1. Was ist der Unterschied zwischen einer Durchflussregelung und einer Massendurchflussregelung?
Werner Alber: Die Durchflussregelung misst das Volumen eines Gases pro Zeiteinheit und reagiert empfindlich auf Druck- und Temperaturschwankungen. Die Massendurchflussregelung erfasst dagegen die tatsächliche Gasmasse und sorgt unabhängig von Umgebungsbedingungen für konstante Werte – ideal für präzise Anwendungen wie in der Medizintechnik oder Halbleiterfertigung.
Kurz gesagt: Während die Durchflussregelung auf das Volumen fokussiert ist, stellt die Massendurchflussregelung sicher, dass stets die gleiche Masse an Gas durch das System strömt – unabhängig von äußeren Einflüssen.
2. Was ist ein Massendurchflussregler und wie funktioniert er?
Werner Alber: Stellen Sie sich vor, Sie müssen in einem Prozess immer die gleiche Menge an Gas zuführen. Wenn Sie einen klassischen volumetrischen Durchflussregler auf 10 l/min einstellen, erhalten Sie nur unter bestimmten Bedingungen exakt die gleiche Gasmenge. Steigt die Temperatur, dehnt sich das Gas aus – bei 10 l/min ist dann weniger Gasmasse enthalten. Umgekehrt führt ein höherer Druck dazu, dass sich in 10 Litern mehr Moleküle befinden. Ein Massendurchflussregler bestimmt die Masse des strömenden Mediums. Da die Masse eines Gases – im Gegensatz zum Volumen – nicht von Druck oder Temperatur beeinflusst wird, ermöglicht dies eine hochpräzise und stabile Regelung. Dadurch bleibt die Gasmenge konstant, wiederholgenau und effizient. Im Gegensatz zu einfach gesteuerten Drosselventilen regeln Mass Flow Controllers den Massenstrom und stabilisieren ihn aktiv, um gleichbleibende Prozessbedingungen zu gewährleisten. Das macht ihn zur idealen Lösung für Anwendungen, die eine hohe Präzision, Dynamik und Prozesssicherheit erfordern.
3. Wie unterscheidet sich die Regelungsweise eines Massendurchflussreglers von einem Drosselventil?
Werner Alber: Der entscheidende Unterschied liegt in der Regelungsart. Mass Flow Controllers arbeiten in einem geschlossenen Regelkreis: Sie regeln kontinuierlich den aktuellen Massenstrom und passen das Ventil präzise an, um den gewünschten Sollwert konstant zu halten. Ein Drosselventil (etwa ein Nadelventil mit Durchflussmesser) ist häufig passiv oder manuell einzustellen. Ändern sich die Prozessbedingungen, muss ein herkömmliches Ventil von Hand nachgestellt werden – es „weiß“ nicht, dass sich etwas geändert hat. Mass Flow Controllers hingegen reagieren in Echtzeit auf Abweichungen.
Man kann sagen: Der MFC denkt mit, während ein einfacher Durchflussregler nur eine fest eingestellte Drossel ist. In der Praxis bedeutet das deutlich höhere Präzision und Konstanz mit Mass Flow Controllers, gerade wenn die Umgebungsbedingungen nicht absolut konstant sind.
4. Welche verschiedenen Messprinzipien gibt es für Mass Flow Controllers und wie funktionieren sie?
Werner Alber: Ein Massendurchflussregler (MFC) kann den Gasstrom mit verschiedenen physikalischen Methoden erfassen. Das am häufigsten verwendete Verfahren ist das thermische (kalorimetrische) Prinzip, insbesondere für Gasanwendungen. Dabei werden meist die Methoden Heat-Loss und Heat-Transfer verwendet. Zunehmend verbreitet sind auch druckdifferenzbasierte Verfahren, die gegenüber thermischen Prinzipien eine schnellere Reaktion ermöglichen. Ebenfalls erwähnenswert ist das Coriolis-Prinzip, das den Massenstrom direkt misst. Welches Messprinzip gewählt wird, hängt stets von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.
5. Wie ist ein Massendurchflussregler aufgebaut und welche Komponenten enthält er?
Werner Alber: Ein Massendurchflussregler besteht aus drei zentralen Komponenten: Sensorik, Regelelektronik und Proportionalventil als Stellglied. Die Sensorik erfasst den Massenstrom auf Basis eines bestimmten Messprinzips. Die ermittelten Messwerte werden von der Regelelektronik verarbeitet, die sie mit dem vorgegebenen Sollwert vergleicht. Abweichungen werden unmittelbar erkannt und an das Regelventil weitergegeben, das als Stellglied den Durchfluss entsprechend regelt.
Hier setzen wir bei Festo auf die Piezotechnologie, die eine hochdynamische, energieeffiziente und nahezu verschleißfreie Regelung ermöglicht. Diese präzise Abstimmung aller Komponenten ermöglicht eine exakte, stabile und reproduzierbare Durchflussregelung. Gesteuert wird der gesamte Prozess von einer übergeordneten Steuerungseinheit, die alle Komponenten synchronisiert und kontinuierlich Anpassungen vornimmt.
6. Welche Vorteile bietet die Piezotechnologie in Mass Flow Controllers und warum setzt Festo auf diese Technologie?
Werner Alber: Die Piezotechnologie bietet in Massendurchflussreglern entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Magnetventilen. Sie ermöglichen eine hochpräzise, energieeffiziente und verschleißarme Durchflussregelung. Piezoventile nutzen ein keramisches Biegeelement, das sich bei Anlegen einer Spannung verformt und so das Ventil öffnet oder schließt. Ein wesentlicher Vorteil dabei ist der extrem geringe Energieverbrauch: Ist das Ventil einmal in Position, benötigt der Piezoaktor nahezu keine Energie mehr, da kein Haltestrom erforderlich ist. Das reduziert nicht nur den Strombedarf, sondern verhindert auch unerwünschte Wärmeentwicklung in temperaturkontrollierten Umgebungen.
Zusätzlich arbeiten Piezoventile völlig geräuschlos, da keine Spulen oder mechanischen Schaltvorgänge notwendig sind. Dies ist besonders vorteilhaft in Umgebungen, in denen akustische Störungen vermieden werden müssen. Ihre hohe Regelgenauigkeit und schnelle Reaktionszeit ermöglichen eine feinfühlige, stufenlose Regelung des Massenstroms. Dank ihrer kompakten Bauweise lassen sich Mass Flow Controllers mit Piezoventilen besonders platzsparend integrieren – ideal für mobile oder beengte Anwendungen. Zudem sind sie langlebig, da sie kaum bewegliche Teile enthalten und praktisch keinen Verschleiß aufweisen.
7. Welche Rolle spielen Massendurchflussregler in der Industrie und in welchen Branchen kommen sie zum Einsatz?
Werner Alber: Mass Flow Controller mit Piezotechnologie zeichnen sich durch ihre verschleißfreie, geräuschlose und stromsparende Funktionsweise aus, wodurch sie besonders gut für Anwendungen geeignet sind, bei denen Temperaturstabilität, feine Regelbarkeit und eine lange Lebensdauer entscheidend sind.
Besonders in der Halbleiterfertigung spielen MFCs eine zentrale Rolle. Hier müssen Prozessgase wie Ätz-, Träger- oder Schutzgase mit äußerster Genauigkeit reguliert werden, um fehlerfreie Mikrochips herzustellen. Selbst kleinste Abweichungen im Gasstrom könnten zu Defekten auf den Wafern führen. Mass Flow Controllers regeln die präzise Zuführung von Schutz- und Trägergasen in Prozesskammern und Loadports, um Verunreinigungen zu minimieren und konstante Prozessbedingungen sicherzustellen.
Ein weiteres Schlüsselgebiet ist die Medizintechnik und Labortechnik. In Beatmungsgeräten oder Anästhesiemaschinen steuern Mass Flow Controllers präzise Mischungsverhältnisse von Sauerstoff und anderen Gasen für Patienten. In analytischen Laborgeräten, etwa Gaschromatographen oder Massenspektrometern, gewährleisten sie reproduzierbare Gasströme für hochpräzise Messungen.
8. Welche Innovationen und Trends sehen Sie aktuell in der Massendurchflussregelung?
Werner Alber: Die Massendurchflussregelung entwickelt sich in Richtung Digitalisierung, Miniaturisierung und energieeffizienter Automation. Ein Fortschritt in der Technologie der Massendurchflussregler zeigt sich in der Ergänzung der thermischen Messmethoden durch die schnellere Druckdifferenzmethode, die eine dynamische Regelung ermöglicht.
Ein weiterer Innovationsschub ist in der Miniaturisierung und in neuen Sensortechnologien zu beobachten. MEMS- und CMOS-Technologien ermöglichen hochpräzise Sensoren mit geringem Energieverbrauch, wodurch Mass Flow Controller kompakter und effizienter werden. Insgesamt werden Mass Flow Controllers präziser, vernetzter und flexibler. Sie verbrauchen weniger Energie und lassen sich effizienter in moderne Automatisierungssysteme integrieren – ein wesentlicher Beitrag zur digitalisierten Pneumatik.
9. Welche Empfehlungen haben Sie für Unternehmen, die intelligente Konzepte zur Massendurchflussregelung oder Automatisierung umsetzen möchten?
Werner Alber: Der Schlüssel zu einer effizienten Massendurchflussregelung liegt in Präzision, Energieeffizienz und nahtloser Integration. Unternehmen sollten frühzeitig prüfen, welche Genauigkeit und Reaktionszeiten ihre Prozesse erfordern. Ein zentraler Optimierungsansatz ist der Einsatz energieeffizienter Stellglieder.
Piezotechnologie reduziert den Stromverbrauch erheblich, eliminiert Wärmeentwicklung und ermöglicht eine präzise, verschleißfreie Regelung. Zudem sollten Unternehmen auf intelligente Diagnosefunktionen setzen, um Wartung planbarer und Prozesse stabiler zu machen.
Für den nächsten Schritt empfiehlt sich eine Systemanalyse: Wo entstehen Verluste? Welche Komponenten arbeiten ineffizient? Eine gezielte Beratung oder ein Testlauf mit modernen Mass Flow Controllern liefert schnell Aufschluss über Optimierungspotenziale. Digitale, skalierbare Lösungen erhöhen langfristig Effizienz, Prozesssicherheit und Flexibilität.
Wir bedanken uns bei Werner Alber für das aufschlussreiche Gespräch und die fundierten Einblicke in die Welt der Massendurchflussregelung. Seine Expertise hat verdeutlicht, wie präzise Regelung, digitale Vernetzung und Piezotechnologie die Effizienz und Prozesssicherheit in zahlreichen Industrien steigern können. Unternehmen, die auf moderne Massendurchflussregelung setzen, profitieren von höherer Präzision, effizienterem Energieeinsatz und optimierter Prozesssicherheit – entscheidende Faktoren für eine zukunftssichere Automatisierung.
