TWI290219B - Method and apparatus for conditioning a gas flow to improve a rate of pressure change measurement - Google Patents

Description

1290219 A7 B7 五、發明說明（1 ) 【相關申請案之交互參照資料】 本申請案係關於下述共同受讓人之美國專利申請 案，其内容全部於此併入作參考： 美國專利申請序號 10/178,721，名稱為 5 M Apparatus And Method For Pressure Fluctuation Insensitive Mass Flow Control(壓力脈動不敏感的質量 流控制之裝置與方法）”。 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於控制質量流之裝置，尤有關調節此 10 流以改良這種裝置之靈敏度與精準度之方法與裝置。 【先前技術】 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 考量以方塊圖形式顯示於圖1中之系統10，其 包含連接至一量測容室14之一入口儲存槽12。入口 儲存槽12之特徵為一入口壓力Pi(t)。量測容室14之 15 特徵為一入口儲存槽12經由其連接至量測容室14之 入口埠16、一内部容積v以及一内部壓力P(t)。一 吸入流Q(t)係從入口儲存槽12經由入口埠16而流至 量測容室14。量測容室14内之壓力P(t)隨著時間函 數之變化率可由下述方程式得之： 20 ^= ^ρ(/) (1) 其中Pstp係為於標準溫度與壓力下之容室壓力。 方程式（1)可被改寫以解出吸入流，亦即， ⑽=迎 (2)

Pstp -3- 本紙張尺度適用中國國家榡準(CNS)A4規格（210x297公釐） A7 B7 1290219 五、發明說明（2) 因此，吸入流可隨著容室壓力/⑺之時間變化率與容 室V之容積之函數而計算出。容室V之容積可容易 被測量，而容室壓力户(0之時間變化率可藉由採用壓 力感測器18結合數位微分機構20而獲得（參見，譬 5 如 S.K. Mitra 與 J.F· Kaiser，n Handbook for Digital Signal Processing(數位信號處理指南）"，John Wiley & Sons， 1993年，第13章）。然而，實用數位微分器 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20取樣於最大取樣頻率下之壓力資料、過濾取樣資 料、並完成取樣的過濾資料之時間導函數。這種數位 10 微分器20只產生具有小於最大取樣頻率之一少量之 頻率之壓力變化的精確結果，如圖2所示。此圖繪製 出上述所討論之理想微分器30與實用微分器32之標 準化的微分器輸出相對壓力變化之標準化的頻率（被 取樣頻率正常化）。實用數位微分器32至頻率升至大 15 概0.4之取樣頻率處尚可追蹤理想微分器30，而從壓 力變化之較高頻率處完全偏離理想值。因此，大於取 樣頻率之百分之四十的快速壓力變化無法藉由圖1之 配置而被正確測量。這個偏離理想微分器之點於此被 稱為"微分器截止頻率”。 20【發明内容】 本發明之一個目的係用以實質上克服上述缺點與 習知技術之缺點。 上述與其他目的係藉由本發明而達成，其在一個 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1290219 A7

樣恶中包含一調節氣流以改良與氣流相關的壓力變化 里則率之袈置。該裝置包含一量測容室，其具有一以 内部谷積為特徵之内側部分以及一用以接收氣流之入 口璋。該裝置亦包含一壓力感測器，其用以感測該量 5測容室之内側部分内的壓力，並用以產生對應至該量 測容室内之壓力之壓力信號。該裝置亦包含一信號處 理器’其用以於一取樣頻率接收、取樣該壓力信號並 過滤該壓力信號，俾能產生一取樣的壓力信號。信號 處理益更進一步計算一取樣的壓力信號之時間導函 1〇數。該裝置亦包含一入口風門，其配置於該入口埠、 被建構並安排成使該氣流在通過該入口埠並進入該量 測容室之前至少局部通過該入口風門。該入口風門依 據了風門轉移函數而修改該氣流之一個或多個特徵以 作為一橫越過該入口風門之壓降之一函數。該内部容 15積與該風門轉移函數係被選擇成能將一與該量測容室 内之壓力變化相關的頻率限制在一取樣頻率之預定百 分率。 在另一實施例令，該壓力感測器係配置在該量測 容室之該内側部分之内。 :〇 在另一實施例中，該壓力感測器係配置於該入口 埠，並產生一對應於一吸入流壓力之壓力信號。 在另一實施例中，該風門轉移函數描述一在⑴橫 越過該入口風門之壓降與（fi)經過該入口風門之氣流 A7 B7 1290219 五、發明說明（4 ) 之間的線性關係。 在另一實施例中，該風門轉移函數描述一在⑴橫 越過該入口風門之壓降與（ii)經過該入口風門之氣流 之間的非線性關係。 在另一實施例中，該取樣頻率之預定百分率係對 應至一與用以計算一取樣的壓力信號之時間導函數之 信號處理器相關的性能限制。 在另一實施例中，該取樣頻率之預定百分率係大 約為0.4。 10 15 20 在另一實施例t，該裝置更包含一流量感測器， 其係用以量測經過該入口埠之該氣流並用以產生一對 應於經過該入口埠之該氣流之流動信號。該裝置亦包 含一出口槔，其係位於該量測容室上，用以使一出口 氣流通過，·以及一閥，其係配置於該出口埠，用以控 制該出口氣流。該信號處理器⑴結合該流動信號與該 取樣的壓力信號之時間導函數，俾能產生一出口氣流 之估计’以及（11)依據一估計之函數控制該閥，俾能 產生一實質上固定的出口氣流。 在另一實施例中，該風門係配置在該流量感測器 之前。 在另一實施例中，該風門係配置在該流量感測器 之後’而在該壓力感測器之前。 在另一樣怨中’本發明包含一種調節氣流以改良 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4^Tll〇 X 297公釐） 1290219 A7 B7 五、發明說明（巧 "-- 與氣流相關的壓力變化量測率之方法。該方法包含提 ^里測谷室，其具有一以一内部容積為特徵之内側 部分，以及一用以接收氣流之入口埠。該方法亦包含 感测一在該量測容室之該内側部分内之壓力，並產生 5 一對應至該量測容室内之壓力之壓力信號。該方法更 ^ έ在一取樣頻率取樣該壓力信號並過濾該壓力信 號，俾能產生一取樣的壓力信號，並計算一取樣的壓 力信號之時間導函數。該方法更包含經由一配置於該 入口埠之讓入口風門減弱經過該入口埠之該氣流，俾 月匕依據一風門轉移函數修改該氣流之一個或多個特徵 以作為一橫越過該入口風門之壓降之一函數。該方法 亦包含選擇該内部容積與該風門轉移函數，俾能將一 與該置測容室内之壓力變化相關的頻率限制在一取樣 頻率之預定百分率。 15 另一實施例更包含將該壓力感測器配置在該量測 容室之該内側部分之内。 經濟部智慧財產局員工消費合作枉印製 另一實施例更包含將該壓力感測器配置於該入口 埠，以使該壓力感測器產生一對應於一吸入流壓力之 壓力信號。 20 另一實施例更包含提供一風門轉移函數，其描述 一在⑴橫越過該入口風門之壓降與（ii)經過該入口風 門之該氣流之間的線性關係。 另一實施例更包含提供一風門轉移函數，其描述 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210x297公釐） 1290219 五、發明說明（6) -在⑴橫：過該入口風門之壓降與⑻經過該 門之該氣k之間的非線性關係。 風 另Λ施例更包含選擇該内部容積與該風門轉移 :數’俾能將一與該量測容室内之壓力變化相關的頻 率限制ΐ一取樣頻率之預定百分率，其係對應於-與 用以什异一取樣的壓力信號t # 現之時間導函數之信號處理 器相關的性能限制。 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 另一實施例更包含選擇該内部容積與該風門轉移 函數，俾能將-與該量測容室*内之屢力變化相關的頻 率限制在大約為取樣頻率之G4之—取樣頻率 百分率。 另-實施例更包含量測經過該入口淳之該氣流並 用以產生一對應於經過該入口埠之該氣流之流動信 號。本實施例亦包含提供一位於該量測容室上之該出 口埠，用以使一出口氣流通過；以及結合該流動信號 與該取樣的壓力信號之時間導函數，俾能產生一出口 氣流之估什。本實施例亦包含依據一估計之函數以控 制於該出口璋之該出口氣流，俾能產生一實質上固定 的出口氣流。 另一實施例更包含將該風門配置在該流量感測器 之前。 另一實施例更包含將該風門配置在該流量感測器 之後，而在該壓力感測器之前。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1290219 A7 A7 ______B7 五、發明說明（7) 【實施方式】 本發明之上述與其他目的、其各種特徵以及本發 明本身可從配合附圖之下述說明得以更完全理解。 圖3顯示調節氣流以改良與氣流相關的壓力變化 5量測率之裝置1 〇〇之一個較佳實施例之方塊圖。此裝 置100包含一量測容室102、一壓力感測器104、一 信號處理器106以及一入口風門1〇8。量測容室1〇2 包含一内側部分，其尺寸係由一内部容積V所界 定。量測容室102亦包含一入口埠11〇，其係用以接 10 收來自一儲存槽114之一氣流112。 壓力感測器104感測量測容室1〇2之内側部分内 之壓力，並產生一對應至量測容室1〇2之内側部分内 之壓力之壓力信號116。於一實施例中，壓力感測器 104係位於量測容室1〇2之外（如圖3所示附接於量測 15容室之外部，或實際上與量測容室分離），並經由一 接達埠118進入内側部分。於其他實施例中，整個壓 力感測為'係配置在量測容室102之内，且相關的壓力 f吕號116經由配線或習知技藝已知的某些其他通％技 術來跟谷至102之外部溝通。於其他實施例中，壓力 20感測器104可能位於正好在容室102内部或外部之入 口埠110 ’俾能使壓力感測器104提供一對應於入口 壓力之壓力信號。 信號處理器106提供一最佳的數位微分器。彳古蘩 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐）

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處理器106接收壓力信號，接著以預定的取樣率對其 取樣。於特別實施例所使用之取樣率取決於例如系統 之期望成本與複雜性、最高期望的壓力變化頻率、信 號處理器106所使用之特定處理元件等之因素。信號 5處理器ι〇6經由一最佳的數位過濾器過濾取樣的壓力 #號。信號處理器接著計算關於取樣的壓力信號之時 間之導函數。 入口風門108係配置於入口埠11〇，俾能使從儲 存槽114進入谷至1〇2之氣流1丨2必須通過入口風門 10 1〇8。於圖3所示之本實施例中，入口風門1〇8係直 接配置在入口埠1 10内部。於其他實施例中，只要氣 流112至少部分通過風門1〇8，則入口風門1〇8可以 正好位於入口埠110内部、外部、或只有局部位於入 口埠110中。依據風門轉移函數H，入口風門係被建 15構並配置以隨著橫越過風門⑽之壓降之函數來修改 氣流112之一個或多個特徵。於一實施例中，入口風 門1〇8係被選擇以使轉移函數H係為一常數，亦 ^以使經由風Π ι〇8之氣流^係與橫越過風門之 壓降有線性關係，亦即， ° Qi^ccP.-p) (3) 其中’ P係為於風門1〇8之容室末端之壓力，&係為 =風門1G8之儲存槽末端之麼力，而c係為風門之電 導。在其他實施例中’轉移函數H可以是―種 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

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本紙張尺度_ β家標準 1290219 A7 B7 五、發明說明（9) 性函數’例如在橫越過一孔之非阻風流之狀況下。 於具有如由方程式（3)所說明的風門之實施例 中’容室壓力P相對於時間之改變可能藉由將方程式 (3)代入方程式（1)而得到，如下： 5 ^m=p(t)=zp^C(p^P) ⑷ 關於入口壓力Pi之階段改變，方程式（4)具有 解： (5) 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 其中P。係為初始塵力，Pf係為最後壓力，而r = V/(CPSTP)係為與系統ι〇0相關的自然時間常數。圖4 顯示入口壓力Pi之階段改變與容室102内之壓力P 兩者之壓力對時間之曲線圖。圖4顯示依據方程式 運作之風門如何減弱快速的壓力變化。時間常數Γ及 容室壓力Ρ之減弱反應係為⑴容室容積V以及（ii)風 門電導C之函數。兩個參數V與c可被調整俾能實 質上減少或消除高於數位微分器截止頻率之容室壓力 變化中的頻率分量。 壓力變化dP/dt可被表示成傅立葉級數（F〇urier Series)，亦即，-P(t) = ^AneJWJ (6)〇 J 傅立葉係數An可能從方程式（5)導出，例如： dP{t) dt (7) -11- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1290219

击對灰傅立葉係數An之已知限制，方程式（7)可被 以解出r。考量取樣頻率係為1 kHz，而如於此 ^兒月的最佳數位微分機構係用以處理來自壓力感測 5 :之取樣的壓力信號之例示情況。為了順應最佳微分 ^〖生％滾降’期望取樣頻率之30百分比以上的壓 力=化之所有頻率分量是在0·1百分比以下。或者如 規定的，在300 Hz之頻率以上的所有振幅Αη較佳是 保持於在IX 1〇-3以下。使用1885 rad/sec之最大〇與

An 1X 10 3 一起導致r «20 msec。因此，藉由操縱 10風門之電導C、量測容室之容積V或操縱兩者，俾能 使rdO msec將導致限制大於3〇〇 Hz之容室的壓力 變化之頻率分量至小於lx 1〇-3。 於圖5所示之實施例中，裝置1〇〇更包含一位於 里測谷室102之輸入之流量感測器13〇。流量感測器 15 13()量測進入容室1〇2之氣流之速率，並將一對應於 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 流動速率之流動信號132提供至信號處理器1〇6。本 實施例亦包含一允許來自容室1〇2之出口氣流136進 入之出口埠134，以及一位於出口埠134用以控制出 口氣流136之閥138。信號處理器1〇6結合來自流量 20感測态1之流動信號132與時間導函數，信號處理 器106起源於壓力信號116，並從此結合計算出口氣 流136之估計。信號處理器106藉由使用方程式 (1)、並以[Qin(t) - Q_(t)]取代變數q⑴來計算此估 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） --- 1290219 A7 B7 五、發明說明（11) 計。信號處理器106使用流量感測器130之輸出當作 Qin(t)，I解出Q〇ut(t) 〇關於本實施例之額外細節可 在共同審理中的美國專利申請序號10/178,721，名稱 為"Apparatus And Method For Pressure Fluctuation 5 Insensitive Mass Flow Control(壓力脈動不敏感的質量 流控制之裝置與方法r中得見。於圖5所示之本實施 例中，風門108係位於流量感測器130之前，亦即， 來自儲存槽114之入口氣流112在它到達流量感測器 130之前通過風門108。在其他實施例中，風門108 10 可能位於流量感測器130之後，所以只有壓力感測器 104而非流量感測器130體驗到所產生之減弱效果。 本發明可能在不背離其精神或基本特徵之下利用 其他特定形式來具體化。因此本實施例在各方面被認 為是例示的而非限制的，本發明之範疇係以下述申請 15 專利範圍而非上述說明來表示，因此意圖將落在申請 專利範圍之等效設汁之意思與範圍内之所有改變包含 於其中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7

1290219 【圖式簡單說明】 圖1顯示習知技術之壓力測量系統之方塊圖。 圖2顯示習知技術之數位微分器於較高頻率下的 性能之滾降（r〇ll_0ff)。 5 圖3顯示調節氣流以改良與氣流相關的壓力變化 量測率之裝置之一個較佳實施例之方塊圖。 圖4顯示如圖3所示之風門如何減弱快速的壓力 變化。 圖5顯示圖3所示之裝置之一實施例，其具有一 10 位於輸入端之流量感測器以及一出口埠。 【圖式之代號說明】 10〜系統 14〜量測容室 18〜壓力感測器 15 30〜理想微分器 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 12〜入口儲存槽 16〜入口璋 20〜數位微分器 32〜實用微分器 102〜量測容室 106〜信號處理器 110〜入口埠 114〜儲存槽 118〜接達埠 132〜流動信號 136〜出口氣流 100〜裝置 104〜壓力感測器 108〜入口風門 112〜入口氣流 20 116〜壓力信號 130〜流量感測器 134〜出口埠 138〜閥 -14- 本紙張尺度適用中國國^標準(CNS)A4規格（210x297公釐）

Claims (1)

1290219 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 · 一種調節氣流以改良與氣流相關的壓力變化量 測率之裝置，包含·· 一量測容室，具有一以一内部容積為特徵之内側 部分，以及一用以接收氣流之入口埠； 5 —壓力感測器，用以感測一在該量測容室之該内 側部分内之壓力，並用以產生一對應至該量測容室内 之壓力之壓力信號； 一信號處理器，用以在一取樣頻率接收、取樣該 壓力信號並過濾該壓力信號，俾能產生一取樣的壓力 10信號，且用以計算一取樣的壓力信號之時間導函數； 以及 一入口風門，配置於該入口珲、被建構並安排成 使該氣流在通過該入口埠之前至少局部通過該入口風 門並進入該里測谷室’其中該入口風門依據一風門轉 15移函數修改該氣流之一個或多個特徵以作為一橫越過 該入口風門之壓降之一函數； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中’該内部容積與該風門轉移函數係被選擇成 能將一與該量測容室内之壓力變化相關的頻率限制在 一取樣頻率之預定百分率。 20 2·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該壓 力感測器係配置在該量測容室之該内側部分之内。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其令該壓 力感測器係配置於該入口埠，並產生一對應於一吸入 -15 - 本紙張尺度適肖1f7 @ @ 準(CNS)A4規格（21G X 297公爱) " --------- 1290219 六、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 流壓力之壓力信號。 4·如申清專利範圍第1項所述之裝置，其中該風 門轉移函數描述一在⑴橫越過該入口風門之壓降與（ii) 經過該入口風門之氣流之間的線性關係。 5 5·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該風 門轉移函數描述一在⑴橫越過該入口風門之壓降與（ii) 經過該入口風門之氣流之間的非線性關係。 6·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該取 樣頻率之預定百分率係對應至一與用以計算一取樣的 10壓力信號之時間導函數之信號處理器相關的性能限 制。 7·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該取 樣頻率之預定百分率係大約為〇.4。 8·如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含： 15 一流量感測器，用以量測經過該入口埠之該氣流 並用以產生一對應於經過該入口埠之該氣流之流動信 號； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一出口埠，位於該量測容室上，用以使一出口氣 流通過；以及 20 一閥，配置於該出口埠，用以控制該出口氣流； 其中該信號處理器⑴結合該流動信號與該取樣的 壓力信號之時間導函數，俾能產生一出口氣流之估 計’以及（ii)依據一估計之函數以控制該閥，俾能產 -16 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1290219 六、申請專利範 A8 B8 C8 D8 圍 生 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 A為上固定的出口氣流。 9·如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該風 門係配置在該流量感測器之前。 10·如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該 風門係配置在該流量感測器之後，而在該壓力感測器 之前。 11·種調卽氣流以改良與氣流相關的壓力變化 量測率之方法，包含I 提供一量測容室，其具有一以一内.部容積為特徵 之内側部分，以及一用以接收氣流之入口埠； 感測一在該量測容室之該内側部分内之壓力，並 產生一對應至該量測容室内之壓力之壓力信號； σ在一取樣頻率取樣該壓力信號並過濾該壓力信 號，俾能產生一取樣的壓力信號，並計算一取樣的壓 力信號之時間導函數； 經由一配置於該入口埠之該入口風門減弱經過該 入口埠之該氣流，俾能依據一風門轉移函數修改該氣 流之一個或多個特徵以作為一橫越過該入口風門2壓 降之一函數；以及 選擇該内部容積與該風門轉移函數，俾能將一與 該量測容室内之壓力變化相關的頻率限制^取頻 率之預定百分率。 ’ ' 12.如申請專利範圍第u項所述之方法，更包含 -17 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210x297公釐） 1290219 六、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 將該壓力感測器配置在該量測容室之該内側部分之 内。 13. 如申請專利範圍第u項所述之方法，更包 含將該壓力感測H配置於該人σ埠，以使該壓力感 5測為產生一對應於一吸入流壓力之壓力信號。 14. 如申請專利範圍第u項所述之方法，更包 含提供一風門轉移函數，其描述一在⑴橫越過該入 口風門之壓降與（ii)經過該入口風門之該氣流之間的 線性關係。 10 15.如申請專利範圍第11項所述之方法，更包 含提供一風門轉移函數，其描述一在⑴橫越過該入 口風門之壓降與（u)經過該人σ風門之該氣流之間的 非線性關係。 16·如申請專利範圍第u項所述之方法，更包 15含，擇該内部容積與該風門轉移函數，俾能將一與 該量測容室内之®力變化相關的頻率限制在一取樣 頻率^預定百分率，其係對應於一與用以計算一取 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 樣的壓力信號之時間導函數之信號處理器相關的性 能限制。 20 I7.如申請專利範圍第η項所述之方法，更包 含，擇該内部容積與該風門轉移函數，俾能將一與 -亥里測夺至内之壓力變化相關的頻率限制在大約為 取樣頻率之0.4之一取樣頻率之預定百分率。 18.如申請專利範圍第u項所述之方法，更包 ____ _ 18 - 本紙張尺度適用中國規格（21Gx297公楚y A8B8C8D8 1290219 六、申請專利範圍 含·‘ 測量經過該入口埠之該氣流並用以產生一對應於 經過該入口埠之該氣流之流動信號； k供一位於該量測容室上之該出口璋，用以使一 5 出口氣流通過；以及 結合該流動信號與該取樣的壓力信號之時間導函 數’俾能產生一出口氣流之估計；以及 依據一估計之函數以控制於該出口埠之該出口氣 流，俾能產生一實質上固定的出口氣流。 ·〇 I9·如申请專利範圍第18項所述之方法，更包含 將該風門配置在該流量感測器之前。 2〇·如申請專利範圍第18項所述之方法，更包含 將該風門配置在該流量感測器之後，而在該壓力感測 器之前。 & 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -19 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐）