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Technologie de Mesure du Régulateur de Débit Massique : Critique

Les régulateurs de débit massique ont tous le même but, mais les techniques de mesure sont nombreuses. Le contrôle de débit d’un flux gazeux nécessite deux systèmes travaillant en tandem – une vanne de régulation et un élément de mesure du débit. Voici les quatre types principaux de technologie de débit utilisés dans les régulateurs de débit massique de nos jours :

Dérivation Thermique

Thermal dispersion bypass flow meter

La dispersion thermique fait partie de la Génération X de la technologie de mesure du débit ; les années 60 et 70 ont connu les premières technologies de mesure du débit par dispersion thermique. Celles-ci sont devenues incontournables dans l’industrie du semi-conducteur.On peut mesurer le débit massique du gaz dans la conduite en mesurant le transfert de chaleur entre un élément et un capteur de température monté en parallèle à la direction du débit du gaz sur une conduite de dérivation.

La technologie de mesure de débit par dérivation thermique a été largement adoptée par l’industrie des semi-conducteurs en raison de quelques unes de ses caractéristiques hautement désirables ; les parties mouillées composées d’acier inoxydable 316L, des élastomères sélectionnables, et même des joints métal contre métal assurent la résistance nécessaire aux produits chimiques fortement corrosifs utilisés dans les processus des semi-conducteurs. Les débitmètres à dérivation thermique peuvent aussi mesurer une large gamme de débits et de pressions, allant de centièmes de millimètres par minute à des milliers de litres par minute, dans des étendues de tailles variées. Il est possible d’élever la pression jusqu’à 700 bars, mais ces dispositifs sont habituellement utilisés plutôt autour des 20 bars.

Malgré tout, cette incroyable prouesse d’innovation humaine ne vient pas sans quelques inconvénients !  Ces débitmètres doivent être étalonnés avec le type de gaz qui sera utilisé pendant l’application finale – ils  peuvent être potentiellement dangereux et chers. Autrement, les valeurs de débit doivent être ajustés avec un facteur de correction. Les facteurs de correction introduisent un degré d’incertitude à l’instrument, le rendant moins précis. Un autre inconvénient est le taux de variation commun de 50:1. Bien qu’il soit meilleur que celui des technologies antérieures, de 8:1 ou 20:1, ce taux limite fortement la gamme d’utilisation de ces dispositifs. Un des principaux inconvénients des débitmètres à dérivation thermique est le long temps de chauffe dont ils besoin pour atteindre l’équilibre thermique : il n’est pas rare qu’il atteigne 30 minutes (30 minutes d’utilisation de gaz !) Lorsqu’il est important d’avoir un contrôle rigoureux du flux, les utilisateurs peuvent trouver les temps de contrôle, de 500 à 1500 millisecondes, inadéquat.

Anémométrie de la Température Constante du Débit

Constant temperature anenometry

L’anémométrie de la température constante du débit  est un proche cousin de la technologie de dérivation thermique ; à la place d’une dérivation, une sonde de chauffage et de température est introduite directement dans le flux pour mesurer la dispersion thermique dans le débit du gaz. Une constante ΔT est maintenue entre le chauffage et la sonde, et la différence de puissance nécessaire à maintenir ΔT à des débits différents est corrélée au débit massique.

Ce type de régulateur peut être fabriqué avec les mêmes matériaux anticorrosifs que les dispositifs de dérivation thermique, mais ils possèdent un peu les mêmes faiblesses. Parmi les faiblesses de l’anémométrie de flux, nous pouvons citer une baisse de 50:1, un temps pour atteindre l’équilibre de 2000 millisecondes, 1.5-2% de meilleure précision, et un taux de pression maximale plus bas qu’avec les unités de dérivation thermique : 30 bars pour les instruments en acier inoxydable.

« Puce de débit » MEMS et CMOS

MEMS thermal chip sensor schematic

principe de fonctionnement d’un débitmètre massique thermique

Ces technologies sont une application des mesures de débit massique thermique sous forme de puce miniature. Les puces MEMS et CMO font la  moyenne des changements de température mesurée par la puce. La charge thermique se crée par un chauffage à puissance continue. En raison de la taille de l’élément de mesure, les dispositifs à puce de débit peuvent être extrêmement petits et consommer très peu d’électricité. A l’inverse de la technologie d’anémométrie de la température constante du débit et la technologie de dérivation thermique, ces minuscules appareils peuvent avoir des temps de réponse extraordinaires lorsqu’ils sont jumelés avec un ensemble de contrôle bien réglé, allant même jusqu’à 50 ms.

Les régulateurs de débit massique Basis OEM d’Alicat utilisent cette technologie pour fournir une régulation de débit massique rapide et précise, dans un boîtier économique à dimension réduite. En calibrant avec le gaz réel, vous obtenez une meilleure précision qu’avec d’autres instruments thermiques, lecture 1,5% + 0.5% pleine échelle, avec un temps de réponse rapide allant jusqu’à 100 ms. Le dispositif Basis d’Alicat à des rendements atteignant 200:1 – pour le modèle 100 sccm, il est de 100:1. Et, grâce à la taille microscopique du senseur, le temps de chauffe pour atteindre la précision totale est inférieur à une seconde.

Pression différentielle du Flux Laminaire

3D Laminar differential pressure schematic

La technologie de pression différentielle du flux laminaire utilise un paramètre différent pour combler un besoin des mondes industriel et analytique. Les capteurs de pression sont fabriqués sur des diaphragmes extrêmement sensibles aux changements, faisant de ceux-ci les capteurs les plus rapides au monde. En rendant le flow laminaire, l’Equation de Poiseuilles peut être utilisée pour déterminer le débit massique de la pression différentielle, la viscosité, la température et la pression.

Les capteurs de pression différentielle n’ont pas besoin du même temps de chauffe que les capteurs thermiques, et les temps de réponse, d’une vitesse de 10 ms, aux changements de débit, sont raisonnables. Jumelé à une vanne de régulation le temps de stabilisation peut être de vitesse équivalente, habituellement entre 50 ms et 100 ms, et pour quelques applications peut être de 20ms à 50ms. Le rendement standard pour les unités LFDP est de 200:1, ce qui permet une marge de régulation plus basse qu’avec les unités thermiques ; les instruments a gamme de débit plus basse permettent la lecture d’un millième de centimètre cubique. D’un autre côté, nous offrons aussi un des plus hauts taux pleine échelle disponibles pour des régulateurs de débit – 5000 SLPM. La haute précision est de 0.4% de lecture + 0.2% pleine échelle.

Les debimetres  laminaires et les régulateurs profitent de ces bénéfices pour fabriquer un régulateur de débit qui réponde a vos exigences de précision et rapidité de vos projects.

Pour obtenir des conseils sur la maniere d’optimiser le débit et l’instrumentalisation de votre processus, veuillez consulter notre guide

 

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