ES2201242T3 - Metodo para identificar momentaneamente un flujo de gas o de liquido. - Google Patents

Abstract

METODO PARA IDENTIFICAR MOMENTANEAMENTE UNA CORRIENTE DE GAS O DE LIQUIDO Y DISPOSITIVO PARA APLICAR EL METODO. LA CORRIENTE SE HACE PASAR POR UN ORIFICIO (4) PRACTICADO EN UN CONDUCTO. SE DISPONE UN CONDUCTO CAPILAR (2) PARALELO AL ORIFICIO Y QUE PASA SOBRE ESTE Y ESTA PROVISTO DE UN MEDIDOR DE MASA Y CAUDAL (3). SE MIDE UNA COMBINACION DE PROPIEDADES FISICAS. COMPARANDO DICHA COMBINACION CON LOS VALORES DE UNA TABLA, CADA UNO DE LOS CUALES ESTA ASOCIADO CON UNA COMPOSICION GASEOSA PARTICULAR, PUEDE DETERMINARSE LA COMPOSICION EXAMINADA.

Description

Método para identificar momentáneamente un flujo de gas o de líquido.

La invención hace referencia a un método para identificar de forma instantánea un gas fluido o un líquido, o un compuesto de los mismos- que es llevado a fluir a través de un conducto- usando un medidor de flujo de masa térmico que incluye un elemento calentador montado alrededor de un tubo conectado por ambos extremos al citado conducto (1) y con sensores de temperatura dispuestos simétricamente sobre el tubo en ambos lados del elemento calentador, los cuales suministran señales, cuya diferencia constituye una señal de salida del medidor del flujo de masa, que es, en consecuencia, una medida del flujo de masa del fluido a través del conducto, por lo cual dicha medida se determina continuamente en forma que una parte \phi_{vc} de tal fluido fluye a través del tubo de derivación y es calentada por el elemento calentador de forma que la señal de salida indica el cambio del perfil o curva de temperaturas del flujo \phi_{vc} a través del tubo de derivación, siendo esto característico de la combinación real de las propiedades físicas del compuesto fluido.

El uso de un medidor de flujo de masa térmico- con elemento calentador y sensores térmicos- es conocido de la Patente US nº 5,036,701. Está montado en un conducto para medir el flujo de masa de un fluido a través del citado conducto. El medidor de flujo de masa incluye un tubo montado que deriva o desvía una sección del conducto. Un elemento calentador está dispuesto sobre el tubo y simétricamente con respecto al mismo, en ambos extremos del elemento calentador, sensores de temperatura, cuyas señales de salida suministran una señal de salida del medidor de flujo de masa.

En la US-A-4487062 se muestra también un medidor de flujo de masa. Está conectado en derivación a un conducto, sobre un orificio.

En la descripción del método como se dado aquí arriba, "el compuesto" del fluido se ha de entender en referencia a la calidad, pero especialmente también a la cantidad; en qué concentración está presente un componente específico en el gas (mezcla) de forma estática, pero también de forma dinámica "en el tiempo". Las concentraciones pueden cambiar, por ejemplo, por adiciones variables de la sustancia en cuestión. Así, los datos se obtienen en el curso del compuesto en cuestión; la extensión a la que cambia: a saber: "en línea". Tales datos son de importancia para varios procesos; por ejemplo, en la industria de semiconductores, donde, para ciertos procesos, tales como Deposición de Vapor Químico- CVD- es necesario mantener la concentración del gas de reacción, que hace que se precipiten capas de un material sobre un substrato, de forma tan constante como sea posible.

Las medidas "en línea" ( es decir, medidas durante el proceso) del tipo citado no se llevan aún a cabo; datos sobre, por ejemplo, la concentración, se "calculan de nuevo" a partir del resultado y entonces se vuelven a introducir en el aparato mediante el que se controlan dichas concentraciones, tal como en el proceso CVD: el "aparato de barboteo", por medio del cual un gas de reacción se introduce en el gas portador.

Es posible, sin embargo, llevar a cabo medidas en línea del tipo citado con la ayuda del método de acuerdo con la invención. A tal fin, el método citado se caracteriza porque dicho tubo (2) es capilar y está dispuesto para derivar un orificio (4) que tiene un tamaño ajustable en dicho conducto (1), la señal de salida citada se compara con los valores correspondientes de las combinaciones de propiedades físicas para varias composiciones del fluido de acuerdo con una tabla, por lo cual se obtiene la identificación del fluido sobre la base de la concentración del componente(s) del fluido.

Las citadas propiedades físicas son: la densidad \rho, la viscosidad \mu y la capacidad térmica Cp. Ejemplos de fluidos como los indicados aquí son mezclas de gases portadores H2 y N2 con adiciones de substancias evaporadas, tales como TEOS (ortosilicato trietílico), SiCl_{4}, TiCl_{4} y H_{2}O, pero también substancias puras.

A lo largo de un orificio, ocurre una caída de presión \Deltap, cuya magnitud depende de la densidad \rho del fluido en cuestión y del flujo de volumen \phi_{vo} a través del orificio. Cuando la caída de presión \Deltap es ahora determinada y el flujo de volumen \phi_{vo} conocido, se puede, en consecuencia, determinar la densidad:

-(1),\Delta p= C_{o}. \rho. \phi^{2}{}_{vo}

donde C_{o} es una constante que depende de las dimensiones del orificio.

Y la citada caída de presión \Deltap se mide usando una medida capilar: el flujo \phi_{vc} a través del capilar es laminar, lo que significa que dicho flujo es proporcional a \Deltap.

Se aplica entonces:

-(2),\Delta p= C_{c}. \mu. \phi_{vc}

\newpage

Donde:

C_{c} = una constante que depende de las dimensiones del capilar;

\mu = viscosidad del fluido;

\phi_{vc} = flujo de volumen a través del capilar.

Puesto que el orificio y el capilar están montados en paralelo el uno con el otro, se cumple aquí:

-(3),\Delta p \ capilar = \Delta p \ del \ orificio

lo que significa que \phi_{vc} es proporcional a \phi^{2}_{vo}. Más aún, las dimensiones del capilar y del orificio se eligen en tal manera que \phi_{vc} es mucho menor que \phi_{vo}. El flujo total a través de este sistema es, en consecuencia, aproximadamente igual a \phi_{vo}.

El \phi_{vo} se mide usando un, así llamado, sensor térmico sobre el capilar, tal como se describe, por ejemplo, en USP 5,036,701. El cambio medido- \DeltaT- del perfil de temperatura, como es el caso de un flujo de fluido, es realizado usando una bobina calentadora alrededor del capilar, ya que un tal sensor es una medida del flujo de masa que pasa. Aquí se cumple:

-(4),\Delta T = C'. \rho.C_{p}. \phi _{vo}

donde:

C' = una constante;

\rho = densidad del fluido;

C_{p} = capacidad térmica del fluido;

\phi_{vo} = flujo de volumen a través del capilar ta referido.

De las ecuaciones (1),(2),(3) y (4), se deduce la ecuación

-(5),\Delta T = C''. \rho^{2}.C_{p}.\phi^{2}_{vtotal}{\text.}1/\mu

donde:

C'' = una constante;

\rho = densidad del fluido;

C_{p} = capacidad térmica del fluido;

\phi_{vtotal} = Flujo de volumen del fluido a través del orificio;

\mu = viscosidad del fluido;

Midiendo \DeltaT para un flujo total conocido y bajo la condición de que \phi_{vc} es mucho menor que \phi_{vo}, el término \rho^{2}.C_{p}/\mu puede, en consecuencia, ser determinado.

Cuando los valores de \rho^{2}.C_{p}/\mu son comparados con valores, también de \rho^{2}.C_{p}/\mu, de un fluido, clasificados en una tabla, que consisten en combinaciones del mismo componente(s), suministran datos sobre las concentraciones del componente(s) en el fluido. Los valores medidos suministran las huellas digitales del fluido, por así decirlo.

En la mayoría de los casos, la composición de un fluido, como el referido aquí, se consigue añadiendo un componente al fluido usando un aparato apropiado para tal fin. De acuerdo a una realización del método de acuerdo a la invención, las señales de salida obtenidas del medidor de flujo de masa térmico son realimentadas a un aparato que controla la composición del fluido (5) de tal forma que la citada composición se mantiene constante, o es ajustada a una pauta requerida en el tiempo.

La alimentación de un gas de reacción al gas portador, tiene lugar entonces, por ejemplo, en el así llamado "aparato de borboteo". Una mezcla que es usada, por ejemplo en el proceso CVD, contiene H_{2} como gas portador y
(CH_{3})_{3}In ( indio trimetílico, abreviado TMI) como gas de reacción, añadido al gas portador en un aparato de borboteo, por evaporación de la sustancia sólida. Como gas portador, puede ser elegido otro diferente del H_{2} y, como gas de reacción, un gas o vapor de una sustancia diferente del TMI.

La invención también comprende un aparato para llevar a cabo el método de acuerdo a la invención.

El método se explica más detalladamente con referencia al dibujo que lo muestra de forma esquemática.

A través del conducto 1, el fluido que tiene el flujo de volumen \phi_{vtot} fluye en la dirección indicada por la flecha 5. En el conducto 1 está situado el orificio 4 a través del cual circula el flujo de volumen \phi_{vo} en la dirección indicada por la flecha 6. La caída de presión \Deltap sobre dicho orificio 4 es medida usando una derivación- un capilar 2- a través del cual fluye el flujo de volumen \phi_{vc} derivado del \phi_{vtot} provisto con un medidor del flujo de masa térmico que consiste en una fuente de calor 3, sobre cada lado de la cual es medida la temperatura del fluido que fluye a través del capilar: T1 y T2 respectivamente. Como se ha explicado arriba, el cambio del perfil de temperatura medido (T2-T1) es una medida de la caída de presión \Deltap en el orificio 4.

La señal de salida generada por el medidor de flujo de masa puede ser retroalimentada al aparato que controla la adición de uno o más componentes- por ejemplo, un aparato de borboteo en el cual el gas portador es mezclado con un gas (de reacción) añadido al mismo.

Un cambio en la densidad del fluido puede ser medido directamente usando un aparato de acuerdo con la invención, realizado por duplicado, bajo la condición de que C_{p}, \mu y el flujo total no cambien. En este caso, fluye entonces un gas limpio (portador) a través del primer aparato, y ese mismo gas (portador) fluye a través del segundo aparato, con uno o más componentes añadidos al mismo.

Las resistencias de los sensores (los medidores de flujo) de los dos aparatos están así colocadas en un puente de Wheatstone. La señal de salida es, en consecuencia, una medida directa del cambio en densidad.

Claims (4)

1. Método para identificar de forma instantánea un fluido- gas o líquido, o una composición de los mismos- que es llevado a fluir a través de un conducto (1)- usando un medidor de flujo de masa térmico que incluye un elemento calentador (3) montado alrededor de un tubo (2), conectado por ambos extremos al citado conducto (1) y con sensores de temperatura (T1,T2) dispuestos simétricamente sobre el tubo (2) en ambos lados del elemento calentador (3), proporcionando los citados sensores señales cuya diferencia constituye una señal de salida del medidor de flujo de masa, que es, en consecuencia, una medida del flujo de masa del fluido (5) a través del conducto(1), por lo cual dicha medida se determina continuamente por el hecho de que una parte \phi_{vc} de tal fluido fluye a través del tubo de derivación (2) y es calentada por el elemento calentador (3) de forma que la señal de salida indica el cambio del perfil de temperatura del flujo \phi_{vc} a través del tubo de derivación, siendo esto característico de la combinación real de las propiedades físicas de la composición del fluido,

caracterizado porque dicho tubo(2) es capilar y está dispuesto en derivación con respecto a un orificio(4) que tiene un tamaño ajustable en dicho conducto(1), la señal citada de salida se compara con los valores correspondientes de las combinaciones de propiedades físicas para varias composiciones del fluido de acuerdo con una tabla, obteniendo de lo cual la identificación del fluido en base a la concentración del componente(s) en el fluido.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1,

caracterizado porque las señales de salida obtenidas del medidor de flujo de masa térmico son realimentadas a un aparato que controla la composición del fluido (5) de tal forma que la citada composición se mantiene constante, o es ajustada a la pauta requerida en tiempo.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 2,

caracterizado porque el fluido (5)consiste en un gas portador, con un gas de reacción añadido en, por ejemplo un llamado aparato de barboteo, y porque las señales de salida obtenidas del medidor de flujo de masa térmico son realimentadas al aparato de borboteo para controlar la adición del gas de reacción, de tal manera que se elimina cualquier diferencia entre la señal de salida real y una señal que expresa una combinación deseada.

4. Método de acuerdo con la reivindicación 3,

caracterizado porque el gas portador es gas hidrógeno y el gas de reacción es indio trimetílico (CH_{3})_{3}In, abreviado TMI.