CN1114847C

CN1114847C - 压力式流量控制装置的孔板堵塞检测方法及其检测装置

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Publication number: CN1114847C
Application number: CN99801434A
Authority: CN
Inventors: 大见忠弘; 饭田精一; 加贺爪哲; 广濑润; 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; 广濑隆
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2003-07-16
Anticipated expiration: 2019-08-09
Also published as: EP1035457A4; CN1275218A; DE69912239D1; KR100348853B1; US6302130B1; EP1035457B1; ATE252741T1; KR20010031332A; WO2000011531A1; EP1035457A1; TW432267B; DE69912239T2

Abstract

对于使用孔板的流量控制装置，可不必拆解配管而通过检测上游压力判断孔板是否堵塞，可使流量控制装置的寿命延长、安全性得到提高。具体地说就是，在上游压力P₁保持为下游压力P₂的约2倍以上、以Q_C＝KP₁(K：常数)进行下游流量Q_C的计算、利用该计算流量Q_C与设定流量Q_S二者的差信号Q_Y对控制阀CV的开闭进行控制的流量控制装置FCS中，其堵塞检测装置由：储存有孔板2无堵塞的条件下从高设定流量Q_SH切换到低设定流量Q_SL而测定的上游压力P₁的基准压力衰减数据Y(t)的存储装置M，在孔板2的实际条件下从高设定流量Q_SH切换到低设定流量Q_SL以对上游压力P₁的压力衰减数据P(t)进行测定的压力检测器14，对压力衰减数据P(t)与基准压力衰减数据Y(t)二者进行对比运算的中央运算处理装置CPU，以及当压力衰减数据P(t)偏离基准压力衰减数据Y(t)达到既定程度以上时报知堵塞的报警电路46等构成。

Description

压力式流量控制装置的孔板堵塞检测方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及对半导体、化学产品、药品、精密机械零件等的制造中使用的各种诸如气体等流体的流量进行控制的压力式流量控制装置，更具体地说是涉及当孔板发生堵塞时对其堵塞进行检测的方法及其检测装置。

现有技术

过去，作为半导体制造设备及化学药品制造设备的流体供给装置凡需要进行高精度流量控制的，基本上都采用质量流量控制器。

但是，质量流量控制器存在着①使用热式流量传感器的，响应速度较慢，②低流量段的控制精度差，故而每一个产品在精度上存在分散性，③工作中多发故障而稳定性差，④制造价格高，故更换用零部件价格也高而导致运行成本高，等种种缺点。

为此，本发明人为克服上述缺点而锐意研究的结果，开发出了特开平8-338546号公报所揭示的使用孔板的压力式流量控制装置。

该压力式流量控制装置具有如下特征。

当孔板前后的气体的压力比P₂/P₁(P₁：上游压力，P₂：下游压力)小于气体的临界压力比(空气或氮气等为0.5)时，通过孔板的气体的流速将达到音速，使得孔板下游压力的变化不能传递到上游，能够获得与孔板上游的状态相应的稳定的质量流量。

即，在孔板直径一定的情况下，当设定为上游压力P₁为下游压力P₂的约2倍以上时，流经孔板的下游流量Qc仅依赖于上游压力P₁，高精度地建立起Qc＝KP₁(K：常数)这样一种线性关系。并且，只要孔板直径相同，该常数K也不变。

结合图12对该压力式流量控制装置的构成进行说明。

孔板2的上游流路4与靠驱动部8实现开闭的控制阀CV相连结，下游流路6经气体取出用连结器12与流体反应装置(未图示)连接。

孔板上游压力P₁以压力检测器14进行检测，经由放大电路16在压力显示器22上显示出来。此外，其输出通过A/D转换器18数字化，运算电路20按Q＝KP₁(K：常数)计算出孔板的下游流量Q。

另一方面，温度检测器24检测的上游温度T₁经放大电路26、A/D转换器28向温度修正电路30输出，对上述流量Q进行温度修正后，将计算流量Q_C向比较电路36输出。在这里，将运算电路20、温度修正电路30及比较电路36概括起来称之为运算控制电路38。

流量设定电路32经A/D转换器34输出设定流量Q_S，向比较电路36发送信号。在比较电路36中，按Q_Y＝Q_C-Q_S计算出计算流量Q_C与设定流量Q_S的差信号Q_Y，经放大电路40向驱动部8输出。该驱动部8的作用是，向差信号Q_Y变零的方向控制控制阀CV的开闭，以使下游流量等于设定流量。

该压力式流量控制装置虽然具有仅对上游压力P₁进行检测便可高精度控制下游流量的优点，但是，由于使用孔板，故存在着其微孔会堵塞的弱点。孔板是微米级的孔，有时会由于该孔板的孔被灰尘等堵塞而使流量控制无法进行。

进行流量控制的管路内部必须经过高度净化，而在管路装配时有可能残留锯屑和灰尘等。当孔板堵塞时，由于不能进行流量控制，整个设备变得不稳定，将导致产生大量废品。而且，随气体流体种类的不同，还存在着化学反应失控而发生爆炸事故的危险。为对此加以防止，曾就将填密过滤器内装于管路内的方法进行过探讨，但存在着影响管路流导的缺点。

图13示出孔板发生堵塞时的流量特性。净化后流量特性是无堵塞时的特性，例如，在图13中，当设定值显示为100％时，只要没有堵塞，N₂气体应有563.1SCCM(○标识)的流量。后续的反应系统全部是按期望的流量进行设计的。但一旦发生堵塞，此时只能流通485SCCM(□标识)，不能进行设计所要求的反应。其中，SCCM表示标准状态下1分钟的气体流量(cc)。

这样，当孔板发生堵塞时，将出现流量低于设计值的现象。作为半导体和化学设备，在原料气体过于不足时，或者会发生爆炸，或者产品出现大量废品，如何对孔板堵塞进行检测成为一个大课题。

发明的公开

本发明是为克服上述缺点而开发出来的，本发明所记载的压力式流量控制装置的孔板堵塞检测方法是，对于由控制阀、孔板、对该二者之间的上游压力进行检测的压力检测器和流量设定电路构成的、上游压力P₁保持为下游压力P₂的约2倍以上而以Q_C＝KP₁(K：常数)计算下游流量Q_C的、依据该计算流量Q_C与设定流量Q_S的差信号Q_Y对控制阀进行开闭控制的流量控制装置，由：将设定流量Q_S保持为高设定流量Q_SH的第1过程，将该高设定流量Q_SH切换并保持为低设定流量Q_SL而对上游压力P₁进行检测以获得压力衰减数据P(t)的第2过程，将相同条件下无堵塞时检测到的基准压力衰减数据Y(t)与上述压力衰减数据P(t)进行比较的第3过程，以及当压力衰减数据P(t)偏离基准压力衰减数据Y(t)达到既定程度以上时报知堵塞的第4过程构成。

本发明所记载的压力式流量控制装置的堵塞检测方法是，对于由控制阀CV、孔板2、对该二者之间的上游压力P₁进行检测的压力检测器14和流量设定电路32构成的、上游压力P₁保持为下游压力P₂的约2倍以上而以Q_C＝KP₁(K：常数)计算下游流量Q_C的、依据该计算流量Q_C与设定流量Q_S的差信号Q_Y对控制阀CV进行通断控制的流量控制装置，由：使设定流量Q_S保持为高设定流量Q_SH的第1过程，将该高设定流量Q_SH切换并保持为低设定流量Q_SL、对上游压力P₁及上游温度P₁进行检测并利用该检测值计算压力衰减数据P(t)的第2过程，在相同条件下将利用孔板无堵塞时检测到的上游压力P_t和上游温度T_t而计算出的基准压力衰减数据Y(t)与上述压力衰减数据P(t)二者进行比较的第3过程，以及当压力衰减数据P(t)偏离基准压力衰减数据Y(t)达到既定程度以上时报知堵塞的第4过程构成。

此外，本发明所记载的压力式流量控制装置的孔板堵塞检测装置是，在由控制阀、孔板、对该二者之间的上游压力进行检测的压力检测器和流量设定电路构成的、上游压力P₁保持为下游压力P₂的约2倍以上而以Q_C＝KP₁(K：常数)计算下游流量Q_C的、依据该计算流量Q_C与设定流量Q_S的差信号Q_Y对控制阀进行开闭控制的流量控制装置中，由：将孔板无堵塞的条件下从高设定流量Q_SH切换为低设定流量Q_SL而检测到的上游压力P₁的基准压力衰减数据Y(t)储存起来的存储装置，在孔板的实际条件下从高设定流量Q_SH切换为低设定流量Q_SL后对上游压力P₁的压力衰减数据P(t)进行检测的上述压力检测器，对压力衰减数据P(t)与基准压力衰减数据Y(t)二者进行比较运算的中央运算处理装置，以及当压力衰减数据P(t)偏离基准压力衰减数据Y(t)既定程度以上时报知堵塞的报警电路构成。

本发明所记载的压力式流量控制装置的孔板堵塞检测装置是，在由控制阀CV、孔板2、对此二者之间的上游压力P₁进行检测的压力检测器14和流量设定电路32构成的、上游压力P₁保持为下游压力P₂的约2倍以上而以Q_C＝KP₁(K：常数)计算下游流量Q_C、依据该计算流量Q_C与设定流量Q_S的差信号Q_Y对控制阀进行通断控制的流量控制装置中，由：检测孔板上游压力P的压力检测器14，检测孔板上游温度T的温度检测器24，将利用孔板2无堵塞的条件下从高设定流量Q_SH切换为低设定流量Q_SL而检测到的上游压力P_t及上游温度T_t所计算出的上游压力P₁的基准压力衰减数据Y(t)储存的存储装置M，进行上述基准压力衰减数据Y(t)的计算、并利用在孔板2的实际条件下从高设定流量Q_SH切换为低设定流量Q_SL而检测到的上游压力P_t和上游温度T_t计算出上游压力P₁的压力衰减数据P(t)、进而对该压力衰减数据P(t)与上述基准压力衰减数据Y(t)二者进行比较运算的中央运算处理装置CPU，以及当压力衰减数据P(t)偏离基准压力衰减数据Y(t)达到既定程度以上时报知堵塞的报警电路46构成。

附图的简单说明

图1是本发明所涉及的流量控制装置的堵塞检测装置之一例的结构方框图。

图2是设备运行中的流量控制流程图。

图3是求取本发明第1实施例所涉及的堵塞检测方法所使用的基准压力衰减数据Y(t)的流程图。

图4是无堵塞时的基准压力衰减数据Y(t)和堵塞时压力衰减数据P(t)的曲线图。

图5是本发明第1实施例所涉及的堵塞检测方法的实施流程图。

图6是各种信号的时序图。

图7是求取本发明第2实施例所涉及的堵塞检测方法所使用的基准压力衰减数据Y(t)的流程图。

图8是本发明第2实施例所涉及的堵塞检测方法的实施流程图。

图9是本发明第2实施例改变温度时的压力降低特性曲线图。

图10是本发明第2实施例改变温度时的压力衰减数据Z(t)计算值的曲线图。

图11示出本发明第2实施例在温度发生变化情况下基准时的压力衰减数据(25℃)Z_S(t)与压力衰减数据计算值二者之差。

图12是现有压力式流量控制装置的结构方框图。

图13是孔板发生堵塞时的设定值流量特性图。

编号说明

2是孔板，4是上游流路，6是下游流路，8是驱动部，12是气体取出用连结器，14是压力检测器，16是放大电路，18是A/D转换器，20是运算电路，22是压力显示器，24温度检测器，26是放大电路，28是A/D转换器，30是温度修正电路，32是流量设定电路，34是A/D转换器，36是比较电路，38是运算控制电路，40是放大电路，42是通讯口，44是外部电路，46是报警电路，48是电源电路，50是外部电源，AMP是放大电路，A/D是AD转换器，AL是报警电路，CPU是中央运算处理装置，CV是控制阀，ES是外部电源，M是存储装置，SC是电源电路。

发明的最佳实施形式

本发明涉及用于与图12同样的压力式流量控制装置中的孔板堵塞检测方法和堵塞检测装置，压力式流量控制装置进行动作的前提条件相同。即，当设定为上游压力P₁为下游压力P₂的约2倍以上时，孔板的下游流量Q_C仅依赖于上游压力P₁，Q_C＝KP₁这一线性条件可高精度成立。孔板相同的场合，比例常数K一定，仅在换成孔板孔不同的孔板时改变常数K即可。

因此，要将特定的流体控制为固定流量时，只要对控制阀CV进行开闭控制使得上游压力P₁为P₁＝Q_S/K的值即可。即，对上游压力P₁进行经常性检测的同时，以与之一对一的对应关系开闭控制阀CV即可。

堵塞检测装置的实施例

图1示出本发明所涉及的流量控制装置的堵塞检测装置的一个例子。从功能上来说，本装置与图12的装置相同，不同之处在于以微计算机进行控制。为此，与图12相同的部分赋予相同的编号并对其说明予以省略，对不同的编号及详细内容说明如下。

CPU是中央运算处理装置，相当于图12的运算控制电路38，M是数据储存用存储装置，42是与外部进行通讯的通讯口PT，44是触发电路等外部电路，46是堵塞时的报警电路，48是电源电路SC，50是±15V的外部电源。AMP是放大电路，A/D是A/D转换器。

作为控制阀CV，使用所谓直接接触型的金属膜阀，而其驱动部8使用压电器件型驱动装置。除此之外，控制阀CV的驱动部8也可以使用磁致伸缩器件型驱动装置、螺线管型驱动装置、马达型驱动装置、空气压型驱动装置以及热膨胀型驱动装置。

压力检测器14使用的是半导体应变型压力传感器，但除此之外也可以使用金属箔应变型压力传感器、静电电容型压力传感器以及磁阻型压力传感器等。

温度检测器24使用的是热电偶型温度传感器，但也可以使用测温电阻型温度传感器等公知的各类温度传感器。

此外，作为孔板2，使用的是在呈板状的金属薄板制填密板上经切削加工出孔的孔板，但除此之外也可以使用极细管料、经腐蚀或放电加工在金属膜上形成孔而成的孔板等公知的孔板。

将使用孔板的流量控制装置简称为FCS，而图1所示流量控制装置FCS是组装有本发明所涉及的孔板堵塞检测装置的FCS。

下面，结合图2的流程图对图1所示流量控制装置FCS的一般流量控制模式进行说明。

图2是设备运行中的流量控制流程图，由中央运算处理装置CPU按照存储装置M中储存的程序执行。当在步骤n1确认是(Y)流量控制模式时，从流量设定电路32输入流量设定信号(设定流量)Q_S(n2)。以压力检测器14检测上游压力P₁(n3)，经放大电路16以及A/D转换器18由中央运算处理装置CPU按照Q＝KP₁(K：常数)计算出下游流量Q(n4)。

同时，对上游温度T₁以温度检测器24进行检测(n5)，经放大电路26以及A/D转换器28向上述装置CPU输入，依据该数据对流量进行温度修正，流量Q转换为计算流量Q_C(n6)。在装置CPU中，对计算流量Q_C与设定流量Q_S之差按照Q_Y＝Q_C-Q_S进行计算(n7)。

按如下步骤对控制阀CV进行控制以使该流量差信号Q_Y变为零。首先，当Q_Y＜0时(n8)，以驱动部8对控制阀CV向打开的方向进行控制(n9)，而当Q_Y＞0时(n10)，向关闭的方向驱动控制阀CV(n11)，并返回步骤n3。当Q_Y＝0时，视为流量控制已完成而将控制阀CV固定在当前的开度(n12)。使流量差Q_Y完全变为零是困难的，因此在步骤n8和n10中也可以设定一些裕度。

在这里，对流量设定电路32的设定流量Q_S作一说明。该设定流量(流量设定信号)Q_S通常以电压值给出，并且与上游压力的设定值P₁存在P₁＝Q_S/K的关系。也就是说，假如流量以0～5(V)表示，则与压力范围0～3(kgf/cm² abs)相对应。若该范围以百分比表示为0～100(％)，则满刻度100(％)的流量Q_S对应于5(V)，上游压力P₁对应于3(kgf/cm² abs)。

例如，若设定值为50(％)，则流量Q_S相当于2.5(V)，压力P₁相当于1.5(kgf/cn² abs)。以下的说明以此为前提。

其次，为进行孔板堵塞检测，就对作为基础数据的基准压力衰减数据Y(t)进行检测的基准衰减模式进行说明。该基准衰减模式是用来分析孔板完全没有堵塞的状态下从控制阀开大(全开状态)的状态变成关闭(全闭状态)时上游压力P₁将如何衰减，以作为与发生堵塞时进行对比的基准数据。

堵塞检测方法的第1实施例

图3是第1实施形式所涉及的堵塞检测方法所采用的基准衰减模式的流程图，根据来自外部电路44的信号开始执行存储装置M内所储存的程序。

一旦确认是基准衰减模式(n20)，由CPU将设定流量Q_S设置为高设定流量Q_SH(n21)。通常该高设定流量Q_SH为满刻度的100％。以该状态检测上游压力P₁，将该量程的最大值表示为最大压力P_m(n22)。其次，根据来自外部电路44的触发信号，将设定流量Q_S设置为低设定流量Q_SL，将这一时刻作为t＝0(s)(n23)。低设定流量Q_SL通常为0％。即，是将上游压力P₁从最大值变成零(控制阀全闭)之后检测上游压力P₁的衰减的。

从t＝0开始检测上游压力P₁(n24)，将时刻与压力数据(t、P₁/P_m)储存在存储装置M内(n25)。P₁/P_m只是为了将压力规格化，也完全可以不进行规格化，此外还可以采用其它方法。时刻以微小时间Δt渐进(n26)，直至达到检测时间t_m(n27)为止，边检测数据(t、P₁/P_m)边存入存储装置M。这里，作为测定时间t_m只要是能够将数据储存起来的时间即可，例如为5(s)、20(s)等。其次，以最小二乘法使Y(t)＝exp(-kt)与所获得的多个数据(t、P₁/P_m)拟合(n28)，计算出衰减参数k(n29)。

在实际的具体检测中，上述测定时间t_m可在1s～10s的时间段内进行8级切换设定，并且，对于内径为150μm的孔板，在这段时间内测量50个点的上游压力P₁。

这样，基准压力衰减数据Y(t)可按理论公式Y(t)＝exp(-kt)得到。对于无堵塞的相同孔板，衰减参数k为定值。将该基准压力衰减数据Y(t)储存在存储装置M中。

基准压力衰减数据Y(t)在图4中以细实线示出，最大值被规格化为1。当然，也可以不进行规格化而将压力P₁的值作为衰减数据。

在上述方法中，Q_SH→Q_SL的变化为100％→0％，即控制阀CV为全开→全闭，但并不限于此。例如，也可以设成Q_SH＝50％，还可以设成Q_SL＝20％。之所以选择100％→0％，不过是为了使衰减曲线显现最显著的曲线变化。

基准压力衰减数据Y(t)是在孔板无堵塞的最佳条件下检测的，从一般意义上来说，并不意味着无堵塞状态是该最佳条件。例如，即使存在小量堵塞有时也会判断为无堵塞，而本实施例取满刻度值的±0.2％，因此，对于规格化为1的场合，则是将±0.002作为无堵塞的误差范围。该误差范围可根据情况作种种改变。

下面，就流量因数FF进行说明。

本发明所涉及的流量控制装置，具有能够以同一孔板控制多种气体的优点。如前所述，我们已经知道，相同孔径的孔板，其下游流量Q_C可由Q_C＝KP₁(K：常数)获得。众所周知，这种场合下，当气体种类改变时，常数K将改变。

例如，相应于N2气体、Ar气体和O₂气体，假设将常数K表示为K_N、K_A和K_O。通常，使用以N₂作为基准的流量因数FF表述。因此，若N₂气体、Ar气体和O₂气体的流量因数FF以FF_N、FF_A和FF_O表示时，可由FF_N＝K_N/K_N＝1、FF_A＝K_A/K_N和FF_O＝K_O/K_N求得。即，流量因数FF是实际气体的流量与N₂换算流量之比，是由FF＝实际气体流量/N₂换算流量加以定义的要素。表1示出各种气体的流量因数值。

表1

流量因数 F.F.

气体种类	F F
气体种类	F F	N₂	1.0000
C₄F₈	0.3523	N₂	1.0000
C₄F₈	0.3523	Ar	0.8878
CO	0.9999	Ar	0.8878
CO	0.9999	O₂	0.9352

发明人经过研究判明，基准压力衰减数据Y(t)＝exp(-kt)的衰减参数k与流量因数FF有密切的关系。与流量同样，该关系式为实际气体衰减参数＝FF×N₂气体衰减参数。因此，只要测出N₂气体的衰减参数K_N，任意气体的衰减参数k可由k＝FF×k_N确定。

图5是对实际使用的孔板进行堵塞检测的堵塞检测模式的流程图。在设备实际运行时进行堵塞检测是困难的，因此，在生产过程结束后，当设定流量达到规定值(即设定流量值为超过1V的任意值·阈值)时，以其减小方向作为触发信号而进入堵塞检测模式。

在本实施例中，当设定流量值变为1V时，向中央运算处理装置CPU输入触发信号Tr₁。根据该信号确认是堵塞检测模式(n30)，自存储装置M向CPU送出基准压力衰减数据Y(t)。该数据既可以是对应于作为实际检测对象的实际气体的Y(t)，也可以是对应于N₂的衰减参数k与流量因数FF。为后者的场合，可根据Y(t)＝exp(-kt×FF)计算出实际气体的基准压力衰减数据Y(t)。

在本实施例中，初始设定时的上述Y(t)，储存在存储装置M中的下表所示的表格中，通过与该表格比较而进行堵塞检测。

表2

时间(msec)	压力传感器输出(v)
时间(msec)	压力传感器输出(v)	0	5.00
20	4.20	0	5.00
20	4.20	40	3.80
60	3.50	40	3.80
60	3.50		
1000	0.00		

其次，输入高设定流量Q_SH，以该时间点作为t＝0(s)进行时间的计量(n32)，检测上游压力P₁，以该值作为最大压力P_m(n33)。多次反复微小时间Δt(n34)，一旦到达高设定时间t_o(n36)，即切换为低设定流量Q_SL，再将该时间点作为t＝0(s)(n36)。在本实施例中，如前所述，高设定流量Q_SH＝100％，低设定流量Q_SL＝0％，高设定时间t_o＝1(s)。作为该高设定时间t_o，只要是能够使上游压力P₁达到稳定的时间，可任意选择。

之后，多次反复微小时间Δt(n37)，一旦时间到达低设定时间t₁(n38)，即检测上游压力P₁(t₁)(n39)。只要以最大压力P_m规格化的压力衰减数据P(t₁)＝P₁(t₁)/P_m偏离基准压力衰减数据Y(t₁)在误差m的范围内(n40)，即显示无堵塞，将报警信号AL关断(n42)。若在误差范围之外(n40)，便显示有堵塞，打开报警信号AL(n41)。

上述低设定时间t₁是对比时间，0.6(s)也好1.6(s)也好均可，只要选择对比易于进行的时间即可。此外，压力衰减数据P(t)使用的是将上游压力P₁(t)以最大压力P_m规格化后的数据，但不特意进行规格化也可以。不进行规格化的场合，基准压力衰减数据Y(t)也最好是使用未规格化的。此时，步骤n40的计算式将为|P₁(t₁)-Y(t₁)|/P_m＜n。即，进行规格化的场合下为P(t)＝P₁(t)/P_m，而不进行规格化的场合，只要P(t)＝P₁(t)即可。此外还有压力衰减数据P(t)的常数，重要的是，对于P(t)与Y(t)的常数，除了堵塞与否之外其余条件均应相同。

在本实施例中，误差m设定为0.2％F.S.，即m＝0.002。但是，该误差范围不过是给出了假定无堵塞的范围，因此，也可以设定为0.5％F.S.，即m＝0.005，相应于精度具有任意性。

另外，图5的实施例是以t＝t₁的一个点的数据对堵塞进行判断的，但也可以以多个时间点进行判断，还可以利用更多的点，以整个压力衰减曲线进行对比判断。

此外，在实际实施中，就t＝t₁～t＝t_n的4～5个点连续地进行如上所述的堵塞判断，以各点的初始基准值与测量值之差的数据的累加平均值进行最终的堵塞判断。

由示出压力衰减曲线的图4可知，相对于无堵塞时的细实线以虚线标出±0.2％F.S.的误差范围。凡其值在该虚线范围内时，即无堵塞。粗实线是规格化后的压力衰减数据，约1.6秒后的实测值在虚线范围之外，因此，显示有堵塞发生，报警器报警。

图6是图5实施例中的信号时序图。利用触发信号Tri的上升沿输入高设定流量Q_SH，在t₀秒后设定为低设定流量Q_SL之后，实测t₁秒后的压力衰减数据P(t)。若在误差范围之外，则报警信号AL接通。

在本发明中，基准压力衰减数据Y(t)与压力衰减数据P(t)是否规格化均可。

此外，本发明并不限于上述实施例，未超出本发明技术思想范围的各种变形例、设计变更等均包含在本发明技术思想的技术范围内。

堵塞检测方法的第2实施例

图7是第2实施例所涉及的堵塞检测方法的、为获得作为基础数据的基准压力衰减数据Y(t)的基准衰减模式的流程图，相当于上述

第1实施例的图3。

上述图3的第1实施例在获得基准压力衰减数据Y(t)时，完全未考虑孔板上游的流体温度T对压力衰减的影响。此外，上述图5所示堵塞检测模式中检测压力衰减数据P(t)时也是如此。

而实际检测堵塞时，获得基准压力衰减数据Y(t)时的流体温度T与进行堵塞检测时的流体温度T几乎不会相等，二者之间通常是存在温差的。

但是，以上述第1实施例所示方法进行堵塞检测的场合，若测定基准压力衰减数据Y(t)时的孔板上游流体温度与测定压力衰减数据P(t)时的孔板上游流体温度存在差异，将使堵塞检测精度变差。具体地说，经实验确认，当温差达到约10℃的程度时，堵塞面积的检测值将产生约3％的误差。

上述图7及后述图8所示的第2实施例，是为了防止孔板上游温度的变化导致堵塞检测精度降低而开发的，为了能够做到即使检测基准压力衰减数据Y(t)和压力衰减数据P(t)时孔板上游的流体温度存在差异，堵塞检测精度也不会降低，对上述基准压力衰减数据Y(t)和压力衰减数据P(t)，是利用所检测的流体温度和压力的值以流体流动理论公式计算求得的。

首先，就获取基准压力衰减数据Y(t)的方法进行说明。该基准压力衰减数据Y(t)示出图1的孔板2完全没有堵塞情况下的孔板上游的压力衰减状态。

参照图1和图7，根据来自外部电路44的触发信号，开始执行储存在存储装置M中的程序。

当确认是基准衰减模式时(n20a)，CPU将设定流量Q_S设置为高设定流量Q_SH(n21a)。该高设定流量Q_SH通常为满刻度的100％。以该状态检测上游压力P₁，该刻度下的最大值以最大压力P_m＝P_o表示(n22a)。当基于来自上述外部电路44的触发信号，将设定流量Q_S设置为高设定流量Q_SH时(n21a)，使该状态保持2秒钟，2秒之后将设定流量Q_S设置为低设定流量Q_SL将这个时间点作为时刻t＝0(n23a)。低设定流量Q_SL一般为0％。即，在上游压力P₁从最大值变为零(控制阀全闭)之后对上游压力P₁的衰减进行计量。

从t＝0开始起测量上游压力P₁＝P_t和上游温度T₁＝T_t(n43a)，将时刻、压力数据和温度数据(t、P_t、T_t)存入存储装置M(n43a)。进行该数据的测量时，使时刻仅以微小时间Δt移进(n26a)，一直测量到测量时间t_m为止(n27a)，并存入存储装置M。其中，作为测量时间t_m只要能够将数据存入即可，例如为5(s)、20(s)等。

另外，在实际进行具体检测时，将上述测量时间t_m设定成可在1s～10s的时间段内进行8级切换，并且，对于内径为150μm的孔板，在这段时间内测量50个点的上游压力P₁值和上游温度T₁。

并且，在进行上述上游压力P₁和上游温度T_S的同时，利用这些读取数据在CPU中进行基准压力衰减数据Y(t)＝Z_S(t)的计算(n45a)。计算出来的基准压力衰减数据Y(t)＝Z_S(t)存入存储装置M。

在本第2实施例中，作为上述基准压力衰减数据Y(t)＝Z_S(t)，上游压力P₁的降低是根据所谓的“流体理论公式”进行计算，“上游压力P₁下降的程度以对数形式进行表达的值Z_S(t)”在CPU中进行运算。

此外，本实施例中，作为上述“流体理论公式”使用下述①式。

LN \frac{P_{t}}{P_{o}} = - \frac{{SC}_{t} \sqrt{R_{t} T_{t}}}{V} t_{n} - - - - - - (1)

其中，P_o＝P_m是初始时(标准时)的上游压力，P_t是经过时间t后的上游压力，S是孔板2的断面面积，C_t是时间t时的气体热容比常数，R_t是时间t时的气体常数，T_t是时间t时的上游温度，V是FCS装置的内容积，t_n是自测量开始起所经过的时间(单位时间×第n个)。

此外，上述气体热容比的常数C是由下述式②获得的。

C = {(\frac{2}{k + 1})}^{1 / k - 1} - \sqrt{\frac{k}{k + 1}} - - - - - - - - (2)

其中，k是气体的热容比。

另外，上游压力P₀的压力下降程度之以对数形式表达的值Z_S(t)由下面的式③获得。

Z_{s} (t) = \frac{C_{o} \sqrt{R_{o} {\cdot T}_{o}}}{C_{t} \sqrt{R_{t} {\cdot T}_{t}}} \times LN \frac{P_{t}}{P_{o}}

= \frac{C_{o} \sqrt{R_{o} \cdot T_{o}}}{C_{t} \sqrt{R_{t} {\cdot T}_{t}}} \times - \frac{{SC}_{t} \sqrt{R_{t} T_{t}}}{V} t_{n} - - - - - - (3)

其中，C₀、R₀和T₀是初始时(标准时)的气体热容比常数、气体常数和上游温度，而C_t、R_t和T_t是测量开始后时间t那个时间点(第n个)的气体热容比常数、气体常数和上游温度。

CPU以上述式③对测量开始的t＝0之后的每一个时间t₁、t₂…t_n的基准压力衰减数据Y(t)＝Z_S(t)进行计算，并将计算结果顺序存入存储装置M。

下面，就对实际使用的孔板进行的堵塞检测进行说明。

图8是第2实施例的孔板检测模式的流程图。在设备实际运行时进行堵塞检测是困难的，因此，在生产过程结束后，当设定流量达到规定值(即设定流量值超过1V的任意值·阈值)时，以其减小方向作为触发信号而进入堵塞检测模式。

在本实施例中，当设定流量值成为1V时，触发信号输入中央运算处理装置CPU。根据该信号确认是堵塞检测模式(n30a)，自存储装置M向CPU送出基准压力衰减数据Y(t)(n31a)。作为该数据，既可以是对应于作为实际检测对象的实际气体的Y(t)＝Z_S(t)，也可以是对应于N₂的基准压力衰减数据Z_S(t)与对应于根据气体的种类所预先确定的流量因数FF的常数A的乘积。

其次，输入高设定流量Q_SH，以该时刻作为t＝0(s)进行时间的计量(n32a)，检测上游压力P₁，以其值作为最大压力P_m(n33)。多次反复微小时间Δt(n34a)，一旦到达高设定时间t_o(n35a)，切换为低设定流量Q_SL，再将该时刻作为t＝0(s)(n36a)。在本实施例中，如前所述，高设定流量Q_SH＝100％，低设定流量Q_SL＝0％，高设定时间t_o＝2(s)。作为该高设定时间t_o，只要是能够使上游压力P₁达到稳定的时间，可任意选择。

之后，多次反复微小时间Δt(n37a)，一旦时间达到低设定时间t₁(n38a)，即检测上游压力P_t1和上游温度T_t1(n39a)。根据需要将所检测到的上游压力P_t1和上游温度T_t1储存在存储装置M中，然后，在中央运算装置CPU中计算一次侧压力的压力下降程度之以对数形式表达的值(即，压力衰减数据P(t₁)＝Z(t₁))(n48)。

将计算出来的压力衰减数据P(t₁)＝Z(t₁)，与先前输入存储装置M的基准压力衰减数据Y(t₁)进行比较(n49)，只要|Y(t₁)-P(t₁)|在容许的误差范围m之外(n49)，则显示堵塞，报警信号AL接通(n41a)。

而若|Y(t₁)-P(t₁)|在容许的误差范围之内，则进行时间的加法运算(n＝50)，在第2单位时间t＝t₂重复进行检测、计算及对比，当达到t＝t_n时(n＝51)，最终显示为无堵塞并关断报誓信号AL(n42a)。

此外，在图8的第2实施例的堵塞检测模式中，在步骤n48进行压力衰减数据P(t₁)＝Z(t₁)的运算，根据该计算值在步骤n49判定是否堵塞，若无堵塞，在步骤51进行时间的加法运算，进行下一个上游压力P_t和温度T_t的检测。

但是，作为这种方式的替代方式，也可以是，在步骤n46在每一个单位时间内连续地检测上游压力P_t和温度T_t的同时，在步骤n48计算每一个单位时间的压力衰减数据P(t₁)，利用该计算值在每一个单位时间判定是否堵塞。

图9、图10和图11示出以本发明第2实施例进行孔板堵塞检测时的试验结果，示出孔板内径160μm、单位时间t(0.012sec)、基准温度25℃、温度变化+10°和-10°情况下的压力下降特性(图9)、Z(t)的计算结果(图10)以及基准时的计算值(25℃)Z_S(t)与堵塞检查时的计算值Z(t)之差(图11)。

由图9和图10可知，作为第2实施例，即使堵塞检查时的上游气体温度T(t)较基准时的温度(25℃)有±10℃的差异，压力下降特性(图8)和Z(t)的计算值与基准值温度(25℃)时几乎相同，上游气体温度的变化引起的误差大致完全得到了修正。

其结果，即使上游气体温度比起获得基准衰减数据时的气体温度有相当大的变化，也能够高精度且稳定地进行堵塞检测。

发明的效果

如以上所详细描述的，本发明是将孔板无堵塞时的基准压力衰减数据Y(t)和压力衰减数据P(t)进行比较，根据P(t)相对于Y(t)的偏离是否超出了既定程度来判断是否发生了堵塞。因此，可以不必拆解配管，以极其简单的操作判断是否堵塞，因此能够避免发生爆炸等非常事件并保证设备的稳定性。即，本发明能够提供低价格高可靠性的孔板堵塞检测方法及其装置，有助于使用孔板的压力式流量控制装置的广泛普及。

特别是，按照本发明第2实施例，即使堵塞检测时的上游气体温度T(t)比起获取基准压力衰减数据Y(t)时的上游气体温度有相当大的不同，也能够排除温度变化引起的误差而高精度地进行堵塞检测。

Claims

1.一种压力式流量控制装置的孔板堵塞检测方法，对于由控制阀(CV)、孔板(2)及对它们之间的上游压力P₁进行检测的压力检测器(14)及流量设定电路(32)构成的、上游压力P₁保持为下游压力P₂的约2倍以上而以Q_C＝KP₁(K：常数)进行下游流量Q_C的计算、利用该计算流量Q_C与设定流量Q_S二者的差信号Q_Y对控制阀(CV)的开闭进行控制的流量控制装置，由：使设定流量Q_S保持为高设定流量Q_SE的第1过程，将该高设定流量Q_SH切换并保持为低设定流量Q_SL而进行上游压力P₁的检测以获得压力衰减数据P(t)的第2过程，对以相同的条件在孔板无堵塞时所检测的基准压力衰减数据Y(t)和上述压力衰减数据P(t)进行比较的第3过程，以及当压力衰减数据P(t)偏离基准压力衰减数据Y(t)达到既定程度以上时报知有堵塞发生的第4过程构成。

2.如权利要求1的压力式流量控制装置的孔板堵塞检测方法，其特征是，上述高设定流量Q_SH为100％流量(满刻度流量)，低设定流量Q_SL是0％流量(将控制阀完全关闭)，当从切换为低设定流量起既定时间后的压力衰减数据P(t)偏离基准压力衰减数据Y(t)达到基准值以上时报知有堵塞发生。

3.如权利要求2的压力式流量控制装置的孔板堵塞检测方法，其特征是，基准压力衰减数据Y(t)及压力衰减数据P(t)以Y(t)＝exp(-kt)(其中，k是衰减参数)的形式表达。

4.如权利要求1的压力式流量控制装置的孔板堵塞检测方法，其特征是，在上述第2过程，将高设定流量Q_SH切换并保持为低设定流量Q_SL而进行上游压力P₁及上游温度T_t的检测并利用该检测值计算压力衰减数据P(t)，在上述第3过程，相同条件下对利用孔板无堵塞时所检测的上游压力P_t及上游温度T_t所计算出的基准压力衰减数据Y(t)与上述压力衰减数据P(t)进行比较。

5.如权利要求4的压力式流量控制装置的孔板堵塞检测方法，其特征是，上述高设定流量Q_SH为100％流量(满刻度流量)，低设定流量Q_SL是0％流量(将控制阀完全关闭)，当从切换为低设定流量起既定时间后的压力衰减数据P(t)偏离基准压力衰减数据Y(t)达到基准值以上时报知有堵塞发生。

6.如权利要求4或5的孔板堵塞检测方法，其特征是，基准压力衰减数据Y(t)及压力衰减数据P(t)以

(其中，P₀、C₀、R₀和T₀是基准时的气体的上游压力、气体热容比常数、气体常数和气体温度，P_t、C_t、R_t和T_t是到达时的气体的上游压力、气体热容比常数、气体常数和气体温度)进行计算。

7.一种压力式流量控制装置的孔板堵塞检测装置，在由控制阀(CV)、孔板(2)、对此二者之间的上游压力P₁进行检测的压力检测器(14)及流量设定电路(32)构成的、上游压力P₁保持为下游压力P₂的约2倍以上而以Q_C＝KP₁(K：常数)进行下游流量Q_C的计算、利用该计算流量Q_C与设定流量Q_S二者的差信号Q_Y对控制阀(CV)的开闭进行控制的流量控制装置中，由：储存有孔板(2)无堵塞的条件下从高设定流量Q_SH切换为低设定流量Q_SL而测定的上游压力P₁的基准压力衰减数据Y(t)的存储装置M，在孔板(2)的实际条件下从高设定流量Q_SH切换为低设定流量Q_SL而对上游压力P₁的压力衰减数据P(t)进行检测的上述压力检测器(14)，对压力衰减数据P(t)和基准压力衰减数据Y(t)二者进行比较运算的中央运算处理装置CPU，以及当压力衰减数据P(t)偏离基准压力衰减数据Y(t)达到既定程度以上时报知有堵塞发生的报警电路(46)构成。

8.如权利要求7的孔板堵塞检测装置，其特征是，基准压力衰减数据Y(t)及压力衰减数据P(t)以Y(t)(或者P(t))＝exp(-kt)(其中k是衰减参数)的形式表达。

9.如权利要求7所述的压力式流量控制装置的孔板堵塞检测装置，其特征是，还包括检测孔板上游温度T的温度检测器(24)，上述压力检测器(14)检测孔板上游压力P，上述存储装置M储存有利用在孔板(2)无堵塞的条件下从高设定流量Q_SH切换为低设定流量Q_SL而测定的上游压力P_t和上游温度T_t所计算出来的上游压力P₁的基准压力衰减数据Y(t)，上述中央运算处理装置CPU进行上述基准压力衰减数据Y(t)的计算、并利用在孔板(2)的实际条件下从高设定流量Q_SH切换为低设定流量Q_SL而测定的上游压力P_t及上游温度T_t进行上游压力P₁的压力衰减数据P(t)的计算、进而对该压力衰减数据P(t)和上述基准压力衰减数据Y(t)二者进行比较运算。

10.如权利要求9的孔板堵塞检测装置，其特征是，基准压力衰减数据Y(t)及压力衰减数据P(t)以

(其中，P0、C0、R0和T0是基准时的气体的上游压力、气体热容比常数、气体常数和气体温度，Pt、Ct、Rt和Tt是到达时的气体的上游压力、气体热容比常数、气体常数和气体温度)进行计算。