壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測方法及其檢測裝置的製作方法

2023-10-28 09:57:27 4

專利名稱：壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測方法及其檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及對半導體、化學產品、藥品、精密機械零件等的製造中使用的各種諸如氣體等流體的流量進行控制的壓力式流量控制裝置，更具體地說是涉及當孔板發生堵塞時對其堵塞進行檢測的方法及其檢測裝置。
現有技術過去，作為半導體製造設備及化學藥品製造設備的流體供給裝置凡需要進行高精度流量控制的，基本上都採用質量流量控制器。
但是，質量流量控制器存在著①使用熱式流量傳感器的，響應速度較慢，②低流量段的控制精度差，故而每一個產品在精度上存在分散性，③工作中多發故障而穩定性差，④製造價格高，故更換用零部件價格也高而導致運行成本高，等種種缺點。
為此，本發明人為克服上述缺點而銳意研究的結果，開發出了特開平8-338546號公報所揭示的使用孔板的壓力式流量控制裝置。
該壓力式流量控制裝置具有如下特徵。
當孔板前後的氣體的壓力比P2/P1(P1上遊壓力，P2下遊壓力)小於氣體的臨界壓力比(空氣或氮氣等為0.5)時，通過孔板的氣體的流速將達到音速，使得孔板下遊壓力的變化不能傳遞到上遊，能夠獲得與孔板上遊的狀態相應的穩定的質量流量。
即，在孔板直徑一定的情況下，當設定為上遊壓力P1為下遊壓力P2的約2倍以上時，流經孔板的下遊流量Qc僅依賴於上遊壓力P1，高精度地建立起Qc＝KP1(K常數)這樣一種線性關係。並且，只要孔板直徑相同，該常數K也不變。
結合

圖12對該壓力式流量控制裝置的構成進行說明。
孔板2的上遊流路4與靠驅動部8實現開閉的控制閥CV相連結，下遊流路6經氣體取出用連結器12與流體反應裝置(未圖示)連接。
孔板上遊壓力P1以壓力檢測器14進行檢測，經由放大電路16在壓力顯示器22上顯示出來。此外，其輸出通過A/D轉換器18數位化，運算電路20按Q＝KP1(K常數)計算出孔板的下遊流量Q。
另一方面，溫度檢測器24檢測的上遊溫度T1經放大電路26、A/D轉換器28向溫度修正電路30輸出，對上述流量Q進行溫度修正後，將計算流量QC向比較電路36輸出。在這裡，將運算電路20、溫度修正電路30及比較電路36概括起來稱之為運算控制電路38。
流量設定電路32經A/D轉換器34輸出設定流量QS，向比較電路36發送信號。在比較電路36中，按QY＝QC-QS計算出計算流量QC與設定流量QS的差信號QY，經放大電路40向驅動部8輸出。該驅動部8的作用是，向差信號QY變零的方向控制控制閥CV的開閉，以使下遊流量等於設定流量。
該壓力式流量控制裝置雖然具有僅對上遊壓力P1進行檢測便可高精度控制下遊流量的優點，但是，由於使用孔板，故存在著其微孔會堵塞的弱點。孔板是微米級的孔，有時會由於該孔板的孔被灰塵等堵塞而使流量控制無法進行。
進行流量控制的管路內部必須經過高度淨化，而在管路裝配時有可能殘留鋸屑和灰塵等。當孔板堵塞時，由於不能進行流量控制，整個設備變得不穩定，將導致產生大量廢品。而且，隨氣體流體種類的不同，還存在著化學反應失控而發生爆炸事故的危險。為對此加以防止，曾就將填密過濾器內裝於管路內的方法進行過探討，但存在著影響管路流導的缺點。
圖13示出孔板發生堵塞時的流量特性。淨化後流量特性是無堵塞時的特性，例如，在圖13中，當設定值顯示為100％時，只要沒有堵塞，N2氣體應有563.1SCCM(○標識)的流量。後續的反應系統全部是按期望的流量進行設計的。但一旦發生堵塞，此時只能流通485SCCM(□標識)，不能進行設計所要求的反應。其中，SCCM表示標準狀態下1分鐘的氣體流量(cc)。
這樣，當孔板發生堵塞時，將出現流量低於設計值的現象。作為半導體和化學設備，在原料氣體過於不足時，或者會發生爆炸，或者產品出現大量廢品，如何對孔板堵塞進行檢測成為一個大課題。
發明的公開本發明是為克服上述缺點而開發出來的，權利要求1所記載的壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測方法是，對於由控制閥、孔板、對該二者之間的上遊壓力進行檢測的壓力檢測器和流量設定電路構成的、上遊壓力P1保持為下遊壓力P1的約2倍以上而以QC＝KP1(K常數)計算下遊流量QC的、依據該計算流量QC與設定流量QS的差信號QY對控制閥進行開閉控制的流量控制裝置，由將設定流量QS保持為高設定流量QSH的第1過程，將該高設定流量QSH切換並保持為低設定流量QSL而對上遊壓力P1進行檢測以獲得壓力衰減數據P(t)的第2過程，將相同條件下無堵塞時檢測到的基準壓力衰減數據Y(t)與上述壓力衰減數據P(t)進行比較的第3過程，以及當壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)達到既定程度以上時報知堵塞的第4過程構成。
權利要求4所記載的壓力式流量控制裝置的堵塞檢測方法是，對於由控制閥CV、孔板2、對該二者之間的上遊壓力P1進行檢測的壓力檢測器14和流量設定電路32構成的、上遊壓力P1保持為下遊壓力P2的約2倍以上而以QC＝KP1(K常數)計算下遊流量QC的、依據該計算流量QC與設定流量QS的差信號QY對控制閥CV進行通斷控制的流量控制裝置，由使設定流量QS保持為高設定流量QSH的第1過程，將該高設定流量QSH切換並保持為低設定流量QSL、對上遊壓力P1及上遊溫度Pt進行檢測並利用該檢測值計算壓力衰減數據P(t)的第2過程，在相同條件下將利用孔板無堵塞時檢測到的上遊壓力Pt和上遊溫度Tt而計算出的基準壓力衰減數據Y(t)與上述壓力衰減數據P(t)二者進行比較的第3過程，以及當壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)達到既定程度以上時報知堵塞的第4過程構成。
此外，權利要求7所記載的壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測裝置是，在由控制閥、孔板、對該二者之間的上遊壓力進行檢測的壓力檢測器和流量設定電路構成的、上遊壓力P1保持為下遊壓力P2的約2倍以上而以QC＝KP1(K常數)計算下遊流量QC的、依據該計算流量QC與設定流量QS的差信號QY對控制閥進行開閉控制的流量控制裝置中，由將孔板無堵塞的條件下從高設定流量QSH切換為低設定流量QSL而檢測到的上遊壓力P1的基準壓力衰減數據Y(t)儲存起來的存儲裝置，在孔板的實際條件下從高設定流量QSH切換為低設定流量QSL後對上遊壓力P1的壓力衰減數據P(t)進行檢測的上述壓力檢測器，對壓力衰減數據P(t)與基準壓力衰減數據Y(t)二者進行比較運算的中央運算處理裝置，以及當壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)既定程度以上時報知堵塞的報警電路構成。
權利要求9所記載的壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測裝置是，在由控制閥CV、孔板2、對此二者之間的上遊壓力P1進行檢測的壓力檢測器14和流量設定電路32構成的、上遊壓力P1保持為下遊壓力P2的約2倍以上而以QC＝KP1(K常數)計算下遊流量QC、依據該計算流量QC與設定流量QS的差信號QY對控制閥進行通斷控制的流量控制裝置中，由檢測孔板上遊壓力P的壓力檢測器14，檢測孔板上遊溫度T的溫度檢測器24，將利用孔板2無堵塞的條件下從高設定流量QSH切換為低設定流量QSL而檢測到的上遊壓力Pt及上遊溫度Tt所計算出的上遊壓力P1的基準壓力衰減數據Y(t)儲存的存儲裝置M，進行上述基準壓力衰減數據Y(t)的計算、並利用在孔板2的實際條件下從高設定流量QSH切換為低設定流量QSL而檢測到的上遊壓力Pt和上遊溫度Tt計算出上遊壓力P1的壓力衰減數據P(t)、進而對該壓力衰減數據P(t)與上述基準壓力衰減數據Y(t)二者進行比較運算的中央運算處理裝置CPU，以及當壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)達到既定程度以上時報知堵塞的報警電路46構成。
附圖的簡單說明圖1是本發明所涉及的流量控制裝置的堵塞檢測裝置之一例的結構方框圖。
圖2是設備運行中的流量控制流程圖。
圖3是求取本發明第1實施例所涉及的堵塞檢測方法所使用的基準壓力衰減數據Y(t)的流程圖。
圖4是無堵塞時的基準壓力衰減數據Y(t)和堵塞時壓力衰減數據P(t)的曲線圖。
圖5是本發明第1實施例所涉及的堵塞檢測方法的實施流程圖。
圖6是各種信號的時序圖。
圖7是求取本發明第2實施例所涉及的堵塞檢測方法所使用的基準壓力衰減數據Y(t)的流程圖。
圖8是本發明第2實施例所涉及的堵塞檢測方法的實施流程圖。
圖9是本發明第2實施例改變溫度時的壓力降低特性曲線圖。
圖10是本發明第2實施例改變溫度時的壓力衰減數據Z(t)計算值的曲線圖。
圖11示出本發明第2實施例在溫度發生變化情況下基準時的壓力衰減數據(25℃)ZS(t)與壓力衰減數據計算值二者之差。
圖12是現有壓力式流量控制裝置的結構方框圖。
圖13是孔板發生堵塞時的設定值流量特性圖。
編號說明2是孔板，4是上遊流路，6是下遊流路，8是驅動部，12是氣體取出用連結器，14是壓力檢測器，16是放大電路，18是A/D轉換器，20是運算電路，22是壓力顯示器，24溫度檢測器，26是放大電路，28是A/D轉換器，30是溫度修正電路，32是流量設定電路，34是A/D轉換器，36是比較電路，38是運算控制電路，40是放大電路，42是通訊口，44是外部電路，46是報警電路，48是電源電路，50是外部電源，AMP是放大電路，A/D是AD轉換器，AL是報警電路，CPU是中央運算處理裝置，CV是控制閥，ES是外部電源，M是存儲裝置，SC是電源電路。
發明的最佳實施形式本發明涉及用於與圖12同樣的壓力式流量控制裝置中的孔板堵塞檢測方法和堵塞檢測裝置，壓力式流量控制裝置進行動作的前提條件相同。即，當設定為上遊壓力P1為下遊壓力P2的約2倍以上時，孔板的下遊流量QC僅依賴於上遊壓力P1，QC＝KP1這一線性條件可高精度成立。孔板相同的場合，比例常數K一定，僅在換成孔板孔不同的孔板時改變常數K即可。
因此，要將特定的流體控制為固定流量時，只要對控制閥CV進行開閉控制使得上遊壓力P1為P1＝QS/K的值即可。即，對上遊壓力P1進行經常性檢測的同時，以與之一對一的對應關係開閉控制閥CV即可。
堵塞檢測裝置的實施例圖1示出本發明所涉及的流量控制裝置的堵塞檢測裝置的一個例子。從功能上來說，本裝置與圖12的裝置相同，不同之處在於以微計算機進行控制。為此，與圖12相同的部分賦予相同的編號並對其說明予以省略，對不同的編號及詳細內容說明如下。
CPU是中央運算處理裝置，相當於圖12的運算控制電路38，M是數據儲存用存儲裝置，42是與外部進行通訊的通訊口PT，44是觸發電路等外部電路，46是堵塞時的報警電路，48是電源電路SC，50是±15V的外部電源。AMP是放大電路，A/D是A/D轉換器。
作為控制閥CV，使用所謂直接接觸型的金屬膜閥，而其驅動部8使用壓電器件型驅動裝置。除此之外，控制閥CV的驅動部8也可以使用磁致伸縮器件型驅動裝置、螺線管型驅動裝置、馬達型驅動裝置、空氣壓型驅動裝置以及熱膨脹型驅動裝置。
壓力檢測器14使用的是半導體應變型壓力傳感器，但除此之外也可以使用金屬箔應變型壓力傳感器、靜電電容型壓力傳感器以及磁阻型壓力傳感器等。
溫度檢測器24使用的是熱電偶型溫度傳感器，但也可以使用測溫電阻型溫度傳感器等公知的各類溫度傳感器。
此外，作為孔板2，使用的是在呈板狀的金屬薄板制填密板上經切削加工出孔的孔板，但除此之外也可以使用極細管料、經腐蝕或放電加工在金屬膜上形成孔而成的孔板等公知的孔板。
將使用孔板的流量控制裝置簡稱為FCS，而圖1所示流量控制裝置FCS是組裝有本發明所涉及的孔板堵塞檢測裝置的FCS。
下面，結合圖2的流程圖對圖1所示流量控制裝置FCS的一般流量控制模式進行說明。
圖2是設備運行中的流量控制流程圖，由中央運算處理裝置CPU按照存儲裝置M中儲存的程序執行。當在步驟n1確認是(Y)流量控制模式時，從流量設定電路32輸入流量設定信號(設定流量)QS(n2)。以壓力檢測器14檢測上遊壓力P1(n3)，經放大電路16以及A/D轉換器18由中央運算處理裝置CPU按照Q＝KP1(K常數)計算出下遊流量Q(n4)。
同時，對上遊溫度T1以溫度檢測器24進行檢測(n5)，經放大電路26以及A/D轉換器28向上述裝置CPU輸入，依據該數據對流量進行溫度修正，流量Q轉換為計算流量QC(n6)。在裝置CPU中，對計算流量QC與設定流量QS之差按照QY＝QC-QS進行計算(n7)。
按如下步驟對控制閥CV進行控制以使該流量差信號QY變為零。首先，當QY＜0時(n8)，以驅動部8對控制閥CV向打開的方向進行控制(n9)，而當QY＞0時(n10)，向關閉的方向驅動控制閥CV(n11)，並返回步驟n3。當QY＝0時，視為流量控制已完成而將控制閥CV固定在當前的開度(n12)。使流量差QY完全變為零是困難的，因此在步驟n8和n10中也可以設定一些裕度。
在這裡，對流量設定電路32的設定流量QS作一說明。該設定流量(流量設定信號)QS通常以電壓值給出，並且與上遊壓力的設定值P1存在P1＝QS/K的關係。也就是說，假如流量以0～5(V)表示，則與壓力範圍0～3(kgf/cm2abs)相對應。若該範圍以百分比表示為0～100(％)，則滿刻度100(％)的流量QS對應於5(V)，上遊壓力P1對應於3(kgf/cm2abs)。
例如，若設定值為50(％)，則流量QS相當於2.5(V)，壓力P1相當於1.5(kgf/cm2abs)。以下的說明以此為前提。
其次，為進行孔板堵塞檢測，就對作為基礎數據的基準壓力衰減數據Y(t)進行檢測的基準衰減模式進行說明。該基準衰減模式是用來分析孔板完全沒有堵塞的狀態下從控制閥開大(全開狀態)的狀態變成關閉(全閉狀態)時上遊壓力P1將如何衰減，以作為與發生堵塞時進行對比的基準數據。
堵塞檢測方法的第1實施例圖3是第1實施形式所涉及的堵塞檢測方法所採用的基準衰減模式的流程圖，根據來自外部電路44的信號開始執行存儲裝置M內所儲存的程序。
一旦確認是基準衰減模式(n20)，由CPU將設定流量QS設置為高設定流量QSH(n21)。通常該高設定流量QSH為滿刻度的100％。以該狀態檢測上遊壓力P1，將該量程的最大值表示為最大壓力Pm(n22)。其次，根據來自外部電路44的觸發信號，將設定流量QS設置為低設定流量QSL，將這一時刻作為t＝0(s)(n23)。低設定流量QSL通常為0％。即，是將上遊壓力P1從最大值變成零(控制閥全閉)之後檢測上遊壓力P1的衰減的。
從t＝0開始檢測上遊壓力P1(n24)，將時刻與壓力數據(t、P1/Pm)儲存在存儲裝置M內(n25)。P1/Pm只是為了將壓力規格化，也完全可以不進行規格化，此外還可以採用其它方法。時刻以微小時間Δt漸進(n26)，直至達到檢測時間tm(n27)為止，邊檢測數據(t、P1/Pm)邊存入存儲裝置M。這裡，作為測定時間tm只要是能夠將數據儲存起來的時間即可，例如為5(s)、20(s)等。其次，以最小二乘法使Y(t)＝exp(-kt)與所獲得的多個數據(t、P1/Pm)擬合(n28)，計算出衰減參數k(n29)。
在實際的具體檢測中，上述測定時間tm可在1s～10s的時間段內進行8級切換設定，並且，對於內徑為150μm的孔板，在這段時間內測量50個點的上遊壓力P1。
這樣，基準壓力衰減數據Y(t)可按理論公式Y(t)＝exp(-kt)得到。對於無堵塞的相同孔板，衰減參數k為定值。將該基準壓力衰減數據Y(t)儲存在存儲裝置M中。
基準壓力衰減數據Y(t)在圖4中以細實線示出，最大值被規格化為1。當然，也可以不進行規格化而將壓力P1的值作為衰減數據。
在上述方法中，QSH→QSL的變化為100％→0％，即控制閥CV為全開→全閉，但並不限於此。例如，也可以設成QSH＝50％，還可以設成QSL＝20％。之所以選擇100％→0％，不過是為了使衰減曲線顯現最顯著的曲線變化。
基準壓力衰減數據Y(t)是在孔板無堵塞的最佳條件下檢測的，從一般意義上來說，並不意味著無堵塞狀態是該最佳條件。例如，即使存在小量堵塞有時也會判斷為無堵塞，而本實施例取滿刻度值的±0.2％，因此，對於規格化為1的場合，則是將±0.002作為無堵塞的誤差範圍。該誤差範圍可根據情況作種種改變。
下面，就流量因數FF進行說明。
本發明所涉及的流量控制裝置，具有能夠以同一孔板控制多種氣體的優點。如前所述，我們已經知道，相同孔徑的孔板，其下遊流量QC可由QC＝KP1(K常數)獲得。眾所周知，這種場合下，當氣體種類改變時，常數K將改變。
例如，相應於N2氣體、Ar氣體和O2氣體，假設將常數K表示為KN、KA和K0。通常，使用以N2作為基準的流量因數FF表述。因此，若N2氣體、Ar氣體和O2氣體的流量因數FF以FFN、FFA和FFO表示時，可由FFN＝KN/KN＝1、FFA＝KA/KN和FFO＝KO/KN求得。即，流量因數FF是實際氣體的流量與N2換算流量之比，是由FF＝實際氣體流量/N2換算流量加以定義的要素。表1示出各種氣體的流量因數值。
表1流量因數F.F.


發明人經過研究判明，基準壓力衰減數據Y(t)＝exp(-kt)的衰減參數k與流量因數FF有密切的關係。與流量同樣，該關係式為實際氣體衰減參數＝FF×N2氣體衰減參數。因此，只要測出N2氣體的衰減參數KN，任意氣體的衰減參數k可由k＝FF×kN確定。
圖5是對實際使用的孔板進行堵塞檢測的堵塞檢測模式的流程圖。在設備實際運行時進行堵塞檢測是困難的，因此，在生產過程結束後，當設定流量達到規定值(即設定流量值為超過1V的任意值·閾值)時，以其減小方向作為觸發信號而進入堵塞檢測模式。
在本實施例中，當設定流量值變為1V時，向中央運算處理裝置CPU輸入觸發信號Tr1。根據該信號確認是堵塞檢測模式(n30)，自存儲裝置M向CPU送出基準壓力衰減數據Y(t)。該數據既可以是對應於作為實際檢測對象的實際氣體的Y(t)，也可以是對應於N2的衰減參數k與流量因數FF。為後者的場合，可根據Y(t)＝exp(-kt×FF)計算出實際氣體的基準壓力衰減數據Y(t)。
在本實施例中，初始設定時的上述Y(t)，儲存在存儲裝置M中的下表所示的表格中，通過與該表格比較而進行堵塞檢測。
表2

)。若在誤差範圍之外(n40)，便顯示有堵塞，打開報警信號AL(n41)。
上述低設定時間t1是對比時間，0.6(s)也好1.6(s)也好均可，只要選擇對比易於進行的時間即可。此外，壓力衰減數據P(t)使用的是將上遊壓力P1(t)以最大壓力Pm規格化後的數據，但不特意進行規格化也可以。不進行規格化的場合，基準壓力衰減數據Y(t)也最好是使用未規格化的。此時，步驟n40的計算式將為|P1(t1)-Y(t1)|/Pm＜n。即，進行規格化的場合下為P(t)＝P1(t)/Pm，而不進行規格化的場合，只要P(t)＝P1(t)即可。此外還有壓力衰減數據P(t)的常數，重要的是，對於P(t)與Y(t)的常數，除了堵塞與否之外其餘條件均應相同。
在本實施例中，誤差m設定為0.2％ F.S.，即m＝0.002。但是，該誤差範圍不過是給出了假定無堵塞的範圍，因此，也可以設定為0.5％ F.S.，即m＝0.005，相應於精度具有任意性。
另外，圖5的實施例是以t＝t1的一個點的數據對堵塞進行判斷的，但也可以以多個時間點進行判斷，還可以利用更多的點，以整個壓力衰減曲線進行對比判斷。
此外，在實際實施中，就t＝t1～t＝tn的4～5個點連續地進行如上所述的堵塞判斷，以各點的初始基準值與測量值之差的數據的累加平均值進行最終的堵塞判斷。
由示出壓力衰減曲線的圖4可知，相對於無堵塞時的細實線以虛線標出±0.2％ F.S.的誤差範圍。凡其值在該虛線範圍內時，即無堵塞。粗實線是規格化後的壓力衰減數據，約1.6秒後的實測值在虛線範圍之外，因此，顯示有堵塞發生，報警器報警。
圖6是圖5實施例中的信號時序圖。利用觸發信號Tri的上升沿輸入高設定流量QSH，在t0秒後設定為低設定流量QSL之後，實測t1秒後的壓力衰減數據P(t)。若在誤差範圍之外，則報警信號AL接通。
在本發明中，基準壓力衰減數據Y(t)與壓力衰減數據P(t)是否規格化均可。
此外，本發明並不限於上述實施例，未超出本發明技術思想範圍的各種變形例、設計變更等均包含在本發明技術思想的技術範圍內。
堵塞檢測方法的第2實施例圖7是第2實施例所涉及的堵塞檢測方法的、為獲得作為基礎數據的基準壓力衰減數據Y(t)的基準衰減模式的流程圖，相當於上述第1實施例的圖3。
上述圖3的第1實施例在獲得基準壓力衰減數據Y(t)時，完全未考慮孔板上遊的流體溫度T對壓力衰減的影響。此外，上述圖5所示堵塞檢測模式中檢測壓力衰減數據P(t)時也是如此。
而實際檢測堵塞時，獲得基準壓力衰減數據Y(t)時的流體溫度T與進行堵塞檢測時的流體溫度T幾乎不會相等，二者之間通常是存在溫差的。
但是，以上述第1實施例所示方法進行堵塞檢測的場合，若測定基準壓力衰減數據Y(t)時的孔板上遊流體溫度與測定壓力衰減數據P(t)時的孔板上遊流體溫度存在差異，將使堵塞檢測精度變差。具體地說，經實驗確認，當溫差達到約10℃的程度時，堵塞面積的檢測值將產生約3％的誤差。
上述圖7及後述圖8所示的第2實施例，是為了防止孔板上遊溫度的變化導致堵塞檢測精度降低而開發的，為了能夠做到即使檢測基準壓力衰減數據Y(t)和壓力衰減數據P(t)時孔板上遊的流體溫度存在差異，堵塞檢測精度也不會降低，對上述基準壓力衰減數據Y(t)和壓力衰減數據P(t)，是利用所檢測的流體溫度和壓力的值以流體流動理論公式計算求得的。
首先，就獲取基準壓力衰減數據Y(t)的方法進行說明。該基準壓力衰減數據Y(t)示出圖1的孔板2完全沒有堵塞情況下的孔板上遊的壓力衰減狀態。
參照圖1和圖7，根據來自外部電路44的觸發信號，開始執行儲存在存儲裝置M中的程序。
當確認是基準衰減模式時(n20a)，CPU將設定流量QS設置為高設定流量QSH(n21a)。該高設定流量QSH通常為滿刻度的100％。以該狀態檢測上遊壓力P1，該刻度下的最大值以最大壓力Pm＝Po表示(n22a)。當基於來自上述外部電路44的觸發信號，將設定流量QS設置為高設定流量QSH時(n21a)，使該狀態保持2秒鐘，2秒之後將設定流量QS設置為低設定流量QSL。將這個時間點作為時刻t＝0(n23a)。低設定流量QSL一般為0％。即，在上遊壓力P1從最大值變為零(控制閥全閉)之後對上遊壓力P1的衰減進行計量。
從t＝0開始起測量上遊壓力P1＝Pt和上遊溫度T1＝Tt(n43a)，將時刻、壓力數據和溫度數據(t、Pt、Tt)存入存儲裝置M(n43a)。進行該數據的測量時，使時刻僅以微小時間Δt移進(n26a)，一直測量到測量時間tm為止(n27a)，並存入存儲裝置M。其中，作為測量時間tm只要能夠將數據存入即可，例如為5(s)、20(s)等。
另外，在實際進行具體檢測時，將上述測量時間tm設定成可在1s～10s的時間段內進行8級切換，並且，對於內徑為150μm的孔板，在這段時間內測量50個點的上遊壓力P1值和上遊溫度T1。
並且，在進行上述上遊壓力P1和上遊溫度T1的同時，利用這些讀取數據在CPU中進行基準壓力衰減數據Y(t)＝ZS(t)的計算(n45a)。計算出來的基準壓力衰減數據Y(t)＝ZS(t)存入存儲裝置M。
在本第2實施例中，作為上述基準壓力衰減數據Y(t)＝ZS(t)，上遊壓力P1的降低是根據所謂的「流體理論公式」進行計算，「上遊壓力P1下降的程度以對數形式進行表達的值ZS(t)」在CPU中進行運算。
此外，本實施例中，作為上述「流體理論公式」使用下述①式。

其中，Po＝Pm是初始時(標準時)的上遊壓力，Pt是經過時間t後的上遊壓力，S是孔板2的斷面面積，Ct是時間t時的氣體熱容比常數，Rt是時間t時的氣體常數，Tt是時間t時的上遊溫度，V是FCS裝置的內容積，tn是自測量開始起所經過的時間(單位時間×第n個)。
此外，上述氣體熱容比的常數C是由下述式②獲得的。

其中，k是氣體的熱容比。
另外，上遊壓力P0的壓力下降程度之以對數形式表達的值ZS(t)由下面的式③獲得。Zs(t)=CoRoToCtRtTtLNPtPo]]>=CoRoToCtRtTt-SCtRtTtVtn]]>……③其中，C0、R0和T0是初始時(標準時)的氣體熱容比常數、氣體常數和上遊溫度，而Ct、Rt和Tt是測量開始後時間t那個時間點(第n個)的氣體熱容比常數、氣體常數和上遊溫度。
CPU以上述式③對測量開始的t＝0之後的每一個時間t1、t2…tn的基準壓力衰減數據Y(t)＝ZS(t)進行計算，並將計算結果順序存入存儲裝置M。
下面，就對實際使用的孔板進行的堵塞檢測進行說明。
圖8是第2實施例的孔板檢測模式的流程圖。在設備實際運行時進行堵塞檢測是困難的，因此，在生產過程結束後，當設定流量達到規定值(即設定流量值超過1V的任意值·閾值)時，以其減小方向作為觸發信號而進入堵塞檢測模式。
在本實施例中，當設定流量值成為1V時，觸發信號輸入中央運算處理裝置CPU。根據該信號確認是堵塞檢測模式(n30a)，自存儲裝置M向CPU送出基準壓力衰減數據Y(t)(n31a)。作為該數據，既可以是對應於作為實際檢測對象的實際氣體的Y(t)＝ZS(t)，也可以是對應於N2的基準壓力衰減數據ZS(t)與對應於根據氣體的種類所預先確定的流量因數FF的常數A的乘積。
其次，輸入高設定流量QSH，以該時刻作為t＝0(s)進行時間的計量(n32a)，檢測上遊壓力P1，以其值作為最大壓力Pm(n33)。多次反覆微小時間Δt(n34a)，一旦到達高設定時間t0(n35a)，切換為低設定流量QSL，再將該時刻作為t＝0(s)(n36a)。在本實施例中，如前所述，高設定流量QSH＝100％，低設定流量QSL＝0％，高設定時間t0＝2(s)。作為該高設定時間t0，只要是能夠使上遊壓力P1達到穩定的時間，可任意選擇。
之後，多次反覆微小時間Δt(n37a)，一旦時間達到低設定時間t1(n38a)，即檢測上遊壓力Pt1和上遊溫度Tt1(n39a)。根據需要將所檢測到的上遊壓力Pt1和上遊溫度Tt1儲存在存儲裝置M中，然後，在中央運算裝置CPU中計算一次側壓力的壓力下降程度之以對數形式表達的值(即，壓力衰減數據P(t1)＝Z(t1))(n48)。
將計算出來的壓力衰減數據P(t1)＝Z(t1)，與先前輸入存儲裝置M的基準壓力衰減數據Y(t1)進行比較(n49)，只要|Y(t1)-P(t1)|在容許的誤差範圍m之外(n49)，則顯示堵塞，報警信號AL接通(n41a)。
而若|Y(t1)-P(t1)|在容許的誤差範圍之內，則進行時間的加法運算(n＝50)，在第2單位時間t＝t2重複進行檢測、計算及對比，當達到t＝tn時(n＝51)，最終顯示為無堵塞並關斷報警信號AL(n42a)。
此外，在圖8的第2實施例的堵塞檢測模式中，在步驟n48進行壓力衰減數據P(t1)＝Z(t1)的運算，根據該計算值在步驟n49判定是否堵塞，若無堵塞，在步驟51進行時間的加法運算，進行下一個上遊壓力Pt和溫度Tt的檢測。
但是，作為這種方式的替代方式，也可以是，在步驟n46在每一個單位時間內連續地檢測上遊壓力Pt和溫度Tt的同時，在步驟n48計算每一個單位時間的壓力衰減數據P(t1)，利用該計算值在每一個單位時間判定是否堵塞。
圖9、圖10和圖11示出以本發明第2實施例進行孔板堵塞檢測時的試驗結果，示出孔板內徑160μm、單位時間t(0.012sec)、基準溫度25℃、溫度變化+10°和-10°情況下的壓力下降特性(圖9)、Z(t)的計算結果(圖10)以及基準時的計算值(25℃)ZS(t)與堵塞檢查時的計算值Z(t)之差(圖11)。
由圖9和圖10可知，作為第2實施例，即使堵塞檢查時的上遊氣體溫度T(t)較基準時的溫度(25℃)有±10℃的差異，壓力下降特性(圖8)和Z(t)的計算值與基準值溫度(25℃)時幾乎相同，上遊氣體溫度的變化引起的誤差大致完全得到了修正。
其結果，即使上遊氣體溫度比起獲得基準衰減數據時的氣體溫度有相當大的變化，也能夠高精度且穩定地進行堵塞檢測。
發明的效果如以上所詳細描述的，本發明是將孔板無堵塞時的基準壓力衰減數據Y(t)和壓力衰減數據P(t)進行比較，根據P(t)相對於Y(t)的偏離是否超出了既定程度來判斷是否發生了堵塞。因此，可以不必拆解配管，以極其簡單的操作判斷是否堵塞，因此能夠避免發生爆炸等非常事件並保證設備的穩定性。即，本發明能夠提供低價格高可靠性的孔板堵塞檢測方法及其裝置，有助於使用孔板的壓力式流量控制裝置的廣泛普及。
特別是，按照本發明第2實施例，即使堵塞檢測時的上遊氣體溫度T(t)比起獲取基準壓力衰減數據Y(t)時的上遊氣體溫度有相當大的不同，也能夠排除溫度變化引起的誤差而高精度地進行堵塞檢測。
權利要求
1.一種壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測方法，對於由控制閥(CV)、孔板(2)及對它們之間的上遊壓力P1進行檢測的壓力檢測器(14)及流量設定電路(32)構成的、上遊壓力P1保持為下遊壓力P2的約2倍以上而以QC＝KP1(K常數)進行下遊流量QC的計算、利用該計算流量QC與設定流量QS二者的差信號QY對控制閥(CV)的開閉進行控制的流量控制裝置，由使設定流量QS保持為高設定流量QSH的第1過程，將該高設定流量QSH切換並保持為低設定流量QSL而進行上遊壓力P1的檢測以獲得壓力衰減數據P(t)的第2過程，對以相同的條件在孔板無堵塞時所檢測的基準壓力衰減數據Y(t)和上述壓力衰減數據P(t)進行比較的第3過程，以及當壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)達到既定程度以上時報知有堵塞發生的第4過程構成。
2.如權利要求1的壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測方法，其特徵是，上述高設定流量QSH為100％流量(滿刻度流量)，低設定流量QSL是0％流量(將控制閥完全關閉)，當從切換為低設定流量起既定時間後的壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)達到基準值以上時報知有堵塞發生。
3.如權利要求2的壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測方法，其特徵是，基準壓力衰減數據Y(t)及壓力衰減數據P(t)以Y(t)＝exp(-kt)(其中，k是衰減參數)的形式表達。
4.一種壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測方法，對於由控制閥(CV)、孔板(2)及對它們之間的上遊壓力P1進行檢測的壓力檢測器(14)及流量設定電路(32)構成的、上遊壓力P1保持為下遊壓力P2的約2倍以上而以QC＝KP1(K常數)進行下遊流量QC的計算、利用該計算流量QC與設定流量QS二者的差信號QY對控制閥(CV)的開閉進行控制的流量控制裝置，由使設定流量QS保持為高設定流量QSH的第1過程將該高設定流量QSH切換並保持為低設定流量QSL而進行上遊壓力P1及上遊溫度Tt的檢測並利用該檢測值計算壓力衰減數據P(t)的第2過程，在相同條件下對利用孔板無堵塞時所檢測的上遊壓力Pt及上遊溫度Tt所計算出的基準壓力衰減數據Y(t)與上述壓力衰減數據P(t)進行比較的第3過程，以及當壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)達到既定程度以上時報知有堵塞發生的第4過程構成。
5.如權利要求4的壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測方法，其特徵是，上述高設定流量QSH為100％流量(滿刻度流量)，低設定流量QSL是0％流量(將控制閥完全關閉)，當從切換為低設定流量起既定時間後的壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)達到基準值以上時報知有堵塞發生。
6.如權利要求4或5的孔板堵塞檢測方法，其特徵是，基準壓力衰減數據Y(t)及壓力衰減數據P(t)以
(其中，P0、C0、R0和T0是基準時的氣體的上遊壓力、氣體熱容比常數、氣體常數和氣體溫度，Pt、Ct、Rt和Tt是到達時的氣體的上遊壓力、氣體熱容比常數、氣體常數和氣體溫度)進行計算。
7.一種壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測裝置，在由控制閥(CV)、孔板(2)、對此二者之間的上遊壓力P1進行檢測的壓力檢測器(14)及流量設定電路(32)構成的、上遊壓力P1保持為下遊壓力P2的約2倍以上而以QC＝KP1(K常數)進行下遊流量QC的計算、利用該計算流量QC與設定流量QS二者的差信號QY對控制閥(CV)的開閉進行控制的流量控制裝置中，由儲存有孔板(2)無堵塞的條件下從高設定流量QSH切換為低設定流量QSL而測定的上遊壓力P1的基準壓力衰減數據Y(t)的存儲裝置M，在孔板(2)的實際條件下從高設定流量QSH切換為低設定流量QSL而對上遊壓力P1的壓力衰減數據P(t)進行檢測的上述壓力檢測器(14)，對壓力衰減數據P(t)和基準壓力衰減數據Y(t)二者進行比較運算的中央運算處理裝置CPU，以及當壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)達到既定程度以上時報知有堵塞發生的報警電路(46)構成。
8.如權利要求7的孔板堵塞檢測裝置，其特徵是，基準壓力衰減數據Y(t)及壓力衰減數據P(t)以Y(t)(或者P(t))＝exp(-kt)(其中k是衰減參數)的形式表達。
9.一種壓力式流量控制裝置的孔板堵塞檢測裝置，在由控制閥(CV)、孔板(2)、對此二者之間的上遊壓力P1進行檢測的壓力檢測器(14)及流量設定電路(32)構成的、上遊壓力P1保持為下遊壓力P2的約2倍以上而以QC＝KP1(K常數)進行下遊流量QC的計算、利用該計算流量QC與設定流量QS二者的差信號QY對控制閥的開閉進行控制的流量控制裝置中，由檢測孔板上遊壓力P的壓力檢測器(14)，檢測孔板上遊溫度T的溫度檢測器(24)，儲存有利用在孔板(2)無堵塞的條件下從高設定流量QSH切換為低設定流量QSL而測定的上遊壓力Pt和上遊溫度Tt所計算出來的上遊壓力P1的基準壓力衰減數據Y(t)的存儲裝置M，進行上述基準壓力衰減數據Y(t)的計算、並利用在孔板(2)的實際條件下從高設定流量QSH切換為低設定流量QSL而測定的上遊壓力Pt及上遊溫度Tt進行上遊壓力P1的壓力衰減數據P(t)的計算、進而對該壓力衰減數據P(t)和上述基準壓力衰減數據Y(t)二者進行比較運算的中央運算處理裝置CPU，以及當壓力衰減數據P(t)偏離基準壓力衰減數據Y(t)達到既定程度以上時報知有堵塞發生的報警電路(46)構成。
10.如權利要求9的孔板堵塞檢測裝置，其特徵是，基準壓力衰減數據Y(t)及壓力衰減數據P(t)以
(其中，P0、C0、R0和T0是基準時的氣體的上遊壓力、氣體熱容比常數、氣體常數和氣體溫度，Pt、Ct、Rt和Tt是到達時的氣體的上遊壓力、氣體熱容比常數、氣體常數和氣體溫度)進行計算。
全文摘要
對於使用孔板的流量控制裝置,可不必拆解配管而通過檢測上遊壓力判斷孔板是否堵塞,可使流量控制裝置的壽命延長、安全性得到提高。具體地說就是,在上遊壓力P
文檔編號G05D7/06GK1275218SQ99801434
公開日2000年11月29日 申請日期1999年8月9日 優先權日1998年8月24日
發明者大見忠弘, 飯田精一, 加賀爪哲, 廣瀨潤, 西野功二, 池田信一, 山路道雄, 土肥亮介, 吉川和博, 小艾睦典, 宇野富雄, 出田英二, 廣瀨隆 申請人:株式會社富士金, 大見忠弘, 東京毅力科創株式會社