CN101048643A - 质量流量计和控制器的热传感器的姿态误差自校正 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于对安装在管上的至少两个热传感器线圈的姿态灵敏度进行补偿的系统和方法，其中流体通过该管沿流的公共轴线流动，这两个热传感器线圈用于产生表示通过该管的流体流量的流量测量信号。线圈中的一个适于提供热能给流经上游位置处的管的流体，以便确定和测量上游位置处的流体的上游温度，而线圈中的一个适于测量下游位置处的流体的下游温度。流量测量信号是所测得的上游温度和下游温度的差的函数。该系统包括的结构用于测量公共轴线方向上的重力和将流量测量信号修正为所测得重力的函数，并且该方法包括步骤：测量公共轴线方向上的重力；以及修正该流量测量信号为所测得重力的函数。
Description
技术领域
本发明涉及质量流量测量，并且更具体地涉及用于质量流量计和控制器的热传感器的姿态误差自校正。
背景技术
不同的半导体工艺需要在制造过程中对提供给被加工件的材料(通常以气体或者汽化的液体的形式)的量(即质量)精细控制。因而，已经设计了称为流量传感器的装置来感测气体或者蒸汽的质量流量。可以将流量传感器配置为用于计量材料的流率，或者当与控制装置结合时，用于控制传递给被加工件的材料的量。
压力式传感器和热量式传感器是两种普通类型的传感器。热量式传感器是以热传递原理工作的装置。普通商业形式包括毛细管大小尺寸的小直径管，该管具有缠绕在该毛细管外侧的两个相互接近的线圈。该线圈由具有对温度敏感的电阻的材料形成，即该材料的电阻是温度的函数。毛细管的两端与在气体源或者蒸汽源和利用该气体或者蒸汽的处理站之间传送气体或者蒸汽的较大管保持流体连通。层流元件设置在被称为旁路的较大管的一部分的内部，并且位于毛细管到较大管的上游和下游连接之间。层流元件确保通过旁路的气体流或者蒸汽流是层流。当气体或者蒸汽流过传感器时，气体的预定部分以称为旁路比的预定比率流过旁路和毛细管。通过感测通过毛细管的流率，并且知道旁路比，通过整个传感器的流率与测得的通过毛细管的流率成比例。
线圈连接成桥式模拟电路，或者连接到数字系统的输入端。然后，电流可以对该线圈加热以在没有气流并且在模拟电气桥式电路的平衡条件的情况下(例如空输出信号)提供相等的电阻。可选地，可以利用电流对这两个线圈加热，并且用数字电路测量这两个电阻。
然后，随着气体在管内流动，在传感器的相应测量范围内，上游线圈的温度通过气体的冷却作用而降低，而下游线圈的温度通过首先从上游线圈传导并且随后被气体或者蒸汽传递给下游线圈的热而升高。事实上，这个温度差与每单位时间流经传感器的气体的分子数成比例。从而，基于已知的线圈电阻随温度的变化，桥接电路或者数字电路的输出信号提供对气体质量流量的测量。
在不同的环境中，热传递现象的形式可能将实质误差引入到这些质量流量计装置的测量中并且给质量流量控制器带来问题。1976年2月17日授权的美国专利No.3,938,384(“‘384专利”)、1977年11月8日授权的4,056,975、1993年3月9日授权的5,191,793(“‘793专利”)以及1994年1月18日授权的5,279,154(“‘154专利”)说明了该问题。
如‘793专利所述，在相对提高气体的压力水平的条件下，管内气体的自然对流所引入的误差变得比较显著。对于这种较高的压力水平，结果是由这种对流在装置相对于重力方向倾斜时所引起的实质误差。如这些专利所述，在相对较低的压力下，这一类对流的效应不大；然而，随着该装置关于重力的姿态的变化，由管外部的周围气体的自然对流所引入的误差变成误差的主要来源。在‘384专利中，通过在线圈附近用开孔泡沫材料密封该线圈周围的毛细管来处理这一类对流作用。虽然，如该专利所指出的那样，该方法的优点很多，但是其确实带来了确定的损害。第一，作为泡沫材料存在的结果，其减慢了装置的响应。第二，当泡沫的化学成分或者其与线圈和管道的接触度改变时，该装置的刻度可能随时间偏移。第三，其降低了装置的增益。
解决管道外部对流的通常方法包括使用不同的材料与线圈接触以便抑制将热从一个线圈向外部传递到另一个线圈的对流，其中可以将刚刚提及的方法认为是一种特殊形式。另外，一旦方位改变，通常必须将传感器校准在特定的方位并且将其校准在零。这些通常的方法由于多种原因一般不能合乎要求，其中最重要的一个原因通常是降低了装置对于流量变化的响应水平，并且取决于与装置的接口类型需要人或者系统的交互。
然而更一般地，通常将如上所述的流量计装置装入某种类型的容器中以将其敏感部分与外部气流以及设置在外部的加热或者冷却源相隔离。这当然是对邻近该敏感部分的对流作用的明显关注。
本发明致力于这种长期存在的问题，并且关注气体质量流量计中的姿态灵敏度以防止管外部的对流热传递，其中通过该管引导气体。其起这种作用，同时其还致力于高灵敏度和对流率变化的高速响应的目标。
发明内容
根据一个方面，公开了一种用于对安装在管上的至少两个热传感器线圈的姿态灵敏度进行补偿的方法，其中流体通过该管沿流的公共轴线流动，这两个热传感器线圈用于产生表示通过该管的流体流量的流量测量信号。其中一个线圈适于提供热能给流经上游位置处的管的流体，以便确定和测量上游位置处的流体的上游温度，而其中一个线圈适于测量下游位置处的流体的下游温度。该流量测量信号是所测得的上游温度和下游温度的差的函数。该方法包括：测量公共轴线方向上的重力；以及将流量测量信号修正为所测得重力的函数。
在一个优选实施例中，该方法包括：产生补偿信号作为所测得重力的函数，并且将流量测量信号修正为补偿信号的函数。在一个优选实施例中，该补偿信号是：(a)当该对热传感器线圈的姿态如此取向以便由上游位置处的线圈提供并且归因于重力的热能对流向位于下游位置的线圈流动时，该补偿信号关于流量测量信号是增量；和(b)当该对热传感器线圈的姿态如此取向以便由上游位置处的线圈提供并且归因于重力的热能对流远离下游位置处的线圈流动时，该补偿信号关于流量测量信号是减量。在另一个优选实施例中，所述线圈具有电阻，该电阻是线圈温度的函数，并且该方法还包括连接这两个线圈以便流量测量信号是所述线圈的电阻差的函数，并且按照比例产生补偿信号，从而可以将该补偿信号添加到流量测量信号，以便补偿该线圈的姿态灵敏度。
另外，公开了一种热式质量流量测量系统。该系统包括：
安装在管上的至少两个热传感器线圈，流体通过该管沿流的公共轴线流动，这两个热传感器线圈用于产生表示通过该管的流体流量的流量测量信号，其中：(a)其中一个线圈适于提供热能给流经上游位置处的管的流体，从而确定和测量上游位置处的流体的上游温度，而其中一个线圈适于测量下游位置处的流体的下游温度，并且(b)所述流量测量信号是所测得的上游温度和下游温度的差的函数；
重力传感器，相对于热传感器线圈固定并且将其如此构造和配置，以便测量公共轴线方向上的重力；以及
信号修正器，其将流量测量信号修正为所测得重力的函数，从而补偿该热传感器线圈的姿态灵敏度。
在一个优选实施例中，该信号修正器包括信号发生器，其产生补偿信号作为所测得重力的函数，使得将该流量测量信号修正为补偿信号的函数。在另一个优选实施例中，信号发生器产生补偿信号，使得该信号是：(a)当所述热传感器线圈的姿态如此取向以便由上游位置处的线圈提供并且归因于重力的热能对流向位于下游位置的线圈流动时，该补偿信号关于流量测量信号是增量，和(b)当该对热传感器线圈的姿态如此取向以便由上游位置处的线圈提供并且归因于重力的热能对流远离位于下游位置处的线圈流动时，该补偿信号关于流量测量信号是减量。在另一个优选实施例中，该线圈具有电阻，该电阻是线圈温度的函数，并且该流量测量信号是该线圈的电阻差的函数，并且按照比例产生补偿信号，从而可以将该补偿信号添加到流量测量信号，以便补偿该线圈的姿态灵敏度。
附图说明
参照附图，其中，在整个说明书中，具有相同附图标记的元件表示相似的元件，并且其中：
图1是根据本发明的原理所设计的质量流量控制器的优选实施例的局部横截面示意图以及局部框图；
图2是为用于校正传感器的线圈的姿态灵敏度的图1的实施例所设计的电气校正电路的优选实施例的局部电路示意图和局部框图；
图3是使用图2的传感器输出的质量流量测量系统的框图；
图4是使用图2的传感器输出的质量流量控制器系统的框图；以及
图5是使用结合图2、3和4所述类型的电气校正电路的优选实施例的质量流量控制器系统的操作流程图。
具体实施方式
公开的方法和系统包括低成本的重力传感器，例如双轴加速计，其垂直于传感器的轴(取向)。将重力传感器配置为倾斜传感器。提供补偿信号作为传感器轴的倾斜角的函数。补偿信号基于取向对流量测量信号进行补偿。因此，用户将不必在安装前对取向进行预指定。
参考图1，质量流量控制器10包括质量流量传感器12和控制阀14。流量传感器12包括称为旁路的主管14，其具有通常耦合以从源头(未示出)接收气体或蒸汽的入口16和通常耦合到诸如真空室、等离子体发生器等等处理系统(未示出)的出口18。毛细管大小尺寸的小直径管24的上游和下游端20和22与传送气体或者蒸汽的较大管14保持流体连通。毛细管具有缠绕在所述毛细管外侧的两个相互接近的线圈26和28。线圈26和28放置在毛细管24上，使得它们的线圈轴关于彼此大约与轴30共轴。线圈26和28由具有对温度敏感的电阻的材料形成，即该材料的电阻是温度的函数。毛细管24的两端在上游和下游连接32和34处分别与较大的主管14保持流体连通。
层流元件36设置在旁路14的一部分的内部，并且位于毛细管24到较大管的上游和下游连接32和34之间。当气体或者蒸汽流过传感器12时，该气体的预定部分以公称为旁路比的预定比率流过旁路和毛细管。通过感测通过毛细管的流率，并且知道旁路比，通过整个传感器的流率与测得的通过毛细管的流率成比例。
线圈26和28优选连接成桥式电路(图1未示出)或者用于测量两个电阻的数字电路。然后，电流可以对该线圈加热以在没有气流并且在桥式电路、用于桥式电路的平衡条件的情况下(例如空输出信号)提供相等的电阻。当气体通过传感器流过毛细管时，上游线圈28所处的平均温度比下游线圈26所处的平均温度低。温度差与每单位时间流经该管的分子数成比例。由于每个线圈的电阻是该线圈温度的函数，因此温度差可以通过测量该线圈的电阻差来测量。从而，基于已知的线圈电阻随温度的变化，桥接电路或者数字电路的输出信号提供了气体质量流量的测量。
两个线圈的温度差与每单位时间流经该毛细管的分子数成比例。从而，基于已知的线圈电阻随温度的变化，桥接电路或者数字电路的输出信号提供了气体质量流量的测量。
如上所述，在不同的环境中，热传递现象的形式可以将实质误差引入到这些质量流量计和控制器装置的测量中。如果将线圈26和28的轴30取向为不是水平的，即不与重力成90度，则线圈之间的外部热传递可能将实质误差引入到这些质量流量计装置的测量中并且给质量流量控制器带来问题，特别是在低流率的情况下。因此，将重力传感器40设置为相对于轴30固定，使得传感器提供作为轴30相对于重力的角的函数的输出。因为传感器相对于重力倾斜，因此重力传感器将提供作为倾斜角的函数的误差信号。优选地，误差信号在最小负值和最大正值之间与倾斜角成比例。因此，在优选实施例中，在轴30与重力垂直时，传感器40提供的输出为零。传感器40的输出优选在轴30与重力平行时按照比例降低到最小(负值)输出，使得来自上游线圈26的热通过对流向下游线圈28传递(上游线圈26在下游线圈28的下面)，因此误差是由上游线圈通过对流传递到下游线圈的附加热所产生的结果，由此测得的两个线圈之间的电阻差增大。相反，传感器40的输出优选在轴30与重力平行时按照比例增加到最大(正值)输出，使得来自下游线圈28的热通过对流向上游线圈26传递(上游线圈26在下游线圈28的上面)，因此误差是由下游线圈通过对流传递到上游线圈的热量所产生的结果，由此测得的两个线圈之间的电阻差减小。
在图2中，线圈26和28的电阻由流量信号调节器50测量并调节。该调节器可以包括桥式电路的其余部件，例如‘793专利所示的部件，或者用于测量每个线圈的电阻的数字电路的其余部件。信号调节器50的输出是线圈26和28的电阻差的函数。该输出和由重力传感器40提供的误差信号在加法器60相加，在加法器60中，将该和信号施加到前置放大器70。该前置放大器70的输出可以施加到例如在图3中80处所显示的计量系统，或者施加到图4中90处所显示的质量流量控制器的输入端，其反过来控制控制阀14。计量系统和控制器90中的每一个可以包括分别在100和102处所示的数字处理器和用于存储数据的存储器，或者连接到分别在100和102处所示的数字处理器和用于存储数据的存储器。存储器102能够存储数据，该数据包括与线圈的灵敏度的姿态校正有关的数据。例如，传感器电压关于传感器40的姿态的系数、姿态偏移、参考电压值(当传感器40处于水平位置)以及任何桥电压偏移校正值(作为传感器40的位置的函数而该位置作为姿态的函数)。还提供了A/D转换器(未示出)(传感器40的一部分或者单独部分)，使得传感器40的输出在由处理器100进一步处理之前被数字化。将结合图5详细介绍该优选方法。开始，在步骤110，装置(图3的系统80，或者控制器90)加电并且对传感器电压关于姿态的系数进行初始化。优选地，还产生姿态偏移。如步骤112所示，连续测量传感器40的输出信号的数字化值并且取向角由处理器100确定。
在步骤114，在完成系统80或者控制器90的初始化后，传感器40的输出(例如，该传感器的电压输出)表示当前的角度。优选地，处理器100将该传感器的电压输出与表示传感器的水平位置的参考值(例如电压)进行比较。
在步骤116，将偏移校正计算为当前传感器姿态位置和水平参考位置的函数。
在步骤118，处理器进行(桥式)偏移校正并且实现取向效应。
因此，所公开的方法和系统包括低成本的重力传感器，例如双轴加速计，其垂直于传感器的轴(取向)。该重力传感器配置为倾斜传感器。提供补偿信号作为传感器轴的倾斜角的函数。该补偿信号基于取向对流量测量信号进行补偿。因此，用户将不必在安装前对取向预指定，这提供了显著的优点。
本说明书所述的示例性实施例是作为示例而不是限制给出的，并且本领域技术人员在不偏离在更广泛方面公开和所附权利要求书中阐明的精神或范围的条件下可以对其实施各种修改、合并以及置换。
Claims (8)
1、一种用于对安装在管上的至少两个热传感器线圈的姿态灵敏度进行补偿的方法，其中流体通过所述管沿流的公共轴线流动，这两个热传感器线圈用于产生表示通过该管的流体流量的流量测量信号，其中：(a)所述线圈中的一个适于提供热能给流经上游位置处的所述管的所述流体，以便确定和测量所述上游位置处的所述流体的上游温度，而所述线圈中的一个适于测量下游位置处的所述流体的下游温度，并且(b)所述流量测量信号是所测得的上游和下游温度的差的函数，包括：
测量所述公共轴线方向上的重力；以及
修正所述流量测量信号为所测得重力的函数。
2、根据权利要求1所述的方法，还包括产生补偿信号作为所测得重力的函数，并且修正所述流量测量信号为所述补偿信号的函数。
3、根据权利要求2所述的方法，还包括产生所述补偿信号，使得该信号是：(a)当该对热传感器线圈的所述姿态如此取向以便由所述上游位置处的所述线圈提供并且归因于所述重力的热能对流向位于所述下游位置的所述线圈流动时，该补偿信号关于所述流量测量信号是增量，和(b)当该对热传感器线圈的姿态如此取向以便由所述上游位置处的所述线圈提供并且归因于所述重力的热能对流远离所述下游位置的所述线圈流动时，该补偿信号关于所述流量测量信号是减量。
4、根据权利要求2所述的方法，其中所述线圈具有电阻，该电阻是所述线圈的温度的函数，该方法还包括连接这两个线圈以便所述流量测量信号是所述线圈的所述电阻差的函数，并且按照比例产生补偿信号，使得可以将该补偿信号添加到所述流量测量信号，以便补偿所述线圈的所述姿态灵敏度。
5、一种热式质量流量测量系统，包括：
安装在管上的至少两个热传感器线圈，流体通过所述管沿流的公共轴线流动，这两个热传感器线圈用于产生表示通过该管的流体流量的流量测量信号，其中：(a)所述线圈中的一个适于提供热能给流经上游位置处的所述管的流体，以便确定和测量所述上游位置处的所述流体的上游温度，而所述线圈中的一个适于测量下游位置处的所述流体的下游温度，和(b)所述流量测量信号是所测得的上游和下游温度的差的函数；
重力传感器，相对于所述热传感器线圈固定并且将其如此构造和配置，以便测量所述公共轴线方向上的所述重力；以及
信号修正器，其修正所述流量测量信号为所测得重力的函数，以便补偿所述热传感器线圈的姿态灵敏度。
6、根据权利要求5所述的系统，此外，其中所述信号修正器包括信号发生器，其产生补偿信号作为所测得重力的函数，使得将所述流量测量信号修正为所述补偿信号的函数。
7、根据权利要求6所述的系统，其中所述信号发生器产生所述补偿信号，使得该信号是：(a)当所述热传感器线圈的所述姿态如此取向以便由所述上游位置处的所述线圈提供并且归因于所述重力的热能对流向位于所述下游位置的所述线圈流动时，该补偿信号关于所述流量测量信号是增量，和(b)当该对热传感器线圈的所述姿态如此取向以便由所述上游位置处的所述线圈提供并且归因于所述重力的热能对流远离所述下游位置的所述线圈流动时，该补偿信号关于所述流量测量信号是减量。
8、根据权利要求6所述的系统，其中所述线圈具有电阻，该电阻是所述线圈的所述温度的函数，并且所述流量测量信号是所述线圈的电阻差的函数，并且按照比例产生所述补偿信号，从而可以将该补偿信号添加到所述流量测量信号，以便补偿所述线圈的所述姿态灵敏度。
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