精密氣體流量計(jì)概述

1. 熱式測(cè)量原理：熱式精密氣體流量計(jì)是利用熱擴(kuò)散技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度流量測(cè)量。這類流量計(jì)典型的傳感元件包含兩個(gè)熱電阻，其中一個(gè)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(gè)用于感應(yīng)介質(zhì)溫度。當(dāng)氣體流經(jīng)速度傳感器時(shí)，氣體流速的變化會(huì)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(guò)測(cè)量電流變化來(lái)計(jì)算氣體質(zhì)量流量。熱式氣體流量計(jì)對(duì)流體的溫度和壓力變化相對(duì)不敏感，能適用于多種氣體的精密測(cè)量，尤其在低流量和微流量測(cè)量場(chǎng)景中，憑借其快速的響應(yīng)速度，優(yōu)勢(shì)盡顯。

2. 差壓式測(cè)量原理：差壓式精密氣體流量計(jì)是通過(guò)測(cè)量氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，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(lái)計(jì)算流量。以孔板流量計(jì)為例，當(dāng)氣體流經(jīng)孔板時(shí)，流速加快，根據(jù)伯努利方程，流體流速增加會(huì)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(guò)測(cè)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(jì)算出氣體流量。V 錐流量計(jì)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(duì)直管段要求高等缺陷，能在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)對(duì)各種氣體流量進(jìn)行精確測(cè)量，具有精確度高、長(zhǎng)期精度穩(wěn)定、重復(fù)性好，受安裝條件局限小、耐磨損、測(cè)量范圍度寬、適合臟污介質(zhì)、壓力損失小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

3. 渦街式測(cè)量原理：渦街精密氣體流量計(jì)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(shí)，在其下游兩側(cè)會(huì)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(guò)測(cè)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(jì)壓力損失小，量程范圍大，精度較高，在測(cè)量工況體積流量時(shí)，幾乎不受氣體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響，且無(wú)可動(dòng)機(jī)械零件，可靠性高，維護(hù)量小，儀表參數(shù)能長(zhǎng)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(hào)形式多樣，既可以是模擬標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，也能輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，便于與計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用 。

1. 超高測(cè)量精度：精密氣體流量計(jì)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(duì)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(jì)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(jiān)實(shí)保障。而在一般對(duì)精度有較高要求的工業(yè)生產(chǎn)或科研實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，精度達(dá)到 ±1% 的精密氣體流量計(jì)也能很好地滿足需求，保證了工藝流程的穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

2. 寬量程與高量程比：不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)氣體流量的需求差異極大，從實(shí)驗(yàn)室微量氣體實(shí)驗(yàn)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(wàn) sccm 的大流量，精密氣體流量計(jì)需具備覆蓋廣泛流量范圍的能力。同時(shí)，高量程比也是其重要優(yōu)勢(shì)，量程比即最大可測(cè)流量與最小可測(cè)流量之比，一些先進(jìn)的精密氣體流量計(jì)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(shí)驗(yàn)和工藝控制的苛刻需求，又能在流量大幅變化時(shí)，依然保持高精度測(cè)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(shí)驗(yàn)的靈活性與效率。

3. 快速響應(yīng)能力：在一些對(duì)氣體流量變化響應(yīng)及時(shí)性要求高的工藝過(guò)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(jì)至關(guān)重要。當(dāng)工藝指令發(fā)生變化時(shí)，它能夠迅速調(diào)整測(cè)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(duì)流量快速動(dòng)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(jì)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(dòng)態(tài)控制算法，可極大縮短流量調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間，顯著提高工藝控制的時(shí)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(diǎn)，這就要求精密氣體流量計(jì)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(cè)量精度和設(shè)備壽命；密封材料也經(jīng)過(guò)精心挑選，確保在特定氣體環(huán)境下不會(huì)發(fā)生溶脹、老化等問(wèn)題，保證設(shè)備的密封性和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于一些對(duì)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，此時(shí)專門針對(duì)高純氣體設(shè)計(jì)的精密氣體流量計(jì)就派上用場(chǎng)，這類產(chǎn)品在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝及清潔度處理上更為嚴(yán)苛，通過(guò)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(shí)驗(yàn)領(lǐng)域：在各類科研實(shí)驗(yàn)室中，精密氣體流量計(jì)是的關(guān)鍵設(shè)備。在化學(xué)與材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行氣相沉積實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(zhǎng)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(cè)試實(shí)驗(yàn)里，通過(guò)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(jì)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(zhǎng)的最佳環(huán)境；在呼吸代謝分析實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或人體呼出氣體的流量及成分（如 VO?、VCO?），進(jìn)而計(jì)算能量代謝率，這些都離不開(kāi)精密氣體流量計(jì)的精準(zhǔn)測(cè)量。在環(huán)境科學(xué)與能源研究中，用于大氣污染物監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確測(cè)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(jì)來(lái)保障生產(chǎn)過(guò)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(guò)程對(duì)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(jì)通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量和控制氣體流量，確?；み^(guò)程的穩(wěn)定性和安全性。在石油和天然氣行業(yè)，無(wú)論是油氣開(kāi)采過(guò)程中對(duì)天然氣流量的精確測(cè)量，還是在輸送管道中對(duì)氣體流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，都離不開(kāi)精密氣體流量計(jì)，它對(duì)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(guò)程中，充入適量的保護(hù)氣體以延長(zhǎng)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(jì)用于精確測(cè)量各種藥液生產(chǎn)過(guò)程中涉及的氣體流量，保障制藥過(guò)程的準(zhǔn)確性和藥品質(zhì)量，并且常常與其他過(guò)程控制設(shè)備集成使用，實(shí)現(xiàn)制藥生產(chǎn)全過(guò)程的自動(dòng)化精準(zhǔn)控制。

3. 環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)精確測(cè)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(cè)人員準(zhǔn)確了解大氣成分的動(dòng)態(tài)變化，為空氣質(zhì)量評(píng)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(cè)工業(yè)廢氣排放時(shí)，精密氣體流量計(jì)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)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(duì)環(huán)境的污染，推動(dòng)實(shí)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(jiàn)不散！