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多氣體測量技術(shù)
1. 背景
氣體質(zhì)量流量控制器所使用氣體種類繁多，不同客戶所用氣體需求不同，并且半導(dǎo)體行業(yè)中很多氣體為有毒或易燃易爆氣體，在對流量控制器進(jìn)行標(biāo)定時，為簡化生產(chǎn)和保證可實(shí)施性、安全性，不可能全部使用實(shí)際氣體進(jìn)行標(biāo)定。
因此，根據(jù)氣體的壓縮特性建立一個可以提供多種基本氣體(N2，H2，He，SF6等)的氣體標(biāo)定平臺是非常必要的。其他氣體可以在這些基本的氣體的測量基礎(chǔ)上，采用轉(zhuǎn)換系數(shù)的方式得到實(shí)際流量。最多采用的是N2作為代替氣體并乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)(標(biāo)定的目標(biāo)氣體和氮?dú)庵g的轉(zhuǎn)換系數(shù)可通過試驗(yàn)的方法測得)的方法進(jìn)行標(biāo)定。
2. 氣體轉(zhuǎn)換基本原理
氣體的流量轉(zhuǎn)換系數(shù)理論上取決于該氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度和比熱, 以及氣體的分子構(gòu)成系數(shù)。常用的單組份氣體，其轉(zhuǎn)換系數(shù)可在廠家產(chǎn)品技術(shù)說明書中查得;如果知道該氣體的密度和比熱,也可以用下面的基本公式計算出來。
氣體質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換系數(shù)C的基本公式：
C=0.3106 N /ρ(Cp)
其中：ρ——為氣體的密度
CP——為氣體的定壓比熱
N ——為氣體分子構(gòu)成系數(shù)(與該氣體分子構(gòu)成的組份有關(guān), 見下表)
表1 氣體分子構(gòu)成系數(shù)表
氣體分子構(gòu)成 | 舉 例 | N 取 值 |
單原子分子 | Ar He | 1.01 |
雙原子分子 | CO N2 | 1.00 |
三原子分子 | CO2 NO2 | 0.94 |
多原子分子 | NH3 C4H8 | 0.88 |
如果是多組份混合氣體(假定由n種氣體組成)，按下列公式計算其轉(zhuǎn)換系數(shù)C：
0.3106 [N1 (ω1/ωT )+N2 (ω2/ωT ) + ··· + Nn (ωn/ωT )]
C = ———————————————————————————
ρ1Cp1 (ω1/ωT )+ ρ2Cp2 (ω2/ωT )+ ··· + ρnCpn (ωn/ωT)
其中：ω1 …ωn ——為相應(yīng)氣體的流量
ωT ——為混合氣體的流量
ρ1…ρn ——為相應(yīng)氣體的密度 (數(shù)值見產(chǎn)品技術(shù)說明書)
CP1…CPn ——為相應(yīng)氣體的定壓比熱 (數(shù)值見產(chǎn)品技術(shù)說明書)
N1 … Nn ——為相應(yīng)氣體的分子構(gòu)成系數(shù)
注意: 如果混合氣體的混合比例不固定,將無法計算出轉(zhuǎn)算系數(shù)。
3. 氣體系數(shù)應(yīng)用
采用氣體系數(shù)的方法可以大幅度降低多氣體產(chǎn)品的標(biāo)定使用難度，同時結(jié)合數(shù)字產(chǎn)品技術(shù)，可以使一臺產(chǎn)品具備各種不同氣體的使用能力，解決了半導(dǎo)體行業(yè)氣體使用種類繁多的問題，同時也大大降低客戶的庫存量和管理難度。