DE112004000430T5

DE112004000430T5 - Durchflußinstrument mit Mehrfachsensoren

Info

Publication number: DE112004000430T5
Application number: DE112004000430T
Authority: DE
Inventors: Mark S. Minneapolis Schumacher; David A. Andover Broden; David E. Eden Prairie Wiklund
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2006-03-09
Also published as: RU2005131574A; CN100363717C; WO2004081500A2; US6843139B2; RU2323416C2; US20040177703A1; CN1777790A; JP2006519997A; WO2004081500A3

Abstract

Instrument zur Verwendung bei der Abtastung eines Fluiddurchflusses, das aufweist:
einen Durchflußkörper, der einen Einlaß, einen Auslaß und eine Durchflußdrossel aufweist, die den Fluiddurchfluß vom Einlaß an den Auslaß koppelt;
einen ersten Mehrfachsensor, der eine erste Abtastfläche im Einlaß aufweist, die einen Einlaßdruck und die Temperatur des Fluids abtastet;
einen zweiten Mehrfachsensor, der eine zweite Abtastfläche im Auslaß aufweist, die einen Auslaßdruck und die Temperatur des Fluids abtastet; und
eine Schaltung, die an den ersten und den zweiten Mehrfachsensor gekoppelt ist, wobei die Schaltung eine Fluiddurchflußausgabe erzeugt, die auf Ausgaben des ersten und zweiten Mehrfachsensors beruht, wobei die Fluiddurchflußausgabe eine Temperaturkorrektur als eine Funktion von mindestens einer der abgetasteten Temperaturen im Einlaß und im Auslaß aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Instrumente zur Verwendung bei der Steuerung eines Fluiddurchflusses. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung des Durchflusses von hochreinen Fluiden in der Fertigung von Halbleitervorrichtungen.
Hintergrund der Erfindung
Instrumente wie Mengenflußsteuereinrichtungen, Druckmeßwertgeber und Temperaturmeßwertgeber werden bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen wie Mikroprozessoren und anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) verwendet. Die Instrumente enthalten Sensoren, die verwendet werden, um den Durchfluß von verschiedenen Fluiden zu messen und zu steuern, die in den Halbleiterfertigungsprozessen verwendet werden. Fluidverbindungen mit mehreren einzelnen Sensoren herzustellen ist mühsam, erhöht die Anzahl von Fluiddichtungen um Sensoren und erhöht die Möglichkeit von Fluidundichtigkeiten und/oder Fehlern infolge von differierenden Prozeßbedingungen an den verschiedenen Sensoren. Es wird ein Verfahren zur Vereinfachung der Instrumenteninstallation und zur Reduzierung der Anzahl der Sensorverbindungen benötigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Offenbart werden ein Instrument und ein Verfahren zur Steuerung eines Fluiddurchflusses bzw. Fluidflusses. Das Instrument weist einen Durchflußkörper auf, der einen Einlaß, einen Auslaß und eine Durchflußdrossel umfaßt, die den Fluiddurchfluß vom Einlaß zum Auslaß koppelt.
Das Instrument weist einen ersten Mehrfachsensor mit einer ersten Abtastfläche im Einlaß auf, der den Druck und die Temperatur des Fluids abtastet. Das Instrument weist außerdem einen zweiten Mehrfachsensor mit einer zweiten Abtastfläche im Auslaß auf, der den Druck und die Temperatur des Fluids abtastet.
Die ersten und zweiten Mehrfachsensoren sind mit einer Schaltung im Instrument gekoppelt. Die Schaltung erzeugt eine Fluiddurchflußausgabe, die auf Ausgaben der ersten und zweiten Mehrfachsensoren beruht. Die Fluiddurchflußausgabe weißt als eine Funktion von mindestens einer der abgetasteten Temperaturen im Einlaß und Auslaß eine Temperaturkorrektur auf.
Diese und verschiedene andere Merkmale ebenso wie Vorteile, die die vorliegende Erfindung kennzeichnen, werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und der Durchsicht der zugehörigen Zeichnungen deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine erste Ausführungsform eines Fluiddurchflußinstruments dar.
2 stellt eine Ausführungsform eines Mehrfachsensors dar.
3 stellt eine Ausführungsform einer Mehrfachsensorträgerplatte dar.
4 stellt eine zweite Ausführungsform eines Fluiddurchflußinstruments dar, das ein Ventil enthält.
Detaillierte Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen
In den unten beschriebenen Ausführungsformen werden ein Verfahren und Instrument zur Verwendung bei der Steuerung eines Fluiddurchflusses offenbart. Das Instrument weist einen Einlaßmehrfachsensor und einen Auslaßmehrfachsensor auf, die jeweils sowohl den Druck als auch die Temperatur an beiden Enden einer Durchflußdrossel abtasten, die den Fluiddurchfluß befördert. Jeder Mehrfachsensor umfaßt sowohl einen Drucksensor als auch einen Temperatursensor, die eine gemeinsame Abtastfläche abtasten. Die Abtastfläche ist in das fließende Fluid eingetaucht, und die Temperatur, die abgetastet wird, ist sowohl die Temperatur des fließenden Fluids als auch die Temperatur des Drucksensors. Die abgetasteten Temperaturen können verwendet werden, um den Drucksensor mit einer Temperaturkorrektur zu versehen und außerdem eine Temperaturmessung bereitzustellen, die verwendet wird, um den Mengenfluß zu berechnen. Die Anzahl der Rohrleitungsverbindungen und elektrischen Verbindungen wird reduziert, indem Mehrfachsensoren verwendet werden und indem viele Funktionen in ein einzelnes Instrument gebracht werden, um die Installation zu vereinfachen.
In den im folgenden dargestellten Ausführungsformen ist ein Instrument, das den Durchfluß von Reinfluiden (einem Gas oder einer Flüssigkeit) abtastet, genau, ohne auf einer Verminderung des Auslaßdrucks auf den atmosphärischen Druck angewiesen sein zu müssen (Eichung mit einem offenen Auslaß oder Abzug aus dem Instrument), erfordert es nicht, daß sich Gase auf oder nahe den Eichbedingungen befinden (derselbe Druck, dieselbe Temperatur oder Dichte wie die Eichbedingungen), und benötigt keine Umgehungsleitungsanordnung, wo der Durchfluß zwischen einem Hauptdurchfluß und einen abgetasteten Durchfluß in einem proportionalen Leitungszweig aufgespalten wird. In den unten dargestellten Anordnungen kann ein Instrument aufgebaut werden, in dem ein benetztes Material eines Mehrfachsensors zur Korrosionsbeständigkeit und Kompatibilität mit einer breiten Vielfalt von Reinfluiden aus Saphir besteht. In den unten dargestellten Anordnungen benötigt der Sensor kein Isolierungsfluid wie Silikonöl oder Fluorinert TM, und es gibt daher keine Gefahr, daß ein Isolierungsfluid das Reinprozeßfluid verunreinigt, selbst unter Störbedingungen, wo der Mehrfachsensor mechanisch beschädigt ist.
1 stellt eine erste Ausführungsform eines Fluiddurchflußinstruments 100 dar, das bei der Messung oder Abtastung eines Fluiddurchflusses 102 verwendet werden kann. Das Instrument 100 weist einen Durchflußkörper 104 auf, der einen Einlaß 106, einen Auslaß 108 und eine Durchflußdrossel 110 aufweist, die den Fluiddurchfluß 102 vom Einlaß 106 zum Auslaß 108 koppelt. Die Durchflußdrossel 110 ist vorzugsweise eine zylindrisch geformte Masse porösen Materials mit mehreren Poren, wie dargestellt. Der Einlaß 106 und der Auslaß 108 enthalten vorzugsweise zur bequemen Verbindung mit Fluidrohren Schraubanschlußstücke 112, 114, wie Swagelok^® VCO^®-Anschlußstücke. Das Instrument 100 kann in einer Fertigungsanlage verwendet werden, um präzise gemessene Ströme von sehr kleinen Mengen von Reinfluiden zu liefern, die in der Fertigung von Halbleitervorrichtungen verwendet werden.
Das Instrument 100 enthält einen ersten Mehrfachsensor 120 mit einer ersten Abtastfläche 122 im Einlaß 106. Die erste Abtastfläche 122 tastet sowohl den Druck P1 als auch die Temperatur T1 des Fluiddurchflusses 102 im Einlaß 106 ab. Das Instrument 100 enthält einen zweiten Mehrfachsensor 124 mit einer zweiten Abtastfläche 126 im Auslaß 108. Die zweite Abtastfläche 126 tastet sowohl den Druck P2 als auch die Temperatur T2 des Fluiddurchflusses 102 im Auslaß 108 ab.
Die Durchflußdrossel 110 erzeugt im Fluiddurchfluß 102 zwischen dem Einlaß 106 und dem Auslaß 108 einen Druckabfall, der auch als Druckdifferenz (P1-P2) bezeichnet wird.
Die ersten und zweiten Mehrfachsensoren 120, 124 sind mit einer Schaltung 130 im Instrument 100 gekoppelt. Die Schaltung 130 erzeugt vorzugsweise eine Fluiddurchflußausgabe auf der Leitung 155, die auf einer Differenz (P1-P2) zwischen dem im Einlaß 106 abgetasteten Druck P1 und dem im Auslaß 108 abgetasteten Druck P2 beruht. Die Fluiddurchflußausgabe auf der Lei tung 155 umfaßt vorzugsweise als Funktion von mindestens einer der abgetasteten Temperaturen T1, T2 im Einlaß 106 bzw. Auslaß 108 eine Temperaturkorrektur, und die Fluiddurchflußausgabe repräsentiert vorzugsweise einen Mengenfluß. In einer bevorzugten Anordnung ist die Schaltung 130 programmierbar, um für jede Anwendung eine gewünschte Funktion bereitzustellen. Es können Funktionsalgorithmen (aus Routinen, die in der Schaltung 130 gespeichert sind) durch Befehle ausgewählt werden, die auf der Leitung 155 empfangen werden, oder durch Herunterladen eines Anwendungsprogramms aus der Leitung 155 zur Schaltung 130 und Speichern des Anwendungsprogramms in einem nichtflüchtigen Speicher in der Schaltung 130.
Der Einlaß 106 ist abgedichtet und von der Schaltung 130 durch die Mehrfachsensorträgerplatte 132 getrennt. Ein erstes Loch 134 geht durch die Mehrfachsensorträgerplatte 132. Der erste Mehrfachsensor 120 weist einen mittleren Halsabschnitt 136, der das erste Loch 134 füllt, und einen Ausgangsleitungsabschnitt 138 außerhalb des Einlasses 106 auf. Der mittlere Halsabschnitt 136 ist vorzugsweise am ersten Loch 134 abgedichtet. Diese Anordnung stellt eine Fluidisolierung bereit, so daß das fließende Fluid 102 mit den mehreren Leitungen 140, die mit dem Leitungsabschnitt 138 und der Schaltung 130 verbunden sind, nicht in Kontakt kommt und sie nicht korrodiert.
Der Auslaß 108 ist abgedichtet und von der Schaltung 130 durch die Mehrfachsensorträgerplatte 132 getrennt. Ein zweites Loch 144 geht durch die Mehrfachsensorträgerplatte 132. Der zweite Mehrfachsensor 124 weist einen mittleren Halsabschnitt 146, der das zweite Loch 144 füllt, und einen Ausgangsleitungsabschnitt 148 außerhalb des Auslasses 108 auf. Der mittlere Halsabschnitt 146 ist vorzugsweise am ersten Loch 144 abgedichtet. Diese Dichtungsanordnung stellt eine Fluidisolierung bereit, so daß das fließende Fluid 102 mit den mehreren Leitungen 150, die mit dem Leitungsabschnitt 148 und der Schaltung 130 verbunden sind, nicht in Kontakt kommt und sie nicht korrodiert.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung weisen die ersten und zweiten Mehrfachsensoren 120, 124 jeweilige erste und zweite mittlere Sensorschäfte 136, 146 auf, die sich von den jeweiligen ersten und zweiten Abtastflächen 122, 126 zu jeweiligen ersten und zweiten elektrischen Verbindungsenden 138, 140 erstrecken. Die Mehrfachsensorträgerplatte 132 weist erste und zweite Durchgangslöcher 134, 144 auf, die an den jeweiligen ersten und zweiten mittleren Sensorschäften 136, 146 abgedichtet sind und eine Fluidisolierung zwischen dem Fluid und den ersten und zweiten elektrischen Verbindungsenden bereitstellen.
Wie in 1 zu sehen ist, liefern die Mehrfachsensoren 120, 124 eine Messung von vier Fluideigenschaften, nämlich der Drücke P1, P2 und der Temperaturen T1, T2 mit nur zwei Sensordichtungen bei 136, 146. Das Instrument 100 verwendet nur eine Einlaßverbindung 112 und eine Auslaßverbindung 114, um Messungen dieser vier Fluideigenschaften vorzunehmen. Die Verwendung der Mehrfachsensoren 120, 124 ermöglicht eine sehr kompakte „Grundfläche" für den Durchflußkörper 104 im Instrument 100. In einer bevorzugten Anordnung weist der Durchflußkörper 104 eine Verlegelänge „A" zwischen Einlaßanschlußstücken von nicht mehr als etwa 106 mm auf, und weist eine Breite quer zur Verlegelänge von nicht mehr als etwa 38 mm auf. Die gesamte „Grundfläche" des Durchflußinstruments (ohne Gewindeanschlußstücke) beträgt vorzugsweise etwa 38 × 106 mm.
In einer bevorzugten Anordnung erzeugt die Schaltung 130 außerdem als Funktion der Drücke P1, P2, die am Einlaß bzw. Auslaß abgetastet werden, Ausgaben AP1, AP2 des absoluten Drucks auf der Leitung 155. In einer anderen bevorzugten Anordnung erzeugt die Schaltung 130 außerdem als eine Funktion von einer oder beiden Temperaturen T1, T2 eine Temperaturausgabe T auf der Leitung 155. Die Temperaturausgabe kann abhängig von den Anforderungen der Anwendung aus T1, T2, einem Durchschnitt von T1 und T2, einer Differenz zwischen T1 und T2 oder einem Verhältnis T1/T2 bestehen. Die Schaltung 130 weist vorzugsweise eine Rechenschaltung 152 auf, die die Ausgaben FLOW, T, AP1, AP2 berechnet und die Ausgaben an ein Modem 154 liefert, das alle Ausgaben an eine einzelne serielle Busleitung 155 in einem genormten Industrie-Kommunikationsprotokoll liefert, wie HART, PROFIBUS, FOUNDATION FIELDBUS, CONTROLLER AREA NETWORK (CAN) oder einem anderen genormten seriellen Kommunikationsprotokoll. In einer bevorzugten Anordnung weist die serielle Busleitung 155 vorzugsweise eine industrielle genormte Zweidrahtschleife mit 4-20 mA auf, die die gesamte elektrische Stromversorgung oder Leistung für das Fluiddurchflußinstrument liefert und bidirektionale, serielle HART-Kommunikationssignale aufweist, die dem Schleifenstrom von 4-20 mA überlagert sind. In einer weiteren bevorzugten Anordnung ist die Schaltung 130 so eingerichtet, daß sie eine eigensichere Schnittstelle zur Zweidrahtschleife mit 4-20 mA aufweist, und der Schaltungskomplex 130 und seine Verbindungen zu den Mehrfachsensoren 120, 124 in einem explosionsgeschützten Gehäuse eingebaut sind. In einigen Anwendungen können auch mehrere analoge Ausgaben bereitgestellt werden.
In einer anderen bevorzugten Anordnung kann die Drossel 110 so bemessen sein, daß der Fluiddurchfluß 102 durch die Drossel 110 in einem Bereich einer Laminarströmung liegt. Diese Anordnung, die einen Laminarströmungsbereich verwendet, liefert eine lineare Beziehung zwischen dem Druckabfall (P1-P2) und dem Massendurchsatz des Fluiddurchflusses 102. Die Schwierigkeiten der Eichung und Verwendung von Durchflußmessern, die eine Quadratwurzelbeziehung zwischen dem Druckabfall und der Durchflußmenge liefern, können so vermieden werden. Die Durchflußdrossel 110 weist vorzugsweise eine Masse porösen Materials wie Silizium oder Metall auf. Das besondere Material der Durchflußdrossel 110 wird für eine Kompatibilität mit dem Fluid ausgewählt und weist mehrere Poren auf.
Es können abhängig davon, ob das Fluid eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, und abhängig von der Rohrleitung und den elektrischen Schnittstellenanforderungen der Anwendung verschiedene Gestaltungen des Instruments 100 hergestellt werden. In einer bevorzugten Anordnung wird eine Geschwindigkeit des Fluids in der Masse porösen Materials 110 so ausgewählt, daß sie in einem solchen Geschwindigkeitsbereich liegt, daß die Fluiddurchflußausgabe auf der Leitung 155 eine Funktion des Einlaßdrucks und im wesentlichen unabhängig vom Auslaßdruck ist. In einer anderen bevorzugten Anordnung weist das Instrument 100 die Mengenflußausgabe auf der Leitung 155 auf, die im wesentlichen eine lineare Funktion des Einlaßdrucks ist. In noch einer anderen bevorzugten Anordnung ist der Fluiddurchfluß in der Masse porösen Materials 110 eine Laminarströmung. Die Fluiddurchflußausgabe auf der Leitung 155 kann eine Funktion einer Differenz zwischen dem Einlaßdruck P1 und dem Auslaßdruck P2 sein.
In einer bevorzugten Anordnung kann die Schaltung 155 programmiert werden, um eine einzelne oder mehrere Ausgaben auf der Leitung 155 bereitzustellen, die aus der Gruppe der Druck-, Temperatur- und Fluiddurchflußvariablen ausgewählt werden.
Die Mehrfachsensoren 120, 124 können zum Beispiel hergestellt werden, wie in den 7-10 des US-Patents 6,089,097 von Frick u.a. gezeigt wird, das hierdurch in seiner Gesamtheit als Verweisquelle aufgenommen ist. Ein weiteres Beispiel eines Mehrfachsensors wird unten in Verbindung mit 2 beschrieben.
2 stellt eine Ansicht mit aufgelösten Einzelteilen ei ner Ausführungsform eines Mehrfachsensors 170 dar. Der Mehrfachsensor 170 weist eine erste Schicht 172 und eine zweite Schicht 174 auf, die aus einem korrosionsbeständigen, elektrisch isolierenden Material wie synthetischen einkristallinen Aluminiumoxid (Saphir) oder Quarz besteht. In der Ansicht mit aufgelösten Einzelteilen in 2 sind die Innenseiten der ersten Schicht 172 und der zweiten Schicht 174 dargestellt. Die Rück- (Außen)-Seiten der ersten und zweiten Schicht 172, die in 2 dem Anblick verborgen sind, befinden sich außerhalb des montierten Mehrfachsensors 170 und sind vorzugsweise eben und nichtssagend.
Der Mehrfachsensor 170 weist eine längliche Form auf, die sich von einem Abtastbereich 176 über einen Halsabschnitt 178 zu einem Leitungsendbereich 180 erstreckt. Der Halsabschnitt 178, der auch als ein mittlerer Sensorschaft 178 bezeichnet wird, ist vorzugsweise zum Löten an die Mehrfachsensorträgerplatte 132 äußerlich metallisiert (wie zum Beispiel in 3 gezeigt), wie unten in näheren Einzelheiten in Verbindung mit 3 erläutert wird. Die (in 2 nicht dargestellten) ebenen Rückseiten im Abtastbereich 176 umfassen Abtastflächen, die einem Temperatursensor 182 gegenüberliegen, und einen kapazitiven Drucksensor, der (auch als Elektroden bezeichnete) Metallkondensatorplatten 184, 186 aufweist. Ein Tafelberg oder erhabener Abschnitt 190 (der graphisch durch ein gepunktetes Aussehen in 2 gekennzeichnet wird) umgibt die Kondensatorplatte 186 und den Temperatursensor 192. Die Kondensatorplatte 186 und der Temperatursensor 182 befinden sich in einem flachen Hohlraum 192, der durch den Tafelberg 190 umgeben ist. Die Anordnung des Tafelbergs 190 und des flachen Hohlraums 192 stellen einen Abstand zwischen den Kondensatorplatten 184 und 186 bereit, wenn die beiden Schichten 172, 174 miteinander verbunden werden.
Der Temperatursensor 182 ist elektrisch durch Leitungen 194, 196 mit Leitungskontaktierungsflächen 198, 200 im Leitungsendbereich 180 verbunden. Es gehen Leitungen 194, 196 durch den Halsabschnitt 178.
Die Kondensatorplatte 184 ist durch eine Leitung 202 mit einem ersten Zwischenschichtkontakt 204 elektrisch verbunden. Wenn die beiden Schichten 172, 174 miteinander verbunden werden, schafft der erste Zwischenschichtkontakt 204 auf der Schicht 172 einen elektrischen Kontakt mit einem zweiten Zwischenschichtkontakt 206 auf der Schicht 174. Der zweite Zwischenschichtkontakt 206 ist durch eine Leitung 208 mit einer Leitungskontaktierungsfläche 210 verbunden. Die Kondensatorplatte 186 ist durch eine Leitung 212 mit einer Leitungskontaktierungsfläche 214 elektrisch verbunden. Die Leitungen 202, 212 gehen durch den Halsabschnitt 178.
Die beiden Schichten 172, 174 werden vorzugsweise mittels einer direkten Verbindung zwischen polierten Saphiroberflächen des Tafelbergs 190 und der Schicht 172 miteinander verbunden. Eine direkte Verbindung wird bevorzugt, da kein Verbindungsmaterial benötigt wird, um die Schichten 172, 174 miteinander zu verbinden und die gesamte Außenfläche des Sensors 170 im Abtastbereich 176 aus Saphir besteht, das gegen eine Korrosion durch viele Fluide beständig ist, die in der Halbleiterfertigung verwendet werden. Die freiliegende Saphirabtastfläche kann im direkten Kontakt mit dem Fluid stehen, und es muß kein Isolatorfluid und keine Isolatormembran hinzugfügt werden. Nachdem die beiden Schichten 172, 174 miteinander verbunden sind, kann eine Fritte längs der Kante 216 aufgetragen werden, um ein Vakuum im Hohlraum 192 abzudichten, so daß der Mehrfachsensor den absoluten Druck (AP) abtastet.
Im Betrieb weist der Mehrfachsensor 170 Kondensatorplatten 184, 186 auf, die voneinander beabstandet sind, um eine Druck abtastkapazität zu bilden. Der Druck, der den Abtastbereich 176 umgibt, lenkt die Schichten 172, 174 im Abtastbereich ab, um den Raum zwischen den Kondensatorplatten 184, 186 effektiv zu variieren und die Kapazität als Funktion des abgetasteten Drucks zu variieren. Der Abtastbereich 176 ist im Fluid eingetaucht, und der Temperatursensor 182 tastet die Temperatur sowohl des Fluids als auch des Drucksensors ab. In einer bevorzugten Anordnung tastet der Temperatursensor 182 sowohl die Temperatur des Mehrfachsensors 170 als auch die Temperatur des umgebenden Fluids ab und wird durch die Schaltung 130 verwendet, um die Ausgabe des kapazitiven Drucksensors zu temperaturkorrigieren und außerdem die Mengenflußberechnung hinsichtlich der Temperatur zu korrigieren.
Die äußeren Abtastflächen des Mehrfachsensors 170 bestehen aus Saphir und stehen in direkten Kontakt mit dem Fluid. Die Schichten 172, 174 bilden einen Saphirmehrfachsensormantel, wobei ein kapazitiver Drucksensor und ein Temperatursensor im Saphirmehrfachsensormantel ausgebildet sind. Der Temperatursensor 182 und der kapazitive Drucksensor befinden sich innerhalb des Mantels und sind vor dem Kontakt mit dem Fluid geschützt. Der Saphirmehrfachsensormantel fluidisoliert den Drucksensor und den Temperatursensor vom Fluid.
In einer bevorzugten Anordnung ist ein Mehrfachsensor 170 so bemessen, daß er eine obere Bereichsgrenze von 100 psi (ca. 6,89 bar) aufweist, um eine gute Kombination von Unempfindlichkeit und Genauigkeit für typische Reinflußbereiche in Halbleiterbearbeitungsanlagen bereitzustellen.
3 stellt eine bevorzugte Anbringung eines Mehrfachsensors 250 in einer Mehrfachsensorträgerplatte 252 dar. Der Mehrfachsensor 250 weist einen metallisierten Halsabschnitt 254 auf, der aus einer lötbaren Oberfläche, vorzugsweise aus galvanisch abgeschiedenen Nickel besteht. Eine Entspannungsplatte 256, die vorzugsweise aus einem galvanogeformtem Metallblech besteht, ist durch eine kreisförmige Lötstelle 258 an den Halsabschnitt 254 gelötet. Die galvanogeformte Metallblechentspannungsplatte 256 ist durch eine kreisförmige Schweißstelle 260 an die Mehrfachsensorträgerplatte 252 geschweißt. Die Anordnung stellt eine Fluiddichtung bereit, so daß das Druckfluid 262 mit dem Druck P eine Abtastfläche 264 erreichen kann, während die Leitungen 266 hinter der Mehrfachsensorträgerplatte 252 vom Fluid 262 fluidisoliert sind.
4 stellt eine zweite Ausführungsform eines Fluiddurchflußinstruments 300 dar, das ein Ventil 302 aufweist. Das Fluiddurchflußinstrument 300 in vieler Hinsicht ähnlich zum Instrument 100, das in 1 dargestellt wird, jedoch weist das Instrument 300 ein elektrisch betätigtes Ventil 302 und einen modifizierten Schaltungskomplex 304 auf, der das Ventil 302 steuert, um die Durchflußmenge als Funktion der Durchflußausgabe FLOW zu regeln. Der Schaltungskomplex 304 stellt eine geschlossene Regelschleife bereit, die sich zur Gänze im Instrument 300 befindet. In 4 verwendete Bezugszahlen, die dieselben wie die in 1 verwendeten Bezugszahlen sind, verweisen auf dieselben oder vergleichbare Merkmale.
Der Schaltungskomplex 304 empfängt einen Fluiddurchflußsollwert 308, der durch den Benutzer ausgewählt wird. Der Sollwert 308 kann eine manuelle Einstellung oder eine elektrische Eingabe sein, die von einem Steuersystem empfangen wird, die die gewünschte Fluiddurchflußmenge für die Anwendung angibt. Der Schaltungskomplex 304 weist eine Additionsstelle 310 auf, die den Fluiddurchflußsollwert 308 mit dem abgetasteten Fluiddurchfluß 312 vergleicht und bei 314 ein Differenzsignal liefert (das auch als ein Fehlersignal bezeichnet wird). Der Rechenschaltungskomplex 152 steuert die Öffnung des Ventils 302 als Funktion des Differenzsignals 314, um den Fluiddurchfluß des Fluids 102 am Ventilauslaß 316 zu regeln.
Das Ventil 302 ist mit dem Durchflußkörper gekoppelt, um Fluid vom Auslaß 108 aufzunehmen. Der Schaltungskomplex 304 dient als eine Steuerschaltung, die ein elektrisches Signal an das Ventil 302 koppelt und den Fluiddurchfluß als Funktion der Durchflußausgabe und des Durchflußsollwerts 308 steuert. Ein Algorithmus zur Steuerung der Öffnung des Ventils 302 kann jede Kombination von Proportional-, Integral- und Differentialsteuerfunktionen sein, die für gewöhnlich als P-, PI-, PD-, PID-Regelung bezeichnet werden.
Die in 4 gezeigte Anordnung weist nur am Einlaß 106 und Ventilauslaß 316 zwei Schraubverbindungen zur Rohrleitung des Benutzers auf. Die in 4 gezeigte Anordnung stellt vorzugsweise eine Abtastung des Fluiddurchflusses, eine Abtastung des Leitungsdrucks und des Auslaßdrucks, eine Abtastung der Fluidtemperatur und eine Ventilsteuerung des Durchflusses in einem einzelnen kompakten Gehäuse bereit.
In einer bevorzugten Anordnung befinden sich der Sollwert 308 (der eine Eingabe ist) und die Ausgaben T, AP1, AP2, FLOW alle auf einer einzelnen seriellen Busleitung in einem genormten Industrie-Kommunikationsprotokoll, wie HART, PROFIBUS, FOUNDATION FIELDBUS, CONTROLLER AREA NETWORK (CAN) oder einem anderen genormten seriellen Kommunikationsprotokoll. In einer bevorzugten Anordnung weist die serielle Busleitung vorzugsweise eine Zweidrahtschleife mit 4-20 mA auf, die die gesamte elektrische Stromversorgung oder Leistung für das Fluiddurchflußinstrument liefert und bidirektionale, serielle HART-Kommunikationssignale aufweist, die dem Schleifenstrom von 4-20 mA überlagert sind. In einer weiteren bevorzugten Anordnung ist die Schaltung 304 so eingerichtet, daß sie eine eigensichere Schnittstelle zur Zweidrahtschleife mit 4-20 mA aufweist, und der Schaltungskomplex 304 und seine Verbindungen zu den Mehr fachsensoren 120, 124 in einem explosionsgeschützten Gehäuse eingebaut sind. In einigen Anwendungen können mehrere analoge Ausgaben bereitgestellt werden.
Es ist zu verstehen, daß obwohl zahlreiche Eigenschaften und Vorteile verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in der vorhergehenden Beschreibung zusammen mit Details der Struktur und Funktion verschiedener Ausführungsformen der Erfindung angegeben worden sind, diese Offenbarung nur veranschaulichend ist, und Änderungen im Detail, insbesondere hinsichtlich der Struktur und Anordnung von Teilen innerhalb der Prinzipien der vorliegenden Erfindung bis zum vollen Ausmaß vorgenommen werden können, das durch die breite allgemeine Bedeutung der Ausdrücke angegeben wird, in denen die beigefügten Ansprüche ausgedrückt werden. Zum Beispiel können die besonderen Elemente abhängig von der besonderen Anwendung für das Fluiddurchflußinstrument variieren, während im wesentlichen dieselbe Funktionalität aufrechterhalten wird, ohne den Rahmen und Geist der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Lehren der vorliegenden Erfindung können auf andere Fluiddurchflußinstrumente angewendet werden, ohne den Rahmen und Geist der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zusammenfassung
Durchflussinstrument mit Mehrfachsensoren
Ein Instrument (100), das verwendet wird, um den Fluiddurchfluß zu steuern. Das Instrument weist eine Durchflußdrossel (110) zwischen einem Einlaß (106) und einem Auslaß (108) auf. Erste und zweite Mehrfachsensoren (120, 124) weisen Abtastflächen (122, 126) im Einlaß und Auslaß auf, die Drücke und Temperaturen des Fluiddurchflusses abtasten. Eine Schaltung (130) erzeugt eine Mengenflußausgabe (155), die auf einer Differenz zwischen dem Druck im Einlaß und dem Druck im Auslaß beruht. Die Mengenflußausgabe umfaßt eine Temperaturkorrektur als Funktion von mindestens einer der abgetasteten Temperaturen im Einlaß und Auslaß.

Claims

Instrument zur Verwendung bei der Abtastung eines Fluiddurchflusses, das aufweist: einen Durchflußkörper, der einen Einlaß, einen Auslaß und eine Durchflußdrossel aufweist, die den Fluiddurchfluß vom Einlaß an den Auslaß koppelt; einen ersten Mehrfachsensor, der eine erste Abtastfläche im Einlaß aufweist, die einen Einlaßdruck und die Temperatur des Fluids abtastet; einen zweiten Mehrfachsensor, der eine zweite Abtastfläche im Auslaß aufweist, die einen Auslaßdruck und die Temperatur des Fluids abtastet; und eine Schaltung, die an den ersten und den zweiten Mehrfachsensor gekoppelt ist, wobei die Schaltung eine Fluiddurchflußausgabe erzeugt, die auf Ausgaben des ersten und zweiten Mehrfachsensors beruht, wobei die Fluiddurchflußausgabe eine Temperaturkorrektur als eine Funktion von mindestens einer der abgetasteten Temperaturen im Einlaß und im Auslaß aufweist.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die Durchflußdrossel eine Masse porösen Materials aufweist, die das Fluid vom Einlaß an den Auslaß koppelt.
Instrument nach Anspruch 2, wobei eine Geschwindigkeit des Fluids in der Masse porösen Materials in einem Geschwindigkeitsbereich liegt, so daß die Fluiddurchflußausgabe eine Funktion des Einlaßdrucks und im wesentlichen unabhängig vom Auslaßdruck ist.
Instrument nach Anspruch 3, wobei die Fluiddurchflußausgabe im wesentlichen eine lineare Funktion des Einlaßdrucks ist.
Instrument nach Anspruch 3, wobei der Fluiddurchfluß in der Masse porösen Materials eine Laminarströmung ist.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die Fluiddurchflußausgabe eine Funktion des Einlaßdrucks und des Auslaßdrucks ist.
Instrument nach Anspruch 6, wobei die Fluiddurchflußausgabe eine Funktion einer Differenz zwischen dem Einlaßdruck und dem Auslaßdruck ist.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die Schaltung mehrere Ausgaben erzeugt, die aus der Gruppe von Druck-, Temperatur- und Durchflußvariablen ausgewählt sind.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die Schaltung eine Temperaturausgabe erzeugt.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Mehrfachsensoren jeweilige erste und zweite mittlere Sensorschäfte aufweisen, die sich von der jeweiligen ersten und zweiten Abtastfläche zu jeweiligen ersten und zweiten elektrischen Verbindungsenden erstrecken, wobei das Instrument ferner eine Mehrfachsensorträgerplatte aufweist, die erste und zweite Durchgangslöcher aufweist, die an den jeweiligen ersten und zweiten mittleren Sensorschäften abgedichtet sind, wobei eine Isolierung zwischen dem Fluid und den ersten und zweiten elektrischen Verbindungsenden bereitgestellt wird.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die erste Abtastfläche Saphir aufweist.
Instrument nach Anspruch 11, wobei die zweite Abtastfläche Saphir aufweist.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Abtastflächen in direktem Kontakt mit dem Fluiddurchfluß stehen.
Instrument nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Mehrfachsensor jeweils einen SaphirMehrfachsensormantel aufweist, wobei ein Drucksensor und ein Temperatursensor in jedem SaphirMehrfachsensormantel ausgebildet sind.
Instrument nach Anspruch 14, wobei der SaphirMehrfachsensormantel den Drucksensor und den Temperatursensor vom Fluid fluidisoliert.
Instrument nach Anspruch 14, wobei der Temperatursensor sowohl die Temperatur des Fluids als auch die Temperatur des Drucksensors abtastet.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Mehrfachsensoren absolute Drücke abtasten.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die Durchflußdrossel poröses Metall mit mehreren Poren aufweist.
Instrument nach Anspruch 17, wobei die Röhre poröses Sili zium mit mehreren Poren aufweist.
Instrument nach Anspruch 1, das ferner aufweist: ein Ventil, das mit dem Durchflußkörper gekoppelt ist; und eine Steuerschaltung, die mit dem Ventil gekoppelt ist und den Fluiddurchfluß als eine Funktion des Auslaßfluiddurchflusses und eines Durchflußsollwerts steuert.
Instrument nach Anspruch 20, wobei die Steuerschaltung das Ventil mit einem Proportional-Steueralgorithmus steuert.
Instrument nach Anspruch 20, wobei die Steuerschaltung das Ventil mit einem Proportional-Integral-Steueralgorithmus steuert.
Instrument nach Anspruch 20, wobei die Steuerschaltung das Ventil mit einem Proportional-Integral-Differential-Steueralgorithmus steuert.
Instrument nach Anspruch 20, wobei die Steuerschaltung das Ventil mit einem Proportional-Differential-Steueralgorithmus steuert.
Instrument nach Anspruch 20, wobei der Durchflußkörper eine Verlegelänge zwischen Einlaßanschlußstücken von nicht mehr als etwa 106 mm aufweist.
Instrument nach Anspruch 25, wobei der Durchflußkörper eine Breite quer zur Verlegelänge von nicht mehr als etwa 28 mm aufweist.
Verfahren zum Steuern des Fluiddurchflusses durch ein Instrument, das aufweist: Koppeln des Fluiddurchflusses von einem Einlaß an einem Auslaß durch eine Durchflußdrossel; Abtasten eines Einlaßdrucks und der Temperatur des Fluids mit einem ersten Mehrfachsensor, der eine erste Abtastfläche im Einlaß aufweist; Abtasten eines Auslaßdrucks und der Temperatur des Fluids mit einem zweiten Mehrfachsensor, der eine zweite Abtastfläche im Auslaß aufweist; Koppeln der ersten und zweiten Mehrfachsensoren mit einer Schaltung, die eine Fluiddurchflußausgabe erzeugt; und Erzeugen der Fluiddurchflußausgabe beruhend auf dem Druck, der aus der Gruppe des Einlaßdrucks und des Auslaßdrucks ausgewählt wird, wobei die Fluiddurchflußausgabe eine Temperaturkorrektur als Funktion von mindestens einer der abgetasteten Temperaturen im Einlaß und Auslaß aufweist.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner das Bilden der Durchflußdrossel aus einer Masse porösen Materials aufweist.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner das Auswählen einer Masse porösen Materials mit einer Porengröße aufweist, die so gestaltet ist, daß eine Geschwindigkeit des Fluids in der Masse porösen Materials in einem Geschwindigkeitsbereich liegt, so daß die Fluiddurchflußausgabe eine Funktion des Einlaßdrucks und im wesentlichen unabhängig vom Auslaßdruck ist.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Fluiddurchflußausgabe im wesentlichen eine lineare Funktion des Einlaßdrucks ist.