CN107003682A - 流量计的无线限流器 - Google Patents

Abstract

公开的实施例包括一种无线限制器，其可以被用作流量计或质量流量控制器中的层流元件。无线限制器的实施例包括单一加工部件，所述单一加工部件具有锥形限制器并且可挤压定位突起两者。

Description

流量计的无线限流器

背景技术

基于热力或压力的质量流量计通常利用流路中的限制结构(有时称之为“旁路”)提供压力差，以将流体转向到次级流量传感器路径(热力型)或允许压力换能器测量流量比压力差(基于压力)。质量流量计是质量流量控制器(MFC)的不可缺少的子系统。MFC将来自质量流量计的流量测量值作为对控制系统的反馈，所述控制系统控制质量流量控制器中的流量调节阀。

基于压力的MFC要求流路中有限制器以产生压力差(限制器上游压力比限制器下游压力大)。压力传感器然后用于测量上游和下游的压力或直接测量压力差。合适的控制算法可以接着控制阀门以调节质量流量使其处于期望设定点的可接受的限度之内。成功控制的一个关键因素是设计一种节约成本、无污染的限制器，该限制器具有此类MFC要求的层流特性。通常这要求构建一种限制器，该限制器具有非常小的流动面积(d)和相对其流动面积很长的流动路径(L)(即，大的L/d比)以及非常光滑的流动路径，以便不至引入湍流效应。限流器的使用也适用于基于热力的质量流量控制器。

发明内容

公开的实施例包括一种无线限流器，其包括细长锥形柱体，所述细长锥形柱体具有第一端和第二端，其中所述第一端具有比所述第二端更大的直径。所述无线限流器还包括位于所述细长锥形柱体的所述第一端上的第一组突起和位于所述细长锥形柱体的所述第二端上的第二组突起，其中所述第一组突起、所述第二组突起和所述细长锥形柱体被加工为单一部件。

公开的另一个实施例包括一种质量流量控制器。在一个实施例中，所述质量流量控制器包括用作层流元件的无线限制器。所述质量流量控制器还包括：至少一个压力传感元件，其被配置成确定流体流在所述层流元件的上游压力和下游压力之间的压差；处理元件，其配置为使用至少所述压差、已知的流体特性以及所述层流元件的特性来确定质量流率；以及比例控制阀，其被配置成响应于阀门驱动信号来控制流经所述层流元件的流体流。在某些实施例中，已知的流体特性包括所述上游压力。

公开的另一个实施例包括一种质量流量计。在一个实施例中，所述质量流量计包括用作层流元件的无线限制器。所述质量流量计还包括至少一个压力传感元件，其用于确定流体流在所述层流元件的上游压力和下游压力之间的压差；以及处理元件，其配置为使用至少所述压差、已知的流体特性以及所述层流元件的特性来确定质量流率。

上述发明内容仅仅提供了本文公开的具体实施例的示例，并不面面俱到或限制权利要求的范围。所公开实施例的其他实施例和优点将在具体实施例部分进一步描述。

附图说明

下面结合附图详细描述了本发明的解说性实施例，这些附图通过引用并入本文中，在附图中：

图1示出了有线限制器，其用于准确定位限制器，以产生具有非常小的流动面积(d)和相对其流动面积很长的流动路径(L)的层流元件；

图2、2A和2B示出了根据所公开的实施例的无线限制器，其用于产生具有非常小的流动面积(d)和相对其流动面积很长的流动路径(L)的层流元件；

图3示出了根据公开的实施例的安装在匹配的锥形孔内的无线限制器，其用于建立环形间隙；

图4示出了质量流量控制器100中的热质量流量计140的一个例子，其中可引入所述无线限制器的实施例；

图5A和5B示出了基于压力的质量流量控制器的例子，所公开的无线限制器的实施例可纳入到其中；

图6示出了本公开的利用无线限制器描绘压差(dP)相对于流率的例子的图表。

所示附图仅是举例，并不旨在主张或暗示可实现不同实施例的环境、架构、设计或工艺方面的任何限制。

具体实施方式

生产具有适当L/d比的高度层流元件的方法有很多种，其中之一是将锥形限制器定位于锥形孔内，从而在所述限制器周围产生狭窄的环形流动路径。例如，图1示出了使用具有极小直径的丝113精确定位限制器103的方法，所述丝113轴向设置在所述限制器的外部，然后焊接到所述限制器的端部。所述丝113用于确保所述环形间隙中的间隔均匀。所述限制器103和丝组件110被按压进具有相同锥角的孔内，同时监测沿所述限制器的dP，直到指示出正确的值。所述按压操作需要足够大的力来局部地挤压所述丝，同时建立正确的位置以及正确的环形流动面积。此挤压提供了一种保持力，以使所述限制器保持在最终位置。

有关上述有线限制器，发明人认识到几个问题和限制，包括：

1)极细丝必须经过处理，直径约为0.009,小至0.002。

2)实践中，丝处理限制了所述丝可使用的尺寸，这也限制了所述环形流动间隙的尺寸下限(所述限制器和所述孔之间的径向空间)。

3)所述丝必须被定向、拉紧并焊接到位。这需要手工作业、特殊加工、及焊后钝化和对精细组件的清洗，具有损坏丝和/或焊缝的风险。

4)经过处理，所述丝可能不平行于流动路径，从而产生会聚或发散的流动路径。

5)焊缝通常被视为污染和金属腐蚀起始之源，特别是对于的这类产品的半导体工业应用。

为了克服一个或多个上述问题，在此公开的本发明实施例包括无线限制器(即，不使用所述丝113)，用于产生具有非常小的流动面积(d)和相对其流动面积很长的流动路径(L)的层流元件。例如，图2、图2A和2B示出了单一加工件200，其包括所述锥形限制器210和可挤压定位突起220构成的特征。所述单一加工件200可由具有足够延展性的任何流体相容材料制成。类似于所述有线限制器，按压所述突起将所述锥形限制器居中于所述孔内，同时提供保持力使所述无线限流器保持在其最终位置。所述锥形限制器210包括所述限制器一端的大直径202和所述限制器另一端的小直径204(相对于大直径而言)。

在所示实施例中，所述限制器210的每一端设有三个突起220，也可以是任意数量的突起，只要突起能使所述限流器210恰当地居中在锥形孔内。在一些实施例中，所述限制器210的较宽端的突起220的数量可以不同于所述限制器210的较小端的突起数量。

根据公开的实施例，突起的大小没有最小或最大限制，因此，所述环形流动间隙(所述限制器和所述孔之间的径向空间)的尺寸没有下限或上限。例如，对于高达每分钟多个标准升氮的流量而言，典型地，环形间隙在<.001至>.006英寸范围内。超过所需间隙的叶高度取决于几个因素，包括材料、材料状态和所期望的可调节范围。典型而非限制性的叶高度值为.0005到.003英寸。此外，在一些实施例中，所述突起的尺寸多样化或在所述限制器210的较宽端的突起的尺寸不同于在所述限制器210的较小端的突起的尺寸。

所述端部上所示的平坦部可以是任意形状中的一种，其可用于从最初加工到所述限制器210内的圆形形状提供所述突起。例如，取代图示直三角形边，在一些实施例中所述三角形边可以是弯曲的。或者，在一些实施例中，取代三角形形状，所述端部和突起可以是圆形，例如但不限于在一侧上具有凸起或直边的半圆，用于向所述环形间隙提供开口。其他形状可包括圆锥形、八边形或五边形。此外，在一些实施例中，所述限制器210两端部，所述突起的形状或设计可以不同。

因为所述突起直接在所述限制器210内被加工，因此所公开的实施例的优点包括：

1)无需处理小尺寸丝。

2)所述环形流动间隙的大小没有限制。

3)无需特殊加工。例如，所述部件可以利用现场加工直接在瑞士式螺杆机上制作。

4)无需焊接，从而消除污染和金属腐蚀诱发的源头。

5)能够生成具有均匀的环形间隙(d)的直流动路径。

6)最终的鲁棒件直接从加工工具下来，并且容易对其进行机械加工后的钝化和清洗处理。

图3示出了根据已公开的实施例的安装在匹配的锥形孔320中以建立窄的环形流动间隙330的所述无线限制器210。如图所示，所述无线限制器210具有长气体流动长度340(L)，并形成相对于所述气体流动长度340非常小的环形流动间隙330(d)(即，大的L/d比)。如图所示，所述环形流动间隙330非常光滑，从而不向流体中引入湍流效应。

图4举例示出了质量流量控制器100中的热质量流量计14，所述无线限制器的实施例可纳入其中。所述质量流量控制器100包括块110，其是一种可在其上安装MFC部件的平台。热质量流量计140和包含阀170的阀组件150安装在位于流体入口120和流体出口130之间的所述块110上。

所述热质量流量计140包括通常大部分流体流经的旁路142以及少部分流体流经的热流量传感器146。所述旁路142针对已知流体调节，以确定以各种已知的流速在所述质量流量传感器中流动的流体和在所述旁路142中流动的流体之间的适当关系，这样通过所述流量计的总流量可从传感器输出信号确定。根据公开的实施例，利用本文所公开的所述无线限制器的实施例，可在所述质量流量控制器100内形成所述旁路142。

在已知条件下，所述质量流量传感器部和旁路142可与所述控制阀170和控制电子装置160匹配，然后再次调节。所述控制电子设备160包括至少一个处理元件，例如但不限于处理器。所述控制电子装置160和所述控制阀170的响应然后被表征，使得所述系统对设定点或输入压力的变化的整体响应是已知的，并且可利用该响应来控制该系统以提供期望的响应。

热式流量传感器146包含在传感器壳体102(移除示出的部分以展示传感器146)内，所述传感器壳体102被安装在安装板或基座108上。传感器146是一个小直径管，通常被称为毛细管，包含传感器入口部146A、传感器出口部146B、和传感器测量部146C，两个电阻性线圈或绕组147、148设置在传感器测量部146C周围。在操作中，向所述两个电阻性绕组147、148提供电流，所述两个电阻性绕组147、148与所述传感器测量部146C热接触。所述电阻性绕组147、148中的电流将在测量30部146中流动的流体加热至其温度高于流过所述旁路142的流体的温度。绕组147和148的电阻随温度变化而变化。当流体流过传感器导管，热量从上游电阻147向下游电阻148传递，温度差与通过所述传感器的质量流率成比例。

从所述两个电阻性绕组147、148得到与流经所述传感器的流体相关的电信号。所述电信号可以通过多种不同的方式得到，例如从所述电阻性绕组的电阻差或从提供给每个电阻性绕组使其保持特定在温度的能量的差得到。例如，在共同拥有的美国专利6845659中描述了各种方式的例子，其能够确定与热质量流量计中的流体流率相关的电信号，上述专利通过引用引入本申请。经过信号处理从所述电阻性绕组147、148得到的所述电信号包括传感器输出信号。

所述传感器输出信号与所述质量流量计中的质量流相关，从而可在测量所述电信号时确定所述流体流量。所述传感器输出信号通常首先与传感器146的流量相关联，然后传感器146的流量与所述旁路142中的所述质量流关联，从而确定通过所述流量计的总流量并相应地控制所述控制阀170。所述传感器输出信号和所述流体流之间的相关性是复杂的，取决于多种操作条件，包括流体种类、流率、入口和/或出口压力、温度等。

原始传感器输出与流体流量相关联的过程需要调节和/或校准所述质量流量控制器，这是一个高成本、劳动密集的过程，通常需要一个或多个熟练的操作人员和专用设备。例如，可通过使已知数量的已知流体流经所述传感器部以及调节某些信号处理参数以提供准确地表示流体流量的响应，从而来调节所述质量流量传感器。例如，所述输出可以被归一化，从而使所述传感器输出的规定的电压范围，例如0V至5V，对应于所述传感器从零值到最高值的流率范围。所述输出可以被线性化，从而使所述传感器输出中的变化线性地对应于流率的变化。例如，如果输出被线性化，使所述流体输出翻倍会导致所述电输出翻倍。当确定流量或压力变化后，可以确定所述传感器的动态响应，即所出现的对压力或流率变化的不准确影响，这样，这种影响可以得到补偿。

当最终用户使用的流体类型与调节和/或校准中使用的类型不同时，或者当最终用户利用的操作条件，例如入口和出口的压力、温度、流率范围等，不同于调节和/或校准中利用的条件时，所述质量流量控制器的操作通常会降级。出于这个原因，所述流量计可利用附加流体(被称为“替代流体”)和/或改变了的操作条件来调节或校准，所述改变了的操作条件用于提供存储在查找表中的令人满意的响应。本文引用了Wang等人的美国专利7272512“流量传感器信号转换(Flow Sensor Signal Convers ion)”，该专利属于本发明的受让人，描述了一种利用不同气体的特性来调整响应的系统，该系统不要求针对每个不同的工艺流体使用替代流体来校准装置。

使用公开的无线限制器的实施例的一个优点在于，它大大地简化了预测除校准气体外的工艺气体的性能的过程，由此允许提高工艺气体的准确性。所述无线限制器的一个主要优点是能够定位所述锥形圆柱从而保持非常均匀的小环形间隙。这使得多气体质量流控制器或多气体质量流仪表模型成为可能，并改进了工艺气体性能的预测。

此外，所述质量流量控制器100可以包括在某个点耦合至流动路径的压力换能器112，通常在但不限于所述旁路142的上游，以测量所述流动路径中的压力。压力换能器112提供压力信号来指示压力。根据公开的实施例，所述压力换能器112用于在衰减率测量中测量压力。在一些实施例中，所述压力换能器112可以是具有上游压力传感器的压差换能器从而得到气体密度。

根据指示期望质量流率的设定点和来自所述质量流量传感器的指示所述传感器导管中流动的流体的实际质量流率的电流信号，控制电子设备160控制所述控制阀170的位置。然后使用传统反馈控制方法，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、和比例-积分-微分(PID)控制，来控制所述质量流量控制器中流体的流量。基于误差信号生成控制信号(例如，控制阀驱动信号)，误差信号即指示所述流体的所述期望质量流率的设定点信号与所述质量流量传感器感测到的所述实际质量流率相关的反馈信号之间的差值。该控制阀设置在主流体流动路径(通常位于所述旁路和质量流量传感器的下游)，并且可以被控制(例如，打开或关闭)，用于改变流经所述主流体流动路径的流体的质量流率，所述控制由所述质量流量控制器执行。

在图示的例子中，电导体158将流率作为电压信号提供给闭环系统控制器160。信号被放大、处理并提供给所述控制阀组件150以改变所述流量。为此，所述控制器160将来自所述质量流量传感器140的信号与预定值相比较并相应地调节所述比例阀170来取得所需的流量。

图5A和5B举例示出了基于压力的质量流量控制器500A和500B，所公开的无线限制器的实施例可纳入于其中。

在所描述的实施例中，基于压力的质量流量控制器500A包括，除其他项目外，电力供给器连接器502、显示器接口504、通信接口506(例如，RS485通信接口连接器)、控制电子设备508(例如，CPU)、流体通道512、一个或多个温度传感器514和压力传感器520、流量控制阀组件522和层流限制器510。所述层流限制器510被配置成确保小流量通道内的分层流动，所述流体内的剪切力形成压力降。根据公开的实施例，所述质量流量控制器500A将本文所公开的所述无线限制器的实施例用作所述层流限制器510。

类似于基于压力的质量流量控制器500A，基于压力的质量流量控制器500B包括流量控制阀530、第一压力换能器532和第二压力换能器534。如图表所示，所述第一压力换能器532被配置成测量所述层流限制器510的上游压力，且所述第二压力换能器534被配置成测量所述层流限制器510的下游压力。

基于压力的质量流量控制器500A和500B的操作原理是：流体流率的变化导致所述层流限制器510上游和/或下游的流体压力的变化，所述流体流率可从所述层流限制器510中计算出。例如，如图5A描述，基于压力的质量流量控制器500A利用第一压力传感器520测量所述层流限制器510上游的所述流体通道512中的流体压力，并利用第二压力传感器520测量所述层流限制器510下游的所述流体通道512中的流体压力。基于所述层流限制器510上游的所述压力测量和所述层流限制器510下游的压力测量之间的压力变化，所述基于压力的质量流量控制器500A被配置成计算所述质量流率，并利用所述控制电子设备508和所述流量控制阀组件522控制流量。

虽然上图描述了质量流量控制器中所述公开实施例的使用情况，为了严格确定流率，所述公开实施例可仅用于质量流量计。例如，本领域技术人员会认识到，可通过去除比例入口阀和任何不必要的控制电子设备来改变图5B所示的基于压力的质量流量控制器，从而形成质量流量计。

图6所示图表描绘了使用本文公开的无线限制器的压差(dP)相对于流率的例子。在描绘的示例中，调节比为50：1的关小流量计与10scmm无线限制器一同使用。所述关小调节比表示流量计能够以可接受的准确度进行测量的流量范围。SCCM表示每分钟标准立方厘米，是指示标准温度和压力下的cc/cm的流量测量项。

本发明的描述用于阐释和说明，并非面面俱到或限制本发明的范围。

在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对本领域普通技术人员而言是显而易见的。被选择和描述的实施例用于解释本发明的原理和实际应用，并使其他本领域技术人员理解本发明经过各种修改后的各种实施例，使得本发明适用于所设想的特定用途。在权利要求的范围旨在广泛涵盖公开的实施例和任何这样的修改。

本文所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也包括复数形式，除非上下文另有说明。需要进一步理解术语“包括”当在本说明书和/或权利要求中使用时，指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其构成的组。对应结构、材料、动作和所有手段的等同物或以下权利要求中的步骤加功能元件旨在包括用于结合其他特别要求保护的元件来执行所述功能的任何结构、材料或动作。

Claims (12)

1.一种无线限流器，包括：

细长锥形柱体，其具有第一端和第二端，其中所述第一端具有比所述第二端更大的直径；

第一组突起，其位于所述细长锥形柱体的所述第一端；以及

第二组突起，其位于所述细长锥形柱体的所述第二端；

其中所述第一组突起、所述第二组突起和所述细长锥形柱体被加工为单一部件。

2.如权利要求1所述的无线限流器，其中所述第一组突起和第二组突起含有相同数目的突起。

3.如权利要求1所述的无线限流器，其中所述第一组突起和第二组突起被配置成使所述无线限流器恰当地居中在锥形孔内。

4.如权利要求3所述的无线限流器，其中所述第一组突起和第二组突起包括至少三个突起。

5.如权利要求3所述的无线限流器，其中所述第一组突起从所述细长锥形柱体的所述第一端突出指定距离，且所述第二组突起从所述细长锥形柱体的所述第二端突出指定距离。

6.如权利要求3所述的无线限流器，其中所述第一组突起和第二组突起可挤压进匹配的锥形孔，其中挤压所述突起提供保持力以使所述无线限流器保持在其最终位置。

7.如权利要求6所述的无线限流器，其中所述无线限流器在所述无线限流器和所述匹配的锥形孔之间形成环形流动间隙。

8.如权利要求7所述的无线限流器，其中所述无线限流器位于质量流量控制器的流动路径内。

9.如权利要求8所述的无线限流器，其中所述质量流量控制器包括用于测量所述无线限流器上游压力的第一压力换能器和用于测量所述无线限流器下游压力的第二压力换能器。

10.一种质量流量控制器，包括：

层流元件，其中所述层流元件是无线限制器；

至少一个压力传感元件，用于确定流体流在所述层流元件的上游压力和下游压力之间的压差；

处理元件，配置为使用至少所述压差、已知的流体特性以及层流元件的特性来确定质量流率；及

比例控制阀，其用于响应于阀门驱动信号来控制流经所述层流元件的流体流。

11.如权利要求10所述的质量流量控制器，还包括：

温度感测元件，其被配置成提供所述层流元件中的流体的温度，且其中所述处理元件被配置为使用所述流体的所述温度以确定所述质量流率。

12.一种质量流量计，包括：

层流元件，其中所述层流元件是无线限制器；

至少一个压力传感元件，其用于确定流体流在所述层流元件的上游压力和下游压力之间的压差；

处理元件，其配置为使用至少所述压差、已知的流体特性以及所述层流元件的特性来确定质量流率。