ИЗМЕРИТЕЛИ И РЕГУЛЯТОРЫ РАСХОДА ГАЗОВЫХ СРЕД 

Общие сведения и принцип действия Расходомеры и регуляторы расхода газа компании MKS Instruments обеспечивают измерение и регулирование расхода газа с точностью от 1% до 0,5% от верхнего предела (ВП) в диапазоне от 0,001 стандартных см3/мин до 400 стандартных л/мин. Массовый расход газа определяется в единицах объёмного расхода при стандартных условиях: температуре 0°С и давлении 1 атм, т.е. прибор всегда измеряет расход газа в приведённых к стандартным условиям единицах объёма, что однозначно соответствует массовому расходу газа. Приборы изготавливаются и калибруются в соответствии с нормами ISO 9001. В отличие от ротаметров, турбинных расходомеров и других устройств измерения объемного расхода газа, расходомеры компании MKS Instruments определяют непосредственно массовый расход газа. Точность и повторяемость их измерений не зависит от изменения температуры и давления газа на входе в прибор.
Система измерения/регулирования включают в себя первичный блок (измеритель/регулятор), вторичный блок (электронный модуль) и соединительные кабели.	Регулятор в разрезе	Габаритные размеры регулятора расхода

Измеритель расхода

Классическая методика предполагает наличие одной нагревательной и двух измерительных обмоток, включенных в плечи одного измерительного моста. Напряжение, получаемое с измерительных обмоток, будет обратно пропорционально расходу газа.
Запатентованная методика компании MKS Instruments состоит в следующем. Нагревательные обмотки расположены на сенсорной трубке с ламинарным течением газа. Напряжение, необходимое для поддержания постоянного температурного профиля в этой трубке, пропорционально расходу газа через эту трубку. Каждая обмотка включена в плечи моста, дисбаланс которого при наличии расхода газа компенсируется поступлением в него количества энергии, прямо пропорционального по величине массовому расходу газа.

Конструкция измерителей и регуляторов расхода имеет следующие преимущества:

• Высокая динамика. Время отклика сенсора на изменение расхода - менее 500 мс, что обеспечивает оперативное регулирование без колебательного процесса.
• Простой и надежный модуль обработки сигнала. Снимаемое с сенсора напряжение прямо пропорционально расходу, что не требует линеаризации сигнала, как в классической методике.
• Минимальное влияние изменения температуры окружающей среды на сенсор, т.к. вся его трубка находится в кожухе, где поддерживается постоянная температура (температурное регулирование).
• Возможно измерение/регулирование расхода вплоть до 140% от ВП (однако в этом случае возможно снижение точности работы прибора)

Регулирующий клапан

Компания MKS Instruments выпускает регулирующие клапаны различного типа: пьезоэлектрические и электромагнитные. Последние могут применяться как самостоятельно, так и в составе регуляторов массового расхода газа.

Электромагнитный клапан пропорционального регулирования обладает следующими характеристиками:

• Время отклика - менее 15 мс.
• Специальные материалы и методы обработки внутренней поверхности клапана обеспечили возможность его работы как с очень чистыми, так и с агрессивными газами.
• Возможно регулировать как давление, так и расход газа.
• Клапан нормально закрыт, что обеспечивает безопасность при работе с агрессивными газами.
• Возможность работы как с вакуумом, так и с избыточным давлением до 10 бар.

Описание некоторых клапанов:

248А - электромагнитный клапан общего применения с уплотнением из эластомера для расходов от 0,1 ст.см³/мин до 10 ст.л/мин (ВП от 10 до 10 000 ст.см³/мин).
148J - полностью металлический электромагнитный клапан в «ультрачистом» исполнении, функционирует при температуре от -10°С до +150°С; используется, если утечка газа недопустима. Диапазон верхних пределов от 10 до 50 000 ст.см³/мин.
154А - электромагнитный клапан на большие расходы, уплотнения из эластомера, расход от 0,2 ст.см³/мин до 200 ст.л/мин (ВП до 200 ст.л/мин)
245 - клапан регулирования для сверхвысокого вакуума, выполненный полностью из металла; ВП равен 200 ст.л/мин; регулирование давления в диапазоне от 6 бар до 10^-11 мбар; рабочая температура 0°C .. 50°С, температура отжига 450°С.
1249 - контроллер электромагнитного клапана. Преобразует управляющие сигналы в силовые сигналы, воспринимаемые электромагнитными клапанами. В качестве управляющих принимает сигналы: 4 - 20 мА, 0 - 5В, 0 - 10В. Применяется при использовании компьютера или иного не «фирменного» ПИД-регулятора.

Электронные блоки

Электронные блоки обеспечивают питание, индикацию расхода, задание уставки (контрольной точки), а также обладают рядом дополнительных возможностей: Возможность дистанционного открытия или закрытия регулирующего клапана. Наличие вспомогательного входного сигнала позволяет регулятору изменять другие параметры помимо расхода. Например, выходной сигнал датчика давления может быть передан на регулятор расхода, чей регулирующий клапан будет отрабатывать уставку (задается в вольтах) не по расходу, а по давлению. Наличие защиты от радиочастот (ВЧ поля). Стабилизация питания обеспечивает нечувствительность показаний к длине кабеля, колебаниям параметров сети и т.п.

См. также главу Электронные блоки питания, индикации и регулирования.

Как правильно заказать измеритель или регулятор расхода

Для заказа большинства моделей регуляторов или расходомеров массового расхода газа вам необходимо учесть:

Верхний предел измерения по азоту в ст.см³/мин или в ст.л/мин из предлагаемого ряда.

Диапазон рабочих температур
Стандартный диапазон: 15 - 45 °C. Имеются модели, работающие при повышенных температурах. При заказе уточните необходимый вам диапазон рабочих температур.

Выходной сигнал
Вы можете выбрать прибор с аналоговым выходным сигналом 0..5 В, либо прибор с дополнительным цифровым интерфейсом RS 485, Device Net или Profitbus.

Штуцеры
Вы можете выбрать Swagelok 1/4", Cajon 4 VCR, Cajon 4 VCO, а для моделей на большие расходы - Swagelok  1/2", Cajon 8 VCR, Cajon 8 VCO. Подумайте, есть ли у вас подходящая арматура для этих штуцеров. Вы можете заказать ее вместе с нашим оборудованием.

Уплотнения
Компания MKS Instruments предлагает несколько видов уплотнений для газов различной степени агрессивности: Viton, Neoprene, Buna-N, Kalrez. Существуют полностью металлические приборы. Если вы не уверены в своем выборе, сообщите нам, с какими газами вы работаете, и мы поможем вам сделать правильный выбор.

Кабели
При покупке регуляторов и расходомеров необходимо предусмотреть закупку соединительных кабелей между этими датчиками и их электронными блоками. Компания "MKS" предлагает кабели стандартной длины 3 м. Если вам необходима другая длина кабеля, укажите ее в вашем заказе.

Монтаж регуляторов и расходомеров
Компания "MKS" рекомендует монтировать регуляторы и расходомеры в горизонтальном положении (горизонтальная линия протока).

При использовании регуляторов расхода на газовых линиях, питающихся напрямую от баллона с газом, или при использовании сомнительных по чистоте баллонов (даже с установленным фильтром грубой очистки) рекомендуется установить перед прибором защитный фильтр (ячейка 1..10 мкм) для предотвращения его закупоривания.

Выбор верхнего предела в зависимости от рода газа
Все приведенные ниже характеристики расходомеров и регуляторов даны для приборов, калиброванных по азоту. При работе с иными газами для правильного выбора ВП прибора необходимо учесть коэффициент коррекции рода газа (ККРГ).

Пример 1. Необходимо регулировать массовый расход газа СО₂ в диапазоне до 100 ст.см³/мин.
Определяем ВП в азотном эквиваленте, используя коэффициент коррекции рода газа (ККРГ), который для СО₂ равен 0,74.
100 (ст.см³/мин) /0,74 = 135 ст.см³/мин в азотном эквиваленте.
Наиболее близкий сверху ВП для регулятора 1259 будет 200 ст.см³/мин.
Пример 2. Дан расходомер с ВП, равным 1000 ст.см³/мин, измеряющий расход азота.
Каков будет максимальный измеряемый расход (ВП) по аргону?
ККРГ для аргона К=1,45.
1000 ст.см³/мин х 1,45= 1450 ст.см³/мин по аргону.

ПРИМЕЧАНИЕ: если ваш рабочий газ имеет плотность большую, чем азот (1,25 кг/м³ при 0°C), необходимо дополнительно уточнить у представителей компании рекомендации по выбору ВП.

Газ	Химическая формула	K (коэффициент коррекции рода газа)
Азот	N2	1
Аммиак	NH3	0,76
Аргон	Ar	1,39
Ацетилен	С2Н2	0,58
Бром	Br2	0,81
Бутан	C4H10	0,26
Водород	Н2	1,01
Воздух		1
Гелий	Не	1,44
Кислород	О2	1
Криптон	Kr	1,543
Ксенон	Хе	1,32
Метан	СН4	0,72
Окись углерода	СО	1
Пропан	С3Н5	0,36
Пропилен	С3Н6	0,41
Сернистый ангидрид	SO2	0,69
Силан	SiH4	0,6
Углекислый газ	СО2	0,7
Фреон 116	C2F6	0,24
Фреон 13	C Cl F3	0,38
Фреон 21	CHCl2F	0,42
Фреон 23	CHF3	0,5
Фтор	F2	0,98
Хлор	Cl2	0,86
Этан	С2Н6	0,5
Этанол	С2Н6О	0,39
Этилен	С2Н4	0,6

В следующей таблице приведены значения коэффициентов коррекции некоторых газов, полученные экспериментальным путем компанией МKS Instruments:

Некоторые модели приборов требуют заполнения опросного листа для определения их конфигурации с целью максимального удовлетворения ваших требований. Вы сможете избежать неприятных недоразумений, если ещё до оформления контракта на закупку оборудования проконсультируетесь по вопросу правильности вашего выбора с представителем нашей компании.

Номенклатура выпускаемых приборов

Если не указано иначе, измерители и регуляторы расхода имеют следующие характеристики:

• Диапазон рабочих температур: 0 .. 50 °C
• Максимальное давление на входе: до 10 бар

Модель	Точность относительно верхнего предела	Ряд верхних пределов (Верхний Предел Измерения)	Особенности модели
Измерители массового расхода газа
558А	1%	20, 50, 100, 200 ст.л/мин	Большие расходы. Диапазон рабочих температур: 15 .. 40 °C.
179А	1%	10, 20, 50, 100, 200, 500, 1к, 2к, 5к, 10к, 20к ст.см3/мин	Современный, общего применения
М10МВ	1%	10, 20, 50, 100, 200, 500, 1к, 2к, 5к, 10к, 20к, 30к ст.см3/мин	См. Новинки
Регуляторы массового расхода газа
1559А	1%	20, 50, 100, 200 ст.л/мин	Большие расходы. Регулирующий клапан внешнего исполнения 2). Диапазон рабочих температур: 15 .. 40 °C. Максимальное давление на входе - 6,5 бар.
1179B	1%	10, 20, 50, 100, 200, 500, 1к, 2к, 5к, 10к, 20к ст.см3/мин	Современный, общего применения, возможен выходной порт RS485/DeviceNet. См. также Новинки
2179А	1%		Идентичен модели 1179, но с отсечным пневмоклапаном. Максимальное давление на входе - 6,5 бар.
М100В	1%	10, 20, 50, 100, 200, 500, 1к, 2к, 5к ст.см3/мин	См. Новинки
	1,5%	10, 20, 30 ст.л/мин
1479А	1%	10, 20, 50, 100, 200, 500, 1к, 2к, 5к, 10к, 20к ст.см3/мин	Полностью металлический
1476А	1%	10, 20, 50, 100, 200, 500, 1к, 2к, 5к, 10к, 20к ст.см3/мин	Полностью металлический, Ra max = 0,5 мкм, компактный - длина 106 мм.
М330А	1%	10, 20, 50, 100, 200, 500, 1к, 2к, 5к, 10к, 20к, 30к ст.см3/мин	Полностью металлический, высокочистая поверхность. Диапазон рабочих температур: 15 .. 200 °C.

Примечания:

1. Приборы выпускаются с верхним пределом измерения/регулирования, равным одному из значений ряда: 10, 20, 50, 100, 200, 500 ст.см³/мин; 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 400 ст.л/мин.

2. Внешний клапан регулирования: легкодоступность, простота обслуживания и чистки. Встроенный клапан регулирования: минимальное расстояние между элементами крепления регулятора (3 дюйма), экономия места.

Новинки

1) семейство ALTA: 1480/1485 - полностью цифровые приборы с повышенной точностью (1% от измеренного для 20-100%ВПИ и 0,2%ВПИ для диапазона ниже 20%ВПИ), MC10-полностью металлические аналоги 1480

2) Цифровая модель регулятора расхода газа 1179В
Отличительной особенностью цифровой модификации является наличие встроенной таблицы линеаризации, что значительно повышает точность прибора.

3) Серия измерителей расхода (модель М10МВ) и регуляторов расхода газа (М100В)
Приборы имеют сменный байпасный канал, позволяющий перестраивать прибор в условиях заказчика с одного диапазона на другой. Улучшенная электроника: MTBF > 100 лет (средняя наработка электроники на отказ). Применены эластомерные уплотнения. 

4) Серия регуляторов M330A
новое поколение регуляторов массового расхода газов по «ультрачистой» технологии: приборы изготавливаются полностью из металла с высокочистой поверхностью каналов (Ra max = 0,127 мкм). Отличительные особенности: повышенная надежность и полная сохранность чистоты газа.

Электронные модули сделаны на гибридных схемах или по технологии CMОS. Надежность регуляторов подвергается анализу MTBF и подтверждается испытаниями «STRIFE» (stressed life) в соответствии с нормами ISO 9001.
Значительно сокращено время продувки перед применением другого газа за счет усовершенствования конструкции внутренних полостей: минимальная поверхность соприкосновения с газом и отсутствие мертвого объема.
Отсутствует источник загрязнения газа (используются металлические уплотнения). Эта проблема неизбежна в регуляторах с уплотнениями из эластомеров.
Есть возможность дистанционного управления через интерфейс RS-232 или TTL.
В настоящее время многие модели измерителей и регуляторов расхода выпускаются в исполнении CommunicaTorr - имеют встроенный цифровой интерфейс. CommunicaTorr является революционным решением для создания установок нового поколения путем оснащения всех приборов цифровым интерфейсом RS-485. Модели регуляторов этой серии: 1179, 2179, 1479, 1476, 1679. По вашему запросу они могут быть снабжены интерфейсом RS-485 или DeviceNet. Выполняются либо с нормально открытым, либо с нормально закрытым клапаном.

Дозаторы и регуляторы жидкого и парообразного агента

Модель	Точность	Верхний предел, ст.см3/мин	Особенности
1640А	>0,2%	2 .. 20 000	Полностью металлический регулятор расхода, использующий принцип измерения перепада давления. Рассчитан на входное абсолютное давление от 10 торр до 1,3 бар.
1150С	5%	до 1000	Регулятор массового расхода испаряемой/сублимируемой парогазовой смеси, использующий метод измерения давления. Она разработана для систем с давлением процесса не выше 1 торр. Входное давление в регулятор: от 1 торр до 3 бар. Компактный моноблок.
1152С	5%	до 1000	Модели 1150C с двумя датчиками давления Баратрон (для меньшего перепада давлений Рвх/Рвых).
1153A	0,2 .. 3%	0 .. 10 000	Модель 1152C для точной и воспроизводимой подачи паров низкого давления (единицы торр) или сублимируемого газа из твёрдого источника. Полностью металлический, Траб  < 200°C.
VODMA	3%	1000, 3000	Модуль подачи водяного пара. Давление воды на входе: 1,3 .. 2,6 бар.
DLI-25	<1%	2,5	Система подачи пара. Содержит жидкостной насос, испаритель с регулятором температуры и микропроцессорный блок управления. Применяется для подачи строго дозированного количества жидкого агента в виде пара без необходимости контролировать нагрев каналов между резервуаром с жидкостью и регулятором. Диапазон регулирования расхода жидкости: 0,006 .. 2,5 см3/мин, Траб  < 250°C, рабочее давление 0,7 .. 17 бар.

Подача пара с помощью регулятора модели 1153A

Модели 1150C и 1152С применяются для подачи паров таких жидкостей, как TEOS, DADBS, HMDS, TMCTS, TiCl₄, TaCl₅, TEAL, TEB, TEG, TEI, TIBAL, TMAL, TMB, TMG, TMI, TMP.

Электронные блоки питания, индикации и регулирования

Все блоки имеют линейный выходной сигнал уставки (контрольной точки), который является входным сигналом первичного прибора (измерителя/регулятора). Ниже дается описание выпускаемых моделей.

PR4000 - одноканальный (существует двухканальная модификация для измерителей расхода) микропроцессорный блок питания регулятора расхода, ввода коэффициента коррекции рода газа, индикации (4,5 знакоместа), две блокировки, выбор единиц измерения, стандартный компьютерный порт RS-232, запоминание min/max значений, сенсорная клавиатура, сохранение настроек в памяти, как опция - интегральная функция (подсчет суммарного расхода за определенный период времени). Может использоваться также для работы с Баратроном (емкостным датчиком давления).

660 - одноканальный блок индикации для измерителя расхода или Баратрона. Сенсорные переключатели, четыре реле коммутации, дополнительно возможен порт RS-232.

167 - одноканальный электронный блок индикации контрольной точки и текущего измерения (3,5 знакоместа). Ввод коэффициента коррекции рода газа и контрольной точки. Режим регулирования/измерения, открыть/закрыть. Данной модели требуется источник питания ±15В±5%, 30мА (без учёта регулятора).

246 - одноканальный блок питания/ввода ККРГ/цифровой индикации, экран 3,5 знакоместа, удобный интерфейс. Возможна совместная работа нескольких блоков 246. Режимы: регулирование/измерение, пропорциональный смеситель газов в мультигазовых системах, схема с ведомым/ведущим блоком. Подача сигнала 0 .. 5 В на открытие/закрытие клапана. Возможно дистанционное аналоговое управление.

247 - четырёхканальный блок (модель 246 для 4 каналов). Индикация каналов последовательным переключением. Режимы: независимое поканальное регулирование расхода, пропорциональный смеситель газов, ведомый/ведущий (все каналы зависят от одного, по которому происходит управление).
 

647 - многоканальный электронный блок на базе микропроцессора. 4..8 каналов по расходу и 1 канал по давлению. Управление с помощью меню. Хранение в памяти до 70 газов, их символов и ККРГ. Одновременная индикация всех каналов по расходу и канала по давлению. Управление каналов расхода независимое или в определенном соотношении. Пять конфигураций смесей газов с программируемым ККРГ. Два контакта реле на каждый канал для сигнала тревоги или индикации ухода расхода газа от контрольной точки. Возможность дистанционного управления - порт RS-232 входит в состав прибора. Возможность подачи сигнала на регулятор давления для приведения в действие исполнительного элемента, например, клапана с мотыльковой заслонкой.

Режимы работы блоков питания/индикации 246/247/647:

1. Регулирование расходов

Смеситель газов используется в многоканальных системах для получения заданных газовых смесей внутри реактора (камеры) и их поддержания во время технологического процесса при продувке газа, откачке и т.п.

Используются до 8 каналов с независимым или зависимым соотношением расходов. Осуществляется индикация суммарного расхода газа.

 2. Регулирование давления на входе в камеру

Давление в камере измеряется датчиком давления БАРАТРОН. Сигнал с него поступает на ПИД-регулятор давления (например, блок 250), через который устанавливается желаемое значение давления. Один из описанных вторичных электронных блоков принимает управляющий сигнал от регулятора ПИД и воздействует на регулятор(ы) расхода. Таким образом, давление поддерживается постоянным за счет управления суммарным расходом газонапуска при поддержании заданного соотношения между каналами.

 

Примечания: 1. В случае использования одноканальной системы газонапуска существует экономичное решение вопроса регулирования давления:  применяется Баратрон, регулятор расхода, общий вторичный блок (например, PR4000) и соединительные кабели. Функцию ПИД-регулятора в этом случае выполняет внутренний ПИД-регулятор расходомера. 2. Блок 647 содержит в себе ПИД-регулятор и принимает непосредственно сигнал давления от датчика давления Баратрон.  Таким образом, этот режим позволяет регулировать давление одновременно с поддержанием определённого газового состава напускаемой смеси.