Elektronische sensor maakt massaflowcontroller snel en nauwkeurig

26 jan, 2018

Elektronische sensor maakt massaflowcontroller snel en nauwkeurig

Er is een grote keuze aan flowmeters, die onder andere verschillen in het type sensor. We zetten de voor- en nadelen van enkele soorten op een rijtje.

Er is niet een ‘beste flowmeter’. Alles hangt af van de applicatie en wat de eigenaar ervan verwacht. Gasmassaflowmeters (MFM) en massaflowcontrollers (MFC), generaliserend MFC’s genoemd, meten en regelen de gasmassaflow. Typische toepassingen voor MFC’s zijn processen in de halfgeleiderindustrie, dosering van gassen in bioreactoren, luchtinjectie in ijs en voor laboratoriumtoepassingen zoals katalysatoronderzoek.
De MFC’s die hier aan bod komen zijn geschikt voor relatief lage gasflows, van een paar cc/min tot 500 of 1000 L/min. In dit applicatiegebied is de thermische gasmassaflowmeter op basis van het bypassconcept het meest toegepaste instrument.

Capillair versus MEMS
Er zijn MFC’s op basis van een capillaire sensor en instrumenten die met een MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) sensor zijn uitgerust. Beide sensortechnieken hebben voordelen en beperkingen.
Een MFC met een capillaire sensor is voorzien van een Laminar Flow Element (LFE) in de bypass. Deze combinatie leidt tot een meer lineair verband tussen de flow door de sensor en bypass over het hele meetbereik.
Daarnaast is het mogelijk om deze MFC’s te gebruiken voor lucht, helium of een ander gas. Een ander voordeel van de capillaire sensor is de mogelijkheid om alle productberoerde delen in RVS uit te voeren. Er is dus een ruime materiaalkeuze voor corrosieve applicaties en er zijn uitvoeringen voor hogedruk beschikbaar.
De MEMS-gebaseerde MFC heeft geen LFE maar een flowconditioner. De belangrijkste functie daarvan is het stabiliseren van de flow zodat een geconditioneerde hoeveelheid gas door de sensor gaat stromen. De doorlaat van de sensor is veel groter, zodat bijvoorbeeld de drukval relatief laag is en de sensor nauwelijks gevoelig is voor vervuiling. Een kanttekening is dat dit type MFC gekalibreerd moet worden met het gas zoals in de applicatie. Het voordeel is wel dat het instrument daardoor nauwkeuriger is.
Het grootste voordeel van de MEMS sensor is evenwel dat deze geen (meetbare) drift vertoont. Drift is een langzame verschuiving van de gemeten waarde bij een bepaalde flow. Drift beïnvloedt de nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid en uiteindelijk de betrouwbaarheid van de flowmeter.

Meer voordelen
Een andere voordeel van de MEMS zijn dat de sensor heel snel is: 50 ms, waardoor onder andere het instrument vrijwel direct de nieuwe meetwaarde aangeeft, en bij nulflow ook nulflow aangeeft. De opwarmtijd is slechts een seconde is (terwijl dat bij capillaire concepten oploopt tot wel 15 minuten), en het instrument hoeft in tegenstelling tot capillaire MFC’s niet ‘genuld’ te worden. MEMS gebaseerde MFC’s bieden een aanzienlijk betere betrouwbaarheid van de gemeten of geregelde flow.
Voor de MEMS gebaseerde MFC’s gelden betere specificaties als het gaat om nauwkeurigheid, reactietijd en te halen turndown. Elk instrument dient met het gas van de applicatie gekalibreerd te worden. Dat heeft dan wel als voordeel dat het instrument nauwkeuriger is. De beperking schuilt er in dat deze MFC’s niet voor elk gas toegepast kunnen worden. Een cruciaal voordeel van de MEMS gebaseerde MFC’s is de minimale drift in de sensor. Dat resulteert in een betere lange termijn nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en betrouwbaarheid.

Met dank aan Ton Bol, A-B-T bv, de Nederlandse vertegenwoordiging van Vögtlin Instruments.