BRPI0213503B1 - controlador de fluxo de massa coriolis de alta pureza - Google Patents

Abstract

"controlador de fluxo de massa coriolis de alta pureza". trata-se de um dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa (100) que inclui um invólucro (101) com um medidor de fluxo de massa coriolis (50, 112) situado no mesmo. o medidor de fluxo de massa coriolis (50, 112) possui um tubo de fluxo feito de um material plástico de alta pureza, um acionador (d) acoplado com o tubo de fluxo para vibrar o tubo de fluxo e um sensor acoplado com o tubo de fluxo para perceber as deflexões coriolis do tubo de fluxo que vibra (52). uma válvula de restrição (110, 120) inclui um tubo elastomérico (126) feito de um material plástico de alta pureza em comunicação de fluido com o tubo de fluxo. um atuador (122) com um carneiro (124) operativamente conectado com, o mesmo está situado adjacente ao tubo elastomérico (126) e uma superfície de referência (128) está posicionada geralmente oposta ao carneiro de modo que o tubo elastomérico possa ser espremido entre o carneiro e a superfície de referência. um controlador (114) também pode ser proporcionado, o qual recebe um sinal de saída a partir do medidor de fluxo coriolis (50, 112) e proporciona um sinal de saída para o atuador da válvula de restrição (112) em resposta ao sinal de saída do medidor de fluxo e a um sinal de ponto de ajuste.

Description

"CONTROLADOR DE FLUXO DE MASSA CORIOLIS DE ALTA PUREZA" REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDOS RELACIONADOS O presente pedido está relacionado com os Pedidos de Patente dos Estados Unidos intitulados "High Pu-rity Fluid Delivery System", "Flowmeter for the Precision Measurement of an Ultra-Pure Material Flow", "Methods of Manufacturing a PFA Coriolis Flowmeter", "Manufacturing Mass Flow Meters Having a Flow Tube Made of a Fluoropoly-mer Substance" e "Compensation Method for a PFA Coriolis Flowmeter" , cada um dos quais depositado no mesmo dia que este pedido. As descrições como um todo dos pedidos de referência são incorporadas aqui dentro por referência.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

1 . CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção relaciona-se em geral com a medida e controle de fluxo de fluido e, mais particularmente, com os controladores de fluxo de massa Coriolis que são adequados para uso em aplicações ultra-puras ou corrosivas, ou com outras aplicações não compatíveis com os fluxímetros Coriolis de metal padrão.

2 . DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA Várias indústrias, tais como de semicondutores, farmacêutica e de biotecnologia experimentam os problemas de distribuição de fluido devido às taxas de fluxo tipicamente baixas, ao uso de fluidos químicos abrasivos, ao uso de fluidos químicos corrosivos e à necessidade de distribuição de fluido e/ou de sistemas de mistura em tempo real compactos, precisos e livre de contaminantes.

Um sistema de distribuição de fluido geralmente consiste de três componentes: a propulsão do fluido, a medida e controle do fluido e uma interface com o usuário. Vários sistemas atuais utilizam uma bomba de deslocamento positivo, tal como uma bomba peristáltica, para executar todas as três tarefas. A bomba impele o fluido a partir do recipiente de armazenamento até o processo ou reator. A bomba também move o fluido em uma taxa mais ou menos constante dependendo da velocidade da bomba, apesar da ação de bombeamento peristáltico causar uma pulsação na taxa de distribuição do fluido. A interface com o usuário consiste em ajustar a velocidade da bomba ou simplesmente ligar e desligar a bomba. Este método não proporciona o controle de fluxo muito preciso e a ação de bombeamento e a geometria interna da bomba podem contaminar ou causar dano ao fluido. A bomba peristáltica não proporciona a realimen-tação de circuito fechado em relação à medida do fluxo. Em adição, uma vez que ela é um sistema de distribuição volumétrico, a quantidade de fluido varia com as condições de alteração do processo tal como pressão, temperatura, etc. A tubulação da bomba também desgasta-se com o tempo, alterando o volume de fluido distribuído sem alteração na velocidade da bomba. Quando o processo exige a distribuição precisa do fluido, também é comum verificar a taxa de distribuição por manualmente se medir a quantidade de fluido em uma escala ou recipiente graduado du- rante um período de tempo. Um típico sistema de mistura em lote é apresentado na Figura 1. Vários fluidos, A até N, fluem dentro de um recipiente 11 colocado em uma escala 12. Um fluido é permitido de correr através de uma válvula de fluxo 13 por vez. O total da ecala é examinado e quando a quantidade desejada de Fluido A foi adicionada, a válvula 13 é fechada. O mesmo processo é repetido com os fluidos restantes. Eventualmente, uma mistura total é obtida. Se muito ou pouco de qualquer fluido tiver sido adicionado, o processo deve continuar até que a massa apropriada de cada fluido, dentro de uma faixa de erro aceitável, tenha sido adicionada.

Outra maneira de se abordar conhecida utiliza um sensor de nível para medir o volume de cada fluido da mistura à medida que ele está sendo adicionado para o recipiente. Isto requer um conhecimento muito preciso do volume do recipiente com pequenos incrementos da altura do recipiente. A Planarização Químico-Mecânica (CMP) é um processo crítico na indústria de semicondutores, que envolve um processo para nivelar a superfície da lâmina de um semicondutor por aplicar um fluido ultra-puro contendo partículas sólidas suspensas e uma agente reativo entre a superfície da lâmina e uma plataforma de polimento. Na maioria das aplicações, a plataforma de polimento gira a uma velocidade controlada junto ao semicondutor para nivelar a superfície. Polir além do requerido a lâmina pode resultar em alterar ou em remover estruturas críticas da lâmina. Inversamente, o polimento abaixo do requerido da lâmina pode resultar em lâminas inaceitáveis. A taxa de polimento da lâmina é altamente dependente da taxa de distribuição do fluido e da quantidade total de fluido distribuído durante uma operação de polimento.

Outro processo utilizado na indústria de semicondutores exigindo controle preciso dos fluxos de fluido e ambiente livre de contaminantes é o processo de fotoli-tografia. Como é conhecido na técnica, a fotolitografia é um processo que aplica um polímero sensível à luz, conhecido como revestimento protetor ou fotoprotetor, junto à superfície da lâmina. Uma fotomáscara contendo um padrão das estruturas a serem fabricadas na superfície da lâmina é colocada entre a lâmina coberta com o revestimento protetor e uma fonte de luz. A luz reage com o revestimento protetor por enfraquecer ou por fortalecer o polímero do revestimento protetor. Após o revestimento protetor ser exposto à luz, a lâmina é revelada com a aplicação de produtos químicos fluidos que removem o revestimento protetor enfraquecido. A distribuição precisa e repetitiva do revestimento protetor é essencial para de forma apropriada transferir o padrão. 0 revestimento protetor deve estar livre de contaminação à medida que qualquer "sujeira" na superfície irá causar um defeito no padrão final.

Uma modificação deste processo aplica um grande número de novos líquidos junto à superfície da lâmina para criar películas que irão se tornar uma parte inteiriça do semicondutor final. A função primária destas películas é atuar como um isolante entre os fios de condução elétrica. Uma variedade de materiais "spin-on" (seladores) estão sendo avaliados com uma ampla variedade de composições químicas e propriedades físicas. A diferença chave entre o processo de litografia e a deposição spin-on é que qualquer defeito na película (tal como uma lacuna, bolha ou partícula) é agora permanentemente embutida na estrutura do semicondutor e poderia resultar em dispositivos que não funcionam e uma perda financeira para o produtor do semicondutor.

Ambos os processos acontecem em uma ferramenta chamada de uma "pista". O propósito da pista é aplicar um volume preciso de fluido junto à superfície de uma lâmina estacionária ou girando ligeiramente. Etapas de processamento químico adicionais podem ser utilizadas para converter o líquido para a estrutura apropriada. Após a aplicação do líquido, a velocidade de rotação da lâmina é rapidamente aumentada e o líquido sobre a superfície da lâmina é girado para fora. Uma espessura consistente muito fina de líquido permanece a partir do centro da lâmina até a borda. Algumas das variáveis que afetam a espessura do líquido incluem o revestimento protetor ou viscosidade dielétrica, a concentração de solvente no revestimento protetor ou dielétrico, a quantidade de revestimento protetor/dielétrico distribuído, a velocidade de distribuição, etc.

Uma pista também irá proporcionar etapas de pro- cessamento adicionais após a aplicação do líquido que altera o liquido para um polímero utilizando um processo de cozimento que também remove qualquer solvente na película. A pista também controla o ambiente ao redor da lâmina para impedir alterações na umidade ou na temperatura e contaminantes químicos de afetar a performance da película. A performance do sistema de pista é determinada pela precisão e capacidade de repetição do líquido distribuído para a superfície da lâmina em adição a minimizar os defeitos na película causados por lacunas, bolhas e partículas .

Portanto, existe uma necessidade por uma solução eficiente, compacta e livre de contaminantes para os sistemas de distribuição de fluido para endereçar as deficiências associadas com a técnica anterior.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em um aspecto da presente invenção, um dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa inclui um invólucro com um fluxímetro de massa Coriolis situado no mesmo. O fluxímetro de massa Coriolis possui um tubo de fluxo feito de um material plástico com alta pureza, um acionador acoplado com o tubo de fluxo para vibrar o tubo de fluxo e um sensor de coleta acoplado ao tubo de fluxo para perceber as deflexões Coriolis do tubo de fluxo que vibra. Uma válvula de restrição inclui um tubo elastomé-rico feito de um material plástico com alta pureza em comunicação fluida com o tubo de fluxo. Um atuador com um êmbolo operacionalmente conectado ao mesmo está situado adjacente ao tubo elastomérico e uma superfície de referência está posicionada geralmente oposta ao embolo de modo que o tubo elastomérico possa ser pressionado entre o êmbolo e a superfície de referência. O tubo de fluxo e o tubo elastomérico da válvula de restrição podem ambos ser modelados a partir do PFA. Adicionalmente, estes tubos podem compreender um tubo único. Em outras modalidades, o tubo da válvula de restrição é modelado a partir de um material mais flexível, tal como silicone. Em algumas modalidades ilustrativas, um controlador que recebe um sinal de ponto de ajuste e um sinal de saída a partir do fluxímetro Coriolis e proporciona um sinal de controle de saída para o atuador da válvula de restrição em resposta ao mesmo. O controlador pode estar situado no invólucro, ou externo ao mesmo. De forma similar, a válvula de restrição pode estar posicionada dentro do invólucro, ou ligada a uma superfície externa do mesmo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Outros objetivos e vantagens da presente invenção irão se tornar aparentes quando da leitura da descrição detalhada seguinte e quando da referência aos desenhos, nos quais: A Figura 1 esquematicamente ilustra um sistema de mistura fora de linha da técnica anterior; A Figura 2 é um diagrama de blocos ilustrando um dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção; A Figura 3 é um diagrama de blocos ilustrando um dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa de acordo com outra modalidade ilustrativa da presente invenção ; A Figura 4 é um diagrama de blocos ilustrando um dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa de acordo com uma modalidade ilustrativa adicional da presente invenção; A Figura 5 é uma vista em perspectiva de um fluxímetro de massa Coriolis com alta pureza de acordo com os aspectos da presente invenção; A Figura 6 esquematicamente ilustra uma válvula de restrição com alta pureza de acordo com aspectos da presente invenção; A Figura 7 é um diagrama de blocos ilustrando um dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente invenção possuindo conexões de entrada e de saída do fluido em um lado do dispositivo; A Figura 8 é uma vista em perspectiva de um fluxímetro de massa Coriolis e do conjunto de válvula de restrição de acordo com aspectos da presente invenção; A Figura 9A esquematicamente ilustra um transdu-tor de pressão de alta pureza de acordo com a presente invenção; A Figura 9B ilustra uma modalidade alternativa de um transdutor de pressão de alta pureza contendo um sensor de safira encapsulado;

As Figuras 10 e 11 são vistas em perspectivas posterior e frontal, respectivamente, de um controlador de fluxo de massa Coriolis integrado de acordo com uma modalidade ilustrativa da invenção; A Figura 12 é uma vista explodida do controlador de fluxo de massa Coriolis integrado apresentado nas Figuras 10 e 11; e A Figura 13 é uma vista ampliada do conjunto de válvula de restrição do controlador de fluxo de massa Coriolis integrado apresentado nas Figuras 10 até 12.

Embora a presente invenção seja suscetível a várias modificações e formas alternativas, modalidades específicas da mesma foram apresentadas a título de exemplo nos desenhos e são aqui dentro descritas em detalhes. Entretanto, deve ser entendido que a descrição aqui dentro de modalidades específicas não é pretendida para limitar a invenção às formas particulares reveladas, mas, ao contrário, a intenção é cobrir todas as modificações, equivalentes e alternativas situando-se dentro do espírito e do escopo da invenção, como definidos pelas reivindicações anexas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Modalidades ilustrativas da presente invenção são descritas abaixo. No interesse de clareza, nem todos os aspectos de uma implementação real são descritos neste relatório descritivo. Obviamente, será apreciado que no desenvolvimento de qualquer tal modalidade, várias decisões específicas da implementação deverão ser tomadas para alcançar as metas específicas dos desenvolvedores, tal como concordância com as exigências relacionadas com o sistema e relacionadas com a tarefa, as quais irão variar de uma implementação para outra. Além disso, será apreciado que tal esforço de desenvolvimento pode ser complexo e consumidor de tempo, mas apesar disso seria um empreendimento de rotina para os com conhecimento normal na técnica possuindo o benefício desta revelação. A Figura 2 esquematicamente ilustra um dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa de alta pureza 100 para controlar um material do processo de acordo com as modalidades ilustrativas da presente invenção. O dispositivo de controle 100 inclui um invólucro 101 possuindo uma entrada e saída de fluido 102, 103. Um fluxímetro de massa Coriolis 112 está situado no invólucro 101. O fluxímetro de massa Coriolis 112 possui um tubo de fluxo feito de um material plástico de alta pureza para impedir a contaminação do fluido do processo pela transferência de íons não desejados (por exemplo, metal) para o material do processo. Uma válvula de restrição 110, também possuindo componentes feitos de um material plástico de alta pureza para impedir a transferência de íons para o material do processo, está em comunicação de fluido com o fluxímetro 112. No diagrama de blocos da Figura 2, a válvula 110 é apresentada como estando situada totalmente dentro do invólucro 101. Em algumas modalidades, partes da válvula, ou toda a válvula, estão ligadas com uma superfície externa do invólucro 101.

Um controlador 114 recebe um sinal de ponto de ajuste e um sinal de saída a partir do fluxímetro 112. O controlador 114 condiciona e processa o sinal a partir do fluxímetro e emite um sinal de controle para a válvula 110 para variar a taxa de fluxo do material do processo baseado em uma comparação do ponto de ajuste com a taxa de fluxo medida. 0 ponto de ajuste informado para o controlador 114 tipicamente é um sinal eletrônico tal como um sinal de 0 até 5 V, com 4 até 20 mA ou um sinal digital. Uma interface de ponto de ajuste pneumático também podería ser utilizada. Um gerador de ponto de ajuste adequado é um controlador de processo modelo P48 disponível a partir da Red Lion Controls de York, Pennsylvania. 0 controlador 114 também pode possuir um aspecto normalmente conhecido como supressão de válvula, onde um sinal adicional é enviado para o controlador 114. Este sinal de supressão faz com que o controlador 114 ignore o ponto de ajuste e abra ou feche totalmente a válvula 110. Este aspecto é freqüentemente utilizado para cortar o fluxo ou para purgar o sistema. Na Figura 2, o controlador 114 é apresentado como estando posicionado no interior do invólucro 101, proporcionando um sistema de controle de fluxo totalmente integrado. Entretanto, em outras modalidades, o controlador 114 é externo ao invólucro 101. A válvula 110 regula o fluxo através do dispositivo 100 e ela também proporciona um armazenamento tempo- rário contra as alterações na pressão da linha. A válvula 110 pode ser posicionada a montante do fluxímetro de massa 112 como apresentado na Figura 2 ou a jusante, como na modalidade apresentada na Figura 3. Geralmente, é preferível ter a válvula 110 no lado em que ocorrerão as maiores variações de pressão durante o uso. Isto ajuda a proteger o fluxímetro 112 das alterações e flutuações de pressão.

As características de operação dos elementos de controle de fluxo e dos fluxímetros de massa podem ter alguma dependência da pressão de operação. Assim, pode ser desejável proporcionar um transdutor de pressão no controlador de fluxo de massa para propósitos de compensação como apresentado na Figura 4. Os transdutores de pressão 115, 116 estão situados na entrada e na saída 102, 103 do dispositivo. Alternativamente, o transdutor da entrada 113 ou o transdutor da saída 116 pode ser proporcionado, ao invés de ambos, dependendo da compensação desejada. Os transdutores de pressão 115, 116 também poderíam ser feitos inteiriços com o fluxímetro 112, ou serem inerentes à operação do fluxímetro. Várias aplicações, tais como aquelas associadas com as indústrias de semicondutor, farmacêutica e de biotecnologia, exigem que o caminho do fluxo (todas as superfícies molhadas pelo fluido do processo) dos sistemas de distribuição de fluido seja construído de materiais quimicamente inertes / resistentes, com alta pureza para proteger a pureza dos produtos químicos utilizados. Os plásticos são desejáveis porque os produtos químicos ultra puros utilizados nos processos de fabricação da lâmina do semicondutor podem ser contaminados se íons de metal forem lixiviados ou removidos dos tubos de fluxo de metal devido a uma variedade de processos mecânicos e químicos. Os materiais plásticos são resistentes à corrosão a uma ampla faixa de materiais de processo. Os plásticos da categoria de alta pureza portanto são utilizados nestas indústrias, uma vez que isto geralmente impede a transferência de íons não desejados para o material do processo. Em adição, o acabamento de superfície suave inerente na fabricação de tubo de fluxo de plástico reduz a capacidade de bactérias ligarem-se ao tubo e contaminarem o fluido com materiais orgânicos. O caminho umedecido do fluxímetro 112 é projetado de modo que ele não possua fissuras, fendas, etc., as quais poderiam abrigar bactérias. Um plástico com alta pureza adequado é o PFA (copolímero de perfluoralcóxi), o qual é um fluorpolímero avançado com resistência química e propriedades mecânicas superiores. Uma variedade de polímeros fluorados tal como o PVDF e o PTFE também são adequados.

Em adição a utilizar os materiais com alta pureza, o caminho do fluxo com alta pureza deve possuir um diâmetro constante e nenhuma intrusão ou vários caminhos de fluxo - um sensor de tubo duplo ou um caminho de fluxo curvo devem ser evitados. Isto minimiza a queda de pressão e reduz a taxa de cisalhamento sobre o fluído para um mínimo, o que é crítico em algumas indústrias e aplicações. Isto também impede a obstrução com certos materiais tal como lama. Em certas aplicações, é desejável fabricar o dispositivo 100 o menor possível. Portanto, as interco-nexões entre os elementos devem ser as mais curtas possíveis. Para facilitar isto, a tubulação plástica pode ser colocada no interior de um tubo de metal de ajuste preciso, o qual impede a tubulação plástica de enroscar-se quando curvada em um raio apertado.

Um fluxímetro de massa Coriolis ilustrativo possuindo um tubo de fluxo fabricado de um material plástico com alta pureza é apresentado na Figura 5. 0 fluxímetro Coriolis 50 possui um tubo de fluxo 52 inserido através das pernas 67, 68 de uma base 51. 0 tubo de fluxo 52 é feito de um material plástico com alta pureza, de preferência PFA. Os sensores de coleta LPO e RPO e o acionador D estão acoplados ao tubo de fluxo 52. 0 fluxímetro 50 recebe um fluxo do material do processo a partir de um tubo de suprimento 54 e estende o fluxo através de um conector 58 até o tubo de fluxo 52. 0 tubo de fluxo 52 é vibrado na sua freqüência de ressonância com o fluxo de material pelo acionador D. Os movimentos Coriolis resultantes são detectados pelos sensores de coleta LPO e RPO, os quais aplicam sinais através dos condutores 62 e 64 para os componentes eletrônicos do medidor (não apresentados) , os quais determinam a diferença de fase entre os movimentos Coriolis e aplica os sinais de saída baseado nos mesmos. Fluxímetros Coriolis adequados possuindo os tubos de fluxo com alta pureza são descritos em detalhes no pedido incorporado entitulado "Flowmeter for the Precision Measurement of an Ultra-Pure Material Flow".

Como com o fluxímetro de massa Coriolis 112, em aplicações de alta pureza, a válvula de restrição 110 deve ser feita de materiais que irão minimizar a contaminação do fluido. Além disso, a válvula 112 deve ser projetada para não ter lugares onde o fluido estagnado pode reunir-se e nenhuma parte deslizante ou de borracha que poderíam criar partículas no fluido. Uma válvula de restrição ilustrativa 120 de acordo com a presente invenção é conceitualmente ilustrada na Figura 6. Um atuador 122 está situado próximo a um tubo elastomérico 126, o qual está em comunicação de fluido com o tubo de fluxo do fluxímetro de massa Coriolis 112. Um pistão ou êmbolo 124 é movido pelo atuador 122 para seletivamente pressionar ou prender o tubo 126 junto a uma superfície de referência 128, assim variando o tamanho da abertura através da qual o fluido flui. 0 tubo 126 de preferência é feito de um elastômero ou plástico com alta pureza. Por exemplo, PFA, uma mistura incluindo materiais PFA e silicone são materiais adequados do tubo de restrição. A flexibilidade do tubo permite às paredes da tubulação conformarem-se ao redor de quaisquer partículas capturadas ou de imperfeições nas paredes para proporcionar uma vedação firme. 0 caminho do fluxo é direto, minimizando a queda de pressão e a turbulência. 0 fluido entra em contato somente com o tubo de fluxo 126, impedindo o desgaste ou a corrosão das outras partes da válvula e impedindo a contaminação de metal da lama no caso de aplicações com alta pureza, tal como nas operações de polimento de semicondutor. Em certas modalidades, o tubo de fluxo do fluxímetro 112 e o tubo elastomérico da válvula de restrição 110 são o mesmo tubo. A atuação das válvulas de restrição conhecidas é normalmente biestável - ligada e desligada. Algumas válvulas de restrição conhecidas possuem um atuador manual com uma alavanca com várias voltas, mas este tipo de válvula não seria conducente para o controle de fluxo de circuito fechado. Outras válvulas de restrição são utilizadas para aplicações de distribuição em processos em lote, nos quais a quantidade de material distribuído é controlada pelo tempo em que a válvula está ligada. Isto realmente não permite dinamicamente controlar a taxa de fluxo de um modo contínuo.

Uma válvula que possui somente dois estados pode ser controlada por se aplicar corrente ou voltagem variada junto ao atuador da válvula. Em uma modalidade, a modulação de amplitude de pulso (PWM) é utilizada para controlar a válvula. A PWM é alcançada por se gerar um sinal de onda quadrada em uma freqüência acima da freqüência de resposta mecânica da válvula. O ciclo de trabalho do sinal é variado para determinar a voltagem ou corrente apropriada enviada para o dispositivo. Por exemplo, se o sinal PWM operar entre 0 até 12 volts, 0% de ciclo de trabalho = 0 volts, 50% do ciclo de trabalho = 6 volts e 100% do ciclo de trabalho = 12 volts. A "determinação da média" acontece porque o sinal está em uma freqüência acima da freqüência de resposta mecânica da válvula. A posição da válvula é baseada na corrente média que é suprida. A voltagem de suprimento resultante é proporcional à largura do pulso do sinal.

Se a freqüência do sinal for muito baixa, a válvula terá tempo para responder totalmente aos sinais de ligar e desligar criando uma saída de fluxo pulsada, a qual geralmente não é desejável. Um atuador típico da válvula de restrição é um solenóide, o qual possui um elemento de mola com um ajuste de pré-carga que determina a corrente requerida para fechar o solenóide. Ajustar a pré-carga na mola de válvula pode aperfeiçoar a faixa de controle da válvula. Em outras implementações, o elemento de êmbolo do solenóide é substituído por um êmbolo suspenso por mola. 0 êmbolo suspenso por mola minimiza a resposta não linear da válvula devido à fricção, o que minimiza a histerese e a faixa morta comuns nas válvulas de retenção disponíveis atuadas por solenóide.

Uma maneira de se abordar para o solenóide controlado pela PWM é utilizar um atuador por motor de passo, o qual translada uma rotação angular determinística controlada para um acionamento linear do êmbolo por uma disposição do tipo parafuso sem fim. Os controladores de passo podem ser projetados para produzir um número específico de etapas proporcional a uma entrada de sinal analógico. A folga, e assim a histerese da válvula, pode ser minimizada por qualquer número de projetos de parafuso sem fim apropriados que minimizem a folga. Um motor de passo geralmente proporciona imunidade às flutuações de temperatura e de pressão, as quais podem causar alterações na tubulação de retenção. Um motor de passo é um dispositivo para controlar a posição, de modo que o motor de passo é imune às alterações na tubulação de retenção. Com uma válvula de retenção, o tubo de retenção é uma parte integral do sistema - corrente é aplicada junto ao atuador da válvula, a qual aplica a força para o tubo de restrição, o qual prende o tubo. Se as propriedades do tubo alterarem-se devido à temperatura ou à pressão, a quantidade de tubos se fecha, e assim a taxa de fluxo com um solenóide altera-se. Além disso, o atuador de passo pode permanecer na última posição para proporcionar uma resposta rápida para alcançar o ponto de ajuste no início de um ciclo de distribuição de fluido. 0 diagrama de blocos da Figura 2, por exemplo, apresenta a entrada de fluido 102 em um lado do invólucro 101, com a saída 103 no lado oposto do invólucro. A Figura 7 apresenta uma modalidade alternativa com a entrada e a saída 102, 103 na mesma extremidade do invólucro 101. Tal disposição pode ser particularmente desejável em aplicações onde as bombas peristálticas foram anteriormente utilizadas, desde que elas tipicamente possuem a entrada e a saída na mesma extremidade do dispositivo.

Um fluxímetro de massa Coriolis e a válvula de restrição de acordo com uma modalidade particular da pre- sente invenção são apresentados na Figura 8. O fluxímetro de massa Coriolis 50 é essencialmente o mesmo que o ilustrado na Figura 5. 0 atuador da válvula 70 está ligado com a base 51. 0 tubo elastomérico da válvula de retenção 72 inclui uma extremidade de entrada 73 conectada ao tubo de fluxo 52. A extremidade oposta do tubo de fluxo 52 está conectada à entrada de fluido 54. 0 tubo 72 estende-se entre uma superfície de referência 74 e o êmbolo ou pistão (não apresentado) do atuador 70 e uma extremidade de saída 76 do tubo 72, a qual está conectada a um tubo de retorno 78.

Como citado acima, para alcançar um sistema com alta pureza, todo o caminho do fluxo deve ser constituído de um material quimicamente inerte / resistente, com alta pureza. A Figura 9A esquematicamente ilustra um transmissor de pressão com alta pureza 330 com a conexão umedeci-da do processo incluindo o diafragma de pressão construído a partir de uma única peça de plástico com alta pureza. Um requerimento chave de qualquer instrumentação utilizada em um sistema de distribuição com alta pureza é que nenhum dos dispositivos possa ser uma fonte de vazamentos. As conexões roscadas são evitadas; o método preferido para fabricar as conexões do processo é o uso de uma vedação face a face. Fabricar a conexão do processo 360 a partir de uma única peça de plástico garante que não existam conexões roscadas, as quais podem ser uma fonte de vazamentos. O transmissor de pressão 330 inclui um suporte do sensor 358, o qual pode ser construído de polipropile-no, desde que o mesmo não seja parte do caminho do fluxo. Uma câmara de pressão 3360 construída de um material com alta pureza tal como PFA é aninhada no suporte do sensor 358. A câmara de pressão 360 define uma guia de admissão do fluido do processo 361 estendendo-se a partir da mesma. Para proporcionar a performance de medida de pressão estável, um sensor de pressão de cerâmica 362 está ligado com um diafragma de alta pureza 3 64 (por exemplo, um PFA com 1 mm de espessura) e qualquer relaxamento do plástico (também chamado de deslizamento) é compensado por anéis em 0 de elastômero 366 situados na parte de cima do sensor de cerâmica 362, os quais mantém o sensor de cerâmica junto do diafragma plástico 364 com uma força constante. Desta maneira, toda a parte umedecida do transmissor de pressão 330 é PFA ou outro material plástico com alta pureza adequado.

Um sensor de pressão alternativo 331 é apresentado na Figura 9B. 0 sensor de pressão 331 utiliza um sensor de pressão de pequena capacitância 370 construído de safira. O sensor é encapsulado em um material com alta pureza tal como PFA 372 e estende-se para dentro da câmara de pressão 360 de um modo tal que a pressão do fluido aperta o sensor 370. Uma vantagem da maneira de se abordar apresentada na Figura 9B é que nenhuma referência fixa, tal como uma estrutura robusta, é requerida para a medida precisa da pressão. 0 sensor de pressão encapsulado 370 é uma parte inteiriça da câmara de pressão 360 e é construído a partir de uma única peça de plástico com alta pureza.

As Figuras 10 até 12 ilustram vários aspectos de um controlador de fluxo de massa Coriolis integrado com alta pureza 400. O controlador integrado 400 inclui um invólucro 401 com uma placa plana 402 conectada a uma extremidade frontal. As conexões de entrada e de saída 404, 405 estendem-se a partir da placa plana 402, junto com outros controles de interface com o usuário 406. Situados no interior do invólucro 401 estão um fluxímetro de massa Coriolis 450 e um controlador PID eletrônico 412. Um conjunto de válvula de restrição 410 está ligada com a extremidade traseira do invólucro 401. Para clareza, o tubo da válvula de restrição não é apresentado na Figura 10. A Figura 13 apresenta o atuador 740 ligado com o invólucro 401 com o tubo da válvula de restrição 472 estendendo-se a partir dos conectores 471, formando um formato geralmente em U. A provisão da válvula 410 no exterior do invólucro 401 permite a manutenção fácil do conjunto de válvula 410, incluindo a substituição do tubo 472 à medida que necessário. Outros componentes do controlador 400 incluem um conjunto de interface 480, uma barreira térmica 482 e um espaçador do sensor 484.

As modalidades particulares descritas acima são somente ilustrativas, à medida que a invenção pode ser modificada e praticada de modos diferentes, mas equivalentes, aparente para os com conhecimento na técnica tendo o benefício das instruções aqui dentro. Adicionalmen- te, nenhuma limitação é pretendida junto aos detalhes da construção ou do projeto apresentados aqui dentro, diferentes dos descritos nas reivindicações abaixo. Portanto, é evidente que as modalidades particulares descritas acima podem ser alteradas ou modificadas e todas tais variações são consideradas dentro do escopo e do espírito da invenção. Por conseqüência, a proteção pensada aqui dentro é como exposto nas reivindicações abaixo.

REIVINDICAÇÕES

Claims (23)

1. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, CARACTERIZADO por compreender: um invólucro (101); um fluximetro de massa Coriolis (112, 50) situado no invólucro (101), o fluximetro de massa Coriolis (112, 50) incluindo um tubo de fluxo (52) feito de PFA, um acionador acoplado ao tubo de fluxo (52) para vibrar o tubo de fluxo (52) e um sensor de coleta (LPO, RPO) acoplado ao tubo de fluxo (52) para perceber as deflexões Coriolis do tubo de fluxo (52) que vibra; e uma válvula de restrição (110) incluindo um tubo elastomérico (126) feito de um material plástico com alta pureza em comunicação de fluido com o tubo de fluxo (52), um atuador (122) possuindo um êmbolo (124) operativamente conectado ao mesmo situado adjacente ao tubo elastomérico (126) e uma superfície de referência (128) geralmente oposta ao êmbolo (124) de modo que o tubo elastomérico (126) possa ser apertado entre o êmbolo (124) e a superfície de referência (128).

2. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicionalmente por compreender um controlador (114) recebendo um sinal de medida de saída a partir do fluximetro Coriolis (112, 50), o controlador (114) proporcionando um sinal de controle de saída para o atuador (122) da válvula de restrição (110) em resposta a um sinal de ponto de ajuste e ao sinal de saída do fluximetro de massa Corio- lis (112, 50) .

3. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador (114) está situado no invólucro (101) .

4. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a válvula de restrição (110) está situada no invólucro (101).

5. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o tubo elastomérico (126) da válvula de restrição (110) estende-se para o exterior do invólucro (101) .

6. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o atuador (122) da válvula de restrição (110) está liqado com uma superfície externa do invólucro (101) .

7. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicionalmente por compreender as conexões de entrada e de saída de fluido, as conexões de entrada e de saída estando situadas em uma extremidade do invólucro (101) .

8. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicionalmente por compreender as conexões de entrada e de saída de fluido, as conexões de entrada e de saída es- tando situadas em extremidades opostas do invólucro (101) .

9. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o tubo elastomérico (126) da válvula de restrição (110) está posicionado a jusante do tubo de fluxo (52) .

10. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o tubo elastomérico (126) da válvula de restrição (110) está posicionado a montante do tubo de fluxo ( 52) .

11. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o atuador (122) compreende um solenóide.

12. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o solenóide é controlado via um sinal modulado com a amplitude do pulso.

13. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o atuador (122) compreende um motor de passo.

14. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador (114) compreende um controlador PID.

15. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicionalmente por compreender um transdutor de pressão em comunicação de fluido com o tubo de fluxo (52).

16. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o transdutor de pressão está situado a montante do tubo de fluxo (52).

17. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o transdutor de pressão está situado a jusante do tubo de fluxo (52).

18. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicionalmente por compreender: um primeiro transdutor de pressão em comunicação de fluido com o tubo de fluxo (52) situado a montante do tubo de fluxo (52); e um segundo transdutor de pressão em comunicação de fluido com o tubo de fluxo (52) situado a jusante do tubo de fluxo (52) .

19. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, CARACTERIZADO por compreender: um invólucro (101); um fluximetro de massa Coriolis (112, 50) situado no invólucro (101), o fluximetro de massa Coriolis (112, 50) incluindo um tubo de fluxo (52) feito de PFA, um acionador acoplado ao tubo de fluxo (52) para vibrar o tubo de fluxo (52) e um sensor de coleta (LPO, RPO) aco- piado ao tubo de fluxo (52) para perceber as deflexões Coriolis do tubo de fluxo (52) que vibra; e uma válvula de restrição (110) incluindo um atu-ador (122) possuindo um êmbolo (124) operativamente conectado ao mesmo situado adjacente ao tubo de fluxo (52), e uma superfície de referência (128) posicionada geralmente oposta ao êmbolo (124) de modo que o tubo de fluxo (52) possa ser apertado entre o êmbolo (124) e a superfície de referência (128).

20. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO adicionalmente por compreender um controlador (114) recebendo um sinal de medida de saída a partir do fluxímetro Coriolis (112, 50), o controlador (114) proporcionando um sinal de controle de saída para o atuador (122) da válvula de restrição (110) em resposta a um sinal de ponto de ajuste e ao sinal de saída do fluxímetro de massa Coriolis (112, 50) .

21. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador (114) está situado no invólucro (101) .

22. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que o atuador (122) compreende um solenóide.

23. Dispositivo de medida e de controle de fluxo de massa, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que o atuador (122) compreende um motor de passo .