فلوکنترلرهای جرمی، زیرمجموعه ای از تجهیزات ابزار دقیق می باشند که برای اندازه گیری و کنترل جریان در فرایندها استفاده می شوند. در انتخاب فلوکنترلر باید به چهار نکته بسیار مهم توجه نمود: محدوده جریان، شرایط گاز، میزان دقت (خطا) و ارتباطات.
- محدوده جریان سیال
محدوده جریان، یکی از مهمترین نکات مورد توجه در انتخاب فلوکنترلر می باشد. بسیاری از سازندگان فلوکنترلر، دستگاه هایی با قابلیت اندازه گیری جریان از 200 سی سی بر دقیقه تا 30 لیتر بر دقیقه را تولید می کنند. برای داشتن محدوده دقیقی از جریان، تجهیزات داخلی ابزار دقیق تغییر می کنند. معمولا، ابتدا یک حداکثر جریانی مشخص می شود و دستگاه قابلیت کنترل و اندازه گیری جریان در کمتر از آن مقدار معین را دارد. بطور معمول turndown 10:1 می باشد، در تولید بعضی از کارخانه ها، فلوکنترلرهایی با turndown 50:1 حتی 100:1 در دسترس است. تعریف واحدهای جریان بصورت زیر است:
- جریان های بسیار کم با واحد سانتی مترمکعب در دقیقه (سی سی بر دقیقه)
- جریان های فشارقوی با واحد لیتر بر دقیقه یا فوت مکعب در دقیقه
امکان تنظیم حداکثر جریان در جریان های بسیار کم مانند 10 سی سی بر دقیقه یا حتی 3 سی سی بر دقیقه و قابلیت اندازه گیری و کنترل جریان در نقطه کمتر از 2% وجود دارد. زمانی که جریان موردنظر بیشتر از 30 لیتر بر دقیقه باشد، اندازه فیزیکی فلوکنترلر کمی تغییر می کند و برای عبور جریان های بیشتر، معابر بزرگتری در داخل دستگاه وجود خواهد داشت. معمولا جریان هایی در حدود 100 لیتر بر دقیقه یا 200 لیتر بر دقیقه در این دسته قرار می گیرند.
فلوکنترلر- mass flow controller
- شرایط گاز مورد استفاده
نوع گاز مورد استفاده، بسیار با اهمیت است. در استفاده از گازهای معمول و ساده همچون هوا، اکسیژن، نیتروژن، هلیوم، ارگان، هیدروژن، CO یا CO2، طراحی ساده ای از فلوکنترلرها وجود دارد، اما اگر گاز مورد استفاده بسیار خطرناک باشد، قضیه متفاوت است. اگر گاز مورد استفاده منجر به آلودگی همچون واکنش با رطوبت شود، داخل فلوکنترلر جرمی ممکن است جلا داده شود و اتصالات از اتصال پیچی یا مهره ای به اتصالات با خلوص بالا همچون VCR یا VCO که از آب بندی فلزی بهره می برد، تغییر کند و بیشتر زمانی که گاز با خلوص بسیار بالا مدنظر است استفاده می شود.
- حداکثر فشار کاری بعضی از فلوکنترلرها 100 یا 500 Psi می باشد.
- فلوکنترلرهای صنعتی معمولا در فشار 1500Psi عمل می کنند ولی قابل افزایش تا فشار 4500 psi نیز می باشند که در تحقیقات کاتالیست، هیدروژنه کردن غذا یا دارو و بسیاری از فرایندهای پتروشیمی یافت می شود.
- اگر فرایند، تحت خلا عمل کند طراحی فلوکنترلر باید طبق آن تنظیم شود.
- رفتار گازها در فشار مثبت نسبت به زمانی که تحت خلا بالایی عمل می کند متفاوت است و کالیبراسیون یک فلوکنترلر برای خلا فرایندی دقیق است.
توجه به دمای گاز نیز بسیار مهم است. معمولا گازها در دمای نسبتا کمی اندازه گیری و کنترل می شوند و اگر فلوکنترلر به دمای بیشتری در فرایند نیاز داشته باشد دمای آن بالا برده می شود. در داخل فلوکنترلر محدوده جریانی وجود دارد که محاسبه این محدوده با توجه به ویژگی های حرارتی گاز تعیین می شود. معمولا محدوده دمایی گازها در فلوکنترلرها، 160-140 فارنهایت می باشد.
- دقت فلوکنترلرها
در زمینه دقت فلوکنترلرها بسیاری از کابران به دقیقترین سیستم موجود نیاز دارند هرچند برخی از فرایندها بسیار دقیق نبوده و می توان از دستگاهایی با دقت کمتر استفاده کرد. گاهی دقت به اندازه تکرارپذیری بااهمیت نیست و ابتدا باید تفاوت بین دقت حداکثر جریان (full scale) و دقت جریان لحظه ای را مشخص کرد و زمانی این دو یکسان خواهند بود که دستگاه در 100 درصد ظرفیتش عمل نماید.
در رابطه با کنترل جریان گاز در نقطه تنظیم کمتر از حداکثر جریان، مقدار خطا در طراحی های متفاوت فلوکنترلر، تغییر می کند، در فلوکنترلرهای آنالوگ معمولا، دقتی در حدود +-1% حداکثر جریان دارند بدین معنی که در 100 سی سی در دقیقه می تواند 1 سی سی بر دقیقه خطا در دقت عدد خوانده شده، وجود داشته باشد. اگر جریان به 50% تغییر یابد خطای 1% حداکثر جریان به 2% تغییر می کند و اگر جریان 20% شود همان خطای 1 سی سی بر دقیقه با نرخ خطای 5% حداکثرجریان خواهد بود.
با توجه به نرخ جریان، که بصورت درصدی از حداکثر جریان تعریف می شود، میزان دقت (خطا) در عدد خوانده شده متفاوت است. بعنوان مثال دستگاهی با 100 تا 20 درصد نرخ جریان، دقت 1% حداکثر جریان و کمتراز 20 درصد نرخ جریان، دقت 0.2% دارند. اگر فلوکنترلر 100 سی سی بر دقیقه در 50% نرخ جریان یابد، حداکثر خطا ½ سی سی بر دقیقه یا 1% نرخ است. اگر جریان بر 20% تنظیم شود خطا 0.2 سی سی بر دقیقه یا 1% نرخ است. با توجه به شکل زیر مقدارخطا را برحسب حداکثر جریان و نرخ جریان نشان می دهد.
مقایسه تفاوت بین میزان نرخ جریان و میزان دقت (خطا) در عدد خوانده شده
مقایسه دقت full scale و دقت نرخ جریان خوانده شده در فلوکنترلر
- نحوه ارتباط با فلوکنترلر
اتصال الکتریکی با یک فلوکنترلر می تواند از چند طریق انجام شود. قدیمی ترین و ابتدایی ترین روش استفاده از سیگنال آنالوگ 0-5Vdc می باشد.
- صفر ولت نشانه عدم عبور جریان
- 5 ولت نشان دهنده عبور حداکثر جریان
- هر ولتاژی بین 0 تا 5 ولت نشان دهنده ی جریانی نسبی با جریان بین صفر تا حداکثر جریان
سیگنال ولتاژ 5-0 ولت از زمان های قدیم، بسیار معروف بوده و بعنوان راهی مقرون به صرفه برای ارتباط با فلوکنترلرهای جرمی محسوب می گردد. راه ارتباطی دیگر، سیگنالهای آنالوگ 20-4 میلی آمپر، استفاده می شوند.
- یک جریان 4 میلی آمپری در یک سیستم 24 ولتی نشان دهنده جریان صفر می باشد.
- جریان کمتر از 4 میلی آمپر غیرطبیعی بوده و بعنوان آلارم می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
- یک جریان 20 میلی آمپری نشان دهنده عبور کامل جریان می باشد
- 12 میلی آمپر، 50% آن می باشد.
- هرجریانی بین 4 تا 20 میلی آمپر متناسب با جریان است.
از هر دو راه ارتباطی ولتاژ و جریان برای اتصال با فلوکنترلر بعنوان راهی ساده و اقتصادی، استفاده می شود.
زمانی که برد دیجیتال در فلوکنترلر جرمی قرار می گیرد، گزینه های زیادی برای راه ارتباطی وجود دارد. پروتکل پایه 485RS می تواند با بسیاری از نرم افزارهای واسط مورد استفاده قرار گیرد. DeviceNet, ProfiBus و Foundation راه ارتباطی بسیار قوی ای هستند که علاوه بر کنترل و خواندن جریان، به کاربر اجازه می دهد در کل زمان کنترل و خواندن گاز به تشخیص و هشدار خطا بپردازند .