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, termiczne regulatory przepływu masy (MFC) wyróżniają się dokładnością, niezawodnością i możliwością zapewnienia kontroli masowego natężenia przepływu w pętli zamkniętej.
W tym wpisie na blogu wyjaśniono, czym jest termiczny pomiar przepływu masowego, jak działa, jakie są rodzaje stosowanych czujników i co wyróżnia termiczny pomiar przepływu masowego. termiczny regulator przepływu masowego z termiczny przepływomierz masowy. Przyjrzymy się również kluczowym korzyściom, zastosowaniom i czynnikom, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze termicznego MFC.
Czym jest termiczny pomiar przepływu masowego?
Termiczny pomiar przepływu masowego jest bezpośrednia metoda pomiaru masowego natężenia przepływu gazu na podstawie jego właściwości termicznych. W przeciwieństwie do pomiaru przepływu wolumetrycznego, który mierzy ilość przestrzeni zajmowanej przez gaz (która może zmieniać się w zależności od ciśnienia i temperatury), termiczny przepływ masowy mierzy przepływ masowy gazu. rzeczywista masa cząsteczek gazu przepływającego przez system - krytyczne rozróżnienie w zastosowaniach, w których wymagana jest precyzyjna kontrola ilości gazu, a nie tylko jego objętości.
Podstawowa zasada
Podstawowa zasada działania termicznego pomiaru przepływu masowego opiera się na wymiana ciepłaGdy gaz przepływa obok rozgrzanego elementu, to odprowadza ciepło. Szybkość utraty ciepła jest wprost proporcjonalna do masowe natężenie przepływu gazu. Im wyższy przepływ, tym więcej ciepła jest odprowadzane.
Dzięki temu termiczne przepływomierze masowe oferują Odczyty rzeczywistego przepływu masowegozazwyczaj mierzone w jednostkach takich jak standardowe litry na minutę (SLPM) lub kilogramów na godzinę (kg/h)bez konieczności zewnętrznej kompensacji temperatury lub ciśnienia.
Główne typy czujników w termicznym pomiarze przepływu masowego
W termicznych przepływomierzach masowych stosowane są dwie podstawowe konstrukcje czujników:
1. Konstrukcja czujnika kapilarnego
Konstrukcja ta jest powszechnie stosowana w aplikacjach niskoprzepływowych i składa się z:
- A Rurka kapilarna o małej średnicy przez który kierowana jest część gazu.
- Umieszczone dwa czujniki temperatury w górę i w dół rzeki małego grzejnika.
- Przepływający gaz przenosi ciepło z czujnika znajdującego się przed czujnikiem do czujnika znajdującego się za czujnikiem, tworząc mierzalną różnicę temperatur.
Konstrukcje kapilarne oferują Wysoka czułość i szybka reakcja i są idealne dla czyste, suche gazy przy niskich prędkościach przepływu (zazwyczaj od kilku sccm do kilku slpm).
2. Konstrukcja czujnika wbudowanego lub obejściowego (MEMS lub CTA)
Używają one albo:
- A MEMS (systemy mikroelektromechaniczne) czujnik zintegrowany ze ścieżką przepływu.
- A Anemometria w stałej temperaturze (CTA) Konfiguracja czujnika, w której urządzenie utrzymuje podgrzewany czujnik w stałej temperaturze względem otoczenia.
Czujniki termiczne Inline są odpowiednie dla wyższe natężenia przepływu oraz większe średnice rurczęsto stosowane w systemach przemysłowych lub środowiskowych.
Co to jest termiczny regulator przepływu masowego (MFC)?
A termiczny regulator przepływu masowego (MFC) to urządzenie, które nie tylko środki masowy przepływ gazu, ale także reguluje to do wartości zadanej zdefiniowanej przez użytkownika lub system sterowania.
Składa się on z trzech głównych elementów:
- Termiczny czujnik przepływu: Mierzy rzeczywiste masowe natężenie przepływu gazu w czasie rzeczywistym.
- Zawór sterujący (zazwyczaj elektromagnetyczny lub piezoelektryczny): Moduluje przepływ gazu poprzez otwieranie lub zamykanie w oparciu o informacje zwrotne z czujnika.
- Elektronika sterująca PID: Porównuje zmierzony przepływ z wartością zadaną i odpowiednio dostosowuje pozycję zaworu, aby utrzymać stały przepływ.
Kluczowe cechy MFC:
- Wejście wartości zadanej: Akceptuje sygnał analogowy (np. 0-5 V, 0-10 V, 4-20 mA) lub polecenie cyfrowe określające żądane natężenie przepływu.
- Przepływ wyjściowy: Zapewnia sygnał analogowy (np. 0-5 V, 4-20 mA) proporcjonalny do rzeczywisty zmierzone natężenie przepływu.
- Wyjście napędu zaworu: Sygnał wysyłany do siłownika zaworu sterującego.
- Algorytm sterowania: Zazwyczaj jest to algorytm PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujący) zoptymalizowany pod kątem szybkiego, stabilnego i dokładnego sterowania bez przeregulowań.
- Kalibracja: Fabrycznie skalibrowany dla określonych gazów lub mieszanin gazów przy określonych ciśnieniach wlotowych i temperaturach. Dokładność jest najważniejsza.
Termiczny przepływomierz masowy a regulator przepływu: Jaka jest różnica?
Podczas gdy oba urządzenia wykorzystują tę samą zasadę termiczną dla pomiarIch przeznaczenie i funkcjonalność są różne:
| Cecha | Termiczny przepływomierz masowy (MFM) | Termiczny regulator przepływu masowego (MFC) |
|---|---|---|
| Podstawowa funkcja | Pomiar masowe natężenie przepływu gazu. | Pomiar i kontrola masowe natężenie przepływu gazu. |
| Kluczowe komponenty | Czujnik termiczny, elektronika, wyjście przepływu. | Czujnik termiczny, Zawór sterujący, Elektronika o zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnegoWejście wartości zadanej, Wyjście przepływu. |
| Wyjście | Sygnał proporcjonalny do zmierzony przepływ. | Sygnał proporcjonalny do zmierzony przepływ ORAZ Sygnał napędu zaworu aby osiągnąć wartość zadaną. |
| Wejście | Moc, przepływ gazu. | Moc, przepływ gazu, Polecenie wartości zadanej. |
| Zawór? | Nie. | Tak. Niezbędny do aktywnej regulacji. |
| Pętla kontrolna? | Otwarta pętla. Przepływają tylko raporty. | Zamknięta pętla. Aktywnie dostosowuje zawór na podstawie błędu. |
| Analogia | Jak prędkościomierz w samochodzie. | Jak tempomat (prędkościomierz + sterowanie przepustnicą). |
| Przypadek użycia | Monitorowanie zużycia gazu, wykrywanie wycieków, obserwacja procesu. | Precyzyjne dozowanie reagentów, utrzymywanie stałego przepływu do osadzania, napylanie, proporcje mieszania, oprzyrządowanie analityczne. |
| Złożoność i koszty | Generalnie prostsze i tańsze. | Bardziej złożony ze względu na zawór i pętlę sterowania; wyższy koszt. |
W skrócie: termiczny przepływomierz masowy informuje o ilości przepływającego gazupodczas gdy termiczny regulator przepływu masowego zapewnia przepływ gazu z określoną prędkością.
W Metlan Instruments oferujemy pełną gamę termicznych przepływomierzy masowych i sterowników, z których każdy został zaprojektowany z myślą o wysokiej dokładności, niezawodności i dostosowaniu do potrzeb klienta. Niezależnie od tego, czy projektujesz nową linię technologiczną, czy optymalizujesz konfigurację laboratoryjną, jesteśmy tutaj, aby pomóc Ci znaleźć najlepsze rozwiązanie dla Twoich potrzeb w zakresie kontroli przepływu.
Termiczny masowy regulator przepływu / miernik:
- Zakres pomiarowy: 2SCCM～6000SLM
- Dokładność: ± 0,5% F.S; ± 1% F.S
- Współczynnik obrotu: Kontroler: 50:1 | Miernik: 100:1
- Temperatura pracy: 0～50℃
- Maks. ciśnienie robocze: 10 MPa
- Złącze: φ8，φ10，φ12， montaż kołnierzowy
- Materiał uszczelniający: Vilton, neopren, NBR, metal
Termiczny przepływomierz masowy:
- Klasa przeciwwybuchowości: Ex db IIC T6 Gb / Ex tb IIIC T80°CDb.
- Zakres pomiarowy: od 0,1 Nm/s do 250 Nm/s
- Dokładność: Standardowa: ±(1.5% RD + 0.3% FS), Opcjonalna: ±1% RD
- Współczynnik turndown: 2500:1
- Średni zakres temperatur: od -40 do 80°C
- Maks. Ciśnienie procesowe: 63 bar
- W pełni cyfrowe przetwarzanie sygnału, wyższa dokładność, długoterminowa stabilność.
Zalety termicznych sterowników przepływu masowego
Termiczne układy MFC są szeroko stosowane z kilku ważnych powodów:
1. Bezpośredni pomiar przepływu masowego
Eliminują one potrzebę stosowania oddzielnych czujników ciśnienia i temperatury lub algorytmów kompensacji.
2. Wysoka dokładność
Nowoczesne termiczne czujniki MFC mogą oferować dokładność na poziomie ±1% pełnej skali lub wyższym, w zależności od kalibracji i rodzaju gazu.
3. Szerokie współczynniki zwrotu
Wiele urządzeń MFC może dokładnie kontrolować przepływy z 2% do 100% ich wydajności znamionowej (50:1 lub więcej).
4. Szybki czas reakcji
Termiczne czujniki MFC szybko reagują na zmiany zapotrzebowania na przepływ lub sygnały sterujące, dzięki czemu idealnie nadają się do dynamicznych procesów.
5. Kompatybilność z gazami czystymi i specjalnymi
Technologia termiczna jest szczególnie odpowiednia dla gazów czystych lub specjalnych stosowanych w badaniach, półprzewodnikach i farmaceutykach.
Zastosowania termicznych regulatorów przepływu masowego
Ze względu na swoją precyzję i elastyczność, termiczne układy MFC są stosowane w wielu branżach i systemach:
- Produkcja półprzewodników: Krytyczne dla CVD (chemicznego osadzania z fazy gazowej), wytrawiania, epitaksji, implantacji jonów i rozpylania. Precyzyjna kontrola gazów domieszkujących, prekursorów i wytrawiaczy ma bezpośredni wpływ na grubość, jednorodność i wydajność urządzenia.
- Farmaceutyka i biotechnologia: Kontrola fermentacji (O₂, CO₂, N₂), rozpylanie w bioreaktorach, badania nad katalizatorami, systemy kontrolowanej atmosfery (inkubatory), precyzyjne dozowanie w syntezie i formulacji leków.
- Instrumenty analityczne: Kalibracja i dostarczanie gazu nośnego, gazów odczynnikowych i gazów uzupełniających do GC (chromatografii gazowej), MS (spektrometrii masowej), FTIR i innych urządzeń laboratoryjnych wymagających ultrastabilnych przepływów.
- Badania nad ogniwami paliwowymi i akumulatorami: Kontrola gazów reakcyjnych (H₂, O₂) i gazów oczyszczających (N₂) podczas testowania i działania.
- Monitorowanie środowiska i emisji: Kalibracja analizatorów gazu, kontrolowanie współczynników rozcieńczenia dla systemów pobierania próbek.
- Produkcja addytywna (druk 3D): Kontrola gazów osłonowych (Ar, N₂) i gazów reaktywnych w procesach drukowania metali, takich jak DMLS/SLM.
- Cięcie laserowe i spawanie: Precyzyjna kontrola gazów pomocniczych (O₂, N₂, Ar) w celu optymalizacji jakości i prędkości cięcia.
- Spalanie i optymalizacja procesów: Dostrajanie stosunku paliwa do powietrza (np. gazu ziemnego, biogazu) w palnikach w celu uzyskania maksymalnej wydajności i minimalnych emisji.
Kluczowe kryteria wyboru termicznych ogniw MFC
Wybierając termiczny regulator przepływu masowego, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:
1. Typ gazu
Każde urządzenie MFC jest skalibrowane dla określonego gazu. Używanie go z innym gazem wymaga współczynników korekcyjnych lub ponownej kalibracji.
2. Zakres przepływu
Zdefiniuj minimalne i maksymalne wymagane natężenie przepływu. Zakres 50-100% jest idealny dla uzyskania optymalnej dokładności.
3. Dokładność i powtarzalność
Zastosowania o wyższej precyzji (np. laboratoria lub badania i rozwój) wymagają lepszych specyfikacji niż ogólne zastosowania przemysłowe.
4. Warunki ciśnienia i temperatury
Upewnij się, że sterownik jest przystosowany do warunków pracy, szczególnie w przypadku systemów dostarczania gazu pod ciśnieniem.
5. Interfejs sterowania
Analogowy (0-5 V, 4-20 mA) lub cyfrowy (RS-485, Modbus, Profibus, EtherCAT) - wybierz taki, który integruje się z Twoim systemem sterowania.
6. Typ zaworu
Zawory elektromagnetyczne są standardem, ale zawory piezoelektryczne oferują lepszą rozdzielczość i niższe zużycie energii w niektórych zastosowaniach.
