气体质量流量计/质量流量控制器
有关技术问题的问答
越来越多的朋友对气体质量流量计﹑质量流量控制器产生了浓厚的兴趣。为了帮助朋友们更好地选购和使用此类产品，我们对曾经遇到过的有关技术和工艺方面的疑问统一整理回答，供朋友们参考。
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。
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。
注意使用挥发性液体蒸发汽时, 不能让汽化物在MFC中结露, 结露会影响MFC的正常工作。为了防止结露, 可以对管路和MFC适当加温, 但MFC的工作环境温度通常不得超过50℃。如果用户要MFC的工作环境温度超过65℃以上, 需要特殊购买高温MFC产品。
10. 质量流量控制器能用于控制腐蚀性气体和特殊气体吗? 如何选择密封材料?
质量流量控制器可以用于控制各种气体, 包括腐蚀性气体和特殊气体, 但是要注意, 对于使用腐蚀性气体和特殊气体, 需要恰当选择型号和密封材料。用户在订货时, 需要向供货厂商特殊声明使用气体, 以免因为选型或选择密封材料错误, 造成严重损失。
通常气体质量流量控制器接触工作气体的湿材料为316L不锈钢、聚四氟乙烯和密封材料等, 密封材料又分为金属密封和橡胶密封两大类。金属密封的材料一般为不锈钢、金或镍等耐腐蚀材料。采用金属密封的MFC原则上可以用于任何气体, 包括各种腐蚀性气体和特种气体。对于三溴化硼、三氯化硼、氟化氢等强腐蚀性气体和MOCVD使用的金属氧化物气体建议最好采用金属密封的MFC。
由于金属密封的MFC价格较高, 通常要求不高的场合, 均采用橡胶密封的MFC。如果不特殊声明, MFC都采用氟橡胶密封, 可以用于大多数酸性和碱性腐蚀性气体, 例如可以用于氯化氢等卤族干燥气体。其它一些特殊腐蚀性气体, 需要采用特种橡胶。氨气——需要采用耐氨橡胶, 如乙丙橡胶、氯丁橡胶或丁晴橡胶; 有机溶剂汽氛(丙酮、甲苯等)——需要采用硅橡胶; 三溴化硼、三氯化硼、氟化氢等——需要采用全氟橡胶。
11. 选择产品和订货时应当注意什么？
这一点关系到用户的切身利益，涉及的问题也比较多，因而我们尽可能地给以祥尽﹑客观的回答。
(1) 注意选择正确的品牌
一般应当全面衡量生产厂家的产品质量﹑销售价格﹑售后服务﹑技术水平﹑产品特点﹑生产规模﹑企业信誉等因素。
(2) 注意选择正确的量程
A. 将您需要的流量换算成标准状态下的流量（质量流量）。
B. 根据厂家提供的质量流量转换系数表，将您所用气体的质量流量值换算成与氮气（标定气体）等价的质量流量值。如果您希望按您实际使用的气体标定，请向厂家说明。有关质量流量转换系数的问题，以下还有进一步解答。
C. 确定所需标准量程。厂家一般有自己的各种规格的标准量程，您实际使用的流量最大值应接低于某个标准量程值。标准量程的选取要避免过大或过小。质量流量的误差指标是按满量程值的百分比规定的，如果实际流量较小而量程值选取过大，则测量值的相对误差较大。
(3) 注意选择正确的工作压力指标
不同的产品工作压力指标可能不同，注意选择适合自己的产品。
质量流量控制器（MFC）除最大工作压力之外，还有另一项工作压力指标：工作压差，即MFC进气端和出气端之间的压差，选型时要注意，使用时也要注意。
(4) 注意选择合适的精度指标
准确度﹑线性﹑重复精度是比较重要的几项指标，其中重复精度在很多应用场合尤为重要。指标不一定追求最高，应考虑自己的实际需要。
如果对厂家给出的指标不放心，有条件的用户也可以自己标定一下。标定的方法参见下面的有关内容。
(5) 注意选择合适的响应时间指标
有的应用系统对MFC的响应时间有较高的要求，用户应根据自己的情况加以考虑。在考虑响应时间指标的同时，还应注意其响应过程及动态特性。
(6) 注意对安装位置有无要求
有的厂家的产品要求必须水平位置安装。
(7) 注意使用气体和适用范围
MFM/MFC 对使用的环境及介质温度﹑气源压力﹑介质（特别是使用对腐蚀性气体）情况等均有一定适用范围，请注意阅读说明书或向厂家咨询。
(8) 注意接头形式
通常有双卡套(Swagelok)和VCR两种接头可以选择, VCR接头性能更好适合于高端应用。
(9) 订货应注明：
产品名称、型号、流量规格、标定气体、使用气体（特别是腐蚀性气体）、接头形式和数量。
12. 买质量流量计 / 质量流量控制器时，还需要买其它配套产品吗？
一般需要流量显示仪与之配套使用。流量显示仪为MFM/MFC提供工作电源，进行流量显示，对MFC进行流量设定操作。如果将MFM/MFC直接和计算机测控系统相连，视情况也可以不配流量显示仪。
另外根据系统的需要可以选购截止阀﹑过滤器﹑干燥器﹑单向阀﹑管接头﹑减压器﹑背压阀等。
13. 怎样选择流量显示仪？
我们的流量显示仪非常丰富，可供用户选择的余地很大。
我们有单通道（配接一台MFM/MFC）和多通道（配接多台MFM/MFC）产品；多通道产品中又有共用显示和分别显示之分（前者体积较小，价格稍便宜，但显示需切换；后者体积较大，但显示直观）；有台式﹑仪表式﹑和上架机箱式；有输入输出只能是电压信号的，也有电压和电流信号都行的；多数产品使用交流220V电源，也有产品可使用交流110V电源；有MFC和MFM都能配的，也有单配MFM的。
还有流量积算仪可进行瞬时流量和累积流量的显示。
将流量显示仪安装在机柜上的用户，请注意安装的开孔尺寸。
14. 怎样选择流量显示单位？
我们的流量显示仪一般提供三种流量显示单位，即百分比﹑SCCM﹑SLM。出厂前根据用户的要求设定。按百分比显示的方式，即是将 MFM / MFC 的流量测量值按其占满量程的百分比来显示，例如，规格为50SCCM的MFM/MFC，当显示值为80%时，实际的流量为40SCCM。对任何一种规格的MFM/MFC，满量程值都显示为100%。这种方式通用性好，可配不同量程的MFM/MFC，但不直观，有的用户不习惯。
按 SCCM或 SLM显示，出厂时对流量显示范围与相应的MFM/MFC的量程进行匹配，使用时显示值即是流量值，很直观，符合习惯，为多数用户所采用。 匹配好后，原则上也能接其它量程的MFM/MFC使用，只是显示值需要修正，见下述有关问题。
15. 一定要按实际使用气体标定显示吗？
不一定。按实际实际使用气体标定显示，显示的是实际气体的流量, 比较直观。但在很多的实际应用场合，只需要找到一个合适的流量参数并保证测量和控制的重复性，至于该气体的实际质量流量是多少，用户并不是特别关心。在这种情况下，您直接使用厂家的标准出厂产品（氮气标定显示）也可以。当然，如前面所提到的，您在选定流量规格时，需要换算一下，以选择合适的量程。对于某些用户，同一个产品有时可能会通不同的气体，这种情况下，直接使用氮气标定出厂的产品更方便。
16. 怎样进行不同气体的质量流量换算？
产品出厂一般是按氮气标定﹑按氮气流量确定流量规格。用同一规格的MFM/MFC测量不同的气体，当流量检测值相同时，实际的流量值可能不同。我们在说明书中给出了不同气体相对于标定气体（氮气）的质量流量转换系数。
如果您使用的产品是标准出厂产品（按氮气标定显示），而需要知道实际使用气体的质量流量时，先在产品说明书中找到实际使用气体的转换系数。在测量过程中，以此系数乘以流量显示值即是实际使用气体的质量流量；反之，在确定所购产品的量程时，以实际使用气体的最大期望流量值除以转换系数，即是相应的氮气标定产品的流量值。
空气、O2﹑H2﹑CO﹑HCL、HF等气体，其转换系数约为1.0 , 一般可直接用按氮气标定显示的产品，不必换算。
17. 不同气体的流量转换系数是怎样得出来的? 混合气体的转换系数如何计算?
气体的流量转换系数理论上取决于该气体在标准状态下的密度和比热, 以及气体的分子构成系数。常用的单组份气体，其转换系数可在厂家产品技术说明书中查得；如果知道该气体的密度和比热, 也可以用下面的基本公式计算出来。
气体质量流量转换系数C的基本公式：
C=0.3106 N /ρ(Cp)
其中： ρ——为气体的密度
CP——为气体的定压比热
N ——为气体分子构成系数（与该气体分子构成的组份有关, 见下表）
气体分子构成系数表
气体分子构成 | 举 例 | N 取 值 |
单原子分子 | Ar He | 1.01 |
双原子分子 | CO N2 | 1.00 |
三原子分子 | CO2 NO2 | 0.94 |
多原子分子 | NH3 C4H8 | 0.88 |
如果是多组份混合气体（假定由n种气体组成），按下列公式计算其转换系数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 | ——为相应气体的流量 |
ωT | ——为混合气体的流量 | |
ρ1…ρn | ——为相应气体的密度 (数值见产品技术说明书) | |
CP1…CPn | ——为相应气体的定压比热 (数值见产品技术说明书) | |
N1 … Nn | ——为相应气体的分子构成系数 |
注意: 如果混合气体的混合比例不固定, 将无法计算出转算系数。
18. MFM/MFC的使用方面有什么注意事项？
(1)注意阅读产品说明书及有关资料
(2) 注意轻拿轻放妥善保管
MFM/MFC比较精密，应避免受到撞击和强烈振动。产品不用时注意放在较好的环境中妥善保管。
(3) 注意系统设计
用户购买MFM/MFC后，往往要组建一个系统。建议在系统设计时，不要仅仅考虑功能的实现，还要考虑系统的可靠性﹑安全性﹑易操作性﹑易维护性﹑易扩充性等因素。以下给出几点具体建议：
A. 注意加装过滤器，以净化气源，延长MFM/MFC的使用寿命。
B. 对于反应系统，建议在MFC的出气端加装单向阀，以防止异常情况下反应物倒流损坏 MFC。
C. 对于高压系统，应在MFC的下游加装背压阀（或其它节流装置）及压力表，以便于保证MFC的工作压差。
D. 对于硅烷这样的遇空气易形成结晶的气体，应特别注意系统的密闭性（检漏时不要忽视减压器），必要时设计吹洗旁路，随时进行氮气吹洗或正压保持。
E. 对于要求比较高的气路系统, 注意气路接头尽量减少并采用VCR等接头。对于使用有害气体的系统，必须严格检漏。气路柜应有排风系统, 防止对人员和设备的损伤。
F. 有高频源的系统应注意屏蔽并特别注意处理好接地问题，例如采用单点接地。
G. MFM/MFC的安装位置应易于装卸﹑检测﹑调零，并安全可靠。
H. 对可靠性要求极高的系统，应注意冗余设计。
(4) 注意正确使用操作
对于比较复杂的系统或使用有害气体的系统，应当制定完善的安全操作规程, 防止发生误操作。
(5) 注意使用气体与流量计的密封材料相适应
我厂生产的流量计通常采用的密封材料是氟橡胶，能适合大多数气体的使用，包括HCL这样的强腐蚀性气体。但对于氨气，必须使用耐氨橡胶；对于有机溶剂类气体，如丙酮、甲苯等，必须使用硅橡胶；对于使用三氯化硼、三溴化硼等强腐蚀性介质，必须使用四氟密封或金属密封的流量计。用户在订货和使用中必须特别注意。
(6) 注意定期标定
质量流量计原则上应当定期标定。
19. 我能不能自己改MFM/MFC的量程？改量程应注意什么？
更改MFM/MFC量程需要更换分流器阀口等部件, 还要进行量程标定, 因此用户不能自己更改量程。改量程一般应在生产厂或指定维修站进行。如果您觉得量程没选好，应与供货商和厂家联系。
改MFM/MFC量程时, 还要注意您的流量显示仪是否也要调整。如果流量是按百分比方式显示的，则显示仪不用改动；如果流量是按SCCM或SLM显示的，则一般需对流量显示仪进行调整，以适应新的流量量程。也可以不调整流量显示仪，只对流量显示值乘以一个修正系数进行修正:
修正系数 = 新满量程值 / 原满量程值。
改流量显示仪的问题，请仔细阅读有关流量显示仪的说明书, 如果有改量程的说明, 可自己按要求更改。若没有说明, 请和厂家联系。
20. 模拟式MFC怎样和计算机相连接？
计算机可以直接和MFC相连，也可以通过流量显示仪和MFC相连。
对于模拟的MFC, 一般需要在计算机上配A/D﹑D/A转换板, 模拟/数字转换用于接收流量测量值, 数字/模拟转换用于给出0-5VDC流量设定信号，这种转换板在工业控制产品市场上很容易买到；如果是MFC直接与计算机连接，需要用户自己提供±15V电源（要求电源抗干扰能力要强）；将“设定”线接计算机D/A输出；将“流量检测”线接计算机A/D输入端；MFC信号地与计算机信号线连结即可。
如果MFC通过流量显示仪与计算机连接，将流量显示仪的“外设”线接计算机D/A输出；将“流量检测”线接计算机A/D输入端；显示仪的信号地与计算机信号线连结即可。
当然, 另外还需要配相应的软件。
22. 数字化质量流量控制器的发展情况如何? 有些什么特点?
数字化质量流量控制器起源于上世纪八十年代末期, 现在在国外, 有逐步普及的趋势。在国内, 2004年中法合资的七星弗洛尔公司已有AFC系列数字化MFC/MFM批量投产。
数字化质量流量控制器有两种类型, 一种是数字模拟兼容产品, 一种是全数字化产品。数字模拟兼容类产品采用与模拟流量计一样的±15V电源, 输入输出信号除了有模拟的+5VDC信号外, 还具有RS232/RS485串行通讯口。数字模拟兼容的MFC当设置为模拟式时, 可以直接替换模拟式MFC, 无需做其它更改。全数字化类型产品通常采用24VDC单电源, 没有模拟输入输出信号, 只有现场总线通讯信号。
数字化质量流量控制器内置MCU多功能微处理器, 可以对采集到的流量信号进行数字化处理, 进行温度线性校正, 具有比模拟式产品更高的精度和线性性能。数字化的PID控制功能, 能提高稳定性和智能化地改变响应特性。串行通讯, 使MFC更便于进行计算机系统控制。数字化智能化的MFC逐步替代全模拟的MFC, 这是技术发展的必然潮流。
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