CN111465793A - 用于质量流量控制器的被动阻尼系统 - Google Patents

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Abstract

一种质量流量控制器(100)，包括：入口(120)；流体通道，流体在所述流体通道中流过；质量流量传感器(140)，所述质量流量传感器配置成提供信号，所述信号与流过所述流体通道的所述流体的质量流量相对应；控制阀(170)，所述控制阀配置成调节从质量流量控制器(1)的出口(130)流出的所述流体的流量；以及被动阻尼系统(180)，所述被动阻尼系统(180)联接到所述控制阀(170)，并且配置成消散由控制阀组件(150)引入的流体流致振动。所述被动阻尼系统(180)包括阻尼垫(212，312)，所述阻尼垫位于阀座(230)的接收部(228A,228B)和隔膜背衬(222)之间。所述被动阻尼系统(180)还可以包括阻尼垫圈(210，310)。所述被动阻尼系统(180)还可以包括一个或多个柱塞球(208)，或一个或多个波形弹簧(300)，所述一个或多个柱塞球位于所述阻尼垫(212，312)和所述阀座(230)之间。

Description

用于质量流量控制器的被动阻尼系统
相关申请的交叉引用
本申请主张2017年10月4日提交的题为“Passive Damping System for MassFlow Controller”(用于质量流量控制器的被动阻尼系统)的第62/568,152号美国临时专利申请的优先权。出于各种目的，所述美国临时专利申请的全部内容以引用方式完全并入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及在质量流量控制器运行期间产生的非线性伪影，并且具体地涉及一种被动阻尼系统，所述被动阻尼系统用于高效地和有效地阻尼在质量流量控制器运行期间产生的非线性伪影。
背景技术
本公开的主题总体上涉及质量流量控制器系统和运行，并且更具体地涉及对质量流量控制器经受的振动的被动阻尼。
许多工业过程需要精确控制各种工艺流体。例如，在半导体工业，质量流量计(MFM)被用于精确地测量向工艺室引入的工艺流体的量。除了测量质量流量外，质量流量控制器(MFC)还被用于精确地测量和控制向工艺室引入的工艺流体的量。应当理解，如本文所使用的，术语“流体”适用于受控流动可以涉及的任何类型的气体、液体或蒸气。
单个MFC中的流量的变化可以从每分钟几立方厘米到每分钟几百升，压力条件的范围可以从低于大气压到超过100PSIA，并且气体的范围可以从氦气到相对较重的六氟化硫。这种广泛地明显不同的条件可以在MFC的阀腔中产生流体动力学，从而在宽频域(例如，400Hz至1000Hz)上引起振动。在这些频率中的一个或多个频率下，当流体流过MFC的控制阀时，所述MFC可能经受普遍的共振。一旦流动激励接近MFC系统的固有频率，由流体流动动力学引起的这种振动就被传送到整个MFC。施加到MFC的这种振动可能限制MFC的受控流量的精度。
发明内容
本公开描述了一种被动阻尼系统，所述被动阻尼系统配置成与质量流量控制器的部件界面连接，以阻尼在所述控制器的阀运作期间引入的非线性伪影。
在一方面，本公开涉及一种质量流量控制器，包括：入口，所述入口配置成接收流体；流体通道，所述流体在所述流体通道中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配置成提供信号，所述信号与流过所述流体通道的所述流体的质量流量相对应；控制阀，所述控制阀配置成调节从所述质量流量控制器的出口流出的所述流体的流量；以及被动阻尼系统，所述被动阻尼系统配置成消散由所述控制阀引入的流体流致振动。
在一些实施例中，所述质量流量控制器还包括具有接收部的阀座。在这些实施例中，所述被动阻尼系统还包括阻尼垫，所述阻尼垫位于所述阀座的接收器部和所述控制阀的隔膜背衬之间。在某些实施例中，被动阻尼系统还包括阻尼垫圈。在某些实施例中，所述被动阻尼系统还包括一个或多个柱塞球，所述一个或多个柱塞球位于所述阻尼垫和所述阀座之间。在某些实施例中，所述柱塞球是弹簧加载的。在某些实施例中，所述柱塞球由不锈钢或其他材料制成。在某些实施例中，所述被动阻尼系统还包括波形弹簧，所述波形弹簧位于所述阻尼垫和所述阀座之间。
在另一方面，本公开涉及一种质量流量控制器，包括：入口，所述入口配置成接收流体；流体通道，所述流体在所述流体通道中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配置成提供信号，所述信号与通过所述流体通道的所述流体的质量流量相对应；控制阀，所述控制阀配置成调节从所述质量流量控制器的出口流出的所述流体的流量；以及阻尼垫，所述阻尼垫位于固定体的接收器部和所述控制阀之间。在一些实施例中，阻尼垫在固定体的接收器部与控制阀的背衬板之间。此外，垫圈设置在所述阻尼垫和所述固定体之间。在某些实施例中，弹簧装置设置在所述垫圈和所述固定体之间。在某些实施例中，所述阻尼垫从所述控制阀延伸到大约所述固定体处。
在另一方面，本公开涉及一种质量流量控制器，包括：入口，所述入口配置成接收流体；流体通道，所述流体在所述流体通道中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配置成提供信号，所述信号与通过所述流体通道的所述流体的质量流量相对应；控制阀组装件，所述控制阀组装件配置成调节从所述质量流量控制器的出口流出的所述流体的流量；以及弹簧装置，所述弹簧装置位于阀座的接收器部和所述控制阀之间。在某些实施例中，所述弹簧装置在所述阀座的所述接收器部和隔膜背衬之间。在某些实施例中，弹簧装置包括一个或多个柱塞球。在某些实施例中，弹簧装置包括一个或多个波形弹簧。在某些实施例中，垫圈位于所述弹簧装置和隔膜背衬之间。在某些实施例中，阻尼垫位于所述弹簧装置和隔膜背衬之间。
在详细描述中说明了附加的实施例、优点和新颖特征。
附图说明
下面参考附图详细描述本公开的主题的说明性实施例，这些附图通过引用并入本文中，并且其中：
图1示出了根据本公开的实施例具有被动阻尼系统的质量流量控制器；
图2示出了根据本公开的实施例图1的被动阻尼系统的柱塞球实施例；
图3示出了根据本公开的实施例图1的被动阻尼系统的弹簧加载实施例；以及
图4示出了根据实施例图1的被动阻尼系统的软垫圈实施例。
具体实施方式
本公开的实施例包括一种用于提高质量流量控制器的精度的系统，所述系统通过减小在所述质量流量控制器的控制阀处流体流动力所致的振动进行。本公开的实施例及其优点最好参照附图的图1至图4来理解。本公开的实施例可以不限于任何特定类型的质量流量感测技术。它们可以包括：使用热传感器的基于热的感测方法、使用压力传感器和限流器以计算流量的基于压力的感测方法，以及科里奥利型感测方法。通过查看以下附图和详细描述，本公开的实施例的其他特征和优点对于本领域普通技术人员将会或将变得显而易见。所有此类的附加特征和优点旨在都被包含在本公开的实施例的范围内。此外，示出的附图仅仅是示例性的，并非旨在表明或暗示对于可以实现不同实施例的环境、结构、设计或过程的任何限制。
图1示出了根据公开的实施例热质量流量控制器(MFC)100的示例，但是可以包括其他类型的质量流量感测方法。质量流量控制器100包括块体110，所述块体110是平台，在其上安装MFC 100的部件。热质量流量计140和包括控制阀170的阀组装件150安装在块110上在流体入口120和流体出口130之间。热质量流量计140包括旁路142以及热流量传感器146，通常大部分流体流动通过所述旁路142，所述流体的较小部分流动通过所述热流量传感器146。用已知的流体调整旁路142，以确定在各种已知的流量下在所述质量流量传感器中流动的流体与在旁路142中流动的流体之间的适当关系，从而可以从热流量传感器输出信号确定流过所述流量计的总流量。然后，热流量传感器146和旁路142可以与控制阀170和控制电子器件160配对，并且随后在已知条件下再次进行调整。然后，对控制电子器件160和控制阀170的响应进行表征，以获知系统对设定点或输入压力的改变的整体响应，并且所述响应可以用于控制所述系统以提供期望的响应。
热流量传感器146被包含在传感器壳体102(示出的部分被移除以示出热流量传感器146)内，该传感器壳体102安装在安装板108上。热流量传感器146是小直径管，通常称为毛细管，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，围绕该传感器测量部分布置有两个电阻线圈或绕组147、148。在运行中，电流被提供到两个电阻绕组147、148，所述两个电阻绕组147、148与传感器测量部分146C热接触。在电阻绕组147、148中的电流将在测量部分146C中流动的流体加热到比流过旁路142的流体温度高的温度。电阻绕组147、148的电阻随着温度而变化。当流体流过传感器导管时，热量从上游电阻器147向下游电阻器148传递，温度差与流过所述传感器的质量流量成比例。
与流过传感器的流体流量有关的电信号是从两个电阻绕组147、148获得的。电信号可以以多种不同方式获得，例如从电阻绕组的电阻差异，或者从为了将每个绕组维持在特定温度而向每个电阻绕组提供的能量的差异量获得。例如，在共同拥有的第6,845,659号美国专利中，描述了各种方法的示例，其中可以确定与热质量流量计中的流体的流量相关联的电信号，所述美国专利通过引用并入本文中。从电阻绕组147、148获得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所述质量流量计中的质量流量相关联，从而当测量电信号时，流体流量可以被确定。通常地，所述传感器输出信号首先与传感器146中的流量相关联，然后与旁路142中的质量流量相关联，从而流过流量计的总流量可以被确定并且控制阀170可以被相应地控制。在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许多运行条件(包括：流体种类、流量、入口压力和/或出口压力、温度等)。
将原始传感器输出与流体流量相关联的过程需要调谐和/或校准质量流量控制器。例如，对质量流量传感器进行调谐可以通过使已知量的已知流体流过传感器部分并调整某些信号处理参数以提供精确地表示流体流量的响应。例如，所述输出可以被归一化，从而指定的电压范围(例如传感器输出的0V至5V)与用于传感器范围的从零到最高值的流量范围对应。输出也可以被线性化，从而使传感器输出的变化与流量的变化呈线性对应。例如，如果所述输出被线性化，则流体输出的加倍将导致电输出的加倍。传感器的动力学响应被确定，即，当流量或压力改变时存在的对压力或流量变化的不精确影响被确定，从而可以补偿这种影响。
当终端用户使用的流体的类型不同于调谐和/或校准中使用的流体的类型时，或者当终端用户使用的运行条件(例如入口和出口压力、温度、流量范围等)不同于调谐和/或校准时使用的运行条件时，则质量流量控制器的运行通常会降级。因此，可以使用其他流体(称为“替代流体”)和/或运行条件对流量计进行调谐或校准，提供令人满意的响应所必需的任何更改都存储在查找表中。授予Wang等人的第7,272,512号美国专利“Flow SensorSignal Conversion”由本发明的受让人拥有，并且通过引用并入本文中，描述了一种系统，其中使用不同气体的特性来调整响应，而不需要使用替代流体来针对所用的每种不同工艺流体校准设备。
此外，质量流量控制器100可以包括压力传感器112，通常地，压力传感器112在旁路142上游的某个点(但不限于此)处联接到流体通道，以便测量所述流体通道中的压力。压力传感器112提供指示压力的压力信号。根据本公开的实施例，压力传感器112用于在流量测量期间测量压力。
控制电子器件160根据指示期望的质量流量的设定点以及来自质量流量传感器的流量电信号(指示传感器导管中流动的流体的实际质量流量)来控制控制阀170的位置。然后，将常规的反馈控制方法(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)用于控制质量流量控制器中的流体的流量。控制信号(例如，控制阀驱动信号)是基于误差信号而产生，所述误差信号是指示流体的期望质量流量的设定点信号和反馈信号之间的差，所述反馈信号与由质量流量传感器感测的实际质量流量相关。控制阀被定位于主流体流动通道(通常地，在旁路和质量流量传感器的下游)中并且可以被控制(例如，打开或关闭)以改变流过主流体流动通道的流体的质量流量，所述控制由质量流量控制器100提供。
在所示的示例中，流量作为电压信号由电导体158供应到闭环系统控制器160。将所述信号放大、处理并使用电导体159供应到控制阀组装件150以修改所述流量。为此，控制器160将来自质量流量传感器140的信号与预定值进行比较，并且相应地调整比例阀170以实现期望的流量。
控制阀170可以是压(Piezo)阀或其他技术阀，控制阀170配置成以大于或等于每分钟两个标准升的流量运行。为了避免由在质量流量控制器100的控制阀170处振动引起的流体流动动力学造成的不精确性，被动阻尼系统180可以被实施在控制阀170处。下文参照附图2-4详细讨论被动阻尼系统180的实施例，被动阻尼系统180提供了一种机构来减小或消除由控制阀170的运行引起的流致振动传递到质量流量控制器100的其余部分。被动阻尼系统180在振动能量传递到质量流量控制器100的其余部分之前消散该振动能量。还设想了被动阻尼系统180的多种配置。例如，被动阻尼系统180可以包括：位于控制阀170周围的一个或多个弹簧加载的柱塞球，位于控制阀170周围的弹簧，和/或位于控制阀170周围的高阻尼软垫圈，以消散由流体流过质量流量控制器100而产生的振动。如本文所使用的，术语“被动”是指系统完全是机械的，没有电气控制。
图2示出了根据公开的实施例被动阻尼系统180的柱塞球实施例180A。柱塞球实施例180A包括一个或多个弹簧加载的柱塞200。弹簧加载的柱塞包括柱塞壳体202。弹簧204位于柱塞壳体202内以在方向220上对柱塞球208施加力。柱塞球208抵接垫圈210，该垫圈被定位成邻近阻尼垫212。当振动在控制阀组装件150中产生时，由弹簧204对柱塞球208施加的弹力传递到垫圈210和阻尼垫212。该弹力足以保持阻尼垫212的位置，从而控制阀组装件150中产生的振动能量通过阻尼垫212的变形而消散。当控制阀170打开(例如，当控制阀170在方向206上移动时)，由弹簧加载的柱塞200产生的弹力被控制阀170的致动器提升力抵消，而对控制阀170的致动器的提升行程的影响最小。
通常地，弹簧加载的柱塞200可以安装在质量流量控制器100的任何振动源和固定安装部件之间。例如，弹簧加载的柱塞200可以位于质量流量控制器100的隔膜背衬222和阀座230之间。隔膜226在隔膜背衬222下方并且在控制阀170上方。流体流动可以引起隔膜226和控制阀170的阀杆振动，其可以接着引起隔膜背衬222振动。在这个特定实施例中，柱塞球实施例180A安装在阀座230的接收部228A中。接收部228A可以是阀座230的铣削部。在这个特定实施例中，阻尼垫212与隔膜背衬222界面连接并且弹簧加载的柱塞200固定到阀座230。在两种情况下，垫圈210都可以位于阻尼垫212和弹簧加载的柱塞200之间。当振动能量从隔膜背衬222消散到被动阻尼系统180中时，控制阀170的总振动显著减少以避免激励整个质量流量控制器100的共振模式。
弹簧加载的柱塞200和垫圈210可以由不锈钢或其他材料制成。阻尼垫212可以由聚氨酯橡胶或其他柔顺性材料制成。柱塞球实施例180A包括一个或多个弹簧加载的柱塞200。在实施例中，柱塞球实施例180A包括三至六个或更多个弹簧加载的柱塞200。
图3示出了根据公开的实施例被动阻尼系统180的弹簧加载的实施例180B。弹簧加载的实施例180B包括一个或多个弹簧300。弹簧300可以是波形弹簧。如本文所使用的，波形弹簧是由扁线材制成的弹簧，弹簧加有波形以赋予弹簧弹振效应。所述波形弹簧也可以由其他形状(例如，圆柱形、矩形棱柱等)的线材制成。在其他实施例中，弹簧300可以是具有阻尼涂层的螺旋弹簧。所述阻尼涂层可以用作阻尼器以消散来自控制阀170的振动能量。弹簧300在方向320上对垫圈310施加力。垫圈310被定位成邻近阻尼垫312。当在控制阀170处产生振动时，由弹簧300提供的弹力将力施加到垫圈310和阻尼垫312。所述弹力足以保持阻尼垫312的位置以通过阻尼垫312的变形而消散振动能量。当控制阀170打开时(例如，当控制阀170沿方向306移动时)，由弹簧300产生的弹力被控制阀170的致动器提升力抵消，而对控制阀170的致动器的提升行程的影响最小。
通常地，弹簧300可以安装在质量流量控制器100的任何振动源和质量流量控制器100的固定安装部件之间。例如，弹簧300可以位于质量流量控制器100的隔膜背衬222和阀座230之间。在这个特定实施例中，弹簧加载的实施例180B安装在阀座230的接收部228B中。接收部228B可以是阀座230的铣削部。当控制阀170(例如，通过沿方向306移动)打开时，弹簧300可以抵接阀座230而为弹簧300提供固定框架。当振动能量从隔膜背衬222消散到被动阻尼系统180B中时，控制阀170的总振动显著减小以避免激励整个质量流量控制器100的共振模式。
弹簧300和垫圈310可以由不锈钢或其他类似材料制成。阻尼垫312可以由聚氨酯橡胶或其他柔顺性材料制成。弹簧加载的实施例180B包括一个或多个弹簧300。在所示的实施例中，弹簧加载的实施例180B包括位于控制阀170周围的单个弹簧300。
图4示出了根据实施例被动阻尼系统180的软垫圈实施例180C。软垫圈实施例180C包括软垫圈400。软垫圈400可以由聚氨酯橡胶或其他类似柔顺性材料制成。当控制阀170通过沿方向406移动而打开时，软垫圈400可以沿方向420向控制阀170上提供力。当在控制阀170处产生振动时，由软垫圈400提供的力将支撑背衬提供到控制阀170的隔膜背衬222。软垫圈400通过软垫圈400的变形而使在阀组装件150中产生的振动能量消散。当控制阀170打开时(例如，当控制阀170沿方向406移动时)，软垫圈400沿方向420产生的力被控制阀170的致动器提升力抵消，而对控制阀170的致动器的提升行程影响最小。
通常地，软垫圈400可以安装在质量流量控制器100的任何振动源与固定安装部件之间。例如，软垫圈400可以位于质量流量控制器100的隔膜背衬222和阀座230之间。在这个特定实施例中，软垫圈400安装在阀座230的接收部228C中。当控制阀170(例如，通过沿方向406移动)打开时，软垫圈400可以抵接阀座228，而为软垫圈400提供固定框架。当振动能量从隔膜背衬222消散到被动阻尼系统180中时，控制阀170的总振动显著减小以避免激励整个质量流量控制器100的共振模式。
软垫圈400可以由聚氨酯橡胶或其他柔顺性材料制成。软垫圈实施例180C包括一个或多个软垫圈400。在所示的实施例中，软垫圈实施例180B包括位于控制阀170周围的单个软垫圈400。阻尼垫圈的硬度计是基于材料在阻尼来自周围环境的振动方面的有效性，并且这对于特定的质量流量控制器应用而言可以是特定的。接收部228C可以根据特定的应用需求而具有各种宽度和深度。应当理解，本文所描述的阻尼系统的实施例180A-180C，可以位于质量流量控制器内的任何固定体或刚性体和振荡源或振动源之间。
尽管上文已经详细描述了具体实施例，但是上述描述仅仅出于说明的目的。因此，应当理解，除非另有明确说明，否则上文描述的多个方面并非意在作为必需或必要的要素。除了上述内容之外，对示例性实施例的公开方面的修改以及与所述公开方面对应的等同部件或操作，可以由受益于本公开的本领域普通技术人员实现，而不脱离在下述权利要求书中限定的实施例的精神和范围，其范围应当被给予最宽泛的解释，以涵盖此类修改和等同结构。

Claims (21)

1.一种质量流量控制器，包括：
入口，所述入口配置成接收流体；
流体通道，所述流体在所述流体通道中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配置成提供信号，所述信号与流过所述流体通道的所述流体的质量流量相对应；
控制阀，所述控制阀配置成调节从所述质量流量控制器的出口流出的所述流体的流量；以及
被动阻尼系统，所述被动阻尼系统配置成消散由所述控制阀引入的流体流致振动。
2.如权利要求1所述的质量流量控制器，还包括具有接收部的阀座。
3.如权利要求2所述的质量流量控制器，其中所述被动阻尼系统还包括阻尼垫，所述阻尼垫位于所述阀座的所述接收器部和所述控制阀的隔膜背衬之间。
4.如权利要求3所述的质量流量控制器，其中所述被动阻尼系统还包括阻尼垫圈。
5.如权利要求3所述的质量流量控制器，其中所述被动阻尼系统还包括一个或多个柱塞球，所述一个或多个柱塞球位于所述阻尼垫和所述阀座之间。
6.如权利要求5所述的质量流量控制器，其中所述一个或多个柱塞球联接到所述阀座。
7.如权利要求5所述的质量流量控制器，其中所述柱塞球是弹簧加载的。
8.如权利要求6所述的质量流量控制器，其中所述柱塞球由不锈钢或其他金属或合金制成。
9.如权利要求3所述的质量流量控制器，其中所述被动阻尼系统还包括波形弹簧，所述波形弹簧位于所述阻尼垫和所述阀座之间。
10.一种质量流量控制器，包括：
入口，所述入口配置成接收流体；
流体通道，所述流体在所述流体通道中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配置成提供信号，所述信号与流过所述流体通道的所述流体的质量流量相对应；
控制阀，所述控制阀配置成调节从所述质量流量控制器的出口流出的所述流体的流量；以及
阻尼垫，所述阻尼垫位于固定体的接收器部和所述控制阀之间。
11.如权利要求10所述的质量流量控制器，其中所述阻尼垫位于所述固定体的接收器部和所述控制阀的背衬板之间。
12.如权利要求10所述的质量流量控制器，还包括垫圈，所述垫圈位于所述阻尼垫和所述固定体之间。
13.如权利要求12所述的质量流量控制器，还包括弹簧装置，所述弹簧装置位于所述垫圈和所述固定体之间。
14.如权利要求10所述的质量流量控制器，其中所述阻尼垫从所述控制阀延伸到大约所述固定体处。
15.一种质量流量控制器，包括：
入口，所述入口配置成接收流体；
流体通道，所述流体在所述流体通道中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配置成提供信号，所述信号与流过所述流体通道的所述流体的质量流量相对应；
控制阀，所述控制阀配置成调节从所述质量流量控制器的出口流出的所述流体的流量；以及
弹簧装置，所述弹簧装置位于阀座的接收器部和所述控制阀之间。
16.如权利要求15所述的质量流量控制器，其中所述弹簧装置位于所述阀座的所述接收器部和隔膜背衬之间。
17.如权利要求15所述的质量流量控制器，其中所述弹簧装置包括一个或多个柱塞球。
18.如权利要求15所述的质量流量控制器，其中所述弹簧装置包括一个或多个波形弹簧。
19.如权利要求15所述的质量流量控制器，还包括垫圈，所述垫圈位于所述弹簧装置和隔膜背衬之间。
20.如权利要求15所述的质量流量控制器，还包括阻尼垫，所述阻尼垫位于所述弹簧装置和隔膜背衬之间。
21.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中质量流量传感器技术包括：使用热传感器的基于热的质量流量控制器，使用压力传感器和限流器以计算流量的基于压力的质量流量控制器，以及使用科里奥利管进行流量感测的基于科里奥利的质量流量控制器。
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