流量传感器信号转换的制作方法

专利名称：流量传感器信号转换的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域这项发明涉及质量流量传感器领域，更具体地说，涉及用来提供在宽广的流速范围内准确地指出通过传感器的流动路径的任意流体的实际流体流量的流量信号的方法和装置。
本发明的现有技术质量流量传感器被用于各式各样的应用，测量气体或其它流体的质量流速。可能使用质量流量传感器的一种应用是质量流量控制器。在传统的质量流量控制器中，流体在主要流动路径的流速是基于转移到形成质量流量传感器的一部份的通常较小的导管之中的一部分流体的质量流速调整或控制的。假定在主要流动路径和传感器的导管两者中都是层流流动，在主要流动路径中流动的流体的质量流速基于流经传感器的导管的流体的质量流速能被确定(和调整或控制)。
流量传感器一般地说指的是任何通过提供指示流体流速的输出来响应流体流动的装置或装置组合。热质量流量传感器指的是基于起因于流体流动的热对流、热传导和/或热通量提供随着流动路径中流体流速变化的输出的流量传感器。术语“流体”在此用来描述处于任何能够流动的状态的物质类型。人们将理解，术语“流体”适用于液体、气体和包括任何能够流动的物质或物质组合的浆料。
一种传统的热质量流量传感器被示于

图1。热质量流量传感器10包括导管12，上游电阻线圈14和下游电阻线圈16按预定的间隔这样盘绕在导管12周围，以致所述导管有涉及长度1的特征长度。上游的和下游的线圈与传感器的电子电路18耦合。通常，线圈14和16是多样性的，其中线圈的电阻是温度的函数。当没有流体流过导管12的时候，所述传感器处于平衡状态。例如，线圈14和16可能由各自的惠斯登电桥配置的一个支路组成，以致所述的平衡状态可能是通过有电子电路18驱动上游线圈14和下游线圈16到同一温度实现的。当两个线圈处在同一温度的时候，它们的电阻是相等的，以致每个电阻两端的电压降也是相等的(即，V1等于V2)。电子电路18可以是为检测电压V1和V2之间的差值并且作为被称为传感器输出信号或简称为传感器输出的电压信号20输出所述差值而配置的。
当流体流过导管的时候，流体依照热对流性质将热量从上游线圈14向下游线圈16转移。因此，下游线圈16的温度变成高于上游线圈14，借此改变各自的电阻和使传感器电子电路18失衡。电压降V2将不再等于电压降V1，于是传感器的电子电路18将检测电压降的差值并且作为传感器输出信号20输出所述差值。通过对流转移的热量和传感器输出的大小与流体的质量流速成正比。
人们应该领会到，传感器输出不需要是电压信号，而可能是各种不同的其它信号之中的任何一种而且可能取决于流量传感器的设计。例如，传感器输出可能是图1举例说明的电压信号、能够指出通过传感器的导管的流体流量的电流信号、数字或模拟信号或任何其它信号。
许多应用(例如，半导体制造工艺)可能需要一个特定的流量传感器在多种不同的流体和/或流体组合条件下操作。在实践中，提供这样的流量传感器是困难的工作。例如，传统的热质量流量传感器的传感器输出可能取决于流体在流动路径中的质量流速和部份地取决于流体的类型。换言之，流动路径中的流体的热和/或物理特征可能影响传感器输出电压怎样随着流速改变。
图2举例说明八种不同类型的流体的传感器响应曲线。传感器响应曲线通常指的是基于作为流速的函数或与流速相关联的传感器输出的任何表达。在图2中，水平轴线代表相应的流体通过流动路径的流体实际流速。垂直轴线代表起因于流体流速的归一化的传感器输出电压。归一化的传感器输出电压是传感器输出电压除以流体以其最大流速流过流动路径(被称为满刻度流量)时产生的传感器输出电压。换言之，垂直轴线表示满刻度传感器输出电压的分数。
理想地，每条传感器响应曲线都将是流速的线性函数。然而，实际上人们能看到传感器响应曲线有不同程度的弯曲而且弯曲本身可能是流速随流体改变的函数。传统上，传感器响应曲线怎样从一种流体变化到另一种流体是不好理解的。这种不可预测性使研制在适当的流速范围内令人满意地响应多种流体的流量传感器变得困难。更具体地说，人们难以提供在适当的流速范围内用任意的流体令人满意地操作的流量传感器。
附图简要说明图1举例说明传统的热质量流量传感器；图2举例说明起因于八种流体通过现有技术的传统的热质量流量传感器的代表性的传感器响应曲线；
图3举例说明使用转换因子用替代流体传感器响应曲线校正工作流体的传感器输出值的传统方法；图4举例说明依照本发明的一个方面描述传感器行为的传感器模型的一个实施方案；图5举例说明依照本发明的另一方面可能怎样使用传感器模型来确定任意流体的流速；图6举例说明依照本发明另一方面在用测试流体标定传感器期间获得可能用来在传感器操作期间确定任意流体的流速的特征信息的方法；图7举例说明依照本发明另一个方面使用在测试流体上进行传感器标定期间获得的特征信息依据起因于任意流体的流体流动的传感器输出值确定传感器操作期间任意流体的流速的方法；图8举例说明依照本发明一个方面描述传感器行为的传感器模型的另一个实施方案；图9举例说明依照图8举例说明的传感器模型的实施方案使用统一的比例因子变换成特征值的各种流体的传感器响应曲线；图10举例说明依照图8举例说明的传感器模型的实施方案使用视流体而定的比例因子变换成特征值的各种气体的传感器响应曲线；图11举例说明依照本发明的另一方面在用测试流体标定传感器期间获得可以用来在传感器操作期间确定任意流体的流速的特征信息的另一种方法；
图12举例说明依照本发明的另一方面使用在测试流体上标定传感器期间获得的特征信息依据起因于任意流体的流体流动的传感器输出值在传感器操作期间确定任意流体的流速的另一种方法；图13举例说明将本发明的各种不同的方面合并的流量传感器的一个实施方案；图14举例说明包括依照本发明的各种不同的方面操作的流量传感器的质量流量控制器的一个实施方案；图15举例说明包括流量传感器的质量流量控制器的另一个实施方案，其中处理传感器输出信号的控制器和各种不同方法是在位置靠近或远离质量流量控制器的传感器的一部独立的计算机上实现的；图16举例说明包括有传感器导管和旁路的流量传感器的质量流量控制器的另一个实施方案，其中用于任意流体的线性化曲线可以是通过使用依照本发明的传感器模型分开校正传感器流量和旁路流量确定的；图17举例说明一种获得依照本发明的另一方面使确定用于任意流体的线性化曲线变得容易的测试流体的标定测量结果的方法；图18举例说明基于测试流体的标定测量结果和依照本发明另一方面的传感器模型通过分开校正传感器流动的非直线性和旁路的非直线性确定线性化曲线的方法。
本发明的概述本发明各种不同的方面起源于申请者对在用影响流速、至少一种传感器性质和至少一种流体性质的传递函数建立当传感器模型的时候流体传感器输出曲线和传感器的特性曲线之间的相关关系的确认和领会。这种相关关系使通过使用在用测试流体标定期间获得的响应信息和传感器模型准确确定任意流体的流速变得容易。
依照一个实施方案，产生传感器的特征信息的方法包括下述行为针对众多传感器输出值之中的每个数值测量测试流体通过传感器的传感器导管的流速；记录每个与众多传感器输出值之中相应的数值相关联的流速；基于至少一种传感器性质和测试流体的第一性质将每个流速转换成对应的运算元数值；基于测试流体的第二性质把众多传感器输出值之中的每个数值变换成众多特征值之中相应的特征值；以及储存至少一种将每个运算元数值与相应的特征值相关联的表达。
依照另一个实施方案，流量传感器包括一个适合输送流体的导管、与所述导管耦合为产生指示任意流体通过所述导管的流速的传感器输出信号而配置的电路和储存包括流量传感器的特征函数的至少一个表达的信息的至少一个存储媒体。
依照本发明的一个方面，提供用测试流体产生传感器的特征信息的方法。该方法包括下述行为针对众多传感器输出值之中的每个数值测量通过传感器的传感器导管的测试流体的流速；基于至少一种传感器性质和测试流体的至少一种第一性质将每个流速转换成运算元数值；基于测试流体的至少一种第二性质将众多传感器输出值之中的每个数值变换成一个特征值；以及储存将每个运算元与相应的特征值联系起来的至少一种表达。
依照一个实施方案，转换每个流速的行为和变换众多传感器输出值之中的每个数值的行为是依照下述关系完成的W(g·ρQLA·cpκ)=f·Sκ,]]>其中ρ是测试流体的密度，Q是流体的体积流速，L是传感器导管的特征长度，A是传感器导管的横截面积，cp是测试流体的比热，κ是测试流体的导热系数，而f和g是视流体而定的常数。
依照本发明的另一方面，提供用测试流体产生适合用任意流体操作的传感器的响应信息的方法。该方法包括下述行为针对众多传感器输出值之中的每个数值测量通过传感器的传感器导管的测试流体的流速；记录每个与众多传感器输出值之中相应的数值相关联的流速；储存为基于任意流体的至少一种性质将起因于任意流体通过传感器导管的流动的传感器输出值转换成特征值而配置的第一变换，以及储存为基于至少一种传感器性质和测试流体的至少一种性质将流速转换成运算元数值而配置的第二变换。
在一个实施方案中，储存第二变换的行为包括储存为依照下述关系将流速转换成运算元数值而配置的第二变换的行为Φ=g·ρQLA·cpk]]>其中Φ是运算元数值，ρ是测试流体的密度，Q是流体的体积流速，L是传感器导管的特征长度，A是传感器导管的横截面积，cp是测试流体的比热，κ是测试流体的导热系数，g是视流体而定的常数，而储存第一变换的行为包括储存为依照下述关系将传感器输出值转换成特征值而配置的第一变换的行为
c=f·Sκ,]]>其中c是特征值，S是传感器输出值，κ是任意流体的导热系数，而f是视流体而定的常数。
依照本发明的一个深层方面，提供在流量传感器包括在用测试流体标定期间获得的传感器的特征函数的至少一种表达的情况下预测通过传感器导管的工作流体的流速的方法。该方法包括下述行为提供与工作流体通过导管的流速有关的传感器输出；基于工作流体的至少一种第一性质将传感器输出值变换成特征值；通过用特征值检索特征函数的那至少一种表达获得包括流速成份、至少一个传感器性质成份和至少一个流体性质成份的运算元数值；以及使用传感器的至少一种性质和工作流体的至少一种第二性质来确定运算元数值中的流速成份，提供工作流体通过传感器导管的流速的指示。
依照本发明的另一方面，提供一种传感器模型，该模型可以用于依据起因于任意流体通过传感器的流动的传感器输出值预测任意流体通过传感器的流速。该模型包括一个包括流速、至少一中传感器性质和任意流体的至少一种第一流体性质的运算元和一个传递函数，该传递函数在影响运算元的数值的时候借助任意流体的至少一种第二流体性质产生与传感器输出值有关的传感器特性曲线。
依照本发明的另一方面，计算机易读的媒体是用特征函数的表达和在至少一个处理器上执行的程序编码的。所述程序在那至少一个处理器上运行的时候实现将起因于工作流体的流动的传感器输出信号转换成流量信号的方法。该方法包括下述行为接受与来自流量传感器的传感器输出信号有关的传感器输出值作为输入；基于工作流体的至少一种第一性质将传感器输出值转换成特征值；获得包括与来自特征函数的表达的特征值相关联的至少一种传感器性质和至少一种流体性质的运算元数值；以及使用至少一种传感器性质数值和至少一种工作流体性质数值依据运算元数值确定工作流体的流速数值。
本发明的另一方面指向储存在用测试流体标定流量传感器期间获得的流量传感器的特征函数的表达的数据结构。该数据结构包括众多的入口，每个入口都有第一字段和第二字段，第一字段识别基于测试流体的至少一种性质从流量传感器的传感器输出值算出的特征值，而第二字段识别从对应于传感器输出值、传感器的至少一种性质和测试流体的至少一种性质的流速算出的运算元数值。
依照本发明的另一个实施方案包括适合电子地储存包括在用测试流体标定流量传感器期间获得的流量传感器的特征函数的至少一种表达的编码的信息的计算机易读的媒体。
依照本发明的另一个实施方案包括一种包括适合输送流体的导管、与所述导管耦合为产生指示通过所述导管的流体的流速的传感器输出信号而配置的电路和储存包括流量传感器的特征函数的至少一种表达的信息的至少一个存储媒体的流量传感器。
依照本发明的另一方面，提供一种质量流量控制器。该质量流量控制器包括适合检测流体在流动路径中流动而且提供指示流动路径中的质量流速的传感器输出信号的流量传感器、用流量传感器的特征函数的至少一种表达编码的存储媒体和与流量传感器耦合接受传感器输出信号的处理器，该处理器是为基于特征函数将传感器输出信号转换成流量信号而配置的。该质量流量控制器进一步包括与流量计耦合并且适合至少部份地基于流量信号提供驱动信号的控制器、适合接受来自控制器的驱动信号的阀门调节器和与流动路径耦合的阀门。所述阀门适合依据阀门受控部分的位移允许流体通过流动路径。
本发明的详细描述解决可能起因于传感器的行为在用不同的流体操作的时候变化的困难的方法已被提出。这种变化可能部份地受流速和传感器输出之间的非线性关系影响。例如，针对特定的流体将流量传感器的操作限制在传感器响应曲线的每个线性范围可能减轻与传感器的非直线性相关联的问题。如图2所示，特定流体的传感器响应曲线可能有近似直线的部分。由于仅仅考虑在这个有限范围内的流体流速，可以假定传感器输出值与流体流量有近似线性的并因此可预测的关系。
然而，许多传感器响应曲线中预期的使用范围的重要部分落在各自的线性范围之外并且不能适当地用直线近似。就这一点而论将流速限制在特定流体的给定的传感器响应曲线的线性范围可能将流量传感器的实用性严格地限制在非常狭窄的应用和流速范围。例如，图2所示的气体SF6的线性范围小于3sccm。在这个范围之外，传感器的行为是不可直接预期的而且对于需要较宽的流速范围的应用可能使传感器变得无法使用。
就这份揭示的目的而言，术语“曲线”通常指的是函数、分布或关系的任何表达。例如，曲线可能是代表两个变量之间的关系的一组点对(例如，描述传感器流量和传感器输出之间的关系的一组点对)。曲线也可能是函数的数学表达、几何学表达或其它表达。例如，曲线可能被表示成代数函数(例如，多项式)、三角函数(例如，正切曲线)、分段近似(例如，分段的线性或圆锥近似)、基本函数(例如，样条函数或傅立叶系数)的级数总和，等等。
如图2所示，传感器响应曲线的线性范围也可能取决于流体，也就是说，充分近似传感器响应曲线的线性部分的直线的长度和斜率可能因流体而异。因此，每种流体的线性范围通常是通过在标定期间在各种不同的已知流速(例如，用另一种流量测量仪器实测的)下用流量传感器对流体进行测试和测量传感器输出凭经验建立的。术语“标定”通常指的是为了获得关于传感器的信息(更具体地说，传感器响应信息)在流量传感器上进行的各种不同的测试和测量。在标定期间获得的信息可以用于，例如，近似传感器在操作期间的行为。通常，传感器标定是在传感器用于现场(例如，在工业应用中)和/或提供给客户之前完成的。
测量多种测试流体(例如，图2所示的八种测试流体)的线性范围可能是劳动量大的耗费时间的程序。此外，线性范围可能必须针对打算将传感器供它们操作的一组流体之中的每种流体专门计算。一般地说，这种类型的个别标定把额外的费用加到传感器标定程序上。许多工业应用在工作流体有反应性、毒性和/或腐蚀性的情况下操作流量传感器，使事情变得更加复杂。这些流体可能是不适合在流量传感器的标定期间进行处理和测试的。此外，传感器最终可能在现场进行测量的流体事前可能是不知道的。
为了补偿这种要么因为特定的工作流体在标定的时候是未知的要么因为特定的工作流体涉及危险操作和/或对仪器有害而无法用特定的工作流体标定，流量传感器可以在标定期间用若干种替代流体进行测试。替代流体可以是腐蚀较小的和/或通常更容易得到的有能在标定期间用来获得关于传感器行为的信息的已知性质的流体。这种信息随后可以用来近似用已知至少有一点儿类似的性质的工作流体操作的传感器的响应。替代流体的一些例子包括但不限于在图2中举例说明的那些流体。
人们将领会到，就这份说明书的目的而言，术语“工作流体”通常指的是在多种应用之中任何一种应用的现场中用它操作传感器或倾向于用它操作传感器的任何流体。具体地说，工作流体指的是可能受流量传感器的最终用户监测的流体。术语“测试流体”通常指的是在传感器的标定期间(通常，在传感器现场操作的准备期间)使用的任何流体。人们应该进一步领会到，测试流体和工作流体可能并非是不同的，也就是说，在标定期间使用的特定的测试流体也可能在现场被用作工作流体。就这份描述的目的而言，这些术语通常用来描述流体究竟是在标定期间使用的(即，“测试”流体)还是被用于现场操作(“工艺”流体)，而且不必描述流体的类型。就这一点而论，替代流体至少是测试流体。
依照一个实施方案，在标定期间，传感器可以用若干种测试流体和/或替代流体进行测试。具体地说，就每种在标定过程中使用的替代流体而言，可以将所述的替代流体以已知的流速引进与流量传感器耦合的流动路径，并且记录传感器输出。这将导致与每种替代流体相对应的传感器响应曲线。图2展示的示范性传感器响应曲线是以这种方式使用流量传感器的一个实施方案获得的。传统上，替代传感器响应曲线已被用来通过假定工作流体的传感器响应曲线凭借转换因子可以与一种或多种替代传感器响应曲线有关近似来自起因于工作流体流动的传感器输出的流速。传统的转换因子往往以工作流体的摩尔比热与最相似的替代流体的摩尔比热之比为基础。
图3举例说明传统上怎样使用标定期间获得的替代传感器响应曲线近似用工作流体操作传感器期间的流速。在传感器310的标定305期间，众多替代流体SF1-SFN之中的每种流体都可以以预定的一组已知流速F引进传感器310。传感器310通过分别提供替代传感器响应曲线SS1-SSN响应流速。然后，那些替代传感器响应曲线可以与已知流速F联系起来记录。
在传感器310的操作315期间，用工作流体PF1-PFN之中任何一种工作流体操作传感器310都可能是符合需要的。当工作流体PF1-PFN之中的任何一种工作流体以未知流速UF被引进传感器310的时候，传感器分别以对应的工艺传感器响应曲线PS1-PSN响应。假定工艺传感器响应曲线的数值凭借工作流体的摩尔比热与替代流体的摩尔比热之比与替代传感器响应曲线之一的数值有关。这种关系被示意地表示成变换325。照此，起因于工作流体的流体流动的传感器输出值可以被变换成替代传感器响应曲线的相关联的数值，而来自一组已知流速F的流速的相关联的和/或内插的流速可以作为工作流体的未知流速的近似值使用。
然而，基于摩尔比热的关系可能仅仅在工作流体的线性范围内有效。换言之，在工艺传感器输出值和记录下来的替代传感器响应曲线上的数值之间可能仅仅在工作流体的线性范围中存在准确的变换。因此，工作流体流速的准确近似值仅仅在传感器输出值落在工作流体的传感器响应曲线的线性范围之内的时候才可能用前面描述的方法获得。如同在上文中讨论的那样，这是对传感器的适用性的严厉限制。
此外，人们应该领会到，为了获得准确的近似值，即使在工作流体的线性范围中，也有必要在传感器的标定期间对充份相似的替代流体进行测试。因此，不仅难以保证传感器将在任意的工作流体上令人满意地操作，而且传感器的准确性将因适当的替代流体的可用性而改变。除此之外，通常用多样的工作流体标定传感器可能需要费时费力地测量和记录许多替代流体的响应信息(例如，传感器响应曲线)。
申请者已领会到，传统转换技术的缺乏起源于足以描述传感器行为的经验信息不充分。传统的转换因子主要是靠实验产生的而且可能没有任何物理支持。具体地说，申请者已认识到基于作为流速的函数的传感器响应信息的转换因子是传感器对任意流体的响应的不完全一般描述。
因此，申请者已开发了一种基于可以描述传感器对任意流体的响应的传感器性质和流体性质描述传感器行为的通用传感器模型。本发明各种不同的方面源于申请者对传感器的传递函数可以被表征为除了流速之外为产生描述传感器响应的单一特性曲线关于一种或多种传感器性质和一种或多种流体性质的运算的确认和领会。因此，可以利用在标定期间从传感器获得的响应信息依照传感器模型使在流体的传感器响应曲线的线性范围之内或之外准确预测任意流体的流速变得容易。
下面是与依照本发明的方法和装置有关的各种不同概念和依照本发明的方法和装置的实施方案的更详细的描述。人们应该领会到，如同前面讨论和下面进一步概述的那样，本发明的各个方面可以以许多方式之中的任何一种方式实现，因为本发明不局限于任何特定的实现方式。特定的实现的例子仅仅是为了举例说明在此提供的。
具体地说，依照本发明的各种不同的方法可以连同多种流量传感器(包括参照图1描述的流量传感器和/或在通过引证在此将它们全部并入的美国专利申请第09/783,439号、美国专利申请第60/397,139号和美国专利申请第60/436,207号中描述的各种不同的流量传感器)一起使用。本发明不局限于流量传感器的任何特定的落实或安排。
图4举例说明依照本发明的传感器模型的一个实施方案。传感器模型400包括在对Φ的数值产生影响时提供特性曲线C的特征函数W。运算元Φ可以是流速、至少一种传感器性质和至少一种流体性质的各种不同的适当的函数之中的任何一种函数。通过这样扩展传感器模型，以致它的传递函数405对运算元Φ的数值进行运算，传感器模型400将传感器性质和流体性质合并，借此传感器的行为被所述模型准确地描述。该传感器模型可以用来依据起因于对任意的工作流体产生影响的传感器输出值准确地确定流速。
产生可以借助至少一种流体性质与传感器的传感器输出值有关的特性曲线的对包括流速、至少一种传感器性质和至少一种流体性质的运算元产生影响的传感器模型的传递函数被称为“特征函数”。
图5举例说明传感器510和依照本发明的传感器模型的一个实施方案之间的关系。当各种不同的流体(例如，流体f1、f2、f3和/或fn)之中的任何一种流体以各种不同的流速F引进传感器510的时候，传感器510可以针对每种流体分别产生不同的传感器响应输出曲线(例如，S1，S2，S3和Sn)。依照传感器模型500，每条传感器响应曲线通过变换525与特性曲线C有关。变换525可以是任何至少基于与相应的传感器响应曲线相关联的流体性质使各种不同的传感器响应曲线和特性曲线C关联起来的函数或变换。流体性质505可以包括但不限于导热系数、粘度、比热、密度、温度以及它们的任何组合或关系等等。
例如，转换525可以把每条传感器响应曲线S1、S2、S3和Sn变换到特性曲线C上。换言之，起因于特定流体的特定流速的传感器输出值可以依照传感器模型500通过应用变换525被沿着特性曲线变换成某个数值。
传感器模型500的运算元Φ可以是流速、一种或多种传感器性质和一种或多种流动性质的各种不同的函数之中的任何函数。传感器性质512可以包括可能影响流动的传感器导管的实际尺寸、传感器电子组件中敏感元件的配置、传感器的各种其它的物理性质、传感器特征的组合和/或关系。由于模型500的运算元Φ以流速和传感器和流体的性质为基础，所以传递函数W描述传感器510的特征函数。
此外，依照传感器模型500，以特定的流速流过传感器的流体将会有可以通过应用变换515算出的相关联的Φ值。例如，对于流体f1、f2、f3和fn等与每个流速F相关联的Φ值可以依据传感器510的性质512和相应的流体性质505算出。
人们应该领会到，只要有关W的信息是可用的而且特征函数W在感兴趣的区域中是单调增加的或单调减少的，沿着特性曲线C的数值就能依照反特征函数W-1变换成相关联的Φ值。换言之，如果沿着曲线C的数值ci是已知的，那么对应的Φ值可以被算出。同样地，因为所述模型确定变换525将传感器响应曲线变换成同一特性曲线C而且Φ值是流速的函数，所以只要特征函数W的表达是可用的，流过传感器的任意流体所产生的传感器输出值就可以用来反过来计算依照传感器模型将导致特征值ci的流速。
术语“表达”通常指的是特征函数的任何数字的、解析的、数学的和/或算法的描述或近似。可仿效的表达包括但不限于查询表(LUT)、诸如样条函数、三角函数或代数函数、级数展开式之类的近似函数。除此之外，表达可以包括数据和关于如何操纵数据的一系列操作和/或指令。例如，表达可以包括储存传感器响应信息(例如，与流速数值相关联的传感器输出值)的查询表和一种或多种适合将传感器响应信息转换成特征信息(例如，与运算元Φ相关联的特征值)的变换操作。
图6举例说明依照本发明的方法的一个实施方案，该方法包括在用单一测试流体标定传感器期间获得传感器模型的特征函数的表达。然后，在标定600期间获得的信息可以用来使在传感器对任意流体产生影响期间近似计算流速变得容易。在标定期间，传感器可以与适合将流体以可调整和可测量的流速引进传感器导管的各种不同的标定仪器耦合。
在步骤610中，已知其热性质和/或物理性质的测试流体在若干预期的传感器输出值下被引进传感器。例如，操作员可以这样调整标定仪器，以致测试流体的流速导致传感器以预期的传感器输出值响应。在一个实施方案中，传感器输出值被这样归一化，例如，通过将传感器输出值除以在通过导管的名义满刻度流量下的传感器输出值，以致它们代表满刻度流量的分数。
例如，标定仪器可以被这样调整，以致传感器以(例如，指示10％名义满刻度流量的)传感器输出值0.1响应。然后，测量通过传感器导管的实际流速，例如，借助标定仪器的体积基准流量计。然后可以将传感器输出值和相关联的实际流速记录下来。测试流体的流速可以被再次调整，直到传感器以第二个预期的传感器输出值(例如，指示20％名义满刻度流量的传感器输出值0.2)响应。实际流速被再一次测量，并且将那对数值记录下来。这种操作可以重复，直到已经确定适合测试流体的传感器响应信息已被获得。
在步骤620中，在步骤610中记录下来的传感器输出值依照传感器响应曲线和正在使用的传感器模型所描述的特性曲线之间的关系被变换成特征值。术语“特征值”通常指的是使用至少一种流体性质从响应流体的流量所产生的传感器输出值算出的数值。假定特征值实质上是沿着传感器模型的特性曲线设置的。例如，在步骤610中记录的传感器输出值可以通过将传感器输出值乘以测试流体的性质(例如，测试流体的导热系数)被变换成特征值。
在步骤630中，在步骤610中记录的实际流速依照正在使用的传感器模型基于传感器和测试流体的性质被变换成运算元Φ的数值。在步骤640中，在步骤630中依据记录的实际流速算出的运算元Φ的数值和在步骤620中依据与实际流速相对应的一组预定的传感器输出值算出的特征值被相互关联地储存在，例如，LUT中。
因此，在标定期间，测试流体的特征值是作为Φ的函数记录的，也就是说，描述传感器的特征函数的表达已被获得。这个特征信息可以用来依据从用工作流体操作的传感器获得的传感器输出值准确地确定任意的工作流体的实际流速。术语“特征信息”通常指的是描述传感器特征函数的信息，更具体地说，指的是所述特征函数表达。例如，特征信息可以包括但不限于诸如查询表、样条函数之类的近似函数、参量曲线、三角或代数近似法之类各种不同的数据结构之中的任何一种数据结构。
人们应该领会到，在标定期间，测试流体流速和测试流体传感器输出值不需要分别变换成特征值和运算元数值。例如，在步骤610中获得的数值可以作为传感器响应信息储存在查询表或其它适当的数据结构中。传感器响应信息可以随后在传感器对任意流体产生影响期间被转换成特征信息。换言之，只要适当的变换在操作期间已被储存或以别的方式已成为传感器可用的，步骤620和630就可以在传感器操作期间而不是在标定期间完成。储存传感器响应信息和依照传感器模型在操作期间将它转换成特征信息可以用各种不同的传感器模型使传感器的操作变得容易，而不需要再次标定传感器。
图7举例说明一种使用传感器特征信息依据传感器提供的传感器输出值直接确定任意工作流体的未知流速的方法。在步骤710中，工作流体以未知的流速被引进传感器。例如，流量传感器可以在工业控制应用中用来测量流量，其中通过传感器的流体流动的知识被用于反馈回路以便将准确数量的流体递送给处理室。传感器可以通过产生指示流速的传感器输出值响应未知的流速，例如，依照结合图1描述的热对流原理。
在步骤720中，传感器输出值如同在图6的步骤620中描述的那样依照传感器模型所描述的变换实质上沿着传感器的特性曲线被变换成特征值。人们应该领会到，在标定期间用来获得关于传感器的特征信息的传感器模型与在流量传感器操作期间用于预测流速的传感器模型通常是相同的。
在步骤730中，特征值用来注明特征信息的来源，以便最终获得与特征值相关联的流速。例如，借助图6描述的方法获得的LUT可以用特征值进行检索以获得相关联的运算元Φ。因为传感器模型确保从不同流体的传感器输出值算出的特征值落在其表达在用测试流体标定传感器期间被记录下来的同一特性曲线上，所以在步骤720中算出的特征值将有可以从特征函数的表达获得的相关联的运算元Φ。
用特征值检索特征信息或特征函数的表达通常指的是使用特征值依照传感器模型确定与特征值相关联的，即，与特征函数的表达一致的运算元数值。人们应该领会到，检索可以包括使用特征值确定查询表中相关联的运算元数值，作为给代表特征信息的近似函数和/或内插函数的参数，应用该特征值作为给为确定相关联的运算元数值而配置的函数或为用特征值从传感器的特征函数的表达获得相关联的运算元数值而设计的其它各种不同的方法之中的任何方法的输入变量。
在步骤740中，相关联的运算元Φ用来确定工作流体通过产生在步骤710中获得的传感器输出值的传感器的未知流速。具体地说，因为运算元Φ是流速以及传感器和工作流体的性质的函数，所以为了准确地确定工作流体通过传感器的实际流速，可以通过应用与传感器的配置相关联的已知数值和已知的工作流体性质将流速从运算元Φ中分离出来。
如同前面结合图6讨论过的那样，在一些实施方案中，传感器响应信息是在标定期间与用来将所述的传感器响应信息转换成特征信息的操作一起记录的。因此，流速和储存在传感器响应信息中的对应的传感器输出值可以在传感器操作期间分别变换成运算元数值和特征值。例如，结合图6描述的步骤620和630可以如同结合图7描述的那样是传感器的部份操作。
申请者已经认识到各种不同流体的传感器输出曲线可以在有对流速、传感器性质和流体性质产生影响的，即对运算元Φ产生影响的传递函数的传感器模型中借助流体的导热系数与传感器的特性曲线相关。例如，运算元Φ可以涉及与特定传感器的特征流动相关联的雷诺数，例如，通过考虑传感器导管的实际尺寸和/或传感器的配置。雷诺数往往用来描述说明动态相似性和/或流动特征的动量、热量和质量转移。雷诺数可以采取各种不同的形式，例如，雷诺数字可以被表示成Re=ρQLμA---Eq.1]]>其中ρ是流体的密度，Q是流体的体积流速，μ是流体的粘度，L是传感器的特征长度，A是传感器导管的横截面积。特征长度L可以涉及与传感器导管耦合检测流量的敏感元件之间的距离，例如，涉及图1举例说明的长度l。因此，运算元Φ包括流速成份和传感器性质成份。
在一些实施方案中，Φ可能取决于流过该流动路径的特定流体的普朗特数。流体的普朗特数可以用来一般地描述热转移，具体地说描述热对流。流体的普朗特数可以被表示成pr=μ·cpκ---Eq.2]]>其中μ是流体的粘度，cp是流体的比热，κ是膜流体的导热系数。在一个实施方案中，运算元Φ包括流速成份、传感器性质成份和流动性质成份。例如，运算元Φ可以根据与传感器相关联的雷诺数和与流体相关联的普朗特数这样表达，以致传感器的特征函数借助流体的导热系数与各种不同流体的传感器输出曲线有关。
依照一个实施方案，运算元Φ包括与通过传感器的流体流动相关联的雷诺数和流过导管的流体的普朗特数两者，例如，借助关系Φ＝RePr。人们应该领会到，这个公式考虑到传感器的物理性质和流体的热和/或物理性质。除此之外，上述公式是强制性的，其中运算元Φ是无因次的。
例如，表达式Φ＝RePr具有下列的单位，Re·Pr=ρCpk[hrft2]·Q[cm3min]·LA[ftft2]---Eq.3]]>当这些单元一致的时候通过使用1小时＝60分钟(即，60分钟/1小时＝1)和1英尺＝30.48厘米(即，1英尺/30.48厘米＝1)这一事实，公式3所示关系中的物理单位如同下面展示的那样相互抵消。
Re·pr=ρCpk[hrft2]·Q[cm3min]·LA[ftft2]·[60min1hr]·[1ft30.48cm]3---Eq.4]]>因此，该公式导致无因次关系Re·Pr=ρCpk·Q·LA·(0.00211888)---Eq.5]]>人们应该领会到，Q可以这样从公式5中分离出来，以致流速可以直接从运算元Φ算出，也就是说，只要必要的传感器性质和流体性质是可用的，流速成份就可以与运算元Φ分离。
图8举例说明依照本发明的传感器模型的一个实施方案。在传感器模型800中，运算元Φ是特定传感器的雷诺数和特定流体的普朗特数的按比例确定的乘积。比例系数g可以是视流体而定的数值，例如，依据用各种不同的流体围绕传感器操作获得的经验数据确定的数值。视流体而定的比例系数通常指的是经验地或解析地推演的标量数值，它增加在特定流体的特征值和传感器的特性曲线之间的重合。
人们应该领会到，不需要使用比例系数，也就是说，比例系数g可以被看作是1。传感器模型800的传递函数805被描述成对产生与传感器输出值有关的特性曲线的Φ值产生影响的特征函数W。具体地说，依照传感器模型800，不同流体的传感器响应曲线借助它们各自的导热系数和视流体而定的比例系数f与传感器的同一特性相关。与视流体而定的比例系数g一样，f可以通过假定它取数值1被忽略。
图9举例说明依照图8举例说明的传感器模型800在不使用比例系数f和g(例如，通过假定比例系数为1)的情况下被变换成特征值并且作为运算元Φ的函数被绘制成曲线的图2的八种流体的传感器响应曲线。具体地说，每条图2所示流体的传感器响应曲线都被除以它们各自的导热系数并且作为与传感器相关联的雷诺数和与流体相关联的普朗特数的乘积的函数被绘制成曲线。人们应该领会到，所示的可仿效的流体覆盖热物理性质实质上不同的各式各样的流体。然而，各种不同的传感器响应的特征值如同传感器模型800预测的那样实质上塌落到单一的传感器特性曲线上。
图10举例说明依照图8举例说明的特征函数W使用数值列于下面的表1的视流体而定的比例系数f和g变换成特征值的相同的传感器响应曲线。使用视流体而定的比例系数f和g进一步使变换后的传感器响应曲线与传感器的特性曲线重合。因此，传感器模型800提供可以用来确定任何有适当的热性质和/或物理性质可用的流体的流速的传感器行为的强有力的描述。
表1
人们应该领会到，特征曲线是传感器模型的构造。传感器输出值多么接近地变换成这条曲线取决于模型多么好地描述传感器行为。如图10所示，各种可仿效的流体的传感器输出值即使在相应的流体的线性范围之外也很好地与基础特征曲线重合。因此，传感器对流体的响应可以在扩大的流速范围上而不仅仅在流体的线性范围上被准确地确定。
此外，因为每条传感器响应曲线实质上都可以被变换成同一曲线，所以来自单一测试流体的响应信息足以描述基础特性曲线。因此，特征信息可以在标定期间或在传感器操作期间从单一测试流体算出，该特征信息可以用来在扩展的流速范围上确定传感器对任意流体的响应。
图11描述为依照传感器模型800获得关于传感器的特征信息依照本发明用单一测试流体标定的流量传感器的方法的一个实施方案。特征信息通过提供传感器行为的预报模型使后来的传感器对任意流体的操作变得容易。例如，下面描述的方法可以在用于为控制众多工作流体(其中的一种或多种在标定时可能是不可得的或不知道的)的流量而配置的MFC的流量传感器的标定期间使用。此外，MFC可以用在要求流速实质上在打算用它来操作的工作流体的线性范围之外的应用中。
在步骤1100中，已知其导热系数和摩尔比热的测试流体1101被引进已知其横截面积和特征长度的传感器导管。如图1所示，传感器导管的特征长度可以与两个线圈14和16形成的长度1和它们之间的间隔有关。前面讨论过的已知性质可以被，例如，储存在流体性质的数据库1105和传感器性质的数据库1107之中。
如同下面更详细地讨论的那样，传感器和流体的性质信息以及在标定期间获得的信息可以储存在任何计算机易读的媒体上，例如，包括在传感器中的存储器、诸如MFC之类使用传感器的组件、一台或多台与传感器和/或MFC耦合的计算机、或任何可以使信息变得可用的其它地方。
表2为举例说明可以储存在，例如，数据库1105和1107中的八种可仿效的流体的数值。
表2传感器和流体的性质
测试流体可以以若干种流速引进导管，以致传感器以预定的一组传感器输出值1103(S)响应。例如，传感器可以与适合以可调整的流速将流体引进传感器而且可以准确地提供与组S中的每个传感器输出值相对应的流速的测量结果的标定仪器耦合。
最初，测试流体1101的流速可以被调整到传感器以数值Si响应，例如，Si可以呈现为指示10％名义满刻度流量在各种归一化计算之中的任何一种计算之后等于0.1的数值。然后，用标定仪器测量测试流体1101通过导管的实际流速Fi并且将该流速记录下来。
下面的表3举例说明使用氮气(N2)作为测试流体在可仿效的传感器标定期间获得的数据。第一栏列出一组预期的传感器输出值(S)。第二栏列出用标定仪器测量的起因于氮气被这样引进传感器以致产生第一栏所示的每个预期的传感器输出值的对应的流速值。
表3(N2)
在步骤1110中，传感器输出值Si依照传感器模型800实质上沿着传感器特性曲线被变换成特征值。具体地说，传感器输出值被除以测试流体的导热系数κt而且用测试流体的比例系数ft按比例缩放以产生特征值ci。
在步骤1120中，在步骤1100中实测的流速Fi被用于与传感器和流体的性质组合计算与传感器输出值Si相关联的Φ值。具体地说，将流速Fi乘以流体密度ρ和传感器特征长度L的乘积，然后除以测试流体的流体粘度μ和传感器导管的横截面积A的乘积，如同在等式1中表达的那样形成与通过传感器的流动相关联的雷诺数。然后，如同在等式2中表达的那样，可以将算出的雷诺数乘以测试流体的普朗特数，再用测试流体的比例系数gt按比例缩放，以产生Φi。
在步骤1130中，算出的ci和Φi的数值被相关联地储存，例如，作为查询表1135的入口。查询表可以被储存在存储器中，例如，在用传感器性质和流体性质和/或测试流体的传感器响应信息编码的存储媒体中。上述的步骤可以针对组S中每个预期的传感器输出值重复，以致在查询表1135中栏表的众多相关联的数值ci和Φi形成传感器的特征函数的表达。人们应该领会到，用单一测试流体获得的特征信息可能足以依照所述模型描述传感器的行为，以致用另外的测试流体标定可能是不必要的。
表4举例说明在用N2作为测试流体标定传感器期间算出的可仿效的查询表。前两栏列出表3所示的相同数值。第三栏列出第一栏中的每个预期的传感器输出值依照图8展示的传感器模型的特征函数变换成特征值的数值。第四栏列出第二栏中展示的每个对应的流速基于与传感器流量相关联的雷诺数和和氮气的普朗特数变换成Φ值的数值。储存第一和第二栏的信息可能是不必要的，因为最后两栏提供可以用来使确定通过用任意流体操作的传感器的流速变得容易的传感器特征函数的描述，下面将予以更详细的描述。
作为替代，最后两栏可能不需要储存，因为前两栏中的响应信息能依照传感器模型随时被转换成特征信息。因此，LUT可以包括响应信息和完成从流速到运算元Φ和从传感器输出值到特征值的变换的指令。因此，响应信息可以在现场在传感器的操作期间变换成特征信息。
表4(N2)
图12举例说明一种依照本发明通过使用在传感器标定期间获得的传感器的特征函数的表达确定任意流体的流速的方法。例如，如同结合图11描述的那样在用单一测试流体标定期间获得的查询表可以用来确定任意的工作流体1201的流速。
工作流体1201可以被引进以传感器输出信号(例如，指示通过传感器的工作流体1201的流量的电压信号Vi)响应的传感器1203。例如，传感器1203可以与在制造半导体器件期间控制工作流体引进处理室的MFC耦合。
在步骤1200中，传感器输出信号Vi可以被预先处理，以便按预期的格式放置它。例如，传感器输出信号Vi可以被转换成数字信号和/或被归一化，以致所述信号代表通过传感器的满刻度流量的分数，以便提供经过预处理的信号Si。
在步骤1210中，经过预处理的传感器输出信号Si依照正在使用的传感器模型被转换成特征值Ci。人们应该领会到，在标定期间将测试流体的传感器输出值变换成特征值所使用的传感器模型应该也被用于把工作流体的传感器输出值变换成特征值。
作为替代，如上所述，标定可以包括仅仅记录来自测试流体的响应信息。在这样的环境之下，依照所需要的传感器模型把流速变换成Φ值和把传感器输出值变换成特征值的同一变换可以用来把记录下来的测试响应信息变换成特征信息和在传感器操作期间把传感器输出值Si变换成特征值。
例如，Si可以先乘以视流体而定的比例系数fp，然后除以工作流体的导热系数κp，以便类似于结合图11描述的标定步骤1110提供特征值Ci。因此，起因于工作流体的流动的传感器输出值被变换成实质上沿着传感器模型的特性曲线的数值。
因为传感器模型确保传感器输出值变换成同一特性曲线，所以数值Ci被期望沿着标定期间获得的特征函数的表达(例如，查询表1235(例如，如同结合图11描述的那样获得的查询表))所描述的曲线落在某处。因此，为了获得相关联的运算元Φ，随后通过在步骤1220中检索查询表1235可以确定Ci在所述曲线上落在哪里。
由于查询表的不连续性，算出的特征值Ci有可能落在储存在LUT中的数值之间。因此，给定的特征值可能没有直接相关联的运算元Φi。然而，运算元Φi可以通过在储存在LUT中的两个最接近的数值之间内插来近似，例如，借助分段线性近似，以致可以获得对应的数值Φi。
在步骤1230中，预测通过传感器的工作流体的实际流量的流速是从所获得的数值Φi算出的)。如同前面讨论的那样，数值Φi是流速和已知的传感器性质1207和流体性质1205的函数，所以特定值的流速成份可以从Φi中分离出来。例如，数值Φi可以乘以工作流体的导热系数和比热之比和流动路径的横截面积A和传感器导管的特征长度L的缩放比。这个操作把质量流速成份从所获得的运算元Φ的数值中分离出来，提供流速Fi作为通过传感器的实际流速的准确测定结果。
人们应该领会到，同一查询表的使用可以不管传感器正在用哪种工作流体操作。换言之，所获得的(例如，从标定获得的或在操作期间从任何一种测试流体的响应信息获得的)传感器的特征函数的单一表达可能足以描述传感器的行为，以致准确的流速可以针对任何任意的工作流体被确定下来。除此之外，依照本发明的传感器模型也描述传感器在扩展的流速范围上的行为。因此，任意流体的流速即使适当地在该流体的线性范围之外也可以被准确地预测。因此，传感器可以有效地用在宽广的应用范围。
表5-10展示与传统技术比较使用依照本发明的方法的实际实验数据。具体地说，表5、表7和表9举例说明使用在用表3和表4所示的氮气标定传感器期间制表的查询表确定的起因于氩气(Ar)、CF4和SF6操作的流速。
在表5中，用N2标定的传感器是用工作流体氩气操作的。第一栏列出传感器在响应氩气以未知的流速通过传感器流动时提供的若干传感器输出值。第二栏举例说明以氩气的导热系数和针对氩气凭经验确定在0.98的比例系数f为基础变换成特征值的传感器输出值。第三栏举例说明从表4所示的查询表获得的对应的Φ值。第四栏举例说明从所获得的Φ值算出的确定的流速。第五栏列出用例如体积流量计实测的实际流速。第六栏和最后一栏举例说明使用所述的方法获得的百分比误差。表7和表9是以同样的方式分别为工作流体CF4和SF6安排的。
为了比较，表6举例说明使用传统的转换因子确定的流速。第一栏列出表5的第一栏展示的传感器输出值。第二栏列出在用氮气标定期间测量的流速(即，表3和表4的第二栏)。第三栏列出使用传统的转换因子算出的预测流速。用于氩气的转换因子是1.428。第四栏列出实际的实测流速，而第五栏展示使用传统转换技术获得的百分比误差。表8和表10是以同样的方式安排的，列出分别采用工作流体CF4和SF6时来自传统操作的结果。
表5测试流体氮气/工作流体氩气f＝0.98，g＝0.985
表6替代流体氮气/工作流体氩气转换因子1.428
表7测试流体氮气/工作流体CF4F＝1.012，g＝1.013
表8替代流体氮气/工作流体CF4转换因子0.437
表9测试流体氮气/工作流体SF6f＝1.0，g＝1.0
表10替代流体氮气/工作流体SF6转换因子0.437
如所示，依照本发明的方法在宽广的流速范围上提供准确的流速预测。相反，传统的转换技术仅仅在有限的流量数值范围内提供准确的结果。具体地说，如表6、表8和表10所示，流速误差在特定流体的传感器响应曲线的线性范围之外令人遗憾地变高。
申请者已领会到，本发明的各个方面可以用来提供能够在宽广的流速范围内用任意的工作流体准确操作的通用传感器。图13举例说明依照本发明的传感器的一个实施方案。传感器1310包括导管1320、传感器电子器件1330、模数(A/D)转换器1335和有处理器1345和存储媒体1347的计算机1340。传感器电子器件与导管1320耦合而且通过提供指示通过导管的流体流量的传感器输出信号1333响应导管中的流动。传感器电子器件1330可以是任何响应流体流动的电路或电路组合，例如，结合图1描述的热质量流量传感器。人们应该领会到，本发明的各个方面可以用于各式各样的传感器，例如，在先前被并入的应用中所描述的那些，而且不局限于任何特定的传感器配置。
传感器输出信号1333可能是诸如电压或电流水平之类的电子模拟信号。A/D转换器1335接受传感器输出信号1333并且将它转换成数字信号1336提供给计算机1340的处理器1345。处理器1345可以是任何能够完成算术和/或逻辑计算的器件或器件组合。处理器1345可以预处理数字信号1336，例如，将信号归一化，以致它被表示成通过导管1320的满刻度流量的分数。
处理器1345可以以许多方式实现，包括使用为实现在此描述的多种函数之中任何一种函数而设计和/或配置的专用硬件(例如，各种不同的电路系统、可编程的逻辑阵列，等等)，和/或使用一个或多个使用微码(例如，软件)编程实现在此描述的多种函数之中任何一种或多种函数的计算机或处理器(例如，微处理器)。
处理器1345可以与存储媒体1347耦合。存储媒体1347可以储存使以许多种工作流体操作传感器变得容易的各种不同的传感器和流体信息。例如，存储媒体1347可以用打算用传感器准确测量它的流量的各种不同的流体的物理性质和/或热性质、流体的视流体而定的性质、传感器的物理性质和/或设计参数等编码。存储媒体1347可以是各种不同的存储装置和计算机易读的媒体之中的任何一种，而且能以许多方式被实现，例如，但不限于，RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CD、DVD、光盘、软盘、磁带等等。
在图13举例说明的实施方案中，存储媒体1347储存传感器1310的特征函数W的表达1360。另外，存储媒体1347储存各种不同的流体1362的性质(包括导热系数、粘度和比热)以及一组工作流体之中每种工作流体的视流体而定的性质1364。存储媒体1347也可以储存传感器性质1366，包括导管1320的横截面积和特征长度。
处理器1345可以基于储存在存储媒体1347上的数据把数字信号1336转换成流量信号1355。具体地说，处理器1345可以依照特征函数1360的表达以及传感器的性质和预期传感器将对它进行操作的工作流体的性质把数字信号1336转换成流量信号1355。例如，存储媒体1347可以以一个或多个在被处理器1345执行的时候依照本发明实现一种或多种转换方法(例如，结合举例图7和图11描述的方法)的程序(例如，程序1370)的形式用指令编码。
具体地说，程序1370可以包括在用处理器1345执行的时候将数字信号1336乘以流过导管的工作流体的导热系数和用于该工作流体的比例系数之比提供信号1346的指令。程序1370可以进一步包括为使用信号1346进入储存在存储媒体1347中的特征函数W的表达1360检索而编程的指令，以便依照程序1370中的指令获得相关联的Φ值。进一步包括在程序1370中的指令在被处理器1345执行的时候可以将所获得的Φ值乘以传感器和工作流体的性质，以便提供流量信号1355。然后，流量信号1355可以作为流过传感器导管的实际流体的准确指示提供给其它的装置、零部件和/或控制电路。
人们应该领会到，计算机1340可以是驻留在传感器1310上的，例如，嵌入式微控制器。作为替代，计算机1340可以是连同传感器1310一起操作的装置的一部份。例如，计算机1340可以是质量流量计或包括传感器1310作为零部件的质量流量计的一部份或者是位置靠近或远离传感器1320的分立式控制器的一部份。如同前面简要地讨论的那样，质量流量控制器往往包括处理器和存储器或者可以与举例来说有处理器和存储器可以用来实现本发明而且可以用来控制流体流量的通用计算机耦合。
传统的质量流量控制器通常包括四个主要部分流量计、控制阀门、阀门调节器和控制器。流量计测量流体在流动路径中的质量流速并且提供指示那个流速的信号。流量计可以包括质量流量传感器和旁路。质量流量传感器测量流体在与旁路流体耦合的传感器导管中的质量流速。流体在传感器导管中的质量流速与在旁路中流动的流体的质量流速近似地成比例，两者的总和是通过受质量流量控制器控制的流动路径的总流速。然而，人们应该领会到，一些质量流量控制器可能不使用旁路，所以，流体可能全部流过传感器导管。
在许多质量流量控制器中，使用热质量流量传感器，该传感器包括类似于结合图1描述的一对按隔开的位置围绕着传感器导管缠绕的电阻，每个电阻都有随温度变化电阻值。控制阀门可以放置在主要的流体流动路径中(通常在旁路和质量流量传感器的下游)而且能受到控制(例如，打开或关闭)以改变质量流量控制器提供的流过主要的流体流动路径的流体的质量流速。阀门通常受阀门调节器控制，阀门调节器的例子包括螺线管调节器、压电型调节器、步进电机调节器等等。一些质量流量控制器可能不包括阀门或阀门调节器而是起通用质量流量计的作用。
控制电子器件以指示需要由质量流量控制器提供的流体的质量流速的设定点和指示在传感器导管中流动的流体的实际质量流速的来自质量流量传感器的流量信号为基础控制调节阀的位置。然后，诸如比例控制、积分控制、比例-积分(PI)控制、导数控制、比例-导数(PD)控制、积分-导数(ID)控制和比例-积分-导数(PID)控制之类传统的反馈控制方法被用来控制流体在质量流量控制器中的流动。在上述的每种反馈控制方法中，控制信号(例如，调节阀驱动信号)是基于以指示预期的流体质量流速的设定点信号和与质量流量传感器检测的实际质量流速有关的反馈信号之间的差值为基础的误差信号产生的。质量流量控制器的一个实例是在通过引证在此被全部并入的美国专利申请第10/131,603号中描述的。
图14举例说明依照本发明的一个实施方案的质量流量控制器的示意方框图。图14举例说明的质量流量控制器包括流量计1410、控制器1450、阀门调节器1460和阀门1470。流量计1410与流动路径1403耦合。流量计1410检测流体在流动路径或部分流动路径(例如，传感器导管)中的流速并且提供指示检测到的流速的流量信号FS2。流量信号FS2被提供给增益超前滞后(GLL)控制器1450的第一输出端。
控制器1450还包括接受设定点信号SI2的第二输入。设定点指的是将由质量流量控制器1400提供的预期流体流量的指示。任何能够提供预期流体流量的指示的信号都被看作适当的设定点信号。术语“设定点”不涉及特定信号一般描述代表预期流体流量的数值。
部份地基于流量信号FS2和设定点信号SI2，GLL控制器1450将驱动信号DS提供给控制阀门1470的阀门调节器1460。阀门1470可以放置在流量计1410的下游，然而本发明不局限于此，因为阀门可以另外选择被安排在流量计上游。阀门允许特定的质量流速至少部份地取决于阀门的受控部分的位移。阀门的受控部分可以是，例如，跨过流动路径的横截面放置的可移动的柱塞。阀门通过增大或减小在横截面中允许流体流动的孔口面积控制流动路径中的流速。通常，质量流速是通过将阀门的受控部分机械地移置预期的数量控制的。术语“位移”通常用来描述质量流速至少部份地取决于它的阀门变量。
阀门的位移往往受诸如螺线管调节器、压电型调节器、步进电机调节器之类的阀门调节器的控制。在图14中，阀门调节器1460可以是螺线管型调节器，然而，本发明不局限于此，因为可以使用其它替代类型的阀门调节器。阀门调节器1460接受来自控制器的驱动信号DS并且把信号DS转换成阀门受控部分的机械位移。
控制器1450以这样的方式移置阀门1470，以便减少流量信号FS2指出的实际流量和SI2指出的预期流量之间的误差。不同的陈述是，控制器1450试图基于流量计1410的测量结果使实际流量与预期流量一致。因此，质量流量控制器操作的准确性取决于流量信号FS2多么准确地近似通过流动路径1403的实际流量。
如同前面讨论的那样，传统流量传感器的准确性可能取决于流过流动路径的流体类型、预期的流速以及被引进传感器的工作流体和可用的替代流体之间的相似性。此外，当通过流动路径的流量对于特定的工作流体在传感器响应曲线的线性范围之外的时候，流量信号的准确性可能受损害，达到不能用于某些应用和/或对使用它的工艺产生不利影响的程度。例如，当流量信号的准确性在半导体制造工艺的允差范围之外的时候，质量流量控制器可能不能令人满意地控制工艺或可能对诸如集成电路、计算机芯片之类的产品的生产合格率有不利的影响。
因此，在依照本发明的一个实施方案中，MFC 1400包括有处理器1445和存储器1447的计算机1440。计算机1440可以类似于结合图13描述的那个。具体地说，存储器1447可以是用传感器的特征函数的表达以及举例来说传感器性质和流体性质的数据库编码的。因此，计算机1440可以适合基于包括特征函数的表达在内的信息把传感器输出信号SO转换成流量信号FS2。
例如，计算机1440可以包括储存在存储器1447中被处理器1445执行的时候实现依照本发明的转换方法(例如，结合图7和图11描述的方法)的程序。因此，准确的流量指示对于任意的工作流体可以在实质上超过特定工作流体的线性范围的扩大的流速范围内直接从起因于任意流体的流动的传感器输出值获得。
人们应该领会到，计算机1440不需要是与控制器1450截然不同的独立的处理器，但是可以对应于用控制器1450实现的程序，反之亦然。此外，计算机1440和控制器1450不需要与MFC的其它零部件成为一个整体或靠近MFC的其它零部件，而且可以位于远处。
图15举例说明有远程计算机1580的质量流量控制器1500的示意方框图。MFC1500中的部分1505通常包括与MFC的流动路径1503耦合的零部件，例如，流量计1510、阀门调节器1560和与流动路径1503耦合的阀门1570。流量计1510可以是任何适合提供指示流体通过流动路径1503的流速的传感器输出信号(例如传感器输出SO)的装置。传感器输出SO可以提供给远程计算机1580的第一输出端。
远程计算机1580可以是任何基于处理器的装置或装置组合，例如，任何通用型的计算机，例如，基于Inter PENTIUM型的处理器、Motorola PowerPC处理器、Sun UltraSPARC处理器、Hewlett-Packard PA-RISC处理器或任何其它类型的处理器的那些。
例如，远程计算机1580可以包括处理器1545和存储器1547。存储器1547可以如同结合图13描述的存储器那样用类似的信息编码。具体地说，存储器1547可以包括传感器的特征函数的表达1549和，例如，传感器性质和流体性质的数据库。存储器1547还可以包括一个或多个包括在处理器1545上执行时可以基于包括在特征函数的表达之中的信息依据传感器输出信号SO确定任意工作流体的流速的指令的程序1548。
除此之外，存储器1547可以包括一个或多个在处理器1545上执行时基于程序1548确定的流速和作为第二输入提供给远程计算机1580的设定点信号SI2确定驱动信号的在存储器中被程序性图解地描绘成控制器1550的程序。具体地说，控制器1550可以包括应用试图通过把驱动信号DS提供给控制阀门1570的阀门调节器1560减少程序1548提供的流速和设定点信号S12之间的差值的诸如比例控制、积分控制、PI控制、导数控制、PD控制、ID控制、PID控制、GLL控制之类各种不同的反馈控制方法的指令。
在许多使用流量传感器的装置中，适合输送流体的流动路径由传感器导管和旁路组成。图16举例说明包括有与转移一部分通过流动路径1603流动的流体的导管1620耦合的传感器电子器件1630(即，响应流体流动的电路)的流量传感器1610的MFC1600的示意方框图。流过流动路径1603的流体的其余部分往往作为主体部分通过旁路1640流动。旁路1640可以是以任何方式形成的，例如，由包装在一起形成流体可以借助它绕过传感器导管的路径的众多性质类似于传感器导管的管子或导管组成。流过导管1620的流体数量通常与在旁路1640中流动的流体数量成比例。
然而，在可以引进流动路径1603的流速范围内，导管1620中的流速和旁路1640中的流速之间的关系可能不是线性的。换言之，流过传感器导管的流体(被称为传感器流量)和流过旁路的流体(被称为旁路流量)之比并非对于所有的流速都恒定不变。
流动路径1603中的流速可以在零流量和某个满刻度流量值之间变换。传感器提供的一个或多个流量信号(例如，传感器输出SO)往往将被归一化，以致它们指示所述满刻度流量值的分数。例如，SO可以用满刻度流量这样归一化，以致数值0.0理想地指示没有流体流过流动路径，数值0.3指示流量为满刻度流量的30％，数值0.5指示流量为满刻度流量的50％，依此类推。然而，在实践中，这种线性关系由于下列两个不同的理由不可能产生(1)SO就传感器流量而论可能不是线性的；(2)传感器流量与旁路流量之比在预期的流速范围内可能不是常数。
在传统的流量传感器中，往往产生把传感器输出值(例如，传感器输出信号SO)变换成就通过流动路径的总流量而论有比传感器输出值实质上更线性的关系的指示流量值的线性化曲线。术语“指示流量”指的是为补偿传感器(即，传感器导管和传感器电子器件、旁路或两者)的误差和/或非线性基于传感器输出信号已被校正和/或调整的任何流量信号或流量指示。
术语“总流量”通常指的是流体通过流动路径的完全流速。因此，当流动路径由传感器导管组成的时候，总流流量等于传感器流量。当流动路径由传感器导管和旁路组成的时候，总流量等于传感器流量和旁路流量之和。
在传统的标定程序期间，一种或多种替代流体可以以多种流速引进流动路径。传感器可以用其数值连同通过传感器的相关联的总流速一起记录的传感器输出信号响应。这些记录数值可以指出就特定的替代流体而言总流量和传感器输出之间的关系。由于总流量和传感器输出之间预期的关系可能不是线性的，所以可以产生把每个传感器输出值变换成与总流量实质上有更线性的关系的指示流量值的线性化曲线。
然而，总流量和传感器输出之间的关系将因流体不同而改变，以致用于特定的替代流体的线性化曲线对于任意的工作流体可能不是有效的。为了补偿，传统方法已针对若干替代流体产生多样的线性化曲线。然后，在用工作流体操作期间使用针对最相似的替代流体产生的线性化曲线和应用常数转换因子。然而，这样的常数转换因子在很大程度上是经验的而且在流体的线性范围之外是非常不准确的。除了不准确之外，获得在针对很多替代流体产生线性化曲线时使用的标定测量结果是一个耗费时间的过程。
申请者已领会到，传统的转换因子部份地因为总流量和传感器输出之间的关系依照多样的影响随着流体变化而改变可能是不足的。如同申请者注意到的那样，这个关系可能有包括传感器流量和传感器输出之间的非线性和传感器流流量和旁路流量之间的非线性的多种成份。这两种成份可能随着流体变化有不同的改变而且用传统的转换因子往往不足以得到偿还或校正。
具体地说，从第一种流体变化到第二种流体可能导致传感器流量和传感器输出之间的关系以不同于总流量和传感器流量之间的关系的方式改变。例如，各自的成份可能受不同的流体性质或传感器的操作条件的影响。因此，在很大程度上凭经验的传统的转换因子不处理不同成份对传感器上的影响的独立变化，所以往往是不充分的。
申请者已经认识和领会到，通过使用依照本发明的传感器模型，传感器输出和传感器流量之间的关系能被表征而且能因流体而异地准确描述。这个关系的准确描述使拆开因传感器流量和传感器输出之间的非线性和传感器流量和旁路流量之间的非线性造成的影响变得容易，以致每种影响都能在用任意的工作流体操作的时候被单独校正。
因此，本发明的一个方面包括用使把流量计的行为分成若干组成部分变得容易以致每个组成部分的行为在用任意的工作流体操作的时候都能得到处理和/或得到单独的校正的测试流体获得标定测量结果。
图17举例说明本发明包括用测试流体标定传感器获得在用任意的工作流体操作传感器的时候通过使用传感器模型使分开校正传感器非线性和旁路非线性变得容易的标定测量结果的一个实施方案。
在步骤1710中，已知其热性质/物理性质的测试流体1701(例如，氮气)在传感器已与旁路耦合之前被引进传感器。换言之，流动路径由传感器导管组成。使用上述的标定仪器将测试流体1701以各种不同的流速引进传感器导管，以致传感器用一组(S)预期的传感器输出值1103响应。引起预期的传感器输出值的流速是用诸如体积流量计之类的仪器测量的而且被记录下来，以致传感器流量和传感器输出之间的关系被获得。然后，可以将这个传感器响应信息1715作为标定测量结果1705的一部份储存起来。
在步骤1720中，传感器可以与旁路耦合，以致传感器的流动路径包括传感器导管和旁路。类似于步骤1710，可以将测试流体1701引进传感器流量路径以便提供在组S中各种不同的预期的传感器输出值，而且对应的流速被记录下来，以致在步骤1730中获得总流量和传感器输出之间的关系。这个总响应信息1735可以进一步作为标定测量结果1705的一部份被储存起来。
在步骤1740中，可以产生在应用于由测试流体的流动产生的传感器输出值的时候把传感器输出值变换成实质上与总流量呈线性关系的指示流量值的线性化曲线。这条线性化曲线1745也可以作为标定测量结果1705的一部份储存起来。
例如，曲线可以作为传感器输出的函数借助那组点的分段线性近似与指示总流速的那组点拟合。然后，一条线性化曲线可以确定下来，它这样把沿着总流量曲线的数值变成沿着一条直线的数值，以致传感器输出和总流量之间的关系对于测试流体是线性的。例如，线性化曲线可以是通过完成总流量曲线性对连接零流量下的传感器输出值和满刻度流量下传感器输出值的一条直线的最小二乘拟合产生的。产生线性化曲线或线性化信息的各种不同的方法对于熟悉这项技术的人将会发生。然而，任何把总流量曲线实质上变换成一条直线的方法都被看作是在本发明的范围之内。
如同前面描述的那样获得的各种不同的标定测量结果可以被储存起来，例如，作为图16的计算机1680的存储器直的标定测量结果1687，而且随后被用于使单独校正传感器和旁路对用任意的工作流体操作的响应变得容易。
人们应该领会到，那组指示传感器流量和传感器输出之间的关系的点是传感器响应曲线(例如，那组在步骤1710中获得的并且储存在标定测量结果1705中的点)。因此，连同依照本发明的传感器模型，用测试流体获得的传感器响应曲线包括关于传感器的特征信息。换言之，特征函数的表达可以通过把传感器模型应用于测试流体的传感器响应曲线获得。特征函数的这个表达可以使针对任意的工作流体计算传感器响应曲线变得容易。通过确定工艺传感器响应曲线，传感器行为能独立于旁路行为得到校正。
再一次参照图16，传感器1610可以与有处理器1685和存储器1686的计算机1680耦合。存储器1686可以储存在传感器标定期间如同前面结合图17描述的那样使用测试流体获得的各种不同的标定测量结果1687。具体地说，存储器1686可以包括测试流体的传感器响应曲线、测试流体的总流量响应曲线和与总流量响应曲线相对应的线性化曲线。除此之外，存储器1686可以包括至少一个包含在用处理器1685执行的时候把传感器输出值变换成特征值和对应于传感器的特征函数的运算元数值的流速的指令的程序。除此之外，储存在存储器1686中的一个或多个程序可以包括为存取特征函数的表达而配置的指令，以便如同结合前面描述的各种不同的实施方案讨论的那样获得相关联的运算元数值和依据获得的运算元数值计算流速。
图18举例说明依照本发明的一种方法，该方法可以通过处理器(例如，处理器1685)执行储存在存储器(例如，存储器1686)中的一个或多个程序得以完成，以便分开和单独校正传感器用任意流体操作时的传感器效应和旁路效应。当超过，当需要用不同于测试流体的工作流体操作传感器(例如，合并在MFC 1600中的传感器1610)的时候，为了补偿在用不同的流体操作的时候传感器可能呈现的行为差异，标定期间产生的线性化曲线可能需要校正。在步骤1810中，在传感器标定期间获得的测试流体的总流量响应曲线可以除以也在传感器标定期间获得的测试流体的传感器响应曲线。
人们应该领会到，因为在测试流体条件下传感器响应曲线指出传感器流量和传感器输出之间的关系而总流量曲线指出总流量和传感器输出之间的关系，所以这个结果是传感器流量和总流量之间的关系的指示，也就是说，它代表旁路流量曲线。因此，关于测试流体的传感器效应和旁路效应已被分开，也就是说，两条曲线(1)测试传感器响应曲线和(2)测试旁路流量曲线已与总流量响应曲线分离。测试传感器响应曲线可以在传感器校正1815中得到校正而旁路流量曲线可以在旁路校正1850中得到校正。
在传感器校正1815中，测试传感器响应曲线可以依照上文描述的各种不同的方法被转换成工艺传感器响应曲线。具体地说，在步骤1820中，测试传感器响应曲线之中的每个传感器输出值都可以使用测试流体的至少一种性质变换成特征值。例如，传感器输出值可以乘以测试流体的比例系数和除以测试流体的导热系数。测试传感器响应曲线性的每个流速值可以使用至少一种传感器性质和至少一种测试流体性质变换成运算元数值。例如，运算元数值可以用与通过传感器的流动相关联的雷诺数和测试流体的普朗特数的乘积算出。因此，可以获得传感器特征函数的表达。
在步骤1830中，除了用工作流体的性质代替测试流体的性质之外，采用与步骤1820相同的变换把测试传感器响应曲线的每个传感器输出值变换成特征值。例如，每个传感器输出值都可以乘以工作流体的比例系数和除以工作流体的导热系数。因为传感器模型确保用工作流体性质变换的特征值将沿着与用测试流体性质变换的特征值相同的曲线出现，所以这个信息能用来获得与工作流体的流动相关联的运算元数值。
在步骤1840中，依照工作流体算出的特征值用来检索在步骤1820中获得的特征函数的表达以便获得相关联的运算元数值。与每个所获得的运算元数值相关联的流速可以通过使用传感器和工作流体的性质反过来完成步骤1820的操作算出。因此，用于工作流体的传感器响应曲线可以通过使用传感器的特征函数的表达获得。人们应该领会到，工艺传感器响应曲线指出用于工作流体的传感器流量和传感器输出之间的关系，也就是说，传感器响应已得到独立于旁路响应的校正。
在旁路校正1850中，在步骤1810中从测试总流量响应曲线中分离出来的测试旁路曲线可以得到校正，以补偿用工作流体操作时旁路的行为。在一个实施方案中，假定旁路曲线从一种流体到另一种流体实质上保持不变，以致测试旁路曲线被看作等于工艺旁路曲线。在其它的实施方案中，可以假定旁路曲线取决于包括旁路和传感器的物理性质在内的多种因素，例如，传感器导管和旁路之间的长度差、诸如工作流体的粘度、温度之类的一种或多种工作流体物理性质。因此，测试旁路曲线可以依照各种不同的描述用不同的流体操作时旁路的行为怎样改变的模型之中的任何模型被校正和/或转换成工艺旁路曲线。
在步骤1860中，工艺传感器响应曲线被乘以工艺旁路曲线以获得用工作流体时传感器的工艺总流量响应曲线。因此，在步骤1870中，把工艺总流量响应曲线的数值变换成实质上一条直线的工艺线性化曲线可以算出。以这种方式，用任意的工作流体操作的流量传感器的线性化曲线可以从在用单一测试流体标定传感器期间获得的标定测量结果获得。
尽管已详细地描述了本发明的一些实施方案，但是各种不同的修正方案和改进方案对于熟悉这项技术的人是很容易的。这样的修正方案和改进方案倾向于落在本发明的范围之内。虽然在此提交的一些例子包括一些函数或结构要素的特定组合，但是人们应该理解，那些函数和要素可以依照本发明以其它方式合并，实现相同的或不同的目的。具体地说，结合一个实施方案讨论的行为、要素和特征不倾向于被拒绝在其它的实施方案中起类似的作用。因此，前面的描述仅仅作为例子，而不倾向于作为限制。本发明只受权利要求书及其等价文件所定义的条款限制。
权利要求
1.一种产生传感器的特征信息的方法，其中包括下述行为针对众多传感器输出值之中的每个数值测量测试流体经过传感器的传感器导管的流速数值；记录与众多传感器输出值之中相应的数值相关联的每个流速；以至少一种传感器性质和测试流体的第一性质为基础将每个流速转换成对应的运算元数值；以测试流体的第二性质为基础将众多传感器输出值之中的每个数值变换成众多特征值之中对应于的特征值；以及储存至少一个使每个运算元数值与相应的特征值相关联的表达。
2.根据权利要求1的方法，其中转换每个流速的行为包括至少部份地基于传感器的传感器导管的横截面积和传感器的特征长度将每个流速转换成对应的运算元数值的行为。
3.根据权利要求1的方法，其中转换每个流速的行为包括至少部份地基于与通过传感器的流动相关联的雷诺数将每个流速转换成对应的运算元数值的行为。
4.根据权利要求1的方法，其中转换每个流速的行为包括至少部份地基于与测试流体相关联的普朗特数将每个流速转换成对应的运算元数值的行为。
5.根据权利要求1的方法，其中转换每个流速的行为包括至少部份地基于与通过传感器的流动相关联的雷诺数和与测试流体相关联的普朗特数的乘积将每个流速转换成对应的运算元数值的行为。
6.根据权利要求1的方法，其中转换每个流速的行为包括基于至少一个视流体而定的比例系数将每个流速转换成对应的运算元数值的行为。
7.根据权利要求1的方法，其中变换众多传感器输出值之中每个数值的行为包括至少基于测试流体的导热系数把众多传感器输出值之中的每个数值变换成众多特征值之中相应的特征值的行为。
8.根据权利要求1的方法，其中变换众多传感器输出值之中每个数值的行为包括基于至少一个视流体而定的比例系数把众多传感器输出值之中的每个数值变换成众多特征值之中相应的特征值的行为。
9.根据权利要求1的方法，其中转换每个流速的行为和变换众多传感器输出值之中的每个数值的行为是依照下述关系完成的W(g·ρQLA·cpκ)=f·Sκ,]]>其中ρ是测试流体的密度，Q是流体体积流速，L是传感器导管的特征长度，A是传感器导管的横截面积，cp是测试流体的比热，κ是测试流体的导热系数，而f和g分别是视流体而定的第一常数和第二常数。
10.根据权利要求1的方法，其中储存至少一个表达的行为包括把众多特征值与相应的运算元数值联系起来储存在查询表中的行为。
11.根据权利要求1的方法，进一步包括储存为至少部份地基于传感器的至少一种性质将流速转换成运算元数值而配置的变换的行为。
12.根据权利要求1的方法，进一步包括储存为依照下述关系将流速转换成运算元数值而配置的第二变换的行为Φ=g·ρQLA·cpκ]]>其中Φ是运算元数值，ρ是测试流体的密度，Q是流体的体积流速，L是传感器导管的特征长度，A是传感器导管的横截面积，cp是测试流体的比热，κ是测试流体的导热系数，而g是取决于测试流体的常数。
13.根据权利要求1的方法，进一步包括储存为依照下述关系将传感器输出值转换成特征值而配置的第一变换的行为c=f·Sκ,]]>其中c是特征值，S是起因于测试流体的流动的传感器输出值，κ是测试流体的导热系数，而f是与测试流体相关联的视流体而定的常数。
14.根据权利要求1的方法，其中记录与众多传感器输出值之中相应的数值相关联的每个流速的行为包括用至少一个内插函数表达这种联系的行为。
15.根据权利要求14的方法，其中内插函数至少是样条、三角函数和代数函数之一。
16.根据权利要求1的方法，进一步包括基于众多的特征值创建传感器的特征函数的行为。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括下述行为测量与工作流体通过传感器导管的流速有关的工艺传感器输出值；基于工作流体的第一性质将工艺传感器输出值变换成第一工艺特征值；通过用第一工艺特征值检索特征函数获得包括一个流速成份、一个与那至少一种传感器性质有关的成份和至少一个流动性质成份的第一工艺运算元数值；以及使用至少一种传感器性质和工作流体的第二性质来确定第一工艺运算元数值的流速成份，提供工作流体通过传感器导管的流速的指示。
18.根据权利要求17的方法，其中确定流速成份的行为包括至少使用与传感器流量相关联的雷诺数和工作流体的普朗特数之一把流速成份与第一工艺运算元数值分开的行为。
19.根据权利要求18的方法，其中确定流速成份的行为包括使用一个与工作流体相关联的常数依据第一工艺运算元数值确定流速成份的行为。
20.根据权利要求17的方法，其中变换工艺传感器输出值的行为包括基于工作流体的导热系数把工艺传感器输出值变换成第一工艺特征值的行为。
21.根据权利要求17的方法，其中传感器的流动路径包括传感器导管和旁路，而且传感器包括其中包括测试传感器对测试流体的响应曲线和对测试流体的总的测试响应曲线的标定测量结果，总的测试响应曲线反映从测试流体在传感器导管和旁路中的流动取得的标定测量结果。
22.根据权利要求21的方法，进一步包括依照特征函数把测试传感器响应曲线变换成工作流体的工艺传感器响应曲线的行为。
23.根据权利要求24的方法，其中变换测试传感器响应曲线的行为包括基于特征函数为每个工艺特征值确定一个相关联的工艺运算元数值的行为。
24.根据权利要求23的方法，其中变换测试传感器响应曲线的行为包括基于至少一种传感器性质和第二工艺流动性质依据每个运算元数值确定工艺流速的行为。
25.根据权利要求24的方法，其中工艺流速和测试传感器输出值形成工艺传感器响应曲线。
26.根据权利要求25的方法，进一步包括总的测试响应曲线除以测试传感器响应曲线提供旁路流动曲线的行为。
27.根据权利要求26的方法，进一步包括旁路流动曲线乘以工艺传感器响应曲线提供总的工艺流动响应曲线的行为。
28.根据权利要求27的方法，进一步包括提供为将总的工艺响应曲线的数值实质上变换成一条直线而配置的线性化曲线的行为。
29.一种用特征函数的表达和在至少一个处理器上执行的程序编码的计算机易读的媒体，该程序在那至少一个处理器上运行的时候实现依照权利要求1-28之中任何一项产生传感器的特征信息的方法。
30.根据权利要求1的方法，进一步包括将传感器与旁路耦合的行为。
31.根据权利要求30的方法，进一步包括针对众多传感器输出值之中的每个数值测量包括通过传感器导管和旁路的流速的总流速数值并且记录每个与众多传感器输出值之中相应的数值相关联的总流速数值形成测试流体的总流动响应曲线的行为。
32.一种流量传感器，其中包括适合传送流体的导管；与所述导管耦合为产生指示任意流体通过导管的流速的传感器输出信号而配置的电路；以及储存包括流量传感器的特征函数的至少一个表达的信息的至少一个存储媒体。
33.根据权利要求32的流量传感器，其中那至少一个表达将测试流体通过所述导管的众多流速之中的每个流速与相应的起因于所述传感器对众多测试流体流速的响应的传感器输出值联系起来。
34.根据权利要求33的流量传感器，其中所述电路是为至少基于所述导管的横截面积、所述导管的特征长度、测试流体的导热系数和测试流体的比热之一将每个流速转换成运算元数值而配置的。
35.根据权利要求34的流量传感器，进一步包括为在那至少一个存储媒体上存取信息而配置的至少一个处理器。
36.根据权利要求34的流量传感器，其中所述的处理器是接受传感器输出信号和基于所述的特征函数将传感器输出信号转换成流量信号而配置的；
37.根据权利要求33的流量传感器，其中那至少一个存储媒体包括适合用电子学方法储存信息并且用至少一个程序编码的计算机易读的媒体，那至少一个处理器是为运行那至少一个程序而配置的。
38.根据权利要求37的流量传感器，其中那至少一个程序包括基于至少一种传感器性质和测试流体的至少一种流动性质将众多流速转换成众多运算元数值的指令。
39.根据权利要求38的流量传感器，其中所述的运算元数值至少包括与通过所述传感器的流动相关联的雷诺数和与测试流体相关联的普朗特数之一。
40.根据权利要求39的流量传感器，其中所述运算元数值包括视流体而定的比例系数。
41.根据权利要求33的流量传感器，其中那至少一个程序包括基于任意流体的至少一种性质将起因于任意流体通过所述导管的流量的传感器输出值转换成特征值的指令。
42.根据权利要求41的流量传感器，其中所述的特征值至少以任意流体的导热系数为基础。
43.根据权利要求42的流量传感器，其中所述的特征值至少以与任意流体相关联的视流体而定的比例系数为基础。
44.根据权利要求37的流量传感器，其中那至少一个程序包括依照流量传感器的特征函数的那至少一个表达把传感器输出信号转换成流量信号的指令。
45.根据权利要求41的流量传感器，其中那至少一个程序包括依照所述的特征值为获得相关联的运算元数值完成对储存在那至少一个特征函数表达中的数值的内插的指令。
46.根据权利要求45的流量传感器，其中那至少一个程序包括为使用那至少一种传感器性质和任意流体的至少一种流动性质依据相关联的运算元数值确定流速而配置的指令。
47.根据权利要求44的流量传感器，其中那至少一个程序包括依照下述关系把传感器输出信号转换成流量信号的指令W(g·ρQLA·cpκ)=f·Sκ,]]>其中ρ是任意流体的密度，Q是流体的体积流速，L是导管的特征长度，A是导管的横截面积，cp是任意流体的比热，κ是任意流体的导热系数，而f和g是与任意流体相关联的视流体而定的第一和第二常数。
48.根据权利要求37的流量传感器，进一步包括将导管和旁路包括在内的流动路径。
49.根据权利要求48的流量传感器，其中那至少一个存储媒体是用在测试流体上标定传感器期间获得的包括测试流体的测试传感器响应曲线和测试流体的测试总流量响应曲线的标定测量结果编码的。
50.根据权利要求49的流量传感器，其中那至少一个程序包括为从总流量响应曲线产生旁路流量曲线而配置的指令。
51.根据权利要求50的流量传感器，其中那至少一个程序包括为基于传感器的至少一个特征函数表达把测试传感器响应曲线变换成工艺传感器响应曲线而配置的指令。
52.根据权利要求51的流量传感器，其中那至少一个程序包括为基于至少一种第一测试流体性质将测试传感器响应曲线的每个传感器输出值变换成测试特征值而配置的指令和为基于至少一种传感器性质和至少一种第二测试流体性质针对传感器的第一特征函数表达将测试传感器响应曲线的每个流速变换成运算元数值而进一步配置的指令。
53.根据权利要求52的流量传感器，其中那至少一个程序包括为基于至少一种第一工作流体性质将测试传感器响应曲线的每个传感器输出值变换成工艺特征值而配置的指令和为用所述的工艺特征值检索特征函数的第一表达获得相关联的运算元数值而进一步配置的指令。
54.根据权利要求53的流量传感器，其中那至少一个程序包括为基于所述的至少一种传感器性质和至少一种工作流体性质依据每个所获得的相关联的运算元数值确定工艺流速而配置的指令。
55.根据权利要求54的流量传感器，其中工艺流速和测试传感器响应曲线的传感器输出值形成工艺传感器响应曲线。
56.根据权利要求55的流量传感器，其中那至少一个程序包括把工艺传感器响应曲线和旁路曲线结合起来形成用于工作流体的工艺总流量响应曲线的指令。
57.根据权利要求56的流量传感器，其中那至少一个程序包括为依据工艺总流量响应曲线产生把工艺总流量响应曲线实质上变换成直线的线性化曲线而配置的指令。
58.根据权利要求32的流量传感器，其中那至少一个存储媒体包括储存在测试流体上标定流量传感器期间获得的流量传感器的特征函数表达的数据结构，该数据结构包括众多入口，每个入口都有第一字段和第二字段；其中第一字段识别基于测试流体的至少一种第一性质依据流量传感器的传感器输出值算出的特征值，而第二字段识别依据与传感器输出值相对应的流速、传感器的至少一种性质和测试流体的至少一种第二性质算出的运算元数值。
59.根据权利要求58的数据结构，其中第二字段包含至少从与通过流量传感器的流动相关联的雷诺数和测试流体的普朗特数之一算出的运算元数值。
60.根据权利要求59的数据结构，其中至少第一字段和第二字段之一包含依据与测试流体相关联的比例数值算出的运算元数值。
61.根据权利要求58的数据结构，其中第一字段包含至少依据测试流体的导热系数算出的特征值。
62.根据权利要求37的流量传感器，其中储存在计算机易读媒体上的信息包括在用测试流体标定流量传感器期间获得的流量传感器的特征函数的至少一个表达的编码。
63.根据权利要求62的流量传感器，其中所述编码包括众多成双成对的数值，众多成双成对的数值之中每对数值的第一数值代表测试流体通过传感器导管的流速，而众多成双成对的数值之中每对数值的第二数值代表起因于在对应的流速下测试流体的流量的传感器输出值。
64.根据权利要求63的流量传感器，其中所述编码包括为基于任意流体的至少一种性质将起因于任意流体的流量的传感器输出值转换成特征值而配置的第一变换和为基于至少一种传感器性质和至少一种第二测试流体性质将相应的流速转换成运算元数值而配置的第二变换。
65.根据权利要求62的流量传感器，其中所述编码包括众多与相应的运算元数值联系起来储存的特征值，众多特征值之中的每个数值都是基于至少一种第一测试流体性质依据起因于通过传感器的测试流体的流量的传感器输出值算出的，而每个相应的运算元数值是基于至少一种传感器性质和至少一种第二测试流体性质从通过传感器的测试流体的流量算出的。
66.一种质量流量控制器，其中包括依照权利要求32-65之中任何一项的流量传感器；与所述的流量传感器耦合适合至少部份地基于流量信号提供驱动信号的控制器；适合接受来自控制器的驱动信号的阀门调节器；以及与流动路径耦合的阀门，该阀门适合依据阀门受控部分的位移准许通过流动路径的流动。
全文摘要
一种依照有关于流速运算的传递函数、至少一种传感器性质和至少一种流动性质的传感器模型在传感器标定期间从测试流体获得至少一个传感器特征函数的表达以及使用那至少一个特征函数的表达确定用任意流体操作期间通过传感器的流速的方法。
文档编号G01F1/696GK1795369SQ200480014377
公开日2006年6月28日 申请日期2004年3月25日 优先权日2003年3月26日
发明者王均, 约翰·M·卢尔, 威廉·S·华伦蒂尼 申请人:迅捷公司