質(zhì)量流量控制器 (MFC) 對于許多現(xiàn)代生產(chǎn)和測試過程至關重要。精確可靠的流量控制對于玻璃制造和生物加工等應用中的高效,、可持續(xù)生產(chǎn)尤為重要。在此類過程中,，MFC 有時會面臨意外的水或泡沫污染的挑戰(zhàn),。這在生物加工應用中尤其常見，其中大量液體和泡沫/薄膜可能導致氣體積聚,。這會增加下游壓力,，從而可能導致上游工藝設備被生物材料和培養(yǎng)基污染。
這種累積導致基于熱導率的流動設計1的準確性降低,。另一方面,，艾里卡特基于差壓的質(zhì)量流量計和控制器更能抵抗此類污染引起的錯誤，但它們的抵抗力到底有多強呢,？我們進行了一項實驗來模擬 Alicat MFC 受到泡沫液體的污染,，并檢查其對 MFC 精確控制質(zhì)量流量的能力的影響。
圖 1. 實驗裝置示意圖,。藍色圓圈代表三通閥,；DUT = 被測設備。
為了模擬設備可能受到污染的條件,，我們在 MFC 下游創(chuàng)建并安裝了一個加壓泡沫污染物罐（見圖 1）,。泡沫是用酵母、3% 過氧化氫溶液和洗潔精的混合物制成的——模擬生物污染物,。測試使用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標準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引入MFC中,；然后在每次污染事件后 16 ± 1 分鐘測量準確性和控制能力,。
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,，該單位也可能反應不佳。對于基于熱的 MFC 1來說,，由于過程流體污染而導致精度和控制損失是很常見的,。然而，盡管污染事件屢屢發(fā)生,，艾里卡特 MFC 仍繼續(xù)在正常運行參數(shù)范圍內(nèi)運行,。
對于每組實驗，我們測量了設備控制的質(zhì)量流量（以 SLPM 為單位）,，以及所使用的閥門驅(qū)動比例（見圖 2 和圖 3）,。在每次污染之前，通過與 Molbloc 標準4,5進行比較來驗證測量精度,。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)量流量設定點線性減小，這可能表明污染引起了小堵塞,。一旦用異丙醇凈化設備并進行真空處理,，溶解泡沫中留下的任何殘留物并蒸發(fā)設備內(nèi)部殘留的酒精，誤差就會減少大約一半,。
兩組測試完成后,，我們通過反復用超過 100 mL 的部分泡沫水淹沒該設備來測試該設備是否失效，直到泡沫到達流量計并在其上游檢測到,。經(jīng)過多次嘗試引發(fā)故障后,，該設備仍然可以工作，但開始出現(xiàn)錯誤控制,。
圖 2. 輸入壓力為 22 psig 時閥門驅(qū)動百分比和 圖 3. 輸入壓力為 73 psig 時的閥門驅(qū)動百分比
質(zhì)量流量 (SLPM),。 和質(zhì)量流量 (SLPM)。
圖 4. 測試各個階段的錯誤
MFC 是許多工業(yè)過程的重要控制單元,。在生物反應器環(huán)境中尤其如此,，脆弱的細胞依賴適當?shù)难鯕饬髁窟M行新陳代謝,，并依靠二氧化碳來控制 pH 值。我們有許多軼事報告表明,，我們基于壓差的 MFC 的穩(wěn)健性對我們的客戶來說是一個優(yōu)勢,。這里描述的實驗是準確定義艾里卡特 MFC 可以承受多少過程污染的很早的研究之一。這些實驗的結果表明,，水基泡沫的有限瞬時污染,，甚至是含有大量生物材料的泡沫，對控制器的操作影響很小,。
艾里卡特 MFC 能夠報告閥門驅(qū)動百分比：此功能報告用于維持閥門位置的電壓范圍的百分比,。在更難以打開閥門的情況下（通常在較高壓力或閥門污染的情況下），驅(qū)動百分比將會增加,。然而,，在此處的實驗中，閥門驅(qū)動百分比保持不變,，這表明閥門并沒有發(fā)現(xiàn)控制流量變得越來越困難,。
我們還使用 Fluke Mobloc 校準標準測量了報告的質(zhì)量流量與實際質(zhì)量流量。即使反復暴露于泡沫溶液中（短時間內(nèi)超過 35 mL）,，該裝置的流量精度變化也小于 1%,。雖然我們預計該裝置將表現(xiàn)強勁，但這些結果超出了我們的預期,。為了確保我們的方法正確,，然后用泡沫溶液全部淹沒該裝置。在大多數(shù)設備停止運行的情況下,，Alicat MFC 繼續(xù)報告和控制質(zhì)量流量,。然而,，當使用 Mobloc 進行驗證時,，報告的質(zhì)量流量僅為實際流量的 25%。至此,，我們最終導致機組無法準確控制流量,。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,，然后發(fā)送到 Alicat 服務部門進行分析,。
艾里卡特的服務部門得出結論，該設備沒有損壞,。污染不會影響傳感器性能,，并且裝置與原始狀態(tài)沒有顯著偏差。雖然我們從不建議對 Alicat MFC 進行這種類型的嚴厲處理,，但這些結果驗證了軼事證據(jù)：在熱 MFC 通常會發(fā)生故障的情況下,，Alicat MFC 繼續(xù)準確地報告和控制流量,。
1. 當僅閥門被污染物淹沒時，未觀察到對設備性能（包括閥門）產(chǎn)生顯著影響,。
2. 當質(zhì)量流量控制器被淹沒時,，觀察到設備的校準偏離正確值。
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