Yazar: USKON Akışkan Kontrol Sistemleri

Uygulamanız için seçilecek doğru bir termal kütle akış kontrolörü için, dört ana nokta göz önünde bulundurulmalıdır. Debi aralığı, gazın bulunduğu koşullar, istenilen doğruluk ve haberleşme tipleri bu dört önemli kısıtlardır. Bunların dışında beş tane daha ek husus söz konusu olabilir. Bunlardan birincisi; yüksek veya çok yüksek saflık istenilen uygulamalarda; iç yüzey kalitesi dir. Diğerleri ise; akış yolu nda kullanılan malzeme cinsi, NEMA sınıfı, bağlantı pozisyonu ve ürünün servis kabiliyetidir.

Termal Kütle Kontrolörler/Debimetreler bir prosesteki gazları ölçmek ve kontrol etmek amacıyla kullanılır. Toplam debi önemsenmesi gereken bir husustur. Bazı prosesler SCCM(standart cubic centimeters per minute) cinsinden ifade edilen çok küçük akışlara ihtiyaç duyarlar. Daha yüksek akışlar ise; tipik olarak SLPM(standard liter per minute) veya SCFM(standard cubic per minute) olarak ifade edilir. Çoğu üretici 200 sccm’ den 30 slpm ’ye ladar debi ölçecek cihazlar üretirler. Aynı gövde geniş bir debi aralığı için kullanılabilse de, içindeki komponentlerin daha kesin bir debi ölçümü için değişmesi gerekir. Tipik olarak, bir kere maksimum akış seçildikten sonra, belirli bir miktar aralığı için ölçüm ve kontrol yapmak mümkündür. 10:1 lik bir “turndown ratio” çok genel bir orandır. Turndown ratio daha çok aralık ayar kabiliyeti olarak ta düşünülebilir. Aslında bir akış cihazı için bu tanım “maksimum debi/minimum debi” şeklinde formülize edilebilir. Yani 10:1 oranında bir turndown rasyosu olan bir cihazın maksimum ölçebileceği debi 25 litre/dakika ise, minimum ölçebileceği aralık ise 2,5 litre dir denilebilir. Bazı üreticilerde bu oran; 50:1 veya 100:1 gibi çok geniş aralıklar olabilmektedir. İstenilen akış miktarı 30 slpm (yada 1 scfm) den büyük olduğunda genelde termal kütle kontrolörü/debimetresinin fiziksel boyutları biraz değişiklik gösterir. (Not: SCFM = SLPM / 28.31) Cihaz içerisinde daha büyük geçiş yolları olduğundan birim zamanda daha fazla akış miktarına imkan tanır. Daha geniş diye tanımladığımız bu termal kütle cihazlar için 100 slpm veya 200 slpm normaldir. Bu boyutlardan daha büyüğü istenildiğinde, çok kaba bir gövde ile birlikte, 9000 slpm değerlerine kadar ölçüm yapabilen ve hatta bir kontrol vanasına ihtiyaç duyulmaksızın, kontrol işlevi de sunabilen modeller karşımıza çıkar.

Gaz, kendi başına çok önemli bir husustur. Öncelikle akışkanımız, genel ve basit olarak tabir edilen; hava, oksijen, nitrojen, helyum, hidrojen, argon, karbonmonoksit(CO) veya karbondioksit(CO2) gibi gazlar mıdır? Eğer öyleyse, basit dizaynlı bir termal kütle debimetre kullanılabilir. Eğer gaz cinsi çok tehlikeli ise, daha farklı davranmak gerekebilir. Örneğin neme karşı reaksiyon gösteren, kontaminasyona duyarlı bir gaz dan bahsediyorsak, termal kütle cihazının iç yüzeyi temizlenmeli ve parlatılmalı ve bağlantıları; dişli veya sıkıştırma bağlantıdan, VCR veya VCO gibi daha yüksek saflık barındıran bağlantı tipleriyle değiştirilmelidir. Eğer proses pozitif bir basınçta çalışıyorsa, ozaman termal kütle cihaz da bu basınç değerini barındırır. Bazı termal kütle cihazlar(MFC), 100psi ile 500psi maksimum çalışma basıncı aralığında limitlenmiştir. Endüstriyel MFC ler genellikle 1500psi(100bar) olmakla beraber; petrokimya prosesleri, ilaç ve gıda hidrojenasyonu ve katalizör araştırmaları uygulamaları için 4500psi(300bar) a uygun olarakta üretilebilmektedirler. Öte taraftan, eğer prosesiniz vakum altında çalışıyorsa, termal kütle cihazı buna göre ayarlanmalıdır. Gazlar, pozitif basınç altında farklı, vakum altında farklı davranış sergilerler. Bu sebeple, kalibrasyon önemli ve kesinlikle yapılması gereken bir işlemdir. Gazların sıcaklığı da göz önünde bulundurulması gereken diğer bir faktördür. Gazlar nispeten ılıman sıcaklık seviyelerinde ölçülüp, kontrol edilir. MFC içerisinde, gazın termal özelliklerini değerlendiren ölçme teknolojisinden kaynaklı sıcaklık sınırlamaları yer alır. Gazlar söz konusu olduğunda; termal kütle cihazlar için tipik olarak sıcaklık limitleri 60 – 70 °C dir.

Doğruluk sözkonusu olduğunda birçok uygulama için, doğruluk derecesi en yüksek sistem tercih edilmek istenir. Fakat bazı prosesler hassas değildir ve bu nedenle doğruluğu daha düşük olan bir cihaz kullanılabilir. Bazen doğruluk, tekrarlanabilirlik kadar önemli olmayabilir. Öncelikle; full-scale accuracy ile rate accuracy yüzdesi durumlarını anlamak gerekir. Cihaz, sadece %100 nominal kapasiteler ile çalışıyorsa, iki kavram da aynı anlama gelir. Eğer bir termal kütle cihazının, gaz akışını daha düşük bir set noktasına kontrol etmesini isterseniz, hata miktarı model ve dizayn kaynaklı olarak çeşitlenir. Eski analog MFC ler, tipik olarak +/-1% full-scale doğruluğa sahiptir. Bu durum, bir 100 sccm termal kütle cihazının herhangi bir akışta 1 sccm kabul-edilebilir-hataya sahip olduğunu söyler. Eğer akış %50 ye sabitlenirse, %1 FS hatası, %2 olarak gerçekleşebilecektir. Eğer akış oranını %20 lerde set edersek, aynı 1 sccm sapma %5 lik hataya kadar çıkabilecektir.

Elektriksel olarak bir termal kütle cihazıyla haberleşmek çok farklı şekilllerde yapılabilir. En eski ve en basit yöntem; 0 volt un akış olmadığını ve voltun maksimum akış olduğunu gösteren; 0-5 VDC lik analog sinyal kullanımıdır. Sözkonusu termal kütle debimetre için maksimum akışı belirleyebilmek adına kalibrasyon verisini bilmek gereklidir. Bazen bu bilgi cihaz gövdesinde yer alır. 0 ile 5 Volt aralığındaki herhangi bir voltaj değeri ise oransal bir akışa izin verecektir. 0-5 volt yıllar önce çok popülerdi, halen ekonomik bir haberleşme yöntemi olarak yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Göz önünde bulundurulması gereken bir nokta, 0-5 volt sinyalinin uzun mesafeleri sağlıklı kat edemeyeceği gerçeğidir. Genellikle bu sinyal yöntemini 3-6 metre aralığında sınırlandırmak faydalı olacaktır. Bir diğer analog haberleşme sinyali ise 4-20 mA dir. 24V luk bir sistemde 4 mA, sıfır akışı gösterir. 4 mA den düşük sinyal normal dışı nitelendirilir veya alarm durumu olarak ayarlanır. 20 mA tam dolu akış ve aynı mantıkla 12 mA ise %50 akışı/debiyi ifade eder. Kısacası; 4 ile 20 mA arasındaki bir akım değeri ile oransal olarak akış kontrolü gerçekleştirilir. Bugünlerde kolaylığı ve ekonomikliği açısından, hem voltaj hemde akım sinyali kullanılmaktadır. Eğer MFC içine bir dijital kart entegre edilirse, ozaman çok sayıda haberleşme opsiyonu doğmuş olur. Basit RS-485 protokolü, birçok üçüncü parti yazılım sistemleri tarafından kullanılır. DeviceNet, ProfiBus ve Foundation FieldBus gibi çok güçlü haberleşme sistemleri sadece akışı okuyup kontrol etmekle kalmaz, aynı zamanda tüm bu işlemleri yaparken birçok hata bulma ve alarm altyordam işlemlerini gerçekleştirir.

Doğruluk seviyesi yüksek olan bir çok termal kütle debimetrelerin kalbinde, onu agresif gazlara karşı dirençli, hastelloy sensör yeralmaktadır. Bu özellik, genellikle gaz tipini sıkça değiştiren kullanıcılar için esneklik sağlar. Kalibrasyonu tanımlanmış eski gaz ile yeni gaz arasındaki ısı kapasitesi oranı gibi basit bir düzeltme faktörü atanması ile yeni gaz ölçümü yüksek doğrulukta gerçekleşebilmektedir. Aynı esneklik, ölçüm aralığını revize etmek isteyen kullanıcılar içinde önem arz eder. Bu kullanıcılar:

• Stoklarındaki farklı gaz ve ölçüm aralıklarındaki termal kütle cihaz ve/veya debimetreleri azaltmak isteyen OEM ler.
• Solar sistemler, biyoteknoloji, CVD, plazma, cam, bobin kaplama, nano teknoloji ve vakum prosesleri gibi birçok endüstri dalındaki yedek parça stoğunu azaltmak isteyen son kullanıcılar.
• Arge ve laboratuar ortamındaki sürekli değişen parametre ve koşullar altında esnek bir termal kütle debimetreye ihtiyaç duyulması gibi faktörler termal kütle debimetrelerin gelişimini olumlu ölçüde tetiklemektedir.

Diğer teknik makaleler için lütfen tıklayınız…