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专利名称：上游体积质量流量检验系统和方法
技术领域：
本公开涉及质量流量的测量和控制领域。更具体而言，本公开涉及检验质量流量计和控制器的准确性。
背景技术：
若干高精度质量流量测量系统在材料加工中是有用的。这些高精度质量流量测量系统可包括但不限于质量流量控制器(MFC)和质量流量计(MFM)。虽然该公开适用于所有的质量流量测量系统和方法，但是仅仅为了解释说明目的且不通过限制的方式以下将仅对 MFC进行参考说明。希望且有时必须检测或检验MFC的准确性。检验MFC的准确性的一种方法是通过使用位于检测状态下的MFC上游的质量流量检验器(MFV)的衰变率。但是由于引入影响MFV和MFC的测量的不希望的压力变化的流路的结构方面，所以可能有时会出现测量误差。例如，MFC具有位于流量传感器和控制阀之间的流路的一部分，该流路的一部分称为“死体积”，其会将误差引入到流量测量中，尤其是如果MFC是在 MFC内不具有压力传感器的非压力不敏感(即压力敏感)的MFC。非压力不敏感的MFC不能补偿由压力波动导致的流速误差。当流体沿着从流量检验器通过死体积以及MFC的出口的流路流动时，死体积可导致压力测量以及最终的流量检验中的不精确。

发明内容
因此，在本公开中描述了质量流量检验器(MFV)，其补偿由非压力不敏感的MFC中的死体积所产生的误差。本公开更具体地描述了用于测量和检验通过非压力不敏感MFC的质量流量的上游检验系统和方法。位于上游的MFV通常包括限定固定体积的腔室，接收来自源的流体和控制进入腔室的流体的流量的输入阀，和用于控制流出腔室进入检测MFC的流体的流量的输出阀。通过打开输入阀和关闭输出阀，腔室接收来自源的流体，使得允许压力上升到确定的水平。一旦处于该确定水平，就可以关闭输入阀，以及打开输出阀，使得流体从腔室流动到检测状态下的MFC。通过测量腔室中流体的温度，以及来自腔室的压力衰变率，可以独立地测量通过MFC的流速，使得可独立地测量和检验MFC的性能。计算的流速补偿由于非压力不敏感的质量流量控制器内的任意死体积导致的误差。如果检测的质量流量控制器是压力不敏感的质量流量控制器，则假设零死体积可由上游MFV来执行流速的计算。死体积的值可由质量流量控制器的制造商来提供。


图1是根据本公开的一方面的框图；图2示出了识别本公开中关注的误差的模拟结果；图3示出非压力不敏感的质量流量控制器的实例的部分切除的侧视图。
具体实施例方式用于检验MFC的准确性的一种方法是通过位于检测状态下的MFC的上游的质量流量检验器。如前所述，当流体从MFV腔室流动到检测状态下的MFC时可通过测量压力衰变率和温度变化来测量和检验通过检测状态下的MFC的流速。但是，尤其是当MFC为非压力不敏感的情况下，由检测MFC中存在的死体积可导致测量误差。这些测量误差的补偿是本公开的主题。图1展示了用于检验检测MFC 90的性能的上游MFV系统100的实施例。典型的上游流量检验器包括限定已知体积(V。)的腔室110、压力传感器(P) 120、温度传感器(T) 130 以及两个隔离控制阀，其中一个是上游隔离控制阀140，而另一个是体积的下游隔离控制阀 150。MFV的所示实施例包括温度传感器130和压力传感器120。如图所示，上游输入阀 140用于控制从源流动的流体或检测气体的供应，而下游阀150用于控制从体积110到检测 MFC 90的流体的流量。控制器160用于操作阀140和150，以及用于接收代表体积110的温度(由温度传感器130测量)的数据以及体积110内的压力(由压力传感器120测量)。 此外，控制器还可以设置检测MFC的流量(虽然也可以用单独的控制器来控制MFC)。通过打开输入阀140和关闭输出阀150，腔室体积110接收来自源的流体，使得由传感器120测量的压力允许上升到确定的水平。一旦处于该确定水平，则可关闭输入阀140。现在可对 MFC 90进行检测。在保持输入阀140关闭的情况下，打开输出阀150，使得流体从腔室110 流动到检测状态下的MFC90。通过测量由温度传感器130测量的腔室体积110内的流体温度以及由传感器120测量的来自腔室体积110的压力衰变率，可以独立地测量通过MFC的流速，使得可以独立地测量和检验MFC性能(通过将检测MFC的设定流速与由MFV100确定的实际流速进行比较)。因此，上游MFV能够检验MFC的性能。一种可能的性能测量是在固定体积的气体通过MFC时测量通过MFC的压力衰变率，通过下列等式确定
__ __ ,-χ,/ 丁、ψ d (P / T)ζ ι \Qa =-,⑴
Λ ‘『xtp at其中ζ)。为实际MFC输出流量的MFV测量的流速；Vt是MFV系统的总体积，这在下一段中进行解释；R是通用气体常数；P和T分别是气体压力和温度测量值；Pstp和Tstp分别是标准压力(1. 01325e5Pa)和标准温度(273. 15K)常数。MFC系统的总体积Vt包括已知的MFV腔室体积V。以及MFV下游阀150与MFC控制阀340之间的外部体积Ve，且可表示为Vt = Vc+Ve0 (2)
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外部体积Ve随着系统管道配置和检测状态下的MFC而变化。在执行上游MFV流量检验之前必须精确校准外部体积。例如，外部体积校准可基于理想气体定律和质量守恒定律，已知事项是MFV腔室体积(V。)以及MFV腔室内气体的温度和所测得的压力。该过程可描述如下1.关闭MFV的上游阀；打开MFV的下游阀并检测状态下MFC的控制阀；2.将系统降压到预定的压力水平，并关闭检测状态下的MFC的控制阀；3.等待腔室压力和气体温度稳定，并将腔室压力记录为Ptl以及将气体温度记录为 T0;4.关闭MFV的下游阀，且打开MFV的上游阀，以便允许气体进入MFV腔室的流量；5.当MFV腔室压力达到预定水平时，关闭MFV的上游阀；6.等待腔室压力和气体温度稳定，并将腔室压力记录为P1以及将气体温度记录为 T1;7.打开MFV的下游阀，并允许气体流入外部体积；8.等待腔室压力和气体温度稳定，并将腔室压力记录为P2以及将气体温度记录为 T2;9.按下列等式计算外部体积
权利要求
1.一种用于检测质量流量测量装置的性能的上游质量流量检验系统，所述系统包括 上游体积，能够存储检测流体；温度传感器，用于感测上游体积内的温度； 压力传感器，用于感测上游体积内的流体压力；以及处理器，被配置成计算通过质量流量控制器的检测流体的流速，且补偿由质量流量控制器内的死体积导致的误差。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，死体积设置为零。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，死体积由系统的用户输入。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，流速在温度稳定之后确定。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于控制检测流入所述体积内的流体的流量的输入阀，以及用于控制从所述体积通过质量流量测量装置的流体的流量的输出阀，其中关闭输出阀以及打开输入阀，以便填充该体积，直到其达到可测量的压力水平， 然后关闭输入阀，打开输出阀，以允许流体从所述体积流动通过质量流量测量装置。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，流量根据下述等式进行测量 g............(K-Ki)-Kp dpR P,, . T dt其中Q为测量的流速， Vt是MFV系统的总体积，Vd表示检测状态下的质量流量测量/传输装置的死体积， R是通用气体常数， P和T分别是气体压力和温度，以及Pstp和Tstp分别是标准压力(1. 01325e5Pa)和标准温度(273. 15K)。
7.一种用于检验质量流量测量装置的性能的方法，包括 在固定体积内建立检测流体的压力水平；打开阀，以便将检测流体从所述体积传输通过检测质量流量测量装置； 作为检测流体的温度和检测流体从所建立的水平的压力变化率的函数，确定通过质量流量测量装置的质量流速，其中计算补偿由检测状态下的质量流量传输/测量装置内的死体积导致的误差。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括输入从质量流量传输/测量装置的制造商接收的死体积的值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，输入值为零。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在温度稳定之后计算流速。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定质量流速包括根据下述等式测量流量 -^^J^fI 其中Q为测量的流速， Vt是MFV系统的总体积，Vd表示检测状态下的质量流量测量/传输装置的死体积，R是通用气体常数， P和T分别是气体压力和温度，以及Pstp和Tstp分别是标准压力(1. 01325e5Pa)和标准温度(273. 15K)。
全文摘要
本公开涉及用于测量和检验通过诸如质量流量控制器的质量流量传输/测量装置的质量流量的质量流量检验系统和方法。质量流量检验系统包括预设体积、温度传感器和压力传感器。由质量流量检验系统确定的测量的经检验的流量可调整成补偿由质量流量测量装置内的死体积导致的误差。
文档编号G01F25/00GK102483344SQ201080033129
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月15日 优先权日2009年7月24日
发明者K·扎尔卡, 丁军华 申请人:Mks 仪器公司