質(zhì)量流量控制器 (MFC) 對(duì)于許多現(xiàn)代生產(chǎn)和測(cè)試過(guò)程至關(guān)重要。精確可靠的流量控制對(duì)于玻璃制造和生物加工等應(yīng)用中的高效、可持續(xù)生產(chǎn)尤為重要。在此類(lèi)過(guò)程中，MFC 有時(shí)會(huì)面臨意外的水或泡沫污染的挑戰(zhàn)。這在生物加工應(yīng)用中尤其常見(jiàn)，其中大量液體和泡沫/薄膜可能導(dǎo)致氣體積聚。這會(huì)增加下游壓力，從而可能導(dǎo)致上游工藝設(shè)備被生物材料和培養(yǎng)基污染。

這種累積導(dǎo)致基于熱導(dǎo)率的流動(dòng)設(shè)計(jì)1的準(zhǔn)確性降低。另一方面，艾里卡特基于差壓的質(zhì)量流量計(jì)和控制器更能抵抗此類(lèi)污染引起的錯(cuò)誤，但它們的抵抗力到底有多強(qiáng)呢？我們進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬 Alicat MFC 受到泡沫液體的污染，并檢查其對(duì) MFC 精確控制質(zhì)量流量的能力的影響。

實(shí)驗(yàn)裝置

圖 1. 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。藍(lán)色圓圈代表三通閥；DUT = 被測(cè)設(shè)備。

為了模擬設(shè)備可能受到污染的條件，我們?cè)?/span> MFC 下游創(chuàng)建并安裝了一個(gè)加壓泡沫污染物罐（見(jiàn)圖 1）。泡沫是用酵母、3% 過(guò)氧化氫溶液和洗潔精的混合物制成的——模擬生物污染物。測(cè)試使用Alicat Bio-Series 2 1 SLPM 質(zhì)量流量控制器。該系列使用的材料符合ASME BPE-2016標(biāo)準(zhǔn)3，并包括有助于在生物加工環(huán)境中使用的附加功能。它在這些條件下的性能也應(yīng)該代表其他艾里卡特 MFC。產(chǎn)生泡沫并且將污染物罐加壓至40 PSIG、60 PSIG和80 PSIG。將12.45mL泡沫溶液在不同壓力下反復(fù)引入MFC中；然后在每次污染事件后 16 ± 1 分鐘測(cè)量準(zhǔn)確性和控制能力。

結(jié)果

Alicat MFC 令人驚奇地能夠抵抗水性泡沫的污染。傳聞表明，即使是輕微的污染事件，該單位也可能反應(yīng)不佳。對(duì)于基于熱的 MFC 1來(lái)說(shuō)，由于過(guò)程流體污染而導(dǎo)致精度和控制損失是很常見(jiàn)的。然而，盡管污染事件屢屢發(fā)生，艾里卡特 MFC 仍繼續(xù)在正常運(yùn)行參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。

對(duì)于每組實(shí)驗(yàn)，我們測(cè)量了設(shè)備控制的質(zhì)量流量（以 SLPM 為單位），以及所使用的閥門(mén)驅(qū)動(dòng)比例（見(jiàn)圖 2 和圖 3）。在每次污染之前，通過(guò)與 Molbloc 標(biāo)準(zhǔn)4,5進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證測(cè)量精度。污染前后的誤差百分比如圖 4 所示。我們觀察到污染后的誤差比原始狀態(tài)高得多；然而，誤差的絕對(duì)幅度仍然小于讀數(shù)的 1%。污染后的誤差隨著質(zhì)量流量設(shè)定點(diǎn)線性減小，這可能表明污染引起了小堵塞。一旦用異丙醇凈化設(shè)備并進(jìn)行真空處理，溶解泡沫中留下的任何殘留物并蒸發(fā)設(shè)備內(nèi)部殘留的酒精，誤差就會(huì)減少大約一半。

兩組測(cè)試完成后，我們通過(guò)反復(fù)用超過(guò) 100 mL 的部分泡沫水淹沒(méi)該設(shè)備來(lái)測(cè)試該設(shè)備是否失效，直到泡沫到達(dá)流量計(jì)并在其上游檢測(cè)到。經(jīng)過(guò)多次嘗試引發(fā)故障后，該設(shè)備仍然可以工作，但開(kāi)始出現(xiàn)錯(cuò)誤控制。

圖 2. 輸入壓力為 22 psig 時(shí)閥門(mén)驅(qū)動(dòng)百分比和                圖 3. 輸入壓力為 73 psig 時(shí)的閥門(mén)驅(qū)動(dòng)百分比

質(zhì)量流量 (SLPM)。                               和質(zhì)量流量 (SLPM)。

圖 4. 測(cè)試各個(gè)階段的錯(cuò)誤

討論

MFC 是許多工業(yè)過(guò)程的重要控制單元。在生物反應(yīng)器環(huán)境中尤其如此，脆弱的細(xì)胞依賴(lài)適當(dāng)?shù)难鯕饬髁窟M(jìn)行新陳代謝，并依靠二氧化碳來(lái)控制 pH 值。我們有許多軼事報(bào)告表明，我們基于壓差的 MFC 的穩(wěn)健性對(duì)我們的客戶(hù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。這里描述的實(shí)驗(yàn)是準(zhǔn)確定義艾里卡特 MFC 可以承受多少過(guò)程污染的很早的研究之一。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，水基泡沫的有限瞬時(shí)污染，甚至是含有大量生物材料的泡沫，對(duì)控制器的操作影響很小。

艾里卡特 MFC 能夠報(bào)告閥門(mén)驅(qū)動(dòng)百分比：此功能報(bào)告用于維持閥門(mén)位置的電壓范圍的百分比。在更難以打開(kāi)閥門(mén)的情況下（通常在較高壓力或閥門(mén)污染的情況下），驅(qū)動(dòng)百分比將會(huì)增加。然而，在此處的實(shí)驗(yàn)中，閥門(mén)驅(qū)動(dòng)百分比保持不變，這表明閥門(mén)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)控制流量變得越來(lái)越困難。

我們還使用 Fluke Mobloc 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量了報(bào)告的質(zhì)量流量與實(shí)際質(zhì)量流量。即使反復(fù)暴露于泡沫溶液中（短時(shí)間內(nèi)超過(guò) 35 mL），該裝置的流量精度變化也小于 1%。雖然我們預(yù)計(jì)該裝置將表現(xiàn)強(qiáng)勁，但這些結(jié)果超出了我們的預(yù)期。為了確保我們的方法正確，然后用泡沫溶液全部淹沒(méi)該裝置。在大多數(shù)設(shè)備停止運(yùn)行的情況下，Alicat MFC 繼續(xù)報(bào)告和控制質(zhì)量流量。然而，當(dāng)使用 Mobloc 進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，報(bào)告的質(zhì)量流量?jī)H為實(shí)際流量的 25%。至此，我們最終導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法準(zhǔn)確控制流量。然后用異丙醇凈化受影響的單元并在 10 ℃下真空干燥。-3托一小時(shí)，然后發(fā)送到 Alicat 服務(wù)部門(mén)進(jìn)行分析。

艾里卡特的服務(wù)部門(mén)得出結(jié)論，該設(shè)備沒(méi)有損壞。污染不會(huì)影響傳感器性能，并且裝置與原始狀態(tài)沒(méi)有顯著偏差。雖然我們從不建議對(duì) Alicat MFC 進(jìn)行這種類(lèi)型的嚴(yán)厲處理，但這些結(jié)果驗(yàn)證了軼事證據(jù)：在熱 MFC 通常會(huì)發(fā)生故障的情況下，Alicat MFC 繼續(xù)準(zhǔn)確地報(bào)告和控制流量。

結(jié)論

1. 當(dāng)僅閥門(mén)被污染物淹沒(méi)時(shí)，未觀察到對(duì)設(shè)備性能（包括閥門(mén)）產(chǎn)生顯著影響。

2. 當(dāng)質(zhì)量流量控制器被淹沒(méi)時(shí)，觀察到設(shè)備的校準(zhǔn)偏離正確值。