质量流量控制器原理及选型教程 (1)

1. 什么是质量流量计？什么是质量流量控制器？

质量流量计，即Mass Flow Meter （缩写为MFM ）, 是一种精确测量气体流量的仪表，其测量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿。

质量流量控制器, 即Mass Flow Controller （缩写为MFC ）, 不但具有质量流量计的功能，更重要的是，它能自动控制气体流量，即用户可根据需要进行流量设定，MFC 自动地将流量恒定在设定值上，即使系统压力有波动或环境温度有变化，也不会使其偏离设定值。简单地说,质量流量控制器就是一个稳流装置, 是一个可以手动设定或与计算机联接自动控制的气体稳流装置。

2. 质量流量控制器的原理是什么？

质量流量控制器由流量传感器、分流器通道、流量调节阀门和放大控制器等部分组成。质量流量控制器的剖面结构图见图1。气体流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量(无需温度压力补偿)。将传感器加热电桥测得的流量信号送入放大器放大, 放大后的流量检测电压与设定电压进行比较, 再将差值信号放大后去控制调节阀门，闭环控制流过通道的流量使之与设定的流量相等。分流器决定主通道的流量。与质量流量控制器配套的流量显示仪上设置有稳压电源,数字电压表, 设定电位器, 外设、内设转换和三位阀控开关等。气体质量流量控制器与流量显示仪连接后的工作原理如图2所示。

流量显示仪质量流量计

分流器通道

传感器

入口I 调节阀

驱动阀控

-15V +15V 0V ~220V 电源流量显示100.0

(0 ~ +5.00V)

set

out 放大器比较器COM 设定+5.00V

内(0 ~ +5.00V)

外+15V

出口

-15V

清洗关闭

0 电 平

流量检测设 定质量流量 控制器

图1. 质量流量控制器结构图 图2. 质量流量控制器原理图

3. 怎么理解质量流量计/质量流量控制器的流量单位？

气体质量流量单位一般以sccm （Standard Cubic Centimeter per Minute,每分钟标准毫升）和slm （Standard Liter per Minute,每分钟标准升）来表示。这意味着，这种仪表在不同的使用条件下，指示的流量均是标准状态下的流量。标准状态规定为: 气压—101325Pa (760mm Hg); 温度—0℃ (273.15K)。这是这种仪表和其它流量计的重要区别，也是sccm ﹑slm 不同于mL/min ﹑L/min 之处。

对多数用户而言，体积流量的表示方法很符合习惯﹑便于使用，但也有用户需要知道单位时间内流过介质的质量（如g/min ）,这个要求是很容易实现的。因为标准状态下

传感器 分流器通道 放大控制电路

流量调节阀

的气体密度是一个常数, 可以方便地查到，因而简单地做一个乘法（以密度乘以若干slm）即可实现。所以说,在标准状态下的体积流量就等同于质量流量。

需要注意的是, 被全世界质量流量控制器厂商共同采用的sccm/slm这种质量流量单位, 不符合国内计量标准的常用的质量流量的国际单位（Kg/min）, 但是它符合国际半导体协会制定的SEMI国际标准。有关标准的详细情况见:“SEMI E12-96”, 标准文件

的局部如图3所示。

图3.有关质量流量单位的标准

4.什么情况下用质量流量计, 什么情况下用质量流量控制器?

一般而言，仅对流量进行计量或监测时，用质量流量计；需要对流量进行控制时，用质量流量控制器。某些测量场合，用二者皆可，如对毛细管流通能力的测量,当定压测流的时候, 用质量流量计; 当定流测压时, 需要用质量流量控制器。注意, 当质量流量控制器处于清洗状态时, 也可以当质量流量计使用, 只不过气压降要比普通质量流量计大一些。

5.质量流量计/ 质量流量控制器的主要优点是什么？

(1) 流量的测量和控制不因温度或压力的波动而失准。

对于多数流量测控系统而言，很难避免系统的压力波动及环境和介质的温度变化。

对于普通的流量计，压力及温度的波动将导致较大的误差；对于质量流量计/ 质量流量控制器，则一般可以忽略不计。

(2) 测量控制的自动化

质量流量计/ 质量流量控制器可以将流量测量值以输出标准电信号输出。这样很容易实现对流量的数字显示﹑累积流量自动计量﹑数据自动记录﹑计算机管理等。对质量流量控制器而言，还可以实现流量的自动控制。通常, 模拟的MFC/MFM输入输出信号为0~+5V或4~20mA, 数字式MFC/MFM还配有RS232或RS485数字串行通讯口, 能非常方便地与计算机连接, 进行自动控制。

(3) 精确地定量控制流量

质量流量控制器可以精确地控制气体的给定量，这对很多工艺过程的流量控制﹑对于不同气体的比例控制等特别有用。

(4) 适用范围宽

有很宽的工作压力范围，我们的产品可以从真空直到10MPa; 可以适用于多种气体介质（包括一些腐蚀性气体，如HCL）；有很宽的流量范围，我们的产品最小流量范围可达0～5 sccm，最大流量范围可达0～200 slm。流量显示的分辨率可达满量程的0.1%, 流量控制范围是满量程的2~100% (量程比为-- 50:1), 因此在很多领域得到广泛应用。

6.质量流量计的缺点是什么? 使用质量流量控制器最害怕什么?

相对廉价的转子流量计来说, 质量流量计的主要缺点就是价格比较昂贵。

使用质量流量控制器有四怕:

第一怕粉尘, 若粉尘进入流量计会堵塞传感器和分流器, 造成测量误差, 要求在进气口前加装过滤器;

第二怕液体和油污进入MFC,会造成失控, 如果MFC的出口接有液体罐, 需要在MFC出口加上单向阀, 防止液体回流;

第三怕使用潮湿的腐蚀性气体, 潮湿的腐蚀性气体会使不锈钢生锈, 造成MFC通道损坏, 因此要求在使用腐蚀性气体前, 要对气体和MFC管路系统进行干燥处理;

第四怕在使用强腐蚀性、易燃易爆、有毒等危害性气体时不按安全规则操作, 有可能造成产品损坏和其它更严重的损失。正确使用, 安全操作, 对每个用户都是最重要的。

7.质量流量控制器的工作压差范围是个什么概念?

质量流量控制器(MFC)中设置有一个气体流量调节阀门, 阀门能使通过控制器的流量从零调节到测量的满量程, 在工作的过程当中, 控制器的入口和出口之间会产生一个气压降, 即压差。MFC的工作压差范围通常为0.1~0.3MPa, 若压差低于最低值(0.1 MPa), 有可能控制达不到满量程值; 若高于最高值(0.3MPa), 有可能关闭时流量不能小于

2%F.S。用户使用MFC时, 无论用户工作的反应室是真空还是高压, 应做到使MFC进出气两端的压差保持在所要求压差范围之内, 并且要求气压要相对稳定。

8.质量流量控制器在高压条件下如何使用?

质量流量控制器的工作压差范围通常比较小, 要在高压条件下正常使用需要特别注意三点: 第一, 是要选择耐压符合要求的MFC; 第二, 是要挑选工作压差范围大的产品型号; 第三, 要在MFC气路前面加减压阀, 稳定入口气压, 在MFC下游加背压阀, 稳定反应室和MFC出口的气压, 适当调节减压阀和背压阀, 要保证MFC的工作压差不会超过规定的范围(见图4的高压工作示意图)。只要做到以上三点, MFC就能够在高压条件下稳定工作。

图4. MFC高压工作管路示意图

9.使用挥发性液体蒸发汽, 气压很低, 如何定制质量流量控制器的低压降产品?

部分用户使用挥发性液体蒸发汽做气源(如用丙酮等), 气压很低, 用普通MFC, 不能正常工作。这时用户需要向供货商特别声明, 定制低压降的质量流量控制器。通常可以定制工作压差低于0.01MPa的MFC, 这时MFC的工作压差范围, 也会变小。