测量流量的系统和方法 |
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| 申请号 | CN200580043027.8 | 申请日 | 2005-11-29 | 公开(公告)号 | CN101167025A | 公开(公告)日 | 2008-04-23 |
| 申请人 | 迅捷公司; | 发明人 | 斯图阿特·A·蒂森; 吕时良; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的一个实施方案可以包括初级流量测量系统、与初级流量测量系统 流体 连通的次级流量测量系统和与初级流量测量系统和次级流量测量系统耦合的 控制器 。所述控制器可以包括处理器和用该处理器可存取的 存储器 。所述处理器能执行储存在所述存储器上的计算机指令在第一操作模式中使用初级流量测量系统计算流速，而在第二操作模式中使用次级流量测量系统计算流速。所述计算机指令是可进一步执行的，以便基于预先定义的参数在第一操作模式和第二操作模式之间切换。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用来确定流体流速的系统，该系统包括： |
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| 说明书全文 | 技术领域[0001]本发明的实施方案一般地涉及流量测定系统，更具 体地说涉及利用初级流量测量技术和次级流量测量技术两者测 量流量的系统和方法。 背景技术[0002]一些流量测量技术现在用来校准质量流量控制器。 初级流量测量技术从性质常数或从诸如质量和时间之类其它的 初步测量结果推导它们的精确性，这类技术包括重量分析技术、 恒压技术和恒定体积技术。第一种初级技术(重量测量)包括测量 在某个时间间隔里得到或遗失的质量。重量分析技术对于在质量 损失相当大的情况下测量较高速率的流动通常是足够的，但是在 测量较低速率的流动方面有一些缺点，因为它们通常没有足够的 分辨率测量每分钟几微摩尔的质量流速。 [0003]第二种初级技术(恒压技术)使用变体积舱室保持气 体压力恒定不变。质量流量是基于气体状态方程测量的，质量流 速取决于随着时间推移体积的变化。这种技术能很好地在一系列 质量流速范围内工作，但是可能需要用来控制压力舱室体积的精 细系统。因此，恒压技术在校准质量流量控制器方面受到限制， 因为构造恒压舱室(即，变体积舱室)可能需要相当多的移动零部 件，这将导致机械的复杂化。随着为它配置恒压舱室的质量流速 范围增加，恒压系统的复杂性和成本也将增加。 [0004]第三种初级流量测量技术(恒定体积技术)依靠与恒 压技术相似的状态方程，但是质量流速取决于随着时间流逝压力 而非体积的变化。这种技术因为系统简单(即，只有极少的移动 零部件)已成为用来校准质量流量控制器的主流技术。然而，恒 定体积技术在校准质量流量控制器时再一次表现出其不足，因为 恒定体积技术通常只能用于小范围的质量流速。这个限制存在， 因为如果就给定的舱室体积而言流速太高，与那个高质量流速相 关联的压力变化将变得太突然以致无法精确测量而且可能很快 地超过该舱室的安全限制。虽然能构建较大的恒定体积舱室，但 是实际的安全考虑、空间和成本构成这种流量测量技术的能力的 上限。 [0005]一般地说，初级流量测量技术的缺点是每种技术都 局限于特定的流量范围，在该范围内那种技术的不确定性和设计 限制是最适当的。由于这个原因，使用者通常必须使用多种独立 的流量校准系统，这些系统利用几种不同的初级技术覆盖适用于 工业测量的流量范围。作为替代，使用者可以使用独立的次级技 术，例如，音速喷管(也被称为临界截面文氏管或临界截面喷管)、 层流流量计、超声波流量计、科氏流量计、热质流量计，等等。 这些技术能用于某个流速范围但是必须不断地校准。 发明内容[0006]本发明的实施方案提供实质上减少或消除与先前研 发的流量测量方法和系统相关联的缺点的用来测量流量的系统 和方法。更具体地说，本发明的实施方案为了覆盖较宽范围的动 态流量通过把初级流量测量技术的特征和次级流量测量技术的 特征结合起来提供用来测量横跨一系列流速的流体流量的系统 和方法。 [0007]本发明的一个实施方案可以包括初级流量测量系 统、与初级流量测量系统流体连通的次级流量测量系统和与初级 流量测量系统和次级流量测量系统耦合的控制器。控制器可以包 括处理器和可供处理器存取的存储器。处理器能执行储存在存储 器上的计算机指令以便在第一操作模式中使用初级流量测量系 统计算流速和在第二操作模式中使用次级流量测量系统计算流 速。为了以预先定义的参数为基础完成第一操作模式和第二操作 模式之间的切换，计算机指令可能是可进一步执行的。 [0008]本发明的另一个实施方案能包括恒定体积舱室，与 恒定体积舱室的流动沟通的音速喷管，为引导流体向恒定体积舱 室和音速喷管流动而配置的一个或多个阀门，为读出系统中流体 的一个或参数而配置的传感器和为接受来自传感器的测量而配 置的与传感器耦合的控制器。该控制器可以包括处理器和可用处 理器存取的存储器。处理器能执行储存在存储器上计算机指令， 以便在第一操作模式中当流体在恒定体积舱室中累积的时候计 算流速、在第二操作模式中当流体流过音速喷管的时候计算流速 和完成在第一操作模式和第二操作模式之间的转变。 [0009]本发明的又一个实施方案能包括用来测量流速的方 法，该方法包括：就第一操作模式而言，当流体在恒定体积舱室 中累积之时计算第一流速范围的流速；就第二操作模式而言，当 流体流过音速喷管之时计算流速；以及完成第一操作模式和第二 操作模式之间的切换。 [0010]因此，本发明的实施方案能使用初级流量测量技术 获得精确测量能力同时使用次级技术扩展初级技术的流量测量 范围。因为本发明的实施方案使用多种流量测量技术，所以本发 明能提供能自动校准并且可升级到宽广的流量范围的流量测量 系统。 [0011]本发明通过把初级流和次级流量测量技术接合起来 提供超过先前研发的质量流量测量技术的优势。这允许超过流速 范围校准质量流量控制器而不需要独立的初级技术和次级技术。 [0012]本发明的实施方案通过提供以来自初级流量测量系 统的测量结果为基础校准次级流量测量系统的系统提供另一种 优势。因为次级流量测量系统(例如，音速喷管系统)能以来自初 级技术(例如，恒定体积系统)的流量测量结果为基础实时地再次 校准，所以次级流量测量系统不必从待再次校准的流量测量系统 中移出。 [0013]本发明的实施方案提供优于先前研发的流量测量技 术的第三种优势，因为使用次级流量测量技术获得的测量结果能 与使用初级流量测量技术获得的测量结果进行比较。如果检测到 误差，这可能意味着次级流量测量技术必须再次校准。因此，本 发明的实施方案能发现何时需要对次级流量测量技术进行再次 校准。 [0015]为了更全面地理解本发明的实施方案及其优势，现 在连同以相似的参考数字表示相似的特征的附图一起参看下面 的描述，其中： [0016]图1是流量测量系统的一个实施方案的图解表达； [0017]图2是音速喷管的一个实施方案的图解表达； [0018]图3是举例说明音速喷管的各种不同实施方案的性 能特性的例子曲线图； [0019]图4是依照本发明的一个实施方案举例说明一种测 量流速的方法的流程图。具体实施方法 [0020]本发明的优选实施方案是用附图举例说明的，在这 些附图中使用相似的数字表示图中相似的和对应的部分。 [0021]本发明的实施方案通过把初级流量测量技术的特征 和次级流量测量技术的特征结合起来提供一种用来在整个流速 范围上测量流体(例如，液体、气体、气体蒸汽混合物或其它流 体)的流速的系统和方法。在本发明的一个实施方案中，初级流 量测量系统(例如，恒压系统、恒定体积系统、重量分析测量系 统或其它技术上已知的初级流量测量系统)可以与次级流量测量 系统(例如，音速喷管系统、层流流量计、超声波流量计、科氏 流量计、热质流量计或其它技术上已知的次级流量测量系统)流 体连通。控制器能接受来自与初级流量测量系统和次级流量测量 系统相关联的传感器的流体参数(例如，温度、压力或其它技术 上已知的流体参数)的测量结果。该控制器能在第一操作模式中 使用初级流量测量系统计算流体的流速，而且能在第二操作模式 中使用次级流量测量系统计算流体的流速。该控制器能基于一个 或多个预先定义的参数自动完成操作模式之间的切换。控制器算 出的流速能用来校准质量流量控制器，质量流量计和其它仪器。 [0022]图1是使用初级流量测量系统和次级流量测量系统 的流量测量系统10的一个实施方案的图解表达。流量测量系统 10可以包括用来经由气体管线系统17给恒定体积系统20和音速 喷管系统30提供气流的气源15。恒定体积系统20可以包括恒定 体积舱室25和用来读出系统10中气体的压力(例如，压力传感 器26)、温度(例如，温度传感器28)和/或其它参数的传感器。同 样，音速喷管系统30可以包括音速喷管35和检测仪器(例如， 压力传感器31和温度传感器32)，这些仪器可能与恒定体积系统 20利用的仪器相同或不同。音速喷管35可能有不可调节的横截 面积或可调节的横截面积。阀门系统(例如，阀门40和阀门42) 能调节通过流量测量系统10的气流。 [0023]控制器60能接受来自传感器的温度、压力和/或其 它测量结果和计算气体通过系统10的流速。控制器60能以气体 的状态和恒定体积系统或音速喷管系统的配置为基础确定气体 通过系统10的质量流速或体积流速。这项分析能以储存在可由 计算机认读的存储器67(例如，随机存取储存器、ROM、磁性储 存装置或技术上已知的其它计算机易读的存储器)中的软件指令 66为基础由微处理器62完成。另外，控制器60能将控制信号发 送给阀门40和阀门42，使那组阀门配置引导气体流向音速喷管 35和/或恒定体积舱室25。人们应该注意到：尽管控制器60被展 示成单一的控制器，但是控制器60的功能可以分配给多个控制 器，这些控制器可能是恒定体积系统20和/或音速喷管系统30 的一部分。此外，来自微处理器62的输入和输出信号可能经历 诸如数模转换之类附加的中间逻辑和/或调节(为了简化未展示)。 [0024]由于点90的压力高于点92或94的压力这一事实， 气源15能通过气体管线17提供气流。如同熟悉这项技术的人将 会理解的那样，有多种方法提供这种横跨系统10的压差。当阀 门40和阀门42都打开的时候，气体将流向点92和94，最后流 出系统10。当只有阀门42关闭的时候，气体将流向点92并且流 出系统10。当只有阀门40关闭的时候，气体将流向点94(即， 通过音速喷管系统30)。当阀门40和阀门42两者都关闭的时候 气体将会在恒定体积舱室25中累积。因此，通过改变那些阀门 的打开或关闭，控制器60能控制气体向恒定体积系统20或音速 喷管系统30的流动。 [0025]在图1的实施方案中，当阀门40和阀门42两者都 关闭的时候，气体将会在恒定体积舱室25中累积，因此，恒定 体积舱室25中的压力将会增加。在这种情况下，控制器60能在 气体在恒定体积舱室25中累积的时候使用压力随时间的变化计 算流速。由于在固定的体积中气体的质量取决于该体积的大小、 气体的压力和气体的温度而且因为体积和温度没有重大的偏离， 所以控制器60能使用恒定体积系统20近似计算质量流速，即：dm/dt＝(dP/dt)(V/RT) [方程1] P＝压力 T＝温度 R＝气体常数 t＝时间 V＝体积 [0026]如同熟悉这项技术的人将会理解的那样，方程1是 很容易向混合气体和气体蒸汽混合物推广的。另外，如同技术上 理解的那样，可以使用气体压缩系数。此外，控制器60能依照 技术上已知的任何方案以dP/dt为基础计算质量流速。另外，控 制器60可以被进一步配置成使用众所周知的热力学方程考虑可 能发生的任何气体温度变化。体积流速可以以与质量流速类似的 方式计算出来或者以系统10中气体的质量流速和密度为基础计 算出来。 [0027]依照本发明的实施方案，初级流量测量技术可以如 同ISO 5725-1所描述的那样完成，或者可以包括斜率技术，例如， 通过引证在此被全部并入的Tison等人于2004年8月7日以 “Method and System for Flow Measurement and Validation of a Mass Flow Controller”为题申请的美国专利申请第10/887,591号。 [0028]当阀门42打开(在图1的例子中阀门40保持关闭) 的时候，气体能流过音速喷管35。在这种情况下，控制器60能 使用音速喷管系统30计算流速。通过音速喷管35的质量流速可 能受气体温度(T)、气体热容比(γ)、气体常数(R)、气体密度(p)(它 要么是已知的，要么可以基于气体常数、的上游压力和温度计算) 和音速喷管35的横截面积(A)支配，以致：质量流量速率＝(ρ√γRT)/RT [方程2] 或 质量流量速率＝(PA√γRT)/RT [方程3] A＝音速喷管的横截面积 R＝气体常数 T＝温度 P＝音速喷管的上游压力 ρ＝气体密度(已知的或者等于P/(RT)) γ＝热容比 [0029]如方程3所示，在系统10中质量流速与音速喷管 35的上游压力成正比。因此，控制器60能基于音速喷管35的上 游压力或气体的密度计算流速。对于现在的音速喷管，为了近似 地遵从方程2和方程3，该上游压力(P)应该至少是下游压力(例 如，点92的压力)的两倍，虽然本发明能把研发时需要较小的压 力差的新音速喷管并入。人们应该注意到音速喷管的横截面积可 能是可调整的。 [0030]因此，依照本发明的一个实施方案，控制器60能在 第一操作模式中基于压力随时间的变化计算流体在恒定体积舱 室中累积时的流速而且能在第二操作模式中基于流体密度或音 速喷管上游的流体压力计算流体经过音速喷管时的流速。 [0031]在图1所示的实施方案中，音速喷管35和恒定体积 舱室25都在第一阀门40的上游。因此，当阀门40关闭而阀门 42打开引导气体流向音速喷管系统30的时候，恒定体积舱室25 中的压力最初将上升，直到恒定体积舱室25平衡。当这种情况 发生的时候，稳定的压力(P)将在音速喷管35的前面(即，上游) 建立。控制器60可以被配置成在恒定体积舱室25已有时间达到 平衡之前依照第二操作模式延迟计算流量。 [0032]现在的恒定体积系统能在每分钟0.01标准立方厘米 (0.01sccm)到每分钟5标准升(5slpm)的范围内精确地测量流速(例 如在1％以内)，而现在的音速喷管系统能在3slpm到30slpm的范 围内精确地测量流速。 [0033]因此，本发明的实施方案能使用有重叠的可操作性 范围的恒定体积系统20和音速喷管系统30。当系统10的流速接 近恒定体积系统20的可操作性范围的上限(或通常在重叠范围中 任意的其它界限)的时候，控制器60能打开阀门42，借此让气体 流过音速喷管35。作为交替使用恒定体积系统20和音速喷管系 统30确定气体流速的例子，假定恒定体积系统20使用10公升 的恒定体积舱室25。如果控制器60发现流速(例如，来自系统 10中的压力变化速率)已经超过4.5slpm(即，压力变化速率大于 7psi/min)，控制器60可以打开阀门42，借此引导气体流向音速 喷管35。同样，如果检测到的流速降低到预先设定的数值以下， 比如说4slpm，控制器60可以关闭阀门42，借此引导气体流向 恒定体积系统20。因此，本发明的实施方案能使用能够易察觉地 从使用恒定体积的低流速测量切换到使用音速喷管的高流速测 量(即，在第一和第二操作模式之间切换)的智能系统。前面讨论 过的预先设定的阈值仅仅是作为例子给出的而且任何预先定义 的参数和阈值都可以采用。此外，本发明的实施方案能在研发时 将恒定体积系统和音速喷管系统合并，因此有比较宽的可操作性 范围，而且前面给出的范围不限制本发明的范围。 [0034]依照本发明的一个实施方案，控制器60能使用重叠 的可操作性范围自动校准，以解决系统10中的变化，例如，音 速喷管横截面积的变化。虽然音速喷管的横截面积通常保持稳 定，但是钨、六氟化物和三氯化硼的气体和其它与半导体制造业 有关的有毒气体可能在音速喷管35中留下沉积物，从而引起音 速喷管35的喉部面积改变。如果不解决，这可能导致计算用在 音速喷管系统30上的质量流速不精确。本发明的实施方案能通 过再次校准来补偿这样的变化而不需要拆除和更换音速喷管35。 [0035]使用早先的例子，在该例子中恒定体积系统和音速 喷管系统有从3slmp到5slmp的重叠范围，气流能被引进系统 10，而且控制器60能使用上述的方程1计算来自恒定体积系统 20的质量流速。如果流速在重叠范围(例如，按照体积流速，3-5 slmp)之内，控制器60能使阀门42打开，借此引导气体流向音速 喷管70。当恒定体积舱室25达到平衡，而且稳定压力在音速喷 管35的上游建立的时候，控制器60能使用音速喷管系统30计 算流速。如果使用音速喷管系统30算出的流速与使用恒定体积 系统20算出的流速在可接受的误差范围内不匹配，这能表明音 速喷管35的横截面积已经改变。控制器60能用下面的方程式计 算音速喷管35的新横截面积(A)：A＝质量流量速率/(ρ√γRT) [方程4] 或 A＝(质量流量速率*RT)/(P√γRT) [方程5] A＝音速喷管的横截面积 ρ＝气体密度(已知的或等于P/(RT)) R＝气体常数 T＝温度 P＝音速喷管上游的压力 γ＝热容比 质量流量速率＝从恒定体积系统计算的流速。 [0036]控制器60现在能在计算通过音速喷管35的流速的 时候使用新的数值作为音速喷管35的横截面积。以这种方式， 本发明的实施方案能使用重叠范围(例如，从3slpm到5slpm)实 时地校准音速喷管。音速喷管的工作特性考虑到点校准和向较高 的流量扩展。音速喷管35的再次校准能依照预定的时间表或在 事先没有准备的情况下发生。人们还应该注意到，如果音速喷管 35是可调整的，同样的方法能用来针对各种不同尺寸的孔口确定 音速喷管35的横截面积。 [0037]本发明的实施方案也能使用重叠范围来计算使用恒 定体积系统20的气体的γ(热容比)。为了计算γ，如同前面讨论 的那样，可以将气流引向恒定体积系统20并且可以确定该气体 的流速。如果流速在重叠范围之内(例如，3-5slpm)，控制器60 能将气流引向音速喷管系统30。当稳定的压力在音速喷管35上 游建立的时候，控制器60能按照下面的方程计算γ：γ＝(质量流量速率/ρA)2/RT [方程6] 或 γ＝(RT*质量流量速率/PA)2/RT [方程7] γ＝热容比 A＝音速喷管的横截面积 ρ＝气体密度(已知的或对等于P/(RT)) R＝气体常数 T＝温度 P＝音速喷管上游压力 质量流量速率＝从恒定体积系统计算的流速。 [0038]除了计算未知的γ之外，为了确定控制器是否必须 再次校准，本发明的实施方案能在已知γ的情况下计算气体的 γ。控制器60能针对已经知道γ的气体(例如，氮气)使用方程7 或方程8计算γ。如果算出的γ与已知的γ不匹配，这可能表示 控制器60使用的“A”的数值是不精确的，应该重新计算。另外， 计算气体的γ的能力允许确定在各种不同的温度下气体的声速， 因为气体的声速等于γRT的平方根。 [0039]因此，控制器60能使用恒定体积系统和音速喷管系 统在流速的范围内计算通过系统10的流速。如同熟悉这项技术 的人所理解的那样，控制器60算出的流速能用来校准质量流量 控制器。如果恒定体积系统和音速喷管系统有交叠的可操作性范 围，控制器60能使用利用恒定体积系统算出的流速为计算音速 喷管的横截面积、特定气体的γ、某种气体中的声速和其它参数。 [0040]依照本发明的一个实施方案，能使用特定的气体校 准系统10而且这个信息可以推广到其它气体。举例来说，音速 喷管的横截面积能针对系统10使用氮气确定。然后，这个数值 能被用于测试系统10中的其它气体。 [0041]因此，本发明的实施方案可以包括初级流体流量测 量系统(例如，恒定体积系统)、次级流体流量测量系统(例如，音 速喷管系统)和控制器。在第一操作模式中，控制器可以是为使 用初级流动流量测量系统计算流速配置的，而在第二操作模式 中，可以是为使用次级流量测量系统计算流速配置的。控制器能 在第一操作模式和第二操作模式之间自动地切换。如果两种操作 模式重叠的可操作性范围，控制器能使用从初级流量测量系统算 出的流速校准次级流量测量系统。然后，针对一种气体确定的校 准数据能用于其它的气体。 [0042]图2是能用于本发明的各种不同的实施方案的音速 喷管35的一个例子的剖视图。音速喷管35可以有入口102和出 口104和限制横截面的区域或喉部106。通常，就遵从方程2和 方程3的音速喷管35而言，上游压力(例如，入口一侧的压力) 必须至少是下游压力(例如，出口一侧的压力)的两到三倍。对于 许多应用，选择音速喷管时的主要参数是横截面积或喉部直径， 这个参数通常是基于所需要的流量范围选定的。图3是表达适用 于可仿效的音速喷管实施方案的计算结果的图表。轴110代表所 需要的流量范围，音速喷管将在该流量下工作，轴112代表音速 喷管35上游的压力和线114代表有各种不同的喉径的音速喷管。 在图3中，如果本发明的实施方案是为设计在10-100Torr的压力 范围(近似地用区域116表示)中操作，那么，作为例子，可能选 择直径从0.2厘米到1厘米的音速喷管。依照本发明其它的实施 方案，可以使用变孔径音速喷管。俄亥俄州克里夫兰的Swagelok 公司制造的针形阀能起变孔径音速喷管的作用。 [0043]图4是依照本发明的实施方案举例说明一种测量流 速的方法的流程图。在本发明的一个实施方案中，图4的方法能 用一组计算机指令实现，这组计算机指令是计算机处理器可执行 的而且储存在控制器的计算机存储器中。依照本发明的一个实施 方案，控制器在步骤202能配置一组阀门以允许气体在恒定体积 舱室中累积。当气体在恒定体积舱室中累积的时候，控制器能接 受来自一个或多个传感器的气体参数(例如，温度、压力和或任 何技术上已知的其它气体参数)的测量结果(步骤204)而且能基于 气体压力随时间的变化计算气体的流速(步骤206)。举例来说， 这可能是依照方程1完成的。 [0044]在步骤208，控制器能将算出的流速与阈值流速210 进行比较。如果算出的流速不超过阈值流速210，则控制能返回 到步骤204。另一方面，如果算出的流速超过阈值流速210，则 控制器在步骤212能配置那组阀门以允许气体通过音速喷管。当 阀门被配置成允许气体通过音速喷管的时候，气体可能仍然在恒 定体积舱室中累积一会儿。为了解决这个为题，或为了以别的方 式允许气体达到近似的稳定状态，控制器在步骤214能延迟预先 定义的延迟周期计算流速。 [0045]控制器能接受各种不同气体参数的测量(例如，温 度、压力和/或任何技术上已知的其它气体参数)(步骤216)，并且 当延迟周期已经过去的时候能基于音速喷管上游的压力或音速 喷管上游的气体密度依照，举例来说，方程2或方程3计算气体 的流速(步骤218)。图4的程序可以被任意地重复(步骤220)。 [0046]在图4的实施方案中，控制器基于算出的流速是否 超过阈值流速完成第一操作模式(例如，基于压力随时间的变化 计算流速)和第二操作模式(例如，基于音速喷管上游的压力或气 体密度计算流速)之间的切换。然而，人们应该注意到，控制器 能基于任何预先定义的参数完成两种操作模式之间的切换。举例 来说，基于压力随时间改变的幅度(dP/dt)或其它任意定义的参数 完成两种操作模式之间的切换是可能发生的。另外，用来决定是 否从第一模式向第二模式转换的参数可能不同于用来决定是否 从第二模式向第一模式转换的参数。举例来说，控制器可能基于 (dP/dt)是否超过特定的数值完成从第一操作模式向第二操作模式 的转换而基于算出的流速是否降低到预先定义的数值以下完成 从第二操作模式向第一操作模式的转换。 |
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