หลักการทำงาน Mass Flow Meter and Controller

Mass Flow Meter (MFM) — เครื่องวัดอัตราการไหลมวล : จุดประสงค์เพื่อวัด “อัตราการไหลมวล (Mass Flow Rate)” ของของไหล เช่น ก๊าซหรือของเหลว โดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน หรือความหนาแน่นของของไหล  

ประเภทหลักของ MFM และหลักการทำงาน : 

1. Coriolis Mass Flow Meter
หลักการทำงาน : อิงตาม "แรงคอริออลิส (Coriolis force)" ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อของไหลเคลื่อนที่ในท่อที่กำลังสั่น
เมื่อของไหลไหลผ่านท่อที่สั่น จะเกิดแรงบิดที่ขึ้นกับ มวลการไหล

รายละเอียด :

• ภายในมีท่อ U-Shape หรือโครงสร้างอื่นๆ ที่ ถูกทำให้สั่นด้วยความถี่เฉพาะ
• เมื่อของไหลไหลผ่าน ท่อจะเกิด แรงคอริออลิส ทำให้เกิดการบิดหรือเฟสชิฟท์ (Phase Shift) ระหว่างสองตำแหน่งของท่อ
• เซ็นเซอร์วัดการบิดนั้น → แปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า → คำนวณเป็น มวลของการไหล

ข้อดี :

• ความแม่นยำสูงมาก (±0.1%)
• วัดได้ทั้งของเหลวและก๊าซ
• วัดความหนาแน่นและอุณหภูมิได้ในตัวเดียว

2. Thermal Mass Flow Meter
หลักการทำงาน : ใช้หลักการวัดการถ่ายเทความร้อนจากแหล่งความร้อนไปยังของไหล อัตราการถ่ายเทความร้อนมีความสัมพันธ์โดยตรงกับ อัตราการไหลมวลของก๊าซ

รายละเอียด :

• มีตัวให้ความร้อนและเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ
• เมื่อก๊าซไหลผ่าน → ความร้อนจะถูกถ่ายเทไป → วัดอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง
• คำนวณจากการเปลี่ยนอุณหภูมิ → แปลงเป็นค่า มวลการไหล

ข้อดี :

• ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว → ทนทาน
• ใช้งานง่าย เหมาะกับก๊าซหลายชนิด
• ราคาประหยัดกว่า Coriolis
  

Mass Flow Controller (MFC) — ตัวควบคุมอัตราการไหลมวล จุดประสงค์ : ควบคุม “ปริมาณการไหลมวล” ให้อยู่ในค่าที่กำหนดไว้ เช่น 100 sccm, 10 slpm อย่างแม่นยำ โดยไม่ต้องพึ่งแรงดันคงที่

โครงสร้างและหลักการทำงานโดยทั่วไป MFC ประกอบด้วย : 

1. เซ็นเซอร์อัตราการไหลมวล (Mass Flow Sensor)

• ส่วนใหญ่ใช้ Thermal Mass Flow Sensor
• วัดอัตราการไหลจริงที่ผ่านเข้าเซ็นเซอร์วาล์วควบคุม (Control Valve)

• แบบ Solenoid หรือ Piezoelectric
• เปิด/ปิดตามคำสั่งจากวงจรควบคุม

3. วงจรควบคุม (Control Electronics)

• รับค่า "Set Point" จากภายนอก (เช่น 500 sccm)
• เปรียบเทียบค่าจริงกับ Set Point แล้วส่งสัญญาณไปยังวาล์วเพื่อควบคุมให้ตรงตามค่าที่ตั้ง
  

4. อินเทอร์เฟซสื่อสาร

•  เช่น RS-485, Analog 0-5V, EtherCAT, Profibus เป็นต้น
  
  

หลักการทำงานแบบเป็นขั้นตอน :

• ผู้ใช้ตั้งค่าการไหลที่ต้องการผ่านสัญญาณควบคุม (Set Point)
• ก๊าซไหลเข้าสู่ MFC → ผ่านเซ็นเซอร์วัดอัตราการไหล
• เซ็นเซอร์ส่งข้อมูลจริงไปยังวงจรควบคุม
• วงจรควบคุมเปรียบเทียบค่า Set Point กับค่าที่วัดได้
• หากมากหรือน้อยเกินไป → ปรับวาล์วโดยอัตโนมัติให้ปริมาณการไหลตรงตามค่าที่กำหนด
• วาล์วสามารถปรับแบบต่อเนื่อง (ไม่ใช่แค่เปิด-ปิด)

สรุปความแตกต่าง :

การใช้งานทั่วไป :
MFM : อุตสาหกรรมปิโตรเคมี, อาหารและยา, วัดมวลไหลในท่อใหญ่
MFC : อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์, เครื่องเคลือบฟิล์มบาง (PVD, CVD), เครื่องวิเคราะห์ก๊าซ, เครื่องผสมก๊าซอัตโนมัติ เป็นต้น