精密氣體流量計概述

1. 熱式測量原理：熱式精密氣體流量計是利用熱擴(kuò)散技術(shù)實現(xiàn)高精度流量測量。這類流量計典型的傳感元件包含兩個熱電阻，其中一個作為速度傳感器，被加熱到高于環(huán)境溫度的恒定值，另一個用于感應(yīng)介質(zhì)溫度。當(dāng)氣體流經(jīng)速度傳感器時，氣體流速的變化會改變傳感器的熱傳遞量。流速增加，帶走的熱量增多，傳感器溫度降低，為維持恒定溫度，需增加工作電流，而增加的電流大小與氣體流速成正比，進(jìn)而通過測量電流變化來計算氣體質(zhì)量流量。熱式氣體流量計對流體的溫度和壓力變化相對不敏感，能適用于多種氣體的精密測量，尤其在低流量和微流量測量場景中，憑借其快速的響應(yīng)速度，優(yōu)勢盡顯。

2. 差壓式測量原理：差壓式精密氣體流量計是通過測量氣體在管道中流動時，流經(jīng)節(jié)流裝置（如孔板、文丘里管、V 錐等）所產(chǎn)生的壓力差來計算流量。以孔板流量計為例，當(dāng)氣體流經(jīng)孔板時，流速加快，根據(jù)伯努利方程，流體流速增加會導(dǎo)致靜壓降低，從而在孔板前后形成壓力差，該壓力差與氣體流量存在特定的函數(shù)關(guān)系。通過測量這一壓力差，并結(jié)合氣體的溫度、壓力等參數(shù)，利用相關(guān)公式即可計算出氣體流量。V 錐流量計則克服了標(biāo)準(zhǔn)孔板等傳統(tǒng)節(jié)流裝置易磨損、壓損大、量程比小、對直管段要求高等缺陷，能在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)對各種氣體流量進(jìn)行精確測量，具有精確度高、長期精度穩(wěn)定、重復(fù)性好，受安裝條件局限小、耐磨損、測量范圍度寬、適合臟污介質(zhì)、壓力損失小、使用壽命長等特點。

3. 渦街式測量原理：渦街精密氣體流量計的工作基于卡門渦街原理。當(dāng)氣體流經(jīng)管道內(nèi)的非流線型障礙物（如旋渦發(fā)生體）時，在其下游兩側(cè)會交替產(chǎn)生兩列有規(guī)則的旋渦，形成所謂的卡門渦街。旋渦的頻率與氣體流速成正比，通過測量旋渦頻率，再結(jié)合管道內(nèi)徑等參數(shù)，就能換算出氣體流量。渦街流量計壓力損失小，量程范圍大，精度較高，在測量工況體積流量時，幾乎不受氣體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響，且無可動機(jī)械零件，可靠性高，維護(hù)量小，儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定。它采用壓電應(yīng)力式傳感器，可在較寬的溫度范圍內(nèi)（如 - 20℃~ +250℃）工作，輸出信號形式多樣，既可以是模擬標(biāo)準(zhǔn)信號，也能輸出數(shù)字脈沖信號，便于與計算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用 。

1. 超高測量精度：精密氣體流量計的精度可達(dá)到令人驚嘆的程度，部分產(chǎn)品精度能達(dá)到 ±0.2% 甚至更高。在半導(dǎo)體制造工藝中，如化學(xué)氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、刻蝕等環(huán)節(jié)，對高純工藝氣體的流量控制精度要求高，哪怕極微小的流量偏差，都可能導(dǎo)致芯片制造出現(xiàn)瑕疵，影響產(chǎn)品性能與良品率。精密氣體流量計的高精度特性，能夠確保在這些關(guān)鍵工藝中，氣體流量被精準(zhǔn)控制，為生產(chǎn)高質(zhì)量的半導(dǎo)體產(chǎn)品提供堅實保障。而在一般對精度有較高要求的工業(yè)生產(chǎn)或科研實驗場景中，精度達(dá)到 ±1% 的精密氣體流量計也能很好地滿足需求，保證了工藝流程的穩(wěn)定性和實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

2. 寬量程與高量程比：不同的應(yīng)用場景對氣體流量的需求差異極大，從實驗室微量氣體實驗中可能只需幾 sccm（標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘）的微小流量，到工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中可達(dá)數(shù)千甚至上萬 sccm 的大流量，精密氣體流量計需具備覆蓋廣泛流量范圍的能力。同時，高量程比也是其重要優(yōu)勢，量程比即最大可測流量與最小可測流量之比，一些先進(jìn)的精密氣體流量計量程比可達(dá) 100:1 甚至更高。這意味著在同一設(shè)備上，既能精準(zhǔn)控制微小流量，滿足精細(xì)實驗和工藝控制的苛刻需求，又能在流量大幅變化時，依然保持高精度測量，減少因流量變化而頻繁更換設(shè)備的麻煩，極大地提升了生產(chǎn)和實驗的靈活性與效率。

3. 快速響應(yīng)能力：在一些對氣體流量變化響應(yīng)及時性要求高的工藝過程中，如半導(dǎo)體刻蝕、鍍膜等，快速響應(yīng)的精密氣體流量計至關(guān)重要。當(dāng)工藝指令發(fā)生變化時，它能夠迅速調(diào)整測量并反饋氣體流量信息，快速根據(jù)新的流量需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保反應(yīng)精準(zhǔn)進(jìn)行，滿足先進(jìn)制程對流量快速動態(tài)變化的嚴(yán)格要求。以基于壓電比例閥的精密氣體流量計產(chǎn)品為例，相較于傳統(tǒng)電磁比例閥，壓電比例閥響應(yīng)更快、控制精度更高，且功耗和熱噪聲低，搭配先進(jìn)的自適應(yīng)動態(tài)控制算法，可極大縮短流量調(diào)節(jié)的響應(yīng)時間，顯著提高工藝控制的時效性。

4. 良好的氣體兼容性：由于不同氣體具有各自的化學(xué)性質(zhì)，部分氣體具有腐蝕性、毒性或特殊吸附性等特點，這就要求精密氣體流量計具備良好的氣體兼容性。與腐蝕性氣體接觸的部件，通常采用耐腐蝕的不銹鋼、聚四氟乙烯等材質(zhì)制造，以防止被腐蝕而影響測量精度和設(shè)備壽命；密封材料也經(jīng)過精心挑選，確保在特定氣體環(huán)境下不會發(fā)生溶脹、老化等問題，保證設(shè)備的密封性和長期穩(wěn)定運行。對于一些對氣體純度要求極高的特殊氣體，如高純電子特氣，稍有雜質(zhì)就可能對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，此時專門針對高純氣體設(shè)計的精密氣體流量計就派上用場，這類產(chǎn)品在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝及清潔度處理上更為嚴(yán)苛，通過特殊的工藝和材料選擇，有效防止氣體污染，全力保障氣體流量控制的精準(zhǔn)性與氣體純度。

1. 科研實驗領(lǐng)域：在各類科研實驗室中，精密氣體流量計是的關(guān)鍵設(shè)備。在化學(xué)與材料科學(xué)實驗中，進(jìn)行氣相沉積實驗時，需要精確控制反應(yīng)氣體（如 SiH?、NH?等）的流量，以確保薄膜生長的均勻性和成分精確性，流量控制誤差要求通常需小于 ±1%；在催化劑性能測試實驗里，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器入口氣體（如 H?、CO 等）的流量，能夠準(zhǔn)確計算轉(zhuǎn)化率與選擇性。在生物與醫(yī)學(xué)研究方面，細(xì)胞培養(yǎng)與生物反應(yīng)器中，需要精準(zhǔn)供給 O?/CO?混合氣體（如 5% CO?培養(yǎng)箱環(huán)境），以維持細(xì)胞生長的最佳環(huán)境；在呼吸代謝分析實驗中，測量實驗動物或人體呼出氣體的流量及成分（如 VO?、VCO?），進(jìn)而計算能量代謝率，這些都離不開精密氣體流量計的精準(zhǔn)測量。在環(huán)境科學(xué)與能源研究中，用于大氣污染物監(jiān)測，準(zhǔn)確測量大氣中各種氣體的流量，為環(huán)境研究提供可靠數(shù)據(jù)。

2. 工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域：在工業(yè)生產(chǎn)中，眾多行業(yè)依賴精密氣體流量計來保障生產(chǎn)過程的穩(wěn)定與產(chǎn)品質(zhì)量。在化工行業(yè)，各類化學(xué)反應(yīng)過程對氣體流量的控制要求極為嚴(yán)格，反應(yīng)氣體的流量直接影響反應(yīng)速率和產(chǎn)品質(zhì)量，精密氣體流量計通過精準(zhǔn)測量和控制氣體流量，確保化工過程的穩(wěn)定性和安全性。在石油和天然氣行業(yè)，無論是油氣開采過程中對天然氣流量的精確測量，還是在輸送管道中對氣體流量的實時監(jiān)測與控制，都離不開精密氣體流量計，它對于資源的合理利用、生產(chǎn)安全以及貿(mào)易結(jié)算都具有重要意義。在食品和飲料行業(yè)，從原料加工到產(chǎn)品包裝環(huán)節(jié)，需要精確控制氣體的注入量，如在食品包裝過程中，充入適量的保護(hù)氣體以延長食品保質(zhì)期，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。在制藥行業(yè)，精密氣體流量計用于精確測量各種藥液生產(chǎn)過程中涉及的氣體流量，保障制藥過程的準(zhǔn)確性和藥品質(zhì)量，并且常常與其他過程控制設(shè)備集成使用，實現(xiàn)制藥生產(chǎn)全過程的自動化精準(zhǔn)控制。

3. 環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域：在環(huán)境保護(hù)日益受到重視的當(dāng)下，精密氣體流量計在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過精確測量大氣中的各類氣體流量，如氧氣、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，能夠幫助環(huán)境監(jiān)測人員準(zhǔn)確了解大氣成分的動態(tài)變化，為空氣質(zhì)量評估、環(huán)境污染控制以及大氣污染治理等工作提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。例如，在監(jiān)測工業(yè)廢氣排放時，精密氣體流量計可以實時、準(zhǔn)確地測量廢氣中各種污染物氣體的流量，判斷企業(yè)是否遵守環(huán)保法規(guī)，是否超標(biāo)排放，從而助力環(huán)境保護(hù)部門采取有效的監(jiān)管措施，減少工業(yè)廢氣對環(huán)境的污染，推動實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保目標(biāo)。

• 上一篇：淺述氣體流量控制器的工藝原理
• 下一篇：CIEPEC 2020：8月6-8日，北京不見不散！