Co to jest kontroler masowego przepływu gazu?

W branżach, w których precyzja i niezawodność nie podlegają negocjacjom - takich jak produkcja półprzewodników, farmaceutyków i przetwórstwo chemiczne - masowe regulatory przepływu gazu (MFC) są niezbędnymi narzędziami. Urządzenia te nie tylko mierzą natężenie przepływu gazów, ale także aktywnie je regulują w celu utrzymania precyzyjnych, zdefiniowanych przez użytkownika wartości zadanych. Od zapewnienia idealnej mieszanki gazów w reaktorze po kontrolę osadzania cienkich warstw na waflach krzemowych, MFC odgrywają kluczową rolę w optymalizacji wydajności, bezpieczeństwa i jakości produktu.

Ten kompleksowy przewodnik szczegółowo omawia regulatory przepływu masy gazu, obejmując ich zasady działania, typy, zastosowania i kluczowe kwestie związane z wyborem. Dzięki niemu zrozumiesz, dlaczego urządzenia te są niezbędne w nowoczesnych procesach przemysłowych i jak wybrać odpowiednie do swoich potrzeb.

Co to jest kontroler masowego przepływu gazu?

A kontroler masowego przepływu gazu (MFC) to urządzenie, które mierzy i reguluje masowe natężenie przepływu gazu w czasie rzeczywistym. W przeciwieństwie do przepływomierzy objętościowych, które mierzą objętość (np. litry na minutę), przepływomierze MFC mierzą przepływ masowy (np. standardowe centymetry sześcienne na minutę, SCCM), uwzględniając zmiany temperatury i ciśnienia. Zapewnia to stałą wydajność nawet w dynamicznych środowiskach.

Kluczowe komponenty:

1. Czujnik przepływu: Mierzy natężenie przepływu gazu (termiczne, różnicy ciśnień lub Coriolisa).
2. Zawór sterujący: Dostosowuje przepływ do żądanej wartości zadanej (np. zawór elektromagnetyczny lub piezoelektryczny).
3. System sterowania w pętli zamkniętej: Wykorzystuje informacje zwrotne z czujnika do modulowania pozycji zaworu.
4. Elektronika: Przekłada dane z czujników na sygnały sterujące i zapewnia interfejsy użytkownika (wyświetlacze cyfrowe, wyjścia analogowe itp.).

Jak działa kontroler przepływu gazu?

Działanie MFC opiera się na trzech podstawowych krokach: pomiar, porównanieoraz dostosowanie.

Krok 1: Pomiar

Czujnik przepływu wykrywa natężenie przepływu gazu. Najpopularniejsze zasady pomiaru obejmują:

• Dyspersja termiczna: Podgrzany element ochładza się, gdy przepływa przez niego gaz; zmiana temperatury koreluje z przepływem masy.
• Różnica ciśnień (DP): Mierzy spadek ciśnienia na elemencie przepływu laminarnego lub płycie kryzy.
• Efekt Coriolisa: Wykorzystuje wibrujące rury do wykrywania przepływu masy za pomocą sił bezwładności.

Krok 2: Porównanie

Sterownik porównuje zmierzone natężenie przepływu z wartością zadaną zdefiniowaną przez użytkownika.

Krok 3: Regulacja

Jeśli wystąpi rozbieżność, system sterowania dostosowuje otwarcie zaworu (za pomocą algorytmów PID), aby zwiększyć lub zmniejszyć przepływ, aż do osiągnięcia wartości zadanej.

Przykład: W piecu półprzewodnikowym zawór MFC utrzymuje precyzyjne natężenie przepływu argonu w celu wytworzenia atmosfery obojętnej. W przypadku wahań ciśnienia zawór natychmiast dostosowuje się, aby ustabilizować przepływ.

Rodzaje sterowników masowego przepływu gazu

Różne technologie nadają się do różnych zastosowań. Poniżej przedstawiamy najpopularniejsze typy:

1. Termiczne regulatory przepływu masowego

Zasada: Mierzy transfer ciepła z ogrzewanego elementu do gazu.

Cechy:

1.  Zaprojektowany do pomiaru gazów o niskim przepływie.
2. Współczynnik obrotu w dół: 50:1 dla cyfrowego regulatora przepływu masowego; 100:1 dla cyfrowego przepływomierza masowego.
3. Czas reakcji: regulator przepływu masowego <0,2 s; przepływomierz masowy <0,1 s
4. Zintegrowany regulator PID do regulacji natężenia przepływu
5. Bezpośredni pomiar masowego natężenia przepływu, automatyczna kompensacja temperatury
6. Dotykowy ekran wyświetlacza
7. Nadaje się do różnych rurociągów wysokiego i niskiego ciśnienia.

2. Regulatory przepływu masowego różnicy ciśnień (DP)

Zasada: Mierzy spadek ciśnienia na elemencie o przepływie laminarnym.

Cechy:

1.  Zaprojektowany do pomiaru gazów o niskim przepływie.
2. Współczynnik obrotu w dół: 50:1 dla cyfrowego regulatora przepływu masowego; 100:1 dla cyfrowego przepływomierza masowego.
3. Czas reakcji: regulator przepływu masowego <0,2 s; przepływomierz masowy <0,1 s
4. Zintegrowany regulator PID do regulacji natężenia przepływu
5. Bezpośredni pomiar masowego natężenia przepływu, automatyczna kompensacja temperatury
6. Dotykowy ekran wyświetlacza
7. Nie wymaga wstępnego podgrzewania, brak opóźnienia reakcji podczas pomiaru.

3. Kontrolery przepływu masowego Coriolisa

Zasada: Mierzy przepływ masy poprzez efekt Coriolisa w wibrujących rurkach.

Cechy:

1. Zaprojektowany do pomiaru niskich przepływów gazu/cieczy.
2. Wysoka precyzja, dobra powtarzalność. W przypadku cieczy dokładność pomiaru może osiągnąć ± 0,25%; w przypadku gazów dokładność pomiaru może osiągnąć ± 0,5%.
3. Wysoka niezawodność i stabilność, odporność na ekstremalne warunki środowiskowe: Produkt utrzymuje stałą wydajność nawet w środowiskach podatnych na wibracje. W przypadku przypadkowych zakłóceń fizycznych, takich jak uderzenia lub kolizje, system automatycznie przywraca stabilny pomiar w ciągu 400 milisekund.
4. Może mierzyć ciecz o wysokiej lepkości i gaz o wysokiej gęstości: MTL20FE mierzy szeroki zakres płynów, takich jak
   Olej smarowy, ciekły azot i inne płyny o dużej gęstości mogą być również dokładnie mierzone.

Tabela porównawcza: Typy gazowych MFC

Zastosowania sterowników masowego przepływu gazu

Gazowe układy MFC mają kluczowe znaczenie w branżach wymagających precyzyjnego dostarczania gazu. Kluczowe zastosowania obejmują:

1. Produkcja półprzewodników

• Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD): Kontroluje gazy prekursorowe (np. silan) w celu osadzania cienkich warstw na waflach.
• Trawienie plazmowe: Reguluje gazy reaktywne (np. CF₄) w celu wytrawiania mikrostruktur.

2. Produkcja farmaceutyczna

• Kontrola zasilania reaktora: Utrzymuje dokładne proporcje gazów (np. O₂, CO₂) w bioreaktorach.
• Sterylizacja: Zarządza przepływem tlenku etylenu do sterylizacji urządzeń medycznych.

3. Monitorowanie środowiska

• Testy emisji: Mierzy gazy cieplarniane (np. CO₂, CH₄) w emisjach kominowych.
• Systemy jakości powietrza: Kontroluje gazy kalibracyjne w analizatorach.

4. Badania nad ogniwami paliwowymi i akumulatorami

• Kontrola przepływu wodoru: Optymalizuje dostarczanie H₂ w ogniwach paliwowych PEM.
• Zarządzanie gazami elektrolitowymi: Reguluje argon w produkcji akumulatorów litowo-jonowych.

5. Lotnictwo i kosmonautyka

• Testowanie silnika: Symuluje warunki wysokościowe poprzez kontrolowanie mieszanki powietrza i azotu.
• Systemy podtrzymywania życia: Zarządza O₂ i N₂ w kabinach statków kosmicznych.

Jak wybrać sterownik masowego przepływu gazu

Wybór odpowiedniego MFC obejmuje ocenę:

1. Kompatybilność z gazami:
   • Gazy korozyjne (np. HCl) wymagają konstrukcji ze stali nierdzewnej lub Hastellay®.
   • Aplikacje wrażliwe na wilgoć wymagają filtrów osuszających.
2. Zakres przepływu:
   • Upewnij się, że MFC obejmuje minimalne i maksymalne natężenie przepływu (np. 0-500 SCCM).
3. Wymagania dotyczące dokładności:
   • Procesy o wysokiej precyzji (np. fabryka półprzewodników) wymagają Coriolisa lub termicznego MFC.
4. Protokoły komunikacyjne:
   • Do wyboru są interfejsy analogowe (4-20 mA), cyfrowe (Modbus, Profibus) lub fieldbus (EtherCAT).
5. Certyfikaty:
   • Środowiska niebezpieczne (ATEX, IECEx) wymagają konstrukcji przeciwwybuchowych.

Kontrolery masowego przepływu gazu są niedocenianymi bohaterami nowoczesnych procesów przemysłowych, zapewniając niezrównaną precyzję w branżach, w których liczy się każda cząsteczka. Niezależnie od tego, czy wytwarzasz urządzenia półprzewodnikowe w nanoskali, czy opracowujesz leki ratujące życie, wybór odpowiedniego MFC - termicznego, DP, Coriolisa lub innego typu - zapewnia wydajność, zgodność i jakość produktu.