CN1491185A - 带外置应变仪监视器的流体容器 - Google Patents

带外置应变仪监视器的流体容器 Download PDF

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Abstract

流体容器系统(10)包括容器(12)以持留流体，所述的流体在系统使用和工作中从容器(12)中排放。包括应变响应传感器(38)的压力监视组件(36)设置在容器(12)的外表面上，以测定从容器排放流体时发生的容器壁表面上的动态应变，并响应地输出表示压力的响应(40)。该构造可特别用于流体贮存和分配容器的应用场合，所述的所述的容器包括设置在其中的压力调节器组件，并持留液化气或压缩气，例如用于半导体制造操作中。

Description

带外置应变仪监视器的流体容器
发明领域
本发明涉及，装流体的封闭容器中压力的外置监视技术；涉及，在一个优选的方面，用于半导体器件和材料的制造中，外部监视在流体贮存和分配系统的压力，从所述的分散系统分配气体或液体。
现有技术
在广泛的工业加工和应用中，需要可靠的加工流体源。
例如，在半导体制造、离子植入、平板显示器制造、医学干扰和治疗、水处理系统、紧急呼吸系统、焊接操作、液体和气体基于空间的输送等方面，希望有安全可靠和有效的流体提供源。
授予Luping Wang和Glenn M.Tom的美国专利No.6,089,027(2000年7月18日公布)和美国专利No.6,101,816(2000年8月15日公布)，描述了一种流体储存和气体分配系统，它包括储存和分配容器，用于保存流体，如加压流体，其蒸气组成要分配的流体，或压缩气体。所述容器包括连接到分配组件的出口。所述分配组件可以是各种形式的，如包括阀头，所述阀头包括分配阀和从所述容器选择排放气体的出口。
在Wang等的系统中，流体压力调节器与出口配套，并设置在，例如上述分配阀，分配气流控制装置的上游。所述流体压力调节器最好至少部分位于容器内部，最优选完全设置在容器内，以使在使用中受冲击和暴露环境的可能性最小，及在出口使用单一焊缝或接缝，以密封容器。
调节器是设定在预定压力的控制装置，以便在这样的压力下从气缸分配气体。在上述流体贮存和分配系统的一个实施方式中，利用设定点调节器，在容器中安装前预设为单一的定点。取决于分配条件和从容器放出气体的模式，压力设定点可以是超大气压力，低于大气压力或大气压力。容器可以任选含有对容器中包含的流体具有吸附亲合力的物理吸附材料。
这种“在瓶中的调节器”设计，包括使用双级(或多级)的流体压力调节器的构造，可任选带有颗粒过滤器组件，，，可提供有效的装置和方法，用于贮存和分配高压容器中装的液体和气体，例如约在约50-约5000psig(磅/平方英寸)。在储存和分配容器的内部体积中方便地设置设定压力调节器，在流体分配操作中，用它有效地调节来自内装流体的排放气体的压力和流量。
调节器设定点压力一般低于50psig。因为所述容器密封使用，所以不能够在进行分配操作时，精确测量在容器中剩余的流体。
因此，虽然“瓶中的调节器”流体贮存和分配系统提供一种在工业过程应用中分配各种类型流体的安全有效的装置，但是更希望提供一种能够测量贮存和分配容器内流体内部压力的装置和方法。
这样的内压测量能够迅速确定容器中流体的容量和接近容器排空的程度，但是，在容器口的调节器的固定设定点妨碍在容器外直接测量容器内部流体的压力。虽然可以在容器的内部容积中设置传感器或转换器组件，但是为了起作用，这样的组件必须与外部监视装置连接。因此这又需要在容器的阀头中的引线，这要求无泄漏密封，并形成作为容器可能失败的模式的另外的泄漏路径。
在不存在测定流体贮存和分配系统的密封容器中的流体内压的任何装置或方法时，使用者存在相应的担心，即，对于给定消耗流体的操作，容器可能未充满或溢出。
也有这样的可能，即在容器的整个容量用完以前，使用者过早地从加工设备取下流体贮存和分配容器，以避免“耗干”，从而没有充分使用流体，浪费了在容器中流体的剩余部分。在很多昂贵的化学药剂的情况，如在半导体制造中使用的那些，这样的不充分使用造成严重的经济损失，这可能非常显著地影响使用分配流体的工业操作的利润。
另外，在没有监视容器内压，因此没有监视容器中流体量的可靠系统的情况下，如果仅在容器完全排空原始起始加料时，才更换流体贮存和分配容器，那么因为在加工系统中的容器耗干，会发生加工设备正常运行时间的重大损失。此时，系统必须闲置，以更换排空的容器。在使用多种流体供给容器同时向耗气工艺装置供给不同的气体的情况时，容器这样的无监视状态特别成问题。密闭容器中流体的意想不到的过早排空产生的供气中断，对使用流体贮存和分配系统的整个加工设备的效率和效益造成重大的负面影响。
在现有技术上中的重大进展是提供一种非侵入监视装流体的密封容器内压的装置和方法，适合与美国专利No.6,089,027和6,101,816中描述的流体贮存和分配系统配合使用。
本发明概述
本发明涉及一种非侵入式监视装流体的密闭容器的内压系统，例如贮存和分配系统，包括用于制造半导体中提供流体的密封装流体容器。
在一个方面，本发明涉及流体密闭系统，包括：
容器，构造和设置用于在其中持留流体，并在系统工作或使用中从容器排放流体；
这样的容器包括容器壁，其具有与容器中内装流体接触的内表面和外表面；和
压力监视器，包括设置在外表面的应变响应传感器，在从容器排放流体时输出压力指示响应，其中容器中的流体压力随这样的排放相应地改变。
在本发明一个实施例中，输出的压力指示响应是所述装流体容器的器壁的应变(或变形)。容器装的流体的压力在容器的器壁上施加应力，结果引起器壁的应变/变形。
根据本发明器壁的最终应变/变形由传感装置测定，如电阻应变仪、压电元件、应变敏感比色元件或含有潜在应变化学试剂的应变敏感矩阵变换电路。
在本发明实施中，使用的优选应变测定装置是电阻应变仪表组，它包括一个或多个应变测量格栅。应变测量格栅经受与器壁相同的或成比例程度的应变/变形。从而，在应变测量格栅中的电阻改变能够监视应变和变形，相关地输出表示容器中压力的信号。
在本发明优选实施方式中，为了准确测定和测量上述应变测量格栅的电阻改变，配置惠斯登桥接电路。惠斯登桥接电路结合应变测量格栅，实现电路的电压平衡。无论应变测量格栅的电阻由于应变何时改变，即使是很小程度的改变，电路的平衡被打破，能够测量出与相关应变成比例的产生的电压差。
能够以任何适当的方式多样化地配置该惠斯登桥接电路。例如，所述惠斯登桥接电路是能结合单个应变测量格栅和三个标准非测量电阻器的类型；另外，它也能够结合两个在相邻桥臂中的应变测量格栅和两个标准非测量电阻器。在一个优选的构造中，惠斯登桥接元件包括“完整的桥构造”，其中这个桥接电路的所有四个电阻器是有源应变测量格栅。另外，为了改进灵敏度、准确度和可靠性，可以使用多个(多余的)传感器的配置，它包括但不限于，热敏电阻器和放大器组件。
在另一方面，本发明涉及流体贮存和分配装置，它包括：
流体贮存和分配容器，它封闭持留流体的内部容积，其中容器包括从其排放流体的流体排放口；
压力调节组件，它设置在流体贮存和分配容器的内容积中，使流体在分配流体的设定压力流过它到达流体排放口；和
压力监视器，包括设置在容器外表面上的应力响应传感器，在流体从容器排放时输出表示压力的响应，其中在容器中的流体压力随排放相对应地改变。
本发明的另一方面涉及，一种在使用或操作涉及从容器排放流体时监视流体压力的方法，所述方法包括步骤：
在容器壁上测定应变；和
产生与所述容器测定的应变相关的表示容器中流体压力的输出；
本发明的另一方面涉及流体控制的方法，所述方法包括步骤：
将流体限制在流体贮存和分配容器中，所述容器包括持留流体的封闭内容积的器壁，其中容器包括从容器排放流体的流体排放口，和在流体贮存和分配容器的内容积中的压力调节组件，这样设置以在分配流体的设定压力下，使流体流过它并到达流体排放口；
测定的所述器壁的应变，它表示容器中流体的压力；和
产生与所述器壁测定的应变相关的表示容器中流体压力的输出。
从以下的公开和所附的权利要求中，本发明的其它方面、特征和实施方式更加全面地一目了然。
附图简述
图1是根据本发明实施方式的流体贮存和分配装置的正视图；
图2是图1装置的压力监视器的应力响应传感器元件的前视图；
图3A是本发明另一个实施方式的流体贮存和分配系统截面正视图，示出其内部结构细节，包括在容器内设置的压力调节器；
图3B是本发明另一实施方式的流体贮存和分配系统的截面正视图，示出容器内的物理吸附材料；
图4A是在壁上带有内压应力的薄壁缸的示意图；
图4B是由于内压施加的应力，图4A的薄壁缸的侧壁上产生轴向和径向应变的示意图；
图5是根据本发明一个实施方式的单一应变测量格栅的正视图；
图6是惠斯登桥接电路示意图；
图7是对于配有包括单一应变测量格栅的应变仪的装流体的容器，作为时间函数的压力转换器和应变仪读数的曲线图；
图8是对于配有由四个应变测量格栅组成的完整桥接应变仪的装流体的容器，作为时间函数的压力转换器和应变仪值的曲线图；
图9是根据放置在流体容器外表面上三个不同位置的三个应力响应传感器的测量值，作为内容器压力(以psig)函数的测量的应变的比较曲线图；
图10是应变响应传感器的内部容器压力的周期性测量曲线，其中内部容器压力从大气压(设定在0psig)连续递增100psig增加到1000psig，然后连续递减100psi回到大气压；
图11是根据本发明一个实施方式，一种流体贮存和分配装置的正视图，所述的装置具有围绕其环绕装配的环形带，其中两个电阻应变仪元件紧密地连接在所述的环带上；和
图12是根据本发明另一个实施方式，在外表面上装配安全带型带件的流体贮存和分配装置正视图，该安全带型带件包括环和长形条组件。
本发明和其优选实施例的说明
本说明全文参引授予Luping Wang和Glenn M.Tom的题为“流体贮存和气体分配系统”的美国专利No.6,101,816(2000年8月15日公布)，授予Luping Wang和Glenn M.Tom的题为“流体贮存和气体分配系统”的美国专利No.6,089,027(2000年7月18日)，和授予GlennM.和James V.McManus的题为“气体氢化物、卤化物和金属有机V族化合物的贮存和分配系统”美国专利No.5,518,528(1996年5月21公布)。
见图，图1是根据本发明实施方式的流体贮存和分配装置10的截面正视图。
流体贮存和分配装置10包括贮存和分配容器12，它包括长的圆柱形侧壁，所述的侧壁与底部16共同封闭容器的内容积。侧壁和底部可以由任何适当的结构材料制造，例如金属、不透气的塑料、纤维树脂复合材料或诸如带镍衬里的碳钢等复合材料，所述的材料要适合在容器中要装入气体，装置的最终使用环境和在贮存和分配使用中容器中保持的压力水平。
在它的上端，容器的特征是具有颈部14，它形成由颈部14内壁限定的开口。内壁可以是带螺纹的，或为互补构造以便在其内缠绕式(matably)接合阀头20，所述阀头包括阀体22，它有互补的螺纹或其它构造以与内壁紧密接合。
以这样的方式中，阀头20与容器12无泄露接合，在希望的贮存条件下在内容积中持留流体。
在阀头本体22中形成有通道，用于分配来自容器12中的流体，这样的流体分配通道与流体排放口28连通。如图所示，流体排放口28通过接头30连接到流体供应导管32。流体供应导管32又构成流体流动环路的组件，所述环路将流体贮存和分配装置10与如半导体制造工具的流体消耗过程连接。
阀头本体22包括流体注入口24。图中的注入口用封闭件26盖上，在用流体注入容器12后以防止注入口被污染或损坏。
阀头本体含有与手轮34连接的阀件，用于选择地手动打开阀，以使气体通过在阀头中的流体分配通道，从容器12到达体排放口28，或另外用于手动关闭阀以中止从流体分配通道向流体排放口的流动。
可以提供用于自动打开和关闭阀头中阀的自动阀执行机构，如气动阀执行机构、机电阀执行结构或其它适当的装置，以代替手轮阀的驱动件。
阀头本体22与流体调节器组件(图1未示出)连接，流体调节器组件位于调节器的内容积中，使从容器12排放的流体流过内置的调节器，然后通过阀和阀头22中相关的流动通道，到达流体排放口进入管线32。因此，当在打开阀头中的流动控制阀时，通过在容器10中调节器的压力设定点确定的压力下，分配在流体贮存和分配装置10中的流体。
在流体贮存和分配容器12中的流体可以是，在任何适当的流体存储条件下任何适当的流体介质，如高压气体或液体，，在内流体压力调节器确定的设定点压力下作为要分配的流体。例如，流体可以是高压气体、或液化气，例如压力约50到5000psig或更高。
在特定实施方式中，在本发明的流体贮存和分配容器中装的流体包括用于半导体制造操作中的氢化物流体。这类氢化物流体的例子包括：砷化氢，磷化氢，锑化氢，硅烷，氯硅烷和乙硼烷。能够在容器中贮存和从容器中分配的在半导体制造操作中使用的其它流体，包括但不限于，在半导体制造操作中作为卤化物蚀刻剂、清洁剂和源试剂的酸性气体，例如氢氟酸、三氯化硼、三氟化硼、氯化氢、卤代硅烷(如SiF4)和乙硅烷(如Si2F6)等。
图1的贮存和分配容器12的内容积在容器用要分配的流体填充前能够处在空的状态。另外，容器的内容积也能够包含吸附材料以便从容器中贮存的流体中除掉杂质和污物，或吸附地保存贮存的流体以便随后在分配操作时将流体释放出来(脱附)。
图1的容器12的器壁外表面安装压力监视器36，它包括传感器模块38和显示模块40。传感器模块38包括应力响应传感器，它通过测定作为容器内容积中压力函数的器壁的机械应力或变形，从而测量容器的内容积中的压力。
本文中，关于应变仪传感器可操作连接的器壁的术语“外表面”一词，应广义地理解为包括任何的表面，它显示出可测量的响应容器压力改变的应变或变形，并使相关的应变仪传感器能够提供与容器中流体压力相关的信号。
容器中装的流体在器壁上施加的内压，引起器壁的机械应变或变形。通过监视所述壁的应变和相关地产生表示容器中流体容量压力的输出信号，从而测量这样的内部流体压力。然后，表示压力的信号能被转换成容器中的流体的真实压力值。下面更透彻地说明，在薄壁容器的器壁上的压力诱导的应变机制和其与施加压力的定量关系。
能够用各种应变响应传感器配置监视容器壁的压力诱导的应变，使用各种应变测量技术，其中包括但不限于：电阻应变仪；压电元件；提供比色压力水平指标的应变敏感比色带；含有填充有化学试剂微球的应变敏感矩阵变换电路，其基于微球应力诱导破裂时可引起比色改变的化学反应。
本发明的优选实方式中，所述应变响应传感器包括电阻应变仪组件。图2是电阻应变仪传感器200的正视图，可以商业获得如从美国马萨诸塞州Canton市BLH Electronics公司制造的BLH Type FAE4-A6257J-120-S6EL应变仪。这种传感器的优点是尺寸小，长度和宽度约为0.25英寸。本发明的特定实施例中使用的其它商业可获得的电阻应变仪传感器包括：马萨诸塞州Marlboro市的Hottinger BaldwinMeasurements公司制造的HBM Type 1-LY11-6/350应变仪。
图2示意类型的传感器用于图1类型的压力监视器组件36中，其包括传感器模块38和显示模块40。传感器模块38(图1)包括电阻应变仪传感器元件200(图2)，和显示模块包括输出组件，如提供具有“视力读出”传感器测定的压力水平能力的显示元件；相关的集成电路可操作地与传感器和显示元件和电源连接，如电池或其它电化学电源、光电电池或其它电源组件。
显示模块也能够，任选地或另外包括射频应答器系统，用于向远距离位置传输传感器模块的压力读数。在一个特定实施例中，这样的应答器系统包括连接到各自单个流体容器的多个发射机，用于传输作为射频信号的每个单独流体容器的压力数据。应答器系统也包括在远距离的一个或多个接收机，用于接收发射机传送的射频信号。
这样的接收机可与用于中心数据收集和分析的计算机化的信息系统的计算机终端连接。这样的信息系统可包括带有多个计算机终端的计算机网络，即互联网、局域网宽域网，与万维网或本领域的普通技术人员所知的其它网络相连的计算机网。每个计算机终端能够连接到一个或多个接收机上以收集关于各流体容器内压的输入数据。这样的以网络为基础的信息系统设备通过协调在多个远距离位置的存量控制可促进系统存量监视和管理。
另外，这样的接收机也可以连接到个人数字助理，或其它的小型数据收集和管理设备。
应答器系统也可包括独立的数据解释和分析的微处理器和数据输出的显示装置。这样的微处理器也可以在它的存储器中存储每个特定容器的识别信息，这样使用多个上述容器的半导体制造工厂和其它设备中的工作者能够用每个情况下的容器标识，接收在该设备中任何数量容器每个的实时信息。这样的容器标识包括条形码，或可确定与给定压力度数相关的容器的其它标记。
接收机装置，和/或在监视组件中的显示器，也可以包括具有推断在被监视容器中所包含流体压力下降能力的硬件/软件，以提供容器剩余使用时间(到其中流体加料的排空)的读数或其它输出数据，估计的排空日期/时间，或在推断的流体耗用速率下的需要更换等。
任选，附加或另外地，这样够监视组件以提供具有视力、声音或其它可触知特征的表示预定的接近容器排空情况的报警输出。作为一个说明的例子，报警能够是在容器接近80％排空时，以第一重复间隔声音报警，和在容器接近95％排空时，以第二重复间隔的第二声音报警(相同或不同的频率/音调)。
这样设置包括应变传感器的压力监视组件，以连续监视其上可操作地连接监视组件的容器。另外，这样设置应变仪传感器，以间歇或周期性地读出容器压力使监视组件耗电量减少到最小。
图3A是根据本发明另一个说明性实施例的流体贮存和分配系统300的截面正视图。系统300包括通常的圆柱形流体贮存和分配容器302，在它的下端圆柱形侧壁由底部件306封闭。在容器的上端上是颈部308，它包括限定和约束容器顶部开口的圆柱环310。如图所示，由此容器壁、底部件和颈部封闭内容积328。
在容器颈部上，阀头组件314的螺纹塞312与环310的内螺纹开口螺纹接合。阀头组件314包括中心流体通道320，它与阀头组件中的中心工作空腔流体连通。中心工作空腔又连接到出口324，出口324可以是外螺纹或其他结构以固定与其相连的连接器和配套的管件、导管等。
在中心工作容积空腔中设置阀件322，其与在图示的实施例中的手轮326结合，但是另外可结合自动阀执行机构，或其它的控制器或驱动装置。
阀头组件314特征也在于阀块中，连接到过压安全阀318并与容器内容积328连通的排出通道316，用于泄放容器中严重的过压。
在阀头组件314中的中心流体流动通道320在下端连接到连接器流管330，后者又连接到调节器332。设定调节器以保持选定的从容器排放的流体压力。
在调节器下端连接管接头336。管接头336例如通过对焊连接到其下部极端具有扩散器端帽331的扩散器单元334。扩散器单元可以由不锈钢制造，其壁由烧结的不锈钢如316L不锈钢制造。扩散器单元具有壁空隙以从系统除去比预定直径大的所有颗粒，例如以30标准升/分气流速度从系统中除去比0.003微米直径大的所有颗粒。这类过滤扩散器单元可以从Millipore公司(马萨诸塞州，Bedford)以WAFERGARD商标商业可获得。
在使用中，在容器302的内容积328中装入适当的流体试剂，例如高压气体或液化气，或另外在具有气体吸附亲合力的物理吸附剂上吸附保留的可吸附气体，其中内容积装有适合的固相物理吸附材料的床。
流体压力调节器332被设定到选择的设定点以在阀头组件314中的阀打开时，使分配的流体流动，流体流过扩散器单元334、管接头336、调节器332、连接器流动管330、阀头组件314中的中心流体流动通道320、中心工作容积空腔和出口324。
如在本发明给定的最终使用中希望和要求的那样，阀头组件可以连接到其它的管线、导管、流动控制器、监视装置等。
在圆柱侧壁304的外表面上安装根据本发明的压力监视组件340。这个压力监视组件能够以任何适当的方式制造，参考如图1和2描述的方式，在流体贮存和随后的流体分配操作时，进行操纵以动态监视容器302内的流体压力。
图3B是本发明另一实施例的流体贮存和分配系统380的截面正视图。流体容器362包括壁346，它封闭容器内容积352并在其中包含物理吸附材料350。流体容器362的上端连接到阀头364，阀头364与手动执行机构366连接用于打开和关闭所述阀头。有利的是提供多孔的烧结管360，或其它带孔的或其它气体可透过结构用于防止分配的流体中夹带从吸附材料床来的固体颗粒。
压力监视组件370安装在器壁346的外表面上。一般来说，这样的吸附材料填充的流体容器的内压约在或低于大气压，从约1乇到约1000乇。因为本发明的压力监视组件，即使当在内压降低到低水平时，也能够高度准确地测容器内压，所以这样的压力监视组件对于改进上述的吸附材料填充的流体容器的压力监视的准确性特别有用。
图4A示意说明内流体压力如何在薄壁圆柱流体容器400的侧壁上产生变形力。
“薄壁圆柱容器”在此是指具有小于截面半径十分之一的容器壁厚的任何圆柱形容器。
例如，流体容器可以是大致圆柱形的，与容器的截面半径比壁厚很小。在测定容器中内压和由该压力在器壁上产生的应变之间的定量关系中，能够方便地用薄壁圆柱流体容器近似这样的容器。
在薄壁气缸400中的流体压在两个方向给这样的气缸壁施加变形力：纵向402和圆周向(径向)404。
图4B是与容器内压相关的上述变形力在薄壁气缸400上产生的应力和应变示意图。由内压施加的纵向和圆周向力在两个方向在气缸400的壁上引起应力：在方向412的轴向应力(σax)和方向414的径向应力(σrad)。
能够根据以下方程式，对于一套给定的气缸尺寸、材料性能和内压，可定量确定薄壁气缸的轴向应力σax和径向应力σrad：
σax＝pr/2t
σrad＝pr/t
其中p是内压，r是圆柱气缸的内表面和外表面的内外半径的平均值，和t是圆柱气缸壁的厚度。因此，气缸中存在两种主要的应力状态，该状态被称为双轴应力状态。
应力的施加在弹性材料中引起应变或变形。在所考虑的圆柱气缸中，轴向应力σax引起在圆柱气缸壁上的轴向应变(εax)，使得圆柱气缸壁变得更长，径向应力σrad引起径向应变(εrad)，增加该圆柱气缸壁的直径。根据虎克定律，基于下面的方程式，已知相应的应力能够计算轴向应力(εax)和径向应力(εrad)：
εax＝σax/E-υσrad/E
εrad＝σrad/E-υσax/E
其中υ是圆柱气缸壁材料的泊松比(Possion)，该比值等于压力改变引起施加的应力的垂直方向的横向应力与该施加的应力相平行的纵向应力的比，E是圆柱气缸壁材料的弹性特征模量等于，向容器壁施加的应力量与在容器壁中的产生的应力之比。对于特定的圆柱气缸壁材料，υ和E是已知的常数。
用上述两组方程式，如下能将圆柱气缸壁上的轴向和径向应力容易地表达为该气缸内压的线性函数：
εax＝pr(1-2υ)/2t E
εrad＝pr(2-υ)/2t E
本发明用应变响应装置定量测定和/或测量在容器的壁上的应变响应。得到的数据用于反向计算在容器壁上的内应力量。如上所述，通过任何适当的装置能够测量应变响应，包括但不限于，电阻应变仪、压电元件、应变敏感比色仪和含有应变响应化学试剂的应变敏感矩阵变换电路，。而且，用于测量应变响应的仪器能够对应用于测量的流体容器的全压力范围进行预校准，这样这些仪器的读数直接表示内压力值。
本发明的一个优选实施例使用测量容器壁应变响应的电阻应变仪。在这方面，应看到在本发明的广泛实施中使用多种不同的其它应变响应测量装置是有利的。
一个优选的电阻应变仪包括一个和多个应变测量格栅，它们能够紧密地(例如接触地)连接到流体容器的外壁上。通将该应变测量格栅紧密接触连接到流体容器壁外表面上，应变测量格栅将经受与容器壁相同程度的应变，即，这些格栅的应力等于流体容器壁的应力。
应变测量格栅具有起始已知电阻R0(在应变测量格栅固定到流体容器外表面之前)。当应变测量格栅固定到容器壁时，它经受应力(ε)，即，基本上是它长度的改变量(ΔL)除以起始的长度(L0)，将相应地引起电阻成比例的改变(ΔR)。然后，用下面的方程式表示装置的应力和电阻之间的关系：
ΔR/R0＝K×ΔL/L0＝K×ε
其中K是应变测量格栅的应变仪的系数。
当在该应变测量格栅固定到平行于轴向应力方向的流体容器的外表面上时，所述装置经受的对应的应力是轴向应力σax，装置的电阻改变与εax成正比，如果该应变测量格栅固定到与径向应力平行方向的容器表面上时，相应的应力是径向应力σrad，也引起成比例的电阻改变；如果该应变测量格栅固定到任何其他方向，它经受的应力是轴向和径向应力的结合，该应例是容易确定的。
应变测量格栅的电阻改变与固定其的容器壁的应变线性相关，并且应力表示容器内流体的压力，因此该应变测量格栅的电阻改变也表示容器中流体的压力。
图5是在本发明实施中可以使用的应变测量格栅500的正视图，如商业可获得的马萨诸塞州，Malboro的Hottinger BaldwinMeasurements公司的HBM Type 1-LY11-6/350 Strain Gauge。
所述的应变测量格栅优选包括导电层510和基材层512。该导电和材曾可包括任何适当的本领域的普通技术人员熟知的导电材料和基材，基于本公开本领域的普通技术人员能够根据操作环境和条件，例如容器中的流体性能、器壁的材料的性能、操作温度及使用的电阻测量装置的敏感性等选择希望的材料而不需要额外的试验。
优选这样的导电层包括金属或合金，所述的金属或合金在周围温度波动时其电阻仅有小或不大的改变，从而消除或使由于温度波动造成所述应变测量格栅测量中的电位偏置减少到最小。
更优选这样的导电层由以合金的总重量计含有重量45-60％铜和40-55％镍的铜镍合金(如康铜合金)制造。
该应变测量格栅的基底材料层优选包括具有适当耐高温和良好弹性的材料，这样使它的物理性能当在操作温度突然变化时不会有明显的改变，并且所述格栅能够与固定它的器壁同步伸展或收缩。在优选实施例中，这样的基底材料包括聚酰亚胺。
本发明的电阻应变仪组件也包括测量或监视该应变测量格栅电阻改变的装置。可使用各种常规设备测量或监视所述的电阻改变。
在本发明优选实施例中，电阻应变仪组件包括惠斯登桥接电路，它包含上述的以高灵敏度和准确度测量其电阻改变的应变测量格栅。
图6是包括四个电阻R1、R2、R3和R4的典型惠斯登桥接电路600的代表性示意图。在图6示意的点A和C上施加已知固定电压Vs。预设电阻器R1、R2、R3和R4的起始电阻值，使它们彼此具有由下面方程式表示的的关系：
R1′/R2′＝R4′/R3′
在此R1′、R2′、R4′和R3′分别是电阻R1、R2、R3和R4的起始电阻值。在这个配置中，惠斯登桥接电路平衡，因为在点B和D之间没有电位差，所以在点B和D测量的电压V0等于零。然后，无论何时电阻R1、R2、R3和R4中一个的电阻改变，惠斯登桥接电路的平衡就被打破，即在点B和D之间的电位不再相等，在这两点测量的电压V0偏离零，该偏离与所述特定电阻器改变的电阻成正比。
因此，本发明的一个实施例使用包括三个标准非测量电阻器和一个应变测量格栅的惠斯登桥接电路，所述应变测量格栅的电阻随其受到的应力而波动。该应变测量格栅电阻的波动由测量电压V0的改变所反映，并因此能够计算。
但是，仅使用一个这样的应变测量仪，因为忽略了温度波动对这个测量的影响，获得的测量可能不稳定和偏移。波动的温度在两个方面影响应变测量格栅的测量。第一，增加温度引起固定测量格栅的流体容器壁和测量格栅本身膨胀。该膨胀表示容器中内压的改变，但是它应作为温度偏移反映在测量格栅的测量值中。第二，当温度上升时，虽然流体容器壁和应变测量格栅本身都膨胀，但是热膨胀系数的不可避免的差异导致格栅和器壁的不同的膨胀率，其结果引起不准确的测量。
为了校正可能的温度影响，本发明的另一个实施例使用半桥配置，它包含两个测量格栅。一个测量格栅(“格栅A”)靠近要测量的流体容器安装，因此既受容器壁的应变影响也受温度改变的影响。另一个测量格栅(格栅B)，置于与使用的测量格栅A相邻的位置，受到与格栅A相同程度的容器温度改变的影响，但是，格栅B松散地安装在流体容器上，例如仅在一端上固定，因此不受流体容器应变的影响。结果，由于温度波动引起的格栅A电阻值的相对改变由格栅B的电阻改变校正，，但格栅B不影响真实应力引起的格栅A电阻值改变的那部分，得到的测量值仅反映出由于真实应力引起的改变。
本发明的另一个实施例用惠斯登桥接电路的全桥配置。这样的全桥配置包含四个应变测量格栅。四个应变测量格栅中的仅一个(格栅A)以这样的方式安装到流体容器以受到与流体容器壁同步的变形。其它三个应变测量格栅在格栅A的附近紧密布置，这样使它们受到与格栅A相同程度温度改变，因此校正任何的温度波动。但是，这三个应变测量格栅松散地安装到流体容器，不受器壁应变的影响。因此，得到的测量值是“过滤”的结果，仅反映由于器壁的真实应变引起的电阻改变。
图7是包括单个应变测量格栅的HBM单仪测量的过夜压力测量值曲线，测量力压预设定约为100psig。使用压力转换器表示流体容器的实际内压。与该应变测量格栅一起使用三个标准非测量电阻器以形成完全惠斯登桥接电路。
如图7所示，该单个应变测量格栅的应变测量值，在测量值仍近似于应变真值开始的三个小时当中显示出波动。在三小时后，测量值分散与流体容器壁应力的相关性更低。
图8是测量压力与图7的相同时，全桥配置的BLH应变仪的过夜压力测量值曲线。使用压力转换器表示流体容器的实际内压。全桥配置的应变仪测量的应变具有明显提高的准确度和稳定性，该应变仪的测量值使波动温度的不利影响降低到最小，准确表示外部固定它的流体容器的内压。
在被监视的容器的热环境是等温特征的情况时，单个应变测量格栅应变仪用于容器压力检测是有利的。如果容器处于温度波动为特征的环境中，则希望使用半桥或全桥应变仪。
可将电阻应变仪组件，或包括该组件的压力监视器固定到流体容器的外表面上任何适当的位置。优选选择的位置便于在容器上安装应变仪。在一个实施例中，容器壁制造得在应变仪固定区域比较薄。因为在给定内压下，器壁应力和应变特征与器壁厚度负相关，所以将应变仪固定在器壁较其它地方薄的位置，这样当内压改变时将产生相对较强的(应力改变)输出。
参考图3，流体容器302的器壁确定为包括三个部分：圆柱形侧壁304(以下称“侧壁”)，底部件306(以下称“底部”)和容器上端的颈部304(以下称“顶部”)。特征的是典型气体缸的侧壁上的器壁厚度比底部或顶部上的器壁薄，侧壁具有固定应变仪的相对较平坦的表面。因此，应变仪装在流体容器的侧壁上是有利的。
图9是基于分别在流体容器侧壁、容器的底部和容器的顶部上外面布置三个独立的应变响应传感器获得的应变测量值，作为容器内压(以psig)函数的测量的应变响应曲线。对于相同量的内压改变，在容器侧壁上设置的应变响应传感器经受较大的应变改变，因此输出较强的压力表示信号。
应变仪可以直接安装到流体容器的外表面上。因为应变测量格栅必须与器壁同步经受应变，所以在应变测量格栅和流体容器的器壁之间的正确的对准和均匀接触对于应变和内压准确测量是很重要的。
可用任何各种方法在开始时处理容器的外表面以形成应变仪格栅的适当的固定区域。例如用金属锉刀除去在该外表面上可能存在的任何油漆、凹凸不平或锈蚀。在应变仪的固定区域上，在外表面被因此处理的相对均匀一致后，可以用细砂纸或Scotch-Bright(商标)垫将其抛光，去掉金属锉刀留下的任何划痕以形成镜面似的表面。这样的表面能够进一步用清洁剂清洗以清除任何留下的油污或金属屑。
为了正确地将应变测量格栅与处理的流体容器外表面对准，可在该容器的外表面上刻划参考线，可以将一片带子放到格栅上以松散地将格栅置于其应有的位置上，以便能进一步调节对准。可以在与容器外表面直接接触的格栅侧面上施加应变仪粘结剂，从而使应变测量格栅牢固地固定到容器的表面。这些应变仪粘结剂可以是普通的空气固化粘结剂。一般来说，通过约三小时加热到约350°F的高温能够实现粘结材料的完全固化。
但是在这情况中，因为容器搬运是一件笨重的工作因此后勤是困难的，所以这样的加热要求给处理带来了困难。流体容器的脆弱部分，如阀头和调节器组件不能够经受这样的加热，其会引起这些部件严重损坏。因此，应在容器组装前，安装应变仪和进行粘结剂的固化。而且，如果应变仪故障，必须在分解流体容器和脆弱的部件取下后进行替换。流体容器拆卸不仅费时，而且由于在拆卸后阀和容器上螺纹的磨损增加了系统故障的可能性。
因此，作为将应变仪永久粘结结合到容器壁的替代方法，可以使用可拆装式的夹具以可拆装地将这些应变仪夹紧在容器壁上。这消除了为了更换应变仪而拆卸流体容器的必要。
而且，所述应变仪能够间接地固定到容器上。具体地说，可以用粘结剂将应变仪紧密永久地安装到弹性带件上，这样的带件在围绕容器周围可拆装地安装。当由于内部流体压力改变容器受应力或变形时，这些弹性带件成比例地伸长或变形。在这些弹性带件上安装的应变仪相应地经受与流体容器壁所受应力成比例的应力改变。因此，应变仪仍能够通过弹性带件相应的变形测量流体容器的应变。
可以用任何适当结构材料如金属或合金，或另外的聚合物材料制造弹性带件。
如图11所示，应变测定组件可包括流体围绕容器外表面环绕安装的环。流体容器700包括圆柱容器体710和阀头712。通过调节校准螺丝714，围绕容器体710紧密安装弹性聚合物环716。应变仪718永久地安装在聚合物环716上。当由于内部流体压力升高圆柱形容器体710膨胀时，弹性聚合物环716在径向以相同或成比例的量膨胀，随后由应变仪718进行测量，作为由于内压改变引起的流体容器壁经受的径向应变的指示。
弹性带件也可既包括环也包括长形条以形成安全带型的结构，如图12所示。流体容器800包括圆柱形容器体810和阀头812。弹性带件包括长形条824，顶部环822，中部环816和底部环826。环和长形条彼此交叉，在它们的交叉处，在弹性带中反映出流体容器经受的径向和轴向应变。因此，通过机械紧固件820在弹性带的两个交叉处安装应变仪818，这样应变仪818能够既测量流体容器800经受的径向应变又测量轴向应变。当需要替换多个应变仪中的任何一个时，通过松开校准螺丝814能够容易地从流体容器体810取下中部环816。
包括应变仪的压力监视器可包括将其传感器模块测量的电阻值的相对改变转换成容器内压的直接表示的装置。例如，如果对于“满”的容器状态和相关的压力，起初校准电阻应变仪传感器模块，那么电阻值的改变能够，通过在压力监视组件的显示模块的逻辑单元(其集成电路)中的适当信号处理，被转换成输出信号。这种设置提供直接表示内压值的输出。
本发明的应变响应传感器在封闭容器中的从其中排放流体时，提供解决监视该封闭容器流体压力问题的一种经济有效和容易实施的方案。
本发明公开的电阻应变仪组件能够测量很宽范围的容器内压，从约几个psi的大气压以下的压力到通常高压气缸典型的高达几千psi的压力。
而且，即使当内压降低到常规压力测量装置逐渐变得更容易误差的低水平(如50psig)时，电阻应变仪组件仍具有高水平测量准确度(如±1psi)。
本发明的应变仪设置在可用于具有“瓶中调节器”构造类型的流体贮存和分配容器的应用中，如在上述美国专利No.6,089,027和6,101,816中的描述，其中容器压力的直接内部测量是不实际的，。
另外，本发明也可用于美国专利No.5,518,528公开的基于吸附剂的流体贮存和分配系统。它也可用于常规高压流体缸，并且上述的具体实施例和特征不应解释为是对本发明广泛可应用性的限制。
本发明的应变仪监视系统也能够用于测量，如颗粒过滤器，净化器和干式洗涤器的其它半导体加工设备的压力和压降。应变仪监视系统的发展消除了对增加污染敏感性、整个设备大小和吹扫要求的其它机械或电子监视系统的需求。在这些应用中使用外置应变仪监视系统可降低加工设备总体设置的成本和复杂性。
因此，本发明提供一种方便装置，它可测定随环境条件可变的压力下，装有流体的密封容器的内压；从容器分配流体的速度；内装流体的分解；内装流体与容器限制表面的反应，容器的壁的漏气等。因此，以简单经济和有效的方式，在容器贮存，运输和使用中，非侵入式地监视容器内容积中的流体压力。
参考下面的非限制性例子，可以更全面理解本发明的特征和优点。
实施例
在从0到1000psig的内压范围，评价用于监视内装流体容器内压的电阻应变仪组件的性能，以确定在该压力范围应变仪的响应。流体容器是JY SDS气缸(CT州，Danbury，Advanced Technology Materials公司)，流体是从高压气缸出来的氦气。
高压氦气缸和JY SDS气缸通过连通导管连接，所述的导管包括控制从高压缸到JY SDS缸流出的氦气压力的压力调节器，。压力转换器连接到JY SDS缸用于测量在这个缸内的气体实际压力以在测定由应变仪组件产生压力输出的准确度中提供参考数据。
在此例子中使用的电阻应变仪组件包括BLH Type FAE4-A6257J-120-S6E1应变仪，它是具有四个工作应变测量变格栅的全桥配置。由该应变仪产生的输出数据传输到HBM数字应变计，用以读出所述应由变仪测量的应变值。应变计对于满容器状态和相关压力而预先校准，这样应变值能够被放大以直接表示JY SDS气缸的内压。
JY SDS气缸的内气压周期性变化，从大气压(设定为0psig)，以100psig顺序递增到1000psig，然后以100psig顺序递减返回到大气压。
图10示出从电阻应变仪收集的压力测量数据曲线，和从压力转换器收集的基准测量数据。表示应变仪数据的线和表示压力转换器的线几乎重叠，从而表明在逐步增加和随后逐步降低压力时，应变仪测量准确地跟踪实际内压。
虽然参照特定的要素、特征和实施例说明性地描述了本发明，但是应意识到本发明不因此限制于这些结构和操作，而是应广义地解释为本发明与本说明公开是一致的，在所附权利要求的范围内，如理解各种改变、修饰和实施方式一样，其本身容易地暗示了本领域的普通技术人员。

Claims (36)

1.一种流体容器系统，其特征在于：包括：
容器，构造和设置用于在其中持留流体，并在系统操作或使用中从容器排放流体；
所述容器包括容器壁，所述的容器壁具有与容器内装流体接触的内表面和外表面；和
压力监视器，它包括设置在所述容器外表面的应变响应传感器，用于产生与容器中流体压力相关的表示压力的响应，从而当从容器排放流体时能够监视压力，并且容器中的流体压力随该排放相应地改变。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于根据下面的方程式，表示压力的响应与由容器中流体压力引起的容器壁的应变相关：
εax＝pr(1-2υ)/2t E
εrad＝pr(2-υ)/2t E
其中，
εax＝容器壁的轴向应变；
εrad＝容器壁的径向应变；
P＝容器的流体内压
r＝容器壁的内外半径的平均值；
υ＝容器壁的泊松比，其等于，与由压力改变引起施加的应力相垂直的横向应变与该施加的应力相平行的纵向应变之比；
t＝容器壁厚度；和
E＝容器壁的弹性模量，等于施加的应力与在容器壁中的产生的应变之比。
3.根据权利要求1的系统，其特征在于：应变响应传感器包括选自以下的组件：电阻应变仪、压电元件、应变敏感比色元件和含有应变活化的化学试剂的应变敏感矩阵变换电路。
4.根据权利要求1的系统，其特征在于：应变响应传感器包括电阻应变仪组件，包括：
一个或多个应变测量格栅，其中所述应变测量格栅包括：
金属或合金导电材料层，它基本不受周围温度波动的影响；和
在所述的导电材料层下的聚酰亚胺基体材料层，，它是耐高温和弹性的。
5.根据权利要求4的系统，其特征在于：电阻应变仪组件包括含有1、2或4个应变测量格栅的惠斯登桥接电路。
6.根据权利要求1的系统，其特征在于：压力监视器还包括：
将所述应变响应传感器的表示压力的响应转换成容器中流体压力定量值的装置；
电源；和
至少下列之一：
可视输出显示器；
声音输出显示器。
7.根据权利要求1的系统，其特征在于：这样构造和设置压力监视器以远距离输出压力监视数据，其中压力监视器连接到射频应答器上。
8.根据权利要求7的系统，其特征在于：射频应答器包括：
至少一个发射机，它连接到容器的压力监视器上，用于将应变响应传感器输出的表示压力的响应转化成射频信号；和
至少一个接收机，用于远距离接收发射机传送的射频信号。
9.根据权利要求8的系统，其特征在于：射频应答器还包括至少一个微处理器用于解释接收机接收的射频信号。
10.根据权利要求9的系统，其特征在于：射频应答器还包括显示装置，它连接到所述的微处理器上，用于显示由所述射频应答器传输的表示压力的响应，其中所述显示装置选自可视显示器和声音显示器。
11.根据权利要求10的系统，其特征在于：射频应答器系统包括连接到计算机化的信息系统的多个发射机，其中所述的计算机化的信息系统包括带有多个终端的计算机网络，其中每个终端接收来自至少一个射频应答器系统输入的数据。
12.根据权利要求1的系统，其特征在于：压力监视器位于容器的外表面的容器具有最小壁厚的位置。
13.根据权利要求1的系统，其特征在于：压力监视器由安装装置安装在容器的外表面，其中所述安装装置选自粘结材料和可拆装的夹具。
14.根据权利要求1的系统，其特征在于：压力监视器安装在带件上，所述带件可拆装地固定到容器外表面，其中所述带件包括选自如下的至少一个组件：
弹性材料；
环，它围绕容器外表面环绕延伸；和
长形条，它纵向安装到容器的外表面。
15.根据权利要求1的系统，其特征在于还包括：
阀头组件，它无泄漏密封地安装在容器上，其中阀头组件包括其中装有流动控制阀的阀头体，和用于打开或关闭所述流动控制阀的装置；
排放口；和
注入口。
16.根据权利要求15的系统，其特征在于容器包括在其内安装的调节器，这样使从容器排放的流体在通过阀头组件流体流动前，在由调节器组件的压力设定点确定的压力下，流过调节器组件。
17.根据权利要求1的系统，其特征在于：容器壁是由选自如下的材料制造的：金属、不透气的塑料、纤维树脂复合材料和上述的两种或多种的组合物。
18.根据权利要求1的系统，结合于流体流动进料，其与包括半导体制造设备的消耗流体的加工设备相关连。
19.根据权利要求15的系统，其特征在于用于打开或关闭所述流动控制阀的所述装置包括选自如下的组件：手轮、阀执行机构件、气动阀执行机构和机电阀执行机构。
20.据权利要求1的系统，其特征在于：容器装有选自如下的流体：液体，液化气和压缩气体。
21.根据权利要求20的系统，其特征在于：流体包括选自以下的氢化物流体：砷化氢、磷化氢、锑化氢、硅烷、卤代硅烷和乙硼烷。
22.根据权利要求20的系统，其特征在于：流体包括选自以下的酸性气体：氟化氢、三氯化硼、三氟化硼、氯化氢、卤代硅烷和卤代乙硅烷。
23.根据权利要求1的系统，其特征在于：容器装有对所述流体具有吸附亲合力的物理吸附材料，其中所述物理吸附材料能够通过压差脱附选择地分配所述气体。
24.根据权利要求23的系统，其特征在于所述物理吸附材料在约1到约1000乇的范围内的内压下贮存所述流体。
25.一种流体贮存和分配装置，包括：
流体贮存和分配容器，它封闭持留流体的内容积，其中容器包括从其排放流体的流体排放口；
压力调节组件，位于流体贮存和分配容器的内部容积中，以使流体在分配其流体的设定压力下流过该组件到达流体排放口；和
压力监视器，包括设置在所述容器外表面上的应变响应传感器，用于产生与容器中流体压力相关的表示压力的响应，从而在从容器排放流体时能够监视压力，并且容器中的流体压力与随该排放相应地改变。
26.根据权利要求25的装置，其特征在于：应变响应传感器包括电阻应变仪组件，它包括一个或多个应变测量格栅。
27.根据权利要求25的装置，其特征在于：压力监视器连接到射频应答器，用于远距离传输所述应变响应传感器的所述表示压力的响应。
28.一种在涉及从容器排放流体的使用或操作中，监视容器中流体压力的方法工作的，所述方法包括步骤：
在容器壁的外表面设置不受温度影响的电阻应变仪组件，测定所述容器壁的应变，它包括一个或多个应变测量格栅，所述格栅包括导电材料层；和
产生与所述容器壁的测定的应变相关的表示容器中流体压力的输出。
29.根据权利要求28的方法，其特征在于应变测量格栅还包括在所述导电材料层下的聚酰亚胺层基体材料，其中基体材料具有耐高温性和弹性。
30.根据权利要求28的方法，其特征在于电阻应变仪组件包括测量所述一个或多个应变测量格栅的惠斯登桥接电路。
31.根据权利要求28的方法，其特征在于还包括步骤：将与容器壁应变相关的输出转换成容器流体压力的定量值，其中所述输出可包括可视显示和声音的输出的一个或多个。
32.根据权利要求65的方法，其特征在于表示流体压力的输出选自：
远距离传输；
通过射频应答器传输，其中射频应答器包括：
至少一个发射机，它连接到容器压力监视器上，用于将应变响应传感器的表示压力的响应转化为射频信号；和
至少一个接收机，用于远距离接受发射机传输的射频信号。
33.根据权利要求67的方法，其特征在于容器直立向上，电阻应变仪组件安装在容器外侧的壁厚最小的位置。
34.一种流体控制方法，包括步骤：
将流体限制在流体贮存和分配容器中，所述容器包括封闭持留流体内容积的器壁，其中容器包括从容器排放流体的流体排放口，和在流体贮存和分配容器的内容积中的压力调节组件，用于在分配其流体的设定压力下使流体流过该组件到达流体排放口；
测定所述器壁的应变；和
产生与所述器壁测定的应变相关的，表示容器中流体压力的输出。
35.一种流体容器系统，包括：
流体容器结构；
所述流体容器结构包括壁，它具有与流体接触的第一表面和与流体不接触的第二表面，所述第二表面与第一表面由它们之间的壁厚分开；和
压力监视器，它包括应变响应传感器，置于所述壁的第二表面上的，用于输出与所述壁的第一表面接触的流体压力相关的响应。
36.一种监视由容器结构持留的流体压力的方法，所述结构包括壁，它具有与流体接触的第一表面和与流体不接触的第二表面，所述第二表面与第一表面由它们之间的壁厚分开，所述方法包括在所述第二表面上测定所述壁的应变，和输出与所述壁的第一表面接触的流体压力相关的响应。
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