač tlaku, typicky s rozsahem do asi 0,7 MPa přetlaku,

  • regulační ventil,

  • modul elektronických obvodů,

  • třícestný ventil,

  • uzavírací ventil,

  • filtr,

  • směšovací komoru.

Obr. 3.

Obr. 3. Sériově vyráběný snímač a regulátor hmotnostního průtoku (a) a snímač a regulátor tlaku (b) řady IQ+Flow a zakázková sestava regulátoru průtoku a tlaku (c) na bázi modulů IQ+Flow (moduly průtokoměrný a tlakoměrný, regulačního ventilu, elektronických obvodů a třícestného ventilu)

S použitím uvedených „stavebních kamenů“ je možné vytvářet samostatné přístroje i specifické zakázkové sestavy. Díky miniaturním modulům byly vyrobeny regulátory hmotnostního průtoku a tlaku s rozměry až 20 × 40 × 60 mm (š × d × v), které jsou pravděpodobně nejmenšími vyráběnými přístroji této kategorie na světě (obr. 3).

Experimentální ověření

Z modulů obsahujících senzor průtoku, regulační ventil a elektronické obvody byla vytvořena zkušební sada regulátorů hmotnostního průtoku, která byla podrobena stejným provozním zkouškám. Přístroje byly zatěžovány průtokem v rozsazích s horní mezní hodnotou mezi 20 a 2 000 mlN/min a byl měřen jejich výstupní signál. Jako médium byly postupně použity dusík, vodík, helium a argon. Navíc bylo sledováno dynamické chování přístrojů při různých sekvencích změn žádané hodnoty, a to při použití digitálního osciloskopu.

Obr. 4.

Obr. 4. Výsledky zkoušek regulátoru průtoku IQ+Flow MFC kalibrovaného pro dusík (N2) na 500 mlN/min = 100 %: (a) statické převodní charakteristiky pro různé plyny, (b) odezva na změnu žádané hodnoty (plyn: N2)

Příklady naměřených statických převodních charakteristik hmotnostního průtokoměru pro různé plyny jsou zobrazeny na obr. 4a. Experimentálně zjištěné závislosti se dobře shodují s očekávanými hodnotami zjištěnými simulacemi s použitím metody konečných prvků. Typické dynamické chování regulátoru hmotnostního průtoku IQ+Flow MFC je ukázáno na obr. 4b. Naměřené doby odezvy se pohybují v blízkosti hodnoty t98% = 0,5 s.

Příklad použití

Miniaturní regulátory hmotnostního průtoku a tlaku najdou uplatnění např. v sestavě injektoru plynového chromatografu (obr. 5). Regulátor reguluje průtok nosného plynu protékajícího injektorem do analytické kolony a odtud do detektoru. Protože výsledek analýzy do značné míry závisí na stabilitě rychlosti proudění analytickou komorou, je nezbytné, aby průtok nosného plynu byl vždy konstantní. Tlak v injektoru je udržován na konstantní hodnotě miniaturním regulátorem tlaku. Jakmile je do injektoru vstříknut vzorek analyzované kapaliny, v důsledku vysoké teploty v injektoru se okamžitě odpaří. Vzniku tlakového pulsu zabrání regulátor tlaku. Protože změny tlaku v injektoru ovlivňují rychlost plynu při průtoku kolonou, která značně ovlivňuje výsledek analýzy, opět je velmi důležité udržet tlak v injektoru vždy stálý. Z uvedeného je zřejmé, jak důležitými vlastnostmi regulátoru hmotnostního průtoku i regulátoru tlaku jsou stabilita a rychlá odezva. Navíc by se oba regulátory neměly svým chováním vzájemně ovlivňovat.

Obr. 5.

Obr. 5. Způsob regulace průtoku a tlaku v plynovém chromatografu

Popsaný systém pro plynový chromatograf byl realizován jak z miniaturních modulů v podobě individuálních přístrojů (obr. 3a, obr. 3b), tak i v podobě kompaktní jednotky vyrobené na zakázku (obr. 3c). Obě varianty se vyznačovaly vynikajícími vlastnostmi.

Závěr

Současnými metodami mikrosystémové techniky lze realizovat fludikové mikromoduly pro řízení průtoku a tlaku plynů vyhovující speciálním požadavkům výrobců analytických i jiných měřicích přístrojů – mezi nimi zejména požadavku na miniaturizaci bez omezení ostatních metrologických i provozních vlastností. Z mikromodulů lze poměrně snadno a levně sestavovat skutečně velmi kompaktní regulátory jak hmotnostního průtoku, tak i tlaku. Ty jsou v podobě sestav samostatných sériově vyráběných přístrojů nebo jedinečných zařízení vyrobených na zakázku.

Dr. J. C. Lötters,
Bronkhorst High-Tech BV

Překlad z anglického originálu Micro fluidic flow and pressure control modules for integration into compact systems, Gases and technology, September/October 2005, Ing. Jaromír Uher, D-Ex Limited, spol. s r. o.

D-Ex Limited, spol. s r. o.
Optátova 37
637 00 Brno
tel.: 541 423 211
fax: 541 423 219
e-mail: info@dex.cz
http://www.dex.cz