CN111854867A - 流体感测装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种流体感测装置(120)，该流体感测装置包括：流体流动通道(121)；至少一个流体导管(132，134)，该至少一个流体导管与该流体流动通道(121)处于流体连通；以及流体传感器(130)，该流体传感器具有外壳(131)和至少一个传感器端口(135，136)，该至少一个传感器端口与该至少一个流体导管(132，134)处于流体连通并且提供进入该外壳(137)的通路。该流体感测装置(120)还包括压力补偿室(142)，该流体传感器(130)的外壳(137)被围在该压力补偿室中。该装置进一步包括至少一个压力补偿导管(144)，该至少一个压力补偿导管与该压力补偿室(142)和该流体流动通道(121)处于流体连通。还提供了一种包括这种流体感测装置的质量流量控制器(100)。

Description

流体感测装置

技术领域

本发明涉及一种流体感测装置，特别是涉及一种用于与流体控制阀一起比如在质量流量控制器或质量流量计中使用的流体感测装置。

背景技术

流体控制阀用于各种各样的控制流体的流量的应用中。受控的流体可以包括气体、液体、或其组合。在一些情况下，流体还可以包括悬浮颗粒。虽然流体控制阀在用于打开和关闭穿过阀的流体连通路径的特定配置上差异很大，但是一种特定类型的阀致动是使用螺线管来执行的。在螺线管致动的阀中，电流穿过电磁线圈，其中线圈典型地围绕磁芯形成。线圈通常包括导线，该导线绕线轴多次缠绕，从而产生多个所谓的匝。通电的螺线管产生磁场。磁场的强度与匝数以及提供给导线的电流成比例。如本领域众所周知的，为了增强螺线管所提供的磁场，可以增加匝数和/或可以增大提供给导线的电流。磁场典型地在连接至柱塞的可移动电枢上操作以改变由阀座和柱塞的密封部分产生的限流件，该柱塞被配置为接合围绕流体可以穿过的入口和/或出口的阀座。可以使用其他类型的致动，比如压电致动。

质量流量控制器(“MFC”)广泛用于测量和控制流体的流量。典型的MFC包括流体感测装置、流体控制阀、以及用于控制该流体控制阀的控制器。流体感测装置通常包括在入口与出口之间延伸的流动通道、以及与该流动通道连通的流体传感器。在MFC操作期间，控制器基于流体传感器的传感器信号来确定穿过流动通道的流量并且相应地操作控制阀，以维持期望的流量。存在两种主要类型的MFC：基于热和基于压力。

基于压力的MFC典型地沿流动通道使用限流件，比如喷嘴或孔口，以产生可以根据其来确定流量的压降。在这种MFC中，流量可以通过物理测量由压力差产生的旁路流量来确定，或者可以通过基于以下原理数学计算流量来确定：流体穿过限流件的流量是限流件上的压降的函数。可以通过感测限流装置上游的流体压力p1和限流装置下游的流体压力p2来计算压降并确定流量。在这个或其他应用中，流体传感器可以是具有外壳和两个或更多个端口的简单封装件，流体可以穿过这些端口进入和离开外壳，由此可以通过测量穿过传感器外壳的流量来确定沿流动通道的流量。替代性地，流体感测装置可以具有单个流体导管，流体通过该单个流体导管穿过单个传感器端口进入流体传感器的外壳，由此可以通过测量进入流体传感器外壳的流体的压力来确定沿流动通道的流量。

在以上每种类型的流体感测装置中，流体沿至少一个流体导管从流动通道穿过并进入流体传感器外壳中。这意味着一旦流体已经进入传感器外壳，传感器外壳必须能够抵抗流体的压力。然而，流体传感器外壳抵抗内部压力的能力有限。例如，典型的流体传感器的外壳可以具有约3巴的最大压力额定值。这意味着任何超过3巴的压力峰值都可能导致传感器发生故障，并最终导致流体泄漏。为了解决这个问题，已知的是加强传感器外壳以确保其能够承受使用期间经受的内部压力。然而，这种流体传感器往往较大、较重且更昂贵，并且因此不适用于所有应用，例如微型MFC。流体传感器的鲁棒性提高还可能导致制造复杂性和成本增加。

本发明寻求提供一种改进的流量感测装置，其克服或减轻了与现有技术相关联的这些问题中的一个或多个。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种流体感测装置，包括：流体流动通道，该流体流动通道具有入口和出口；至少一个流体导管，该至少一个流体导管与该流体流动通道处于流体连通；流体传感器，该流体传感器具有外壳和至少一个传感器端口，该至少一个传感器端口与该至少一个流体导管处于流体连通并且提供进入该外壳的通路；压力补偿室，该流体传感器的外壳被围在该压力补偿室中；以及至少一个压力补偿导管，该至少一个压力补偿导管与该压力补偿室和该流体流动通道处于流体连通，其中，该至少一个压力补偿导管在该压力补偿室与沿该流体流动通道的位置之间延伸，以使得沿该流体流动通道流动的流体在使用期间在该至少一个压力补偿导管的位置处经由该至少一个压力补偿导管进入该压力补偿室，并且其中，该至少一个流体导管在该至少一个传感器端口与沿该流体流动通道的位置之间延伸，以使得沿该流体流动通道流动的流体在使用期间在该至少一个流体导管的位置处经由该至少一个流体导管进入该流体传感器的外壳。

可选的，该流体传感器安装在印刷电路板上，该印刷电路板形成该压力补偿室的一部分。

可选的，该压力补偿室进一步包括储器，该印刷电路板抵靠该储器密封，以封闭该储器并且从而限定该压力补偿室。流体感测装置进一步包括在该印刷电路板与该储器之间的弹性密封件，其中，该印刷电路板通过该弹性密封件抵靠该储器可移除地密封。

可选的，流体感测装置进一步包括壳体，该壳体包括实心体，该实心体中形成有该至少一个流体导管和该至少一个压力补偿导管，其中，该储器由该实心体中的空腔限定。

可选的，该印刷电路板是其上安装有控制电子器件和该流体传感器的主印刷电路板。

可选的，该印刷电路板是辅助印刷电路板，并且该流体感测装置进一步包括其上安装有控制电子器件的主印刷电路板，该主印刷电路板通过一个或多个电连接器电连接至该辅助印刷电路板。

流体感测装置可以进一步包括在该至少一个传感器端口与该至少一个流体导管之间的传感器密封件，其中，该至少一个流体导管通过该传感器密封件而与该压力补偿室隔离。

该至少一个流体导管包括从沿该流体流动通道的第一位置延伸的第一流体导管和从沿该流体流动通道的第二位置延伸的第二流体导管，并且该至少一个传感器端口包括与该第一流体导管处于流体连通的第一传感器端口和与该第二流体导管处于流体连通的第二传感器端口。

该流体流动通道包括设置在该第一位置与该第二位置之间的限流器，并且其中，该流体传感器被配置为测量该第一流体导管中的第一压力以及测量该第二流体导管中的第二压力。

该第一流体导管、该传感器外壳以及该第二流体导管一起形成旁路通道，该流体流动通道的流体流的一部分在使用期间沿该旁路通道引出，并且该流体传感器被配置为测量穿过该旁路通道的旁路流量。

该流体流动通道由该流体流动通道的外壁围成和限定，并且其中，该至少一个压力补偿导管和该至少一个流体导管延伸穿过该流体流动通道的外壁。

该至少一个压力补偿导管在该压力补偿室与沿该流体流动通道的位置之间延伸，以使得沿该流体流动通道流动的流体的部分在使用期间在该至少一个压力补偿导管的位置处经由该至少一个压力补偿导管进入该压力补偿室。

该至少一个流体导管在该至少一个传感器端口与沿该流体流动通道的位置之间延伸，以使得沿该流体流动通道流动的流体的部分在使用期间在该至少一个流体导管的位置处经由该至少一个流体导管进入该流体传感器的外壳。

该压力补偿室远离该流体流动通道。

沿该流体流动通道流动的流体的部分在使用期间在该至少一个压力补偿导管的位置处从该流体流动通道引出，以经由该至少一个压力补偿导管进入该压力补偿室。

沿该流体流动通道流动的流体的部分在使用期间在该至少一个流体导管的位置处从该流体流动通道引出，以经由该至少一个流体导管进入该流体传感器的外壳。

该至少一个压力补偿导管在该压力补偿室与在该入口与该出口之间的沿该流体流动通道的长度的至少一个位置之间延伸。

该至少一个流体导管在该至少一个传感器端口与在该入口与该出口之间的沿该流体流动通道的长度的至少一个位置之间延伸。

根据本发明的第二方面提供一种质量流量控制器，包括：流体控制阀；控制电子器件；以及根据以上该的流体感测装置，其中，该控制电子器件被配置为基于由该流体感测装置提供的传感器信号来控制该流体控制阀。

该流体感测装置进一步包括：主印刷电路板，该主印刷电路板上安装有该控制电子器件；以及辅助印刷电路板，该辅助印刷电路板上安装有该流体传感器并且该辅助印刷电路板形成该压力补偿室的一部分，其中，该主印刷电路板与该辅助印刷电路板在与该辅助印刷电路板的平面垂直的方向上间隔开，并且通过一个或多个电连接器电连接至该辅助印刷电路板。

该质量流量控制器是微型质量流量控制器。

根据本发明的第三方面，提供了一种流体感测装置，包括：流体流动通道，该流体流动通道具有入口和出口；至少一个流体导管，该至少一个流体导管与该流体流动通道处于流体连通；流体传感器，该流体传感器具有外壳和至少一个传感器端口，该至少一个传感器端口与该至少一个流体导管处于流体连通并且提供进入该外壳的通路；压力补偿室，该流体传感器的外壳被围在该压力补偿室中；以及至少一个压力补偿导管，该至少一个压力补偿导管与该压力补偿室处于流体连通。

通过这种布置，流体可以经由至少一个压力补偿导管被供应至压力补偿室，使得外壳外侧的流体压力可以与外壳内侧的流体压力平衡。因此，压力补偿室补偿外壳内的内部压力，并且因此外壳只需抵抗压力补偿室中的流体压力与至少一个流体导管中的流体压力之间的相对较小的差异。与需要承受内部流体压力与大气压力之间的完全差异的传感器外壳相比，这降低了泄漏或传感器故障的风险。外壳的负担减小还允许简化流体传感器的结构和制造并且可以促进使用更轻、更小、且不那么复杂的组件。当流体感测装置旨在用于紧凑型装置(比如微型MFC)中时，这可以是特别有益的。

沿流体流动通道的至少一个压力补偿导管延伸至的一个或多个位置可以被视为压力补偿位置。沿流体流动通道的至少一个流体导管延伸至的一个或多个位置可以被视为流体感测位置。

本发明的流体感测装置可以容易地用于许多不同的应用中，例如，用于控制工业过程、执行实验室实验或出于安全原因。流体感测装置可以仅用于流量信息，或者可以用作流量调节的器件，比如在用于质量流量控制或体积流量控制的装置中。本发明的流体感测装置发现比如在质量流量控制器中用于流量控制的准确流体感测中特别有用。本发明的流体感测装置可以被配置用于与气体或液体一起使用。

优选地，至少一个压力补偿导管与流体流动通道处于流体连通并且在压力补偿室与流体流动通道之间延伸。

通过这种布置，流体流动通道中的流体在使用期间经由至少一个压力补偿导管进入压力补偿室并且经由至少一个流体导管进入流体传感器的外壳。因此，压力补偿室由与沿流动通道流动的在压力补偿导管的位置处的流体相同或类似的升高的压力下的流体填充，而传感器外壳容纳与沿流动通道流动的在至少一个传感器端口的位置处的流体相同或类似的升高的压力下的流体。因此，压力补偿室补偿外壳内的内部压力，并且因此外壳只需抵抗压力补偿导管的位置处的流体压力与至少一个流体导管的位置处的流体压力之间的相对较小的差异。与需要承受升高的内部流体压力与大气压力之间的差异的传感器外壳相比，这降低了泄漏或传感器故障的风险。外壳的负担减小还允许简化流体传感器的结构和制造并且可以促进使用更轻、更小、且不那么复杂的组件。当流体感测装置旨在用于紧凑型装置(比如微型MFC)中时，这可以是特别有益的。

在其他实施例中，流体可以经由至少一个压力补偿导管从流体源而不是流体流动通道被供应至压力补偿室。至少一个压力补偿导管可以在压力补偿室和与流体流动通道分开的一个或多个流体导管之间延伸。在流体感测装置包括壳体的情况下，该壳体可以包括多个流体导管，并且至少一个压力补偿导管可以在压力补偿室与多个流体导管中的一个或多个流体导管之间延伸。例如，流体感测装置可以被设置为歧管或具有壳体的流量控制器的一部分。壳体可以包括连接至流体流动通道的入口的第一流体入口、连接至流体流动通道的出口的第一流体出口、以及第二流体入口，其中，至少一个压力补偿导管在压力补偿室与第二流体入口之间延伸。在此类示例中，流体感测装置可以包括连接至第一流体入口或第一流体出口的第一流体管线、以及在第一流体管线与第二流体入口之间延伸的第二流体管线。通过这种布置，第一流体管线中的流体在使用期间经由第二流体管线、第二流体入口、以及至少一个压力补偿导管进入压力补偿室。因此，压力补偿室填充有与沿第一流体管线流动的流体类似的压力下的流体，以补偿外壳内的内部压力。另外，这种布置可以通过允许经由第二流体入口和至少一个压力补偿导管冲洗压力补偿室来促进清洗流体感测装置。在设置有单个压力补偿导管的情况下，在清洗期间，可以经由至少一个流体导管和流体流动通道将流体从室中冲洗出去。在设置有多个压力补偿导管的情况下，在清洗期间，可以经由附加压力补偿导管将至少一部分流体从室中冲洗出去。例如，壳体可以包括在压力补偿室与第二流体入口之间延伸的第一压力补偿导管、以及在压力补偿室与第二流体出口之间延伸的压力补偿导管。在此类示例中，可以经由第一压力补偿导管和第二压力补偿导管将流体冲洗穿过压力补偿室。

优选地，该流体传感器安装在印刷电路板上，该印刷电路板形成该压力补偿室的一部分。已经发现这提供了特别紧凑的布置并且避免了设置从流体传感器延伸并穿过压力补偿室的壁的单独的电连接器的需要。这种电连接器很难有效地密封，并且因此代表了潜在的泄漏点。这种布置还具有的优点是，印刷电路板上的任何控制电子器件与流体传感器之间紧密接近，以减少对由流体传感器产生的信号的噪声或其他干扰。印刷电路板可以形成压力补偿室的壁。印刷电路板应该具有足够的强度，以承受其下侧压力补偿室内的流体压力与其上侧大气压力之间的差异。

优选地，该压力补偿室进一步包括储器，该印刷电路板抵靠该储器密封，以封闭该储器并且从而限定该压力补偿室。通过这种布置，印刷电路板形成压力补偿室的上壁、或盖。

优选地，该流体感测装置进一步包括在该印刷电路板与该储器之间的弹性密封件，其中，该印刷电路板通过该弹性密封件抵靠该储器可移除地密封。通过这种布置，弹性密封件可以补偿储器与印刷电路板之间的制造公差的变化。弹性密封件还允许移除印刷电路板并在需要时更换印刷电路板，而不需要施加单独的密封剂抵靠储器重新密封印刷电路板。弹性密封件可以是橡胶密封件或任何其他合适的弹性体，比如NBR、FPM、或EPDM。弹性密封件可以坐落于围绕储器延伸的凹槽中。弹性密封件优选是连续的。也就是说，弹性密封件优选地环绕储器，以形成连续密封。

在其他示例中，印刷电路板可以通过密封剂抵靠储器永久地密封，该密封剂在印刷电路板抵靠储器定位之后施加。

优选地，该流体感测装置进一步包括壳体。

至少一个流体导管、压力补偿导管、和/或压力补偿室可以由固持在壳体内的分开的部件形成。优选地，该壳体包括实心体，该实心体中形成有该至少一个流体导管和该至少一个压力补偿导管。该实心体可以包括多个孔，该至少一个流体导管和该至少一个压力补偿导管由这些孔形成。优选地，该储器由该实心体中的空腔限定。空腔可以限定在实心体的外表面中。流体流动通道可以全部或至少部分地由多个内部孔中的一个或多个内部孔形成。多个内部孔优选地通过减材制造工艺形成在实心体中，比如钻孔或另一机加工操作。

在流体感测装置包括在印刷电路板与储器之间的弹性密封件的情况下，该弹性密封件可以坐落于实心体的外表面中的凹槽中，该凹槽围绕空腔延伸，使得弹性密封件围绕空腔形成连续密封。

在一些实施例中，该印刷电路板是其上安装有控制电子器件和该流体传感器的主印刷电路板。通过这种布置，流体感测装置的所有或基本上所有的电气部件可以设置在单个PCB上。

在其他实施例中，该印刷电路板是辅助印刷电路板，并且该流体感测装置进一步包括其上安装有控制电子器件的主印刷电路板。该主印刷电路板可以与该辅助印刷电路板间隔开，并且通过一个或多个电连接器电连接至该辅助印刷电路板。通过这种布置，主印刷电路板在其上下两侧均处于大气压力，并且与辅助印刷电路板不同的是，不需要被加强来承受压力补偿室中的压力。这可以减小主电路板的大小、重量、复杂性、以及成本。另外，并且有点反直觉地，在除主印刷电路板之外还提供辅助印刷电路板的情况下，可以通过减小流体传感器在主印刷电路板上所占据的空间来减小流体感测装置的整体大小。通过这种布置，主印刷电路板只需容纳比如引脚等用于流体传感器的电连接器而不是容纳整个流体传感器。于是，其他电气部件可以占据主PCB上的原本流体传感器所需的空间，从而允许更紧凑的整体安排。主印刷电路板可以与辅助印刷电路板在与辅助印刷电路板的平面基本上垂直的方向上间隔开。在此类实施例中，主印刷电路板和辅助印刷电路板可以基本上平行。主印刷电路板可以与辅助印刷电路板在与辅助印刷电路板的平面基本上平行的方向上间隔开。在此类实施例中，主印刷电路板和辅助印刷电路板可以基本上彼此垂直地布置。

至少一个传感器端口可以与至少一个流体导管齐平。至少一个传感器端口可以延伸到至少一个流体导管中。在至少一个传感器端口与至少一个流体导管之间可以接纳一些流体泄漏。优选地，该至少一个流体导管与该压力补偿室隔离。优选地，该流体感测装置进一步包括在该至少一个传感器端口与该至少一个流体导管之间的传感器密封件，其中，该至少一个流体导管通过该传感器密封件与该压力补偿室隔离。传感器密封件可以包括O形环，该O形环围绕至少一个传感器端口和/或至少一个流体导管延伸。在优选实施例中，至少一个传感器端口延伸到至少一个流体导管中，并且传感器密封件可以包括O形环，该O形环围绕至少一个传感器端口延伸，以使至少一个流体导管与压力补偿室隔离。传感器密封件优选地是弹性传感器密封件。

该至少一个流体导管可以包括单个流体导管。该至少一个传感器端口可以包括单个传感器端口。在此类示例中，流体传感器可以被配置为使用单个传感器端口测量单个流体导管中的流体压力。优选地，该至少一个流体导管包括从沿该流体流动通道的第一位置延伸的第一流体导管和从沿该流体流动通道的第二位置延伸的第二流体导管。优选地，该至少一个传感器端口包括与该第一流体导管处于流体连通的第一传感器端口和与该第二流体导管处于流体连通的第二传感器端口。

该至少一个压力补偿导管可以包括从不同的位置延伸的多个压力补偿导管。例如，沿流体流动通道的不同的位置。该至少一个压力补偿导管可以包括单个压力补偿导管。该至少一个压力补偿导管可以包括与流体流动通道处于流体连通的单个压力补偿导管。通过这种布置，流体流动通道仅经由单个压力补偿导管与压力补偿室处于流体连通。

在某些优选实施例中，该流体流动通道包括设置在该第一位置与该第二位置之间的限流件。限流件可以包括障碍物，该障碍物插入流体流动通道中以产生压降。限流件可以包括孔口板或喷嘴。限流件可以包括流体流动通道的外壁的直径减小。直径减小可以包括外壁的直径阶跃变化。直径减小可以包括外壁的直径逐渐变化。可以仅围绕流体流动通道的圆周一部分提供减小。围绕流体流动通道的圆周，减小可以是均匀的。优选地，减小包括外壁的围绕流动通道的整个圆周延伸的锥形。流体感测装置可以包括层流元件，该层流元件包括稳流杆，该稳流杆沿流体流动通道至少从第一位置延伸至第二位置。在此类示例中，限流件可以包括稳流杆的直径增加。增加可以包括直径阶跃变化。增加可以包括直径逐渐变化。可以仅围绕稳流杆的圆周一部分提供增加。围绕稳流杆的圆周，增加可以是均匀的。优选地，增加包括稳流杆的围绕稳流杆的整个圆周延伸的锥形。在此类实施例中，流动通道的直径可以在限流件的区域中恒定，使得限流件仅由稳流杆的直径增加来限定。这可以是有益的，因为允许简单地通过改变层流元件而针对给定的通量根据需要改变限流件上的压降。限流件可以包括流体流动通道的外壁的直径减小以及稳流杆的直径增加。

该流体传感器可以被配置为测量该第一流体导管中的第一压力以及测量该第二流体导管中的第二压力。然后，可以基于压差来确定穿过流体流动通道的流量。

第一流体端口和第二流体端口可以在外壳内彼此隔离。第一流体端口和第二流体端口可以在外壳内处于流体连通。在一些实施例中，该第一流体导管、该传感器外壳、以及该第二流体导管一起形成旁路通道，沿该流体流动通道的流体流的一部分在使用期间沿该旁路通道引出。该流体传感器可以被配置为测量穿过该旁路通道的旁路流量。然后，可以根据穿过流动通道的旁路流量来确定穿过流体流动通道的流量。

该流体传感器可以是压力传感器。流体传感器可以被配置为感测沿流体流动通道的第一位置处的第一流体压力以及感测沿流体流动通道的第二位置处的第二压力。流体传感器可以被配置为经由第一流体导管感测第一位置处的第一流体压力以及经由第二流体导管感测第二位置处的第二压力。流体传感器可以包括第一传感器端口，该第一传感器端口被定位在第一流体导管中并且被配置为感测第一位置处的第一流体压力。流体传感器可以包括第二传感器端口，该第二传感器端口被定位在第二压力导管中并且被配置为感测第二位置处的第二流体压力。围绕第一传感器端口可以设置有第一传感器密封件，以在第一传感器端口的外表面与第一压力导管的内表面之间形成密封。围绕第二传感器端口可以设置有第二传感器密封件，以在第二传感器端口的外表面与第二压力导管的内表面之间形成密封。以此方式，可以防止第一传感器端口和/或第二传感器端口中的流体绕过第一传感器部分和/或第二传感器部分。第一压力导管和第二压力导管中的流体经由第一传感器部分和第二传感器部分进入流体传感器的外壳。

流体传感器可以被配置为输出传感器信号。传感器信号可以包括第一流体压力信号和第二流体压力信号。流体传感器可以被配置为计算第一流体压力与第二流体压力之间的压力差。流体传感器可以被配置为输出传感器信号，该传感器信号包括压力差信号，该压力差信号包括多个计算出的压力差值。流体传感器可以被配置为基于感测的第一流体压力值和第二流体压力值来计算穿过流体流动通道的流量。流体传感器可以被配置为输出传感器信号，该传感器信号包括流量信号，该流量信号包括多个计算出的流量值。

流体传感器可以是质量流量传感器。流体感测装置可以包括旁路通道，该旁路通道被配置为引出流体流动通道中在限流件周围的流动。流体传感器可以是质量流量传感器，该质量流量传感器被配置为测量穿过旁路通道的旁路流量。第一流体导管和第二流体导管可以连接以形成旁路通道的一部分。

流体传感器可以包括单个感测头。来自感测头的信号可以以不同的增益被放大。这可以增加可以由流体感测装置准确测量的流量的有效测量范围，并且即使在非常小的流量下也可以促进从流体传感器的准确的流量读数。流体传感器可以在单个传感器内包括多个感测头。来自各感测头的信号可以以不同的增益被放大。这可以增加可以由流体感测装置准确测量的流量的有效测量范围，并且即使在非常小的流量下也可以促进从流体传感器的准确的流量读数。

该流体流动通道可以由该流体流动通道的外壁围成和限定。在此类实施例中，该至少一个压力补偿导管和该至少一个流体导管中的一者或两者可以延伸穿过该流体流动通道的外壁。

该至少一个压力补偿导管可以在该压力补偿室与沿该流体流动通道的位置之间延伸，使得沿该流体流动通道流动的流体在该至少一个压力补偿导管的位置处的部分在使用期间经由该至少一个压力补偿导管进入该压力补偿室。

该至少一个流体导管可以在该至少一个传感器端口与沿该流体流动通道的位置之间延伸，使得沿该流体流动通道流动的流体在该至少一个流体导管的位置处的部分在使用期间经由该至少一个流体导管进入该流体传感器的外壳。

该压力补偿室可以远离该流体流动通道。这意味着压力补偿室远离流体流动通道定位。流体流动通道可以邻近压力补偿室延伸。流体流动通道可以沿压力补偿室的长度延伸。至少一个压力补偿导管可以形成至流体流动通道的单独的流体流动路径的一部分。在某些实施例中，压力补偿室不形成与流体流动通道相同的流体流动路径的一部分。

至少一个压力补偿导管可以在沿流体流动通道的长度的压力补偿位置处接入流体流动通道中，使得压力补偿室中的流体压力与流体流动通道中的压力补偿位置处的流体压力相同。

至少一个流体导管可以在沿流体流动通道的长度的流体感测位置处接入流体流动通道中，使得至少一个传感器端口处的流体压力与流体流动通道中的流体感测位置处的流体压力相同。

该至少一个压力补偿导管可以被配置为使得沿该流体流动通道流动的流体在该至少一个压力补偿导管的位置处的部分在使用期间从该流体流动通道引出，以经由该至少一个压力补偿导管进入该压力补偿室。

该至少一个流体导管可以被配置为使得沿该流体流动通道流动的流体在该至少一个流体导管的位置处的部分在使用期间从该流体流动通道引出，以经由该至少一个流体导管进入该流体传感器的外壳。

该至少一个压力补偿导管可以在该压力补偿室与沿该流体流动通道在该入口与该出口之间的长度的至少一个压力补偿位置之间延伸。

该至少一个流体导管可以在该至少一个传感器端口与沿该流体流动通道在该入口与该出口之间的长度的至少一个流体感测位置之间延伸。

流体感测装置可以用于任何合适的组件中。例如，流体感测装置可以形成流体歧管的一部分。

根据本发明的第四方面，提供了一种质量流量控制器，包括：流体控制阀；控制电子器件；以及根据第一方面的流体感测装置，其中，该控制电子器件被配置为基于由该流体感测装置提供的传感器信号来控制该流体控制阀。流体控制阀可以是比例阀。

在某些实施例中，该质量流量控制器的流体感测装置进一步包括：安装有这些控制电子器件的主印刷电路板；以及安装有该流体传感器并且形成该压力补偿室的一部分的辅助印刷电路板。该主印刷电路板可以与该辅助印刷电路板在与该辅助印刷电路板的平面垂直的方向上间隔开，并且可以通过一个或多个电连接器电连接至该辅助印刷电路板。

该质量流量控制器可以是微型质量流量控制器。如本文中所使用的，术语“微型质量流量控制器”是指具有壳体的质量流量控制器，该壳体在任何方向上的最大尺寸为小于100mm、优选地小于80mm。微型流量控制器可以具有小于80mm的最大长度和小于50mm的最大高度。

在本申请的范围内，明确的意图是，在前面段落、在权利要求和/或以下说明书和附图(并且特别是其单个特征中)中陈述的各个方面、实施例、示例和替代方案可以独立地或者以任何组合采用。也就是说，任何实施例的所有实施例和/或特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征不相容。申请人保留更改任何原始提交的权利要求或相应地提出任何新权利要求的权利，包括修改任何原始提交的权利要求以依赖于和/或结合虽然并非原始以这种方式提出的任何其他权利要求的任何特征的权利。

附图说明

下面将仅通过举例的方式、参考附图来进一步描述本发明的进一步的特征和优点，在附图中：

图1是质量流量控制器的部分透视截面视图，该质量流量控制器包括根据第一实施例的流体感测装置；

图2是图1的质量流量控制器的俯视图；

图3是穿过图2的线III-III截取的截面视图；

图4是穿过图2的线IV-IV截取的截面视图；

图5是图1至图4的质量流量控制器的实心体的俯视透视图；

图6是图1至图4的质量流量控制器的流体感测装置的示意性截面，示出了流体流过装置；并且

图7是质量流量控制器的部分透视截面视图，该质量流量控制器包括根据第二实施例的流体感测装置。

具体实施方式

图1至图6示出了第一质量流量控制器100，该第一质量流量控制器包括根据本发明的第一实施例的流体感测装置120。质量流量控制器100包括壳体101，该壳体具有流体入口102和流体出口103。壳体101容纳流体控制阀104(例如比例阀)和安装在主PCB 106上的控制电子器件105。在这个示例中，壳体101包括实心体107和盖108，该盖通过螺钉109可移除地固定至实心体107。流体控制阀104沿在流体入口102与流体出口103之间延伸的流体流动路径定位并且被配置为基于来自控制电子器件105的控制信号来调节穿过质量流量控制器100的流量，以便实现或维持期望的流量。如图1所示，流体入口102和流体出口103可以是带螺纹的，以允许容易地联接至螺纹连接器。替代性地，流体入口和流体出口可以具有插装式配件，或者可以具有法兰安装歧管，可以通过该法兰安装歧管连接流体管线，而无需螺纹连接。

流体感测装置120包括流体流动通道121，该流体流动通道由通道121的外壁122围成和限定，并且形成穿过质量流量控制器100的流体流动路径的一部分。流体流动通道121在通道入口123与通道出口124之间延伸，该通道入口与质量流量控制器100的流体入口102处于流体连通，该通道出口与质量流量控制器100的流体出口103处于流体连通。在这个示例中，流体流动通道121的截面是圆形的，但是其他截面形状也可能是适当的。流体感测装置进一步包括限流件125，该限流件处于沿流体流动通道121的长度的位置并且被配置为使沿通道121流动的流体产生压力差。在这个示例中，限流件125包括流体流动通道121的外壁122的直径逐渐减小，使得流体流动通道121的截面积在这个区域减小，并且当流体穿过限流件125时流体的流速增加。这在限流件125上产生压降。在其他示例中，限流件可以包括外壁的直径阶跃变化、和/或如下面所描述的定位在流动通道121中的层流元件的外表面的直径变化。

流体感测装置100进一步包括流体传感器130，该流体传感器安装在辅助印刷电路板140上。主PCB 106与辅助印刷电路板140在与辅助印刷电路板140的平面垂直的方向上间隔开，并且通过电连接器141电连接至辅助印刷电路板140。主印刷电路板106通过与盖108相同的螺钉109可移除地安装在实心体107上。因为主印刷电路板106支撑质量流量控制器100的控制电子器件105，所以其可以被视为“主”PCB。其上安装有流体传感器130的辅助印刷电路板140可以被视为“辅助”PCB。在其他示例中，比如下面结合图7讨论的实施例，质量流量控制器可以包括单个PCB，控制电子器件105和流体传感器130都直接安装在该单个PCB上。

如图6中最佳可见，流体传感器130经由第一流体导管132在限流件125的上游与流体流动通道121的第一位置131处于流体连通，并且通过第二流体导管134在限流件125的下游与流体流动通道121的第二位置133处于流体连通。然而，在其他示例中，流体传感器可以仅与流体流动通道的单个位置处于流体连通。流体传感器130被配置为产生指示沿流体流动通道121穿过的流体的流量的传感器信号，使得控制电子器件105可以相应地控制流体控制阀104，以实现穿过质量流量控制器100的期望的流量。

在这个示例中，流体传感器130是压力传感器，并且包括定位在第一流体导管132中的第一传感器端口135和定位在第二流体导管134中的第二传感器端口136。第一传感器端口135和第二传感器端口136各自设置有开口，流体可以通过这些开口进入和/或离开流体传感器130的外壳137。第一传感器端口135使得流体传感器130能够感测或测量第一位置131处的第一流体压力P1，并且第二传感器端口136使得流体传感器130能够感测或测量第二位置133处的第二流体压力P2。第一传感器端口135和第二传感器端口136分别延伸到第一流体导管132和第二流体导管134中。围绕第一传感器端口135和第二传感器端口136中的每一个设置有O形环138，以分别在第一传感器端口135与第一流体导管132之间、在第二传感器端口136与第二流体导管134之间形成弹性密封，从而防止流体泄漏。

由于限流件125，第二位置133处的流速往往高于第一位置处的流速。因此，第二流体压力P2往往低于第一流体压力P1。可以根据感测的P1值和P2值来计算限流件125上的压力差ΔP，并且基于以下原理来确定穿过流体流动通道121的流量：穿过限流件的流体的流量与限流件上的压力差成比例。压力差ΔP可以通过流体传感器130或通过控制电子器件105来确定。在压力差ΔP是通过控制电子器件来确定的情况下，传感器信号可以包括第一流体压力P1随时间的第一压力信号和第二流体压力P2随时间的第二压力信号。在压力差ΔP是通过流体传感器来确定的情况下，传感器信号可以包括压力差ΔP随时间的压力差信号。流体传感器可以被配置为确定流量，在这种情况下，传感器信号可以包括流量信号。

在其他示例中，流体传感器130可以是质量流量传感器。例如，第一流体导管132和第二流体导管134可以连接以形成旁路通道(未示出)，在该旁路通道处一部分流体流被限流件125引出，其中，流体传感器被配置为测量在旁路通道处的旁路流量。然后，可以根据旁路流量来计算沿流体流动通道的流体流量。

如图3至图5中最佳可见，实心体107由实心材料块形成，在实心材料块中限定有多个孔以形成各导管，并且质量流量控制器100的其他部件由该实心材料块所容纳。流体感测装置120进一步包括压力补偿室142，该压力补偿室经由压力补偿导管144与沿流体流动通道121的第三位置143处于流体连通。压力补偿室142由实心体107的外表面中的空腔145形式的储器以及由封闭空腔145的辅助印刷电路板140限定。辅助印刷电路板140通过一对螺钉146抵靠空腔145保持在位，这对螺钉延伸到实心体107中的螺纹孔1071中。辅助印刷电路板140通过弹性密封件147抵靠空腔145密封，该弹性密封件坐落于连续凹槽148中，该连续凹槽形成在实心体107的外表面中并且围绕空腔145延伸。弹性密封件147防止流体在辅助印刷电路板140与实心体107之间泄漏。以此方式，辅助印刷电路板140形成压力补偿室142的上壁。因此，辅助印刷电路板140的安装有流体传感器130的下侧暴露于压力补偿室142中升高的压力下，而辅助印刷电路板140的上侧暴露于大气压力下。这意味着辅助印刷电路板应该被构造为在操作期间承受大气压力与压力补偿室142中升高的压力之间的差异。然而，还意味着质量流量控制器的位于辅助印刷电路板140上方的部件(比如主印刷电路板106)处于大气压力下并且不需要被构造为承受升高的压力。第一流体导管132、第二流体导管134、以及压力补偿导管144延伸至空腔145的底部。压力补偿导管通向压力补偿室。第一流体导管132和第二流体导管134各自在其空腔端具有杯状储器1321、1341并且围绕杯状储器1321、1341具有密封件座1322、1324，围绕每个传感器端口的O形环被密封在该密封件座中，以将第一流体导管和第二流体导管与压力补偿室隔离。

在这个示例中，压力补偿导管144从其延伸的第三位置143位于第一流体导管132和第二流体导管134从其延伸的第一位置131和第二位置133两者的下游。然而，在其他示例中，压力补偿导管144可以连接至沿流体流动通道121的不同位置，例如在第一位置131和第二位置133中的一者或两者的上游的位置。

为了提高流量感测准确度，流体感测装置120进一步包括可选的层流元件150，该层流元件位于流体流动通道121中。层流元件150包括稳流杆151和支撑件152，稳流杆121通过支撑件居中地安装在流体流动通道121中。稳流杆151至少从第一位置131沿流体流动通道121延伸穿过限流件125至第二位置133，以在流体流动通道121中促进层流并抑制湍流。在这个示例中，稳流杆151从在第一位置131上游的位置延伸至在第二位置133下游的位置。层流元件150的支撑件152在稳流杆151的上游端处紧固在流体流动通道121内。支撑件152可以固定地紧固在流动通道151中、或者可以可移除地紧固。在这个示例中，支撑件152在其外表面154上包括螺纹156，该螺纹与流动通道121的外壁122上的对应螺纹接合。因此，支撑件152是通过螺纹连接在第一位置131上游的位置处可移除地紧固在流动通道121内的。

层流元件150的支撑件152包括多个流体流动孔口155，这些流体流动孔口围绕支撑件152的圆周以规则的间隔被间隔开并且与支撑件的外表面154间隔开。流体流动孔口155允许流体穿过支撑件152并且促进流体沿流体流动通道121更均匀地流动。支撑件152可以具有任何合适的形状。在这个示例中，支撑件152的外表面154的形状对应于流动通道121的外壁122的形状并且通过螺纹连接紧固。这防止或者减少能够在支撑件152的外表面154与流动通道121的外壁122之间穿过的流体量。因为外表面154的形状对应于流动通道121的外壁122的形状，因此基本上全部的沿流体流动通道流动的流体都流经流体流动孔口155。在其他示例中，一个或多个外孔口可以形成在支撑件的外表面与流动通道的外壁之间，使得流体可以围绕支撑件的外表面穿过。

如图6中最佳可见，流体流动通道121的外壁122和稳流杆151的外表面153一起限定流体流动通道121的流体流过的环形部分126。稳流杆151的外表面153基本上是连续的。也就是说，稳流杆151的外表面153基本上没有任何凹槽、突起、或可能以其他方式阻碍流动附接的其他表面特征。稳流杆151的外表面153可以是光滑的。在这个示例中，外表面153的直径沿稳流杆151的整个长度基本上恒定。因此，随流体流动通道121的外壁122与稳流杆151的外表面153之间的径向距离变化的环形部分126的截面积在限流件上纯粹随着流动通道121的外壁122的直径减小而减小。在其他示例中，外表面153的直径可以沿稳流杆151的长度改变。外表面153的直径可以沿其长度增加或减小，条件是流体流动通道121的外壁122与稳流杆151的外表面153之间的径向距离减小以限定限流件。在稳流杆的外表面的直径增加的示例中，流动通道的外壁的直径在限流件的区域中可以减小、保持相同、或增加，条件是稳流杆的外表面的直径的增加足以使流体流动通道的外壁与稳流杆的外表面之间的径向距离在限流件上仍然减小。

在质量流量控制器100操作期间，流体穿过流体入口102进入壳体101并且经由通道入口123进入流体流动通道121中。当流体到达层流元件150时，流体穿过支撑件152中的多个流体流动孔口155并且进入流体流动通道121的限定在稳流杆151与流体流动通道121的外壁122之间的环形部分126，其中，流体沿稳流杆151的长度行进、穿过限流件125、并在通道出口124处离开流体流动通道121。流体经由第一流体导管132和第二流体导管134进入流体传感器130的外壳137。流体传感器130监测第一位置131处的第一流体压力P1和第二位置133处的第二流体压力P2，并且将感测的P1值和P2值作为传感器信号输出至控制电子器件105。控制电子器件105通过从P1中减去P2来确定限流件125上的压降ΔP。控制电子器件105基于压降ΔP来计算穿过流体流动通道121的流量并以常规方式将其与期望的流量进行比较。如果计算出的流量大于或小于期望的流量，则控制电子器件105然后控制流体控制阀104根据需要调节流量。因为压力补偿室142经由压力补偿导管144与流体流动通道处于流体连通，所以压力补偿室142填充有与沿流体流动通道121的第三位置143相同的压力P3下的流体。通过这种布置，流体传感器130的外壳137的外表面暴露于随着沿流动通道121流动的流体在第三位置143处的压力P3而变化的升高的压力下。同时，外壳137的内表面暴露于随着沿流动通道121流动的流体在第一位置131处的压力P1和在第二位置133处的压力P2而变化的升高的压力下。这意味着流体传感器的外壳只需抵抗第三位置处的压力P3与第一位置处的第一压力P1和第二位置处的第二压力P2之间的相对小的差异，而不是大气压力与第一流体压力P1和第二流体压力P2之间的完全差异。

通过将流体传感器130的外壳137围在压力补偿室142内，外壳137的外表面暴露于可与外壳137内部的流体压力相当的流体压力下。因此，外壳137上的压差较小。这意味着外壳137不需要被构造为承受大的内部压力，因为这些内部压力将与大的外部压力相匹配。因此，相对于常规流体感测装置，流体传感器的复杂性、大小、以及重量可以减小。实际上，通过本发明的布置，可以使用具有仅能承受1巴或更小的压差的外壳的流体传感器。

图7示出了质量流量控制器200的第二实施例，该质量流量控制器包括根据本发明的第二实施例的流体感测装置220。质量流量控制器200具有与第一实施例的质量流量控制器100类似的结构和功能，并且类似的附图标记用于表示类似的特征。如第一实施例那样，流体感测装置220包括层流元件250，该层流元件具有稳流杆251，该稳流杆被居中地定位在流体流动通道221中并且从在第一位置231上游的位置延伸至在第二位置233下游的位置。质量流量控制器200也包括控制电子器件205，该控制电子器件安装在PCB 206上。然而，与第一实施例不同的是，流体传感器230连同控制电子器件205一起直接安装在主PCB 206上。因此，主PCB 206是质量流量控制器200中唯一的PCB。在不存在辅助印刷电路板的情况下，主PCB 206形成压力补偿室242的上壁，通过延伸到实心体207中的螺纹孔中的一对螺钉209保持在位，并且通过弹性密封件(未示出)抵靠实心体207密封。因此，主PCB 206的下侧暴露于压力补偿室242中升高的压力下，而主PCB 206的上侧暴露于大气压力下。这意味着主PCB206应该被构造为在操作期间承受大气压力与压力补偿室242中升高的压力之间的差异。

进一步地，在第二实施例的质量流量控制器200中，压力补偿导管244从其延伸的第三位置243位于第一位置231和第二位置233两者的上游而不是下游。

尽管以上已经参考一个或多个优选实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (22)

1.一种流体感测装置，包括：

流体流动通道，所述流体流动通道具有入口和出口；

至少一个流体导管，所述至少一个流体导管与所述流体流动通道处于流体连通；

流体传感器，所述流体传感器具有外壳和至少一个传感器端口，所述至少一个传感器端口与所述至少一个流体导管处于流体连通并且提供进入所述外壳的通路；

压力补偿室，所述流体传感器的外壳被围在所述压力补偿室中；以及

至少一个压力补偿导管，所述至少一个压力补偿导管与所述压力补偿室和所述流体流动通道处于流体连通，

其中，所述至少一个压力补偿导管在所述压力补偿室与沿所述流体流动通道的位置之间延伸，以使得沿所述流体流动通道流动的流体在使用期间在所述至少一个压力补偿导管的位置处经由所述至少一个压力补偿导管进入所述压力补偿室，并且

其中，所述至少一个流体导管在所述至少一个传感器端口与沿所述流体流动通道的位置之间延伸，以使得沿所述流体流动通道流动的流体在使用期间在所述至少一个流体导管的位置处经由所述至少一个流体导管进入所述流体传感器的外壳。

2.如权利要求1所述的流体感测装置，其中，所述流体传感器安装在印刷电路板上，所述印刷电路板形成所述压力补偿室的一部分。

3.如权利要求2所述的流体感测装置，其中，所述压力补偿室进一步包括储器，所述印刷电路板抵靠所述储器密封，以封闭所述储器并且从而限定所述压力补偿室。

4.如权利要求3所述的流体感测装置，进一步包括在所述印刷电路板与所述储器之间的弹性密封件，其中，所述印刷电路板通过所述弹性密封件抵靠所述储器可移除地密封。

5.如权利要求3或权利要求4所述的流体感测装置，进一步包括壳体，所述壳体包括实心体，所述实心体中形成有所述至少一个流体导管和所述至少一个压力补偿导管，其中，所述储器由所述实心体中的空腔限定。

6.如权利要求2至5中任一项所述的流体感测装置，其中，所述印刷电路板是其上安装有控制电子器件和所述流体传感器的主印刷电路板。

7.如权利要求2至5中任一项所述的流体感测装置，其中，所述印刷电路板是辅助印刷电路板，并且所述流体感测装置进一步包括其上安装有控制电子器件的主印刷电路板，所述主印刷电路板通过一个或多个电连接器电连接至所述辅助印刷电路板。

8.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，进一步包括在所述至少一个传感器端口与所述至少一个流体导管之间的传感器密封件，其中，所述至少一个流体导管通过所述传感器密封件而与所述压力补偿室隔离。

9.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，其中，所述至少一个流体导管包括从沿所述流体流动通道的第一位置延伸的第一流体导管和从沿所述流体流动通道的第二位置延伸的第二流体导管，并且其中，所述至少一个传感器端口包括与所述第一流体导管处于流体连通的第一传感器端口和与所述第二流体导管处于流体连通的第二传感器端口。

10.如权利要求9所述的流体感测装置，其中，所述流体流动通道包括设置在所述第一位置与所述第二位置之间的限流器，并且其中，所述流体传感器被配置为测量所述第一流体导管中的第一压力以及测量所述第二流体导管中的第二压力。

11.如权利要求10所述的流体感测装置，其中，所述第一流体导管、所述传感器外壳以及所述第二流体导管一起形成旁路通道，所述流体流动通道的流体流的一部分在使用期间沿所述旁路通道引出，并且其中，所述流体传感器被配置为测量穿过所述旁路通道的旁路流量。

12.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，其中，所述流体流动通道由所述流体流动通道的外壁围成和限定，并且其中，所述至少一个压力补偿导管和所述至少一个流体导管延伸穿过所述流体流动通道的外壁。

13.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，其中，所述至少一个压力补偿导管在所述压力补偿室与沿所述流体流动通道的位置之间延伸，以使得沿所述流体流动通道流动的流体的部分在使用期间在所述至少一个压力补偿导管的位置处经由所述至少一个压力补偿导管进入所述压力补偿室。

14.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，其中，所述至少一个流体导管在所述至少一个传感器端口与沿所述流体流动通道的位置之间延伸，以使得沿所述流体流动通道流动的流体的部分在使用期间在所述至少一个流体导管的位置处经由所述至少一个流体导管进入所述流体传感器的外壳。

15.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，其中，所述压力补偿室远离所述流体流动通道。

16.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，其中，沿所述流体流动通道流动的流体的部分在使用期间在所述至少一个压力补偿导管的位置处从所述流体流动通道引出，以经由所述至少一个压力补偿导管进入所述压力补偿室。

17.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，其中，沿所述流体流动通道流动的流体的部分在使用期间在所述至少一个流体导管的位置处从所述流体流动通道引出，以经由所述至少一个流体导管进入所述流体传感器的外壳。

18.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，其中，所述至少一个压力补偿导管在所述压力补偿室与在所述入口与所述出口之间的沿所述流体流动通道的长度的至少一个位置之间延伸。

19.如任一前述权利要求所述的流体感测装置，其中，所述至少一个流体导管在所述至少一个传感器端口与在所述入口与所述出口之间的沿所述流体流动通道的长度的至少一个位置之间延伸。

20.一种质量流量控制器，包括：

流体控制阀；

控制电子器件；以及

根据权利要求1至19中任一项所述的流体感测装置，

其中，所述控制电子器件被配置为基于由所述流体感测装置提供的传感器信号来控制所述流体控制阀。

21.如权利要求20所述的质量流量控制器，其中，所述流体感测装置进一步包括：

主印刷电路板，所述主印刷电路板上安装有所述控制电子器件；以及

辅助印刷电路板，所述辅助印刷电路板上安装有所述流体传感器并且所述辅助印刷电路板形成所述压力补偿室的一部分，

其中，所述主印刷电路板与所述辅助印刷电路板在与所述辅助印刷电路板的平面垂直的方向上间隔开，并且通过一个或多个电连接器电连接至所述辅助印刷电路板。

22.如权利要求20或权利要求21所述的质量流量控制器，其中，所述质量流量控制器是微型质量流量控制器。

Images