CN1282848C - 压力式流量控制装置的流量异常检知方法 - Google Patents

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Abstract

一种压力式流量控制装置的流量异常检知方法，该装置由控制阀(CV)、节流孔(2)、检测控制阀(CV)与节流孔(2)之间的上游侧压力P1的压力检测器(14)、流量设定回路(32)构成，所述方法包括以下步骤：在将上游测压力P1保持为下游侧压力P2的约2倍以上的状态下，根据QC＝KP1(K为常数)计算下游侧流量QC，根据该计算流量QC与设定流量QS之差信号Qy对控制阀(CV)进行开闭控制的，由流量设定回路(32)向控制阀(CV)输出具有检定振幅V0的检定用信号ΔQS，测定应答该控制阀(CV)的开闭而产生的上游侧压力P1的脉动压力ΔP1的压力振幅V，当该压力振幅V小于极限振幅Vt时，报知节流孔堵塞。

Description

压力式流量控制装置的流量异常检知方法
技术领域
本发明涉及半导体、化学品、药品与精密机械零件等的制造中所用的气体那样的各种流体的压力式流量控制装置，更详细地讲，是涉及在压力式流量控制装置的节流孔中产生堵塞时检知由于其堵塞而产生的流量异常的方法。
背景技术
以往，在半导体制造设备与化学药品制造设备的流体供给装置中，特别是在需要高精度的流量控制的情况下，在流量控制用途中，其大部分一直使用质量流量控制装置。
但是，在质量流量控制装置中存在下述各种缺点：①在热式流量传感器的情况下，应答速度比较慢；②在低流量区域的控制精度差，而且每一制品的精度有误差；③在动作中故障多，稳定性差；④制品价格高而且更换件价格也高，固而运转费高等。
因此，本发明人等为改进这些缺点进行了努力研究，结果开发出特开平8-338546号公报所示的利用节流孔的压力式流量控制装置。
该压力式流量控制装置的特征在于如下之点。即节流孔前后的气体的压力比P2/P1(P1为上游侧压力，P2为下游侧压力)在气体的临界压力比(在空气与氮等情况下约为0.5)以下时，通过节流孔的气体的流速成为音速，节流孔下游侧的压力变动不能传递到上游侧，能获得与节流孔上游侧状态相应的稳定的质量流量。
因此，在节流孔径一定的情况下，将上游侧压力P1设定成下游侧压力P2的约2倍以上时，则流过节流孔的下游侧流量QC只依赖于上游侧压力P1，QC＝KP1(K为常数)这一直线关系高精确度地成立。而且，如节流孔径相同，则上述常数K也一定。
该压力式流量控制装置的优点在于：只是检测上游侧压力P1即能高精确度地控制下游侧流量。
但是，由于使用节流孔，存在其微小孔堵塞的弱点。节流孔是微米级的节流孔，有时该节流孔也被尘埃等堵塞，流量控制即不可能。
进行流量控制的管路内部必须高度的净化，但在安设管路时的切屑、尘埃等有残留的可能性。在节流孔发生堵塞的情况下，由于不能进行流量控制，全套设备变得不稳定，会产生大量的不合格品。
另外，根据气体流体的种类，还有化学反应失控而引起爆炸事故的危险。为防止这一点，还考虑过在管路内设置密封过滤器，但有影响管路内的传导的缺点。
因此，本发明人等提出节流孔堵塞检测方法，当节流孔发生堵塞到一定程度以上时，会报知堵塞(特愿平10-236653号)。
上述申请的发明如图8所示，其构成包括：将设定流量QS保持在高设定流量QSH(通常100％)的第1工序；将此高设定流量QSH转换成低设定流量QSL(通常0％)，通过测定上游压力P1，获得压力衰减数据P(t)的第2工序；在同一条件下将节流孔未堵塞时所测得的基准压力衰减数据Y(t)与前述压力衰减数据P(t)进行对比的第3工序；当压力衰减数据P(t)由基准压力衰减数据Y(t)偏离规定值以上时，报知堵塞的第4工序。就是说，是P(t)不进入具有一定幅度的Y(t)的范围之内时报知堵塞的系统。
上述方法的优点是能使节流孔的堵塞检知自动化，但也有如下的弱点。
第1，在从遮断流量控制模式之后进入流量异常检知模式(堵塞检知模式)起，在该流量异常检知模式期间不能进行流量控制。
另外，作为低设定流量QSL，例如使用0％流量，因而需要排气时间，在判定上所要的时间变长。因此，流量异常检知一般是在流量控制终了的最终阶段进行，因而存在的缺点是在实际的流量控制中不能确认是否有由于堵塞引起的异常。
发明内容
本发明是为改进上述的缺点而完成的，本发明提供一种压力式流量控制装置的流量异常检知方法，该装置由控制阀CV、节流孔、检测控制阀CV与节流孔之间的上游侧压力P1的压力检测器、流量设定回路构成，所述方法包括以下步骤：在将上游测压力P1保持为下游侧压力P2的约2倍以上的状态下，根据QC＝KP1(K为常数)计算下游侧流量QC，根据该计算流量QC与设定流量QS之差信号Qy对控制阀CV进行开闭控制的，由流量设定回路向控制阀CV输出具有检定振幅V0的检定用信号ΔQS，测定应答该控制阀CV的开闭而产生的上游侧压力P1的脉动压力ΔP1的压力振幅V，当该压力振幅V小于极限振幅Vt时，报知节流孔堵塞。
还提出将前述检定用信号ΔQS叠加在表示正常设定流量QS0的信号上向控制阀CV输出的流量异常检知方法。
还提出向控制阀CV输出的检定用信号ΔQS是正弦波信号的流量异常检知方法。
还提出向控制阀CV输出的检定用信号ΔQs是脉冲信号的流量异常检知方法。
附图说明
图1是本发明的第1压力式流量控制装置FCS的构成图。
图2是表示在节流孔中无堵塞情况下的设定流量信号QS与上游侧压力P1的信号波形。
图3是表示在节流孔中有堵塞情况下的设定流量信号QS与上游侧压力P1的信号波形。
图4是本发明的信号波形的概念构成图。
图5是本发明的第2压力式流量控制装置FCS的构成图。
图6是根据节流孔的堵塞检知流量异常的程序方框图。
图7是检定用信号为脉冲信号情况下的概念构成图。
图8是本发明人等以往采用的流量异常检知模式的信号波形图。
具体实施方式
下面，按照附图说明本发明的实施形态。
本发明涉及压力式流量控制装置的流量异常检知方法，前述压力式流量控制装置动作的前提条件与特开平8-338546号公报相同。即在将上游侧压力P1设定成下游侧压力P2的约2倍以上的情况下，节流孔下游侧流量QC只依赖于上游侧压力P1，QC＝KP1这一线性条件高精确度地成立。在气体种类与节流孔相同的情况下，比例常数K为一定。另外，在气体种类一定之下，使用节流孔径不同的节流孔时，改变常数K即可。
因此，欲将特定的流体控制成一定的流量QS时，对控制阀CV进行开闭控制，使上游侧压力P1成为P1＝QS/K之值即可。即一面经常测定上游侧压力P1，一面按一对一的对应关系将控制阀CV开闭即可。
第1实施形态
图1是应用本发明的第1压力式流量控制装置的构成图。
在图1中，节流孔2的上游侧流路4与由驱动部8开闭的控制阀CV连接。另外，下游侧流路6通过气体取出用连接器12与流体反应装置(未予图示)连结。
节流孔上游侧压力P1由压力检测器14检测，通过放大回路16显示在压力显示器22上。另外，其输出通过A/D变换器18数字化，节流孔下游侧流量Q由中央运算处理装置CPU根据Q＝KP1(K为常数)算出。
另一方面，由温度检测器24检测出的上游侧温度T1通过放大回路26、A/D变换器28输入给CPU，对前述流量Q进行温度修正，计算出运算流量QC。
由流量设定回路32通过A/D变换器34输出设定流量信号QS，发送给CPU。在CPU中，计算流量QC的信号与设定流量信号QS的差QY根据QY＝QC-QS算出，该差信号QY通过放大回路40输出给驱动部8。该驱动部8是朝向差信号QY变为零的方向对控制阀CV进行开闭控制，控制成为下游侧的流量等于设定流量QS的装置。
作为本发明的特征的检测回路31是后述的检定用信号的发生回路，由CPU控制，通过放大回路33开闭操作驱动部8。
由该检定回路31与放大回路33构成堵塞检测回路35。
此外，M是数据存储用与程序存储用的存储装置，42是与外部的通信通道PT，44是触发回路等外部回路，46是堵塞时的报警回路，48是电源回路SC，50是±15V的外部电源。AMP是放大回路，A/D表示A/D变换器。
作为控制阀CV是使用所谓直接接触式金属隔膜阀，而且在其驱动部8中使用了压电元件式驱动装置。再者，关于控制阀CV的驱动部8，除此之外使用了磁致伸缩元件式驱动装置、电磁式驱动装置、电动式驱动装置、气压式驱动装置与热膨胀式驱动装置。
压力检测器14使用了半导体应变式压力传感器，此外还可使用金属箔应变式压力传感器、静电电容式压力传感器与磁阻式压力传感器。
温度检测器24使用了热电偶式温度传感器，也可使用测温电阻式温度传感器等众所周知的各种温度传感器。
另外，节流孔2使用了在板状的金属薄板制垫片上通过切削加工设置孔部而形成的节流孔，此外，也可使用极细导管或通过腐蚀与电火花加工在金属膜上形成孔所获得的节流孔等众所周知的节流孔。
将使用节流孔的上述压力式流量控制装置称为FCS。本发明人等使用该FCS详细地研究了节流孔发生堵塞时的流量异常。
在检测流量异常所用的堵塞检测回路35不动作的状态下，由流量设定回路32输出正常设定流量信号QS0，由驱动部8将控制阀CV控制成一定开度，因而将上游侧压力P1设定成正常压力P10。
欲由此状态检测堵塞时，由外部回路44将堵塞检测开始信号输入到CPU内，将其作为触发信号，使CPU中断向放大回路40输出控制信号。CPU立即向检定回路31输出信号，由正常设定流量信号QS0与检定用信号ΔQS构成的设定流量信号QS(t)作为QS(t)＝QS0+ΔQS由检定回路31输出。
该信号通过放大回路33控制驱动部8，对控制阀CV进行开闭控制。就是说，FCS不发挥功能，而由检定回路31一面将通过节流孔的流量保持成正常设定流量QS0，一面按照检定用信号ΔQS检验节流孔的堵塞。本发明的堵塞检测在短时间内结束，因而此期间的流量控制是由正常设定流量信号QS0来保证。在未堵塞的情况下，立即回到FCS控制模式，堵塞检测不会对流量控制产生影响。
图2表示在节流孔中无堵塞情况下的设定流量信号QS(t)与上游侧压力P1(t)的信号波形。如上所述，由检定回路31输出的设定流量信号QS(t)可根据正常设定流量信号QS0与检定用信号ΔQS由QS(t)＝QS0+ΔQS给出。
正常设定流量信号QS0是2.5[V]的直流电压，检定用信号ΔQS是振幅为0.5[V]、频率为0.2[Hz]的正弦波信号。即可用伏单位由QS＝2.5+0.5sin(ωt)给出。所用的气体是N2气体，气温为21℃。在此，作为无堵塞的节流孔进行试验，其孔径是68[μm]，正常设定流量QS0的具体值为69.2[SCCM]。
这时，上游测压力P1(t)也是正常压力P10与脉动压力ΔP1的合成，即作为P1(t)＝P10+ΔP1而给出。正常压力P10是控制成正常值的成分，脉动压力ΔP1是对应于检定用信号ΔQS的应答波形。脉动压力ΔP1是走形的正弦波，如将其近似为正弦波信号时，P10＝250[mV]，ΔP1＝200sin(ωt)[mV]，以毫伏单位由P1＝250+200sin(ωt)给出。
图3是在节流孔有堵塞情况下的设定流量信号QS(t)与上游侧压力P1(t)的信号波形。所使用的节流孔的孔径为62[μm]，相对于图2的情形而言，假定约有10％的堵塞。给出与图2相同的设定流量信号QS(t)＝2.5+0.5sin(ωt)时，上游侧压力P1(t)出现明显的差异。就是说，以毫伏单位，成为P1＝70+90sin(ωt)。实际的正常设定流量为57.2[SCCM]。
将图2与图3进行比较时，正常压力P10由250[mV]变化为70[mV]，脉动压力ΔP1由200sin(ωt)向90sin(ωt)变化。由于在节流孔中有堵塞，正常压力P10多少发生变化是理所当然的。
另外，脉动压力P1(t)比检定用信号ΔQS在相位上滞后是由于应答缓慢所致。但是，在本发明中，此滞后τ不成问题。上述脉动压力ΔP1是以振幅求得，但也可由VPP，即峰·谷·峰值求出。
本发明人等着眼于节流孔堵塞会对脉动压力ΔP1给予大的变化。就是说，作为检定用信号，给予相同的ΔQS＝0.5sin(ωt)[V]时，如果以Vsin(ωt)表示脉动压力ΔP1，则有压力振幅V由±200[mV]向±90[mV]急减的事实。根据该事实，能通过脉动压力的压力振幅V的减小检测出节流孔的堵塞，并能利用报警信号向外部报知。
图4是概括上述事项的本发明的信号波形的概念构成图。正在以正常设定流量信号QS0进行流量控制时，由于检测出节流孔堵塞，中断由FCS进行的流量控制。立即由检定回路将检定用信号ΔQS＝V0sin(ωt)与QS0叠加而输出。
这时，测定作为应答信号的上游侧压力P1(t)。上游侧压力P1(t)是由正常压力P10与脉动压力ΔP1＝Vsin(ωt)构成。计算流量QC是作为QC＝KP10由正常压力P10算出。另一方面，当脉动压力ΔP1的压力振幅V小于极限振幅Vt时，作为在节流孔中有堵塞而由CPU向报警回路46输出报警信号。
在节流孔中无堵塞时，脉动压力ΔP1是以ΔP1＝VP0sin(ωt)表示。因此，对于在Vt＜V≤VP0范围内的压力振幅V来说，可判断为无堵塞；在V≤Vt的范围时，作为有堵塞而输出报警信号。
在极限振幅Vt的决定方法上多少存在任意性。既要依赖于检定用信号ΔQS＝V0sin(ωt)的检定振幅V0，也要依赖于节流孔的堵塞程度。因此，在一定的检定用信号ΔQS＝Vsin(ωt)的情况下，是根据堵塞的经验值来决定极限振幅Vt。
第2实施形态
图5是不设置堵塞检测回路进行堵塞检测的压力式流量控制装置的构成图。对于流量控制模式来说，是由流量设定回路32输出正常设定流量信号QS0，由CPU进行控制阀CV的开闭控制，将上游侧压力P1控制成正常压力P10。
由此状态进入堵塞检测模式时，设定流量信号QS(t)＝QS0+V0sin(ωt)即由流量设定回路32输出到CPU内。CPU通过放大回路40对控制阀CV进行开闭控制，上游侧压力P1(t)显示P1(t)＝P10+Vsin(ωt)。根据该压力振幅V进行与前述相同的堵塞检测。
换言之，图1是在FCS中另外设置检定回路31，借此进行堵塞检测，与此相反，图5是由FCS单体进行堵塞检测。对于堵塞检测模式来说，前者是暂时中断FCS控制，而后者是FCS控制也同时进行。但是，对于前者来说，由于是由检定回路输出正常信号，短时间的FCS控制中断对于流量控制几乎无影响。
图6是利用节流孔堵塞检知流量异常的程序方框图的一侧。本程序方框图能适用图1与图5两装置。
由步骤n1确认FCS是流量控制模式时，则正常设定流量信号QS0作为设定流量信号QS由流量设定回路32输出(n2)。上游侧压力P1测定后(n3)，下游侧流量Q根据Q＝KP1算出(n4)。
另外，测定上游侧温度T1(n5)，下游侧流量Q受到校正而变换成计算流量QC(n6)。
计算流量QC与设定流量QS的差Qy由Qy＝QC-QS进行计算(n7)。当Qy为负的情况下(n8)，将控制阀CV稍许打开(n9)；当Qy为正的情况下(n10)，将控制阀CV稍许关闭(n11)，再回到步骤n3。一面重复进行该步骤，一面使运算流量QC与设定流量QS一致地进行控制，将通过节流孔流量控制成当初的正常设定流量QS0。
当设定节流孔的堵塞检测模式时(n12)，则输出包括检定用信号ΔQS＝V0sin(ωt)在内的设定流量信号QS＝QS0+V0sin(ωt)(n13)。该输出在图1中由检定回路31，在图5中由流量设定回路32来进行。由于加入正常设定流量信号QS0，能一面进行流量控制，一面执行堵塞检测。
上游侧压力P1是作为P1(t)＝P10+Vsin(ωt)进行检测(n14)。正常压力P10是流量控制用，根据脉动压力ΔP1＝Vsin(ωt)算出压力振幅V(n15)。在该压力振幅V大于极限振幅Vt的情况下(n16)，作为无堵塞而回到步骤n1。在压力振幅V在极限振幅Vt以下的情况下(n16)，作为有堵塞而输出报警信号(n17)。
图7表示检定用信号ΔQS是脉冲信号的情形。脉冲信号的深度是检定振幅V0，作为应答信号的上游侧压力P1(t)也是脉动压力ΔP1叠加在正常压力P10上。作为该脉动压力ΔP1的深度的压力振幅V小于极限振幅Vt时，判断为有堵塞。其他事项与图4相同，从略。
本发明并不仅限于上述实施形态，不脱离本发明的技术思想的范围的各种变形例、设计变更等是包括在其技术范围内的。
根据本发明，作为对于来自另外设置的检定回路的输入的应答，由上游侧压力P1中取出脉动压力ΔP1，只是将其压力振幅V与极限振幅Vt对比，即能检知节流孔的堵塞。因此，能极其简便地检知流量异常。
另外，根据本发明，不另外设置检定回路，而是原封不动地利用以往的压力式流量控制装置即能检知堵塞。因此，能极其简便地检知流量异常。
根据本发明，能一面按照正常设定流量信号QS0进行流量控制，一面根据检定用信号ΔQS检知节流孔堵塞，实现一面继续进行流量控制一面检知流量异常这一划时代的方法。就是说，该权利要求3的发明与以往的停止流量控制系统地进入异常检知模式这一流量异常的检知方法相比较，是具有革新效果的方法。
另外，由于能在流量控制中检知流量异常，在节流孔堵塞而使流量降低的情况下，具有能进行增加那一分额的流量的控制，始终保持通过节流孔的流量为一定的效果。
根据本发明，由于能利用正弦波信号作为检定用信号，能活用众所周知的正弦波电子技术，具有回路构成简单的效果。
根据本发明，由于能利用脉冲信号作为检定用信号，能活用众所周知的脉冲技术，以简单的回路构成检知流量异常。

Claims (4)

1.一种压力式流量控制装置的流量异常检知方法，该装置由控制阀(CV)、节流孔(2)、检测控制阀(CV)与节流孔(2)之间的上游侧压力P1的压力检测器(14)、流量设定回路(32)构成，所述方法包括以下步骤：在将上游测压力P1保持为下游侧压力P2的约2倍以上的状态下，根据QC＝KP1(K为常数)计算下游侧流量QC，根据该计算流量QC与设定流量QS之差信号Qy对控制阀(CV)进行开闭控制的，由流量设定回路(32)向控制阀(CV)输出具有检定振幅V0的检定用信号ΔQS，测定应答该控制阀(CV)的开闭而产生的上游侧压力P1的脉动压力ΔP1的压力振幅V，当该压力振幅V小于极限振幅Vt时，报知节流孔堵塞。
2.按权利要求1所述的流量异常检知方法，将前述检定用信号ΔQS叠加在正常设定流量信号QS0上输出到控制阀(CV)。
3.按权利要求1或2所述的流量异常检知方法，前述检定用信号ΔQS是正弦波信号。
4.按权利要求1或2所述的流量异常检知方法，前述检定用信号ΔQS是脉冲信号。
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