JP4977669B2

JP4977669B2 - 差圧式流量計

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Publication number: JP4977669B2
Application number: JP2008228485A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見; 一彦杉山; 富雄宇野; 信一池田; 功二西野; 修中村; 亮介土肥; 篤諮松本
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: JP2008286812A

Description

本発明は、半導体製造設備や化学プラント、食品製造プラント等で使用される差圧式流量計及び差圧式流量制御装置（以下、差圧式流量計等と呼ぶ）の改良に関するものであり、所謂インライン状態で使用することができ、しかも臨界状態や非臨界状態にある流体の流量を、真空下の小流量域であっても高精度でリアルタイムに計測又は制御することが出来るようにした、安価で且つ構造の簡単な差圧式流量計等に関するものである。

従前から、半導体製造設備や化学プラントでは、プロセスガスや原料ガス等の流量測定又は流量制御にマスフロー型流量計（熱式質量流量計）等やビルドアップ式流量計等、差圧式流量計等が多く使用されて来た。

しかし、熱式質量流量計等には応答性が低いこと、低流量域での測定精度が低いこと、作動時のトラブルが多いこと、被制御ガスの種類に制約があること及び圧力変動の影響を受け易いこと等の多くの難点がある。

同様に、ビルドアップ式流量計等には、リアルタイムの流量測定又は流量制御が困難なこと、インライン状態で使用できないこと、被制御ガスの圧力に制約があること及び測定用に別ラインを必要とすること等の問題がある。

これに対して、オリフィスと圧力計を用いる差圧式流量計等は、被制御ガスの種類による制約が殆どないうえ、インライン状態で使用することができ、しかもリアルタイムの流量計測又は流量制御が行えると云う優れた効用を有するものである。
特公昭５９−１９３６５号公報特公昭５９−１９３６６号公報特開平１０−５５２１８号公報しかし、この種の差圧式流量計等は、何れも流体が非圧縮性であることを前提とするベルヌーイの定理から導出した流量演算式を基礎として用い、これに各種の補正を加えることにより流体流量を演算するものであるため、流体の圧力変化が大きい場合（即ち、流体が非圧縮性であると云う近似が崩れた場合）には、流量の測定精度や制御精度の大幅な低下が避けられず、結果として高精度な流量計測又は流量制御が出来ないと云う難点がある。

また、上記差圧式流量計等の難点を解決するものとして、オリフィスを通過する流体を臨界条件、即ち流体流速が音速領域になるようにオリフィス上流側圧力Ｐ_１とオリフィス下流側圧力Ｐ_２を強制的に設定し、この臨界条件下で流体の流量ＱをＱ＝ＫＰ_１なる理論式で演算するようにした圧力式流量計等が開発され、公開されている（特開平１０−５５２１８号等）。

しかし、当該圧力流量計等でも、流体が小流量域（即ち、オリフィス上流側圧力Ｐ_１と下流側圧力Ｐ_２とが接近した状態）になると非臨界条件が出現することになり、結果として流量測定値Ｑ又は流量制御値Ｑに大きな誤差が含まれることになる。

即ち、従前の差圧式流量計（又は圧力式流量計）等では、ベルヌーイの定理から流体が非圧縮性であると仮定して導出した流量演算式を用い、流体が音速に達する前の非臨界条件下（非音速領域）では、下流側流量ＱをＱｃ＝ＳＣ（Ｐ_２（Ｐ_１−Ｐ_２））^１／２／Ｔ^１／２により求め、また音速に達した後の臨界条件下（音速領域）では、Ｑｃ＝ＳＣＰ_１／Ｔ^１／２により演算するようにしている。尚、Ｔはオリフィス通過時の流体の絶対温度、Ｓはオリフィス孔断面積、Ｃは比例係数である。

また、流体速度が音速に達する臨界条件は、圧力比Ｐ_２／Ｐ_１の臨界値ｒ_ｃで与えられ、この臨界値ｒ_ｃは、ガスの比熱比ｎを用いて、Ｐ_２／Ｐ_１＝ｒ_ｃ＝（２／（ｎ＋１））^{ｎ／（ｎ−１）}により求められている。

更に、比熱比ｎはｎ＝Ｃｐ／Ｃｖで与えられ、Ｃｐは定圧比熱、Ｃｖは定積比熱である。２原子分子ガスでは、ｎ＝７／５＝１．４であり、ｒ_ｃ＝０．５３となる。また、非直線型３原子分子ガスでは、ｎ＝８／６＝１．３３であり、ｒ_ｃ＝０．５４となる。

ところで、先に本願発明者等は、上記従前の差圧式流量計（又は圧力式流量計）の問題点を改良するため、非臨界条件下で使用する流体を非圧縮性として導出した従前の理論流量式Ｑによる演算流量値と実際の流量測定値とを対比し、従前の理論流量式Ｑｃ＝ＳＣ／Ｔ^１／２（Ｐ_２（Ｐ_１−Ｐ_２））^１／２から複数のパラメータを有する実験流量式Ｑｃ’＝ＳＣ／Ｔ^１／２・Ｐ_２ ^ｍ（Ｐ_１−Ｐ_２）^ｎ＝ＫＰ_２ ^ｍ（Ｐ_１−Ｐ_２）^ｎを導出し、この実験流量式Ｑｃ’による演算流量値が実測値と合致するように前記パラメータｍ、ｎを決定することにより、圧縮性流体によりうまく適合できるようにした実験流量式Ｑｃ’を提案し、特願２００１−３９９４３３号としてこれを公開している。

尚、上記実験流量式Ｑｃ’に於いては、比例定数ＫはＳＣ／Ｔ^１／２で与えられ、ガス流の物質条件と絶対温度Ｔから計算される。また、Ｐ_１はオリフィス上流側圧力、Ｐ_２はオリフィス下流側圧力を表し、単位はｋＰａＡ（キロパスカル絶対圧）である。更に、計測流量範囲が１０〜３０ｓｃｃｍ（標準状態におけるｃｃ／ｍｉｎ単位の流量）の領域に於いては、前記パラメータｍ、ｎがｍ＝０．４７１５２、ｎ＝０．５９４９２の値になることを見出している。

前記二つのパラメータｍ、ｎの値は、計測すべき流量範囲、ガス種に依存するものであり、前記したｍ＝０．４７１５２及びｎ＝０．５９４９２の値は、流量が１０〜３０ｓｃｃｍの領域において成立する値であるが、流量範囲が１０〜１００ｓｃｃｍや１００〜１０００ｓｃｃｍになると、ｍとｎの値はこれらの値からずれてくる。

図１３は、上記実験流量式Ｑｃ’を用いた改良型圧力式流量制御装置の構成図であり、本願発明者等が特願２００１−３９９４３３号として先に公開しているものである。尚、当該図１３の装置は流量制御装置として構成されているが、コントロール弁２１やバルブ駆動部２２、流量比較部２３ｅを省略すれば、差圧式流量計となることは容易に理解できることである。

図１３に於いて、２０はオリフィス、２１はコントロール弁、２２はバルブ駆動部、２３は制御回路、２３ａは圧力比演算部、２３ｂは圧力比演算部、２３ｃは流量演算部、２３ｄは流量演算部、２３ｅは流量比較部、Ｐ_１はオリフィス上流側流体圧力検出器、Ｐ_２はオリフィス下流側流体圧力検出器、Ｔは流体温度検出器、Ｑｓは流量設定値信号、ΔＱは流量差信号、Ｑｃ’は流量演算値である。

当該装置では、先ず検出した上流側圧力Ｐ_１と下流側圧力Ｐ_２から圧力比Ｐ_２／Ｐ_１を算出し（２３ａ）、流体が臨界条件にあるか非臨界条件にあるかを常時判断し（２３ｂ）、臨界条件では流量式Ｑｃ＝ＫＰ_１を用い（２３ｃ）、また、非臨界条件では実験流量式Ｑｃ’＝ＫＰ_２ ^ｍ（Ｐ_１−Ｐ_２）^ｎを用いて流量演算が行われる。

尚、前述したように、臨界値ｒｃは（２／（ｎ＋１）））^{ｎ／（ｎ−１）}により与えられ（但し、ｎはガスの比熱比である）、２原子分子ガスではｒｃ＝０．５３、非直線型３原子分子ガスではｒ_ｃ＝０．５４であり、ｒ_ｃ＝約０．５と表記される。

また、流量比較部２３ａでは、設定流量Ｑｓと演算流量Ｑｃとの流量差ΔＱが計算され、流量差ΔＱがゼロになるようにバルブ駆動部２２を動作させ、コントロールバルブ２１を開閉制御するようにしているが、流量計として使用する場合には、前述の通り流量比較部２３eやコントロールバルブ２１、バルブ駆動部２２は不要である。

図１４の曲線Ａは、前記図１１の改良した圧力式流量計等による流量測定又は流量制御特性を、また、曲線Ｂは、従前臨界条件下でＱｃ＝ＫＰ_１を用いる圧力式流量計等による流量測定又は流量制御特性を、夫々示すものである。図１４からも明らかなように、図１３の改良した圧力式流量計等では、臨界条件下では臨界条件の流量式Ｑｃ＝ＫＰ_１を用い、また非臨界条件下では非臨界条件の実験流量式Ｑｃ’＝ＫＰ_２ ^ｍ（Ｐ_１−Ｐ_２）^ｎを用いるから、設定流量に比例した正確な流量Ｑが算出でき、流量Ｑの設定％に対する直線性が、図１４の曲線Ａに示すように保持されていることになり、流量が少ない領域に於いても、比較的高精度な流量測定や流量制御を行うことが出来る。

前記図１３に示した改良型圧力式流量計等は、図１４の曲線Ａに示されているよういに最大流量の約１０％位の小流量域までであれば、比較的高精度な流量測定又は流量制御を行うことが出来、優れた実用的効用を奏するものである。

しかし、流量領域が最大流量の約１０％以下の小流量域になると、現実には実用的な流量測定や流量制御精度が得られないと云う問題がある。

また、当該改良型圧力式流量計等では、オリフィス下流側の圧力Ｐ_２が約２００Ｔｏｒｒ以下の真空になると、基準設定流量に対する測定誤差Error（％ＳＰ又は％ＦＳ）が比較的大きくなり、実用上様々な問題が生じると云う難点がある。

本発明は、先に本願発明者等が開発をした改良型圧力式流量計等に於ける上述の如き問題を解決せんとするものであり、最大流量（１００％）から最大流量の約１％程度の広い流量範囲に亘って高精度な流量測定又は流量制御が出来ると共に、オリフィス下流側の圧力Ｐ_２が真空であって且つこれが変動するような場合に於いても、予め実測により求めた誤差データを記憶装置に記憶しておき、この補正データを参照して流量演算値を補正することにより、高精度な流量測定又は流量制御を行うことができ、しかも構造が簡単で安価に製造できるようにした差圧式流量計等を提供するものである。

請求項１の発明は、最大流量の１００〜１０％までの流量域を測定する差圧式流量計と最大流量の１０％〜１％までの流量域を測定する差圧流量計とを組み合せ、測定すべき流体を前記各流量域に応じて切換弁により前記各差圧流量計へ切換え供給することにより、広流量域に亘って高精度な流量測定を行う差圧式流量計であって、各差圧式流量計を、オリフィスと、オリフィス上流側の流体圧力Ｐ_１の検出器と、オリフィス下流側の流体圧力Ｐ_２の検出器と、オリフィス上流側の流体温度Ｔの検出器と、前記各検出器からの検出圧力Ｐ_１、Ｐ_２及び検出温度Ｔを用いて流体流量Ｑを演算する制御演算回路とから成る差圧式流量計であって、且つ前記制御演算回路に、流体流量ＱをＱ＝Ｃ_１・Ｐ_１／√Ｔ・（（Ｐ_２／Ｐ_１）^ｍ−（Ｐ_２／Ｐ_１）^ｎ）^１／２（但しＣ_１は比例定数、ｍ及びｎは定数）により演算する流量演算回路と、予め実測により求めたオリフィス下流側圧力Ｐ_２の変動と前記流体流量Ｑの流量誤差Ｅｒｒｏｒとの関係を記憶した補正データ記憶回路と、前記演算した流体流量Ｑを補正データ記憶回路からの補正用データにより補正する流量補正演算回路とを設け、オリフィス下流側圧力Ｐ_２の変動に応じて演算した流体流量Ｑを補正し、補正後の流量値Ｑ’を出力する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る差圧式流量計の第１実施形態の基本構成を示すものであり、当該差圧式流量計はオリフィス１、オリフィス上流側の絶対圧式圧力検出器２，オリフィス下流側の絶対圧式圧力検出器３、オリフィス上流側のガスの絶対温度検出器４、制御演算回路５、出力端子６，入力端子７、等から構成されている。尚、８はガス供給装置、９はガス使用装置（チャンバー）である。

本発明の差圧式流量計に於いては、差圧条件下（即ち、非臨界条件下）でオリフィス１を通過するガスの流量Ｑが、前記制御演算回路５に於いて、下記の（１）式の実験流量式を用いて演算され、その演算値は出力端子６より外部へ出力される。Ｑ＝Ｃ_１・Ｐ_１／√Ｔ・（（Ｐ_２／Ｐ_１）^m−（Ｐ_２／Ｐ_１）ⁿ）^１/２・・（１）
尚、上記の実験流量式Ｑは、従前の連続方程式を基礎とする下記流量演算式（２）をベースにして本願発明者によって新規に提案されたものである。

尚、（２）式に於いて、δはガス密度、κはガスの比熱比、Ｐ_１はオリフィス上流側圧力、Ｐ_２はオリフィス下流側圧力、Ｔはガス温度、Ｒはガス定数、Ｓはオリフィス断面積であり、当該（２）式は公知のものである。

本発明に係る前記（１）式に於いて、Ｑは標準状態に換算した体積流量（ＳＣＣＭ）、Ｃ_１はオリフィス１の断面積Ｓを含んだ係数、Ｐ_１はオリフィス上流側の絶対圧力（Ｐａ）、Ｐ_２はオリフィス下流の絶対圧力（Ｐａ）、Ｔはオリフィス上流側のガスの絶対温度（Ｋ）である。

また、ｍ及びｎは、(２)式よりＮ_２ガスのκ＝１．４０を演算して定められた定数であり、オリフィス径φが２．０ｍｍφ、最大流量が２０００ｓｃｃｍの流量計に於いては、前記（１）式のＣ_１＝２６８０、ｍ＝１．４２８６、ｎ＝１．７１４３となる。

尚、当該常数Ｃ_１、ｍ及びｎが測定可能なガス種に応じて変化することは勿論であるが、Ｎ_２ガスに於いては、ｍ＝１．４２８６及びｎ＝１．７１４３となることが判っている。

図２は、図１の差圧式流量計（１００％設定値２０００ｓｃｃｍ）の設定流量値（％）と圧力Ｐ_１、Ｐ_２（Ｔｏｒｒ）と誤差Eｒｒｏｒ（％ＳＰ）の関係を示す実測値であり、ガス圧力Ｐ_１、Ｐ_２が５０Ｔｏｒｒ以下の真空であっても、設定流量が１０（％）（最大流量の１０％＝２００ｓｃｃｍ）位までであれば、流量誤差Ｅｒｒｏｒは設定流量値（％）に対して極く小さな値（１％ＳＰ以下）となる。

しかし、設定流量値が１０（％）以下になると、流量誤差Ｅｒｒｏｒは−１（％ＳＰ）以上となり、流量測定値の実用上に問題が生じることになる。

図３は、本発明に係る差圧式流量計のオリフィス２次側圧力Ｐ_２（Ｔｏｒｒ）と設定流量（％）と誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）と２次側配管条件の関係を示す線図であり、９ａは設定流量（％）が１００ｓｃｃｍの場合を、９ｂは２００ｓｃｃｍの場合、９ｃは４００ｓｃｃｍの場合、９ｄは６００ｓｃｃｍの場合、９ｇは１２００ｓｃｃｍの場合、９ｊは１８００ｓｃｃｍの場合、９ｋは２０００ｓｃｃｍ（１００％）の場合を夫々示すものである。尚、使用した差圧式流量計の最大流量（１００％）は２０００ｓｃｃｍである。

また、各設定流量値（％）の中で、四角印は図３の中に示すように差圧式流量計の出口側が配管路（４．３５ｍｍφ・１００ｍｍ）のままでバルブ等が介設されていない場合の誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）を、菱形印は差圧式流量計の出口側にＣｖ値が０．３の制御弁を介設したときの誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）を、三角印はＣｖ値が０．２の制御弁を介設したときの及び丸印はＣｖ値が０．１の制御弁を介設したときの誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）を夫々示すものである。

即ち、図３からも明らかなように、使用圧力条件が真空（５０Ｔｏｒｒ以下）になると、２次側（オリフィス下流側）の配管条件によって、圧力Ｐ_２と流量Ｑの関係が大きく変動することになり、結果として誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）が変化する。

そのため、差圧式流量計の調整時に、予め２次側管路抵抗（コンダクタンス）を変化させた場合の流量誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）を測定しておき（図３の場合は４条件×１１点）、この誤差Ｅｒｒｏｒを打消すための補正係数を予め求めておく。そして、当該補正係数によって流量演算回路５に於いて実験流量式（１）により演算した流量値Ｑを修正することにより、真空の条件下に於いて差圧式流量計の２次側圧力Ｐ_２が変化した場合においても、より高精度な流量演算を行うことが可能となる。

図４は、図３の誤差補正係数を得るための測定回路を示すものであり、標準流量制御器ＳＦとして圧力式流量制御装置を使用すると共に、２次側配管条件を変えるために制御弁Ｖ_２を取付自在に設け、当該標準流量制御器ＳＦによって１００ｓｃｃｍ〜２０００ｓｃｃｍの流量域の間を２００ｓｃｃｍの間隔をもって、供給ガス流量（Ｎ_２を調整（計１１点）し、その都度差圧式流量計ＡのＰ_１、Ｐ_２、Ｑ及びその時のオリフィス下流側の圧力Ｐ_２を測定した。

尚、２次側管路抵抗は、制御弁Ｖ_２が無い場合（差圧式流量計Ａを直接に真空ポンプへ内径４．３５ｍｍφの管路（長さ約１００ｍｍ）で接続したとき）、制御弁Ｖ_２をＣｖ値が０．３のものとしたとき、Ｃｖ値を０．２のものとしたとき、Ｃｖ値を０．１のものとしたときの４種のケースにより調整した。

また、測定流量は、前述の通り１００ｓｃｃｍ〜２０００ｓｃｃｍの間で合計１１点を設定した。

更に誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）は（ＳＦの流量値−Ａの流量値）／ＳＦの流量値×１００％により算出した。

尚、圧力式流量制御装置への供給圧力Ｐ_１は約３００ｋＰａＧ、差圧式流量計Ａのオリフィス２次側は真空排気ポンプＶｐ（３００ｌ／ｍｉｎ、最高到達圧力１．２×１０^−２Ｔｏｒｒ）により連続的に真空引きした。

例えば、先ず、２次側配管路から制御弁Ｖ_２を取り外して内径φ＝４．３５ｍｍ・Ｌ＝１００ｍｍの直線状のステンレス鋼管のみで２次側管路を形成し、圧力式流量制御装置ＳＦにより供給流量を１０００ｓｃｃｍとしたとき、差圧式流量計Ａの測定値は約１０００ｓｃｃｍで誤差Ｅは零となり、その時の２次側圧力Ｐ_２は約１８Ｔｏｒｒであった。同様にＳＦからの供給流量を２０００ｓｃｃｍとすると、差圧式流量計Ａの読みは１９２０ｓｃｃｍ（誤差Ｅは−４％ＳＰ）となり、その時の２次側圧力Ｐ_２は約２９Ｔｏｒｒとなった。

同様にして２次側管路の条件を変えると、ＳＦからの供給流量が２０００ｓｃｃｍ（１００％）の条件下でもＣｖ＝０．３の時には誤差Ｅ＝−１％ＳＰ及びＰ_２＝３４．５Ｔｏｒｒとなり、Ｃｖ＝０．２の時には誤差Ｅ＝−０．０５％ＳＰ及びＰ_２＝４０．５Ｔｏｒｒとなる。またＣｖ＝０．１の時には誤差Ｅ＝＋２％ＳＰ及びＰ_２＝５９．５Ｔｏｒｒとなった。

上記図３の結果を整理することにより、各設定流量値（％ＳＰ）に対して、下表のようなオリフィス下流側圧力Ｐ_２の変動と発生誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）との関連を示すテーブルを得ることが出来る。

即ち、約１００Ｔｏｒｒ以下の真空状態下で使用する差圧式流量計に於いて、オリフィス２次側圧力Ｐ_２が何らかの事情で変動した際には、上記表１の補正データを用いて、差圧式流量計の現実の測定値を修正する。

例えば、２０００ｓｃｃｍ（１００％）で使用中の差圧式流量計が、測定値として２０００ｓｃｃｍを表示しており且つその時のオリフィス下流側の圧力Ｐ_２が６０Ｔｏｒｒであれば、測定値（２０００ｓｃｃｍ）には＋２％の誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）を含んでいることになるので、＋２％分の修正を施して２０００ｓｃｃｍの測定値を１９６０ｓｃｃｍに補正する。

図５は、上記補正手段を採用した本発明の基本構成を示すものであり、第１実施形態を示す図１の差圧式流量計の制御演算回路５に補正データの記憶回路５ｂと流量値の補正演算回路５ｃとを設けたものである。

即ち、前記流量演算回路５ａで流量実験式Ｑを用いて演算した流量値Ｑに、その時のオリフィス下流側圧力Ｐ_２を参照して補正データ記憶回路５ｂから圧力Ｐ_２に於ける誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）を引出し、当該誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）分を前記流量演算値Ｑから除く補正をし、補正演算回路５ｃで補正後の直値に近い流量値Ｑ’を出力端子６より外部へ出力する。

図６は本発明の第３実施形態を示すものであり、図５の差圧式流量計に於いて、臨界条件下にあるときはＱ＝ＫＰ_１の流量式でもって流量の演算を行い、また非臨界条件下にあるときには、図５の制御演算回路５でもって流量演算を行うようにしたものである。

即ち、図６に示すように、第３実施形態の差圧式流量計に於いては、図５の制御演算回路５に、圧力比演算回路５ｄと臨界条件判定回路５ｅと臨界条件下の流量演算回路５ｆとが追加されており、先ず、オリフィス上流側圧力Ｐ_１と下流側圧力Ｐ_２の比（γ）を求め、圧力比γと臨界圧力比γｃの大小を比較し、臨界条件下にあるときにはＱ＝ＫＰ_１により流量演算を行って演算値を出力する。

また、非臨界条件下にあるときには、流量式Ｑ＝Ｃ_１・Ｐ_１／√Ｔ・（（Ｐ_２／Ｐ_１）^m−（Ｐ_２／Ｐ_１）ⁿ）^１/２により流量を演算し、流量補正演算回路５ｃで演算値Ｑを補正したあと、出力端子６より補正後の流量値Ｑ’を出力するものである。

一方、前記第１乃至第３実施形態に於いては、実験流量演算式Ｑを用いたり、或いは流量演算値Ｑの補正Ｑ’を行っても、流量測定値の誤差Ｅｒｒｏｒを実用に耐え得る範囲内（例えば１（％ＳＰ）以下）に抑えることが出来るのは、流量範囲が１００〜１０（％）までであり、流量が１０（％）以下になると、補正を施しても誤差Ｅｒｒｏｒを１（％ＳＰ）以下に保持することが困難である。

そこで、本願発明の第４実施形態に於いては、流量範囲の異なる２組の前記第１乃至第３実施形態に係る差圧式流量計を組み合せ、上記２組の差圧式流量計を切換作動させることにより、全体として流量が１００（％）〜１（％）の広い流量範囲に亘って、常に誤差Ｅｒｒｏｒを１（％ＳＰ）以下の高精度な流量測定を行える構成としている。

図７は、第４実施形態に係る差圧式流量計の全体構成図を示すものであり、図７に於いて１０は第１切換弁（ＮＣ型）、１１は第２切換弁（ＮＣ型）、ａはガス入口側、ｂはガス出口側、１’は第１オリフィス（小流量用）、１’’は第２オリフィス（大流量側）、５’は第１制御演算回路、５’’は第２制御演算回路である。

即ち、第１オリフィス１’、第１制御演算回路５’等によって小流量側の差圧式流量計（例えば１０〜１００ｓｃｃｍの流量範囲）が、また第２オリフィス１’’及び第２制御演算回路５’’等によって大流量側の差圧式流量制御装置（例えば１００〜１０００ｓｃｃｍの流量範囲）が夫々構成されており、両差圧式流量制御装置によって流量範囲１０００ｓｃｃｍ（１００％）〜１０ｓｃｃｍ（１％）の広範囲に亘って誤差Ｅｒｒｏｒが１（％ＳＰ）以下の高精度でもって流量計測が行える構成となっている。

図８は、本発明の第４実施形態に係る差圧式流量計の主要部の断面概要図であり、両差圧式流量計を形成する第１及び第２制御演算回路５’、５’’等は省略されている。

図８に於いて、１２はボディ、１３ａ、１３ｂはシール、１４ａはオリフィス上流側絶対式圧力検出器２の取付用ボルト、１４ｂはオリフィス下流側絶対式圧力検出器３の取付用ボルト、１５ａ、１５ｂはダイヤフラム弁機構、１０ａ、１１ａ駆動用シリンダである。

ボディ１２はガス入口部材１２ａ、ガス出口部材１２ｂ、第１ボディ部材１２ｃ及び第２ボディ部材１２ｄを気密状に組付けすることにより形成されており、ステンレス鋼により製作されている。

また、ブロック状の第１ボディ部材１２ｃ及び第２ボディ部材１２ｄの上面側には、第１切換弁１０及び第２切換弁１１の取付孔１７ａ、１７ｂが、更に、その下面側にはオリフィス上流側圧力検出器２及びオリフィス下流側圧力検出器３の取付孔１８ａ、１８ｂが夫々穿設されている。

尚、図８には、図示されていないが、第１ボディ部材１２ｃにはオリフィス上流側のガス温度検出器４の取付孔が形成されている。

また、各ボディ部材１２ｃ、１２ｄ等には、流体入口ａと第１切換弁１０の取付孔１７ａの底面とオリフィス上流側圧力検出器２の取付孔１８ａの底面と第２切換弁１１の取付孔１７ｂの底面とを夫々連通する流体通路１６ａ、１６ｂ、１６ｅと、取付孔１７ａと取付孔１７ｂの各底面間を連通する流体通路１６ｆと、取付孔１７ｂの底面と取付孔１８ｂの底面とを連通する流体通路１６ｃと取付孔１８ｂの底面と流体出口ｂとを連通する流体通路１６ｄとが、夫々穿設されている。

更に、流体通路１６には小流量用のオリフィス１’が、また流体通路１６ａ（又は１６ｂ）には、大流量用のオリフィス１’’が夫々介設されており、図８の実施形態では両ボディ部材１２ｃ、１２ｄの接合面に各オリフィス１’、１’’が配置されている。

前記各取付孔１７ａ、１７ｂの底面に形成された流体通路１６ｅ、１６ｂに連通する弁座は、第１切換弁１０及び第２切換弁１１の弁機構１５ａ、１５ｂにより開閉され、各弁座が開閉されることにより、通路１６ｅと通路１６ｆとの間及び通路１６ｃと通路１６ｂとの間が開閉される。

尚、通路１６ｃは両取付孔１７ｂ、１８ｂ間を常時連通するようになっている。

図７及び図８を参照して、先ず測定流量が大流量域の場合には、第１切換弁１０を閉、第２切換弁１１を開にし、ガス入口ａから流入したガスを通路１６ａ、オリフィス１’’、通路１６ｂ、通路１６ｃ、通路１６ｄを通してガス出口ｂより流出させる。そして、第２制御演算回路５’’（図示省略）により流量演算を行い、必要箇所へ出力する。

また、測定流量域が減少して定格流量の１０％以下になれば、第１切換弁１０を開にすると共に第２切換弁１１を閉にする。これにより、ガスの流れは通路１６ａ、通路１６ｅ、小流量用オリフィス１’、通路１６ｆ、通路１６ｃ、通路１６ｄを通してガス出口ｂより流出する。その間に第１制御演算回路５’により流量演算が行われ、必要箇所へ出力されることは大流量域の計測の場合と同じである。

尚、ボディ１２の材質、ガス通路内面の処理加工、ダイヤフラム弁機構１５ａ、１５ｂ、圧力検出２、３及び温度検出器等は公知であるため、ここではその説明を省略する。

図９は本発明に係る差圧式流量制御装置の第１実施形態を示すものであり、前記図１に示した差圧式流量計にコントロールバルブ２１及びバルブ駆動部２２を設けると共に、制御演算回路５に流量比較回路５ｇを設け、ここで外部から入力した設定流量Ｑｓと流量演算回路５ａで演算した演算流量Ｑとの流量差ΔＱを演算して、当該流量差ΔＱをバルブ駆動部２２へその制御信号として入力する。これにより、コントロールバルブ２１は前記流量差ΔＱが零になる方向に作動され、オリフィス１を流通するガス流量Ｑが設定流量Ｑｓに制御されることになる。

図１０は差圧式流量制御装置の第２実施形態を示すものであり、前記図５に示した差圧式流量計にコントロールバルブ２１及びバルブ駆動部２２を設けると共に、制御演算回路５に流量比較回路５ｇを設けたものである。

尚、流量比較回路５ｇでは、補正演算回路５ｃで演算流量Ｑに誤差補正をした補正後の流量Ｑ‘を用いて流量差ΔＱが演算され、当該流量差ΔＱが零となる方向にコントロールバルブ２１が開閉制御される。

図１１は差圧式流量制御装置の第３実施形態を示すものであり、前記図６に示した差圧式流量計にコントロールバルブ２１及びバルブ駆動部２２を設けると共に、制御演算回路５から補正データ記憶回路５ｂ及び補正演算回路５ｃを除き、これに代えて流量比較回路５ｇを設ける構成としたものである。

即ち、ガス流が臨界条件下にある時には、第２流量演算回路５ｆからの演算流量Ｑを用いて、また、ガス流が非臨界条件下にある時には、流量演算回路５ａからの演算流量Ｑを用いて、夫々流量差ΔＱが演算され、当該流量差ΔＱを零にする方向にコントロールバルブ２１が開閉制御される。

図１２は差圧式流量制御装置の第４実施形態を示すものであり、前記図６に示した差圧式流量計にコントロールバルブ２１及びバルブ駆動部２２を設けると共に、制御演算回路５に流量比較回路５ｇを設ける構成としたものである。

即ち、ガス流が臨界条件下にある時には、第２流量演算回路５ｆからの演算流量Ｑを用いて、また、ガス流が非臨界条件下にある時には、流量演算回路５ａからの演算流量Ｑに補正を加えた補正演算回路５ｃからの流量Ｑ‘を用いて、夫々流量差ΔＱが演算され、当該流量差ΔＱを零にする方向にコントロールバルブ２１の開閉制御が行なわれる。

本発明では、差圧式流量計等の構造そのものを大幅に簡素化すると共に、実測値に極めて高精度で合致する演算流量値を得ることが出来る新規な実験流量演算式を用いて流量演算を行う構成としているため、安価に製造でき、しかもインラインの形態で且つ取り付け姿勢に制約を受けることもなく使用でき、そのうえ圧力の変動に対しても制御流量が殆ど影響されることなしに、高精度な流量計測又は流量制御をリアルタイムで行うことが出来る。

また、本発明に於いては、制御演算回路に圧力変動に対する補正データの記憶回路と、これによる演算流量の補正回路を設けるようにしているため、オリフィス２次側に圧力変動が生じてもその影響を簡単に補正することが出来、オリフィス２次側の圧力Ｐ_２が真空（５０Ｔｏｒｒ以下の低圧）に近い状態の条件下に於いても、圧力変動に殆ど影響を受けることなしに高精度な流量計測又は流量制御が行える。

更に、本発明に於いては、小流量用の差圧式流量計と大流量用の差圧式流量計とを有機的に一体的に組み付けするようにしているため、両差圧流量計を切換作動させることにより、定格流量（１００％）から定格流量の１％位の小流量（１％）の広い流量範囲に亘って、誤差Ｅｒｒｏｒ（％ＳＰ）が１（％ＳＰ）以下の高精度な流量計測を連続的に行うことができる。

本発明は上述の通り、簡単な構造の安価な差圧式流量計等であるにも拘わらず、あらゆる種類のガスの流量を、１００Ｔｏｒｒ以下のガス使用条件下であっても広範囲の流量域に亘って高精度で計測又は流量制御することができると云う優れた実用的効用を有するものである。

本発明の第１実施形態に係る差圧式流量計の基本構成図である。図１の差圧式流量計の誤差特性を示す線図である。オリフィス下流側圧力Ｐ_２が真空の場合に於いて、２次側管路抵抗を変化させた場合の「流量と２次側圧力と誤差」との関係を示す線図である。図３のデータを得るために利用した測定回路を示すものである。本発明の第２実施形態に係る差圧式流量計の基本構成図である。本発明の第３実施形態に係る差圧式流量計の基本構成図である。本発明の第４実施形態に係る差圧式流量計全体構成を示す系統図である。本発明の第４実施形態に係る差圧式流量計の主要部の断面概要図である。本発明に係る差圧式流量制御装置の第１実施形態の基本構成図である。本発明に係る差圧式流量制御装置の第２実施形態の基本構成図である。本発明に係る差圧式流量制御装置の第３実施形態の基本構成図である。本発明に係る差圧式流量制御装置の第４実施形態の基本構成図である。先に公開をした改良型圧力式流量制御装置の構成図である。先に公開をした改良型圧力式流量制御装置の流量特性を示す線図である。

符号の説明

Ｑは実験流量演算式、Ｑ’は補正済流量、Ｑｓは設定流量、ＳＦは標準流量制御器（圧力式流量制御装置）、Ａは差圧式流量計、Ｖ_２１〜Ｖ_２３は２次側制御弁、ＶＰは真空排気ポンプ、ａはガス入口、ｂはガス出口、１はオリフィス、１’は小流量用オリフィス、１’’は大流量用オリフィス、２はオリフィス上流側の絶対圧式圧力検出器、３はオリフィス下流側の絶対圧式圧力検出器、４はオリフィス上流側のガス絶対温度検出器、５は制御演算回路、５ａは流量演算回路、５ｂは補正データ記憶回路、５ｃは流量補正演算回路、５ｄは圧力比演算回路、５ｅは臨界条件判定回路、５ｆは臨界条件下の流量を演算する第２流量演算回路、５ｇは設定流量と演算流量の比較回路、５’は第１制御演算回路、５’’は第２制御演算回路、６は流量出力端子、７は電源入力端子、８はガス供給装置、９はガス使用装置（チャンバー）、１０は第１切換弁、１０ａ駆動用シリンダ、１１は第２切換弁、１１ａ駆動用シリンダ、１２はボディ、１２ａはガス入口部材、１２ｂはガス出口部材、１２ｃは第１ボディ部材、１２ｄは第２ボディ部材、１３ａ・１３ｂはシール、１４ａ・１４ｂは圧力検出器の取付ボルト、１５ａ・１５ｂはダイヤフラム弁機構、１６ａ〜１６ｆは通路、１７ａは第１切換弁の取付孔、１７ｂは第２切換弁の取付孔、１８ａはオリフィス上流側圧力検出器の取付孔、１８ｂはオリフィス下流側圧力検出器の取付孔、２１はコントロールバルブ、２２はバルブ駆動部。

Claims

最大流量の１００〜１０％までの流量域を測定する差圧式流量計と最大流量の１０％〜１％までの流量域を測定する差圧流量計とを組み合せ、測定すべき流体を前記各流量域に応じて切換弁により前記各差圧流量計へ切換え供給することにより、広流量域に亘って高精度な流量測定を行う差圧式流量計であって、
各差圧式流量計を、オリフィスと、オリフィス上流側の流体圧力Ｐ_１の検出器と、オリフィス下流側の流体圧力Ｐ_２の検出器と、オリフィス上流側の流体温度Ｔの検出器と、前記各検出器からの検出圧力Ｐ_１、Ｐ_２及び検出温度Ｔを用いて流体流量Ｑを演算する制御演算回路とから成る差圧式流量計であって、且つ前記制御演算回路に、流体流量ＱをＱ＝Ｃ_１・Ｐ_１／√Ｔ・（（Ｐ_２／Ｐ_１）^ｍ−（Ｐ_２／Ｐ_１）^ｎ）^１／２（但しＣ_１は比例定数、ｍ及びｎは定数）により演算する流量演算回路と、予め実測により求めたオリフィス下流側圧力Ｐ_２の変動と前記流体流量Ｑの流量誤差Ｅｒｒｏｒとの関係を記憶した補正データ記憶回路と、前記演算した流体流量Ｑを補正データ記憶回路からの補正用データにより補正する流量補正演算回路とを設け、オリフィス下流側圧力Ｐ_２の変動に応じて演算した流体流量Ｑを補正し、補正後の流量値Ｑ’を出力する構成のものとしたことを特徴とする差圧式流量計。