[공압 애플리케이션] Mass Flow Controller(MFC)에 적용되는 3가지 센서 기술
많은 의료, 분석 및 산업 장비 및 장치 제조업체는 Mass Flow Controller(MFC)를 사용하여 가스 흐름을 측정하고 제어합니다. 이 글에서는 가스 유량 제어에 일반적으로 사용되는 몇 가지 MFC 기술을 살펴보고, 가스 흐름 제어 애플리케이션에 사용되는 MFC를 올바르게 지정하기 위해 평가해야 할 고려 사항에 대해 알아봅니다.
Mass Flow Controller(MFC)는 액체와 기체의 흐름을 측정하고 제어하는 데 사용되는 장치입니다. 이 글에서는 바이오 리액터의 가스 분사 제어, 의료 장비를 위한 가스 블렌딩, 분석 장비를 위한 가스 샘플링, 플라즈마 절단 및 용접을 위한 가스 혼합, 반도체 공정의 가스 유량 제어와 같은 많은 의료, 분석 및 산업 응용 분야의 가스 흐름 제어에 사용되는 기술에 대해 집중적으로 논의하고자 합니다.
위 그림은 기본적인 유량 컨트롤러 다이어그램입니다.
모든 컨트롤러에는 흡입 포트, 배출구 포트, 흡입 공기량 센서, 비례 제어 밸브 및 폐쇄 루프 제어 시스템 등 여러 가지 공통 구성 요소가 있습니다(위 그림 참조). 제어 시스템은 흡입 유량 센서에 의해 측정된 유량 값을 작업자가 제공한 입력 신호(예: 외부 회로 또는 컴퓨터)와 비교합니다. 그런 다음 컨트롤러는 원하는 흐름을 달성하기 위해 비례 밸브를 적절히 조정합니다.
다양한 MFC가 출시되는 요즘, Mass Flow Controller(MFC)를 가장 크게 차별화하는 것은 장치에 사용되는 질량 흐름 센서 기술입니다.
센서 기술은 애플리케이션의 Mass Flow Controller(MFC)를 선정할 때 평가해야 할 많은 중요한 고려 사항을 결정하는데 기준이 됩니다. 일반적인 Mass Flow 센서 기술로는 코리올리, 열 및 차압의 세가지가 있습니다.
Coriolis Mass Flow
코리올리 원칙은 매우 기본적이지만 매우 효과적입니다. 그것은 고정된 진동에 의해 전원이 공급되는 튜브를 포함합니다. 유체가 튜브를 통과할 때, 질량 흐름 운동량은 위상 이동인 튜브의 진동을 변화시킵니다. 위상 편이를 통해 흐름에 비례하는 선형 출력을 얻을 수 있습니다. 질량 흐름을 측정하는 Coriolis 방법은 또한 튜브의 재료 유형과 독립적이며 모든 가스 또는 액체에 적용할 수 있습니다. 즉, 매체의 정체성이나 유체 특성에 대한 지식이 없는 상태에서 가스나 액체의 질량 흐름을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 센서는 매우 정확하고 반복 가능하며 재보정 없이 다양한 종류의 가스와 액체 혼합물과 함께 사용할 수 있습니다.
그러나 이 기술은 상대적으로 비용이 많이 들고, 기기 전체에 걸쳐 높은 압력 강하가 발생할 수 있으며, 진동 소스로 인해 오류가 발생할 수 있습니다.
Thermal Mass Flow
열 질량 흐름 센서는 일정한 열을 흐름에 유입시켜 관련 온도 변화를 측정하거나 프로브를 일정한 온도로 유지하고 이를 위해 필요한 에너지를 측정하는 방식으로 작동합니다. Coriolis 기술과 달리, 열 질량 흐름 컨트롤러는 가스의 열 특성이 다르기 때문에 다양한 가스에 대한 보정이 필요합니다.
우리가 평가할 첫 번째 Thermal Mass Flow 기술은 모세관형 열질량유동계로, 이 열질량유동계는 유체가 통일된 관을 흐르다 두 개의 내부 유로로 분할됩니다. 내부의 주 유로를 통과하는 가스는 층류 요소를 통과하여 인접한 가열된 모세관 센서 튜브를 통해 전체 질량 흐름의 작은 부분을 강제하는 압력 강하를 생성합니다. 이 센서 튜브는 직경이 작고 길이가 비교적 길며, 튜브 외부에 있는 업스트림 센서에서 다운스트림 센서 권선으로 열을 전달하는 가스의 열 용량을 통해 질량 유량을 측정합니다. 두 저항 센서 간에 측정된 차이는 센서 튜브를 통과하는 질량 유량을 측정하여 장치를 통과하는 총 질량 유량을 측정합니다.
이 센서는 매우 정확하며 더 높은 산업용 유량 범위와 흡입구 압력을 제공할 수 있습니다. 이 기술과 관련된 저항성 온도 감지로 인해, 이러한 장치의 압력 변화에 대한 응답 시간이 더 느리기 때문에, 프로세스 상에서 일정하게 유량을 유지해야 하는 애플리케이션에 더 적합합니다.
MEM은 발열체와 2개의 고감도 온도 센서로 구성된 MEM의 질량 흐름 칩을 활용하는 또 다른 열 질량 흐름 센서 기술입니다. MEM 칩은 장치의 흐름 채널 내에 직접 위치합니다. 가스가 삽입된 칩을 통해 흐르면 센서에서 측정된 온도 차이가 질량 흐름 측정으로 직접 변환됩니다. 이 MEMs 칩 기술은 일반적으로 낮은 유량 및 흡입 압력 애플리케이션으로 제한됩니다.
그러나 매우 정확하고 설정 지점 변경에 밀리초 이내에 응답하므로, 정확한 제어와 명령된 흐름 변경에 대한 빠른 응답 시간이 필요한 낮은 흐름 애플리케이션에 도움이 됩니다.
Differential-Pressure Mass Flow
마지막으로, 차압 기술을 이용하여 유량을 측정하는 매스 플로우 컨트롤러를 알아 보겠습니다. 차압 질량 흐름 컨트롤러의 독특한 점은 질량 흐름을 제어하기 위해 추가 압력 및 온도 센서가 장치에 통합되거나 밀도 보정 계수가 가정되어야 한다는 것입니다. 차압 감지는 표준 조건에 맞게 보정된 체적 흐름의 측정값인 질량 흐름이 아니라 단위 시간당 계측기를 통해 흐르는 매체의 볼륨을 측정하는 측정값인 체적 흐름에만 관련된 데이터를 제공합니다. 따라서, 차압 기술과 같이 질량 흐름을 직접 측정하지 않는 유량 감지 장치는 표준화된 질량 흐름 속도로 변환하기 위해 추가적인 온도 및 압력 의존 밀도 보정 계수가 필요합니다.
Laminar DP 질량 흐름 컨트롤러는 층상 흐름 요소(LFE) 내에서 생성된 압력 강하를 사용하여 유체의 질량 흐름 속도를 측정합니다. 이를 위해 LFE는 난류 흐름을 얇은 병렬 채널의 배열로 분리하여 층류 흐름으로 변환합니다. 채널 전체의 압력 강하는 차압 센서를 사용하여 측정됩니다. 그런 다음 압력 강하는 체적 유량과 관련이 있으며, 이는 온도 및 압력 의존 밀도 보정 계수를 사용하여 표준화된 질량 유량으로 변환할 수 있습니다. 층상 DP 컨트롤러는 응답 시간이 빠르며 밀도 보정 계수의 정확도에 따라 매우 정확할 수 있습니다. 층류 측정은 가스가 다양한 압력과 온도에 어떻게 반응하는지에 대한 정확한 데이터에 의존합니다. 즉, 정확한 측정을 위해서는 정확한 가스 성분을 알아야 합니다. 또한 얇은 병렬 채널의 기하학적 구조로 인해 이러한 장치는 막힘이나 응축에 취약하며, 이는 시스템의 정확도에도 영향을 미칠 수 있습니다.
Venturi 유량계는 파이프의 두 위치에서 압력 차이를 측정하여 유량 측정을 생성하는 차압 유량계의 일종입니다. 이 압력 차이는 파이프의 직경을 제한함으로써 생성되며, 이로 인해 유속이 증가하고 그에 상응하는 압력 강하가 발생합니다. 이러한 유체 흐름의 변화를 통해 체적 유량을 결정한 다음 질량 유량으로 변환할 수 있습니다. 이러한 장치는 흐름 명령 변경에 매우 신속하게 대응하지만 일반적으로 정확성과 반복성을 희생합니다.
Mass Flow Controller를 선정하려면 응용 프로그램에 필요한 흐름 제어 성능 및 작동 기능을 충족하는 기술을 신중하게 고려해야 합니다.
평가해야 할 주요 성능 고려 사항으로는
1. 흐름 범위, 응답 시간, 정확도, 분해능 및 사전 보정 필요성을 포함한 애플리케이션의 모든 잠재적 가스 상태 변수가 있습니다.
2. 고려해야 할 몇 가지 작동 기능에는 신호/명령 제어 옵션(예: 0-5V, 0-10V 및 4-20mA 아날로그, 3.3V/5.0V TTL, RS-232 및 RS-485 직렬), 출력 디스플레이 또는 I/O에 대한 필요성, 사용자 프로그래밍 가능 또는 사전 프로그래밍된 가스 보정의 가용성이 포함됩니다.
3. 마지막으로, 선택한 사항이 비용에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문에 예산도 고려해야 합니다.
위 사진은 10억 싸이클의 EV 솔레노이드 밸브로 유명한 미국 CLIPPARD 사의 유량 비례제어 컨트롤러입니다.
30분의 예열 시간, 큰 차압, 제한된 유량 범위가 필요한 다른 MFC와 달리 Cordis Flow 컨트롤러는 1분 미만의 예열 시간, 압력 강하가 14" H2O 이하이며 0 - 30 sccm의 낮은 유량 범위까지도 제어합니다.
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