Mieszalniki gazów MCQ Instruments do kalibracji i testowania czujników

Urządzenia pomiarowe, takie jak czujniki gazu, wymagają regularnej konserwacji w celu sprawdzenia i zapewnienia prawidłowego działania. Standardowe procedury zazwyczaj obejmują testowanie i ponowną kalibrację czujników, do czego potrzebne są atmosfery robocze o określonym składzie. Tworzenie, kontrola i zarządzanie niestandardowymi mieszankami gazów może być łatwo osiągnięta dzięki nowym profesjonalnym przyrządom MCQ Instruments: mieszalnikom gazów z serii Gas Blender. Mieszalniki są wszechstronnymi narzędziami przydatnymi również do tworzenia zupełnie nowych czujników gazowych. Przyrządy te są optymalnym wyborem do tworzenia czujników gazu dedykowanych do zastosowań o specyficznych wymaganiach pomiarowych, dla których standardowe czujniki dostępne na rynku nie są wystarczające.

Czujniki gazu

Na rynku dostępnych jest wiele czujników gazu, zbudowanych dla różnych celów i przeznaczonych do konkretnych zastosowań. Czujniki gazu można podzielić na dwa główne typy, elektrochemiczne i spektroskopowe, zgodnie z ich zasadą działania.

• Czujniki elektrochemiczne (oparte na właściwościach półprzewodników, które zmieniają swoją rezystywność w kontakcie z różnymi substancjami) są powszechnie stosowane do identyfikacji gazów i pomiaru ich ilości.
• Czujniki spektroskopowe (bazujące na widmie absorpcji cząsteczek w podczerwieni) są powszechnie stosowane do wykrywania śladowych ilości gazu. 

Czujniki gazu są precyzyjnymi przyrządami, których jakość i niezawodność jest definiowana przez określone parametry, takie jak czułość, dokładność i czas odpowiedzi. Niektóre parametry zależą od natury czujnika i pozostają niezmienne przez cały okres jego pracy, podczas gdy inne mogą ulegać niewielkim zmianom potencjalnie wpływającym na działanie czujnika (starzenie się). Dokładność czujnika jest typowym przykładem parametru, na który naturalny wpływ ma proste użytkowanie czujnika. Regularna konserwacja jest wymagana w celu zapewnienia prawidłowego funkcjonowania urządzenia, dlatego też okresowa kalibracja powinna być zaplanowana w czasie użytkowania każdego czujnika gazu.

Kalibracja

Kalibracja większości dostępnych na rynku czujników gazu może być wykonana przez dostawcę produktu lub przez użytkownika. Kalibracja wykonywana przez dostawcę wymaga standardowej opłaty, do której należy doliczyć koszt wysyłki czujnika. Jeżeli czujnik nie może być wysłany lub wymaga specyficznej kalibracji na miejscu, wymagane jest, aby kalibrację wykonał operator i należy wziąć pod uwagę związane z tym koszty. Kalibracja wykonywana przez użytkownika nie wiąże się z żadną opłatą, ale wymaga zakupu zestawu kalibracyjnego stworzonego specjalnie do zarządzania czujnikiem.


1. Metoda standardowa (bez przyrządów MCQ)

Standardowa metoda kalibracji (adiustacji) czujników czy przyrządów do pomiaru gazu obejmuje dwa etapy: ustawienie odczytu "zero" (offset) i kalibrację zakresu. Odczyt "zero" odnosi się do idealnych warunków, w których cząsteczka docelowa czujnika jest całkowicie nieobecna (np. atmosfera czystego azotu dla czujnika tlenu), podczas gdy kalibracja zakresu wymaga kontrolowanej atmosfery o stałej zawartości cząsteczki docelowej czujnika (np. przepływ standardowego powietrza z 20,9% O2 dla czujnika tlenu). Standardowe zestawy kalibracyjne umożliwiają użytkownikowi symulację odczytu "zerowego" w warunkach przepływu gazu obojętnego dla czujnika (dostarczając odpowiedni zbiornik z czystym gazem) lub alternatywnie ustawienie odczytu w próżni (dostarczając pompę próżniową i powiązany sprzęt). Do kalibracji zakresu, standardowe zestawy wyposażone są również w pojemnik z gazem zawierającym wstępnie zmieszaną atmosferę, która ma być doprowadzona do czujnika. Użycie butli z mieszanką atmosfery jest najszybszym i najłatwiejszym sposobem wykonania kalibracji standardowej. Metoda ta ma jednak dwie poważne wady:

• Dokładna kalibracja (adiustacja) wymaga więcej niż 1 punktu dla regulacji zakresu, dlatego potrzebny jest rozbudowany zestaw pojemników (butli) z gazem, z których każdy zawiera inny skład atmosfery;
• Kalibracja niestandardowych czujników gazu może wymagać specyficznej atmosfery, której mieszanki nie są dostępne na rynku.

Przykłady standardowej kalibracji dla czujników gazu o odpowiedzi liniowej:

A. Kalibracja (adiustacja) 2-punktowa - czujniki gazu kalibruje się (adiustuje) ustawiając odczyt "zerowy" i zakres.  W najlepszym przypadku "zero" może być kalibrowane w powietrzu, podczas gdy zakres wymaga butli ze wstępnie zmieszaną atmosferą.

Rys. A.  Kalibracja 2-punktowa.

B. Kalibracja (adiustacja) 4-punktowa - czujniki gazu kalibruje się ustawiając "zero" i regulując nachylenie krzywej za pomocą 3 różnych punktów. Ten rodzaj kalibracji zapewnia większą dokładność w porównaniu z poprzednim.  W najlepszym przypadku "zero" może być kalibrowane w powietrzu, podczas gdy inne punkty wymagają 3 butli z 3 różnymi mieszankami atmosfery.

Rys. B. Kalibracja 4-punktowa.

2. Rozwiązanie MCQ Instruments

Firma MCQ Instruments opracowała nową serię produktów, aby przezwyciężyć problemy standardowej kalibracji czujników - mieszalniki gazów. Mieszalniki te zostały zaprojektowane specjalnie dla aplikacji wymagających niestandardowych czujników gazu.

Urządzenia z serii Gas Blender są profesjonalnymi, maksymalnie 6-kanałowymi mieszalnikami gazów o wysokiej precyzji (dokładność 1% dla każdego kanału) i wysokiej powtarzalności (0,16% wartości odczytu). Zastępują one stosowanie drogich, fabrycznie mieszanych gazów, pozwalając użytkownikowi na pracę ze znacznie tańszymi butlami z czystymi gazami, które są mieszane przez przyrządy w celu stworzenia indywidualnej atmosfery z pełną regulacją. Możliwość natychmiastowej zmiany stężenia składników w atmosferze roboczej, w zakresie 0,1%-100% dla każdego kanału, daje mieszalnikom MCQ dużą uniwersalność, czyniąc z nich idealny przyrząd do standardowej lub zaawansowanej kalibracji niestandardowych i komercyjnie dostępnych czujników gazów.

Przykłady kalibracji (adiustacji) dla niestandardowych czujników gazu:

A. Czujniki gazu o liniowej odpowiedzi mogą być dokładnie skalibrowane wybierając pożądane stężenia gazu. Mieszalnik może tworzyć niestandardowe atmosfery, które pozwalają użytkownikowi pracować z krzywymi kalibracji punktów dalekich, średnich i bliskich z niezwykłą precyzją.

Rys. A. Kalibracja czujników gazu o odpowiedzi liniowej z wykorzystaniem mieszalnika MCQ.

B. Wszechstronność mieszalników GB jest zdecydowanie polecana do oceny krzywych kalibracji dla czujników gazu o nieliniowej odpowiedzi.  Przy minimalnej odległości pomiędzy dwoma punktami (tj. stężeniem gazu) wynoszącej 0,1% dla każdego kanału, przyrząd jest odpowiedni do kalibracji praktycznie każdego niestandardowego czujnika gazu. 

Rys. B. Kalibracja (adiustacja) czujników gazu o odpowiedzi nieliniowej z wykorzystaniem mieszalnika MCQ.

Rozwój czujników

Rozwój i testowanie nowych czujników gazów to kolejny ważny obszar zastosowań dla mieszalników gazowych MCQ. Dzięki zastosowaniu standardowych przeliczników - współczynnik “K”, mieszalniki mogą być wykorzystane do pracy z szeroką gamą różnych gazów. W porównaniu z innymi popularnymi kontrolerami przepływu masowego, wydajność mieszalników MCQ pozwala na natychmiastową zmianę składu atmosfery, co ma fundamentalne znaczenie dla sprawdzenia czasu reakcji czujników gazu i innych parametrów definiujących ich jakość.

Czas odpowiedzi

Czas odpowiedzi czujnika (RT - ang. Response Time) jest szczególnie ważny w wielu aplikacjach, ponieważ procesy chemiczne i fizyczne, reakcje, małe zmiany lub odchylenia często zachodzą w ułamku sekundy. Aby je sprawdzić i zweryfikować, konieczne jest zastosowanie czujników o odpowiedniej czułości i szybkim czasie reakcji.

Przykładowy scenariusz:
1. Układ roboczy otoczony jest specyficzną atmosferą, stale monitorowaną za pomocą jednego lub kilku czujników gazu.
2. W systemie, w sposób naturalny lub sztuczny, dochodzi do krótkotrwałego zdarzenia zmieniającego skład mieszaniny na 400 ms
3. Po upływie 400 ms warunki w systemie są w pełni przywracane do wartości początkowych.
4. Jeżeli czas reakcji czujników jest bliski lub wyższy niż 400 ms, zdarzenie, które spowodowało zmianę, może zostać niewykryte. Powiązane dane zostaną utracone.
5. Aby móc zmierzyć zmienność w systemie, czas reakcji czujników musi być znacznie krótszy niż czas trwania zmienności. Przy RT czujnika wynoszącym 100 ms można zebrać dane związane ze zdarzeniem.

Rozwój czujników o szybkiej reakcji wymaga z kolei przyrządów o jeszcze wyższej sprawności. Zdolność dorównania lub przewyższenia szybkości reakcji większości czujników gazu ma fundamentalne znaczenie dla zbierania cennych danych, które w przeciwnym razie zostałyby utracone z powodu słabej wydajności oprzyrządowania. Podczas gdy standardowe masowe regulatory przepływu (MFC, Mass Flow Controllers) z trudem oferują czas odpowiedzi niższy niż 350 ms, mieszalniki z serii GB oferują wysoką dokładność, która jest obecnie najszybszą dostępną na rynku. Funkcja ta jest z pewnością doskonałym narzędziem do weryfikacji i poprawy jakości i wydajności niestandardowych czujników gazów.

Ocena jakości czujnika dla niestandardowego czujnika gazu o czasie reakcji 250 ms:

A. Standardowe masowe regulatory przepływu MFC zazwyczaj pracują z RT wynoszącym 350 ms lub więcej. Różnica pomiędzy tymi dwoma prędkościami uniemożliwia prawidłową ocenę rzeczywistej jakości czujnika. Czerwony obszar utworzony przez różne czasy odpowiedzi reprezentuje potencjalnie wartościowe dane, które w tym rozwiązaniu nie mogą być pozyskane.
B. Mieszalnik MCQ pracuje z RT wynoszącym 50 ms. Ta prędkość pozwala na doskonałą ocenę jakości czujnika. Zielony obszar reprezentuje potencjalnie wartościowe dane, które mogą być zebrane w celu poprawy wydajności czujnika.

Kompaktowość i prostota

Seria mieszalników gazowych łączy w sobie wysoką precyzję i niezawodność z dwiema innymi ważnymi cechami: wyjątkową kompaktowością, która sprawia, że zajmują one mało miejsca oraz dużą prostotą obsługi.

Mieszalniki gazowe MCQ zostały zaprojektowane zgodnie z zasadą "Lab in a Box" w celu dostosowania urządzenia do wszelkich potrzeb laboratorium w zakresie przestrzeni roboczej. MCQ Instruments zastąpiło standardową, nieporęczną i trudnych w eksploatacji konfigurację 6 pojedynczych masowych kontrolerów przepływu połączonych z zewnętrznym źródłem zasilania małym, praktycznym i łatwym w obsłudze produktem, idealnym do instalacji w mniejszych pomieszczeniach pod wyciągami chemicznymi lub na stanowisku w laboratorium wzorcującym.

Wygodny interfejs użytkownika

Wszystkie parametry i funkcje mieszalników gazowych mogą być łatwo kontrolowane przez użytkownika za pomocą oprogramowania MCQ Gas Mixture Creator, dostarczanego wraz z urządzeniem. Oprogramowanie jest w pełni zautomatyzowanym, szybkim i intuicyjnym narzędziem do zarządzania mieszalnikami gazu, sterowania przepływem gazu i konfiguracji, które wymaga jedynie komputera stacjonarnego lub laptopa z systemami operacyjnymi Windows, począwszy od Windows XP do wersji Windows 10.

Konfiguracja sprzętowa

Niebieskie butle: azot, tlen i dwutlenek węgla o wysokim stężeniu
Zielona butla: Gaz z mieszalnika o dowolnym składzie procentowym azotu, tlenu i dwutlenku węgla.

Rysunek przedstawia przykładową standardową konfigurację sprzętową wymaganą do kalibracji czujnika gazu za pomocą mieszalników MCQ. Przyrządy pracują wyłącznie z suchymi, nieagresywnymi gazami. Źródłem gazu mogą być zarówno gazy czyste jak i mieszanki (w powyższym przykładzie dla uproszczenia wybrano gazy czyste). Butle z gazami są podłączone do przyrządów za pomocą rurek o średnicy 6 mm, a na każdej linii zainstalowany jest zawór zwrotny jako urządzenie zapobiegające przepływowi zwrotnemu.

Każdy gaz jest podłączony i kontrolowany przez dedykowany kanał miksera gazów. Inna rurka o średnicy 6 mm łączy przyrządy z czujnikiem gazu poprzez specjalne złącze, zaprojektowane w celu odizolowania czujnika od środowiska zewnętrznego. W niektórych zastosowaniach zero może być ustawione przy użyciu atmosfery, która normalnie otacza czujnik, ale dla wyznaczenia innych punktów kalibracji, użycie złącza jest obowiązkowe. Laptop lub komputer stacjonarny steruje mieszalnikami gazów poprzez proste połączenie USB. Wszystkie funkcje przyrządu i właściwości mieszaniny gazów mogą być zarządzane za pomocą oprogramowania.

Uwaga: Na potrzeby artykułu, słowo “kalibracja” używane jest w znaczeniu analogicznym jak  adiustacja. Jednak z Metrologicznego punkt widzenia, Kalibracja oznacza to samo co Wzorcowanie, czyli (tylko i wyłącznie) porównanie wskazań ze wzorcem, a ilekroć dochodzi do zmiany lub regulacji dokładności przyrządu lub czujnika, mamy do czynienia z adiustacją - zgodnie z poprawnym nazewnictwem metrologicznym.

Opracowano na podstawie materiałów MCQ Instruments (www.mcqinst.com)

Mieszalniki gazów MCQ Instruments

Mikroprzepływowe mieszalniki gazów	GB 100 3-Kanałowy Laboratoryjny Mieszalnik Gazów Całkowite natężenie przepływu mieszanki: Do 1,5 L/min	GB 100 PLUS Laboratoryjny Mieszalnik Gazów do 6-ciu kanałów Całkowite natężenie przepływu mieszanki: Do 3 L/min
Mieszalniki gazów dla przepływów standardowych	GB 6000 6-Kanałowy Laboratoryjny Mieszalnik Gazów Całkowite natężenie przepływu mieszanki: Do 30 L/min	GB 4000 4-Kanałowy Laboratoryjny Mieszalnik Gazów Całkowite natężenie przepływu mieszanki: Do 20 L/min
	GB 3000 3-Kanałowy Laboratoryjny Mieszalnik Gazów Całkowite natężenie przepływu mieszanki: Do 15 L/min	GB 2000 2-Kanałowy Laboratoryjny Mieszalnik Gazów Całkowite natężenie przepływu mieszanki: Do 10 L/min
Mieszalniki gazów dla wysokich przepływów	GB 15k 3-Kanałowy Laboratoryjny Mieszacz Gazowy Całkowite natężenie przepływu mieszanki: Do 45 L/min

Jako oficjalny dystrybutor włoskiej firmy MCQ Instruments zapewniamy pomoc przy doborze, konfiguracji i wdrożeniu mieszalników gazu do systemu. Podpowiadamy jaki sprzęt dobrać do konkretnego rozwiązania. Oferujemy również wsparcie posprzedażowe oraz serwis i wzorcowanie zakupionych urządzeń. 

Zapraszamy do kontaktu w celu rozwiązania Państwa problemów w zakresie miksowania gazów i tworzenia unikalnych mieszanek gazowych.