CN103547894A - 液体质量测量和流体输送装置 - Google Patents

Abstract

液体质量测量和流体输送装置包括对其中的流体质量进行测量的容器。传感器与容器耦合，该传感器测量容器内的流体的质量，而不依赖于容器内的压强的变化。膜片传感器可位于容器的底部，从而用于表示圆筒内的流体质量的电信号由通过膜片之上的流体的质量导致的膜片的运动所产生。用于均衡容器内的压强与膜片的背侧的压强的压强均衡器允许不依赖于容器中的任何变化和压强而对质量进行测量。容器内的液体的质量中的液体能被准确测量，如此以使期望的液体质量可被输送以待将来使用。液体可被汽化并且被作为蒸汽输送。

Description

液体质量测量和流体输送装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年4月18日递交的题为“LIQUID MASSMEASUREMENT AND FLUID TRANSMITTING APPARATUS”的美国申请No.13/088,796的权益。该申请的全部内容通过引用被结合至本公开。

技术领域

本发明涉及流体流量测量和控制的领域，并且特别涉及用于测得的液体质量的量或汽化的液体质量的量的输送的系统。

背景技术

各种工业过程需要引入精确数量的液体或汽化的液体。对于许多过程，液体或蒸汽的输送速率必须被精确测量和控制以达到可接受的结果。所述过程包括，例如，血液诊断、滴定、配量、腔加湿、蒸镀、汽提（stripping）、退火和化学腐蚀。

常规的液体和蒸汽质量输送系统依赖于例如排量计量泵、基于时间的压强分配、基于热量的流量控制器、超声波、压差和科里奥利（Coriolis）的技术。虽然每一种所述技术都有特定的缺点，但其共同的缺陷是它们缺乏对于夹带气的免疫力。为减少由夹带气导致的误差，许多液体流量控制器的制造商推荐安装除气设备。该设备增加了输送系统的成本和复杂度并且也引入其他潜在的误差，即除气过程的效率受到影响。

常规蒸汽输送系统包括起泡器、蒸发器和闪蒸器。对于每一个这样的蒸汽输送系统，多个设备被要求将蒸汽的前体（precursor）输送至处理腔。起泡器的缺陷是当液体温度或起泡器压强改变时导致化学蒸汽与运载气体的比率改变。虽然起泡器蒸汽输出反馈补偿技术已经被开发以补偿这些影响，但这会使系统的成本显著增加。蒸发器的缺陷是仍需要质量流量控制设备来控制和报告汽化前体的流速度。而且活性化学蒸汽的输送可能影响流控制设备的准确度或导致其过早地失效。闪蒸器的缺陷是其需要液体流量控制设备，例如容积排量泵或液体质量流量控制器以将精确数量的液体注入至温度保持在足以使液体汽化的被加热的腔中。所述液体注入技术引入潜在的显著误差，并且汽化器的温度通常必须被保持在化学制品的分解温度或其之上。

发明目的

因此，本发明的一个目的是提供一种液体质量测量和流体输送装置，该装置提供关于驻留（resident）质量的直接指示，而不管液体温度、所施加的压强和溶解在液体中的气体的浓度的波动。

本发明的另一个目的是提供一种控制精确质量的液体的引入或提取的器件以支持处理。本发明还有另一个目的是提供一种便于对各种液体化学制品进行处理的装置，各种液体化学制品可以被一起添加以达到精确的混合。本发明还有另一个目的是提供一种便于报告和控制蒸汽相（vapor-phase）液体的输送的系统以支持处理。并且，本发明还有另一个目是提供一种对在规定的时间段内穿过设备的前体的质量进行累加的器件。

发明内容

本发明提供了一种测量和报告容器内所容纳的液体的总质量的设备，而不管液体温度、所施加的压强和溶解在液体中的气体浓度的波动。

在本发明的一个方面，待测量的参数是容器中所容纳的驻留液体质量和引入容器或从容器中提取的精确数量的质量的受控输送。在本发明的另一个方面，待测量的参数是容器中所容纳的驻留液体质量和从中提取的蒸汽相质量。

以最简化的形式，该装置包括与容器（如具有一个或多个与其连接的导管的密封圆柱（containment column））进行传输的传感器、控制流体通过所述导管的运动的器件、和与传感器和流体传输控制系统进行双向传输的方法。而且，传感器能检测圆柱中的液体的质量，而不依赖于密封压强。

在本发明的一个方面，提供了一种流体质量测量和输送系统，该系统包括与容器耦合的传感器。传感器被配置为产生与容器中的流体质量成比例的一个或多个电信号，而不依赖于液体上的压强的变化。该系统还包括与容器进行流体流传输的入口和与容器进行流体流传输的流体出口，以允许流体被从容器输送。控制器与传感器电耦合以接收和处理电信号。控制器提供对容器中的液体质量的测量，并且还可控制添加到容器中或从容器中移除的流体的量。控制器也可控制系统中的其他设备以控制和/或监测各个参数，例如压强和温度。

该系统还可包括与流体出口耦合的流量控制入口阀和与所述流体入口耦合的流量控制出口阀。控制器与流量控制入口阀和流量控制出口阀电耦合。压强传感器可以与容器耦合以感测其中的压强。一个或多个增压导管可以与容器耦合以控制容器中被施加（exert）的压强。增压导管可与一个或多个控制阀耦合至一个或多个控制阀或可包括一个或多个控制阀，该一个或多个控制阀与控制器电耦合。控制器可被配置为控制从控制器通过所述流体出口输送的流体流速。该系统可包括与容器和控制器耦合的温度传感器及与所述容器耦合的加热器。控制器被配置为控制所述容器中的温度和/或压强以使所述流体从液体变为蒸汽。

传感器可以是适于感测所述容器中的流体质量改变的膜片式传感器，其中容器中的流体位于膜片之上。压强均衡器可被可操作地连接至传感器以均衡向膜片两侧被施加的压强。压强均衡器可以包括导管，该导管具有位于容器中的液体之上与容器进行流体传输的第一端，和与膜片背向容器中的液体的一侧的附近区域进行流体传输的第二端。

根据本发明，随着液体被引入容器或从容器中移除，传感器输出信号的改变与驻留液体质量的改变有直接关系，而不依赖于密封容器的气压的任何变化。在从次大气压至68bar（巴）（1000psi（磅/每平方英寸））的范围的压强条件下，精确数量的液体质量的运动可被运输至系统或从系统中运出。在一种可能的应用中，高蒸汽压强流体可被监测并被作为液体运输，这与蒸汽相测量技术相比提供了显著的准确性的优势。在另一种可能的应用中，能在低真空条件下（≤10^-4大气压）对压强敏感液体进行处理和管理。

在本发明的另一方面并且以最简化的形式，该装置包括与容器进行传输的传感器，所述容器具有一个或多个与其连接的导管，控制流体穿过导管的运动的器件及与传感器和流体运输控制器件进行双向传输的方法。而且，还包括将液体转化为蒸汽的器件。本发明的附加可用特征包括但不限于，引入吹扫气（sweep gas）穿过容器中液体的顶部，吸入运载气体向上通过液体，和/或用热的方法引起相改变。

附图说明

本发明可以以不同方式被执行并且多个实施方式将参考附图通过示例的方式将被描述，附图是装置示意图。

图1是示出根据本发明的用以支持射出液体的精确质量的测量和分配的装置的布置框图；

图2是示出根据本发明的用以支持液体的测量和质量流速度受控输送的装置的另一实施方式的框图；

图3是示出根据本发明的用以支持汽化的液体的测量质和量流速度受控输送的另一实施方式的框图。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个方面的框图。参考图1，根据本发明的一个方面的装置包括密封圆柱2形式的容器。位于容器底部的是质量传感器1。质量传感器1是膜片式质量传感器，其包括感测其上的力并传送表示所述力的值的电信号的膜片。这类传感器的示例是可以从市场上买到的来自美国纽约格兰德岛（Grand Island）的GP:50公司的Model216（模型216）或316传感器。传感器1被安装在密封圆柱2的底部，如此以使其中的液体13将力施加至传感器1的膜片上。该力用于表示圆柱2中的液体13的质量。传感器1经由电连接15将电信号传送至控制器16。控制器将电信号15处理成圆柱2中液体13的质量的测量。传感器1中的膜片包括支持并面向圆柱2中液体13的第一侧。传感器1中的膜片的相反的一侧或面背对液体并接近腔26。均压器被耦合在圆柱2和腔之间以均衡腔26和其中液体13之上的圆柱2中的压强。相应地，传感器1将测量液体13的质量而不依赖于圆柱2中的压强的变化以及由圆柱2中的夹带气和温度的改变而引起的变化。

入口3与圆柱2进行流体流量传输，并包括例如阀的入口流量控制设备8。入口流量控制设备8经由电连接21与控制器16耦合，以允许控制器控制流入圆柱2的流体（无论是液体或蒸汽形式）的量。出口4也与圆柱2进行流体流传量输并且包括例如阀的出口流量控制设备9。输出流量控制设备9经由电连接17与控制器16耦合，以允许控制器控制流出所述圆柱2的流体（无论是液体或蒸汽的形式）的量。

一个或多个压强控制导管5、6与圆柱2进行流体传输，以控制容器2中的压强12。一个或多个压强控制导管可包括一个或多个压强控制阀10、11，以控制所述导管5、6中的流体的流量。如图1所示，压强供给导管6包括隔离阀11。隔离阀11经由电连接18被连接至控制器16来控制隔离阀11的打开和关闭，以允许被增压的流体经由导管6流入圆柱2。也可使用卸压导管5以允许圆柱2中被增压的流体（例如气体）从其中逃逸。隔离阀10也经由电连接20被连接至控制器16。控制器16也经由电连接19被电连接至压强传感器14，以从压强传感器14中读取表示圆柱2中的压强12的电信号。基于圆柱2中的压强，控制器可以通过控制隔离阀11经由导管6控制容器中的被增压的流体的量。并且，通过控制器发送信号至控制隔离阀10来允许圆柱2中的被增压的流体（例如气体）经由导管5从隔离阀11中排出，控制器16能控制圆柱2中的压强。

传感器1与密闭圆柱2的底部进行直接传输并且通过例如导管7的压强均衡器与密闭圆柱2的顶部进行间接传输。当密闭圆柱2中没有液体时，传感器信号15处于其最小值。如果圆柱2中的压强12改变了，该压强的变化也被通过导管7输送至传感器1中的膜片的背面，而输出信号15保持不变。当液体通过导管3被引入圆柱2中时，传感器1的输出信号增大，其与质量增加的速度有直接关系。相反地，如果液体被从圆柱2中移除，传感器1的输出信号减小，其与质量减少的速度有直接关系。控制器16可以能够测量和监测圆柱中的质量增加的速度。

在一个实施例中，密闭圆柱2的内部容积是2立方厘米并且具有相当于20摄氏度下的1¹/₂立方厘米H₂O的可用的液体有效容积，这是防止密闭圆柱2满溢的一般限制。同样在该实施例中，传感器1的输出信号15是0-10伏特。在干燥状态下传感器信号15是0，而不管圆柱2的压强条件12，因为力被施加在传感器1的两侧。随着液体被引入密闭圆柱2中，力被施加在传感器1的膜片的上面，导致传感器信号15增大。而且，在该实施例中，控制器16接收传感器1的输出信号15并将之转换为克。如果纯水正被引入，在流体的质量为1.497克时传感器输出信号15将达到10伏。如果物质是水银，则在流体为1.497克时传感器1的输出信号也将是10伏，但该密度更大的流体仅占据密闭圆柱2中的0.11立方厘米。传感器1的输出信号与驻留在密闭圆柱2中的驻留质量直接相关，而与流体密度、圆柱中的温度和/或圆柱顶部的压强无关。传感器1输出信号的分辨率可以是0.00015克/毫伏，使得可以准确地检测非常小的质量的量的运动。

在另一个实施例中，密闭圆柱2的内部容积是1000立方厘米并且其具有在20摄氏度下的750立方厘米水的可用的液体有效容积。在该实施例中，引入至密闭圆柱2中的500g纯水致使传感器1的输出信号为6.6786伏特。这表示质量至信号的比率接近0.075克/毫伏。

在另一个实施例和第一个实施例的持续中，圆柱2具有相当于20摄氏度下的1¹/₂立方厘米水（1.497克水）的可用的有效容积。导管3被连接至被充分增压的水供应。当导管隔离阀8从控制系统16接收到驱动信号21时，水被引入密闭圆柱2。当传感器1的输出信号15达到9伏特（用户定义的注满值）时，控制系统16终止驱动信号21。此时，圆柱2中的水的质量是1.3473克。用户通过与控制器的相互作用来将期望的液体分配（dispense）质量定义为0.50克。控制器16计算与定义的分配质量相关的德尔塔（delta）传感器信号电压（3.34伏=0.50克）。分配指令被发出并且控制器16存储初始的传感器1的输出信号值并将驱动信号17传输至导管隔离阀9。随着液体通过导管4流出密闭圆柱2，传感器1的信号15下降。控制器16监测传感器1的输出信号并且当实际信号等于初始信号减去德尔塔伏特（delta volts）计算时终止分配事件。如果用户已定义圆柱2在每一次分配后发生再注满（refill），则控制器16经由连接21传送实际信号。当传感器1的输出信号达到9伏特时，密闭圆柱2的再注满事件被终止。

液体分配压强12被压强传感器14监测并被传输至控制器16。如果密闭圆柱2的压强12小于用户的规定，控制器16将实际信号18传输至导管6的隔离阀。导管6的入口通用语合适的被增压气体供应。当密闭圆柱2的压强12等于用户定义值时，导管6的隔离阀11被关闭。如果压强12超过用户定义值，隔离阀10被打开并且密闭圆柱2的压强12减小。

图2描述了本发明的另一实施方式的框图。除附加的配置在导管4中的比例控制阀21之外，图2的系统和图1中所描述系统相同。流速控制阀21用于控制从密闭圆柱2输出的液体的质量传输速度。实际中用户定义期望的液体质量流度和传输持续时间。在一个实施例中所期望的速度是0.1克每分钟并且传输持续时间是10分钟。当控制器16接收到开始指令时，导管4的隔离阀9被打开。经由连接15被传送的传感器1的信号被控制器16监测，并且流速控制阀21的阀信号22增大直至传感器1的输出信号的减小的速度与相当于0.1克每分钟的质量损耗的目标速率匹配。

图3描述了本发明的另一实施方式的框图。图3中的系统与图2所示的相似，其中相同的数字表示相似的部件。然而，图3中的系统允许蒸汽相的流体的传输。为实现该目的，通过降低液体13上的压强12和/或通过加热液体13以增加其蒸汽压强来使液体13汽化。因此，该系统包括经由电连接器24可操作地连接至控制器16的加热器23。同样，温度传感器24通过电连接25被可操作地连接至控制器16。控制器16从温度传感器24读取信号并且调整从加热器23传输至圆柱2的热量，以使圆柱2中的温度达到期望的水平，该期望的水平通常由用户定义。控制器16控制圆柱2中的压强12和温度，如此以使圆柱中的条件是期望的水平。通过控制这些条件，容器中的液体13可被汽化并且在液体质量测量后经由导管4被输送。

在一个实施例中需要水蒸汽来支持次大气压压强（＜1托（torr））退火过程。出口导管6被路由至处理腔（未示出），并且当隔离阀11打开时，响应于用户输入指令，控制器16增大沿着连接22传送的比例控制阀21的输入信号，直至传感器1的输出信号15减小的速度相当于用户定义的蒸汽质量传输速度。在另一实施例中，需要四氯化硅蒸汽来支持化学制品汽相沉积过程。在该实施例中，控制器16将密闭圆柱2中的压强增加至用户定义值并且控制在用户定义值。通过内部或外部加热器件23热能被加给液体。控制器16根据需要增加或减小热能的增加以将容器中的压强12保持在期望值。

虽然本发明的实施方式已被本公开详细阐述并且描述，但是本公开被理解为是对特性的说明而非限制。任何属于本发明的精神的修改和变化都被认为在本发明的范围内。

Claims (26)

1.一种液体质量测量和流体输送装置，该装置包括：

被配置为容纳用于测量其质量的液体的容器；

压强独立传感器，与所述容器可操作地结合，以产生与所述容器中的液体的质量成比例的一个或多个电信号，而不依赖于所述液体的压强变化；

与所述容器进行流体流量传输的入口；

与所述容器进行流体流量传输以允许流体被从所述容器中输送的出口；以及

与所述传感器电耦合以接收和处理所述电信号的控制器。

2.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括与所述出口耦合的流量控制入口阀和与所述入口耦合的流量控制出口阀中的至少一者。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器与所述一个或多个所述流量控制入口阀和所述流量控制出口阀电耦合。

4.根据权利要求3所述的装置，该装置还包括与所述容器耦合用来测量其中的压强的压强传感器。

5.根据权利要求4所述的装置，该装置还包括与所述容器耦合以控制所述容器中被施加的压强的一个或多个增压导管。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述一个或多个增压导管与一个或多个控制阀耦合，所述控制阀与所述控制器电耦合。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述控制器被配置为控制通过所述出口从所述容器中输送的流体的流速。

8.根据权利要求7所述的装置，该装置还包括与所述容器和所述控制器耦合的温度传感器。

9.根据权利要求8所述的装置，该装置还包括与所述容器耦合的加热器。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述控制器被配置为控制所述容器内的温度和压强。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述压强独立传感器包括适于感测所述容器中的液体质量的改变的膜片。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述膜片被置于使所述容器中的液体位于所述膜片之上的位置。

13.根据权利要求12所述的装置，该装置还包括压强均衡器，用于均衡所述液体上的压强和所述膜片背对所述液体的一侧上的压强。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述压强均衡器包括导管，该导管具有位于所述容器中的所述液体之上与所述容器进行流体传输的第一端，以及与所述膜片背对所述容器中的所述液体的一侧的附近区域进行流体传输的第二端。

15.一种用于测量液体质量和输送流体的方法，该方法包括：

在容器中容纳液体，所述容器具有与所述容器进行流体流量传输的入口和出口，以使流体被从所述容器中输送；

使用与所述容器可操作地结合的传感器来产生与所述容器中的所述液体的质量成比例的用于表示所述质量的一个或多个电信号，而不依赖于的所述液体上的压强变化；以及

使用与所述传感器电耦合的控制器来接收和处理所述电信号。

16.根据权利要求15所述的方法，该方法还包括与所述出口耦合的流量控制入口阀和与所述入口耦合的流量控制出口阀。

17.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括使用所述控制器来控制通过所述出口从所述容器输送的流体的流速。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述控制器与所述一个或多个所述流量控制入口阀和所述流量控制出口阀电耦合。

19.根据权利要求18所述的方法，该方法还包括使用与所述容器耦合的一个或多个增压导管和与所述容器耦合的压强传感器来控制所述容器中被施加的压强。

20.根据权利要求19所述的方法，该方法还包括使用与所述容器和所述控制器耦合的温度传感器来感测所述容器内的温度。

21.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括使用与所述容器耦合的加热器来加热所述容器内的流体。

22.根据权利要求21所述的方法，该方法还包括使用所述控制器控制所述容器内的温度和压强以允许所述流体从液体变为蒸汽。

23.根据权利要求16所述的方法，其中所述传感器包括适于感测所述容器内的液体质量的改变的膜片。

24.根据权利要求16所述的方法，其中所述容器中的所述流体位于所述膜片之上。

25.根据权利要求24所述的方法，该方法还包括压强均衡器来均衡所述容器内的所述液体上的压强和所述膜片背对所述液体的一侧上的压强。

26.根据权利要求25所述的方法，所述的压强均衡器包括导管，所述导管具有位于所述容器中的所述液体之上且与所述容器进行流体传输的第一端，以及与所述膜片背对所述容器中的所述液体的一侧的附近区域进行流体传输的第二端。

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