Mikrotechnika a nové aplikace řízení průtoku

Mikrotechnika a nové aplikace řízení průtoku

Současným trendem v průmyslu je miniaturizace pilotních závodů a výrobních linek v míře, jakou by si vědci a technici ještě před pouhými deseti lety ani neodvážili představit. Nyní ve světě existují skutečné miniaturní továrny – úplné systémy chemických reaktorů, které se mnohdy vejdou doslova na stůl.

Jistěže produkty z takového mikrozávodu nikoho neuživí. To ale také není cílem. Chemici a specialisté na řízení výrobních procesů staví taková zařízení proto, aby v malém hledali metody výroby drahých chemických sloučenin. Význam má tento svět miniatur zejména pro farmaceutický průmysl a pro odvětví biotechnologií s jejich enormními náklady na dlouhý vývoj a zkoušky nových výrobků. Jestliže vybudování typické pilotní výrobní jednotky vyžaduje asi osm let tvrdé práce a náklady ve výši asi pěti milionů eur, sestavit miniaturní pilotní závod v laboratorním měřítku stojí jen asi 250 000 eur [1]. Mikrozávod je přitom nejen levnější sestavit, ale jednodušší a levnější je i jeho provoz. Především se v něm daleko snáze udržuje předepsaný teplotní režim reaktorů a méně starostí je také s bezpečností.

Velký problém představuje při řízení mikroprocesů měřítko. Výrobci požadují laboratorní údaje schopné přímé extrapolace na podmínky výroby „ve velkém“. Tudíž údaje dostatečně hodnověrné. Například průmyslové hmotnostní průtokoměry se pro své rozměry do laboratoře zrovna nehodí. Lépe jsou na tom termální hmotnostní průtokoměry, které jsou však provozně mnohem náročnější.

Miniaturní Coriolisovy průtokoměry

Na novou úroveň se měření velmi malých hmotnostních průtoků dostalo s příchodem miniaturních Coriolisových hmotnostních průtokoměrů a regulátorů průtoku od firmy Brooks Instrument dodávaných pod názvem Quantim™.

Quantim je přístroj obsahující miniaturní Coriolisův hmotnostní průtokoměr a, je-li třeba – což v asi 80 % případů je –, také PID regulátor průtoku v jediném pouzdru kapesní velikosti. S inovovanými modely těchto přístrojů, uvedenými na trh v roce 2002, lze, při stabilitě nuly 0,000 5 kg/h a jmenovité sdružené chybě (zahrnuje chybu linearity, opakovatelnost a hysterezi) v rozmezí 0,5 až 1,5 % okamžité hodnoty, plnohodnotně měřit průtoky již od 0,005 kg/h. Nejvyšší horní mez měřicího rozsahu je 5 kg/h, přičemž největší řízený průtok může být 3 kg/h. Průtokoměry se dodávají v provedení s krytím IP40 a IP65 i jako varianta do prostředí s nebezpečím výbuchu [2].

Široké pole aplikací

I při minimálních rozměrech si přístroje Quantim zachovávají všechny vynikající vlastnosti Coriolisových hmotnostních průtokoměrů, tj. zejména schopnost přímo měřit (popř. řídit) skutečný hmotnostní průtok nezávisle na fyzikálních vlastnostech, hodnotách stavových veličin a způsobu proudění média a jednoduchou mechanickou konstrukci bez pohyblivých částí.

Díky tomu se uplatní všude, kde je třeba velmi přesně a spolehlivě měřit a dávkovat malá množství nejrůznějších látek, jako náhrada např. dávkovacích čerpadel či přesných dávkovacích vah (obr. 1).

V seznamu referencí jsou aplikace v provozu velkých světových i méně známých firem v chemickém, petrochemickém, farmaceutickém a automobilovém průmyslu, při výrobě polovodičů, optických vláken, palivových článků, laků a barev, při tepelném zpracování kovů, v analytic- kých laboratořích, čističkách odpadních vod, v lékařství apod. Podrobnosti lze nalézt na internetové adrese http://www.quantim.com.

Náhrada termálních průtokoměrů?

Zda průtokoměry Quantim nahradí tradiční termální hmotnostní průtokoměry? Odpověď autorů nového řešení je „ano i ne“. Podle nich ti, kdo je již používají, budou i nadále inklinovat k termálním hmotnostním průtokoměrům, přestože vyžadují velmi dobrou znalost měřeného média, která teprve umožní dostatečně kompenzovat vliv tlaku, hustoty apod. Tito uživatelé již většinou mají se svými přístroji desítky let zkušeností a vědí, jak je správně používat a kalibrovat.

Oproti tomu Coriolisovy průtokoměry jsou pro nové zákazníky a pro ty, kteří nemohou připustit ohřev svých chemikálií, aby změřili průtok. Zvlášť užitečná by nová technika měla být zejména v chemickém a farmaceutickém průmyslu, při výrobě a zpracování polovodičů a pro biotechnologie, kde všude je třeba přesně řídit malé průtoky kapalin a plynů.

Výsledek mezinárodní spolupráce

Miniaturní hmotnostní průtokoměr Quantim je výsledkem transatlantické spolupráce. S firmou Brooks Instrument z USA spolupracovala především nizozemská inženýrská firma TMP. Ta navrhla a vyrábí křemíkový senzor fázového posuvu řídicího signálu o frekvenci 220 Hz, který v průtokoměru Quantim nese informaci o průtoku. Firma TMP je sama členem jednoho z pěti výrobních uskupení působících v rámci Europractice, formy spolupráce poskytující nenákladný přístup k technice mikrosystémů, mikroelektronice a metodám jejich výroby, jež je podporována EU. Jiná nizozemská společnost, micro*montage, asistovala při montáži komponent.

Podařilo se to, co zřídka: zařízení ze světa průmyslové řídicí techniky obohatilo svět velmi přesných laboratorních přístrojů. S rozvojem techniky mikrosystémů lze očekávat, že takových případů brzy bude více, a to obousměrně.

(Milan Maršík, MaRTOP, s. r. o.)