艾里卡特质量流量控制器的抗背压污染能力评估
质量流量控制器 (MFC) 对于许多现代生产和测试过程至关重要。精确可靠的流量控制对于玻璃制造和生物加工等应用中的高效、可持续生产尤为重要。在此类过程中，MFC 有时会面临意外的水或泡沫污染的挑战。这在生物加工应用中尤其常见，其中大量液体和泡沫/薄膜可能导致气体积聚。这会增加下游压力，从而可能导致上游工艺设备被生物材料和培养基污染。
这种累积导致基于热导率的流动设计1的准确性降低。另一方面，艾里卡特基于差压的质量流量计和控制器更能抵抗此类污染引起的错误，但它们的抵抗力到底有多强呢？我们进行了一项实验来模拟 Alicat MFC 受到泡沫液体的污染，并检查其对 MFC 精确控制质量流量的能力的影响。
实验装置
图 1. 实验装置示意图。蓝色圆圈代表三通阀；DUT = 被测设备。
为了模拟设备可能受到污染的条件，我们在 MFC 下游创建并安装了一个加压泡沫污染物罐（见图 1）。泡沫是用酵母、3% 过氧化氢溶液和洗洁精的混合物制成的——模拟生物污染物。测试使用Alicat Bio-Series 2 1 SLPM 质量流量控制器。该系列使用的材料符合ASME BPE-2016标准3，并包括有助于在生物加工环境中使用的附加功能。它在这些条件下的性能也应该代表其他艾里卡特 MFC。产生泡沫并且将污染物罐加压至40 PSIG、60 PSIG和80 PSIG。将12.45mL泡沫溶液在不同压力下反复引入MFC中；然后在每次污染事件后 16 ± 1 分钟测量准确性和控制能力。
结果
Alicat MFC 令人惊奇地能够抵抗水性泡沫的污染。传闻表明，即使是轻微的污染事件，该单位也可能反应不佳。对于基于热的 MFC 1来说，由于过程流体污染而导致精度和控制损失是很常见的。然而，尽管污染事件屡屡发生，艾里卡特 MFC 仍继续在正常运行参数范围内运行。
对于每组实验，我们测量了设备控制的质量流量（以 SLPM 为单位），以及所使用的阀门驱动比例（见图 2 和图 3）。在每次污染之前，通过与 Molbloc 标准4,5进行比较来验证测量精度。污染前后的误差百分比如图 4 所示。我们观察到污染后的误差比原始状态高得多；然而，误差的绝对幅度仍然小于读数的 1%。污染后的误差随着质量流量设定点线性减小，这可能表明污染引起了小堵塞。一旦用异丙醇净化设备并进行真空处理，溶解泡沫中留下的任何残留物并蒸发设备内部残留的酒精，误差就会减少大约一半。
两组测试完成后，我们通过反复用超过 100 mL 的部分泡沫水淹没该设备来测试该设备是否失效，直到泡沫到达流量计并在其上游检测到。经过多次尝试引发故障后，该设备仍然可以工作，但开始出现错误控制。
图 2. 输入压力为 22 psig 时阀门驱动百分比和质量流量 (SLPM)。
图 3. 输入压力为 73 psig 时的阀门驱动百分比和质量流量 (SLPM)。
图 4. 测试各个阶段的错误
讨论
MFC 是许多工业过程的重要控制单元。在生物反应器环境中尤其如此，脆弱的细胞依赖适当的氧气流量进行新陈代谢，并依靠二氧化碳来控制 pH 值。我们有许多轶事报告表明，我们基于压差的 MFC 的稳健性对我们的客户来说是一个优势。这里描述的实验是准确定义艾里卡特 MFC 可以承受多少过程污染的首批研究之一。这些实验的结果表明，水基泡沫的有限瞬时污染，甚至是含有大量生物材料的泡沫，对控制器的操作影响很小。
艾里卡特 MFC 能够报告阀门驱动百分比：此功能报告用于维持阀门位置的电压范围的百分比。在更难以打开阀门的情况下（通常在较高压力或阀门污染的情况下），驱动百分比将会增加。然而，在此处的实验中，阀门驱动百分比保持不变，这表明阀门并没有发现控制流量变得越来越困难。
我们还使用 Fluke Mobloc 校准标准测量了报告的质量流量与实际质量流量。即使反复暴露于泡沫溶液中（短时间内超过 35 mL），该装置的流量精度变化也小于 1%。虽然我们预计该装置将表现强劲，但这些结果超出了我们的预期。为了确保我们的方法正确，然后用泡沫溶液完全淹没该装置。在大多数设备停止运行的情况下，Alicat MFC 继续报告和控制质量流量。然而，当使用 Mobloc 进行验证时，报告的质量流量仅为实际流量的 25%。至此，我们最终导致机组无法准确控制流量。然后用异丙醇净化受影响的单元并在 10 ℃下真空干燥。-3托一小时，然后发送到 Alicat 服务部门进行分析。
艾里卡特的服务部门得出结论，该设备没有损坏。污染不会影响传感器性能，并且装置与原始状态没有显着偏差。虽然我们从不建议对 Alicat MFC 进行这种类型的严厉处理，但这些结果验证了轶事证据：在热 MFC 通常会发生故障的情况下，Alicat MFC 继续准确地报告和控制流量。
结论
1. 当仅阀门被污染物淹没时，未观察到对设备性能（包括阀门）产生显着影响。
2. 当质量流量控制器被淹没时，观察到设备的校准偏离正确值。
参考
1. Shannon, W. 如何克服热式质量流量计的 9 个限制。Sage Metering 位于：https://sagemetering.com/overcome-limitations/。
2. MFC操作手册。艾里卡特科学（2019）。
3.ASME 标准。生物加工设备 ASME BPE-2016。（2016）。
4. Delajoud, P.、Bair, M.、Rombouts, C. 和 Girard, M. 支持高性能气体流量传输标准的主校准系统。2006 年 ISFFM 1, 1–6 (2006)。
5. Bair, M。通过 molbloc-L 和 molbloc-S 质量流量传递标准测量的流量的不确定性分析。（2009）。