CN113544620A - 流量控制装置、流量控制方法、流量控制装置的控制程序 - Google Patents
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Abstract
得到响应精度高的流量控制装置。流量控制装置(1)具备：流量传感器(102)，其测量流体的流量；以及控制部(104)，其调整流量以使流体的流量成为流量设定值，控制部具备：控制阀(105)，其使流量变化；驱动电路(41)，其驱动控制阀；传感器灵敏度调整电路(43)，其对流量传感器的测量值的频率特性进行修正；以及第一滤波器(44)，其使传感器灵敏度调整电路的输出的、规定的频带衰减，流量控制装置(1)构成有包括驱动电路、流量传感器、传感器灵敏度调整电路以及第一滤波器的反馈回路，流量设定值与第一滤波器的输出值的偏差被输入至驱动电路。
Description
技术领域
本发明涉及流量控制装置、流量控制方法以及流量控制装置的控制程序。
背景技术
已知通过基于由流量传感器测量出的流量来调整控制阀，从而将向下游流出的流体的流量调整为设定值的流量控制装置以及质量流量控制器(以下，也称为“MFC”)。
在专利文献1中公开了一种流体的流量控制方法，在包括与具有入口侧和出口侧的流体流路结合的流量传感器在内的流量控制装置中，流量传感器适合于提供表示通过流路的感知到的流体流动的传感器输出信号，包括测量流路的至少1个压力和基于测量至少1个压力来调整传感器输出信号的步骤。
在专利文献2中公开了一种流量控制装置，其预先在控制部存储与多个流量设定值和多个流体压力值对应的控制常数，并基于流量设定值和压力传感器的检测值而选择控制常数来进行流量控制。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2005-534110号公报
专利文献2：日本特开2011-090405号公报
发明内容
(发明要解决的课题)
在MFC中，为了实现响应速度快的反馈控制，能够赋予控制的输入的传感器的响应特性是重要的因素之一。传感器在热式MFC中例如是热式流量传感器。但是，热式MFC的响应特性在实际测量方面比根据热式流量传感器的响应特性预测的理论值低，只能得到时间常数为10秒左右的慢的响应。这是因为，在流路中流动的气体等流体的热的输送速度相对于传感器管、发热电阻体的热容量小。
专利文献1及2所记载的流量控制装置均公开了压力式MFC。任一个装置均不会在MFC中实现快的响应速度的反馈控制。
因此，本发明的目的之一在于得到响应精度高的流量控制装置。
(用于解决课题的技术方案)
为了实现上述目的，本发明的一个观点所涉及的流量控制装置具备：流量传感器，其测量流体的流量；以及控制部，其调整流量以使所述流体的流量成为流量设定值，所述控制部具备：控制阀，其使所述流量变化；驱动电路，其驱动所述控制阀；传感器灵敏度调整电路，其修正所述流量传感器的测量值的频率特性；以及第一滤波器，其使所述传感器灵敏度调整电路的输出的规定的频带衰减，所述流量控制装置构成有反馈回路，所述反馈回路至少包括所述驱动电路、所述流量传感器、所述传感器灵敏度调整电路以及所述第一滤波器，所述流量设定值与所述第一滤波器的输出值的偏差被输入至所述驱动电路。
还可以是所述控制部在所述反馈回路之外还具备第二滤波器，所述第二滤波器使所述传感器灵敏度调整电路的输出中规定的频带放大，不使与所述频带不同的频率的增益变化。
还可以是所述传感器灵敏度调整电路和所述第一滤波器是处理模拟信号的模拟滤波器。
还可以是所述流量传感器是热式流量传感器。
为了实现上述目的，本发明的另一观点所涉及的流量控制方法使用流量控制装置，该流量控制装置具备：流量传感器，其测量流体的流量；控制部，其调整流量以使所述流体的流量成为流量设定值；以及控制阀，其使所述流量变化，所述流量控制方法包括：驱动所述控制阀的驱动步骤；测量所述流量的测量步骤；对所述流量传感器的测量值的频率特性进行修正的传感器灵敏度调整步骤；以及使所述传感器灵敏度调整步骤的输出的、规定的频带衰减的衰减步骤，在所述流量控制方法中构成有反馈回路，该反馈回路至少包含所述驱动步骤、所述测量步骤、所述传感器灵敏度调整步骤以及所述衰减步骤，所述流量设定值与所述衰减步骤的获取值的偏差成为所述驱动步骤的输入。
为了实现上述目的，本发明的另一观点所涉及的流量控制装置的控制程序是流量控制装置的控制程序，该流量控制装置具备：所述流量控制装置具备：流量传感器，其测量流体的流量；控制部，其调整流量以使所述流体的流量成为流量设定值；以及控制阀，其使所述流量变化，所述流量控制装置的控制程序使计算机执行：驱动所述控制阀的驱动指令；
测量所述流量的测量指令；对所述流量传感器的测量值的频率特性进行修正的传感器灵敏度调整指令；以及使所述传感器灵敏度调整指令的输出的、规定的频带衰减的衰减指令，在所述控制程序中构成有反馈回路，该反馈回路至少包括所述驱动指令、所述测量指令、所述传感器灵敏度调整指令以及所述衰减指令，所述流量设定值与所述衰减指令的获取值的偏差成为所述驱动指令的输入。
另外，计算机程序能够通过经由互联网等网络的下载来提供，或者记录在CD-ROM等计算机可读取的各种记录介质中来提供。
(发明效果)
根据本发明，能够得到响应精度高的流量控制装置。
附图说明
图1是表示本发明涉及的流量控制装置的实施方式的整体概略图。
图2是上述流量控制装置的控制框图。
图3是上述流量控制装置所具有的第一滤波器、第二滤波器以及传感器灵敏度调整电路的波特图的例子。
图4是相关技术的流量控制装置所具有的控制框图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的流量控制装置及其控制方法以及控制程序的实施方式进行说明。
●流量控制装置的概要
如图1所示，流量控制装置1具备阀体101、流量传感器102、转换部103、控制部104以及控制阀105。流量控制装置1是也被称为质量流量控制器(也称为“MFC”)的装置。
阀体101是划定上游流路101a和下游流路101b的大致筒状的部件。上游流路101a的上游侧及下游流路101b的下游侧分别与控制对象的流体流动的管、流路块连接。
上游流路101a是从上游侧流入流体的流路。上游流路101a在中途分支为通过流量传感器102的流路和旁通流路101c后合流，向控制阀105流出。控制阀105具有隔膜110和与隔膜110对置的阀座112。隔膜110与阀座112之间的空间成为将上游流路101a与下游流路101b之间连通的空间。通过利用致动器111使隔膜110变形，隔膜110相对于阀座112进行开闭，由此能够调整流体的流量。在图1中省略了促动器111的内部构造的图示，但控制阀105例如是使用促动器111内部的压电元件(压电驱动器)开闭金属制膜片的压电元件驱动型控制阀。
下游流路101b构成为从上游侧流入被控制阀105流量控制的流体，并向流量控制装置1的下游侧流出。
旁通流路101c是具有层流元件的流路，该层流元件采用在流体成为层流的程度上细的流路成为多个并列的结构。在本实施例中，通过将利用蚀刻加工而挖出了槽的板(旁路片)层叠多张来构成层流元件。
流量传感器102是对在传感器管102a中流动的流体的流量进行测量的传感器。流量传感器102例如在传感器管102a的上游和下游具有发热电阻体102b、102c，基于发热电阻体102b、102c的温度的不同，将在传感器管102a中流动的流体的流量转换为电压。由于在旁通流路101c中流动的流量和在传感器管102a中流动的流量的比例是已知的，所以通过测量在传感器管102a中流动的流量，而能够计算上游流路101a的流量。流量传感器102在流量增加时输出值饱和，因此能够测量的流量的范围有限，但通过调整旁通流路101c，而能够调节上游流路101a的流量、即能够调节作为流量控制装置1可测量的流量的范围。
转换部103是将流量设定值转换为能够与流量传感器102的输出值进行比较的状态之后，与流量传感器102的输出值一起向控制部104输出的功能部。转换部103也可以对流量传感器102的输出值进行整流以及放大，或者为了除去噪声而对输出值进行低通滤波。转换部103在对流量设定值修正因与流体的种类对应的差异、以及流量控制装置1的个体差等而产生的测量误差的基础上，作为传感器输出目标值输出到控制部104。
控制部104是对流量传感器102的输出值与传感器输出目标值进行比较，并基于比较的结果来控制控制阀105的功能部。
控制部104通过进行反馈控制，来控制控制阀105的开度，以使从下游流路101b排出的流量成为流量设定值。控制部104内置有CPU、存储器M、A/D转换器等。控制部104可以包含构成为执行后述的动作的计算机程序，能够通过硬件以及软件的组合来实现。
●相关技术的流量控制装置的控制框图
如图4所示，关联技术的流量控制装置具有驱动电路141、流量传感器102以及传感器灵敏度调整电路143作为控制块。
驱动电路141是向控制阀105施加驱动电流的电路。驱动电路141基于输入的流量设定值来使控制阀105开闭，并使实际流量Q变化。实际流量Q是在流量控制装置1中物理地流动的流体的流量。
流量传感器102测量实际流量Q，并将与实际流量Q对应的电压值输入到传感器灵敏度调整电路143。
传感器灵敏度调整电路143是修正流量传感器102的测量值的频率特性的电路。传感器灵敏度调整电路143例如是在规定频带具有较大的增益、直流中的增益为0dB的频带放大滤波器。
驱动电路141、流量传感器102以及传感器灵敏度调整电路143以该顺序连接，形成反馈回路。流量设定值与传感器灵敏度调整电路143的输出值的偏差被输入到驱动电路141。驱动电路141基于流量设定值与传感器灵敏度调整电路143的输出值的偏差，来驱动控制阀105。另外，传感器灵敏度调整电路143的输出被输入到未图示的显示部，显示为表示当前流量的流量显示值。
相关技术的流量控制装置中的响应速度保证值例如为1秒左右。
●流量控制装置1的控制框图以及各滤波器的频率特性
如图2所示，流量控制装置1具有驱动电路41、流量传感器102、传感器灵敏度调整电路43、第一滤波器44以及第二滤波器45作为控制块。驱动电路41、流量传感器102、传感器灵敏度调整电路43以及第一滤波器44构成以流量设定值为输入、以实际流量Q为输出的反馈回路。流量设定值与第一滤波器44的输出值的偏差被输入到驱动电路41。
驱动电路41是向控制阀105施加驱动电流的电路。驱动电路41基于输入的流量设定值而使控制阀105开闭，并使实际流量Q变化。实际流量Q是在流量控制装置1中物理地流动的流体的流量。
流量传感器102测量实际流量Q，并将与实际流量Q对应的电压值输入到传感器灵敏度调整电路43。
传感器灵敏度调整电路43是修正流量传感器102的测量值的频率特性的电路。在热式流量传感器102中，在流路中流动的气体等流体所形成的热的输送速度相对于传感器管102a、发热电阻体的热容量小的情况下，流体的热的输送速度变得比理论值低，测量值变宽。即，流量传感器102的测量值成为对实际流量Q施加了强力的低通滤波(以下，也称为“LPF”)的值。因此，如图3所示，传感器灵敏度调整电路43是以消除由该流量传感器102引起的LPF的衰减的方式在LPF的截止频率上具有增益的频带放大滤波器。另外，传感器灵敏度调整电路43还可以具有与放大的频带相比使高频侧衰减的低通/高截滤波器的性质。
图2所示的第一滤波器44是输入传感器灵敏度调整电路43的输出的频率滤波器。如图3所示，第一滤波器44使传感器灵敏度调整电路43的输出的、规定的频带衰减。第一滤波器44不使与衰减的频带不同的频率的增益变化。即，该频带以外的频带的增益大致为1。第一滤波器44中的衰减频带的中心频率比传感器灵敏度调整电路43中的通带的中心频率高。
第一滤波器44使规定的频带衰减，使低频带的信号通过，因此表示在信号单调地变化的状况下延迟地输出所输入的信号的行为。因此，在该反馈回路中，获取比实际流量Q延迟的信号与流量设定值的偏差。在考虑实际流量Q相对于流量设定值逐渐接近的过渡响应时，该延迟的信号与实际流量Q相比，与流量设定值的偏差变大，因此与不经由第一滤波器44的情况相比，能够增大控制阀105的驱动。因此，能够加快反馈控制，能够使响应速度高速化。流量控制装置1的响应速度例如为0.5秒左右，与没有第一滤波器44的关联技术的流量控制装置相比，能够实现2倍左右的响应速度。根据该结构，特别是对于流量设定值被较大地变更时的过渡响应，也能够高速地进行响应。
第二滤波器45是输入传感器灵敏度调整电路43的输出的频率滤波器，配置在反馈回路之外。第二滤波器45的输出被输入到未图示的显示部。显示部显示基于第二滤波器45的输出而算出的当前的流量来作为流量显示值。另外，显示部既可以是流量控制装置1具有的结构，也可以设置于与流量控制装置1连接的外部设备。
如图3所示，第二滤波器45使传感器灵敏度调整电路143的输出中的规定的频带放大，不使与所述频带不同的频率的增益变化。第一滤波器44和第二滤波器45的中心频率基本相同。
第二滤波器45对规定频带的频率进行放大，因此在时域中强调信号的变化，在输入值单调地变化的状况下，由于值相对于其变化的方向受到修正，所以也能够表现为从该滤波器通过而信号被加速。根据基于第二滤波器45的输出值来计算流量显示值的结构，通过使传感器灵敏度调整电路43的输出信号加速，能够将更准确地反映实际流量Q的值显示为流量显示值。
传感器灵敏度调整电路43、第一滤波器44以及第二滤波器45也可以是对模拟信号进行处理的模拟滤波器。根据本结构，与例如由微型计算机等数字电路构成的情况相比，能够廉价地构成，能够以较小的消耗电力高速地进行处理。
传感器灵敏度调整电路43和第二滤波器45都是使规定频带放大的BPF。在此，若通过1个电路实现对传感器灵敏度调整电路43和第二滤波器45的特性进行合成而得到的频率特性，则频率特性变得陡峭，有可能产生噪声。根据将流量传感器102的输出值经由传感器灵敏度调整电路43以及第二滤波器45后再用于流量显示值的计算的结构，能够确保SN比。
第一滤波器44以及第二滤波器45是以增益的正负不同的意思，具有相互相反的频率特性的滤波器。另外，传感器灵敏度调整电路43以及第一滤波器44的中心频率也不同，但具有彼此大致相反的频率特性。若将具有彼此相反的频率特性的滤波器设为相同的信号，则会使被放大一次的信号衰减，因此在保持SN比的方面不优选。根据使来自传感器灵敏度调整电路43的输出分支并将第一滤波器44以及第二滤波器45配置在各自的路径上的结构，能够将具有相反的频率特性的滤波器的使用限制在最小限度，确保SN比。
另外，根据将传感器灵敏度调整电路43、第一滤波器44以及第二滤波器45设为单独的控制块的结构，即使在由模拟电路构成传感器灵敏度调整电路43、第一滤波器44以及第二滤波器45的情况下，也能够以施加于各模拟元件的电压范围来控制信号。
这样，根据本发明的流量控制装置，能够得到响应精度高的流量控制装置。
另外，根据本发明的流量控制装置，通过基于第二滤波器的输出值来计算流量显示值，能够将更准确地反映实际流量的值显示为流量显示值。
进而，根据本发明的流量控制装置，通过由模拟滤波器构成各频率滤波器，与例如由微型计算机等数字电路构成的情况相比，能够廉价地构成，能够以较小的消耗电力高速地进行处理。
而且，根据本发明的流量控制装置，即使在流量传感器为热式流量传感器的情况下，也能够实现高响应精度。
1流量控制装置
41驱动电路
43传感器灵敏度调整电路
44第一滤波器
45第二滤波器
102流量传感器
104控制部
105控制阀。
Claims (6)
1.一种流量控制装置，其特征在于，具备：
流量传感器，其测量流体的流量；以及
控制部，其调整流量以使所述流体的流量成为流量设定值，
所述控制部具备：
控制阀，其使所述流量变化；
驱动电路，其驱动所述控制阀；
传感器灵敏度调整电路，其修正所述流量传感器的测量值的频率特性；以及
第一滤波器，其使所述传感器灵敏度调整电路的输出的、规定的频带衰减，
在所述流量控制装置中构成有反馈回路，所述反馈回路包括所述驱动电路、所述流量传感器、所述传感器灵敏度调整电路以及所述第一滤波器，
所述流量设定值与所述第一滤波器的输出值的偏差被输入至所述驱动电路。
2.根据权利要求1所述的流量控制装置，其中，
所述控制部在所述反馈回路之外还具备第二滤波器，所述第二滤波器使所述传感器灵敏度调整电路的输出中规定的频带放大，不使与所述频带不同的频率的增益变化。
3.根据权利要求1或2所述的流量控制装置，其中，
所述传感器灵敏度调整电路和所述第一滤波器是处理模拟信号的模拟滤波器。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的流量控制装置，其中，
所述流量传感器是热式流量传感器。
5.一种流量控制方法，其是使用流量控制装置的流量控制方法，
所述流量控制装置具备：
流量传感器，其测量流体的流量；
控制部，其调整流量以使所述流体的流量成为流量设定值；以及
控制阀，其使所述流量变化，
所述流量控制方法的特征在于，包括：
驱动所述控制阀的驱动步骤；
测量所述流量的测量步骤；
对所述流量传感器的测量值的频率特性进行修正的传感器灵敏度调整步骤；以及
使所述传感器灵敏度调整步骤的输出的、规定的频带衰减的衰减步骤，
在所述流量控制方法中构成有反馈回路，所述反馈回路包括所述驱动步骤、所述测量步骤、所述传感器灵敏度调整步骤以及所述衰减步骤，
所述流量设定值与所述衰减步骤的获取值的偏差成为所述驱动步骤的输入。
6.一种流量控制装置的控制程序，其中，
所述流量控制装置具备：
流量传感器，其测量流体的流量；
控制部，其调整流量以使所述流体的流量成为流量设定值；以及
控制阀，其使所述流量变化，
所述控制程序的特征在于，使计算机执行：
驱动所述控制阀的驱动指令；
测量所述流量的测量指令；
对所述流量传感器的测量值的频率特性进行修正的传感器灵敏度调整指令；以及
使所述传感器灵敏度调整指令的输出的、规定的频带衰减的衰减指令，
在所述控制程序中构成有反馈回路，所述反馈回路包括所述驱动指令、所述测量指令、所述传感器灵敏度调整指令以及所述衰减指令，
所述流量设定值与所述衰减指令的获取值的偏差成为所述驱动指令的输入。
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