JP2002372443A - 質量流量測定方法および質量流量制御装置 - Google Patents
質量流量測定方法および質量流量制御装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】音速ノズルを使用した微小質量流量制御技術に
おいて、多種のガス種で実質量流量を精度よく効率的に
算出する。 【解決手段】多種のガス種を、たとえばＡ〜Ｄの５分類
に区分し、各分類毎に代表的な流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅ
を予め決めておく。あるガスにおける音速ノズルの上流
側圧力と温度とを検出したとき、理論質量流量Ｑｔｈを
計算する。理論出力流量Ｑｔｈが計算されたとき、ガス
の分類Ａ〜Ｅに対応して、メモリに記録されている理論
質量流量・流出係数対応テーブル５２を参照し、所望の
流出係数Ｃｄ（Ｃｄａ〜Ｃｄｅ中の１つ）を選択する。
流出係数Ｃｄを選択したとき、実質量流量ＱｔｒをＱｔ
ｒ＝Ｃｄ×Ｑｔｈで求める。このように分類しておくこ
とで、ガスの種類が異なっても増加しても、実質量流量
Ｑｔｒを、少ないメモリ容量で測定することができる。
おいて、多種のガス種で実質量流量を精度よく効率的に
算出する。 【解決手段】多種のガス種を、たとえばＡ〜Ｄの５分類
に区分し、各分類毎に代表的な流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅ
を予め決めておく。あるガスにおける音速ノズルの上流
側圧力と温度とを検出したとき、理論質量流量Ｑｔｈを
計算する。理論出力流量Ｑｔｈが計算されたとき、ガス
の分類Ａ〜Ｅに対応して、メモリに記録されている理論
質量流量・流出係数対応テーブル５２を参照し、所望の
流出係数Ｃｄ（Ｃｄａ〜Ｃｄｅ中の１つ）を選択する。
流出係数Ｃｄを選択したとき、実質量流量ＱｔｒをＱｔ
ｒ＝Ｃｄ×Ｑｔｈで求める。このように分類しておくこ
とで、ガスの種類が異なっても増加しても、実質量流量
Ｑｔｒを、少ないメモリ容量で測定することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、音速ノズルとし
て動作するオリフィスを用いた質量流量測定方法および
質量流量制御装置に関する。
て動作するオリフィスを用いた質量流量測定方法および
質量流量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般にオリフィスを用いた流量計測にお
いて、流体が気体（ガス）の場合、特に微小流量の計測
が難しい。すなわち、各状態量から算出した理論質量流
量（以下、Ｑｔｈという。）と実質量流量（以下、Ｑｔ
ｒという。）との間に差異が生じる。
いて、流体が気体（ガス）の場合、特に微小流量の計測
が難しい。すなわち、各状態量から算出した理論質量流
量（以下、Ｑｔｈという。）と実質量流量（以下、Ｑｔ
ｒという。）との間に差異が生じる。
【０００３】このため、たとえば、特開平８−３３５１
１７号公報に開示された従来技術に係る質量流量制御装
置では、Ｑｔｒ＝Ｑｔｈ×Ｃｄとするための流出係数Ｃ
ｄを予め対応テーブルＣｄ＝ｆ（Ｒｔｈ）として求めて
おく。なお、Ｒｔｈは、理論レイノルズ数である。
１７号公報に開示された従来技術に係る質量流量制御装
置では、Ｑｔｒ＝Ｑｔｈ×Ｃｄとするための流出係数Ｃ
ｄを予め対応テーブルＣｄ＝ｆ（Ｒｔｈ）として求めて
おく。なお、Ｒｔｈは、理論レイノルズ数である。
【０００４】実際に、前記オリフィスの上流側の圧力と
温度とを検出することで、理論レイノルズ数Ｒｔｈと理
論質量流量Ｑｔｈを計算し、該理論レイノルズ数Ｒｔｈ
に対応する流出係数Ｃｄを前記対応テーブルを参照して
求め、前記式Ｑｔｒ＝Ｑｔｈ×Ｃｄから実質量流量を求
めるようにしている。
温度とを検出することで、理論レイノルズ数Ｒｔｈと理
論質量流量Ｑｔｈを計算し、該理論レイノルズ数Ｒｔｈ
に対応する流出係数Ｃｄを前記対応テーブルを参照して
求め、前記式Ｑｔｒ＝Ｑｔｈ×Ｃｄから実質量流量を求
めるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この出願の
発明者は、気体の種類により流出係数Ｃｄの値が異なる
ことを見いだした。
発明者は、気体の種類により流出係数Ｃｄの値が異なる
ことを見いだした。
【０００６】そのため、上記従来技術に係る質量流量制
御装置で、複数の気体の種類に対応した質量流量制御を
行おうとする場合、予め複数の気体の種類毎の上記流出
係数Ｃｄの対応テーブルをメモリに格納しておくことが
必要になるが、これにより、対応テーブル格納用のメモ
リ容量が大きくなるという問題がある。
御装置で、複数の気体の種類に対応した質量流量制御を
行おうとする場合、予め複数の気体の種類毎の上記流出
係数Ｃｄの対応テーブルをメモリに格納しておくことが
必要になるが、これにより、対応テーブル格納用のメモ
リ容量が大きくなるという問題がある。
【０００７】また、この質量流量制御装置では、気体の
温度を測定する際に、流路中の気体に直接接触するよう
に温度検出素子を配置しているが、気体の種類によって
は、この温度検出素子が腐食されて不良となる可能性が
あり、結果として質量流量制御装置が使用不能になると
いう問題もある。また、流路中に、温度検出素子を配置
した場合には、気体の流れが乱されてしまうという問題
もある。
温度を測定する際に、流路中の気体に直接接触するよう
に温度検出素子を配置しているが、気体の種類によって
は、この温度検出素子が腐食されて不良となる可能性が
あり、結果として質量流量制御装置が使用不能になると
いう問題もある。また、流路中に、温度検出素子を配置
した場合には、気体の流れが乱されてしまうという問題
もある。
【０００８】この発明はこのような課題を考慮してなさ
れたものであり、気体の種類が増えても、対応テーブル
格納用のメモリ容量がそれほど増加することのない質量
流量測定方法および質量流量制御装置を提供することを
目的とする。
れたものであり、気体の種類が増えても、対応テーブル
格納用のメモリ容量がそれほど増加することのない質量
流量測定方法および質量流量制御装置を提供することを
目的とする。
【０００９】また、この発明は、温度検出素子の腐食の
懸念が払拭されるとともに、流路中の気体の流れを乱す
ことのない質量流量制御装置を提供することを目的とす
る。
懸念が払拭されるとともに、流路中の気体の流れを乱す
ことのない質量流量制御装置を提供することを目的とす
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明の質量流量測定
方法は、断面積が既知の音速ノズルが直列に接続された
流路を流れる気体の実質量流量を測定する質量流量測定
方法において、予め、理論質量流量に対する、気体の物
性値により分類された複数の流出係数の対応関係を求め
るステップと、前記流路を流れる気体の実質量流量を測
定しようとする際に、前記音速ノズルの上流側の気体の
圧力および温度を測定するステップと、前記流路を流れ
る気体の物性値と前記測定した圧力および温度に基づい
て、理論質量流量を求めるステップと、求めた理論質量
流量と前記流路に流れる気体の物性値による分類をパラ
メータとして前記対応関係を参照し、流出係数を求める
ステップと、求めた流出係数と前記理論質量流量との積
により実質量流量を求めるステップとを有することを特
徴とする（請求項１記載の発明）。
方法は、断面積が既知の音速ノズルが直列に接続された
流路を流れる気体の実質量流量を測定する質量流量測定
方法において、予め、理論質量流量に対する、気体の物
性値により分類された複数の流出係数の対応関係を求め
るステップと、前記流路を流れる気体の実質量流量を測
定しようとする際に、前記音速ノズルの上流側の気体の
圧力および温度を測定するステップと、前記流路を流れ
る気体の物性値と前記測定した圧力および温度に基づい
て、理論質量流量を求めるステップと、求めた理論質量
流量と前記流路に流れる気体の物性値による分類をパラ
メータとして前記対応関係を参照し、流出係数を求める
ステップと、求めた流出係数と前記理論質量流量との積
により実質量流量を求めるステップとを有することを特
徴とする（請求項１記載の発明）。
【００１１】この発明によれば、予め、理論質量流量に
対する、気体の物性値により分類された複数の流出係数
の対応関係を求めるようにしているので、気体の物性値
が近似する気体の種類では、同一の対応関係を使用する
ことが可能となり、気体の種類が増加しても、実質量流
量を求めるために必要な対応テーブル格納用のメモリ容
量をそれほど増加させる必要がない。
対する、気体の物性値により分類された複数の流出係数
の対応関係を求めるようにしているので、気体の物性値
が近似する気体の種類では、同一の対応関係を使用する
ことが可能となり、気体の種類が増加しても、実質量流
量を求めるために必要な対応テーブル格納用のメモリ容
量をそれほど増加させる必要がない。
【００１２】また、この発明の質量流量制御装置は、気
体供給源から圧力可変手段を介して供給される気体を被
供給側に供給する流路中に断面積が既知のオリフィスを
介在させるとともに、前記オリフィスの上流側に上流側
圧力検出手段と気体温度検出手段とが配され、前記オリ
フィスの下流側に下流側圧力検出手段が配された流量制
御装置において、予め求められている、理論質量流量に
対する、気体の物性値により分類された複数の流出係数
の対応関係を記憶する記憶手段と、気体の種類と、目標
質量流量と、前記各検出手段で検出される上流側圧力、
気体温度、下流側圧力とに基づき前記圧力可変手段を可
変して、前記流路を流れる気体の実質量流量が、前記目
標質量流量になるように制御する制御手段とを備え、前
記制御手段は、前記気体の種類と目標質量流量が与えら
れたとき、前記オリフィスが臨界圧力比以下で動作して
いることを確認した後、理論質量流量を求め、求めた理
論質量流量と前記流路に流れる気体の物性値による分類
をパラメータとして前記記憶手段中の前記対応関係を参
照し流出係数を求め、求めた流出係数と求めた理論質量
流量との積により実質量流量を求め、該求めた実質量流
量が前記目標質量流量となるように前記圧力可変手段を
フィードバック制御することを特徴とする（請求項２記
載の発明）。
体供給源から圧力可変手段を介して供給される気体を被
供給側に供給する流路中に断面積が既知のオリフィスを
介在させるとともに、前記オリフィスの上流側に上流側
圧力検出手段と気体温度検出手段とが配され、前記オリ
フィスの下流側に下流側圧力検出手段が配された流量制
御装置において、予め求められている、理論質量流量に
対する、気体の物性値により分類された複数の流出係数
の対応関係を記憶する記憶手段と、気体の種類と、目標
質量流量と、前記各検出手段で検出される上流側圧力、
気体温度、下流側圧力とに基づき前記圧力可変手段を可
変して、前記流路を流れる気体の実質量流量が、前記目
標質量流量になるように制御する制御手段とを備え、前
記制御手段は、前記気体の種類と目標質量流量が与えら
れたとき、前記オリフィスが臨界圧力比以下で動作して
いることを確認した後、理論質量流量を求め、求めた理
論質量流量と前記流路に流れる気体の物性値による分類
をパラメータとして前記記憶手段中の前記対応関係を参
照し流出係数を求め、求めた流出係数と求めた理論質量
流量との積により実質量流量を求め、該求めた実質量流
量が前記目標質量流量となるように前記圧力可変手段を
フィードバック制御することを特徴とする（請求項２記
載の発明）。
【００１３】この発明によれば、記憶手段には、予め求
められている、理論質量流量に対する、気体の物性値に
より分類された複数の流出係数の対応関係を記憶するよ
うにしているので、気体の物性値が近似する気体の種類
では、同一の対応関係を使用することが可能となり、気
体の種類が増加しても、実質量流量を求めるために必要
な対応テーブル格納用のメモリ容量をそれほど増加させ
る必要がない。
められている、理論質量流量に対する、気体の物性値に
より分類された複数の流出係数の対応関係を記憶するよ
うにしているので、気体の物性値が近似する気体の種類
では、同一の対応関係を使用することが可能となり、気
体の種類が増加しても、実質量流量を求めるために必要
な対応テーブル格納用のメモリ容量をそれほど増加させ
る必要がない。
【００１４】この場合、前記気体温度検出手段が、内部
に前記流路の一部が設けられた金属構造体の表面温度を
検出するように構成されることで、直接流体の温度を検
出する必要がなくなり、温度検出手段を構成する温度検
出素子の腐食の懸念が払拭されるとともに、温度検出に
あたり流路中の気体の流れを乱す懸念が一掃される。
に前記流路の一部が設けられた金属構造体の表面温度を
検出するように構成されることで、直接流体の温度を検
出する必要がなくなり、温度検出手段を構成する温度検
出素子の腐食の懸念が払拭されるとともに、温度検出に
あたり流路中の気体の流れを乱す懸念が一掃される。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。
ついて図面を参照して説明する。
【００１６】図１は、この発明の一実施の形態に係る質
量流量測定方法が実施される質量流量制御装置１０の概
略的な構成を示している。
量流量測定方法が実施される質量流量制御装置１０の概
略的な構成を示している。
【００１７】この質量流量制御装置１０は、固定絞りで
あり音速ノズルとして動作するオリフィス１２が介在さ
れた流路１４を有している。この実施の形態でのオリフ
ィス１２は、１００［ｃｃ／ｍｉｎ］用のオリフィスで
あり、その径は０．１８ｍｍものを使用している。
あり音速ノズルとして動作するオリフィス１２が介在さ
れた流路１４を有している。この実施の形態でのオリフ
ィス１２は、１００［ｃｃ／ｍｉｎ］用のオリフィスで
あり、その径は０．１８ｍｍものを使用している。
【００１８】オリフィス１２の上流側の流路１４には、
圧力可変手段としての制御バルブ１６が配され、制御バ
ルブ１６の上流側は、入力ポート１８を介して気体供給
源２０に連通されている。
圧力可変手段としての制御バルブ１６が配され、制御バ
ルブ１６の上流側は、入力ポート１８を介して気体供給
源２０に連通されている。
【００１９】オリフィス１２の下流側の流路１４は、出
力ポート２２を介して真空ポンプ２４に連通されてい
る。
力ポート２２を介して真空ポンプ２４に連通されてい
る。
【００２０】また、オリフィス１２の上流側の流路１４
には、上流側圧力Ｐｕを検出する上流側圧力検出手段と
しての圧力センサ２６と、気体温度Ｔを検出する気体温
度検出手段としての温度センサ２８が配され、圧力セン
サ２６と温度センサ２８の出力は、制御手段であるマイ
クロコンピュータ３０に供給されている。
には、上流側圧力Ｐｕを検出する上流側圧力検出手段と
しての圧力センサ２６と、気体温度Ｔを検出する気体温
度検出手段としての温度センサ２８が配され、圧力セン
サ２６と温度センサ２８の出力は、制御手段であるマイ
クロコンピュータ３０に供給されている。
【００２１】さらに、オリフィス１２の下流側の流路１
４には、下流側圧力Ｐｄを検出する下流側圧力検出手段
としての圧力センサ３２が配され、この圧力センサ３２
の出力も、マイクロコンピュータ３０に供給されてい
る。
４には、下流側圧力Ｐｄを検出する下流側圧力検出手段
としての圧力センサ３２が配され、この圧力センサ３２
の出力も、マイクロコンピュータ３０に供給されてい
る。
【００２２】マイクロコンピュータ３０は、計算機であ
り、ＣＰＵ（中央処理装置）３４、メモリである記憶手
段としてのＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）３６、ＲＡ
Ｍ（ランダムアクセスメモリ）３８、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ
／Ａ変換器、Ｉ／Ｏ等を有するインタフェース４０、そ
の他、計時手段としてのタイマ等を有しており、制御
部、演算部、処理部等として機能する。
り、ＣＰＵ（中央処理装置）３４、メモリである記憶手
段としてのＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）３６、ＲＡ
Ｍ（ランダムアクセスメモリ）３８、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ
／Ａ変換器、Ｉ／Ｏ等を有するインタフェース４０、そ
の他、計時手段としてのタイマ等を有しており、制御
部、演算部、処理部等として機能する。
【００２３】この場合、上述した圧力センサ２６、３２
および温度センサ２８の出力は、マイクロコンピュータ
３０のインタフェース４０中、Ａ／Ｄ変換器を通じてデ
ジタルデータとして上流側圧力Ｐｕ、下流側圧力Ｐｄお
よび気体温度ＴとされＲＡＭ３８に格納される。
および温度センサ２８の出力は、マイクロコンピュータ
３０のインタフェース４０中、Ａ／Ｄ変換器を通じてデ
ジタルデータとして上流側圧力Ｐｕ、下流側圧力Ｐｄお
よび気体温度ＴとされＲＡＭ３８に格納される。
【００２４】このマイクロコンピュータ３０には、気体
の種類や目標質量流量（以下、Ｑｔａという。）を入力
・設定する設定入力部４２が接続されている。
の種類や目標質量流量（以下、Ｑｔａという。）を入力
・設定する設定入力部４２が接続されている。
【００２５】マイクロコンピュータ３０は、入力された
気体の種類、目標質量流量Ｑｔａ、および検出された上
流側圧力Ｐｕ、気体温度Ｔおよび下流側圧力Ｐｄに基づ
き、後述する所定の処理を行う。そして、その処理結果
によりインタフェース４０を構成するＤ／Ａ変換器およ
びドライバ４４を介して制御バルブ１６の開度を可変
し、流路１４を流れる気体の実質量流量Ｑｔｒが、目標
質量流量Ｑｔａになるように制御する。
気体の種類、目標質量流量Ｑｔａ、および検出された上
流側圧力Ｐｕ、気体温度Ｔおよび下流側圧力Ｐｄに基づ
き、後述する所定の処理を行う。そして、その処理結果
によりインタフェース４０を構成するＤ／Ａ変換器およ
びドライバ４４を介して制御バルブ１６の開度を可変
し、流路１４を流れる気体の実質量流量Ｑｔｒが、目標
質量流量Ｑｔａになるように制御する。
【００２６】ＲＯＭ３６には、この制御のためのプログ
ラムの他、図２に示す気体種類・物性値・分類対応テー
ブル５０および図３に示す理論質量流量・流出係数対応
テーブル５２が予め更新可能に記録されている。
ラムの他、図２に示す気体種類・物性値・分類対応テー
ブル５０および図３に示す理論質量流量・流出係数対応
テーブル５２が予め更新可能に記録されている。
【００２７】図２の気体種類・物性値・分類対応テーブ
ル５０には、気体の種類として、空気（ＡＩＲ）、窒素
（Ｎ2）、アルゴン（Ａｒ）、四フッ化エチレン（Ｃ
Ｆ4）等と、それぞれ物性値としての比熱比ｋ（定圧比
熱と定積比熱との比）と、図３に示す理論質量流量・流
出係数対応テーブル５２の分類Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅとの
対応関係を示す分類α（α＝Ａ〜Ｄ・・・）が記憶され
ている。
ル５０には、気体の種類として、空気（ＡＩＲ）、窒素
（Ｎ2）、アルゴン（Ａｒ）、四フッ化エチレン（Ｃ
Ｆ4）等と、それぞれ物性値としての比熱比ｋ（定圧比
熱と定積比熱との比）と、図３に示す理論質量流量・流
出係数対応テーブル５２の分類Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅとの
対応関係を示す分類α（α＝Ａ〜Ｄ・・・）が記憶され
ている。
【００２８】また、図３の理論質量流量・流出係数対応
テーブル５２には、クラス分けである分類α（α＝Ａ〜
・・・）と、その各分類Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの代表特性
である流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅの特性が記憶（登録）さ
れている。分類αと流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅは、近似式
で記憶しておくことも可能である。なお、この実施の形
態では、クラス分けである分類αを５分類としている
が、用途に応じて増減することができる。また、代表特
性である流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅは、各分類Ａ〜Ｅの中
央値に沿う曲線としている。
テーブル５２には、クラス分けである分類α（α＝Ａ〜
・・・）と、その各分類Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの代表特性
である流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅの特性が記憶（登録）さ
れている。分類αと流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅは、近似式
で記憶しておくことも可能である。なお、この実施の形
態では、クラス分けである分類αを５分類としている
が、用途に応じて増減することができる。また、代表特
性である流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅは、各分類Ａ〜Ｅの中
央値に沿う曲線としている。
【００２９】次に、図２の気体種類・物性値・分類対応
テーブル５０および図３の理論質量流量・流出係数対応
テーブル５２の作成方法、換言すれば、断面積が既知の
音速ノズルとして動作するオリフィス１２が直列に接続
された流路１４を流れる気体の物性値により分類された
複数の流出係数Ｃｄの理論質量流量Ｑｔｈに対する対応
関係を求めるステップ、について説明する。
テーブル５０および図３の理論質量流量・流出係数対応
テーブル５２の作成方法、換言すれば、断面積が既知の
音速ノズルとして動作するオリフィス１２が直列に接続
された流路１４を流れる気体の物性値により分類された
複数の流出係数Ｃｄの理論質量流量Ｑｔｈに対する対応
関係を求めるステップ、について説明する。
【００３０】この場合、まず、図４に示すように、測定
対象の気体供給源２０と入力ポート１８との間に直列に
流量制御器（Mass Flow Controller）６０と流量計（Ma
ssFlow Meter）６２とを接続する。
対象の気体供給源２０と入力ポート１８との間に直列に
流量制御器（Mass Flow Controller）６０と流量計（Ma
ssFlow Meter）６２とを接続する。
【００３１】次に、測定対象の気体毎に、流量制御器６
０にて、測定範囲での流量を順次設定する。たとえば、
１０％、２０％、３０％、・・・８０％、９０％、１０
０％の流量を順次設定する。
０にて、測定範囲での流量を順次設定する。たとえば、
１０％、２０％、３０％、・・・８０％、９０％、１０
０％の流量を順次設定する。
【００３２】測定対象の気体とは、たとえば、空気ＡＩ
Ｒ、窒素Ｎ2、アルゴンＡｒ、四フッ化エチレンＣＦ4、
二酸化炭素ＣＯ2等である。
Ｒ、窒素Ｎ2、アルゴンＡｒ、四フッ化エチレンＣＦ4、
二酸化炭素ＣＯ2等である。
【００３３】次いで、各気体の各流量設定時において、
流量計６２の値が安定したとき、次の状態量を測定す
る。
流量計６２の値が安定したとき、次の状態量を測定す
る。
【００３４】すなわち、流量計６２による実質量流量Ｑ
ｔｒと、圧力センサ２６による上流側圧力Ｐｕと、温度
センサ２８による上流側の気体温度Ｔと、圧力センサ３
２による下流側圧力Ｐｄとを測定する。
ｔｒと、圧力センサ２６による上流側圧力Ｐｕと、温度
センサ２８による上流側の気体温度Ｔと、圧力センサ３
２による下流側圧力Ｐｄとを測定する。
【００３５】次に、これらの測定データから各測定時に
おける理論質量流量Ｑｔｈを以下の（１）式により計算
する。
おける理論質量流量Ｑｔｈを以下の（１）式により計算
する。
【００３６】 Ｑｔｈ＝Ａ・Ｐｕ・（２／（ｋ＋１））1/(k-1)・［（ｋ／（ｋ＋１））・ （２／（Ｒ・Ｔ））］1/2 …（１） ただし、Ａ：オリフィス１２の有効断面積［ｍ2］、
ｋ：比熱比、Ｒ：ガス定数［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］である。
ｋ：比熱比、Ｒ：ガス定数［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］である。
【００３７】次に、各測定時において、流出係数Ｃｄを
次の（２）式に示すように、流量計６２で測定した実質
量流量Ｑｔｒを理論質量流量Ｑｔｈで割った値として計
算する。
次の（２）式に示すように、流量計６２で測定した実質
量流量Ｑｔｒを理論質量流量Ｑｔｈで割った値として計
算する。
【００３８】 Ｃｄ＝Ｑｔｒ／Ｑｔｈ …（２） 図５は、図４の装置を用いて、このような手順により求
めた複数の気体についての理論質量流量Ｑｔｈと流出係
数Ｃｄとの特性例を示している。
めた複数の気体についての理論質量流量Ｑｔｈと流出係
数Ｃｄとの特性例を示している。
【００３９】この図５では、四フッ化エチレン気体ＣＦ
4が分類Ａに区分され、空気ＡＩＲと窒素気体Ｎ2とが分
類Ｃに区分され、アルゴンガスＡｒが分類Ｄに区分され
ていることが分かる。このようにして、求められた流出
係数Ｃｄおよび分類αから図２に示す気体種類・物性値
・分類対応テーブル５０および理論質量流量・流出係数
対応テーブル５２が作成され、ＲＯＭ３６中に記憶され
る。なお、比熱比ｋは、気体の種類が分かれば既知であ
る。
4が分類Ａに区分され、空気ＡＩＲと窒素気体Ｎ2とが分
類Ｃに区分され、アルゴンガスＡｒが分類Ｄに区分され
ていることが分かる。このようにして、求められた流出
係数Ｃｄおよび分類αから図２に示す気体種類・物性値
・分類対応テーブル５０および理論質量流量・流出係数
対応テーブル５２が作成され、ＲＯＭ３６中に記憶され
る。なお、比熱比ｋは、気体の種類が分かれば既知であ
る。
【００４０】次に、上述の実施の形態の動作について、
図６に示すアプリケーションプログラムに係るフローチ
ャートに基づいて詳しく説明する。なお、特に断らない
限り、制御主体はＣＰＵ３４であるが、これをその都度
参照するのは煩雑になるので、必要に応じて参照する。
図６に示すアプリケーションプログラムに係るフローチ
ャートに基づいて詳しく説明する。なお、特に断らない
限り、制御主体はＣＰＵ３４であるが、これをその都度
参照するのは煩雑になるので、必要に応じて参照する。
【００４１】まず、ステップＳ１では、設定入力部４２
から流量を制御しようとする気体の種類を入力するとと
もに、目標質量流量Ｑｔａを入力することで、ＲＡＭ３
８中の所定領域に記憶される。
から流量を制御しようとする気体の種類を入力するとと
もに、目標質量流量Ｑｔａを入力することで、ＲＡＭ３
８中の所定領域に記憶される。
【００４２】次に、ステップＳ２では、ＣＰＵ３４は、
ドライバ４４を介して制御バルブ１６の開度を目標質量
流量Ｑｔａ近傍の値に設定する。これにより、設定入力
部４２により設定された気体が、気体供給源２０から質
量流量制御装置１０内の入力ポート１８に供給される。
ドライバ４４を介して制御バルブ１６の開度を目標質量
流量Ｑｔａ近傍の値に設定する。これにより、設定入力
部４２により設定された気体が、気体供給源２０から質
量流量制御装置１０内の入力ポート１８に供給される。
【００４３】質量流量制御装置１０に供給された気体
は、入力ポート１８、制御バルブ１６、上流側流路１
４、オリフィス１２を介して下流側流路１４に供給さ
れ、出力ポート２２を介して質量流量制御装置１０の出
力側に配置されている真空ポンプ２４に供給される。
は、入力ポート１８、制御バルブ１６、上流側流路１
４、オリフィス１２を介して下流側流路１４に供給さ
れ、出力ポート２２を介して質量流量制御装置１０の出
力側に配置されている真空ポンプ２４に供給される。
【００４４】次いで、ステップＳ３では、圧力センサ２
６、３２で監視している上流側圧力Ｐｕおよび下流側圧
力Ｐｄが安定していることを条件に、各圧力センサ２
６、３２および温度センサ２８により上流側圧力Ｐｕ、
下流側圧力Ｐｄおよび上流側の気体温度Ｔを測定してＲ
ＡＭ３８に記憶する。
６、３２で監視している上流側圧力Ｐｕおよび下流側圧
力Ｐｄが安定していることを条件に、各圧力センサ２
６、３２および温度センサ２８により上流側圧力Ｐｕ、
下流側圧力Ｐｄおよび上流側の気体温度Ｔを測定してＲ
ＡＭ３８に記憶する。
【００４５】次いで、ステップＳ４では、念のため（質
量流量制御装置１０が正常に動作しているかどうかを確
認するため）、下流側圧力Ｐｄを上流側圧力Ｐｕで割っ
た値が臨界圧力比以下であるかどうかを確認し、臨界圧
力比以下であることを条件に、すなわち、オリフィス１
２が音速ノズルとして動作していることを条件に、上記
（１）式（予めＲＯＭ３６に格納されている。）により
理論質量流量Ｑｔｈを算出する。なお、（１）式中の比
熱比ｋは、ステップＳ１で設定入力された気体の種類に
より気体種類・物性値・分類対応テーブル５０を参照す
ることで分かり、さらにガス定数Ｒは予めＲＯＭ３６に
格納しておいたものを使用できる。
量流量制御装置１０が正常に動作しているかどうかを確
認するため）、下流側圧力Ｐｄを上流側圧力Ｐｕで割っ
た値が臨界圧力比以下であるかどうかを確認し、臨界圧
力比以下であることを条件に、すなわち、オリフィス１
２が音速ノズルとして動作していることを条件に、上記
（１）式（予めＲＯＭ３６に格納されている。）により
理論質量流量Ｑｔｈを算出する。なお、（１）式中の比
熱比ｋは、ステップＳ１で設定入力された気体の種類に
より気体種類・物性値・分類対応テーブル５０を参照す
ることで分かり、さらにガス定数Ｒは予めＲＯＭ３６に
格納しておいたものを使用できる。
【００４６】次に、ステップＳ５では、この求めた理論
質量流量Ｑｔｈと流路１４に流れる気体の物性値による
分類α（この場合、分類αは設定入力された気体の種類
から気体種類・物性値・分類対応テーブル５０を参照す
ることで分かる。）をパラメータとして、図３に示した
理論質量流量・流出係数対応テーブル５２を参照するこ
とにより、５個の流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅの特性の中、
対応する流出係数Ｃｄの特性から計算で求めた理論質量
流量Ｑｔｈに対応する流出係数Ｃｄの値を求めることが
できる。すなわち、たとえば気体の種類が分類Ａと区分
された場合には、流出係数Ｃｄａの特性が参照され、横
軸の理論質量流量Ｑｔｈに対応する縦軸の流出係数Ｃｄ
の値が導出される。
質量流量Ｑｔｈと流路１４に流れる気体の物性値による
分類α（この場合、分類αは設定入力された気体の種類
から気体種類・物性値・分類対応テーブル５０を参照す
ることで分かる。）をパラメータとして、図３に示した
理論質量流量・流出係数対応テーブル５２を参照するこ
とにより、５個の流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅの特性の中、
対応する流出係数Ｃｄの特性から計算で求めた理論質量
流量Ｑｔｈに対応する流出係数Ｃｄの値を求めることが
できる。すなわち、たとえば気体の種類が分類Ａと区分
された場合には、流出係数Ｃｄａの特性が参照され、横
軸の理論質量流量Ｑｔｈに対応する縦軸の流出係数Ｃｄ
の値が導出される。
【００４７】次に、導出された流出係数Ｃｄと理論質量
流量Ｑｔｈとから（２）式を変形した下記の（３）式に
より、すなわち、流出係数Ｃｄと理論質量流量Ｑｔｈの
積により流路１４を流れる現在の実質量流量Ｑｔｒを求
める。
流量Ｑｔｈとから（２）式を変形した下記の（３）式に
より、すなわち、流出係数Ｃｄと理論質量流量Ｑｔｈの
積により流路１４を流れる現在の実質量流量Ｑｔｒを求
める。
【００４８】 Ｑｔｒ＝Ｃｄ・Ｑｔｈ …（３） 次にステップＳ７では、このようにして求めた現在の実
質量流量Ｑｔｒが目標質量流量Ｑｔａに一致しているか
どうかが判断され、一致していない場合には、一致する
まで、ステップＳ２〜Ｓ６における制御バルブ１６の調
節以降の処理が実行される。
質量流量Ｑｔｒが目標質量流量Ｑｔａに一致しているか
どうかが判断され、一致していない場合には、一致する
まで、ステップＳ２〜Ｓ６における制御バルブ１６の調
節以降の処理が実行される。
【００４９】なお、実際上、ステップＳ７の判断が成立
した後には、一定時間毎にステップＳ７の判断処理がな
され、実質量流量Ｑｔｒが目標質量流量Ｑｔａに一致す
るように監視され、ずれてきた場合には、ステップＳ２
以降の処理が実行される。
した後には、一定時間毎にステップＳ７の判断処理がな
され、実質量流量Ｑｔｒが目標質量流量Ｑｔａに一致す
るように監視され、ずれてきた場合には、ステップＳ２
以降の処理が実行される。
【００５０】このように上述の実施の形態によれば、図
３に示すように、予め、理論質量流量Ｑｔｈに対する、
気体の物性値（たとえば、比熱比ｋ）により分類（α：
この実施の形態ではＡ〜Ｅの５分類）された複数の流出
係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅの対応関係を求めるようにしている
ので、気体の物性値が近似する気体の種類では、同一の
対応関係を使用することが可能となり、気体の種類が増
加しても、どの分類に入る気体であるかどうかを図２に
示す気体種類・物性値・分類対応テーブル５０の分類欄
に記憶すればよく、その増加した気体に対応する新たな
流出係数Ｃｄの特性を持つ必要がない。このため、実質
量流量Ｑｔｒを求めるために必要な対応テーブル格納用
のメモリ容量をそれほど増加させる必要がない。
３に示すように、予め、理論質量流量Ｑｔｈに対する、
気体の物性値（たとえば、比熱比ｋ）により分類（α：
この実施の形態ではＡ〜Ｅの５分類）された複数の流出
係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅの対応関係を求めるようにしている
ので、気体の物性値が近似する気体の種類では、同一の
対応関係を使用することが可能となり、気体の種類が増
加しても、どの分類に入る気体であるかどうかを図２に
示す気体種類・物性値・分類対応テーブル５０の分類欄
に記憶すればよく、その増加した気体に対応する新たな
流出係数Ｃｄの特性を持つ必要がない。このため、実質
量流量Ｑｔｒを求めるために必要な対応テーブル格納用
のメモリ容量をそれほど増加させる必要がない。
【００５１】図７は、この発明の他の実施の形態に係る
質量流量制御装置１０Ａの構成を示している。この質量
流量制御装置１０Ａでは、図１に示す質量流量制御装置
１０に比較して、オリフィス１２の上流側の流路１４の
一部をステンレス等のブロックによる金属構造体５４で
形成している点が異なる。
質量流量制御装置１０Ａの構成を示している。この質量
流量制御装置１０Ａでは、図１に示す質量流量制御装置
１０に比較して、オリフィス１２の上流側の流路１４の
一部をステンレス等のブロックによる金属構造体５４で
形成している点が異なる。
【００５２】金属構造体５４は、熱容量が大きくかつ熱
伝導性が良いので、一旦、温度が平衡状態になった後、
その表面の温度は、金属構造体５４中に形成された流路
１４を流れる気体の温度に等しい温度となる。
伝導性が良いので、一旦、温度が平衡状態になった後、
その表面の温度は、金属構造体５４中に形成された流路
１４を流れる気体の温度に等しい温度となる。
【００５３】そのため、図７に示すように、温度センサ
２８により金属構造体５４の表面温度を検出するように
構成することで、気体の温度を測定することが可能とな
る。
２８により金属構造体５４の表面温度を検出するように
構成することで、気体の温度を測定することが可能とな
る。
【００５４】このようにすれば、温度センサ２８によ
り、直接、流体である気体の温度を検出する必要がなく
なることから、温度センサ２８を構成する温度検出素子
の腐食の懸念が払拭されるとともに、温度検出にあたり
流路１４中の気体の流れを乱す懸念が一掃されるという
効果が達成される。
り、直接、流体である気体の温度を検出する必要がなく
なることから、温度センサ２８を構成する温度検出素子
の腐食の懸念が払拭されるとともに、温度検出にあたり
流路１４中の気体の流れを乱す懸念が一掃されるという
効果が達成される。
【００５５】なお、この発明は、上述の実施の形態に限
らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成
を採り得ることはもちろんである。
らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成
を採り得ることはもちろんである。
【００５６】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、気体の種類が異なっても、実質量流量を、少ないメ
モリ容量で測定することができるという効果が達成され
る。
ば、気体の種類が異なっても、実質量流量を、少ないメ
モリ容量で測定することができるという効果が達成され
る。
【００５７】また、代表的な流出係数を登録しておくこ
とで、様々な気体の種類において、実質量流量を一定精
度でかつ効率よく算出することができる。
とで、様々な気体の種類において、実質量流量を一定精
度でかつ効率よく算出することができる。
【００５８】さらに、この発明によれば、気体が腐食性
の気体であっても、温度検出手段を構成する温度検出素
子が腐食されることがなく、また、流路中の気体の流れ
を乱すことのない質量流量制御装置が得られる。
の気体であっても、温度検出手段を構成する温度検出素
子が腐食されることがなく、また、流路中の気体の流れ
を乱すことのない質量流量制御装置が得られる。
【図１】この発明の一実施の形態の構成を示すブロック
図である。
図である。
【図２】気体種類・物性値・分類対応テーブルの例を示
す説明図である。
す説明図である。
【図３】理論質量流量・流出係数対応テーブルの説明図
である。
である。
【図４】理論質量流量・流出係数対応テーブルを作成す
る際に使用される装置のブロック図である。
る際に使用される装置のブロック図である。
【図５】実際の流出係数の測定例を示す説明図である。
【図６】図１例の動作説明に供されるフローチャートで
ある。
ある。
【図７】この発明の他の実施の形態の構成を示すブロッ
ク図である。
ク図である。
１０、１０Ａ…質量流量制御装置 １２…オリフィス １４…流路 １６…制御バルブ １８…入力ポート ２０…気体供給源 ２２…出力ポート ２４…真空ポンプ ２６、３２…圧力センサ ２８…温度センサ ３０…マイクロコンピュータ ３４…ＣＰＵ ３６…ＲＯＭ ３８…ＲＡＭ ４０…インタフェース ４４…ドライバ ５０…気体種類・物性値・分類対応テーブル ５２…理論質量流量・流出係数対応テーブル ５４…金属構造体 ６０…流量制御器 ６２…流量計 Ｃｄ、Ｃｄａ〜Ｃｄｅ…流出係数 ｋ…比熱比 Ｐｕ…上流側圧力 Ｐｄ…下流側圧力 Ｑｔａ…目標質量流量 Ｑｔｈ…理論質量
流量 Ｑｔｒ…実質量流量 Ｔ…気体温度
流量 Ｑｔｒ…実質量流量 Ｔ…気体温度
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F030 CA04 CC11 CD04 CD15 CD17 CE04 2F031 AA08 AC10 AC20 AD01 AD03 5H307 BB01 EE02 FF03 FF13 FF15 HH04 HH12 JJ03
Claims (3)
- 【請求項１】断面積が既知の音速ノズルが直列に接続さ
れた流路を流れる気体の実質量流量を測定する質量流量
測定方法において、 予め、理論質量流量に対する、気体の物性値により分類
された複数の流出係数の対応関係を求めるステップと、 前記流路を流れる気体の実質量流量を測定しようとする
際に、前記音速ノズルの上流側の気体の圧力および温度
を測定するステップと、 前記流路を流れる気体の物性値と前記測定した圧力およ
び温度に基づいて、理論質量流量を求めるステップと、 求めた理論質量流量と前記流路に流れる気体の物性値に
よる分類をパラメータとして前記対応関係を参照し、流
出係数を求めるステップと、 求めた流出係数と前記理論質量流量との積により実質量
流量を求めるステップとを有することを特徴とする質量
流量測定方法。 - 【請求項２】気体供給源から圧力可変手段を介して供給
される気体を被供給側に供給する流路中に断面積が既知
のオリフィスを介在させるとともに、前記オリフィスの
上流側に上流側圧力検出手段と気体温度検出手段とが配
され、前記オリフィスの下流側に下流側圧力検出手段が
配された質量流量制御装置において、 予め求められている、理論質量流量に対する、気体の物
性値により分類された複数の流出係数の対応関係を記憶
する記憶手段と、 気体の種類と、目標質量流量と、前記各検出手段で検出
される上流側圧力、気体温度、下流側圧力とに基づき前
記圧力可変手段を可変し、前記流路を流れる気体の実質
量流量が前記目標質量流量になるように制御する制御手
段とを備え、 前記制御手段は、前記気体の種類と目標質量流量が与え
られたとき、前記オリフィスが臨界圧力比以下で動作し
ていることを確認した後、理論質量流量を求め、求めた
理論質量流量と前記流路に流れる気体の物性値による分
類をパラメータとして前記記憶手段中の前記対応関係を
参照し流出係数を求め、求めた流出係数と求めた理論質
量流量との積により実質量流量を求め、該求めた実質量
流量が前記目標質量流量となるように前記圧力可変手段
をフィードバック制御することを特徴とする質量流量制
御装置。 - 【請求項３】請求項２記載の流量制御装置において、 前記気体温度検出手段は、内部に前記流路の一部が設け
られた金属構造体の表面温度を検出する構成とされてい
ることを特徴とする質量流量制御装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001178430A JP3604354B2 (ja) | 2001-06-13 | 2001-06-13 | 質量流量測定方法および質量流量制御装置 |
| DE10224637A DE10224637B4 (de) | 2001-06-13 | 2002-06-04 | Massenstromraten-Messverfahren und Massenstromraten-Steuervorrichtung |
| US10/167,598 US6671584B2 (en) | 2001-06-13 | 2002-06-13 | Mass flow rate-measuring method and mass flow rate control apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001178430A JP3604354B2 (ja) | 2001-06-13 | 2001-06-13 | 質量流量測定方法および質量流量制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002372443A true JP2002372443A (ja) | 2002-12-26 |
| JP3604354B2 JP3604354B2 (ja) | 2004-12-22 |
Family
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001178430A Expired - Fee Related JP3604354B2 (ja) | 2001-06-13 | 2001-06-13 | 質量流量測定方法および質量流量制御装置 |
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|---|---|
| US (1) | US6671584B2 (ja) |
| JP (1) | JP3604354B2 (ja) |
| DE (1) | DE10224637B4 (ja) |
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| JP2019200181A (ja) * | 2018-05-18 | 2019-11-21 | 株式会社デンソー | 気体流量測定装置および気体流量測定方法 |
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| US7637167B2 (en) * | 2008-04-25 | 2009-12-29 | Schlumberger Technology Corporation | Apparatus and method for characterizing two phase fluid flow |
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| JP5754853B2 (ja) * | 2012-01-30 | 2015-07-29 | 株式会社フジキン | 半導体製造装置のガス分流供給装置 |
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| CN104677439A (zh) * | 2013-11-29 | 2015-06-03 | 清华大学 | 氢气流量检测系统及氢气流量检测方法 |
| US10684159B2 (en) * | 2016-06-27 | 2020-06-16 | Applied Materials, Inc. | Methods, systems, and apparatus for mass flow verification based on choked flow |
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| JPS5998217A (ja) * | 1982-11-26 | 1984-06-06 | Fujikin:Kk | 流量制御装置 |
| US4821557A (en) * | 1988-03-08 | 1989-04-18 | Arkla, Inc. | Method and apparatus for determining the accuracy of a gas flow meter |
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-
2001
- 2001-06-13 JP JP2001178430A patent/JP3604354B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-06-04 DE DE10224637A patent/DE10224637B4/de not_active Expired - Lifetime
- 2002-06-13 US US10/167,598 patent/US6671584B2/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
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