Расходомер кориолиса, состоящий в основном из перфторалкокси-соединения - RU2312310C2
Код документа: RU2312310C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к массовому расходомеру Кориолиса, который измеряет поток технологического материала, имеющего сверхвысокий уровень чистоты.
Проблемы
Использование массовых расходомеров на основе принципа Кориолиса для измерения массового потока и других данных, относящихся к материалам, проходящим по трубопроводу, известно из патентов США №4491025 (J.E.Smith et al.) от 1.01.1985 г. и Re.31450 (J.E.Smith) от 11.02.1982 г. Расходомеры содержат одну или несколько измерительных труб прямой, изогнутой или неправильной конфигурации. Каждая измерительная труба обладает набором видов собственных колебаний, которые могут быть простого изгибного, крутильного или крутящего типа. Каждой заполненной материалом измерительной трубе придаются колебания в резонансе с одним из этих типов собственных колебаний. Типы собственных колебаний частично определяются суммарной массой измерительных труб и материала в них. При необходимости расходомер можно не возбуждать на собственном типе колебаний.
Материал поступает в расходомер из источника материала, подсоединенного на впускной стороне. Материал проходит через измерительную трубу и выходит на выпускной стороне расходомера.
Возбудитель прикладывает усилие для придания колебаний измерительной трубе. При отсутствии потока материала все точки вдоль измерительной трубы колеблются с одинаковой фазой в первом изгибном типе колебаний измерительной трубы. Под действием кориолисова ускорения каждая точка на измерительной трубе имеет фазу, отличную от фаз других точек на измерительной трубе. Фаза на впускной стороне измерительной трубы отстает от возбудителя, а фаза на выпускной стороне опережает возбудитель. На измерительной трубе размещены датчики для формирования синусоидальных сигналов, характеризующих движение измерительной трубы. Разность фаз между двумя сигналами датчиков делится на частоту колебаний для получения задержки, которая пропорциональна удельному массовому расходу потока материала.
Из уровня техники известно использование расходомеров, имеющих различные конфигурации измерительной трубы. Эти конфигурации включают в себя одну трубу, две трубы, прямую трубу, изогнутую трубу и трубы неправильной конфигурации. Большинство расходомеров изготавливается из металла, такого как алюминий, сталь, нержавеющая сталь и титан. Из уровня техники известны также стеклянные измерительные трубы.
Положительные свойства титана в расходомерах заключаются в его высокой прочности и низком коэффициенте теплового расширения (КТР). Отрицательными свойствами титана являются его металлические свойства и стоимость производства. При обработке полупроводниковых пластин ионы металла являются загрязнением. Ионы металлов в контакте с участками пластины интегральной схемы могут вызвать короткое замыкание и разрушить устройство. Кроме того, титановый расходомер сложно и дорого изготовить.
Из уровня техники известны также пластмассовые измерительные трубы и пластмассовые расходомеры. Причем известен как расходомер, полностью выполненный из пластмассы, так и расходомер, в котором из пластмассы выполнена только измерительная труба. В большинстве известных устройств предполагается, что расходомер можно выполнить из различных материалов, таких как сталь, нержавеющая сталь, титан или пластмасса. Однако из известного уровня техники отсутствует описание пластмассового массового расходомера Кориолиса, который мог бы обеспечивать точные данные в определенных интервалах рабочих условий, включая температуру.
Посредством простой замены металлической измерительной трубы на пластмассовую можно получить конструкцию, которая будет выглядеть как расходомер. Однако такая конструкция не будет функционировать как расходомер, вырабатывающий точные выходные данные в полезном интервале рабочих условий. Одно лишь предположение, что расходомер можно выполнить из пластмассы, является не более чем абстракцией, что металл можно заменить пластмассой. В таком предположении нет информации о том, как можно изготовить пластмассовый расходомер, который был бы способен формировать точные данные в полезном интервале рабочих условий.
В некоторых применениях существует проблема возможного попадания загрязнений из обычного массового расходомера Кориолиса в технологический материал. Это является нежелательным для систем, в которых расходомер должен передавать технологический материал сверхвысокой степени чистоты к потребительскому приложению. Это особенно касается производства полупроводниковых пластин, в котором необходимо использовать технологический материал, не содержащий загрязнений, включая ионы, мигрирующие из труб на пути потока технологического материала. В таких применениях измерительная труба может быть источником загрязнения. Металлические стенки измерительной трубы могут выделять ионы в поток технологического материала. Выделенные ионы могут сделать микросхемы на полупроводниковой пластине дефективными. То же самое относится к стеклянной измерительной трубе, в которой из стекла могут выделяться ионы свинца в поток технологического материала. Это касается и измерительных труб, выполненных из обычных пластмасс.
Описанного выше недостатка нет у пластика, называемого ПФА, так как материал, из которого он состоит, не выделяет агрессивных ионов в поток материала. Использование ПФА для измерительной трубы было предложено в патенте США №5918285 (Vanderpol). Однако данное предложение не является существенным признаком упомянутого раскрытия, поскольку в патенте нет информации относительно того, как можно изготовить расходомер с измерительной трубой из ПФА для получения точных данных о потоке.
В патенте США №5403533, описывающем измерительные трубы с футеровкой из ПФА, сделана попытка объединить положительные качества технологии металла и пластика, однако при этом возникают новые проблемы, которые не были решены до настоящего изобретения. Металлические измерительные трубы с футеровкой из ПФА позволяют ионам металла мигрировать через тонкий слой ПФА футеровки в поток, что приводит к его загрязнению. Кроме того, металлический материал измерительной трубы и ПФА футеровка имеют различные тепловые свойства. Поэтому ПФА футеровка отслаивается от измерительной трубы, что может создавать утечки и проблемы эксплуатации. Кроме того, технологический процесс нанесения ПФА футеровки на металлические измерительные трубы исключительно дорог.
Решение
Решить описанные выше и другие проблемы, а также усовершенствовать технические решения, известные из уровня техники, позволяет настоящее изобретение, в котором предложен массовый расходомер Кориолиса, имеющий по меньшей мере одну измерительную трубу, выполненную из пластика на основе сополимера перфторалкокси-соединения (ПФА). Измерительная труба присоединена к возбудителю и по меньшей мере одному датчику, чтобы измерительная труба из ПФА функционировала как часть массового расходомера Кориолиса, способного выдавать точные выходные данные в широком интервале рабочих условий для потока технологического материала сверхвысокой чистоты, предназначенного для таких применений, как производство полупроводников и т.п., где требуется, чтобы поток материала был свободен от загрязнений до уровня ионов.
Путь движения потока, выполненный исключительно из ПФА, обладает многими преимуществами измерительных труб из титана и труб, покрытых ПФА, и при этом лишен их недостатков. ПФА - это фторполимер, который обладает исключительно высокой химической стойкостью, малым высвобождением ионов металла, низкой генерацией частиц, а также технологичностью, и при этом не требует больших капиталовложений. ПФА - прочный материал, и из него можно экструдировать высококачественные тонкостенные трубы. Тонкостенные трубы из ПФА имеют низкую изгибную жесткость, что придает им более высокую чувствительность к массовому расходу и повышает устойчивость к эластичному динамическому взаимодействию между измерительной трубой и технологическим трубопроводом. Свойства материала и физические свойства ПФА допускают более высокие амплитуды колебания трубы при более низких уровнях напряжения, что обуславливает почти бесконечную усталостную долговечность. Также более высокая амплитуда колебаний позволяет использовать малогабаритные легкие преобразователи, а это, в свою очередь, повышает чувствительность к плотности и стойкость к изменениям монтажа.
Согласно первому предпочтительному варианту изобретения предложен расходомер, имеющий одну измерительную трубу из ПФА пластика, присоединенную к массивному металлическому основанию, которое уравновешивает колебания конечного узла измерительной трубы. Основание имеет U-образную форму, и пластиковая измерительная труба проходит через соосные отверстия в двух ножках U. Пластиковая измерительная труба прикреплена к отверстиям в основании с помощью соответствующего адгезива, например цианакрилатного клея, известного как Loctite 420. Продольный центр измерительной трубы присоединен к электромагнитному возбудителю, который принимает сигнал возбуждения от электронного прибора для сообщения колебаний измерительной трубе поперечно ее продольной оси. Эти колебания могут иметь первую резонансную частоту изгибных колебаний измерительной трубы. Измерительная труба соединена с датчиками, которые определяют кориолисову реакцию колеблющейся измерительной трубы с потоком материала. В первом варианте в качестве датчиков может использоваться обычная электромагнитная комбинация, в которой к измерительной трубе прикреплены магниты, а к основанию прикреплена катушка. В альтернативном варианте датчиками являются оптические устройства, генерирующие луч света, который модулируется колебаниями измерительной трубы. Преимущество варианта с оптическим датчиком состоит в том, что вес магнитов датчиков снят с колеблющейся измерительной трубы. Это повышает чувствительность к плотности. Возбудителем является источник тепла, который может повышать температуру пластика, вызывать тепловое расширение пластика и понижать точность выработанных выходных данных. В данном варианте реализации изобретения возбудитель при использовании предпочтительно закреплен сверху измерительной трубы. Преимущество такой компоновки состоит в том, что тепло, вырабатываемое возбудителем, излучается вверх от измерительной трубы.
Согласно другому варианту реализации изобретения, магниты, связанные с возбудителем и сенсорными датчиками, имеют малую массу, так как они имеют малый размер и не имеют якорей или полюсов. Магниты и катушки были оптимизированы для получения как можно меньших магнитов (по массе). Магнитный материал выбирался из расчета получения максимально возможного магнитного поля на единицу массы. Геометрия трубы разработана для достижения требуемого движения с возможно малой силой возбуждения. ПФА имеет собственное низкое гашение колебаний, поэтому сила возбуждения по сути невысокая благодаря выбору этого материала для измерительной трубы. Все эти факторы вносят свой вклад в то, что части преобразователя на измерительной трубе имеют малую массу. Это имеет позитивное значение, поскольку уменьшается физическая нагрузка измерительной трубы и повышается выходная точность расходомера.
Одна измерительная труба представляет собой несбалансированную конструкцию, вибрация которой минимизируется массивным основанием. Отношение массы основания к массе одной пластиковой измерительной трубы вместе с массой ее магнитного материала составляет порядка 3000 к 1. В результате получается тяжелая конструкция основания, имеющая вес приблизительно 13 фунтов, когда измерительная труба, плюс магниты и масса материала имеют суммарную массу около 2 граммов. Хотя вес 13 фунтов минимизирует вибрации на узлах измерительной трубы, его недостатком является увеличение веса оборудования, частью которого является расходомер. Эти вибрации можно уменьшить с помощью динамического балансировочного элемента или активного динамического балансировочного элемента. Активный динамический балансировочный элемент передает сигналы электронному прибору, который анализирует сигналы и возвращает управляющий сигнал активному динамическому балансировочному элементу для уменьшения нежелательных вибраций. Преимущество данного варианта реализации изобретения заключается в том, что общий вес конструкции основания можно уменьшить от 13 фунтов до около 2 фунтов.
Как отмечалось выше, первый предпочтительный вариант реализации изобретения представляет собой массовый расходомер Кориолиса, имеющий одну прямую трубу, функционирующую в несбалансированном режиме во взаимодействии с массивным основанием. Другие варианты изобретения предусматривают иные конфигурации измерительной трубы. Изобретение можно реализовать с использованием двух измерительных труб, колеблющихся в противофазе. Эти две трубы могут быть прямыми, U-образными, или они могут иметь неправильную конфигурацию. Преимущество использования двух измерительных труб заключается в том, что образуется динамически сбалансированная конструкция, благодаря которой уменьшается масса основания, необходимая для установки измерительных труб.
В дополнительном аспекте изобретения, который может быть связан с любой конфигурацией трубы, предусмотрено устройство измерения температуры. Предпочтительным является использование резистивного температурного датчика (RTD), присоединенного к измерительной трубе. При желании температуру можно измерять с помощью инфракрасного устройства измерения температуры (RTD). Преимущество такого устройства заключается в отсутствии контакта и в том, что его можно расположить вне трубы, уменьшив тем самым массу трубы. Кроме того, RTD можно установить на другой передающей поток трубе в датчике, которая не является колеблющейся измерительной трубой.
Еще один вариант изобретения содержит массивное основание, имеющее простирающиеся вверх боковые стенки и одну измерительную трубу, проходящую через соосные отверстия в боковых стенках. Основание имеет внутреннюю и наружную пару простирающихся вверх стенок. Внутренние стенки содержат неподвижные вибрационные узлы активной части измерительной трубы, а на внешних стенках установлены соединители, к которым на одном конце присоединено впускное отверстие измерительной трубы, а на другом конце - выпускное отверстие измерительной трубы. Такая компоновка обеспечивает динамически несбалансированную конструкцию, содержащую одну измерительную трубу, при этом любые вибрации на узлах активной части измерительной трубы гасятся внутренней парой простирающихся вверх стенок.
Еще один вариант изобретения содержит массивное основание, имеющее простирающиеся вверх боковые стенки и пару измерительных труб, проходящих через отверстия в боковых стенках. Две измерительные трубы соединены последовательно по потоку технологического материала. Это соединение осуществляется с помощью короткого u-образного отрезка трубы из ПФА на одном конце основания. Короткий u-образный отрезок трубы соединяет выпускной конец первой измерительной трубы с впускным концом второй измерительной трубы, которая расположена в основании параллельно первой измерительной трубе. При такой компоновке впускной конец первой измерительной трубы и выпускной конец второй измерительной трубы расположены в одной и той же простирающейся вверх стенке массивного основания. Этим двум измерительным трубам колебания в противофазе сообщаются отдельными возбудителями. Каждая измерительная труба также имеет пару датчиков для определения кориолисовой реакции соответствующей измерительной трубы с потоком материала.
В заключение следует отметить, что преимущество массового расходомера Кориолиса согласно настоящему изобретению заключается в том, что он позволяет измерять и передавать технологический материал, имеющий сверхвысокий уровень чистоты. Этот уровень чистоты обеспечивается за счет использования измерительной трубы из ПФА пластика, превосходящего по своим качествам металлы, стекло и обычные пластики, во всех из которых ионы могут попадать из материала измерительной трубы в технологический материал. Типичный технологический материал может быть взвесью, представляющей собой органическое соединение, которое используется в качестве полировочного состава при изготовлении пластин в полупроводниковой промышленности. Операция полировки обеспечивает плоскую поверхность пластин. Операция полировки может занимать около часа, и в течение этого времени взвесь должна быть свободна от любых загрязнителей. Осаждение всего одного нежелательного иона на полупроводниковую пластину может вызвать короткое замыкание всей пластины или ее части и сделать ее бесполезной.
Согласно одному аспекту изобретения предложен массовый расходомер Кориолиса для измерения потока технологического материала, имеющего сверхвысокий уровень чистоты, содержащий
основание,
средство измерительной трубы, выполненное с возможностью приема потока технологического материала,
причем концевые части средства измерительной трубы присоединены к упомянутому основанию для образования по существу неподвижных узлов на упомянутых концевых частях,
возбудитель, присоединенный к средству измерительной трубы, для придания колебаний средству измерительной трубы, содержащему поток технологического материала,
устройство датчика, присоединенное к средству измерительной трубы, для выработки сигналов, представляющих наведенные кориолисовы отклонения колеблющегося средства измерительной трубы, содержащего поток технологического материала,
электронный прибор, выполненный с возможностью приема сигналов от устройства датчика и вырабатывающий выходные данные, относящиеся к потоку технологического материала,
отличающийся тем, что весь смачиваемый путь в расходомере Кориолиса, включающий упомянутое средство измерительной трубы, выполнен из материала, такого как сополимер перфторалкокси-соединения (ПФА), который почти или совсем не передает ионы из средства измерительной трубы в технологический материал.
Предпочтительно упомянутое средство измерительной трубы содержит одну по существу прямую измерительную трубу, содержащую динамически несбалансированную конструкцию, и
упомянутое основание имеет достаточно большую массу для осуществления вибрационной связи с измерительной трубой для образования динамически сбалансированной конструкции посредством балансировки вибрации конечных узлов измерительной трубы.
Предпочтительно устройство датчика содержит источник света, излучающий луч, и оптический детектор, принимающий упомянутый луч,
причем источник света и оптический детектор удалены от измерительной трубы и расположены на противоположных сторонах измерительной трубы,
колеблющаяся измерительная труба расположена между источником света и оптическим детектором для изменения характеристик луча света, принимаемого оптическим детектором от источника света, и оптический детектор выполнен с возможностью выработки в ответ на упомянутое изменение сигналов, представляющих кориолисовы отклонения.
Предпочтительно упомянутое основание имеет u-образную форму и содержит нижнюю поверхность и пару простирающихся вверх боковых стенок, и
отверстия в каждой из простирающихся вверх стенок выровнены соосно для приема упомянутой измерительной трубы.
Предпочтительно упомянутое основание представляет собой сплошной прямоугольный элемент, образующий параллелепипед,
измерительная труба соединена со стойками, прикрепленными к верхней поверхности основания.
Предпочтительно впускное отверстие измерительной трубы принимает поток технологического материала из подводящей трубы,
выпускное отверстие измерительной трубы присоединено к впускному отверстию обратной трубы,
обратная труба присоединена к упомянутому основанию и проходит через стенки основания, и
обратная труба выполнена с возможностью присоединения к выходной трубе для передачи потока технологического материала к потребительскому приложению.
Предпочтительно масса упомянутого основания по меньшей мере в 100-1000 раз больше, чем масса упомянутой одной измерительной трубы с технологическим материалом.
Предпочтительно средство динамического балансировочного элемента присоединено к упомянутому основанию вблизи упомянутых узлов для поддержания пониженного уровня вибрации узлов.
Предпочтительно упомянутое средство динамического балансировочного элемента представляет собой активный динамический балансировочный элемент, управляемый посредством обмена сигналами с электронным прибором.
Предпочтительно упомянутое средство измерительной трубы содержит первую и вторую измерительные трубы, присоединенные к упомянутому основанию и расположенные параллельно друг другу, причем первая и вторая измерительные трубы способны вводиться в режим колебаний в противофазе посредством упомянутого возбудителя.
Предпочтительно первая и вторая измерительные трубы соединены последовательно по отношению к потоку материала.
Предпочтительно первая и вторая измерительные трубы соединены параллельно по отношению к потоку материала.
Предпочтительно обратная труба присоединена к основанию, ориентированному параллельно первой и второй измерительным трубам,
при этом обратная труба принимает поток технологического материала из первой и второй измерительных труб и передает поток материала к потребительскому приложению.
Предпочтительно средство измерительной трубы содержит одну измерительную трубу,
при этом массовый расходомер Кориолиса дополнительно содержит:
массивное основание, прикрепленное к концам упомянутой одной измерительной трубы, для уменьшения нежелательных вибраций посредством создания неподвижных узлов на концах,
впускной соединитель, присоединенный к массивному основанию и способный принимать поток технологического материала из подводящей трубы,
впускное отверстие упомянутой одной измерительной трубы, присоединенное к впускному соединителю, причем впускной соединитель герметично соединяет впускное отверстие упомянутой одной измерительной трубы с выпускным отверстием подводящей трубы для передачи потока технологического материала в подводящей трубе в упомянутую одну измерительную трубу,
первый установочный винт в упомянутом впускном соединителе, удерживающий впускной соединитель неподвижно относительно массивного основания,
возбудитель, присоединенный к упомянутой одной измерительной трубе, для придания колебаний одной измерительной трубе, содержащей поток технологического материала,
выпускное отверстие упомянутой одной измерительной трубы, присоединенное ко второму соединителю, для передачи потока технологического материала через выходную трубу к потребительскому пункту назначения,
два датчика, присоединенных к упомянутой одной измерительной трубе на противоположных сторонах возбудителя, для выработки сигналов, представляющих наведенные кориолисовы отклонения колеблющейся заполненной материалом одной измерительной трубы,
электронный прибор,
проводники, проходящие от датчиков к электронному прибору, для передачи сигналов датчиков в электронный прибор,
причем электронный прибор принимает выходные сигналы датчиков и вырабатывает выходные данные, относящиеся к потоку технологического материала.
Предпочтительно обратная труба присоединена к массивному основанию параллельно упомянутой одной измерительной трубе,
концевые части одной измерительной трубы и обратной трубы приклеены к массивному основанию для удержания одной измерительной трубы и обратной трубы неподвижно относительно массивного основания,
впускное отверстие обратной трубы,
промежуточная труба, соединяющая выпускное отверстие одной измерительной трубы и впускное отверстие обратной трубы через второй соединитель, для передачи потока технологического материала от выпускного отверстия одной измерительной трубы к обратной трубе,
выпускной соединитель, присоединенный к массивному основанию, для приема потока технологического материала из выпускного отверстия обратной трубы,
причем выпускное отверстие обратной трубы присоединено к выпускному соединителю, выпускной соединитель герметично соединяет выпускное отверстие обратной трубы с впускным отверстием выходной трубы для передачи потока технологического материала в обратной трубе в выходную трубу,
второй установочный винт в выпускном соединителе удерживает выпускной соединитель неподвижно относительно основания,
выходная труба способна передавать поток технологического материала к потребительскому пункту назначения.
Предпочтительно упомянутое средство измерительной трубы имеет высокую гибкость, а также значительно более низкую жесткость, чем жесткость измерительной трубы, выполненной из металла или стекла.
Предпочтительно упомянутое средство измерительной трубы имеет значительно более тонкие стенки, чем диаметр внутренней части средства измерительной трубы, через которую проходит материал.
Предпочтительно упомянутое средство измерительной трубы имеет по существу постоянный диаметр.
Предпочтительно упомянутое средство измерительной трубы имеет отклонение возбужденной частоты, проходящее по всей осевой длине активной части средства измерительной трубы, и
дополнительно имеет кориолисово отклонение, проходящее по всей осевой длине активной части средства измерительной трубы.
Краткое описание чертежей
Описанные выше и другие преимущества и признаки настоящего изобретения будут более понятны из следующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 изображает перспективный вид первого примерного варианта осуществления изобретения,
фиг.2 изображает вид сверху варианта на фиг.1,
фиг.3 изображает вид спереди варианта на фиг.1,
фиг.4 изображает вид сечения по линии 4-4 на фиг.2,
фиг.5 изображает перспективный вид альтернативного варианта реализации изобретения, имеющего пару элементов основания,
фиг.6 изображает динамически сбалансированный расходомер, имеющий U-образное основание,
фиг.7 и 8 изображают расходомер с оптическими датчиками,
фиг.9 и 10 изображают расходомеры с динамическими балансировочными элементами,
фиг.11 изображает расходомер, имеющий пару по существу U-образных измерительных труб,
фиг.12 и 13 изображают другой вариант расходомера, имеющего пару динамически сбалансированных прямых измерительных труб,
фиг.14 изображает альтернативный вариант, имеющий одну измерительную трубу и не содержащий обратной трубы,
фиг.15 изображает альтернативный вариант, имеющий две измерительные трубы, колеблющиеся в противофазе,
фиг.16 изображает альтернативный вариант реализации изобретения, имеющий одну измерительную трубу.
Подробное описание
Описание фиг.1
На фиг.1 изображен перспективный вид первого возможного примерного варианта осуществления изобретения, а именно расходомер 100, имеющий измерительную трубу 102, вставленную через ножки 117, 118 основания 101. К измерительной трубе 102 подсоединены датчики LPO и RPO и возбудитель D. Расходомер 100 принимает поток технологического материала из подводящей трубы 104 и пропускает поток через соединитель 108 в измерительную трубу 102. Расходомер 100 имеет основание 101, боковые стенки 119 и 120, переднюю стенку 116 и верхние ножки 117 и 118. С помощью возбудителя D измерительной трубе 102 с потоком технологического материала могут придаваться колебания на ее резонансной частоте. Ей могут также придаваться колебания на нерезонансной частоте. Датчики LPO и RPO обнаруживают возникающие в результате колебаний кориолисовы отклонения и подают сигналы по проводникам 112 и 114 в электронный прибор 121. Электронный прибор 121 принимает сигналы датчика, определяет разность фаз между ними, определяет частоту колебаний и подает выходные данные, относящиеся к потоку материала, по выходному каналу 122 к схеме использования (не показана). Поток технологического материала проходит из измерительной трубы 102 через трубу 106, которая изменяет направление потока технологического материала, по обратной трубе 103 через соединитель 107 в выходную трубу 105, которая передает поток материала к потребительскому приложению. Потребительским приложением может быть оборудование для обработки полупроводников. Технологический материал может быть полупроводниковой взвесью, которая наносится на поверхность полупроводниковой пластины для получения плоской поверхности. ПФА материал, использованный в измерительных трубах, показанных на фиг.1, гарантирует, что технологический материал будет свободен от примесей, таких как ионы, которые могли бы передаваться со стенок металлических или стеклянных измерительных труб. Блокировочные отверстия 130 принимают винты 411 для жесткого присоединения элемента 111 к основанию 101, как показано на фиг.4. Вся колеблющаяся конструкция массового расходомера на фиг.1 может быть выполнена из ПФА материала.
На практике измерительная труба 102 имеет малый диаметр, составляющий приблизительно половину диаметра трубочки для коктейля, но с более толстыми стенками, и пренебрежимо малый вес, например 0,8 г плюс 0,5 г технологического материала. При этом не учитывается вес магнитов. Магниты, связанные с датчиками и возбудителем, имеют вес по 0,2 г каждый, так что суммарная масса измерительной трубы 102, прикрепленных магнитов и технологического материала составляет приблизительно 2 г. Колеблющаяся измерительная труба 102 представляет собой динамически несбалансированную конструкцию. Основание 102 массивное и весит приблизительно 12 фунтов. Таким образом, отношение массы основания к массе заполненной материалом измерительной трубы составляет приблизительно 3000. Такая масса основания достаточна, чтобы поглощать вибрации, генерируемые динамически несбалансированной измерительной трубой 102 с потоком материала.
Соединители 107, 108, 109 и 110 соединяют трубы 104, 105 и промежуточную трубу 106 с концами измерительной трубы 102 и обратной трубы 103. Эти соединители детально показаны на фиг.4. Соединители имеют неподвижную часть 111, содержащую резьбу 124. Подвижная часть соединителей 107-110 навинчивается по резьбе на внешнюю резьбу 124 для присоединения соответствующих труб к неподвижному корпусу соединителя, частью которого является неподвижная часть 111. Эти соединители функционируют подобно хорошо известным из уровня техники соединителям типа развальцованной медной трубы для присоединения труб 104, 105 и 106 к концам измерительной трубы 102 и обратной трубы 103.
Детали, относящиеся к соединителям, более подробно показаны на фиг.4. RTD - это температурный датчик, который определяет температуру обратной трубы 103 и передает сигналы, представляющие определенную температуру, по каналу 126 в электронный прибор.
Описание фиг.2
На фиг.2 изображен вид сверху расходомера 100 по фиг.1. Каждый из датчиков LPO и RPO и возбудителя D имеет катушку С. Каждый из этих элементов дополнительно содержит магнит, который прикреплен к нижней части измерительной трубы 102, как показано на фиг.3. Каждый их этих элементов также имеет основание, такое как 143 для возбудителя D, а также тонкую полосу материала, такую как 133 для возбудителя D. Тонкая полоса материала может содержать печатную монтажную плату, к которой присоединены катушка С и выводы ее обмотки. Датчики LPO и RPO также имеют соответствующий элемент основания и тонкую полосу, прикрепленную сверху элемента основания. Такая компоновка облегчает установку возбудителя или датчика посредством приклеивания магнита М к нижней стороне измерительной трубы из ПФА, приклеивания катушки С к печатной монтажной плате 133 (для возбудителя D), позиционирования отверстия в катушке С вокруг магнита М, перемещения катушки С вверх, чтобы магнит М полностью вошел в отверстие в катушке С, затем позиционирования элемента 143 основания под печатной монтажной платой 133 и склеивания или соединения болтами этих элементов друг с другом, чтобы нижняя сторона основания 143 была прикреплена клеем к поверхности массивного основания 101. На фиг.2 показана внешняя резьба 124 соединителей 107-110. Внутренние детали этих элементов показаны на фиг.4. Отверстие 132 принимает проводники 112, 113 и 114. Электронный прибор 121 по фиг.1 не показан на фиг.2, чтобы не усложнять чертеж. Однако следует понимать, что проводники 112, 113 и 114 проходят через отверстие 126 и далее простираются по траектории 123 на фиг.1 к электронному прибору 121 на фиг.1.
Описание фиг.3
На фиг.3 показаны датчики LPO, RPO и возбудитель D, содержащий магнит М, прикрепленный к нижней части измерительной трубы 102, и катушка С, прикрепленная к основанию каждого из элементов LPO, RPO и возбудителя D. Описание фиг.4
На фиг.4 представлен вид в сечении по линии 4-4 на фиг.2. На фиг.4 показаны все элементы по фиг.3 и дополнительные элементы соединителей 108 и 109. Фиг.4 дополнительно изображает отверстия 402, 403 и 404 в основании 101. Верхняя сторона каждого отверстия проходит к нижней поверхности основания датчиков LPO, RPO и возбудителя D. На фиг.4 также показаны катушка С и магнит М, связанные с каждым из элементов. Электронный прибор 121 согласно фиг.1 не показан на фиг.3 и 4, чтобы не усложнять чертеж. Элемент 405 в соединителе 108 является впускным отверстием измерительной трубы 102, элемент 406 в соединителе 109 является выпускным отверстием измерительной трубы 102.
Неподвижная часть 111 соединителя 108 содержит внешнюю резьбу 409, которая ввинчивается в сопряженную резьбу в основании 401 для прикрепления неподвижной части 111 соединителя к сегменту 401 основания 101. Неподвижный корпус соединителя 109 справа оснащен аналогично и присоединен резьбой 409 к элементу 401 основания 101.
Неподвижная часть 111 соединителя 108 также имеет резьбовую часть 124, витки которой принимают подвижную часть 415 соединителя 108. Соединитель 109 оснащен аналогично. Неподвижная часть 111 соединителя 108 дополнительно содержит на левой стороне коническую шпильку 413, которая вместе с подвижным элементом 415 действует как раструб, прижимающий правый конец впускной трубы 104 над конической шпилькой 413 неподвижной части 111, что создает уплотняемый вручную фитинг, который герметично закрепляет развальцованное отверстие подводящей трубы 104 на части 413 конической шпильки неподвижной части 111 соединителя. Впускное отверстие измерительной трубы 102 расположено в неподвижной части 111 соединителя вровень с наружной поверхностью шпильки 413. Таким образом, технологический материал, подаваемый подводящей трубой 104, поступает во впускное отверстие 405 измерительной трубы 102. Технологический материал проходит вправо через измерительную трубу 102 в неподвижную часть 111 соединителя 109, где выпускное отверстие 406 измерительной трубы 102 расположено вровень с концом шпильки 413 соединителя. Таким образом, образуется герметичное соединение выпускного отверстия трубы 102 с соединителем 109. Другие соединители 107 и 110 на фиг.1 идентичны описанным подробно соединителям 108 и 109 на фиг.4.
Описание фиг.5
На фиг.5 показан расходомер 500 в качестве альтернативного варианта осуществления изобретения, который аналогичен расходомеру согласно фиг.1 за исключением того, что основание расходомера 500 не является единым элементом и содержит отдельные конструкции 517 и 518. Измерительная труба 502 и обратная труба 503 проходят через элементы 517, 518 к соединителям 507-510, которые сопоставимы во всех отношениях с соединителями 107-110 на фиг.1. Элементы 517, 518 основания расходомера отдельные, и каждый из них имеет достаточную массу для уменьшения колебаний, придаваемых возбудителем D динамически несбалансированной конструкции, содержащей измерительную трубу 502. Элементы 517 и 518 основания опираются на поверхность 515 элемента 516, который удерживает элементы 517 и 518 основания.
Все элементы, изображенные на фиг.5, функционируют так же, как соответствующие элементы на фиг.1. Это соответствие показано обозначением каждого элемента, которое отличается только первой цифрой в обозначении. Таким образом, подводящая труба 104 на фиг.1 соответствует подводящей трубе 504 на фиг.5 и т.д.
Описание фиг.6
На фиг.6 изображен еще один альтернативный вариант осуществления изобретения, представляющий собой расходомер 600, который отличается от варианта согласно фиг.1 тем, что расходомер 600 имеет две активные измерительные трубы 602 и 603, которые образуют динамически сбалансированную конструкцию, не требующую такого массивного основания, как основание 101 на фиг.1. Основание 601 может иметь значительно меньшую массу, чем основание на фиг.1. Расходомер 600 имеет соединители 607-610, сопоставимые с соединителями 107-110 на фиг.1. Кроме того, он имеет соединители 611, 612. Технологический материал поступает в расходомер 600 из подводящей трубы 604. Этот материал проходит через соединитель 608 к левому концу измерительной трубы 602. Измерительная труба 602 проходит через ножку 618 основания 601 и соединитель 609, с помощью которого она присоединена к трубе 615, возвращающейся обратно через соединитель 607 к измерительной трубе 603. С помощью возбудителя D измерительной трубе 603 придаются колебания в противофазе с измерительной трубой 602. Датчики LPO и RPO обнаруживают кориолисову реакцию колеблющихся измерительных труб 602 и 603 и передают по проводникам (не показаны на чертеже) в электронный прибор (также не показан) в целях упрощения чертежа.
Поток материала через трубу 603 проходит вправо и через соединитель 610 к трубе 606, которая возвращается назад, через соединитель 611 и трубу 616, соединитель 612 к обратной измерительной трубе 605, которая передает поток материала по назначению применения конечного потребителя.
Преимущество расходомера 600 состоит в том, что он содержит динамически сбалансированную конструкцию измерительных труб 602 и 603, выполненных из ПФА материала. Преимущество динамически сбалансированной конструкции заключается в том, что не требуется массивное основание 101, как на фиг.1. Основание 601 может иметь обычную массу и придавать колебания ПФА трубам 602 и 603 для получения данных, относящихся к потоку материала. Измерительные трубы из ПФА обеспечивают сверхвысокую степень чистоты потока материала.
Описание фиг.7 и 8
На фиг.7 показан вид сверху расходомера 700, сопоставимого с расходомером 100 согласно фиг.1. Различие между этими двумя вариантами осуществления изобретения состоит в том, что в расходомере 700 использован оптический детектор в качестве датчиков LPO и RPO. Оптические детекторы детально показаны на фиг.8 как содержащие светодиодный источник света и фотодиод вместе с измерительной трубой 702, расположенной между светодиодом и фотодиодом. Когда измерительная труба находится в положении покоя, номинальное количество света проходит от светодиода к фотодиоду и формирует номинальный выходной сигнал. Движение измерительной трубы вниз увеличивает количество света, принимаемого фотодиодом, а движение измерительной трубы вверх уменьшает количество света, принимаемого фотодиодом. Количество света, принимаемое фотодиодом, преобразуется в выходной ток, показывающий величину кориолисовых колебаний для части измерительной трубы 702, связанной со светодиодом и источником света. Выходной сигнал фотодиодов проходит по проводникам 730 и 732 в электронный прибор, не показанный на фиг.7 для упрощения чертежа. Во всем остальном вариант осуществления согласно фиг.7 идентичен варианту осуществления согласно фиг.1 и имеет подводящие трубы 704, выходную трубу 705 вместе с соединителями 707-710, измерительную трубу 702 и обратную трубу 703. Детали расходомера 700 и соответствующие им детали на фиг.1 обозначены одинаково с разницей только в первой цифре обозначения элемента, чтобы показать их соответствие.
Описание фиг.9
На фиг.9 изображен расходомер 900, который соответствует расходомеру 100 согласно фиг.1 за исключением того, что расходомер 900 снабжен динамическими балансировочными элементами 932 и 933. Основание 901 имеет меньший размер и меньшую массу, чем основание 101 согласно фиг.1. Динамические балансировочные элементы противодействуют колебаниям, которые сообщаются ножкам 917 и 918 основания 901 динамически несбалансированной конструкцией, содержащей заполненную материалом колеблющуюся измерительную трубу 902. В варианте на фиг.1 эти колебания поглощаются массивным основанием 101. В данном варианте осуществления изобретения заполненная материалом измерительная труба вместе с прикрепленными магнитами весит приблизительно 2 грамма, а основание весит приблизительно 12 фунтов. Это ограничивает рамки коммерческого применения измерительной трубы согласно фиг.1, так как верхний предел размера и массы заполненной материалом колеблющейся измерительной трубы 102 ограничен массой основания, необходимой для поглощения несбалансированных колебаний. При использовании отношения 3000 к 1 между массой основания и массой заполненной материалом колеблющейся измерительной трубы увеличение массы заполненной материалом измерительной трубы на один фунт потребует увеличения массы основания 101 до 3000 фунтов. Ясно, что это ограничивает диапазон коммерческих применений измерительной трубы 100 согласно фиг.1.
Расходомер 900 согласно фиг.9 имеет более широкий спектр промышленных применений, так как динамические балансировочные элементы 932 и 933 прикреплены к ножкам 917 и 918 для поглощения большей части колебаний, сообщаемых ножкам динамически несбалансированной колеблющейся измерительной трубой 902. На практике динамические балансировочные элементы (DB) могут быть любого типа, включая обычную конфигурацию из массы и пружины, хорошо известную из уровня техники в области динамических балансировочных элементов.
Описание фиг.10
На фиг.10 изображен расходомер 1000, который идентичен расходомеру 900 за исключением того, что на фиг.10 использованы динамические балансировочные элементы активного типа (ADB), обозначенные как 1032 и 1033. Управление этими активными динамическими балансировочными элементами осуществляется посредством обмена сигналами с электронным прибором 1021 по каналам 1023, 1024, 1025 и 1026. Электронный прибор 1021 принимает по каналу 1003 от активного динамического балансировочного элемента 1032 сигналы, представляющие колебания, которые сообщаются динамически несбалансированной колеблющейся измерительной трубой 1002 ножке 117. Электронный прибор принимает эти сигналы и формирует управляющий сигнал, который подается по каналу 1024 в активный динамический балансировочный элемент 1032 для противодействия колебаниям измерительной трубы. При такой работе можно управлять активным динамическим балансировочным элементом 1032 для уменьшения колебаний ножки 1017 до любой требуемой величины, что позволяет обеспечить приемлемую массу основания 1001 для промышленного применения расходомера 1000. Активный динамический балансировочный элемент 1033, установленный сверху ножки 1018 основания 1001, функционирует так же, как активный динамический балансировочный элемент, установленный на ножке 1017.
Описание фиг.11
На фиг.11 показан еще один альтернативный вариант осуществления изобретения, представляющий расходомер 1100, имеющий две измерительные трубы 1101, 1102, которые имеют по существу U-образную форму, и правые ножки 1103, 1104 и левые ножки 1105, 1106. Нижние части боковых ножек соединены так, что они образуют Y-образные секции 1107 и 1108, которые можно присоединить к подходящему основанию, не показанному для упрощения чертежа. Две измерительные трубы расходомера 1100 колеблются как динамически сбалансированные элементы вокруг осей W-W и W'-W' связных оправок 1009 и 1010. Возбудитель D, прикрепленный к верхней части U-образных измерительных труб, сообщает измерительным трубам 1101, 1102 колебания в противофазе. Кориолисовы отклонения, возникающие в заполненных материалом колеблющихся измерительных трубах, детектируют правый датчик RPO и левый датчик LPO. Электронный прибор 1121 подает сигналы по каналу 1123, чтобы вынудить возбудитель D придавать колебания в противофазе измерительным трубам 1101, 1102. Кориолисова реакция, обнаруженная датчиками LPO и RPO, передается по каналам 1122, 1124 в электронный прибор 1121, который обрабатывает эти сигналы и формирует данные о потоке материала, передаваемые по выходному каналу 1124 в схему использования, не показанную на чертеже.
Описание фиг.12 и 13
На фиг.12 и 13 изображен динамически сбалансированный расходомер 1200, имеющий пару измерительных труб 1201 и 1202, которым придаются колебания в противофазе возбудителем D. Измерительные трубы принимают поток материала, возбудитель D придает измерительным трубам колебания в противофазе в ответ на задающий сигнал, полученный по каналу 1223 от электронного прибора 1221. Кориолисову реакцию заполненных материалом колеблющихся измерительных труб детектируют датчики LPO и RPO, и их выходной сигнал передается по проводникам 1221 и 1224 в электронный прибор, который обрабатывает принятые сигналы и формирует данные о потоке материала, передаваемые по выходному каналу 1225 в схему использования, не показанную на чертеже.
Описание фиг.14
На фиг.14 показан альтернативный вариант осуществления 1400 изобретения, содержащий массивное основание 1401, имеющее наружную пару простирающихся вверх боковых стенок 1443 и 1445, а также внутреннюю пару простирающихся вверх боковых стенок 1417 и 1418. Одна измерительная труба 1402 проходит от входного соединителя 1408 на левой стороне через четыре простирающиеся вверх боковые стенки к выходному соединителю 1409 на правой стороне. Измерительной трубе 1402 придаются колебания возбудителем D, в результате чего возникают кориолисовы отклонения колеблющейся измерительной трубы с потоком материала, которые детектируют датчики LPO и RPO и передают сигналы по указанным каналам в электронный прибор 1421, функционирующий так же, как было описано выше со ссылкой на фиг.1. Термочувствительный датчик RTD определяет температуру заполненной материалом измерительной трубы и передает эту информацию по каналу 1425 в электронный прибор 1421.
Расходомер на фиг.14 отличается от расходомера на фиг.1 в двух важных аспектах. Во-первых, в варианте осуществления изобретения согласно фиг.14 предусмотрена всего одна измерительная труба 1402. Поток материала проходит через эту измерительную трубу от впускного соединителя 1408, выход измерительной трубы подается через выходной соединитель 1409 к выпускной трубе 1406 для подачи потребителю. Вариант на фиг.14 не имеет обратной измерительной трубы, сопоставимой с элементом 103 на фиг.1.
Кроме того, массивное основание 1401 имеет две пары простирающихся вверх стенок, а в варианте на фиг.1 массивное основание 101 имеет всего одну пару простирающихся вверх стенок 117 и 118. Единственная пара на фиг.1 выполняет функцию колебательного узла с нулевым движением, а также опоры для соединителей 107-110. На фиг.14 внутренняя пара стенок 1417 и 1418 функционирует как колебательный узел с нулевым движением для концов активной части измерительной трубы 102. Внешняя пара простирающихся вверх стенок 1443 и 1444 служит для монтажа соединителей 1408 слева и 1409 справа.
При функционировании технологический материал поступает из трубы 1404, присоединенной к соединителю 1408. Впускное отверстие измерительной трубы 1402 также подсоединено к соединителю 1408. Измерительная труба 1402 пропускает поток технологического материала вправо через две пары боковых стенок к выпускному соединителю 1409, к которому подсоединена выпускная труба 1406.
Номера позиций элементов согласно фиг.14, не указанные специально выше, аналогичны номерам соответствующих элементов на предыдущих фигурах, включая фиг.1, выполняющих идентичные функции.
Описание фиг.15
На фиг.15 изображен альтернативный вариант 1500, который во многих отношениях подобен варианту осуществления согласно фиг.1. Основное различие состоит в том, что в варианте 1500 задняя измерительная труба 1503 не бездействует, как обратная труба 103 в варианте на фиг.1. Вместо этого на фиг.15 задней трубе 1503 придаются колебания возбудителем DA, и возникающие в результате кориолисовы отклонения этой колеблющейся трубы с потоком материала детектируются датчиками LPOA и RPOA. Их выходные сигналы передаются по каналам 1542 и 1544 в электронный прибор 1521, который принимает эти сигналы, а также сигналы от датчиков LPO и RPO измерительной трубы 1502 для формирования данных о потоке материала.
Технологический материал проходит вправо на фиг.15 через измерительную трубу 1502, трубу 1500 и затем движется влево через измерительную трубу 1503. Это обращение фазы сопряженных датчиков можно компенсировать посредством переворота соединений с датчиками LPOA и RPOA, чтобы кориолисовы сигналы от всех датчиков, принимаемые электронным прибором 1521, были аддитивными для повышения чувствительности прибора.
Детали, показанные на фиг.15 и не упомянутые специально, идентичны по функции соответствующим элементам на фиг.15.
Описание фиг.16
На фиг.16 показан альтернативный вариант осуществления изобретения 1600, который подобен варианту согласно фиг.14. Он имеет основание 1601, переднюю поверхность 1616, боковые стенки 1444 и поверхность 1642 передней стенки. Различия заключаются в том, что стенки 1417 и 1418 на фиг.14 заменены простирающимися вверх монтажными стойками 1617 и 1618. Кроме того, стенки 1443 и 1445 на фиг.14 заменены простирающимися вверх монтажными стойками 1643. Наружные стойки 1643 и 1645 препятствуют повороту измерительной трубы 1602 относительно стойки 1617 и 1618 как оси. Соединители 1608 и 1609 не являются обязательными, и при необходимости измерительная труба 1602 может выходить наружу через стойки 1643 и 1645 и заменять впускную трубу 1604 и выпускную трубу 1402. Эта удлиненная измерительная труба может подсоединяться потребителем к его оборудованию выше и ниже по течению. Стойки 1443 и 1445 служат для установки соединителя 1608 и 1609, если он предусмотрен.
Следует понимать, что заявленное изобретение не ограничено описанными предпочтительными вариантами осуществления изобретения, а охватывает другие модификации и изменения. Например, проиллюстрированные варианты расходомера могут также работать с обратной ориентацией, если потребуется, чтобы возбудитель D был расположен сверху колеблющейся измерительной трубы и его тепло уходило вверх от измерительной трубы. Это позволит лучше изолировать измерительную трубу от термического напряжения, которое могло бы отрицательно сказаться на точности выходных данных расходомера. Описанный массовый расходомер Кориолиса может также иметь и другие применения, кроме описанных выше. Например, его можно использовать в тех приложениях, где протекающий технологический материал является агрессивным материалом, например азотной кислотой, который невозможно использовать с расходомерами, имеющими металлический смачиваемый путь движения потока. Во всех вариантах описанного массового расходомера Кориолиса всю колеблющуюся конструкцию можно полностью выполнить из пластика, такого как ПФА.
Реферат
Изобретение предназначено для измерения технологического материала, используемого при производстве полупроводниковых пластин для микросхем. Расходомер содержит по меньшей мере одну измерительную трубу, присоединенную концевыми частями к стойкам на верхней поверхности массивного основания в виде параллелепипеда для образования по существу неподвижных узлов на концевых частях. Весь смачиваемый путь в расходомере Кориолиса, включающий по меньшей мере одну измерительную трубу, выполнен из пластика: сополимера перфторалкокси-соединения (ПФА), который не имеет переноса ионов из материала расходомерной трубки в поток проходящего через нее технологического материала. Изобретение повышает точность измерения материала сверхвысокой чистоты. 17 з.п. ф-лы, 16 ил.
