質量流量控制器 (MFC) 對于許多現代生產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、可持續生產尤為重要。在此類過程中，MFC 有時會面臨意外的水或泡沫污染的挑戰。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 精確控制質量流量的能力的影響。

實驗裝置

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。

結果

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生，艾里卡特 MFC 仍繼續在正常運行參數范圍內運行。

對于每組實驗，我們測量了設備控制的質量流量（以 SLPM 為單位），以及所使用的閥門驅動比例（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高得多；然而，誤差的絕對幅度仍然小于讀數的 1%。污染后的誤差隨著質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設備內部殘留的酒精，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。經過多次嘗試引發故障后，該設備仍然可以工作，但開始出現錯誤控制。

圖 2. 輸入壓力為 22 psig 時閥門驅動百分比和                圖 3. 輸入壓力為 73 psig 時的閥門驅動百分比

質量流量 (SLPM)。                               和質量流量 (SLPM)。

圖 4. 測試各個階段的錯誤

討論

MFC 是許多工業過程的重要控制單元。在生物反應器環境中尤其如此，脆弱的細胞依賴適當的氧氣流量進行新陳代謝，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 的穩健性對我們的客戶來說是一個優勢。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），驅動百分比將會增加。然而，在此處的實驗中，閥門驅動百分比保持不變，這表明閥門并沒有發現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量流量與實際質量流量。即使反復暴露于泡沫溶液中（短時間內超過 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。在大多數設備停止運行的情況下，Alicat MFC 繼續報告和控制質量流量。然而，當使用 Mobloc 進行驗證時，報告的質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：在熱 MFC 通常會發生故障的情況下，Alicat MFC 繼續準確地報告和控制流量。

結論

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）產生顯著影響。

2. 當質量流量控制器被淹沒時，觀察到設備的校準偏離正確值。