JP5395451B2

JP5395451B2 - 流量コントローラ

Info

Publication number: JP5395451B2
Application number: JP2009028529A
Authority: JP
Inventors: 瑞穂河内; 裕規五十嵐
Original assignee: Surpass Industry Co Ltd
Current assignee: Surpass Industry Co Ltd
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: JP2010186234A; EP2216700A2; US20100200083A1; US8307845B2; EP2216700A3; EP2216700B1; KR20100091901A; KR101616582B1

Description

本発明は、たとえば化学工場、半導体製造、食品、バイオ等の各種産業分野における流体輸送配管中に用いられる流量コントローラに関する。

従来、流体の流量を測定する差圧式流量計が広く用いられている。このような差圧式流量計は、オリフィスの前後に圧力センサを備えており、たとえば半導体製造プロセスのように、高純度の硝酸、塩酸、フッ化水素酸等の腐食性薬品を含む流体圧力を測定する場所に設置して使用されるものがある。具体例をあげると、半導体製造装置においては、半導体基板のエッチング処理に際し、フッ化水素酸等を含む薬液が使用されるので、この薬液を安定供給するため、薬液の循環回路中に差圧式流量計が組み込まれる。

すなわち、上述した差圧式流量計は、流体主流路に設けたオリフィスの上流側及び下流側に一対の圧力センサを設置することにより、両圧力センサの差圧を流量に換算して算出する流量計として用いることができる。そして、この流量計による算出流量と、予め設定した設定流量との差をなくすように可変バルブの開度を制御すれば、流体主流路の流量を所望の値にフィードバック制御する流量コントローラとなる。（たとえば、特許文献１参照）

特開平５−２３３０６８号公報（図１参照）

上述した差圧式流量計を備えた流量コントローラにおいては、正確な流量測定及び流量制御を行うための前提として、差圧の測定に必要なオリフィス開度を一定に保つことが重要である。
たとえば凝固しやすいスラリー状の液体を取り扱う場合には、流体の凝固により生じる凝固物がオリフィスに付着してオリフィス径を狭めることがある。このような凝固物の付着は、測定した流量に誤差を生じさせる原因となるため、凝固物等の異物がオリフィス部分に付着したオリフィスの詰まりを検出して早急な対処を可能にすることが望まれる。

このような背景から、差圧式流量計を用いた流量コントローラにおいては、凝固物等の異物が差圧式流量計のオリフィスに付着した詰まり状態を容易に検出し、差圧式流量計による正確な流量検出を行って流量制御することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、凝固物等の異物がオリフィスに付着した詰まりの状態（異常）を自動的に検出し、流量測定に誤差を生じるような状態で流量制御が継続されることを防止できるようにした流量コントローラを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る流量コントローラは、流体主流路の直管部に設けた一対の圧力センサ間にオリフィスが配設され、前記圧力センサで検出した二つの圧力値により得られる差圧を流量に換算して流量測定を行う差圧式流量計と、前記流体主流路に設けられ、前記差圧式流量計の流量測定値と予め定めた設定流量値との差が所定の範囲内に入るよう開度制御される流量調整弁と、前記圧力センサで検出した圧力値の入力を受けて前記流量調整弁の開度制御を行う制御部と、前記流量調整弁の下流に設けた詰まり監視用圧力センサとを備え、前記制御部は、前記設定流量値に応じて予め定まる前記監視用圧力センサの基準圧力値と前記監視用圧力センサの検出圧力値とを比較し、所定値以上の圧力差が所定時間継続した場合に前記オリフィスの詰まり異常と判断するものである。

このような流量コントローラによれば、制御部は、設定流量値に応じて予め定まる監視用圧力センサの基準圧力値と監視用圧力センサの検出圧力値とを比較し、所定値以上の圧力差が所定時間継続した場合に前記オリフィスの詰まり異常と判断するので、詰まり監視用の圧力センサのみを追設し、監視用圧力センサの基準圧力値と前記監視用圧力センサの検出圧力値とを比較することにより、容易かつ正確にオリフィスの詰まり異常を検出することができる。

また、本発明に係る流量コントローラは、流体主流路の直管部に設けた一対の圧力センサ間にオリフィスが配設され、前記圧力センサで検出した二つの圧力値により得られる差圧を流量に換算して流量測定を行う差圧式流量計と、前記流体主流路に設けられ、前記差圧式流量計の流量測定値と予め定めた設定流量値との差が所定の範囲内に入るよう開度制御される流量調整弁と、前記圧力センサで検出した圧力値の入力を受けて前記流量調整弁の開度制御を行う制御部とを備え、前記制御部は、前記流量調整弁の開度を示すパルス位置を取り込み、該パルス位置と入口圧力及び前記設定流量値に応じて定まる基準パルス位置とを比較し、所定時間継続してずれがある場合に前記オリフィスの詰まり異常と判断するものである。

このような流量コントローラによれば、制御部は、流量調整弁の開度を示すパルス位置を取り込み、該パルス位置と入口圧力及び設定流量値に応じて定まる基準パルス位置とを比較し、所定時間継続してずれがある場合にオリフィスの詰まり異常と判断するので、入口圧力が変化すると同じパルス位置（開度）でも異なる流量になるという流量調整弁の特性を利用し、容易かつ正確にオリフィスの詰まり異常を検出することができる。なお、この場合の入口圧力は、オリフィスの上流側に配設された圧力センサが検出した圧力値を用いればよい。

上述した本発明の流量コントローラによれば、監視用圧力センサを追設し、設定流量値に応じて予め定まる監視用圧力センサの基準圧力値と監視用圧力センサの検出圧力値とを比較して所定値以上の圧力差が所定時間継続した場合にオリフィスの詰まり異常と判断するので、最小限の機器類追設により容易かつ正確にオリフィスの詰まり異常を自動的に検出し、流量測定に誤差を生じるような状態で流量制御が継続されることを防止できる。

また、流量調整弁の開度を示すパルス位置を取り込み、このパルス位置と入口圧力及び設定流量値に応じて定まる基準パルス位置とを比較することにより、取り込んだパルス位置が基準パルス位置から所定時間継続してずれを有する場合にオリフィスの詰まり異常と判断すれば、容易かつ正確にオリフィスの詰まり異常を自動的に検出し、流量測定に誤差を生じるような状態で流量制御が継続されることを防止できる。

本発明に係る流量コントローラについて、参考例を示す構成図である。図１に示した制御部が詰まり異常を判断する過程を示すフローチャートである。本発明に係る流量コントローラについて、第１の実施形態を示す構成図である。図３に示した制御部が詰まり異常を判断する過程を示すフローチャートである。本発明に係る流量コントローラについて、第２の実施形態を示す構成図である。図５に示した制御部が詰まり異常を判断する過程を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る差圧式流量計及び流量コントローラの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示す参考例において、薬液等の流体を流す流体主流路の直管部１には流量コントローラ１０が設けられている。この流量コントローラ１０は、直管部１に設置された差圧式流量計２０と、直管部１の差圧式流量計２０より下流側となる位置に設置された流量調整弁３０と、差圧式流量計２０により検出した流量値に基づいて流量調整弁３０の開度制御を行う制御部４０とを備えている。

差圧式流量計２０は、直管部１に所定の間隔で設置した一対の圧力センサ２１，２２間にオリフィス２３が配設された構成とされる。この差圧式流量計２０は、圧力損失を生じさせるオリフィス２３の上流側及び下流側の流体圧力差（差圧ΔＰ）から流体流量Ｑを得る流量計である。具体的には、オリフィス２３の上流側で流体圧力を検出する圧力センサ２１が検出した圧力値Ｐ１と、下流側で流体圧力を検出する圧力センサ２２が検出した圧力値Ｐ２との電気信号を制御部４０に入力し、制御部４０内において差圧ΔＰを流量に換算して流量測定を行うように構成されている。
以下の説明では、差圧式流量計２０が流量測定を行って得られた流量値を「流量測定値Ｑｓ」と呼ぶことにする。

流量調整弁３０は、制御部４０が出力する制御信号（パルス信号）を受けて開度制御される。この場合の開度制御は、差圧式流量計２０により得られた流量測定値Ｑｓと、予め定めた設定流量値Ｑｂとの差が所定の範囲内に入るように、流量調整弁３０のアクチュエータを操作して開度調整するものである。

制御部４０は、圧力センサ２１，２２で検出した圧力値Ｐ１，Ｐ２の入力を受けて流量調整弁３０の開度制御を行うものである。この制御部４０では、差圧ΔＰを流量に換算して流量測定値Ｑｓを得る流量測定に加えて、設定流量値Ｑｂと差圧式流量計の流量測定値Ｑｓとを比較し、所定値ｑ以上の流量差ΔＱが所定時間継続した場合にオリフィス２３の詰まり異常と判断するものである。
このような制御部４０は、圧力センサ２１，２２で検出した圧力値Ｐ１，Ｐ２等の圧力値４１、差圧ΔＰを流量に換算した流量測定値Ｑｓ等の流量値４２に加えて、詰まり異常のアラーム信号４３を外部へ出力することができる。

ここで、制御部４０において、オリフィス２３の詰まり異常を判断し、アラーム信号４３を出力する過程を図２のフローチャートに基づいて説明する。
最初のステップＳ１で制御をスタートすると、次のステップＳ２に進んで流量コントローラ１０が目標とする設定流量値Ｑｂを設定する。この設定流量値Ｑｂは、流量制御弁３０の下流側に流す流体流量の目標値であり、制御部４０に設けたダイヤル（不図示）等の入力操作手段により設定される。

この後、次のステップＳ３に進み、圧力センサ２１，２２で検出した圧力値Ｐ１，Ｐ２の取り込みを行う。すなわち、圧力センサ２１，２２は、検出した圧力値Ｐ１，Ｐ２を制御部４０に入力する。
次のステップＳ４では、取り込んだ圧力値Ｐ１，Ｐ２に基づいて差圧ΔＰを求め、この差圧ΔＰから測定流量値Ｑｓを算出する。

続いて、次のステップＳ５に進み、オリフィス２３の詰まり異常について判断する。このステップＳ５では、最初に設定流量値Ｑｂと測定流量値Ｑｓとの差である流量差ΔＱを算出する。この場合の流量差ΔＱは、設定流量値Ｑｂと測定流量値Ｑｓとの間に生じた差の絶対値である。すなわち、設定流量値Ｑｂより測定流量値Ｑｓが大きい場合及び少ない場合の両方において、流量差ΔＱが所定値ｑ以上（ΔＱ≧ｑ）であるか否かを判断する。換言すれば、差圧式流量計２０の測定値である測定流量値Ｑｓが、設定流量値Ｑｂ±ｑの範囲に入っているか否かを判断する。

この結果、流量差ΔＱが所定値ｑより小さいと判断されたＮＯの場合には、次のステップＳ６に進んで流量調整弁３０を通常制御する。すなわち、オリフィス２３の詰まり異常はないと判断され、正常時における流量調整弁３０の開度制御が行われる。なお、ステップＳ６で流量調整弁３０の通常制御を行った後には、上述したステップＳ２に戻り、以下同様の制御を繰り返す。

一方、ステップＳ５において、流量差ΔＱが所定値ｑ以上に大きいと判断されたＹＥＳの場合には、次のステップＳ１０に進んで継続時間を判断する。すなわち、流量差ΔＱが所定値ｑ以上となる状態の継続時間について、所定時間Ｔ以上であるか否かの判断を行うこととなる。
この結果、継続時間が所定時間Ｔより短いＮＯの場合には、オリフィス２３に詰まり異常はないと判断し、上述したステップＳ６に進んで流量調整弁３０を通常制御する。すなわち、この場合の所定時間Ｔは、詰まり異常により流量差ΔＱが所定値ｑ以上となっているのか、あるいは、流量制御過程において流量差ΔＱが所定値ｑ以上となっているのかを判断する基準となる。

しかし、継続時間が所定時間Ｔ以上と長いＹＥＳの場合には、次のステップＳ１１に進んでオリフィス２３の詰まり異常と判断する。
この後、次のステップＳ１２に進み、流量差ΔＱが所定値ｑ以上の状態は所定時間Ｔ以下であるか否かを判断する。すなわち、オリフィス２３の詰まり異常状態について、所定時間Ｔとの比較を再度実施することにより、詰まり異常が継続しているか、あるいは解消されたかを再確認することとなる。

上述したステップＳ１２においてＹＥＳと判断した場合には、オリフィス２３の詰まり異常が解消されていると考えられる。すなわち、流量差ΔＱが所定値ｑ以上に大きくなる状態について、継続時間が所定時間Ｔ以下と短くなったＹＥＳの場合には、オリフィス２３の詰まり異常が解消されたものと判断され、上述したステップＳ６に進んで流量調整弁３０を通常制御する。
しかし、ステップＳ１２においてＮＯと判断した場合には、オリフィス２３の詰まり異常が継続していると考えられる。すなわち、流量差ΔＱが所定値ｑ以上に大きくなる状態について、継続時間が所定時間Ｔより長くなるＮＯの場合には、オリフィス２３の詰まり異常が継続していると判断される。従って、上述したステップＳ１０に進み、所定時間Ｔに関する判断を繰り返すこととなる。

ところで、上述したステップＳ１１において詰まり異常と判断した場合には、制御部４０から詰まり異常のアラーム信号４３が出力される。このようなアラーム信号の出力については、異常と判断すればすぐに出力してもよいし、あるいは、誤報を防止するため、ステップＳ１１〜Ｓ１２のステップを繰り返すことで異常の判断が所定回数に達した時点で出力してもよい。
このような流量コントローラ１０において、制御部４０は、設定流量値Ｑｂと差圧式流量計２０の流量測定値Ｑｓとを比較し、所定値以上の流量差ΔＱが所定時間Ｔまで継続した場合にオリフィス２３の詰まり異常と判断するので、新たな機器類を追設することなく容易かつ正確にオリフィス２３の詰まり異常を検出することができる。

続いて、上述した流量コントローラ１０について、第１の実施形態を図３及び図４に基づいて説明する。なお、上述した参考例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態において、流量コントローラ１０Ａは、上述した参考例の流量コントローラ１０と異なり、流量調整弁３０の下流に詰まり監視用圧力センサ２４を設けた構成となっている。この場合の制御部４０Ａは、設定流量値Ｑｂに応じて予め定まる監視用圧力センサ２４の基準圧力値Ｐｂと、監視用圧力センサ２４の検出圧力値Ｐ３とを比較し、所定値Ｐａ以上の圧力差ΔＰ′が所定時間Ｔａまで継続した場合に、オリフィス２３の詰まり異常と判断する。

すなわち、図４に示すフローチャートにおいて、ステップＳ３′で取り込む圧力値は、圧力センサ２１，２２及び詰まり監視用圧力センサ２４で検出した３つの圧力値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３となる。
また、ステップＳ５′、ステップＳ１０′及びステップＳ１２′においては、上述した実施形態の流量差ΔＱに代えて、圧力値Ｐ３と基準圧力Ｐｂとの圧力差ΔＰ′が判断基準として採用されている。

すなわち、ステップＳ５′では、圧力差ΔＰ′が所定値Ｐａ以上か否かを判断し、さらに、ステップＳ１０′及びステップＳ１２′では、圧力差ΔＰ′が所定値Ｐａ以上となる状態について所定時間Ｔａまで継続するか否かを判断している。
このような流量コントローラ１０Ａとすれば、制御部４０Ａは、詰まり監視用の圧力センサ２４のみを追設することにより、設定流量値Ｑｂに対応する監視用圧力センサ２４の基準圧力値Ｐｂと監視用圧力センサ２４の検出圧力値Ｐ３とを比較して、容易かつ正確にオリフィス２３の詰まり異常を検出することができる。

上述したように、参考例の流量コントローラ１０によれば、設定流量値Ｑｂと差圧式流量計２０の流量測定値Ｑｓとを比較し、所定値ｑ以上の流量差ΔＱが所定時間Ｔ以上継続した場合にオリフィス２３の詰まり異常と判断するので、新たな機器類を追設することなく容易かつ正確にオリフィス２３の詰まり異常を検出することができる。
そして、第１の実施形態では、監視用圧力センサＰ３を追設し、設定流量値Ｑｂに応じて予め定まる監視用圧力センサＰ３の基準圧力値Ｐｂと監視用圧力センサ２４の検出圧力値Ｐ３とを比較し、所定値Ｐａ以上の圧力差ΔＰ′が所定時間Ｔａ以上継続した場合にオリフィス２３の詰まり異常と判断するので、最小限の機器類追設により容易かつ正確にオリフィス２３の詰まり異常を検出することができる。

続いて、上述した流量コントローラ１０について、第２の実施形態を図５及び図６に基づいて説明する。なお、上述した参考例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態において、流量コントローラ１０Ｂは、上述した参考例の流量コントローラ１０と異なり、流量調整弁３０の開度を示す流量調整弁パルス位置４４を取り込み、この流量調整弁パルス位置４４と入口圧力及び設定流量値Ｑｂに応じて定まる基準パルス位置４５とを比較する。

この場合の流量調整弁パルス位置４４は、現時点における流量調整弁３０の開度（実際の開度）を示すものであり、この開度にするためアクチュエータのパルスモータを駆動させた実際のパルス位置（パルス数）である。換言すれば、流量調整弁パルス位置４４は、差圧式流量計２０の測定流量値Ｑｓに応じて、流量調整弁３０の開度を補正したパルス位置である。
一方、基準パルス位置４５は、入口圧力及び設定流量値Ｑｂに応じて定まる理想状態のパルス位置である。すなわち、オリフィス２３の上流側にある圧力センサ２１で検出した圧力値Ｐ１と、目標とする設定流量値Ｑｂとにより定まる流量調整弁３０の開度とするため、パルスモータを駆動させる理論上のパルス位置（パルス数）である。換言すれば、基準パルス位置４５は、差圧式流量計２０の測定流量値Ｑｓに応じて流量調整弁３０の開度を補正する前のパルス位置である。

そして、流量コントローラ１０Ｂでは、流量調整弁パルス位置４４と基準パルス位置４５とを比較し、両パルス位置間に所定時間継続してずれがある場合にオリフィス２３の詰まり異常と判断する。
すなわち、図６に示すフローチャートにおいて、ステップＳ３Ａでは流量調整弁パルス位置４４が制御データとして取り込まれる。この流量調整弁パルス位置４４は、ステップＳ４で測定流量値Ｑｓを算出した後、ステップＳ５″に進んで基準パルス位置４５からのずれがあるか否かを判断する。具体的には、ステップＳ３Ａで取り込んだ流量調整弁パルス位置４４と基準パルス位置４５との差を求め、この差が所定値以上大きいＹＥＳの場合に次のステップＳ１０″へ進む。

ステップＳ１０″では、流量調整弁パルス位置４４が基準パルス位置４５から所定値以上ずれた状態の継続時間を測定し、この継続時間が所定時間Ｔ以上となるＹＥＳの場合に詰まり異常と判断する。
この後、次のステップＳ１２″に進み、流量調整弁パルス位置４４が基準パルス位置４５から所定値以上ずれた状態が所定時間Ｔ以下であるか否かを判断する。すなわち、オリフィス２３の詰まり異常状態について、所定時間Ｔとの比較を再度実施することにより、詰まり異常が継続しているか、あるいは解消されたかを再確認することとなる。

上述したステップＳ１２″においてＹＥＳと判断した場合には、オリフィス２３の詰まり異常が解消されていると考えられる。すなわち、パルス位置が所定値以上ずれた状態について、継続時間が所定時間Ｔ以下と短くなったＹＥＳの場合には、オリフィス２３の詰まり異常が解消されたものと判断され、上述したステップＳ６に進んで流量調整弁３０を通常制御する。
しかし、ステップＳ１２″においてＮＯと判断した場合には、オリフィス２３の詰まり異常が継続していると考えられる。すなわち、パルス位置が所定値以上ずれた状態について、継続時間が所定時間Ｔより長くなるＮＯの場合には、オリフィス２３の詰まり異常が継続していると判断される。従って、上述したステップＳ１０に進み、所定時間Ｔに関する判断を繰り返すこととなる。

このような流量コントローラ１０Ｂを採用することにより、入口圧力（圧力値Ｐ１）が変化すると同じパルス位置（開度）でも異なる流量になるという流量調整弁３０の特性を利用し、容易かつ正確にオリフィス２３の詰まり異常を検出することができる。
従って、本発明の流量コントローラ１０Ａ，１０Ｂにおいては、凝固物等の異物がオリフィス２３に付着した詰まりの状態（異常）を自動的に検出し、差圧式流量計２０の流量測定値に誤差を生じるような状態で流量制御が継続されることを防止できる。

ところで、圧力センサ２１，２２の故障や破損等に起因して計測値に異常が生じた場合には、上述したステップＳ４の測定流量値Ｑｓが正常状態時の計測値と異なるため、結果的にオリフィス２３が詰まった状態と同じになり、詰まり異常のアラーム信号４３を出力する。従って、上述したアラーム機能は、圧力センサ２１，２２の計測値異常についてもエラーとして検知することが可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１直管部
１０，１０Ａ，１０Ｂ流量コントローラ
２０差圧式流量計
２１，２２圧力センサ
２３オリフィス
２４監視用圧力センサ
３０流量調整弁
４０，４０Ａ，４０Ｂ制御部
４４流量調整弁パルス位置
４５基準パルス位置

Claims

流体主流路の直管部に設けた一対の圧力センサ間にオリフィスが配設され、前記圧力センサで検出した二つの圧力値により得られる差圧を流量に換算して流量測定を行う差圧式流量計と、
前記流体主流路に設けられ、前記差圧式流量計の流量測定値と予め定めた設定流量値との差が所定の範囲内に入るよう開度制御される流量調整弁と、
前記圧力センサで検出した圧力値の入力を受けて前記流量調整弁の開度制御を行う制御部と、
前記流量調整弁の下流に設けた詰まり監視用圧力センサと、を備え、
前記制御部は、前記設定流量値に応じて予め定まる前記監視用圧力センサの基準圧力値と前記監視用圧力センサの検出圧力値とを比較し、所定値以上の圧力差が所定時間継続した場合に前記オリフィスの詰まり異常と判断する流量コントローラ。
流体主流路の直管部に設けた一対の圧力センサ間にオリフィスが配設され、前記圧力センサで検出した二つの圧力値により得られる差圧を流量に換算して流量測定を行う差圧式流量計と、
前記流体主流路に設けられ、前記差圧式流量計の流量測定値と予め定めた設定流量値との差が所定の範囲内に入るよう開度制御される流量調整弁と、
前記圧力センサで検出した圧力値の入力を受けて前記流量調整弁の開度制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記流量調整弁の開度を示すパルス位置を取り込み、該パルス位置と入口圧力及び前記設定流量値に応じて定まる基準パルス位置とを比較し、所定時間継続してずれがある場合に前記オリフィスの詰まり異常と判断する流量コントローラ。