CN102224397A - 使用热流传感器的压力验证的质量流控制器 - Google Patents

使用热流传感器的压力验证的质量流控制器 Download PDF

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CN102224397A CN2009801470266A CN200980147026A CN102224397A CN 102224397 A CN102224397 A CN 102224397A CN 2009801470266 A CN2009801470266 A CN 2009801470266A CN 200980147026 A CN200980147026 A CN 200980147026A CN 102224397 A CN102224397 A CN 102224397A
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Abstract

描述了一种用于操作质量流控制器的系统和方法。一个实施例验证质量流控制器热传感器的操作，包括通过将热传感器输出与压力传感器输出进行比较来检测传感器中的零漂移和量程漂移。在一个实施例中，每个传感器提供信号给数字控制器或其它处理单元，并且控制器计算流过单元的由传感器测得的气体的质量流率。然后可以比较质量流率以确定热传感器之一是否操作正确。

Description

使用热流传感器的压力验证的质量流控制器
通过引用并入
本申请通过引用并入了2007年3月1日提交的申请号11/680785、代理人案卷号ADEN-021/00US/AE2005-012、名称为“用于测量质量流控制器中的气体的温度的方法和设备”的申请文件的内容。
技术领域
本发明总体涉及质量流控制器。特别是，但不是限制性的，本发明涉及用于操作质量流控制器的方法和设备。
背景技术
典型的质量流控制器(MFC)是配置为并适用于控制流体的传送的装置。特定的传送速率可以由用户根据每分钟从MFC传送的例如立方厘米或克的流体设定。为了使得能够控制MFC，典型的MFC生成表示MFC的实际流率的输出信号。将此实际流率与特定流率相比较，并且如果需要，调节控制阀以修改流量，使得以特定的流率设定点从MFC释放流体的流量。
发明内容
以下总结示于附图中的本发明的范例实施例。在具体实施方式部分更充分地描述这些和其它实施例。然而，应当理解，决不是意在将本发明限制于此发明内容或具体实施方式中描述的形式。本领域技术人员能够认识到存在落入权利要求表达的本发明的精神和范围内的许多其它修改、等同物以其替代结构。
本发明可以提供用于操作质量流控制器的方法和系统。例如，本发明的一些实施例可以提供用于验证质量流控制器的操作的系统和方法。一个示例实施例是包括热质量流传感器、压力质量流传感器、以及数字控制器的热传感器验证系统。热质量流传感器配置为产生第一信号，所述第一信号随热质量流传感器感测元件对之间的温度差异线性或非线性地变化。类似地，此实施例中的压力质量流传感器配置为产生随主流动路线的上游和下游压力线性或非线性变化的第二信号。最后，数字控制器可以配置为接收第一和第二信号，使用所述信号来计算所述传感器测得的流过质量流控制器的物质的质量流率，比较由传感器测得的第一质量流率，并验证热质量流传感器的输出。
另一示例实施例是验证质量流控制器热传感器的方法。一个该方法包括：产生热传感器和压力传感器信号，修改所述信号，以及使用所修改的信号来计算由热和压力传感器测得的流过质量流控制器的物质的质量流率。然后比较质量流率以验证热传感器在正确操作。
另一示例性实施例是操作质量流控制器的方法。一个该方法包括引导来自主流动路线的气体流通过耦合至第一传感器的第一管，将第二管耦合至主流动路线的上游部分和第二传感器，以及将第三管耦合至主流动路线的下游部分和第二传感器。于是从第一传感器发射第一信号并且从第二传感器发射第二信号，两个信号(i)由数字控制器接收，(ii)用于操作控制阀，以及(iii)验证MFC的正确操作。
于此更详细地描述这些和其它实施例。
附图说明
通过结合附图参照以下详细描述和所附的权利要求，本发明的各种目的和优点以及更完整的理解将是明显的并且更容易理解，其中：
图1是根据本发明的示例实施例的质量流控制器的功能框图；
图2是根据本发明的示例实施例的验证质量流控制器热传感器的方法的流程图；
图3是根据本发明的示例实施例的验证质量流控制器热传感器的方法的流程图；
图4是根据本发明的示例实施例的操作质量流控制器的方法的流程图；
图5是根据本发明的示例实施例的操作质量流控制器的方法的流程图。
具体实施方式
现在参照附图，其中，在适当的地方，遍及数个视图，相似或类似的元件分配有相同的参考数字，并且具体参照图1，其是根据本发明的示例实施例的质量流控制器(MFC)100的功能框图。MFC 100的基底105包括主流动路径175，诸如气体但不限于气体的流动物质通过该主流动路径流动。通过在旁路两端产生压力差异，旁路110引导恒定比例(proportion)的气体通过第一管120和主路径175，基本上产生上游高压气体流部分180和下游低压气体流部分115。
第一管120，此实施例中的小孔管，耦合至MFC 100的热质量流传感器135。在一个实施例中，感测元件125和130缠绕在第一管120的外侧。每个感测元件125和130可以是电阻温度计元件，其具有随温度变化的电阻。然而，应当理解，实施例可以由其它温度感测元件构成，诸如但不限于热电堆或红外温度感测元件。
除第一管120外，第二管165耦合至上游主流动路径部分180。第二管165的相对端耦合至压力传感器155。可以用于实施例中的一个压力传感器是由Golden Valley，MN的Honeywell International Inc.制造的改型的Honeywell Model P-30-P差分压力变换器。第三管170耦合至低压力下游部分115，第三管的相对端耦合至压力传感器155。在一个实施例中，类似于第一管120，第二和第三管165和170包括小的孔。
电流源(未示出)向热传感器135和压力传感器155供应电流。感测元件125和130供应有基本上恒定的电流，导致加热第一管120。流过第一管120的气体使得热从上游感测元件125传递至下游感测元件130。归因于此温度差异的电阻的改变产生包括第一信号185的可测量的热传感器输出。在于此的整个说明书中，在合适的地方，术语“信号”可以与术语“电压”同时使用，除非另外指出。
在一个实施例中，第二管165向压力传感器155提供上游主流动路径部分180压力。在一个实施例中，第二管165可以气密地耦合至压力传感器第一压电膜。第三管170向压力传感器155提供下游主流动路径部分115压力。在一个实施例中，第三管170可以气密地耦合至压力传感器第二压电膜，但这当然不是必需的，并且在其它实施例中，压力可以由本领域已知的除压电膜以外的压力变换器感测。压电膜或其它压力传感器装置测得的压力产生包括第二信号190的压力传感器输出。包括一个或多个非压电压力传感器的实施例是预期的，该压力传感器诸如是但不限于，基于油的传感器。然而，在一个实施例中，压力传感器可以包括适于提供例如上游部分180和下游部分115压力的单个装置，例如单个压电膜。此外，可以具有一个以上的压力传感器155的实施例是预期的，其中，每个传感器可以适于产生上游部分180和/或下游部分115信号。
第一信号185和第二信号190中的每一个可以供应至印刷电路板组件，或“PCBA”。一个PCBA可以包括比较器、处理器、或适于控制控制阀140的操作的其它控制电路。例如，第一信号185和第二信号190可以供应至放大器150并由放大器150放大，并随后经由模-数转换器160从模拟信号转换为数字信号，以产生修改的信号195。修改的信号195可以包括修改的第一信号和修改的第二信号，它们分别是第一信号185和第二信号190的数字表示。此外，信号线性化和修改可以在以数字控制器145来处理信号195之前进行，在一个实施例中，数字控制器145包括控制逻辑。也可以使用其它或附加的处理控制电路。在一些实施例中，数字控制器145可以包括内建的闪存和处理器。
应当认识到，图1中描绘的部件的示例布置是逻辑上的，并不意指实际的硬件图，从而，能够组合部件，或在实际实施中将组合部件进一步分开。此外，每个单独的部件的构成可以由包括软件、硬件、固件和/或其组合的各种技术实现。
在一个范例实施例中，MFC 100将第一信号185处理成第一质量流率并将第一质量流率与特定质量流率设定点进行比较，并且调节控制阀140以维持特定质量流率设定点。其它实施例可以处理第二信号190以获得第二质量流率并使用第二信号190或者第一信号185和第二信号190的组合来调节控制阀140。例如，第一信号185可以用于在包括低气体流率的第一流量范围中调节控制阀140，并且第二信号190可以用于在包括高气体流率的第二流量范围中调节控制阀140。一个高气体流率可以至少部分包括湍流气体流。
在许多实施例中，MFC 100也验证MFC传感器135和155中的至少一个的操作。例如，为了确定热传感器135是否经历传感器漂移，将第一质量流率与第二质量流率进行比较。如果第一质量流率在第二质量流率的用户指定(user-specified)的边界内，则确定热传感器输出未漂移。如果输出在用户指定的范围外，则在热传感器中发生漂移。
在一个实施例中，数字控制器145适于在验证了MFC操作时，产生输出信号199。例如，在确定了热传感器135经历漂移时，可以发出输出信号199。如果第一质量流率(通过热传感器135测得的)在第二质量流率的1％的范围外(由压力传感器155测得)，则可以产生一个输出信号。输出信号可以用于通知MFC 100操作员：热传感器135可能是误操作。例如，输出信号199可以由显示装置调整以向用户发出报警信号。此外，在检测到传感器135、155中的一个传感器中的漂移或其它故障状况时，MFC 100可以仅使用另一传感器的输出来在整个流率范围上操作控制阀140。
接下来参照图2，所示的是描绘用于验证热传感器135的输出的范例方法的流程图200，其可以与参照图1讨论的实施例结合执行。然而，图2中所示的方法，以及于此描述的其它方法不限于仅与图1中所示的实施例一起使用。在一个方法中，为了检测热传感器135漂移，将根据热传感器135产生的第一信号185计算的第一质量流率与根据压力传感器155产生的第二信号190计算的第二质量流率进行比较。在205，热传感器135产生热传感器输出电压，于此也称作第一信号185。在210，然后修改第一信号(例如，通过放大、数字转换、线性化，或其它方式)以至少部分产生修改的信号195。使用修改的信号的热传感器信号部分，在225计算流过质量流控制器100的物质的第一质量流率。
使用类似的程序确定由压力传感器155确定的第二质量流率。例如，在215，产生压力传感器信号，也称作第二信号190。可以放大、数字化、线性化、或者是修改第二信号190以产生至少一部分修改的信号195，然后将其用于计算流过质量流控制器100的物质的第二质量流率(框220和230)。然后比较两个质量流率以验证热传感器输出(框235和240)。
图3是根据本发明的另一示例实施例的用于验证质量流控制器热传感器135的输出的方法的流程图。在图3的实施例中，至框320的方法如以上图2中至框220中所示和描述的进行。在框325，修改的热传感器信号用于在第一质量流率范围中操作控制阀140，修改的热传感器信号在一个方法中可以是修改的信号195的部分。在框330，修改的压力传感器信号用于在第二质量流率范围中操作控制阀140。
例如，修改的信号195可以由数字控制器145或其它处理单元接收，以计算流过质量流控制器100的气体的第一和第二质量流率。然后可以将第一和/或第二质量流率与用户指定的设定质量流率进行比较。基于比较，可以生成信号并将其输出至控制阀140，使得控制阀140调节MFC的气体输出的质量流率，从而使得离开MFC的实际质量流率基本等于设定的质量流率。在一个方法中，热传感器信号可以用于在低流量范围中操作控制阀，并且压力可以用于在高流量范围中操作控制阀。
图4是操作如图1中所示的质量流控制器100的方法的流程图。然而，类似于于此所示并描述的其它方法，图4描述的方法不限于图1中描述的实施例。在图4中的405，流过主流动路径175的气体的部分引导流过第一管120。第一管120也耦合至第一传感器，并且在一个方法中，第一传感器是热传感器135。例如，第一管120可以耦合至一对热传感器元件125和130，如图1中所示。在410，第二管165耦合至主流动路径175和第二传感器。一个第二传感器可以是压力传感器155。第二管165的一端可以耦合至压力传感器155，并且一端可以耦合至上游主流动路线部分180，如图1中所示。在415，第三管170的一端耦合至下游主流动路径部分115，且第三管170的另一端耦合至压力传感器155。在420和425，第一传感器和第二传感器分别发射第一和第二信号185和190，它们由数字控制器145在框430中接收。这些信号中的至少一个用于操作控制阀140并验证第一和第二传感器(例如传感器135、155)中的至少一个的操作。例如，可以通过将以第一信号计算的第一质量流率与以第二信号计算的第二质量流率进行比较来验证包括热传感器135的第一传感器的输出。
图5是根据本发明的另一示例实施例的用于操作质量流控制器100的方法的流程图。在图5的方法中，方法如图4中所示地通过块435进行。在505，一个方法中的数字控制器145确定在MFC 100中是否发生热虹吸。在一个方法中，可以通过测量上游主流动路线部分180和下游主流动路线部分115中的至少一个中的压力来检测热虹吸(通过对流生成的寄生气体流动)。也可以通过比较由两个传感器测得的压力和/或质量流率的改变来检测MFC 100内通过对流生成的寄生气体流动。此外，在510，将质量流控制器的操作范围扩展至层流以外。

Claims (20)

1.一种质量流控制器热传感器验证系统，包括：
热质量流传感器，包括两个或更多温度感测元件，所述热质量流传感器配置为产生第一信号，所述第一信号随感测元件对之间的温度差异而变化；
压力质量流传感器，配置为产生第二信号，所述第二信号随压力的改变而变化；以及
数字控制器，配置为：
接收所述第一信号，
接收所述第二信号，
使用所述第一信号来计算流过所述质量流控制器的物质的第一质量流率，
使用所述第二信号来计算流过所述质量流控制器的所述物质的第二质量流率，
将所述第一质量流率与所述第二质量流率进行比较，以及
验证所述热质量流传感器的成功操作。
2.如权利要求1所述的质量流控制器热传感器验证系统，其中，
所述数字控制器还配置为产生输出信号，所述输出信号：(i)在所述第一质量流率与所述第二质量流率进行比较超出用户指定的阈值时产生；以及(ii)配置为由用户接收。
3.如权利要求1所述的质量流控制器热传感器验证系统，还包括：
放大器，配置为接收、放大并输出所述第一信号和所述第二信号；以及
模拟-数字转换器，配置为将所述第一信号和所述第二信号转换为数字信号。
4.如权利要求1所述的质量流控制器热传感器验证系统，其中，
所述热质量流传感器还包括第一管，在气体流过所述质量流控制器时，基本恒定比例的气体流过所述第一管；
所述两个或更多热质量流感测元件包括电阻温度计元件，所述电阻温度计元件在沿所述第一管的上游和下游位置缠绕在所述第一管外部；以及
压力质量流传感器，包括：
第二管，所述第二管具有在主流动路线上游部分附近耦合的近端和耦合至所述压力传感器的远端，所述第二管配置为向第一压力传感器压电膜提供质量流控制器旁路上游的压力，以及
第三管，所述第三管具有在主流动路线下游部分附近耦合的近端和耦合至所述压力传感器的远端，所述第三管配置为向第二压力传感器压电膜提供所述质量流控制器旁路下游的压力。
5.如权利要求1所述的质量流控制器热传感器验证系统，其中，
所述第一信号用于在第一流量范围中调节控制阀；以及
所述第二信号用于在第二流量范围中调节控制阀。
6.如权利要求1所述的质量流控制器热传感器验证系统，其中，在所述第一质量流率是大于所述第二质量流率的101％和小于所述第二质量流率的99％的其中之一时，所述数字控制器确定在所述热质量流传感器中正发生量程漂移和零漂移中的至少一个。
7.一种验证质量流控制器热传感器的方法，所述方法包括：
产生热传感器信号；
修改所述热传感器信号；
使用所修改的热传感器信号来计算流过质量流控制器的物质的第一质量流率；
产生压力传感器信号；
修改所述压力传感器信号；
使用所修改的压力传感器信号来计算流过所述质量流控制器的物质的第二质量流率；
将所述第一质量流率与所述第二质量流率进行比较；以及
验证所述热传感器信号在正确操作。
8.如权利要求7所述的方法，其中，
产生热传感器信号包括：(i)在气体流过所述质量流控制器时，接收基本恒定比例的气体流到第一管中，所述第一管具有缠绕在所述第一管的外部的上游电阻温度计元件和下游电阻温度计元件；(ii)通过施加电流至所述元件来加热所述第一管；以及(iii)使得热从所述上游电阻温度计元件传递到所述下游电阻温度计元件；(iv)归因于热从所述上游元件至所述下游元件的传递，引起上游和下游元件电阻的改变；以及(v)测量元件电阻的所述改变作为热传感器信号；以及
产生压力传感器信号包括：(i)在第一压电膜上接收第一压力，所述第一压力接收自质量流控制器旁路上游的气体流位置；(ii)在压电膜上接收第二压力，所述第二压力接收自质量流控制器旁路下游的气体流位置；以及(iii)将所述第一压电膜和所述第二压电膜上的压力转换为压力传感器信号。
9.如权利要求7所述的方法，其中，修改所述热传感器信号和所述压力传感器信号包括以下至少之一：放大、线性化、和数字化所述信号的至少之一。
10.如权利要求7所述的方法，其中，使用所修改的热传感器和压力传感器信号来计算流过质量流控制器的物质的第一质量流率和第二质量流率包括：通过数字控制器来处理所修改的热传感器和压力传感器信号以产生气体的第一体积流率和第二体积流率。
11.如权利要求7所述的方法，其中，
将所述第一质量流率与所述第二质量流率进行比较包括：使用数字控制器来比较气体的第一体积流率和第二体积流率；以及
确定所述热传感器中是否正发生漂移包括：计算气体的所述第一体积流率是否在气体的所述第二体积流率的用户指定的范围内。
12.如权利要求11所述的方法，其中，计算气体的所述第一体积流率是否在气体的所述第二体积流率的用户指定的范围内包括：确定气体的所述第一体积流率是否(i)比气体的所述第二体积流率大不到1％，以及(iii)比气体的所述第二体积流率小超过1％。
13.如权利要求7所述的方法，还包括：
利用所修改的热传感器信号来在第一质量流率范围中操作控制阀；以及
利用所修改的压力传感器信号来在第二质量流率范围中操作所述控制阀。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二质量流率范围包括湍流范围。
15.一种操作质量流控制器的方法，包括：
引导一部分气体流从主流动路线流过第一管，所述第一管具有中心部分，所述中心部分耦合至第一传感器；
将包括第二管近端和第二管远端的第二管耦合至所述主流动路线，使得所述第二管近端耦合至上游主流动路线部分且所述第二管远端耦合至第二传感器；
将包括第三管近端和第三管远端的第三管耦合至主流动路线，所述第三管近端耦合至下游主流动路线部分且所述第三管远端耦合至所述第二传感器；
从所述第一传感器发射第一信号；
从所述第二传感器发射第二信号；
由数字控制器接收所述第一信号和所述第二信号；
使用所述第一信号和所述第二信号的至少之一来(i)操作控制阀；以及(ii)验证所述质量流控制器的正确操作。
16.如权利要求15所述的方法，其中，
引导来自主流动路线的气体流通过第一管包括：
在质量流控制器旁路两端引起压力差异；
将第一管的近端耦合至所述旁路上游的高气压流部分；以及
将第一管的远端耦合至所述旁路下游的低气压流部分；
将第二管近端耦合至上游主流动路线部分包括将所述第二管近端耦合至所述高气压流部分；以及
将第三管近端耦合至下游主流动路线部分包括将所述第三管近端耦合至所述低气压流部分。
17.如权利要求15所述的方法，其中，使用所述第一信号和所述第二信号的至少之一来验证所述质量流控制器的正确操作包括：
使用热传感器来输出所述第一信号；
利用所述第一信号来计算第一质量流率；
使用压力传感器来输出所述第二信号；
利用所述第二信号来计算第二质量流率；以及
将所述第一质量流率和所述第二质量流率进行比较。
18.如权利要求15所述的方法，还包括：
确定所述质量流控制器中是否正发生热虹吸；以及
将所述质量流控制器的操作范围扩展至层流以外。
19.如权利要求18所述的方法，其中，确定所述质量流控制器中是否正发生热虹吸包括：
使用所述第二信号来计算所述质量流控制器旁路两端的实时压力差异；以及
将当前的压力差异读数与过去的压力差异读数进行比较，以确定是否正发生热虹吸。
20.如权利要求18所述的方法，其中，扩展所述质量流控制器的操作范围包括：控制通过质量流控制器的湍流气体流的质量流率。
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