คลังความรู้ Mass Flow Controller
หากคุณต้องการจ่ายก๊าซ ไอระเหย หรือของเหลวเข้าสู่กระบวนการทางเคมี Mass Flow Controller ถือเป็นอุปกรณ์ที่เหมาะสมสำหรับการควบคุมอัตราการไหลอย่างแม่นยำ
Mass Flow Controller ถูกนำไปใช้งานในกระบวนการต่าง ๆ เช่น:
♦ การจ่ายก๊าซเข้าสู่ Bioreactors เพื่อเพิ่มอัตราการเจริญเติบโตในการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์
♦ การเติมอากาศ (Aeration) ในกระบวนการผลิตไอศกรีมและวิปครีม
♦ การจ่ายสารแต่งกลิ่น (Odorant) ลงในก๊าซธรรมชาติ
ในทุกตัวอย่างข้างต้น การจ่ายสารเคมีอย่างแม่นยำและสามารถทำซ้ำได้ (Reproducible) เป็นสิ่งสำคัญต่อกระบวนการ เพื่อให้สามารถควบคุมการทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพ และได้ผลลัพธ์ของผลิตภัณฑ์ในระดับที่เหมาะสมสูงสุด
อีกทั้งยังช่วยลดความเสี่ยงจากการทำงานของกระบวนการที่ต่ำหรือสูงเกินไป (Under- or Overperformance) เช่น การสูญเสียสารตั้งต้นที่ไม่ได้ใช้งาน หรือการเกิดปฏิกิริยาที่ควบคุมไม่ได้ (Process Runaway)
Mass Flow Controller จึงเป็นอุปกรณ์สำคัญที่ถูกนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ดังกล่าว
Mass Flow Controller คืออะไร?
เรียนรู้เกี่ยวกับ Mass Flow Controller ใน 3 steps
1. Mass Flow Controller ทำงานอย่างไร?
2. ทำไมจึงควบคุมด้วย Mass Flow แทน Volume Flow?
3. Mass Flow Controller มีกี่ประเภท?
1. Mass Flow Controller ทำงานอย่างไร?
Mass Flow Controller เป็นอุปกรณ์แบบ Compact ที่ใช้สำหรับจ่ายสารเคมี ไม่ว่าจะเป็นก๊าซหรือของเหลว เข้าสู่กระบวนการ โดยสามารถควบคุมอัตราการไหลได้อย่างแม่นยำ
อัตราการไหลที่ต้องการ (Setpoint) จะถูกกำหนดผ่านสัญญาณไฟฟ้า เช่น แรงดันไฟฟ้า (Voltage), กระแสไฟฟ้า (Current) หรือสัญญาณดิจิทัล (Fieldbus)
ภายในอุปกรณ์จะมี Sensor ทำหน้าที่วัดอัตราการไหลจริง (Measured Value) และนำไปเปรียบเทียบกับค่า Setpoint ที่ตั้งไว้ หากค่าทั้งสองไม่ตรงกัน ระบบจะสั่งให้ Control Valve ปรับขนาดช่องทางการไหล (เปิดหรือปิด) เพื่อให้อัตราการไหลจริงสอดคล้องกับค่าที่กำหนด
โดยพื้นฐานแล้ว Mass Flow Controller คือการรวมกันของ Mass Flow Meter (Sensor), Control Valve และระบบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับควบคุมและส่งสัญญาณ Feedback ระหว่าง Sensor และ Valve
ระบบควบคุมดังกล่าวมักใช้หลักการ PID (Proportional-Integral-Derivative) ซึ่งถูกติดตั้งมาเป็นมาตรฐานในตัวอุปกรณ์ และสามารถปรับลักษณะการควบคุมให้ตอบสนองเร็วหรือทำงานได้อย่างนุ่มนวลผ่านซอฟต์แวร์ของผู้ใช้งาน
2. ทำไมจึงควบคุมด้วย Mass Flow แทน Volume Flow?
เนื่องจากในหลายกระบวนการทั้งด้านการวิจัยและการผลิต “มวล (Mass)” เป็นตัวแปรสำคัญมากกว่าปริมาตร (Volume) Mass Flow Controller จึงสามารถควบคุมอัตราการไหลเชิงมวลได้โดยตรง ทำให้ได้ความแม่นยำที่สอดคล้องกับความต้องการของกระบวนการมากกว่า
ในเชิงเศรษฐศาสตร์ มวลของก๊าซหรือของเหลวถือเป็นค่าที่ไม่แปรผันตามสภาวะการทำงาน ไม่ว่าจะเป็นอุณหภูมิหรือความดันของระบบ ดังนั้นอุปกรณ์แบบ Mass Flow จึงไม่ได้รับผลกระทบจากความผันผวนของอุณหภูมิและความดันของของไหลที่เข้าสู่ระบบ
อย่างไรก็ตาม ในบางกรณีผู้ใช้งานยังคงต้องการแสดงค่าอัตราการไหลของก๊าซในรูปแบบปริมาตร (Volumetric Flow) จึงมีการกำหนดสภาวะอ้างอิงมาตรฐาน เพื่อใช้ในการแปลงค่าจาก Mass Flow เป็น Volume Flow
โดยสภาวะอ้างอิง “ปกติ” (Normal Conditions) จะกำหนดที่อุณหภูมิ 0 °C และความดันสัมบูรณ์ 1 atm ซึ่งมักแสดงด้วยตัวอักษร “n” ต่อท้ายหน่วย เช่น ln/min
3. Mass Flow Controller มีกี่ประเภท?
3A) Thermal mass flow controllers
Thermal Mass Flow Controller อาศัยคุณสมบัติด้านความจุความร้อน (Heat Capacity) ของก๊าซหรือของเหลวในการควบคุมอัตราการไหลเชิงมวล (Mass Flow Rate) โดยในกลุ่มผลิตภัณฑ์ของ Bronkhorst มีหลายรุ่นที่ใช้เทคนิคของ Sensor ที่แตกต่างกัน ดังนี้:
♦ Mass Flow Controller แบบ Bypass Sensor (เช่นในรุ่น EL-FLOW Select และ IN-FLOW) เหมาะสำหรับการใช้งานกับก๊าซที่สะอาดและแห้ง โดยให้ความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำ (Repeatability) ในระดับสูง
♦ Mass Flow Controllers แบบ Inline Sensor (CTA principle) เช่นในรุ่น MASS-STREAM และ MASS-VIEW เหมาะสำหรับงานที่มีก๊าซที่มีความชื้นเล็กน้อย หรือในกรณีที่ต้องการความทนทานและความสม่ำเสมอของผลลัพธ์มากกว่าความแม่นยำสูงสุด
♦ Mass Flow Controllers ที่ใช้เทคโนโลยี TCS (Trough Chip Sensor technology). สามารถวัดได้ทั้งอัตราการไหลของก๊าซและอุณหภูมิภายในอุปกรณ์เดียว (เช่นในรุ่น FLEXI-FLOW ).
♦ MEMS Chip-based Sensor (เช่นในรุ่น IQ+FLOW) เหมาะสำหรับการติดตั้งในพื้นที่จำกัด ด้วยขนาดที่กะทัดรัด และยังคงให้ประสิทธิภาพในการวัดและควบคุมที่ดี
♦ Inline Sensor สำหรับวัดของเหลว (CTA/CPA Technique) ใช้สำหรับการควบคุมอัตราการไหลของของเหลว โดยให้ความแม่นยำและความเสถียรในการใช้งาน
Thermal-based Mass Flow Controller
3B) Mass Flow Controller ที่ใช้หลักการ Coriolis
Coriolis Mass Flow Controller (เช่นในรุ่น mini CORI-FLOW ) เป็นตัวเลือกอันดับต้น ๆ สำหรับการวัดและควบคุมการไหลของของเหลว และยังสามารถใช้งานกับก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้หลักการ Thermal แล้ว Coriolis Mass Flow Controller มีข้อได้เปรียบดังนี้:
♦ ความแม่นยำสูงกว่า (Higher accuracy) เหมาะสำหรับกระบวนการที่ต้องการความเที่ยงตรงในการวัดและควบคุม
♦ ไม่ขึ้นกับคุณสมบัติของของไหล (Fluid independent) ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงค่าเมื่อเปลี่ยนชนิดของของเหลว และสามารถใช้งานได้กับของไหผลที่มีองค์ประกอบเปลี่ยนแปลงหรือไม่ทราบแน่ชัด
♦ ตอบสนองรวดเร็ว (Fast Measurement Response) ช่วยให้สามารถควบคุมกระบวนการได้อย่างมีประสิทธิภาพ
♦ รองรับการใช้งานกับก๊าซในสภาวะ Supercritical เหมาะสำหรับงานเฉพาะทางที่มีเงื่อนไขการทำงานขั้นสูง