JP4528617B2 - マスフローコントローラにおける圧力補償のための方法および装置 - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は一般的に流体の流量を制御するための方法およびシステムに関し、より特定的には、マスフローコントローラに関わる方法およびシステムに関する。

発明の背景
多くの産業的プロセスはさまざまなプロセス流体の正確な制御を必要とする。たとえば、医薬および半導体産業においては、マスフローコントローラはプロセスチャンバに導入されるプロセス流体の量を正確に測定しかつ制御するために用いられる。ここで流体という用語は、流れることが可能であるいかなる状態のいかなる種類の物質をも記述するために用いられる。流体という用語は、制御された流れが利益となる、いかなる組合せの物質または物体をも構成する液体、気体およびスラリーにも当てはまることを理解されたい。

従来のマスフローコントローラは一般的に４つの主な部分を含む。すなわち、フローメータ、コントロールバルブ、バルブアクチュエータおよびコントローラである。フローメータは、流路における流体の質量流量を測定し、その流量を示す信号を提供する。フローメータは、マスフローセンサとバイパスとを含み得る。マスフローセンサは、流体が流れ得るようにバイパスに結合されるセンサ導管における流体の質量流量を測定する。センサ導管における流体の質量流量は、バイパス内を流れる流体の質量流量にほぼ比例し、これら２つの合計はマスフローコントローラによって制御される流路を流れる合計流量である。しかしながら、ある種のマスフローコントローラはバイパスを用いない可能性があり、よって流体のすべてがセンサ導管を流れ得ることを理解されたい。

多くのマスフローコントローラにおいて、間隔をあけた位置でセンサ導管の周囲に巻かれ、各々が温度に応じて変化する抵抗値を有する１対の抵抗を含む熱式マスフローセンサが用いられる。流体がセンサ導管を通って流れるにつれて、熱が上流の抵抗から下流の抵抗に伝達され、その温度差はセンサ導管とバイパスとを流れる流体の質量流量に比例する。

コントロールバルブが主流体流路（典型的にはバイパスおよびマスフローセンサの下流）に位置決めされ、かつ主流体流路を流れる流体の質量流量を変化させるために制御（たとえば開放または閉鎖）され得るが、その制御はマスフローコントローラによって与えられる。バルブは典型的にはバルブアクチュエータによって制御されるが、その例はソレノイドアクチュエータ、圧電アクチュエータ、ステッパアクチュエータなどを含む。

制御電子素子は、マスフローコントローラによって与えられることが所望である流体の質量流量を示すセットポイントと、センサ導管内を流れる流体の実際の質量流量を示すマスフローセンサからの流れ信号とに基づいてコントロールバルブの位置を制御する。次いで、比例制御、積分制御、比例積分（ＰＩ）制御、微分制御、比例微分（ＰＤ）制御、積分微分（ＩＤ）制御および比例積分微分（ＰＩＤ）制御のような従来的なフィードバック制御方法がマスフローコントローラにおける流体の流れを制御するために用いられる。上記フィードバック制御方法の各々においては、制御信号（たとえばコントロールバルブ駆動信号）が誤り信号に基づいて発生されるが、該誤り信号は、流体の所望の質量流量を示すセットポイント信号とマスフローセンサによって感知される実際の質量流量に関連付けられるフィードバック信号との間の差である。

多くの従来のマスフローコントローラは、流体の種、流量、入口および／または出口圧力、温度などを含む任意の数の動作条件に依存し得る構成要素挙動に敏感である。さらに、従来のマスフローコントローラは、マスフローコントローラの製造に用いられる構成要素の組合せに特定的であるある種の不均一性を示し得るが、これはマスフローコントローラの整合性のない不所望の性能をもたらすおそれがある。

これらの問題のいくつかを抑制するために、マスフローコントローラは製造の間に調整および／または較正され得る。製造は一般的に、動作条件の組の下でテスト流体でマスフローコントローラを動作させることと、満足な挙動を示すようにマスフローコントローラを調整および／または較正することとを含む。

当業者には公知であるように、マスフローコントローラを調整および／または較正するプロセスは費用の高い労働集約的な手順であって、しばしば１人以上の熟練したオペレータおよび専門の器具を必要とする。たとえば、マスフローコントローラのマスフローセンサ部分は、既知の量の既知の流体をセンサ部分に流し、適切な応答を提供するようにある種のフィルタまたは構成要素を調節することにより調整され得る。次いでバイパスがセンサに搭載され、バイパスは、さまざまな既知の流量で主流路を流れる既知の流体の適切な割合を反映するように、既知の流体で調整される。次いでマスフローセンサ部分およびバイパスは、コントロールバルブおよび制御電子素子部分に嵌め合わされ、次いで既知の条件下で再び調整される。

エンドユーザによって用いられる流体の種類が調整および／または較正の間に用いられたものと異なる場合、またはエンドユーザによって用いられる入口および出口圧力、温度、流量の範囲のような動作条件が調整および／または較正の間に用いられたものと異なる場合、マスフローコントローラの動作は一般的に劣化する。この理由から、付加的な流体（「代理流体」と称する）および／または動作条件がしばしば調整または較正されて、満足な応答を提供するのに必要な何らかの変化がルックアップテーブルに記憶される。

異なった流体でのおよび異なった動作条件での付加的な調整および／または較正の使用を、マスフローコントローラの性能を向上させるために用い得るが、この種の代理調整および／または較正は、調整および／または較正手順が少なくとも各代理流体ごとに繰返されねばならず、かつおそらくは各代理流体ごとに異なった動作条件の数だけ繰返されねばならないので、時間がかかりかつ費用が高い。さらに、代理流体はエンドユーザによって用いられ得るさまざまな種類の流体の挙動に近似するだけなので、エンドユーザ側でのマスフローコントローラの実際の動作は調整および／または較正の間のものとは実質的に異なり得る。マスフローコントローラを用いる産業および用途の広い範囲を考慮すると、エンドユーザによってマスフローコントローラに適用されるプロセス流体および動作条件は、いくつもの異なった代理流体および動作条件でのマスフローコントローラの調整および／または較正にもかかわらず、マスフローコントローラが調整および／または較正されたテスト流体および動作条件とは異なるであろう。したがって、動作条件に反応せず、かつ多くの較正および／または調整を必要としない装置が要求される。

流体流れを制御するためにマスフローコントローラが結合される流路は、フローメータが流れを感知する部分を含み得るが、この部分は上述のようにバイパスおよびセンサ導管を有する。流路にはしばしば、流路の入口側での圧力を制御するための圧力レギュレータが設けられる。典型的には、圧力レギュレータはフローメータが結合される流路の部分の上流に設けられる。

圧力レギュレータは、流路の所望の入口圧力を維持する。圧力レギュレータは一般的には誤りなしには動作せず、流路内に圧力過渡または他の所望の圧力からの逸脱を導入し得る。これらの逸脱は、マスフローコントローラの性能に対する悪影響を有し得る。しばしばマスフローコントローラはこれらの不所望の圧力過渡を可能な限り吸収しなければならず、これらの不所望の過渡は、典型的にはマスフローコントローラの制御の精度および性能の品質を劣化させる。

発明の概要
この発明の１つの局面は、フローコントローラにおける方法を含み、該フローコントローラは、入口側と出口側とを有する流体流路に結合されるフローセンサを含み、フローセンサは流路を通る感知された流体流れを示すセンサ出力信号を提供するよう適合され、方法は、流路の少なくとも１つの圧力を測定することと、少なくとも１つの圧力を測定することに基づきセンサ出力信号を調節することとを含む。一実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの圧力に基づき、少なくとも１つの圧力信号を形成することをさらに含む。一実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの圧力信号をフィルタリングして、流路における圧力変化によるフローセンサの応答をエミュレートする偽の流れ信号を提供することをさらに含む。一実施例に従うと、方法は、センサ出力を調節することは、センサ出力信号から偽の流れ信号を差し引くことを含むことをさらに含む。

この発明の別の局面は、フローセンサからのセンサ出力信号を修正する方法を含み、方法は、流路の少なくとも１つの圧力測定値に基づき圧力における変化によるフローセンサの応答に対応する偽の流れ信号を形成することと、偽の流れ信号をセンサ出力信号から差し引くこととを含む。一実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの圧力測定値を示す圧力信号を提供することをさらに含む。一実施例に従うと、方法は、偽の流れ信号を形成することは、圧力信号がセンサ出力信号に対し適時に実質的に整列されるように、圧力信号を遅延させることを含むことをさらに含む。一実施例に従うと、方法は、偽の流れ信号を形成することは、圧力信号を微分することを含むことをさらに含む。一実施例に従うと、方法は、偽の流れ信号を形成することは、圧力信号を少なくとも１つのフィルタでフィルタリングすることを含むことをさらに含み、少なくとも１つのフィルタは、流路における圧力変化に対するフローセンサの応答をエミュレートする転換機能を有する。一実施例に従うと、少なくとも１つのフィルタは、直列に接続される複数の二次フィルタを含み、複数の二次フィルタの各々からの出力は、スケーリングされて合計され、偽の流れ信号を提供する。

この発明の一局面は、流路に結合されるフローセンサによって提供されるセンサ出力信号から偽の流れ情報を除去する方法を含み、偽の流れ情報は、圧力過渡により生じる流れ変化に応答するフローセンサから生じる。方法は、流路における少なくとも１つの圧力を測定することと、少なくとも１つの圧力測定値を示す少なくとも１つの圧力信号を提供することと、少なくとも１つの圧力信号から偽の流れ信号を形成することと、センサ出力信号から偽の流れ信号を差し引いて、流路における流体流れを示す流れ信号を提供することとを含む。

この発明の一局面は、空き容量補償の方法を含み、方法は、流体流路における圧力変化による空き容量を満たす流体に対するセンサの応答を予測することと、予測される応答に基づき、センサによって提供されるセンサ出力信号を修正して、センサ出力信号から偽の流れ情報を本質的に除去することとを含む。

この発明の別の局面は、導管内を流れる流体の流量を判断する方法を含み、方法は、ａ）導管内を流れる流体の流量を感知することと、ｂ）導管内を流れる流体の圧力における
変化を測定することと、ｃ）（ａ）によって感知された流体の流量に対する圧力における変化の影響を判断することと、ｄ）圧力における変化の影響に基づき、流体の感知された流量を修正して、導管内を流れる流体の流量を判断することとを含む。

この発明のさらに別の局面は、流路内の流体流れを測定するよう適合されるフローセンサを含むフローメータに関し、フローセンサは流路における感知された流体流れに応答してセンサ出力信号を提供し、フローメータはさらに流路における少なくとも１つの圧力を測定する少なくとも１つの圧力変換器を含み、少なくとも１つの圧力変換器は、少なくとも１つの圧力のそれぞれに関する少なくとも１つの圧力信号を提供し、フローメータはさらに、少なくとも１つの圧力信号を受ける補償フィルタを含み、補償フィルタは、流路における圧力過渡に対するフローセンサの応答に近似する偽の流れ信号を形成するよう適合され、フローメータはさらに、センサ出力信号と偽の流れ信号とを受けて、センサ出力信号と偽の流れ信号との差に関する流れ信号を提供する減算器を含む。この発明の一実施例に従うと、補償フィルタは、少なくとも１つの圧力信号を、圧力過渡に対するフローセンサの応答に適時に実質的に整列するように、遅延させる遅延ブロックを含み、遅延ブロックは少なくとも１つの遅延圧力信号を提供する。この発明の一実施例に従うと、補償フィルタは遅延圧力信号を受ける微分器を含み、微分器は遅延圧力信号の導関数を決定して導関数信号を提供するよう適合される。

この発明の別の局面は、圧力信号から偽の流れ信号を生成するための補償フィルタに関し、補償フィルタは、流路における圧力を示す圧力信号を受ける微分器を含み、微分器は圧力信号の導関数を判断して導関数信号を提供するよう適合され、補償フィルタはさらに、導関数信号を、圧力過渡に応答してフローセンサによって生成される偽の流れ情報を示す偽の流れ信号に変換するよう適合される、転換機能を有する少なくとも１つのフィルタを含む。

この発明の一局面は、バルブの制御される部分の位置における流体圧力誘導変化を補償する方法に関し、方法は、バルブ環境における少なくとも１つの圧力を測定することと、少なくとも１つの圧力測定値をそれぞれ示す少なくとも１つの圧力信号を提供することと、少なくとも１つの圧力信号に基づき、バルブの制御される部分の変位を計算することと、補償駆動レベルを生成して、バルブの制御される部分を、計算された変位の反対の符号を有しかつ絶対値において計算された変位と実質的に等しい量だけ移動させることとを含む。

この発明の別の局面は、圧力過渡によるバルブの制御される部分の移動を防ぐ方法を含み、方法は、バルブ環境の少なくとも１つの圧力測定値に基づき、圧力過渡がバルブの制御される部分に強いて移動させる変位を予測することと、バルブの制御される部分を、予測される変位を打ち消すよう移動させることとを含む。

この発明の一局面は、流路に結合される装置を含み、装置は、流路環境における少なくとも１つの圧力を測定して、少なくとも１つの測定された圧力を示す少なくとも１つの圧力信号を提供する圧力測定装置と、少なくとも１つの圧力信号を受けて、流路環境における圧力変化によって生じる、流路に結合されるバルブのバルブ変位を補償するための駆動レベルを示す変位補償信号を提供するための変位補償手段とを含む。

一実施例に従うと、変位補償手段は、力バルブモデルに基づき変位補償信号を計算するための手段を含む。別の実施例に従うと、力バルブモデルは、バルブの磁気モデルを含む。一実施例に従うと、力バルブモデルは、バルブ環境における圧力勾配を示すパラメータを有する。

この発明の一局面に従うと、フローメータが提供され、フローメータは、流体流路における流体流れを感知して、感知した流体流れを示すセンサ出力信号を提供するよう適合されるフローセンサと、流体流路環境における少なくとも１つの圧力を測定して、少なくとも１つの測定された圧力を示す少なくとも１つの圧力信号を提供するよう適合される少なくとも１つの圧力変換器と、少なくとも１つの圧力信号を受けて、少なくとも１つの圧力信号に関する偽の流れ信号を形成する補償フィルタとを含む。

一実施例に従うと、偽の流れ信号は、流路における圧力過渡によって生じる流れ変動に対するフローセンサ応答から生じる偽の流れ情報を再生成するよう形成される。別の実施例に従うと、補償フィルタは、流路における圧力過渡に対するフローセンサの応答をエミュレートする転換機能を含む。一実施例に従うと、偽の流れ信号は、センサ出力信号から差し引かれて流れ信号を提供する。この発明の別の局面に従うと、流路に結合されるマスフローコントローラにおいて、マスフローコントローラは、フローメータ、コントローラ、バルブアクチュエータおよびバルブを含む制御ループを有し、方法が提供され、方法は、流路環境における少なくとも１つの圧力を測定することと、少なくとも１つの圧力測定値を示す少なくとも１つの圧力信号を提供することと、少なくとも１つの圧力測定値に基づき少なくとも１つの補償信号を決定することと、少なくとも１つの補償信号をマスフローコントローラの制御ループに適用することとを含む。

一実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの補償フィルタを決定することは、偽の流れ信号を形成して、流路環境における圧力過渡に対するフローメータの応答から生じる偽の流れ情報を再生成することを含むことをさらに含む。別の実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの補償信号を制御ループに適用することは、偽の流れ信号を制御ループに適用して、流路における圧力過渡による流体流れにおけるフローメータ応答変動を補償することを含むことをさらに含む。さらなる実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの補償信号を決定することは、圧力過渡によるバルブ変位を補償するための駆動レベルを示す変位補償信号を決定することを含むことをさらに含む。一実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの補償信号を決定することは、偽の流れ信号および変位補償信号を決定することを含むことをさらに含む。

この発明のさらに別の局面に従うと、マスフローコントローラが提供され、マスフローコントローラは、流体流路における流体流れを感知し、流路における質量流量を示す流れ信号を提供するよう適合されるフローメータと、フローメータに結合され、少なくとも一部は流れ信号に基づき駆動信号を提供するよう適合されるコントローラと、コントローラから駆動信号を受けるよう適合されるバルブアクチュエータと、バルブアクチュエータによって制御されるよう適合され、流体流路に結合されるバルブと、マスフローコントローラ環境における少なくとも１つの圧力を測定し、少なくとも１つの圧力の測定値を示す少なくとも１つの圧力信号を提供する少なくとも１つの圧力変換器と、少なくとも１つの圧力信号を受け、マスフローコントローラ環境における圧力変化の影響を補償するための少なくとも１つの補償信号を制御ループに与える少なくとも１つの補償手段とを含み、マスフローコントローラの制御ループはフローメータと、コントローラと、バルブアクチュエータと、バルブとを含む。

一実施例に従うと、少なくとも１つの変換器は、流路の入口圧力を測定して、入口圧力信号を提供する。一実施例に従うと、少なくとも１つの補償手段は、入口圧力信号を受けて、入口圧力信号から偽の流れ信号を形成する補償フィルタを含む。別の実施例に従うと、フローメータは、流路における流体流れを感知するよう適合され、かつ感知した流体流れを示すセンサ出力信号を提供するよう適合されるフローセンサを含む。別の実施例に従うと、補償フィルタは、入口圧力における変化から生じる流体流れに対するフローセンサの応答をエミュレートする転換機能を有する。

別の実施例に従うと、偽の流れ信号は、入口圧力における変化から生じるセンサ出力信号の偽の流れ情報成分を再生成するよう形成される。一実施例に従うと、流れ信号は、センサ出力信号から偽の流れ信号を差し引くことにより決定される。一実施例に従うと、補償手段は変位補償手段を含み、変位補償手段は、入口圧力信号を受けて、バルブの制御される部分をバルブの圧力環境において実質的に動きなく維持する駆動レベルを示す変位補償信号を提供する。一実施例に従うと、変位補償信号は駆動信号に追加されて、バルブの圧力環境における圧力勾配から生じるバルブ変位を補償する。一実施例に従うと、変位補償信号は、バルブの力モデルに部分的に基づく。一実施例に従うと、バルブの力モデルは、バルブの磁気モデルを含む。

一実施例に従うと、バルブの力モデルは、バルブをわたる少なくとも１つの圧力降下に対するパラメータを含む。一実施例に従うと、補償手段は、少なくとも１つの圧力信号を受けて、圧力過渡に応答するフローメータから生じた偽の流れ情報を再生成するよう形成される偽の流れ信号を提供する補償フィルタと、少なくとも１つの圧力信号を受け、圧力変化によって生じたバルブ変位を補償するための駆動レベルを示す変位補償信号を提供する変位補償手段とを含む。

この発明の一局面は、プロセス動作条件での動作に対しマスフローコントローラを構成する方法を含み、該動作条件は、マスフローコントローラの製造の間に用いられたテスト動作条件とは少なくとも一部で異なり、方法は、マスフローコントローラの応答をテスト動作条件で確立することと、プロセス動作条件で動作するマスフローコントローラの応答が実質的に変化しないように、プロセス動作条件に基づきマスフローコントローラの少なくとも１つの制御パラメータを修正することとを含む。

一実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの制御パラメータを修正することは、プロセス動作条件に基づきマスフローコントローラの複数の構成要素に関連付けられる複数のプロセス利得項を決定することを含むことをさらに含み、複数の構成要素はマスフローコントローラの制御ループを形成する。一実施例に従うと、方法は、複数のプロセス利得項を決定することは、複数のプロセス利得項の積の逆数をとることにより形成されるプロセス逆利得項を決定することを含むことをさらに含み、プロセス逆利得項は、少なくとも１つの可変動作条件の関数である。一実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの可変動作条件は、マスフローコントローラ環境における少なくとも１つの圧力を含むことをさらに含む。一実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの可変動作条件は、入口圧力を含むことをさらに含む。一実施例に従うと、方法は、少なくとも１つの可変動作条件はセットポイントを含むことをさらに含む。

この発明の一局面は、プロセッサでの実行のためのプログラムをエンコードされるコンピュータ読出可能媒体を含み、プログラムは、プロセッサで実行された場合に、マスフローコントローラを、製造の間にマスフローコントローラの応答を確立するために用いられたテスト動作条件の組とは少なくとも一部が異なるプロセス動作条件の組での動作に対して構成する方法を実行し、方法は、プロセス流体種情報とプロセス動作条件とのうちの少なくとも１つを入力として受けることと、マスフローコントローラの応答が、プロセス動作条件で動作された場合に実質的に変化しないよう、入力に基づきマスフローコントローラの少なくとも１つの制御パラメータを修正することとを含む。

一実施例に従うと、少なくとも１つの制御パラメータを修正することは、プロセス動作条件で動作するマスフローコントローラの複数の構成要素に関連付けられる複数のプロセス利得項を決定することを含み、複数の構成要素はマスフローコントローラの制御ループを形成する。一実施例に従うと、複数の利得項を決定することは、複数の利得項の積の逆
数をとることにより形成されるプロセス逆利得項を決定することを含み、プロセス逆利得項は、少なくとも１つの可変動作条件の関数である。一実施例に従うと、少なくとも１つの可変動作条件は、マスフローコントローラ環境における少なくとも１つの圧力を含む。一実施例に従うと、少なくとも１つの可変動作条件は、入口圧力を含む。一実施例に従うと、少なくとも１つの可変動作条件はセットポイントを含む。

この発明の別の局面においては、制御ループを有するマスフローコントローラが提供される。マスフローコントローラは、流体流路における流体流れを感知するよう適合されて、流路における質量流量を示す流れ信号を提供するフローメータと、フローメータに結合され、流れ信号に少なくとも部分的に基づき駆動信号を提供するよう適合されるコントローラと、コントローラから駆動信号を受けるよう適合されるバルブアクチュエータと、バルブアクチュエータにより制御されるよう適合されかつ流体流路に結合されるバルブとを含み、マスフローコントローラの制御ループは、フローメータと、コントローラと、バルブアクチュエータと、バルブとを含み、制御ループは、動作の間に少なくとも１つの可変動作条件に対して実質的に一定である制御ループ利得項を有するよう適合される。

一実施例に従うと、少なくとも１つの可変動作条件は、マスフローコントローラ環境における少なくとも１つの圧力を含む。一実施例に従うと、少なくとも１つの可変動作条件は入口圧力を含む。一実施例に従うと、少なくとも１つの可変動作条件はセットポイントを含む。

この発明の別の局面に従うと、圧力信号から偽の流れ信号を生成するための補償フィルタが提供される。補償フィルタは複数のフィルタを含み、それらのうち少なくとも２つは直列に接続され、少なくとも２つのフィルタの各々のそれぞれの出力は、スケーリングされ合計される。この発明の一実施例においては、補償フィルタは圧力信号を微分するよう適合されて、複数のフィルタに微分された信号を提供する微分器をさらに含む。別の実施例に従うと、補償フィルタは、圧力信号を遅延させて、複数のフィルタに遅延された圧力信号を与える遅延部をさらに含む。

発明の詳細な説明
この出願は、２００２年４月２４日に出願のマスフローコントローラのためのシステムおよび方法と題する米国特許出願連続番号第１０／１３１，６０３号に関する主題を含み、その全体が引用によりここに援用される。

典型的には流体流路は圧力環境に存在する。圧力環境は、流路の入口側での圧力（入口圧力と称する）と、バルブの出口側での圧力（出口圧力と称する）と、環境内の他の圧力とを含み得る。たとえば、流路の圧力環境は、バイパスを渡るまたはバルブを渡る圧力降下のような差圧をも含み得る。圧力環境はまた、レギュレータによって導入されるパルス、フローセンサのジオメトリによって生じる乱流、または他のさまざまな圧力摂動を含むさまざまな圧力過渡をも含み得る。しかしながら、圧力環境は頻繁には監視されない。したがって、マスフローコントローラの性能は、流体流れを制御する目的でコントローラが結合される流路における圧力過渡の影響を受けやすいおそれがある。

この発明の１つの局面に従うと、出願人らは、流路の圧力環境の測定値を、圧力環境における変化によって生じるマスフローコントローラの性能劣化、不安定さ、および／または不正確さを減じるかまたはなくすために用い得ることを認識した。したがって、出願人らは流路およびマスフローコントローラの圧力環境における圧力過渡を補償するためのさまざまな方法を開発した。

上述のように、マスフローコントローラは典型的には流体流路における流体流れを感知するフローメータを含む。フローメータによって感知される流量はしばしば、流路の出口側でプロセス（たとえば半導体製造プロセス）に提供される流体の流量を制御するフィードバック制御ループの一部である。

多くの場合、プロセスに与えられる実際の流量は正確に制御されなければならない。しかしながら、圧力過渡はフローメータによって感知される流体流れにおける局所的変動をもたらし得る。これらの局所的変動は、プロセスに提供されている実際の流量の正確な指標ではないおそれがある。この偽の流れ情報は、次いでマスフローコントローラの制御ループに与えられる。コントローラは次いで、偽の流れ情報に応答してプロセスに提供される流量を調節し得る。したがって、コントローラはプロセスの制御を瞬間的に失い、および／または不所望の流量をプロセスに与えるおそれがある。

ここで用いられる場合、偽の流れという用語は、プロセスに与えられる実際の流れに対応しない流体の流れを指す。たとえば、流路の出口側では実質的に生じない、流体流れにおける局所的ばらつきまたは変動は、偽の流れと考えられる。したがって、偽の流れ情報は一般的に、プロセスに与えられている流量に対応しない流れの指標を記述する。

この発明の一実施例に従うと、流路の圧力（たとえば入口圧力）を測定し、この情報を取入れた制御システムを提供することが有利であると理解される。より特定的には、圧力過渡による性能劣化を低減するためには、流路における圧力を測定し、圧力における変化に応答してマスフローコントローラの制御パラメータを調節することが望ましいであろう。

この発明の一実施例は、流路における入口圧力を測定することと、マスフローコントローラに入口圧力測定値を与えることとを含む。たとえば、圧力変換器が流路に結合されて、流路の入口圧力を示す圧力信号を与えてもよい。

出願人らは、圧力信号をマスフローコントローラに与えることにより、マスフローコントローラの従来の動作におけるさまざまな欠点に対処可能であることを認識し理解した。したがって出願人らは、圧力信号を用いてマスフローコントローラの性能および精度を向上させるためのさまざまな方法を識別した。この発明の一実施例に従った１つの方法は、マスフローコントローラに結合された流路における圧力過渡によって生じ得るスプリアスな流れ信号を補償することを含む。

マスフローコントローラに対して悪影響を有し得る流路における圧力過渡に関連付けられる１つの問題を以下に説明する。流路における圧力が変化した場合、流体は、圧力における変化により生成された空き容量（dead volume）と称する容量を満たすために圧力勾配を加速的に下降する。フローメータのセンサは、この流体の空き容量への局所的加速による流体流れにおける上昇を空き容量に記録し得る。しかしながら、これは偽の流体の流れであると考えられるが、なぜならばこの流れはプロセスに与えられている流れを示さないからである。したがって、センサからのセンサ出力信号は偽の流れ情報を担持するが、これはマスフローコントローラの制御ループを伝搬する。上述のように、この偽の流れ情報はマスフローコントローラの精度および性能に対して不所望の結果を有し得る。

図１２Ａは、圧力パルスの形での圧力過渡が流路の入口側に導入される場合を示す。グラフ１２００ａは、圧力パルス１２１０のグラフを時間の関数として示す。圧力パルス１２１０は、流路の入口側に導入される。その結果、フローセンサは図１２Ｂのグラフ１２００ｂに示されるようにセンサ出力信号１２２０で応答する。流路の実際の流れ（すなわち、プロセスに送達される流れ）が変化していないと仮定すると、センサ出力信号におけ
るスパイクは実際の流れに対して大きな偽の流れ成分を含む。したがって、マスフローコントローラはそれに応じて流れスパイクに反応し、瞬間的にプロセスの制御を失い得る。

この発明の一実施例に従うと、出願人らは、流路における圧力測定値を用いて、偽の流れ指標を予期し、それらがマスフローコントローラに及ぼし得る負の影響を補償し得ることを認識した。この発明の一実施例は、流体流路における圧力を測定することと、圧力測定値に基づき流路に結合されるフローセンサによって与えられる出力信号を調節することとを含む、流れを制御するための方法を含む。

圧力過渡によって生じる流体流れ変動に対するフローセンサの応答を分析することにより、出願人らは圧力過渡に応答してフローセンサによって与えられる流れ信号の偽の流れ情報を再生成する偽の流れ成分を発生するための方法を開発した。この発生された偽の流れ信号は、システムによって用いられてフローセンサ出力におけるスパイクを補償し得る。たとえば、この信号は補償器によって用いられて、出力におけるスパイクから生じた誘導された値を駆動する運動（induced value drive motion）を減じ得る。

図１１Ａから図１１Ｄは、流体流路において測定された圧力を示す圧力信号からの偽の流れ信号を発生するためのこの発明の一実施例を示す。偽の流れ信号は、フローセンサから与えられる流れ信号から差し引かれて、偽の流れ情報を含まない指標流れ信号を生成し得る。したがって、偽の流れ情報が（たとえばプロセスに不所望の流れが与えることにより）コントローラに誤って応答させることを防止する。

図１１Ａに示すグラフ１１００ａは、圧力過渡を示し、特に、動作の間に流路が受ける圧力パルス１１１０を示す。図１１Ｂのグラフ１１００ｂは、圧力パルス１１１０から生じる圧力信号１１２０を示す。圧力信号は、流路に結合されて流路のいくつかの部分で圧力を測定するよう適合される圧力測定装置（たとえば圧力変換器）によって測定され得る。

図１１Ｃは、流路２００を有するシステム１１００ｃを示し、フローセンサ１１４０が流路２００における流体流れを感知するために流路２００に結合されている。示されるように、圧力パルス１１００が流路２００の入口で（たとえば上流のレギュレータの非理想的性能によって）流路２００に導入される。圧力パルス１１００は、フローセンサ１１４０によって感知された流体流れにおける局所的変動を生じさせ得る。するとフローセンサ１１４０は、偽の流れ情報で破損したセンサ出力信号１１５０を生成する。

この発明の一実施例に従うと、偽の流れ情報を補償する補償フィルタが提供される。この発明の一実施例においては、図１１Ｄに示すように、変換器２９５によって生成される圧力信号１１２０を受信し、偽の流れ信号１１６０を生成する補償フィルタ１１８０が提供される。フィルタ１１８０が流路の一部における圧力を示す圧力情報を受けるので、補償フィルタ１１８０は圧力過渡から生じる流体流れ変動に対してフローセンサが有するであろう応答を予測することができる。

したがって、フィルタ１１８０はセンサによって生成される偽の流れ情報に極めて類似した偽の流れ信号を形成し得る。より特定的には、フィルタ１１８０はフローセンサ１１４０によって生成される偽の流れ情報を再生成し、かつこの情報を偽の流れ信号１１６０として提供する。偽の流れ信号１１６０は次いでセンサ出力信号１１５０から差し引かれて、圧力パルス１１００の影響を効果的に除去する。一実施例においては、偽の流れ信号は、圧力過渡によって生じた流れ変動に応答してフローセンサの挙動をエミュレートする転換機能（transfer function）を含む。

この発明の一実施例に従うと、フローセンサの挙動をエミュレートする補償フィルタ８００が提供される。より特定的には、図８は、時間遅延ブロック８１０、微分器８２０、直列接続された二次フィルタ８３０ａ−ｆのバンク（総称してアイテム８３０）、および加算器８４０を含む補償フィルタ８００を示す。補償フィルタ８００は、圧力信号１１２０を受けて、それを時間遅延ブロック８１０に提供する。時間遅延ブロック８１０は、遅延された出力信号がセンサ出力信号（図示せず）と適時に整列されるよう圧力信号を遅延させる。特に、いくらかの有限量の時間が、圧力過渡とフローセンサが圧力過渡に応答したときとの間で経過する（すなわち、圧力パルスと偽の流れ情報がセンサ出力信号に表われるときとの間に遅延が存在する）。したがって、圧力信号は、発生された偽の流れ信号がセンサ出力信号の適切な部分から差し引かれるように遅延され得る。

遅延ブロック８１０は遅延された圧力信号８１５を微分器８２０に提供するが、これは遅延された圧力信号８１５の導関数を計算し、かつ導関数信号８２５を直列の二次フィルタ８３０に提供する。遅延された圧力信号の導関数が計算されるのは、圧力過渡から生じる偽の流れは圧力過渡から生じる圧力勾配に比例するからである。さらに、遅延された圧力信号の導関数は、一定の圧力が０の偽の流れ信号をもたらすことを確実にする。すなわち、圧力信号が一定である場合、補償フィルタはセンサ出力信号に何ら影響しない。

導関数信号８２５は、一連のフィルタ８３０における第１の二次フィルタ８３０ａに与えられる。各二次フィルタの出力は、一連のフィルタ８３０における次の二次フィルタへの入力として与えられる。さらに、各二次フィルタからの出力は取り出されて（tapped off）、それぞれの利得ブロック８５０ａ−８５０ｆに与えられるが、これらは各フィルタのそれぞれの出力をそれぞれの一定の利得係数Ｋ_nでスケーリングする。

個々の二次フィルタからのスケーリングされた出力の各々は、流れ信号１１６０の形成に寄与する。加算器８４０は、スケーリングされた出力の寄与（contributions）を合計し、偽の流れ信号１１６０を与える。一実施例においては、偽の流れ信号１１６０は圧力過渡に応答してフローセンサによって提供される偽の流れ情報の再生成物である。したがって、偽の流れ信号１１６０は、センサ出力から差し引かれてこの偽の流れ情報を補償し得る。

図８に示されるフィルタの数およびフィルタの種類は限定的ではないことを理解されたい。実際には、どのようなオーダおよび配置のどのようなフィルタ構成を用いても偽の流れ信号を提供し得る。図８に示される構成は、出願人らが有用であると認定した、無駄時間、立上がり時間、オーバーシュートおよび放物線属性（parabolic attributes）のような偽の流れ信号の特徴に対する十分な制御が提供され、それにより、圧力過渡に応答してセンサ出力信号に重畳された偽の流れ情報に極めて類似する偽の流れ信号が再生成され得るのを示す。しかしながら、当業者に想起される他のフィルタ設計および配置も適用可能であり、この発明の範囲内にあると考慮される。たとえば、いくつかの構成要素（たとえば、遅延ブロック８１０、微分器８２０）のオーダは異なり得るおよび／または１つ以上のこれらのブロックがともに削除され得る。

１つの例において、図８に示すフィルタの一実施例の設計が以下に詳細に説明される。一般化された二次フィルタの二次転換機能は以下のように表わすことができる。

Ｋ／（ｓ²＋２ξω_nｓ＋ω_n ²） （１）
ただし、
Ｋ＝利得
ｓ＝ラプラス演算子
ω_n＝固有周波数
ξ＝減衰定数
各フィルタを互いから独立して適応させることができるように、スケーリング因子が追加され得る。したがって、フィルタバンク８３０は「高さ」（利得）、「幅」（周波数応答）およびオーバー／アンダーシュート（減衰）の意味において異なった応答を提供するよう最適化され、それにより形成された偽の流れ信号の形状はスケーリング因子ξ、ω、およびδを変化させることにより「ダイヤル調整される（dialed）」。

例示的な特定の転換機能は次のように表わすことができる。

Ｋδω_n ²／（ｓ²＋２ξδω_nｓ＋δ²ω_n ²） （２）
転換機能におけるＫ項は定数利得係数Ｋ_nとして示される。したがって、各二次フィルタからの出力はＫ_nによって乗算されて、加算器８４０に与えられる。加算器８４０は、各フィルタからの寄与を合計して偽の流れ信号１１６０を提供する。偽の流れ信号１１６０はセンサ出力信号から差し引かれて、指標流れ信号を提供する。したがって、圧力過渡により流れ信号に重畳された偽の流れ情報は、形成された偽の流れ信号により差し引かれて、流路の出力側でプロセスに供給される実際の流れを示す流れ信号を残す。

マスフローコントローラはしばしば、マスフローコントローラのさまざまな動作条件に対するマスフローコントローラ依存性のさまざまな成分における非線形性を含む要因または他の要因による不安定さの影響を受けやすい。動作条件という用語は、制御可能でありマスフローコントローラの動作に影響を及ぼし得るさまざまな条件のいずれにも一般に当てはまる。特に、動作条件は、特定のマスフローコントローラから独立して制御し得るさまざまな外部条件に当てはまる。例示的な動作条件は、これらに限定されるものではないが、流体の種、セットポイントまたは流量、入口および／または出口圧力、温度などを含む。

しかしながら、特定のフローコントローラから独立しては制御し得ない、信号特徴、システムノイズまたは摂動のような他の内部条件がマスフローコントローラの動作の間に存在し得ることを理解されたい。特に、マスフローコントローラによって用いられるさまざまな信号は多くの異なった周波数を含む周波数組成（frequency composition）を有し得る。しかしながら、信号の周波数組成はその信号に固有であり、特定のマスフローコントローラから独立して制御可能とは考えられない。したがって、特に記述しない限り、そのような条件はここで用いられる動作条件という用語に包含されるとは考えられない。

質量流量、流体流れ、および流量という用語は、単位時間ごとに流路の単位面積（たとえば図１の流路１０３）、または流路の一部を流れる流体の量（すなわち、流体質量流束）を記述するためにここで互換可能に用いられる。

種という用語は、特定の流体の例の性質に一般的に当てはまる。種における変化は、マスフローコントローラの性能を変化させるかまたは性能に影響を与える流体の少なくとも１つの性質における変化に当てはまる。たとえば、種における変化は、流体種類における変化（たとえば窒素から水素へ）、流体の組成における変化（たとえば流体が気体または液体の組合せである場合など）、および／または流体または流体の組合せの状態における変化を含み得る。種情報という用語は、特定の流体種を定義する任意の数の性質に一般的に当てはまる。たとえば、種情報はこれらに限定されるものではないが、流体種類（たとえば水素、窒素など）流体組成（たとえば水素および窒素）、分子量、比熱、状態（たとえば液体、気体など）、粘性などを含み得る。

しばしばマスフローコントローラは、制御ループにともに結合されるいくつかの異なった構成要素（すなわちフローセンサ、フィードバックコントローラ、バルブなど）を含む
。制御ループの一部である各構成要素は、関連付けられる利得を有し得る。一般的に、利得という用語は特定の構成要素または構成要素の群の入力と出力との間の関係を指す。たとえば、利得は出力における変化対入力における変化の比を表わし得る。利得は、１つ以上の変数、たとえばマスフローコントローラの１つ以上の動作条件および／または特徴の関数であり得る（たとえば流量、入口および／または出口圧力、温度、バルブ変位など）。一般的に、そのような利得関数はここで利得項と称する。利得項は、およびより特定的には利得項の表現は曲線、関数のサンプル、離散したデータポイント、ポイントの対、定数などであり得る。

マスフローコントローラのさまざまな構成要素の各々または構成要素の群は、関連付けられた利得項を有し得る。評価できる利得項を有さない構成要素は、単位利得を有すると考えられる。マスフローコントローラのさまざまな構成要素に関連付けられる利得項の間の関係はしばしば複雑である。たとえば、異なった利得項が異なった変数の関数であり（すなわち、構成要素の動作条件および／または特徴）、部分的に非線形で、かつ互いに対し不均衡であり得る。

したがって、マスフローコントローラの制御ループを中心とする構成要素に関連付けられる各利得項の寄与は、それ自体が利得項である。この合成利得項は、それ自体が１つ以上の変数の関数であり、かつ動作条件における変化および／またはマスフローコントローラのさまざまな構成要素の特徴に対するマスフローコントローラの感度に、少なくとも部分的に、寄与し得る。

この発明の一実施例に従うと、一定のループ利得を備えた制御ループを有するマスフローコントローラが提供される。一実施例に従うと、一定のループ利得は、マスフローコントローラの制御ループにおける１つ以上の構成要素に関連付けられる利得項の積の逆数を生成することにより逆利得項を求め、逆利得項を制御ループに適用することにより与えられる。一実施例に従うと、圧力信号がマスフローコントローラにおける利得を調節するために用いられ（たとえばマスフローコントローラに関連付けられるＧＬＬコントローラ）、一定の利得を提供する。

ここで用いられる一定のループ利得は、マスフローコントローラの１つ以上の動作条件に対して実質的に一定にとどまるマスフローコントローラの制御ループの利得を記述する。特に、一定のループ利得は、マスフローコントローラに関連付けられる特定の動作条件の関数として、または制御ループに関連付けられる個々の利得項の関数としてばらつくことがない。一定のループ利得は、正確には一定ではない可能性があることを理解されたい。測定、演算および計算における不正確性は、一定のループ利得をばらつかせるおそれがある。しかしながら、そのようなばらつきはここで用いられる一定のループ利得の定義に包含されると考えられるべきである。さらに、一定のループ利得は必ずしもすべての動作範囲または条件をわたって一定である必要はない。しかしながら、動作条件に対して一定のループ利得を有することの１つの利点は、マスフローコントローラが１つの流体に対して動作可能であり（かつ調整および較正され）、他の流体および／または動作条件に対して調整および／または較正される必要がないことを含む。

マスフローコントロールの特定の構成要素の利得は動作周波数に応じてばらつく可能性があり、マスフローコントローラの信号は多くの異なった周波数で周波数成分を有し得ることをさらに理解されたい。しかしながら、周波数は動作条件としては考えられず、したがって、一定のループ利得が一定にとどまる条件としては考えられない。

以下に、マスフローコントローラの制御および構成に対するこの発明に従った方法および装置に関連する、およびそれらの実施例の、さまざまな概念のより詳細な説明を示す。
さまざまな局面が実現され得るそのようなフローコントローラは、特に、２００２年４月２４日出願のマスフローコントローラのためのシステムおよび方法と題する米国特許出願連続番号第１０／１３１，６０３号に記載され、その全体をここに引用により援用する。この発明のさまざまな局面は、そこに説明されるマスフローコントローラにおいて実現され得るが、どのようなマスフローコントローラをも用いることができ、この発明はどのような特定のマスフローコントローラで実現されることにも限定されないことを理解されたい。

上述のおよび以下に概説するこの発明のさまざまな局面は、この発明がいかなる特定の実現例にも限定されないので、さまざまな方法のいずれによっても実現可能であることをも理解されたい。特定の実現例は、例示的な目的でのみ示される。

以下の説明において、この発明のさまざまな局面および特徴が説明される。さまざまな局面および特徴は明確化のために別々に説明される。当業者においては、特徴は特定の用途に依存してマスフローコントローラにおいて選択的に組合せ可能であることが理解されるであろう。

Ａ．マスフローコントローラの制御
図１は、この発明の一実施例に従ったマスフローコントローラの概略ブロック図を示す。図１に示すマスフローコントローラは、フローメータ１１０、利得／進み／遅れ（ＧＬＬ）コントローラ１５０、バルブアクチュエータ１６０およびバルブ１７０を含む。

フローメータ１１０は流路１０３に結合される。フローメータ１１０は、流路または流路の一部の流体の流量を感知し、感知された流量を示す流れ信号ＦＳ２を提供する。流れ信号ＦＳ２は、ＧＬＬコントローラ１５０の第１の入力に与えられる。

さらに、ＧＬＬコントローラ１５０は、セットポイント信号ＳＩ２を受けるための第２の入力を含む。セットポイントは、マスフローコントローラ１００によって与えられるべき所望の流体流れの指標を指す。図１に示されるように、セットポイント信号ＳＩ２は第１に追従速度リミッタまたはフィルタ１３０を通過し、その後ＧＬＬコントローラ１５０に与えられ得る。フィルタ１３０は、流れにおける変化が指定される時間にわたって生じるように、信号ＳＩ１内のセットポイントにおける瞬間的な変化がＧＬＬコントローラ１５０に直接与えられることを制限する役割を果たす。追従速度リミッタまたはフィルタ１３０の使用はこの発明の実施には必要ではなく、この発明のある実施例においては省略されてもよく、かつ所望の流体流れの指標を提供し得るさまざまな信号のいずれもが好適なセットポイント信号と考えられることを理解されたい。セットポイントという用語は、特定の信号を指すことなく、所望の流体流れを表わす値を記述する。

流れ信号ＦＳ２およびセットポイント信号ＳＩ２に部分的に基づき、ＧＬＬコントローラ１５０は、駆動信号ＤＳをバルブ１７０を制御するバルブアクチュエータ１６０に与える。バルブ１７０は典型的にはフローメータ１１０の下流に設けられ、バルブの制御される部分の変位に、少なくとも部分的に依存して、ある質量流量を許可する。バルブの制御される部分は、図１６を参照してより詳細に説明するように、流路の断面をわたって設置される可動プランジャであってもよい。バルブは、流体が流れることを許可される断面における開口部の面積を増大または減少させることにより、流路における流量を制御する。典型的には、質量流量は、所望の量だけバルブの制御される部分を機械的に変位させることにより制御される。変位という用語は一般的に、質量流量が少なくとも部分的に依存するバルブの変数を記述するために用いられる。したがって、断面における開口部の面積は、制御される部分の変位に関連し、一般的にバルブ変位と呼ばれる。

バルブの変位はしばしば、ソレノイドアクチュエータ、圧電アクチュエータ、ステッパアクチュエータなどのバルブアクチュエータによって制御される。図１においては、バルブアクチュエータ１６０はソレノイド型のアクチュエータであるが、他の代替的な種類のバルブアクチュエータも用い得るので、この発明はそれに限定されるものではない。バルブアクチュエータ１６０は、コントローラから駆動信号ＤＳを受け、信号ＤＳをバルブの制御される部分の機械的変位に変換する。理想的には、バルブ変位は純粋に駆動信号の関数である。しかしながら、実施においては、バルブの制御される部分の位置に影響を及ぼす他の変数も存在し得る。

たとえば、図１０に示すバルブにおいて、ジェットオリフィス１０４０および平坦部１０５０の上の、プランジャの裏１０２６とプランジャの面１０２５との間の差圧は、プランジャをジェットに向けようとする。オリフィス上のプランジャ面は、流路の出口圧力に実質的に等しい圧力を受ける。オリフィスの端縁１０４５から平坦部の外側端縁１０５５に向けて、プランジャ面は圧力勾配を受けるが、平坦部の外側端縁での圧力は、センサバイパスを渡るいずれの圧力降下をも除いた入口圧力と実質的に等しい。プランジャの、裏側を含む残りの部分は、センサバイパスを渡るいずれの圧力降下をも除いた入口圧力と実質的に等しい圧力を受ける。したがって、プランジャ１０２０は、次のように表わし得る圧力に依存する力を受ける。力＝（Ｐ_I−Ｐ_O）＊Ａ、ただしＰ_Iは入口圧力に等しく、Ｐ_Oは出口圧力に等しく、Ａはプランジャの有効面積に等しい。プランジャの有効面積は、オリフィスの面積およびオリフィスと平坦部との面積の範囲内で、バルブ間で変化し得る。

したがって、バルブが圧力勾配を受ける場合、この力は変化し、プランジャは、不所望な変位を行なう可能性がある。すなわち、プランジャは、制御ループによって所望であるバルブ変位とは異なったいくらかの量で変位され得る。この不所望の変位は、プロセスに対し意図されない成分を有する流体流れをもたらし得る。さらに、この不所望の変位は以下のように制御ループを振動させ得る。

しかしながら、もしバルブの制御される部分の不所望の動きを生じさせ得る圧力勾配を検出することができれば、この不所望のバルブ変位を補償するようにバルブアクチュエータに適用される駆動信号を調節することができる。換言すれば、検出された圧力過渡下でプランジャを静止して保つのに必要である駆動レベルを示す成分を有するように、駆動信号を調節することができる。

したがって、この発明に従った一実施例は、圧力測定値から変位補償信号を決定することを含み、変位補償信号は、プランジャが圧力勾配により移動することを防ぐために必要な駆動レベルである。変位補償信号は次いでバルブ駆動信号に加えられる。したがって、バルブに適用されるバルブ駆動信号は、マスフローコントローラの制御ループによって所望されるバルブ変位を示す成分と、圧力測定値によって記録された圧力環境においてプランジャを安定して保つために必要である駆動レベルを示す成分とを有する。

圧力環境という用語は一般的に、バルブが受けるさまざまな圧力を指す。バルブの異なった部分が異なった圧力を異なった時間で「見る（see）」可能性があるので、圧力環境という用語はバルブに力を及ぼし得る圧力の組の全体を指すことが意図される。同様に、以下にさらに詳述するように、バルブ環境はバルブに作用し得る力の組を指し、かつ圧力、磁気力、ばね力、機械的力などを含み得る。

この発明に従った一実施例は、バルブの力モデルを用いて、バルブ環境における少なくとも１つの圧力測定値を示す圧力信号から圧力に誘導されたバルブ変位を予測することにかかわる。

図９は、圧力誘導バルブ変位補償の１つの方法を示す。図９は、流路２００の出口側を示す。バルブ１７０は流路に結合されて、出口を通るプロセスへの流体流れを制御する。バルブアクチュエータ１６０は、駆動信号ＤＳ′によって示される駆動レベルに依存して、バルブの変位を制御する。たとえば、バルブおよびバルブアクチュエータ対１７０および１６０は、図１に関連して説明したものと同じであり得る。

さらに、圧力変換器２９５′が流路に結合される。圧力変換器は、バルブ環境における少なくとも１つの圧力を測定する。圧力変換器２９５′は、バルブ環境における少なくとも１つの圧力を示す少なくとも１つの圧力信号を提供する（たとえば入口圧力、出口圧力など）。この例の目的で、圧力変換器は流路の入口圧力を測定し、入口圧力を示す圧力信号２７０″を提供する。圧力変換器はバルブの上流に図示されるが、これはバルブの下流に配置されてもよいことを理解されたい。さらに、１つ以上の圧力変換器が、バルブ環境における何らかの所望の圧力を測定し圧力測定値を示す関連の圧力信号を出力するために、流路に沿って配置されてもよい。

圧力信号２７０″は、変位補償ブロック９２０に与えられる。変位補償は、圧力信号２７０″によって示される圧力環境によりバルブに作用する圧力誘導変位を実質的に打ち消すのに十分である駆動レベルを決定する。変位補償ブロック９２０は、変位補償信号を合計ブロック９５０に与える。合計ブロック９５０では、この変位補償信号はコントローラ１５０から発信された駆動信号ＤＳに加えられる。たとえば、コントローラ１５０は図１に示すＧＬＬコントローラであり得る。合計された駆動信号ＤＳ′は次いでバルブアクチュエータに与えられるが、これは駆動信号ＤＳ′に従いバルブの制御される部分を機械的に変位させる。

したがって、駆動信号ＤＳ′は、圧力環境がバルブ変位に対して有する力の効果を効果的に０にする成分と、制御ループによって提供される成分とを有する。したがって、バルブ環境から生じる正味のバルブ変位は、マスフローコントローラの制御ループによって所望される変位である。

変位補償の一実施例においては、バルブの力モデルが用いられて、圧力環境におけるバルブの圧力誘導変位を決定する。図１３は図９に類似するが、変位補償９２０′は圧力環境における力をモデル化する力モデル１３００を含む。自由浮動プランジャと動作するバルブに対する好適な力モデルについては、「力バルブモデル」と題するセクションＥにおいて説明する。

多くの異なった力モデルが、圧力環境における圧力誘導バルブ変位を予測するために作成され得る。力モデルは、バルブの種類およびバルブが動作することが意図された条件について、多様であり得る。この発明は、いかなる特定の力モデルにも限定されない。

上述のように、マスフローコントローラのさまざまな構成要素は、その動作に関連付けられる利得項を有し得る。たとえば、図１はフローメータ１１０、ＧＬＬコントローラ１５０、バルブアクチュエータ１６０、およびバルブ１７０にそれぞれ関連付けられる利得項Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを示す。これらの構成要素およびそれらの関連の入力および出力信号、特に流れ信号ＦＳ２、駆動信号ＤＳ、バルブ信号ＡＤ、および流路１０３を流れる流体は、マスフローコントローラの制御ループを形成する。これに対し利得Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、該入力と出力との間の関係に関連付けられる。この制御ループを中心とする利得項は、合成制御ループ利得に寄与することを理解されたい。

典型的には、この制御ループ利得項は、制御ループを中心とする利得項の積である（すなわち、制御ループ利得項は積Ａ＊Ｂ＊Ｃ＊Ｄに等しい）。ここで用いられる場合、合成
利得項は、複数の個々の利得項の寄与を含むいかなる利得項をも記述する。ここで用いられる合成利得項についての表記は、合成利得項に寄与する個々の利得項を表わすのに用いられる符号の連結として示される。たとえば、上述の制御ループ利得項は利得項ＡＢＣＤとして表わされる。特に記載しない限り、合成利得項についての上記表記は、その構成要素の利得項の積であるとみなされる。

マスフローコントローラの制御ループに関連付けられる個々の利得項は異なった特徴および依存性を有し得るので、多数の依存性を有し得る合成利得項をもたらす。これらの依存性または変数は、セットポイントまたは流量、流体の種、温度、入口および／または出口圧力、バルブ変位などを含み得る。出願人らは、任意の制御ループ利得項を有するマスフローコントローラは、不安定さに脆弱であり、上記の依存性のいくつかまたはすべてにおける変化に敏感であることを認識し理解した。以下は、図１に示す例示的な利得項の各々の説明である。

利得項Ａはフローメータに関連付けられ、マスフローコントローラを通る実際の流体流れと、フローメータの指標流れ（たとえばＦＳ２）との間の関係を表わす（たとえば、指標流れにおける変化を実際の流体流れにおける変化により除算したもの）。利得項Ａは、少なくとも流量の一定の関数になるよう較正される。しかしながら、この定数は少なくともマスフローコントローラが動作する流体の種に依存し得る。

利得項ＢはＧＬＬコントローラに関連付けられ、フローメータから受ける指標流れ信号ＦＳ２と、バルブアクチュエータから与えられる駆動信号ＤＳとの間の関係を表わす。利得項Ｂは、ＧＬＬコントローラのフィードバック制御において用いられるさまざまな利得および定数に関する。

利得項Ｃはバルブアクチュエータに関連付けられ、駆動信号とバルブの変位との間の関係を表わす。利得Ｃは、駆動信号の電流へのまたは電圧制御信号への変換に関連付けられる利得と、制御信号およびバルブの制御される部分の機械的変位に関連付けられる利得とを含む、２つの別々の利得の組合せを含み得る。

利得項Ｄはバルブに関連付けられ、マスフローコントローラの流量とバルブ変位との間の関係を表わす（たとえば、流量における変化をバルブ変位における変化で除算したもの）。利得項Ｄは、流体の種、入口および出口圧力、温度、バルブ変位などを含むさまざまな動作条件に依存し得る。この発明の、以下により詳細に説明する１つの局面に従うと、任意の流体および動作条件でのバルブに関連付けられる利得項の決定を容易にするバルブの物理的モデルが提供される。

利得項Ｇは、利得項Ａ、ＣおよびＤの積の逆数から形成される逆利得項である。ここでの議論からさらに理解されるように、利得項Ｇは、マスフローコントローラの制御ループに一定のループ利得を与えることにより、動作条件に依らず一貫した態様でマスフローコントローラが動作することを可能にする。

この発明の一局面に従うと、マスフローコントローラの制御ループを中心とするさまざまな構成要素の合成利得項を求めることにより、特定のマスフローコントローラについてシステム利得項が求められる。逆利得項は、システム利得項の逆数を取ることにより形成される。この逆利得項は次いで、制御ループが一定のループ利得で動作するように制御ループに適用される。こうして、制御ループを中心とするさまざまな利得項は多様であるので、逆利得項は一定のループ利得を維持するために多様にされ得る。

マスフローコントローラのループ利得は、マスフローコントローラで用いられる流体の
種類およびマスフローコントローラが動作する動作条件にかかわらず一定に維持されるので、マスフローコントローラの応答は、異なった流体および／または動作条件で安定させることができ、かつマスフローコントローラの製造の間にテスト流体およびテスト動作条件で観察されたものと同じ挙動を示させることができる。

特に記載されない限り、システム利得項は、１つ以上の動作条件の関数として生来的に多様であるマスフローコントローラのさまざまな構成要素に関連付けられる制御ループを中心とする利得項の合成物である。たとえば、図１におけるシステム利得項は合成利得項ＡＣＤである。

図１のブロック１４０において、逆利得項Ｇは、システムゲイン利得ＡＣＤの逆数を取り、それをＧＬＬコントローラへの入力のうちの１つとして適用することにより形成される。逆利得項は、マスフローコントローラの制御ループを中心とするさまざまな構成要素に関連付けられる利得項のすべてよりも少ないものの逆数であり得ることを理解されたい。たとえば、制御および安定性における向上は、合成利得項ＡＣ、ＡＤ、ＣＤなどの逆数を形成することにより達成され得る。しかしながら、好ましい実施例においては、利得項Ｇはループ利得が定数に留まるように形成される（すなわち、利得Ｇはシステム利得項の逆数である）。

発明の１つの局面に従うと、圧力は入口で感知され、マスフローコントローラに関連付けて用い得る圧力信号（たとえば圧力信号１９０）が生成され得る。たとえば、圧力勾配によるスプリアスな指標を補償するためにマスフローコントローラの流れセンサ部分において用い得る圧力信号が生成され得る。さらに、圧力信号は、バルブのフィードフォワード制御のために用い得る。また、圧力信号はＧＬＬコントローラにおける利得を制御するために用い得る。

図２は、フローメータ１１０のより詳細な概略ブロック図を示す。フローメータは一般的に、流路または流路の一部を通る流量を感知し、流量を示す信号を提供するさまざまな構成要素のいずれかを指す。図２のフローメータ１１０は、バイパス２１０、センサおよびセンサ電子素子２３０、センサおよびセンサ電子素子２３０からセンサ信号ＦＳ１を受けるための正規化回路２４０、正規化回路２４０に結合される応答補償回路２５０、および応答補償回路２５０に結合される線形化回路２６０を含む。正規化回路２６０の出力は、図１のマスフローコントローラにおいて図示されるように、流れ信号ＦＳ２である。

図２には示されないが、いくつかの実施例においては、センサ信号ＦＳ１がアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を用いてデジタル信号に変換されて、それにより、マスフローコントローラ１００のさらなる信号処理のすべてがデジタルコンピュータまたはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって行なわれてもよい。好ましい一実施例においては、マスフローコントローラ１００によって行なわれるすべての信号処理はデジタル的に行なわれるが、この発明は、アナログ処理技術もまた代替的に用い得るので、これに限定されるものではない。

図２において、センサ導管２２０は、流路を流れる流体のある部分を迂回させ、流体の残りおよび大部分はバイパスを流れる。センサおよびセンサ電子素子２３０はセンサ導管に結合され、導管を通る流量を測定する。圧力変換器２９５はバイパスの上流の流路２００に結合され、流路２００の入口側で入口圧力を測定する。圧力変換器２９５は、その入口圧力を示す圧力信号２７０を提供する。

上述のように、圧力過渡はセンサおよびセンサ電子素子２３０によって感知される流体流れにおける局所的変動を生じさせ得る。しかしながら、これは、流路の出口側でプロセ
スに与えられる流量を示さないので、偽の流れ情報であると考えられる。したがって、流れ信号ＦＳ０は入口圧力における過渡から生じた偽の流れ情報で破壊されているであろう。たとえば、流れ信号ＦＳ０は、圧力パルスまたは他の圧力過渡によって引き起こされた空き容量を埋めるために急激に流入する流体により引き起こされた局所的流体流れ変動から生じた偽の流れ情報を含み得る。

偽の流れ情報の影響を緩和するために、補償フィルタ２８０は圧力変換器２９５から圧力信号２７０を受け、偽の流れ信号２９０を形成する。偽の流れ信号２９０は圧力間過渡によって引き起こされた流体流れ変動によるセンサおよびセンサ電子素子２３０の誤った応答をモデル化するよう形成される。すなわち、偽の流れ信号２９０は、圧力過渡の結果として流れ信号に重畳される偽の流れ情報に等しいかまたは非常に近似するように形成される。１つの好適な補償フィルタは図８および図１２を参照して詳細に説明した。偽の流れ信号２９０は次いで、流れ信号ＦＳ０から（たとえば減算器２９７により）差し引かれ、偽の流れ情報が効果的に除去されたセンサ信号ＦＳ１を提供する。

センサ信号ＦＳ１は次いで、指標流れ信号ＦＳ２を提供するためにさらに処理される。特に、導管を流れる流体の量は、バイパスを流れる流体の量に比例する。しかしながら、マスフローコントローラが動作することを意図される流量の範囲内で、導管内の流量とバイパス内の流量との関係は線形的ではない可能性がある。

さらに、熱式センサが、導管の区間をわたる温度変化を検出することにより流量を測定する。したがって、いくつかの実施例においては、特に熱式センサを実現するものにおいては、特にマスフローコントローラが動作する流量の範囲の２つの極値で、温度依存性が存在し得る（ここでそれぞれゼロ流れおよびフルスケール流れと称する）。

正規化回路２４０はセンサ信号ＦＳ１を受け、ゼロ流れおよびフルスケール流れで潜在的な温度依存性を補正する。特に、導管および／またはバイパスに流体が流れていない場合（すなわち、ゼロ流れ）、センサはノンゼロセンサ信号を発し得る。さらに、この流れのスプリアスな指標は温度に依存し得る。同様に、センサ信号ＦＳ１はフルスケール流れにおいて温度に依存する変動を受け得る。ゼロ流れでの信号ＦＳ１における温度依存性ばらつきの補正は、いくつかの異なった温度でゼロ流れでセンサ信号ＦＳ１の値を測定し、次いでセンサの温度に基づいて信号ＦＳ１に補正係数を適用することにより行なわれ得る。フルスケール流れでのセンサ信号ＦＳ１の温度依存性ばらつきの補正は、異なった温度の値でのセンサ信号の測定値に基づき、温度に基づいて適切な補正係数を適用することにより、同様の態様で実行され得る。

さらに、温度依存性は、マスフローコントローラが動作することが所望である範囲の全体に沿った特徴点に対して同様に測定され得る。したがって、流量および温度の関数である補正曲線は、ゼロ流れ、フルスケール流れ、およびそれらの間の任意の数の特徴点でとられた測定値に当てはめる（fit）ことができる。この補正曲線は、マスフローコントローラが動作することが意図される流量の範囲をわたる温度依存性の補正を提供し得る。さらに、用いられる流体についての知識および既知の温度に伴なうセンサ性質ばらつきは、正規化２４０の補正係数および／または補正曲線を提供するかまたは向上させるために利用され得る。

正規化回路２４０は、固定された正規化利得をも信号ＦＳ１に与え、それによりセンサ導管を通るフルスケール流れで、正規化信号ＦＳ１′に対して特定の値が得られ、ゼロ流れで別の特定の値（たとえば０）が得られる。

一実施例においては、たとえば、正規化２４０はセンサ導管を通るゼロ流れでは、正規
化信号ＦＳ１′が０．０の値を有し、導管を通るフルスケール流れでは、正規化信号ＦＳ１′が１．０の値を有することを確実にする。ここで用いられる値は単に例示的なものであるので、ゼロ流れおよびフルスケール流れでの正規化信号ＦＳ１′に対してどのような値をも選択し得ることを理解されたい。

正規化信号ＦＳ１′は乏しい動的特徴を有し、それにより流体流れにおける階段状変化に応答して、信号ＦＳ１′は適時に遅延され、フローセンサを通る実際の流れに対して平滑化され得ることを理解されたい。これは、熱式フローセンサが、比較的長い時間期間をわたって熱的変化が生じるにつれて、典型的には遅い応答時間を有するからである。

図３は、この挙動を示す図であり、ここで時間は水平またはＸ軸に沿ってグラフ化され、流れは垂直またはＹ軸に沿ってグラフ化される。図３に示すように、熱式マスフローセンサを通る実際の流れにおける単位階段状変化に応答して、センサによって与えられる信号ＦＳ１は適時に遅延されかつ平滑化される。

これらのセンサ影響を補正しかつ流体流れにおける変化に対するよりよい動的応答を提供するために、正規化信号ＦＳ１′が応答補償回路２５０に与えられる。応答補償回路２５０は機能的には、センサおよびセンサ電子素子２３０の転換機能のほぼ逆のフィルタである。応答補償回路２５０は調節または調整され、それによって、応答補償回路２５０によって提供される整えられた信号ＦＳ１″は、予め定められた立上がり時間を有し、オーバーシュートおよび／またはアンダーシュートの予め定められた最大レベルを有し、かつ予め定められた時間フレーム内で同レベルになり、および／またはマスフローコントローラの特定の実現化のために望ましいであろう他の特徴のために調整される。

図３に示すように、補償された信号ＦＳ１″は、図示されるセンサを通る流体流れにおける階段状変化のプロファイルをより正確に反映したプロファイルを有する。マスフローコントローラのフローメータは、マスフローコントローラの製造の間にそのような補償された信号を提供するように調節され得る。特に、動的応答が、以下にさらに詳細に説明するセンサ調整ステップの間に調整され得る。

上に簡単に説明したように、センサ導管を流れる流体のバイパスを流れる流体に対する割合は、流体の流量に依存し得る。さらに、センサおよびセンサ電子素子における非線形性は、実際の流体流れと異なった流量でセンサによって提供される感知された流れ信号との関係をより複雑にする。その結果、感知された流れ対流体流れを表わす曲線は、線形的ではない可能性がある。

これらの非線形性の多くは、正規化２４０および応答補償２５０に当てはまることを理解されたい。したがって、直接的な議論は、センサ信号ＦＳ１、ＦＳ１′およびＦＳ１″のいずれにも密接な関係がある。センサ出力という用語はここで、線形化される前のセンサ信号を記述するために用いられる（すなわち、線形化回路２６０に先立つ）。特に、かつ特に記述しない限り、センサ出力は、センサによって生成され、かつ正規化２４０および応答補償２５０によってそれぞれ正規化および補償されているが、線形化されていない（たとえばＦＳ１″）信号を記述する。また、正規化および補償ステップは、それらが図２で適用される順序に従う必要がなく、実際には交換可能であることをも理解されたい。

線形化２６０は、センサ出力（すなわち、ＦＳ１″）の非線形性を補正する。たとえば、線形化２６０は、ゼロ流れで０の値、フルスケール流れの２５％で．２５の値、フルスケール流れの５０％で．５の値、フルスケール流れで１．０の値などを有するであろう流れ信号を提供する。線形化２６０は、図１に示されるようにＧＬＬコントローラ１５０の入力に与えられる流れ信号ＦＳ２を提供する。ここで指標流れという用語は一般的に、線
形化された後のフローメータによって提供される流れ信号（たとえば流れ信号ＦＳ２）を記述するために用いられる。

たとえば多項式線形化、区分線形近似などのような、センサ出力を線形化する方法はいくつか存在するが、この発明の一実施例においてはこの信号を線形化するためにスプライン関数が用いられ、特に三次式近似が用いられる。三次式近似の議論は、王立統計協会の機関紙（Journal of the Royal Statistics Society）で公開され、その全体が引用によりここに援用される、「ノンパラメトリック回帰曲線当てはめに対するスプライン平滑化アプローチのいくつかの局面（Some Aspects of the Spline Smoothing Approach to Non-Parametric regression Curve Fitting）」と題するシルバーマン、Ｂ．Ｗ．（Silverman B.W.）において与えられる。

この発明のこの局面に従うと、センサおよびセンサ電子素子２３０からの実際の出力信号ＦＳ１がテスト流体または気体に対していくつかの異なった（かつ既知の）流量で測定され、測定された流量がすべての測定点について既知の流量に対してグラフ化される。この測定された流量対既知の流量のグラフ化は、センサおよびセンサ電子素子２３０の転換機能を規定し、三次式近似が次いでセンサおよびセンサ電子素子２３０の転換機能の逆数に適合される。センサ出力の測定された値は次いで三次式近似の入力として用いられ、正規化され、補償されかつ線形化された指標流れ信号（たとえばＦＳ２）を提供する。

以下にさらに詳述するように、線形化回路２６０は、センサ出力の線形化を容易にするために線形化テーブル（図示せず）を含み得る。この発明の代替的な実施例においては、三次式近似は、逆数ではなくセンサおよびセンサ電子素子２３０の転換機能それ自体に適合される。

センサおよびセンサ電子素子２３０における非線形性およびセンサ導管２２０を通る流体流れの変化する小部分（fraction）を補償した後で、整えられた流れ信号ＦＳ２はＧＬＬコントローラ１５０に与えられ、表示のためにフィルタ１２０（図１）にも与えられ得る。整えられた流れ信号ＦＳ２の例示は、「整えられた感知流れ（ＦＳ２）」と参照符号を付して図３に示す。

図１に示すように、利得項Ａがフローメータ１１０に関連付けられる。この利得項は、流路１０３を流れる流体と指標流れ（すなわち、流れ信号ＦＳ２）との間の関係を表わす。特に、利得項Ａは指標流れにおける変化と実際の流体流れにおける変化との比である。上記フローメータ１１０の議論から、この関係（すなわち、流体流れ対指標流れの曲線）は線形化されていることを理解されたい。こうして、指標流れにおける変化対実際の流体流れにおける変化の比（すなわち、流体流れ対指標流れの曲線の導関数）は、流量の定数関数である。こうして、利得項Ａは特定の流体の種に対する定数である。

利得Ａが定数であり、かつ指標流れがフルスケール流れでの特定の値で定義されているので、マスフローコントローラの製造の間に用いられる流体に関連付けられるフルスケール流れに基づき、特定の流体に対する利得Ａを求めることができる。フルスケール流れで指標流れが１．０の値を有するよう調節されている例示的なフローメータにおいては、利得Ａは単にフルスケール流れの逆数である。

マスフローコントローラを流れるフルスケール流れは、異なった流体でマスフローコントローラを動作することの結果として変化し得ることを理解されたい。よって、マスフローコントローラは、流体の種に依存するフルスケール範囲を有し得る。したがって、利得Ａが少なくとも流量の定数関数であっても、この定数は、異なった流体の種でのマスフローコントローラの動作の際に変化し得る。

しかしながら、出願人は、フローメータに関連付けられる利得（たとえば利得項Ａ）がどのように流体種に応じて変化するかを決定した。上述のように、フローメータの利得は、フルスケール流れから直接計算することができる（すなわち、マスフローコントローラのフルスケール流れ）。こうして、プロセス流体に対するフルスケール範囲を決定することにより、フローメータの利得の直接的な決定が可能になる。プロセス流体のフルスケール範囲は、変換係数をテスト流体に関連付けられるフルスケール範囲に適合させることにより決定され得る。変換係数は、フルスケール範囲が判断される特定の流体に対する測定値から経験的に導出され得る。

図４は、ＧＬＬコントローラ１５０の一実施例の詳細を示す。コントローラ１５０はここでは利得／進み／遅れ（ＧＬＬ）コントローラとして記載されるが、この発明はこれに限定されないことを理解されたい。たとえば、この発明のさまざまな局面は、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ、比例積分（ＰＩ）コントローラ、積分微分（ＩＤ）コントローラなどのような、他の種類のフィードバックコントローラで用い得る。また、この発明は図４に示される特定のコントローラ構造に限定されないので、図４に示されるＧＬＬコントローラ１５０の多くの数学的等価物を代替的に用いることが可能であることをも理解されたい。

ＧＬＬコントローラ１５０は３つの入力信号を受ける。流れ信号ＦＳ２（指標流れとも称する）、セットポイント信号ＳＩ２、および逆利得項Ｇである。上述のように、セットポイント信号ＳＩ２が最初に追従速度リミッタまたはフィルタ１３０を通されて、セットポイント信号における瞬間的な変化がＧＬＬコントローラに与えられるのを防止する。

上述のように、利得Ｇ１４０は、マスフローコントローラの制御ループを中心とするさまざまな構成要素に関連付けられる利得項の積の逆数を取ることにより生成される逆利得項（すなわち、システム利得項の逆数）であるが、これをここに詳細に説明する。利得Ｇは制御ループに沿ったいずれの場所にも適合され、マスフローコントローラのコントローラの入力に適合されることに限定されない。しかしながら、逆利得項Ｇは図１および図４に示すようにＧＬＬコントローラの入力に便利に適合される。

この発明の一実施例に従うと、利得項Ｇはマスフローコントローラに関連付けられるマイクロプロセッサまたはデジタル信号プロセッサにより求められ得る。プロセッサは、以下に説明するように、マスフローコントローラに統合されるかまたは外部にあってもよい。

図４に示すように、流れ信号ＦＳ２は微分器またはＤ項回路４１０に与えられる。回路４１０は微分器と全く同一ではないので、ここでは「Ｄ項」回路と称する。実際、Ｄ項回路４１０内においては、流れ信号ＦＳ２は微分され、ローパスフィルタ処理され、定数により積算され、かつ整えられた流れ信号ＦＳ２と合計される。他の種類の微分回路をも用い得るので、この発明はここで説明されるＤ項回路４１０の特定の実現例に限定されないことを理解されたい。機能的に、Ｄ項回路４１０は、整えられた信号ＦＳ２に対して「加速された」修正された流れ信号ＦＳ３を提供し、それによりＧＬＬコントローラ１５０における「進み」を構成する。Ｄ項回路４１０はまた減衰をも提供する。当業者には理解されるように、Ｄ項回路４１０は、どのように流れ信号が変化しておりどのように迅速であるかを示す修正流れ信号ＦＳ３を機能的に提供する。

修正流れ信号ＦＳ３は次いでセットポイント信号ＳＩ２とともに減算回路４２０に与えられるが、これは修正流れ信号ＦＳ３とセットポイント信号ＳＩ２とを取入れ、それらの差に基づき誤り信号Ｅを生成する。誤り信号Ｅは次いで利得項Ｇにより乗算され（よって
「利得」という用語が利得／遅れ／進みＧＬＬコントローラ内にある）、比例利得項４４０および積分利得項４５０に与えられる。

比例利得項は信号ＥＧを固定された定数Ｋ_Pで乗算し、次いで出力信号ＥＧＫ_Pを加算回路（summing circuit）４７０に与える。比例利得項４４０は、信号ＥＧに基づいてある固定された量だけコントロールバルブを動かすための駆動信号の成分を機能的に提供するように用いられ、それによりコントロールバルブ１７０が誤り信号Ｅにおける変化に迅速に追いつくことを可能にする。

比例利得項４４０はまた減衰をも提供し、駆動信号ＤＳおよび結果として生じる流れにおけるリンギングを防ぐ支援を行なう。たとえば、誤り信号Ｅが減少し積分器４６０からの出力信号が増大すると、定数Ｋ_Pが好ましくは単位元よりも小さいので、誤り信号ＥをＫ_Pで乗算した値は増大するが、それによって、生じるオーバーシュートの量を減少させる。

積分利得項４５０は、信号ＥＧを別の固定された定数Ｋ_Iで乗算し、出力信号ＥＧＫ_iを積分器４６０の入力に与える。積分器４６０は信号ＥＧＫ_iを積分し、積分された出力を加算回路４７０の第２の入力に与える。機能的には、積分器４６０の出力は時間に対する誤り信号Ｅを示す信号を提供し、どのように誤り信号が過去に変化したかを表わす（よって「遅れ」という用語が利得／進み／遅れＧＬＬコントローラ内にある）。誤り信号Ｅを与えられると、積分器４６０は特定の傾き（slope）で開始し、指標流れ（たとえばＦＳ２）が増大すると（新しくより高いセットポイントが入力されていると仮定する）、誤り信号Ｅは減少し、それにより積分器４６０は積分を中止して（すなわちそれがどのように速く変化していても速度を低下させる）、積分器４６０から出力される駆動信号の成分は増大を中止する。積分された出力信号ＥＧＫ_Iは次いで加算回路４７０において比例利得項ＥＧＫ_Pの出力と合計され、合計された出力信号ＤＳはバルブアクチュエータ１６０に駆動信号として与えられる。

さらに、コントローラがゼロ流れから制御された流れ状態に遷移している場合に、積分器４６０を特定の値に予め設定するために基礎（pedestal）（図示せず）が与えられてもよい。基礎は、積分器に与えられた場合に、バルブを開放し流れを可能にするのに必要な駆動レベルのすぐ下の駆動レベルＤＳをもたらすであろう値を記述する。この態様で、積分器が基礎値まで上昇するのに必要であったであろう時間をなくすことができ、コントローラはゼロ流れと制御された流れとの間の遷移に対する増大した応答時間を有する。

図５に示すように、加算回路の出力はバルブアクチュエータ１６０に与えられるが、これは一般的に電気機械的アクチュエータ５２０に結合されるバルブ駆動電子素子回路５１０を含む。駆動信号ＤＳを受け、駆動信号ＤＳを所望の位置にバルブ１７０を動かすことが可能である圧力、電流または他の信号に変換して流れの所望の速度を達成するために、どのような好適なバルブ駆動電子素子回路５１０をも用い得る。さらに、バルブ駆動回路５１０は、ソレノイドによって作動されるコントロールバルブ、圧電素子によって作動されるコントロールバルブなどの駆動のために、当該分野において公知であるどのような好適なバルブ駆動作動回路を含んでもよい。ソレノイドによって作動されるコントロールバルブを用いるこの発明の一実施例に従うと、バルブ駆動電子素子回路５１０は以下にさらに詳述するように、ソレノイドによって作動されるコントロールバルブにおけるヒステリシスの衝撃を減じる回路を含み得る。

図６は、図４を参照して上に説明したいくつかの信号の図であり、ここで水平またはＸ軸は時間を表わし、垂直またはＹ軸は識別される信号レベルを表わす。図６Ａに示されるように、時間Ｔ₀において、信号ＳＩ２におけるセットポイントにおける（レベルＦ₀への
）階段状変化が提供される。この時間において、誤り信号ＥはレベルＦ₀に上昇するが、なぜならば誤り信号Ｅは、（まだ以前の状態にある）整えられた流れ信号ＦＳ２と、今やＦ₀の値にある信号ＳＩ２の中のセットポイントの値との差に等しいからである。誤り信号と利得項Ｇとを乗算したもの（すなわち、信号ＥＧ）はこうして高い値へと進み、次いで図６Ｂに示す態様で時間とともに減少する。比例利得項４４０の出力が信号ＥＧに（単位元よりも小さい）定数Ｋ_Pを乗算したものであるので、信号ＥＧＫ_Pは、図６Ｃに示すように振幅がやや減じられているが、同様の形状を有する。図６Ｄに示すように、時間Ｔ₀において、積分出力信号ＥＧＫ_Iは０であるが、誤り信号Ｅの大きさのために迅速に上向きの上昇を開始する。出力信号ＥＧＫ_Pと積分された出力信号ＥＧＫ_Iとの合計を表わす加算回路４７０の出力は、ＤＳと標識付けされ図６Ｅに示される。バルブ駆動およびバルブ駆動電子素子回路１６０に与えられる駆動信号ＤＳに基づいて、コントロールバルブ１７０は増大された量で開放され、指標流れ信号（たとえば流れ信号ＦＳ２）はＳＩ２内のセットポイントの新しいレベルまで上昇を開始する。時間が進むにつれ、誤り信号Ｅは減少し、比例利得項４４０の出力信号ＥＧＫ_Pは減少し、同様に積分出力信号ＥＧＫ_Iも減少し、流量は新しいセットポイントのレベルで確立される。

理想的には、マスフローコントローラのセットポイントに適合されるステップ入力（step input）に応答して、真の流れにおけるステップ応答（step response）を得ることが望ましい。これは実際的には可能ではないが、この発明の実施例は、ステップ入力がフルスケール流れに対し２％のステップまたは１００％のステップを示すか否かにかかわらず、用いられる流体にかかわらず、かつ入口または出口圧力などにもかかわらず、セットポイントにおけるステップ入力に応答して一貫した応答を提供するために用いられ得る。この一貫性を達成するために、この発明の実施例は一定のループ利得を有するマスフローコントローラを提供する。

以上から、マスフローコントローラの制御ループに沿った構成要素に関連付けられるさまざまな利得は異なった変数の関数としてばらつく可能性があり、さまざまな異なった動作条件に依存し得るが、マスフローコントローラの制御ループに一定のループ利得を与えることにより、動作条件の組に対して一貫しかつ安定したマフフローコントローラの動作が達成されることを理解されたい。

マスフローコントローラの制御のさまざまな局面は、マイクロプロセッサを用いて実現し得ることを理解されたい。たとえば、ＧＬＬコントローラ１５０はマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサなどとして実現され得る。同様に、逆利得項（たとえば利得項Ｇ）のようなさまざまな制御パラメータの決定は、マイクロプロセッサにより与えられ得る。マスフローコントローラの制御のさまざまな局面は、当該分野において周知である技術を用いてソフトウェア、ファームウェアまたはハードウェアにおいて実現され得る。

Ｂ．マスフローコントローラ構成
多くの場合において、マスフローコントローラが一貫してかつ安定的な態様で動作するためには、マスフローコントローラは製造の間に調整および／または較正されなければならないことを理解されたい。手動の調整および／または較正はしばしば、時間のかかる、労働集約的な、高価なプロセスである。さらに、プロセスが、製造の間に用いられたものとは異なる流体の種および／または動作条件で動作するようにマスフローコントローラが構成されることを要求する場合、マスフローコントローラがいくつかのプロセス流体で調整されかつ較正されていたとしても、マスフローコントローラの性能は、マスフローコントローラの製造の間に観察されたものと同じ挙動を滅多に示さない。換言すれば、マスフローコントローラはマスフローコントローラが調整および／または較正されたものとは異なった流体および／または動作条件で動作する場合に異なった応答を有し得る。

この発明の一局面に従うと、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での質量流量の応答を、マスフローコントローラがテスト流体およびテスト動作条件で調整および／または較正された場合の応答と実質的に同じにすることを可能にする、マスフローコントローラを構成するための方法が提供される。

この発明の一実施例においては、単一のテスト流体およびテスト動作条件の組でのマスフローコントローラの調整および／または較正の間に、構成データが得られる。この構成データは、マスフローコントローラが任意のプロセス流体および／または動作条件で動作するように用いることができ、こうして製造の間に用いられたものとは異なった流体および／または動作条件での動作による性能劣化を緩和し、マスフローコントローラの多数の代理流体での高価なかつ時間のかかる調整および／または較正を回避する。

任意の流体および動作条件での動作ならびに満足な応答の呈示が可能であるマスフローコントローラを提供することは、しばしば初期のマスフローコントローラの製造と後のマスフローコントローラの構成とを含むステップにかかわる。図７Ａは、この発明の一実施例に従った製造および構成ステップを示す。

ここで用いられかつマスフローコントローラに適用される場合、製造という用語は一般的に、特定の流体の種および特定の動作条件の組での動作に対しマスフローコントローラを準備することに含まれるさまざまなタスクを記述する。製造は、さまざまな構成要素からマスフローコントローラを形成することと、マスフローコントローラをテスト流体でテスト動作条件下で動作することと、マスフローコントローラがテスト流体およびテスト動作条件で満足な挙動および性能を示す（すなわち満足な応答を有する）ようにマスフローコントローラのさまざまな構成要素および／または制御パラメータを調整することとを含み得る。

ここで用いられかつマスフローコントローラに適用される場合、構成または構成することという用語は一般的に、マスフローコントローラを任意の流体での任意の動作条件下での動作に対し適合することに含まれる、さまざまなステップを記述する。特に、構成は、マスフローコントローラの応答が製造の間に観察されたものと実質的に同じになるように、マスフローコントローラが製造の間に受けた流体以外の流体（ここではそれぞれ「テスト流体」および「プロセス流体」と称する）で、かつマスフローコントローラの製造の間に用いられた条件の組とは異なる動作条件に対し、マスフローコントローラを適合することに含まれるステップを記述する。マスフローコントローラの構成は製造の後のどの時に行なわれてもよく、かつ、これに限定されるものではないが、（たとえばマスフローコントローラを特定の公知の用途に構成するために）製造場所または（たとえばエンドユーザの動作場所で）フィールドを含む、どのような場所で行なわれてもよいことを理解されたい。

一般的に、満足な応答という用語は、特定のマスフロー制御プロセスまたはタスクの所与の許容差の組内で実行するマスフローコントローラの応答を指す。特に、マスフローコントローラの動的および静的応答は、マスフローコントローラが動作することを意図された許容差の範囲内で実行する。

マスフローコントローラは、許容差の任意の組に対する満足な応答を有するように製造の間に調整および／または較正され得る。こうして、テスト流体およびテスト動作条件の組での調整および／または較正の後のマスフローコントローラの応答は、特に記述しない限り、そのテスト流体および動作条件に対する満足な応答を有すると考えられるべきである。しかしながら、マスフローコントローラが異なった流体および／または動作条件下で動作された場合に、応答がもはや満足ではないように応答は実質的に変化し得る。

一般的に、マスフローコントローラが、テスト流体およびテスト動作条件に対してと、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に対してとで、同じ応答を有すると考えられるのは、両方の応答が満足である場合（すなわち、両方の応答がマスフローコントローラが動作することが意図された許容差内で実行する）である。

図７Ａに示すように、製造７１０の間に、マスフローコントローラは１組のテスト動作条件下でテスト流体で動作される。マスフローコントローラの動作の特徴が得られ、構成データ７１２として記憶される。構成データ７１２は、図７Ｂ−図７Ｆを参照してさらに詳細に説明されたように、製造７１０の間のさまざまな調整および／または較正ステップの間に得ることができる。

調整するという用語は、満足な動的応答および挙動を流体流れに提供することと、流体流れにおける変化および／または所望の流体流れにおける変化（セットポイントにおける変化）とにかかわるステップを記述する。構成という用語は一般的に、マスフローコントローラの満足な定常状態または静的応答を提供することにかかわるステップを指す。

構成データという用語は一般的に、マスフローコントローラの調整および／または較正の間に得られる情報を指す。特に、構成データは、テスト流体およびテスト動作条件での動作の間のマスフローコントローラから取入れられた特徴および／または測定値を記述する。マスフローコントローラの製造の間に得られた構成データは、マスフローコントローラをプロセス流体および／またはプロセス動作条件で構成するために用いられる。

上に簡単に説明したように、テスト流体およびテスト条件という用語は、マスフローコントローラの製造の間に用いられた流体および動作条件を記述するために用いられる。プロセス流体およびプロセス動作条件という用語は、典型的にはマスフローコントローラの特定の用途のためにエンドユーザによって所望される流体および動作条件を記述する。

テスト目的とプロセス目的との両方で、同じ種類または複数の同じ種類の流体および動作条件を用い得ることを理解されたい。しかしながら、マスフローコントローラはすべての流体および／またはすべての動作条件下で調整することはできないので、この発明のある局面は、マスフローコントローラが製造の間に特定のテスト流体でかつ特定のテスト動作条件の組の下で調整および／または較正され、それにより、その後マスフローコントローラが異なった流体および／または動作条件で構成されるようにすることにかかわる。したがって、「プロセス流体」という用語は異なった種類の流体を記述するのではなく、理流体はマスフローコントローラが調整および／または較正されたものとは異なった流体であり得ることを実証することを理解されたい。同様に、「プロセス動作条件」という用語は、マスフローコントローラが調整および／または較正されたテスト動作条件と同じではない可能性のある動作条件の組を記述する。１組のプロセス動作条件の１つ、いくつか、またはすべてがテスト動作条件とは異なり得る。

構成ステップ７２０において、製造の間に得られた構成データ７１２は、プロセス流体および／またはプロセス動作条件でマスフローコントローラを構成することを容易にするために用いられ得る。一実施例に従うと、構成データ７１２はマスフローコントローラのプロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作を可能にする、マスフローコントローラに関連付けられる制御パラメータを求めるために用いられる。特に、製造ステップ７１０の間に求められる構成データ７１２は、マスフローコントローラが満足な応答を示すように、マスフローコントローラをプロセス流体およびプロセス動作条件で構成することを容易にする、制御パラメータを求めるために用いられる（すなわち、マスフローコントローラは、プロセス流体および／またはプロセス動作条件で、テスト流体およびテスト
動作条件を用いて製造の間に観察されたものと実質的に同じ応答を有するよう構成される）。

ここで用いられる制御パラメータという用語は一般的に、マスフローコントローラの動作を容易にするマスフローコントローラに関連付けられるパラメータを指す。制御パラメータはこれらに限定されるものではないが、フィルタ係数、利得項、制御定数、線形化曲線などを含み得る。特に、制御パラメータは、マスフローコントローラが任意のプロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対し構成された場合に（すなわち、満足な応答を示すように構成された場合）、変化、修正および追加を必要とし得るパラメータを指す。

ここで用いられる場合、「動作に対し構成される」という句は、動作された場合にマスフローコントローラが満足な応答を示す態様で、マスフローコントローラを構成することを記述することが意図される（すなわち、不満足な応答を有するマスフローコントローラは、動作しているとは一般的に考えられない）。

一般的に、製造７１０は単一のテスト流体でかつ１組のテスト動作条件で一度だけしか行なわれなくてもよいことを理解されたい。しかしながら、構成７２０は、マスフローコントローラの寿命の間に任意の回数だけ繰返されてもよい。特に、マスフローコントローラを異なったプロセス流体および動作条件下で動作させることが望ましい場合にはいつでも、マスフローコントローラが新しいプロセス流体およびプロセス動作条件で満足な応答を示すように、新しいプロセス流体および／またはプロセス動作条件で構成７２０を繰返すことが望ましいであろう。

異なった種類のマスフローコントローラの製造および構成と、異なったマスフローコントローラの実現例とは、異なったステップを必要とし得ることをさらに理解されたい。しかしながら、製造は、マスフローコントローラが適切に特徴付けられていてテスト動作条件の組での動作に対して満足な応答が確立され、かつマスフローコントローラの後の構成を容易にするために十分な構成データが得られているようなステップを含むべきである。同様に、一般的に構成は、プロセス動作条件の組で動作される場合に、製造の間に観察されるものと実質的に同じ応答を確立するのに必要であるステップを含むべきである。

図７Ｂは、マスフローコントローラの製造および構成（たとえば、図７Ａにおけるステップ７１０および７２０）の間に行なわれ得るさまざまなステップを含む、一実施例に従ったブロック図を示す。製造７１０は、センサ調整ステップ１０、バルブ特徴化ステップ２０、フィードバックコントローラ調整ステップ３０、および較正ステップ４０を含む。製造７１０は、製造７１０には示されない他のステップ、たとえば当該技術分野において公知であるバイパスマッチングのようなマスフローコントローラの形成にかかわるステップを含み得ることを理解されたい。

製造７１０のさまざまな例示的ステップ１０−４０において、マスフローコントローラは特徴付けられ、満足な応答がテスト動作条件の組で確立される。以下にさらに詳細に説明するように、プロセス動作条件の組での動作に対するマスフローコントローラの構成を容易にする構成データが製造の間に得られる。

センサ調整ステップ１０において、マスフローコントローラのフローメータが、満足な動的応答を示すように調整される。特に、フローメータのさまざまな構成要素は、センサ出力（たとえばＦＳ１″）がセンサを通る流れにおける変化に満足に応答するように調整される。たとえば、図２に関連して説明したように、センサ調整は、正規化および応答補償フィルタ係数、補正曲線、および／または利得を、フローメータが流路における流体流
れの階段状変化に極めて近い階段状形状を有するセンサ出力で流体ステップに応答するように、提供することを含み得る。さらに、補償フィルタ２８０は、圧力過渡に対するセンサおよびセンサ電子素子応答に極めて近似する偽の流れ信号を提供するように調整され得る。調整ステップ１０の間に得られる情報、たとえばフィルタ係数、補正曲線および／または利得項は、構成データ７１２として記憶され得る。

一実施例に従うと、マスフローコントローラは少なくとも１つのデジタルフィルタを含む。このデジタルフィルタは、圧力過渡から生じる偽の流れ指標を補償する補償フィルタを実現するようプログラムされ得る（たとえば、図８および図１２に示される補償フィルタ２８０）。

特に、フィルタの転換機能（たとえば、数式６および／または数式７）は、以下のようにデジタルフィルタをプログラミングすることによりセンサ調整ステップ１０の間に実現し得る。

Ｊ₀＝（２Ｊ_n-1−Ｊ_n-2）＋［（Ｉ−Ｊ_n-1）Ｑ−（Ｊ_n-1−Ｊ_n-2）］Ｐ （３）
但し
Ｐ＝４ｔξω_p／（ｔ²＋ω_p ²＋３ｔξω_p＋１）、
Ｑ＝ｔ（ω_p／ξ）、および
ｔ＝Ｔ_sample／２
ここで
ω_p：極値周波数。立上がり／立下がり時間およびローブの幅を制御する。ローブの高さ（利得）にも影響する。

ξ：減衰係数。オーバーシュートの量を制御する。ローブの幅および高さにも影響する。

Ｋ：利得。フィルタセクションのアルゴリズム出力の部分の各々をセットする。応答の高さに影響する。

ｔ：サンプリング期間Ｔを２で除算したもの。

Ｊ₀は、フィルタ転換機能の双一次変換をとることにより生ずる。特に、数式７の転換機能である。ＰおよびＱの値は、補償フィルタが所望の偽の流れ信号を形成するように計算される。ここで修正可能パラメータと称するパラメータω_p、ξ、およびＫは、センサ出力信号に重畳される偽の流れ情報を補償するのに好適である偽の流れ信号を提供するようにフィルタを調整するために変化させることができる。

製造の間にこれらのパラメータを調整するための１つの方法を以下に説明する。製造の間に、圧力パルスがセンサに導入され、センサの応答が記録される。さらに、パルスに対する圧力変換器の応答も記録される。修正可能パラメータは次いでフィルタの出力をセンサの記録された応答に当てはめるために調節される。たとえば、フィルタ出力と記録されたセンサ応答との間の誤りを最小化するために最小二乗法（least square fit）が用いられる。

この発明の範囲から逸脱することなくフィルタパラメータを調節するために用い得るさまざまな最適化の方法が当業者には想起されるであろう。ここに説明する方法は、最小二乗法を行なう方法の１つである。

フィルタのためにデフォルトパラメータの組が選択される。この例の目的で、調整され
るべき補償フィルタは図８に関連して説明したものと同様である。したがって、６つの二次フィルタの各々は、調整する３つの修正可能パラメータを有し、合計で１８のパラメータとなる。デフォルトパラメータの例示的な組を以下に示す。

センサに導入された圧力パルスに対応する圧力変換器からの圧力読取値が、デフォルトパラメータがデフォルト波形を提供するように、デフォルト補償フィルタに入力される。どのようにデフォルト波形が調整可能パラメータにおける変化に対して変化するかに関する情報を記憶するために、マトリックスＷが次いで生成される。マトリックスＷは、修正可能パラメータを個々にいくらかのΔ（たとえば、デフォルト値の１％分）だけばらつかせ、かつばらつかせたパラメータでフィルタから波形を生成することにより生成される。これらの波形の各々は次いでデフォルト波形から差し引かれて、差分波形（difference waveform）をもたらす。したがって、１８の差分波形が図８に示すフィルタを調整するために提供される。これらの差分波形は各々がマトリックスＷにおけるエントリとして記憶され、Ｍ×Ｎのダイメンションを有するマトリックスをもたらすが、ここでＮは修正可能パラメータの数であり、Ｍはフィルタ出力から取られたサンプルの数である。したがって、マトリックスはフィルタ出力の各パラメータ効果を記述する情報を含む。

当該技術分野においては周知であるように、１８のパラメータの最適化は計算のコストが高い（computationally expensive）可能性がある。したがって、修正可能パラメータの数は、各パラメータの寄与度の重要度を認識することにより減じられてきた。パラメータの実際の減少は、実現例とフィルタ出力の所望の特徴および制御とに依存してさまざまであり得る。

フィルタ１および２は、それらが提供する遅延のために主に用いられる。したがって、これらのフィルタに対する利得項を、それらのデフォルト値からばらつかせる必要はない。利得項を減じてＫ₃、Ｋ₄、Ｋ₅およびＫ₆に最適化することにより、フィルタ１、２、５および６は常に１の「減衰」係数を維持する。したがって、ξ₃およびξ₄のみが最適化される必要がある。さらに、例示的なデフォルト値を示すテーブルに示される関係を保つには、ω₃をばらつかせて他の周波数パラメータをスケーリングすることしか必要ではない。したがって、最適化が必要な修正可能パラメータの数は、Ｋ₃、Ｋ₄、Ｋ₅、Ｋ₆、ξ₃、ξ₄、ω₃に減じられ、計算のタスクは扱いやすくされる。このパラメータの例示的な減少に従った結果として生じるマトリックスは、Ｍ×７マトリックスとなる。

上述のように、マトリックスＷは、どのようにフィルタ出力が修正可能パラメータにおける変化に対して変化するかを記述する。この情報から、以下の数式を満足するように修正可能パラメータにおける変化の組が解かれ得る。

Ｗ＊パラメータデルタ＝波形誤り（数式９）
および
波形誤り＝（センサ出力−デフォルト波形） （数式１０）
但し、
センサ出力＝出力パルスによるセンサからの出力
デフォルト波形＝デフォルトパラメータでの補償フィルタの出力
Ｗ＝生成された差分マトリックス（Ｎ×Ｎ）
パラメータデルタ（Ｎ×１）＝Ｎ個の修正可能パラメータの各々における変化を記述する列ベクトル
数式９は、あるベストフィットの意味で真であり、絶対的な同等性を表わさない可能性がある。パラメータデルタは、当業者には想起されるであろう任意の数の方法に従って解かれ得る。次いでパラメータデルタベクトルに記憶されるＮ個の修正可能パラメータに対する変化がデフォルトパラメータの値に追加されて、調整されたセンサに対して用いられるデジタルフィルタにおいて記憶されるべき補償フィルタの最終的な値をもたらす。

パラメータデルタは反復により解かれ得る。したがって、各反復の後にデフォルト波形を更新し、累積されたパラメータデルタ値を記憶するように現在のパラメータベクトルに提供する必要がある。もし反復がｎであれば、以下のとおりである。

現在のパラメータ₀＝デフォルトパラメータ
現在のパラメータ_n＝現在のパラメータ_n-1＋パラメータデルタ_n
デフォルト波形_n＝現在のパラメータ_nに記憶される値を用いたフィルタ出力
波形誤り_n＝（センサ出力−デフォルト波形_n）
当業者には、補償フィルタのパラメータを調整するさまざまな方法が想起されるであろう。しかしながら、この発明はフィルタのパラメータが得られる方法に限定されない。補償フィルタを得るためのさまざまな方法およびアプローチがこの発明の範囲にあると考えられる。

バルブ特徴化ステップ２０において、マスフローコントローラは、さまざまな動作条件および／または特徴付けにおける変化に応答して、一貫したかつ安定した態様で動作するよう構成されるように、十分に特徴付けられる。一実施例に従うと、マスフローコントローラの制御ループのシステム利得項が求められ、求められて制御ループに与えられるシステム利得項の逆数により一定のループ利得が提供される。さらに、図７Ｃを参照して下にさらに詳述するように、システム利得項を求める間に得られた測定値は構成データとして記憶され、後に構成の間に用いられ得る。

フィードバックコントローラ調整ステップ３０において、フィードバックコントローラに関連付けられる制御および制御電子素子が、マスフローコントローラがセットポイントにおける変化に応答して満足な動的応答を示すように調整される。一実施例に従うと、図４に関連して議論されたさまざまなＰＩＤパラメータは、ＧＬＬコントローラが修正時間、最大オーバーシュートおよびアンダーシュートなどのような望ましい動的特徴を示すように設定され得る。

構成ステップ４０において、マスフローコントローラはそれが満足な定常状態応答を示すように較正される。一実施例に従うと、マスフローコントローラは較正されて、マスフローコントローラが動作することを意図された流量の範囲にわたる、マスフローコントローラを通る実際の流体流れとフローメータによって示される流れ（たとえば流れ信号ＦＳ２、指標流れとも称する）との間の線形関係を提供する。

構成７２０において示される例示的なステップ５０および６０において、製造７１０の間に得られた構成データとマスフローコントローラが動作に対し構成されるべきプロセス動作条件についての情報とが、製造の間に確立された応答がマスフローコントローラをプロセス動作条件で動作させる場合に実質的に変化しないように、マスフローコントローラ
の制御パラメータを修正するために用いられる。

図７Ｂに示すように、マスフローコントローラの構成７２０はシステム利得分解（decomposition）ステップ５０とシステム構成ステップ６０とを含む。システム利得分解ステップ５０においては、システム利得が求められ、次いでマスフローコントローラの製造７１０の間に得られた構成データに、少なくとも部分的に、基づいて、その構成要素の利得項に分解される。

しかしながら、システム利得分解ステップ５０は、マスフローコントローラのいくつかの実現例においては必要ではない可能性があり、アクチュエータ挙動のモデルがシステム制御ステップ６０に提供され得る１つの方法のみを表わす。

したがって、ここで議論する例においては、システム利得項の測定およびその後の分解に関わるステップは、マスフローコントローラのさまざまな構成要素に関連付けられる利得項を直接得ることができる状況下においては不必要であり得ることを理解されたい。たとえば、いくつかのマスフローコントローラにおいては、アクチュエータの機械的設計から、関連付けられる利得項を直接得ることができるステッパアクチュエータを用い得る。そのような場合においては、製造の間のシステム利得の測定（たとえば図７Ｃにおけるバルブ特徴化ステップ２０の間のＣＤＡ′の記録）および製造の間のシステム利得項の分解（たとえばステップ５０）は省略されてもよいが、なぜならばシステム利得項（たとえば利得項Ｃ）の分解により得られる情報はアクチュエータそれ自体から直接得ることができるからである。

しかしながら、製造の間にシステム利得項情報を得て、構成の間にシステム利得項を分解する方法は、マスフローコントローラの一般的にどのような実現例にも適用可能されて、たとえば他の方法が利用可能ではないかまたはそのような情報が直接得られない場合に、アクチュエータのモデルを提供するマスフローコントローラを構成するための方法を提供する。したがって、この方法の詳細は、図７Ｃ−図７Ｆに示される実施例に説明される製造および構成ステップに組入れられている。しかしながら、この発明の局面はこの発明の使用に限定されず、またこの方法が必要であり得るマスフローコントローラにも限定されない。

システム構成ステップ６０において、マスフローコントローラが構成されるプロセス流体および／またはプロセス動作条件に対して制御パラメータが求められ、それによりマスフローコントローラはプロセス流体および／またはプロセス動作条件で動作する場合に満足な応答を示す。一実施例に従うと、逆利得項がプロセス動作条件で動作するマスフローコントローラのさまざまな構成要素に関連付けられる個々の利得項の積の逆数から形成され得る。利得項は、バルブおよびバルブアクチュエータの物理的モデルから求められる。逆利得項は、マスフローコントローラの制御ループに与えられて、一定のループ利得をもたらす。

ここで、例示的な製造ステップおよび構成ステップのさらなる詳細を、図７Ｃ−図７Ｆに関連して説明する。

図７Ｃおよび図７Ｄは、製造の間のマスフローコントローラの調整および／または較正の間に構成データを得るための１つの例示的な手順を示す。

図７Ｅおよび図７Ｆは、マスフローコントローラが調整および／または較正されたものとは異なるプロセス流体および／またはプロセス動作条件でマスフローコントローラを構成するための別の例示的な手順を示す。

図７Ｃ−図７Ｆに示される製造および構成のための手順は、図１に示すものと同様のマスフローコントローラに適用され得る。しかしながら、この発明のこれらの局面はそれらに限定されるものではなく、さまざまな異なった構成要素および動作特徴を有するさまざまなマスフローコントローラに適用され得ることを理解されたい。

図７Ｃ−図７Ｆにおいて、見出し「構成データ」の下に、かつ７１２と標識付けされるブロック内に、マスフローコントローラの製造の間に構成データとして記憶され得る例示的な情報を図示する。図示される情報は限定的なものではなく、要件であるとも考えられないことを理解されたい。マスフローコントローラの各実現例は、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対するマスフローコントローラの構成を容易にする構成データの異なった組を有し得る。

図７Ｃは、この発明の一実施例に従ったセンサ調整ステップ１０およびバルブ特徴化ステップ２０のさらなる詳細を示す。センサ調整ステップ１０においては、マスフローコントローラのフローメータは、それがたとえば流体ステップに対して満足な動的応答を示すように調整される。流体ステップは、流体流れにおける正および負のステップの両方を含むステップ関数の特徴を有する流体流れにおける変化を指す。

ステップ１２において、流体ステップはフローセンサに適用される。フローセンサは次いでステップ１４において調整され、それにより、流体ステップに応答して、ステップ形状の流れ信号が提供される。このステップ形状の流れ信号の望ましい特徴は、立上がり時間、修正時間、最大のオーバーシュートおよびアンダーシュートなどを含み得る。たとえば、図１および図２を参照して説明したマスフローコントローラを再び参照して、フローセンサを調整するステップはセンサおよびセンサ電子素子２３０、正規化２４０および応答補償２５０の調整を含む。たとえば、応答補償フィルタ２５０のフィルタ係数は、図３に示す信号を再整形するよう調整され得る。一般的に、マスフローコントローラの各実現例は、調整され得るパラメータの異なった組を有し得ることを理解されたい。しかしながら、センサ調整プロセス１０の意図は、フローセンサが満足な動的特徴を示すことを確実にすることである。図７Ｃに示すように、センサ導管を通るフルスケールの流れに対して１．０のセンサ出力を提供することに関連付けられる正規化利得が、構成データとして記録され得る。

バルブ特徴化プロセス２０において、テスト流体が、既知の入口および出口圧力でかつ選択されたセットポイントの組の異なったセットポイントでマスフローコントローラに与えられる。各セットポイントで結果として生じる駆動レベルが記録される。駆動レベルという用語は、バルブアクチュエータに提供される駆動信号の値を記述する。たとえば、駆動レベルは、電流または電圧電位の測定された値であり得る。駆動レベルはまた、バルブの機械的変位を制御するために電気的信号に変換され得るデジタル制御信号の値でもあり得る。図１における信号ＤＳは、駆動信号の例であり、その値が駆動レベルである。

一実施例において、調整されていないが収束することがわかっているＧＬＬコントローラがこのステップにおいて用いられる。したがって、選択されたセットポイントの組における各セットポイントは、センサ出力に収束する。いくつかの実施例については、センサ出力およびこのステップの間に記録された駆動レベル情報は、マスフローコントローラの合成利得項を計算するために用いられる。たとえば、図７Ｃのバルブ特徴化ステップ２０において、バルブアクチュエータ１６０、バルブ１７０、およびフローメータ１１０に関連付けられる利得項の積に対応する合成利得項ＣＤＡ′が、バルブの特徴化の間に得られた情報から計算される。

ステップ２１において、選択されたセットポイントの組からの一連のセットポイントが、マスフローコントローラに与えられる。選択されたセットポイントの組は、どのような好適な態様から選択されてもよい。たとえば、一実施例においては、選択されたセットポイントの組は、マスフローコントローラが動作することが意図される範囲に、いくらかのレベルで、相当するフルスケール流れのさまざまな小部分（fraction）である。選択されたセットポイントは、値の範囲に亘って等間隔にされる必要はない。さらに、任意の数のセットポイントを選択し得る。一般的に、選択されるセットポイントの数は、マスフローコントローラが動作することが意図された範囲に亘ってバルブアクチュエータを十分に特徴付けるのに足りるべきである。

図７Ｃから図７Ｆに示すさまざまな選択されたセットポイントの組の各々は、互いに対し同一である必要はない。各組においてセットポイントが同じである必要がないことを示すために、たとえばサブスクリプトｖｔ、ｃｂおよびｃｆがそれぞれ、バルブ特徴、構成、および構成ステップに対し選択されたセットポイントを示すために用いられている。しかしながら、これらの組は一部または全体が同じであり得ることを理解されたい。

ステップ２１において、第１のセットポイント_vtＳ₀が、選択されたセットポイントの組｛_vtＳ₀、_vtＳ₁、_vtＳ₂、…｝から選択される。小さな偏差ｎが、セットポイント_vtＳ_iに対するオフセットとして選択される。次いで、_vtＳ₀＋ｎがコントローラに対して適用されてコントローラは収束することを許可される。コントローラが収束する場合、センサ出力は適用されたセットポイントに等しくなる。ステップ２２において、結果として生じる駆動レベルはセットポイント_vtＳ_iに対して記録される。

ステップ２３において、_vtＳ₀−ｎがコントローラに対して適用され、収束することを許可される。結果として生じる駆動レベルは、ステップ２４に示すように再び記録される。ステップ２５において、合成利得項ＣＤＡ′が求められる。たとえば、合成利得項は、２つのセットポイントにおける変化（すなわち２ｎ）をとり、その変化をステップ２２および２４で記録された駆動レベルにおける変化で除算することにより求められる。この比は、セットポイント_vtＳ₀に対する合成利得項ＣＤＡ′を表わす。上述の利得項ＣおよびＤは、それぞれバルブアクチュエータとバルブとに関連付けられる。利得項Ａ′はフローメータに関連付けられ、線形化２６０の寄与なしのフローメータの利得（すなわち、センサ出力に関連付けられる利得）を表わす。各セットポイント_vtＳ_Iごとにマスフローコントローラが収束するセンサ出力値、およびそのセットポイントで求められる合成利得項ＣＤＡ′は構成データとして記憶され得る。

ステップ２１−２５は、選択されたセットポイントの組におけるセットポイント_vtＳ_iごとに繰返される。結果は、ポイント対の組｛センサ出力、ＣＤＡ′｝_iである。一実施例においては、ポイント対｛センサ出力、ＣＤＡ′｝_iは、マスフローコントローラの手動の調整のための構成データとして記録される。さらに、ステップ２０において記録されたＣＤＡ′毎に、逆利得項Ｇ＝１／ＣＤＡ′が形成され得る。この逆利得項Ｇは後のコントローラ調整ステップにおいてコントローラに与えられて、コントローラに安定性をもたらし得る。

フィードバックコントローラ調整ステップ３０において、マスフローコントローラのフィードバックコントローラに関連付けられるさまざまなパラメータが調整されて、マスフローコントローラに提供される一連の流体ステップに対する満足な動的応答をもたらす。マスフローコントローラの各実現例は、異なった制御の方法を有し得ることを理解されたい（たとえば、ＧＬＬ、ＰＩＤ、ＩＤなど）。マスフローコントローラのフィードバックコントローラを調整するための１つの例示的な手順を、図４に示すＧＬＬコントローラを参照して説明する。

ステップ３２において、ステップ２０において得られた測定値から形成された逆利得項ＧがＧＬＬコントローラに適用される。ステップ３４において、流体ステップはセットポイントを進める（stepping）ことによりマスフローコントローラに与えられる。たとえば、図１におけるＳＩ₂は、セットポイントΔＳ_iにおける異なった変化の組によって修正される。コントローラが大きな階段状変化（たとえば、フルスケール流れの１００％のΔＳ_i）および小さな階段状変化（たとえばフルスケール流れの５％のΔＳ_i）に対して適切に調整されるように、異なったΔＳ₁が選択される。さまざまなΔＳ_iの数および大きさは、各実現例ごとに、かつ特定のマスフローコントローラ実現例の異なった動作要件に従って、異なり得る。

ステップ３６において、さまざまなΔＳ_iによって規定されるセットポイントにおける異なった変化に対してＧＬＬコントローラが満足な応答をするように、ＧＬＬコントローラのさまざまなパラメータが設定される。たとえば、ＰＩＤ定数Ｋ_p、Ｋ_iなどを含むパラメータは、セットポイントにおける変化に対する望ましい応答を提供するよう調整され得る。コントローラの調整され得るさまざまな特徴は、これらに限定されるものではないが、立上がり時間、最大オーバーシュート／アンダーシュート、修正時間などを含むよう調整され得る。

較正ステップ４０において、センサおよびコントローラを所望の動的応答に対して調整し、かつさまざまなセットポイントに対する合成利得ＣＤＡ′を得ると、マスフローコントローラは、マスフローコントローラが満足な定常状態応答を有することを確実にするために、較正ステップに進む。マスフローコントローラは、実際の流体流れと指標流れとの間の関係が線形となるように部分的に較正される。さらに、図７Ｂの較正ステップで説明したように、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に対するマスフローコントローラの構成を容易にする構成データが得られるであろう。

較正ステップ４０のステップ４１において、マスフローコントローラに対してフルスケール範囲が規定される。一実施例に従うと、１．０のセンサ出力に対応して実際の流体流れが測定される。規定されたフルスケール流れで、指標流れが１．０のまたはその近傍の値を有するように、近似線形化曲線が提供される。近似線形化曲線は次いで、フローメータ１１０に適用される。最大センサ出力および指標流れに対する値１．０は、例示的なものであり、他の何らかの所望の数で置換えられ得ることを理解されたい。

ステップ４３において、選択されたセットポイントの組｛_cbＳ₀、_cbＳ₁、_cbＳ₂、…｝から第１のセットポイント_cbＳ₀が選択され、マスフローコントローラに適用される。セットポイントから結果として生じる流路（たとえば流路１０３）における実際の流体流れが次いで測定される。各セットポイントに対応して、センサ出力および実際の流体流れが記録される。小部分の流れ（すなわち、実際の流体流れをテスト流体に関連付けられるフルスケール範囲で除算したもの）が、より便利であれば、実際の流体流れの代わりに記録されてもよく、関連性のある情報が両方の表現に存在することを理解されたい。次いでステップ４１および４３が選択されたセットポイントの組におけるセットポイント_cbＳ_iの各々に対して繰返され、ステップ４４および４５に示されるように構成データとして記憶され得るポイント対の組｛センサ出力、実際の流体流れ｝_iをもたらす。

ポイント対｛センサ出力、実際の流体流れ｝_iの間の関係は、センサに関連付けられる非線形性および、センサ導管を流れる流体と異なった流量でマスフローコントローラを流れる流体との割合の間の非線形性を記述する。

したがって、線形化曲線は、流体流れと指標流れとの間の関係が線形であることを確実
にするために、これらのポイント対から求められ得る。一実施例においては、ポイント対｛センサ出力、実際の流体流れ｝_iに関連付けられる非線形性を補正するポイントの組が求められる。三次式近似がポイントの組に当てはめられ（fit）、それにより連続的でありポイント（０．０）を通る（すなわち流体流れ＝０およびセンサ出力＝０）線形化曲線が得られる。ステップ４６において、線形化曲線はマスフローコントローラに適用される。代替的に、これらに限定されるものではないが、区分線形近似、多項近似などを含むいくつもの他の曲線当てはめ方法（curve fit method）を用い得ることを理解されたい。

ステップ１０−４０の間に、構成データは、テスト流体およびテスト動作条件でのマスフローコントローラのさまざまな製造ステップから記録されている。構成データは、プロセス気体および／またはプロセス動作条件での動作に対してマスフローコントローラの構成を容易にする情報を含む。マスフローコントローラの手動の調整の間に記録された構成データの組は、マスフローコントローラの特定の実現例に依存して異なる可能性があり、かつ図７Ｃおよび図７Ｄに示されるものとは異なり得ることを理解されたい。したがって、マスフローコントローラの何らかの特定の実現例に対する構成データは単に、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対してマスフローコントローラの構成を容易にするマスフローコントローラの製造の間に得られたデータを記述するものにすぎない。

たとえば、図７Ｃおよび図７Ｄに示す実施例において、ステップ１０−４０の間に記録された構成データは、センサ調整パラメータ、センサ調整ステップからの単一の利得、調整条件、較正条件、ポイント対の組｛センサ出力、ＣＤＡ′｝_i、ポイント対の組｛センサ出力、実際の流体流れ｝_i、およびテスト流体に対するフルスケール範囲を含む。

バルブ特徴化ステップ２０において、ポイント対｛センサ出力、ＣＤＡ′｝_iが記録された。上述のように、合成利得項ＣＤＡ′はバルブアクチュエータ、バルブおよびフローメータにそれぞれ関連付けられる利得項の積である。しかしながら、合成利得項ＣＤＡ′に対する利得項ＣＤおよびＡ′の個々の寄与はわかっていない。また、Ａ′はフローメータに関連付けられる合計の利得項Ａの一部のみであることに留意されたい。

システム利得分解５０において、合成利得項ＣＤＡ′に寄与する個々の利得項は、続くシステム構成ステップ６０においてプロセス流体および／またはプロセス動作条件に対して求められるように、合成利得項から分離される。しかしながら、ステップ５１から５６は、あるマスフローコントローラの実現例には、たとえばバルブアクチュエータの正確なモデルが利用可能である場合、またはプロセス動作条件の組に対してアクチュエータに関連付けられる利得が直接得られる場合には、必要ではない可能性があることを理解されたい。上述のように、システム利得分解５０は、バルブアクチュエータの挙動をモデル化するより一般的な方法を提供する（たとえば、プロセス動作条件の組に対する利得項Ｃを得る方法）。

ステップ５１において利得項Ａが求められる。上に説明した実施例において、フローメータは、フルスケール流れの２５％が．２５の指標流れをもたらし、フルスケール流れの５０％が．５の指標流れをもたらし、フルスケール流れの７５％が．７５の指標流れをもたらす、などになるように、調整および／または較正されている。流路における流体流れと、指標流れとの間の関係は線形であり、よってフローメータに関連付けられる利得（すなわち利得Ａ）は定数である。

したがって、利得Ａはステップ５１において、指標流れを任意の所望のポイントでの流体流れで除算することにより直接求められ、最も単純なものは、フルスケール流れおよび線形化曲線によって確実にされた関連の１の指標流れである。こうして、最大の指標流れ
が単位元である実施例においては、利得Ａはフルスケール範囲（すなわち、特定の流体の種に対してマスフローコントローラを通るフルスケール流れの値）の逆数に等しい。一般的に、利得Ａは、最大の指標流れの値を特定の流体の種に関連付けられたフルスケール範囲で除算したものに等しい。

ステップ５２において、合成利得項ＣＤＡが形成される。利得項Ａ′が線形曲線の寄与なしにフローメータに関連付けられる利得である一方、利得項Ａは線形化曲線を含むフローメータに関連付けられる利得である。したがって、Ａ′とＡとの間の関係は定義上線形化曲線である。したがって、合成利得項ＣＤＡは、線形化曲線の寄与に加えることにより、すなわち、ＣＤＡ′を線形化曲線に関連付けられる利得項で乗算することにより直接求めることができる（たとえばＣＤＡ′を線形化曲線の導関数により乗算する）。ステップ５２の各反復において、利得項ＣＤＡ_iはセットポイント_dＳ_iで形成されステップ５３に与えられる。

ステップ５３において、利得項Ａの寄与が除去される。合成利得項ＣＤＡと個々の利得項Ａ（フルスケール範囲の逆数）との両方がここでわかっているので、利得項Ａの寄与は合成利得項ＣＤＡから除算され、バルブアクチュエータおよびバルブに関連付けられる合成利得項ＣＤを残す。ステップ５３に示すように、利得項ＣＤ_iがセットポイント_dＳ_iで形成され、ステップ５４に与えられる。

上述のように、利得Ｃは、バルブ変位における変化を駆動信号（たとえばＧＬＬコントローラによって与えられるＤＳ）における対応の変化で除算したものである。利得Ｄは、流体流れにおける変化をバルブ変位における対応の変化で除算したものである。

ステップ５４において、利得項Ｄが求められ、バルブ変位が選択されたセットポイントの組で計算される。合成利得項をさらに微分するために、バルブの物理的モデルが用いられて、特定の動作条件の組の下で特定の流体流れを得るのに必要なバルブ変位を求める（すなわち、利得Ｄを求める）。これを求めるために用い得るバルブの１つの物理的モデルは、「物理的バルブモデル」と題する以下のセクションＤにおいて例示し説明する。異なったバルブおよびバルブの種類が異なった物理的モデルを有し得ることを理解されたい。さらに、任意の特定のバルブの特徴をモデル化するために用い得る、１つよりも多くの物理的モデルが存在し得る。したがって、この発明はいかなる特定のバルブモデルにも限定されない。

一実施例においては、選択されたセットポイントの組｛_dＳ_0,dＳ_1,dＳ₂…｝によって表わされる各流体流れを得るために必要なバルブ変位を計算することにより利得Ｄが求められる。偏差ｎが選択され、_dＳ_i−ｎおよび_dＳ_i＋ｎでのバルブ変位を計算して、セットポイントにおける変化対バルブ変位における変化の比を形成することにより（たとえば２ｎ／Δ変位）利得Ｄが求められる。さらに、_dＳ_iでの変位を求めるか、または_dＳ_i−ｎおよび_dＳ_i＋ｎでの変位の値を平均して_dＳ_iでの変位_iを求めてもよい。示されるように、ステップ５４の反復の各々において、セットポイント_dＳ_iでの利得項Ｄ_iおよびバルブの変位_iが求められる。

ステップ５５において、利得項Ｄは合成利得項ＣＤから除算され、こうして利得項Ｃを分離する。さらに、ポイント対の組｛Ｃ，変位｝_iが生成されて、製造７１０の間に用いられるテスト動作条件の組でのアクチュエータの挙動のモデルを提供する。利得項Ｃ（バルブアクチュエータに関連付けられる利得）は、それがバルブ変位の関数であるかもしれないが、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に常に直接依存するのではないことがわかっている。ステップ５５の各反復において、利得項Ｃ_iは、セットポイント_dＳ_iで計算されかつ組｛Ｃ，変位｝_iに記憶される変位_iに対する利得項Ｄ_iの寄与を除去する
ことにより形成される。

ステップ５２から５５は選択されたセットポイント_dＳ_iの各々ごとに繰返され、それによって、ポイント対の組｛Ｃ，変位｝_iが生成されるが、これはテスト動作条件の組の下でのバルブアクチュエータの挙動についての情報を続く構成ステップに与える。

システム構成ステップ６０において、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に対して制御パラメータが求められる。物理的モデルは、流体の種、入口および出口圧力、温度などを考慮する。したがって、利得Ｄは、流体の種の情報およびプロセス動作条件を物理的モデルに与え、さまざまな代表的な流体流れ値を得るために必要である変位を計算することにより、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に対して計算することができる。バルブの物理的モデルおよびバルブアクチュエータの挙動のモデルから求められた変位から、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に対して利得項Ｃが計算され得る。一実施例においては、アクチュエータの挙動のモデルは、システム利得分解ステップ５０において生成されるポイント対｛Ｃ，変位｝_iである。しかしながら、バルブの挙動がわかっているかまたは直接測定し得る実施例においては、利得Ｃはバルブから直接求めることができる。こうして、利得項ＣおよびＤの両方が求められると、合成利得項ＣＤが形成され得る。次に、利得Ａが、プロセス流体のフルスケール範囲を求めることにより計算され得る。したがって、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に対してシステム利得項ＣＤＡを求めることができる。

システム利得項の逆数を形成して、ＧＬＬコントローラの制御ループに与えてもよい（たとえば利得項Ｇ）。Ｇは、セットポイント、入口および／または出口圧力、温度などのマスフローコントローラの１つ以上の動作条件の関数であり得ることを理解されたい。逆利得項ＧはＧＬＬコントローラに与えられ、それによりマスフローコントローラの制御ループはＧが関数である少なくとも１つ以上の動作条件に対して一定のループ利得を有する。よって、マスフローコントローラは、以下により詳細に説明するように、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に対して動作するよう構成されている。

ステップ６１において、マスフローコントローラが構成されるべきプロセス流体に関連付けられるフルスケール範囲が求められる。フルスケール範囲を求める１つの方法は、プロセス流体およびテスト流体の比熱の比に、テスト流体に関連付けられるフルスケール範囲を乗算したものに基づき、変換係数を計算することである。特定のプロセス流体に関連付けられるフルスケール範囲を計算するために他の方法も適切であり得ることを理解されたい。たとえば、もし適切であれば、特定のプロセス流体に関連付けられるフルスケール範囲が直接測定されてもよい。

ステップ６２において、プロセス流体の種の情報および／またはプロセス動作条件を物理的モデルに適用しかつ代表的な流れ値の組｛_cfＳ_0,cfＳ_0,cfＳ₂、…｝を得るために必要である変位を計算することにより、バルブの物理的モデルからプロセス流体および／またはプロセス動作条件に対する利得項Ｄが求められる。上述のように、利得項Ｄは、偏差ｎを選択して、_cfＳ_i−ｎおよび_cfＳ_i＋ｎでのバルブ変位を計算し、セットポイントにおける変化対バルブ変位における変化の比（たとえば２ｎ／Δ変位）を形成することにより求めることができる。さらに、_cfＳ_iでの変位を求めるか、または_cfＳ_iでの変位_iを求めるために_cfＳ_i−ｎおよび_cfＳ_i＋ｎでの変位の値が平均されてもよい。したがって、ステップ６２の各反復ごとに、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に対し、利得項Ｄ_iおよびセットポイント_cfＳ_iでのバルブの変位_iが求められる。

ステップ６３において、プロセス流体および／またはプロセス動作条件に対して利得項Ｃが求められる。この発明のいくつかの実施例において、利得Ｃはアクチュエータそれ自
体から直接測定され得る。これに代えて、利得項Ｃは、システム利得分解ステップ５０において形成されたポイント対｛Ｃ，変位｝_iに記憶された情報から求められてもよい。いずれの場合においても、ステップ６３の各反復において、Ｃ_iはプロセス流体および／または動作条件に対するセットポイント_cfＳ_iに対応する変位_iで求められる。

ステップ６４において、利得項Ｄは利得項Ｃで乗算されて、合成利得項ＣＤをもたらす。示されるように、ステップ６４の各反復において、ステップ５３からの利得項Ｃ_iとステップ５２からの利得項Ｄ_iとの積が取られてセットポイント_cfＳ_iでの合成利得項ＣＤ_iを形成する。

ステップ６５において、利得項Ａの寄与が除去される。利得項Ａが単にフルスケール範囲の逆数であるので、合成利得項ＣＤはプロセス流体に関連付けられるプロセスフルスケール範囲によって除算されて、システム利得項ＣＤＡを形成し得る。示されるように、ステップ６５の各反復において、合成利得項ＣＤ_iはフルスケール範囲で除算されてセットポイント_cfＳ_iでのシステム利得項ＣＤＡ_iを形成する。

ステップ６６において、システム利得項ＣＤＡの逆数が計算されて逆利得項Ｇを形成する。示されるように、ステップ６６の各反復において、逆数ＣＤＡ_iが形成され、セットポイント_cfＳ_iでの結果として生じるＧ_iがブロック６７に与えられて、逆利得項Ｇを形成する。利得項Ｇはいかなる数の技術によっても表わされ得ることを理解されたい。たとえば、曲線がポイントＧ_iに当てはめられてもよく、ポイントＧ_iがルックアップテーブルに記憶されてもよく、または利得項Ｇは利得項の定義に関連して上に説明したいずれかの態様または他の態様で表わされてもよい。さらに、利得項Ｇは１つ以上の動作条件の関数であり得る。図７Ｆに示す実施例においては、利得項Ｇはセットポイントの関数である。しかしながら、利得項Ｇは付加的に、マスフローコントローラの特定の実現例の必要性に依存して１つ以上の動作条件の関数であり得る。

ステップ６２−６６は、選択されたセットポイント｛_cfＳ₀，_cfＳ₁，_cfＳ₂，…｝の各々ごとに繰返され、マスフローコントローラが動作するよう構成されているプロセス流体および／またはプロセス動作条件に対する逆利得項Ｇが求められる。

ステップ６８において、逆利得項Ｇはマスフローコントローラの制御ループに適用されて、少なくともセットポイントに対する一定のループ利得を提供する。一般に、利得項Ｇは、少なくともそれが関数である動作条件に対して一定のループ利得を提供する。

マスフローコントローラのシステム利得をプロセス流体および／またはプロセス動作条件に対する情報に基づき求めることにより、かつマスフローコントローラの制御ループにシステム利得の逆利得項を適用することにより、マスフローコントローラはプロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対して構成されていることを理解されたい。換言すれば、マスフローコントローラは、プロセス流体および／またはプロセス動作条件で動作された場合に、マスフローコントローラのテスト流体およびテスト動作条件での製造の後に観察された応答と同じものを示すが、すなわち、マスフローコントローラは、プロセス流体および／またはプロセス動作条件で動作された場合に、満足な応答を示す。

マスフローコントローラを構成するプロセスは、コンピュータの使用により自動化し得ることを理解されたい。たとえば、ステップ５０および６０は、メモリに記憶され、パーソナルコンピュータのようなコンピュータのプロセッサで実行されるプログラムにより全体的に制御され得る。よって、マスフローコントローラは任意のプロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対して自動的に構成され得る。

ここで用いられる自動的または自動的にという用語は、一般的にコンピュータまたはプロセッサによってまたはその制御下により主に生じている状態に当て嵌まる。特に、自動的なタスク、ステップ、プロセスおよび／または手順は、大規模なオペレータの関与または監督を必要としない。したがって、マスフローコントローラの自動的構成は、手動の関与を必要としないプロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対してマスフローコントローラを構成することを記述する。コンピュータプログラムの制御下でのマスフローコントローラの構成は、自動的構成であると考えられるべきである。

マスフローコントローラをコンピュータまたはプロセッサに接続すること、プログラムの実行を開始することなどの定型タスクは、一般的に手動で行なわれることを理解されたい。しかしながら、そのようなタスクは定型であって、マスフローコントローラの自動的構成の一部であり得る。

図１４は、任意のプロセス流体および／またはプロセス動作条件でのマスフローコントローラの自動的構成を容易にするシステムを示す。システムは、マスフローコントローラ１０００およびコンピュータ８００を含む。

マスフローコントローラ１０００は、メモリ１００２、プロセッサ１００４および図１に関連して図示し説明したマスフローコントローラ１００６のさまざまな構成要素を含む。プロセッサはメモリに結合され、マスフローコントローラの構成要素の少なくともいくつかに接続され得る。上述のように、マスフローコントローラの動作はプロセッサの制御下で実現され、それによってＧＬＬコントローラ１５０はプロセッサ１００４によって実現される。マスフローコントローラ１００はさらに、マスフローコントローラの製造の間に得られメモリ１００２内に記憶される構成データ１０１２を含む。

コンピュータ８００は、メモリ８０２と、プロセッサ８０４と、入力装置と、メモリ８０２内に記憶されるプログラム８１０とを含む。プログラム８１０は命令を含むが、これはプロセッサ８０４で実行された場合に、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作のためにマスフローコントローラを構成することに関わるさまざまなステップを実行する（たとえば図７Ａにおけるステップ７１２、図７Ｂ、図７Ｅ、および図７Ｆにおけるステップ６０および７０など）。

コンピュータ８００は、当該技術分野で公知である任意の数の計算装置であり得ることを理解されたい。たとえば、コンピュータ８００はパーソナルコンピュータ、ラップトップ、手持ち式の装置またはプログラムを実行することが可能である他の何らかの計算装置であり得る。さらに、コンピュータ８００は、任意の数の当該技術分野で公知である方法でマスフローコントローラに接続されてマスフローコントローラと通信し得る。たとえば、コンピュータ８００は、これらに限定されるものではないが、標準パラレルポート通信、シリアルポート通信、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）などを含む任意の数の標準通信方法を用いたケーブルを介して接続され得る。これに代えて、コンピュータ８００はマスフローコントローラとの無線接続を有し得る。したがって、この発明は、さまざまな種類の計算装置、接続の種類、および通信方法を好適に用い得るので、特定の種類の計算装置、入力装置、接続の種類または通信方法に限定されないことを理解されたい。

この発明の一実施例に従うと、コンピュータ８００は、プロセス流体および／またはプロセス動作条件でマスフローコントローラを構成するためにマスフローコントローラに接続され得る。プログラム８１０は次いでプロセッサ８０４で実行され得る。構成入力は、入力装置８０８に与えられ得る。構成入力は、これらに限定されるものではないが、プロセス流体の種の情報、プロセス動作条件、および／またはマスフローコントローラの構成に関連のある他の情報を含み得る。入力装置は、これらに限定されるものではないが、キ
ーボードまたはキーパッド、マウス、ポインタなどから入力を受けるためのインターフェイスソフトウェアを含む、情報を受けることが可能であるいくつかの装置であり得る。

次いでプログラム８１０は、マスフローコントローラのメモリ１００２に記憶される構成データ１０１２を得る。構成データおよび構成入力から、プログラム８１０は、プロセス流体および／またはプロセス動作条件でのマスフローコントローラの動作を容易にするマスフローコントローラのための制御パラメータを決定する。プログラム８１０は次いで、既存の制御パラメータをこれに従って修正するか、またはマスフローコントローラにさらなる制御パラメータを追加することにより、制御パラメータをマスフローコントローラに適用し得る。この態様で、マスフローコントローラは、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対して自動的に構成され得る。

図１５に示す代替的な実施例において、プログラム８１０はマスフローコントローラのメモリ１００２に記憶され、ＧＬＬコントローラ１５０を実現するためにも用い得るプロセッサ１００４で実行され得る。マスフローコントローラが構成入力を受けることができるよう、入力装置１００８がマスフローコントローラに追加され得る。したがって、図１５に示されるマスフローコントローラ１０００は自動的に構成可能である。

Ｄ．物理的バルブモデル
この発明の別の局面に従うと、出願人らは、主に粘性圧力降下（viscous pressure drop）および非粘性（inviscid）（動的）圧力降下の２つの成分からなる、異なった入口および出口圧力での流体の流れを物理的にモデル化した。各成分に対するバルブの有効変位が等しい場合、バルブの有効変位はこれらの成分の各々の寄与を合計することにより以下の方法論を用いて経験的に求められる。上述のように、特定の流体での特定の流体流量でのバルブの有効変位を求めれば、バルブに関連付けられる利得項（たとえば利得項Ｄ）を求めることができ、こうしてバルブアクチュエータに関連付けられる利得項（たとえば利得項Ｃ）を求めることができる。

図１６を参照して、上流または入口圧力をＰ₁で表わし、下流または出口圧力をＰ₂で表わすと、Ｑで表わされる質量流量で、バルブの揚程はＨで表わされ、粘性硬化は単独で圧力をＰ₁からいくらか中間の圧力Ｐ_Xに低下させる。非粘性圧縮流れはさらに、圧力を中間圧力Ｐ_XからＰ₂に減じる。２つの平行なプレートの間（たとえば弁座とジェット表面との間）の流体の粘性流れの物理的モデルに基づき、バルブ１７０をわたる粘性圧力降下をモデル化することにより、以下の数式によって２つの平行なプレートの間の距離Ｈ（たとえばバルブ１７０の変位）が求められる。

但し、
Ｐ₁、Ｐ_X：粘性表面の上流および下流圧力（ｐｓｉ）
Ｑ：質量流量（ｓｃｃｍ）
Ｌ：流路の長さ（ｆｔ）
Ｈ：２つの平行な表面の間の距離（ｆｔ）
ｗ：流路の幅、ｗはπ・φに等しく、φは平坦部１６５０の平均直径であり、φはテストされたバルブに基づく０．０４０″に等しい
μ：気体の動的粘性（centi-Poise）
Ｔ：絶対温度（deg. Rankine）
Ｒ：一般気体定数、１５４５．３３（ft-lbf/lb-mole-deg.R）
Ｒ：気体定数（ft-lbf/lbm-deg.R）
オリフィスまたはジェットを通る流体の非粘性流れの物理的モデルに基づき、バルブ１７０をわたる非粘性圧力降下をモデル化すると、

以上がチョーク状態の流れについて得られ、

以上がチョーク状態ではない流れについて得られるが、次の場合に流れはチョーク状態であり、

そうでなければチョーク状態ではない。但し、
Ｑ＝バルブを通る流れ（ｓｃｃｍ）
Ａ＝π・φ・Ｈ＝バルブ有効面積（ｓｑ．ｉｎ，）
φ＝オリフィス１６４０の直径
Ｍ_W＝気体分子量（ｇｍ／ｍｏｌ）
Ｐ_X,O＝上流の全圧（ｔｏｒｒ）
Ｐ₂＝下流の静圧（ｔｏｒｒ）
Ｔ_1,0＝気体温度（Ｋ）
γ＝比熱の比
上記の粘性および非粘性数式により、バルブ１７０の有効変位（すなわち、Ｈ）が簡単に求められる。上記非粘性計算に用いられた単位のいくつかは、粘性計算において用いら
れたものとは異なるように見えるが、数式の間に包括的な差は存在せず、単位変換係数は既に各数式内の数値的定数に組み入れられている。

バルブの有効変位を求めるために、測定された質量流量がＱであり、測定された上流および下流圧力がそれぞれＰ₁およびＰ₂であると仮定し、全圧に対する速度水頭の寄与を無視すれば、バルブ１７０の有効変位の計算方法が実行される。有効変位を計算する１つの例示的な方法は、試行錯誤により中間の圧力Ｐｘを評価することであるが、ここで流れがチョーク状態であるか否か（数式４）に依存して、粘性流れ理論（Ｈｖ、数式１）および非粘性理論（Ｈｉ、数式２および３）の両方からＨの値を計算する。こうして、もし中間圧力が出口圧力の約２倍であれば、チョーク状態の流れが推測され、数式２が計算の非粘性成分のために用いられるのに対し、もし入口圧力が出口圧力の２倍よりも少なければ、数式３が計算の非粘性成分のために用いられる。所与のＱ、Ｐ１、およびＰ２に対し、ＨｖおよびＨｉが互いに対し等しくなる場合に正しいＱｘが得られる。こうして、計算方式はＰ_Xを得るための連続的な反復を含む。計算は、Ｐ_XがＰ₁およびＰ₂の間の中間になるよう選択することにより開始する。次いで粘性バルブ揚程（Ｈｖ）および非粘性バルブ揚程（Ｈｉ）が計算される。ＨｖがＨｉよりも大きいと判断されると、これは非粘性流れよりも粘性流れには要求される流れを送達するための差圧が十分にないことを意味するので、次の反復の間にいくらか低い、すなわち、下流圧力Ｐ₂と以前の圧力Ｐ_Xとの間の圧力Ｐ_X′が選択される。反復は、２つの計算された圧力揚程ＨｖおよびＨｉが互いに対し０．１％以内になるまで続けられる。この発明のさらなる局面に従うと、この反復プロセスはソフトウェアにおいて実行される。この反復計算を実行するためのソフトウェアは、当業者によって容易に実行され、かつコンピュータに実現され得る。したがって、上記方法に基づいて、バルブ１７０の有効変位は、いくつかの異なった流量の各々に対して求められ得る。

上述のように、さまざまな異なった流体または気体での経験的テストに基づいて、出願人らは、どのようにマスフローメータの利得Ａの小部分の寄与が１つの気体から別の気体へと変化するかを求めたが、なぜならばこれは主に用いられている流体または気体の比熱によって左右されているからである。したがって、一旦マスフローコントローラ１００が既知の流体または気体で較正されれば、どのようにこの利得が他の種類の気体に対して変化するかがわかる。さらに、ＧＬＬコントローラ１５０の利得Ｂの小部分の寄与もマスフローコントローラ１００に対して既知であるが、なぜならばこの利得を決定するさまざまな定数がマスフローコントローラ１００のメモリ内に記憶されることができ、かつバルブアクチュエータ１６０の利得Ｃの小部分の寄与も有効に一定であるかまたは既知であるからである。したがって、残っているのはバルブ１７０および気体流路の利得Ｄの小部分の寄与が、異なった気体および異なった動作条件に対してどのように変化するか、およびマスフローコントローラ１００が当初に較正されたものとは異なった流体または気体に対してマスフローコントローラ１００の範囲における変化をどのように補償するか、である。

この発明のさらなる局面に従うと、マスフローコントローラが異なった流体または気体、もしくはこれが調整されたものとは異なる動作範囲でほぼ同一の応答を有するようにマスフローコントローラを調整するために用い得る、既知の条件下でかつ既知の流体または気体で調整されたマスフローコントローラを構成する方法が提供される。上述のように、マスフローコントローラ１００は、既知の入口圧力および既知の出口圧力で、既知の気体（たとえば窒素）で最初に調整される。簡略化のために、この発明の一実施例は既知の入口圧力を２気圧よりも大きく、出口圧力を雰囲気での圧力とするよう選択する。この入口および出口圧力の選択は、２つの理由から有利である。第１に、チョーク状態の流れに関する入口および出口圧力の使用は、バルブおよびバルブ気体経路の物理的モデル化を容易にするが、なぜならばチョーク状態の流れ条件のみが非粘性圧力降下数式のために用い得るからである。第２に、この種の動作（すなわち約２気圧の圧力降下）はエンドユーザに
よって用いられる動作の種類の典型だからである。これらの条件下で、気体経路の利得は以下のように規定され得る。

この同じ気体「ｘ」でのマスフローコントローラを新しいフルスケール流れ範囲で用いるために、マスフローコントローラ１００の閉鎖ループ利得は、以下のように変化すると期待される。

但しＣｆｃ_x＝気体ｘに対する変換係数「Ｃ」
Ｍｗ＝気体の分子量
上記数式は概算であるが、なぜならば入口圧力、温度、および比熱の比の関数である付加的な項が存在するからである。しかしながら、この付加的な項の影響は０．４乗までであり、通常無視できる。たとえば、マスフローコントローラ１００の較正が最初に既知の流体または気体として窒素で行なわれたと仮定すると、この付加的な項の値は窒素および他の二原子性の気体に対し．６８４から、他の単原子の気体に対し最大の０．７２６まで、かつ多原子の気体に対して最低の０．６２８までの範囲にわたり、次いで０．４乗まで上昇される。こうして、窒素からの差は約３．５％以下であり、通常は無視され得る。較正において用いられたものとは異なる気体および／または異なる動作条件での利得における上記変化を補償するために、利得項Ｇは上記比の逆数により変化されてマスフローコントローラに対する一定の閉鎖ループ利得をもたらすが、それはセットポイントにかかわらず、動作条件にかかわらず、かつ用いられる流体または気体の種類にもかかわらない。すなわち、もしマスフローコントローラの閉鎖ループ利得がＡ＊Ｂ＊Ｃ＊Ｄであれば、利得項Ｇは定数×１／（Ａ＊Ｃ＊Ｄ）に設定され、較正の間に用いられたものと同じ一定の閉鎖ループ利得をもたらす。

Ｅ．力バルブモデル
１つの好適な力モデルを、図１０に示す自由浮動プランジャを用いたバルブに関連して説明する。プランジャの位置＃は、いくつかの力のバランスにより制御される。第１の力は、プランジャをそのリセット位置に戻そうとするばね力である。第２の力は、電子構成要素の制御下で、プランジャをその静止位置から遠ざけるように移動させようとする、ソレノイドからの磁気力である。第３の力は、プランジャをジェットに近づける（順流れバルブに対して）かまたは遠ざけ（逆流れバルブに対し）ようとする、ジェットオリフィスおよび平坦部の上方の、プランジャの裏とプランジャの面との間の差圧である。第４の力は、ジェット平坦領域の外部の、プランジャの裏とプランジャの面との間の流れ依存差圧である。この効果は、ジェット設計により十分に制御することができる。

プランジャ上の磁気力は、バルブ力学（構造および材料）、バルブ駆動電流、およびバルブ変位に依存する。ゼロの圧力降下で、駆動電流と変位との間の関係を計算できる。これは、公称値の磁気力モデルを利用して行なうことができる。駆動電流と変位との間の関係は、指定される流体流れでのバルブ利得測定値から計算されることもでき、またはジェットを介して監視する（peering up）レーザ干渉計によって直接測定されることもできることに留意されたい。

所与の変位および駆動電流で、駆動電流に対する磁気力の導関数、ｄＦ／ｄＬを計算することができる。これは、公称値の磁気力モデルから計算できる。

Ｆｇ（ｐ）は、圧力降下ｐによりプランジャに作用する力である。

Ｆｍ（ｄ，ｌ）は揚程１でバルブ駆動ｄによりプランジャに作用する力である。

Ｆｓ（ｌ）は、揚程１でばねによりプランジャに作用する力である。

Ｌ＝バルブ揚程
Ｄ＝ゼロ圧力降下で揚程Ｌを提供するために必要となるバルブ駆動
Ｄｄ＝バルブ駆動における小さな変化
Ｄ′＝圧力降下Ｐで揚程Ｌを提供するために必要となるバルブ駆動
Ｐ＝バルブをわたる圧力降下
所与のバルブについて、（バルブの磁気力モデルから）以下がわかっている。

Ｆｍ（Ｄ，Ｌ）
Ｆｓ（Ｌ）
平衡状態およびゼロ圧力降下では次のとおりである。

Ｆｍ（Ｄ，Ｌ）＋Ｆｓ（Ｌ）＝０
これによりゼロ圧力降下でのＬ（Ｄ）を計算することが可能になる。

任意のバルブ揚程Ｌに対して以下が所望される。

Ｆｍ（Ｄ，Ｌ）＝Ｆｍ（Ｄ′，Ｌ）＋Ｆｇ（Ｐ）
Ｆｍが小さなＤｄに対して線形であると仮定する。

Ｆｍ（Ｄ＋Ｄｄ，Ｌ）＝Ｆｍ（Ｄ，Ｌ）＋Ｄｄ^*ｄＦｍ／ｄＤ
すると以下が得られる。

Ｆｍ（Ｄ，Ｌ）＝Ｆｍ（Ｄ，Ｌ）＋Ｄｄ^*ｄＦｍ／ｄＤ＋Ｆｇ（Ｐ）＝＞Ｄｄ＝−Ｆｇ（Ｐ）／ｄＦｍ／ｄＤ
ＦｇがＰに比例するので、これを次のように書換えることができる。

Ｄｄ＝Ｋｐ^*Ｐ／（ｄＦｍ／ｄＤ）
これにより、バルブドライバをＤの代わりにＤ′から実行することにより、プランジャの位置をＰから独立させることができる。

Ｄ′＝Ｄ＋Ｋｐ^*Ｐ／（ｄＦｍ／ｄＤ） （数式１１）
したがって、数式１１は、上述のように変位補償により用いることができる（たとえば、図９および図１３において説明した変位補償）。特に、圧力降下Ｐは、バルブ環境にお
ける圧力測定値から決定することができる。圧力降下を示す圧力信号は、変位補償ブロックに入力され得る。変位補償信号は、Ｋｐ^*Ｐ／（ｄＦｍ／ｄＤ）に関連付けられ得る。たとえば、変位補償信号は、Ｋｐ^*Ｐ／（ｄＦｍ／ｄＤ）において記述される変位を達成するのに必要である駆動レベルであり得る。この変位補償信号は次いで、圧力誘導バルブ変位を補償するために、制御ループから発生される駆動信号に追加され得る。

たとえば、マスフロー制御バルブアクチュエータまたはドライバは、ＧＬＬコントローラからバルブ駆動信号Ｄを受け、それを所望の電流Ｉに変換し、次いでその値を要求されるＰＷＭ設定に変換し得る。補正されたバルブ駆動信号Ｄ′を以下のように計算することが必要である。

Ｄ′＝Ｄ＋Ｋｐ^*（Ｐｉ−Ｐｏ）／ｄＦ（Ｄ）
但し
Ｋｐはバルブ駆動属性であり、
Ｐｉは入口圧力であり、
Ｐｏは推定されるまたは測定された出口圧力であり、
ｄＦ（Ｄ）は、Ｄの任意の関数、Ｄで評価されるｄＦｍ／ｄＤである。

したがって、変位補償は、バルブから見た入口および出口圧力の間の圧力勾配によって生じるバルブ変位を補償するために実現され得る。

ｄＦ（Ｄ）項は、所与のコントローラ／バルブ組合せに対して固定されることができ、特定の種類のバルブに対してｄＦ（Ｄ）を求めることが可能であり、その種類のバルブを有するマスフローコントローラの各々ごとに利用することが可能である。したがって、ｄＦ（Ｄ）はバルブに依存し、したがって異なったバルブの種類に対して求められる必要がある。ｄＦ（Ｄ）を求めるための１つの方法を以下に説明する。

バルブの磁気モデルは、特定のバルブに対してｄＦ（Ｄ）を求めるために用い得る。バルブプランジャに対する磁気力は、バルブ駆動および揚程の両方の関数である。ゼロ圧力降下での揚程は、磁気力およびばね定数の両方の関数であり、こうしてバルブ駆動の関数でもある。

バルブのジオメトリおよびばね定数を与えられれば、公称バルブの有限要素磁気力モデルにより、さまざまなバルブ駆動レベルに対する力対揚程曲線が得られる。同様に、ばね定数は、そのばねに対するばね力対揚程直線をもたらす。

力対揚程曲線（所与の駆動レベルに対する）とばね力対揚程直線との交点は、その駆動レベルでの公称の揚程をもたらす。（異なった駆動レベルでの）いくつかの力対揚程曲線とばね力対揚程直線との交点は、駆動の関数としての公称の揚程、Ｌ（Ｄ）をもたらす。

定義上、ゼロ圧力降下でバルブ駆動Ｄに対して期待される固定された揚程が与えられれば、ｄＦ（Ｄ）はバルブ駆動Ｄに対するバルブプランジャに対する磁気力の導関数である。

いくつかの駆動レベルの各々ごとに、公称揚程Ｌ（Ｄ）を計算することができる。各揚程ごとに、バルブの同じ有限要素磁気力モデルによって、力対電流曲線が得られる。ｄＦ（Ｄ）は単に、Ｄで評価される、Ｌ（Ｄ）に対して計算される、力対電流曲線の導関数である。

こうして、ＤとｄＦ（Ｄ）とのマッチトペアは、コントローラによって用いるために作
表されることができる。たとえば、ｄＦ（Ｄ）は、バルブドライバ、ソレノイドおよびバルブの挙動に対する区分近似であり得る。一実施例は、（Ｄ，ｄＦ）値の対によって指定される区分線形近似を形成することにかかわる。ポイント対の組は、バルブの磁気力モデルとしてマスフローコントローラに記憶され得る。ポイント対は、上述のように、変位補償信号を計算するために索引付けされ得る。バルブ属性利得項である。Ｋｐを求めるための１つの方法は以下のように進む。

１．以下の要件に合致する（入口圧力、セットポイント）を２対選択する。

ａ．両方の対が、組合された粘性／非粘性バルブモデルごとに同じバルブ開口を必要とする。

ｂ．高い入口圧力での圧力降下は、低い入口での圧力降下の少なくとも２倍（かつ好ましくは少なくとも４倍以上）である。

ｃ．バルブモデルは、粘性および非粘性モデルの両方が等しく結果に寄与している場合に最も精度が低い。両方の対に対して、流れは（粘性または非粘性流れのいずれかの）同じモデルによって大きく決定されるべきである。これが真である場合、バルブモデルは両方の場合において同じ極値（入口または出口のいずれかの）の近傍で中間の圧力をもたらす。

ｄ．流れはバルブ開口に非常に敏感である。粘性流れに対し、これは最も高いセットポイントで生じる。非粘性流れに対しては、これは最も低いセットポイントで生じる。

２．Ｋｐ＝０をコントローラに設定する。

３．入口圧力とセットポイントとを選択された値の対の間で少なくとも４回（好ましくは１０回）循環させる。各回ごとに、高いおよび低い入口圧力の両方で、流れが安定した後で、指標される入口圧力Ｐｉとバルブ駆動Ｄ信号との両方を記録する。

４．記録された値を平均して以下を得る。

Ｐｉ１＝低い入口圧力下での平均の指標入口圧力
Ｐｉ２＝高い入口圧力下での平均の指標入口圧力
Ｄ１＝低い入口圧力下での平均のバルブ駆動Ｄ
Ｄ２＝高い入口圧力下での平均のバルブ駆動Ｄ
５．以下を定義する。

Ｐｏ＝テストの間の平均の出口圧力、Ｐｉ１およびＰｉ２と同じ単位に変換される。

６．以下を計算する。

Ｐｄ１＝Ｐｉ１−Ｐｏ
Ｐｄ２＝Ｐｉ２−Ｐｏ
Ｄ０＝Ｄ１−（Ｄ２−Ｄ１）^*（Ｐｉ１−Ｐｏ）／（Ｐｉ２−Ｐｉ１）
Ｋｐ＝（（Ｄ２−Ｄ１）／（Ｐ２−Ｐ１））／ｄＦ（Ｄ０）
よって、Ｋ_Pは製造の間に各単位ごとに調整されなければならない。

他の改良および変形が、この発明のさまざまな局面に従って行なわれ得る。たとえば、この発明の一局面に従うと、フィードフォワード補償が、圧力情報を用いてシステムに対
し行なわれ得る。圧力過渡（および異なった値の静圧さえも）がバルブ動作に影響を与えるので、バルブ動作に対する圧力の影響の予測がなされ補償され得る。たとえば、バルブに対する圧力の影響が求められ、圧力および圧力過渡によるどのような誘導バルブ運動をも減じるようにバルブ駆動信号が補償される。一実施例においては、バルブ駆動信号における変化を予測することができるが、これはバルブのプランジャを静止して保つために必要である。

一実施例においては、用いられるべきバルブのモデルを生成し、同じバルブ開口を必要とする流量／圧力状態の少なくとも２つの組を選択し、システムを動作するためのパラメータを生成するために用い得る較正値を生成するためにバルブ駆動信号を測定することにより、フィードフォワード補償が実行される。特に、バルブのモデルは、力対変位対駆動電流曲線から生成され得る。バルブ自体の物理学に基づくモデルを用いることにより、少なくとも２つの流量および、モデルされるバルブに対する同じバルブ開口を必要とする少なくとも２つの対応の圧力状態が選択される。圧力およびセットポイントは、これらの選択された動作条件の対の間で循環されて、バルブ駆動設定は各動作条件で記録される。このバルブ駆動設定は、装置に対し適切な動作パラメータを生成するためにバルブモデルとともに用い得る較正定数をもたらす。満足な測定値を得るために、良好な電子的圧力コントローラを用いて圧力を適切に循環させる。さらに、用いられる各バルブ構成ごとに、力対変位対駆動電流曲線を発展させるために、いくらかの時間と努力とが必要となるであろう。

一実施例においては、較正定数は２つの異なった入口圧力でバルブの基礎（pedestal）（かろうじてバルブを開放させ始めるのに要する電流）を測定し、アクチュエータ利得が一定であるという仮定（偽ではあっても）することにより、導出され得る。バルブ基礎調節は、適切なバルブモデルと組合されて、他の補償方法に勝る顕著な改良である。

この発明の別の実施例に従うと、また圧力情報（たとえば圧力信号）を用いる、空き容量補償調整プロセスが実行され得る。より特定的には、圧力信号が用いられてＧＬＬコントローラの利得を調節し、一定の利得を提供する。圧力過渡が物理的バルブモデルに影響を及ぼすことが認識され、したがって、これらの圧力の影響を補償するよう利得が調整され得る。

一実施例においては、補償は以下のプロセスを用いて行なわれ得る。

１．圧力ステップをコントローラに対して実行する。１つの例においては、入口圧力は約３０ＰＳＩＧから約３２ＰＳＩＧに上昇（stepped）し得る。他の圧力も働くであろうが、圧力における大きすぎるステップは誤った結果をもたらすことが認識されている。入口圧力を提供するために用いられるテスト装置は、可能な限り圧力の方形波ステップに近いものを提供するよう修正され得る。

２．ステップの間に圧力変換器とフローセンサとの両方の出力を記録する。

３．記録された圧力変換器出力を、補償フィルタ（微分器を含む）のモデルを通して実行し、変換器の出力と記録されたフローセンサ出力とを比較する。フィルタパラメータを２つの信号の間の差を最小化するよう調節し、毎回モデルを再実行する。差が満足なレベル内にある場合、フィルタ調節は停止され、テスト条件は記録され、最終的なフィルタパラメータが装置内に設定される。

上記の最小化方法を用い得るが、任意の数の最小化方法を用いてもよく、この発明はどの特定の方法にも限定されないことを理解されたい。たとえば１つの方法は、典型的なユ
ニットから決定されるデフォルトフィルタパラメータを用い、フィルタパラメータを立上がりエッジと一致するよう調節し、パラメータを固定（freeze）し、他のパラメータをピークと一致するよう調節し、それらを固定し、次いで残りのパラメータを立下がりエッジと一致するよう調節することを含み得る。各ステップで、たとえば、さまざまな線形最小二乗法を、パラメータを調節するために用い得る。さらに、他の最小化アルゴリズムも等しく利用可能である。

また、各プロセス気体ごとに空き容量補償も構成され得る。この実施例においては、微分器（たとえば図８の微分器８２０）の一部である利得調節が存在する。微分器利得は、利得定数を（たとえばケルビンでの）周囲温度で除算したものと等しく、利得定数は上述の調整ソフトウェアにより要求される利得に（公称で）設定され、調整されたデータが収集されたときの（ケルビンでの）周囲温度で乗算され、調整気体からプロセス気体への変換係数により除算される。

１．もしユニットが広い温度範囲にわたって動作すべきであれば、１／Ｔに比例する全利得を選択することにより、その範囲の終わりで性能は向上し得るが、ここでＴは絶対温度であり、なぜならば圧力における変化による理想的な気体に対する合計の質量流れは１／Ｔに等しく、かつ一般的に用いられるセンサはマスフローセンサだからである。

２．気体の種はフローセンサの利得に影響を及ぼす。もしユニットが調整されたものとは異なった気体に対し用いられるべきものであれば、全利得は適切に調整されなければならない。もし利得がそれに従って調整されなければ、空き容量補償は、実際、空き容量補償を行なわない場合よりも性能を劣化させるおそれがある。

３．気体の種はフローセンサの応答にも影響を及ぼし得る。アルゴリズムの性能は、フィルタパラメータが気体の種の関数として調節されていれば向上し得る。

４．フローセンサの利得もまた流量に応じてばらつき、利得は（典型的には）高い流量で減少する。高い流れレベルでの性能は、全利得を流量の関数とすることにより向上する。利得は次のように関連付けられ得る。

利得＝ｇ０＋ｋＧ＊セットポイント
ここでｋＧは小さく（ｇ０に対して）、かつ典型的には負の値である。セットポイントが流量の妥当なアナログ値（reasonable analog）であると仮定すると、この上記関係は流量の関数として効果的に利得を減じる。これに代えて、実際の指標される流量を代わりに用いてもよい。

さらに、利得を流量のより複雑な関数とすること、またはセンサの線形化後に偽の流れ信号を減算することを含め、他の向上をもなし得る。

５．フローセンサの応答もまた流量に応じてばらつく。しかしながら、現在のハードウェアに対して変化は小さく、フィルタカスケードパラメータをセットポイントまたは流量のいずれかの関数とすることによっては、性能の小さな改良しか得られないであろう。

この発明のいくつかの実施例を詳細に説明してきたが、さまざまな修正例および改良が当業者には容易に想起されるであろう。そのような修正および改良はこの発明の範囲内にあることが意図される。したがって、上記の説明は例示目的のみであり、限定的とは意図されない。この発明は添付の特許請求の範囲およびその等価物によって定義されるようにのみ限定される。

この発明のさまざまな局面を実現し得る例示的なマスフローコントローラの概略ブロック図である。 図１に示されるフローメータのより詳細な概略ブロック図である。 この発明の実施例に従った、流れにおける階段状変化に応答するマスフローセンサのさまざまな出力信号を示す図である。 図１に示す利得／進み／遅れコントローラ回路のより詳細な概略図である。 図１に示すバルブアクチュエータのより詳細な概略ブロック図である。 図４に示すいくつかの信号の信号波形を示す図である。 この発明の実施例に従った、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対しマスフローセンサを構成する方法を示す図である。 この発明の実施例に従った、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対しマスフローセンサを構成する方法を示す図である。 この発明の実施例に従った、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対しマスフローセンサを構成する方法を示す図である。 この発明の実施例に従った、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対しマスフローセンサを構成する方法を示す図である。 この発明の実施例に従った、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対しマスフローセンサを構成する方法を示す図である。 この発明の実施例に従った、プロセス流体および／またはプロセス動作条件での動作に対しマスフローセンサを構成する方法を示す図である。 この発明の一実施例に従った補償フィルタの図である。 この発明の一実施例に従った、圧力誘導バルブ変位補償の１つの方法を示す図である。 自由浮動プランジャを示す図である。 時間の関数として流路の入口側で導入される圧力パルスのグラフである。 図１１Ａにおいて示される圧力パルスから生じる圧力信号のグラフである。 この発明の一実施例に従った圧力変化を検出するための圧力変換器を有する流路を示す図である。 この発明の一実施例に従った、偽の流れ情報を補償する補償フィルタの図である。 圧力パルスの形での圧力過渡が流路の入口側に導入される場合を示す図である。 図１２Ａに示される圧力過渡から生じる時間の関数としてセンサ出力を示す図である。 この発明の一実施例に従った、圧力誘導バルブ変位補償の１つの方法を示す図である。 この発明の一実施例に従った、マスフローコントローラの自動的構成を容易にするシステムを示す図である。 この発明の一実施例に従ったマスフローコントローラの自動的構成を容易にする別のシステムの図である。 バルブの断面図である。

Claims (25)

1. 入口側と出口側とを有する流体流路に結合されるフローセンサを含むフローコントローラにおける方法であって、フローセンサは流路を通る感知された流体流れを示すセンサ出力信号を提供するよう適合され、方法は、
   流路内の流体の圧力を測定することを含み、圧力は流路における圧力過渡に対応し、方法はさらに、
   測定された圧力に対応する圧力信号を提供することと、
   圧力過渡によるフローセンサの応答をエミュレートする偽の流れ信号を形成することと、
   偽の流れ信号に基づきセンサ出力信号を調節することとを含み、
   偽の流れ信号を形成することは、圧力信号がセンサ出力信号に対し適時に実質的に整列されるように、圧力信号を遅延させることを含む、方法。
2. センサ出力を調節することは、センサ出力信号から偽の流れ信号を差し引くことを含む、請求項１に記載の方法。
3. 偽の流れ信号を形成することは、圧力信号を少なくとも１つのフィルタでフィルタリングすることを含み、少なくとも１つのフィルタは、圧力過渡に対するフローセンサの応答をエミュレートする転換機能を有する、請求項１に記載の方法。
4. 偽の流れ信号を形成することは、圧力信号を微分することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 偽の流れ信号を形成することは、圧力信号を少なくとも１つのフィルタでフィルタリングすることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 少なくとも１つのフィルタは、直列に接続される複数の二次フィルタを含み、複数の二次フィルタの各々からの出力は、スケーリングされて合計され、偽の流れ信号を提供する、請求項５に記載の方法。
7. センサ出力を調節することは、センサ出力信号から偽の流れ信号を差し引くことを含む、請求項６に記載の方法。
8. フローメータであって、
   流体流路における流体流れを感知して、感知した流体流れを示すセンサ出力信号を提供するよう適合されるフローセンサと、
   流体流路環境における圧力を測定して、測定された圧力を示す圧力信号を提供するよう適合される圧力変換器とを含み、測定された圧力は流体流路における圧力過渡に対応し、フローメータはさらに、
   圧力信号を受けて、圧力信号に関する偽の流れ信号を形成する補償フィルタを含み、
   偽の流れ信号は、圧力過渡によって生じる流れ変動に対するフローセンサ応答から生じる偽の流れ情報を再生成するよう形成され、
   偽の流れ信号を形成することは、圧力信号がセンサ出力信号に対し適時に実質的に整列されるように、圧力信号を遅延させることを含む、フローメータ。
9. 補償フィルタは、流路における圧力過渡に対するフローセンサの応答をエミュレートする転換機能を含む、請求項８に記載のフローメータ。
10. 偽の流れ信号は、センサ出力信号から差し引かれて流れ信号を提供する、請求項８に記載のフローメータ。
11. フローメータはマスフローコントローラに含まれ、マスフローコントローラはさらに、
    フローメータに結合され、少なくとも一部は流れ信号に基づき駆動信号を提供するよう適合されるコントローラと、
    コントローラから駆動信号を受けるよう適合されるバルブアクチュエータと、
    バルブアクチュエータによって制御されるよう適合され、流体流路に結合されるバルブとを含む、請求項８に記載のフローメータ。
12. 変換器は、流路の入口圧力を測定して、入口圧力信号を提供する、請求項８に記載のフローメータ。
13. 補償フィルタは、入口圧力における変化から生じる流体流れに対するフローセンサの応答をエミュレートする転換機能を有する、請求項１２に記載のフローメータ。
14. 偽の流れ信号は、入口圧力における変化から生じるセンサ出力信号の偽の流れ情報成分を再生成するよう形成される、請求項１２に記載のフローメータ。
15. 流れ信号は、センサ出力信号から偽の流れ信号を差し引くことにより決定される、請求項１１に記載のフローメータ。
16. 補償フィルタは、偽の流れ信号を形成して、圧力過渡に応答するフローメータから生じた偽の流れ情報を再生成し、補償フィルタは、圧力信号を受け、圧力過渡によって生じたバルブのバルブ変位を補償するための駆動レベルを示す変位補償信号を提供する変位補償手段を含む、請求項１１に記載のフローメータ。
17. 補償フィルタは、圧力信号を遅延させて、複数のフィルタに遅延された圧力信号を与える遅延部をさらに含む、請求項８に記載のフローメータ。
18. センサ出力信号と偽の流れ信号とを受けて、センサ出力信号と偽の流れ信号との差に関する流れ信号を提供する減算器をさらに含む、請求項８に記載のフローメータ。
19. 補償フィルタは、圧力信号を、圧力過渡に対するフローセンサの応答に適時に実質的に整列するように、遅延させる遅延ブロックを含み、遅延ブロックは遅延圧力信号を提供する、請求項１８に記載のフローメータ。
20. 補償フィルタは遅延圧力信号を受ける微分器を含み、微分器は遅延圧力信号の導関数を決定して導関数信号を提供するよう適合される、請求項１９に記載のフローメータ。
21. 流路に結合されるフローセンサによって提供されるセンサ出力信号から偽の流れ情報を除去する方法であって、偽の流れ情報は、圧力過渡により生じる流れ変化に応答するフローセンサから生じ、方法は、
    流路内の流体の圧力を測定することを含み、測定された圧力は流路における圧力過渡に対応し、方法はさらに、
    測定された圧力に対応する圧力信号を提供することを含み、
    圧力信号から偽の流れ信号を形成することと、偽の流れ信号を形成することは、圧力信号がセンサ出力信号に対し適時に実質的に整列されるように、圧力信号を遅延させることを含み、方法はさらに、
    センサ出力信号から偽の流れ信号を差し引いて、流路における流体流れを示す流れ信号を提供することとを含む、方法。
22. 流路に結合されるマスフローコントローラにおける方法であって、マスフローコントローラは、フローメータ、コントローラ、バルブアクチュエータおよびバルブを含む制御ループを有し、方法は、
    流路環境における圧力を測定することを含み、測定された圧力は流路環境における圧力過渡に対応し、方法はさらに、
    測定された圧力に対応する圧力信号を提供することと、
    圧力過渡に対するフローメータの応答から生じる偽の流れ情報を再生成するように偽の流れ信号を形成することとを含み、偽の流れ信号を形成することは、圧力信号がセンサ出力信号に対し適時に実質的に整列されるように、圧力信号を遅延させることを含み、方法はさらに、
    偽の流れ信号に基づき少なくとも１つの補償信号を決定することと、
    少なくとも１つの補償信号をマスフローコントローラの制御ループに適用することとを含む、方法。
23. 少なくとも１つの補償信号を制御ループに適用することは、偽の流れ信号を制御ループに適用して、圧力過渡による流体流れにおける変動に対するフローメータの応答を補償することを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 少なくとも１つの補償信号を決定することは、圧力過渡によるバルブ変位を補償するための駆動レベルを示す変位補償信号を決定することを含む、請求項２２に記載の方法。
25. フローコントローラのプロセッサでの実行のためのプログラムをエンコードされるコンピュータ読出可能媒体であって、プログラムは、プロセッサで実行された場合に、請求項１−３、および請求項２２−２４のいずれかに記載の方法を実行する、コンピュータ読出可能媒体。

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