Was ist ein Gasmassendurchflussregler?

In industries where precision and reliability are non-negotiable—such as semiconductor manufacturing, pharmaceuticals, and chemical processing—gas mass flow controllers (MFCs) are indispensable tools. These devices not only measure the flow rate of gases (especially low flow flow measurement) but also actively regulate it to maintain precise, user-defined setpoints. From ensuring the perfect gas mixture in a reactor to controlling the deposition of thin films on silicon wafers, MFCs play a critical role in optimizing efficiency, safety, and product quality.

Dieser umfassende Leitfaden befasst sich eingehend mit Gasmassendurchflussreglern, ihren Funktionsprinzipien, Typen, Anwendungen und den wichtigsten Überlegungen zur Auswahl. Am Ende werden Sie verstehen, warum diese Geräte für moderne industrielle Prozesse unerlässlich sind und wie Sie das richtige Gerät für Ihre Bedürfnisse auswählen.

Was ist ein Gasmassendurchflussregler?

A Gas-Massendurchflussregler (MFC) ist ein Gerät, das misst und regelt den Massendurchfluss eines Gases in Echtzeit. Im Gegensatz zu volumetrischen Durchflussmessern, die das Volumen (z. B. Liter pro Minute) messen, messen MFCs den Massendurchfluss (z. B. Normkubikzentimeter pro Minute, SCCM) und berücksichtigen dabei Temperatur- und Druckschwankungen. Dies gewährleistet eine gleichbleibende Leistung auch in dynamischen Umgebungen.

Wichtige Komponenten:

1. Durchfluss-Sensor: Measures the gas flow rate (thermal, differential pressure, or Coriolis-based).
2. Steuerventil: Stellt den Durchfluss auf den gewünschten Sollwert ein (z. B. Magnet- oder Piezoventil).
3. Geschlossener Regelkreis: Verwendet das Feedback des Sensors, um die Ventilstellung zu modulieren.
4. Elektronik: Wandelt Sensordaten in Steuersignale um und bietet Benutzerschnittstellen (digitale Anzeigen, analoge Ausgänge usw.).

Wie funktioniert ein Gasmassenstromregler?

Die Funktionsweise eines MFC beruht auf drei zentralen Schritten: Messung, Vergleichund Anpassung.

Schritt 1: Messung

Der Durchflusssensor erfasst die Gasdurchflussmenge. Zu den gängigsten Messprinzipien gehören:

• Thermische Dispersion: Ein beheiztes Element kühlt ab, wenn Gas daran vorbeiströmt; die Temperaturänderung korreliert mit dem Massendurchfluss.
• Differentialdruck (DP): Misst den Druckabfall über ein laminares Strömungselement oder eine Blende.
• Coriolis-Effekt: Verwendet vibrierende Rohre, um den Massendurchfluss über Trägheitskräfte zu messen.

Schritt 2: Vergleich

Der Regler vergleicht die gemessene Durchflussmenge mit dem benutzerdefinierten Sollwert.

Schritt 3: Anpassung

Im Falle einer Abweichung passt das Regelsystem die Ventilöffnung (über PID-Algorithmen) an, um den Durchfluss zu erhöhen oder zu verringern, bis der Sollwert erreicht ist.

Beispiel: In einem Halbleiterofen sorgt ein MFC für eine präzise Argon-Durchflussrate, um eine inerte Atmosphäre zu schaffen. Bei Druckschwankungen passt sich das Ventil sofort an, um den Durchfluss zu stabilisieren.

Arten von Gasmassenstromreglern

Verschiedene Technologien eignen sich für unterschiedliche Anwendungen. Nachstehend sind die gängigsten Typen aufgeführt:

1. Thermal Mass Flow Controllers

Grundsatz: Misst die Wärmeübertragung von einem beheizten Element auf das Gas.

Merkmale:

1.  Konzipiert für Gasmessungen mit geringem Durchfluss.
2. Turn Down Ratio: 50:1 für digitale Massendurchflussregler; 100:1 für digitale Massendurchflussmesser.
3. Ansprechzeit: Massendurchflussregler<0,2s; Massendurchflussmesser <0,1s
4. Integrierter PID-Regler zur Regelung der Durchflussmenge
5. Direkte Messung des Massendurchflusses, automatische Temperaturkompensation
6. Berührbarer Bildschirm
7. Geeignet für verschiedene Hoch- und Niederdruck-Rohrleitungen.

2. Differenzdruck (DP) Massendurchflussregler

Grundsatz: Misst den Druckabfall über ein laminares Strömungselement.

Merkmale:

1.  Konzipiert für Gasmessungen mit geringem Durchfluss.
2. Turn Down Ratio: 50:1 für digitale Massendurchflussregler; 100:1 für digitale Massendurchflussmesser.
3. Ansprechzeit: Massendurchflussregler<0,2s; Massendurchflussmesser <0,1s
4. Integrierter PID-Regler zur Regelung der Durchflussmenge
5. Direkte Messung des Massendurchflusses, automatische Temperaturkompensation
6. Berührbarer Bildschirm
7. Kein Vorheizen erforderlich, keine Reaktionsverzögerung während der Messung.

3. Coriolis-Massendurchflussregler

Grundsatz: Misst den Massendurchfluss über den Coriolis-Effekt in vibrierenden Rohren.

Merkmale:

1. Konzipiert für die Messung von Gasen und Flüssigkeiten mit geringem Durchfluss.
2. Hohe Präzision, gute Wiederholbarkeit. Für Flüssigkeiten kann die Messgenauigkeit ± 0,25% erreichen; für Gase kann die Messgenauigkeit ± 0,5% erreichen.
3. Hohe Zuverlässigkeit und Stabilität, die auch extremen Umweltbedingungen standhalten: Das Produkt bietet selbst in vibrationsanfälligen Umgebungen eine konstante Leistung. Bei zufälligen physischen Störungen wie Stößen oder Kollisionen stellt das System automatisch innerhalb von 400 Millisekunden eine stabile Messung wieder her.
4. Es kann Flüssigkeiten mit hoher Viskosität und Gase mit hoher Dichte messen: MTL20FE misst eine breite Palette von Flüssigkeiten, wie z. B.
   Schmieröl, flüssiger Stickstoff und andere Flüssigkeiten mit hoher Dichte können ebenfalls genau gemessen werden.

Vergleichstabelle: Gas-MFC-Typen

Anwendungen von Gasmassenstromreglern

Gas-MFCs sind in Branchen, die eine präzise Gaszufuhr benötigen, von entscheidender Bedeutung. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

1. Halbleiterherstellung

• Chemische Gasphasenabscheidung (CVD): Steuert Vorläufergase (z. B. Silan) zur Abscheidung dünner Schichten auf Wafern.
• Plasma-Ätzen: Reguliert reaktive Gase (z. B. CF₄), um Mikrostrukturen zu ätzen.

2. Pharmazeutische Produktion

• Kontrolle der Reaktorzufuhr: Maintains exact gas ratios (e.g., O₂, CO₂ flow meter) in bioreactors.
• Sterilisation: Verwaltet den Ethylenoxidfluss für die Sterilisation medizinischer Geräte.

3. Umweltüberwachung

• Emissionsprüfung: Misst Treibhausgase (z. B. CO₂, CH₄) in Schornsteinemissionen.
• Luftqualitätssysteme: Kontrolliert Kalibriergase in Analysegeräten.

4. Brennstoffzellen- und Batterieforschung

• Wasserstoff-Durchflusskontrolle: Optimiert die H₂-Zufuhr in PEM-Brennstoffzellen.
• Elektrolytgas-Management: Reguliert Argon bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien.

5. Luft- und Raumfahrt

• Motorprüfung: Simuliert die Bedingungen in der Höhe durch Kontrolle des Luft/Stickstoff-Gemisches.
• Lebenserhaltende Systeme: Verwaltet O₂ und N₂ in Raumschiffkabinen.

Auswahl eines Gasmassenstromreglers

Bei der Auswahl des richtigen MFC ist eine Bewertung erforderlich:

1. Gas-Kompatibilität:
   • Korrosive Gase (z. B. HCl) erfordern eine Konstruktion aus rostfreiem Stahl oder Hastellay®.
   • Für feuchtigkeitsempfindliche Anwendungen werden Trockenmittel-Filter benötigt.
2. Durchflussbereich:
   • Vergewissern Sie sich, dass die MFC Ihre minimalen und maximalen Flussraten abdeckt (z. B. 0-500 SCCM).
3. Genauigkeitsanforderungen:
   • Hochpräzise Prozesse (z. B. Halbleiterfertigung) erfordern Coriolis- oder thermische MFCs.
4. Kommunikationsprotokolle:
   • Wählen Sie zwischen analogen (4-20 mA), digitalen (Modbus, Profibus) oder Feldbus-Schnittstellen (EtherCAT).
5. Zertifizierungen:
   • Gefährliche Umgebungen (ATEX, IECEx) erfordern explosionsgeschützte Konstruktionen.

Gasmassenstromregler sind die unbesungenen Helden moderner industrieller Prozesse und ermöglichen unvergleichliche Präzision in Branchen, in denen jedes Molekül zählt. Ganz gleich, ob Sie Halbleiterbauteile im Nanomaßstab herstellen oder lebensrettende Arzneimittel entwickeln, die Wahl des richtigen MFC - thermisch, DP, Coriolis oder ein anderer Typ - sorgt für Effizienz, Konformität und Produktqualität.