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低氣體流量如何測量與控制?

來源: 作者: 發布日期:2020-10-23

介紹

流量計有幾種基本的測量技術,例如:
除了上述提到的以外,還有一些鮮為人知的獨特類型的流量計技術,這些技術通常為單個應用提供解決方案。沒有“非常佳流量計”,這完全取決于應用程序以及用戶對設備的期望。
 
在本文中,您將了解氣體流量相對較低的測量儀器,例如 ,從幾cc / min到500或1000 ln / min。在這一應用領域中,非常常見的儀表是帶有熱旁路概念的氣體質量流量計。有氣體 質量流量計(MFM) 和 質量流量控制器(MFC)。非常終,流量計將配備一個控制閥,您可以提供一個確定所產生的氣體流量的設定值。MFC是這些工具的參考。
 
測量概念
       在熱旁路概念中,大多數測得的氣體流經旁路。在旁路中是一個產生非常小壓降的元件。結果,少量氣體流經傳感器,該傳感器平行于旁路運行。該傳感器測量氣體流量,該氣體流量代表所監視氣體的總量。每個儀器都針對特定的氣體和特定的測量范圍而構建。
熱旁路
 
       質量流量計(MFM)和質量流量控制器(MFC)的名稱不言而喻:這些儀器測量和調節氣體流量,例如以kg / hr為單位。測量值也可以以標準化體積為單位表示,例如ln / min(每分鐘標準升)或SCFH(每小時標準立方英尺)。在SCFH(每小時標準立方英尺)中,“ S”是指20°C和1個大氣壓,而NCCM(標準立方厘米/分鐘)是在0°C和1個大氣壓的參考條件下表示的。畢竟,氣體的質量單位與歸一化體積(密度)之間存在固定的關系。
 
       基于毛細管傳感器的MFC 與帶有MEMS(微機電系統)傳感器的儀器 之間存在區別 。兩種傳感器技術都有優點和局限性。由于沒有可怕的測量儀器,在此特意避免使用“ cons”一詞。該應用程序可以驅動首選示例,例如 保時捷911 是一款出色的汽車,但您不應在撒哈拉沙漠中使用它。
 
什么是毛細管流量傳感器?
      毛細管傳感器由一根細鋼管(外徑為0.2至1毫米)組成,并用兩根細鉑金絲包裹。的鉑絲用作電阻和是惠斯通電橋的一部分。鉑絲的電阻值取決于溫度。這些導線中有電流通過,從而將它們加熱。在零流量時,電阻是相同的,但是當流量通過傳感器時,電子設備會檢測到溫度差。
 
        MFC中的層流元件(LFE)在旁路中配有毛細管傳感器。該LFE會產生層流行為,就像在傳感器內部一樣。LFE意味著通過傳感器的流量與通過旁路的流量之間的關系在測量范圍內幾乎是線性的。由于這種線性關系,可以用廉價的純凈氣體(如空氣)校準該MFC并使用已知因素使儀表適合其他異國,爆炸,有毒或易燃氣體。如果應用所謂的K因子,則會有更多不確定性。在知名制造商的用戶手冊中,據報告指示性誤差還超過2%。諸如粘度,壓力和溫度之類的參數會影響K因子的準確性。重要的是要注意這種傳統的校準方法,該方法會產生不確定性,而這些不確定性在文檔中很少提及。
 
        此類MFM / MFC必須使用應用中使用的實際氣體進行校準。優點是儀器因此更加精確。對于某些奇特的氣體,可能會產生相關性,盡管重復性仍然很低,但準確性會受到影響。
 
什么是MEMS流量傳感器?
       基于MEMS的MFM / MFC沒有LFE,而是有規律的旁路。其功能是確保流過傳感器的總氣體的定義百分比。傳感器的孔徑大得多,因此,例如,壓降相對較低,并且傳感器對污染的敏感性低于毛細管。MEMS傳感器的靈敏度也高得多,這是因為可以獲得1000:1的調節比(毛細管傳感器的調節比是50:1)。
 
        然而,MEMS傳感器的非常大優點是沒有(可測量的)漂移。漂移是零的緩慢偏移,因此給定流量下的測量值會影響精度。
 
MEMS傳感器測量原理
MEMS質量流量計的傳感器
利弊
 
       毛細管傳感器在鉑絲上表現出機械應力和熱應力以及絕緣材料的老化。毛細管傳感器必須在加熱柜中接受“老化”,以加速老化過程。老化的毛細管傳感器顯示的漂移小于,但仍然存在。制造商有時會使用低流量截止選項來隱藏這種效果。在特定值下,測試信號被強制為零,從而掩蓋了小的漂移。
 
       MEMS傳感器由兩個或三個溫度傳感器和一個加熱器組成,該加熱器氣相沉積為薄膜上的微觀分子層。從概念上講,MEMS是低能量的傳感器,并且由于膜的熱和應力隔離,這確保MEMS傳感器不受任何機械應力和熱應力的影響。另外一個要點:傳感器是全部安裝在MEMS上的電子電路的一部分。被測信號立即在MEMS傳感器本身上數字化。沒有不良的連接,沒有EMC使信號失真。這些是MEMS傳感器不漂移并保持長期精度,可重復性和可靠性的主要原因。
 
       傳感器的另一個優點是速度非常快:響應時間為50毫秒。接通電源后,一秒鐘內即可使用設備,而毛細管概念需要15分鐘。儀器不需要定期進行調零(對于毛細管MFC,這是標準程序)。基于MEMS的MFC顯著提高了被測流量和調節流量的可靠性。
 
       非常后,不應提及MEMS確實需要進行適當的溫度補償。更先進的制造商總是在兩個不同的溫度下校準他們的MEMS單元。在運行期間,它們測量氣體溫度并補償MFM / MFC讀數。這也有助于氣體測量/控制的準確性和可重復性。
 
概要
       這兩個概念都有其強項和弱項。所述毛細管傳感器,結合所述LFE導致通過傳感器和旁路流之間的合理的線性關系。因此,可以使用所謂的K因子,即兩種氣體之間的乘數。對于腐蝕性氣體,毛細管傳感器可以使用安全氣體(如空氣)進行校準,并使用此K系數。這樣,這些單元就可以用腐蝕性氣體測量出合理的校正值。
 
       但是,K因子校準并不總是準確的,有些MFC比其他的要好,盡管大多數毛細管制造商都沒有這樣做,但非常好還是用實際氣體進行校準。其他優點還包括高壓版本的可用性以及腐蝕性應用材料的選擇。
 
       對于基于MEMS的MFC,我們在準確性,響應時間和量程比方面有更好的規格。MEMS傳感器無法使用K因子,因此MFC需要使用實際氣體進行校準。限制是這些MFC不適合每種氣體。一些MEMS制造商為補償其器件的溫度做了很長的路要走。這樣可以在更寬的溫度范圍內提供更高的精度。
 
       基于MEMS的MFC的關鍵優勢在于傳感器的零漂移。這樣可以提高長期精度,可重復性和可靠性。
 
4質量流量控制器模塊化類型
客戶特定解決方案中的四個質量流量控制器
 
質量流量控制器的典型應用
  • PVD-以及半導體行業的其他流程
  • 生物反應器中空氣,氧氣,氮氣和二氧化碳的劑量
  • 空氣注入冰淇淋,獲得乳脂狀產品和非常佳口味
  • 啤酒發酵過程中使用的空氣/氧氣劑量
  • 在食品包裝應用中為食品加氣的氣體混合(MAP:氣調包裝)
  • 實驗室應用,例如分析和催化劑研究<
  • 泄漏測量和滲透率研究
  • 玻璃燃燒器的氣體控制(氧氣和燃料)質量和成本降低
  • 使用流量/壓力法進行組件測試
  • 金屬處理工藝
  • 分析儀中的流量控制
  • 沖洗/沖氣
  • 一棟建筑/工業綜合體中多個部門的耗氣量測量
  • 液態金屬凈化中的氣體計量
  • 還有更多您可以考慮的……

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