CN105264341B - 热式流量计、温度测量装置和热式流量计算方法 - Google Patents

热式流量计、温度测量装置和热式流量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热式流量计，能比以往更高精度地修正与环境温度对应地变化的零点误差和量程误差，并且能通过通用的计算式与流体种类无关地简单地计算用于修正的修正量，从而能够减少进行确定的时间和劳力，该热式流量计包括：流道，测量对象的流体流过该流道；上游电阻元件，设置在所述流道的上游；下游电阻元件，设置在所述流道的下游；流量计算部，基于上游电压、下游电压和所述测量对象的流体的热导率来计算所述测量对象的流体的流量，所述上游电压是向所述上游电阻元件施加的电压，所述下游电压是向所述下游电阻元件施加的电压。

Description

热式流量计、温度测量装置和热式流量计算方法
技术领域
本发明涉及热式流量计和用于所述热式流量计的程序，在测量对象的流体流动的流道上设置有两个电阻元件，基于用于使所述电阻元件发热而施加的电压，测量所述测量对象的流体的流量。
背景技术
例如，恒定温度驱动方式的热式流量计以使分别设置在流道的上游和下游的电阻元件的温度成为一定的方式控制施加的电压，基于此时的上游电压和下游电压，计算流过流道的流体的流量。更具体地说，如数学式1所示，根据将作为上游电压和下游电压的差的电压差除以上游电压和下游电压的和得到的传感器输出来求出流量。
[数学式1]
Q＝Sens((Vu-Vd)/(Vu+Vd)) (1)
其中，Q：流量，Sens：求值常数(値付け定数)，Vu：上游电压，Vd：下游电压，(Vu-Vd)/(Vu+Vd)：传感器输出。
对数学式1进行定性说明，由于Vu-Vd是依存于流过流道的流体的流量和温度而变化的值，Vu+Vd是大体依存于温度而变化的值，所以认为理想的是(Vu-Vd)/(Vu+Vd)仅依存于流体的流量而变化。
可是，实际上因测量对象的流体的种类、环境温度和流体的温度等的影响，用数学式1计算出的流量产生零点误差和量程误差。
例如，即使在流体未流动的状态下，如果环境温度变化，则Vu-Vd的零点输出变化，通过数学式1计算出的流量Q变得不能成为零。
因此，如专利文献1等所示，作为温度指标定义了包含Vu+Vd的零点修正函数M，使流体未流动时((Vu-Vd)/(Vu+Vd))－M的值与环境温度无关地成为零，由此进行零点修正。
但是，由于作为零点修正函数M的变量使用的温度指标Vu+Vd仅相对于一部分的温度区域具有线性特性，所以即使利用了专利文献1的零点修正方法，也只能在15℃～35℃的范围内进行充分的零点修正，不能在15℃～60℃等这样的更大的温度区域内实现零点修正。
此外，由于零点修正函数M受到流体种类的影响，所以每种流体零点修正函数M都不同。因此，需要对作为测量对象的每种流体预先确定零点修正函数M，在实际的测量中非常麻烦。换句话说，由于以往未完全清楚零点修正函数M和流体种类之间的关系性，所以如果未对各种类准确地进行确定零点修正函数M等的作业，则不能高精度地进行修正。
这种问题在进行用数学式1等计算出的流量的量程修正时也同样发生。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公报特許2875919号
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明是鉴于所述的问题而做出的发明，本发明的目的是提供热式流量计和热式流量计用程序，能够比以往更高精度地修正按照环境温度变化的零点误差和量程误差，并且能够利用通用的计算式与流体种类无关地简单地计算出用于修正的修正量，从而能够减少进行确定的时间和劳力。
解决技术问题的技术方案
即，本发明提供一种热式流量计，其包括：流道，测量对象的流体流过该流道；上游电阻元件，设置在所述流道的上游；下游电阻元件，设置在所述流道的下游；以及流量计算部，基于上游电压、下游电压和所述测量对象的流体的热导率计算环境温度，并基于所述上游电压、所述下游电压以及所述环境温度计算所述测量对象的流体的流量，所述上游电压是向所述上游电阻元件施加的电压，所述下游电压是向所述下游电阻元件施加的电压，所述流量计算部，根据所述上游电压和所述下游电压之和计算修正前温度指标；根据所述测量对象的流体的导热率计算修正常数；根据所述修正前温度指标和所述修正常数计算修正后温度指标；根据所述修正后温度指标计算所述环境温度；根据所述上游电压和所述下游电压之差以及所述环境温度计算所述测量对象的流体的流量。
此外，本发明的发明人专心研究的结果，初次发现：热式流量计的零点误差和量程误差实际上与测量对象的热导率具有密切的关系，通过将所述热导率作为参数使用，与以往相比能够提高输出的流量的精度，由此发明了本发明。
按照这种方式，由于将与零点误差和量程误差具有密切的关系的流体的热导率用于流量的输出，所以能够使输出的流量成为比以往更接近实际的流量的值。
此外，通过使用热导率，即使流体种类不同，也能够利用通用的计算式来计算修正量，该修正量与因环境温度的变化等而变化的零点误差和量程误差对应。因此，与以往相比能够减少为了降低零点误差和量程误差而预先确定修正量的时间和劳力。
为了能够通过使用热导率来实现精度良好的零点修正，优选的是，所述流量计算部包括：传感器输出计算部，基于作为所述上游电压和所述下游电压的差的电压差，计算与所述测量对象的流体的流量相关的传感器输出；零点修正量计算部，基于所述测量对象的流体的热导率，计算所述传感器输出的零点修正量；以及修正计算部，至少基于所述传感器输出和所述零点修正量，计算修正了的流量。
作为即使环境温度在大范围的温度区域内变化在流体停止时用于使从热式流量计输出的流量成为零的具体结构，可以例举的是：所述零点修正量计算部包括：零点修正温度函数存储部，存储作为温度的函数的零点修正温度函数，所述零点修正温度函数被确定为：当所述测量对象的流体未在所述流道内流动时，在规定的温度区域内与所述传感器输出的差成为零；修正后温度指标计算部，至少基于根据所述上游电压和所述下游电压计算出的修正前温度指标以及根据所述测量对象的流体的热导率计算出的修正常数，计算修正后温度指标；当前温度计算部，根据所述修正后温度指标计算当前温度；以及零点修正量确定部，根据所述零点修正温度函数和所述当前温度确定零点修正量。按照这种方式，由于利用根据热导率计算出的修正常数，可以计算相对于环境温度的变化大体成比例地变化的修正后温度指标，所以在准确地把握环境温度的状态下，可以根据所述零点修正温度函数得到当前状态的零点修正量。因此，即使不设置温度计，也能够仅根据用热式流量计得到的数据来进行准确的零点修正，从而能够提高输出的流量的精度。
为了与流体种类无关地只要知道热导率就能够根据计算式得到所述修正常数并且不需要例如在每次流体种类改变时进行修正常数的确定实验，优选的是，所述修正常数是基于热导率的倒数的平方计算出的值。
为了在环境温度变化了的情况下在大范围的温度区域内使修正前温度指标表示良好的线性特性，并且根据准确的温度从零点修正量温度函数得到当前状态的修正量，优选的是，所述修正前温度指标是上游电压与下游电压的和的平方、或上游电压的平方与下游电压的平方的和。
为了使所述修正常数不仅反映环境温度，也反映实际流动的流量的影响，从而得到更符合当前状态的零点修正量，优选的是，所述修正后温度指标计算部基于所述修正前温度指标、所述修正常数和传感器输出，计算所述修正后温度指标。
为了不受环境温度、实际的流量和流体种类等的影响地输出大体始终进行了零点误差修正后的流量，优选的是，所述流量输出部基于下述数学式2输出所述测量对象的流体的流量。
[数学式2]
其中，t：温度，G(t)：流量的温度函数，Vu：上游电压，Vd：下游电压，(Vu-Vd)/(Vu+Vd)：传感器输出，F(t)：零点修正温度函数，a、b、c、d：零点修正温度函数的各系数，Y：修正后温度指标，e、f：将修正后温度指标表示为温度的一次式时的斜率和截距，(Vu+Vd)2：修正前温度指标，K：修正常数，SET：相对于满量程的传感器输出的比例。
为了能够高精度地修正在环境温度变化时与其对应变化的量程误差，所述流量计算部还包括量程修正量计算部，所述量程修正量计算部基于所述测量对象的流体的热导率计算所述传感器输出的量程修正量，所述修正计算部至少基于所述传感器输出和所述量程修正量，计算修正了的流量。
为了能够高精度地修正量程误差中仅因环境温度的变化而产生的成分和因所述测量对象的流体的特性而产生的成分这双方，从而提高流量的精度，优选的是，所述量程修正量包括：通用量程修正成分，仅依存于温度而变化；以及流体固有量程修正成分，至少依存于所述测量对象的流体的热导率而变化。
为了能够高精度地进行与所述测量对象的每种流体对应的量程修正，优选的是，所述流体固有量程修正成分被定义为将所述热导率、所述传感器输出和温度作为变量的函数。
为了能够修正所述测量对象的流体流动的流道的结构等对流量的影响，优选的是，所述流道包括：旁路流道，设置有流体阻力元件，所述测量对象的流体流过该旁路流道；以及传感器流道，以相对于所述旁路流道连接所述流体阻力元件的前后的方式设置，在外侧设置有所述上游电阻元件和所述下游电阻元件，所述量程修正量还包括用于进行与所述旁路流道对应的修正的旁路量程修正成分，所述旁路量程修正成分是至少将所述测量对象的流体的热导率作为变量的函数。
作为用于高精度地修正因环境温度、实际的流量和流体种类而变化的量程误差的具体式子，优选的是，所述流量输出部基于下述数学式3输出所述测量对象的流体的流量。
[数学式3]
其中，t：温度，G(t)：流量的温度函数，Vu：上游电压，Vd：下游电压，(Vu-Vd)/(Vu+Vd)：传感器输出，F(t)：零点修正温度函数，a、b、c、d：零点修正温度函数的各系数，Y：修正后温度指标，e、f：将修正后温度指标表示为温度的一次式时的斜率和截距，(Vu+Vd)2：修正前温度指标，K：修正常数，SET：相对于满量程的传感器输出的比例(修正前的流量值与满量程的比例)，S：量程修正量，h(t)：表示通用量程修正成分的函数，i(t,λ,SET)：表示流体固有量程修正成分的函数，j(λ,t)：表示旁路量程修正成分的函数。
为了能够根据上游电压和下游电压计算流体的当前温度，并且提高通过测量对象的流体的热导率计算出的当前温度的精度，本发明还提供一种温度测量装置，其包括：流道，测量对象的流体流过该流道；上游电阻元件，设置在所述流道的上游；下游电阻元件，设置在所述流道的下游；修正后温度指标计算部，至少基于根据上游电压和下游电压计算出的修正前温度指标和根据所述测量对象的流体的热导率计算出的修正常数计算修正后温度指标，所述上游电压是向所述上游电阻元件施加的电压，所述下游电压是向所述下游电阻元件施加的电压；以及当前温度计算部，根据所述修正后温度指标计算当前温度。
为了在现有的热式流量计中用于计算流量而更新程序，并且输出比现有技术更降低了零点误差和量程误差的流量，本发明还提供一种热式流量计用程序，其用于热式流量计，所述热式流量计包括：流道，测量对象的流体流过该流道；上游电阻元件，设置在所述流道的上游；以及下游电阻元件，设置在所述流道的下游，所述热式流量计用程序使计算机发挥流量计算部的作用，所述流量计算部基于上游电压、下游电压和所述测量对象的流体的热导率计算所述测量对象的流体的流量，所述上游电压是向所述上游电阻元件施加的电压，所述下游电压是向所述下游电阻元件施加的电压。例如，当进行程序更新时，可以使用将所述热式流量计用程序存储在CD、DVD、闪存器等记录介质中得到的热式流量计用程序介质。
发明效果
由此，按照本发明的热式流量计，由于基于上游电压、下游电压和所述测量对象的热导率来输出流量，所以能够高精度地修正与热导率具有关系性的零点误差和量程误差，从而可以输出接近实际流量的值。此外，由于能够基于热导率和规定的计算式等，计算与所述测量对象的流体种类对应的修正量，所以也能够省略一部分用于确定生成修正量所需要的参数的实验等。
附图说明
图1是表示本发明一种实施方式的热式流量计的传感器部分的示意图。
图2是表示与图1为同一实施方式的热式流量计的计算机构的功能框图。
图3是表示修正前温度指标和环境温度的关系的实测数据的图。
图4是表示流量对每种流体的修正前温度指标和环境温度的关系的影响的图以及表示从各图求出的变化比率和热导率的关系的图。
图5是表示流量对每种流体的变化比率和流量的关系的影响的图以及表示从各图求出的变化比率和热导率的关系的图。
图6是表示本实施方式的零点修正量的修正结果的图。
图7是表示在以往的热式流量计中出现的量程误差的图。
图8是表示流体固有量程误差相对于流量的斜率的图以及根据所述图计算出的斜率和热导率的关系的图。
图9是表示仅通过通用量程修正成分和流体固有量程修正成分进行的量程修正结果的图。
图10是表示通过包含全部成分的量程修正量进行的量程修正结果的图。
附图标记说明
100···热式流量计
1u···上游恒定温度控制电路
1d···下游恒定温度控制电路
2···流量计算部
3···传感器输出计算部
4···零点修正量计算部
41···零点修正温度函数存储部
42···修正后温度指标计算部
43···当前温度计算部
44···零点修正量确定部
5···量程修正量计算部
51···量程修正函数存储部
52···量程修正量确定部
6···修正计算部
具体实施方式
下面参照各附图，对本实施方式的热式流量计100进行说明。
本实施方式的热式流量计用于非接触地测量例如在半导体制造工序中使用的气体的流量。在此，作为使用的气体有腐蚀性气体(BCl2、Cl2、HCl、ClF3等)、反应性气体(SiH4、B2H6等)等和不活泼气体(N2、He等)等各种气体。
更具体地说，如图1的示意图所示，所述热式流量计100包括：旁路流道BC，作为流体的气体流过该旁路流道BC；传感器流道SC，在从所述旁路流道BC分路的细管内从所述旁路流道BC分流的气体流动；流量测量机构FM，用于基于流过所述传感器流道SC的气体来测量流量；以及作为流体阻力的层流元件FR，设置在所述旁路流道BC的所述分路流道的分路点和合流点之间，具有多个内部流道。另外，所述层流元件FR使旁路流道BC和传感器流道SC的分流比成为规定的设计值，例如，可以使用将多个细管插入外管而形成的层流元件、或使用层叠多张具有多个贯通孔的薄的平板而形成的层流元件。
所述传感器流道SC由大体U形的中空细管形成，该细管是不锈钢等金属制的细管。在所述细管的相当于U形底部的直线状部分上缠绕有所述流量测量机构FM具备的两个电阻元件。
所述流量测量机构FM包括：传感器部SP，进行与在传感器流道SC内流动的气体的流量对应的输出；以及流量计算部2，基于来自所述传感器部SP的输出，计算流过传感器流道SC和旁路流道BC的气体的质量流量。
所述传感器部SP包括：作为线圈的上游电阻元件Ru，在传感器流道SC的上游缠绕在细管的外表面上；以及作为线圈的下游电阻元件Rd，在传感器流道SC的下游缠绕在细管的外表面上。所述上游电阻元件Ru和下游电阻元件Rd由伴随温度的变化而电阻值增减的发热电阻丝形成，由一个构件兼作为加热装置和温度检测装置。
此外，所述传感器部SP是恒定温度方式，由将所述上游电阻元件Ru作为一部分的电桥电路构成上游恒定温度控制电路1u，并且由将所述下游电阻元件Rd作为一部分的电桥电路构成下游恒定温度控制电路1d。
所述上游恒定温度控制电路1u包括：上游电桥电路，并联由所述上游电阻元件Ru和相对于该上游电阻元件Ru串联的温度设定用电阻R1构成的串联电阻组以及串联两个固定电阻R2、R3得到的串联电阻组；以及反馈控制电路，由运算放大器构成，所述运算放大器将所述上游电阻元件Ru和温度设定用电阻R1的连接点的电位与两个固定电阻的连接点的电位的差(Vu)向上游电桥电路反馈，以保持上游电桥电路的平衡。
所述下游恒定温度控制电路1d也与上游恒定温度控制电路1u同样，其包括：下游电桥电路，并联由所述下游电阻元件Rd和相对于该下游电阻元件Rd串联的温度设定用电阻R1构成的串联电阻组以及串联两个固定电阻R2、R3得到的串联电阻组；以及反馈控制电路，由运算放大器构成，所述运算放大器将所述下游电阻元件Rd和温度设定用电阻R1的连接点的电位与两个固定电阻的连接点的电位的差(Vd)向下游电桥电路反馈，以保持下游电桥电路的平衡。
在此，所述上游电阻元件Ru和下游电阻元件Rd是热敏电阻，使用相同的电阻温度系数的材料构成。此外，通过各反馈控制电路对所述上游电阻元件Ru和所述下游电阻元件Rd进行反馈控制，以成为与温度设定用电阻R1相同的电阻值。即，由于电阻值保持固定，所以控制电压Vu、Vd，以使所述上游电阻元件Ru和所述下游电阻元件Rd的温度也保持固定。在本实施方式中，Vu、Vd分别作为上游电压Vu、下游电压Vd使用，所述上游电压Vu和下游电压Vd是用于使上游电阻元件Ru和下游电阻元件Rd发热而施加的电压。
所述流量计算部2基于上游电压Vu、下游电压Vd和所述测量对象的流体的热导率的值，计算流过所述传感器流道SC和所述旁路流道BC的测量对象的气体的流量，所述上游电压Vu是用于使所述上游电阻元件Ru发热而施加的电压，所述下游电压Vd是用于使所述下游电阻元件Rd发热而施加的电压。
此外，所述流量计算部2通过利用所谓的计算机执行存储在存储器内的热式流量计100用程序来实现其功能，所述计算机具备存储器、CPU、输入输出装置、A/D转换器和D/A转换器等。更具体地说，所述流量计算部2基于下述数学式4计算流量。
[数学式4]
在此，t：温度，G(t)：流量的温度函数，Vu：上游电压，Vd：下游电压，(Vu-Vd)/(Vu+Vd)：传感器输出，F(t)：零点修正温度函数，a、b、c、d：零点修正温度函数的各系数，Y：修正后温度指标，e、f：将修正后温度指标表示为温度的一次式时的斜率和截距，(Vu+Vd)2：修正前温度指标，K：修正常数，λ：测量对象的流体的热导率，SET：相对于满量程的传感器输出的比例(修正前的流量值与满量程的比例)，S：量程修正量，h(t)：表示通用量程修正成分的函数，i(t，λ，SET)：表示流体固有量程修正成分的函数，j(λ，t)：表示旁路量程修正成分的函数。
此外，为了执行通过上述数学式4进行的计算，如图2的功能框图所示，所述流量计算部2至少实现作为传感器输出计算部3、零点修正量计算部4、量程修正量计算部5和修正计算部6的功能。
对各部分进行说明。
所述传感器输出计算部3基于作为所述上游电压Vu和所述下游电压Vd的差的电压差，计算与所述测量对象的流体流量相关的传感器输出。更具体地说，基于下述数学式5计算传感器输出Vc。
[数学式5]
所述零点修正量计算部4基于所述测量对象的流体的热导率，计算所述传感器输出的零点修正量，通过对下述数学式6、7、8进行求解来计算。
[数学式6]
F(t)＝at3+bt2+ct+d (6)
[数学式7]
t＝(Y-f)/e (7)
[数学式8]
Y＝(Vu+Vd)2/(1+K(K-1)*SET2) (8)
即，如数学式6所示，零点修正量表示为将环境温度作为变量的三次式。此外，通过数学式7将利用数学式8根据上游电压Vu和下游电压Vd计算出的修正后温度指标转换为环境温度，通过将所述环境温度代入数学式6，可以得到各环境温度的零点修正量。
接着，对所述零点修正量计算部4进行详细说明。
所述零点修正量计算部4由零点修正温度函数存储部41、修正后温度指标计算部42、当前温度计算部43和零点修正量确定部44构成。
所述零点修正温度函数存储部41存储有如数学式6所示的作为温度的函数的零点修正温度函数，该零点修正温度函数被确定为：在所述测量对象的流体未在所述流道内流动时，使例如在15℃～60℃等这样的规定的温度区域内与所述传感器输出的差始终成为零。更具体地说，所述零点修正温度函数存储部41存储有数学式6的三次式的各系数a、b、c、d。基于实验来确定数学式6的各系数，使得在流体未在流道内流动的状态下在所述规定的温度区域内变化时，始终成为与传感器输出相等的值。
所述修正后温度指标计算部42基于根据所述上游电压Vu和所述下游电压Vd计算出的修正前温度指标、根据所述测量对象的流体的热导率计算出的修正常数K、以及当前的传感器输出，计算修正后温度指标。在本实施方式中，如数学式8所示，作为修正前温度指标，使用上游电压Vu与下游电压Vd的和的平方。与以往使用的上游电压Vu与下游电压Vd的和相比，该修正前温度指标相对于温度的线性特性好，如图3的实测数据所示，至少在环境温度位于15℃～60℃的温度区域的情况下，可以用一次式表示校准曲线，该校准曲线表示修正前温度指标和环境温度的关系。
可是，如图4所示，如果流体种类或当前在流道内流动的流量变化，则所述校准曲线的斜率和截距变化。即，即使作为数学式7的Y代入修正前温度指标，也有可能计算出偏离当前环境温度的温度。因此，在所述修正后温度指标计算部42中，如数学式8所示，通过对所述修正前温度指标进行修正，能够与流体种类和流体的流量无关地计算出准确地反映当前环境温度的温度。
首先，说明因流体种类的不同造成的对所述修正前温度指标和环境温度的校准曲线的影响。
如果针对各种类的气体分别比较流体未流动的状态(0％FS)的校准曲线的斜率a1、截距b1和满量程的流量流动的状态(100％FS)的校准曲线的斜率a2、截距b2，则成为以下的表1所示的结果。在此，Ka、Kb是以流体未流动的状态为基准，表示斜率和截距分别成为几倍的变化比率。另外，图4的(a)和图4的(b)表示表1中举出的N2和SF6在0％FS、100FS的各状态下测量出的修正前温度指标和环境温度的校准曲线。根据如图4的(a)和图4的(b)所示的测量结果制作了近似直线并求出了表1的各流体的斜率、截距。
[表1]
流体种类 斜率a<sub>1</sub> 斜率a<sub>2</sub> 变化比率K<sub>a</sub> 截距b<sub>1</sub> 截距b<sub>2</sub> 变化比率K<sub>b</sub>
N<sub>2</sub> -3.624 -3.697 1.020 321.170 329.100 1.025
He -3.567 -3.570 1.001 319.130 319.970 1.003
Ar -3.592 -3.729 1.038 319.260 332.740 1.042
SF<sub>6</sub> -3.604 -3.792 1.052 337.930 337.930 1.057
从表1可以看出，斜率的变化比率Ka和截距的变化比率Kb为大体相同的值，可以将斜率的变化比率Ka和截距的变化比率Kb没有区别地表示为变化比率K。因各流体的种类不同，变化比率K的值不同，但是本发明的发明人专心研究的结果发现，所述变化比率K是能够通过流体的热导率计算出的值。更具体地说，如图4的(c)的图所示，变化比率K是将热导率倒数的平方作为变量的一次式，通过预先确定图4的(c)的图所示的校准曲线的斜率和截距，可以根据热导率计算任意流体的100％FS的变化比率K。
可是，即使是相同的流体种类，变化比率K也受到在流道内流动的流体流量的影响而变化。本发明的发明人通过对图5的(a)和(b)所示的流量和变化比率K的关系进行测量得到的结果进行专心研究而初次发现，在将流量的平方作为变量时，变化比率K可以通过一次式表现。另外，每种气体的一次式的系数不同，如果使用作为传感器输出与满量程的比例的SET，则如表2所示。
[表2]
其中，由于变化比率K以流体未流动的状态为基准，所以需要在SET为零时使K＝1。因此，可以认为表2中的各截距为1。此外，如果注目于作为(SET)2的系数的变化比率K的斜率，则可以看出，与从表1的变化比率Ka、Kb减去1后的值大体相等。因此，所述各系数能够使用100％FS的变化比率K而表现为(K－1)。另外，如图5的(c)的图所示，在将各流体的热导率倒数的平方作为变量时，所述变化比率K的斜率也可以表示为一次式。因此，如果知道热导率，则所述变化比率K的相对于流量的平方的斜率也是能够计算出的值。
由此，对修正前温度指标和环境温度的校准曲线的、流体种类的影响和流量的影响可以分别由根据流体的热导率计算出的变化比率K表现。因此，在所述修正后温度指标计算部42中，将变化比率K作为修正常数K使用，针对修正前温度指标对流体种类和流量分别进行修正。
更具体地说，所述修正后温度指标计算部42通过用修正前温度指标(Vu+Vd)2除以修正常数K，对因流体种类的不同造成的影响进行修正，并且通过用修正前温度指标(Vu+Vd)2除以(K－1)*SET2+1，对因流量造成的影响进行修正。
此外，所述当前温度计算部43利用数学式7根据所述修正后温度指标计算当前温度。在此，预先进行实测等来确定用于数学式7的系数f、e。另外，基于使成为基准的流体种类流过时的测量数据，预先确定系数a、b、c、d、e、f，未对每种流体进行确定。当流体种类改变时，通过按照流体的热导率来改变并使用用于计算所述修正后温度指标时的修正常数K，可以得到准确的环境温度。
表3表示使用修正前温度指标通过数学式7计算环境温度时的值、以及使用由所述修正后温度指标计算部42计算出的修正后温度指标通过数学式7计算环境温度时的值的比较例。
[表3]
流动的流体是N2、20％FS的情况
流动的流体是N2、60％FS的情况
流动的流体是SF6、20％FS的情况
流动的流体是SF6、60％FS的情况
从表3可以看出，通过使用修正后温度指标，能够与流体种类和流量无关地计算出比以往更准确的环境温度。
所述零点修正量确定部44根据所述零点修正温度函数和所述当前温度来确定零点修正量。即，所述零点修正量确定部44将通过数学式7和数学式8得到的环境温度代入数学式6的零点修正温度函数，计算零点修正量，并且向所述修正计算部6发送所述值。图6的图表示本实施方式的零点修正量的修正结果。在流体未流动的状态下，在15℃～60℃的范围内，能够使任意一种流体种类的输出都大体为零，能够进行良好的零点修正。
接着，对计算传感器输出的量程修正量的量程修正量计算部5进行说明。
所述量程修正量计算部5使用在所述当前温度计算部43中计算出的环境温度，并且基于所述测量对象的流体的热导率计算所述传感器输出的量程修正量。
更具体地说，所述量程修正量计算部5包括：量程修正函数存储部51，存储下述数学式9的量程修正函数；以及量程修正量确定部52，将从所述当前温度计算部43得到的当前温度、传感器输出和测量对象的流体的热导率代入所述量程修正函数，确定量程修正量。
[数学式9]
S＝h(t)+i(λ，t，SET)+j(λ，t) (9)
其中，S：量程修正量，h(t)：表示通用量程修正成分的函数，i(λ,t,SET)：表示流体固有量程修正成分的函数，j(λ,t)：表示旁路量程修正成分的函数。此外，h(t)、i(λ,t,SET)是用于修正因热式流量计自身的结构产生的量程误差的函数，j(λ,t)是用于修正因流道产生的量程误差的函数。
对这样由三个函数定义量程修正量的理由进行说明。图7是表示将利用以往的热式流量计100测量流量时在25℃测量出的流量作为基准的各温度的量程误差的图。另外，流体种类是SF6和He，区别于以往的热式流量计而另外设置难以受到温度的影响的成为基准的流量计。图所示的量程误差表示以往的热式流量计所示的值相对于成为基准的流量计所示的值偏离的量。
对图7的(a)和(b)进行比较，认为量程误差包括：通用量程误差，与流体种类和流量无关，以大体仅依存于环境温度而偏移的方式产生；以及流体固有量程误差，按照每种流体，相对于流量的变化率不同，并且伴随流量变大而变大。
因此，量程修正量至少包括用于修正通用量程误差的通用量程成分和用于修正流体固有量程误差的流体固有量程修正成分。
在此，观察图7的(b)，He的量程误差在哪个温度下都与流量无关地始终成为大体平坦形状，仅通用量程误差显著显现，并且，量程误差与离开基准的温度25℃相关联而变大。因此，根据前面的He的温度和量程误差大小的关系生成温度的一次函数，如下述数学式10所示，确定通用量程修正成分的函数h(t)。
[数学式10]
h(t)＝C1t+C2 (10)
其中，C1、C2是基于He的量程误差确定的常数。
接着，对流体固有量程修正成分进行说明。
从图8的(a)的100％流量的相对于温度变化的量程误差的图可以看出，各流体种类的流体固有量程误差的相对于环境温度的斜率每种流体都不同。本发明的发明人专心研究的结果发现，如图8的(b)所示，可以用将各流体的热导率的倒数作为变量的一次式表示各直线的倾斜。因此，流体固有量程修正成分的函数定义为将温度、热导率和流量作为变量的函数i(λ，t，SET)。
更具体地说，函数i(λ，t，SET)定义为下述数学式11。
[数11]
i(λ，t，SET)＝C3*(1/λ)*(t+C4)*SET (11)
其中，C3、C4是通过对基准的流体进行实测而确定的常数。
图9表示通过仅包含所述通用量程修正成分和流体固有量程修正成分的量程修正对图7的测量结果进行修正时的图。从图9可以看出，能够与流体种类和流量无关地进行量程误差的修正。
接着，对量程修正量还包含旁路量程修正成分的情况进行说明。
在量程误差中还同时存在受到传感器流道SC和旁路流道BC的分流比以及结构的影响的旁路量程误差。该误差认为是因如下原因而产生的：如果环境温度变化，则流体的粘性变化，从而使传感器流道SC和旁路流道BC的分流比变化。因此，旁路量程修正成分的函数j(λ，t)定义为下述数学式12。
[数学式12]
j(λ，t)＝C5*t+(C6t+C7)*(1/λ)2+C8 (12)
其中，C5、C6、C7、C8是基于流过基准的流体时的实测数据确定的常数。
图10的图表示量程修正量仅包括通用量程成分和流体固有量程修正成分时以及量程修正量还包括旁路量程修正成分时的比较例。可以看出也能够与流体种类和温度无关地降低量程误差。另外，因使用分流比不同的各热式流量计进行测量，所以图9的(a)的SF6的量程修正的测量结果与图10的SF6的量程修正的测量中的修正前的量程修正的结果产生不同。但是，能够从图10看出通过加入旁路量程修正成分j(λ,t)，可以进一步使量程误差变小。
定性说明通过定义数学式12所示的旁路量程修正成分的函数j(λ,t)来提高修正的精度的理由。预料分流比变化的原因为流体的粘性因环境温度的变化而变化。在此，粘性和温度的关系式例如是数学式13。
[数学式13]
其中，μ：粘性率，m：一个分子的质量，kB：玻耳兹曼常数，d：气体分子的直径。
另一方面，热导率和温度的关系式如数学式14所示。
[数14]
如果对数学式13和数学式14进行比较，则认为粘性率和热导率都是与温度的0.5次方成比例的值，并且对温度的依存性十分相似。因此，在本实施方式中，认为可以通过代替使用粘性率而使用热导率来计算每种流体的量程修正量并高精度地进行修正。
最后，所述修正计算部6基于所述传感器输出、所述零点修正量和所述量程修正量，计算出修正了的流量并使其成为最终的输出。
这样，由于本实施方式的热式流量计100基于上游电压Vu、下游电压Vd和流体的热导率来计算流量，所以能够在大范围的温度区域内高精度地修正受到环境温度和流体流量的影响而变化的零点误差和量程误差的基础上，输出准确的流量。
此外，不需要为了计算零点修正量和量程修正量而对每种流体进行修正量的确定实验，可以通过将各流体种类的热导率代入通用的计算式来计算修正量。因此，即使在流道内流动的流体种类为多种的用途时，也不需要进行用于确定流体种类的数量个的专用的修正量计算式的实验，从而可以减轻设定作业。
对其他实施方式进行说明。
在所述实施方式中，具有零点修正量计算部和量程修正量计算部这双方，但是，根据用途，也可以单独使用本发明的零点修正量计算部或量程修正量计算部。例如在仅进行零点修正时，也可以定义数学式15所示的流量的计算式。
[数学式15]
此外，当单独使用所述量程修正量计算部时，所述量程修正量计算部可以在其构成中包括所述修正后温度指标计算部和所述当前温度计算部。此外，作为量程修正量也可以省略旁路量程修正成分而仅包括通用量程修正成分和流体固有量程修正成分。
在所述实施方式中，作为温度指标使用上游电压和下游电压的和的平方，但是也可以使用上游电压的平方和下游电压的平方的和。即使是这种方式，也能够在大范围的温度区域中相对于温度具有良好的线性特性，能够高精度地推算当前温度。
用于计算零点修正量和量程修正量的每种流体的热导率可以预先作为物性值存储在存储器内，也可以基于上游电压和下游电压来计算热导率。更具体地说，由于流量变化时的上游电压的变化量和下游电压的变化量的比与热导率之间存在规定的关系式，所以能够基于该关系式根据上游电压和下游电压计算流体的热导率。
此外，在所述实施方式中，对恒定温度驱动方式的热式流量计的本发明的应用例进行了说明，但是本发明也能够应用于恒定电流驱动方式的热式流量计。更具体地说，在恒定电流驱动方式的情况下，具有包含上游电阻元件和下游电阻元件的一个电桥电路，并且以使向各电阻元件施加的电流一侧成为固定的方式进行控制。在恒定电流方式中，从电桥电路输出向上游电阻元件施加的上游电压和向下游电阻元件施加的下游电压的电压差。由此，从电桥电路输出的电压差仅存在一个，基于上游电压和下游电压来输出所述电压差，该点与所述实施方式的恒定温度方式的热式流量计是共同的。因此，也可以将本发明应用于恒定电流方式的热式流量计。此外，也可以将本发明应用于恒定温度差驱动方式的热式流量计，该恒定温度差驱动方式的热式流量计以在上游电阻元件和下游电阻元件之间保持规定的温度差的方式构成。
此外，本发明的上游电压和下游电压并不限于用于发热而施加的电压。更具体地说，本发明也能够应用于如下的热式流量计：使设置在上游电阻元件和下游电阻元件之间的发热电阻发热，上游电阻元件和下游电阻元件作为温度传感器发挥功能，基于与温度对应地施加的上游电压和下游电压来计算流量。
此外，本发明不仅能够以测量流量为目的，也可以用于对测量对象的流量的当前温度进行测量的温度测量装置。更具体地说，可以提供一种温度测量装置，其特征在于包括：流道，测量对象的流体流过该流道；上游电阻元件，设置在所述流道的上游；下游电阻元件，设置在所述流道的下游；修正后温度指标计算部，至少基于根据上游电压和下游电压计算出的修正前温度指标以及根据所述测量对象的流体的热导率计算出的修正常数，计算修正后温度指标，所述上游电压是向所述上游电阻元件施加的电压，所述下游电压是向所述下游电阻元件施加的电压；以及当前温度计算部，根据所述修正后温度指标计算当前温度。此外，作为所述温度测量装置的另一种实施方式，可以省略根据所述修正后温度指标计算当前温度的当前温度计算部。更具体地说，例如在不需要作为摄氏温度的值的情况下等，可以将修正后温度指标直接作为温度来使用。由于即使是这种方式，所述修正后温度指标也反映流体的准确的温度，所以也能够很好地应用于例如修正和其他用途。
在所述实施方式中，对因流体种类和流量的不同造成的零点误差的影响进行实测，如图4的(c)等所示，利用根据所述测量数据而将热导率作为变量的一次式对修正常数K进行近似，可以根据各流体的热导率来计算修正常数K。在此，作为近似式并不限于一次式，可以利用其他的多项式进行近似。该方式对于量程修正来说也是同样的。
此外，所述实施方式的旁路量程误差修正成分j(λ,t)是热导率和温度的函数，此外，也可以在变量中使用与当前的流量关联的值，以能够对流量的影响进行修正。
此外，也可以利用存储有用于本发明的热式流量计的热式流量计用程序的程序存储介质，在现有的热式流量计中追加本发明的构成，从而实现所述功能。作为程序存储介质，可以使用CD、DVD、HDD和闪存器等。
此外，只要不违反本发明的宗旨，可以进行各种变形和实施方式的组合。
工业实用性
如果使用本发明的热式流量计，则在半导体制造工序中，能够高精度地测量成分气体等的流量，从而能够提高产品质量等。

Claims (11)

1.一种热式流量计，其特征在于包括：
流道，测量对象的流体流过该流道；
上游电阻元件，设置在所述流道的上游；
下游电阻元件，设置在所述流道的下游；以及
流量计算部，基于上游电压、下游电压和所述测量对象的流体的热导率计算环境温度，并基于所述上游电压、所述下游电压以及所述环境温度计算所述测量对象的流体的流量，所述上游电压是向所述上游电阻元件施加的电压，所述下游电压是向所述下游电阻元件施加的电压，
所述流量计算部，
根据所述上游电压和所述下游电压之和计算修正前温度指标；
根据所述测量对象的流体的导热率计算修正常数；
根据所述修正前温度指标和所述修正常数计算修正后温度指标；
根据所述修正后温度指标计算所述环境温度；
根据所述上游电压和所述下游电压之差以及所述环境温度计算所述测量对象的流体的流量。
2.一种热式流量计，其特征在于，
流道，测量对象的流体流过该流道；
上游电阻元件，设置在所述流道的上游；
下游电阻元件，设置在所述流道的下游；以及
流量计算部，基于上游电压、下游电压和所述测量对象的流体的热导率计算所述测量对象流体的流量，所述上游电压是向所述上游电阻元件施加的电压，所述下游电压是向所述下游电阻元件施加的电压，
所述流量计算部包括：
传感器输出计算部，基于作为所述上游电压和所述下游电压的差的电压差，计算与所述测量对象的流体的流量相关的传感器输出；
零点修正量计算部，基于所述测量对象的流体的热导率，计算所述传感器输出的零点修正量；以及
修正计算部，至少基于所述传感器输出和所述零点修正量，计算修正了的流量。
3.根据权利要求2所述的热式流量计，其特征在于，
所述零点修正量计算部包括：
零点修正温度函数存储部，存储作为温度的函数的零点修正温度函数，所述零点修正温度函数被确定为：当所述测量对象的流体未在所述流道内流动时，在规定的温度区域内与所述传感器输出的差成为零；
修正后温度指标计算部，至少基于根据所述上游电压和所述下游电压计算出的修正前温度指标以及根据所述测量对象的流体的热导率计算出的修正常数，计算修正后温度指标；
当前温度计算部，根据所述修正后温度指标计算当前温度；以及
零点修正量确定部，根据所述零点修正温度函数和所述当前温度确定零点修正量。
4.根据权利要求3所述的热式流量计，其特征在于，所述修正常数是基于热导率的倒数的平方计算出的值。
5.根据权利要求3所述的热式流量计，其特征在于，所述修正后温度指标计算部基于所述修正前温度指标、所述修正常数和所述传感器输出，计算所述修正后温度指标。
6.根据权利要求2所述的热式流量计，其特征在于，
所述流量计算部还包括量程修正量计算部，所述量程修正量计算部基于所述测量对象的流体的热导率计算所述传感器输出的量程修正量，
所述修正计算部至少基于所述传感器输出和所述量程修正量，计算修正了的流量。
7.根据权利要求6所述的热式流量计，其特征在于，所述量程修正量包括：通用量程修正成分，仅依存于温度而变化；以及流体固有量程修正成分，至少依存于所述测量对象的流体的热导率而变化。
8.根据权利要求7所述的热式流量计，其特征在于，所述流体固有量程修正成分是将所述热导率、所述传感器输出和温度作为变量的函数。
9.根据权利要求7所述的热式流量计，其特征在于，
所述流道包括：
旁路流道，设置有流体阻力元件，所述测量对象的流体流过该旁路流道；以及
传感器流道，以相对于所述旁路流道连接所述流体阻力元件的前后的方式设置，在外侧设置有所述上游电阻元件和所述下游电阻元件，
所述量程修正量还包括用于进行与所述旁路流道对应的修正的旁路量程修正成分，所述旁路量程修正成分是至少将所述测量对象的流体的热导率作为变量的函数。
10.一种温度测量装置，其特征在于包括：
流道，测量对象的流体流过该流道；
上游电阻元件，设置在所述流道的上游；
下游电阻元件，设置在所述流道的下游；
修正后温度指标计算部，至少基于根据上游电压和下游电压计算出的修正前温度指标和根据所述测量对象的流体的热导率计算出的修正常数计算修正后温度指标，所述上游电压是向所述上游电阻元件施加的电压，所述下游电压是向所述下游电阻元件施加的电压；以及
当前温度计算部，根据所述修正后温度指标计算当前温度。
11.一种热式流量计算方法，其用于热式流量计，所述热式流量计包括：流道，测量对象的流体流过该流道；上游电阻元件，设置在所述流道的上游；以及下游电阻元件，设置在所述流道的下游，
所述热式流量计算方法的特征在于，包括：
环境温度计算步骤，使计算机发挥流量计算部的作用，所述流量计算部基于上游电压、下游电压和所述测量对象的流体的热导率计算环境温度，所述上游电压是向所述上游电阻元件施加的电压，所述下游电压是向所述下游电阻元件施加的电压，
流体流量计算步骤，基于所述上游电压、所述下游电压以及所述环境温度计算所述测量对象的流体的流量，
在所述流体流量计算步骤步骤中，
根据所述上游电压和所述下游电压之和计算修正前温度指标；
根据所述测量对象的流体的导热率计算修正常数；
根据所述修正前温度指标和所述修正常数计算修正后温度指标；
根据所述修正后温度指标计算所述环境温度；
根据所述上游电压和所述下游电压之差以及所述环境温度计算所述测量对象的流体的流量。
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