JP5129793B2 - 質量流量コントローラのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
図1に、本発明の実施形態による、質量流量コントローラの概略ブロック図を示す。図1に示された質量流量コントローラには、流量計110、利得/リード/ラグ(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が含まれる。
多くの場合に、質量流量コントローラは、一貫性があり安定した形で動作するために、製造中にチューニングされ、かつ/または較正されなければならないことを理解されたい。手動のチューニングおよび/または較正は、しばしば、時間がかかり、労働集中型であり、高価な工程である。さらに、処理で、質量流量コントローラを、製造中に使用されるものと異なる流体の種類および/または動作条件で動作するように構成することが必要である時に、質量流量コントローラの動作は、質量流量コントローラが複数のプロセス流体でチューニングされ、較正された場合であっても、質量流量コントローラの製造中に観察されたものと同一の挙動を示すことはほとんどない。言い換えると、質量流量コントローラは、質量流量コントローラがそれによってチューニングされ、かつ/または較正されたものと異なる流体および/または動作条件で動作する時に、異なる応答を有する可能性がある。
図7cおよび7dに、製造中の質量流量コントローラのチューニングおよび/または較正中に構成データを得る1つの例示的な手順を示す。
る制御パラメータを決定する。物理モデルによって、流体の種類、入口圧力、出口圧力、温度などが検討される。したがって、流体の種類情報およびプロセス動作条件を物理モデルに供給することと、さまざまなめいめいの流体の流れの値を達成するのに必要な変位を計算することによって、プロセス流体および/またはプロセス動作条件に関する利得Dを計算することができる。バルブの物理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決定される変位から、プロセス流体および/またはプロセス動作条件に関する利得項Cを計算することができる。一実施形態では、アクチュエータの挙動のモデルが、システム利得分解ステップ50で生成された点対{C,displacement}iである。しかし、バルブの挙動が既知であるか、バルブの挙動を直接に測定できる実施形態では、利得Cを、バルブから直接に決定することができる。したがって、利得項CおよびDの両方を得たので、合成利得項CDを形成することができる。その後、利得Aを、プロセス流体のフルスケール範囲を決定することによって計算することができる。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関するシステム利得項CDAを決定することができる。
質量流量コントローラが、その個々の構成要素の動作に関連する不安定性を経験することがしばしばある。たとえば、ソレノイド作動バルブを使用する質量流量コントローラは、ソレノイドの磁気学に関連するヒステリシス効果に起因して不正確になりやすい。
用語非動作信号は、ソレノイド作動装置に適用される時に、装置を作動させることができない、装置に印加される信号を表す。たとえば、ソレノイド作動バルブで、非動作信号は、バルブの制御される部分(すなわちプランジャ)を変位させるのに不十分な大きさを有する信号を指すことができる。非動作信号が、装置を作動させるのに不十分になるように減らされただけの、装置の制御信号または駆動信号と同一の信号である場合があることを理解されたい。
本発明のもう1つの態様によれば、出願人は、主に2つの構成要素すなわち、粘性圧力低下および無粘性(動的)圧力低下からなるものとして、異なる入口圧力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。構成要素ごとのバルブの有効変位が等しい場合のこれらの構成要素のそれぞれの寄与を合計することによって、バルブの有効変位を、下記の方法を使用して経験的に決定することができる。上で注記したように、特定の流体での特定の流体流量でのバルブの有効変位の決定によって、バルブに関連する利得項(たとえば利得項D)を決定でき、したがって、バルブアクチュエータに関連する利得項(たとえば利得項C)を決定できるようになる。
P1、Px:粘性表面の上流および下流の圧力(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と等しく、φはプラトー1650の平均直径であり、φは、テストされたバルブに基づくと1.016mm(0.040インチ)である
μ:気体の動的的粘性(centi−Poise)
T:絶対温度(ランキン温度)
R^:一般気体定数、8314Nm/kmol°K(1545.33ft−lbf/lb−mole−deg.R)
R:気体定数(ft−lbf/lbm−deg.R)
である。
Q=バルブを通る流れ(sccm)
A=π・φ・H=バルブ有効面積(平方インチ)
φ=オリフィス1640の直径
Mw=気体分子量(gm/mol)
Px,0,=上流全圧力(torr)
P2=下流静圧(torr)
T1,0=気圧温度(K)
γ=比熱の比
である。
Cfcx=気体xの変換係数「C」
Mw=気体の分子量
入口圧力、温度、および比熱の比の関数である追加項があるので、上の式は近似である。
しかし、この追加項の影響は、0.4乗までであり、通常は無視することができる。たとえば、質量流量コントローラ100の較正が、当初は既知の流体または気体として窒素を用いて実行されたと仮定すると、追加のこの値は、窒素および他の2原子気体の.684から、上は単原子気体の0.726、下は多原子気体の0.628までの範囲にわたり、0.4乗される。したがって、窒素からの相違は、多くとも約3.5%であり、通常は無視することができる。異なる気体への上の気体の変化または較正で使用されたものと異なる動作条件について補償するために、利得項Gを、上の比率の逆数だけ変更して、設定点と無関係に、動作条件と無関係に、使用される流体または気体のタイプに無関係に、マスコントローラの一定の閉ループ利得を提供することができる。すなわち、質量流量コントローラの閉ループ利得が、A×B×C×Dである場合には、利得項Gに、定数かける1/(A×C×D)をセットして、較正中に使用されたものと同一の一定の閉ループ利得をもたらす。
Cfcx=気体xの変換係数「C」
Mw=期待の分子量
入口圧力、温度、および比熱の比の関数である追加項があるので、上の式は近似である。しかし、この追加項の影響は、0.4乗までであり、通常は無視することができる。たとえば、質量流量コントローラ100の較正が、当初は既知の流体または気体として窒素を用いて実行されたと仮定すると、追加のこの値は、窒素および他の2原子気体の.684から、上は単原子気体の0.726、下は多原子気体の0.628までの範囲にわたり、0.4乗される。したがって、窒素からの相違は、多くとも約3.5%であり、通常は無視することができる。異なる気体への上の気体の変化または較正で使用されたものと異なる動作条件について補償するために、利得項Gを、上の比率の逆数だけ変更して、設定点と無関係に、動作条件と無関係に、使用される流体または期待のタイプに無関係に、マスコントローラの一定の閉ループ利得を提供することができる。すなわち、質量流量コントローラの閉ループ利得が、A×B×C×Dである場合には、利得項Gに、定数かける1/(A×C×D)をセットして、較正中に使用されたものと同一の一定の閉ループ利得をもたらす。
Claims (1)
- 質量流量コントローラの製造中に使用されたテスト動作条件と少なくとも部分的に異なるとともに質量流量コントローラのエンドユーザの使用に関連付けられたプロセス動作条件で動作するように質量流量コントローラを構成する方法であって、前記製造中に使用された動作条件と前記エンドユーザにより使用される動作条件との間で相違する動作条件が、前記質量流量コントローラを流れる流体の流量、前記質量流量コントローラに使用される流体の種類、前記質量流量コントローラの入口圧力、出口圧力、流体の温度のうちの任意のものを含む、方法において、
前記テスト動作条件で前記質量流量コントローラの応答を決定する動作であって、該動作は、前記テスト動作条件を使用して前記質量流量コントローラの制御ループを取り巻く各種コンポーネントの合成利得項を決定することにより、前記質量流量コントローラのシステム利得項を決定することを含み、前記質量流量コントローラの制御ループを取り巻く前記各種コンポーネントは、流量計、GLLコントローラ、バルブアクチュエータ、およびバルブを含み、前記流量計の第1利得項、前記GLLコントローラの第2利得項、前記バルブアクチュエータの第3利得項、および前記バルブの第4利得項は、前記合成利得項に寄与する、動作と、
前記質量流量コントローラのマイクロプロセッサを使用して、前記テスト動作条件と少なくとも部分的に異なる前記プロセス動作条件に応じて前記質量流量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動作であって、前記プロセス動作条件での前記質量流量コントローラの応答が前記質量流量コントローラの所与の公差の組の中にあるようにされている、動作と
を含む方法。
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