CN108139761A - 质量流量控制装置和压差式流量计的诊断方法 - Google Patents

质量流量控制装置和压差式流量计的诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明能够提供质量流量控制装置和压差式流量计的诊断方法，其中，利用记录部件记录从流量控制阀打开从而开始对流量的控制时或从流量控制阀关闭从而停止对流量的控制时起直到测量流量稳定为止的期间内的、压差发生部件的下游侧的流体的压力的值，利用诊断部件使基于记录部件所记录的下游侧的流体的压力的值而获取的管理值与流量计未发生异常时的管理值相对比，在两者之差的绝对值超过阈值时诊断为所述流量计发生了异常。优选地在流量计的上游侧与流量计相邻地进一步配置机械式调压阀。由此，能够在没有专门设置用于实施诊断的时间的情况下简便地诊断压差式的流量计的异常的发生。

Description

质量流量控制装置和压差式流量计的诊断方法
技术领域
本发明是涉及一种质量流量控制装置的发明，涉及一种基于流体的压力或压差的测量值来控制流体的质量流量的质量流量控制装置。并且，本发明是涉及一种诊断压差式流量计发生异常的方法的发明，也涉及一种构成质量流量控制装置的压差式流量计的诊断方法。
背景技术
质量流量控制装置(质量流量控制器)是由用于测量流体的流量的流量计、用于控制流体的流量的流量控制阀、用于控制该流量计和该流量控制阀的控制电路以及其他零件构成的控制设备。质量流量控制装置例如以在半导体的制造工艺中控制向室内供给的气体的质量流量等为目的而被广泛地使用。
质量流量控制装置所采用的流量计有各种各样的形式。以在半导体的制造工艺中控制气体的质量流量为目的而被使用的质量流量控制装置主要使用热式流量计或压力式流量计。其中，作为压力式流量计，例如能够列举：利用在流经被称作节流孔或流路收缩喷嘴等构件的气体的流速为音速时，气体的流量只依赖于上游侧的气体压力的性质的压力式流量计(以下称作“节流式流量计”)；以及基于压差发生部件的上游侧的气体压力的值与下游侧的气体压力的值之差来测量流量的压力式流量计(以下称作“压差式流量计”)等。
在节流式流量计中，气体经过狭窄的流路。在由于异物附着于该狭窄的流路等原因导致该流路的截面积发生变化的情况下，流量计无法测量出正确的流量。在压差式流量计中，在由于异物附着于压差发生部件等原因导致对流体的阻力发生了变化的情况下，也会产生同样的问题。因此，提出了在使用了压力式流量计的质量流量控制装置中诊断是否发生了这种异常的方法。
例如，在专利文献1中公开了在使用了节流式流量计的质量流量控制装置中，通过如下方式来检测节流孔的堵塞的方法的发明，即：使关闭了设于节流孔的上游侧的控制阀时的、上游侧的气体的压力衰减数据与在同一条件下节流孔没有堵塞时测量出的基准压力衰减数据相对比。
此外，例如，在专利文献2中公开了在使用了节流式流量计的质量流量控制装置中，通过如下方式来进行对流路收缩喷嘴的诊断的喷嘴诊断机构的发明，即：使瞬间关闭了设于流路收缩喷嘴的上游侧的流量调整阀时的、上游侧的气体压力值的随时间的变化与在组装质量流量控制装置时测量出的基准值相比较。
并且，此外，例如在专利文献3中公开了在使用了压差式流量计的质量流量控制装置中，通过如下方式来高精度地诊断压差发生部件的堵塞的诊断机构的发明，即：使在关闭了设于压差发生部件的上游侧的阀时的、上游侧的流体压力的值或下游侧的流体压力的值从第1压力成为第2压力为止的期间内的该压力的时间积分值与预先规定的规定值相比较。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-137528号公报
专利文献2：日本特开2000-214916号公报
专利文献3：日本特开2004-157719号公报
发明内容
发明要解决的问题
若实施上述专利文献1～3中公开的发明，则能够检测在压力式流量计的节流孔和压差发生部件等处发生了堵塞的状态。因而，具有将因这样的异常导致压力式流量计的测量值产生误差和供给的气体的流量的异常防患于未然这样的效果，在具有该效果这一点上，这些发明有助于提高质量流量的可靠性。
此外，这些发明都利用由压力传感器测量的压力的值，因此具有这样的可能性：通过这些发明的实施，也能够同时检测压力传感器的故障和误动作等异常。
但是，在实施这些发明时，除了进行作为质量流量控制装置的本来目的的、气体的流量控制动作的时间之外，需要与该时间分开地设置主要用于进行对发生异常的诊断的时间。在该时间流动的气体的流量未受到控制，因此，例如在半导体的制造工艺中无法作为向室内供给的气体被利用，不得不浪费性地废弃。
此外，压差式流量计的压差发生部件处的气体流路的截面积大于节流式流量计的节流孔处的气体流路的截面积，因此，在压差发生部件发生堵塞的概率不太高。因而认为，在使用了压差式流量计的质量流量控制装置中，比起高精度地诊断压差发生部件的堵塞，始终诊断或监视由压力传感器测量的压力的值是否正确(即压力传感器和/或压差发生部件是否发生了异常)这样的手段在提高质量流量控制装置的可靠性上是有效的。但是不知道简便地诊断压差式流量计发生异常的方法。
本发明是鉴于在使用了以往的压力式流量计的质量流量控制装置中存在的上述诸课题而完成的，目的在于提供一种质量流量控制装置，该质量流量控制装置不必设置仅用于实施对异常发生的诊断的时间，并能够简便地诊断压差式流量计发生的异常。并且，本发明的目的也在于提供一种构成质量流量控制装置的压差式流量计的诊断方法，该诊断方法不必设置仅用于实施对异常发生的诊断的时间，并能够简便地诊断压差式流量计发生的异常。
用于解决问题的方案
本发明的质量流量控制装置具有：流量计，其构成为基于装设于流体的流路上的压差发生部件的上游侧的流体的压力即第1压力的值和压差发生部件的下游侧的流体的压力即第2压力的值，来测量流体的流量；流量控制阀，其构成为能够控制流体的流量；以及控制部件，其构成为能够向流量控制阀输出控制信号，以使利用流量计测量到的流体的流量即测量流量与流体的流量的目标值即设定流量一致，该质量流量控制装置的特征在于，还具有：记录部件，其构成为记录开阀时压力值和闭阀时压力值这两者或其中任一者，该开阀时压力值为自流量控制阀从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时起直到测量流量稳定为止的期间内的第2压力的值，该闭阀时压力值为自流量控制阀从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时起直到测量流量成为零为止的期间内的第2压力的值；以及诊断部件，其构成为，在基于开阀时压力值和闭阀时压力值这两者或其中任一者获取的管理值即测量管理值与流量计未发生异常时的该管理值即初期管理值之差的绝对值超过预定阈值的情况下，诊断为流量计发生了异常。此外，本发明的压差式流量计的诊断方法是用于诊断像上述那样构成质量流量控制装置的压差式流量计发生异常的方法。
在上述结构中，用于诊断流量计是否发生了异常的动作，是在为了开始对流量的控制而打开了流量控制阀时和为了停止对流量的控制而关闭了流量控制阀时这两个情况下或其中任一情况下执行的。因而，不必像以往技术那样与用于对流量的控制的时间分开地设置用于诊断的时间，也不必为了实施诊断而浪费性地废弃气体。
此外，与在节流式流量计中气体经过节流孔或流路收缩喷嘴等时的压力的衰减所需的期间相比，在压差式流量计中从进行流量控制阀的开闭动作起直到经过压差发生部件的气体的流量稳定为止的期间较短，因此能够在短时间内完成对诊断的执行。因而，本发明的质量流量控制装置在像专利文献3所公开的以往技术那样高精度地诊断压差发生部件的堵塞上不太适用，相反地，在简便地诊断压差式流量计发生异常上是优选的。
本发明优选的实施方式的质量流量控制装置还具有在流量计的上游侧于流量计相邻地配置的机械式调压阀。在该结构中，在机械式调压阀的作用下，流量计的上游侧的流体的压力的值保持为一定值。因此，下游侧的流体的压力(第2压力)的值不会受到上游侧的流体的压力(第1压力)的值的变动的影响，能够基于管理值来高精度地进行对异常的发生的诊断，所述管理值是基于下游侧的流体的压力的值获取的，因此优选。
发明的效果
根据本发明的质量流量控制装置和本发明的压差式流量计的诊断方法，不必与用于控制流量的时间分开地设置用于诊断的时间，因此不必浪费性地废弃气体，能够有效地利用气体。此外，能够迅速且简便地诊断因压力传感器和/或压差发生部件的异常导致流量计发生异常。
附图说明
图1是表示本发明的质量流量控制装置的结构例的示意图。
图2是表示本发明的质量流量控制装置的上游侧的流体的压力(第1压力)的值(P1)和下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)随时间的变化的例子的图表。
图3是表示将本发明的质量流量控制装置的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)对时间求微分得到的值随时间的变化的例子的图表。
图4是表示本发明优选的实施方式的质量流量控制装置的结构例的示意图。
图5是表示本发明的压差式流量计的诊断方法中的诊断算法的例子的流程图。
图6是表示本发明优选的实施方式的压差式流量计的诊断方法中的诊断算法的例子的流程图。
具体实施方式
利用附图来详细地说明用于实施本发明的方式。另外，在此说明的实施方式只用于例示本发明的实施方式，本发明的实施方式并不限定于在此例示的方式。
图1是表示本发明的质量流量控制装置的结构例的示意图。本发明的质量流量控制装置1具有：流量计2，其构成为基于装设于流体的流路2d上的压差发生部件2c的上游侧的流体的压力即第1压力的值(P1)和压差发生部件的下游侧的流体的压力即第2压力的值(P2)，来测量流体的流量；流量控制阀3，其构成为控制流体的流量；以及控制部件4，其构成为向流量控制阀3输出控制信号4a，以使利用流量计测量出的流体的流量即测量流量与流体的流量的目标值即设定流量一致。另外，图1表示各构成要素之间的理论上的关系，并不表示质量流量控制装置1的构成零件的实际安装状态。
流量计2具有用于检测压差发生部件2c的上游侧的流体的压力即第1压力的值(P1)与压差发生部件2c的下游侧的流体的压力即第2压力的值(P2)之差的部件。作为用于检测压力之差的具体的部件，例如，在压差发生部件2c的上游侧和下游侧分别设置单独的压力传感器2a和压力传感器2b，能够构成用于检测该压力传感器2a和压力传感器2b的指示值之差的部件。或者，使与压差发生部件2c的上游侧连通的导管和与压差发生部件2c的下游侧连通的导管连接于一个压差传感器，能够检测该压差传感器所示的压差。
在本发明中，对于“上游侧的流体的压力”或“下游侧的流体的压力”，只要没有特别说明，就是指“压差发生部件的上游侧的流体的压力(第1压力)”或“压差发生部件的下游侧的流体的压力(第2压力)”。在此，“上游侧”或“下游侧”是以流体在质量流量控制装置1中流动的方向为基准规定的。例如，在图1中，流体在质量流量控制装置1中从左侧向右侧流动，因此，压差发生部件2c的左侧相当于上游侧，压差发生部件2c的右侧相当于下游侧。
“压差发生部件的上游侧的流体的压力”或“压差发生部件的下游侧的流体的压力”未必限定于与压差发生部件相邻的部位的压力，也可以是在质量流量控制装置1或其周边与同压差发生部件相邻的部位不同的部位、并且是示出与同压差发生部件相邻的部位的压力同等压力的部位的压力。
压差发生部件2c只要是具有针对流动流体的阻力并在其上游侧的流体的压力和下游侧的流体的压力之间产生压力损失的部件，则可以是任意的构造。作为压差发生部件，例如能够使用具有捆扎多根长度相同的管的构造的部件、以及具有蜂窝构造的部件等具有公知的构造的部件。
流量计2基于压差发生部件的上游侧的流体的压力即第1压力的值(P1)和压差发生部件的下游侧的流体的压力即第2压力的值(P2)来测量流体的流量，属于上述的压差式流量计。具体而言，流量计2基于第1压力的值(P1)与第2压力的值(P2)之间的差异来测量流体的流量。例如，流量计2基于第1压力的值(P1)与第2压力的值(P2)之差(P1-P2)来测量流体的流量。具体而言，流体的流量表示在一定的条件下，相对于压差发生部件2c的上游侧的流体的压力的值(P1)与下游侧的流体的压力的值(P2)之差(P1-P2)的相关性。更具体而言，流体的流量在一定的条件下与压差发生部件2c的上游侧的流体的压力的值(P1)和下游侧的流体的压力的值(P2)之差(P1-P2)成比例。流量计2能够利用该性质来测量流体的流量。流量计2在测量流体的流量时，也可以基于除了上游侧的流体的压力的值(P1)与下游侧的流体的压力的值(P2)之差(P1-P2)之外的物理量、例如流体的温度和压力等来进行对流量的校正。
流量控制阀3构成为基于从后述的控制部件4输出的控制信号4a来控制流体的流量。流量控制阀3能够具有阀3b和用于开闭阀的致动器3a。作为致动器3a，例如能够使用被电压信号控制的压电元件和被电流信号控制的螺线管等。作为阀3b，例如能够使用由隔膜和阀座构成的隔膜阀等。流量控制阀3可以如图1所例示的那样设于流量计2的下游侧，或者也可以设于流量计2的上游侧。
控制部件4构成为向流量控制阀3输出控制信号4a，以使由流量计2测量出的流体的流量即测量流量与设定流量一致。因此，控制部件4具有用于输入由流量计2测量出的测量流量的部件。设定流量是指在质量流量控制装置1中预先设定的流体的流量的目标值。控制部件4产生能进行控制以使由流量计2测量出的测量流量与设定流量一致的控制信号4a，并将该控制信号4a向流量控制阀3输出。由控制部件4输出的控制信号4a的值例如通过基于测量流量的反馈控制等公知的控制方法来决定。
本发明的质量流量控制装置1的特征在于，其还具有记录部件5和诊断部件6。记录部件5构成为记录开阀时压力值和闭阀时压力值这两者或其中任一者。在此，开阀时压力值是指，自流量控制阀3从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时起直到测量流量稳定为止的期间内的、下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)。另一方面，闭阀时压力值是指，自流量控制阀3从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时起直到测量流量成为零为止的期间内的、下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)。
记录部件5用于记录下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)。对于下游侧的流体的压力的值(P2)，既可以如图1例示的那样将下游侧的压力传感器(第2传感器)2b的输出直接输入并记录，或者也可以将利用控制部件4处理过的下游侧的流体的压力的值(P2)间接地输入并记录。下游侧的流体的压力的值(P2)例如也可以是利用模拟/数字转换器转换后的数据。记录部件5例如能够由存储器等构成，该存储器按时间序列记录表示下游侧流体的压力的值(P2)的数据。记录下游侧的流体的压力的值(P2)的时间间隔例如能够设为与构成控制部件4的中央计算元件(CPU)的时钟的周期相同的时间。该时间例如是10ms(毫秒)。
像上述那样，记录部件5记录下游侧流体的压力的值(P2)的期间为这样的两个期间或其中任一者，即：自流量控制阀3从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时起直到测量流量稳定为止的期间；和自流量控制阀3从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时起直到测量流量成为零为止的期间。在质量流量控制装置的通常的动作条件下，该两个期间都不会较大地超过0.5s(秒)。记录部件5开始记录、停止记录的时机例如能够根据从控制部件4向记录部件5输出的信号来决定。
图2是表示本发明的质量流量控制装置1的上游侧的流体的压力(第1压力)的值(P1)和下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)随时间的变化(随时间的推移)的例子的图表。上游侧的流体的压力的值(P1)随时间的变化由实线表示，下游侧的流体的压力的值(P2)随时间的变化由虚线表示。在横轴中，符号O表示流量控制阀3从关闭的状态变化为打开的状态(Open)从而开始对流量的控制的时刻。此外，符号C表示流量控制阀3从打开的状态变化为关闭的状态(Close)从而停止对流量的控制的时刻。在该例子中，流量控制阀3关闭到由符号O表示的时刻，质量流量控制装置1的上游侧的流体的压力的值(P1)和下游侧的流体的压力的值(P2)一同在相等的值上是恒定的。这时的上游侧的流体的压力的值(P1)和下游侧的流体的压力的值(P2)的值例如是100kPa以上、300kPa以下的值。
在到达由符号O表示的时刻时，流量控制阀3打开，开始对流量的控制。质量流量控制装置1的上游侧的流体的压力(第1压力)的值(P1)不变，但下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)在压差发生部件2c的作用下，从上游侧的流体的压力的值(P1)开始下降。然后，下游侧的流体的压力的值(P2)在控制部件4的作用下，在比上游侧的流体的压力的值(P1)低的值上稳定，测量流量稳定。这时的下游侧的流体的压力的值(P2)例如是30kPa以上、100kPa以下的值。记录部件5将像这样自流量控制阀3从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时起直到测量流量稳定为止的期间内的第2压力的值记录为开阀时压力值。
接着，在到达由符号C表示的时刻时，流量控制阀3关闭，停止对流量的控制。质量流量控制装置1的下游侧的流体的压力的值(P2)开始增加。然后，下游侧的流体的压力的值(P2)增加到与上游侧的流体的压力的值(P1)一致为止并稳定，测量流量成为零。记录部件5将像这样自流量控制阀3从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时起直到测量流量成为零为止的期间内的第2压力的值记录为闭阀时压力值。
诊断部件6基于利用记录部件5记录的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)来获取管理值。在管理值的获取中，使用在上述特定的期间内采样并利用记录部件5记录的下游侧的流体的压力的值(P2)。即，管理值基于利用记录部件5记录的开阀时压力值和闭阀时压力值这两者或其中任一者来获取。在上述期间内，下游侧的流体的压力的值(P2)在短时间内减少或增加。这时，下游侧的流体的压力的值(P2)在质量流量控制装置1中表示特有的随时间的变化。因而，只要质量流量控制装置1的状态没有变化，则在以相同的温度、压力以及设定流量的条件对相同种类的流体的流量进行控制的情况下，下游侧的流体的压力的值(P2)表示相同的随时间的变化。
管理值是反映利用记录部件5记录的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)随时间的变化的代表值。管理值只要是基于下游侧的流体的压力的值(P2)随时间的变化而唯一确定(获取)的代表值，就可以选择任意代表值。作为管理值，既能够选择一种代表值，或者也能够选择两种以上的多个代表值。
诊断部件6构成为，在测量管理值与初期管理值之差的绝对值超过预定阈值(大于预定阈值)的情况下，诊断为流量计2发生了异常。在此，测量管理值是指，在质量流量控制装置1运转时基于开阀时压力值和闭阀时压力值这两者或其中任一者获取的管理值。另一方面，初期管理值是指，在流量计2未发生异常时基于开阀时压力值和闭阀时压力值这两者或其中任一者获取的管理值。另外，“流量计2未发生异常时”是指，例如流量计2在制造后组装入质量流量控制装置1并初次使用时、和进行对流量计2的校正(校准)之后初次使用时等。因而，诊断部件6具有用于存储初期管理值的部件。即使从开始使用质量流量控制装置1后经过一段时间，只要质量流量控制装置1的状态没有变化，下游侧的流体的压力的值(P2)随时间的变化就具有再现性，管理值不会变化(即测量管理值不会从初期管理值偏离)。
另一方面，在质量流量控制装置1的状态发生了变化时，下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)随时间的变化也发生变化，因此测量管理值从初期管理值偏离。作为质量流量控制装置1的状态的变化的具体例子，能够列举出：例如因压力传感器2a和压力传感器2b表示的压力的值的经时变化和异物附着于压差发生部件2c导致的压力损失的变化等、流量计2发生异常。因而，在以下的情况下可以认为流量计2发生了某种异常，即：在基于质量流量控制装置1运转时利用记录部件5记录的下游侧的流体的压力的值(P2)而获取的管理值(测量管理值)与基于流量计2未发生异常时的下游侧的流体的压力的值(P2)而获取的管理值(初期管理值)之间产生了超过预定阈值(大于阈值)的差。
另外，上述“预定阈值”是作为当前的管理值(测量管理值)与流量计2未发生异常时的管理值(初期管理值)之差的绝对值所容许的最大值。诊断部件6在上述管理值之差的绝对值超过阈值时，诊断为流量计2发生了异常。因而，在将阈值设定为过小的值时，管理值的稍微的变化也会被认为是异常，因此有可能做出错误的诊断。另一方面，在将阈值设定为过大的值时，有可能即使发生异常也无法检测到异常的发生。因而，阈值需要设定为恰当的范围。阈值能够根据每个管理值设定。在同时使用多个种类的管理值时，能够针对各个管理值设定单独的阈值。
像以上说明的那样，本发明的质量流量控制装置1能够始终利用质量流量控制装置1运转时的对流量控制阀3进行开闭的时机来诊断流量计2有无异常。因而，不必与用于流量的控制的时间分开地设置用于诊断的时间，不会浪费性地废弃流体，能够有效地利用流体。此外，能够迅速且简便地诊断因压力传感器2a和压力传感器2b的异常以及压差发生部件2c的异常等导致流量计2发生异常。
图3是表示将本发明的质量流量控制装置的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)对时间求微分得到的值随时间的变化的例子的图表。用虚线表示将下游侧的流体的压力的值(P2)对时间求微分得到的值(dP2/dt)。dP2/dt的值例如能够通过这样的方式求得：记录部件5以一定的时间间隔记录的下游侧的流体的压力的值(P2)之中相邻的两个值之差除以上述时间间隔。
在由符号O表示于横轴的时刻，在流量控制阀3从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时，下游侧的流体的压力的值(P2)急剧减少，dP2/dt的值在负方向上示出具有峰的波形。在由符号C表示于横轴的时刻，在流量控制阀3从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时，下游侧的流体的压力的值(P2)急剧增加，dP2/dt的值在正方向上示出具有峰的波形。
在本发明优选的实施方式中，管理值是将在自流量控制阀3从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时起直到测量流量稳定为止的期间内由记录部件5记录的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)对时间求微分得到的值(dP2/dt)的绝对值的最大值、和将在自流量控制阀3从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时起直到测量流量成为零为止的期间内由记录部件5记录的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)对时间求微分得到的值(dP2/dt)的绝对值的最大值这两者或其中任一者。即，在该情况下，管理值是将前述的开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值的最大值、和将前述的闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值的最大值这两者或其中任一者。上述管理值分别相当于图3所例示的dP2/dt的值的峰的高度的绝对值H1和绝对值H2，成为表示流量控制阀3打开时和关闭时的流量随时间的变化的大小的指标。在流量计2发生异常并且没有表示流体的正确流量的情况下，上述管理值会发生变化。因而，使该两个管理值(测量管理值)或其中任一者与流量计2未发生异常时(例如流量计2制造后组装入质量流量控制装置1且初次使用时、和进行对流量计2的校正(校准)之后初次使用时等)的对应的管理值(初期管理值)相对比，从而能够诊断流量计2有无异常。
在本发明优选的实施方式中，管理值是从由流量控制阀3开始对流量的控制时起直到将记录部件5所记录的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)(即开阀时压力值)对时间求微分得到的值(dP2/dt)的绝对值成为最大为止的时间、和从由流量控制阀3停止对流量的控制时起直到将记录部件5所记录的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)(即闭阀时压力值)对时间求微分得到的值的绝对值成为最大为止的时间这两者或其中任一者。上述管理值分别相当于从图3中由符号O和符号C表示的各时刻起到dP2/dt的值表示峰的时刻为止的时间Ta1和时间Ta2，成为表示流量控制阀3打开时和关闭时的流量随时间的变化的速度的指标。在流量计2发生异常并且没有表示流体的正确流量的情况下，上述管理值会发生变化。因而，使该两个管理值(测量管理值)或其中任一者与流量计2未发生异常时的对应的管理值(初期管理值)相对比，从而能够诊断流量计2有无异常。
在本发明优选的实施方式中，管理值是从将记录部件5所记录的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)对时间求微分得到的值(dP2/dt)的绝对值成为最大时起到该绝对值成为零为止的时间。换言之，在该情况下，管理值是从将前述的开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大时起到该绝对值成为零为止的时间、和从将前述的闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大时起到该绝对值成为零为止的时间这两者或其中任一者。上述管理值分别相当于从图3所示的dP2/dt表示峰的时刻起到dP2/dt的值成为零的时刻为止的时间Tb1和时间Tb2，成为表示流量控制阀3打开时或关闭时的流量随时间的变化的速度的指标。在流量计2发生异常并且没有表示流体的正确流量的情况下，上述管理值会发生变化。因而，使该两个管理值(测量管理值)或其中任一者与流量计2未发生异常时的对应的管理值(初期管理值)相对比，从而能够诊断流量计2有无异常。
在本发明优选的实施方式中，管理值是将记录部件5所记录的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)对时间求微分得到的值(dP2/dt)的半值宽度。换言之，在该情况下，管理值是将前述的开阀时压力值对时间求微分得到的值的半值宽度、和将前述的闭阀时压力值对时间求微分得到的值的半值宽度这两者或其中任一者。上述管理值分别相当于在图3所示的dP2/dt的峰的波形中，dP2/dt的值表示最大值的一半的值的两点间的时间W1、时间W2，成为表示流量控制阀3打开时或关闭时的流量随时间的变化的速度的指标。在流量计2发生异常并且没有表示流体的正确流量的情况下，上述管理值会发生变化。因而，使该两个管理值(测量管理值)或其中任一者与流量计2未发生异常时的对应的管理值(初期管理值)相对比，从而能够诊断流量计2有无异常。
在本发明优选的实施方式中，流量计2具有用于测量上游侧的流体的压力(第1压力)的值(P1)的压力传感器(第1传感器)2a和用于测量下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)的压力传感器(第2传感器)2b。在该结构中，流量计2利用彼此独立的压力传感器2a和压力传感器2b来分别测量压差发生部件2c的上游侧的流体的压力的值(P1)和下游侧的流体的压力的值(P2)，并基于这些值(例如这些值之差(P1-P2)等)来测量流体的流量。作为两个压力传感器即压力传感器2a和压力传感器2b，能够使用具有相同结构的压力传感器。
在本发明优选的实施方式中，流量计2具有用于测量上游侧的流体的压力(第1压力)的值(P1)的压力传感器(第1传感器)2a和用于测量下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)的压力传感器(第2传感器)2b中的任一者、以及用于测量上游侧的流体的压力的值(P1)与下游侧的流体的压力的值(P2)之差的压差传感器(第3传感器)。在该结构中，流量计2利用一台压差传感器(第3传感器)来测量压差发生部件2c的上游侧的流体的压力的值(P1)和下游侧的流体的压力的值(P2)之差(P1-P2)，基于该值来测量流体的流量。本发明的实施所必需的下游侧的流体的压力的值(P2)能够利用用于测量下游侧的流体的压力的值的压力传感器(第2传感器)2b来直接测量，或者，基于利用用于测量上游侧的流体的压力的值的压力传感器(第1传感器)2a测量到的上游侧的流体的压力(P2)和利用压差传感器(第3传感器)测量到的压力之差(P1-P2)，通过计算来求得。
图4是表示本发明优选的实施方式的质量流量控制装置的结构例的示意图。本发明优选的实施方式的质量流量控制装置1还具有在流路2d上在流量计2的上游侧与流量计2相邻地配置的机械式调压阀7。机械式调压阀7具有利用机械机构将流体的压力保持为一定值的功能。该压力的控制与由控制部件4执行的对流量的控制独立地执行，不会受到来自对流量的控制的干扰。因而，在该实施方式中，压差发生部件2c的上游侧的流体的压力(第1压力)的值(P1)始终保持为一定值，因此，由质量流量控制装置1对流量的控制稳定。此外，能够提高诊断部件6对流量计2的诊断的精度。
在本发明优选的实施方式中，流量控制阀3配置于流量计2的下游侧。通过将流量控制阀3配置于流量计2的下游侧，能够瞬间阻断在关闭流量控制阀3时的流体的流动，不必浪费性地废弃流体，因此是优选的。在该实施方式中，从确保对流量的控制的稳定性的观点出发，更优选的是，质量流量控制装置1具有在流量计2的上游侧与流量计2相邻地配置的机械式调压阀7。
在本发明优选的实施方式中，诊断部件6构成为在诊断为流量计2发生了异常时输出异常信号6a。如图1和图4所例示的那样，异常信号6a能够设为例如向质量流量控制装置1的外部输出的电信号。在输出了异常信号6a时，能够利用质量流量控制装置1或设置于其外部的其他设备来产生由显示或语音进行的警告，该警告能够使操作者意识到流量计2发生了异常。由此，操作者能够停止使用发出过警告的质量流量控制装置1、为了检查或更换而将其拆下。
此外，异常信号6a能够作为触发信号被使用，该异常信号6a向设置于质量流量控制装置1的下游侧的半导体制造装置输出、用于向半导体制造装置警告发生异常并暂时中止运转。根据该结构，能够将以下这样的情况防患于未然，即：因流量计2发生异常而导致与设定流量不同的流量的流体向半导体制造装置供给。
如本说明书开头所述那样，本发明不仅涉及质量流量控制装置，也涉及构成质量流量控制装置的压差式流量计的诊断方法。本发明的压差式流量计的诊断方法能够应用于以本发明的上述实施方式为首的各种实施方式的质量流量控制装置，并利用该质量流量控制装置执行。
即，本发明的压差式流量计的诊断方法能够应用于质量流量控制装置，该质量流量控制装置具有：流量计，其构成为基于装设于流体的流路上的压差发生部件的上游侧的流体的压力即第1压力的值和压差发生部件的下游侧的流体的压力即第2压力的值，来测量流体的流量；流量控制阀，其构成为能够控制流体的流量；以及控制部件，其构成为能够向流量控制阀输出控制信号，以使利用流量计测量出的流体的流量即测量流量与流体的流量的目标值即设定流量一致。
上述质量流量控制装置还具有：记录部件，其构成为记录第2压力的值；以及诊断部件，其构成为基于利用记录部件记录的第2压力的值来诊断流量计是否发生了异常。
关于上述那样的质量流量控制装置的结构，在上述的说明中已经详细说明了本发明的质量流量控制装置1，因此在此不再重复说明。但是，本发明的压差式流量计的诊断方法能够应用于例如以参照图1和图4进行了说明的本发明的实施方式的质量流量控制装置为首的、本发明的各种实施方式的质量流量控制装置。
即，在应用了本发明优选的实施方式的压差式流量计的诊断方法的质量流量控制装置中，流量计能够构成为具有用于测量第1压力的值的压力传感器即第1传感器和用于测量第2压力的值的压力传感器即第2传感器。或者，流量计能够构成为具有用于测量第1压力的值的压力传感器即第1传感器和用于测量第2压力的值的压力传感器即第2传感器中的任一者、以及用于测量第1压力的值与第2压力的值之差的压差传感器即第3传感器。
此外，应用了本发明的压差式流量计的诊断方法的质量流量控制装置能够构成为还具有在流量计的上游侧与流量计相邻地配置的机械式调压阀。并且，在应用了本发明的压差式流量计的诊断方法的质量流量控制装置中，流量控制阀能够配置于流量计的下游侧。
本发明的压差式流量计的诊断方法是在具有上述那样的结构的质量流量控制装置中判断所述流量计是否发生了异常的诊断方法，
该压差式流量计的诊断方法包括以下过程：
所述记录部件记录开阀时压力值和闭阀时压力值这两者或其中任一者，该开阀时压力值为自所述流量控制阀从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时起直到所述测量流量稳定为止的期间内的所述第2压力的值，该闭阀时压力值为自所述流量控制阀从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时起直到所述测量流量成为零为止的期间内的所述第2压力的值；以及
在基于所述开阀时压力值和所述闭阀时压力值这两者或其中任一者得到的管理值即测量管理值与所述流量计未发生异常时的所述管理值即初期管理值之差的绝对值超过预定阈值的情况下，所述诊断部件诊断为所述流量计发生了异常。
像上述那样，根据本发明的压差式流量计的诊断方法，能够始终利用质量流量控制装置1运转时的对流量控制阀3进行开闭的时机来诊断流量计2有无异常。因而，不必与用于对流量的控制的时间分开地设置用于诊断的时间，不会浪费性地废弃流体，能够有效地利用流体。此外，能够迅速且简便地诊断因压力传感器2a和压力传感器2b的异常以及压差发生部件2c的异常等导致流量计2发生异常。
另外，关于本发明的质量流量控制装置1，像在上述说明中说明的那样，管理值是反映利用记录部件5记录的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)随时间的变化的代表值。管理值只要是基于下游侧的流体的压力的值(P2)随时间的变化而唯一确定(获取)的代表值，就可以选择任意代表值。作为管理值，既能够选择一种代表值，或者也能够选择两种以上的多个代表值。
即，在本发明优选的实施方式的压差式流量计的诊断方法中，管理值能够是将开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值的最大值、和将闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值的最大值这两者或其中任一者。
或者，管理值能够是从由流量控制阀开始对流量的控制时起直到将开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大为止的时间、和从由流量控制阀停止对流量的控制时起直到将闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大为止的时间这两者或其中任一者。
或者，管理值能够是从将开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大时起到该绝对值成为零为止的时间、和从将闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大时起到该绝对值成为零为止的时间这两者或其中任一者。
或者，管理值能够是将开阀时压力值对时间求微分得到的值的半值宽度、和将闭阀时压力值对时间求微分得到的值的半值宽度这两者或其中任一者。
关于这些优选的实施方式中的各种管理值的详细说明和利用这些管理值达成的效果，在上述的说明中针对本发明的质量流量控制装置1已经详细地进行了叙述，因此在此不再重复说明。
图5是表示在本发明的质量流量控制装置1中执行的压差式流量计的诊断方法的诊断算法的例子的流程图。在该例子中，诊断算法例如构成为，将质量流量控制装置1的起动或者对流量控制阀3进行的控制信号4a的输出作为触发而开始。诊断算法首先判断流量控制阀3是否已从关闭的状态变化为打开的状态(步骤S11)。在认可了上述状态变化时，诊断算法开始进行对下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)(即开阀时压力值)的记录(步骤S12)。接着，诊断算法判断测量流量是否已稳定(步骤S13)。在测量流量已稳定时，诊断算法停止对下游侧的流体的压力的值(P2)的记录(步骤S14)，从在步骤S12中记录的下游侧的流体的压力的值(P2)获取管理值(即测量管理值)(步骤S31)。
另一方面，在判断出在上述步骤S11中流量控制阀3未从关闭的状态变化为打开的状态的情况下(步骤S11：否)，诊断算法判断流量控制阀3是否已从打开的状态变化为关闭的状态(步骤S21)。在认可了上述状态变化时，诊断算法开始进行对下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)(即闭阀时压力值)的记录(步骤S22)。接着，诊断算法判断测量流量是否成为零(步骤S23)。在测量流量成为零时，诊断算法停止对下游侧的流体的压力的值(P2)的记录(步骤S24)，像上述那样，从在步骤S22中记录的下游侧的流体的压力的值(P2)获取管理值(即测量管理值)(步骤S31)。
然后，判断在步骤S31中获取的测量管理值与在流量计未发生异常时基于开阀时压力值预先获取并记录下来的管理值即初期管理值之差的绝对值是否超过了预定阈值(步骤S32)。在上述绝对值超过了阈值时，诊断算法诊断为流量计2发生了异常(步骤S33)。在上述绝对值未超过阈值时，诊断算法返回步骤S11。
像从上述诊断算法的例子中明确的那样，根据本发明的质量流量控制装置和本发明的压差式流量计的诊断方法，在诊断流量计2有无异常的发生时，不需要特别的工序，利用通常运转下的流量控制阀3的开闭动作的时机就能够执行诊断。因而，与以往的质量流量控制装置相比，本发明的动作简单，能够减少流量控制阀3发生故障的机率。此外，没有将仅用于诊断的流体利用于本来的目的，不必担忧浪费性地废弃流体。
并且，本发明优选的实施方式的压差式流量计的诊断方法还能够包括如下过程：在诊断出流量计发生了异常时，诊断部件输出异常信号。在该情况下，如图6的流程图所示，诊断算法例如在步骤S33中诊断出流量计2发生了异常之后，输出异常信号6a(步骤S34)。关于利用该优选的实施方式中的异常信号的输出达成的效果，在上述说明中针对本发明的质量流量控制装置1已经详细地进行了叙述，在此不再重复说明。
【实施例】
准备了一台本发明的质量流量控制装置。该质量流量控制装置1的额定流量在为氮气的情况下是300sccm(standard cubic centimeter)，预先校正了流量计2以使该流量计2表示正确的流量。在将周围温度保持为24℃的环境中，向质量流量控制装置1的入口侧供给氮气，出口侧的压力设为了真空。然后，将设定流量设定为额定流量的100％，以10ms的间隔测量自流量控制阀3从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时起直到测量流量稳定为止的期间内的、下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)，并将其作为开阀时压力值记录在记录部件5。
接着，在保持上述条件不变地使氮气流通了20秒之后，将设定流量变更为0％，以10ms的间隔测量自流量控制阀3从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时起直到测量流量成为零为止的期间内的、下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)，并将其作为闭阀时压力值记录在记录部件5。对于在记录部件5记录的开阀时压力值和闭阀时压力值，分别计算它们各自对时间求微分得到的值(dP2/dt)，并分别求得dP2/dt的绝对值的最大值作为管理值。这样获取到的开阀时和闭阀时的管理值相当于上述初期管理值。在表1中示出求得的初期管理值。
接着，变更流量计2的跨度，以利用流量计2测量的氮气的流量产生-5.0％的误差的方式进行调整，从而人为地制造出了流量计2发生了异常的状态。在该状态下，按照与上述相同的步骤，以10ms的间隔测量氮气在质量流量控制装置1中流通、停止时(即开阀时和闭阀时)的下游侧的流体的压力的值(P2)，并将其分别作为开阀时压力值和闭阀时压力值记录在记录部件5。控制部件4欲基于流量计2的测量流量使氮气更多地流通，因此，测量流量稳定时的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)变得比变更流量计2的跨度之前低。并且，以利用流量计2测量的氮气的流量产生-10.0％的误差的方式进行了调整，并进行了同样的测量。在表1中示出基于在各个测量中记录下来的下游侧的流体的压力的值(P2)(即开阀时压力值和闭阀时压力值)而获取的管理值(测量管理值)。
【表1】
表1
从表1所示的实施例可知，根据本发明的质量流量控制装置1和本发明的压差式流量计的判断方法，在流量计2发生异常时，基于将流量控制阀3打开时(开阀时)或关闭时(闭阀时)的下游侧的流体的压力(第2压力)的值(P2)随时间的变化而获取的管理值(测量管理值)示出与流量计2未发生异常时的管理值(初期管理值)不同的值。因而，通过对开阀时和闭阀时这两者或其中任一者的测量管理值始终进行监视并使该测量管理值与初期管理值相比较，能够迅速且简便地诊断质量流量控制装置1的流量计2是否发生了异常。
附图标记说明
1、质量流量控制装置；2、压差式流量计；2a、上游侧的压力传感器(第1传感器)；2b、下游侧的压力传感器(第2传感器)；2c、压差发生部件；2d、流路；3、流量控制阀；3a、致动器；3b、阀；4、控制部件；4a、控制信号；5、记录部件；6、诊断部件；6a、异常信号；7、机械式调压阀。

Claims (20)

1.一种质量流量控制装置，该质量流量控制装置具有：
流量计，其构成为基于装设于流体的流路上的压差发生部件的上游侧的所述流体的压力即第1压力的值和所述压差发生部件的下游侧的所述流体的压力即第2压力的值，来测量所述流体的流量；
流量控制阀，其构成为能够控制所述流体的流量；以及
控制部件，其构成为能够向所述流量控制阀输出控制信号，以使利用所述流量计测量到的所述流体的流量即测量流量与所述流体的流量的目标值即设定流量一致，
该质量流量控制装置的特征在于，还具有：
记录部件，其构成为记录开阀时压力值和闭阀时压力值这两者或其中任一者，该开阀时压力值为自所述流量控制阀从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时起直到所述测量流量稳定为止的期间内的所述第2压力的值，该闭阀时压力值为自所述流量控制阀从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时起直到所述测量流量成为零为止的期间内的所述第2压力的值；以及
诊断部件，其构成为，在基于所述开阀时压力值和所述闭阀时压力值这两者或其中任一者获取的管理值即测量管理值与所述流量计未发生异常时的所述管理值即初期管理值之差的绝对值超过预定阈值的情况下，诊断为所述流量计发生了异常。
2.根据权利要求1所述的质量流量控制装置，其中，
所述管理值是将所述开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值的最大值、和将所述闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值的最大值这两者或其中任一者。
3.根据权利要求1所述的质量流量控制装置，其中，
所述管理值是从由所述流量控制阀开始对流量的控制时起直到将所述开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大为止的时间、和从由所述流量控制阀停止对流量的控制时起直到将所述闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大为止的时间这两者或其中任一者。
4.根据权利要求1所述的质量流量控制装置，其中，
所述管理值是从将所述开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大时起到该绝对值成为零为止的时间、和从将所述闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大时起到该绝对值成为零为止的时间这两者或其中任一者。
5.根据权利要求1所述的质量流量控制装置，其中，
所述管理值是将所述开阀时压力值对时间求微分得到的值的半值宽度、和将所述闭阀时压力值对时间求微分得到的值的半值宽度这两者或其中任一者。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的质量流量控制装置，其中，
所述流量计具有用于测量所述第1压力的值的压力传感器即第1传感器和用于测量所述第2压力的值的压力传感器即第2传感器。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的质量流量控制装置，其中，
所述流量计具有用于测量所述第1压力的值的压力传感器即第1传感器和用于测量所述第2压力的值的压力传感器即第2传感器中的任一者、以及用于测量所述第1压力的值和所述第2压力的值之差的压差传感器即第3传感器。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的质量流量控制装置，其中，
该质量流量控制装置还具有在所述流量计的上游侧与所述流量计相邻地配置的机械式调压阀。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的质量流量控制装置，其中，
所述流量控制阀配置于所述流量计的下游侧。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的质量流量控制装置，其中，
所述诊断部件构成为在诊断出所述流量计发生了异常时输出异常信号。
11.一种压差式流量计的诊断方法，在具有流量计、流量控制阀以及控制部件的质量流量控制装置中，利用该诊断方法来判断所述流量计是否发生了异常，
所述流量计构成为基于装设于流体的流路上的压差发生部件的上游侧的所述流体的压力即第1压力的值和所述压差发生部件的下游侧的所述流体的压力即第2压力的值，来测量所述流体的流量，
所述流量控制阀构成为能够控制所述流体的流量，
所述控制部件构成为能够向所述流量控制阀输出控制信号，以使利用所述流量计测量到的所述流体的流量即测量流量与所述流体的流量的目标值即设定流量一致，其中，
所述质量流量控制装置还具有：
记录部件，其构成为记录所述第2压力的值；以及
诊断部件，其构成为基于利用所述记录部件记录的所述第2压力的值来诊断所述流量计是否发生了异常，
该压差式流量计的诊断方法包括以下过程：
所述记录部件记录开阀时压力值和闭阀时压力值这两者或其中任一者，该开阀时压力值为自所述流量控制阀从关闭的状态变化为打开的状态从而开始对流量的控制时起直到所述测量流量稳定为止的期间内的所述第2压力的值，该闭阀时压力值为自所述流量控制阀从打开的状态变化为关闭的状态从而停止对流量的控制时起直到所述测量流量成为零为止的期间内的所述第2压力的值；以及
在基于所述开阀时压力值和所述闭阀时压力值这两者或其中任一者得到的管理值即测量管理值与所述流量计未发生异常时的所述管理值即初期管理值之差的绝对值超过预定阈值的情况下，所述诊断部件诊断为所述流量计发生了异常。
12.根据权利要求11所述的压差式流量计的诊断方法，其中，
所述管理值是将所述开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值的最大值、和将所述闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值的最大值这两者或其中任一者。
13.根据权利要求11所述的压差式流量计的诊断方法，其中，
所述管理值是从由所述流量控制阀开始对流量的控制时起直到将所述开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大为止的时间、和从由所述流量控制阀停止对流量的控制时起直到将所述闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大为止的时间这两者或其中任一者。
14.根据权利要求11所述的压差式流量计的诊断方法，其中，
所述管理值是从将所述开阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大时起到该绝对值成为零为止的时间、和从将所述闭阀时压力值对时间求微分得到的值的绝对值成为最大时起到该绝对值成为零为止的时间这两者或其中任一者。
15.根据权利要求1所述的压差式流量计的诊断方法，其中，
所述管理值是将所述开阀时压力值对时间求微分得到的值的半值宽度、和将所述闭阀时压力值对时间求微分得到的值的半值宽度这两者或其中任一者。
16.根据权利要求11～15中任一项所述的压差式流量计的诊断方法，其中，
所述流量计具有用于测量所述第1压力的值的压力传感器即第1传感器和用于测量所述第2压力的值的压力传感器即第2传感器。
17.根据权利要求11～15中任一项所述的压差式流量计的诊断方法，其中，
所述流量计具有用于测量所述第1压力的值的压力传感器即第1传感器和用于测量所述第2压力的值的压力传感器即第2传感器中的任一者、以及用于测量所述第1压力的值和所述第2压力的值之差的压差传感器即第3传感器。
18.根据权利要求11～17中任一项所述的压差式流量计的诊断方法，其中，
所述质量流量控制装置还具有在所述流量计的上游侧与所述流量计相邻地配置的机械式调压阀。
19.根据权利要求11～18中任一项所述的压差式流量计的诊断方法，其中，
所述流量控制阀配置于所述流量计的下游侧。
20.根据权利要求11～19中任一项所述的压差式流量计的诊断方法，其中，
该压差式流量计的诊断方法还包括以下过程：在诊断出所述流量计发生了异常时，所述诊断部件输出异常信号。
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