阅读说明：本技术 流体感测设备和质量流量控制器 (Fluid sensing apparatus and mass flow controller ) 是由 V·塔纳里 D·阿祖尼 M·迪亚兹 J·迪迪奥 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：包括流体流动通道的流体感测设备和质量流量控制器。该流体流动通道具有限流部分、该限流部分上游的第一位置处的第一流体端口、该限流部分下游的第二位置处的第二流体端口、与该第一流体端口和第二流体端口流体连通的流体传感器以及层流元件。该层流元件包含沿着该流体流动通道至少从该第一位置延伸到该第二位置的流稳定杆,以在该流体流动通道的外壁与该流稳定杆的外表面之间限定该流体流动通道的流体感测部分。该限流部分包括减小该流体流动通道的该流体感测部分的液压直径,这通过减小该流体流动通道的直径或增大该流稳定杆的直径或既减小该流体流动通道的直径又增大该流稳定杆的直径来实现。还提供包含此类流体感测设备的质量流量控制器。(A fluid sensing device comprising a fluid flow channel and a mass flow controller. The fluid flow channel has a flow restriction, a first fluid port at a first location upstream of the flow restriction, a second fluid port at a second location downstream of the flow restriction, a fluid sensor in fluid communication with the first and second fluid ports, and a laminar flow element. The laminar flow element includes a flow stabilization bar extending along the fluid flow channel at least from the first position to the second position to define a fluid sensing portion of the fluid flow channel between an outer wall of the fluid flow channel and an outer surface of the flow stabilization bar. The flow restriction includes reducing a hydraulic diameter of the fluid sensing portion of the fluid flow passage by reducing the diameter of the fluid flow passage or increasing the diameter of the flow stabilizer bar or both reducing the diameter of the fluid flow passage and increasing the diameter of the flow stabilizer bar. Mass flow controllers including such fluid sensing apparatus are also provided.)

流体感测设备和质量流量控制器

技术领域

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

背景技术

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

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

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

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

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

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

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

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

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种流体感测设备，其包括：流体流动通道，其具有入口和出口；限流部分，其位于入口与出口之间；第一流体端口，其处于限流部分上游的第一位置；第二流体端口，其处于限流部分下游的第二位置；流体传感器，其与第一流体端口和第二流体端口流体连通；以及层流元件，其包括沿着流体流动通道至少从第一位置延伸到第二位置的流稳定杆，以在流体流动通道的外壁与流稳定杆的外表面之间限定流体流动通道的流体感测部分，其中该限流部分包括减小流体流动通道的流体感测部分的液压直径。通过减小流体流动通道的直径、或通过增大流稳定杆的直径、或通过既减小流体流动通道的直径又增大流稳定杆的直径来实现流体流动通道的流体感测部分的液压直径的减小。

已发现此布置提供一种简单而极其有效的方式，可以此方式减少流动通道中的湍流，并且促进限流部分上游和下游的层流，以提高流量测量的准确性。在不希望受理论束缚的情况下，认为稳定杆的存在会增大流动通道的润湿周长和流体上的粘性力，由此减小沿着流动通道通行的流体流的雷诺数(Reynolds number)。通过将稳定杆定位成使得其沿着流体流动通道至少从第一位置延伸到第二位置，能促进这两个位置处的层流，由此减小这些位置处的流体流特性中的变化和噪声。由于流体传感器在这两个位置与第一流体端口和第二流体端口流体连通，因此这可提高由流体传感器构件感测到的流特性的准确性。这不同于一些现有技术示例，在现有技术示例中，层流元件处于第一位置下游并且因此可能不会提高第一位置处的流稳定性。

本发明的流体感测设备可轻易地用在任何数目的不同应用中，例如控制工业工艺、进行实验室实验，或出于安全原因而使用。例如在用于质量流量控制或体积流量控制的装置中，流体感测设备可仅用于流率信息，或用作流量调节的构件。本发明的流体感测设备例如在质量流量控制器中在流量控制的准确流体感测方面特别实用。本发明的流体感测设备可配置为与气体或液体一起使用。

流量限制可通过流体流动通道和流稳定杆中的仅一者的直径变化实现。在这种布置下，流量限制仅由流体流动通道和流稳定杆中的一者限定，而另一者的直径沿着流体感测部分保持基本恒定。在这种布置下，通过限流部分的流动特性与流动通道内的层流元件的纵向位置无关。这可有利地堪比通过流体流动通道和稳流件两者的直径变化来限定流量限制的布置，其中，流体感测部分的液压直径可对流动通道内的层流元件的纵向位置的不准确性或变化极为敏感，因为这将改变直径变化的相对位置。

在某些实施例中，限流部分包括减小流体流动通道的外壁的直径。所述减小可包括外壁直径的阶跃变化。所述减小可包括外壁直径的逐渐变化。可仅在流体流动通道的外周的一部分周围提供减小。所述减小在流体流动通道的外周周围可以是均一的。优选的是，所述减小包括围绕流动通道的整个外周延伸的外壁的锥形化。

流稳定杆外表面的直径可沿着流体感测部分的基本上整个长度基本恒定。在此类实施例中，流体流动通道的流体感测部分的液压直径跨限流部分而减小，仅随流动通道外壁直径的减小而变。在这种布置下，通过限流部分的流动特性与流动通道内的层流元件的纵向位置无关。这可有利地堪比流稳定杆外表面的直径沿着流稳定杆长度而变化的布置，其中，流动通道的流体感测部分的液压直径可对流动通道内的层流元件的纵向位置的不准确性或变化极为敏感，因为这将改变流稳定杆外表面与流动通道外壁之间的径向距离，并且由此改变沿着流体流动通道的给定位置处的流体感测部分的液压直径。

或者，流稳定杆外表面的直径可沿着流稳定杆的长度而改变。外表面的直径可沿着流稳定杆的长度增大。外表面的直径可沿着流稳定杆的长度减小。在流稳定杆外表面的直径沿着流稳定杆的长度增大的情况下，在限流部分区域中，流动通道外壁的直径可减小、保持不变或增大，前提是流稳定杆外表面的直径的增大足以使流体流动通道外壁与流稳定杆外表面之间的径向距离跨限流部分仍减小。在流稳定杆外表面的直径沿着流稳定杆的长度减小的情况下，流动通道外壁的直径也应减小，使得流体流动通道外壁与流稳定杆外表面之间的径向距离跨限流部分减小。

限流部分可包括增大流稳定杆的直径。所述增大可包括直径的阶跃变化。所述增大可包括直径的逐渐变化。可仅在流稳定杆外周的一部分周围提供增大。所述增大在流稳定杆外周周围可以是均一的。优选的是，所述增大包括围绕流稳定杆的整个外周延伸的流稳定杆的锥形化。在此类实施例中，流动通道的直径在限流部分区域中可以是恒定的，使得限流部分仅由流稳定杆的直径增大而限定。这一点的益处可在于，其允许仅仅通过改变层流元件来按给定处理量的需要而改变跨限流部分的压力降。

优选的是，流稳定杆的外表面基本上是连续的。即，流稳定杆的外表面基本上不含任何凹槽、突出部或可能以其它方式阻止流动接续的其它表面特征。

流稳定杆可以是实心的。在此类示例中，沿着流动通道流动的流体必须沿着流体感测部分流动。

在某些实施例中，流稳定杆包括一个或多个内部流道，该一个或多个内部流道限定与流体感测部分隔开的流体流通道的额外流动部分。在这种布置下，流体可沿着流动通道流动通过流体感测部分和额外流动部分两者。这相对于流稳定杆为实心的布置能使通过流体感测设备的流率增大。这在所需流率高于由流体感测部分单独支持的流率的情况下可以是有益的，不会在流体感测部分中诱发湍流。

优选的是，流稳定杆沿着流体流动通道从第一位置上游的位置延伸到第二位置下游的位置。或者，流稳定杆可沿着流体流动通道从第一位置上游的位置延伸到邻近第二位置的位置。作为另一替代方案，流稳定杆可沿着流体流动通道从邻近第一位置的位置延伸到第二位置下游的位置。

优选的是，层流元件还包括支撑件，稳定杆通过该支撑件安装于流体流动通道中。支撑件可限定与流体流动通道的流体感测部分连通的至少一个流体流动孔。支撑件可被固定在流体流动通道内第一位置上游的位置处。支撑件可固定在流体流动通道内第二位置下游的位置处。支撑件可附接在流稳定杆上游端处。支撑件可附接在流稳定杆下游端处，或在流稳定杆的上游端与下游端之间的位置处。优选的是，支撑件固定在流体流动通道内第二位置下游的位置处，并且附接在流稳定杆的上游端处。

可通过任何合适的方式将支撑件固定在流动通道内。优选的是，支撑件以可移除方式固定在流动通道内。即，可在不损坏层流元件或流体流动通道的情况下将支撑件从流动通道移除。可通过螺纹连接将支撑件固定在流动通道内。在此类实施例中，支撑件包括与流体流动通道外壁上的对应螺纹啮合的螺纹。可通过干涉配合将支撑件固定在流体流动通道内。支撑件可被固定在流体流动通道内，处于流体流动通道的承载表面与固定装置之间。可通过流体流动通道外壁上的环形肩台提供承载表面。固定装置可以是可移除固定装置，例如带螺纹的垫圈。固定装置可在流体流动通道内通过干涉配合或通过卡扣配合固定到流体流动通道外壁中的凹部中。

所述至少一个流体流动孔可包括单个孔。

所述至少一个流体流动孔可包括多个流体流动孔。所述多个流体流动孔可围绕支撑件外周以一定间隔间隔开。流体流动孔可围绕支撑件外周不均匀地间隔开。所述多个流体流动孔可围绕支撑件外周以规律间隔间隔开。所述多个流体流动孔可围绕支撑件外周界布置。优选的是，所述多个流体流动孔布置在支撑件外表面与稳定杆之间的位置。例如，在支撑件外表面与稳定杆的外表面之间的中间位置。在流稳定杆包括一个或多个内部流道的情况下，所述多个流体流动孔包括与通过流稳定杆的一个或多个内部流道流体连通的至少一个流体流动孔。

支撑件可具有任何合适的形状。优选的是，支撑件具有形状上与流体流动通道外壁的形状对应或一致的外表面。所述外表面可在形状上与流体流动通道外壁的形状对应或一致，使得在使用期间，沿着流体流动通道流动的流体基本上不会在支撑件外表面与流体流动通道外壁之间流动。这可有助于产生通过支撑件的均一流体流。支撑件可包括其外表面上的一个或多个柔性密封件，外表面通过该柔性密封件与流体流动通道外壁的形状一致。

流体传感器可包括加热器和一个或多个温度传感器。

流体传感器可以是压力传感器。流体传感器可配置成感测第一位置处的第一流体压力以及感测第二位置中的第二压力。流体传感器可配置成通过第一流体端口感测第一位置处的第一流体压力以及通过第二流体端口感测第二位置中的第二压力。流体传感器可包括定位在第一流体端口中且配置成感测第一位置处的第一流体压力的第一传感器部分。流体传感器可包括定位在第二压力端口中且配置成感测第二位置处的第二流体压力的第二传感器部分。可围绕第一传感器部分提供第一传感器密封件以在第一传感器部分的外表面与第一压力端口的内表面之间形成密封。可围绕第二传感器部分提供第二密封件以在第二传感器部分的外表面与第二压力端口的内表面之间形成密封。以此方式，防止第一和/或第二传感器部分中的流体绕过第一和/或第二传感器部分。第一和第二压力端口中的流体可通过第一和第二传感器部分进入流体传感器的壳体。

流体传感器可配置成输出包括第一流体压力信号和第二流体压力信号的传感器信号。流体传感器可配置成计算第一流体压力与第二流体压力之间的压力差。流体传感器可配置成输出包括压力差信号的传感器信号，该压力差信号包含多个计算出的压力差值。流体传感器可配置成基于感测到的第一和第二流体压力值来计算通过流体流动通道的流率。流体传感器可配置成输出包括流率信号的传感器信号，该流率信号包含多个计算出的流率值。

流体传感器可以是质量流量传感器。流体感测设备可包括配置成分流限流部分周围的流的旁通通道。流体传感器可以是配置成测量通过旁通通道的旁通流率的质量流量传感器。第一流体端口和第二流体端口可连接以形成旁通通道的部分。

流体传感器可包括单个感测头。来自感测头的信号可通过不同增益放大。这可增大流体感测设备可准确测量的有效流率测量范围，并且即使在极小流率下也可促进来自流体传感器的准确流率读数。流体传感器可在单个传感器内包括多个感测头。来自每个感测头的信号可通过不同增益放大。这可增大流体感测设备可准确测量的有效流率测量范围，并且即使在极小流率下也可促进来自流体传感器的准确流率读数。流体感测设备可包括多个传感器。所述多个传感器可各自通过第一和第二流体端口与流体感测部分流体连通。或者，流体感测设备可包括通过第一和第二端口与第一流体感测部分流体连通的第一流体传感器，以及通过流体流动通道其它位置处的其它流体端口与其它流体感测部分流体连通的其它流体传感器。

在某些实施例中，流体感测设备还包括另一流体传感器，其中流体感测部分包括从第一位置延伸到第二位置的第一流体感测部分以及从限流部分上游的流体流动通道第三位置处的第三流体端口延伸到限流部分下游的流体流动通道第四位置处的第四流体端口的第二流体感测部分，其中所述流体传感器通过第一和第二流体端口与第一流体感测部分流体连通，并且其中所述另一流体传感器通过第三和第四流体端口与第二流体感测部分流体连通。第一和第二流体感测部分可位于围绕流稳定杆的相同周向位置。优选的是，第一和第二流体感测部分处于围绕流稳定杆的不同周向位置。流体感测设备还可包括处于围绕流稳定杆的不同周向位置的第三、第四、第五或第六或更多的流体感测部分。这些额外流体感测部分可各自与不同流体传感器流体连通。

流体感测部分可包括限定在流稳定杆的第一表面部分与流动通道的外壁之间的第一流体感测部分以及流稳定杆的第二表面部分与流动通道的外壁之间的第二流体感测部分。第一和第二表面部分可位于围绕流稳定杆的相同周向位置。优选的是，第一和第二表面部分处于围绕流稳定杆的不同周向位置。第一和第二表面部分可完全相对。

流稳定杆可居中位于流体流动通道内。或者，流稳定杆可偏离流体流动通道的中心轴线。在这种布置下，对于围绕流稳定杆外周的不同区域，跨限流部分的液压直径的百分比变化是不同的。在某些实施例中，第一和第二流体感测部分处于围绕流稳定杆的不同周向位置，并且流稳定杆偏离流体流动通道的中心轴线。在这种布置下，限流部分上游与下游的液压直径之间的比率对于第一和第二流体感测部分来说是不同的。这意味着对于第一流体感测部分来说，跨限流部分的压力降将不同于第二流体感测部分的压力降。这可增大流体感测设备可准确测量的有效流率测量范围并且即使在极小流率下也可促进来自流体传感器的准确流率读数。

流稳定杆可偏离流体流动通道的中心轴线，使得流稳定杆的第一表面部分比流稳定杆的第二表面部分更接近流动通道的外壁。在这种布置下，对于第一流体感测部分来说，跨限流部分的液压直径百分比变化将不同于第二流体感测部分的液压直径百分比变化。因此，对于第一流体感测部分来说，跨限流部分的压力降将高于第二流体感测部分。在其它示例中，流稳定杆可偏离流体流动通道的中心轴线，使得流稳定杆的第一表面部分比流稳定杆的第二表面部分更远离流动通道的外壁。

在流稳定杆偏离流体流动通道的中心轴线的情况下，对于第一流体感测部分和第二流体感测部分中的一者来说，跨限流部分的压力降可高于另一者。这可增大流体感测设备可准确测量的有效流率测量范围并且即使在极小流率下也可促进来自流体传感器的准确流率读数。

流体感测设备可用于任何合适的组件。例如，流体感测设备可形成流体歧管的部分。

根据本发明的第二方面，提供一种包括流体控制阀、控制电子件以及根据第一方面的流体感测设备的质量流量控制器，其中控制电子件配置成基于由流体感测设备提供的传感器信号来控制流体控制阀。

流体控制阀可以是比例阀。

质量流量控制器可以是微型质量流量控制器。如本文所使用，术语“微型质量流量控制器”是指外壳在任何方向上具有少于100mm、优选的是小于80mm的最大尺寸的质量流量控制器。微型流量控制器可具有少于80mm的最大长度以及少于50mm的最大高度。

在本申请的范围内，明确地希望前述段落中、权利要求书中和/或以下描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和替代方案，尤其是其个别特征，可独立地或以任何组合形式予以考虑。即，除非此类特征不相容，否则所有实施例和/或任何实施例的特征可按任何方式和/或组合来组合。申请人有权改变任何最初提交的权利要求或相应地提交任何新权利要求，包含有权修正(虽然最初未以该方式要求保护的)任何最初提交的附属于任何其它权利要求和/或并入有任何其它权利要求的任何特征的权利要求。

附图说明

将仅通过举例参考附图进一步描述本发明的其它特征和优势，附图中：

图1是包含根据第一实施例的流体感测设备的质量流量控制器的透视部分截面图；

图2是图1的质量流量控制器的俯视图；

图3是贯穿图2中的线III-III截取的截面图；

图4是贯穿图2中的线IV-IV截取的截面图；

图5是图1到图4的质量流量控制器的固体主体的顶部透视图；

图6是图1中示出的流体感测设备的层流元件的透视图；

图7是图6的层流元件的上游端视图；

图8是图6和图7的层流元件的横截面图；

图9是图1到图4的质量流量控制器的流体感测设备的示意性横截面，示出通过设备的流体流；

图10是包含根据第二实施例的流体感测设备的质量流量控制器的透视部分截面图；

图11是第三实施例的流体感测设备的示意性横截面图；

图12是第四实施例的流体感测设备的部分的部分横截面图；

图13是在图12中的箭头XIII方向上截取的端视图；以及

图14示出流体感测设备的第五实施例的部分的横截面图。

具体实施方式

图1到图9示出包含根据本发明的第一实施例的流体感测设备120的第一质量流量控制器100。质量流量控制器100包含具有流体入口102和流体出口103的外壳101。外壳101含有比例阀等流体控制阀104以及安装于主PCB 106上的控制电子件105。在此示例中，外壳101包括固体主体107和通过螺杆109以可移除方式固定到固体主体107的盖108。流体控制阀104沿着延伸于流体入口102与流体出口103之间的流体流动路径定位，并且配置成基于来自控制电子件105的控制信号调整通过质量流量控制器100的流率，以便实现或维持期望流率。如图1所示，流体入口102和流体出口103可带螺纹，以允许轻松联接到螺纹连接器。

流体感测设备120包括流体流动通道121，该流体流动通道由通道121的外壁122包围和限定并形成通过质量流量控制器100的流体流动路径的部分。流体流动通道121从通道入口123(其与质量流量控制器100的流体入口102流体连通)延伸到通道出口124(其通过流体控制阀104与质量流量控制器100的流体出口103流体连通)。在此示例中，流体流动通道121为圆形横截面，但也可适合其它横截面形状。流体感测设备还包含在沿着流体流动通道121的长度的位置处的限流部分125，该限流部分配置成在沿着通道121流动的流体中产生压力差。在此示例中，限流部分125包括逐渐减小流体流动通道121的外壁122的直径，使得流体流动通道121的横截面积在此区域中减小，并且使流体在穿过限流部分125时的流速增大。这会产生跨限流部分125的压力降。在其它示例中，限流部分可包括外壁直径的阶跃变化和/或定位在流动通道121中的层流元件外表面的直径变化，如下文所描述。

流体感测设备100还包含安装于辅助印刷电路板140上的流体传感器130。主PCB106在垂直于辅助印刷电路板140的平面的方向上与辅助印刷电路板140间隔开，并且通过电连接器141电连接到辅助印刷电路板140。就如盖108，主印刷电路板106通过相同的螺杆109以可移除方式安装于固体主体107上。主印刷电路板106可视为“主”PCB，因为它支撑质量流量控制器100的控制电子件105。上面安装流体传感器130的辅助印刷电路板140可视为“辅助”PCB。在其它示例中，例如下文相对于图10论述的实施例，质量流量控制器可包括上面直接安装控制电子件105和流体传感器130两者的单个PCB。

如最佳在图9中所见，流体传感器130通过第一流体端口132与限流部分125上游的流体流动通道121的第一位置131流体连通，并通过第二流体端口134与限流部分125下游的流体流动通道121的第二位置133流体连通。然而，在其它示例中，流体传感器可仅与流体流动通道的单个位置流体连通。流体传感器130配置成产生传感器信号，该传感器信号指示沿着流体流动通道121通行的流体的流率，使得控制电子件105可相应地控制流体控制阀104以实现通过质量流量控制器100的期望流率。

在此示例中，流体传感器130是压力传感器，并且包括定位在第一流体端口132中的第一传感器部分135和定位在第二流体端口134中的第二传感器部分136。第一传感器部分135和第二传感器部分136各自提供开口，流体可通过该开口进入和/或离开流体传感器130的壳体137。第一传感器部分135使流体传感器130能够感测或测量第一位置131处的第一流体压力P1，而第二传感器部分136使流体传感器130能够感测或测量第二位置133处的第二流体压力P2。第一传感器部分135和第二传感器部分136分别延伸到第一流体端口132和第二流体端口134中。提供围绕第一传感器部分135和第二传感器部分136中的每一者的O形环138以分别在第一传感器部分135与第一流体端口132之间以及第二传感器部分136与第二流体端口134之间形成弹性密封件，从而防止流体泄漏。

由于限流部分125，第二位置133处的流速往往高于第一位置处的流速。因此，第二流体压力P2往往低于第一流体压力P1。根据感测到的P1和P2的值，可计算出跨限流部分125的压力差AP，并且基于通过限流部分的流体流率与跨限流部分的压力差成比例的原理来确定通过流体流动通道121的流率。可通过流体传感器130或通过控制电子件105确定压力差AP。在通过控制电子件确定压力差AP的情况下，传感器信号可包括随着时间推移的第一流体压力P1的第一压力信号和随着时间推移的第二流体压力P2的第二压力信号。在通过流体传感器确定压力差AP的情况下，传感器信号可包括随着时间推移的压力差AP的压力差信号。流体传感器可配置成确定流率，在此情况下，传感器信号可包括流率信号。

在其它示例中，流体传感器130可以是质量流量传感器。例如，第一流体端口132和第二流体端口134可连接以形成旁通通道(未示出)，该旁通通道周围的一部分流体流被限流部分125分流，其中流体传感器配置成测量该旁通通道周围的旁通流率。接着，可根据旁通流率计算出沿着流体流动通道的流体流率。

如最佳在图3到图5中所见，固体主体107由固体材料块形成，其中限定多个孔以形成各种端口或导管并借以容纳质量流量控制器100的其它部件。流体感测设备120还包含通过压力补偿端口144与沿着流体流动通道121的另一位置143流体连通的任选压力补偿室142。压力补偿室142由呈固体主体107的外表面中的腔145形式的容器以及由封闭腔145的辅助印刷电路板140限定。辅助印刷电路板140通过延伸到固体主体107中的螺纹孔1071中的一对螺杆146抵靠着腔145保持在适当位置。辅助印刷电路板140通过弹性密封件147抵靠着腔145密封，该弹性密封件搁置于在固体主体107的外表面中形成并围绕腔145延伸的连续凹槽148中。弹性密封件147防止辅助印刷电路板140与固体主体107之间的流体泄漏。以此方式，辅助印刷电路板140形成压力补偿室142的上壁。因此，上面安装流体传感器130的辅助印刷电路板140的下侧暴露于压力补偿室142中的高压，而辅助印刷电路板140的上侧暴露于大气压。这意味着辅助印刷电路板应构造成在操作期间耐受大气压与压力补偿室142中的高压之间的差。然而，这还意味着位于辅助印刷电路板140上方的质量流量控制器的部件(例如主印刷电路板106)处于大气压下，并且不必构造成耐受高压。第一流体端口132、第二流体端口134和压力补偿端口144延伸到腔145的底部。压力补偿端口向压力补偿室开放。第一流体端口132和第二流体端口134各自在其腔端处具有杯形容器1321、1341以及围绕杯形容器1321、1341的密封件支座1322、1324，其中围绕每个传感器部分的O形环安放成将第一和第二流体端口与压力补偿室隔离。

在此示例中，另一位置143(压力补偿端口144从此处延伸)处于第一流体端口132和第二流体端口134开始延伸的第一位置131和第二位置133两者的下游。然而，在其它示例中，压力补偿端口144可连接到沿着流体流动通道121的不同位置，例如第一位置131和第二位置133中的一者或两者上游的位置。

为了提高流量感测准确性，流体感测设备120还包含位于流体流动通道121中的层流元件150。层流元件150包括稳定杆151和支撑件152，稳定杆121通过该支撑件居中安装于流体流动通道121中。稳定杆151沿着流体流动通道121延伸通过限流部分125至少从第一位置131到第二位置133，以在流体流动通道121中促进层流并且抑制湍流。在此示例中，稳定杆151从第一位置131上游的位置延伸到第二位置133下游的位置。层流元件150的支撑件152固定在流体流动通道121内，在稳定杆151的上游端处。支撑件152可以固定方式固定在流动通道121中，或以可移除方式固定。在此示例中，支撑件152包括其外表面154上与流动通道121外壁122上的对应螺纹啮合的螺纹156。因此，支撑件152通过第一位置131上游的位置处的螺纹连接以可移除方式固定在流动通道121内。

如最佳在图6到图8中所见，层流元件150的支撑件152包含以规律间隔围绕支撑件152的外周间隔开并且与支撑件的外表面154间隔开的多个流体流动孔155。流体流动孔155允许流体穿过支撑件152并且促进沿着流体流动通道121的更均一流体流动。支撑件152可具有任何合适的形状。在此示例中，支撑件152的外表面154在形状上对应于流动通道121的外壁122，并且通过螺纹连接固定。这会防止或减少能够在支撑件152的外表面154与流动通道121的外壁122之间通行的流体量。由于外表面154在形状上对应于流动通道121的外壁122，因此沿着流体流动通道流动的基本上所有流体流动通过流体流动孔155。在其它示例中，一个或多个外孔可形成于支撑件外表面与流动通道外壁之间，使得流体可围绕支撑件外表面通行。

如最佳在图9中所见，流体流动通道121的外壁122和稳定杆151的外表面153一起限定流体流动通道121的环形流体感测部分126，流体沿着流动通道流过该环形流体感测部分。在此示例中，稳定杆151是实心的，并且因此沿着流动通道流动的所有流体必须沿着流体感测部分126流动。流稳定杆151的外表面153基本上是连续的。即，流稳定杆151的外表面153基本上不含任何凹槽、突出部或可能以其它方式阻止流动接续的其它表面特征。流稳定杆151的外表面153可以是平滑的。在此示例中，外表面153的直径沿着稳定杆151的整个长度基本恒定。因此，随着流体流动通道121的外壁122与流稳定杆151的外表面153之间的径向距离而改变的流体感测部分126的横截面积跨限流部分减小，完全随流动通道121的外壁122的直径的减小而变。在其它示例中，外表面153的直径可沿着稳定杆151的长度改变。外表面153的直径可沿杆的长度增大或减小，前提是流体流动通道121的外壁122与流稳定杆151的外表面153之间的径向距离降低到限定限流部分。在流稳定杆外表面的直径增大的示例中，在限流部分区域中，流动通道外壁的直径可减小、保持不变或增大，前提是流稳定杆外表面的直径的增大足以使流体流动通道外壁与流稳定杆外表面之间的径向距离跨限流部分仍减小。

在质量流量控制器100的操作期间，流体通过流体入口102进入外壳101，并且通过通道入口123进入流体流动通道121中。当流体到达层流元件150时，其穿过支撑件152中的多个流体流动孔155并进入在稳定杆151与流体流动通道121的外壁122之间限定的流体流动通道121的环形流体感测部分126，其中流体沿着稳定杆151的长度行进，通过限流部分125并在通道出口124处从流体流动通道121出来。流体从流体感测部分126通过第一流体端口132和第二流体端口134进入流体传感器130的壳体137。流体传感器130监测第一位置131处的第一流体压力P1以及第二位置133处的第二流体压力P2，并且将感测到的P1和P2的值作为传感器信号输出到控制电子件105。控制电子件105通过从P1减去P2来确定跨限流部分125的压力降AP。基于压力降AP，控制电子件105计算通过流体流动通道121的流率，并且以常规方式将此流率与期望流率进行比较。如果计算出的流率大于或小于期望流率，则控制电子件105控制流体控制阀104以根据需要调整流率。由于压力补偿室142通过压力补偿端口144与流体流动通道流体连通，因此压力补偿室142装有与沿着流体流动通道121的另一位置143相同压力P3的流体。在这种布置下，流体传感器130的壳体137的外表面暴露于随着沿流动通道121流动的流体在另一位置143处的压力P3而改变的高压。同时，壳体137的内表面暴露于随着沿流动通道121流动的流体在第一位置131和第二位置133处的压力P1、P2而改变的高压。这意味着流体传感器的壳体仅需要抵抗另一位置处的压力P3与第一和第二位置处的第一压力P1、第二压力P2之间相对小的差，而非大气压与第一流体压力P1、第二流体压力P2之间的完全差。

通过将流体传感器130的壳体137围封于压力补偿室142内，壳体137的外表面暴露于与壳体137内部的流体压力相当的流体压力。因此，跨壳体137的压力差较小。这意味着壳体137不必构造成耐受大的内部压力，因为这些内部压力将与大的外部压力相称。因此，相对于常规流体感测设备，该流体传感器的复杂度、大小和重量可减小。实际上，在本发明的布置下，有可能使用具有可耐受仅1巴或更少的压力差的壳体的流体传感器。

图10示出第二实施例的质量流量控制器200，其包含根据本发明的第二实施例的流体感测设备220。质量流量控制器200具有与第一实施例的质量流量控制器100类似的结构和功能，并且类似附图标号用于表示类似特征。如同第一实施例，流体感测设备220包含具有流稳定杆251的层流元件250，该流稳定杆居中定位在流体流动通道221中并从第一位置231上游的位置延伸到第二位置233下游的位置。层流元件250在结构和功能上与第一实施例的质量流量控制器100的层流元件150相同。质量流量控制器200还包含安装于PCB 206上的控制电子件205。然而，不同于第一实施例，流体传感器230连同控制电子件205一起直接安装在主PCB 106上。因此，主PCB 106是质量流量控制器200中的唯一PCB。在不存在辅助印刷电路板的情况下，主PCB 206形成压力补偿室242的上壁，通过延伸到固体主体207中的螺纹孔中的一对螺杆209保持在适当位置，并且通过弹性密封件(未示出)抵靠着固体主体207密封。因此，主PCB 206的下侧暴露于压力补偿室242中的高压，而主PCB 206的上侧暴露于大气压。这意味着主PCB 206应构造成在操作期间耐受大气压与压力补偿室242中的高压之间的差。

此外，在第二实施例的质量流量控制器200中，另一位置243(压力补偿端口244从此处延伸)处于第一位置231和第二位置233两者的上游而非下游。

图11示出第三实施例的流体感测设备320的示意性横截面图。流体感测设备320包含具有流稳定杆351的层流元件350，该流稳定杆沿着流体流动通道321从第一位置331上游的位置延伸到第二位置333下游的位置。层流元件350类似于第一和第二实施例的流体感测设备的层流元件150和250。然而，第三实施例的层流元件350还包含沿着稳定杆351的长度延伸的内部流道357。内部流道357通过支撑件352中的中心孔358与通道入口流体连通，由此限定与流体感测部分隔开的流体流动通道额外流动部分。在这种布置下，流体沿着流动通道流过流体感测部分以及由内部流道357限定的额外流动部分这两者。这相对于流稳定杆为实心的布置能使通过流体感测设备的流率增大。这在所需流率高于由流体感测部分单独支持的流率的情况下可以是有益的，不会在流体感测部分中诱发湍流。

还如图11中所示，流稳定杆351并非居中安装，而是偏离流动通道的中心轴线，使得杆351的外表面在一侧比另一侧更接近流动通道的外壁。以此方式，流动通道的流体感测部分包括流稳定杆351的第一侧与流动通道外壁之间的第一流体感测部分326A以及在流稳定杆的第二相对侧与流动通道外壁之间的第二流体感测部分326B。在图11中，第一流体感测部分326A示为流动通道的上部部分，并且第二流体感测部分示为流动通道的下部部分。由于第一流体感测部分326A的液压直径小于第二流体感测部分326B的液压直径，因此虽然跨限流部分325的流动通道直径的减小是相同的，但对于第一流体感测部分来说，跨限流部分的液压直径的百分比变化大于第二流体感测部分的百分比变化。这意味着对于第一流体感测部分326A来说，跨限流部分的压力降将不同于第二流体感测部分326B的压力降。为了利用这一点，流体感测设备320还包含任选的另一流体传感器370，该流体传感器通过第三流体端口372与限流部分325上游的第三位置371流体连通以及通过第四流体端口374与限流部分325下游的第四位置373流体连通。该另一流体传感器370连接到第三和第四流体端口，并以如上文相对于第一实施例的流体感测设备120的流体传感器130所论述的相同方式操作。在此示例中，流体传感器330与第一流体感测部分326A流体连通，并且该另一流体传感器370与第二流体感测部分326B流体连通。这允许可由流体感测设备320准确测量的较大范围的流率，并且即使在极小流率下也可促进来自流体传感器的准确流率读数。

图12和图13示出第四实施例的流体感测设备420的部分。流体感测设备420包含具有流稳定杆的层流元件450，该流稳定杆沿着流体流动通道421从第一位置431上游的位置延伸到第二位置433下游的位置。层流元件450类似于第三实施例的流体感测设备320的层流元件350。然而，不同于早先实施例的层流元件，第四层流元件450的稳定杆不是旋转对称的，而是具有横截面厚度恒定的第一段451A以及靠接流动通道的壁并且在形状上对应于流动通道的壁的第二段451B。此外，支撑件452包括与流体感测部分426流体连通的一个流体流动孔455以及与内部流道457流体连通的一个中心孔458。以此方式，层流元件450部分封闭围绕稳定杆延伸的流动通道。沿着流动通道流动的流体则必须沿着内部流道457或沿着在流动通道的外壁与稳定杆的第一段451A之间限定的流体感测部分426流动。

图14示出第五实施例的流体感测设备520的部分的横截面图，其中示出层流元件550和流动通道521。流体感测设备520在结构上类似于第三实施例的流体感测设备320。然而，在第五实施例的流体感测设备520的情况下，流动通道521具有恒定直径，并且通过逐渐增大流稳定杆的直径来提供限流部分525。在这种布置下，可如给定处理量所需，仅仅通过将层流元件改为具有不同几何形状和/或尺寸的层流元件来改变跨限流部分的压力降。在此示例中，直径的增大围绕流稳定杆的外周是均一的，并且包括朝向围绕流稳定杆的整个外周延伸的下游方向向外锥形化流稳定杆。

尽管上文已参考一个或多个优选实施例描述了本发明，但应了解，在不脱离如所附权利要求书界定的本发明的范围的情况下可进行各种变化或修改。