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Massendurchflussregler Messtechnik: Ein Rückblick

Alle Massendurchflussregler sind so ausgelegt, dass sie das gleiche Ziel erreichen, aber es gibt zahlreiche Messtechniken. Um die Durchflussrate eines Gasstroms zu zähmen, müssen zwei Systeme hintereinander arbeiten: ein Steuerventil und ein Durchflussmesselement. Hier sind vier Hauptarten der Durchflusselement-Technologie, die in heutigen Massenflussreglern verwendet werden:

Thermischer Bypass

Thermal dispersion bypass flow meter

Die thermische Dispersion ist die Generation X der Durchflussmesstechnik; In den 1960er und 70er Jahren wurde die erste Technologie zur Messung der thermischen Dispersionsmassenströmung entwickelt, und sie hat sich zu einem festen Bestandteil in der Halbleiterindustrie entwickelt. Durch Messung der Wärmeübertragung zwischen einem Heizelement und einem parallel zur Gasströmungsrichtung auf einer Bypassleitung montierten Temperatursensor kann der Massenstrom des Gases in der Leitung gemessen werden.
Die breite Einführung der thermischen Bypass-Durchflußmessung in der Halbleiterindustrie ist das Ergebnis einiger weniger wünschenswerter Merkmale; Benetzte Teile aus 316L-Edelstahl, wählbare Elastomere und sogar Metall-Metall-Dichtungen bieten den hochkorrosiven Chemikalien, die in Halbleiterprozessen verwendet werden, den notwendigen Widerstand. Thermische Bypass-Durchflussmessgeräte sind auch in der Lage, einen breiten Bereich von Durchflussraten und Drücken zu messen, von Hundertstel Millilitern pro Minute bis zu Tausenden Litern pro Minute bei verschiedenen Körpergrößen. Drücke von bis zu 700 bar sind möglich, typischerweise werden diese Geräte jedoch um 20 bar eingesetzt.
Diese unglaubliche Leistung der menschlichen Innovation ist jedoch nicht ohne Mängel! Diese Durchflussmessgeräte müssen mit den tatsächlichen Gasarten in der Endanwendung kalibriert werden, die potenziell gefährlich und / oder teuer sind. Andernfalls müssen sie ihre Durchflusswerte um einen Korrekturfaktor ändern. Korrekturfaktoren führen zu einer gewissen Unsicherheit bei der Messung und verringern die Genauigkeit. Ein weiterer Nachteil ist, dass das größte Verhältnis zwischen den Regeln 50: 1 ist. Dies ist zwar besser als das 8: 1 oder 20: 1 der früheren Technologien, verglichen mit unserem 200: 1, jedoch begrenzt dieses Verhältnis die nutzbare Reichweite dieser Geräte stark. Eine der unbequemsten Anforderungen von thermischen Bypass-Durchflussmessgeräten ist ihre lange Aufwärmzeit, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen: 30 Minuten sind nicht ungewöhnlich (30 Minuten laufendes Gas!) Wenn eine strikte Kontrolle des Durchflusses kritisch ist, können Benutzer die 500  1500 Millisekunden Kontrollzeiten als unzureichend empfinden.

Durchfluss Konstanttemperatur-Anemometrie

Constant temperature anenometry

Durchfluss-Konstanttemperatur-Anemometrie ist eine enge Verwandtschaft zur thermischen Bypass-Technologie; Anstelle eines Bypasses werden eine Heizung und eine Temperatursensorsonde direkt in den Strom eingeführt, um die thermische Dispersion durch das strömende Gas zu messen. Eine konstante ΔT wird zwischen der Heizeinrichtung und dem Sensor aufrechterhalten, und der Leistungsunterschied, der erforderlich ist, um ΔT bei verschiedenen Strömungsraten aufrechtzuerhalten, ist mit dem Massenstrom korreliert.
Diese Art von Regler kann mit den gleichen korrosionshemmenden Materialien wie thermische Bypass-Geräte hergestellt werden, aber sie haben viele der gleichen Schwächen. Zu den Schwächen der Durchflußanemometrie gehören ein 50: 1-Turndown, eine Einschwingzeit von 2000 Millisekunden, eine Aufwärmzeit von 30 Minuten, eine Genauigkeit von 1,5-2% und ein niedrigerer Maximaldruck als bei thermischen Bypass-Einheiten: 30 bar für rostfreie Instrumente.

MEMS und CMOS ‚Chip Flow‘

MEMS thermal chip sensor schematic

Prinzip des thermischen Massendurchflußmessers

 

Diese Technologien sind eine Anwendung der thermischen Massendurchflussmessung in Miniaturchipform. MEMS- und CMOS-Chips mitteln die über einen Chip gemessene Temperaturänderung. Die thermische Belastung wird durch eine Konstantleistungsheizung erzeugt. Aufgrund der Größe des Messelements können Chip-Flow-Vorrichtungen sehr klein sein und sehr wenig Strom verbrauchen. Im Gegensatz zu der Durchfluss-Konstanttemperatur-Anemometrie und der thermischen Bypass-Technologie können diese winzigen Geräte außergewöhnliche Reaktionszeiten haben, wenn sie mit einem gut abgestimmten Steuerungspaket kombiniert werden, sogar in nur 50 ms.
Die OEM-Massendurchflussregler von Alicat verwenden diese Technologie, um Ihnen eine schnelle, genaue Massendurchflusskontrolle in einem kleinen, erschwinglichen Paket zu ermöglichen. Mit Real-Gas-Kalibrierung erhalten Sie eine bessere Genauigkeit als andere thermische Geräte, 1,5% Lesung + 0,5% Full Scale, mit einer schnellen Reaktionszeit von 100 ms. Alicats Basis Turndown-Verhältnisse so hoch wie 200: 1 – für das 100 sccm Modell ist es 100: 1. Und dank der mikroskopischen Größe des Sensors sind Aufwärmzeiten bis zur vollen Genauigkeit weniger als eine Sekunde.

Laminar Durchfluss Differenzdruck

3D Laminar differential pressure schematic

Die Laminar-Durchfluss- Differenzdruck-Technologie nutzt einen anderen physikalischen Parameter, um ein Bedürfnis in der industriellen und analytischen Welt zu erfüllen. Drucksensoren sind auf Membranen aufgebaut, die unglaublich empfindlich auf Veränderungen reagieren und damit zu den schnellsten verfügbaren Sensoren gehören. Durch die Laminarisierungsströmung kann die Poiseuilles-Gleichung zur Bestimmung des Massenstroms aus Differenzdruck, Viskosität, Temperatur und Druck verwendet werden.Differenzdrucksensoren erfordern nicht das gleiche Aufwärmen wie thermische Sensoren, und Reaktionen auf Änderungen in der Strömung, die so schnell wie 10 ms sind, sind angemessen. In Kombination mit einem Steuerventil kann die Regeleinschwingzeit ähnlich schnell sein, zwischen 50 ms und 100 ms ist üblich, und einige Anwendungen erreichen 20-50 ms. Der Standard-Regelbereich für LFDP-Einheiten beträgt 200: 1, wodurch ein viel niedrigerer kontrollierbarer Bereich als bei thermischen Einheiten möglich ist. Tausendstel eines Standardkubikzentimeters sind an den Instrumenten mit den niedrigsten Durchflussbereichen ablesbar. Am anderen Ende des Spektrums bieten wir zudem eine der höchsten für einen Inline-Durchflussregler 5000 SLPM angebotenen Komplettpreise. Eine hohe Genauigkeit beträgt 0,4% des Messwerts + 0,2% des vollen Messbereichs.

Die Laminar- Durchfluss-Messgeräte und Regler von Alicat nutzen diese Vorteile, um einen zuverlässigen Durchflussregler zu bauen, der die gewünschte Genauigkeit und Geschwindigkeit für Ihr Projekt erfüllt.

Anleitungen zur Optimierung von Durchfluss und Instrumentierung für Ihren Prozess finden Sie in unserem Leitfaden.

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