Podstawy
Terminy „przepływ masowy” lub „przenoszenie masy” odnoszą się do przemieszczania się substancji w stanie ciekłym lub gazowym w elemencie przewodzącym, takim jak rura lub kanał. Przykłady przepływu masowego cieczy obejmują zjawiska naturalne, takie jak przepływ wody przez koryto rzeki, oraz procesy technologiczne, takie jak przepływ ropy przez rurociąg. Przepływ masowy jest formalnie zdefiniowany jako „ilość substancji” (określona jako masa, mol lub objętość), która przepływa przez przekrój poprzeczny kanału przewodzącego w określonym czasie. Rysunek 1 pokazuje, jak definiuje się podstawowe parametry przepływu masowego. Rysunek po lewej stronie przedstawia materiał przepływający przez rurę w momencie, gdy osiąga powierzchnię określoną przez przekrój poprzeczny rury w czasie t=0. Rysunek po prawej stronie przedstawia rurę w momencie t=Δt, kiedy masa materiału Δm przepłynęła przez tę powierzchnię. Natężenie przepływu definiuje się wówczas jako masę na jednostkę czasu, która przepłynęła przez powierzchnię przekroju rury. Podaje się je jako masa/czas, mole/czas, objętość/czas itp.
Pomiar natężenia przepływu odgrywa istotną rolę w wielu aspektach codziennego życia, począwszy od ustalania kosztów mediów w gospodarstwie domowym (pomiar zużycia wody i/lub gazu w domu), poprzez transport (ilość benzyny tankowanej do samochodu), aż po leczenie (regulacja przepływu tlenu u pacjenta).
Pomiary natężenia przepływu są jeszcze ważniejsze w środowiskach przemysłowych, gdzie stanowią kluczowe parametry kontrolne wykorzystywane w sektorach chemicznym, farmaceutycznym, spożywczym, naftowym i gazowym oraz w sektorze zaawansowanych technologii (np. w produkcji urządzeń półprzewodnikowych). Procesy chemiczne wymagają w szczególności dokładnej wiedzy na temat szybkości dodawania różnych reagentów w procesach okresowych lub ciągłych. Znajomość tej szybkości określa stechiometryczne stosunki reagentów w układzie, co z kolei pozwala ustalić realistyczne cele produkcyjne oraz kontrolować szybkość reakcji (ważne dla wydajności i uniknięcia reakcji niekontrolowanych) oraz wydajność produktu (stosunki reagentów określają czystość i skład produktów).
Podczas gdy kontrolowanie szybkości dodawania substancji stałych i cieczy do reakcji jest stosunkowo łatwe dzięki prostym pomiarom masy (za pomocą wagi) i objętości (za pomocą naczyń miarowych), szybkość dodawania gazów ściśliwych stanowi większy problem. Ponieważ objętości gazów zależą zarówno od temperatury, jak i ciśnienia, a reakcje mogą przebiegać w bardzo zróżnicowanych warunkach temperaturowych i ciśnieniowych, surowe pomiary natężenia przepływu gazów muszą zostać przeliczone na natężenia przepływu objętościowego w standardowych warunkach temperatury i ciśnienia. Te standardowe warunki, znane jako STP (Standard Temperature and Pressure), wynoszą zazwyczaj 273,15 K (0°C) i 0,9869 atm (100 kPa). Natężenia przepływu gazu podaje się w SLPM (standardowych litrach na minutę) lub SCCM (standardowych centymetrach sześciennych na minutę).
Pomiary w warunkach standardowych można wykorzystać do przeliczenia natężenia przepływu objętościowego na przepływ molekularny (masowy) przy użyciu prawa gazów idealnych:
gdzie P oznacza ciśnienie gazu, V – objętość gazu, T – temperaturę gazu, n – liczbę moli gazu, a R – stałą gazową. Po przekształceniu i przeliczeniu na przepływ w czasie otrzymujemy wyrażenie na natężenie przepływu masowego:
gdzie MW oznacza masę cząsteczkową gazu, a Δm/Δt – natężenie przepływu masowego gazu.
Przepływomierze masowe i regulatory
Rotametry
Istnieją różne metody pomiaru natężenia przepływu masowego, oparte na różnych zasadach fizycznych. Najprostszym i najbardziej ekonomicznym przyrządem do pomiaru natężenia przepływu gazu jest rotametr (rys. 2). Przyrząd ten składa się ze zwężającej się rurki z pływakiem, który unosi się pod wpływem przepływającego płynu. Wysokość pływaka w rurze zmienia się liniowo wraz z natężeniem przepływu gazu lub cieczy przepływającej przez rurę. Rotametry są powszechnie stosowane w środowiskach przemysłowych ze względu na ich prostotę, powtarzalność i wytrzymałość. Zapewniają one szybką, wizualną możliwość ustawiania i monitorowania przepływu gazu, są kompatybilne zarówno z gazami, jak i cieczami oraz nie wymagają zewnętrznego zasilania do działania. Niski spadek ciśnienia w rotametrze gwarantuje, że pomiar ma niewielki wpływ na charakterystykę procesu. Główne ograniczenia ich stosowania wynikają z faktu, że muszą być montowane pionowo i nie generują sygnału elektrycznego, który można by wykorzystać w elektronicznych systemach sterowania.
Termiczne przepływomierze masowe
W odróżnieniu od rotametrów, termiczne przepływomierze masowe (MFM) i regulatory (MFC) generują sygnał elektroniczny, który można wykorzystać w systemach automatyki procesowej. Z tego powodu urządzenia te znajdują zastosowanie w wielu środowiskach przemysłowych oraz w większości środowisk zaawansowanych technologicznie, gdzie wymagana jest precyzyjna kontrola procesów. Przepływomierze masowe i regulatory wykorzystują zasady termodynamiki do obliczania natężenia przepływu masowego.
Rysunek 3 ilustruje podstawową zasadę pomiaru stosowaną w termicznym przepływomierzu masowym. Czujnik jest zamontowany na strumieniu bocznym, który pobiera znaną część przepływu gazu przechodzącego przez MFM. W konfiguracji czujnika trójprzewodowego MFM wykorzystuje przewody o wysokim współczynniku temperaturowym jako czujniki do pomiaru różnicy temperatur (ΔT=T2-T1) na grzałce zamontowanej na strumieniu bocznym, jak pokazano na rysunku 4.
Ta różnica temperatur jest wprost proporcjonalna do natężenia przepływu masowego, zgodnie z zależnością:
gdzie Pw oznacza ustawioną moc grzałki, Cp – pojemność cieplną gazu, a – stałą proporcjonalności, a Δm/Δt – natężenie przepływu masowego. W czujniku trójprzewodowym mostek rezystancyjny generuje napięcie wyjściowe proporcjonalne do różnicy temperatur ΔT, a do obliczenia przepływu masowego wykorzystuje się równanie (4) oraz znany współczynnik podziału między przepływem całkowitym a przepływem bocznym. Czujnik dwuprzewodowy MFM, który jest bardziej powszechną konfiguracją, wykorzystuje przewody o wysokim współczynniku temperaturowym rezystancji zarówno jako czujnik, jak i grzałkę, jak pokazano po prawej stronie na rysunku 4. W tej konfiguracji obwód reguluje moc zasilającą cewki grzejne w celu utrzymania stałej różnicy temperatur między dwiema cewkami. Podobnie jak w przypadku trzyprzewodowego czujnika MFM, do określenia przepływu masowego przez przyrząd wykorzystuje się równanie (4) oraz współczynnik podziału.
Termiczne regulatory przepływu masowego
Regulator przepływu masowego (MFC, rys. 5) to urządzenie, które łączy w sobie funkcję pomiaru przepływu masowego oraz regulacji przepływu gazu. Składa się ono z przepływomierza masowego (MFM), regulatora sprzężenia zwrotnego oraz zaworu regulacyjnego. Zazwyczaj w środowiskach przemysłowych regulatory MFC spotyka się częściej niż przepływomierze MFM.
Termiczne przepływomierze MFC znajdują zastosowanie w przemysłowej regulacji przepływu w bardzo szerokim zakresie, a dostępne regulatory obsługują przepływy od 0,01 sccm do 1000 SLPM. Termiczne MFC są zarówno dokładne, jak i powtarzalne, precyzyjnie kontrolując przepływy gazu w zakresie od 2 do 100% pełnej skali z rozdzielczością 0,1%. Są one fabrycznie kalibrowane, aby zapewnić dokładną i powtarzalną kontrolę w określonym zakresie (rysunek 6).
Trzeba mieć na uwadze różne właściwości i wrażliwość termicznych kontrolerów MFC w celu zapewnienia dokładności i powtarzalności podczas pracy (rys. 7).
Rodzaj gazu stanowi oczywistą cechę charakterystyczną danej kalibracji przepływomierza MFC, ponieważ pomiar przepływu gazu zależy od właściwości termofizycznych mierzonego gazu. Fabryczna kalibracja przepływomierza MFC jest zazwyczaj przeprowadzana przy użyciu azotu o wysokiej czystości, po czym stosuje się współczynnik korekcyjny gazu (GCF) lub funkcję korekcyjną dla wielu gazów, która dostosowuje kalibrację do różnych rodzajów gazów.
Rodzaj gazu jest oczywistą cechą charakterystyczną danej kalibracji MFC, ponieważ pomiar przepływu gazu zależy od właściwości termofizycznych mierzonego gazu. Kalibracja fabryczna MFC jest zazwyczaj przeprowadzana przy użyciu azotu o wysokiej czystości, po czym stosowany jest współczynnik korekcji gazu (GCF) lub funkcja korekcji wielogazowej, która dostosowuje kalibrację do różnych rodzajów gazów.
W przypadku termicznych przepływomierzy masowych temperatura otoczenia wpływa zarówno na odchylenie punktu zerowego, jak i na dokładność pomiaru przepływu masowego w całym zakresie pomiarowym. Rysunek 8 przedstawia wpływ zmian temperatury na przepływ wskazany w porównaniu z przepływem rzeczywistym w termicznym przepływomierzu masowym. Z wahaniami pomiarowymi spowodowanymi temperaturą otoczenia wiążą się dwa współczynniki korekcyjne. Współczynnik przesunięcia punktu zerowego, Tc, jest związany z wskazanym zerem w przepływomierzu MFC. Zmiana temperatury otoczenia spowoduje przesunięcie całej krzywej kalibracji przepływomierza MFC, jak pokazano po lewej stronie rysunku 8. Wielkość tego przesunięcia wynosi zazwyczaj rzędu ppm pełnej skali na 1°C. Zmiany temperatury otoczenia powodują również przesunięcie nachylenia krzywej kalibracji w całym zakresie pomiarowym termicznego przepływomierza MFC. Wartość Tc zakresu pomiarowego związana z MFC wykazuje zachowanie pokazane po prawej stronie rysunku 8. Całe nachylenie krzywej kalibracyjnej ulega przesunięciu, a efekt ten ma wielkość rzędu ppm odczytu na 1°C.
Chociaż na termiczne MFC zazwyczaj nie ma wpływu ciśnienie za zaworem (chyba że czujnik znajduje się za zaworem regulacyjnym), zmiany ciśnienia przed zaworem mogą powodować odchylenia między rzeczywistym a wskazywanym przepływem, jak pokazano na rysunku 9.
Dzięki wbudowaniu czujnika ciśnienia w termiczny MFC można znacznie ograniczyć wpływ wahań ciśnienia przed zaworem na dokładność pomiaru. W związku z tym firma MKS oferuje odporne na ciśnienie MFC z wbudowanym czujnikiem ciśnienia, takie jak model P9. Prawdopodobnie najważniejszym, a czasem pomijanym czynnikiem wpływającym na termiczne MFC jest wpływ położenia montażowego na pomiar i regulację przepływu gazu. Sposób montażu może wpływać na sygnał wyjściowy czujników w MFC poprzez zjawiska zachodzące zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz ścieżki przepływu gazu (patrz rysunek 10).
Elementy elektroniczne umieszczone w obudowie MFC wytwarzają ciepło oraz prądy konwekcyjne, które mogą przenosić ciepło do czujnika, powodując błędy w odczytach przepływu gazu. W ścieżce przepływu gazu niektóre konstrukcje czujników/obejść mogą powodować zjawisko syfonowania (przepływ konwekcyjny) przez czujnik, gdy MFC jest nieprawidłowo ustawiony. Na syfonowanie ma wpływu zarówno rodzaj gazu, jak i ciśnienie w przewodzie, a efekt ten może wpływać zarówno na poziom zero, jak i zakres pomiarowy MFC. Typowe charakterystyki wydajności termicznych MFC przedstawiono w tabeli 1 i na rysunku 11.
Regulatory przepływu masowego wykorzystujące pomiar ciśnienia
Regulatory przepływu masowego, których wskazanie jest oparte na pomiarze ciśnienia (PMFC) zostały pierwotnie zaprojektowane do dostarczania gazu w szerokim zakresie ciśnień poniżej atmosferycznego, co pozwala maksymalnie zwiększyć ilość gazu, jaką można pobrać z butli gazowych w systemach bezpiecznego dostarczania gazu (SDS) stosowanych w przemyśle półprzewodnikowym (rys. 12). Dzięki temu regulatory PMFC poprawiają wykorzystanie źródła gazu i zwiększają bezpieczeństwo poprzez zmniejszenie częstotliwości wymiany butli z niebezpiecznymi gazami toksycznymi i korozyjnymi. W regulatorze PMFC przetwornik ciśnienia monitoruje ciśnienie przed zwężeniem dyszy wylotowej – ciśnienie to jest proporcjonalne do przepływu gazu. Zmierzone ciśnienie jest porównywane w układzie elektronicznym sterującym z wartością zadaną przepływu i generowany jest sygnał sterujący, który steruje proporcjonalnym zaworem regulacyjnym do przewodności wymaganej do dostosowania rzeczywistego ciśnienia regulacyjnego (przepływu) do wartości zadanej przepływu.
Kontrolery PMFC są stosowane w połączeniu z przetwornikami ciśnienia bezwzględnego Baratron® w zastosowaniach wymagających niskiego ciśnienia w przewodach, takich jak implantacja jonowa, gdzie termiczne regulatory przepływu masowego mają ograniczoną zdolność do dokładnego pomiaru przepływu. Urządzenia SDS to zazwyczaj systemy o niskim przepływie (1–20 sccm), które charakteryzują się ciśnieniem wlotowym poniżej atmosferycznego w zakresie od 5 do 15 Torr. Spadek ciśnienia w PMFC jest niski; zazwyczaj w zastosowaniach SDS preferowany jest spadek poniżej 10 Torr. Rysunek 13 przedstawia wewnętrzną konfigurację PMFC typu 1640 firmy MKS. Otwór o znanej przewodności umieszczony jest za czujnikiem ciśnienia i zaworem regulacyjnym. Ciśnienie po stronie przed otworem (P1) jest monitorowane za pomocą przetwornika ciśnienia bezwzględnego Baratron i regulowane za pomocą proporcjonalnego zaworu regulacyjnego, jak pokazano na rysunku. Gdy spełniony jest warunek P1>2xP2, przepływ przez PMFC jest wprost proporcjonalny do P1. Tabela 2 zawiera porównanie PMFC z termicznymi MFC.
Szeroki wybór kontrolerów firmy MKS Instruments dla różnych gałęzi przemysłu
Firma MKS Instruments jest światowym liderem w dziedzinie technologii MFC i dostarcza różnorodne typy regulatorów przepływu MFC dla takich branż, jak producenci półprzewodników, wyświetlaczy oraz ogniw fotowoltaicznych. Oferta termicznych regulatorów przepływu MFC firmy MKS obejmuje szybkie i zapewniające powtarzalność urządzenia z serii G, które stanowią ekonomiczne rozwiązanie do regulacji przepływu w większości zastosowań przemysłowych i technologicznych. Regulatory przepływu masowego serii G są dostępne w wersjach z uszczelnieniem elastomerowym lub metalowym, o zakresie przepływu do 300 SLPM. Oferowane są z szerokim wyborem opcji wejść/wyjść cyfrowych (RS485, Profibus™, EtherCAT®, Profinet lub DeviceNet™) lub analogowych (0–5 VDC lub 4–20 mA).
Regulatory przepływu masowego MKS o stopniu ochrony IP66 zostały zaprojektowane specjalnie do zastosowań w trudnych warunkach, gdzie ochrona przed wodą i pyłem ma kluczowe znaczenie. Regulatory przepływu masowego o stopniu ochrony IP66 posiadają obudowy o stopniu ochrony IP66, które są pyłoszczelne i chronią przed silnymi strumieniami wody. Oferują one cyfrowe (Profibus®) lub analogowe (0–5 VDC lub 4–20 mA) wejścia/wyjścia.
Termiczne regulatory przepływu masowego MKS serii P to wysokowydajne, wielogazowe regulatory przepływu masowego o szerokim zakresie, zaprojektowane do zastosowań krytycznych, w których wymagana jest dokładność, powtarzalność i niewrażliwość na ciśnienie. Posiadają one parametry gazów zapisane w pamięci, co pozwala na wybór przez użytkownika pomiaru i regulacji gazu z dokładnością do 1% wartości zadanej. Podobnie jak inne termiczne regulatory przepływu masowego MKS, regulatory z serii P posiadają analogowe (0–5 VDC) lub cyfrowe (DeviceNet, RS485) wejścia/wyjścia. Moduły MFC serii C są dostępne z analogowymi (0–5 V DC) lub cyfrowymi (RS485, Modbus TCP/IP) wejściami i wyjściami.
Firma MKS Instruments dostarcza również regulatory przepływu oparte na ciśnieniu (takie jak regulator MFC 1640A z metalowymi uszczelnieniami) oraz szereg specjalistycznych rozwiązań do regulacji przepływu masowego, takich jak regulatory stosunku przepływów (regulatory stosunku przepływów masowych Delta II, III i IV do regulacji stosunku w maksymalnie 4 strefach), weryfikatory przepływu masowego oraz jedno- i dwustrefowe regulatory ciśnienia (zintegrowane regulatory ciśnienia serii G i P oraz dwustrefowe regulatory ciśnienia DPC).
Powyższy tekst jest tłumaczeniem fragmentu strony firmy MKS Instruments. Oryginalny tekst można znaleźć pod adresem: https://www.mks.com/mass-flow-technology-technote
Niniejszy tekst oraz ilustracje, rysunki i tabele są objęte prawami autorskimi firmy MKS Instruments. Kopiowanie, rozpowszechnianie i wykorzystywanie całości lub fragmentów tego tekstu bez zgody firmy MKS Instruments oraz Uni-Export Instruments Polska Sp. Z o.o. jest zabronione.