DE112009001473B4

DE112009001473B4 - Systeme und Verfahren zum Aktualisieren eines Ventilauslösestroms in Massenströmungssteuerungen bzw. Regelungen

Info

Publication number: DE112009001473B4
Application number: DE112009001473.9T
Authority: DE
Inventors: Junhua Ding
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: US20100036534A1; WO2010005601A2; KR20110015692A; KR101391197B1; US8386083B2; GB201021285D0; JP2011524589A; JP5308520B2; GB2474378B; WO2010005601A3; GB2474378A; DE112009001473T5

Abstract

Ventilsystem zum Ermöglichen einer Aktualisierung eines Ventilauslösestromes einer Massenströmungsteuerung (500), wobei die Massenströmungssteuerung (500) dafür ausgelegt ist, eine Strömungsrate eines Fluides zu steuern, wobei das Ventilsystem umfasst: ein Ventil (210; 550), das zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, um die Strömungsrate des Fluides an einen gewünschten Einstellpunkt anzugleichen, wobei das Ventil (210; 550) dafür ausgelegt ist, mit der Bewegung zu der offenen Position dann zu beginnen, wenn ein Ventilstrom durch das Ventil (210; 550) im Wesentlichen gleich dem Ventilauslösestrom ist; und eine Ventilsteuerung (220; 560), die dafür ausgelegt ist, das Ventil (210; 550) dafür zu steuern, die Strömungsrate des Fluides anzugleichen, bis eine tatsächliche gemessene Strömungsrate des Fluides im Wesentlichen gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist, wobei die Steuerung (220; 560) des Weiteren ausgelegt ist zum: Überwachen (410) des Ventilstromes und der Strömungsrate des Fluides, während sich das Ventil (210; 550) zu der geschlossenen Position bewegt und der Ventilstrom und die Strömungsrate beide abnehmen; Messen (420) eines Wertes des Ventilstromes, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist; und Aktualisieren (430) des Ventilauslösestromes für einen nächsten Durchlauf der Massenströmungssteuerung (500) durch Einstellen des aktualisierten Ventilauslösestromes auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null.

Description

Hintergrund
Eine Massenströmungssteuerung bzw. Regelung (Mass Flow Controller MFC) ist eine Vorrichtung, die die Rate und die Menge eines durch die Vorrichtung strömenden Fluides einstellt, misst und steuert bzw. regelt. Das Fluid kann von einem beliebigen Typ sein, darunter beispielsweise unter anderem Gas, Dampf oder eine Flüssigkeit. Diese Vorrichtungen sind üblicherweise dazu konzipiert und kalibriert, mit hoher Genauigkeit die Strömung des Fluides innerhalb eines vordefinierten Bereiches von Strömungsraten zu steuern bzw. zu regeln. Einige Herstellungsprozesse, so beispielsweise die Halbleiterherstellung, erfordern eine genaue Steuerung bzw. Regelung der Rate der Fluidströmung und der Menge (Masse) von Gasen und Dämpfen, die einer Prozesskammer oder einem Werkzeug zugeführt werden.
Anwendungen von MFCs beinhalten unter anderem das Dosieren genauer Mengen von Gasen und Dämpfen, die in eine Prozesskammer zur nachfolgenden Aufbringung auf Werkstücke strömen, das Trockenätzen zur Entfernung von Material, Ionen- und Plasmastrahlen zur Verwendung in der Halbleiter- und Arzneimittelindustrie und dergleichen mehr. Bei vielen derartigen Anwendungen ist die Genauigkeit bei den Fluidströmungsraten und der Fluidmasse wichtig, um optimale Ergebnisse sicherzustellen.
Das Steuerungs- bzw. Regelungsventil ist eine wichtige Komponente in einer MFC. Dieses reguliert die Massenströmungsrate des Fluides durch Variieren des Grades oder des Ausmaßes, in dem das Ventil offen ist, entsprechend dem von der MFC eingestellten Steuerungs- bzw. Regelungsbefehl. Der minimale elektrische Strom in dem Ventilbetätiger, der bewirkt, dass sich der Ventildeckel zu öffnen beginnt, wird gemeinhin als Ventilauslösestrom (valve cracking current) oder Ventilschwellenstrom (valve threshold current) bezeichnet.
Zur Aktualisierung des Ventilauslösestromes können Verfahren verwendet werden, die eine Druckinformation benötigen, das heißt, sie benötigen einen in der MFC eingebetteten Drucksensor, um den Betriebszustand zu überwachen. Nicht sämtliche MFCs beinhalten jedoch einen eingebetteten Drucksensor, wodurch es für derartige MFCs schwierig wird, den Ventilauslösestrom zu aktualisieren, wenn derartige Verfahren eingesetzt werden. Darüber hinaus sagen derartige Verfahren den Ventilauslösestrom gegebenenfalls nicht richtig vorher, wenn das Ventil dekalibriert bzw. verstellt (drifted) ist.
Das Dokument US 5,472,056 betrifft eine Steuerung für ein Landwirtschaftsfahrzeug und ein Kalibrierungsverfahren für solche Steuerungen. Dabei wird eine Steuerung für eine Anhängerkupplung bereitgestellt, wobei Korrekturfaktoren auf Steuersignale angewandt werden. In einer Ausführungsform wird ein Korrekturfaktor auf Grundlage von Signalen generiert, die elektrische Parameter von Magnetspulen in einem Betätigungsschaltkreis charakterisieren.
Das Dokument DE 602 07 609 T2 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Ventilöffnung für einen Massenflussregler. Das Verfahren dient zum Bestimmen einer Verstellung eines Ventils mit einem Ventileinlass zum Empfangen eines Fluidflusses bei einem Einlassdruck und einem Ventilauslass zum Liefern des Fluidflusses bei einem Auslassdruck. Dabei wird ein Zwischendruck zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck ausgewählt. Eine erste Verstellung des Ventils basierend auf einem viskosen Druckabfall vom Einlassdruck zum Zwischendruck wird bestimmt. Eine zweite Verstellung des Ventils basierend auf einem nicht viskosen Druckabfall vom Zwischendruck zum Auslassdruck wird bestimmt. Weiterhin wird bestimmt, ob die erste Verstellung nahezu gleich der zweiten Verstellung ist und es wird die erste oder zweite Verstellung ausgewählt, wenn diese nahezu gleich sind.
Systeme und Verfahren, die eine genaue Bestimmung und Aktualisierung des Ventilauslösestromes ermöglichen, ohne Druckinformation zu benötigen, sind wünschenswert und verbessern die Steuerungs- bzw. Regelungsfähigkeit von MFCs bei verschiedenen Drücken.
Zusammenfassung
Ein Ventilsystem für eine Massenströmungssteuerung bzw. Regelung ist dafür ausgelegt zu ermöglichen, dass der Ventilauslösestrom der Massenströmungssteuerung bzw. Regelung aktualisiert wird, ohne Druckinformation zu benötigen. Das Ventilsystem beinhaltet ein Ventil, das zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, um die Strömungsrate des Fluides an einen gewünschten Einstellpunkt anzugleichen.
Das Ventilsystem beinhaltet des Weiteren eine Ventilsteuerung bzw. Regelung, die dafür ausgelegt ist, das Ventil derart zu steuern bzw. zu regeln, dass die Strömungsrate des Fluides angeglichen wird, bis die tatsächliche bzw. aktuelle gemessene Strömungsrate des Fluides im Wesentlichen gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist. Die Ventilsteuerung bzw. Regelung ist ausgestaltet zum: Überwachen des Ventilstromes und der Strömungsrate des Fluides, während sich das Ventil zu der geschlossenen Position bewegt; Messen eines Wertes des Ventilstromes, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist; und Aktualisieren des Ventilauslösestromes für einen nächsten Durchlauf der Massenströmungssteuerung bzw. Regelung durch Einstellen des aktualisierten Ventilauslösestromes auf den gemessenen Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 zeigt schematisch ein Solenoid- bzw. Magnetventil, das in einer Massenströmungssteuerung bzw. Regelung verwendet wird.
2 zeigt schematisch ein Rückkopplungssteuerungs- bzw. Regelungsdiagramm für eine Massenströmungssteuerung bzw. Regelung unter Verwendung eines Ventilauslösestromes zur Beschleunigung der Reaktion.
3 zeigt schematisch ein Verfahren zum Aktualisieren des Ventilauslösestromes entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt schematisch ein Verfahren zum Aktualisieren des Ventilauslösestromes entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt schematisch eine einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung entsprechende MFC, die dafür ausgelegt ist, den Ventilauslösestrom zu aktualisieren, ohne Druckinformation zu benötigen.
Detailbeschreibung
In der vorliegenden Offenbarung werden Systeme und Verfahren zum Aktualisieren des Ventilauslösestromes einer MFC beschrieben, ohne dass diese Druckinformation benötigen würde, wodurch die Steuerungs- bzw. Regelungsfähigkeit der MFC bei verschiedenen Drücken verbessert wird.
1 zeigt ein Beispiel eines Steuerungs- bzw. Regelungsventils für eine MFC. Wie in 1 gezeigt ist, kann ein Steuerungs- bzw. Regelungsventil in einer MFC einen Ventilsitz 180 mit einer Öffnung 170 und einen Deckel 160 beinhalten, der durch eine Feder 150 derart schiebebelastet wird, dass er die Öffnung 170 an dem Ventilsitz 180 abdichtet. In dem Steuerungs- bzw. Regelungsventil, das in 1 gezeigt ist, bestimmt der Spalt bzw. die Lücke zwischen dem Deckel 160 und dem Ventilsitz 180, wie vollständig das Ventil geöffnet ist. Der Deckel ist üblicherweise an einem Ventilbetätiger angebracht, um den Grad davon zu variieren, wie vollständig das Ventil geöffnet ist.
Das in 1 dargestellte Steuerungs- bzw. Regelungsventil verwendet einen Solenoid- bzw. Magnetventilbetätiger, der einen Anker 140 beinhaltet, der aus ferromagnetischem Material besteht und an dem Deckel 160 angebracht ist, und eine Drahtspule 120. Der Solenoid- bzw. Magnetventilbetätiger beinhaltet des Weiteren einen Ventilkern 110 und ein Ventilgehäuse, die beide aus ferromagnetischem Material bestehen. Obwohl in 1 ein Solenoid- bzw. Magnetventilbetätiger gezeigt ist, können viele andere Arten von Ventilbetätigern zum Einsatz kommen.
Fließt ein elektrischer Strom zu der Drahtspule 120, so wird ein elektromagnetisches Feld in dem Ventilbetätiger gebildet, und der Anker 140 wird durch die magnetische Kraft zu dem festen Ventilkern 110 gezogen. Ist die magnetische Kraft an dem Anker 140 größer als die Summe aus der Kraft der vorbelasteten Feder und der durch die Druckdifferenz in der Öffnung bewirkte Kraft, so beginnt der Deckel 160 mit einer Bewegung weg von dem Ventilsitz 180, wodurch sich der Grad oder das Ausmaß, in dem das Ventil geöffnet ist, ändert.
Der minimale elektrische Strom, der in dem Ventilbetätiger fließen muss, um zu bewirken, dass der Ventildeckel mit dem Öffnen beginnt, wird als Ventilauslösestrom (valve cracking current) bezeichnet. Mit anderen Worten, wenn der Ventilstrom einen Wert im Wesentlichen gleich dem Ventilauslösestrom erreicht, so beginnt der Ventildeckel 160 mit einer Bewegung weg von dem Ventilsitz 180, und das Ventil beginnt mit der Bewegung.
In vielen MFCs wird der Ventilauslösestrom als Ventilvormagnetisierungsstrom in einem Rückkopplungssteuerungs- bzw. Regelungssystem mit geschlossener Schleife eingesetzt, das in 2 gezeigt ist. Wie in 2 gezeigt ist, kann anstelle des Hochfahrens des Ventilstromes von Null auf einen Endwert und Aufnehmen bzw. Verbrauchen der Zeit in dem Prozess eine MFC das Ventil direkt in eine anfängliche Öffnungsposition befehlen, indem zunächst der Ventilauslösestrom fließt und anschließend eine Rückkopplungssteuerungs- bzw. Regelungsschleife zum Versetzen des Ventils zu der Endposition eingesetzt wird. Auf diese Weise beschleunigt der Ventilauslösestrom die Ventilreaktion auf eine Änderung des Strömungseinstellpunktes von Null zu einem Nichtnullwert.
Ist der Ventilauslösestrom zu niedrig, so ist eine langsame Reaktion zu erwarten. Ist indes der Ventilauslösestrom zu hoch eingestellt, so tritt ein Überschwingen (overshoot) auf. Um eine gute Steuerungs- bzw. Regelungsfähigkeit der MFCs zu erreichen, ist es bedeutsam, den Ventilauslösestrom genau einzustellen.
Der Ventilauslösestrom ist eine Funktion von Faktoren, zu denen unter anderem zählen: die Druckdifferenz in der Ventilöffnung, die Größe der Ventilöffnung und die Kraft der vorbelasteten Feder. Bei der Herstellung von MFCs kann ein anfänglicher Ventilauslösestrom während der Kalibrierungs- und/oder Abstimmprozeduren unter bekannten Bedingungen, so beispielsweise der Druckdifferenz in der Ventilöffnung, bestimmt werden. Unterscheidet sich der Druckwert, der von einem Endanwender eingesetzt wird, von demjenigen, der während der Kalibrierung und/oder Abstimmung eingesetzt wird, so ist wünschenswert, wenn die MFC eine intelligente (smart) MFC ist, die die Änderung der Betriebsbedingung erkennt und den Ventilauslösestrom entsprechend angleicht.
2 zeigt schematisch ein Ventil 210 und eine Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung 220 in einer MFC sowie einen Ventilauslösestrom I_{cmd_min}, der von der Steuerung bzw. Regelung 220 an das Ventil 210 als Ventilvormagnetisierungsstrom zur Beschleunigung der Ventilreaktion zu einer Nichtnullströmungseinstellpunktänderung gesendet wird. In einer Rückkopplungsschleife 240, die in 2 gezeigt ist, ist ein Strömungseinstellpunkt Q_sp (das heißt ein gewünschter Einstellpunkt für die Strömungsrate des Fluides) für die Steuerung bzw. Regelung 120 bzw. 220 vorgesehen. Der Strömungseinstellpunkt Q_sp kann von einem Anwender eingegeben werden; der Strömungseinstellpunkt Q_sp kann jedoch auch mittels anderer Verfahren eingegeben werden. Die tatsächliche bzw. aktuelle Ausgabeströmungsrate Q wird anschließend von einem Strömungssensor 230 in der MFC gemessen.
Die Ausgabeströmungsrate Q durch das Ventil hängt von einer Anzahl von Parametern ab. Ein Parameter ist der Grad oder das Ausmaß, in dem das Ventil offen ist. Dieser bzw. dieses ist durch den Ventilstrom bestimmt, das heißt durch denjenigen Steuerungs- bzw. Regelungsstrom, der von der Steuerung bzw. Regelung 220 ausgegeben wird und zu dem Ventil 210 fließt. Wie in 2 angegeben ist, ist die Strömungsrate Q zudem durch den Fluiddruck P wie auch die Gaseigenschaften des Fluides, so beispielsweise das molekulare Gewicht und das spezifische Wärmeverhältnis, bestimmt. Bei Anwendungen in der Praxis werden das Fluid und der stromaufwärtige Druck vorab bestimmt. Die MFC kann die Strömungsrate lediglich durch Angleichen des Grades oder Ausmaßes ändern, in dem das Ventil offen ist, was wiederum durch Angleichen des Ventilstromes erreicht wird.
Auf Grundlage des Fehlers oder der Differenz zwischen dem Strömungseinstellpunkt Q_sp und der tatsächlichen bzw. aktuellen gemessenen Strömungsrate Q_meas erzeugt die Steuerung bzw. Regelung 220 einen Ventilbefehlsstrom, der an das Ventil 210 gesendet wird, um den Grad oder das Ausmaß, in dem das Ventil 210 offen ist, zu steuern bzw. zu regeln, um so die Fluidströmungsrate an dem empfangenen Einstellpunkt Q_sp zu halten.
Das Symbol I_{cmd_min} in 2 steht für den Ventilauslösestrom, der als Vormagnetisierungs- oder Zusatzventilstrom auf die Ausgabe der Steuerung bzw. Regelung 220 wirkt. Nimmt die Größe des Ventilstromes zu, so nimmt auch die Größe der elektromagnetischen Kraft zu. Erreicht der Wert des Ventilstromes den Wert des Ventilauslösestromes, so ist die elektromagnetische Kraft gleich der Kraft der vorbelasteten Feder plus der Druckdifferenzkraft in dem Ventil. Zu diesem Zeitpunkt beginnt das Ventil mit dem Öffnen.
Die Größe des Ventilauslösestromes, das heißt die minimale Menge an Ventilstrom, die benötigt wird, um das Ventil zu öffnen, steht mit der Kraft der vorbelasteten Feder an dem Ventil in Zusammenhang. Ist reichlich Kraft der vorbelasteten Feder an dem Ventil vorhanden, so wird ein größerer Ventilauslösestrom benötigt, um das Ventil zu öffnen, im Vergleich zu derjenigen Situation, in der eine geringere Kraft der vorbelasteten Feder vorhanden ist. Der Wert des Ventilauslösestromes I_{cmd_min} hängt auch von der Druckdifferenz in der Öffnung des Ventils ab. Bei vielen Anwendungen ist der stromaufwärtige Druck von MFCs nahe am Vakuum, sodass die Druckdifferenz in der Öffnung des Ventils als stromaufwärtiger Druck des Ventils oder Einlassfluiddruck P angenähert werden kann. Daher kann der Ventilauslösestrom als Funktion des stromaufwärtigen Druckes P folgendermaßen ausgedrückt werden: I_{cmd_min} = f(P)
Wie in 2 gezeigt ist, kann ein Befehl bzw. können Befehle im Zusammenhang mit dem Wert des Ventilauslösestromes zu dem von der Steuerung bzw. Regelung 220 ausgegeben Steuerungs- bzw. Regelungsbefehl hinzugefügt bzw. addiert werden. Mit anderen Worten, der Ventilauslösestrom wirkt im Grunde als Vormagnetisierungsstrom oder Offsetstrom für die Steuerung bzw. Regelung 220. Ein ungenauer Ventilauslösestrom bewirkt entweder ein Überschwingen oder eine langsame Reaktion. Für den Fall eines Überschwingens wird der anfängliche Ventilauslösestrom vergleichsweise hoch eingestellt. Springt das Ventil jedoch abrupt auf einen hohen anfänglichen Auslösestrom, so wird das Ventil zu weit geöffnet, und es tritt reichlich Strömung hindurch, sodass ein Überschwingen auftritt. Ist demgegenüber der Ventilauslösestrom zu niedrig eingestellt, so muss die Steuerung bzw. Regelung den Strom hochfahren, bis sich das Ventil öffnet, was eine Zeit dauert und ein Überschwingen bewirkt.
3 zeigt schematisch ein vorgeschlagenes Verfahren zum Aktualisieren des Ventilauslösestromes entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Die Grundidee besteht darin, sowohl den Ventilstrom I wie auch die Strömungsrate Q zu überwachen, während das Ventil geschlossen ist. Während einer Ventilschließungszeitspanne nimmt der Strom I langsam ab (oder wird langsam heruntergefahren), anstatt dass er abrupt abgeschaltet würde. Die Strömungsrate Q nimmt ebenfalls mit der Abnahme des Stromes I ab. Wird der Strom heruntergefahren, so wird die Strömungsrate Q überwacht. Auf diese Weise wird der Wert des Stromes entsprechend einer Strömung von beinahe Null erfasst, und der neue oder aktualisierte Wert des Ventilauslösestromes wird auf jenen Wert eingestellt.
Öffnet sich das Ventil, so wird im Allgemeinen ein größerer Ventilauslösestrom benötigt, wohingegen bei einem Schließen des Ventils im Allgemeinen ein viel geringerer Ventilauslösestrom von Nöten ist. Dieses Verhalten wird allgemein als Hysterese von Solenoid- bzw. Magnetventilbetätigern bezeichnet, wie ebenfalls in 3 dargestellt ist. Durch eher konservatives Wählen des neuen Ventilauslösestromes, das heißt durch Wählen des Wertes des Stromes bei einer Strömung von beinahe Null bei sich schließendem Ventil kann ein Problem des Überschwingens beim nächsten Durchlauf der MFC mit dem empfangenen Strömungseinstellpunkt Q_sp von Null zu einem Nichtnullwert verhindert werden.
Eine Strömung von beinahe Null wird als Punkt zum Erfassen des neuen Ventilauslösestromes anstelle der Strömung von genau Null gewählt, da üblicherweise eine MFC unter anderem eine Nulldrift (zero drift) oder ein Nullleck (zero leak) aufweist, das verhindert, dass die MFC eine Strömung von genau Null aufweist, auch wenn der Ventilstrom gleich Null ist. Aus diesem Grund kann ein kleiner Prozentualanteil der Vollskalenströmung als Strömungsbedingung von beinahe Null gewählt werden. So kann beispielsweise etwa ein halbes Prozent der Vollskalenströmung als Bedingung gewählt werden, bei der der neue Ventilauslösestrom erfasst wird, was jedoch nur ein Beispiel darstellt.
Um den korrekten Ventilauslösestrom zu erfassen, muss die MFC zunächst bestimmen, ob sich der Einstellpunkt von Nichtnull nach Null geändert hat, damit sich das Ventil zu der geschlossenen Position bewegt; sodann muss die MFC bestimmen, dass der vorherige Nichtnulleinstellpunkt ein vorbestimmter Prozentualanteil eines Vollskalenwertes ist; schließlich muss die MFC bestimmen, ob die tatsächliche bzw. aktuelle Strömungsrate für den vorherigen Nichtnulleinstellpunkt erreicht worden ist. Nur wenn sämtliche Bedingungen erfüllt sind, wird der neue Ventilauslösestrom erfasst und für den nächsten Durchlauf aktualisiert.
4 ist ein schematisches Flussdiagramm, das die Schritte oder Vorgänge, die bei dem in 3 dargestellten Verfahren zum Einsatz kommen, darstellt. Wie in 4 gezeigt ist, kann ein Verfahren 400 zum Aktualisieren eines Ventilauslösestromes entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung den Vorgang 410 des Überwachens der Strömungsrate des Fluides und eines Ventilstromes, der durch die Ventilsteuerung bzw. Regelung durch das Ventil gesendet wird, während sich das Ventil hin zu der geschlossenen Position bewegt, beinhalten. Das Verfahren 400 kann des Weiteren den Vorgang 420 des Bestimmens und Aufzeichnens eines Wertes des Ventilstromes dann, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist, beinhalten. Das Verfahren 400 kann des Weiteren den Vorgang 430 des Aktualisierens des Ventilauslösestromes durch Einstellen des Ventilauslösestromes für einen nächsten Durchlauf der Massenströmungssteuerung bzw. Regelung auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null beinhalten.
Das vorbeschriebene Verfahren kann computerimplementiert sein, wobei in diesem Fall das Verfahren unter Verwendung eines Verarbeitungssystems durchgeführt wird, das ein computerlesbares Medium beinhaltet, auf dem computerlesbare Anweisungen gespeichert sind. Diese Anweisungen können daher, wenn sie von dem Verarbeitungssystem gelesen und implementiert werden, bewirken, dass der Prozessor Nachfolgendes ausführt: Überwachen einer Strömungsrate eines Fluides in einer Massenströmungssteuerung bzw. Regelung und eines Ventilstromes durch ein Ventil in der Massenströmungssteuerung bzw. Regelung, wenn sich das Ventil hin zu einer geschlossenen Position bewegt; Bestimmen eines Wertes des Ventilstromes, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist; und Aktualisieren des Ventilauslösestromes durch Einstellen des Ventilauslösestromes für einen nächsten Durchlauf der Massenströmungssteuerung bzw. Regelung auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null. Das computerlesbare Medium kann ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Medium sein, darunter unter anderem Festplatten, Floppydisks, CD-ROMs, Flash-Speicher und optische Speichervorrichtungen. Die vorgenannten computerlesbaren Anweisungen können durch Software bereitgestellt werden, die über das Internet verteilt wird.
5 zeigt schematisch eine einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung entsprechende MFC 500, die zum Aktualisieren des Ventilauslösestromes ausgelegt ist. Wie bei herkömmlichen MFCs beinhaltet die MFC 500 einen Strömungskörper 510 und einen Massenströmungssensor 540. Die MFC 500 verfügt zudem über ein Ventilsystem, das ein Ventil 500 und eine Ventilsteuerung bzw. Regelung (oder eine Mikrosteuerung bzw. Mikroregelung bzw. einen Mikrokontroller) 560 beinhaltet, die das Ventil 550 steuert bzw. regelt. Der Strömungskörper 510 empfängt ein Fluid an einem Einlass 520 hiervon und stellt einen Strömungsweg für das Fluid zwischen dem Einlass 520 und dem Auslass 530 bereit. Der Massenströmungssensor 540 misst die Strömungsrate des Fluides, wenn das Fluid von dem Einlass 520 zu dem Auslass 530 der MFC 500 strömt. Das Ventil 550 reguliert die Strömung des Fluides bei der gewünschten Strömungsrate. Durch Öffnen und Schließen des Ventils 550 kann die Massenströmungsrate des Fluides, das durch den Strömungsweg strömt, wie gewünscht angeglichen werden. Das Ventil 550 wird üblicherweise durch einen Ventilbetätiger bewegt oder betätigt, so beispielsweise unter anderem durch Solenoid- bzw. Magnetventilbetätiger, piezoelektrische Betätiger und Schrittmotorbetätiger.
Eine Ventilsteuerung bzw. Regelung 560 steuert den Betrieb des Ventils 550. Die Steuerungs- bzw. Regelungselektronik in der Ventilsteuerung bzw. Regelung 560 steuert die Position des Ventils 550 auf Grundlage eines Strömungseinstellpunktes, der die Massenströmungsrate des Fluides wie gewünscht angibt. Der Massenströmungssensor 540 kann ein Rückkopplungssignal senden, das die tatsächliche bzw. aktuelle gemessene Massenströmungsrate des Fluides angibt. Traditionelle Rückkopplungssteuerungs- bzw. Regelungsverfahren werden zur Steuerung bzw. Regelung der Fluidströmung in der MFC verwendet. Bei derartigen Rückkopplungssteuerungs- bzw. Regelungsverfahren wird ein Steuerungs- bzw. Regelungs- oder Befehlssignal durch die Steuerung bzw. Regelung erzeugt, und zwar auf Grundlage eines Fehlersignals, das sich aus der Differenz zwischen dem Strömungseinstellpunkt und dem Rückkopplungssignal zur Angabe der tatsächlichen bzw. aktuellen von dem Massenströmungssensor gemessenen Massenströmungsrate ergibt.
Wie bei herkömmlichen MFCs ist das Ventil 550 zwischen einer vollständig offenen Position und einer vollständig geschlossenen Position bewegbar, um die Strömungsrate des Fluides auf einen gewünschten Einstellpunkt einzustellen. Wie vorstehend erläutert worden ist, beginnt das Ventil 550 mit der Bewegung, wenn der Ventilstrom durch das Ventil im Wesentlichen gleich dem Ventilauslösestrom ist. Die Ventilsteuerung bzw. Regelung 560 steuert bzw. regelt das Ventil 550 derart, dass die Fluidströmungsrate angeglichen wird, bis eine tatsächliche bzw. aktuelle gemessene Strömungsrate des Fluides im Wesentlichen gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist.
Bei der vorliegenden Offenbarung ist die Ventilsteuerung bzw. Regelung 560 zusätzlich zum Überwachen des Ventilstromes und der Strömungsrate des Fluides, wenn sich das Ventil zu der geschlossenen Position bewegt, ausgelegt. Ausgelegt ist die Ventilsteuerung bzw. Regelung 560 des Weiteren zum Bestimmen des Ventilstromes, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist, und zum Aktualisieren des Ventilauslösestromes für den nächsten Durchlauf der Massenströmungssteuerung bzw. Regelung durch Einstellen des aktualisierten Ventilauslösestromes auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null.
Ausgelegt ist die Ventilsteuerung bzw. Regelung 560 zudem zum Empfangen des gewünschten Strömungseinstellpunktes, Vergleichen des gewünschten Strömungseinstellpunktes mit der tatsächlichen bzw. aktuellen Strömungsrate des Fluides gemäß Messung durch den Strömungsratensensor. Ist die tatsächliche bzw. aktuelle Strömungsrate nicht gleich dem gewünschten Einstellpunkt, so gleicht die Ventilsteuerung bzw. Regelung die Position des Ventils an, bis die tatsächliche bzw. aktuelle Strömungsrate im Wesentlichen gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist. Ausgelegt ist die Ventilsteuerung bzw. Regelung 560 des Weiteren dazu, den aktualisierten Ventilauslösestrom für den nächsten Durchlauf erst dann adaptiv zu erfassen, wenn sich der gewünschte Einstellpunkt von Nichtnull nach Null ändert, damit sich das Ventil zu der geschlossenen Position bewegt.
Aus alledem ergibt sich, dass Systeme und Verfahren zum Aktualisieren des Ventilauslösestromes in MFCs beschrieben worden sind. Diese Systeme und Verfahren verbessern die Steuerungs- bzw. Regelungsfähigkeit von MFCs bei verschiedenen Betriebsbedingungen stark, so beispielsweise bei verschiedenen Einlassfluiddrücken. Des Weiteren ermöglichen derartige Systeme und Verfahren, dass die Langzeitkalibrierung (Drift) des MFC-Ventils automatisch richtig ist.
Es sollte einsichtig sein, dass die bei diesen Ausführungsbeispielen implizit angebenden Konzepte auch in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden können. Der Schutz der Anmeldung ist lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt.
In diesen Ansprüchen soll die Nennung eines Elementes im Singular nicht „eines und nur eines” bedeuten, außer dies ist explizit so gesagt, sondern vielmehr „eines oder mehrere”. Sämtliche strukturellen und funktionellen Äquivalente für Elemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele, die in dieser Offenbarung beschrieben worden sind und die derzeit einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet bekannt sind oder später noch bekannt werden, sind explizit durch Verweisung mit aufgenommen und sollen als von den Ansprüchen mitumfasst betrachtet werden Darüber hinaus soll nichts von dem hier Offenbarten als der Öffentlichkeit überlassen betrachtet werden, und zwar unabhängig davon, ob das Offenbarte explizit in den Ansprüchen genannt ist oder nicht. Kein Element eines Anspruches soll gemäß den Regelungen von 35 U.S.C. § 112, Abs. 6 gedeutet werden, außer dieses Element wird explizit unter Einsatz der Wendung „Mittel zum/zur” oder für den Fall eines Verfahrensschrittes unter Einsatz der Wendung „Schritt zum/zur” genannt.

Claims

Ventilsystem zum Ermöglichen einer Aktualisierung eines Ventilauslösestromes einer Massenströmungsteuerung (500), wobei die Massenströmungssteuerung (500) dafür ausgelegt ist, eine Strömungsrate eines Fluides zu steuern, wobei das Ventilsystem umfasst: ein Ventil (210; 550), das zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, um die Strömungsrate des Fluides an einen gewünschten Einstellpunkt anzugleichen, wobei das Ventil (210; 550) dafür ausgelegt ist, mit der Bewegung zu der offenen Position dann zu beginnen, wenn ein Ventilstrom durch das Ventil (210; 550) im Wesentlichen gleich dem Ventilauslösestrom ist; und eine Ventilsteuerung (220; 560), die dafür ausgelegt ist, das Ventil (210; 550) dafür zu steuern, die Strömungsrate des Fluides anzugleichen, bis eine tatsächliche gemessene Strömungsrate des Fluides im Wesentlichen gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist, wobei die Steuerung (220; 560) des Weiteren ausgelegt ist zum: Überwachen (410) des Ventilstromes und der Strömungsrate des Fluides, während sich das Ventil (210; 550) zu der geschlossenen Position bewegt und der Ventilstrom und die Strömungsrate beide abnehmen; Messen (420) eines Wertes des Ventilstromes, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist; und Aktualisieren (430) des Ventilauslösestromes für einen nächsten Durchlauf der Massenströmungssteuerung (500) durch Einstellen des aktualisierten Ventilauslösestromes auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null.
Ventilsystem nach Anspruch 1, wobei die Ventilsteuerung (220; 560) des Weiteren ausgelegt ist zum: Empfangen des gewünschten Einstellpunktes, Empfangen der tatsächlichen gemessenen Strömungsrate von einem Strömungsratensensor (540) in der Massenströmungssteuerung (500), Vergleichen des gewünschten Einstellpunktes mit der tatsächlichen gemessenen Strömungsrate des Fluides und dann, wenn die tatsächliche gemessene Strömungsrate nicht gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist, erfolgendes Angleichen der Position des Ventils (210; 550), bis die tatsächliche Strömungsrate im Wesentlichen gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist.
Ventilsystem nach Anspruch 2, wobei die Ventilsteuerung (220; 560) des Weiteren dafür ausgelegt ist, den aktualisierten Ventilauslösestrom für den nächsten Durchlauf erst dann adaptiv zu erfassen, nachdem bestimmt worden ist, dass sich der gewünschte Einstellpunkt von Nichtnull nach Null geändert hat, sodass sich das Ventil (210; 550) zu der geschlossenen Position bewegt, der empfangene Einstellpunkt bei einem vorbestimmten Prozentualanteil eines Vollskalenwertes ist und die Strömungsrate den empfangenen Einstellpunkt erreicht hat.
Ventilsystem nach Anspruch 1, wobei der Ventilbetätiger wenigstens eines von einem Solenoidbetätiger; einem piezoelektrischen Betätiger; einem Schrittmotorbetätiger; und einem Linearmotorbetätiger umfasst.
Verfahren zum Aktualisieren eines Ventilauslösestromes in einer Massenströmungssteuerung (500), die eine Strömungsrate eines Fluides steuert, wobei die Massenströmungssteuerung (500) ein Ventil (210; 550), das zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, und eine Ventilsteuerung (220; 560), die dafür ausgelegt ist, die Ventilposition derart zu steuern, dass die Strömungsrate des Fluides an einen gewünschten Einstellpunkt angeglichen wird, beinhaltet, wobei das Verfahren umfasst: Überwachen (410) der Strömungsrate des Fluides und eines Ventilstromes, der von der Ventilsteuerung durch das Ventil gesendet wird, wenn sich das Ventil hin zu der geschlossenen Position bewegt; Bestimmen (420) eines Wertes des Ventilstromes, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist; und Aktualisieren (430) des Ventilauslösestromes durch Einstellen des Ventilauslösestromes für einen nächsten Durchlauf des Massenströmungssteuerung (500) auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null.
Verfahren nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend die nachfolgenden Vorgänge: Empfangen des gewünschten Einstellpunktes; Bestimmen, ob sich der gewünschte Einstellpunkt von Nichtnull nach Null geändert hat, sodass sich das Ventil (210; 550) zu der geschlossenen Position bewegt; Bestimmen, ob der empfangene Einstellpunkt bei einem vorbestimmten Prozentualanteil eines Vollskalenwertes ist und die tatsächliche Strömungsrate den empfangenen Einstellpunkt erreicht hat; und Aktualisieren des Ventilauslösestromes durch Einstellen des Ventilauslösestromes auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null erst dann, wenn sich der gewünschte Einstellpunkt von Nichtnull nach Null geändert hat, bei dem vorbestimmten Prozentualanteil eines Vollskalenwertes ist und erreicht worden ist.
Computerverwendbares Medium, auf dem computerlesbare Anweisungen für einen Prozessor gespeichert sind, wobei die Anweisungen bei Ausführung durch den Prozessor den Prozessor veranlassen zum: Überwachen (410) einer Strömungsrate eines Fluides in einer Massenströmungssteuerung (500) und eines Ventilstromes durch ein Ventil (210; 550) in der Massenströmungssteuerung (500), wenn sich das Ventil hin zu einer geschlossenen Position bewegt; Bestimmen (420) eines Wertes des Ventilstromes, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist; und Aktualisieren (430) des Ventilauslösestromes durch Einstellen des Ventilauslösestromes für einen nächsten Durchlauf der Massenströmungssteuerung (500) auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null.
Massenströmungssteuerung, die dafür ausgelegt ist, einen Ventilauslösestrom zu aktualisieren, ohne Druckinformation zu benötigen, wobei die Massenströmungssteuerung (500) umfasst: einen Strömungsratensensor (540), der dafür ausgelegt ist, eine Strömungsrate des Fluides zu messen; ein Ventil (210; 550), das dafür betätigt werden kann, die Strömungsrate des Fluides an einen gewünschten Einstellpunkt anzugleichen, wobei das Ventil (210; 550) dafür ausgelegt ist, sich von einer geschlossenen Position zu einer offenen Position zu bewegen, wenn ein Ventilstrom durch das Ventil (210; 550) gleich dem Ventilauslösestrom ist; und eine Ventilsteuerung (220; 560), die dafür ausgelegt ist, eine Position des Ventils (210; 550) derart zu steuern, dass die Strömungsrate des Fluides angeglichen wird, bis eine tatsächliche Strömungsrate gemäß Messung durch den Strömungsratensensor (540) im Wesentlichen gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist; wobei die Ventilsteuerung (220; 560) des Weiteren ausgelegt ist zum: Überwachen (410) des Ventilstromes und der Strömungsrate des Fluides, wenn sich das Ventil (210; 550) zu der geschlossenen Position bewegt; Bestimmen (420) des Ventilstromes, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist; und Aktualisieren (430) des Ventilauslösestromes für den nächsten Durchlauf der Massenströmungssteuerung (500) durch Einstellen des aktualisierten Ventilauslösestromes auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null.
Massenströmungssteuerung nach Anspruch 8, wobei die Ventilsteuerung (220; 560) des Weiteren ausgelegt ist zum: Empfangen des gewünschten Einstellpunktes, Vergleichen des gewünschten Einstellpunktes mit der tatsächlichen Strömungsrate des Fluides gemäß Messung durch den Strömungsratensensor (540) und dann, wenn die tatsächliche Strömungsrate nicht gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist, erfolgendes Angleichen der Position des Ventils (210; 550), bis die tatsächliche Strömungsrate im Wesentlichen gleich dem gewünschten Einstellpunkt ist.
Massenströmungssteuerung nach Anspruch 9, wobei die Ventilsteuerung (220; 560) des Weiteren dafür ausgelegt ist, den aktualisierten Ventilauslösestrom für den nächsten Durchlauf erst dann adaptiv zu erfassen, wenn sich der gewünschte Einstellpunkt von Nichtnull nach Null geändert hat, sodass sich das Ventil (210; 550) zu der geschlossenen Position bewegt, der gewünschte Einstellpunkt bei einem vorbestimmten Prozentualanteil eines Vollskalenwertes ist und die tatsächliche Strömungsrate den empfangenen Einstellpunkt erreicht hat.
Massenströmungssteuerung nach Anspruch 8, wobei der Ventilbetätiger wenigstens eines von einem Solenoidbetätiger; einem piezoelektrischen Betätiger; einem Schrittmotorbetätiger; und einem Linearmotorbetätiger umfasst.
Massenströmungssteuerung nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend einen Strömungskörper (510) mit einem Einlass (520) und einem Auslass (530), wobei der Strömungskörper (510) dafür ausgelegt ist, das Fluid an dem Einlass (520) zu empfangen und einen Strömungsweg für das Fluid zwischen dem Einlass (520) und dem Auslass (530) bereitzustellen; und wobei der Strömungsratensensor (540) dafür ausgelegt ist, die Strömungsrate des Fluides durch den Strömungsweg zu messen.
Verfahren nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend den Vorgang des Aufzeichnens des Wertes des Ventilstromes, wenn das Fluid eine Strömungsrate von beinahe Null aufweist, bevor der Ventilauslösestrom aktualisiert wird.
Ventilsystem nach Anspruch 1, wobei die Ventilsteuerung (560) ein Rückkopplungsventilsteuerungssystem umfasst und dafür ausgelegt ist, einen Ventilauslösestrom für den nächsten Durchlauf der Massenströmungssteuerung (500) durch Einstellen des aktualisierten Ventilauslösestromes in dem Rückkopplungsventilsteuerungssystem auf den Wert des Ventilstromes bei der Strömungsrate von beinahe Null zu aktualisieren.