專利名稱：測(cè)量流量的系統(tǒng)和方法
測(cè)量流量的系統(tǒng)和方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明的實(shí)施方案一船:地涉及流量測(cè)定系統(tǒng)，更具 體地_說(shuō)涉及利用初級(jí)流量測(cè)量#支術(shù)和次級(jí)流量測(cè)量才支術(shù)兩者測(cè) 量流量的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
—些流量測(cè)量4支術(shù)現(xiàn)在用來(lái)校準(zhǔn)質(zhì)量流量控制器。 初級(jí)流量測(cè)量才支術(shù)/人性質(zhì)常凄t或AU者如質(zhì)量和時(shí)間之類其它的 初步測(cè)量結(jié)果推導(dǎo)它們的精確性，這類技術(shù)包括重量分析技術(shù)、 恒壓4支術(shù)和恒定體積」技術(shù)。第一種初級(jí)纟支術(shù)(重量測(cè)量)包4舌測(cè)量 在某個(gè)時(shí)間間隔里得到或遺失的質(zhì)量。重量分析技術(shù)對(duì)于在質(zhì)量 損失相當(dāng)大的情況下測(cè)量較高速率的流動(dòng)通常是足夠的，但是在 測(cè)量豐支^f氐速率的流動(dòng)方面有 一些缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兺ǔ]有足夠的 分辨率測(cè)量每分鐘幾微摩爾的質(zhì)量流速。
第二種初級(jí)技術(shù)(恒壓技術(shù))使用變體積艙室4呆持氣 體壓力恒定不變。質(zhì)量流量是基于氣體狀態(tài)方程測(cè)量的，質(zhì)量流 速取決于隨著時(shí)間4,移體積的變化。這種^t術(shù)能4艮好地在一 系列 質(zhì)量流速范圍內(nèi)工作，但是可能需要用來(lái)控制壓力搶室體積的精 細(xì)系統(tǒng)。因此，恒壓才支術(shù)在才交準(zhǔn)質(zhì)量流量控制器方面受到限制， 因?yàn)闃?gòu)造恒壓搶室(即，變體積搶室)可能需要相當(dāng)多的移動(dòng)零部
件，這將導(dǎo)致機(jī)械的復(fù)雜化。隨著為它配置恒壓搶室的質(zhì)量流速 范圍增加，恒壓系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本也將增加。
第三種初級(jí)流量測(cè)量4支術(shù)(恒定體積:技術(shù))依靠與恒壓技術(shù)相似的狀態(tài)方程，但是質(zhì)量流速取決于隨著時(shí)間流逝壓力 而非體積的變化。這種4支術(shù)因?yàn)橄到y(tǒng)簡(jiǎn)單(即，只有才及少的移動(dòng)零部件)已成為用來(lái)4交準(zhǔn)質(zhì)量流量控制器的主流:技術(shù)。然而，恒 定體積技術(shù)在校準(zhǔn)質(zhì)量流量控制器時(shí)再一次表現(xiàn)出其不足，因?yàn)楹愣w積技術(shù)通常只能用于小范圍的質(zhì)量流速。這個(gè)限制存在， 因?yàn)槿绻徒o定的搶室體積而言流速太高，與那個(gè)高質(zhì)量流速相關(guān)耳關(guān)的壓力變化將變得太突然以致無(wú)法精確測(cè)量而且可能;f艮快地超過(guò)該艙室的安全限制。雖然能構(gòu)建較大的恒定體積般室，但 是實(shí)際的安全考慮、空間和成本構(gòu)成這種流量測(cè)量技術(shù)的能力的 上限。
—^J也i兌，初級(jí)流量測(cè)量4支術(shù)的缺點(diǎn)是每種纟支術(shù)都 局限于特定的流量范圍，在該范圍內(nèi)那種技術(shù)的不確定性和i更計(jì) 限制是最適當(dāng)?shù)?。由于這個(gè)原因，使用者通常必須使用多種獨(dú)立 的流量校準(zhǔn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)利用幾種不同的初級(jí)技術(shù)覆蓋適用于 工業(yè)測(cè)量的流量范圍。作為替代，使用者可以使用獨(dú)立的次級(jí)4支 術(shù)，例如，音速噴管(也纟皮稱為臨界截面文氏管或臨界截面噴管)、 層流流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、科氏流量計(jì)、熱質(zhì)流量計(jì)，等等。 這些才支術(shù)能用于某個(gè)流速范圍但是必須不斷地校準(zhǔn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方案提供實(shí)質(zhì)上減少或消除與先前研 發(fā)的流量測(cè)量方法和系統(tǒng)相關(guān)4關(guān)的缺點(diǎn)的用來(lái)測(cè)量流量的系統(tǒng) 和方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)施方案為了覆蓋較寬范圍的動(dòng) 態(tài)流量通過(guò)把初級(jí)流量測(cè)量#支術(shù)的特征和次級(jí)流量測(cè)量#支術(shù)的 特征結(jié)合起來(lái)提供用來(lái)測(cè)量4黃3爭(zhēng)一 系列流速的流體流量的系統(tǒng) 和方法。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案可以包^^舌初級(jí)流量測(cè)量系 統(tǒng)、與3刀級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)流體連通的次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)和與初級(jí) 流量測(cè)量系統(tǒng)和次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)耦合的控制器?？刂破骺梢园?括處理器和可供處理器存取的存儲(chǔ)器。處理器能執(zhí)行儲(chǔ)存在存儲(chǔ) 器上的計(jì)算機(jī)指令以便在第 一操作模式中使用初級(jí)流量測(cè)量系 統(tǒng)計(jì)算流速和在第二操作模式中使用次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算流 速。為了以預(yù)先定義的參數(shù)為基礎(chǔ)完成第一操作模式和第二操作 模式之間的切換，計(jì)算機(jī)指令可能是可進(jìn)一步執(zhí)行的。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案能包括恒定體積艙室，與 恒定體積搶室的流動(dòng)溝通的音速噴管，為引導(dǎo)流體向恒定體積搶 室和音速噴管流動(dòng)而配置的一個(gè)或多個(gè)閥門，為讀出系統(tǒng)中流體 的一個(gè)或參凄t而配置的傳感器和為4妄受來(lái)自傳感器的測(cè)量而配 置的與傳感器耦合的控制器。該控制器可以包括處理器和可用處 理器存取的存儲(chǔ)器。處理器能執(zhí)行儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器上計(jì)算機(jī)指令， 以i更在第一操作模式中當(dāng)流體在恒定體積槍室中累積的時(shí)候計(jì) 算流速、在第二操作模式中當(dāng)流體流過(guò)音速噴管的時(shí)候計(jì)算流速 和完成在第 一操作模式和第二操作模式之間的轉(zhuǎn)變。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案能包括用來(lái)測(cè)量流速的方 法，該方法包括就第一才喿作才莫式而言，當(dāng)流體在恒定體積搶室 中累積之時(shí)計(jì)算第一流速范圍的流速；就第二操作模式而言，當(dāng) 流體流過(guò)音速噴管之時(shí)計(jì)算流速；以及完成第一操作模式和第二 操作模式之間的切換。
因此，本發(fā)明的實(shí)施方案能使用初級(jí)流量測(cè)量技術(shù) 獲得精確測(cè)量能力同時(shí)使用次級(jí)技術(shù)擴(kuò)展初級(jí)技術(shù)的流量測(cè)量
范圍。因?yàn)楸景l(fā)明的實(shí)施方案^f吏用多種流量測(cè)量4支術(shù)，所以本發(fā) 明能4是供能自動(dòng)校準(zhǔn)并且可升級(jí)到寬廣的流量范圍的流量測(cè)量 系統(tǒng)。
本發(fā)明通過(guò)把初級(jí)流和次級(jí)流量測(cè)量4支術(shù)接合起來(lái)才是供超過(guò)先前研發(fā)的質(zhì)量流量測(cè)量#支術(shù)的優(yōu)勢(shì)。這允許超過(guò)流速 范圍#交準(zhǔn)質(zhì)量流量控制器而不需要獨(dú)立的初級(jí)4支術(shù)和次級(jí)纟支術(shù)。
本發(fā)明的實(shí)施方案通過(guò)提供以來(lái)自初級(jí)流量測(cè)量系 統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果為基礎(chǔ)才交準(zhǔn)次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)才是供另 一 種 優(yōu)勢(shì)。因?yàn)榇渭?jí)流量測(cè)量系統(tǒng)(例如，音速噴管系統(tǒng))能以來(lái)自初 級(jí)4支術(shù)(例如，恒定體積系統(tǒng))的流量測(cè)量結(jié)果為基礎(chǔ)實(shí)時(shí)地再次 才交準(zhǔn)，所以次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)不必/人;f寺再次才交準(zhǔn)的流量測(cè)量系統(tǒng) 中移出。
本發(fā)明的實(shí)施方案提供優(yōu)于先前研發(fā)的流量測(cè)量技 術(shù)的第三種優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槭褂么渭?jí)流量測(cè)量技術(shù)獲得的測(cè)量結(jié)果能 與4吏用初級(jí)流量測(cè)量技術(shù)獲得的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。如果4企測(cè)到 誤差，這可能意"未著次級(jí)流量測(cè)量4支術(shù)必須再次4交準(zhǔn)。因此，本 發(fā)明的實(shí)施方案能發(fā)現(xiàn)何時(shí)需要對(duì)次級(jí)流量測(cè)量^支術(shù)進(jìn)行再次 校準(zhǔn)。
本發(fā)明的實(shí)施方案通過(guò)使用次級(jí)流量測(cè)量技術(shù)擴(kuò)展 初級(jí)流量測(cè)量4支術(shù)的范圍提供優(yōu)于先前研發(fā)的流量測(cè)量系統(tǒng)和 方法的第四種優(yōu)勢(shì)。


為了更全面地理解本發(fā)明的實(shí)施方案及其優(yōu)勢(shì)，現(xiàn) 在連同以相似的參考凄t字表示相似的特征的附圖 一起參看下面 的描述，其中
圖1是流量測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的圖解表達(dá)；
圖2是音速噴管的一個(gè)實(shí)施方案的圖解表達(dá)；
圖3是舉例說(shuō)明音速噴管的各種不同實(shí)施方案的性 能特性的例子曲線 圖4是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案舉例-說(shuō)明一種測(cè) 量流速的方法的流考呈圖。具體實(shí)施方法
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案是用附圖舉例說(shuō)明的，在這 些附圖中l(wèi)吏用相似的婆t字表示圖中相似的和乂十應(yīng)的部分。
本發(fā)明的實(shí)施方案通過(guò)把初級(jí)流量測(cè)量技術(shù)的特征 和次級(jí)流量測(cè)量技術(shù)的特征結(jié)合起來(lái)提供一種用來(lái)在整個(gè)流速 范圍上測(cè)量流體(例如，液體、氣體、氣體蒸汽混合物或其它流 體)的流速的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，初級(jí)流 量測(cè)量系統(tǒng)(例如，恒壓系統(tǒng)、恒定體積系統(tǒng)、重量分4斤測(cè)量系 統(tǒng)或其它4支術(shù)上已知的初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng))可以與次級(jí)流量測(cè)量 系統(tǒng)(例如，音速噴管系統(tǒng)、層流流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、科氏 流量計(jì)、熱質(zhì)流量計(jì)或其它才支術(shù)上已知的次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng))流 體連通?？刂破髂芙邮軄?lái)自與初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)和次級(jí)流量測(cè)量
系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的傳感器的流體參數(shù)(例如，溫度、壓力或其它技術(shù) 上已知的流體參數(shù))的測(cè)量結(jié)果。該控制器能在第 一操作模式中 4吏用初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算流體的流速，而且能在第二操作模式 中使用次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算流體的流速。該控制器能基于 一 個(gè) 或多個(gè)預(yù)先定義的參數(shù)自動(dòng)完成操作模式之間的切換。控制器算 出的流速能用來(lái)^fe準(zhǔn)質(zhì)量流量控制器，質(zhì)量流量計(jì)和其它儀器。
圖1是4吏用初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)和次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng) 的流量測(cè)量系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施方案的圖解表達(dá)。流量測(cè)量系統(tǒng) 10可以包4舌用來(lái)經(jīng)由氣體管線系統(tǒng)17 ^^恒定體積系統(tǒng)20和音速 噴管系統(tǒng)30提供氣流的氣源15。恒定體積系統(tǒng)20可以包括恒定 體積搶室25和用來(lái)讀出系統(tǒng)10中氣體的壓力(例如，壓力傳感 器26)、溫度(例如，溫度傳感器28)和/或其它參凄t的傳感器。同 樣，音速噴管系統(tǒng)30可以包括音速噴管35和纟企測(cè)4義器(例如， 壓力傳感器31和溫度傳感器32)，這些儀器可能與恒定體積系統(tǒng) 20利用的儀器相同或不同。音速噴管35可能有不可調(diào)節(jié)的橫截 面積或可調(diào)節(jié)的4黃截面積。閥門系統(tǒng)(例如，閥門40和閥門42) 能調(diào)節(jié)通過(guò)流量測(cè)量系統(tǒng)10的氣流。
控制器60能接受來(lái)自傳感器的溫度、壓力和/或其 它測(cè)量結(jié)果和計(jì)算氣體通過(guò)系統(tǒng)10的流速?？刂破?0能以氣體 的狀態(tài)和恒定體積系統(tǒng)或音速噴管系統(tǒng)的配置為基礎(chǔ)確定氣體 通過(guò)系統(tǒng)10的質(zhì)量流速或體積流速。這項(xiàng)分析能以儲(chǔ)存在可由 計(jì)算機(jī)認(rèn)讀的存儲(chǔ)器67(例如，隨機(jī)存取儲(chǔ)存器、ROM、 ^茲性儲(chǔ) 存裝置或技術(shù)上已知的其它計(jì)算機(jī)易讀的存儲(chǔ)器)中的軟件指令 66為基礎(chǔ)由微處理器62完成。另外，控制器60能將控制信號(hào)發(fā) 送給閥門40和閥門42,使那組閥門配置引導(dǎo)氣體流向音速噴管 35和/或恒定體積搶室25。人們應(yīng)該注意到盡管控制器60被展 示成單一的控制器，但是控制器60的功能可以分配給多個(gè)控制
器，這些控制器可能是恒定體積系統(tǒng)20和/或音速噴管系統(tǒng)30 的一部分。此外，來(lái)自孩史處理器62的輸入和^r出信號(hào)可能經(jīng)歷 諸如數(shù)才莫轉(zhuǎn)換之類附加的中間邏輯和/或調(diào)節(jié)(為了簡(jiǎn)化未展示)。
由于點(diǎn)90的壓力高于點(diǎn)92或94的壓力這一事實(shí)， 氣源15能通過(guò)氣體管線17提供氣流。如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將 會(huì)理解的那樣，有多種方法才是供這種神黃跨系統(tǒng)10的壓差。當(dāng)閥 門40和閥門42都打開的時(shí)^f吳，氣體將流向點(diǎn)92和94，最后流 出系統(tǒng)IO。當(dāng)只有閥門42關(guān)閉的時(shí)候，氣體將流向點(diǎn)92并且流 出系統(tǒng)10。當(dāng)只有閥門40關(guān)閉的時(shí)4美，氣體將流向點(diǎn)94(即， 通過(guò)音速噴管系統(tǒng)30)。當(dāng)閥門40和閥門42兩者者P關(guān)閉的時(shí)1吳 氣體將會(huì)在恒定體積搶室25中累積。因此，通過(guò)改變那些閥門 的打開或關(guān)閉，控制器60能控制氣體向恒定體積系統(tǒng)20或音速 噴管系鄉(xiāng)充30的;危動(dòng)。
在圖l的實(shí)施方案中，當(dāng)閥門40和閥門42兩者都 關(guān)閉的時(shí)候，氣體將會(huì)在恒定體積搶室25中累積，因此，恒定 體積搶室25中的壓力將會(huì)增加。在這種情況下，控制器60能在 氣體在恒定體積搶室25中累積的時(shí)j吳4吏用壓力隨時(shí)間的變4匕計(jì) 算流速。由于在固定的體積中氣體的質(zhì)量取決于該體積的大小、 氣體的壓力和氣體的溫度而且因?yàn)轶w積和溫度沒有重大的偏離，所以控制器60能使用恒定體積系統(tǒng)20近似計(jì)算質(zhì)量流速，即<formula>formula see original document page 14</formula> [方程1]T =溫度 R=氣體常凄t t =時(shí)間 V =體積
如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)理解的那樣，方程1是 4艮容易向混合氣體和氣體蒸汽混合物推廣的。另外，如同技術(shù)上 理解的那4羊，可以l吏用氣體壓縮系婆t。此外，控制器60能依照 技術(shù)上已知的任何方案以dP/dt為基礎(chǔ)計(jì)算質(zhì)量流速。另外，控 制器60可以4皮進(jìn)一步配置成4吏用眾所周知的熱力學(xué)方程考慮可 能發(fā)生的 <壬4可氣體溫度變化。體積流速可以以與質(zhì)量流速類似的 方式計(jì)算出來(lái)或者以系統(tǒng)10中氣體的質(zhì)量流速和密度為基礎(chǔ)計(jì) 算出來(lái)。
依照本發(fā)明的實(shí)施方案，初級(jí)流量測(cè)量4支術(shù)可以如 同ISO 5725-1所描述的那樣完成，或者可以包括斜率技術(shù)，例如， 通過(guò)引證在此被全部并入的Tison等人于2004年8月7日以 "Method and System for Flow Measurement and Validation of a Mass Flow Controller"為題申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第10/887,591號(hào)。
當(dāng)閥門42打開(在圖1的例子中閥門40保持關(guān)閉) 的時(shí)候，氣體能流過(guò)音速噴管35。在這種情況下，控制器60能 4吏用音速噴管系統(tǒng)30計(jì)算流速。通過(guò)音速噴管35的質(zhì)量流速可 能受氣體溫度(T)、氣體熱容比(力、氣體常數(shù)(R)、氣體密度(p)(它 要么是已知的，要么可以基于氣體常數(shù)、的上游壓力和溫度計(jì)算) 和音速噴管35的橫截面積(A)支配，以致質(zhì)量流量速率=(p+RT)/RT [方程2] 或質(zhì)量流量速率=(PA々yRT)/RT[方程3]A =音速噴管的4黃截面積 R=氣體常凄t T =溫度P =音速噴管的上游壓力p =氣體密度(已知的或者等于P/(RT)) Y =熱容比
如方程3所示，在系統(tǒng)10中質(zhì)量流速與音速噴管 35的上游壓力成正比。因此，控制器60能基于音速噴管35的上 游壓力或氣體的密度計(jì)算流速。對(duì)于現(xiàn)在的音速噴管，為了近似 ;也遵從方禾呈2和方禾呈3, i玄上游壓力(P)應(yīng)i亥至少是下游壓力(例 如，點(diǎn)92的壓力)的兩倍，雖然本發(fā)明能把研發(fā)時(shí)需要較小的壓 力差的新音速噴管并入。人們應(yīng)該注意到音速噴管的^黃截面積可 能是可調(diào)整的。
因此，依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，控制器60能在 第 一操作模式中基于壓力隨時(shí)間的變化計(jì)算流體在恒定體積艙室中累積時(shí)的流速而且能在第二操作才莫式中基于流體密度或音 速噴管上游的流體壓力計(jì)算流體經(jīng)過(guò)音速噴管時(shí)的流速。
在圖l所示的實(shí)施方案中，音速噴管35和恒定體積 搶室25都在第一閥門40的上游。因此，當(dāng)閥門40關(guān)閉而閥門 42打開引導(dǎo)氣體流向音速噴管系統(tǒng)30的時(shí)候，恒定體積搶室25 中的壓力最初將上升，直到恒定體積搶室25平衡。當(dāng)這種情況 發(fā)生的時(shí)候，穩(wěn)定的壓力(P)將在音速噴管35的前面(即，上游) 建立?？刂破?0可以;故配置成在恒定體積搶室25已有時(shí)間達(dá)到 平衡之前依照第二操作模式延遲計(jì)算流量。
現(xiàn)在的恒定體積系統(tǒng)能在每分鐘0.01標(biāo)準(zhǔn)立方厘米 (O.Olsccm)到每分鐘5標(biāo)準(zhǔn)升(Sslpm)的范圍內(nèi)精確地測(cè)量流速(例 如在1。/o以內(nèi))，而現(xiàn)在的音速噴管系統(tǒng)能在3sIpm到30slpm的范 圍內(nèi)#青確i也測(cè)量流速。
因此，本發(fā)明的實(shí)施方案能使用有重疊的可操作性 范圍的恒定體積系統(tǒng)20和音速噴管系統(tǒng)30。當(dāng)系統(tǒng)10的流速接 近恒定體積系統(tǒng)20的可才喿作性范圍的上限(或通常在重疊范圍中 任意的其它界限)的時(shí)候，控制器60能打開閥門42,借此讓氣體 流過(guò)音速噴管35。作為交替^f吏用恒定體積系統(tǒng)20和音速噴管系 統(tǒng)30確定氣體流速的例子，4叚定恒定體積系統(tǒng)20使用107〉升 的恒定體積艙室25。如果控制器60發(fā)現(xiàn)流速(例如，來(lái)自系統(tǒng) 10中的壓力變化速率)已經(jīng)超過(guò)4.5 slpm(即，壓力變化速率大于 7psi/min),控制器60可以打開閥門42，借此引導(dǎo)氣體流向音速 噴管35。同樣，如果^r測(cè)到的流速降低到預(yù)先i殳定的凄t值以下， 比如i兌4slpm,控制器60可以關(guān)閉閥門42，借此引導(dǎo)氣體流向 恒定體積系統(tǒng)20。因此，本發(fā)明的實(shí)施方案能使用能夠易察覺地 從使用恒定體積的低流速測(cè)量切換到使用音速噴管的高流速測(cè) 量(即，在第一和第二操作模式之間切換)的智能系統(tǒng)。前面討論的參數(shù)和閾值都可以采用。此外，本發(fā)明的實(shí)施方案能在研發(fā)時(shí) 將恒定體積系統(tǒng)和音速噴管系統(tǒng)合并，因此有比較寬的可操作性 范圍，而且前面《合出的范圍不限制本發(fā)明的范圍。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，控制器60能使用重疊 的可才喿作性范圍自動(dòng)才交準(zhǔn)，以解決系統(tǒng)10中的變化，例如，音 速噴管橫截面積的變化。雖然音速噴管的橫截面積通常保持穩(wěn) 定，但是鴒、六氟化物和三氯化硼的氣體和其它與半導(dǎo)體制造業(yè) 有關(guān)的有毒氣體可能在音速噴管35中留下沉積物，從而引起音 速噴管35的喉部面積改變。如果不解決，這可能導(dǎo)致計(jì)算用在 音速噴管系統(tǒng)30上的質(zhì)量流速不精確。本發(fā)明的實(shí)施方案能通 過(guò)再次4交準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償這樣的變化而不需要拆除和更換音速噴管35。 4吏用早先的例子，在該例子中恒定體積系統(tǒng)和音速 噴管系統(tǒng)有從3 slmp到5 slmp的重疊范圍，氣流能凈皮引進(jìn)系統(tǒng) 10，而且控制器60能使用上述的方程1計(jì)算來(lái)自恒定體積系統(tǒng) 20的質(zhì)量流速。如果流速在重疊范圍(例如，按照體積流速，3-5 slmp)之內(nèi)，控制器60能使閥門42打開，借此引導(dǎo)氣體流向音速 噴管70。當(dāng)恒定體積搶室25達(dá)到平衡，而且穩(wěn)定壓力在音速噴 管35的上游建立的時(shí)候，控制器60能4吏用音速噴管系統(tǒng)30計(jì) 算流速。如果4吏用音速噴管系統(tǒng)30算出的流速與l吏用恒定體積 系統(tǒng)20算出的流速在可4妾受的誤差范圍內(nèi)不匹配，這能表明音 速噴管35的4黃截面積已經(jīng)改變?？刂破?0能用下面的方程式計(jì) 算音速噴管35的新橫截面積(A):A =質(zhì)量流量速率/(pVYRT) [方程4]或A =(質(zhì)量流量速率沐RT)/(PVYRT) [方程5]A =音速噴管的4黃截面積p=氣體密度(已知的或等于P/(RT))R=氣體常凄tT =溫度P-音速噴管上游的壓力 Y =熱容比質(zhì)量流量速率-從恒定體積系統(tǒng)計(jì)算的流速。
控制器60現(xiàn)在能在計(jì)算通過(guò)音速噴管35的流速的 時(shí)候使用新的數(shù)值作為音速噴管35的橫截面積。以這種方式，
本發(fā)明的實(shí)施方案能使用重疊范圍(例如，從3slpm到5slpm)實(shí) 時(shí)地校準(zhǔn)音速噴管。音速噴管的工作特性考慮到點(diǎn)校準(zhǔn)和向較高 的流量擴(kuò)展。音速噴管35的再次沖交準(zhǔn)能依照預(yù)定的時(shí)間表或在 事先沒有準(zhǔn)備的情況下發(fā)生。人們還應(yīng)該注意到，如果音速噴管 35是可調(diào)整的，同才羊的方法能用來(lái)4十對(duì)各種不同尺寸的孔口確定 音速噴管35的纟黃截面積。
本發(fā)明的實(shí)施方案也能使用重疊范圍來(lái)計(jì)算使用恒 定體積系統(tǒng)20的氣體的y(熱容比)。為了計(jì)算y，如同前面討論 的那沖羊，可以將氣流引向恒定體積系統(tǒng)20并且可以確定該氣體 的流速。如果流速在重疊范圍之內(nèi)(例如，3-5 slpm),控制器60 能將氣流引向音速噴管系統(tǒng)30。當(dāng)穩(wěn)定的壓力在音速噴管35上 游建立的時(shí)候，控制器60能4安照下面的方程計(jì)算y:y =(質(zhì)量流量速率/pA)2/RT [方程6] 或y = (RT承質(zhì)量流量速率/PA)2/RT [方程7] y =熱容比A=音速噴管的4黃截面積p =氣體密度(已知的或?qū)Φ扔赑/(RT))R=氣體常凄tT =溫度p =音速噴管上游壓力質(zhì)量流量速率=乂人恒定體積系統(tǒng)計(jì)算的流速。
除了計(jì)算未知的Y之外，為了確定控制器是否必須 再次校準(zhǔn)，本發(fā)明的實(shí)施方案能在已知Y的情況下計(jì)算氣體的 y。控制器60能針對(duì)已經(jīng)知道y的氣體(例如，氮?dú)釳吏用方程7 或方程8計(jì)算y。如果算出的y與已知的y不匹配，這可能表示 控制器60使用的"a，，的婆t值是不精確的，應(yīng)該重新計(jì)算。另夕卜， 計(jì)算氣體的Y的能力允許確定在各種不同的溫度下氣體的聲速，因?yàn)闅怏w的聲速等于yRT的平方才艮。
因此，控制器60能l吏用恒定體積系統(tǒng)和音速噴管系 統(tǒng)在流速的范圍內(nèi)計(jì)算通過(guò)系統(tǒng)10的流速。^同熟悉這項(xiàng)4支術(shù) 的人所理解的那樣，控制器60算出的流速能用來(lái)校準(zhǔn)質(zhì)量流量 控制器。如果恒定體積系統(tǒng)和音速噴管系統(tǒng)有交疊的可操作性范 圍，控制器60能使用利用恒定體積系統(tǒng)算出的流速為計(jì)算音速 噴管的4黃截面積、特定氣體的y 、某種氣體中的聲速和其它參凄i:。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，能4吏用特定的氣體才交 準(zhǔn)系統(tǒng)10而且這個(gè)信息可以推廣到其它氣體。舉例來(lái)"i兌，音速 噴管的4黃截面積能針對(duì)系統(tǒng)io使用氮?dú)獯_定。然后，這個(gè)數(shù)值 能凈皮用于測(cè)試系統(tǒng)10中的其它氣體。
因此，本發(fā)明的實(shí)施方案可以包4舌初級(jí)流體流量測(cè) 量系統(tǒng)(例如，恒定體積系統(tǒng))、次級(jí)流體流量測(cè)量系統(tǒng)(例如，音 速噴管系統(tǒng))和控制器。在第一操作模式中，控制器可以是為使 用初級(jí)流動(dòng)流量測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算流速配置的，而在第二才喿作才莫式 中，可以是為使用次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算流速配置的?？刂破髂?在第一操作模式和第二操作模式之間自動(dòng)地切換。如果兩種操作 模式重疊的可操作性范圍，控制器能使用從初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)算 出的流速校準(zhǔn)次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)。然后，針對(duì)一種氣體確定的才交 準(zhǔn)數(shù)據(jù)能用于其它的氣體。
圖2是能用于本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方案的音速 噴管35的一個(gè)例子的剖^L圖。音速噴管35可以有入口 102和出 口 104和限制橫截面的區(qū)域或喉部106。通常，就遵從方禾呈2和 方禾呈3的音速噴管35而言，上游壓力(例如，入口一側(cè)的壓力) 必須至少是下游壓力(例如，出口一側(cè)的壓力)的兩到三倍。對(duì)于 許多應(yīng)用，選擇音速噴管時(shí)的主要參凄t是橫截面積或喉部直徑， 這個(gè)參數(shù)通常是基于所需要的流量范圍選定的。圖3是表達(dá)適用 于可仿效的音速噴管實(shí)施方案的計(jì)算結(jié)果的圖表。軸110代表所 需要的流量范圍，音速噴管將在該流量下工作，軸112代表音速 噴管35上游的壓力和線114代表有各種不同的喉徑的音速噴管。 在圖3中，如果本發(fā)明的實(shí)施方案是為設(shè)計(jì)在10-100 Torr的壓力 范圍(近似地用區(qū)域116表示)中操作，那么，作為例子，可能選 擇直徑從0.2厘米到l厘米的音速噴管。依照本發(fā)明其它的實(shí)施 方案，可以4吏用變孔徑音速噴管。俄亥俄州克里夫蘭的Swagelok 公司制造的針形閥能起變孔徑音速噴管的作用。
圖4是依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說(shuō)明一種測(cè)量流 速的方法的流程圖。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，圖4的方法能 用一組計(jì)算機(jī)指令實(shí)現(xiàn)，這組計(jì)算機(jī)指令是計(jì)算機(jī)處理器可扭^f亍 的而且儲(chǔ)存在控制器的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。依照本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施 方案，控制器在步驟202能配置一組閥門以允許氣體在恒定體積 艙室中累積。當(dāng)氣體在恒定體積艙室中累積的時(shí)候，控制器能4妄 受來(lái)自一個(gè)或多個(gè)傳感器的氣體參數(shù)(例如，溫度、壓力和或4壬 何技術(shù)上已知的其它氣體參數(shù))的測(cè)量結(jié)果(步驟204)而且能基于 氣體壓力隨時(shí)間的變化計(jì)算氣體的流速(步驟206)。舉例來(lái)il, 這可能是依照方程1完成的。
在步驟208，控制器能將算出的流速與閾值流速210 進(jìn)行比較。如果算出的流速不超過(guò)閾值流速210，則控制能返回 到步艱《204。另一方面，如果算出的流速超過(guò)閾值流速210,貝'J 控制器在步驟212能配置那組閥門以允許氣體通過(guò)音速噴管。當(dāng) 閥門^皮配置成允許氣體通過(guò)音速噴管的時(shí)候，氣體可能仍然在恒 定體積搶室中累積一會(huì)兒。為了解決這個(gè)為題，或?yàn)榱艘詣e的方 式允許氣體達(dá)到近似的穩(wěn)定狀態(tài)，控制器在步驟214能延遲預(yù)先 定義的延遲周期計(jì)算流速。
控制器能接受各種不同氣體參數(shù)的測(cè)量(例如，溫當(dāng)延遲周期已經(jīng)過(guò)去的時(shí)候能基于音速噴管上游的壓力或音速 噴管上游的氣體密度依照，舉例來(lái)說(shuō)，方程2或方程3計(jì)算氣體 的流速(步驟218)。圖4的程序可以被任意地重復(fù)(步驟220)。
在圖4的實(shí)施方案中，控制器基于算出的流速是否 超過(guò)閾值流速完成第 一 才喿作模式(例如，基于壓力隨時(shí)間的變化 計(jì)算流速)和第二操作模式(例如，基于音速噴管上游的壓力或氣 體密度計(jì)算流速)之間的切換。然而，人們應(yīng)該注意到，控制器 能基于任何預(yù)先定義的參數(shù)完成兩種才喿作模式之間的切換。舉例 來(lái)說(shuō)，基于壓力隨時(shí)間改變的幅度(dP/dt)或其它任意定義的參凄丈 完成兩種操作模式之間的切換是可能發(fā)生的。另外，用來(lái)決定是 否從第一模式向第二模式轉(zhuǎn)換的參數(shù)可能不同于用來(lái)決定是否 從第二模式向第一模式轉(zhuǎn)換的參數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，控制器可能基于 (dP/dt)是否超過(guò)特定的數(shù)值完成從第 一操作模式向第二操作模式 的轉(zhuǎn)換而基于算出的流速是否降低到預(yù)先定義的數(shù)值以下完成 從第二操作模式向第 一操作模式的轉(zhuǎn)換。
雖然已經(jīng)參照:沈明性的實(shí)施方案在此詳細(xì)地描述了 本發(fā)明，^f旦是人們應(yīng)該理解，這些描述僅僅是作為例子而不應(yīng)該 被解釋為限制。因此，人們將進(jìn)一步理解這項(xiàng)發(fā)明的實(shí)施方案在 細(xì)節(jié)方面的i午多變化和這項(xiàng)發(fā)明的補(bǔ)充實(shí)施方案對(duì)于熟悉這份 說(shuō)明書涉及的技術(shù)的人將是明顯的而且可能被他們完成。預(yù)計(jì)所 有這樣的變化和補(bǔ)充實(shí)施方案都將在這項(xiàng)發(fā)明的權(quán)利要求書所 定義的升青^申和真實(shí)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)確定流體流速的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)；與初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)流體連通的次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)；與初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)和次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)耦合的控制器，該控制器包括處理器；所述處理器可存取的存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存由所述處理器可執(zhí)行的指令組成的一系列計(jì)算機(jī)指令以便在第一操作模式中，使用初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算流速；在第二操作模式中，使用次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算流速；以及基于預(yù)先定義的參數(shù)在第一操作模式和第二操作模式之間切換。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)是恒定 體積系統(tǒng)、恒壓系統(tǒng)或重力流量測(cè)量系統(tǒng)之一 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)是音速 噴管系統(tǒng)、層流流量計(jì)、作為差壓流量計(jì)使用的可變電導(dǎo)、 超聲波流量計(jì)、矛牛氏流量計(jì)或熱質(zhì)流量計(jì)之一。
4. 一種確定流體流速的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括恒定體積、搶室；與恒定體積搶室流體連通的音速噴管；為引導(dǎo)流體流向恒定體積搶室和音速噴管而配置的一個(gè)或多個(gè)閥門；為讀出流體的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)而配置的傳感器；連接到傳感器上的控制器，該控制器#皮配置以接收來(lái)自傳感器的測(cè)量，該控制器包^fe: 處理器；所述處理器可存取的存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存由所述處 理器可執(zhí)行的指令組成的 一 系列計(jì)算機(jī)指令以便在第一操作模式中，處理器當(dāng)流體在恒定體積艙室中累 積之時(shí)計(jì)算流速；在第二操作模式中，處理器當(dāng)流體流過(guò)音速噴管之時(shí)計(jì) 算流速；以及在第 一操作模式和第二操作模式之間切換。
5. 據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，在第一操作模式中，流速是基 于隨著時(shí)間流逝流體壓力的變化計(jì)算的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中流速是依照dm/dt = (dP/dt)(V/RT)近似計(jì)算的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，在第二操作模式中，所述流 速是基于流體壓力計(jì)算的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中，在第二操作模式中，所述流 速依照質(zhì)量流量速率=(PA々yRT)/RT近似計(jì)算的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，在第二操作模式中，所述流 速基于流體密度計(jì)算的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，在第二操作模式中，所述流 速是依照A = pA々yRT近似計(jì)算的。
11. 據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述計(jì)算機(jī)指令進(jìn)一步包括依照 第二操作模式延遲計(jì)算流速的指令以允許恒定體積搶室達(dá)到平衡。
12. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述計(jì)算機(jī)指令進(jìn)一步包括可 執(zhí)行的指令，以便依照第一操作模式計(jì)算流速重疊范圍中的流速；以及基于依照第一操作模式算出的流速計(jì)算音速噴管的橫截 面積。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述音速噴管的4黃截面積是 依照A =(質(zhì)量流量速率承RT)/P^yRT近似計(jì)算的。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述音速噴管的4黃截面積是 依照A ==質(zhì)量^fu量速率/pVYRT近^f以計(jì)算的
15. 才艮據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述計(jì)算機(jī)指令進(jìn)一步包4舌可 執(zhí)行的指令，以便依照第一操作模式計(jì)算重疊范圍中的流速；以及基于依照第 一操作模式算出的流速計(jì)算流體的熱容比。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述熱容比是依照y = (RT* 質(zhì)量流量速率/PA)"RT近似計(jì)算的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述熱容比是依照y-(質(zhì)量 流量速率/pA力RT近似計(jì)算的。
18. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)閥門以引導(dǎo)通過(guò)系統(tǒng)的流動(dòng)；以及其中計(jì)算機(jī)指令進(jìn)一步包括用來(lái)控制所述的引導(dǎo)流動(dòng)的 一個(gè)或多個(gè)閥門的可執(zhí)行指令。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述的一個(gè)或多個(gè)閥門包括在恒定體積搶室下游的第一閥門；以及 在音速噴管下游的第二閥門。
20. 才艮據(jù)4又利要求4的系統(tǒng)，其中所述流速包4舌質(zhì)量流速。
21. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述流速包括體積流速。
22. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)指令是可執(zhí)行的以基于 預(yù)先確定的參數(shù)在第 一操作模式和第二操作模式之間進(jìn)行 切換。
23. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述音速噴管是可變孔音速噴 管。
24. —種用來(lái)確定流體流速的方法，該方法包4舌對(duì)于第一操作模式，當(dāng)流體在適合第一流速范圍的恒定 體積搶室中累積的時(shí)候計(jì)算流速；對(duì)于第二操作模式，當(dāng)流體流過(guò)音速噴管的時(shí)候計(jì)算流 速；以及完成第 一操作模式和第二操作模式之間的切換。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中，在第一才喿作模式中，所述 流速是基于隨著時(shí)間流逝流體壓力的變化計(jì)算的。
26. ^f艮據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，在第一才喿作才莫式中，所述 流速是依照dm/dt = (dP/dt)(V/RT)近似計(jì)算的。
27. 才艮據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中，在第二才喿作模式中，所述 流速是基于流體壓力計(jì)算的。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中，在第二操作模式中，所述 流速是依照質(zhì)量流量速率=(PAVyRT)/RT近似計(jì)算的。
29. 才艮據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中，在第二才乘作模式中，所述 流速是基于流體密度計(jì)算的。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，在第二操作模式中，所述 、流速是依照A = pAVyRT近似計(jì)算的"
31. 4艮據(jù)權(quán)利要求24的方法，進(jìn)一步包括在依照第二才喿作才莫式 延遲計(jì)算流速以允許恒定體積搶室達(dá)到平衡。
32. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，進(jìn)一步包括依照第 一操作模式在流速的重疊范圍中計(jì)算流速；以及基于依照第一操作模式算出的流速計(jì)算音速噴管的橫截 面積。
33. 4艮據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所述音速噴管是可變孔音速 噴管。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所述音速噴管的橫截面積是 依照A =(質(zhì)量流量速率承RT)/P+RT近似計(jì)算的。
35. 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所述音速噴管的橫截面積是 依照A =質(zhì)量流量速率/p+RT近似計(jì)算的。
36. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，進(jìn)一步包括依照第一才喿作才莫式在重疊范圍中計(jì)算流速；以及 基于依照第 一操作模式算出的流速計(jì)算流體的熱容比。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述熱容比是依照y = (RT* 質(zhì)量流量速率/PA)々RT近似計(jì)算的。
38. 根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述熱容比是依照丫=(質(zhì)量 流量速率/pAf/RT近似計(jì)算的。
39. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，進(jìn)一步包括控制一個(gè)或多個(gè)閥門以便調(diào)節(jié)到恒定體積搶室和音速噴 管的流量。
40. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述流速包括質(zhì)量流速。
41. 4艮據(jù)4又利要求24的方法，其中所述流速包括體積流速。
全文摘要
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案可以包括初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)、與初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)流體連通的次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)和與初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)和次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)耦合的控制器。所述控制器可以包括處理器和用該處理器可存取的存儲(chǔ)器。所述處理器能執(zhí)行儲(chǔ)存在所述存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)指令在第一操作模式中使用初級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算流速，而在第二操作模式中使用次級(jí)流量測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算流速。所述計(jì)算機(jī)指令是可進(jìn)一步執(zhí)行的，以便基于預(yù)先定義的參數(shù)在第一操作模式和第二操作模式之間切換。
文檔編號(hào)G04F1/00GK101167025SQ200580043027
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者呂時(shí)良, 斯圖阿特·A·蒂森 申請(qǐng)人:迅捷公司