專利名稱：上游體積質量流量檢驗系統(tǒng)和方法
技術領域：
本公開涉及質量流量的測量和控制領域。更具體而言，本公開涉及檢驗質量流量計和控制器的準確性。
背景技術：
若干高精度質量流量測量系統(tǒng)在材料加工中是有用的。這些高精度質量流量測量系統(tǒng)可包括但不限于質量流量控制器(MFC)和質量流量計(MFM)。雖然該公開適用于所有的質量流量測量系統(tǒng)和方法，但是僅僅為了解釋說明目的且不通過限制的方式以下將僅對 MFC進行參考說明。希望且有時必須檢測或檢驗MFC的準確性。檢驗MFC的準確性的一種方法是通過使用位于檢測狀態(tài)下的MFC上游的質量流量檢驗器(MFV)的衰變率。但是由于引入影響MFV和MFC的測量的不希望的壓力變化的流路的結構方面，所以可能有時會出現(xiàn)測量誤差。例如，MFC具有位于流量傳感器和控制閥之間的流路的一部分，該流路的一部分稱為“死體積”，其會將誤差引入到流量測量中，尤其是如果MFC是在 MFC內不具有壓力傳感器的非壓力不敏感(即壓力敏感)的MFC。非壓力不敏感的MFC不能補償由壓力波動導致的流速誤差。當流體沿著從流量檢驗器通過死體積以及MFC的出口的流路流動時，死體積可導致壓力測量以及最終的流量檢驗中的不精確。

發(fā)明內容
因此，在本公開中描述了質量流量檢驗器(MFV)，其補償由非壓力不敏感的MFC中的死體積所產生的誤差。本公開更具體地描述了用于測量和檢驗通過非壓力不敏感MFC的質量流量的上游檢驗系統(tǒng)和方法。位于上游的MFV通常包括限定固定體積的腔室，接收來自源的流體和控制進入腔室的流體的流量的輸入閥，和用于控制流出腔室進入檢測MFC的流體的流量的輸出閥。通過打開輸入閥和關閉輸出閥，腔室接收來自源的流體，使得允許壓力上升到確定的水平。一旦處于該確定水平，就可以關閉輸入閥，以及打開輸出閥，使得流體從腔室流動到檢測狀態(tài)下的MFC。通過測量腔室中流體的溫度，以及來自腔室的壓力衰變率，可以獨立地測量通過MFC的流速，使得可獨立地測量和檢驗MFC的性能。計算的流速補償由于非壓力不敏感的質量流量控制器內的任意死體積導致的誤差。如果檢測的質量流量控制器是壓力不敏感的質量流量控制器，則假設零死體積可由上游MFV來執(zhí)行流速的計算。死體積的值可由質量流量控制器的制造商來提供。


圖1是根據本公開的一方面的框圖；圖2示出了識別本公開中關注的誤差的模擬結果；圖3示出非壓力不敏感的質量流量控制器的實例的部分切除的側視圖。
具體實施例方式用于檢驗MFC的準確性的一種方法是通過位于檢測狀態(tài)下的MFC的上游的質量流量檢驗器。如前所述，當流體從MFV腔室流動到檢測狀態(tài)下的MFC時可通過測量壓力衰變率和溫度變化來測量和檢驗通過檢測狀態(tài)下的MFC的流速。但是，尤其是當MFC為非壓力不敏感的情況下，由檢測MFC中存在的死體積可導致測量誤差。這些測量誤差的補償是本公開的主題。圖1展示了用于檢驗檢測MFC 90的性能的上游MFV系統(tǒng)100的實施例。典型的上游流量檢驗器包括限定已知體積(V。)的腔室110、壓力傳感器(P) 120、溫度傳感器(T) 130 以及兩個隔離控制閥，其中一個是上游隔離控制閥140，而另一個是體積的下游隔離控制閥 150。MFV的所示實施例包括溫度傳感器130和壓力傳感器120。如圖所示，上游輸入閥 140用于控制從源流動的流體或檢測氣體的供應，而下游閥150用于控制從體積110到檢測 MFC 90的流體的流量?？刂破?60用于操作閥140和150，以及用于接收代表體積110的溫度(由溫度傳感器130測量)的數(shù)據以及體積110內的壓力(由壓力傳感器120測量)。 此外，控制器還可以設置檢測MFC的流量(雖然也可以用單獨的控制器來控制MFC)。通過打開輸入閥140和關閉輸出閥150，腔室體積110接收來自源的流體，使得由傳感器120測量的壓力允許上升到確定的水平。一旦處于該確定水平，則可關閉輸入閥140?，F(xiàn)在可對 MFC 90進行檢測。在保持輸入閥140關閉的情況下，打開輸出閥150，使得流體從腔室110 流動到檢測狀態(tài)下的MFC90。通過測量由溫度傳感器130測量的腔室體積110內的流體溫度以及由傳感器120測量的來自腔室體積110的壓力衰變率，可以獨立地測量通過MFC的流速，使得可以獨立地測量和檢驗MFC性能(通過將檢測MFC的設定流速與由MFV100確定的實際流速進行比較)。因此，上游MFV能夠檢驗MFC的性能。一種可能的性能測量是在固定體積的氣體通過MFC時測量通過MFC的壓力衰變率，通過下列等式確定
__ __ ,-χ,/ 丁、ψ d (P / T)ζ ι \Qa =-,⑴
Λ ‘『xtp at其中ζ)。為實際MFC輸出流量的MFV測量的流速；Vt是MFV系統(tǒng)的總體積，這在下一段中進行解釋；R是通用氣體常數(shù)；P和T分別是氣體壓力和溫度測量值；Pstp和Tstp分別是標準壓力(1. 01325e5Pa)和標準溫度(273. 15K)常數(shù)。MFC系統(tǒng)的總體積Vt包括已知的MFV腔室體積V。以及MFV下游閥150與MFC控制閥340之間的外部體積Ve，且可表示為Vt = Vc+Ve0 (2)
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外部體積Ve隨著系統(tǒng)管道配置和檢測狀態(tài)下的MFC而變化。在執(zhí)行上游MFV流量檢驗之前必須精確校準外部體積。例如，外部體積校準可基于理想氣體定律和質量守恒定律，已知事項是MFV腔室體積(V。)以及MFV腔室內氣體的溫度和所測得的壓力。該過程可描述如下1.關閉MFV的上游閥；打開MFV的下游閥并檢測狀態(tài)下MFC的控制閥；2.將系統(tǒng)降壓到預定的壓力水平，并關閉檢測狀態(tài)下的MFC的控制閥；3.等待腔室壓力和氣體溫度穩(wěn)定，并將腔室壓力記錄為Ptl以及將氣體溫度記錄為 T0;4.關閉MFV的下游閥，且打開MFV的上游閥，以便允許氣體進入MFV腔室的流量；5.當MFV腔室壓力達到預定水平時，關閉MFV的上游閥；6.等待腔室壓力和氣體溫度穩(wěn)定，并將腔室壓力記錄為P1以及將氣體溫度記錄為 T1;7.打開MFV的下游閥，并允許氣體流入外部體積；8.等待腔室壓力和氣體溫度穩(wěn)定，并將腔室壓力記錄為P2以及將氣體溫度記錄為 T2;9.按下列等式計算外部體積
權利要求
1.一種用于檢測質量流量測量裝置的性能的上游質量流量檢驗系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 上游體積，能夠存儲檢測流體；溫度傳感器，用于感測上游體積內的溫度； 壓力傳感器，用于感測上游體積內的流體壓力；以及處理器，被配置成計算通過質量流量控制器的檢測流體的流速，且補償由質量流量控制器內的死體積導致的誤差。
2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，死體積設置為零。
3.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，死體積由系統(tǒng)的用戶輸入。
4.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，流速在溫度穩(wěn)定之后確定。
5.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于控制檢測流入所述體積內的流體的流量的輸入閥，以及用于控制從所述體積通過質量流量測量裝置的流體的流量的輸出閥，其中關閉輸出閥以及打開輸入閥，以便填充該體積，直到其達到可測量的壓力水平， 然后關閉輸入閥，打開輸出閥，以允許流體從所述體積流動通過質量流量測量裝置。
6.根據權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，流量根據下述等式進行測量 g............(K-Ki)-Kp dpR P,, . T dt其中Q為測量的流速， Vt是MFV系統(tǒng)的總體積，Vd表示檢測狀態(tài)下的質量流量測量/傳輸裝置的死體積， R是通用氣體常數(shù)， P和T分別是氣體壓力和溫度，以及Pstp和Tstp分別是標準壓力(1. 01325e5Pa)和標準溫度(273. 15K)。
7.一種用于檢驗質量流量測量裝置的性能的方法，包括 在固定體積內建立檢測流體的壓力水平；打開閥，以便將檢測流體從所述體積傳輸通過檢測質量流量測量裝置； 作為檢測流體的溫度和檢測流體從所建立的水平的壓力變化率的函數(shù)，確定通過質量流量測量裝置的質量流速，其中計算補償由檢測狀態(tài)下的質量流量傳輸/測量裝置內的死體積導致的誤差。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括輸入從質量流量傳輸/測量裝置的制造商接收的死體積的值。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，輸入值為零。
10.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，在溫度穩(wěn)定之后計算流速。
11.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，確定質量流速包括根據下述等式測量流量 -^^J^fI 其中Q為測量的流速， Vt是MFV系統(tǒng)的總體積，Vd表示檢測狀態(tài)下的質量流量測量/傳輸裝置的死體積，R是通用氣體常數(shù)， P和T分別是氣體壓力和溫度，以及Pstp和Tstp分別是標準壓力(1. 01325e5Pa)和標準溫度(273. 15K)。
全文摘要
本公開涉及用于測量和檢驗通過諸如質量流量控制器的質量流量傳輸/測量裝置的質量流量的質量流量檢驗系統(tǒng)和方法。質量流量檢驗系統(tǒng)包括預設體積、溫度傳感器和壓力傳感器。由質量流量檢驗系統(tǒng)確定的測量的經檢驗的流量可調整成補償由質量流量測量裝置內的死體積導致的誤差。
文檔編號G01F25/00GK102483344SQ201080033129
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權日2009年7月24日
發(fā)明者K·扎爾卡, 丁軍華 申請人:Mks 儀器公司