CN105051505B - 用于自动自调节质量流量控制器的阀基准的系统和方法 - Google Patents

Abstract

所公开的实施例包括一种用于改进质量流量控制器的方法。在一个实施例中，所述方法包括所述质量流量控制器使用至少一个处理部件执行指令以实施操作，所述操作包括：在设定点从零变化至非零的初始响应期间监测流量；判定阀响应是否匹配在容许限度内；以及响应于阀响应不匹配在容许限度内的判定而自动实施用于对所述阀响应进行校正的自调节。

Description

用于自动自调节质量流量控制器的阀基准的系统和方法

背景技术

1.发明领域

本发明总体涉及质量流量控制器(mass flow controller；MFC)的操作。

2.相关技术

许多工业过程需要对各种工艺流体进行精确控制。例如，在半导体工业中，质量流量控制器被用于精确地测量和控制被引入到工艺腔室中的工艺流体的量。术语流体在本文中用于描述能够流动的处于任何状态的任何类型的物质。例如，应当理解的是，所述术语流体可应用于包括其受控流动可受关注的物质的任何组合的液体、气体、蒸汽，以及料浆。

MFC消费者往往监测作为品质和性能度量的开启特性(例如，达到设定点所需的时间，以及过冲量)。一般地不允许过冲。

消费者想要装置与装置之间的再现性。为了确保MFC正确地工作，调谐所述MFC。调谐是一种过程，通过该过程特定MFC特性被校正，以便当每个装置受到相同输入时，每一装置可提供相同的工作。例如，当给出具体设定点时，期望所有的MFC在某一时间量(例如，300ms+/-50ms)内达到该设定点。如果MFC中的一者以150ms的时间达到设定点，而另一者以400ms的时间达到设定点，则对于消费者来说获得尽可能迅速的MFC将没有意义。

调谐MFC是一种需要专业化设置和经验丰富的操作员的困难操作。此外，操作条件的变化和MFC的物理特性的细微变化可需要昂贵的现场检修以在几个月的操作之后重新调谐装置。

因此，所公开的发明力图提供对上述问题的一个或多个方案。例如，在一个实施例中，所公开的发明包括一种MFC，该MFC配置成执行用于监测开启响应特性的算法并且自动自调节调谐参数。

附图说明

在下文参照附图详细描述了本发明的说明性实施例，所述附图以引用方式并入本文，并且其中：

图1是示意图，其示出根据所公开的实施例的质量流量控制器的部件；

图2是曲线图，其示出根据所公开的实施例的初始调谐和应力循环的示例；

图3A是流程图，其描绘根据所公开的实施例的用于自动自调节调谐参数的过程；

图3B是流程图，其描绘根据所公开的实施例的用于自动自调节调谐参数的过程的替代性实施例；以及

图4是框图，其描绘根据所公开的实施例的在质量流量控制器中执行的改进的控制算法。

具体实施方式

所公开的实施例和其优点通过参照附图中的图1-4将被最好地理解，其中相同的数字用于表示各个附图中的相同和相应的部件。对于本领域中的普通技术人员，在审查以下附图和详细描述后，所公开实施例的其他特征和优点将为或者将变得显而易见。所有此类附加特征和优点旨在被包括在所公开的实施例的范围内。此外，所示附图仅为示例性的，并且不旨在声称或者暗示对其中可实施不同实施例的环境、架构、设计或者工艺的任何限制。

图1示出根据所公开的实施例的质量流量控制器100的部件。在一个实施例中，质量流量控制器100包括机体110，所述机体110是质量流量控制器的部件安装在其上的平台。热质量流量计140和阀组件150在流体入口120和流体出口130之间安装在所述机体110上。在其他实施例中，所述热质量流量计140可直接螺栓至所述阀组件150，而未使用所述机体110。所述阀组件150包括控制阀170。在某些实施例中，所述控制阀170可为电磁阀或者压电阀中的一者。所述热质量流量计140包括旁路142和热流量传感器146，通常大部分流体流经旁路142，以及较小部分的流体流经热流量传感器146。

热流量传感器146被容纳在传感器外壳102(部分示出，部分被移除以示出传感器146)内，所述传感器外壳102安装在安装板或者基部108上。传感器146是小直径管道，一般被称为毛细管，其具有传感器入口部分146A、传感器出口部分146B和传感器测量部分146C，绕传感器测量部分146C设置有两个电阻线圈或电阻绕组147、148。在操作中，提供电流至所述两个电阻绕组147、148，所述电阻绕组147、148与所述传感器测量部分146C热接触。电阻绕组147、148中的电流将在测量部分146中流动的流体加热至一温度，所述温度高于流经旁路142的流体的温度。绕组147、148的电阻随温度变化。当流体流经传感器导管时，热量被从上游电阻器147朝向下游电阻器148运输，温差与通过所述传感器的质量流量速率成比例。

与通过传感器的流体流量相关的电信号源自所述两个电阻绕组147、148。该电信号可以以多种不同的方式取得，诸如从所述电阻绕组的电阻差取得，或者从提供至每一电阻绕组以将每一绕组维持在特定温度的能量值差取得。可确定与热质量流量计中的流体的流量速率相关的电信号的各种方式的示例在，例如，共同拥有的美国专利No.6,845,659中描述，所述美国专利以引用方式并入本文。来源于电阻绕组147、148的电信号在信号处理之后包括传感器输出信号。

所述传感器输出信号与质量流量计中的质量流量相关，使得当测量到电信号时可确定流体流量。所述传感器输出信号一般首先与传感器146中的流量相关联，所述传感器146中的流量则与旁路142中的质量流量相关联，从而可确定通过流量计的总流量以及可相应地控制控制阀170。传感器输出信号和流体流量之间的关联是复杂的，并且取决于多种操作条件，包括流体种类、流量速率、入口和/或出口压力、温度等等。

旁路142可随后安装至传感器，以及使用已知流体调谐所述旁路142以确定在质量流量传感器中流动的流体与在分流器中以各种已知流量速率流动的流体之间的适当关系，以便可根据传感器输出信号来确定通过所述流量计的总流量。在一些质量流量控制器中，未使用旁路，并且全部流量穿过所述传感器。所述质量流量传感器部分和旁路142可随后配合至所述控制阀和控制电子设备部分，以及随后在已知条件下再次调谐。所述控制电子设备和所述控制阀的响应随后表征，使得系统对于设定点或者输入压力的变化的总响应是已知的，并且所述响应可用于控制系统来提供期望的响应。

此外，所述质量流量控制器100可包括压力传感器112，所述压力传感器112在一些点处联接至流动路径以测量所述流动路径中的压力，所述点一般地位于(但不限于)旁路142的上游。压力传感器112提供指示压力的压力信号。

控制电子设备160用于根据指示期望质量流量速率的设定点以及来自所述质量流量传感器的、指示在传感器导管中流动的流体的实际质量流量速率的电流量信号，来控制所述控制阀170的位置。在某些实施例中，随后使用传统的反馈控制方法(例如，比例控制、积分控制、比例-积分(PI)控制、微分控制、比例-微分(PD)控制、积分-微分(ID)控制以及比例-积分-微分(PID)控制)来控制在所述质量流量控制器中的流体的流量。其他实施例可采用基于模型的控制器，所述基于模型的控制器不使用任何PID类型的控制。控制信号(例如，控制阀驱动信号)基于误差信号产生，所述误差信号是指示流体的期望质量流量速率的设定点信号和由质量流量传感器感测的、与实际质量流量速率相关的反馈信号之间的差。所述控制阀位于主流体流动路径(一般在旁路和质量流量传感器的下游)中，并且可被控制(例如，开启或关闭)以改变流经所述主流体流动路径的流体的质量流量速率，所述控制由质量流量控制器提供。

在所示的示例中，流量速率以电压信号的形式由电导线158提供至闭合回路系统控制器160。所述信号经放大、处理，并且使用电导线159提供至阀组件150以修改流量。为此目的，所述控制器160比较来自质量流量传感器140的信号与预定值，并且相应地调节控制阀170来实现期望的流量。

虽然图1描绘了所述质量流量控制器100包括热质量流量传感器，但根据所公开的实施例，所述质量流量控制器100还可利用其他类型的质量流量传感器，包括科里奥利式(Coriolis type)传感器或者差压式传感器。使用科里奥利式传感器的优点是所述科里奥利式传感器能够不依赖温度、流量剖面、密度、粘性和均一性来确定质量流量。此外，差压式传感器在气体控制方面变得流行。

此外，虽然上述对质量流量控制器100的描述公开了使用电压信号，但是在某些实施例中，所述质量流量控制器100可包括分布式电子设备，其中信号将是来自传感器和阀的以及发送至阀和传感器的数字指令。

图2描绘了示出初始调谐和应力循环的曲线图的示例。如在图2中所示的，调谐装置以使得出厂响应(实线)穿过水平黑线而在其之内，所述水平黑线表示容许的限度。随着时间推移，装置的响应发生变化，从而新的响应(虚线)不再落入所述限度内。目前，此情形是由消费者监测的，而消费者随后会把机组返厂或者请求派遣现场检修技师来维修所述MFC。以上任一行动皆为耗费时间的、高成本的，并且导致消费者不满。

此外，所述响应特性是特定于气体的，但是调谐一般仅在工厂中按照一种气体完成，随后如果不同的气体需要进行极大地改变调谐则在消费者处再次进行调谐。一种围绕这种随时间推移的变化而进行的当前工作是使阀在调谐后在工厂处进行大量的循环，随后验证，随后根据需要重新调谐并且再次循环。然而，这是费时的并且是非增值过程。

相应地，如上所述，所公开的发明提供一种执行算法以监测开启响应特性并且自动自调节调谐参数的MFC。

例如，图3A描绘用于自动自调节调谐参数(例如，但不限于，阀基准值)，以校正由于随着时间推移发生的变化或者替代地由于入口压力的变化而产生的MFC的阀响应的过程300A。所述阀基准值是在接收非零设定点后阀首次移动的位移量。这类似于为了避免阀开启的长时延迟而进行的第一步移动。所述阀基准值一般在调谐时被设置至最高可能值，所述最高可能值可在不发生过冲的情况下提供迅速响应。将该值设置过高将会导致阀“抢跑”并且当阀移动地太远太迅速时形成过冲。此外，所述基准参数对于入口压力和气体特性很灵敏。因此，随着时间推移，由于操作条件的变化和控制阀的物理特性的细微变化，所述调谐参数可能需要调节。

根据一个实施例，如上文所述的MFC被初始调谐，以使得出厂MFC的响应根据下式在可容许限度内：

基准＝P_工厂(式I)

其中P_工厂是在工厂确定的常数。

在步骤300处，所述过程300A通过在上电期间或者在气体变化期间初始化MFC，以从存储器重新加载相关属性。所述过程300A随后在每一设定点从零变化至非零的初始响应期间监测流量(框302)，并且测量/判定所述响应是否匹配在容许的限度内(框304)。例如，在一个实施例中，一种测量值是达到最终设定点的X％的时间(X一般是10％～20％，t₂₀)，并且另一测量值是达到最终设定点的Y％的时间(Y一般是75％-95％，t₉₅)。在某些实施例中，所公开的实施例可监测整个曲线以与标定曲线拟合，而不是仅考虑t₂₀和t₉₅。

此外，在一些实施例中，第三测量值是流量第一次超过所需设定点(ovs)时的过冲值。所述值可为最终设定点的100％至125％，但是当调谐是非常不力时，所述值可超过最终设定点的200％。

如果所述响应匹配在容许的限度内，则所述过程返回至步骤302。然而，如果所述响应不匹配在容许的限度内，那么所述过程自动地实施自调节以校正所述响应(框306)。例如，在一个实施例中，所述过程可配置用于执行指令以通过调整控制回路的P、I和D参数来校正所述响应。

替代地，所述过程可配置用于执行指令以通过调节基准参数(诸如，但不限于，调节基准校正值)来校正所述响应。例如，如图2所示，所述响应特性可随着时间的推移慢慢进展到响应曲线不落入容许限度内的程度。在一个实施例中，所述算法(例如，基于以下公式)根据入口压力校正此退化调整：

Ped_已校正＝基准*(1+P_校正因子)(式2)

基准＝Pr_实际*(Ped_高-Ped_低)/(Pr_高-Pr_低)+Pr0(式3)

或者

基准＝Pr0+Pr1*Pr_实际+Pr2*Pr_实际 ²+......+Prn*Pr_实际 ⁿ(式4)

其中Pr0......Prn是在调谐过程中确定的常数；

Pr_实际是由压力传感器112测量的压力；

Ped_高、Ped_低是在工厂调谐过程中分别在高压和低压处获得的基准值；以及

P_校正因子在每次设定点变化后被迭代调节。如果响应超出而在过快侧，那么校正因子以小量递减。如果所述响应超出而在过慢侧，那么校正因子以小量递增。所述校正因子可为正数或负数。校正量可为可调节的。因为目标是在每一步骤处进行调节，所以校正量一般非常小但是随着时间推移累加，以避免引入对所述过程的任何突然改变。容许的校正总量可为可调整的。可基于一些校正阈值实施警报。

可以在框306中使用各自的校正量、限度和阈值而对P、I、D参数实施类似的校正。

在某一时间量或者某一校正水平之后，可将所有校正因子保存在快闪存储器中，以便在电力循环/重启之后所述装置从上次保存的值开始继续校正，而不是从0开始校正。另外，所有校正因子可以保存为取决于气体的值，以便如果消费者周期性地改变气体来满足他们的工艺需求，对于每一气体的校正与对于另一气体的校正是独立的。

图3B描绘用于自动自调节调谐参数的替代性实施例(过程300B)。与图3A相反，在此实施例中，在上电时或改变气体之后初始化MFC以从存储器重新加载相关属性(步骤300)之后，所述过程读取入口压力并且基于入口压力校正基准(步骤301)。所述过程随后监测MFC响应(步骤302)，并且如上文所述的如果响应不在可接受限度内(步骤304)，则进一步调节调谐参数，诸如基准(步骤306)。

图4描绘根据所公开的实施例的在MFC中执行的改进控制算法。所述实心黑线表示MFC的现有控制算法。例如，在现有控制算法中，PID控制器404接收流量设定点402，并且基于存储在存储器(例如，随机存取存储器(RAM)或者电可擦可编程只读存储器(EEPROM))中的调谐参数，所述PID控制器404调节控制阀406。随后使用流量传感器408测量流体流量。所述流量测量被转发至所述PID控制器404，如果必要的话所述PID控制器404重新调节控制阀以控制流体流量。

根据所公开的实施例，图4中的虚线指示对现有控制算法的改进。基于流量测量，所述改进的控制算法在框412处执行如上文所述的调谐调节算法，其中压力、温度、气体类型或者其他参数414被用来更新调谐参数410以自动调节阀基准。在某些实施例中，可在新算法中针对以下方面设置限度：在某一时期中容许的变化量、容许的总变化量、如何报告已经进行的变化量、如何报告各种误差等等。

因此，所公开的发明提供了各种实施例以提供配置用于自动自调节调谐参数的质量流量控制器。虽然已经描述了关于上述实施例的具体细节，但是上述描述仅旨在作为示例性实施例并且并非旨在限制所公开的实施例的结构或者实施方式。

本领域的技术人员将认识到，本教导可经受各种修改和/或改进。虽然上文已经描述了被视为最佳的模式和/或其他示例，但是应理解的是，可对其做出各种修改，并且本文所公开的主题可以各种形式和示例实施，以及所述教导可应用于多种应用，尽管仅在此描述了所述多种应用中的一些。此类修改旨在包含于本教导的实质范围内。

本文使用的术语仅为用于描述具体实施例，而并非旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式的“一个(a/an)”和“该(the)”旨在同样包括复数形式，除非上下文中以其他方式清楚地指明。还将理解的是，当在说明书和/或权利要求书中使用术语“包括(comprise和/或comprising)”时，其表示存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或对以上的增加。在以下权利要求书中的相应结构、材料、动作，以及所有装置或步骤以及功能元件的等效物旨在包括用于与如所具体要求的其他要求的元件联合来执行功能的任何结构、材料、或者动作。已经出于图示和描述的目的提供了对本发明的描述，但是所述描述并非旨在为全部的，或者旨在将本发明限于所公开的形式。对于本领域普通技术人员来说，在不背离本发明的范围和实质的前提下，对所述实施例的许多修改和变化将为显而易见的。所述实施例是被选择和被描述以用来解释本发明和实际应用的原理，以及使得其他本领域普通技术人员能够理解本发明，从而针对设想的特定用途而作出对多个实施例的各种修改。所述权利要求书的范围旨在广泛地涵盖所公开的实施例以及任何此类修改。

Claims (20)

1.一种用于改进质量流量控制器的方法，所述方法包括所述质量流量控制器使用处理器执行指令以实施操作，所述操作包括：

从质量流量传感器接收对应于流体的质量流量的信号；

在流量的设定点从零变化至非零的初始响应期间监测所述流量；

判定控制阀的阀响应是否匹配在容许限度内；

响应于所述阀响应不匹配在所述容许限度内的判定，重复地实施用于对所述阀响应进行校正的自调节；以及

基于所述自调节来控制所述控制阀；

其中判定所述阀响应是否匹配在所述容许限度内包括：

确定用于达到最终设定点的第一百分比的第一测量值；

确定用于达到所述最终设定点的第二百分比的第二测量值；

其中所述第一测量值和所述第二测量值是从启动设定点达到所述最终设定点的所述第一百分比和所述第二百分比的时间量。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述用于对所述阀响应进行校正的自调节包括调节控制回路的比例、积分以及微分(PID)参数。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述用于对所述阀响应进行校正的自调节包括调节基准参数以对随时间推移发生的变化进行校正。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述用于对所述阀响应进行校正的自调节包括根据入口压力调节阀基准值。

5.如权利要求4所述的方法，其中根据入口压力调节所述阀基准值以如下公式确定：

基准＝Pr_实际*(Ped_高-Ped_低)/(Pr_高-Pr_低)+Pr0，其中，Pr_实际是测得的压力，Ped_高、Ped_低是在工厂调谐过程期间分别在高压和低压处获得的基准值，以及Pr0是在所述工厂调谐过程结束时确定的常数。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述最终设定点的所述第一百分比在10％至20％之间，所述最终设定点的所述第二百分比在75％至95％之间。

7.如权利要求1所述的方法，其中判定所述阀响应是否匹配在所述容许限度内还包括：

确定在所述流量第一次超出所述最终设定点时发生的过冲的第三测量值。

8.如权利要求3所述的方法，其中调节基准参数是以如下公式实施的：

Ped_已校正＝基准*(1+P_校正因子)，

其中，基准＝Pr_实际*(Ped_高-Ped_低)/(Pr_高-Pr_低)+Pr0，其中，Pr_实际是测得的压力，Ped_高、Ped_低是在工厂调谐过程期间分别在高压和低压处获得的基准值，以及Pr0是在所述工厂调谐过程结束时确定的常数，以及

其中，P_校正因子在所述设定点变化后被迭代调节，其中如果所述阀响应过快，所述P_校正因子以小量递减，并且如果所述阀响应过慢，所述P_校正因子以小量递增。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述基准参数保存在存储器中。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述质量流量控制器进一步配置成使用所述处理器执行指令，以在电力循环之后基于保存在存储器中的所述基准参数继续实施校正。

11.一种质量流量控制器，所述质量流量控制器包括：

入口，所述入口用于接收流体；

流动路径，在所述流动路径中所述流体通过所述质量流量控制器；

质量流量传感器，所述质量流量传感器用于提供对应于通过所述流动路径的所述流体的质量流量的信号；

阀，所述阀用于调节流出所述质量流量控制器的出口的所述流体的流量；以及

至少一个处理部件，所述至少一个处理部件配置成执行指令以实施操作，所述操作包括：

从所述质量流量传感器接收对应于质量流量的所述信号；

在设定点从零变化至非零的初始响应期间监测流量；

判定阀响应是否匹配在容许限度内；

响应于所述阀响应不匹配在所述容许限度内的判定而重复地实施用于对所述阀响应进行校正的自调节；以及

基于所述自调节控制所述阀；

其中判定所述阀响应是否匹配在所述容许限度内包括：

确定用于达到最终设定点的第一百分比的第一测量值；以及

确定用于达到所述最终设定点的第二百分比的第二测量值；

其中所述第一测量值和所述第二测量值是从大致为零达到所述最终设定点的所述第一百分比和所述第二百分比的时间量。

12.如权利要求11所述的质量流量控制器，其中所述用于对所述阀响应进行校正的自调节包括调节控制回路的比例、积分以及微分(PID)参数。

13.如权利要求11所述的质量流量控制器，其中所述用于对所述阀响应进行校正的自调节包括调节基准参数以对随时间推移发生的变化进行校正。

14.如权利要求11所述的质量流量控制器，其中所述用于对所述阀响应进行校正的自调节包括根据入口压力调节阀基准值。

15.如权利要求14所述的质量流量控制器，其中根据入口压力调节所述阀基准值是以如下公式确定的：

基准＝Pr_实际*(Ped_高-Ped_低)/(Pr_高-Pr_低)+Pr0，其中，Pr_实际是测得的压力，Ped_高、Ped_低是在工厂调谐过程期间分别在高压和低压处获得的基准值，以及Pr0是在所述工厂调谐过程结束时确定的常数。

16.如权利要求11所述的质量流量控制器，其中所述最终设定点的所述第一百分比在10％至20％之间，所述最终设定点的所述第二百分比在75％至95％之间。

17.如权利要求11所述的质量流量控制器，其中判定所述阀响应是否匹配在所述容许限度内还包括：

确定在所述流量第一次超出所述最终设定点时发生的过冲的第三测量值。

18.如权利要求13所述的质量流量控制器，其中调节基准参数是以如下公式实施的：

Ped_校正＝基准*(1+P_校正因子)，

其中，基准＝Pr_实际*(Ped_高-Ped_低)/(Pr_高-Pr_低)+Pr0，其中，Pr_实际是测得的压力，Ped_高、Ped_低是在工厂调谐过程期间分别在高压和低压处获得的基准值，以及Pr0是在所述工厂调谐过程结束时确定的常数，以及

其中，P_校正因子在所述设定点变化后被迭代调节，其中如果所述阀响应过快，那么所述P_校正因子以小量递减，并且如果所述阀响应过慢，那么所述P_校正因子以小量递增。

19.如权利要求18所述的质量流量控制器，其中所述基准参数保存在存储器中。

20.一种用于改进质量流量控制器的方法，所述方法包括所述质量流量控制器使用处理器执行指令，以实施操作，所述操作包括：

根据入口压力调节基准值；

在流量的设定点从零变化至非零的初始响应期间监测所述流量；

判定控制阀的阀响应是否匹配在容许限度内；

响应于所述阀响应不匹配在所述容许限度内的判定，重复地实施用于对所述阀响应进行校正的自调节；以及

基于所述自调节控制所述控制阀；

其中判定所述阀响应是否匹配在所述容许限度内包括：

确定用于达到最终设定点的第一百分比的第一测量值；以及

确定用于达到所述最终设定点的第二百分比的第二测量值；

其中所述第一测量值和所述第二测量值是从零达到所述最终设定点的所述第一百分比和所述第二百分比的时间量。

Images