W różnych gałęziach przemysłu i wielu projektach badawczo-rozwojowych bardzo często konieczne jest precyzyjne sterowanie przepływem gazów doprowadzanych do procesu. Przykładem z biotechnologii może być konieczność dostarczania do bioreaktora w trakcie procesu hodowli mikroorganizmów powietrza (ze względu na zawarty w nim tlen) i ditlenku węgla. Gazy te muszą być wprowadzane do bioreaktorów w ściśle określonych objętościach. Jest to bardzo ważne zarówno ze względu na przebieg procesów metabolicznych w komórkach mikroorganizmów, jak również ze względu na konieczność odpowiedniego mieszania podłoża w bioreaktorach czy utrzymywania wartości pH na zadanym poziomie.
Schemat komputerowego systemu sterowania dozowaniem gazów do bioreaktora
Na schemacie prezentujemy budowę komputerowego systemu sterowania dopływem powietrza i ditlenku węgla do bioreaktora wykorzystującego masowy regulator przepływu Bronkhorst D-6321. Dzięki modułowi przekaźników elektromagnetycznych SDM-16RO (Aspar) z poziomu komputera PC można sterować zaworami elektromagnetycznymi odpowiedzialnymi za dopływ sprężonego powietrza lub ditlenku węgla z butli ciśnieniowej. Komunikacja komputera z masowym regulatorem przepływu i modułem przekaźników elektromagnetycznych odbywa się za pomocą interfejsu szeregowego RS-485 i protokołu komunikacyjnego Modbus RTU.
Masowy regulator przepływu Bronkhorst D-6321 pełni w systemie sterowania potrójną rolę:
- mierzy masowe natężenie przepływającego aktualnie gazu (litry normalne na minutę),
- utrzymuje automatycznie natężenie przepływu gazu na zadanym poziomie (wartość zadana – Set Point),
- pełni rolę licznika przepływu gazu (litry normalne).
Precyzyjny pomiar natężenia przepływu gazu jest wykonywany metodą kalorymetryczną (termiczną), czyli na podstawie pomiaru energii potrzebnej do utrzymania stałej różnicy temperatur pomiędzy dwoma czujnikami temperatury znajdującymi się wewnątrz regulatora (jeden z tych czujników jest podgrzewany). Bardzo ważną zaletą urządzenia jest możliwość zapisania w regulatorze do ośmiu krzywych kalibracyjnych dla różnych gazów i warunków procesu. W przedstawionym przykładzie regulator masowy został skalibrowany dla powietrza (gaz nr 1) i ditlenku węgla (gaz nr 2). Dzięki temu po przełączeniu elektrozaworów odpowiedzialnych za dopływ poszczególnych gazów i zmianie aktualnego gazu regulator masowy cały czas prawidłowo mierzy i reguluje przepływ z uwzględnieniem specyfiki aktualnie podawanego gazu. Za utrzymywanie przepływu gazu na zadanym poziomie odpowiada wbudowany w urządzenie algorytm regulacji PID.
Oprogramowanie do sterowania przepływem gazów
Podstawowa wersja oprogramowania współpracującego z masowym regulatorem przepływu pozwala na manualną zmianę wartości zadanej przepływu (Set point), przełączenie charakterystyki aktualnie przepływającego gazu (powietrze, ditlenek węgla) i resetowanie licznika przepływu (Counter). Na wykresie można obserwować przebieg aktualnie zmierzonej wartości przepływu, wartość zadaną przepływu gazu oraz przebieg wartości licznika przepływu gazu.
W bardziej rozbudowanej wersji sterowanie przepływem gazu może się odbywać według zadanej receptury bazującej na odmierzaniu czasu. Używając większej liczby gazów w oprogramowaniu może zostać zaimplementowanie oddzielne sumowanie objętości każdego z wprowadzanych gazów oddzielnie. Po zmianie gazu, licznik przepływu w regulatorze masowym jest z poziomu oprogramowania automatycznie zerowany i rozpoczyna się sumowanie przepływu innego (przełączonego) gazu. W oprogramowaniu wskazania licznika przepływu są odpowiednio sumowane np. oddzielnie dla powietrza i ditlenku węgla. Dzięki temu w plikach archiwizacyjnych z wynikami eksperymentu mamy precyzyjne informacje o tym, ile litrów poszczególnych gazów zostało wprowadzone do bioreaktora np. w każdej godzinie procesu.
Sposób działania oprogramowania oraz funkcjonalności interfejsu użytkownika przedstawiliśmy w krótkim filmie zamieszczonym na naszym kanale YouTube: Program do sterowania dozowaniem powietrza i ditlenku węgla do bioreaktora.
Chętnie przygotujemy dla Państwa oprogramowanie współpracujące z masowymi miernikami i regulatorami przepływu gazów i cieczy.
Słownik pojęć
Masowy regulator przepływu (ang. Mass Flow Controller MFC)
Jest to precyzyjne urządzenie służące do pomiaru i jednoczesnego sterowania masowym natężeniem przepływu gazów lub cieczy z dokładnością niezależną od zmian ich temperatury i ciśnienia.