في الصناعات التي تكون فيها الدقة والموثوقية غير قابلة للتفاوض - مثل تصنيع أشباه الموصلات والمستحضرات الصيدلانية والمعالجة الكيميائية - تُعد أجهزة التحكم في تدفق الغازات (MFCs) أدوات لا غنى عنها. لا تقوم هذه الأجهزة بقياس معدل تدفق الغازات فحسب، بل تقوم أيضًا بتنظيمه بفاعلية للحفاظ على نقاط ضبط دقيقة ومحددة من قبل المستخدم. بدءًا من ضمان خليط الغاز المثالي في المفاعل إلى التحكم في ترسيب الأغشية الرقيقة على رقائق السيليكون، تلعب أجهزة التحكم في التدفق الكتلي للغازات دورًا حاسمًا في تحسين الكفاءة والسلامة وجودة المنتج.
جدول المحتويات
يستكشف هذا الدليل الشامل أجهزة التحكم في تدفق كتلة الغاز بالتفصيل، ويغطي مبادئ عملها وأنواعها وتطبيقاتها والاعتبارات الرئيسية للاختيار. وفي النهاية، ستفهم سبب أهمية هذه الأجهزة في العمليات الصناعية الحديثة وكيفية اختيار الجهاز المناسب لاحتياجاتك.
ما هو جهاز التحكم في التدفق الكتلي للغاز؟
A وحدة التحكم في التدفق الكتلي للغاز (MFC) هو جهاز يقيس وينظم معدل التدفق الكتلي للغاز في الوقت الحقيقي. على عكس مقاييس التدفق الحجمي، التي تقيس الحجم (على سبيل المثال، لتر في الدقيقة)، تقيس مقاييس التدفق الكتلي المتعدد الكمية التدفق الكتلي (على سبيل المثال، السنتيمتر المكعب القياسي في الدقيقة، SCCM)، مع مراعاة التغيرات في درجة الحرارة والضغط. وهذا يضمن أداءً ثابتًا حتى في البيئات الديناميكية.
المكونات الرئيسية:
- مستشعر التدفق: يقيس معدل تدفق الغاز (الحراري أو الضغط التفاضلي أو القائم على كوريوليس).
- صمام التحكم: يضبط التدفق لمطابقة نقطة الضبط المطلوبة (على سبيل المثال، ملف لولبي أو صمام كهرضغطية).
- نظام التحكم في الحلقة المغلقة: يستخدم التغذية الراجعة من المستشعر لتعديل موضع الصمام.
- الإلكترونيات: يترجم بيانات المستشعر إلى إشارات تحكم ويوفر واجهات المستخدم (شاشات رقمية ومخرجات تناظرية وغيرها).
كيف يعمل جهاز التحكم في تدفق الغاز بالكتلة؟
يتمحور تشغيل MFC حول ثلاث خطوات أساسية: القياس, المقارنةو التكيف.
الخطوة 1: القياس
يكتشف مستشعر التدفق معدل تدفق الغاز. وتشمل مبادئ القياس الأكثر شيوعاً ما يلي:
- التشتت الحراري: يبرد العنصر المسخن أثناء تدفق الغاز عبره؛ ويرتبط التغير في درجة الحرارة بالتدفق الكتلي.
- الضغط التفاضلي (DP): يقيس انخفاض الضغط عبر عنصر التدفق الصفحي أو لوحة الفتحة.
- تأثير كوريوليس: تستخدم أنابيب اهتزازية للكشف عن التدفق الكتلي عبر قوى القصور الذاتي.
الخطوة 2: المقارنة
تقارن وحدة التحكم معدل التدفق المقاس بنقطة الضبط التي يحددها المستخدم.
الخطوة 3: التعديل
إذا كان هناك اختلاف، يقوم نظام التحكم بضبط فتحة الصمام (عن طريق خوارزميات PID) لزيادة التدفق أو تقليله حتى يتم تحقيق نقطة الضبط.
مثال على ذلك: في فرن أشباه الموصلات، يحافظ صمام MFC على معدل تدفق دقيق للأرجون لخلق جو خامل. إذا تذبذب الضغط، يضبط الصمام على الفور لتثبيت التدفق.
أنواع أجهزة التحكم في التدفق الكتلي للغاز
تقنيات مختلفة تناسب تطبيقات مختلفة. وفيما يلي الأنواع الأكثر شيوعاً:
1. أجهزة التحكم في التدفق الكتلي الحراري
المبدأ: يقيس انتقال الحرارة من عنصر ساخن إلى الغاز.
الميزات:
- مصممة لقياس الغاز منخفض التدفق.
- نسبة الخفض: 50:1 لوحدة التحكم في التدفق الكتلي الرقمي؛ 100:1 لمقياس التدفق الكتلي الرقمي.
- زمن الاستجابة: وحدة التحكم في التدفق الكتلي <0.2 ثانية؛ مقياس التدفق الكتلي <0.1 ثانية
- وحدة تحكم PID مدمجة لتنظيم معدل التدفق
- قياس معدل التدفق الكتلي مباشرة، تعويض درجة الحرارة التلقائي
- شاشة عرض تعمل باللمس
- مناسبة لمختلف خطوط الأنابيب ذات الضغط العالي والمنخفض.
2. أجهزة التحكم في التدفق الكتلي بالضغط التفاضلي (DP)
المبدأ: يقيس انخفاض الضغط عبر عنصر التدفق الصفحي.
الميزات:
- مصممة لقياس الغاز منخفض التدفق.
- نسبة الخفض: 50:1 لوحدة التحكم في التدفق الكتلي الرقمي؛ 100:1 لمقياس التدفق الكتلي الرقمي.
- زمن الاستجابة: وحدة التحكم في التدفق الكتلي <0.2 ثانية؛ مقياس التدفق الكتلي <0.1 ثانية
- وحدة تحكم PID مدمجة لتنظيم معدل التدفق
- قياس معدل التدفق الكتلي مباشرة، تعويض درجة الحرارة التلقائي
- شاشة عرض تعمل باللمس
- لا حاجة للتسخين المسبق، ولا يوجد تأخر في الاستجابة أثناء القياس.
3. أجهزة التحكم في التدفق الكتلي كوريوليس
المبدأ: يقيس التدفق الكتلي عبر تأثير كوريوليس في الأنابيب الاهتزازية.
الميزات:
- مصممة لقياس الغاز/السائل منخفض التدفق.
- دقة عالية وتكرار جيد. بالنسبة للسوائل، يمكن أن تصل دقة القياس إلى ± 0.25%؛ وبالنسبة للغازات، يمكن أن تصل دقة القياس إلى ± 0.5%.
- موثوقية وثبات عاليان وقادر على تحمل الظروف البيئية القاسية: يحافظ المنتج على أداء ثابت حتى في البيئات المعرضة للاهتزازات. في حالة حدوث اضطرابات مادية عرضية مثل الصدمات أو التصادمات، يستعيد النظام تلقائيًا القياس المستقر في غضون 400 مللي ثانية.
- يمكنه قياس السوائل عالية اللزوجة والغازات عالية الكثافة: يقيس MTL20FE مجموعة واسعة من السوائل، مثل
يمكن أيضًا قياس زيت التشحيم والنيتروجين السائل والسوائل الأخرى عالية الكثافة بدقة.
جدول المقارنة: أنواع مركبات الكربون الهيدروفلورية الغازية
تطبيقات أجهزة التحكم في التدفق الكتلي للغاز
تعتبر مركبات الكربون الهيدروفلورية الغازية ذات أهمية بالغة في الصناعات التي تتطلب توصيل الغاز بدقة. وتشمل التطبيقات الرئيسية ما يلي:
1. تصنيع أشباه الموصلات
- ترسيب البخار الكيميائي (CVD): يتحكم في غازات السلائف (مثل السيلان) لترسيب الأغشية الرقيقة على الرقائق.
- النقش بالبلازما: ينظم الغازات التفاعلية (على سبيل المثال، CF₄) لحفر البنى المجهرية.
2. إنتاج المستحضرات الصيدلانية
- التحكم في تغذية المفاعل: يحافظ على النسب الدقيقة للغازات (على سبيل المثال، O₂، CO₂) في المفاعلات الحيوية.
- التعقيم: يدير تدفق أكسيد الإيثيلين لتعقيم الأجهزة الطبية.
3. الرصد البيئي
- اختبار الانبعاثات: يقيس غازات الدفيئة (مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان) في انبعاثات المداخن.
- أنظمة جودة الهواء: يتحكم في غازات المعايرة في أجهزة التحليل.
4. أبحاث خلايا الوقود والبطاريات
- التحكم في تدفق الهيدروجين: يحسن توصيل H₂ في خلايا الوقود PEM.
- إدارة الغازات المنحل بالكهرباء: ينظم الأرجون في إنتاج بطاريات الليثيوم أيون.
5. الفضاء الجوي
- اختبار المحرك: يحاكي ظروف الارتفاع عن طريق التحكم في مخاليط الهواء/النيتروجين.
- أنظمة دعم الحياة: يدير O₂ و N₂ في كبائن المركبات الفضائية.
كيفية اختيار وحدة التحكم في تدفق الغاز بالكتلة
ينطوي اختيار MFC المناسب على تقييم:
- توافق الغاز:
- الغازات المسببة للتآكل (مثل HCl) تتطلب بنية من الفولاذ المقاوم للصدأ أو Hastellay®.
- تحتاج التطبيقات الحساسة للرطوبة إلى مرشحات مجففة.
- نطاق التدفق:
- تأكد من أن MFC يغطي الحد الأدنى والحد الأقصى لمعدلات التدفق (على سبيل المثال، 0-500 SCCM).
- متطلبات الدقة:
- تتطلب العمليات عالية الدقة (على سبيل المثال، تصنيع أشباه الموصلات) أجهزة كوريوليس أو MFCs الحرارية متعددة الوظائف.
- بروتوكولات الاتصال:
- اختر واجهات تناظرية (4-20 مللي أمبير) أو رقمية (مودبوس أو بروفيبوس) أو واجهات ناقل المجال (إيثركات).
- الشهادات:
- تتطلب البيئات الخطرة (ATEX، IECEx) تصميمات مقاومة للانفجار.
تُعد أجهزة التحكم في تدفق الغازات الكتلي الأبطال المجهولين في العمليات الصناعية الحديثة، مما يتيح دقة لا مثيل لها في الصناعات التي يكون فيها كل جزيء مهمًا. وسواء كنت تقوم بتصنيع أجهزة أشباه الموصلات النانوية أو تطوير المستحضرات الصيدلانية المنقذة للحياة، فإن اختيار جهاز التحكم في التدفق الكتلي الحراري أو الموزع الموزون أو كوريوليس أو أي نوع آخر يضمن الكفاءة والامتثال وجودة المنتج.
