PL208747B1 - Urządzenie do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu. Wynalazek dotyczy ogólnie pomiaru i regulacji przepływu płynu, a bardziej szczegółowo urządzenia z regulatorem Coriolisa masowego natężenia przepływu, które są odpowiednie do uż ywania w zastosowaniach nie ultra czystych lub korozyjnych lub w innych zastosowaniach, w których nieodpowiednie są standardowe metalowe przepływomierze Coriolisa.

Europejskie zgłoszenie patentowe EP0473919 A1 ujawnia urządzenie do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu zawierające obudowę, usytuowany w obudowie przepływomierz Coriolisa masowego natężenia przepływu i zawór uruchamiany przez silnik elektryczny. Połączenia z rurami wlotową i wylotową są zrealizowane za pomocą koł nierzy. Przepł ywomierz ma połączony poprzez rurę wlotową mechaniczny rezonator do kompensowania drgań obrotowych.

Wiele przemysłów takich, jak półprzewodnikowe, farmaceutyczne i biotechnologiczne ma problemy z dostarczaniem płynów z powodu zwykle niskich prędkości przepływu, zastosowania ściernych płynów chemicznych, zastosowania korozyjnych płynów chemicznych i potrzebą używania układów dostarczających płyn i/lub mieszających pozbawionych zanieczyszczeń, dokładnych, zwartych i dających wynik w czasie rzeczywistym.

Układ dostarczania płynu ogólnie składa się z trzech części składowych: napędzania płynu, pomiaru przepływu i regulacji oraz interfejsu użytkownika. Wiele obecnych układów stosuje pompę wyporową, taką jak pompa perystaltyczna, do realizacji tych trzech zadań. Pompa napędza płyn z pojemnika magazynują cego do procesu lub reaktora. Pompa takż e przemieszcza pł yn z bardziej lub mniej stałą prędkością zależnie od prędkości pompy, chociaż perystaltyczne działanie pompujące powoduje pulsacje prędkości dostarczania płynu. Interfejs użytkownika obejmuje regulację prędkości pompy lub po prostu włączanie i wyłączanie pompy. Ten sposób nie zapewnia bardzo precyzyjnego regulowania przepływem i działaniem pompy, a wnętrze pompy może być zanieczyszczone lub szkodliwe dla płynu.

Pompa perystaltyczna nie zapewnia zamkniętego obiegu pomiaru przepływu. Ponadto, ponieważ jest to objętościowy układ dostarczania, ilość płynu zmienia się wraz ze zmianą warunków procesu, takich jak ciśnienie, temperatura, itp.

Przewody rurowe pompy także zużywają się z czasem zmieniając objętość dostarczanego płynu bez zmiany prędkości pompy. Gdy proces wymaga precyzyjnego dostarczania płynu, jest powszechne, że prędkość dostarczania jest weryfikowana w pewnych okresach poprzez ręczny pomiar ilości płynu na wadze lub wyskalowanym pojemniku. Typowy układ mieszający substancje jest pokazany na fig. 1. Wiele płynów A do N wpływa do pojemnika 11 umieszczonego na wadze 12. W danym czasie przez zawór przepływowy 13 może przepływać jeden płyn. Bada się całkowitą wagę i gdy wymagana ilość płynu A ma być dodana, zawór 13 jest zamykany. Ten sam proces jest powtarzany z pozostałymi zaworami. Tak uzyskuje się całą mieszaninę. Jeżeli zostanie dodane zbyt dużo lub zbyt mało jakiegoś płynu, proces musi być kontynuowany dopóki nie zostanie dodana właściwa masa każdego płynu w zakresie dopuszczalnego błędu.

Inne znane rozwiązanie wykorzystuje czujnik poziomu do pomiaru objętości każdego płynu mieszanki, który ma być dodany do naczynia. To wymaga bardzo precyzyjnej znajomości objętości pojemnika przy małych podziałkach na wysokości pojemnika.

Wygładzanie chemiczno-mechaniczne (CMP-Chemical-Mechanical Planarization) jest krytycznym procesem w przemyśle półprzewodnikowym, który obejmuje proces wygładzania powierzchni płytki półprzewodnika poprzez zastosowanie ultra czystego płynu zawierającego zawieszone cząstki stałe i środek reakcyjny pomiędzy powierzchnia płytki i podkładką polerującą. W większości zastosowań, podkładki polerujące obracają się z regulowana prędkością przy półprzewodniku, którego powierzchnia ma być wyrównywana. Zamiennie może wystąpić przeszlifowanie płytki lub usunięcie krytycznej struktury płytki. W przeciwieństwie do tego, niedoszlifowanie płytki może powodować odrzucanie płytek. Prędkość polerowania płytki jest mocno zależna od prędkości dostarczania płynu i całkowitej ilości płynu dostarczanego podczas operacji polerowania.

Innym procesem stosowanym w przemyśle półprzewodnikowym wymagającym dokładnej kontroli przepływów płynu i środowiska pozbawionego zanieczyszczeń jest proces fotolitograficzny. Jak jest znane w stanie techniki, fotolitografia jest procesem, w którym nakłada się wrażliwy na światło polimer, znany jako maska, lub fotomaska, na powierzchnie płytki. Fotomaska zawierająca wzór struktury, która ma być wytworzona na płytce, jest umieszczona pomiędzy płytką pokrytą maską i źródłem

PL 208 747 B1 światła. Światło reaguje z maską poprzez osłabianie lub wzmacnianie polimeru maski. Po poddaniu maski działaniu światłą na płytkę nakłada się płynne chemikalia, które usuwają osłabioną maskę. Dokładne i powtarzalne wytwarzanie maski jest istotne dla właściwego przeniesienia wzoru, Maska musi być pozbawiona zanieczyszczeń, ponieważ jakikolwiek „brud na powierzchni powoduje wadę w końcowym wzorze.

W modyfikacji tego procesu nakłada się osnowę z nowych cieczy na powierzchnię płytki w celu utworzenia powłoki, która staje się integralną częścią końcowego półprzewodnika. Pierwszoplanową funkcją tej powłoki jest działanie, jako izolator pomiędzy przewodami elektrycznymi. Rozpatrywano różne rozwirowane materiały o szerokim zakresie składów chemicznych i właściwościach fizycznych. Kluczową różnicą pomiędzy procesem litograficznym i osadzaniem rozwirowanym jest to, że w strukturze półprzewodnika nie jest teraz na stałe zawarty żaden defekt w powłoce (taki, jak pustka, pęcherz lub cząstka) i nie może on powodować nieprawidłowego funkcjonowania urządzeń i strat finansowych dla producentów półprzewodników.

Oba te procesy zachodzą w narzędziu nazywanym „manipulatorem”. Celem manipulatora jest nałożenie precyzyjnej objętości płynu na powierzchnię nieruchomej lub wolno wirującej płytki. Dodatkowo mogą być stosowane etapy przeróbki chemicznej w celu przekształcenia cieczy na właściwa strukturę. Po nałożeniu cieczy, prędkość obrotu płytki jest gwałtownie zwiększana i ciecz na powierzchni płytki jest rozwirowywana do krawędzi. Bardzo cienka warstwa cieczy o stałej grubości tworzy się od środka płytki do krawędzi. Niektóre zmienne, które wpływają na grubość cieczy, obejmują lepkość maski lub dielektryka, stężenie rozpuszczalnika w masce lub dielektryku, ilość osadzonej maski/dielektryka, prędkość osadzania, i tak dalej.

Manipulator zapewnia także dodatkowe etapy przetwarzania po nałożeniu cieczy, które zmieniają ciecz w polimer przy użyciu procesu suszenia, który także usuwa rozpuszczalnik z powłoki. Manipulator także reguluje środowisko wokół płytki zapobiegając wpływom zmian wilgotności lub temperatury i zanieczyszczeń chemicznych na właściwości powłoki. Właściwości układu manipulatora są określone poprzez dokładność i powtarzalność dostarczania cieczy do powierzchni płytki i dodatkowo do minimalizowania wad w powłoce spowodowanych przez pustki, pęcherze i cząstki.

Dlatego, w celu pokonania problemów związanych ze stanem techniki, jest potrzeba układu dostarczającego ciecz, który jest efektywny, zwarty i pozbawiony zanieczyszczeń.

Według wynalazku, urządzenie do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu, zawierające obudowę, usytuowany w obudowie przepływomierz Coriolisa masowego natężenia przepływu, który ma rurę przepływową, napęd połączony z rurą przepływową do wprawiania w drgania rurę przepływową, a także mający czujnik połączony z rurą przepływową do odczytywania odchyleń Coriolisa drgającej rury przepływowej, charakteryzuje się tym, że rura przepływowa jest wykonana z tworzywa sztucznego o dużej czystości, a urządzenie zawiera zawór zaciskowy posiadający rurę wykonaną z tworzywa sztucznego o dużej czystości połączoną przepływowo z rurą przepływową , a do zaworu zaciskowego jest dołączony zespół uruchamiający z połączonym roboczo z nim suwakiem, usytuowane w pobliżu rury, zaś ogólnie przeciwległe do suwaka jest usytuowana powierzchnia odniesienia, przy czym rura jest usytuowana i ściskana pomiędzy suwakiem i powierzchnią odniesienia.

Korzystnie, urządzenie zawiera regulator, do którego jest doprowadzany wyjściowy sygnał pomiarowy z przepływomierza Coriolisa, przy czym wyjście regulatora jest regulatorem generującym wyjściowy sygnał regulacyjny w odpowiedzi na sygnał zadany i wyjściowy sygnał przepływomierza Coriolisa i jest połączony z zespołem uruchamiającym zaworu zaciskowego do przekazywania tego sygnału.

Regulator może być usytuowany w obudowie. Podobnie, zawór zaciskowy może być usytuowany w obudowie.

Rura zaworu zaciskowego korzystnie wystaje na zewnątrz obudowy.

Zespół uruchamiający zaworu zaciskowego jest przymocowane na zewnętrznej powierzchni obudowy.

Na jednym końcu obudowa korzystnie ma usytuowane złącza wlotowe i wylotowe płynu.

Korzystnie na przeciwległych końcach obudowa ma usytuowane złącza wlotowe i wylotowe.

Rura zaworu zaciskowego może być usytuowana za rurą przepływową albo przed rurą przepływową.

Zespół uruchamiający zawiera solenoid. Solenoid jest solenoidem sterowanym sygnałem modulowanym szerokości impulsu.

Zespół uruchamiający zawiera silnik krokowy. Regulator zawiera sterownik PID.

PL 208 747 B1

Z rurą przepływową jest połączony przepływowo przetwornik ciśnienia. Przetwornik ciśnienia jest usytuowany przed rurą przepływową albo za rurą przepływową.

Korzystnie, z rurą przepływową jest połączony przepływowo pierwszy przetwornik ciśnienia usytuowany przed rurą przepływową i z rurą przepływową jest połączony przepływowo drugi przetwornik ciśnienia usytuowany za rurą przepływową.

Tworzywem sztucznym o dużej czystości jest PFA.

Rura przepływowa i rura zaworu zaciskowego mogą być ukształtowane, jako jedna rura. Zawór zaciskowy może być ukształtowany z bardziej giętkiego materiału, takiego jak silikon.

Przedmiot wynalazku jest ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 schematycznie przedstawia autonomiczny układ mieszający ze stanu techniki; fig. 2 jest schematem blokowym przedstawiającym urządzenie do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu zgodnie z przykładem wynalazku; fig. 3 jest schematem blokowym przedstawiającym urządzenie do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu zgodnie z innym przykładem wynalazku; fig. 4 jest schematem blokowym przedstawiającym urządzenie do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu zgodnie z następnym przykładem wynalazku; fig. 5 jest widokiem perspektywicznym przepływomierza Coriolisa masowego natężenia przepływu zgodnie z wariantem niniejszego wynalazku; fig. 6 przedstawia schematycznie zawór zaciskowy zgodnie z niniejszym wynalazkiem; fig. 7 jest schematem blokowym przedstawiającym urządzenie do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu zgodnie z przykładem wynalazku mające wlot płynu i połączenia wylotowe po jednej stronie urządzenia; fig. 8 jest widokiem perspektywicznym zespołu przepływomierza Coriolisa masowego natężenia przepływu i zaworu zaciskowego zgodnie z wariantem niniejszego wynalazku; fig. 9A przedstawia schematycznie przetwornik ciśnienia o dużej czystości według niniejszego wynalazku; fig. 9B przedstawia schematycznie alternatywny przykład przetwornika ciśnienia zawierającego wbudowany czujnik szafirowy; fig. 10 i 11 są widokami perspektywicznymi odpowiednio od tyłu i od przodu zintegrowanego regulatora przepływomierzem Coriolisa masowego natężenia przepływu zgodnie z wariantem niniejszego wynalazku; fig. 12 jest widokiem rozłożonego regulatora przepływomierzem Coriolisa masowego natężenia przepływu pokazanego na fig. 10 i 11; fig. 13 jest powiększonym widokiem zespołu zaworu zaciskowego zintegrowanego regulatora przepływomierzem Coriolisa masowego natężenia przepływu pokazanego na fig. 10-12.

Chociaż wynalazek może podlegać różnym modyfikacjom i mieć alternatywne postacie, jego szczególne przykłady wykonania zostały pokazane na rysunkach i są opisane szczegółowo. Należy rozumieć, że opis szczególnych przykładów wykonania nie jest ograniczeniem wynalazku do tych ujawnionych szczególnych postaci, ale przeciwnie, wynalazek obejmuje wszystkie modyfikacje, równoważniki i alternatywy mieszczące się w istocie i zakresie wynalazku zdefiniowanych przez dołączone zastrzeżenia patentowe.

Zilustrowane przykłady wykonania wynalazku są opisane poniżej. W celu przejrzystości nie są opisane wszystkie cechy rzeczywistej realizacji. Jest oczywiste, że przy realizacji takiego rzeczywistego przykładu wykonania należy podjąć wiele szczegółowych decyzji realizacyjnych w celu osiągnięcia szczególnych celów producenta, takich jak zgodność z ograniczeniami dotyczącymi układu i ekonomiczności, które mogą zmieniać się zależnie od zastosowań. Ponadto, należy zauważyć, że takie wysiłki realizacyjne mogą być złożone i czasochłonne, ale są one rutynowe dla osób biegłych w dziedzinie wykorzystującej ujawnienie.

Fig. 2 schematycznie przedstawia urządzenie 100 do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu przeznaczone do regulowania materiału procesu zgodnie z przykładem wykonania wynalazku. Urządzenie 100 zawiera obudowę 101 mająca wlot 102 i wylot 103 płynu. W obudowie 101 jest usytuowany przepływomierz Coriolisa masowego natężenia przepływu 112. Przepływomierz Coriolisa masowego natężenia przepływu 112 ma rurę przepływową z tworzywa sztucznego o wysokiej czystości do zapobiegania zanieczyszczeniom płynu procesu spowodowanego przenoszeniem niepożądanych jonów (na przykład metalu) do materiału procesu. Zawór zaciskowy 110, także mający części składowe wykonane z tworzywa sztucznego o dużej czystości dla zapobiegania przenoszeniu jonów do materiału procesu, znajduje się w połączeniu przepływowym z przepływomierzem 112. Na schemacie blokowym z fig. 2 zawór 110 jest pokazany, jako usytuowany całkowicie w obudowie 101. W niektórych przykładach, części zaworu, lub cały zawór, są przymocowane do zewnętrznej powierzchni obudowy 101.

Regulator 114 otrzymuje sygnał zadający i sygnał wyjściowy z przepływomierza 112. Regulator 114 dopasowuje i przetwarza sygnał z przepływomierza i wysyła sygnał sterujący do zaworu 110

PL 208 747 B1 w celu zmiany prędkości przepływu materiału procesu w oparciu o porównanie prędkości przepływu zadanej i zmierzonej. Wejście zadane do regulatora 114 jest typowym sygnałem elektronicznym, takim jak sygnał 0-5V, 4-20 mA lub sygnał cyfrowy. Pneumatyczny interfejs sygnału zadającego może także być stosowany.

Regulator 114 może także posiadać dodatkowe sterowanie kasujące nastawienie automatyczne (znane powszechnie jako „override”), w którym dodatkowy sygnał jest wysyłany do regulatora 114. Ten kasujący sygnał powoduje, że regulator 114 ignoruje nastawę i całkowicie otwiera lub zamyka zawór 110. Ta cecha jest często stosowana do odcinania przepływu lub oczyszczania układu. Na fig. 2 regulator 114 jest pokazany, jako usytuowany wewnątrz obudowy 101, co zapewnia całkowicie zintegrowany układ regulacji przepływu. W innych przykładach jednak regulator 114 jest na zewnątrz obudowy 101.

Zawór 110 reguluje przepływ przez urządzenie 100 i także zapewnia działanie buforowe przeciwko zmianom ciśnienia w przewodzie. Zawór 110 może być umieszczony albo przed przepływomierzem 112, jak pokazano na fig. 2, albo za nim, jak w przykładzie wykonania pokazanym na fig. 3. Ogólnie, korzystne jest, gdy zawór 110 jest po stronie, która będzie wykazywała większe zmiany ciśnienia podczas użycia. To pomaga osłaniać przepływomierz 112 przed zmianami i wahaniami ciśnienia.

Właściwości robocze elementów regulujących płyn i przepływomierzy masowego natężenia przepływu mogą być zależne od ciśnienia roboczego. Korzystnie, więc stosuje się przetwornik ciśnienia w regulatorze masowego natężenia przepływu do celów wyrównywania, jak pokazano na fig. 4. Przetworniki ciśnienia 115, 116 są usytuowane na wlocie i wylocie 102, 103 urządzenia. Alternatywnie może być zastosowany przetwornik wlotowy 115 lub przetwornik wlotowy 116, raczej niż oba, zależnie od wymaganego wyrównania. Przetworniki ciśnienia 115, 116 mogą także być wykonane integralnie z przepływomierzem 112, lub być niezależne od działania przepływomierza.

Wiele zastosowań, jak te związane z przemysłem półprzewodnikowym, farmaceutycznym i biotechnologicznym wymaga, aby tor przepływu (wszystkie powierzchnie moczone przez płyn procesu) układów dostarczania płynu były skonstruowane z materiałów o wysokiej czystości, chemicznie obojętnych/odpornych w celu zapewnienia czystości stosowanych chemikalia. Korzystne są tworzywa sztuczne, ponieważ ultra czyste chemikalia stosowane w procesach wytwarzania płytek półprzewodnikowych mogą być zanieczyszczane, jeżeli jony metalu są wypłukane lub usunięte z metalowych rur przepływowych wskutek różnych procesów mechanicznych i chemicznych. W tych przemysłach są więc stosowane wysokojakościowe tworzywa sztuczne o dużej czystości, ponieważ zapobiegają one ogólnie przechodzeniu niepożądanych jonów do materiału procesu. Dodatkowo, gładka obróbka wykańczająca prowadzona przy wytwarzaniu rur przepływowych z tworzyw sztucznych zmniejsza możliwość przywierania bakterii do rury i zanieczyszczania płynu materiałami organicznymi.

Mokry tor przepływu przepływomierza 112 jest zaprojektowany tak, że nie ma żadnych pęknięć, szczelin, i tym podobnych, w których mogą zagnieździć się bakterie. Korzystnym tworzywem sztucznym o dużej czystości jest PFA (kopolimer perfluoroalkoksylowy), który jest zaawansowanym fluoropolimerem o podwyższonej odporności chemicznej i właściwościach mechanicznych. Różne polimery fluorowane, takie jak PVD i PTFE są także odpowiednie.

Oprócz zastosowania materiałów o dużej czystości tor przepływu o dużej czystości powinien mieć stałą średnicę i żadnych przeszkód lub wielokrotnych torów przepływowych - należy unikać czujników dwururowych lub o zakrzywionych torze przepływu. To zmniejsza spadek ciśnienia, zmniejsza stopień poślizgu w płynie do minimum, co jest krytyczne w pewnych zastosowaniach przemysłowych. To także zapobiega zatykaniu się pewnymi materiałami, takimi jak zawiesiny. W pewnych zastosowaniach, jest pożądane, aby urządzenie 100 było możliwie jak najmniejsze. Połączenia pomiędzy elementami muszą być, dlatego możliwie jak najkrótsze. Dla ułatwienia tego, rury z tworzyw sztucznych mogą być umieszczone wewnątrz osłaniającej mocującej rury metalowej, która zapobiega przed zakleszczaniem się rury z tworzywa sztucznego przy jej zaginaniu z małym promieniem.

Przykładowy przepływomierz masowego natężenia przepływu mający rurę przepływowa wykonaną z tworzywa sztucznego o dużej czystości jest pokazany na fig. 5. Przepływomierz masowego natężenia przepływu 50 ma rurę przepływową 52 umieszczona w nóżkach 67, 68 podstawy. Rura przepływowa 52 jest wykonana z tworzywa sztucznego o dużej czystości, korzystnie PFA. Czujniki LPO i RPO i napęd D są połączone z rurą przepływową 52. Przepływomierz 50 przejmuje przepływ materiału procesu z rury zasilającej 54 i przenosi ten przepływ przez łącznik 58 do rury przepływowej 52. Rura przepływowa 52 z przepływem materiału jest wprawiana w drgania z jej rezonansową częstotliwością przez napęd D. Powstały ruch Coriolisa jest badany przez czujniki LPO i RPO, które dostarczają sygnały przez przewody

PL 208 747 B1 i 64 do układu elektronicznego czujnika (niepokazany), który określa różnice fazową pomiędzy ruchami Coriolisa i na jej podstawie wytwarza sygnały wyjściowe. Odpowiednie przepływomierze Coriolisa mające rury przepływowe o dużej czystości są ujawnione szczegółowo w włączonym zgłoszeniu US „Przepływomierz do precyzyjnego pomiaru przepływu ultra-czystych materiałów”.

Podobnie jak przepływomierz Coriolisa 112 masowego natężenia przepływu, w zastosowaniach o dużej czystości, zawór zaciskowy 110 musi być wykonany z materiałów, które minimalizują zanieczyszczenie płynu. Ponadto, zawór 112 powinien być zaprojektowany tak, aby nie było miejsca, gdzie mógłby się zbierać nieruchomy płyn i nie było części trących lub suwliwych, które mogłyby wytwarzać cząstki w płynie. Przykładowy zawór zaciskowy 120 zgodnie z wynalazkiem jest ideowo przedstawiony na fig. 6. Zespół uruchamiający 122 jest usytuowany obok elastomerowej rury 126, która jest połączona przepływowo z rurą przepływową przepływomierza Coriolisa 112 masowego natężenia przepływu. Tłok, lub suwak 124 jest przemieszczany przez zespół uruchamiający 122 do wybiórczego ściskania lub zaciskania rury 126 względem powierzchni odniesienia 128, zmieniając w ten sposób wielkość otworu, przez który przepływa płyn 129. Rura 126 jest korzystnie wykonana z elastomeru lub tworzywa sztucznego o dużej czystości. Na przykład, PFA, mieszanina zawierająca PFA i silikon są odpowiednimi materiałami na rurę.

Giętkość rury pozwala na kurczenia się ścian rury wokół uwięzionych cząstek lub wad w ścianach zapewniając dobre uszczelnienie. Tor przepływu jest prosty, co minimalizuje spadek ciśnienia i turbulencje. Płyn kontaktuje się tylko z rurą przepływowa 126 zabezpieczając przez zużyciem lub korozją innych części zaworu i zapobiegając zanieczyszczeniu metalem zawiesiny w przypadku zastosowań o dużej czystości, takich jak operacje polerowania półprzewodników. W szczególnych zastosowaniach, rura przepływowa przepływomierza 112 i elastomerowa rura zaworu zaciskowego 110 są tą samą rurą.

Uruchomienie znanych zaworów zaciskowych jest zwykle dwustanowe - włączony i wyłączony. Niektóre znane zawory zaciskowe mają ręczny zespół uruchamiający z uchwytem wieloobrotowym, ale ten typ zaworu nie jest stosowany do regulacji ze sprzężeniem zwrotnym. Inne zawory suwakowe są stosowane do zastosowań wydzielania porcji w procesach, w których ilość materiału wydzielonego jest regulowana przez czas, w którym zawór jest włączony. To nie pozwala na dynamiczne regulowanie prędkości przepływu w sposób ciągły.

Zawór, który ma tylko dwa stany może być regulowany poprzez podanie prądu o różnym natężeniu lub napięciu do zespołu uruchamiającego. W jednym przykładzie wykonania do sterowania zaworem jest zastosowana modulacja szerokości impulsu (PWM-pulse width modulation). PWM jest osiągnięte poprzez wytwarzanie sygnału fali prostokątnej o częstotliwości powyżej częstotliwości mechanicznej odpowiedzi zaworu. Obowiązkowy cykl sygnału zmienia się w celu określenia odpowiedniego napięcia lub natężenia wysyłanego do urządzenia. Na przykład, jeżeli sygnały PWM działają pomiędzy 0-12 V, cykl pracy 0% = 0V, cykl pracy 50% = 6V, a cykl pracy 100% = 12 V. Występuje „uśrednienie” ze względu na to, że sygnał ma częstotliwość powyżej częstotliwości mechanicznej odpowiedzi. Położenie zaworu jest oparte na średnim natężeniu dostarczanego prądu. Wynikające dostarczane napięcie jest proporcjonalne do szerokości impulsu sygnału.

Jeżeli częstotliwość sygnału jest zbyt niska, zawór będzie miał czas na całkowitą odpowiedź na sygnały włączenia i wyłączenia wytwarzając pulsacyjny przepływ wylotowy, co jest ogólnie niepożądane. Typowym zespołem uruchamiającym zawór zaciskowy jest solenoid, który ma element sprężysty z regulacją wstępnej nastawy określającej prąd wymagany do zamknięcia solenoidu. Regulacja wstępnej nastawy sprężyny zaworu może polepszać zakres regulacji zaworu. W innych zastosowaniach, element rdzenia solenoidu jest zastąpiony rdzeniem obciążonym sprężyną. Rdzeń obciążony sprężyną minimalizuje nieliniowa odpowiedź zaworu z powodu tarcia, co zmniejsza do minimum histerezę i strefę nieczułości powszechną w dostępnych zaworach zaciskających uruchamianych solenoidami.

Alternatywnym rozwiązaniem solenoidu regulowanych PWM jest stosowanie zespołu uruchamiającego z silnikiem krokowym, który przekształca określony obrót kątowy na liniowy napęd suwaka poprzez układ typu przekładnia ślimakowa. Regulatory krokowe mogą być zaprojektowane do wytwarzania danej liczby kroków proporcjonalnej do wejścia analogowego sygnału. Luz, a więc histereza zaworu, może być zminimalizowana przez dowolną liczbę odpowiednich przekładni ślimakowych, które zmniejszają luz. Silnik krokowy ogólnie zapewnia odporność na temperaturę i wahania ciśnienia, które mogą powodować zmiany w rurze zacisku. Silnik krokowy jest środkiem do regulacji położenia tak, że jest on odporny na zmiany rur zacisku. W zaworze zaciskającym, rura zaciskająca jest integralną częścią układu - prąd jest doprowadzany do zespołu uruchamiającego zawór, który wywiera

PL 208 747 B1 siłę na rurę zacisku ściskający rurę. Jeżeli właściwości rury zmieniają się wskutek temperatury lub ciśnienia, zmienia się wielkość zamknięcia rury i prędkość przepływu z selonoidu. Ponadto zespół uruchamiający może pozostać, co najmniej w położeniu zapewniającym szybką odpowiedź dla osiągnięcia wartości zadanej na początku cyklu dostarczania płynu.

Schemat blokowy z fig. 2, na przykład pokazuje wlot płynu 102 po jednej stronie obudowy 101 i wylot 103 po przeciwnej stronie obudowy. Fig. 7 pokazuje alternatywny przykład wykonania z wlotem 102 i wylotem 103 po tej samej stronie obudowy 101. Taka konstrukcja może być szczególnie pożądana w zastosowaniach, gdzie były wcześniej stosowane pompy perystaltyczne, ponieważ zwykle maja one wlot i wylot po tej samej stronie urządzenia.

Przepływomierz Coriolisa masowego natężenia przepływu i zawór zaciskowy zgodnie ze szczególnym przykładem wykonania wynalazku są pokazane na fig. 8. Przepływomierz Coriolisa 50 masowego natężenia przepływu jest zasadniczo taki sam jak przedstawiony na fig. 5. Zespół uruchamiające 70 zaworu jest dołączony do podstawy 51. Elastomerowa rura 72 zaworu zaciskowego 72. ma koniec wlotowy 73 połączony z rurą przepływową 52. Przeciwległy koniec rury przepływowej 52 jest połączony z wlotem 54 płynu. Rura 72 zaworu rozciąga się pomiędzy powierzchnią odniesienia 74 i suwakiem lub tłokiem (niepokazany) zespołu uruchamiającego 70, i kończy się w wylocie 76' który jest połączony z rurą powrotną 78.

Jak wskazano powyżej, w celu osiągnięcia układu o dużej czystości całkowity tor przepływu musi być wykonany z materiału o dużej czystości, chemicznie obojętnego/ odpornego. Fig. 9A schematycznie przedstawia przetwornik ciśnienia 330 o dużej czystości z mokrym złączem obejmującym membranę ciśnieniową skonstruowaną, jako jedna cześć z tworzywa sztucznego o dużej czystości. Głównym wymaganiem dla części stosowanych w układach rozprowadzania o dużej czystości jest to, że żadne z urządzeń nie może być źródłem przecieków. Unika się złączy gwintowych, a korzystnym sposobem wykonywania złączy do procesu jest stosowanie uszczelek doczołowych. Wytwarzanie złącza 360 w jednej części z tworzywa sztucznego zapewnia to, że nie ma żadnych połączeń gwintowanych, które mogą być źródłem przecieków.

Przetwornik ciśnienia 330 zawiera uchwyt 358 czujnika, który może być skonstruowany z polipropylenu, ponieważ nie jest on częścią toru przepływu. Komora ciśnieniowa 360 skonstruowana z materiału o dużej czystości, takiego jak PFA, jest ukształtowana w uchwycie 358 czujnika. Komora ciśnieniowa 360 ma utworzone odchodzące od niej doprowadzenie 361 płynu procesu. W celu zapewnienia stabilnych wyników pomiaru, ceramiczny czujnik ciśnieniowy 362 jest zespolony z membrana 364 o dużej czystości (na przykład z PFA, o grubości 1 mm), a jakikolwiek odkształcenia tworzywa sztucznego (także nazywane płynięciem) są kompensowane przez elastomerowy pierścień (o-ring) 366, usytuowany na górze czujnika ceramicznego 362, który utrzymuje ze stałą siłą ceramiczny czujnik na membranie 364 z tworzywa sztucznego. W ten sposób, cała zwilżana część przetwornika ciśnienia 330 jest z PFA lub innego odpowiedniego tworzywa sztucznego o dużej czystości.

Alternatywny przetwornik ciśnienia 331 jest pokazany na fig. 9B. Przetwornik ciśnienia 331 wykorzystuje czujnik ciśnienia 370 o małej pojemności skonstruowany z szafiru. Czujnik jest zamknięty w materiale o dużej czystości, takim jak PFA 372 i rozciąga się do komory ciśnieniowej 360 w taki sposób, ze ciśnienie płynu ściska czujnik 370. Korzyścią rozwiązania pokazanego na fig. 9B jest to, że nie jest wymagane żadne ustalone odniesienie, takie jak mocna konstrukcja, do dokładnego pomiaru ciśnienia. Otoczony czujnik ciśnienia 370 jest integralną częścią komory ciśnieniowej 360 i jest skonstruowany w jednej części z tworzywa sztucznego o dużej czystości.

Fig. 10-12 przedstawiają różne rozwiązania zintegrowanego regulatora Coriolisa 400 masowego natężenia przepływu. Zintegrowany regulator 400 ma obudowę 4 01 z płytą czołową 402 połączoną z przednim końcem. Łączniki wlotowe i wylotowe 471 odchodzą od płyty czołowej 402 razem z innymi regulatorami 406 interfejsu użytkownika. Wewnątrz obudowy 401 są usytuowane przepływomierz Coriolisa 450 masowego natężenia przepływu i elektroniczny regulator PID 412, zespół zaworu zaciskowego 410 jest przytwierdzony do tylnego końca obudowy 401. Dla przejrzystości, rura zaworu zaciskowego nie jest pokazana na fig. 10. Fig. 13 ukazuje zespół uruchamiający 470 przymocowany do obudowy 401 z rurą 472 zaworu zaciskowego rozciągającą się pomiędzy łącznikami 471 i tworzącą ogólnie kształt U. Zastosowanie zaworu 410 na zewnętrznej stronie obudowy 401 pozwala na łatwą obsługę zespołu zaworu 410, włącznie z wymianą rury 472, gdy zachodzi potrzeba.

Inne części składowe regulatora 400 stanowi zespół interfejsu 480, bariera termiczna 482 i dystansownik 484 czujnika.

PL 208 747 B1

Szczególne przykłady wykonania ujawnione powyżej są jedynie ilustracyjne, ponieważ wynalazek może być modyfikowany i realizowany w różne, ale ekwiwalentne sposoby oczywiste dla osób biegłych w tej dziedzinie korzystających z tej wiedzy. Ponadto, nie ma ograniczeń, co do szczegółów konstrukcji lub wzoru w niniejszym pokazanych poza tymi, które są opisane w dalszych zastrzeżeniach. Dlatego jest oczywiste, że szczególne przykłady wykonania ujawnione powyżej mogą być zmieniane lub modyfikowane i wszystkie w takie warianty są zawarte w zakresie i istocie wynalazku Odpowiednio, ochrona żądana w niniejszym jest określona poniższych zastrzeżeniach.

Claims (19)

1. Urządzenie do pomiaru i regulacji masowego natężenia przepływu, zawierające obudowę, usytuowany w obudowie przepływomierz Coriolisa masowego natężenia przepływu, który ma rurę przepływową, napęd połączony z rurą przepływową do wprawiania w drgania rurę przepływową i mający czujnik połączony z rurą przepływową do odczytywania odchyleń Coriolisa drgającej rury przepływowej, znamienne tym, że rura przepływowa (52) jest wykonana z tworzywa sztucznego o dużej czystości, a urządzenie (100, 400) zawiera zawór zaciskowy (110, 120, 410) posiadający rurę (72, 126, 472) wykonaną z tworzywa sztucznego o dużej czystości połączoną przepływowo z rurą przepływową (52), a do zaworu zaciskowego (110, 120, 410) jest dołączony zespół uruchamiający (70, 122, 470) z połączonym roboczo z nim suwakiem (124), usytuowany w pobliżu rury (72, 126, 472) zaworu, zaś ogólnie przeciwległe do suwaka (124) jest usytuowana powierzchnia odniesienia (74, 128), przy czym rura (72, 126 472) zaworu jest usytuowana i ściskana pomiędzy suwakiem (124) i powierzchnią odniesienia (74, 128).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera regulator (114, 412), do którego jest doprowadzany wyjściowy sygnał pomiarowy z przepływomierza Coriolisa (50, 112, 450), przy czym regulator (114, 412) jest regulatorem generującym wyjściowy sygnał regulacyjny w odpowiedzi na sygnał zadany i wyjściowy sygnał przepływomierza Coriolisa (50, 112, 450) i jest połączony z zespołem uruchamiającym (70, 122) zaworu zaciskowego (110,120, 410) do przekazywania tego sygnału.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że regulator (114, 412) jest usytuowany w obudowie (101,401).

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawór zaciskowy (110) jest usytuowany w obudowie (101).

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rura (126, 472) zaworu zaciskowego (110, 120, 410) wystaje na zewnątrz obudowy (101,401).

6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że zespół uruchamiający (470) zaworu zaciskowego jest przymocowany na zewnętrznej powierzchni obudowy (401).

7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że na jednym końcu obudowa (101) ma usytuowane złącza wlotowe i wylotowe (102, 103) płynu.

8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że na przeciwległych końcach obudowa (101) ma usytuowane złącza wlotowe i wylotowe (102, 103).

9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rura (72) zaworu zaciskowego jest usytuowana za rurą przepływową (52).

10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rura zaworu zaciskowego jest usytuowana przed rurą przepływową.

11. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zespół uruchamiający (122) zawiera solenoid.

12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że solenoid jest solenoidem sterowanym sygnałem modulowanym szerokości impulsu.

13. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zespół uruchamiający (122) zawiera silnik krokowy.

14. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że regulator (114, 412) zawiera sterownik PID.

15. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że z rurą przepływową (52) jest połączony przepływowo przetwornik ciśnienia (115, 116, 330, 331).

16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że przetwornik ciśnienia (115) jest usytuowany przed rurą przepływową (52).

17. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że przetwornik ciśnienia (116) jest usytuowany za rurą przepływową (52).

PL 208 747 B1

18. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że z rurą przepływową (52) jest połączony przepływowo pierwszy przetwornik ciśnienia (115) usytuowany przed rurą przepływową (52) i z rurą przepływową (52) jest połączony przepływowo drugi przetwornik ciśnienia (116) usytuowany za rurą przepływową (52).

19. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tworzywem sztucznym o dużej czystości jest PFA.