专利名称：主要由全氟烷氧基构成的科里奥利流量计的制造技术
技术领域：
本发明涉及一种测量具有超高纯度的加工材料流的科里奥利质量流量计。
背景技术：
如在1985年1月1日授权给J.E.Smith等的美国专利U.S.Pat.Nos.4,491,025和1982年2月11日授权给J.E.Smith等的Re.31,450中披露的，使用科里奥利(Coriolis)效应流量计测量关于流过管线的材料的质量流量和其他信息。流量计具有一个或者多个直的、弯曲的或者不规则构造的流管。每一个流管具有一组固有振动模式，可是单纯弯曲、扭转或者扭曲类型。每一个充填有材料的流管被驱动以在这些固有模式中的一种模式共振。固有振动模式部分是由流管和流管内的材料的总质量限定的。如果需要的话，流量计无需以固有模式被驱动。
材料从进口侧上的相连的材料源流入到流量计中。材料流过流管或者多个流管并且离开流量计的出口侧。
驱动器施加作用力以使流管振动。在没有材料流时，沿着流管的所有点在流管的第一弯曲模式下同相振动。科里奥利加速度使得流管上的每一个点具有不同于流管上的其他点的相位。在流管上的进口侧上的相位滞后驱动器；在流管上的出口侧上的相位超前驱动器。传感器位于流管上以产生表示流管运动的正弦信号。两个传感器信号之间的相位差被振动频率所除以获得与材料流的质量流率成正比的延迟。
使用具有不同流管构造的流量计已为人们所知。特别是，这些构造是单管、多管、直管、弯曲管和不规则构造的流管。大多数流量计是由金属制成的，诸如铝、钢、不锈钢和钛。玻璃流管也是已知的。
流量计中的钛的正面属性是其高强度和低热膨胀系数(CTE)。钛的负面属性是其金属性能和制造成本。在半导体晶片加工中，金属离子是杂质。与集成电路的晶片区域接触的金属离子可能导致短路和破坏装置。另外，钛流量计的制造是困难的和昂贵的。
现有技术提出了塑料流管和塑料流量计。这包括整个流量计是塑料的以及仅其中的流管是由塑料制成的现有技术。许多这样的现有技术仅包含一种主张，即流量计可由各种材料制成，诸如钢、不锈钢、钛或者塑料。该现有技术对于可在包括温度的操作条件下的一定范围内精确输出信息的塑料科里奥利质量流量计的披露没有给出启示。
仅用塑料流管代替金属流管将产生一个看起来好像流量计的结构。但是，该结构不能用作能够在操作条件的适用范围内产生精确输出信息的流量计。流量计可由塑料制成的的单纯主张只是塑料可代替金属的抽象概念。它没有教导塑料流量计如何可被制造以在操作条件的适用范围内产生精确输出信息。
在一些应用中，存在这样一个问题，即，常规的科里奥利质量流量计可污染加工材料。这对于超高纯度的材料必须由流量计输送到用户应用的系统是不合乎需要的。在需要使用没有包含从加工材料流路的管迁移的离子的杂质的加工材料的半导体晶片的制造中会出现这样的情况。在这样的应用中，流管可以是一个污染源。流管的金属壁可将离子释放到加工材料流中。释放的离子可使得半导体晶片上的芯片损坏。可将铅离子从玻璃释放到加工材料流中的玻璃管同样如此。由常规塑料制成的流管同样如此。
一种被称为PFA的塑料没有这样的缺陷，这是因为其构成材料不能将有害的离子释放到材料流中。在Vanderpol的U.S.Pat.Nos.5,918,285中提出了利用PFA制造流管。这种提议对于Vanderpol所披露的内容是附带的，这是因为该专利没有披露关于可如何制造具有PFA流管的流量计以产生精确的流动信息的信息。
如在Dieter Meier的U.S.Pat.Nos.5,403,533中披露的，衬有PFA的流管试图将金属和塑料技术的正面属性结合在一起，但遇到了在本发明之前没有得到解决的新问题。衬有PFA的金属流管使得金属离子通过薄的PFA涂层迁移并且进入到流中导致污染。另外，金属流管材料和PFA衬具有不同的热性能。这使得PFA衬脱离流管产生泄漏和性能问题。使对金属流管衬有PFA的制造方法的成本极高。
发明内容
本发明能够解决上述和其他问题并且实现技术进步，本发明披露了一种具有至少一个由全氟烷氧基共聚物(PFA)塑料制成的流管的科里奥利质量流量计。流管与一个驱动器和至少一个传感器相连以能够使PFA流管用作可在超高纯度的加工材料的操作条件的范围内提供精确输出信息的科里奥利质量流量计的一部分，其中超高纯度的加工材料适用于要求材料流没有降至离子级的杂质的诸如半导体制造等的应用中。
完全由PFA构成的流动路径具有钛和衬有PFA流管的许多优点并且没有缺陷。PFA是具有超级耐化学性、几乎不释放金属离子、低微粒产生的含氟聚合物，并且可在不增加大量资本的情况下制造。PFA材料是坚固的并且可被挤压成高质量薄壁管。薄壁PFA管具有对质量流率比较敏感的低抗挠刚度和对流管和处理管线之间的弹性动态交互作用的较高抗扰性。PFA的材料和物理性能允许在较低的应力水平下的较大的管振幅并且产生接近无限的疲劳寿命期限。另外，较高的振幅允许使用小的低质量变换器，小的低质量变换器又提高密度敏感性和对安装变化的抗扰性。
本发明的第一优选示例性实施例包括具有一个与能够平衡流管的端节点振动的重的金属基座相连的PFA塑料流管的流量计。基座是U形的，并且塑料流管穿过U的两个支腿中的共轴孔。利用适合的粘接剂，诸如被称为Loctite 420的氰基丙烯酸酯将塑料流管固定在基座的孔中。流管的纵向中心被固定在能够接收来自于测量计电子器件的驱动信号以使流管相对于流管的纵向轴线横向振动的电磁驱动器上。这种振动可处于流管的第一弯曲共振频率。流管与用于检测振动的流管相对于材料流的科里奥利响应的传感器相连。在第一实施例中，传感器可是一种固定在流管上的磁体和固定在基座上的线圈的常规的电-磁体组合。在一个备选的实施例中，传感器可是能够产生光束并且被流管的振动调制的光学装置。光学传感实施例具有从振动的流管中消除传感器磁体的重量的优点。这增大了密度敏感性。该驱动器是可提升塑料的温度；使塑料热膨胀和降低所产生的输出信息的精度的热源。在该实施例中，驱动器在使用时最好被固定在流管的顶部上。该安装布置具有使由驱动器产生的热量远离流管向上辐射的优点。
根据另一个实施例，与驱动器和传感器相关的磁体具有低质量，这是因为它们小并且没有永磁衔铁或者极靴。磁体和线圈被优化以将磁体做得尽可能小(低质量)。磁体材料已经被选择以具有每单位质量的尽可能最大的磁场。管的几何结构已经被设计以利用尽可能小的驱动力获得所需的运动。PFA具有固有的低阻尼，因此驱动力固有地低，这是由于选择这种用于流管的材料。所有这些因素有助于实现在流管上的低质量变换器。这是有优势的，这是因为它减小流管的物理载荷和增加流量计的输出精度。
单个流管包括其振动被重的基座最小化的未被平衡的结构。基座的质量与一个塑料流管和其磁性材料的总质量的比率约为3000比1。这导致用于单个流管的重基座结构具有约13磅的重量，磁体和材料共有约2克的总重量。尽管13磅的重量使得在流管的节点处的振动达到最小，但是它具有增大流量计作为其中一部分的设备的重量的缺点。利用动态平衡器或者有源动态平衡器使得这些振动达到最小。有源动态平衡器将信号传送到能够分析信号并且将控制信号返回到有源动态平衡器的测量计器件以减少不希望的振动。这具有使得基座结构的总重量可从13磅减小到2磅的优点。
如上所述，第一优选实施例包括与重的基座配合的以未被平衡的模式操作的一个直管的科里奥利质量流量计。其他流管构造由本发明的其他实施例提供。本发明可利用以相反的相位振动的双流管来实施。这些双管可是直的，它们可是U形的、或者它们可是不规则的构造。双流管的使用的优点在于，它提供能够减小安装流管所需的基座的质量的动态平衡结构。
可与任何管构造相关的另一个实施例是提供温度测量装置。一个优选实施例是利用与流管相连的电阻式温度装置(RTD)的使用。如果需要的话，可利用红外温度测量装置测量温度。这种装置的优点是，它是非接触的并且可离开管设置，从而减少管上的质量。另外，RTD可被安装在不是振动的流管的另一个运输流管的传感器中。
另一个实施例包括具有向上延伸的侧壁的重基座和一个穿过侧壁中的共轴孔的流管。基座具有一对内部和外部的向上延伸的壁。内壁包含流管的活动部分的固定振动节点；一端与流管的进口相连，并且另一端与流管的出口相连的外壁安装连接器。这种布置提供一种动态的未被平衡的结构，其中包括在流管的活动部分的节点处的任何振动被一对内部的向上延伸壁抑制的单个流管。
本发明的另一个实施例包括具有向上延伸的侧壁的重基座和一对穿过侧壁中的孔的流管。这两个流管对于处理材料流是串联的。利用在基座一端的PFA管的短U形段来实现这种连接。管的该短U形段使第一流管的输出端与位于基座中与第一流管平行的第二流管的输入端。对于这种布置，第一流管的输入端和第二流管的输出端位于重基座的同样向上延伸壁中。这两个流管是由独立的驱动器以相反的相位振动。每一个流管还具有用于检测其流管相对于材料流的科里奥利响应的其传感器对。
概括地，本发明所涉及的科里奥利质量流量计的优点在于，它提供了对具有超高纯度的加工材料的测量和输送。利用优于金属、玻璃和普通塑料的PFA塑料流管提供该纯度，所有金属、玻璃和普通塑料允许从流管材料将离子传送到加工材料。加工材料通常可包括浆料，该浆料是用作一种在半导体工业中的晶片制造中的抛光剂的有机化合物。该抛光操作为晶片提供晶片的平表面。该抛光操作可花费一小时以从浆液中分离任何杂质。单个不需要的离子沉积在半导体晶片上可使得晶片的一部分或者所有晶片短路和使其失效。
本发明的一方面是一种用于测量具有超高纯度的加工材料流的科里奥利质量流量计，所述科里奥利质量流量计包括基座；适于接收所述加工材料流的流管装置；所述流管装置的端部与所述基座相连以形成在所述端部处的固定节点；与所述流管装置相连的驱动器，所述驱动器用于使包含所述加工材料流的流管装置振动；与所述流管装置相连的传感器装置，所述传感器装置用于产生表示由含有所述加工材料的所述振动的流管装置的部分所感生的科里奥利偏差的信号；以及从所述传感器装置接收所述信号并产生关于所述加工材料流的输出信息的测量计电子器件；其特征在于，所述流管装置是由一种不从所述流管装置将离子传送到所述加工材料流的材料制成的。
最好，所述科里奥利质量流量计的整个湿润的流动路径包括一种PFA材料。
最好，包括所述流管装置的所述科里奥利质量流量计的整个振动结构是由一种PFA材料制成的，以保持加工材料不会因离子从所述流管装置传送到所述加工材料而受到污染。
最好，所述传感器装置是一种具有与所述流管装置相连的磁体和线圈的电磁装置。
最好，所述传感器装置还可包括光源和光学检测器。
所述振动的流管装置位于所述光源和所述光学检测器之间以改变由所述光学检测器接收的来自于光源的光的性能。
所述光学检测器响应于所述变化以产生所述表示所述科里奥利偏差的信号。
最好，所述基座具有一个下表面和一对内部的向上延伸的侧壁，并且还具有外部的一对向上延伸的侧壁；在每一个所述向上延伸的壁中的开口同轴对准以接收所述流管装置。
最好，所述基座是U形的并且具有一个下表面和一对向上延伸的侧壁；在每一个所述向上延伸的壁中的开口同轴对准以接收所述流管装置。
最好，所述流管装置的端部延伸到所述侧壁外。
最好，所述基座是一个限定平行六面体的实心矩形元件；所述流管装置与固定在所述基座的顶表面上的支柱相连。
最好，所述流管装置的进口从供给管接收所述加工材料流；所述流管装置的出口与回流管的进口相连；所述回流管与所述基座相连并且放置成平行于所述流管装置以及穿通所述基座的壁；以及排出管与所述回流管的输出端相连以使所述加工材料流朝向用户应用延伸。
最好，所述流管装置包括单个流管，所述基座的质量远大于所述流管和加工材料的质量。
最好，所述基座的质量至少为所述流管和加工材料的质量的1000倍。
最好，所述基座的质量至少为所述流管和加工材料的质量的100倍。
最好，所述驱动器在使用时被固定在所述单个流管的顶部上。
最好，与所述基座相连的动态平衡器装置靠近所述节点，以使所述节点保持在较小的振动水平。
最好，所述动态平衡器装置是通过与所述测量计电子器件的信号交换控制的有源动态平衡器。
最好，所述基座是U形的并且具有一个下表面和一对向上延伸的侧壁，所述侧壁包含用于接收所述单个流管的同轴对准的开口。
最好，所述单个流管穿过所述壁中的同轴孔，并且所述单个流管的端部延伸到所述侧壁外。
最好，所述流管装置包括与所述基座相连并且相互平行的第一和第二流管，所述第一和第二流管在所述驱动器的作用下适于以相反的相位振动。
最好，所述驱动器被固定在所述第一流管和所述第二流管上，并且适于使所述第一和第二流管以相反的相位振动；所述传感器被固定在所述第一和第二流管上，以检测所述第一和第二流管的科里奥利偏差。
最好，所述第一和第二流管相对于所述材料流是串联的。
最好，所述第一和第二流管相对于所述材料流是串联的。
最好，回流管被定向成平行于所述第一和第二流管与所述基座相连；所述回流管从所述第一和第二流管接收所述材料流，并且使所述材料流朝向使用者应用延伸。
最好，所述基座是U形的并且具有向上延伸的壁；所述第一和第二流管穿通所述基座的所述壁并且具有延伸到所述壁的外表面外的进口端和出口端。
最好，所述科里奥利质量流量计包括单个流管，所述单个流管是由一种不从所述单个流管将离子传送到所述加工材料的材料制成的；所述科里奥利质量流量计还包括固定在所述单个流管的端部上的重基座，以通过形成在所述端部处的固定节点来减小不需要的振动；与所述重基座相连的进口连接器，所述进口连接器适于接收来自于供给管的所述加工材料流；所述单个流管的进口固定在所述进口连接器上，所述进口连接器密封地将所述单个流管的所述进口连接到所述供给管的出口，以使在所述供给管中的所述加工材料流延伸到所述单个流管；在所述进口连接器中的第一固定螺钉使所述进口连接器相对于所述重基座被固定；固定在所述单个流管上的驱动器，所述驱动器用于使包含所述加工材料流的所述单个流管振动；固定在第二连接器上的所述单个流管的出口，用于使所述加工材料流通过排出管朝向使用者目的地延伸；在所述驱动器的相对两侧与所述单个流管相连的一对传感器，所述传感器用于产生表示由充填有材料的所述振动的单个流管所感生的科里奥利偏差的信号；以及测量计电子器件；从所述传感器延伸到所述测量计电子器件的导体，以使所述传感器信号延伸到所述测量计电子器件；所述测量计电子器件接收所述传感器输出信号和产生关于所述加工材料流的输出信息。
最好，所述科里奥利质量流量计还包括平行于所述单个流管、与所述重基座相连的回流管；所述单个流管的端部和所述回流管被胶合到所述重基座上，以使所述单个流管和所述回流管相对于所述重基座固定；所述回流管的进口；通过所述第二连接器与所述单个流管的所述出口和所述回流管的进口相连的中间管，用于使所述加工材料流从所述单个流管的出口延伸到所述回流管；与所述重基座相连的出口连接器，用于从所述回流管接收所述加工材料流；所述回流管的出口被固定在所述出口连接器上，所述出口连接器密封地连接所述回流管的出口和所述排出管的进口，以使在所述回流管中的所述加工材料流延伸到所述排出管；在所述出口连接器中的第二固定螺钉使所述出口连接器相对于所述重基座被固定；所述排出管适于使加工材料流延伸到使用者目的地。
最好，单个流管被安装在所述重基座上，以在受到所述驱动器振动时限定一个动态不平衡的结构。
最好，第二流管与所述重基座相连，以在包含所述加工材料的同时受到所述驱动器振动时限定一个动态不平衡的结构。
最好，所述驱动器在使用时位于所述单个流管的顶表面上。
最好，所述科里奥利质量流量计还包括在所述节点附近与所述重基座相连的动态平衡器装置，用于减小所述节点的振动。
最好所述动态平衡器装置是通过与所述测量计电子器件的信号交换控制的有源动态平衡器。
最好，所述科里奥利质量流量计的整个湿润的流动路径包括一种PFA材料。
最好，所述单个流管是由一种PFA材料制成的，以保持所述加工材料不会因离子从所述单个流管传送到所述加工材料而受到污染。
最好，所述重基座的质量至少是所述单个流管的质量的1000倍。
最好，所述驱动器以充填有材料的所述流管的共振频率使所述流管振动。
最好，所述驱动器以充填有材料的所述流管的非共振频率使所述流管振动。
最好，所述科里奥利质量流量计适于延伸包括硝酸的腐蚀性材料流。
从下面结合附图进行的详细描述中可以更好地理解本发明的这些和其他优点和特征，在附图中图1示出了本发明的第一示例性实施例的透视图。
图2是图1的实施例的顶视图。
图3是图1的实施例的前视图。
图4是沿着图2的线4-4得到的横截面图。
图5是具有一对基座元件的另一个实施例的透视图。
图6示出了具有U形基座的动态平衡流量计。
图7和图8示出了具有光学传感器的流量计。
图9和图10示出了具有动态平衡器的流量计。
图11示出了具有一对基本上为U形的流管。
图12和图13示出了具有一对动态平衡直流管的流量计的另一个实施例。
图14示出了具有单个流管和没有回流管的另一个实施例。
图15示出了以相反的相位使两个流管振动的另一个实施例。
图16示出了具有单个流管的另一个实施例。
具体实施例方式
图1的描述图1示出了本发明的第一示例性实施例的透视图并且披露了一个流量计100，流量计100具有插入基座101的支腿117、118的流管102。传感器LPO和RPO和驱动器D与流管102相连。流量计100接收来自于供给管104的加工材料流，并且使材料流通过连接器108延伸到流管102。流量计100具有基座101、侧壁119和120、前壁116和顶部支腿117和118。流管102可在驱动器D的作用下以与材料流的共振的频率振动。它也可以非共振频率振动。所得到的科里奥利偏差是由传感器LPO和RPO检测的，传感器LPO和RPO通过导体112和114将信号提供给测量计电子器件121。测量计电子器件121接收传感器信号，确定它们之间的相位差，确定振动频率并且通过输出路径122将关于材料流的输出信息供给到未示出的应用电路。来自于流管102的材料流流过管道106和连接器107流到排出管105，管道106使通过回流管103的材料流改变方向，排出管105将材料流输送到使用者应用。使用者应用可是半导体加工设施。材料流可是半导体浆液，半导体浆液被供给到半导体晶片的表面上以形成平表面。图1上所示的流管中所用的PFA材料确保加工材料没有诸如可从金属或者玻璃流管的壁输送的离子的杂质。锁定孔130接收固定螺钉411以使元件111和图4上所示的基座101固定连接。图1的科里奥利质量流量计的整个振动结构可由PFA材料制成。
在使用中，流管102具有窄的直径，大约为苏打水蜡管的直径的一半，但具有较厚的壁和忽略不计的重量，诸如0.8克加上加工材料的0.5克。这不包括磁体的重量。与传感器和驱动器相关的磁体的每一个具有0.2克的质量以使流管102、固定磁体和材料流的总质量大约为2克。振动的流管102是一种动态不平衡结构。基座102是重的并且重量大约为12磅。这使得基座的质量与充填材料的流管的质量之间的比值大约为3000。具有该质量的基座足以吸收由带有材料流的动态不平衡流管102产生的振动。
连接器107、108、109和110使连接管104、105及中间管106与流管102及回流管103的端部相连。这些连接器在图4中被详细示出。连接器具有包括螺纹124的固定部分111。连接器107至110的活动部分被拧到阳螺纹124上，以使它们的各自的管与连接器的固定主体相连，固定部分111是连接器的固定主体的一部分。这些连接器以与公知的铜管扩张连接器类似的方式工作，以使管104、105和106与流管102和回流管103的端部相连。关于连接器的细节也被示出在图4中。RTD是能够检测回流管103的温度并且将表示所检测的温度的信号通过路径125传送到测量计电子器件的温度传感器。
图2的描述图2是图1的流量计100的顶视图。传感器LPO和RPO和驱动器D都包括线圈C。这些元件的每一个还包括被固定在流管102的底部上的磁体，如图3中所示。这些元件的每一个还包括基座，诸如用于驱动器D的143，和薄材料带，诸如用于驱动器D的133。薄材料带可包括线圈C及其缠绕末端固定于其上的印刷线路板。传感器LPO和RPO还具有相应的基底元件和固定在基底元件的顶部上的薄带。这种布置有助于使驱动器或者传感器的安装是通过下列步骤来实现，即，将磁体M胶粘在PFA流管下侧、将线圈C胶粘到印刷线路板133(用于驱动器D)、在围绕磁体M的线圈C中设置开口，使线圈C向上移动以使磁体M完全进入线圈C中的开口，接着将基底元件143设置在印刷线路板133的下方并且将这些元件胶粘或者栓接在一起，以使基底143的底部通过胶固定到重基座101的表面上。连接器107-110的阳螺纹124被示出在图2上。这些元件的每一个的内部细节示出在图4上。开口132接收导体112、113和114。图1的测量计电子器件121未示出在图2上，以使附图的复杂程度达到最小。但是，应该理解的是，导体112、113和114穿通开口126并且进一步通过图1的路径123延伸到图1的测量计电子器件121。
图3的描述图3示出传感器LPO和RPO和驱动器D，它们包括固定在流管102的底部上的磁体M和固定在传感器LPO和RPO和驱动器D的每一个的基底上的线圈C。
图4的描述图4是沿着图2的线4-4得到的截面图。图4披露了图3的所有元件以及连接器108和109的其他细节。图4还披露了基座101中的开口402、403和404。每一个这些开口的顶部延伸到传感器LPO、RPO和驱动器D的基底的下表面。关于每一个这些元件的线圈C和磁体M也被示出在图4上。图1的测量计电子器件121未示出在图3和图4上，以使附图的复杂程度达到最小。连接器108中的元件405是流管102的进口；连接器109中的元件406是流管102的出口。
连接器108的固定部分111包括阳螺纹409，阳螺纹409可被拧入到基底401中的配合螺纹中，以使固定的连接器部分111与基座101的区段401相连。在右边的连接器109的固定主体类似地被安装，并且通过螺纹409与基座101的元件401相连。
连接器108的固定部分111还包括带有螺纹的部分124，带有螺纹的部分124的螺纹接收连接器108的活动部分415。连接器109类似地被安装。连接器108的固定部分111的左边还包括锥形短柱413，锥形短柱413与活动部分415一起用作能够将输入管104的右端压在固定部分111的锥形短柱413上的扩张配合装置。这形成了能够将供给管104的扩张开口密封地固定在连接器的固定部分111的锥形短柱部分413上的压配合。流管102的进口位于连接器固定部分111中并且与短柱413的外表面平齐。利用这种装置，由供给管104输送的加工材料被流管102的进口405接收。加工材料通过流管102向右流到连接器109的固定部分111，其中流管102的出口406与连接器短柱413的端部平齐。这将管102的出口密封地固定在连接器109上。图1的其他连接器107和110与关于图4上的连接器108和109的细节的描述内容相同。
图5的描述图5披露了作为本发明的一个备选实施例的流量计500，该流量计500与图1中所示的类似，不同之处在于，流量计500的基座不是单个元件并且包括单独的结构517和518。流管502和回流管503穿过元件517、518延伸到连接器507至510，连接器507至510在各个方面都与图1中的连接器107至110相当。流量计基底元件517、518是分离的，并且每一个具有足够的质量以使由驱动器D给予包括流管502的动态不平衡结构的振动达到最小。基底元件517和518抵靠在支撑基底元件517和518的元件516的表面515上。
图5上所示的所有元件以与在图1上的它们相应的元件相同的方式操作。对应性是由每一个元件的标号表示的，这些元件的标号的不同之处仅在于，元件的部分标号的第一个数字。这样，图1上的供给管104对应于图5上的供给管504。
图6的描述图6披露本发明的另一个备选实施例，包括流量计600，该实施例与图1的实施例不同之处在于，流量计600具有两个活动流管602和603，流量计600包括不要求诸如图1的基底101的重基底的动态平衡结构。基底601可具有远比图1中的小的质量。流量计600具有相当于图1的连接器107-110的连接器607至610。另外，它具有连接器611、612。来自于供给管604的加工材料被流量计600接收。材料通过连接器608延伸到流管602的左端。利用与管615相连的装置使流管602延伸通过基座601的支腿618和连接器609，管615通过连接器607回流到流管603。利用驱动器D使得流管603以与流管602相反的相位振动。振动的流管602和603的科里奥利响应被传感器LPO和RPO检测，并且通过未示出的导体被传送到也未示出的测量计电子器件以使得附图的复杂程度达到最小。
流过管603的材料向右前进并且通过连接器610延伸到管606，管606通过连接器611和管616以及连接器612回流到回流管605，回流管605将材料流输送到终端使用者的应用程序。
流量计600的优点在于，它包括由PFA材料形成的流管602和603的动态平衡结构。动态平衡结构的优点在于，无需图1的重基座101。基座601可具有常规的质量和振动PFA管602和603，以提供关于材料流的输出信息。PFA流管确保材料流具有超高纯度。
图7和图8的描述图7披露了相当于图1的流量计100的流量计700的顶视图。两个实施例之间的差别在于，流量计700使用关于传感器LPO和RPO的光学检测器。光学检测器的细节示出在图8中，其中包括LED光源和光电二极管以及设置在LED和光电二极管之间的流管702。在流管的静止位置处，标称数量的光从LED到达光电二极管以产生标称输出信号。流管的向下移动增加由光电二极管接收的光量；流管的向上移动减少由光电二极管接收的光量。由光电二极管接收的光量转变为表示流管702中与LED和光源相关的部分的科里奥利振动的振幅的输出电流。光电二极管的输出通过导体730和732延伸到图7中未示出的测量计电子器件以使得附图的复杂程度达到最小。图7的实施例与图1的实施例在各个方面是相同的，并且包括供给管704、排出管705以及连接器707至710、流管702和回流管703。流量计700的部分和图1上的它们的对应部分被这样标示，即有助于与作为每一个元件的标号的第一个数字有唯一差异的对应。
图9的描述图9示出了对应于图1的流量计100的流量计900，不同之处在于，流量计900装有动态平衡器932和933。基座901比图1的101小并且质量小。动态平衡器用作抵销由振动的包括充填有材料的振动的流管902的动态不平衡结构给予基座901的支腿917和918的振动。在图1的实施例中，这些振动被重基座101吸收。在本实施例中，带有相连的磁体的充填有材料的流管重约2克，同时基座重约为12磅。这限制了图1的流管的商业应用的范围，这是因为振动的充填有材料的流管102的尺寸和质量的上限受到必须被提供的基座的质量的限制以吸收不平衡的振动。利用基座的质量与振动的充填有材料的流管的质量之间的3000比1的比率，充填有材料的流管的质量增加1磅将需要基座101的质量增加3000磅。这清楚地限制图1的流管100的商业应用的范围。
图9的流量计900具有商业应用的较宽的范围，这是因为动态平衡器932和933被固定在支腿917和918上，以吸收由动态不平衡的振动的流管902给予支腿的大部分振动。实际上，动态平衡器(DB)可是包括动态平衡器领域公知的常规质量和弹簧布置的一种类型。
图10的描述图10披露了与流量计900相同的流量计100，不同之处在于，图10的动态平衡器是有源类型(ADB)并且用附图标记1032、1033表示。这些有源动态平衡器是由通过路径1023、1024、1025和1026与测量计电子器件1021之间的信号交换控制的。测量计电子器件1021从有源动态平衡器1032通过路径1003接收表示由动态不平衡的振动的流管1002提供给支腿117的振动的信号。测量计电子器件接收这些信号并且产生控制信号，所述控制信号通过路径1024被提供给有源动态平衡器1032以抵销流管振动。以这样的方式操作，有源动态平衡器1032可被控制以使支腿1017振动减小到任何振幅，所述振幅可是希望的以使基座1001的所得到的质量可是流量计1000的商业利用的可接受的水平。安装在基座1001的顶部支腿1018上的有源动态平衡器1033的工作与安装在支腿1017上的所述有源动态平衡器所述的相同。
图11的描述图11披露了另一个备选实施例，其中包括流量计1100，流量计1100具有基本上为U形的双流管1101、1102，双流管1101、1102具有右侧支腿1103、1104和左侧支腿1105、1106。侧支腿的底部相连以形成“Y”部分1107和1108，“Y”部分1107和1108可与未示出的适合的基座连接以使得附图的复杂程度达到最小。流量计1100的双流管作为动态平衡元件围绕撑杆1009和1010的轴W-W和W′-W′振动。流管1101、1102被固定在U形流管的顶部上的驱动器D以相反的相位驱动。由振动的充填有材料的流管给予的科里奥利偏差被由右边传感器RPO和左边传感器LPO检测。测量计电子器件1121用于通过路径1123提供信号以使流管1101、1102以相反的相位振动。由传感器LPO和RPO检测的科里奥利响应通过路径1122、1124被传送到测量计电子器件1121，测量计电子器件1121处理信号并且产生通过输出路径1124被传送到未示出的应用电路的材料流信息。
图12和图13的描述图12和13披露一种动态平衡流量计1200，动态平衡流量计1200具有一对流管1201和1202，流管1201和1202被驱动器D以相反的相位驱动。流管接收材料流；驱动器D响应于从测量计电子器件1121通过路径1223接收的驱动信号使流管以相反的相位振动。充填有材料的振动的流管的科里奥利响应被传感器LPO和RPO检测，并且它们的输出通过导体1221和1224被供给到测量计电子器件1221，测量计电子器件1221处理被接收的信号以产生通过输出路径1225被传送到未示出的应用电路的材料流信息。
图14的描述图14披露了本发明的一个备选实施例1400，其中包括重基座1401，重基座1401具有外部一对向上延伸的侧壁1443和1445以及内部一对向上延伸的侧壁1417和1418。单个流管1402从左边的输入连接器1408通过四个向上延伸的侧壁延伸到右边的输出连接器1409。利用驱动器D使得流管1402振动，并且利用传感器LPO和RPO检测带有材料流的振动的流管的所得到的科里奥利偏差，传感器LPO和RPO通过专用的路径将信号传送到测量计电子器件1421，测量计电子器件1421的功能与前面所述或者图1是相同的。温度检测元件RTD检测充填有材料的流管的温度并且将该信息通过路径1425传送到测量计电子器件1421。
图14的流量计与图1中所示的不同之处主要体现在两个方面。第一，图14的实施例仅是单个流管1402。来自于输入连接器1408的材料流穿过该流管；该流管的输出通过输出连接器1409被供给到输出管1406以输送到使用者。图14的实施例没有相当于图1的元件103的回流管。
另外，重基座1401具有两对向上延伸的壁，而在图1的实施例中，重基座仅具有一对向上延伸的壁117和118。图1中的一对壁实现零运动振动节点以及连接器107至110的装配装置的作用。在图14上，内部的一对壁1417和1418用作流管102的活动部分的端部的零运动振动节点。外部的一对向上延伸的壁1443和1444将连接器1408安装在左边和将连接器1409安装在右边。
当使用时，加工材料从与连接器1408相连的管1404被接收。流管1402的进口还与连接器1408相连。流管1402使得加工材料流向右延伸通过两对侧壁，到达与输出管1406相连的输出连接器1409。
未在前面特别说明的图14上的部件数量与包括图1的前面附图上的相应的元件类似并且执行相同的功能。
图15的描述图15披露了一个大多数方面与图1的实施例类似的备选的实施例1500。实施例1500中的主要差异是，后流管1503同图1的实施例的回流管103不同，后流管是活动的。相反，在图15中，后流管1503在其驱动器DA的作用下振动，并且所得到的带有材料流的振动管的科里奥利偏差由其传感器LPOA和RP0A检测。它们的输出信号通过路径1542和1544被传送到测量计电子器件1521，测量计电子器件1521接收这些信号以及来自于流管1502的传感器LPO和RPO的信号以产生材料流信息。
图15右边的加工材料流过流管1502、管1500，并且向左流动通过流管1503。成对的传感器的倒相可通过颠倒传感器LPOA和RPOA的连接来补偿以使由测量计电子器件1521接收的来自于所有传感器的科里奥利信号被增大以增强测量计的敏感性。
未在前面特别说明的图15上示出的部件执行与图5上的相应元件的相同的功能。
图16的描述图16披露了一种类似于图14的实施例的备选实施例。它具有基座1601、前表面1616、侧壁1444和前壁表面1642。差异在于，向上延伸的内装配支柱1617和1618代替图14的壁1417和1418。另外，向上延伸的外装配支柱1643和1645也代替图14的壁1443和1445。外支柱1643和1645防止流管1602围绕作为轴线的支柱1617和1618枢转。连接器1608和1609是可选择的，并且如果需要的话，流管1602可向外延伸通过支柱1643和1645，并且代替输入管1604和输出管1402。使用者可使延伸的流管在下游和上游与使用者的设备相连。支柱1643和1645用作在提供连接器1608和1609时的装配装置。
应该理解的是，本发明不限于优选实施例的描述并且包含其他的改进和变型。例如，这里所示的流量计实施例可以倒置的取向操作，希望驱动器D位于振动的流管顶部上，以使驱动器热量向上移动离开流管。这可更好地使流管与可能对流量计的精度或者输出数据造成不良影响的热应力隔离。另外，这里所披露的科里奥利质量流量计可用于其中流动的加工材料是腐蚀性的，诸如硝酸，并且不适于与具有金属润湿流动路径的流量计结合使用的应用中。这里所披露的科里奥利质量流量计的所有实施例可具有整体由一种塑料材料，诸如PFA制成的振动结构。
权利要求
1.一种用于测量具有超高纯度的加工材料流的科里奥利质量流量计，所述科里奥利质量流量计包括基座(116)；适于接收所述加工材料流的流管装置(102)；所述流管装置的端部与所述基座相连以形成在所述端部处的基本固定节点；与所述流管装置相连的驱动器(D)，所述驱动器用于使包含所述加工材料流的流管装置振动；与所述流管装置相连的传感器装置(RP0、LP0)，所述传感器装置用于产生表示由含有所述加工材料流的所述振动的流管装置所感生的科里奥利偏差的信号；以及从所述传感器装置接收所述信号和产生关于所述加工材料流的输出信息的测量计电子器件(121)；其特征在于，所述流管装置是由一种不从所述流管装置将离子传送到所述加工材料流的材料制成的。
2.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述科里奥利质量流量计的整个湿润的流动路径包括一种全氟烷氧基共聚物材料。
3.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，包括所述流管装置的所述科里奥利质量流量计的整个振动结构是由一种全氟烷氧基共聚物材料制成的以保持加工材料不会因离子从所述流管装置传送到所述加工材料而受到污染。
4.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述传感器装置是一种具有与所述流管装置相连的磁体和线圈的电磁装置。
5.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述传感器装置还可包括光源(LED)和光学检测器(PD)。所述振动的流管装置位于所述光源和所述光学检测器之间以改变由所述光学检测器接收的来自于光源的光的性能，所述光学检测器响应于所述变化以产生所述表示所述科里奥利偏差的信号。
6.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述基座具有一个下表面和一对内部的向上延伸的侧壁(119)，并且还具有外部的一对向上延伸的侧壁(120)；在每一个所述向上延伸的壁中的开口(416)同轴对准以接收所述流管装置。
7.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述基座是U形的并且具有一个下表面和一对向上延伸的侧壁(120)；在每一个所述向上延伸的壁中的开口(416)同轴对准以接收所述流管装置。
8.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述流管装置的端部(407)延伸到所述侧壁(120)外。
9.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述基座(101、916、1016)是一个限定平行六面体的实心矩形元件；所述流管装置与固定在所述基座(101)的顶表面(1615)上的支柱(1642、1644)相连。
10.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述流管装置的进口(405)从供给管(104)接收所述加工材料流；所述流管装置的出口(406)与回流管(103)的进口相连；所述回流管与所述基座相连并且放置成平行于所述流管装置以及穿通所述基座的壁(120)；以及排出管(105)与所述回流管(103)的输出端相连以使所述加工材料流朝向用户应用延伸。
11.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述流管装置包括单个流管，所述基座的质量远大于所述流管和加工材料的质量。
12.如权利要求11所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述基座的质量至少为所述流管和加工材料的质量的1000倍。
13.如权利要求11所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述基座的质量至少为所述流管和加工材料的质量的100倍。
14.如权利要求11所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述驱动器在使用时被固定在所述单个流管的顶部上。
15.如权利要求11所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，还包括与所述基座相连的动态平衡器装置(DE)靠近所述节点，以使所述节点保持在较小的振动水平。
16.如权利要求15所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述动态平衡器装置是通过与所述测量计电子器件的信号交换控制的有源动态平衡器(ADB)。
17.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述基座是U形的并且具有一个下表面和一对向上延伸的侧壁(119、120)，所述侧壁包含用于接收所述单个流管的同轴对准的开口。
18.如权利要求11所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述单个流管穿过所述壁中的同轴孔，并且所述单个流管的端部(407)延伸到所述侧壁外。
19.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述流管装置包括与所述基座相连并且相互平行的第一(602)和第二流管(603)，所述第一和第二流管在所述驱动器(D)的作用下适于以相反的相位振动。
20.如权利要求19所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，还包括所述驱动器被固定在所述第一流管(602)和所述第二流管(603)上，并且适于使所述第一和第二流管以相反的相位振动；所述传感器被固定在所述第一和第二流管上，以检测所述第一和第二流管的科里奥利偏差。
21.如权利要求19所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述第一(602)和第二流管(603)相对于所述材料流是串联的。
22.如权利要求19所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述第一(1105)和第二流管(1106)相对于所述材料流是并联的。
23.如权利要求19所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，还包括回流管(616)被定向成平行于所述第一(602)和第二流管(603)与所述基座相连；所述回流管从所述第一和第二流管接收所述材料流，并且使所述材料流朝向使用者应用延伸。
24.如权利要求19所述的科里奥利质量流量计，其特征在于所述基座(601)是U形的并且具有向上延伸的壁(617、618)；所述第一和第二流管穿通所述基座的所述壁并且具有延伸到所述壁的外表面外的进口端和出口端。
25.如权利要求1所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述科里奥利质量流量计包括单个流管(102)，所述单个流管是由一种不从所述单个流管将离子传送到所述加工材料的材料制成的；所述科里奥利质量流量计还包括固定在所述单个流管(102)的端部上的重基座(101)，以通过形成在所述端部处的固定节点来减小不需要的振动；与所述重基座相连的进口连接器(108)，所述进口连接器适于接收来自于供给管的所述加工材料流；所述单个流管(102)的进口(405)固定在所述进口连接器上，所述进口连接器密封地将所述单个流管的所述进口连接到所述供给管(104)的出口，以使在所述供给管中的所述加工材料流延伸到所述单个流管；在所述进口连接器中的第一固定螺钉(130)使所述进口连接器相对于所述重基座被固定；固定在所述单个流管上的驱动器(D)，所述驱动器用于使包含所述加工材料流的所述单个流管振动；固定在第二连接器(109)上的所述单个流管的出口，用于使所述加工材料流通过排出管(106)朝向使用者目的地延伸；在所述驱动器的相对两侧与所述单个流管相连的一对传感器(LP0、RP0)，所述传感器用于产生表示由充填有材料的所述振动的单个流管所感生的科里奥利偏差的信号；以及测量计电子器件；从所述传感器延伸到所述测量计电子器件(121)的导体(123)，以使所述传感器信号延伸到所述测量计电子器件；所述测量计电子器件接收所述传感器输出信号和产生关于所述加工材料流的输出信息。
26.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述科里奥利质量流量计还包括平行于所述单个流管、与所述重基座相连的回流管(103)；所述单个流管的端部和所述回流管被胶合到所述重基座上，以使所述单个流管和所述回流管相对于所述重基座固定；所述回流管的进口；通过所述第二连接器与所述单个流管的所述出口和所述回流管的进口相连的中间管(706)，用于使所述加工材料流从所述单个流管的出口延伸到所述回流管；与所述重基座相连的出口连接器(707)，用于从所述回流管接收所述加工材料流；所述回流管的出口被固定在所述出口连接器上，所述出口连接器密封地连接所述回流管的出口和所述排出管的进口，以使在所述回流管中的所述加工材料流延伸到所述排出管；在所述出口连接器中的第二固定螺钉(130)使所述出口连接器相对于所述重基座被固定；所述排出管适于使加工材料流延伸到使用者目的地。
27.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，单个流管被安装在所述重基座上，以在受到所述驱动器振动时限定一个动态不平衡的结构。
28.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，第二流管与所述重基座相连，以在包含所述加工材料的同时受到所述驱动器振动时限定一个动态不平衡的结构。
29.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述驱动器在使用时位于所述单个流管的顶表面上。
30.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述科里奥利质量流量计还包括在所述节点附近与所述重基座相连的动态平衡器装置(DB、ADB)，用于减小所述节点的振动。
31.如权利要求30所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述动态平衡器装置是通过与所述测量计电子器件的信号交换控制的有源动态平衡器(ADB)。
32.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述科里奥利质量流量计的整个湿润的流动路径包括一种全氟烷氧基共聚物材料。
33.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述单个流管是由一种全氟烷氧基共聚物材料制成的，以保持所述加工材料不会因离子从所述单个流管传送到所述加工材料而受到污染。
34.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述重基座的质量至少是所述单个流管的质量的1000倍。
35.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述驱动器以充填有材料的所述流管的共振频率使所述流管振动。
36.如权利要求25所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述驱动器以充填有材料的所述流管的非共振频率使所述流管振动。
37.如权利要求32或33所述的科里奥利质量流量计，其特征在于，所述科里奥利质量流量计适于延伸包括硝酸的腐蚀性材料流。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量具有超高纯度的加工材料流的科里奥利质量流量计(100)。这通过利用一种不从科里奥利质量流量计将离子传送到流过流量计的加工材料流的PFA塑料制成整个科里奥利质量流量计来实现。
文档编号G01F15/00GK1618009SQ02827560
公开日2005年5月18日 申请日期2002年11月19日 优先权日2001年11月26日
发明者M·A·施洛泽尔, M·J·贝尔, M·G·惠勒, D·P·麦克努尔蒂, G·E·保拉斯 申请人:美国艾默生电气公司