JPH05248898A

JPH05248898A - 流量計の測定誤差補正方法

Info

Publication number: JPH05248898A
Application number: JP4258468A
Authority: JP
Inventors: Daniel T Mudd; ダニエル・ティー・ムッド; Daniel A Vreeland; ダニエル・エイ・ヴィーランド
Original assignee: DXL INTERNATL Inc; DXL USA Inc
Current assignee: DXL INTERNATL Inc; DXL USA Inc
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1992-09-28
Publication date: 1993-09-28
Also published as: US5321992A; WO1993006441A1

Abstract

(57)【要約】【目的】気体流量の測定誤差を少ないメモリ量かつ低
コストで補正できるようにする。【構成】いくつかの流量値に対応してその流量計の検
出値をあらかじめ求めておき、隣接する二つの既知の値
の間の範囲に対して現在の値に適当な内挿を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工業生産プロセス、特に
集積回路の製造で要求されるような高い精度で気体流量
を制御するプロセスに利用する。

【０００２】

【従来の技術】気体の質量流量または体積流量を正確に
制御することは、多くの製造作業にとって基本的な問題
である。例えば半導体や集積回路を製造する場合には、
多くの製造工程において、正確に制御された量の一以上
の気体を容器内に導入する必要がある。一般に、導入す
る気体の量を制御するには、その気体の質量流量を監視
しながらその導入時間を制御する。また、製造作業によ
っては、一以上の気体のそれぞれの流量をある設定され
た値に維持することが要求される。

【０００３】このため従来から、標準状態の気体で５立
方センチメートル毎秒（ＳＣＣＭ）のレベルの質量流量
を測定するものから、５×１０⁵ＳＣＣＭを越える質量
流量を測定するものまで、種々の流量計が開発されてい
る。

【０００４】典型的な装置では、気体の流れを分流し、
その小さい流れをセンサ部に通して質量流量を測定し、
流れのほとんどの部分については、センサ部と平行に配
置された分流部を通している。センサ部には細管が設け
られ、この細管の外部には二つの抵抗温度計が巻き付け
られる。これらの抵抗温度計は電気的なブリッジ回路の
二つの辺を構成し、そのブリッジ回路の他の二つの辺は
通常は固定抵抗となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現在使用されているど
のような流量計でも、その応答には何らかの固有の非線
形性がある。すなわち、出力信号は、流量に対して測定
レンジ全体にわたり正確に線形に変化するわけではな
い。この分野では、このような非線形性を少なくとも部
分的に補償する技術として、流量計の出力信号をアナロ
グ補正回路で処理することが既に知られている。このよ
うなアナログ補正回路は、一組以上の可変抵抗器を用
い、その流量計の全測定レンジから選択された一以上の
点で出力信号の誤差を補正する。このような補正回路は
物理的に大きく、調整が困難である。また、流量計によ
り導く気体の特性または組成が変化するごとに、抵抗器
の抵抗値を調節する必要がある。さらに、可変抵抗器の
抵抗値が時間の経過とともにドリフトし、誤り率も比較
的高い。

【０００６】流量計以外の測定装置の分野では、測定装
置の不正確さを補正するため、測定信号をディジタル形
式に変換し、そのディジタル信号を「ルックアップテー
ブル」に入力し、そのルックアップテーブルから補正さ
れたディジタル信号を導出し、必要ならばそれを正しい
アナログ形式に変換することも提案されている。ルック
アップテーブルは典型的にはディジタルメモリであり、
測定信号に対応するディジタル値でアドレスを指定する
と、その測定信号に対応する補正された値を出力する。

【０００７】このような装置はほぼ完全な測定精度を達
成できる可能性があるが、そのようなルックアップテー
ブルを作りだすことは時間がかかり、コストも高い。そ
の理由は、決定して蓄えておくべき補正値の数が、達成
すべき装置の測定精度に対応しているからである。単純
な例をあげると、装置の測定レンジが５０単位であり、
測定読み取りの精度が０．５単位であるとすると、１０
００個の補正値を決定してルックアップテーブルに蓄え
なければならない。

【０００８】さらに、連続的に製造された装置の間でさ
え変動があることを考慮すると、一般には、個々の測定
装置に対してそれぞれ補正値を導出することが必要であ
る。

【０００９】また、種々の物質を測定するために用いら
れ、それぞれの物質に対して異なる応答を示すような測
定装置では、その物質毎に、それぞれ一組の補正値を決
定して蓄える必要がある。

【００１０】したがって、装置固有の不正確さを補正す
るような方法はかなりのコストがかかり、許容できない
場合が多い。

【００１１】本発明は、以上の課題を解決し、測定装置
に固有の不正確さを補正する手間を削減し、そしてコス
トも削減することを目的とする。

【００１２】さらに詳しくは、このような改善を気体流
量計に施すことを目的とする。

【００１３】特に、従来のディジタル素子に比較して非
常に少ないメモリしか必要としないディジタル素子を用
いて装置の誤り補正を達成することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の流量計の測定誤
差補正方法は、設定された測定範囲内における気体の流
量を表示する流量計の測定誤差を補正する方法におい
て、測定範囲内において互いに離れた複数の流量値を選
択する選択ステップと、この複数の流量値でその流量計
によりそれぞれ測定を行ったときのその流量計の検出値
を参照値としてあらかじめ求めておく定義ステップと、
その流量計により気体の流量を測定してその流量値を示
す検出値を求める測定ステップと、この測定ステップで
得られた検出値と定義ステップで求めた複数の参照値と
の関数を計算して補正検出値を得る補正ステップとを含
むことを特徴とする。

【００１５】「流量計の検出値」とはその流量計のセン
サ部で得られる値であり、以下では、補正検出値と区別
するため特に「センサ検出値」という。

【００１６】本発明はさらに、種類の異なる複数の気体
のひとつを参照気体とし、この参照気体とは別にその複
数の気体から選択されたひとつの気体の流量を測定する
ときの測定誤差を補正する流量計の測定誤差補正方法に
おいて、流量計の応答はそれぞれの気体に対して異なっ
ており、定義ステップは、選択ステップで選択された複
数の流量値で参照気体をそれぞれ測定するステップと、
ひとつの気体に対する検出値の補正値を計算するステッ
プとを含み、測定ステップをそのひとつの気体について
実行し、補正ステップでは、計算するステップで得られ
た補正値を含む関数を使用することを特徴とする。

【００１７】

【作用】本発明の基本的な概念は、少数の流量値に対応
してそのセンサ検出値がわかっているなら、隣接する二
つの既知の値の間の範囲に対して現在の値に適当な内挿
を施せば、実質的に誤りを削減できるということであ
る。この方法の優れた点は、与えられた気体と与えられ
た流量範囲との一方または双方に対する「既知の値」を
導出するために必要なキャリブレーションが短時間で容
易に完了するので、低コストで、どのような装置でもそ
の精度を大きく改善でき、非常に安価な装置にも多くの
工業目的に使用できる程度の精度を与えることができ
る。

【００１８】

【実施例】図１はセンサ検出値と実際の流量との関係例
を示す。横軸は流量計の最大測定スケール値の百分率で
表した実際の流量であり、縦軸はセンサ検出値を任意単
位で表す。線２は理想応答特性を表し、曲線４は実際の
典型的なセンサ素子による応答特性を誇張して表す。曲
線４は単調に変化するものとする。センサ検出値は誤り
補正を行わないと一般には不正確である。と検出値は不
正確である。本発明は、流量計の出力として、曲線４の
ようなセンサ検出値を補正して線２に近い特性を得るも
のである。

【００１９】本発明によれば、選択された流量値におけ
るセンサ検出値は、補正検出値を求めるための参照値と
して定義され、使用される。ここで、全測定スケールの
０、２５、５０、７５および１００％の五つの流量値を
選択する。これらの選択され1 流量値は、流量計の測定
レンジを四つのセグメントに分割する。これらの流量値
については、従来からの方法でそれぞれの値の気体流を
生成することにより決定し、較正された高精度の制御装
置により独立に制御する。そして、その流量値に対応し
てセンサ検出値を観測および記録する。

【００２０】次に、流量計を設置して選択された気体の
流量を監視する。センサ検出値を次の式にしたがって処
理する。

【００２１】

【数１】ただし、流量：その流量計のフルスケールの百分率で表される
値ｉ：選択された流量値（ここでは百分率で表すが、
必ずしも百分率で表さなくともよい）流量_i：選択された流量値ｉに対応する百分率で表され
る流量であり、センサ検出値に対応する値より小さく、
しかも最も近い値Ｒ_act：現在のセンサ検出値Ｒ_i ：流量_iに対応する参照値Ｒ_i+1：Ｒ_iのすぐ上の参照値ｎ：選択された複数の流量値により測定範囲を分割
して得られるセグメントの数である。

【００２２】この例ではｎ＝４であるが、より一般に
は、測定レンジの両端にそれぞれ流量値を割り当てて選
択すると、ｎの値は選択された流量値の数より１だけ少
なくなる。多くの流量計において、精度が実質的に改善
されるのはｎ≧３のときであり、ｎ＞１０になるとそれ
以上の優れた改善は見込めない。

【００２３】図２は図１の流量値５０％と７５％との間
の部分を拡大して示す図である。上述した式により定義
される内挿により、曲線４の読みから、曲線６のような
補正検出値が得られる。実際の流量値は線２で表される
から、補正により測定誤差が大きく削減されることがわ
かる。

【００２４】本発明を実施するための装置構成例を図３
に示す。この装置は従来からのものと同等の測定装置１
０を備え、この測定装置１０には流量センサが設けら
れ、流量を測定すべき気体を運ぶパイプライン１２が直
列に接続される。測定装置１０はディジタル出力または
アナログ出力を生成し、アナログ出力の場合にはアナロ
グ・ディジタル変換器に供給される。

【００２５】どちらの場合にも、ディジタル出力が、不
揮発性メモリおよびＣＰＵからなる処理部１４に供給さ
れる。この処理部１４の不揮発性メモリは参照値および
関連する選択された流量値を蓄え、ＣＰＵは蓄えられた
プログラムにしたがって動作し、上述の式にしたがって
補正検出値を生成する。補正検出値は、所望の形式での
蓄積、表示、またはパイプライン１２の気体流量制御の
いずれか、あるいはそれらを組み合わせた用途に利用さ
れる。

【００２６】図４はＣＰＵによる制御の流れを示す。機
能ブロック２０に示すように、初期キャリブリーション
において決定された参照値とその対応する流量値とを動
作前に蓄えておく。その後に装置を動作させ、処理部１
４のスイッチが投入されたとき、現在のセンサ指示値の
レンジセグメントを判断ブロック２２、２４および２６
により決定し、これらの判断ブロック２２、２４および
２６に対応して指定された計算ブロック３０、３２、３
４および３６のいずれかにより、適当な流量計算を実行
する。

【００２７】本発明の利点のひとつは、ＣＰＵにインス
トールするプログラムが非常に簡単なことである。特
に、計算ブロックがパラメータは異なるもののすべて同
一の式に従って動作し、少数の参照値を用いるだけで十
分な測定精度の改善が達成される。この結果、すべての
データおよびプログラムを記憶するために必要なメモリ
量は非常に少なくて済む。

【００２８】本発明ではさらに、一つの流量計を用いて
複数の異なる気体を測定するような場合に、それぞれの
気体に対する別々のキャリブレーションを必要とせず、
しかも必要なメモリ量を大きく増加させる必要もなし
に、それぞれの気体に対する補正検出値を生成すること
が可能である。これを達成するには、上述した方法で補
正検出値が生成される参照気体に対してセンサ検出値に
比例する値を求め、流量を測定すべき他の気体に対する
センサ検出値に比例する値を求め、測定すべき気体に対
する補正参照値を求め、その補正参照値を用いて上述し
たようにして補正検出値を求めることが望ましい。

【００２９】補正参照値を導出するには、センサ検出値
と気体の種類とに以下の比例関係があることを利用す
る。

【００３０】

【数２】ここで、Ｋ₀：流量計内のセンサに供給される電力、センサの熱
伝達特性およびセンサの形状に依存し、ガスの種類には
実質的に依存しない定数Ｋ₁：センサの非線形性に関連する定数であり、センサ
を通過するガスの流れ、センサの形状およびその熱的特
性に対して、次の関係式に従う定数

【００３１】

【数３】ここで、ＵＡ₀：センサからセンサを取り囲む媒体への熱コンダ
クタンスＵ：センサを取り囲む媒体の実効熱伝導率Ａ₀ ：センサを取り囲む媒体に接する有効面積ｈＡ_i：センサからそのセンサを通過する気体流への熱
コンダクタンスであり、ガスの熱伝導率に関連する値ｈ：センサを通過する気体流の実効熱伝導率Ａ_i ：センサを通過する気体流に接する有効面積であ
り、

【００３２】Ｐ：標準状態における気体密度Ｃ_P：気体の比熱Ｋ₂：センサに関連して設けられる分流器の非線形性に
関する定数ｍ：装置を通過する質量流量である。

【００３３】複数の気体に対するモデル化検出値を導出
するためには、参照気体を含むそれぞれの気体に対して
Ｐ、Ｃ_pおよびｈの値を知るだけで十分である。

【００３４】実用的には、センサおよび分流器の非線形
性定数について、窒素のような参照気体を用いて実験的
に決定する。この後、流量計を参照気体で較正し、上述
のアルゴリズムに示したようにして参照値を読み取って
蓄積する。異なる気体に対する参照値を決定するには、
所望の流量における新しい気体に対して計算されたセン
サ信号（数式２により求められたモデル化検出値）を、
同じ流量で参照ガスに対して計算されたセンサ信号で割
算し、その値に、参照ガスで較正しているときに測定さ
れた流量を乗算する。

【００３５】補正検出値を導出する一例を次に示す。こ
れは、流量が２５％の場合のセンサ検出値から得るもの
である。

【００３６】

【数４】このプロセスを５０％、７５％および１００％、必要な
らば０％の流量で繰り返す。参照気体で測定された値に
代えて、新たに計算された流量を内挿アルゴリズムに用
い、新たな気体に対する流量計の較正を完了する。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流量計の
測定誤差補正方法は、必要とするメモリ量が少なく、低
コストで高い補正精度を実現できる。また、そのアルゴ
リズムも比較的簡単であり、処理に要する時間も短い。
したがって、どのような装置でも低コストでその精度を
大きく改善でき、多くの工業目的に使用できる程度の精
度の流量計を安価に実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】センサ検出値と実際の流量との関係例を示す
図。

【図２】流量値５０％と７５％との間の部分を拡大して
示す図。

【図３】本発明を実施するための装置構成例を示す図。

【図４】制御の流れを示す図。

【符号の説明】

１０測定装置１２パイプライン１４処理部

フロントページの続き (72)発明者ダニエル・エイ・ヴィーランドアメリカ合衆国90278カリフォルニア・レドンドビーチ・スタインハートアベニュー 1206番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】設定された測定範囲内における気体の流
量を測定する流量計の測定誤差を補正する方法におい
て、上記測定範囲内において互いに離れた複数の流量値を選
択する選択ステップと、この複数の流量値で上記流量計によりそれぞれ測定を行
ったときのその流量計の検出値を参照値としてあらかじ
め求めておく定義ステップと、上記流量計により気体の流量を測定してその流量値を示
す検出値を求める測定ステップと、この測定ステップで得られた検出値と上記定義ステップ
で求めた複数の参照値との関数を計算して補正検出値を
得る補正ステップとを含むことを特徴とする流量計の測
定誤差補正方法。
【請求項２】上記補正ステップは、あらかじめ定めら
れた関数にしたがって上記測定ステップで得られた検出
値と上記定義ステップで得られた複数の参照値のうち選
択されたものとを組み合わせる計算ステップを含む請求
項１記載の流量計の測定誤差補正方法。
【請求項３】補正検出値を現在の流量＝流量_i＋｛〔Ｒ_act−Ｒ_i〕／〔Ｒ_i+1−
Ｒ_i〕｝・〔１／ｎ〕×１００％により求める請求項２記載の流量計の測定誤差補正方
法。ただし、流量：その流量計のフルスケールの百分率で表される
値ｉ：選択ステップで選択された流量値流量_i：選択ステップで選択された流量値ｉに対応する
百分率で表される流量であり、測定ステップで得られた
値より小さく、しかも最も近い値Ｒ_act：測定ステップで得られた検出値Ｒ_i ：流量_iに対応する参照値Ｒ_i+1：Ｒ_iのすぐ上の参照値ｎ：選択ステップにおいて選択した複数の流量値に
より測定範囲を分割して得られるセグメントの数であ
る。
【請求項４】上記選択ステップで選択する流量値の数
は３以上である請求項３記載の流量計の測定誤差補正方
法。
【請求項５】測定レンジの両端にそれぞれ参照値を割
り当てる請求項４記載の流量計の測定誤差補正方法。
【請求項６】参照値の数は１０以下である請求項４ま
たは５記載の流量計の測定誤差補正方法。
【請求項７】種類の異なる複数の気体のひとつを参照
気体とし、この参照気体とは別に前記複数の気体から選
択されたひとつの気体の流量を測定するときの測定誤差
を補正する請求項１記載の流量計の測定誤差補正方法に
おいて、上記流量計の応答はそれぞれの気体に対して異なってお
り、上記定義ステップは、上記選択ステップで選択された複
数の流量値で上記参照気体をそれぞれ測定するステップ
と、上記ひとつの気体に対する検出値の補正値を計算す
るステップとを含み、上記測定ステップを上記ひとつの気体について実行し、補正ステップでは、上記計算するステップで得られた補
正値を含む関数を使用することを特徴とする流量計の測
定誤差補正方法。