CN206757417U - 质量流量控制器及流量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种质量流量控制器及流量控制系统，其包括流量检测单元、流量调节单元和控制单元，其中，流量检测单元用于检测流体的瞬时质量流量，并将其发送至控制单元；控制单元根据瞬时质量流量和预设的目标质量流量向流量调节单元发送控制信号；流量调节单元根据控制信号调节流体的质量流量。流量检测单元包括层流元件和压差检测单元，其中，层流元件用于使流经的流体处在层流状态；压差检测单元用于检测层流元件中的气体压力信号，并将其发送至控制单元；控制单元根据气体压力信号计算获得流体的瞬时质量流量。本实用新型提供的质量流量控制器，其具有温度漂移小、响应时间快、流量输出不受压力波动影响以及流体的进出口可以互换的优点。

Description

质量流量控制器及流量控制系统

技术领域

本实用新型涉及流量控制技术领域，具体地，涉及一种质量流量控制器及流量控制系统。

背景技术

质量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)用于对流体的质量流量进行精密测量及控制。它们在半导体和集成电路工艺、特种材料学科、化学工业、石油工业、医药、环保和真空等多种领域的科研和生产中有着重要的应用。

现有的质量流量控制器主要由分流器、热式传感器、流量调节阀、CPU以及控制电路板组成。其中，分流器和热式传感器组成流量测量模块，由该流量测量模块检测获得的流量模拟信号经过电路板上的信号放大调理、A/D转换，转换成CPU可处理的数字信号，并且CPU根据用户设定的目标质量流量，控制流量调节阀的开度，以使流体的质量流量与目标质量流量一致。

但是，上述质量流量控制器采用热式传感器检测流体的质量流量，该热式传感器是通过检测流经的流体的热量变化检测流量。由于温度变化缓慢，热式传感器的检测信号变化也比较缓慢，导致质量流量控制器的响应时间较长。此外，采用热式传感器的质量流量控制器还会存在温度漂移大、流量输出受到压力波动影响以及流体的进出口不能互换的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种质量流量控制器及流量控制系统，其具有温度漂移小、响应时间快及流量输出不受压力波动影响的优点。

为实现本实用新型的目的而提供一种质量流量控制器，包括流量检测单元、流量调节单元和控制单元，其中，所述流量检测单元用于检测流体的瞬时质量流量，并将其发送至所述控制单元；所述控制单元根据所述瞬时质量流量和预设的目标质量流量向所述流量调节单元发送控制信号；所述流量调节单元根据所述控制信号调节所述流体的质量流量，所述流量检测单元包括层流元件和压差检测单元，其中，

所述层流元件用于使流经的流体处在层流状态；

所述压差检测单元用于检测所述层流元件中的气体压力信号，并将其发送至所述控制单元；所述控制单元根据所述气体压力信号计算获得所述流体的瞬时质量流量。

优选的，所述压差检测单元包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器设置在所述层流元件的两端，用以分别检测所述层流元件的入口端压力和出口端压力，并发送至所述控制单元；所述控制单元计算所述层流元件的入口端压力和出口端压力的差值，并根据所述差值和所述入口端压力计算获得所述流体的瞬时质量流量。

优选的，所述压差检测单元包括压力传感器和压差传感器，其中，

所述压力传感器设置在所述层流元件的入口端，用以检测所述层流元件的入口端压力，并发送至所述控制单元；

所述压差传感器用于检测所述层流元件两端的压差，并发送至所述控制单元；

所述控制单元根据所述压差和所述入口端压力计算获得所述流体的瞬时质量流量。

优选的，所述层流元件包括管状安装座和设置在所述管状安装座中的多根分流直管，所述多根分流直管均沿所述管状安装座的轴向设置，并紧密排布形成管束。

优选的，所述多根分流直管围绕所述管状安装座的轴线紧密排布至少一周。

优选的，所述层流元件包括管状安装座和设置在所述管状安装座中的螺旋形微径管；

所述螺旋形微径管以所述管状安装座的轴线为中心，沿所述管状安装座的轴向螺旋缠绕而成。

优选的，所述流量调节单元设置在所述层流元件的入口端或者出口端。

优选的，所述质量流量控制器还包括通讯单元，所述通讯单元用于实现所述控制单元与上位机之间的信息交互。

优选的，所述控制单元包括微处理器、模数转换器和放大电路，其中，

所述放大电路用于放大来自所述压差检测单元的所述气体压力信号，并发送至所述模数转换器；

所述模数转换器用于将所述气体压力信号转换为数字信号并发送至所述微处理器；

所述微处理器对所述数字信号进行处理和计算，以获得所述流体的瞬时质量流量。

作为另一个技术方案，本实用新型还提供一种流量控制系统，其包括本实用新型提供的上述质量流量控制器。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的质量流量控制器，其流量检测单元包括层流元件和压差检测单元，其中，层流元件用于使流经的流体处在层流状态；压差检测单元用于检测层流元件中的气体压力信号，并将其发送至控制单元；控制单元根据气体压力信号计算获得流体的瞬时质量流量。由此，本实用新型提供的质量流量控制器是通过检测流体压力变化来获得流体的质量流量，具有温度漂移小、响应时间快、流量输出不受压力波动影响以及流体的进出口可以互换的优点。

本实用新型提供的流量控制系统，其通过采用本实用新型提供的上述质量流量控制器，具有温度漂移小、响应时间快、流量输出不受压力波动影响以及流体的进出口可以互换的优点。

附图说明

图1为本实用新型提供的质量流量控制器的原理框图；

图2为本实用新型第一实施例提供的质量流量控制器的原理框图；

图3A为本实用新型第一实施例提供的质量流量控制器的内部结构图；

图3B为本实用新型第一实施例采用的层流元件的结构图；

图4为压力检测原理图；

图5为本实用新型第二实施例提供的质量流量控制器的局部结构图；

图6为本实用新型第二实施例采用的层流元件的结构图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图来对本实用新型提供的质量流量控制器及流量控制系统进行详细描述。

图1为本实用新型提供的质量流量控制器的原理框图。请参阅图1，质量流量控制器包括流量检测单元1、流量调节单元3和控制单元2，其中，流量检测单元1用于检测流体的瞬时质量流量，并将其发送至控制单元2；控制单元2根据该瞬时质量流量和预设的目标质量流量向流量调节单元3发送控制信号；流量调节单元3根据该控制信号调节流体的质量流量，以使体的质量流量与上述目标质量流量一致，从而实现对流体的质量流量的闭环控制。

下面对本实用新型提供的质量流量控制器的具体实施方式进行详细描述。具体地，请一并参阅图2、图3A和图3B，流量检测单元1包括层流元件11和压差检测单元，其中，层流元件11用于使流经的流体处在层流状态。在本实施例中，如图3B所示，层流元件11包括管状安装座111和设置在该管状安装座111中的多根分流直管112，多根分流直管112均沿管状安装座111的轴向设置，并紧密排布形成管束，以满足测量不同流体的需要，例如，多根分流直管112围绕管状安装座111的轴线紧密排布至少一周。而且，可以通过改变分流直管112的根数和直径，来调节流量量程。

压差检测单元用于检测层流元件11中的气体压力信号，并将其发送至控制单元2；控制单元2根据该气体压力信号计算获得流体的瞬时质量流量。在本实施例中，压差检测单元包括第一压力传感器12和第二压力传感器13，二者设置在层流元件11的两端，用以分别检测层流元件11的入口端压力和出口端压力，并发送至控制单元2。控制单元2计算层流元件11的入口端压力和出口端压力的差值，并根据该差值和上述入口端压力计算获得流体的瞬时质量流量。

由于压力传感器具有温度漂移小、响应时间快、流量输出不受压力波动影响以及流体的进出口可以互换的优点，因此，本实用新型提供的质量流量控制器通过使用第一压力传感器12和第二压力传感器13，能够具有上述优点。

当流经层流元件11的流体处于层流状态时，层流元件11两端的压差与流经层流元件11的体积流量成线性关系，因此，基于该压差就可得知流经层流元件11的体积流量。基于该原理，图4示出了一段均匀的水平管，假设该水平管的半径为R，长度为L，入口端压力为P₁，出口端压力为P₂，且P₁>P₂。

根据下述泊肃叶公式即可计算获得流经层流元件11的流体的体积流量：

其中，μ为动力粘度，其与流体种类有关。△P为层流元件11的入口端压力P₁和出口端压力P₂的差值。基于入口端压力P₁和流经层流元件11的体积流量Q，可以计算出流经层流元件11的流体的质量流量。

另外，上述层流元件11可以应用在流体流量较大的情况，具体可以根据下述公式计算获得流经层流元件11的流体的体积流量：

其中，n为分流直管112的根数。

上述公式可简化为如下形式：

上式中对于种类相同的流体和结构相同的分流直管112，R、L、μ是固定值，因此，通过改变n，可以改变流经层流元件11的体积流量Q。

在本实施例中，质量流量控制器还包括用于传输流体的流路14，层流元件11设置在该流路14上。并且，流路14的任意一端既用作流体入口，也用作流体出口，即，流体的进出口可以互换。如图2所示，流体自流路14的左端141流入，右端142流出，即，左端141为流体入口，右端142为流体出口，此时，第一压力传感器12和第二压力传感器13分别检测层流元件11的入口端压力和出口端压力。但是，流体也可以自流路14的右端142流入，左端141流出，即，左端141为流体出口，右端142为流体入口。在这种情况下，第一压力传感器12和第二压力传感器13分别检测层流元件11的出口端压力和入口端压力。由此，无论流路14中流体的流动方向是向左还是向右，质量流量控制器均能够对流体的质量流量进行检测。

在本实施例中，如图2所示，控制单元2包括微处理器21、两个模数转换器22和两个放大电路23，其中，由第一压力传感器12和第二压力传感器13分别检测获得的包含入口端压力和出口端压力的模拟信号，分别通过两个放大电路23、两个模数转换器22转换为微处理器21能够处理的数字信号。微处理器21计算层流元件11的入口端压力和出口端压力的差值，并根据该差值和上述入口端压力计算获得流体的瞬时质量流量。

优选的，质量流量控制器还包括通讯模块4，该通讯模块4用于实现微处理器21与上位机5之间的信息交互。例如，上位机5可以对由微处理器21发送而来的瞬时质量流量或者其他控制参数进行显示，以及接收来自人工输入的设定信息，例如预设的目标质量流量。具体地，通讯模块包括无线传输单元和/或有线传输单元。其中，有线传输单元所采用的通信接口包括网络接口、IEE1394接口、USB接口和RS232/485中的至少一种有线通信接口，例如图3A中示出的通信接口41该通信接口41与上位机的串行接口连接。无线传输单元所采用的通信方式包括蓝牙、2.4G无线通信、红外线、无线网路通信、全球微波互联接入和无载波通信中的至少一种无线通信方式。

在本实施例中，流量调节单元3包括驱动电路31和执行元件32，其中，执行元件32用于调节流体的质量流量，该执行元件32为诸如压电阀或者电磁阀等的流量调节阀。驱动电路31用于根据来自上述微处理器21的控制信号驱动执行元件32调节流体的质量流量。

请一并参阅图5和图6，本实施例提供的质量流量控制器与上述第一实施例相比，其区别仅在于：压差检测单元和层流元件11’的结构不同。

具体地，在本实施例中，压差检测单元包括压力传感器12’和压差传感器13’。其中，压力传感器12’设置在层流元件11’的入口端，用以检测层流元件11’的入口端压力，并发送至控制单元2；压差传感器13’用于检测层流元件11’两端的压差，并发送至控制单元2。控制单元2根据该压差和入口端压力计算获得流体的瞬时质量流量。

在本实施例中，如图6所示，层流元件11’包括管状安装座111和设置在该管状安装座111中的螺旋形微径管113。该螺旋形微径管113以管状安装座111的轴线为中心，沿管状安装座111的轴向螺旋缠绕而成。上述螺旋形微径管113可以在保证具有足够的长度的前提下，减少微径管的占用空间，从而可以减小质量流量控制器的体积。由于螺旋形微径管113的直径较小，其可以应用在流体流量较小的情况。例如，对于流体流量为10sccm的情况，可以采用直径为0.127mm螺旋形微径管113。

本实施例提供的质量流量控制器的其他单元的结构和功能与上述第一实施例相同，由于在上述第一实施例中已有了详细描述，在此不再赘述。

综上所述，本实用新型提供的质量流量控制器是通过检测流体压力变化来获得流体的质量流量，具有温度漂移小、响应时间快、流量输出不受压力波动影响以及流体的进出口可以互换的优点。

作为另一个技术方案，本实用新型实施例还提供一种流量控制系统，其包括本实用新型上述各个实施例提供的质量流量控制器。

本实用新型实施例提供的流量控制系统，其通过采用本实用新型实施例提供的上述质量流量控制器，具有温度漂移小、响应时间快、流量输出不受压力波动影响以及流体的进出口可以互换的优点。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种质量流量控制器，包括流量检测单元、流量调节单元和控制单元，其中，所述流量检测单元用于检测流体的瞬时质量流量，并将其发送至所述控制单元；所述控制单元根据所述瞬时质量流量和预设的目标质量流量向所述流量调节单元发送控制信号；所述流量调节单元根据所述控制信号调节所述流体的质量流量，其特征在于，所述流量检测单元包括层流元件和压差检测单元，其中，

所述层流元件用于使流经的流体处在层流状态；

所述压差检测单元用于检测所述层流元件中的气体压力信号，并将其发送至所述控制单元；所述控制单元根据所述气体压力信号计算获得所述流体的瞬时质量流量。

2.根据权利要求1所述的质量流量控制器，其特征在于，所述压差检测单元包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器设置在所述层流元件的两端，用以分别检测所述层流元件的入口端压力和出口端压力，并发送至所述控制单元；所述控制单元计算所述层流元件的入口端压力和出口端压力的差值，并根据所述差值和所述入口端压力计算获得所述流体的瞬时质量流量。

3.根据权利要求1所述的质量流量控制器，其特征在于，所述压差检测单元包括压力传感器和压差传感器，其中，

所述压力传感器设置在所述层流元件的入口端，用以检测所述层流元件的入口端压力，并发送至所述控制单元；

所述压差传感器用于检测所述层流元件两端的压差，并发送至所述控制单元；

所述控制单元根据所述压差和所述入口端压力计算获得所述流体的瞬时质量流量。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的质量流量控制器，其特征在于，所述层流元件包括管状安装座和设置在所述管状安装座中的多根分流直管，所述多根分流直管均沿所述管状安装座的轴向设置，并紧密排布形成管束。

5.根据权利要求4所述的质量流量控制器，其特征在于，所述多根分流直管围绕所述管状安装座的轴线紧密排布至少一周。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的质量流量控制器，其特征在于，所述层流元件包括管状安装座和设置在所述管状安装座中的螺旋形微径管；

所述螺旋形微径管以所述管状安装座的轴线为中心，沿所述管状安装座的轴向螺旋缠绕而成。

7.根据权利要求1所述的质量流量控制器，其特征在于，所述流量调节单元设置在所述层流元件的入口端或者出口端。

8.根据权利要求1所述的质量流量控制器，其特征在于，所述质量流量控制器还包括通讯单元，所述通讯单元用于实现所述控制单元与上位机之间的信息交互。

9.根据权利要求1所述的质量流量控制器，其特征在于，所述控制单元包括微处理器、模数转换器和放大电路，其中，

所述放大电路用于放大来自所述压差检测单元的所述气体压力信号，并发送至所述模数转换器；

所述模数转换器用于将所述气体压力信号转换为数字信号并发送至所述微处理器；

所述微处理器对所述数字信号进行处理和计算，以获得所述流体的瞬时质量流量。

10.一种流量控制系统，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的质量流量控制器。