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, thermische Massendurchflussregler (MFCs) zeichnen sich durch ihre Genauigkeit, Zuverlässigkeit und die Fähigkeit aus, Massendurchflussmengen im geschlossenen Regelkreis zu steuern.
In diesem Blogbeitrag wird untersucht, was thermische Massendurchflussmessung ist, wie sie funktioniert, welche Arten von Sensoren verwendet werden und was eine thermischer Massendurchflussregler von einer thermischer Massendurchflussmesser. Wir gehen auch auf die wichtigsten Vorteile, Anwendungen und Faktoren ein, die bei der Auswahl eines thermischen MFC zu berücksichtigen sind.
Was ist thermische Massendurchflussmessung?
Die thermische Massendurchflussmessung ist eine direktes verfahren zur messung des massendurchsatzes eines gases basierend auf seinen thermischen Eigenschaften. Im Gegensatz zur volumetrischen Durchflussmessung, bei der gemessen wird, wie viel Raum ein Gas einnimmt (was mit Druck und Temperatur variieren kann), misst der thermische Massendurchfluss die tatsächliche Masse der Gasmoleküle die sich durch ein System bewegen - ein entscheidender Unterschied bei Anwendungen, bei denen eine präzise Kontrolle der Gasmenge und nicht nur des Volumens erforderlich ist.
Grundprinzip
Das grundlegende Funktionsprinzip der thermischen Massendurchflussmessung beruht auf WärmeübertragungGas, das an einem erhitzten Element vorbeiströmt, wird leitet die Wärme ab. Die Geschwindigkeit des Wärmeverlustes ist direkt proportional zur Massendurchsatz des Gases. Je höher der Durchfluss, desto mehr Wärme wird abgeführt.
Dadurch können thermische Massendurchflussgeräte Folgendes bieten echte Massendurchflussmessungen, normalerweise gemessen in Einheiten wie Standardliter pro Minute (SLPM) oder Kilogramm pro Stunde (kg/h), ohne dass ein externer Temperatur- oder Druckausgleich erforderlich ist.
Wichtigste Sensortypen in der thermischen Massendurchflussmessung
In thermischen Massendurchflussmessgeräten werden hauptsächlich zwei Sensorausführungen verwendet:
1. Aufbau des Kapillarsensors
Diese Konstruktion wird üblicherweise bei Anwendungen mit geringem Durchfluss verwendet und besteht aus:
- A Kapillarrohr kleinen Durchmessers durch die ein Teil des Gases geleitet wird.
- Zwei platzierte Temperatursensoren stromaufwärts und stromabwärts einer kleinen Heizung.
- Wenn das Gas strömt, überträgt es Wärme vom stromaufwärts gelegenen zum stromabwärts gelegenen Sensor, wodurch eine messbare Temperaturdifferenz entsteht.
Kapillare Designs bieten hohe Empfindlichkeit und schnelle Reaktion und sind ideal für saubere, trockene Gase bei niedrigen Durchflussraten (typischerweise von einigen sccm bis zu mehreren slpm).
2. Inline- oder Bypass-Sensor-Design (MEMS oder CTA)
Diese verwenden entweder:
- A MEMS (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) Sensor in den Strömungsweg integriert.
- A Konstante Temperatur-Anemometrie (CTA) Sensoraufbau, bei dem das Gerät einen beheizten Sensor auf einer konstanten Temperatur im Verhältnis zur Umgebung hält.
Inline-Thermosensoren sind geeignet für höhere Durchflussraten und größere Rohrdurchmesserdie häufig in Industrie- oder Umweltsystemen eingesetzt werden.
Was ist ein thermischer Massendurchflussregler (MFC)?
A Thermischer Massendurchflussregler (MFC) ist ein Gerät, das nicht nur Maßnahmen den Massenstrom eines Gases, sondern auch regelt es auf einen vom Benutzer oder einem Kontrollsystem festgelegten Sollwert.
Es besteht aus drei Hauptkomponenten:
- Thermischer Durchflusssensor: Misst den tatsächlichen Massendurchsatz des Gases in Echtzeit.
- Steuerventil (in der Regel magnetisch oder piezoelektrisch): Moduliert den Gasfluss durch Öffnen oder Schließen auf der Grundlage der Rückmeldung des Sensors.
- PID-Regelungselektronik: Vergleicht den gemessenen Durchfluss mit dem Sollwert und passt die Ventilstellung entsprechend an, um den Durchfluss konstant zu halten.
Hauptmerkmale eines MFC:
- Sollwert-Eingang: Akzeptiert ein analoges Signal (z.B. 0-5V, 0-10V, 4-20mA) oder einen digitalen Befehl, der die gewünschte Durchflussrate angibt.
- Durchflussleistung: Liefert ein analoges Signal (z.B. 0-5V, 4-20mA) proportional zum aktuell gemessene Durchflussmenge.
- Ventilantrieb Ausgang: Das Signal, das an den Stellantrieb des Regelventils gesendet wird.
- Kontroll-Algorithmus: In der Regel ein PID-Algorithmus (Proportional-Integral-Derivative), der für eine schnelle, stabile und genaue Regelung ohne Überschwingen optimiert ist.
- Kalibrierung: Werkskalibriert für bestimmte Gase oder Gasgemische bei bestimmten Eingangsdrücken und Temperaturen. Genauigkeit ist das A und O.
Thermischer Massendurchflussmesser vs. Durchflussregler: Was ist der Unterschied?
Während beide Geräte das gleiche thermische Grundprinzip für Messungsind ihr Zweck und ihre Funktion unterschiedlich:
| Merkmal | Thermischer Massendurchflussmesser (MFM) | Thermischer Massendurchflussregler (MFC) |
|---|---|---|
| Primäre Funktion | Maßnahme der Massendurchsatz eines Gases. | Messung UND Kontrolle der Massendurchsatz eines Gases. |
| Wichtige Komponenten | Thermosensor, Elektronik, Durchflussausgang. | Thermischer Sensor, Steuerventil, Closed-Loop-ElektronikSollwerteingang, Durchflussausgang. |
| Ausgabe | Signal proportional zu gemessener Durchfluss. | Signal proportional zu gemessener Durchfluss UND Ventilansteuerung Signal um den Sollwert zu erreichen. |
| Eingabe | Leistung, Gasfluss. | Leistung, Gasfluss, Sollwert-Befehl. |
| Ventil? | Nein. | Ja. Unerlässlich für eine aktive Regulierung. |
| Regelkreis? | Offene Schleife. Es fließen nur Berichte. | Geschlossener Kreislauf. Stellt das Ventil aufgrund eines Fehlers aktiv ein. |
| Analogie | Wie ein Tachometer in einem Auto. | Wie Geschwindigkeitsregler (Tachometer + Drosselklappensteuerung). |
| Anwendungsfall | Überwachung des Gasverbrauchs, Lecksuche, Prozessüberwachung. | Präzise Dosierung der Reaktanten, Aufrechterhaltung eines konstanten Flusses für die Abscheidung, Sputtern, Mischungsverhältnisse, analytische Instrumente. |
| Komplexität und Kosten | Im Allgemeinen einfacher und kostengünstiger. | Komplexer aufgrund von Ventil und Regelkreis; höhere Kosten. |
Kurz gesagt: ein thermischer Massendurchflussmesser zeigt an, wie viel Gas strömt, während ein thermischer Massendurchflussregler sorgt dafür, dass das Gas mit einer bestimmten Geschwindigkeit fließt.
Metlan Instruments bietet ein umfassendes Sortiment an thermischen Massedurchflussmessern und -reglern an, die alle für hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit und individuelle Anpassung entwickelt wurden. Ganz gleich, ob Sie eine neue Prozesslinie entwerfen oder eine Laboreinrichtung optimieren möchten, wir helfen Ihnen dabei, die beste Lösung für Ihre Anforderungen an die Durchflussregelung zu finden.
Thermischer Massedurchflussregler/-messer:
- Messbereich: 2SCCM～6000SLM
- Genauigkeit: ± 0,5% F.S.; ± 1% F.S.
- Turndown-Verhältnis: Steuergerät: 50:1 | Messgerät: 100:1
- Arbeitstemperatur: 0～50℃
- Max. Betriebsdruck: 10MPa
- Anschluss: φ8，φ10，φ12， Flanscheinbau
- Dichtungsmaterial: Vilton, Neopren, NBR, Metall
Thermischer Massendurchflussmesser:
- Explosionsschutzklasse: Ex db IIC T6 Gb / Ex tb IIIC T80°CDb.
- Messbereich: von 0,1 Nm/s bis 250 Nm/s
- Genauigkeit: Standard: ±(1,5% RD + 0,3% FS) , Optional: ±1% RD
- Turndown-Verhältnis: 2500:1
- Mittlerer Temperaturbereich: -40 bis 80°C
- Max. Prozessdruck: 63 bar
- Volldigitale Signalverarbeitung, höhere Genauigkeit, Langzeitstabilität.
Vorteile von thermischen Massendurchflussreglern
Thermische MFCs sind aus mehreren guten Gründen weit verbreitet:
1. Direkte Massendurchflussmessung
Sie machen separate Druck- und Temperatursensoren oder Kompensationsalgorithmen überflüssig.
2. Hohe Genauigkeit
Moderne thermische MFCs können je nach Kalibrierung und Gastyp eine Genauigkeit von ±1% des Skalenendwerts oder besser bieten.
3. Breite Turndown-Quoten
Viele MFCs können Ströme genau kontrollieren von 2% bis 100% ihrer Nennleistung (50:1 oder mehr).
4. Schnelle Reaktionszeit
Thermische MFCs reagieren schnell auf Änderungen des Durchflussbedarfs oder der Steuersignale und sind daher ideal für dynamische Prozesse.
5. Kompatibilität mit sauberen Gasen und Spezialgasen
Die thermische Technologie eignet sich besonders für reine oder spezielle Gase, die in der Forschung, der Halbleiterindustrie und der Pharmazie verwendet werden.
Anwendungen von thermischen Massendurchflussreglern
Aufgrund ihrer Präzision und Flexibilität werden thermische MFCs in einer Vielzahl von Branchen und Systemen eingesetzt:
- Halbleiterherstellung: Entscheidend für CVD (chemische Gasphasenabscheidung), Ätzen, Epitaxie, Ionenimplantation und Sputtern. Die präzise Steuerung von Dotiergasen, Ausgangsstoffen und Ätzmitteln wirkt sich direkt auf die Schichtdicke, die Gleichmäßigkeit und die Leistung der Bauteile aus.
- Pharmazeutik und Biotechnologie: Fermentationskontrolle (O₂, CO₂, N₂), Bioreaktor-Sparging, Katalysatorforschung, Systeme mit kontrollierter Atmosphäre (Inkubatoren), präzise Dosierung bei der Synthese und Formulierung von Medikamenten.
- Analytische Instrumente: Kalibrierung und Lieferung von Trägergas, Reagenzgasen und Zusatzgasen für GC (Gaschromatographie), MS (Massenspektrometrie), FTIR und andere Laborgeräte, die ultrastabile Ströme erfordern.
- Brennstoffzellen- und Batterieforschung: Kontrolle der Reaktionsgase (H₂, O₂) und Spülgase (N₂) während der Prüfung und des Betriebs.
- Umwelt- und Emissionsüberwachung: Kalibrierung von Gasanalysatoren, Kontrolle des Verdünnungsverhältnisses von Probenahmesystemen.
- Additive Fertigung (3D-Druck): Kontrolle von Schutzgasen (Ar, N₂) und reaktiven Gasen in Metalldruckverfahren wie DMLS/SLM.
- Laserschneiden und -schweißen: Präzise Steuerung der Hilfsgase (O₂, N₂, Ar) zur Optimierung von Schnittqualität und Geschwindigkeit.
- Verbrennung und Prozessoptimierung: Abstimmung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses (z. B. Erdgas, Biogas) in Brennern für maximale Effizienz und minimale Emissionen.
Wichtige Auswahlkriterien für thermische MFCs
Bei der Auswahl eines thermischen Massendurchflussreglers sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:
1. Gasart
Jeder MFC ist für ein bestimmtes Gas kalibriert. Die Verwendung mit einem anderen Gas erfordert Korrekturfaktoren oder eine Neukalibrierung.
2. Durchflussbereich
Definieren Sie die erforderlichen Mindest- und Höchstdurchflussraten. Ein Bereich von 50-100% ist ideal für optimale Genauigkeit.
3. Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
Präzisere Anwendungen (z. B. im Labor oder in der Forschung und Entwicklung) erfordern bessere Spezifikationen als allgemeine industrielle Anwendungen.
4. Druck- und Temperaturbedingungen
Vergewissern Sie sich, dass das Steuergerät für Ihre Betriebsbedingungen ausgelegt ist, insbesondere bei Druckgasversorgungssystemen.
5. Schnittstelle kontrollieren
Analog (0-5V, 4-20mA) oder digital (RS-485, Modbus, Profibus, EtherCAT) - wählen Sie eine Variante, die sich in Ihr Steuerungssystem integrieren lässt.
6. Ventil Typ
Magnetventile sind Standard, aber piezoelektrische Ventile bieten bei einigen Anwendungen eine bessere Auflösung und einen geringeren Stromverbrauch.
