壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法
2023-07-31 06:44:11
專利名稱：壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法
技術領域：
本發明涉及半導體、化學品、藥品與精密機械零件等的製造中所用的氣體那樣的各種流體的壓力式流量控制裝置，更詳細地講，是涉及在壓力式流量控制裝置的節流孔中產生堵塞時檢知由於其堵塞而產生的流量異常的方法。
背景技術：
以往，在半導體製造設備與化學藥品製造設備的流體供給裝置中，特別是在需要高精度的流量控制的情況下，在流量控制用途中，其大部分一直使用質量流量控制裝置。
但是，在質量流量控制裝置中存在下述各種缺點①在熱式流量傳感器的情況下，應答速度比較慢；②在低流量區域的控制精度差，而且每一製品的精度有誤差；③在動作中故障多，穩定性差；④製品價格高而且更換件價格也高，固而運轉費高等。
因此，本發明人等為改進這些缺點進行了努力研究，結果開發出特開平8-338546號公報所示的利用節流孔的壓力式流量控制裝置。
該壓力式流量控制裝置的特徵在於如下之點。即節流孔前後的氣體的壓力比P2/P1(P1為上遊側壓力，P2為下遊側壓力)在氣體的臨界壓力比(在空氣與氮等情況下約為0.5)以下時，通過節流孔的氣體的流速成為音速，節流孔下遊側的壓力變動不能傳遞到上遊側，能獲得與節流孔上遊側狀態相應的穩定的質量流量。
因此，在節流孔徑一定的情況下，將上遊側壓力P1設定成下遊側壓力P2的約2倍以上時，則流過節流孔的下遊側流量QC只依賴於上遊側壓力P1，QC＝KP1(K為常數)這一直線關係高精確度地成立。而且，如節流孔徑相同，則上述常數K也一定。
該壓力式流量控制裝置的優點在於只是檢測上遊側壓力P1即能高精確度地控制下遊側流量。
但是，由於使用節流孔，存在其微小孔堵塞的弱點。節流孔是微米級的節流孔，有時該節流孔也被塵埃等堵塞，流量控制即不可能。
進行流量控制的管路內部必須高度的淨化，但在安設管路時的切屑、塵埃等有殘留的可能性。在節流孔發生堵塞的情況下，由於不能進行流量控制，全套設備變得不穩定，會產生大量的不合格品。
另外，根據氣體流體的種類，還有化學反應失控而引起爆炸事故的危險。為防止這一點，還考慮過在管路內設置密封過濾器，但有影響管路內的傳導的缺點。
因此，本發明人等提出節流孔堵塞檢測方法，當節流孔發生堵塞到一定程度以上時，會報知堵塞(特願平10-236653號)。
上述申請的發明如圖8所示，其構成包括將設定流量QS保持在高設定流量QSH(通常100％)的第1工序；將此高設定流量QSH轉換成低設定流量QSL(通常0％)，通過測定上遊壓力P1，獲得壓力衰減數據P(t)的第2工序；在同一條件下將節流孔未堵塞時所測得的基準壓力衰減數據Y(t)與前述壓力衰減數據P(t)進行對比的第3工序；當壓力衰減數據P(t)由基準壓力衰減數據Y(t)偏離規定值以上時，報知堵塞的第4工序。就是說，是P(t)不進入具有一定幅度的Y(t)的範圍之內時報知堵塞的系統。
上述方法的優點是能使節流孔的堵塞檢知自動化，但也有如下的弱點。
第1，在從遮斷流量控制模式之後進入流量異常檢知模式(堵塞檢知模式)起，在該流量異常檢知模式期間不能進行流量控制。
另外，作為低設定流量QSL，例如使用0％流量，因而需要排氣時間，在判定上所要的時間變長。因此，流量異常檢知一般是在流量控制終了的最終階段進行，因而存在的缺點是在實際的流量控制中不能確認是否有由於堵塞引起的異常。
發明內容
本發明是為改進上述的缺點而完成的，本發明提供一種壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法，該裝置由控制閥CV、節流孔、檢測控制閥CV與節流孔之間的上遊側壓力P1的壓力檢測器、流量設定迴路構成，所述方法包括以下步驟在將上遊測壓力P1保持為下遊側壓力P2的約2倍以上的狀態下，根據QC＝KP1(K為常數)計算下遊側流量QC，根據該計算流量QC與設定流量QS之差信號Qy對控制閥CV進行開閉控制的，由流量設定迴路向控制閥CV輸出具有檢定振幅V0的檢定用信號ΔQS，測定應答該控制閥CV的開閉而產生的上遊側壓力P1的脈動壓力ΔP1的壓力振幅V，當該壓力振幅V小於極限振幅Vt時，報知節流孔堵塞。
還提出將前述檢定用信號ΔQS疊加在表示正常設定流量QS0的信號上向控制閥CV輸出的流量異常檢知方法。
還提出向控制閥CV輸出的檢定用信號ΔQS是正弦波信號的流量異常檢知方法。
還提出向控制閥CV輸出的檢定用信號ΔQS是脈衝信號的流量異常檢知方法。
圖1是本發明的第1壓力式流量控制裝置FCS的構成圖。
圖2是表示在節流孔中無堵塞情況下的設定流量信號QS與上遊側壓力P1的信號波形。
圖3是表示在節流孔中有堵塞情況下的設定流量信號QS與上遊側壓力P1的信號波形。
圖4是本發明的信號波形的概念構成圖。
圖5是本發明的第2壓力式流量控制裝置FCS的構成圖。
圖6是根據節流孔的堵塞檢知流量異常的程序方框圖。
圖7是檢定用信號為脈衝信號情況下的概念構成圖。
圖8是本發明人等以往採用的流量異常檢知模式的信號波形圖。
具體實施例方式
下面，按照
本發明的實施形態。
本發明涉及壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法，前述壓力式流量控制裝置動作的前提條件與特開平8-338546號公報相同。即在將上遊側壓力P1設定成下遊側壓力P2的約2倍以上的情況下，節流孔下遊側流量QC只依賴於上遊側壓力P1，QC＝KP1這一線性條件高精確度地成立。在氣體種類與節流孔相同的情況下，比例常數K為一定。另外，在氣體種類一定之下，使用節流孔徑不同的節流孔時，改變常數K即可。
因此，欲將特定的流體控制成一定的流量QS時，對控制閥CV進行開閉控制，使上遊側壓力P1成為P1＝QS/K之值即可。即一面經常測定上遊側壓力P1，一面按一對一的對應關係將控制閥CV開閉即可。
第1實施形態圖1是應用本發明的第1壓力式流量控制裝置的構成圖。
在圖1中，節流孔2的上遊側流路4與由驅動部8開閉的控制閥CV連接。另外，下遊側流路6通過氣體取出用連接器12與流體反應裝置(未予圖示)連結。
節流孔上遊側壓力P1由壓力檢測器14檢測，通過放大迴路16顯示在壓力顯示器22上。另外，其輸出通過A/D變換器18數位化，節流孔下遊側流量Q由中央運算處理裝置CPU根據Q＝KP1(K為常數)算出。
另一方面，由溫度檢測器24檢測出的上遊側溫度T1通過放大迴路26、A/D變換器28輸入給CPU，對前述流量Q進行溫度修正，計算出運算流量QC。
由流量設定迴路32通過A/D變換器34輸出設定流量信號QS，發送給CPU。在CPU中，計算流量QC的信號與設定流量信號QS的差QY根據QY＝QC-QS算出，該差信號QY通過放大迴路40輸出給驅動部8。該驅動部8是朝向差信號QY變為零的方向對控制閥CV進行開閉控制，控制成為下遊側的流量等於設定流量QS的裝置。
作為本發明的特徵的檢測迴路31是後述的檢定用信號的發生迴路，由CPU控制，通過放大迴路33開閉操作驅動部8。
由該檢定迴路31與放大迴路33構成堵塞檢測迴路35。
此外，M是數據存儲用與程序存儲用的存儲裝置，42是與外部的通信通道PT，44是觸發迴路等外部迴路，46是堵塞時的報警迴路，48是電源迴路SC，50是±15V的外部電源。AMP是放大迴路，A/D表示A/D變換器。
作為控制閥CV是使用所謂直接接觸式金屬隔膜閥，而且在其驅動部8中使用了壓電元件式驅動裝置。再者，關於控制閥CV的驅動部8，除此之外使用了磁致伸縮元件式驅動裝置、電磁式驅動裝置、電動式驅動裝置、氣壓式驅動裝置與熱膨脹式驅動裝置。
壓力檢測器14使用了半導體應變式壓力傳感器，此外還可使用金屬箔應變式壓力傳感器、靜電電容式壓力傳感器與磁阻式壓力傳感器。
溫度檢測器24使用了熱電偶式溫度傳感器，也可使用測溫電阻式溫度傳感器等眾所周知的各種溫度傳感器。
另外，節流孔2使用了在板狀的金屬薄板制墊片上通過切削加工設置孔部而形成的節流孔，此外，也可使用極細導管或通過腐蝕與電火花加工在金屬膜上形成孔所獲得的節流孔等眾所周知的節流孔。
將使用節流孔的上述壓力式流量控制裝置稱為FCS。本發明人等使用該FCS詳細地研究了節流孔發生堵塞時的流量異常。
在檢測流量異常所用的堵塞檢測迴路35不動作的狀態下，由流量設定迴路32輸出正常設定流量信號QS0，由驅動部8將控制閥CV控制成一定開度，因而將上遊側壓力P1設定成正常壓力P10。
欲由此狀態檢測堵塞時，由外部迴路44將堵塞檢測開始信號輸入到CPU內，將其作為觸發信號，使CPU中斷向放大迴路40輸出控制信號。CPU立即向檢定迴路31輸出信號，由正常設定流量信號QS0與檢定用信號ΔQs構成的設定流量信號QS(t)作為QS(t)＝QS0+ΔQS由檢定迴路31輸出。
該信號通過放大迴路33控制驅動部8，對控制閥CV進行開閉控制。就是說，FCS不發揮功能，而由檢定迴路31一面將通過節流孔的流量保持成正常設定流量QS0，一面按照檢定用信號ΔQS檢驗節流孔的堵塞。本發明的堵塞檢測在短時間內結束，因而此期間的流量控制是由正常設定流量信號QS0來保證。在未堵塞的情況下，立即回到FCS控制模式，堵塞檢測不會對流量控制產生影響。
圖2表示在節流孔中無堵塞情況下的設定流量信號QS(t)與上遊側壓力P1(t)的信號波形。如上所述，由檢定迴路31輸出的設定流量信號QS(t)可根據正常設定流量信號QS0與檢定用信號ΔQS由QS(t)＝QS0+ΔQS給出。
正常設定流量信號QS0是2.5[V]的直流電壓，檢定用信號ΔQS是振幅為0.5[V]、頻率為0.2[Hz]的正弦波信號。即可用伏單位由QS＝2.5+0.5sin(ωt)給出。所用的氣體是N2氣體，氣溫為21℃。在此，作為無堵塞的節流孔進行試驗，其孔徑是68[μm]，正常設定流量QSO的具體值為69.2[SCCM]。
這時，上遊測壓力P1(t)也是正常壓力P10與脈動壓力ΔP1的合成，即作為P1(t)＝P10+ΔP1而給出。正常壓力P10是控制成正常值的成分，脈動壓力ΔP1是對應於檢定用信號ΔQS的應答波形。脈動壓力ΔP1是走形的正弦波，如將其近似為正弦波信號時，P10＝250[mV]，ΔP1＝200sin(ωt)[mV]，以毫伏單位由P1＝250+200sin(ωt)給出。
圖3是在節流孔有堵塞情況下的設定流量信號QS(t)與上遊側壓力P1(t)的信號波形。所使用的節流孔的孔徑為62[μm]，相對於圖2的情形而言，假定約有10％的堵塞。給出與圖2相同的設定流量信號QS(t)＝2.5+0.5sin(ωt)時，上遊側壓力P1(t)出現明顯的差異。就是說，以毫伏單位，成為P1＝70+90sin(ωt)。實際的正常設定流量為57.2[SCCM]。
將圖2與圖3進行比較時，正常壓力P10由250[mV]變化為70[mV]，脈動壓力ΔP1由200sin(ωt)向90sin(ωt)變化。由於在節流孔中有堵塞，正常壓力P10多少發生變化是理所當然的。
另外，脈動壓力P1(t)比檢定用信號ΔQS在相位上滯後是由於應答緩慢所致。但是，在本發明中，此滯後τ不成問題。上述脈動壓力ΔP1是以振幅求得，但也可由VPP，即峰·谷·峰值求出。
本發明人等著眼於節流孔堵塞會對脈動壓力ΔP1給予大的變化。就是說，作為檢定用信號，給予相同的ΔQS＝0.5sin(ωt)[V]時，如果以Vsin(ωt)表示脈動壓力ΔP1，則有壓力振幅V由±200[mV]向±90[mV]急減的事實。根據該事實，能通過脈動壓力的壓力振幅V的減小檢測出節流孔的堵塞，並能利用報警信號向外部報知。
圖4是概括上述事項的本發明的信號波形的概念構成圖。正在以正常設定流量信號QS0進行流量控制時，由於檢測出節流孔堵塞，中斷由FCS進行的流量控制。立即由檢定迴路將檢定用信號ΔQS＝V0sin(ωt)與QS0疊加而輸出。
這時，測定作為應答信號的上遊側壓力P1(t)。上遊側壓力P1(t)是由正常壓力P10與脈動壓力ΔP1＝Vsin(ωt)構成。計算流量QC是作為QC＝KP10由正常壓力P10算出。另一方面，當脈動壓力ΔP1的壓力振幅V小於極限振幅Vt時，作為在節流孔中有堵塞而由CPU向報警迴路46輸出報警信號。
在節流孔中無堵塞時，脈動壓力ΔP1是以ΔP1＝VP0sin(ωt)表示。因此，對於在Vt＜V＜VP0範圍內的壓力振幅V來說，可判斷為無堵塞；在V＜Vt的範圍時，作為有堵塞而輸出報警信號。
在極限振幅Vt的決定方法上多少存在任意性。既要依賴於檢定用信號ΔQS＝V0sin(ωt)的檢定振幅V0，也要依賴於節流孔的堵塞程度。因此，在一定的檢定用信號ΔQS＝Vsin(ωt)的情況下，是根據堵塞的經驗值來決定極限振幅Vt。
第2實施形態圖5是不設置堵塞檢測迴路進行堵塞檢測的壓力式流量控制裝置的構成圖。對於流量控制模式來說，是由流量設定迴路32輸出正常設定流量信號QS0，由CPU進行控制閥CV的開閉控制，將上遊側壓力P1控制成正常壓力P10。
由此狀態進入堵塞檢測模式時，設定流量信號QS(t)＝QS0+V0sin(ωt)即由流量設定迴路32輸出到CPU內。CPU通過放大迴路40對控制閥CV進行開閉控制，上遊側壓力P1(t)顯示P1(t)＝P10+Vsin(ωt)。根據該壓力振幅V進行與前述相同的堵塞檢測。
換言之，圖1是在FCS中另外設置檢定迴路31，藉此進行堵塞檢測，與此相反，圖5是由FCS單體進行堵塞檢測。對於堵塞檢測模式來說，前者是暫時中斷FCS控制，而後者是FCS控制也同時進行。但是，對於前者來說，由於是由檢定迴路輸出正常信號，短時間的FCS控制中斷對於流量控制幾乎無影響。
圖6是利用節流孔堵塞檢知流量異常的程序方框圖的一側。本程序方框圖能適用圖1與圖5兩裝置。
由步驟n1確認FCS是流量控制模式時，則正常設定流量信號QS0作為設定流量信號QS由流量設定迴路32輸出(n2)。上遊側壓力P1測定後(n3)，下遊側流量Q根據Q＝KP1算出(n4)。
另外，測定上遊側溫度T1(n5)，下遊側流量Q受到校正而變換成計算流量QC(n6)。
計算流量QC與設定流量QS的差Qy由Qy＝QC-QS進行計算(n7)。當Qy為負的情況下(n8)，將控制閥CV稍許打開(n9)；當Qy為正的情況下(n10)，將控制閥CV稍許關閉(n11)，再回到步驟n3。一面重複進行該步驟，一面使運算流量QC與設定流量QS一致地進行控制，將通過節流孔流量控制成當初的正常設定流量QS0。
當設定節流孔的堵塞檢測模式時(n12)，則輸出包括檢定用信號ΔQS＝V0sin(ωt)在內的設定流量信號QS＝QS0+V0sin(ωt)(n13)。該輸出在圖1中由檢定迴路31，在圖5中由流量設定迴路32來進行。由於加入正常設定流量信號QS0，能一面進行流量控制，一面執行堵塞檢測。
上遊側壓力P1是作為P1(t)＝P10+Vsin(ωt)進行檢測(n14)。正常壓力P10是流量控制用，根據脈動壓力ΔP1＝Vsin(ωt)算出壓力振幅V(n15)。在該壓力振幅V大於極限振幅Vt的情況下(n16)，作為無堵塞而回到步驟n1。在壓力振幅V在極限振幅Vt以下的情況下(n16)，作為有堵塞而輸出報警信號(n17)。
圖7表示檢定用信號ΔQS是脈衝信號的情形。脈衝信號的深度是檢定振幅V0，作為應答信號的上遊側壓力P1(t)也是脈動壓力ΔP1疊加在正常壓力P10上。作為該脈動壓力ΔP1的深度的壓力振幅V小於極限振幅Vt時，判斷為有堵塞。其他事項與圖4相同，從略。
本發明並不僅限於上述實施形態，不脫離本發明的技術思想的範圍的各種變形例、設計變更等是包括在其技術範圍內的。
根據本發明，作為對於來自另外設置的檢定迴路的輸入的應答，由上遊側壓力P1中取出脈動壓力ΔP1，只是將其壓力振幅V與極限振幅Vt對比，即能檢知節流孔的堵塞。因此，能極其簡便地檢知流量異常。
另外，根據本發明，不另外設置檢定迴路，而是原封不動地利用以往的壓力式流量控制裝置即能檢知堵塞。因此，能極其簡便地檢知流量異常。
根據本發明，能一面按照正常設定流量信號QS0進行流量控制，一面根據檢定用信號ΔQS檢知節流孔堵塞，實現一面繼續進行流量控制一面檢知流量異常這一划時代的方法。就是說，該權利要求3的發明與以往的停止流量控制系統地進入異常檢知模式這一流量異常的檢知方法相比較，是具有革新效果的方法。
另外，由於能在流量控制中檢知流量異常，在節流孔堵塞而使流量降低的情況下，具有能進行增加那一分額的流量的控制，始終保持通過節流孔的流量為一定的效果。
根據本發明，由於能利用正弦波信號作為檢定用信號，能活用眾所周知的正弦波電子技術，具有迴路構成簡單的效果。
根據本發明，由於能利用脈衝信號作為檢定用信號，能活用眾所周知的脈衝技術，以簡單的迴路構成檢知流量異常。
權利要求
1.一種壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法，該裝置由控制閥(CV)、節流孔(2)、檢測控制閥(CV)與節流孔(2)之間的上遊側壓力P1的壓力檢測器(14)、流量設定迴路(32)構成，所述方法包括以下步驟在將上遊測壓力P1保持為下遊側壓力P2的約2倍以上的狀態下，根據QC＝KP1(K為常數)計算下遊側流量QC，根據該計算流量QC與設定流量QS之差信號Qy對控制閥(CV)進行開閉控制的，由流量設定迴路(32)向控制閥(CV)輸出具有檢定振幅V0的檢定用信號ΔQS，測定應答該控制閥(CV)的開閉而產生的上遊側壓力P1的脈動壓力ΔP1的壓力振幅V，當該壓力振幅V小於極限振幅Vt時，報知節流孔堵塞。
2.按權利要求1或2所述的流量異常檢知方法，將前述檢定用信號ΔQS疊加在正常設定流量信號QS0上輸出到控制閥(CV)。
3.按權利要求1或2所述的流量異常檢知方法，前述檢定用信號ΔQS是正弦波信號。
4.按權利要求1或2所述的流量異常檢知方法，前述檢定用信號ΔQS是脈衝信號。
全文摘要
一種壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法，該裝置由控制閥(CV)、節流孔(2)、檢測控制閥(CV)與節流孔(2)之間的上遊側壓力P
文檔編號F16K37/00GK1506607SQ0317874
公開日2004年6月23日 申請日期2000年7月27日 優先權日1999年8月10日
發明者大見忠弘, 飯田精一, 加賀爪哲, 廣瀨潤, 深澤和夫, 小泉浩, 長岡秀樹, 宇野富雄, 西野功二, 池田信一, 土肥亮介, 出田英二, 一, 二, 介, 哲, 夫, 樹, 雄 申請人:株式會社富士金, 大見忠弘, 飯田精一, 東京毅力科創株式會社