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氣體質量流量控制器


1.  什么是質量流量計?什么是質量流量控制器? 

質量流量計,即Mass Flow Meter(縮寫為MFM), 是一種精確測量氣體流量的儀表,其測量值不因溫度或壓力的波動而失準,不需要溫度壓力補償。

質量流量控制器, 即Mass Flow Controller(縮寫為MFC), 不但具有質量流量計的功能,更重要的是,它能自動控制氣體流量,即用戶可根據需要進行流量設定,MFC自動地將流量恒定在設定值上,即使系統壓力有波動或環境溫度有變化,也不會使其偏離設定值。簡單地說,質量流量控制器就是一個穩流裝置, 是一個可以手動設定或與計算機聯接自動控制的氣體穩流裝置。


2. 質量流量控制器的原理是什么?

質量流量控制器由流量傳感器、分流器通道、流量調節閥門和放大控制器等部分組成。質量流量控制器的剖面結構圖見圖1。氣體流量傳感器采用毛細管傳熱溫差量熱法原理測量氣體的質量流量(無需溫度壓力補償)。將傳感器加熱電橋測得的流量信號送入放大器放大, 放大后的流量檢測電壓與設定電壓進行比較, 再將差值信號放大后去控制調節閥門,閉環控制流過通道的流量使之與設定的流量相等。分流器決定主通道的流量。與質量流量控制器配套的流量顯示儀上設置有穩壓電源,數字電壓表, 設定電位器, 外設、內設轉換和三位閥控開關等。氣體質量流量控制器與流量顯示儀連接后的工作原理如圖2所示。


圖1.質量流量控制器內部結構圖

圖2.質量流量控制器原理


3. 質量流量計/質量流量控制器的流量單位是什么?

氣體質量流量單位一般以sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute,每分鐘標準毫升)和slm(Standard Liter per Minute,每分鐘標準升)來表示。這意味著,這種儀表在不同的使用條件下,指示的流量均是標準狀態下的流量。標準狀態規定為: 氣壓—101325Pa (760mm Hg); 溫度—0℃ (273.15K)。這是這種儀表和其它流量計的重要區別,也是sccm﹑slm不同于mL/min﹑L/min 之處。

對多數用戶而言,體積流量的表示方法很符合習慣﹑便于使用,但也有用戶需要知道單位時間內流過介質的質量(如g/min),這個要求是很容易實現的。因為標準狀態下的氣體密度是一個常數, 可以方便地查到,因而簡單地做一個乘法(以密度乘以若干slm)即可實現。所以說,在標準狀態下的體積流量就等同于質量流量。

需要注意的是, 被全世界質量流量控制器廠商共同采用的sccm/slm這種質量流量單位, 不符合國內計量標準的常用的質量流量的國際單位(Kg/min), 但是它符合國際半導體協會制定的SEMI國際標準。有關標準的詳細情況見:“SEMI E12-96”, 標準文件的局部如圖3所示。



4.  什么情況下用質量流量計, 什么情況下用質量流量控制器 ? 

一般而言,僅對流量進行計量或監測時,用質量流量計;需要對流量進行控制時,用質量流量控制器。某些測量場合,用二者皆可,如對毛細管流通能力的測量,當定壓測流的時候, 用質量流量計; 當定流測壓時, 需要用質量流量控制器。注意, 當質量流量控制器處于清洗狀態時, 也可以當質量流量計使用, 只不過氣壓降要比普通質量流量計大一些。


5.  質量流量計/質量流量控制器的主要優點是什么? 

(1)  流量的測量和控制不因溫度或壓力的波動而失準。

對于多數流量測控系統而言,很難避免系統的壓力波動及環境和介質的溫度變化。對于普通的流量計,壓力及溫度的波動將導致較大的誤差;對于質量流量計 / 質量流量控制器,則一般可以忽略不計。

(2)  測量控制的自動化

質量流量計 / 質量流量控制器可以將流量測量值以輸出標準電信號輸出。這樣很容易實現對流量的數字顯示﹑累積流量自動計量﹑數據自動記錄﹑計算機管理等。對質量流量控制器而言,還可以實現流量的自動控制。通常, 模擬的MFC/MFM輸入輸出信號為0~+5V或4~20mA, 數字式MFC/MFM還配有RS232或RS485數字串行通訊口, 能非常方便地與計算機連接, 進行自動控制。

(3)  精確地定量控制流量

質量流量控制器可以精確地控制氣體的給定量,這對很多工藝過程的流量控制﹑對于不同氣體的比例控制等特別有用。

(4)  適用范圍寬

有很寬的工作壓力范圍,我們的產品可以從真空直到10MPa; 可以適用于多種氣體介質(包括一些腐蝕性氣體,如HCL);有很寬的流量范圍,我們的產品最小流量范圍可達0~5 sccm,最大流量范圍可達0~200 slm。流量顯示的分辨率可達滿量程的0.1%, 流量控制范圍是滿量程的2~100% (量程比為-- 50:1), 因此在很多領域得到廣泛應用。


6. 質量流量計的缺點是什么? 使用質量流量控制器的注意事項?

相對廉價的轉子流量計來說, 質量流量計的就是價格稍微貴一些。


使用質量流量控制器的注意事項:

第一、若粉塵進入流量計會堵塞傳感器和分流器, 造成測量誤差, 最好在進氣口前加裝氣路過濾器,或者選用此類環境專用型質量流量控制器


第二、液體和油污進入MFC, 會造成失控, 如果MFC的出口接有液體罐, 需要在MFC出口加上單向閥, 防止液體回流。


第三、使用潮濕的腐蝕性氣體, 潮濕的腐蝕性氣體會使不銹鋼生銹, 造成MFC通道損壞, 因此要求在使用腐蝕性氣體前, 要對氣體和MFC管路系統進行干燥處理。專用于此類環境專用型質量流量控制器


第四、在使用強腐蝕性、易燃易爆、有毒等危害性氣體時不按安全規則操作, 有可能造成產品損壞和其它更嚴重的損失。正確使用, 安全操作, 對每個用戶都是最重要的。專用于此類情況的質量流量控制器


7. 質量流量控制器的工作壓差范圍是什么?

質量流量控制器(MFC)中設置有一個氣體流量調節閥門, 閥門能使通過控制器的流量從零調節到測量的滿量程, 在工作的過程當中, 控制器的入口和出口之間會產生一個氣壓降, 即壓差。MFC的工作壓差范圍通常為0.1~0.3MPa, 若壓差低于最低值(0.1 MPa), 有可能控制達不到滿量程值; 若高于最高值(0.3MPa), 有可能關閉時流量不能小于2%F.S。用戶使用MFC時, 無論用戶工作的反應室是真空還是高壓, 應做到使MFC進出氣兩端的壓差保持在所要求壓差范圍之內, 并且要求氣壓要相對穩定。


8. 質量流量控制器在高壓條件下如何使用?

質量流量控制器的工作壓差范圍通常比較小, 要在高壓條件下正常使用需要特別注意三點: 第一, 是要選擇耐壓符合要求的MFC; 第二, 是要挑選工作壓差范圍大的產品型號;  第三, 要在MFC氣路前面加減壓閥, 穩定入口氣壓, 在MFC下游加背壓閥, 穩定反應室和MFC出口的氣壓, 適當調節減壓閥和背壓閥, 要保證MFC的工作壓差不會超過規定的范圍(見圖4的高壓工作示意圖)。只要做到以上三點,  MFC就能夠在高壓條件下穩定工作。


9. 使用揮發性液體蒸發汽, 氣壓很低, 如何定制質量流量控制器的低壓降產品?

部分用戶使用揮發性液體蒸發汽做氣源(如用丙酮等), 氣壓很低, 用普通MFC, 不能正常工作。這時用戶需要向供貨商特別聲明, 定制低壓降的質量流量控制器。通常可以定制工作壓差低于0.01MPa的MFC, 這時MFC的工作壓差范圍, 也會變小。

注意使用揮發性液體蒸發汽時, 不能讓汽化物在MFC中結露, 結露會影響MFC的正常工作。為了防止結露, 可以對管路和MFC適當加溫, 但MFC的工作環境溫度通常不得超過50℃。如果用戶要MFC的工作環境溫度超過65℃以上, 需要特殊購買高溫MFC產品。


10.  質量流量控制器能用于控制腐蝕性氣體和特殊氣體嗎? 如何選擇密封材料? 

質量流量控制器可以用于控制各種氣體, 包括腐蝕性氣體和特殊氣體, 但是要注意, 對于使用腐蝕性氣體和特殊氣體, 需要恰當選擇型號和密封材料。用戶在訂貨時, 需要向供貨廠商特殊聲明使用氣體, 以免因為選型或選擇密封材料錯誤, 造成嚴重損失。

通常氣體質量流量控制器接觸工作氣體的濕材料為316L不銹鋼、聚四氟乙烯和密封材料等, 密封材料又分為金屬密封和橡膠密封兩大類。金屬密封的材料一般為不銹鋼、金或鎳等耐腐蝕材料。采用金屬密封的MFC原則上可以用于任何氣體, 包括各種腐蝕性氣體和特種氣體。對于三溴化硼、三氯化硼、氟化氫等強腐蝕性氣體和MOCVD使用的金屬氧化物氣體建議最好采用金屬密封的MFC。

由于金屬密封的MFC價格較高, 通常要求不高的場合, 均采用橡膠密封的MFC。如果不特殊聲明, MFC都采用氟橡膠密封, 可以用于大多數酸性和堿性腐蝕性氣體, 例如可以用于氯化氫等鹵族干燥氣體。其它一些特殊腐蝕性氣體, 需要采用特種橡膠。氨氣——需要采用耐氨橡膠, 如乙丙橡膠、氯丁橡膠或丁晴橡膠; 有機溶劑汽氛(丙酮、甲苯等)——需要采用硅橡膠; 三溴化硼、三氯化硼、氟化氫等——需要采用全氟橡膠。

專用于此類情況的質量流量控制器


11. 選擇產品和訂貨時應當注意什么?

(1) 注意選擇正確的品牌

一般應當全面衡量生產廠家的產品質量﹑銷售價格﹑售后服務﹑技術水平﹑產品特點﹑生產規模﹑企業信譽等因素。(成都四洋科技有限公司是一家真空測量與流體控制類產品,集銷售、服務于一體的高科技公司)

(2) 注意選擇正確的量程

A. 將您需要的流量換算成標準狀態下的流量(質量流量)。

B. 根據廠家提供的質量流量轉換系數表,將您所用氣體的質量流量值換算成與氮氣(標定氣體)等價的質量流量值。如果您希望按您實際使用的氣體標定,請向廠家說明。有關質量流量轉換系數的問題,以下還有進一步解答。 

C. 確定所需標準量程。廠家一般有自己的各種規格的標準量程,您實際使用的流量最大值應接低于某個標準量程值。標準量程的選取要避免過大或過小。質量流量的誤差指標是按滿量程值的百分比規定的,如果實際流量較小而量程值選取過大,則測量值的相對誤差較大。

 

(3) 注意選擇正確的工作壓力指標

不同的產品工作壓力指標可能不同,注意選擇適合自己的產品。

質量流量控制器(MFC)除最大工作壓力之外,還有另一項工作壓力指標:工作壓差,即MFC進氣端和出氣端之間的壓差,選型時要注意,使用時也要注意。


(4) 注意選擇合適的精度指標

準確度﹑線性﹑重復精度是比較重要的幾項指標,其中重復精度在很多應用場合尤為重要。指標不一定追求最高,應考慮自己的實際需要。

如果對廠家給出的指標不放心,有條件的用戶也可以自己標定一下。標定的方法參見下面的有關內容。


(5) 注意選擇合適的響應時間指標

有的應用系統對MFC的響應時間有較高的要求,用戶應根據自己的情況加以考慮。在考慮響應時間指標的同時,還應注意其響應過程及動態特性。


(6) 注意對安裝位置有無要求

有的廠家的產品要求必須水平位置安裝。


(7) 注意使用氣體和適用范圍

MFM/MFC 對使用的環境及介質溫度﹑氣源壓力﹑介質(特別是使用對腐蝕性氣體)情況等均有一定適用范圍,請注意閱讀說明書或向廠家咨詢。


(8) 注意接頭形式

通常有雙卡套(Swagelok)和VCR兩種接頭可以選擇, VCR接頭性能更好適合于高端應用。


(9) 訂貨應注明:

產品名稱、型號、流量規格、標定氣體、使用氣體(特別是腐蝕性氣體)、接頭形式和數量。


12. 買質量流量計 / 質量流量控制器時,其它配套產品有哪些? 

一般需要流量顯示儀與之配套使用。流量顯示儀為MFM/MFC提供工作電源,進行流量顯示,對MFC進行流量設定操作。如果將MFM/MFC直接和PLC測控系統相連,視情況也可以不配流量顯示儀。

另外根據系統的需要可以選購截止閥﹑過濾器﹑干燥器﹑單向閥﹑管接頭﹑減壓器﹑背壓閥等。


13. 怎樣選擇流量顯示儀表? 

有單通道(配接一臺MFM/MFC)和多通道(2/34通道的,配接多臺MFM/MFC)產品;可臺式和機箱式安裝;有輸入輸出只能是電壓信號的,也有電壓和電流信號都行的;產品使用交流220V電源,流量顯示儀表附帶電腦軟件,支持PC端查看實時流量和累計流量。流量顯示儀產品查閱

將流量顯示儀安裝在機柜上的用戶,請注意安裝的開孔尺寸。


14. 流量顯示的單位有哪些? 

按 SCCM或 SLM顯示,出廠時對流量顯示范圍與相應的MFM/MFC的量程進行匹配,使用時顯示值即是流量值,很直觀,符合習慣,為多數用戶所采用。 匹配好后,原則上也能接其它量程的MFM/MFC使用,只是顯示值需要修正,見下述有關問題。


15. 一定要按實際使用氣體標定顯示嗎? 

不一定。按實際實際使用氣體標定顯示,顯示的是實際氣體的流量, 比較直觀。但在很多的實際應用場合,只需要找到一個合適的流量參數并保證測量和控制的重復性,至于該氣體的實際質量流量是多少,用戶并不是特別關心。在這種情況下,您直接使用廠家的標準出廠產品(氮氣標定顯示)也可以。當然,如前面所提到的,您在選定流量規格時,需要換算一下,以選擇合適的量程。對于某些用戶,同一個產品有時可能會通不同的氣體,這種情況下,直接使用氮氣標定出廠的產品更方便。


16. 怎樣進行不同氣體的質量流量換算? 

產品出廠一般是按氮氣標定﹑按氮氣流量確定流量規格。用同一規格的MFM/MFC測量不同的氣體,當流量檢測值相同時,實際的流量值可能不同。我們在說明書中給出了不同氣體相對于標定氣體(氮氣)的質量流量轉換系數。

如果您使用的產品是標準出廠產品(按氮氣標定顯示),而需要知道實際使用氣體的質量流量時,先在產品說明書中找到實際使用氣體的轉換系數。在測量過程中,以此系數乘以流量顯示值即是實際使用氣體的質量流量;反之,在確定所購產品的量程時,以實際使用氣體的最大期望流量值除以轉換系數,即是相應的氮氣標定產品的流量值。

空氣、O2﹑H2﹑CO﹑HCL、HF等氣體,其轉換系數約為1.0 , 一般可直接用按氮氣標定顯示的產品,不必換算。


17. 不同氣體的流量轉換系數是怎樣得出來的? 混合氣體的轉換系數如何計算?

氣體的流量轉換系數理論上取決于該氣體在標準狀態下的密度和比熱, 以及氣體的分子構成系數。常用的單組份氣體,其轉換系數可在廠家產品技術說明書中查得;如果知道該氣體的密度和比熱, 也可以用下面的基本公式計算出來。 

氣體質量流量轉換系數C的基本公式:

  C=0.3106 N /ρ(Cp)

其中: 

ρ——為氣體的密度

CP——為氣體的定壓比熱

N ——為氣體分子構成系數(與該氣體分子構成的組份有關, 見下表)

氣體分子構成系數表

氣體分子構成
舉      例
N 取 值
單原子分子
Ar         He
1.01
雙原子分子
CO         N2
1.00
三原子分子
CO2        NO2
0.94
多原子分子
NH3       C4H8
0.88

 

如果是多組份混合氣體(假定由n種氣體組成),按下列公式計算其轉換系數C:

                0.3106 [N1 (ω1/ωT )+N2 (ω2/ωT ) + ··· + Nn (ωn/ωT )]

           C = ————————————————————————

                ρ1Cp1 (ω1/ωT )+ ρ2Cp2 (ω2/ωT )+ ··· + ρnCpn (ωn/ωT)

 

其中 :
ω1 …ωn
——為相應氣體的流量

ωT
——為混合氣體的流量

ρ1…ρn
——為相應氣體的密度 (數值見產品技術說明書)

CP1…CPn
——為相應氣體的定壓比熱 (數值見產品技術說明書)

N1 … Nn
——為相應氣體的分子構成系數

注意: 如果混合氣體的混合比例不固定, 將無法計算出轉算系數。

 

18. MFM/MFC的使用方面有什么注意事項? 

(1)注意閱讀產品說明書及有關資料

(2) 注意輕拿輕放妥善保管

MFM/MFC比較精密,應避免受到撞擊和強烈振動。產品不用時注意放在較好的環境中妥善保管。

(3) 注意系統設計

用戶購買MFM/MFC后,往往要組建一個系統。建議在系統設計時,不要僅僅考慮功能的實現,還要考慮系統的可靠性﹑安全性﹑易操作性﹑易維護性﹑易擴充性等因素。以下給出幾點具體建議:

A. 注意加裝過濾器,以凈化氣源,延長MFM/MFC的使用壽命。

B. 對于反應系統,建議在MFC的出氣端加裝單向閥,以防止異常情況下反應物倒流損壞 MFC。

C. 對于高壓系統,應在MFC的下游加裝背壓閥(或其它節流裝置)及壓力表,以便于保證MFC的工作壓差。

D. 對于硅烷這樣的遇空氣易形成結晶的氣體,應特別注意系統的密閉性(檢漏時不要忽視減壓器),必要時設計吹洗旁路,隨時進行氮氣吹洗或正壓保持。

E. 對于要求比較高的氣路系統, 注意氣路接頭盡量減少并采用VCR等接頭。對于使用有害氣體的系統,必須嚴格檢漏。氣路柜應有排風系統, 防止對人員和設備的損傷。

F. 有高頻源的系統應注意屏蔽并特別注意處理好接地問題,例如采用單點接地。

G. MFM/MFC的安裝位置應易于裝卸﹑檢測﹑調零,并安全可靠。

H. 對可靠性要求極高的系統,應注意冗余設計。

(4) 注意正確使用操作

對于比較復雜的系統或使用有害氣體的系統,應當制定完善的安全操作規程, 防止發生誤操作。

(5) 注意使用氣體與流量計的密封材料相適應

流量計通常采用的密封材料是氟橡膠,能適合大多數氣體的使用,包括HCL這樣的強腐蝕性氣體。但對于氨氣,必須使用耐氨橡膠;對于有機溶劑類氣體,如丙酮、甲苯等,必須使用硅橡膠;對于使用三氯化硼、三溴化硼等強腐蝕性介質,必須使用四氟密封或金屬密封的流量計。用戶在訂貨和使用中必須特別注意。

 (6) 注意定期標定

質量流量計原則上應當定期標定。


19. 能不能改MFM/MFC的量程和氣體?改量程應注意什么? 

更改MFM/MFC量程需要更換分流器閥口等部件, 還要進行量程標定, 因此用戶不能自己更改氣體、量程。當然國外進口品牌,也有多量程多氣體型的質量流量控制器,支持用戶現場更改,不過價格非常高昂。

改量程一般應在生產廠或指定維修站進行。如果您覺得量程沒選好,應與供貨商和廠家聯系。

改MFM/MFC量程時, 還要注意您的流量顯示儀是否也要調整。如果流量是按百分比方式顯示的,則顯示儀不用改動;如果流量是按SCCM或SLM顯示的,則一般需對流量顯示儀進行調整,以適應新的流量量程。也可以不調整流量顯示儀,只對流量顯示值乘以一個修正系數進行修正:

修正系數 = 新滿量程值 / 原滿量程值。

改流量顯示儀的問題,請仔細閱讀有關流量顯示儀的說明書, 如果有改量程的說明, 可自己按要求更改。若沒有說明, 請和廠家聯系。


20. 模擬式MFC怎樣和計算機相連接?

計算機可以直接和MFC相連,也可以通過流量顯示儀和MFC相連。

對于模擬的MFC, 一般需要在計算機上配A/D﹑D/A轉換板, 模擬/數字轉換用于接收流量測量值, 數字/模擬轉換用于給出0-5VDC流量設定信號,這種轉換板在工業控制產品市場上很容易買到;如果是MFC直接與計算機連接,需要用戶自己提供±15V電源(要求電源抗干擾能力要強);將“設定”線接計算機D/A輸出;將“流量檢測”線接計算機A/D輸入端;MFC信號地與計算機信號線連結即可。 

如果MFC通過流量顯示儀與計算機連接,將流量顯示儀的“外設”線接計算機D/A輸出;將“流量檢測”線接計算機A/D輸入端;顯示儀的信號地與計算機信號線連結即可。 

當然, 另外還需要配相應的軟件。


21. 數字化質量流量控制器有些什么特點?

數字化質量流量控制器起源于上世紀八十年代末期, 現在在國外, 有逐步普及的趨勢。我公司主要型號同時支持RS485數字通訊和模擬量通訊。

數字化質量流量控制器有兩種類型, 一種是數字模擬兼容產品, 一種是全數字化產品。數字模擬兼容類產品采用與模擬流量計一樣的±15V或+11~+30Vdc電源, 輸入輸出信號除了有模擬的+5VDC信號外, 還具有RS232/RS485串行通訊口。數字模擬兼容的MFC當設置為模擬式時, 可以直接替換模擬式MFC, 無需做其它更改。全數字化類型產品通常采用24VDC單電源, 沒有模擬輸入輸出信號, 只有現場總線通訊信號。

數字化質量流量控制器內置MCU多功能微處理器, 可以對采集到的流量信號進行數字化處理, 進行溫度線性校正, 具有比模擬式產品更高的精度和線性性能。數字化的PID控制功能, 能提高穩定性和智能化地改變響應特性。串行通訊, 使MFC更便于進行計算機系統控制。數字化智能化的MFC逐步替代全模擬的MFC, 這是技術發展的必然潮流。

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