فهم وحدة التحكم في التدفق الحراري الكتلي: المبادئ والتكنولوجيا والتطبيقات

Precise gas flow control is vital in a wide range of industries — from semiconductor manufacturing and chemical processing to food production, environmental monitoring, and fuel cell research. Among the technologies used to manage and monitor gas flow, أجهزة التحكم في التدفق الكتلي الحراري (MFCs) تبرز دقتها وموثوقيتها وقدرتها على توفير تحكم في حلقة مغلقة لمعدلات التدفق الكتلي.

يستكشف منشور المدونة هذا ما هو قياس التدفق الحراري للكتلة الحرارية، وكيف يعمل، وأنواع المستشعرات المستخدمة، وما الذي يميز وحدة تحكم التدفق الكتلي الحراري من مقياس التدفق الكتلي الحراري. سنلقي نظرة أيضًا على الفوائد الرئيسية والتطبيقات والعوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار MFC الحراري.

ما هو قياس التدفق الحراري الكتلي؟

قياس التدفق الكتلي الحراري هو طريقة مباشرة لقياس معدل التدفق الكتلي للغاز بناءً على خواصه الحرارية. على عكس قياس التدفق الحجمي، الذي يقيس مقدار الحيز الذي يشغله الغاز (والذي يمكن أن يختلف باختلاف الضغط ودرجة الحرارة)، يقيس التدفق الحراري الكتلي الكتلة الفعلية لجزيئات الغاز تتحرك عبر نظام ما - وهو تمييز حاسم في التطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في كمية الغاز، وليس فقط حجمه.

المبدأ الأساسي

يعتمد مبدأ التشغيل الأساسي لقياس تدفق الكتلة الحرارية على نقل الحرارة:: عندما يتدفق الغاز عبر عنصر ساخن، فإنه يحمل الحرارة بعيدًا. يتناسب معدل فقدان الحرارة تناسبًا طرديًّا مع معدل التدفق الكتلي من الغاز. كلما زاد التدفق، زادت الحرارة المنقولة.

وهذا يسمح لأجهزة التدفق الكتلي الحراري بتقديم قراءات التدفق الكتلي الحقيقيتقاس عادةً بوحدات مثل لتر قياسي في الدقيقة (SLPM) أو كجم/ساعة (كجم/ساعة)دون الحاجة إلى تعويض خارجي لدرجة الحرارة أو الضغط.

أنواع المستشعرات الرئيسية في قياس التدفق الحراري الشامل

يُستخدم تصميمان أساسيان للمستشعر في أجهزة تدفق الكتلة الحرارية:

1. تصميم المستشعر الشعري

يستخدم هذا التصميم بشكل شائع في تطبيقات التدفق المنخفض ويتكون من:

• A أنبوب شعري صغير القطر صغير القطر الذي يتم من خلاله توجيه جزء من الغاز.
• مستشعران لدرجة الحرارة موضوعان المنبع والمصب سخان صغير
• بينما يتدفق الغاز، فإنه ينقل الحرارة من المنبع إلى مستشعر المصب، مما يؤدي إلى خلق فرق في درجة الحرارة قابل للقياس.

تقدم التصاميم الشعرية حساسية عالية واستجابة سريعة وهي مثالية ل غازات نظيفة وجافة بمعدلات تدفق منخفضة (عادةً من بضعة سنتيمترات مربعة في الدقيقة إلى عدة سنتيمترات مربعة في الدقيقة).

2. تصميم المستشعر المضمن أو الالتفافي (MEMS أو CTA)

هذه تستخدم إما:

• A MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية-الكهربائية-الميكانيكية الدقيقة) مستشعر مدمج في مسار التدفق.
• A قياس شدة الريح بدرجة حرارة ثابتة (CTA) إعداد المستشعر، حيث يحافظ الجهاز على مستشعر ساخن عند درجة حرارة ثابتة بالنسبة إلى درجة الحرارة المحيطة.

الحساسات الحرارية المضمنة مناسبة لـ معدلات تدفق أعلى و أقطار الأنابيب الأكبرغالبًا ما تستخدم في الأنظمة الصناعية أو البيئية.

ما هو جهاز التحكم في التدفق الحراري الكتلي (MFC)؟

A وحدة التحكم في التدفق الكتلي الحراري (MFC) هو جهاز ليس فقط التدابير التدفق الكتلي للغاز، ولكن أيضًا ينظمها إلى نقطة ضبط يحددها المستخدم أو نظام التحكم.

يتكون من ثلاثة مكونات رئيسية:

1. مستشعر التدفق الحراري: يقيس معدل التدفق الكتلي الفعلي للغاز في الوقت الفعلي.
2. صمام التحكم (يعتمد عادةً على ملف لولبي أو كهرضغطية): يعدل تدفق الغاز عن طريق الفتح أو الإغلاق بناءً على التغذية الراجعة من المستشعر.
3. إلكترونيات التحكم PID: يقارن التدفق المقاس بنقطة الضبط ويضبط موضع الصمام وفقًا لذلك للحفاظ على تدفق ثابت.

الخصائص الرئيسية لـ MFC:

• مدخلات نقطة الضبط: يقبل إشارة تناظرية (على سبيل المثال، 0-5 فولت، 0-10 فولت، 4-20 مللي أمبير) أو أمر رقمي يحدد معدل التدفق المطلوب.
• مخرجات التدفق: توفر إشارة تناظرية (على سبيل المثال، 0-5 فولت، 4-20 مللي أمبير) تتناسب مع الفعلية معدل التدفق المقاس.
• مخرجات محرك الصمامات: الإشارة المرسلة إلى مشغل صمام التحكم.
• خوارزمية التحكم: عادةً ما تكون خوارزمية PID (خوارزمية المشتق التناسبي-المتضمن-المتساوي) المحسّنة للتحكم السريع والمستقر والدقيق دون تجاوز الحد.
• المعايرة: تمت معايرتها في المصنع لغازات أو مخاليط غازات محددة عند ضغوط مدخل ودرجات حرارة محددة. الدقة أمر بالغ الأهمية.

مقياس التدفق الحراري الكتلي مقابل جهاز التحكم في التدفق: ما الفرق بينهما؟

في حين أن كلا الجهازين يستخدمان نفس المبدأ الحراري الأساسي لـ القياس، فإن الغرض منها ووظائفها متميزة:

باختصار: يخبرك مقياس تدفق الكتلة الحرارية بكمية الغاز المتدفقةفي حين أن وحدة تحكم في التدفق الكتلي الحراري تضمن تدفق الغاز بمعدل محدد.

في شركة Metlan Instruments، نقدم مجموعة كاملة من أجهزة قياس تدفق الكتلة الحرارية وأجهزة التحكم في التدفق، كل منها مصمم هندسيًا لتحقيق الدقة العالية والموثوقية والتخصيص. سواء كنت تقوم بتصميم خط معالجة جديد أو تحسين إعداد مختبر، نحن هنا لمساعدتك في العثور على أفضل حل لاحتياجات التحكم في التدفق.

جهاز تحكم/مقياس التدفق الحراري الكتلي:

• نطاق القياس: 2SCCM～6000SLM
• الدقة: ± 0.5% F.S؛ ± 1% F.S
• نسبة الدوران إلى الأسفل: وحدة التحكم: 50:1 | جهاز القياس: 100:1
• درجة حرارة العمل: 0～50℃
• أقصى ضغط تشغيل: 10 ميجا باسكال
• الموصل: φ8 ， تركيب شفة φ10 φ12 ， تركيب شفة φ8 ， 10 φ12
• مادة مانعة للتسرب: فيلتون، نيوبرين، NBR، معدن

مقياس التدفق الحراري الكتلي:

• فئة مقاومة للانفجار: Ex db IIC IIC T6 Gb / Ex tb IIIC T80°CDb.
• نطاق القياس: من 0.1 نيوتن متر/ثانية إلى 250 نيوتن متر/ثانية
• الدقة: قياسي: ± (1.51 تيرابايت 3 تيرابايت RD + 0.31 تيرابايت 3 تيرابايت FS)، اختياري: ± 11 تيرابايت 3 تيرابايت RD
• نسبة التحول إلى الأسفل: 2500:1
• نطاق درجة الحرارة المتوسطة: -40 إلى 80 درجة مئوية
• الحد الأقصى. ضغط المعالجة: 63 بار
• معالجة إشارات رقمية كاملة، ودقة أعلى، وثبات طويل الأمد.

مزايا أجهزة التحكم في التدفق الحراري الشامل

تُستخدم MFCs الحرارية MFCs الحرارية على نطاق واسع لعدة أسباب وجيهة:

1. قياس التدفق الكتلي المباشر

فهي تلغي الحاجة إلى مستشعرات ضغط ودرجة حرارة منفصلة أو خوارزميات تعويض.

2. دقة عالية

يمكن أن توفر أجهزة MFCs الحرارية الحديثة MFCs مستويات دقة تصل إلى ± 1% من المقياس الكامل أو أفضل، اعتمادًا على المعايرة ونوع الغاز.

3. نسب الدوران العريضة

يمكن للعديد من MFCs التحكم بدقة في التدفقات من 2% إلى 100% من سعتها المقدرة (50:1 أو أكثر).

4. وقت الاستجابة السريع

تستجيب MFCs الحرارية MFCs الحرارية بسرعة للتغيرات في طلب التدفق أو إشارات التحكم، مما يجعلها مثالية للعمليات الديناميكية.

5. التوافق مع الغازات النظيفة والمتخصصة

التكنولوجيا الحرارية مناسبة بشكل خاص للغازات النقية أو المتخصصة المستخدمة في الأبحاث وأشباه الموصلات والمستحضرات الصيدلانية.

تطبيقات أجهزة التحكم في التدفق الكتلي الحراري

ونظرًا لدقتها ومرونتها، تُستخدم MFCs الحرارية MFCs الحرارية في مجموعة واسعة من الصناعات والأنظمة:

• تصنيع أشباه الموصلات: حاسم بالنسبة للترسيب الكيميائي القابل للذوبان (الترسيب الكيميائي بالبخار) والحفر والحفر الإبيتاكسوني والزرع الأيوني والرش. يؤثر التحكم الدقيق في الغازات المخدرة والسلائف والمحفزات تأثيرًا مباشرًا على سمك الفيلم وتوحيده وأداء الجهاز.
• الأدوية والتكنولوجيا الحيوية: التحكم في التخمير (O₂، CO₂، N₂)، والرش بالمفاعلات الحيوية، وأبحاث المحفزات، وأنظمة الغلاف الجوي المتحكم بها (الحاضنات)، والجرعات الدقيقة في تخليق الأدوية وتركيبها.
• الأدوات التحليلية: معايرة وتوريد الغازات الحاملة والغازات الكاشفة وغازات المكياج لغازات الغاز (GC) وقياس الطيف الكتلي (MS) وقياس الطيف الكتلي (MS) و FTIR وغيرها من المعدات المختبرية التي تتطلب تدفقات فائقة الاستقرار.
• أبحاث خلايا الوقود والبطاريات: التحكم في الغازات المتفاعلة (H₂، O₂) وغازات التطهير (N₂) أثناء الاختبار والتشغيل.
• مراقبة البيئة والانبعاثات: معايرة أجهزة تحليل الغازات، والتحكم في نسب التخفيف لأنظمة أخذ العينات.
• التصنيع المضاف (الطباعة ثلاثية الأبعاد): التحكم في غازات التدريع (Ar، N₂) والغازات التفاعلية في عمليات طباعة المعادن مثل DMLS/SLM.
• القطع واللحام بالليزر: تحكم دقيق في الغازات المساعدة (O₂، N₂، Ar) لتحسين جودة القطع وسرعته.
• الاحتراق وتحسين العمليات: ضبط نسب الوقود إلى الهواء (على سبيل المثال، الغاز الطبيعي والغاز الحيوي) في الشعلات لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة والحد الأدنى من الانبعاثات.

معايير الاختيار الرئيسية لمركبات MFCs الحرارية متعددة الكربون الحرارية

عند اختيار وحدة تحكم التدفق الكتلي الحراري، ضع في اعتبارك العوامل التالية:

1. نوع الغاز

تتم معايرة كل MFC لغاز معين. ويتطلب استخدامه مع غاز مختلف عوامل تصحيح أو إعادة معايرة.

2. نطاق التدفق

تحديد الحد الأدنى والحد الأقصى لمعدلات التدفق المطلوبة. يعد النطاق 50-100% مثاليًا للحصول على الدقة المثلى.

3. الدقة وقابلية التكرار

تتطلب التطبيقات عالية الدقة (مثل المختبر أو البحث والتطوير) مواصفات أفضل من التطبيقات الصناعية العامة.

4. ظروف الضغط ودرجة الحرارة

تأكد من أن وحدة التحكم مصنفة لظروف التشغيل الخاصة بك، خاصةً لأنظمة توصيل الغاز المضغوط.

5. واجهة التحكم

تناظري (0-5 فولت، 4-20 مللي أمبير) أو رقمي (RS-485، مودبوس، بروفيبوس، إيثركات) - اختر النظام الذي يتكامل مع نظام التحكم الخاص بك.

6. نوع الصمام

تُعد صمامات الملف اللولبي قياسية، ولكن الصمامات الكهروضغطية توفر دقة أفضل واستهلاك أقل للطاقة في بعض التطبيقات.