MFC Mass Flow Controller ES-500

Strömungsmessung

Die verwendeten Messprinzipien:

  • Thermomassendurchflussmessung:

Im Strömungsmedium wird ein präzises Heiz-Sensor-Element positioniert und Wärme zugeführt. Bei Gasfluss erfolgt ein Wärmetransport. Aus dem temperaturabhängigen Widerstand wird der Temperaturgradient an den Sensorelement erfasst.

Er ist linear und proportional zur Durchflussrate des Gases. Bei diesem Sensorprinzip kann die Kontamination der Sensorfläche die Messung negativ beeinflussen.

  • Coriolis-Massendurchflussmessung:

Das strömende Gas wird durch einen Rohbogen geleitet, der dadurch in Schwingungen versetzt wird. In Folge der Drehbewegung des Bogens ändert sich durch die Corioliskraft die Bahngeschwindigkeit im Rohbogen. Die beiden Schenkel der Schleife bewegen sich zeitversetzt.

Der Zeitunterschied hängt von der Strömungsgeschwindigkeit des Gases direkt ab. Weiterhin haben die Masse und das Elastizitätsmodul des Rohres einen Einfluss auf der Messung.

  • Schwebekörper- Durchflussmessung

Der Strömungsmesser besteht aus einem senkrecht stehenden konischen Rohr, in dem sich eine bewegliche Schwebekugel befindet.

In Anhängigkeit von Strömungs-widerstand und den Stoffeigenschaften des Gases (Dichte, Viskosität) wird der Schwebekörper gegen die Schwerkraft angehoben.

  • Resonante Strömungsmessung

Spezielle MEMS-Sensoren eigenen sich für die Strömungsmessung von Gasen. Diese Sensoren besitzen eine Si-Brücke, die zur Resonanz aktiviert wird. Bei Gasströmung erfolgt eine Frequenzverschiebung, die proportional zum Massenfluss des Gases ist.

  • Strömungsmessung mittels Differenzdruckmessung

Der Druckunterschied an einem Strömungshindernis ist proportional zum Massenfluss des Gases. Mit Hilfe von kapazitiven Drucksensoren wird der Druckdifferenz gemessen. Auf Grund der hohen Auflösung der Kapazitätsmessung können sehr kleine Druckunterschiede gemessen und dadurch sehr empfindliche Messmethoden realisiert werden.

MFC- Anwendungen – Wo werden MFCs benötigt?

In vielen Bereichen unseres Lebens wird die Strömungsmessung von Gasen eingesetzt. Die Anwendungsgebiete von MFCs strecken sich von Haushaltgeräten, Automobilindustrie, Sicherheitsvorrichtungen bis hin zu Medizintechnik.

Strömungsmesssysteme mit Mass Flow Controllern finden in Industrie, Laboratorien und Universitäten eine breite Anwendungsmöglichkeit. In der Industrie spielt z.B. die Regelung großer Massenströme von Prozessgasen eine bedeutende Rolle. In der Biotechnologie, der Pharmaindustrie und Medizin sind Messungen in Nanobereich erforderlich. Durch die fortlaufende Entwicklung kommen neue Substanzen und Gasgemische in unterschiedlichen Verhältnissen und unter verschiedenen Bedingungen zum Einsatz.

Dadurch wächst der Bedarf an auf die spezifische Anwendung angepassten Strömungsmessern und Reglern. Für den breiten Einsatz von Mass Flow Controllern sind einige Faktoren wie Messgenauigkeit, Geschwindigkeit, Energieverbrauch, Kosten, Zuverlässigkeit und Platzbedarf von großer Bedeutung.

Eigenschaften MFC ES-500

Der Mass Flow Controller ES-500 regelt den Durchfluss von trockenen, nicht korrosiven und nicht brennbaren Gasen für analytische und technische Anwendungen. Die Standardkalibrierung erfolgt mit Luft. Kalibrieren auf andere nicht korrosive und nicht brennbare Gase wird auf Wunsch angeboten. Die Verwendung eines 5 μm Filters am Gaseinlass wird empfohlen. Der Massendurchflussregler kann nach Bedarf als MFM oder MFC konfiguriert werden.

Der Massendurchflussmesser (MFM) ES-500 besitzt einen thermischen Strömungssensor, der sehr schneller Reaktionsverhalten aufweist. Ein direkt wirkendes elektromagnetisches Proportionalventil gewährleistet als Stellglied eine hohe Ansprechempfindlichkeit und dadurch genaue Einstellung der Gasströmung.

Eine speziell dafür entwickelte Software für Steuerung des integrierten PI-Reglers sorgt für exzellente Regeleigenschaften des Massendurchflussreglers.

Funktion und Steuerung des Massendurchflussregler

Die interne Elektronik übernimmt die Steuerung der MFC-Baugruppen (Ventil und Durchflusssensor), mit dem Ziel einen eingestellten Gasdurchfluss zu gewährleisten und zu regeln. Die Steuerung (Einstellung des Durchflusses, Reglerparameter und Auslesen von Daten) des Massendurchflussregler kann über die RS232/RS485-Schnittstelle erfolgen.

Zusätzlich ist das Einstellen des Durchflusses über das Anlegen einer analogen Steuerspannung (1V-5V) möglich. Der aktuelle Durchfluss kann als Analogwert (1V-5V) abgegriffen werden. Die Aktivierung der Modi erfolgt über einen Programmierbefehl über die Schnittstelle.

Die weitere Programmierung einzelner Parameter (oder Kalibrierung) erfolgt ebenfalls über einen angeschlossenen PC, Mikrocontroller oder industrielle Steuerung mit RS232- oder RS485 Schnittstelle. Alle programmierten Parameter bleiben beim Ausschalten des MFC erhalten. Ein interner Hard- und Software WATCH-DOG gewährleistet eine hohe Betriebssicherheit bei aufgetretenen Störungen.

Der Anschluss der Elektronikbaugruppe zum übergeordneten System erfolgt über einen 9-poligen SUB-D-Steckverbinder, die Pinbelegung ist nachfolgend dargestellt.

Steckerbelegung MFC (SUB-D 9-polig male – (Ansicht auf Pins)):

1 – Betriebsspannung +24V DC
2 – Steuerspannung 1- 5V (entspricht 0 – x sccm/slm)
3 – Monitorspannung 1- 5V (entspricht 0 – x sccm/slm)
4 – nicht belegt
5 – GND
6 – nicht belegt
7 – RS232 (TxD) / RS485 Data + (B)
8 – RS232 (RxD) / RS485 Data – (A)
9 – GND

Der Datenaustausch PC – Mass Flow Controller erfolgt über ASCII-Zeichenfolgen.

Zur Kalibrierung der Sensorkennlinie wird ein genauer Durchflussmesser benötigt.

Die Kalibrierung erfolgt über das Eingeben von Wertepaaren als Stützstellen für den funktionellen Zusammenhang von Sensorspannung und Durchfluss. Zwischen den Wertepaaren wird in der Berechnung linear approximiert.

Das erste und letzte Wertepaar kann nicht verändert werden. Dies sind auch keine kalibrierten Werte und können so erhebliche Abweichungen besitzen. Es sollte deshalb mindestens immer zusätzlich ein max. unterer und max. oberer Wert kalibriert werden.

Besonderheiten

  • Messgenauigkeit ± 1% (vom Endwert)
  • Reproduzierbarkeit ± 1% (vom Messwert)
  • Langzeitstabilität ± 1% (vom Messwert/Jahr)
  • Ansprechzeit 1,2 s
  • Kleines und kompaktes Gerät
  • Einbau-Platzeinsparung
  • Sehr einfache Bedienung

Technische Parameter

  • Versorgungsspannung 24 VDC ± 5%
  • Stromaufnahme 150 mA
  • Schnittstellen RS232 (auf Kundenwunsch RS485)
  • Analoges Eingangssignal 1 …… 5 VDC
  • Analoges Ausgangssignal 1 …… 5 VDC (bis 10mA belastbar)
  • Abmessungen 53mm x 80mm x 38mm
  • Gasanschlüsse Ein- /Ausgang Innengewinde M5 (Auf Wunsch auch G1/8“)
  • Eingangsdruckbereich 0,5 …. 3 bar (bis ± 20% konstant halten)
  • Gewicht 300 g (Grundkörper aus Aluminium)
  • Arbeitstemperatur 5°C ……. 40°C
  • Einbaulage senkrecht
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