[发明专利]流体感测设备和质量流量控制器

说明书

包括流体流动通道的流体感测设备和质量流量控制器。该流体流动通道具有限流部分、该限流部分上游的第一位置处的第一流体端口、该限流部分下游的第二位置处的第二流体端口、与该第一流体端口和第二流体端口流体连通的流体传感器以及层流元件。该层流元件包含沿着该流体流动通道至少从该第一位置延伸到该第二位置的流稳定杆，以在该流体流动通道的外壁与该流稳定杆的外表面之间限定该流体流动通道的流体感测部分。该限流部分包括减小该流体流动通道的该流体感测部分的液压直径，这通过减小该流体流动通道的直径或增大该流稳定杆的直径或既减小该流体流动通道的直径又增大该流稳定杆的直径来实现。还提供包含此类流体感测设备的质量流量控制器。

技术领域

本发明涉及一种流体感测设备，具体地说，涉及一种例如在质量流量控制器中或质量流量计中与流体控制阀一起使用的流体感测设备。

背景技术

流体控制阀广泛应用于控制流体的流动。受控制的流体可包括气体、液体或其组合。在一些情况下，流体还可包含悬浮颗粒物。虽然流体控制阀在用于通过阀(通常是比例阀)打开和闭合流体连通路径的特定配置方面有很大不同，但一种特定类型的阀致动是使用螺线管来执行。在螺线管致动阀中，电流穿过电磁线圈，其中线圈通常围绕磁芯形成。线圈一般包括围绕线轴缠绕许多次从而形成多个所谓的匝的线材。通电的螺线管产生磁场。磁场强度与匝数以及提供到线材的电流成比例。如所属领域中众所周知，为了增大由螺线管提供的磁场，可增大匝数和/或可增大提供到线材的电流。磁场通常在连接到柱塞的可移动电枢上操作，柱塞配置成与阀座(其包围流体可从中通行的入口和/或出口)接合，从而改变由阀座以及柱塞的密封部分产生的流动限制。可使用压电致动等其它类型的致动。

质量流量控制器(“MFC”)广泛用于测量和控制流体流量。典型MFC包含流体感测设备、流体控制阀以及用于控制流体控制阀的控制器。流体感测设备一般包含延伸于入口与出口之间的流动通道，以及与该流动通道连通的流体传感器。在MFC的操作期间，控制器基于来自流体传感器的传感器信号确定通过流动通道的流率，并且相应地操作控制阀以维持期望的流动。存在两个主要类型的MFC：基于热力的，以及基于压力的。

热力MFC的操作原理是，可根据从流动通道的壁到流体的热传递率以及根据流体的比热来确定在流动通道内流动的流体的质量流率。热力MFC通常包含缠绕在薄壁管上的加热元件，层流流体流通过该薄壁管建立并维持。只要维持层流，就可根据响应于流体流动通过该管时的流体温度变化的加热元件电阻变化来确定流体的质量流率。其它类型的热力MFC尤其适合量热流量传感器或量热微流量传感器的使用。

基于压力的MFC沿着流动通道使用喷嘴或孔等限流部分，以形成压力降，可根据压力降来确定流率。在此类MFC中，可通过以物理方式测量因压力差形成的旁通流、或通过基于通过限流部分的流体流率随跨限流部分的压力降而变的原理而以数学方式计算流率来确定流率。通过感测限流装置上游的流体压力p1和限流装置下游的流体压力p2，可计算压力降并确定流率。

在其它类型的MFC中，例如通过测量来自和/或去往沿着绕过主流动通道中的限流部分的旁通通道流动的流体的热传递，可组合基于热力和基于压力的MFC的原理。

在两种类型的MFC中，通过装置实现的流体控制的准确性取决于来自流体感测构件的传感器信号的准确性。这一点可因流道中的湍流而减损，湍流可导致流体流和压力的波动，并且可使准确感测变得困难。这对于使用简单的孔型限流部分来形成压力差的装置可能尤其成问题。由于湍流，感测到的跨限流部分的压力中的噪声和变化性可能使得难以处理感测到的压力或测得的流率的输出信号。

为了解决这个问题，已知在流量感测设备的流道中安置层流元件以对流体流进行过滤并且由此减小湍流。此类层流元件往往是处于流动通道中流体被引导从中穿过的限流部分下游的多个部件的较复杂和昂贵组件。虽然这些装置可能在减少流道中的湍流方面有效，但它们还可能导致制造成本和复杂度的增大，并且可能不适合应用在例如用于微型MFC的流体感测设备中。

本发明力图提供一种改进的流量感测设备，其克服或减轻与现有技术相关联的一个或多个问题。