Werner Alber: Regulace průtoku měří objem plynu za jednotku času a citlivě reaguje na kolísání tlaku a teploty. Naproti tomu regulace hmotnostního průtoku zaznamenává skutečnou hmotnost plynu a zajišťuje konstantní hodnoty bez ohledu na okolní podmínky – ideální pro přesné aplikace, například v lékařské technice nebo při výrobě polovodičů.
Stručně řečeno: Zatímco regulace průtoku se zaměřuje na objem, regulace hmotnostního průtoku zajišťuje, že systémem proudí vždy stejná hmotnost plynu – bez ohledu na vnější vlivy.
Werner Alber: Představte si, že v procesu musíte dodávat stále stejné množství plynu. Pokud nastavíte klasický regulátor průtoku na 10 l/min, získáte přesně stejné množství plynu pouze za určitých podmínek. Pokud teplota vzroste, plyn zvětší objem – při nastavených 10 l/min je pak hmotnost plynu menší. Naopak větší tlak znamená, že je v 10 litrech více molekul. Hmotnost propuštěného média určuje regulátor hmotnostního průtoku. Protože hmotnost plynu – na rozdíl od jeho objemu – není ovlivňována tlakem ani teplotou, umožňuje to velmi přesnou a stabilní regulaci. Objem plynu je konstantní, opakovatelně stejný a účinný. Na rozdíl od jednoduše řízených škrticích ventilů se řízením hmotnostního průtoku reguluje hmotnost propuštěného plynu a aktivně se stabilizuje, aby byly zajištěny stálé podmínky probíhajícího procesu. Hmotnostní regulátory průtoku jsou tedy ideální volbou pro aplikace, které vyžadují vysokou přesnost, dynamiku a spolehlivost procesu.
Werner Alber: Rozhodující rozdíl spočívá v typu regulace. Regulace hmotnostního průtoku pracuje v uzavřené regulační smyčce: Průběžně upravuje aktuální hodnoty průtoku a přesně nastavuje ventil tak, aby průtok neustále odpovídal požadované hodnotě. Škrticí ventily (například jehlový ventil s průtokoměrem) lze často nastavovat pasivně nebo ručně. Pokud se změní podmínky procesu, musí se běžný ventil znovu ručně nastavit – „neví“, že se něco změnilo. Naproti tomu regulátory hmotnostního průtoku nepřetržitě na odchylky reagují.
Dalo by se říci: Hmotnostní regulátor průtoku myslí sám za sebe, zatímco jednoduchý regulátor průtoku je jen pevně nastavený škrticí ventil. Řízení hmotnostního průtoku znamená v praxi výrazně vyšší přesnost a stabilitu, zejména pokud se mění okolní podmínky.
Werner Alber: Regulátor hmotnostního průtoku (MFC) může detekovat průtok plynu různými fyzikálními metodami. Nejčastěji používanou metodou je tepelný (kalorimetrický) princip, zejména pro práci s plyny. Obvykle se používají metody tepelných ztrát a přenosu tepla. Stále častější jsou také technologie pracující s rozdílem tlaků, protože ve srovnání s tepelnými principy umožňují rychlejší reakci. Za zmínku stojí také Coriolisův princip, díky kterému se hmotnostní průtok měří přímo. Výběr měřicího principu vždy závisí na konkrétních požadavcích aplikace.
Werner Alber: Hmotnostní regulátor průtoku se skládá ze tří hlavních součástí: Čidla, řídicí elektronika a proporcionální ventil jako akční člen. Čidlaměří specifickým principem hmotnostní průtok. Naměřené hodnoty jsou zpracovány řídicí elektronikou, která je porovnává se zadanou požadovanou hodnotou. Odchylky jsou nepřetržitě vyhodnocovány a předávány regulačnímu ventilu, kterýse pohybuje a reguluje průtok.
Využíváme piezoelektrickou technologii Festo, která umožňuje velmi dynamickou a energeticky účinnou regulaci, navíc prakticky bez opotřebování. Výsledkem koordinace všech součástí je přesná, stabilní aopakovatelná regulace průtoku. Proces je řízen nadřazenou řídicí jednotkou, která synchronizuje všechny komponenty a průběžně upravuje nastavení.
Werner Alber: Piezoelektrická technologie poskytuje ve srovnání s běžnými elektromagnetickými ventily v regulátorech hmotnostního průtoku rozhodující výhody. Reguluje s vysokou přesností, energeticky úsporněa téměř bez opotřebování. Piezoventily obsahují keramický ohýbací prvek "bender", který se při přivedení napětí prohýbá, a tím ventil otevírá nebo zavírá. Jednou z hlavních výhod je výjimečně malá spotřeba energie: Jakmile je ventil v potřebné poloze, piezoelektrickýbender nevyžaduje prakticky žádnou energii a neteče do něj žádný přídržný proud. Nejenže klesá spotřeba energie, ale také je omezen nežádoucí vznik tepla v prostředí s regulovanou teplotou.
Piezoventily navíc pracují zcela tiše, neboť nevyžadují žádné cívky ani mechanické spínání. Výhody vyniknou zejména v prostředí, kde je hluk rušivým prvkem. Vysoká přesnost regulace a rychlá odezva vedou k citlivé a plynulé regulaci hmotnostního průtoku. Regulátory hmotnostního průtoku s piezoventily lze díky jejich kompaktní konstrukci integrovat velmi prostorově úsporně – jsou ideální pro mobilní zařízení nebo aplikace s nedostatkem místa. Vykazují velmi dlouhou životnost, protože neobsahují téměř žádné pohyblivé části a prakticky se neopotřebovávají.
Werner Alber: Regulace hmotnostního průtoku s piezoelektrickou technologií se vyznačuje tím, že se neopotřebovává, je bezhlučná a energeticky úsporná, takže je vhodná zejména pro aplikace, kde je rozhodující teplotní stabilita, jemná regulace a dlouhá životnost.
MFC hrají klíčovou roli zejména při výrobě polovodičů. Aby bylo možné vyrábět bezchybné mikročipy, musí se procesní plyny, jako jsou leptací, nosné nebo ochranné plyny, regulovat s mimořádnou přesností, . I nejmenší odchylky v proudění plynů mohou vést k defektům na křemíkových plátcích. Hmotnostní regulace průtoku přesně reguluje přívod ochranných a nosných plynů do procesních komor a plnicích portů, aby se minimalizovala kontaminace a zajistily konstantní procesní podmínky.
Další klíčovou oblastí je zdravotnická a laboratorní technika. Ve ventilátorech nebo anesteziologických přístrojích řídí regulátory hmotnostního průtoku přesné směšovací poměry kyslíku a dalších plynů. V analytických laboratorních přístrojích, jako jsou plynové chromatografy nebo hmotnostní spektrometry, zajišťují opakovatelný průtok plynů pro velmi přesná měření.
Werner Alber: Regulace hmotnostního průtoku se vyvíjí směrem k digitalizaci, miniaturizaci a energeticky úsporné automatizaci. Pokrok v technologii regulátorů hmotnostního průtoku lze spatřovat v tom, že k tepelným metodám měření přibyla rychlejší metoda rozdílu tlaků, která napomáhá dynamické regulaci.
Další inovační impulz lze pozorovat v oblasti miniaturizace a nových technologií čidel. Technologie MEMS a CMOS daly vzniknout velmi přesným čidlům s malou spotřebou energie, řídicí jednotky jsou kompaktnější a účinnější. Celkově jsou regulace hmotnostního průtoku stále přesnější, síťově propojené a přizpůsobivější. Spotřebovávají méně energie a lze je efektivněji integrovat do moderních automatizovaných zařízení. Významně přispívají k digitalizaci pneumatiky.
Werner Alber: Klíčem k efektivní regulaci hmotnostního průtoku je přesnost, energetická účinnost a hladká integrace. Společnosti by si měly včas ověřit, jakou přesnost a dobu odezvy jejich technologie vyžadují. Klíčovým přístupem k optimalizaci je použití energeticky účinných akčních členů.
Piezoelektrická technologie výrazně snižuje spotřebu energie, eliminuje vznik tepla a umožňuje přesnou regulaci bez opotřebování. Společnosti by také měly využívat inteligentní diagnostické funkce, zjednoduší si plánování údržby a stabilizují procesy.
V dalším kroku se doporučuje systém analyzovat: Kde dochází ke ztrátám? Které součásti pracují neefektivně? Cílené poradenství nebo zkušební provoz s moderními regulátory hmotnostního průtoku poskytnou rychle informace o možnostech optimalizace. Digitální, modulární odstupňovaná řešení dlouhodobě zvyšují efektivitu, spolehlivost procesů a přizpůsobivost.
Rádi bychom poděkovali Werneru Alberovi za informativní rozhovor a hluboký vhled do světa regulace hmotnostního průtoku. Jeho odborné znalosti ukázaly, jak mohou přesná regulace, digitální sítě a piezoelektrické technologie zvýšit efektivitu a spolehlivost procesů v mnoha průmyslových odvětvích. Společnosti, které dávají moderní regulaci hmotnostního průtoku přednost, těží z lepší přesnosti, efektivnějšího využití energie a optimalizované spolehlivosti procesů – rozhodujících faktorů pro automatizaci, která má budoucnost.