JPH11502026A - 気体マス・フロー測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 気体搬送システムにおいて気体のマス・フローを測定する装置及び方法である。この装置は、気体源に接続されるように構成されている。この装置は、気体源（１２）と流体的に接続している固定された体積のチャンバ（１４）を含む。フロー制御デバイス（２０）を用いて、チャンバの中への気体のフローを制御することができる。トランスデューサ・アセンブリ（３１）は、チャンバと流体的に接続している圧力トランスデューサ（３０）と、その圧力トランスデューサと関連する信号修正ネットワーク（３２）とを備えている。圧力トランスデューサによって、チャンバ内の気体の圧力の測定が可能になり、気体の既知の体積の圧力を表す第１の電気信号が提供される。信号修正ネットワークは、この第１の信号を修正して、ＰＶ／ＲＴに比例する、すなわち、チャンバ内の気体のモル数を直接的に表す出力信号を生じる。この装置は、マス・フロー・コントローラなどを較正するのにも有用である。

Description

【発明の詳細な説明】 気体マス・フロー測定システム 発明の分野 本発明は、マス・フロー（質量の流れ、mass flow）を測定しマス・フロー制 御機器を較正する装置及び方法に関する。更に詳しくは、気体搬送システムにお ける気体のマス・フローの直接的で正確な測定を得る装置及び方法に関する。 発明の背景 測定された量の気体を搬送する際には、例えば、マス・フロー・コントローラ の精度を試験する又は較正する場合などに気体を搬送するのに用いられる気体搬 送システムにおいて、気体の流れの条件を正確に測定できることが、望ましく、 また、多くの場合、必要である。これを達成するための１つの方法としては、体 積のわかっているチャンバの中の気体の温度と圧力との変化率を測定し、その測 定された値からマス・フローを計算することによるものである。このいわゆる「 圧力上昇率」又は「上昇率(rate of rise = ROR)」法によると、気体の流れは、 マス・フロー計などの試験対象のデバイス（ＤＵＴ）を通って真空にされ体積の 較正されたチャンバの中に、測定された時間間隔Δｔ、生じる。チャンバの中の 気体の圧力変化（ΔＰ）と温度変化（ΔＴ）とが測定され、標準的な温度（Ｔ₀ ）と圧力（Ｐ₀）とに訂正される。ここで用いている「標準」という用語は、２ ７３．１５Ｋの「絶対」温度と１気圧の「絶対」圧力として通常定義される「標 準状態」を意味する。気体の流率（フロー・レート）は、その場合には、既知の 体積における時間当たりの圧力変化（ΔＰ／Δｔ）と時間当たりの温度変化（Δ Ｔ／Δｔ）とから計算することができる。 従って、上昇率法による気体の流れ測定装置は、典型的には、測定された時間 間隔の間の、チャンバの中の気体の温度及び圧力変化を測定する別個の感知要素 を含む。そのような装置は、基本変数（体積、圧力、温度、時間）の非常に正確 な測定値を提供することができる。実際に、それらの測定値は、気体フローの較 正のための基本的な基準となる標準として用いることができる。しかし、気体フ ローのラインにおいて複数の測定デバイスを用いることは、過剰な空間を必要と するし、そもそも、空間的な制約が非常に厳しいシステムにおいては、実現が困 難であるし、あるいは、端的に、実現的でない。更に、圧力と温度とを別個に測 定する必要があると、ケーブル、コネクタ、アナログ・デジタル・コンバータな どの追加的なハードウェアの使用が不可欠となり、従って、伝統的なＲＯＲ気体 フロー測定システムの複雑性、サイズ、費用が増大するばかりである。また、圧 力と温度との独立の測定値から必要な計算を実行するには、追加的なソフトウェ アのプログラミングも必要になる。 多くの気体搬送システムでは、実質的に理想気体として振る舞う気体を用いて いる。換言すれば、それらの振る舞いは、ＰＶ＝ｎＲＴとして表現される理想気 体の法則に従って正確に予測でき、モデル化が可能である。ただし、ここで、Ｐ は圧力、Ｖは体積、ｎは気体のモル数、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。時 間経過に伴う一定の体積の実質的な理想気体の圧力変化と温度変化との間の関係 は、気体とは無関係に、一定である。従って、この理想気体法則による関係は、 質量ｎ、すなわち、チャンバ内の気体のモル数を決定するのに用いることができ る。気体が理想気体とはいくぶん異なる振る舞いをするような状況では、時間経 過に伴う圧力及び温度変化の測定をより正確にするために、単純な補正ファクタ を用いればよい。 流体フローのラインにおいて用いてＤＵＴに入り込む又はそこから出てくる気 体の量を決定するのに用いることができ、また、マス・フロー制御機器の較正に 用いることができる測定装置を提供することには、意義がある。 発明の目的 従って、本発明の一般的な目的は、従来技術における上述の短所を減少させる 、又は、実質的に克服することである。 本発明の更に特定の目的は、気体フロー・ラインにおいて複数の測定デバイス を用いる従来技術によるものと比較して、流体搬送システムにおける気体のフロ ーを直接的かつ正確に測定し較正する、より低価格で、それほど複雑でなく、よ りコンパクトな装置及び方法を提供することである。 本発明の別の目的は、圧力と温度との別個の測定を得ることを不要にし、その ような別個の測定に関連するハードウェア及びソフトウェアの必要性を減少させ る装置及び方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、流体搬送システムにおいて流れている気体の温度、 圧力及び体積を与える単一の出力信号を提供する装置及び方法を提供することで ある。 本発明の更に別の目的は、平均気体フローを直接的に表す単一の出力信号を提 供する装置及び方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、既存の流体搬送システムの中に組み込むことが可能 な気体フローの直接的でイン・シトュ（in situ）な測定を得るための装置及び 方法を提供することである。 発明の概要 本発明は、気体が測定されるフロー媒体である流体搬送システムにおいて気体 の平均マス・フローを決定し較正する比較的単純な装置及び方法を提供する。こ の装置及び方法は、チャンバ内部の気体のモル数に比例し、従って直接的に表す 単一の出力信号を提供する。この際に、数学的な計算は不要であり、また、圧力 と温度とを別個に測定することは不要である。 本発明のある特徴によると、本発明の上述の及びそれ以外の目的は、単一のト ランスデューサ・アセンブリを用いる気体マス・フロー測定装置及び方法によっ て達成される。この装置は、気体ソース（源）と、その気体ソースと流体的に接 続しているチャンバとを備えている。チャンバは、気体インレット・ポートと、 気体アウトレット・ポートと、気体のフローへのポートを選択的に開閉する弁ア センブリとを有する。チャンバは、既知の一定の体積を有する。この装置は、気 体ソースからチャンバへの気体の制御されたフローを実現するフロー制御アセン ブリを較正するのにも用いられる。 トランスデューサ・アセンブリは、チャンバと流体的に連絡している圧力トラ ンスデューサと、圧力トランスデューサと関連する信号修正デバイスとを組み合 わせて備えている。圧力トランスデューサは、チャンバの中の気体の圧力を測定 し、第１の信号を、体積が較正されたチャンバにおける気体の圧力の関数として 、提供する。信号修正デバイスが、第１の信号を修正して、チャンバ内の気体の モル数の関数として、出力信号を生じさせる。 本発明のある実施例では、信号修正デバイスは、温度感知性の抵抗要素を含む 電圧分割（分圧）ネットワークを備えている。このネットワークは、入力端子と 、グランドと、少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と直列に電気的に接続 された少なくとも１つの温度感知性の抵抗要素と、を有する。これらの抵抗要素 は、入力端子とグランドとの間に電気的に接続されている。出力端子は、温度感 知性の抵抗要素と温度不感知性の抵抗要素との間に位置している。このような構 成により、ネットワークからの出力信号の大きさは、チャンバ内の気体の温度に 対する、体積が構成されたチャンバ内の気体の圧力の比率に比例する。 本発明のある特徴によると、温度感知性の抵抗要素は、入力端子と出力端子と の間に電気的に接続され、温度不感知性の抵抗要素は、出力端子とグランドとの 間に電気的に接続される。 本発明の別の特徴によると、温度不感知性の抵抗要素は、入力端子と出力端子 との間に電気的に接続され、温度感知性の抵抗要素は、出力端子とグランドとの 間に電気的に接続される。 電圧分割ネットワークの温度感知性の抵抗要素は、チャンバ内の気体と熱的に 接続している。 本発明の更に別の特徴によると、電圧分割ネットワークは、更に、出力信号を バッファするオプションのバッファ要素を含む。 本発明の更に別の特徴によると、電圧分割ネットワークの温度不感知性の抵抗 要素は、Ｒ_F＝−Ｒ_TCref（１−αＴ_ref）という関係によって定義される抵抗値 Ｒ_Fを有する。ここで、温度感知性の抵抗要素は、Ｒ_TC＝Ｒ_TCref（１＋α(Ｔ− Ｔ_ref)）という関係によって定義される抵抗値Ｒ_TCを有する。これらの式におい て、Ｒ_TCrefは、絶対基準温度Ｔ_ref（Ｋ、ケルビン）における温度感知性の抵抗 要素の抵抗値であり、αは、温度感知性の抵抗要素の温度抵抗係数（単位は、ｐ ｐｍ／Ｋ）であり、Ｔは、チャンバ内の気体の絶対温度（Ｋ）である。 本発明のある実施例では、圧力トランスデューサは、キャパシタンス・マノメ ータである。 本発明のこれらの及びそれ以外の目的及び効果は、以下の記述から明らかにな るはずである。本発明は、従って、請求の範囲において範囲が明示されている以 下の詳細な開示内容において例示されている構成、構成要素の組合せ及び部分の 配列を有する装置を備えている。 図面の簡単な説明 本発明の本質及び目的をより完全に理解するために、以下の詳細な説明におい ては、次の添付の図面を参照すべきである。 図１は、本発明による装置の単純なブロック図である。 図２Ａ−２Ｄは、本発明による装置において用いられる信号修正ネットワーク の種々の実施例の回路図である。 図３Ａ−３Ｃは、気体搬送システムにおける本発明による装置の種々の構成の 単純なブロック図である。 図４Ａ−４Ｃは、図３Ａ−３Ｃに概略が図解されている構成に対応する機械的 な構成の側面立体図である。 図面の詳細な説明 本発明は、気体のマス・フローの測定のための比較的単純で、経済的で、空間 効率のよい装置である。この技術分野で広く知られているように、理想気体のフ ローが体積が既知であり温度及び圧力が測定されているチューナの中に生じる場 合には、この気体のモル数によって測定される質量は、次の式で表される理想気 体法則のための状態方程式を用いて、直接的に決定することができる。 【数１】 ただし、この数１では、ｎはチャンバ内の気体の質量(モル数)、Ｐはチャンバ内 の気体の圧力(Ｔｏｒｒ)、Ｖはチャンバの体積(リットル)、Ｒは気体定数、そし てＴはチャンバ内の気体の温度である(Ｋ)。 本発明の装置は、この比率の大きさを直接的に決定し、信号エネルギの単位当 たりの与えられた理想気体の標準的な体積（例えば、ボルト当たりの気体のモル 数）を直接的に表す電気信号を提供する便利な手段を提供する。 本発明による装置１０の概要が、図１に図解されている。気体ソース（源）１ ２が、流体搬送システムにおいて提供されている。気体ソース１２は、図１では マス・フロー・コントローラとして図解されているＤＵＴ２４と流体的に接続し 、ＤＵＴは、チャンバ１４と流体的に接続している。チャンバは、既知の一定の 体積Ｖを有し、気体インレットと出口ポート１６、１８とを有している。ポート １６、１８は、弁要素２０、２２によって、気体フローに対して選択的に開閉す ることができる。弁要素は、システム・コントローラ２８によって制御されてい る。 圧力トランスデューサ３０は、チャンバ１４と流体的に連絡している。トラン スデューサ３０は、トランスデューサによって測定された気体圧力を表し、それ に好ましくは比例する電圧出力（Ｖ₁）を提供する。信号修正デバイス３２が、 圧力トランスデューサ３０の電気的出力に接続されており、チャンバ内の気体と 熱的に接触しており後により詳細に論じるようにチャンバ１４内の気体の感知さ れた温度を表す信号を提供する温度感知手段を含む。これは、好ましくは、温度 感知性の抵抗要素３８（Ｒ_TC）の形態を有する。図１に示されているように、チ ャンバ内の気体が理想的であると仮定すると、圧力トランスデューサ３０と信号 修正デバイス３２との組合せは、ｎ又はＰＶ／ＲＴを直接に表す信号を提供する 組み合わせられたトランスデューサ・アセンブリ３１である。 圧力トランスデューサ３０は、例えば、任意の比較的高精度の圧力ゲージであ り得る。好適な圧力感知デバイスは、測定されている気体圧力に応答する可動の 金属ダイアフラムを用いるタイプのキャパシタンス・マノメータである。このマ ノメータにおいては、電気的キャパシタの２枚のプレートの一方が上述の可動金 属ダイアフラムであり、他方のプレートは固定されている。ダイアフラムの反対 側への圧力の変化によって、ダイアフラムは、固定されたプレートの方向に関し て移動し、それによって、プレートの電気的キャパシタンスの変化を、従って、 圧力の変化を示す電気信号が生じる。しかし、圧力の変化に応答してのダイアフ ラムの移動は、比較的小さく、従って、チャンバ１４の体積にはそれほどの影響 を及ぼさない。好適なキャパシタンス・マノメータは、例えば１０から１００ｔ ｏｒｒの範囲の圧力を測定する。１から１００ｔｏｒｒや０．１から１０ｔｏｒ ｒなどのそれ以外の圧力測定範囲も、望むのであれば、異なる範囲のキャパシタ ンス・マノメータを用いることによって、得ることができる。明らかに、例えば 、抵抗ブリッジを用いるマノメータなどの別のタイプの圧力測定デバイスを用い ることもできる。 好適な信号修正デバイス３２は、電圧分割ネットワーク３５を備えており、そ の様々な実施例が、図２Ａ−２Ｄに図解されている。電圧分割ネットワーク３５ は、入力端子３４と、グランド３６への接続と、入力端子３４とグランド３６と の間にあり少なくとも１つの温度不感知性の又は固定された抵抗要素４０(Ｒ_F) と直列に電気的に接続された少なくとも１つの温度感知性の抵抗要素３８(Ｒ_TC) と、を含む。出力端子４２は、抵抗要素３８と抵抗要素４０との間に位置する。 チャンバ１４内部の気体の温度は、温度感知性の抵抗要素３８を用いて推論に より測定される。温度感知性の抵抗要素３８は、温度感知性の抵抗、集積回路素 子、サーミスタ、又はこの技術分野で既知であるそれ以外の温度応答性のデバイ スであり得る。温度感知性の抵抗要素３８は、チャンバ１４内の気体と熱的に連 絡するように実装されている。これは、例えば、この温度感知性の抵抗要素３８ を、圧力トランスデューサ３０の圧力感知部分の上に直接に実装し、それにより 、抵抗要素３８が圧力センサ内の気体と熱的に接触するようにすることによって 、達成される。抵抗要素３８と圧力トランスデューサ３０との間の接続は、例え ば、熱伝導性を有するエポキシ又はそれ以外のボンディング材料を用いてなされ る。また、抵抗要素３８は、例えば、チャンバ１４の中で、インレット又はアウ トレット・ポートに配置して、チャンバには有限の長さのライン又はチューブを 接続させ、又は、抵抗要素がチャンバ１４内の気体の温度を信頼性をもって測定 することができる限りにおいて任意の位置に配置することもできる。 図２Ａでは、温度感知性の抵抗要素３８は、入力端子３４と出力端子４２との 間に電気的に接続されている。固定された抵抗要素４０は、出力端子４２とグラ ンド３６との間に電気的に接続されている。この構成が好ましいのは、抵抗値に 関する正の温度係数を有する温度感知性の抵抗要素が用いられるときである。こ の抵抗要素の抵抗値は、温度と共に直接に（正比例して）変動し、温度の上昇と 共に増大し、温度の低下と共に減少する。抵抗要素３８と接触する気体の温度が 上昇すると、その抵抗値は増大する。固定された感知性抵抗要素４０の両端に現 れる出力電圧Ｖ₂の大きさは、従って、減少するが、これは、全体的な信号電圧 のより大きな部分が、温度感知性の抵抗要素３８の両端で降下するからである。 図２Ｂには、温度感知性の抵抗要素３８と固定された抵抗要素４０との位置が 、図２Ａの場合とは反転している。この構成が好ましいのは、抵抗値に関する負 の温度係数を有する温度感知性の抵抗要素が用いられるときである。この抵抗要 素の抵抗値は、温度に反比例して変動し、温度が低下すると増大し、温度の上昇 すると減少する。抵抗要素３８と接触する気体の温度が上昇すると、その抵抗値 は減少する。抵抗要素３８の両端に現れる出力電圧Ｖ₂の大きさは、従って、増 大するが、これは、全体的な信号電圧のより小さな部分が、温度感知性の抵抗要 素３８の両端で降下するからである。 図２Ｃでは、電圧分割ネットワーク３５は、更に、出力信号を測定するのに用 いられるデバイスによって出力信号から電流が引き出される場合に出力信号Ｖ₂ をバッファするオプションのバッファ回路４４を含んでいる。バッファ回路４４ は、演算増幅器４６を含み、その非反転入力が電圧分割ネットワークの出力端子 ４２に接続され、反転入力が増幅器の出力に接続されている。図２Ｃの抵抗要素 ４０の両端の電圧（又は、２つの要素が反転された場合には抵抗要素３８の両端 の電圧）は、演算増幅器４６の非反転入力端子に印加され、出力電圧Ｖ₂が出力 される。出力信号Ｖ₂はまた、演算増幅器４６の反転入力端子に印加され、それ により、出力信号Ｖ₂を正確な値に維持するのに必要な電流を供給する。 図２Ｄでは、出力電圧は、オプショナルな反転ネットワーク４８によってバッ ファされ反転される。ネットワーク４８は、固定された抵抗要素４０と並列に電 気的に接続された演算増幅器４６を含み、それにより、固定された抵抗要素４０ は、端子の反転入力及び出力との間にフィードバック抵抗を形成する。増幅器の 非反転入力端子は、グランド３６に接続されている。圧力トランスデューサ３０ からの出力電圧Ｖ₁は、演算増幅器４６の抵抗要素３８と反転入力との間に印加 される。反転ネットワーク４８は、出力信号Ｖ₂の極性を、第１の（入力）信号 Ｖ₁の極性に対して、反転させる。 温度感知性の抵抗要素３８は、電圧分割ネットワーク３５の一部分を形成し、 固定された抵抗要素４０が、ネットワークの第２の部分を形成する。この技術分 野において広く知られているように、電圧分割ネットワークからの出力信号は、 両方の抵抗要素の間の全電圧の一部を表す。可変抵抗要素（すなわち、温度感知 性の抵抗要素３８）は、このようにして、出力信号の大きさを変動させる。本発 明による装置における電圧分割ネットワーク３５は、約０−１２ボルトＤＣの範 囲の入力信号Ｖ₁を受け取り、約０−５ボルトＤＣの範囲の出力信号Ｖ₂を提供す る。これは、明らかに、電圧供給、圧力トランスデューサ及び用いられている抵 抗要素に依存して変動し得る。 本発明の装置では、チャンバ１４の体積は、既知であり、従って、圧力トラン スデューサ３０からの第１の信号Ｖ₁と信号修正デバイス３２からの出力信号Ｖ₂ とによって表される圧力及び温度測定値とは無関係に一定であると仮定すること ができる。チャンバの体積は、任意の所望の値でよく、例えば、０．０３リット ルから０．１リットル、更にはそれより大きな値までの範囲をとることができる 。例えば、０．０３リットルの体積を有するチャンバを作るには、長さが４イン チで直径が１インチのチューブのそれぞれの端部の中心に１／４インチのスタブ （stubs）を溶接したものを用いることができる。例えば、０．１０リットルの 体積を有するチャンバを作るには、長さが４インチで直径が１．５インチのチュ ーブを用いることができる。これ以外の希望する体積のチャンバも、適切な長さ と直径とを有するチューブを用いて同様に作ることができる。 上述の数式１に示した理想気体法則によると、気体のモル数ｎは、比率ＰＶ／ Ｔに比例する。Ｔに関するｎの偏導関数（∂ｎ／∂Ｔ）は、Ｔの２乗に反比例し て変動することが知られている。従って、チャンバ内の気体の振る舞いを気体の 変化する温度の関数としてモデル化するには、体積Ｖを一定、圧力Ｐを一定と仮 定して、信号修正デバイス３２は、チャンバ１４内の気体の温度がｎが変動する のと同じように変動する出力信号を提供する。出力信号は、このように、チャン バ内の気体のモル数を直接に表すことになる。 再び図２Ａ−２Ｄを参照すると、電圧Ｖ₁は、測定された圧力（Ｐ）の関数と して変動し、それによって、電圧Ｖ₁は、積ＰＶを表すものと考えることができ る。これは、チャンバ１４の体積であるＶは気体の圧力及び温度とは関係なく一 定であるからである。電圧Ｖ₁は、温度感知性の抵抗要素３８の抵抗値の関数と して修正されるが、これは、既に述べたように、気体の温度の関数であり、従っ て、出力電圧Ｖ₂は、チャンバ内の気体の温度、体積及び圧力を示すことになる 。出力電圧Ｖ₂は、このように、チャンバ内の気体のモル数ｎを直接に表す。 本発明による信号修正デバイスにおいては、固定された抵抗要素４０（Ｒ_F） の抵抗値は、絶対基準温度Ｔｒｅｆにおける温度感知性の抵抗要素３８（Ｒ_{TCre f} ）の抵抗値を用いて定義される。 温度感知性の抵抗要素３８は、与えられた絶対温度Ｔでは、次の式で定義され る抵抗値Ｒ_TCを有する。 【数２】 ここで、Ｒ_TCrefは、基準温度Ｔ_ref（Ｋ）における温度感知性の抵抗要素３８の 抵抗値であり、αは、温度感知性の抵抗要素３８の温度抵抗係数(抵抗値の温度 係数、temperature coefficient of resistance)（ｐｐｍ／Ｋ）であり、Ｔは、 チャンバにおける気体の絶対温度（Ｋ）であって温度感知性の抵抗要素の抵抗値 の変化から推測されるものである。 チャンバ内の気体の温度を適切に与える出力信号Ｖ₂を提供するに、固定され た抵抗要素４０は、次の数式で定義される抵抗値Ｒ_Fを有する。 【数３】 好適実施例では、温度感知性の抵抗要素３８は、絶対基準温度２９３Ｋでは、 約６０００ｐｐｍ／Ｋの抵抗温度係数と、約５０００Ωの抵抗値とを有する。固 定された抵抗要素Ｒ_Fの値は、上の数式３から、約３８００Ωと決定することが できる。 トランスデューサ・アセンブリ３１からの出力信号Ｖ₂は、任意の時点で測定 することができ、チャンバ内の気体の量に関する直接的な情報を提供する。その 理由は、この信号が、圧力及び電圧の変化に対するほとんど瞬間的な応答である からであるが、これは、トランスデューサ・アセンブリの成分の応答時間に左右 される。トランスデューサ及び温度感知性の抵抗要素の圧力及び温度の変化それ ぞれに対する応答や、用いられる場合には、増幅器４６のスルー・レート（slew rate）などもその例である。更に、出力信号Ｖ₂は、任意の時点で測定でき、時 間間隔の間での平均の気体フローに関する情報を提供する。例えば、初期時刻ｔ₀ においては、出力信号Ｖ₂₍₀₎は、時刻ｔ₀における体積較正されたチャンバ内の 気体の温度及び圧力条件Ｔ₀、Ｐ₀を表す。後の時刻ｔ₁では、出力信号Ｖ₂₍₁₎は 、時刻ｔ₁における体積較正されたチャンバ内の気体の温度及び圧力条件Ｔ₁、Ｐ₁ を表す。これらの測定値は、時間間隔ｔ₁−ｔ₀の間の気体の平均フローを計算 するのに用いることができる(例えば、秒当たりのモル数、分当たりの標準的な 立方センチメートル、又は、時間単位当たりの気体の便利な標準的な体積単位な ど)。 ＤＵＴを通過する実質的に理想的な気体の体積フローの決定は、気体のタイプ に依存しないことに注意すべきである。実質的な理想気体の１モルは、気体のタ イプとは関係なく、気体の２２．４標準リットルである。しかし、ＤＵＴを通過 する実質的な理想気体の質量（単位はグラム）の決定は、測定されている特定の 気体の関数である。従って、気体体積の標準単位ではなくその質量によって、出 力信号Ｖ₂によって直接的に示されるＤＵＴを通過する気体フローを表すことを 望む場合には、測定されている特定の気体に関する変換ファクタが必要となる。 図３Ａ−３Ｃは、気体搬送システムにおける気体フローを測定しそのシステム を較正するのに用いられる、本発明による装置の様々な構成の概要が図解されて いる。図４Ａ−４Ｃは、図３Ａ−３Ｃに示されているものに対応する機械的な構 成が図解されている。 図３Ａ−４Ａには、「ダウンストリーム・インライン」構成が示されている。 気体のフローは、気体フロー・ラインを通過して、マス・フロー・コントローラ として図解されているＤＵＴ２４から下流にある体積較正されたチャンバ１４（ Ｖ）の中に生じている。チャンバ１４は、気体フロー・ライン５０の直接的な拡 張であり、又は、ティー５１を用いて、気体フロー・ラインに接続されている。 トランスデューサ・アセンブリ３１は、チャンバ１４の下流にある気体フロー・ ライン５０に接続され、シャットオフ弁２０及び２２が、トランスデューサ・ア センブリ３１の上流及び下流にそれぞれ位置する気体フロー・ラインに配置され 、体積Ｖを一定に維持している。図４Ａは、この設計の機械的な類似物を図解し ている。 図３Ｂ及び図４Ｂには、「ダウンストリーム・アペンダージ」構成が示されて いる。気体フローは、マス・フロー・コントローラとして図解されているＤＵＴ ２４の下流にある体積較正されたチャンバ１４の中に生じている。チャンバ１４ は、ティー５１と体積Ｖを一定に保つためにそれぞれの測定に対して閉じること ができるシャットオフ弁２０とを用いて、メインの気体フロー・ラインに接続す ることができる。トランスデューサ・アセンブリ３１は、チャンバ１４と流体的 に接続しているが、気体フロー・ラインの中にはない。シャットオフ弁２２が、 チャンバ１４の下流に配置されている。図４Ｂは、この設計の機械的な類似物を 図解している。この構成は、図４Ａのインライン構成よりもフットプリントが短 いので、レトロフィット（retrofit）の応用例では、実現がより容易でありより 経済的であるために好まれる。しかし、チャンバ１４とトランスデューサ・アセ ンブリ３１とのパージング（purging）がインライン設計の場合ほどには容易で も効果的でもないので、気体の汚染が生じる虞がある。 図３Ｃ及び４Ｃには、「ダウンストリーム・バイパス」構成が示されている。 気体フローは、マス・フロー・コントローラとして図解されているＤＵＴ２４を 介して、バイパスのエル５４の中に生じ、エル５４は、体積Ｖを一定にするため にそれぞれの測定に対して閉じることができる上流及び下流のシャットオフ弁２ ０及び２２によって制御されるバイパス回路５３に至る。体積較正されたチャン バ１４とトランスデューサ・アセンブリ３１とは、シャットオフ弁の間にあるバ イパス回路５３に存在する。第３のシャットオフ弁５２が、メインの気体フロー ・ラインに配置され、バイパス回路におけるシャットオフ弁２０及び２２とタン デムに動作して、気体の流れを、バイパス回路を回避して又はその中を通過して 流す。この構成には、追加的な弁及び配管が必要になるが、チャンバ１４及びト ランスデューサ・アセンブリ３１の比較的効率的なパージングを与えるという効 果があり、また、バイパス設計も効果的であり、これによって、較正装置がレト ロフィット応用例にインストールし、必要に応じて気体フロー・ラインの中に切 り換えたり、遮断したりすることが可能になる。 図３Ａ−３Ｃ及び４Ａ−４Ｃに示されているすべての実施例において、体積Ｖ は、チャンバの体積と、シャットオフ弁２０及び２２（図３Ａ及び３Ｃ、図４Ａ 及び４Ｃの場合）の間の追加的な体積空間と、図３Ｂ及び図４Ｂの場合にはトラ ンスデューサ・アセンブリ３１と弁２２との間の追加的な体積空間とによって、 表される。しかし、それぞれの較正における体積は、それぞれの測定に対して一 定に維持される。 本発明による装置及び方法は、実質的な理想気体が測定されていると仮定する と、既知の一定の体積を有するチャンバの内部の気体の質量を測定する効率的か つ経済的な直接的方法を提供する。圧力トランスデューサに関連する電圧分割ネ ットワークにおける温度感知性の抵抗要素がチャンバ内の気体の温度に対する圧 力及び体積の比率に比例する単一の出力信号を提供する。この出力信号は、従っ て、チャンバ内の気体のモル数を直接的に表している。この装置は、例えば、流 体搬送システムにおいてイン・シトュで、又は、オフラインのテスト・システム で用いることができ、マス・フロー・メータ又はそれ以外のＤＵＴを較正する。 上述の装置においては、発明の範囲から逸脱せずに修正を行うことができるの で、以上で述べた説明及び添付の図面に含まれている内容は、例示として解釈す べきであり限定的な意味は有していないものとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．質量を測定すべき気体を含む固定された体積の空間を定義する手段と共に 用いるトランスデューサ・アセンブリであって、 （ａ）第１の信号を、前記固定された体積の空間の内部の前記気体の圧力の関 数として発生する手段と、 （ｂ）前記第１の信号に応答して、前記固定された体積の空間の内部の前記気 体の温度の関数として、前記固定された体積における前記気体の質量を表す出力 信号を発生する手段と、 を備えていることを特徴とするトランスデューサ・アセンブリ。 ２．請求項１記載の装置において、前記第１の信号を発生する前記手段は、前 記第１の信号が前記固定された体積の空間の内部の前記気体の前記圧力に実質的 に比例するように前記第１の信号を発生する手段を含むことを特徴とする装置。 ３．請求項１記載の装置において、出力信号を発生する前記手段は、電圧分割 （分圧）ネットワークを備えており、この電圧分割ネットワークは、（ａ）前記 第１の信号を受け取る入力端子と、（ｂ）前記出力信号を提供する出力端子と、 （ｃ）前記固定された体積における前記気体の温度に依存する抵抗値を有する少 なくとも１つの温度感知性の抵抗要素と、（ｄ）前記温度感知性の抵抗要素と直 列に結合され、前記固定された体積における前記気体の温度とは実質的に独立の 抵抗値を有する少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と、を含み、 前記抵抗要素の中の１つは、前記入力端子と前記出力端子との間に接続され、 それによって、前記出力端子は、前記温度感知性の抵抗要素と前記温度不感知性 の抵抗要素との間に配置され、前記出力信号を発生する前記手段は、前記出力端 子における前記信号のレベルを測定する手段を含むことを特徴とする装置。 ４．請求項３記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、前記入力端 子と前記出力端子との間に電気的に接続されることを特徴とする装置。 ５．請求項３記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、前記出力端 子とグランドとの間に電気的に接続されることを特徴とする装置。 ６．請求項５記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、サーミスタ であることを特徴とする装置。 ７．請求項３記載の装置において、前記電圧分割ネットワークは、前記出力端 子に接続されており前記出力信号をバッファする手段を更に含むことを特徴とす る装置。 ８．請求項７記載の装置において、前記バッファ手段は、前記出力端子に電気 的に接続された少なくとも１つの演算増幅器を備えていることを特徴とする装置 。 ９．請求項３記載の装置において、前記温度不感知性の抵抗要素は、−Ｒ_{TCre f} （１−αＴ_ref）に等しい抵抗値Ｒ_Fを有し、前記温度感知性の抵抗要素は、Ｒ_{T Cref} （１＋α(Ｔ−Ｔ_ref)）に等しい抵抗値Ｒ_TCを有し、Ｒ_TCrefは、絶対基準温 度Ｔ_ref（Ｋ、ケルビン）における前記温度感知性の抵抗要素の抵抗であり、α は、前記温度感知性の抵抗要素の温度抵抗係数（ｐｐｍ／Ｋ）であり、Ｔは、前 記固定された体積の空間における前記気体の絶対温度（Ｋ）であることを特徴と する装置。 １０．請求項３記載の装置において、前記出力信号の大きさは、前記チャンバ における前記気体の温度に対する前記チャンバにおける前記気体の圧力と体積と の積の比に比例し、前記出力信号は、信号エネルギの単位当たりの前記気体の標 準質量単位で表現されることを特徴とする装置。 １１．請求項１０記載の装置において、前記出力信号は、ボルト当たりの前記 気体のモル数で表現されることを特徴とする装置。 １２．請求項１記載の装置において、前記圧力トランスデューサ手段は、キャ パシタンス・マノメータを備えていることを特徴とする装置。 １３．気体の質量の流れ（マス・フロー）を測定する装置において、 Ａ．質量を測定すべき気体を含む固定された体積の空間を定義する手段と、 Ｂ．この装置を前記気体のソースに接続し、それによって、気体が前記固定さ れた体積の空間の中に導かれるようにする手段と、 Ｃ．前記固定された体積の空間と流体及び熱において通信するトランスデュー サ・アセンブリであって、（ａ）第１の信号を、前記固定された体積の空間の内 部の前記気体の圧力の関数として発生する手段と、（ｂ）前記第１の信号に応答 して、前記固定された体積の空間の内部の前記気体の温度の関数として、前記固 定された体積における前記気体の質量を表す出力信号を発生する手段と、を含む トランスデューサ・アセンブリと、 を備えていることを特徴とする装置。 １４．請求項１３記載の装置において、固定された体積の空間を定義する前記 手段は、チャンバと、前記チャンバへのインレットと、前記チャンバへのアウト レットと、前記チャンバへの前記インレット及びアウトレットとを選択的に開閉 する弁手段と、を備えていることを特徴とする装置。 １５．請求項１３記載の装置において、前記第１の信号を発生する前記手段は 、前記第１の信号が前記固定された体積の空間の内部の前記気体の前記圧力に実 質的に比例するように前記第１の信号を発生する手段を含むことを特徴とする装 置。 １６．請求項１３記載の装置において、出力信号を発生する前記手段は、電圧 分割（分圧）ネットワークを備えており、この電圧分割ネットワークは、(ａ)前 記第１の信号を受け取る入力端子と、(ｂ)前記出力信号を提供する出力端子と、 (ｃ)前記固定された体積における前記気体の温度に依存する抵抗値を有する少な くとも１つの温度感知性の抵抗要素と、(ｄ)前記温度感知性の抵抗要素と直列に 結合され、前記固定された体積における前記気体の温度とは実質的に独立の抵抗 値を有する少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と、を含み、 前記抵抗要素の中の１つは、前記入力端子と前記出力端子との間に接続され、 それによって、前記出力端子は、前記温度感知性の抵抗要素と前記温度不感知性 の抵抗要素との間に配置され、前記出力信号を発生する前記手段は、前記出力端 子における前記信号のレベルを測定する手段を含むことを特徴とする装置。 １７．請求項１６記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、前記入 力端子と前記出力端子との間に電気的に接続されることを特徴とする装置。 １８．請求項１６記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、前記出 力端子とグランドとの間に電気的に接続されることを特徴とする装置。 １９．請求項１８記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、サーミ スタであることを特徴とする装置。 ２０．請求項１６記載の装置において、前記電圧分割ネットワークは、前記出 力端子に接続されており前記出力信号をバッファする手段を更に含むことを特徴 とする装置。 ２１．請求項２０記載の装置において、前記バッファ手段は、前記出力端子に 電気的に接続された少なくとも１つの演算増幅器を備えていることを特徴とする 装置。 ２２．請求項１６記載の装置において、前記温度不感知性の抵抗要素は、−Ｒ_TCref （１−αＴ_ref）に等しい抵抗値Ｒ_Fを有し、前記温度感知性の抵抗要素は 、Ｒ_TCref（１＋α(Ｔ−Ｔ_ref)）に等しい抵抗値Ｒ_TCを有し、Ｒ_TCrefは、絶対 基準温度Ｔ_ref（Ｋ、ケルビン）における前記温度感知性の抵抗要素の抵抗であ り、αは、前記温度感知性の抵抗要素の温度抵抗係数（ｐｐｍ／Ｋ）であり、Ｔ は、前記固定された体積の空間における前記気体の絶対温度（Ｋ）であることを 特徴とする装置。 ２３．請求項１６記載の装置において、前記出力信号の大きさは、前記チャン バにおける前記気体の温度に対する前記チャンバにおける前記気体の圧力と体積 との積の比に比例し、前記出力信号は、信号エネルギの単位当たりの前記気体の 標準質量単位で表現されることを特徴とする装置。 ２４．請求項２３記載の装置において、前記出力信号は、ボルト当たりの前記 気体のモル数で表現されることを特徴とする装置。 ２５．請求項１３記載の装置において、前記圧力トランスデューサ手段は、キ ャパシタンス・マノメータを備えていることを特徴とする装置。 ２６．請求項１３記載の装置において、前記圧力トランスデューサ手段は、キ ャパシタンス・マノメータを備えていることを特徴とする装置。 ２７．請求項２６記載の装置において、気体のフローを制御する前記手段は、 マス・フロー・コントローラを含むことを特徴とする装置。 ２８．気体のフローを測定する装置であって、 Ａ．気体のソースと、 Ｂ．前記ソースと流体的に接続されており、気体インレットと気体アウトレッ ト・ポートと前記気体のフローへの前記ポートを選択的に開閉する弁手段とを有 し、既知で一定の体積を有するチャンバと、 Ｃ．前記ソースから前記チャンバへの前記気体の制御されたフローを生じさせ るフロー制御手段と、 Ｄ．トランスデューサ・アセンブリであって、 ｉ．前記チャンバにおける前記気体の圧力を測定し、前記圧力を表し前 記圧力に比例する第１の信号を提供する圧力トランスデューサ手段と、 ｉｉ．前記圧力トランスデューサ手段に関連しており、前記第１の信号 を修正して前記チャンバ内の前記気体の質量を表す出力信号を得る手段と、 を組み合わせて備えているトランスデューサ・アセンブリと、 を備えていることを特徴とする装置。 ２９．請求項２８記載の装置において、前記信号修正手段は、電圧分割ネット ワークを備えており、この電圧分割ネットワークは、入力端子と、前記入力端子 とグランドとの間に直列に電気的に接続されている少なくとも１つの温度感知性 の抵抗要素及び少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と、前記温度感知性の 抵抗要素と前記温度不感知性の抵抗要素との間の出力端子と、を有することを特 徴とする装置。 ３０．請求項２９記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、前記入 力端子と前記出力端子との間に電気的に接続されることを特徴とする装置。 ３１．請求項２９記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、前記出 力端子とグランドとの間に電気的に接続されることを特徴とする装置。 ３２．請求項３１記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、サーミ スタであることを特徴とする装置。 ３３．請求項２９記載の装置において、前記温度感知性の抵抗要素は、前記チ ャンバ内の前記気体と熱的に接続していることを特徴とする装置。 ３４．請求項２９記載の装置において、前記電圧分割ネットワークは、前記出 力信号をバッファする手段を更に含むことを特徴とする装置。 ３５．請求項３４記載の装置において、前記バッファ手段は、前記出力端子に 電気的に接続された少なくとも１つの演算増幅器を備えていることを特徴とする 装置。 ３６．請求項２９記載の装置において、前記温度不感知性の抵抗要素は、−Ｒ_TCref （１−αＴ_ref）に等しい抵抗値Ｒ_Fを有し、前記温度感知性の抵抗要素は 、Ｒ_TCref（１＋α(Ｔ−Ｔ_ref)）に等しい抵抗値Ｒ_TCを有し、Ｒ_TCrefは、絶対 基準温度Ｔ_ref（Ｋ、ケルビン）における前記温度感知性の抵抗要素の抵抗値で あり、αは、前記温度感知性の抵抗要素の抵抗値の温度係数（ｐｐｍ／Ｋ）であ り、Ｔは、前記チャンバにおける前記気体の絶対温度（Ｋ）であることを特徴と する装置。 ３７．請求項２９記載の装置において、前記出力信号の大きさは、前記チャン バにおける前記気体の温度に対する前記チャンバにおける前記気体の圧力及び体 積の比に比例し、前記出力信号は、信号エネルギの単位当たりの前記気体の標準 質量単位で表現されることを特徴とする装置。 ３８．請求項３７記載の装置において、前記出力信号は、ボルト当たりの前記 気体のモル数で表現されることを特徴とする装置。 ３９．請求項２８記載の装置において、前記圧力トランスデューサ手段は、キ ャパシタンス・マノメータを備えていることを特徴とする装置。 ４０．気体の質量の流れ（マス・フロー）を測定する方法において、 Ａ．質量を測定すべき気体を前記気体を含む固定された体積の空間の中に導く ステップと、 Ｂ．第１の信号を前記固定された体積の空間の内部の前記気体の圧力の関数と して発生し、前記第１の信号に応答して、前記固定された体積の空間の内部の前 記気体の温度の関数として、前記固定された体積における前記気体の質量を表す 出力信号を発生するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 ４１．請求項４０記載の方法において、前記第１の信号を発生する前記ステッ プは、前記第１の信号が前記固定された体積の空間の内部の前記気体の圧力と実 質的に比例するように前記第１の信号を発生するステップを含むことを特徴とす る方法。 ４２．請求項４０記載の方法において、前記出力信号を発生する前記ステップ は、 前記固定された体積における前記気体の温度に依存する抵抗値を有する少なく とも１つの温度感知性の抵抗要素と、前記温度感知性の抵抗要素と直列に結合さ れ、前記固定された体積における前記気体の温度とは実質的に独立の抵抗値を有 する少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と、を含み、グランドに接続され ている分圧器の両端の電圧として前記第１の信号を発生するステップと、 前記抵抗要素とグランドとの間のある地点で出力信号を測定するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 ４３．請求項４２記載の方法において、前記測定するステップは、前記温度感 知性の抵抗要素の両端での電圧を測定するステップを含むことを特徴とする方法 。 ４４．請求項４２記載の方法において、前記測定するステップは、前記温度不 感知性の抵抗要素の両端での電圧を測定するステップを含むことを特徴とする方 法。 ４５．請求項４２記載の方法において、前記出力信号をバッファするステップ を更に含むことを特徴とする方法。 ４６．請求項４０記載の方法において、質量を測定する前記気体を固定された 体積の空間の中に導く前記ステップは、前記固定された体積の中への前記気体の 前記フローを制御するステップを含むことを特徴とする方法。 ４７．気体の質量の流れ（マス・フロー）を制御するのに用いるマス・フロー ・コントローラを較正する方法であって、 Ａ．前記マス・フロー・コントローラを気体のソースに接続するステップと、 Ｂ．質量を測定すべき気体を、前記コントローラを介して、前記気体を含む固 体された体積の空間の中へ送るステップと、 Ｃ．第１の信号を、前記固定された体積の空間の内部の前記気体の圧力の関数 として発生し、前記第１の信号に応答して、前記固定された体積の空間の内部の 前記気体の温度の関数として、前記固定された体積における前記気体の質量を表 す出力信号を発生するステップと、 Ｄ．前記出力信号によって表される質量の値を、前記マス・フロー・コントロ ーラの対応する測定値と比較するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 ４８．請求項４７記載の方法において、前記第１の信号を発生する前記ステッ プは、前記第１の信号が前記固定された体積の空間の内部の前記気体の圧力と実 質的に比例するように前記第１の信号を発生するステップを含むことを特徴とす る方法。 ４９．請求項４７記載の方法において、前記出力信号を発生する前記ステップ は、 前記固定された体積における前記気体の温度に依存する抵抗値を有する少なく とも１つの温度感知性の抵抗要素と、前記温度感知性の抵抗要素と直列に結合さ れ、前記固定された体積における前記気体の温度とは実質的に独立の抵抗値を有 する少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と、を含み、グランドに接続され ている分圧器の両端の電圧として前記第１の信号を発生するステップと、 前記抵抗要素とグランドとの間のある地点で出力信号を測定するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 ５０．請求項４９記載の方法において、前記測定するステップは、前記温度感 知性の抵抗要素の両端での電圧を測定するステップを含むことを特徴とする方法 。 ５１．請求項４９記載の方法において、前記測定するステップは、前記温度不 感知性の抵抗要素の両端での電圧を測定するステップを含むことを特徴とする方 法。 ５２．請求項４９記載の方法において、前記出力信号をバッファするステップ を更に含むことを特徴とする方法。 ５３．請求項４７記載の方法において、質量を測定する前記気体を固定された 体積の空間の中に導く前記ステップは、前記固定された体積の中への前記気体の 前記フローを制御するステップを含むことを特徴とする方法。