CN102483344A - 上游体积质量流量检验系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于测量和检验通过诸如质量流量控制器的质量流量传输/测量装置的质量流量的质量流量检验系统和方法。质量流量检验系统包括预设体积、温度传感器和压力传感器。由质量流量检验系统确定的测量的经检验的流量可调整成补偿由质量流量测量装置内的死体积导致的误差。

Description

上游体积质量流量检验系统和方法

相关申请

该申请要求于2009年7月24日提交的美国申请No.12/508,799的权益。上述申请的全部教导通过参考被结合于此。

技术领域

本公开涉及质量流量的测量和控制领域。更具体而言，本公开涉及检验质量流量计和控制器的准确性。

背景技术

若干高精度质量流量测量系统在材料加工中是有用的。这些高精度质量流量测量系统可包括但不限于质量流量控制器(MFC)和质量流量计(MFM)。虽然该公开适用于所有的质量流量测量系统和方法，但是仅仅为了解释说明目的且不通过限制的方式以下将仅对MFC进行参考说明。

希望且有时必须检测或检验MFC的准确性。检验MFC的准确性的一种方法是通过使用位于检测状态下的MFC上游的质量流量检验器(MFV)的衰变率。

但是由于引入影响MFV和MFC的测量的不希望的压力变化的流路的结构方面，所以可能有时会出现测量误差。例如，MFC具有位于流量传感器和控制阀之间的流路的一部分，该流路的一部分称为“死体积”，其会将误差引入到流量测量中，尤其是如果MFC是在MFC内不具有压力传感器的非压力不敏感(即压力敏感)的MFC。非压力不敏感的MFC不能补偿由压力波动导致的流速误差。当流体沿着从流量检验器通过死体积以及MFC的出口的流路流动时，死体积可导致压力测量以及最终的流量检验中的不精确。

发明内容

因此，在本公开中描述了质量流量检验器(MFV)，其补偿由非压力不敏感的MFC中的死体积所产生的误差。

本公开更具体地描述了用于测量和检验通过非压力不敏感MFC的质量流量的上游检验系统和方法。位于上游的MFV通常包括限定固定体积的腔室，接收来自源的流体和控制进入腔室的流体的流量的输入阀，和用于控制流出腔室进入检测MFC的流体的流量的输出阀。通过打开输入阀和关闭输出阀，腔室接收来自源的流体，使得允许压力上升到确定的水平。一旦处于该确定水平，就可以关闭输入阀，以及打开输出阀，使得流体从腔室流动到检测状态下的MFC。通过测量腔室中流体的温度，以及来自腔室的压力衰变率，可以独立地测量通过MFC的流速，使得可独立地测量和检验MFC的性能。计算的流速补偿由于非压力不敏感的质量流量控制器内的任意死体积导致的误差。

如果检测的质量流量控制器是压力不敏感的质量流量控制器，则假设零死体积可由上游MFV来执行流速的计算。死体积的值可由质量流量控制器的制造商来提供。

附图说明

图1是根据本公开的一方面的框图；

图2示出了识别本公开中关注的误差的模拟结果；

图3示出非压力不敏感的质量流量控制器的实例的部分切除的侧视图。

具体实施方式

用于检验MFC的准确性的一种方法是通过位于检测状态下的MFC的上游的质量流量检验器。如前所述，当流体从MFV腔室流动到检测状态下的MFC时可通过测量压力衰变率和温度变化来测量和检验通过检测状态下的MFC的流速。但是，尤其是当MFC为非压力不敏感的情况下，由检测MFC中存在的死体积可导致测量误差。这些测量误差的补偿是本公开的主题。

图1展示了用于检验检测MFC 90的性能的上游MFV系统100的实施例。典型的上游流量检验器包括限定已知体积(V_c)的腔室110、压力传感器(P)120、温度传感器(T)130以及两个隔离控制阀，其中一个是上游隔离控制阀140，而另一个是体积的下游隔离控制阀150。

MFV的所示实施例包括温度传感器130和压力传感器120。如图所示，上游输入阀140用于控制从源流动的流体或检测气体的供应，而下游阀150用于控制从体积110到检测MFC 90的流体的流量。控制器160用于操作阀140和150，以及用于接收代表体积110的温度(由温度传感器130测量)的数据以及体积110内的压力(由压力传感器120测量)。此外，控制器还可以设置检测MFC的流量(虽然也可以用单独的控制器来控制MFC)。通过打开输入阀140和关闭输出阀150，腔室体积110接收来自源的流体，使得由传感器120测量的压力允许上升到确定的水平。一旦处于该确定水平，则可关闭输入阀140。现在可对MFC 90进行检测。在保持输入阀140关闭的情况下，打开输出阀150，使得流体从腔室110流动到检测状态下的MFC90。通过测量由温度传感器130测量的腔室体积110内的流体温度以及由传感器120测量的来自腔室体积110的压力衰变率，可以独立地测量通过MFC的流速，使得可以独立地测量和检验MFC性能(通过将检测MFC的设定流速与由MFV100确定的实际流速进行比较)。

因此，上游MFV能够检验MFC的性能。一种可能的性能测量是在固定体积的气体通过MFC时测量通过MFC的压力衰变率，通过下列等式确定：

$Q_o=\frac{V_t\·T_{\mathrm{stp}}}{R\·P_{\mathrm{stp}}}\·\frac{d(P/T)}{\mathrm{dt}},---\left(1\right)$

其中Q_o为实际MFC输出流量的MFV测量的流速；

V_t是MFV系统的总体积，这在下一段中进行解释；

R是通用气体常数；

P和T分别是气体压力和温度测量值；

P_stp和T_stp分别是标准压力(1.01325e5Pa)和标准温度(273.15K)常数。

MFC系统的总体积V_t包括已知的MFV腔室体积V_c以及MFV下游阀150与MFC控制阀340之间的外部体积V_e，且可表示为：

V_t＝V_c+V_e。(2)

外部体积V_e随着系统管道配置和检测状态下的MFC而变化。在执行上游MFV流量检验之前必须精确校准外部体积。例如，外部体积校准可基于理想气体定律和质量守恒定律，已知事项是MFV腔室体积(V_c)以及MFV腔室内气体的温度和所测得的压力。该过程可描述如下：

1.关闭MFV的上游阀；打开MFV的下游阀并检测状态下MFC的控制阀；

2.将系统降压到预定的压力水平，并关闭检测状态下的MFC的控制阀；

3.等待腔室压力和气体温度稳定，并将腔室压力记录为P₀以及将气体温度记录为T₀；

4.关闭MFV的下游阀，且打开MFV的上游阀，以便允许气体进入MFV腔室的流量；

5.当MFV腔室压力达到预定水平时，关闭MFV的上游阀；

6.等待腔室压力和气体温度稳定，并将腔室压力记录为P₁以及将气体温度记录为T₁；

7.打开MFV的下游阀，并允许气体流入外部体积；

8.等待腔室压力和气体温度稳定，并将腔室压力记录为P₂以及将气体温度记录为T₂；

9.按下列等式计算外部体积：

$V_e=\frac{(P_1/T_1-P_2/T_2)}{(P_2/T_2-P_0/T_0)}\·V_c---\left(3\right)$

在检测状态下的MFC(图3中通常以300示出)中的死体积350V_d是流量传感器310(用层流元件330示出)和控制阀340之间的流路的一部分。死体积是检测状态下的MFC的特性，其根据供应商和类型而改变。显然，死体积是外部体积(V_e)的一部分，但它不能通过上述的外部体积校准方法独立地进行测量。

上游MFV基于等式(1)测量检测状态下的MFC的实际流量输出。然而，当压力变化时，由上游MFV测量的流速(Q_o)不是由MFC流量传感器测量的流速(Q_S)。当死体积中压力变化时出现流量测量误差(ΔQ)：

$\mathrm{\ΔQ}=Q_s-Q_o=\frac{V_d\·T_{\mathrm{stp}}}{R\·P_{\mathrm{stp}}}\·\frac{d(P/T)}{\mathrm{dt}},---\left(4\right)$

对于诸如由MA(目前受让人)的威尔明顿MKS Instruments制造和出售的πMFC的压力不敏感的MFC而言，这些装置在流路中具有可测量死体积中压力变化的压力传感器。因此，压力不敏感的MFC可以补偿由于死体积中的压力波动导致的流量误差。在这种情况下，如果两者都准确的话，由上游MFV测量的流速(Q_o)将匹配由压力不敏感的MFC控制的流速。

对于非压力不敏感的MFC而言，由死体积的压力波动导致的流量误差不能由MFC本身补偿，这是因为它不具有压力传感器。作为根据等式(4)的结果，即使MFC在正常的恒压操作情况下是准确的，在上游MFV测量值和MFC控制的流速之间也总是存在流量测量差异。

在图2表示的时间图中，通过利用N₂气体来模拟MFV和非压力不敏感的MFC的典型响应，所述氮气，初始测量的温度和压力分别为22摄氏度和50psia，流量设定值为2000sccm，运行时间为30秒，MFV体积为200cc，以及死体积是5cc。来自MFV的报告的测量流量210随着MFC流量设定值220和流出MFC 230的实际流量而变化。校正流出MFC 230的实际流量和进入MFC 210中的MFV测量的流量之间的差异是本公开的主题。正如预期的那样，误差等于死体积与MFV体积的比例(～50sccm/2000sccm＝5cc/200cc)。

为了补偿该流量测量误差，当由上游MFV计算校正测量的流量Q时必须考虑死体积：

$Q=\frac{(V_t-V_d)\·T_{\mathrm{stp}}}{R\·P_{\mathrm{stp}}}\·\frac{d(P/T)}{\mathrm{dt}}---\left(5\right).$

因此，通过将死体积结合到其流出MFC流速的计算中，所公开的MFV考虑到了死体积误差。

根据本公开，值V_d可由MFC制造商提供，或可基于实际流量、预期流量和误差由检测仪估计。如果制造商提供该信息，则MFV用户可将该值输入到包括控制器160的处理设备中，使得从测量的压力和/或温度值来准确计算流速。

此外，本公开可预期测量和估算实时压力和/或温度的衰变率或通过等待直到系统稳定。在不对相应温度变化进行补偿的情况下，等待稳定为允许压力测量提供额外的好处。

此外，当根据在此公开的检验器的各方面检测压力不敏感MFC时，V_d值可设定为零，这是因为MFC已经考虑到死体积中的压降。

虽然对本公开的特定实施例进行了解释说明和描述，但是对于本领域的那些技术人员而言，可进行若干变化和变型。因此，预期所附的权利要求涵盖落入本公开的精神和范围内的所有那些变化和变型。

Claims (11)

1.一种用于检测质量流量测量装置的性能的上游质量流量检验系统，所述系统包括：

上游体积，能够存储检测流体；

温度传感器，用于感测上游体积内的温度；

压力传感器，用于感测上游体积内的流体压力；以及

处理器，被配置成计算通过质量流量控制器的检测流体的流速，且补偿由质量流量控制器内的死体积导致的误差。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，死体积设置为零。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，死体积由系统的用户输入。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，流速在温度稳定之后确定。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于控制检测流入所述体积内的流体的流量的输入阀，以及用于控制从所述体积通过质量流量测量装置的流体的流量的输出阀，其中关闭输出阀以及打开输入阀，以便填充该体积，直到其达到可测量的压力水平，然后关闭输入阀，打开输出阀，以允许流体从所述体积流动通过质量流量测量装置。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，流量根据下述等式进行测量：

$Q=\frac{(V_t-V_d)\·T_{\mathrm{stp}}}{R\·P_{\mathrm{stp}}\·T}\·\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}$

其中Q为测量的流速，

V_t是MFV系统的总体积，

V_d表示检测状态下的质量流量测量/传输装置的死体积，

R是通用气体常数，

P和T分别是气体压力和温度，以及

P_stp和T_stp分别是标准压力(1.01325e5Pa)和标准温度(273.15K)。

7.一种用于检验质量流量测量装置的性能的方法，包括：

在固定体积内建立检测流体的压力水平；

打开阀，以便将检测流体从所述体积传输通过检测质量流量测量装置；

作为检测流体的温度和检测流体从所建立的水平的压力变化率的函数，确定通过质量流量测量装置的质量流速，其中计算补偿由检测状态下的质量流量传输/测量装置内的死体积导致的误差。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括输入从质量流量传输/测量装置的制造商接收的死体积的值。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，输入值为零。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在温度稳定之后计算流速。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定质量流速包括根据下述等式测量流量：

$Q=\frac{(V_t-V_d)\·T_{\mathrm{stp}}}{R\·P_{\mathrm{stp}}\·T}\·\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}$

其中Q为测量的流速，

V_t是MFV系统的总体积，

V_d表示检测状态下的质量流量测量/传输装置的死体积，

R是通用气体常数，

P和T分别是气体压力和温度，以及

P_stp和T_stp分别是标准压力(1.01325e5Pa)和标准温度(273.15K)。

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