KR100314182B1 - 가스질량유량측정시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스공급 시스템에서 가스의 질량유량을 측정하기 위한 장치와 방법에 관한 것이다. 장치는 가스의 소오스에 연결될 수 있게 되어 있다. 장치는 가스소오스(12)와 유체연결되는 고정체적 챔버(14)를 포함한다. 유량 제어장치(20)는 챔버로의 가스유동을 제어하는데 사용될 수 있다. 변환기 조립체(31)가 챔버와 유체연결된 압력변환기(30)와, 압력변환기에 결합된 신호 수정회로(32)를 포함한다. 압력변환기는 챔버 내 가스의 압력을 측정하고 가스의 알려진 체적의 압력을 나타내는 제 1 전기신호를 발생한다. 신호 수정네트워크는 제 1 신호를 수정하여 PV/RT에 비례하고 챔버 내 가스의 몰 수를 직접 나타내는 출력신호를 발생한다. 본 발명 장치는 질량유량 제어기의 교정에 유용하다.

Description

가스질량유량 측정시스템
도 1은 본 발명 장치의 블럭 다이아그램.
도2A-도2D는 본 발명 장치에 사용된 신호수정 네트워크의 여러 실시형태를 보인 회로도.
도3A-도3C는 가스공급시스템에서 본 발명 장치의 여러 구성을 보인 블럭 다이아그램.
도4A-도4C는 도 3A-도3C에서 보인 구성에 해당하는 기계적인 구성을 보인 측면도.
본 발명은 질량유량을 측정하고 질량유량 제어기구를 교정하기 위한 장치와 방법에 관한 것으로, 특히 가스공급시스템내에서 가스의 질량유량의 직접적이고 정확한 측정값을 얻기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.
측정량의 가스를 공급할 때에 예를 들어 질량유량제어기의 정확성을 시험하거나 교정하는 경우와 같이 이러한 가스를 공급하는데 사용되는 가스공급시스템에서 가스유량조건의 정확한 측정이 이루어지도록 하는 것이 바람직하거나 필요할 때가 있다. 이러한 과정을 달성할 수 있는 한가지 방법은 알려진 체적 내의 가스온도와 압력의 변화율을 측정하고 측정된 값으로부터 질량유량을 계산하는 것이 있다. 이러한 소위 "압력상승율" 또는 "상승율" (ROR) 방법에 따라서, 가스흐름은 측정시간 Δt동안 질량유량계와 같은 시험장치(DUT)를 통하여 배기된 체적교정챔버로 안내된다. 이 챔버내에서 가스의 압력변화(ΔP) 및 온도변화(ΔT)가 측정되고 표준온도(T0)와 표준압력(P0)으로 보정된다. 본문에 사용된 "표준"이라는 용어는 통상 273.15K의 "절대"온도와 1기압의 "절대"압력으로서 정의되는 "표준조건"을 의미한다. 그리고 가스유량은 알려진 체적에서 시간에 따른 압력의 변화(ΔP/Δt)와 시간에 따른 온도의 변화(ΔT/Δt)로부터 계산될 수 있다.
따라서 상승율 가스유량측정장치는 측정시간 중 챔버 내 가스의 압력과 온도의 변화를 측정하기 위한 별도의 감지요소를 포함한다. 이러한 장치는 주요변수(체적, 압력, 온도 및 시간)의 매우 정밀한 측정값을 제공할 수 있다. 실제로, 이러한 측정값은 가스유량의 교정을 위한 주요기준으로서 사용될 수 있다. 그러나, 가스유동라인 내의 여러 측정장치는 많은 공간을 차지하고 이용공간이 매우 좁은 제약을 받는 시스템에 이용하기 어려운 점이 있을 수 있다. 더우기 별도로 압력과 온도의 측정값을 얻어야 하는 필요성 때문에 케이블, 코넥터와 아날로그/디지탈 변환기와 같은 부가적인 하드웨어의 사용을 필요로 하므로서 전통적인 ROR 가스유량측정시스템의 복잡성, 크기 및 제작비용이 더욱 증가한다. 더우기 독립적인 압력 및 온도측정 값으로부터 필요한 계산을 수행하기 위하여 부가적인 소프트웨어 프로그래밍이 요구된다.
많은 가스공급시스템인 실질적으로 이상기체(理想氣體)로서의 성질을 갖는 가스를 이용한다. 환언컨데, 이들의 성질은 PV=nRT(여기에서 P는 압력, V는 체적, n은 기체의 몰수, R은 만능 기체상수, 그리고 T는 절대온도이다)로서 표현되는 이상가스의 법칙에 따라 정확히 예상되고 모델화될 수 있다. 시간에 따른 일정체적에서 이상기체의 압력변화와 온도변화 사이의 관계는 기체에 관계없이 일정하다. 이와 같이 이상기체의 법칙은 챔버 내의 기체의 질량 n, 즉 몰수를 결정하는데 이용될 수 있다. 기체가 약간은 이상기체와는 상이한 성질을 보이는 상황에서는 간단한 보정계수가 시간에 따른 압력 및 온도변화의 측정값이 보다 정확하게 되도록 하는데 사용될 수 있다.
DUT에 대하여 유동하는 가스의 양을 측정하기 위하여 유체유동라인에 사용될 수 있으며 질량유량제어기구를 교정하는데 사용될 수 있는 측정장치를 제공하는 것이 유리할 것이다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 종래기술의 상기 언급된 결점을 해소하는데 있다.
본 발명의 특별한 목적은 가스유동라인 내에 다수의 측정장치를 이용한 종래기술의 장치에 의하여 제공된 것 보다 유체공급시스템에서 가스의 흐름을 직접적이고 정확히 측정하고 교정하기 위한 저렴하고 복잡하지 아니하며 보다 콤팩트한 장치와 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 압력과 온도를 별도로 측정할 필요가 없고 이러한 별도의 측정에 관련된 하드웨어와 소프트웨어의 필요성을 경감시키는 장치와 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유체공급 시스템 내에서 유동하는 가스의 온도,압력 및 체적을 나타내는 단일 출력신호를 제공하는 장치와 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 직접 평균가스유량을 나타내는 단일출력신호를 제공하는 장치와 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 유체공급시스템에 적용될 수 있는 가스유량의 직접적인 현장측정값을 얻는 장치와 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 가스가 측정유량매체인 유체공급시스템에서 가스의 평균질량유량을 측정하고 교정하는 비교적 간단한 장치와 방법을 제공한다. 이 장치와 방법은수학적인 계산없이 그리고 압력과 온도를 별도로 측정할 필요가 없이 챔버내 가스의 몰수에 비례하고 이를 직접적으로 나타내는 단일출력신호를 제공한다.
본 발명의 한 관점에 따라서, 본 발명의 상기 목적과 다른 목적들이 단일 변환기조립체를 이용하여 가스의 질량유량을 측정하기 위한 장치와 방법에 의하여 달성된다. 장치는 가스의 소오스와, 가스소오스에 유체연결된 챔버로 구성된다. 이 챔버는 가스유입포트, 가스유출포트와 가스의 흐름에 대하여 이들 포트를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브조립체를 갖는다. 챔버는 알려진 일정한 체적을 갖는다. 장치는 가스소오스로부터 가스의 조절된 흐름을 챔버로 안내하기 위한 유동제어조립체를 교정하는데 사용될 수 있다.
변환기조립체는 챔버와 연통된 압력변환기와, 압력변환기에 결합된 신호수정장치의 조합으로 구성된다. 압력변환기는 챔버내의 가스압력을 측정하고 체적교정 챔버 내의 가스압력의 함수로서 제1신호를 제공한다. 신호수정장치는 제1신호를 수정하여 챔버내 기체의 몰수의 함수로서 출력신호를 발생한다.
본 발명의 한 실시형태에서, 신호수정장치는 온도감응 저항요소를 포함하는 전압분할 네트워크로 구성된다. 이 네트워크는 입력단자, 접지부와 적어도 하나의 온도미감응 저항요소와 직렬로 연결된 적어도 하나의 온도감응 저항요소를 갖는다. 저항요소들은 이들 자체가 입력단자와 접지부 사이에 전기적으로 연결된다. 출력단자가 온도감응 저항요소와 온도미감응 저항요소 사이에 배치된다. 이러한 구성으로, 네트워크로부터 출력신호의 크기는 챔버 내 가스온도에 대한 체적교정 챔버 내 가스압력의 비율에 비례한다.
본 발명의 한 관점에 따라서, 온도감응 저항요소는 입력단자와 출력단자 사이에 전기적으로 연결되고, 온도미감응 저항요소는 출력단자와 접지부 사이에 전기적으로 연결된다.
본 발명의 다른 관점에 따라서, 온도미감응 저항요소는 입력단자와 출력단자 사이에 전기적으로 연결되고, 온도감응 저항요소는 출력단자와 접지부 사이에 전기적으로 연결된다.
전압분할 네트워크의 온도감응 저항요소는 챔버내의 가스와 열적으로 연결되어 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따라서, 전압분할 네트워크는 출력신호를 완충시키기 위한 선택적인 완충요소를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따라서, 전압분할 네트워크의 온도미감응 저항요소는 관계식 RF=RTCref(1-αTref)으로 정의되는 저항값 RF를 가지며, 여기에서 온도 감응 저항요소는 관계식 RTC=RTCref(1+α(T-Tref))으로 정의되는 저항값 RTC를 갖는다. 이들 등식에서 RTCref는 절대기준온도 Tref(켈빈온도)에서 온도감응 저항요소의 저항값이고, α는 온도감응 저항요소의 저항의 온도계수(ppm/K)이며, T는 챔버내 가스의 절대온도이다.
본 발명의 한 실시형태에서, 압력변환기는 용량압력계이다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 가스질량유량이 측정을 위한 비교적 간단하고 경제적이며 공간 효율적인 장치이다. 당해 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 만약 이상기체의 흐름이 알려진 체적과 그 측정된 온도 및 압력의 챔버내로 안내되는 경우에 기체의 몰수에 의하여 측정된 질량은 다음과 같이 표현되는 이상기체의 법칙의 등식을 이용하여 직접 측정될 수 있다.
(1) n = PV/RT
여기에서, n은 챔버내 기체의 질량(몰 수), P는 챔버내 기체의 압력(토르), V는 챔버의 체적(리터), R은 만능기체상수, T는 챔버내 기체의 온도(K)이다.
본 발명의 장치는 이러한 비율의 크기를 직접 측정하고 단위 신호 에너지 당 주어진 이상기체의 표준체적(예를 들어 기체의 몰/볼트)을 직접 나타내는 전기적인 신호를 제공하기 위한 편의수단을 제공한다.
본 발명의 장치(10)는 도1에 개략적으로 도시되어 있다. 가스의 소오스(12)는 유체공급시스템에 제공된다. 가스소오스(12)는 도1에서 보인 바와 같이 질량유량제어기와 같은 DUT(24)와 유체연결되어 있으며, DUT는 챔버(14)와 유체연결되어 있다. 챔버는 알려진 일정한 체적 V를 가지고 각각 가스유입포트(16)와 가스유출포트(18)를 갖는다. 포트(16)(18)는 각각 밸브요소(20)(22)에 의하여 가스흐름에 대해 선택적으로 개폐되며, 밸브요소는 시스템 제어기(28)에 의하여 제어된다.
압력변환기(30)가 챔버(14)에 유체연통되어 있다. 이 변환기(30)는 변환기에 의하여 측정된 가스압력을 나타내고 좋기로는 이에 비례하는 전압출력(V1)을 제공한다. 신호수정장치(32)가 압력변환기(30)의 출력측에 연결되고 이후 상세히 설명되는 바와 같이 챔버(14)내 가스의 감지된 온도를 나타내는 신호를 제공하기 위하여 챔버(14) 내 가스와 열접촉하는 온도감지수단을 포함하며, 그 우선형태는 온도감응 저항요소(38)(RTC)이다. 도1에서 보인 바와 같이, 챔버내의 가스가 이상적이거나 실질적으로 이상적인 것으로 가정할 때에 압력변환기(30)와 신호수정장치(32)의 조합은 직접 n 또는 PV/RT를 나타내는 신호를 제공하는 조합된 변환기조립체(31)이다.
압력변환기(30)는 예를 들어 비교적 정확도가 높은 압력 게이지일 수 있다. 압력감지장치는 전기 캐패시터의 두 플레이트중 하나로서 측정되는 가스압력에 응답하는 가동금속 다이아프램을 이용한 형태의 용량압력계이며, 상기 캐패시터의 타측 플레이트는 고정된다. 다이아프램의 양측에서 압력의 변화는 다이아프램이 고정 플레이트에 대하여 이동되도록 하므로서 플레이트의 전기적인 용량의 변화를 나타내어 결국 압력의 변화를 나타내는 전기신호를 발생한다. 그러나, 압력변화에 응답하는 다이아프램의 운동은 비교적 작으므로 챔버(14)의 체적에 현저한 영향을 주지 아니한다. 우선형태의 용량압력계는 예를 들어 10-1000 토르 범위의 압력을 측정한다. 만약 요구되는 경우에는 상이한 범위의 용량압력계를 이용하여 1-100 토르, 또는 0.1-10 토르와 같은 다른 압력측정범위의 압력을 측정할 수 있다. 또한 예를 들어 저항브릿지를 이용하는 압력계와 같은 다른 형태의 압력측정장치가 사용될 수 있다.
우선형태의 신호수정장치(32)는 전압분할 네트워크(35)로 구성되며, 그 여러 실시형태가 도2A-도 2D에 도시되어 있다. 전압분할 네트워크(35)는 입력단자(34), 접지부(36)에 대한 연결부와, 입력단자(34)와 접지부(36) 사이에서 적어도 하나의 온도미감응, 즉 고정형 저항요소(40)(RF)와 직려로 연결된 적어도 하나의 온도감응 저항요소(38)(RTC)로 구성된다. 출련단자(42)가 저항요소(38)(40) 사이에 배치된다.
챔버(14) 내의 가스온도는 온도감응저항, 집적회로구성, 서미스터 또는 기타 공지된 다른 온도응답장치일 수 있는 온도감응 저항요소(38)에 의하여 추론적으로 측정된다. 온도 감응 저항요소(38)가 챔버(14)내에서 가스와 열적으로 연통되게 착설된다. 이는 예를 들어 온도감응 저항요소(38)를 직접 압력변환기(30)의 압력감지부에 착설하여 저항요소(38)가 압력감지기내의 가스와 열접촉토록 하므로서 성취될 수 있다. 저항요소(38)와 압력변환기(30) 사이의 연결은 예를 들어 열전도성 에폭시 또는 기타 다른 접착물질을 이용하여 이루어질 수 있다. 또한, 저항요소(38)는 이러한 저항요소가 챔버(14)내의 가스온도를 신뢰가능하게 측정할 수만 있다면, 챔버(14)의 내부, 유입 또는 유출포트 내, 챔버에 연결된 라인 또는 튜우브의 한정된 부분 내의 어느 장소에나 배치될 수 있다.
도 2에서, 온도감응 저항요소(38)는 입력단자(34)와 출력단자(42) 사이에 전기적으로 연결된다. 고정형 저항요소(40)는 출력단자(42)와 접지부(36) 사이에 전기적으로 연결된다. 이러한 구성은 포지티브 온도저항계수를 갖는 온도감응 저항요소가 사용될 때에 좋다. 이러한 저항요소의 저항값은 온도에 따라서 직접적으로 변화하여 온도가 상승하면 증가하고 온도가 하강하면 감소한다. 저항요소(38)와 접촉되어 있는 가스의 온도가 상승할 때 그 저항값이 증가한다. 이와 같이 전체 신호전압의 대부분이 온도감응 저항요소(38)의 양단에서 강하되므로 고정형 저항요소(40)의 양단에 나타나는 출력전압 V2의 크기가 감소한다.
도 2B에서, 온도감응 저항요소(38)와 고정 저항요소(40)의 위치가 도 2A와는 반대로 되어 있다. 이러한 구성은 네가티브 온도저항계수를 갖는 온도감응 저항요소가 사용될 때에 좋다. 이러한 요소의 하나가 서미스터이다. 이러한 요소의 저항값은 온도에 따라 역으로 변화하고 온도가 하강하면 증가하고 온도가 상승하면 감소된다. 저항요소(38)와 접촉된 가스의 온도가 증가하면 그 저항이 감소한다. 전체 신호전압의 적은 부분이 저항요소(38)의 양단에서 강하되므로 저항요소(38)의 양단에 나타나는 출력전압 V2의 크기가 증가한다.
도 2C에서, 전압분할 네트워크(35)는 전류가 출력신호를 측정하는데 사용된 장치에 의하여 출력신호로부터 유도되는 경우에 부가적으로 출력신호 V2를 완충시키기 위한 선택적인 완충회로(44)를 포함한다. 완충회로(44)는 비반전 입력이 전압분할 네트워크의 출력단자(42)에 연결된 연산증폭기(46)를 포함하는 반면에 반전입력은 증폭기의 출력측에 연결된다. 도2C의 저항요소(40) 양단의 전압(또는 두 요소가 바뀐 경우에는 저항요소 38 양단의 전압)이 출력전압 V2를 제공하는 연산증폭기(46)의 비반전 입력단자에 인가된다. 출력신호 V2는 또한 출력신호 V2를 정확한 값으로 유지하는데 필요한 전류를 공급하기 위하여 연산증폭기(46)의 반전입력 단자에 인가된다.
도 2D에서, 출력전압이 선택적인 반전 네트워크(48)에 의하여 완충되고 반전되며, 이 네트워크는 고정형 저항요소(40)와 병렬연결된 연산증폭기(46)를 포함하므로서 고정형 저항요소가 반전입력단자와 출력단자 사이에 피드백 저항을 형성한다. 증폭기의 비반전 입력단자는 접지부(36)에 연결된다. 압력 변환기(30)으로부터의 출력전압 V1은 저항요소(38)와 연산증폭기(46)의 반전입력단자를 통하여 인가된다. 반전 네트워크(48)는 제1(입력)신호 V1의 극성에 대하여 출력신호 V2의 극성을 역전시킨다.
온도감응 저항요소(38)는 전압분할 네트워크(35)의 일부를 형성하고, 고정형 저항요소(40)는 네트워크의 제2부분을 형성한다. 당해 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 전압분할 네트워크로부터의 출력신호는 양 저항요소를 통한 전체 전압의 일부를 나타낸다. 이와 같이 가변저항요소(즉, 온도 감응 저항요소 38)의 변화가 출력신호의 크기를 변화시킨다. 본 발명 장치에서 전압분할 네트워크(35)는 약 0-12 볼트 DC 범위의 입력신호 V1을 수신하고 약 0-5 볼트 DC 범위의 출력신호 V2를 발생한다. 이는 명백하게 전원, 압력변환기와 사용된 저항요소에 따라서 변화할 것이다.
본 발명의 장치에 있어서, 챔버(14)의 체적은 알려져 있어 압력변환기(30)으로부터의 제1신호 V1과 신호수정장치(32)로부터의 출력신호 V2에 의하여 나타내는 압력 및 온도측정값에 관계없이 일정한 것으로 추정될 수 있다. 챔버 체적은 요구된 어떠한 값이라도 가질 수 있으며, 예를 들어 0.03리터-0.1리터 또는 이 보다 큰 범위일 수 있다. 예를 들어 0.3리터의 체적을 갖는 챔버를 구성하기 위하여서는 양단의 중앙에 ¼인치의 용접스터브를 갖는 1인치 직경의 길이 4인치 튜우브가 사용될 수 있다. 예를 들어 0.10 리터의 체적을 갖는 쳄버를 구성하기 위하여서는 직경이 1.5인치이고 길이가 4인치인 튜우브가 사용될 수 있다. 달리 요구된 챔버의 체적이 적당한 직경과 길이를 갖는 튜우브를 이용하여 유사하게 구성될 수 있다.
등식(1)에 의하여 상기 언급된 이상기체의 법칙에 따라서, 기체의 몰 수 n은 비율 PV/T에 비례한다. T에 대한 n의 부분미분계수(δn/δT)는 T의 제곱에 역으로 변화한다. 이와 같이, 기체의 온도변화의 함수로서 챔버 내 기체의 성질을 모델화 하기 위하여, 체적 V과 압력 P이 일정한 것으로 가정할 때, 신호수정장치(32)는 n이 변화하는 것과 동일한 방법으로 챔버(14)내 가스온도의 변화에 따라서 변화하는 출력신호를 제공한다. 이와 같이 출력신호는 직접 챔버내 가스의 몰 수를 나타낸다.
도 2A-도 2D에서, 전압 V1은 측정된 압력(P)의 함수로서 변화하여 전압 V1은 챔버(14)의 체적 V가 가스의 압력 및 온도에 관계 없이 일정하므로 PV의 적을 나타내는 것으로 간주될 수 있다. 전압 V1은 이미 언급된 바와 같이 가스온도의 함수인 온도감응 저항요소(38)의 저항값의 함수로서 수정되어 출력전압 V2는 챔버내 가스이 온도, 체적 및 압력을 나타낸다. 출력전압 V2는 이와 같이 챔버내 가스이 몰 수 n을 직접 나타낸다.
본 발명의 신호수정장치에 있어서, 고정저항요소(40)(RF)의 저항값은 절대기준온도 Tref에서 온도감응 저항요소(38)(RTCref)의 저항값으로 정의된다.
온도감응 저항요소(38)는 다음 등식으로 정의되는 바와 같이 주어진 절대온도 T에서 저항값 RTC를 갖는다.
(2) RTC= RTCref(1+α(T-Tref))
여기에서, RTCref는 기준온도 Tref(K)이고, α는 온도감응 저항요소(38)의 온도저항계수(ppm/K)이며, T는 온도감응 저항요소의 저항값 변화로부터 추정되는 챔버 내 가스의 절대온도(K)이다.
챔버내 가스의 온도를 정확히 나타내는 출력신호 V2를 제공하기 위하여, 고정 저항요소(40)는 다음 등식으로 정의되는 저항값 RF를 갖는다.
(3) RF= -RTCref(1-αTref)
우선 실시형태에서, 온도감응 저항요소(38)는 293(K)의 절대기준온도에서 약 6000ppm/K의 온도저항계수와 약 5000옴의 저항값을 갖는다. 고정저항요소 RF의 값은 상기 등식(3)으로부터 약 3800옴이 되게 측정될 수 있다.
변환기 조립체(31)로부터의 출력신호 V2는 신호가 각 압력과 온도의 변화와 만약 사용되는 경우 증폭기(46)의 회전율에 대한 변환기와 온도감응 저항요소의 응답과 같은 변환기조립체의 구성요소의 응답시간에 의거하여 압력 및 전압의 변화에 거의 순간적으로 응답하므로 챔버내 가스의 양에 대한 직접적인 정보를 제공토록 언제든지 측정될 수 있다. 아울러, 출력신호 V2는 여러 시간대에 걸쳐 측정되어 시간간격 중의 평균가스유량에 관한 정보를 제공한다. 예를 들어, 초기시간 T0에서, 출력신호 V2(0)는 시간 T0에서 체적교정챔버내 가스의 온도 및 압력조건 t0, P0를 나타낸다. 추후의 시간 t1에서, 출력신호 V2(1)는 시간 t1에서 체적교정챔버내 가스의 온도 및 압력조건 T1, P1을 나타낸다. 이러한 측정값은 시간간격 t1-t0중에 갓의 평균유량(예를 들어, 초당 몰 수, 분당 표준입방센티미터, 또는 단위 시간 당 가스의 다른 표준단위 체적)을 계산하는데 사용될 수 있다.
DUT를 통한 이상기체의 체적유량의 측정은 기체의 형태에 의존하지 아니하며, 이상기체의 1몰은 기체의 형태에 관계없이 기체의 22.4리터에 해당한다. 그러나, DUT를 통하여 유동하는 이상가스의 질량(그램)의 측정값은 측정되는 특정기체의 함수이다. 이와 같이 가스체적의 표준단위 대신에 그 질량으로 DUT를 통한 가스유량을 출력신호 V2로 직접 나타내는 것과 같이 나타내고자 하는 경우에 측정되는 특정가스에 기초한 변환계수가 필요하다.
도3A-도3C는 가스공급시스템에서의 가스유량을 측정하고 이 시스템을 교정하는데 사용되는 것과 같은 본 발명 장치의 여러 구성을 보인 것이다. 도4A-도4C는 도3A-도3C에서 보인 것과 일치하는 기계적인 구성을 보인 것이다.
도3A와 도4A에서 "하류 인-라인" 구성이 도시되어 있다. 가스이 흐름은 질량유량제어기로서 도시된 DUT(24)로부터 하류측인 체적교정챔버(14)(V)로 가스유동라인(50)을 통하여 안내된다. 챔버(14)는 가스유동라인(50)의 직접연장부이거나 T자형 관(51)으로 가스유동라인에 연결될 수 있다. 변환기조립체(31)가 챔버(14)의 하류측에서 가스유동라인(50)에 연결되며, 차단밸브(20)(22)가 체적 V를 일정하게 유지하도록 변환기조립체(31)의 각 상류측과 하류측에서 가스유동라인에 배치된다. 도 4A는 이러한 구성과 유사한 기계적인 구성을 보인 것이다.
도3B와 도4B에는 "하류 가지관" 구성이 도시되어 있다. 가스의 흐름은 질량유량제어기로서 도시된 DUT(24)로부터 하류측의 체적교정챔버(14)로 안내된다. 챔버(14)는 T자 관(51)과 체적 V를 일정하게 유지하도록 각 측정시마다 폐쇄될 수 있는 차단밸브(20)를 갖는 주 가스유동라인에 연결될 수 있다. 변환기 조립체(31)는 챔버(14)에 연결되어 있으나 가스유동라인에는 연결되어 있지 않다. 차단밸브(22)는 챔버(14)의 하류측에 배치된다. 도 4B는 이러한 구성과 유사한 기계적인 구조를보이고 있다. 이 구조는 도4A의 인-라인 구성보다 짧은 훗 프린트(foot print)를 가지므로서 보다 용이하고 보다 경제적으로 실시할 수 있어 개조의 경우에 적합하다. 그러나, 인-라인 구조에서는 챔버(14)와 변환기 조립체(31)의 배기가 용이하지 않으므로 가스의 오염문제가 대두될 수 있다.
도3C와 도4C에서는 "하류 바이패스" 구성이 도시되어 있다. 가스의 흐름은 질량유량제어기로서 설명되는 상류측 DUT(24)를 통하여 체적 V를 일정하게 유지토록 측정시마다 폐쇄될 수 있는 상하류측 차단밸브(20)(22)에 의하여 제어되는 바이패스 회로(53) 측으로 안내하는 바이패스 L자형 관(54) 측으로 안내된다. 체적교정챔버(14)와 변환기조립체(31)는 차단밸브사이의 바이패스 회로(53) 내에 있다. 제3차단밸브(52)는 주 가스유동라인에 배치되고 가스의 흐름을 바이패스 회로 주위로 또는 이를 통하여 안내하도록 바이패스 회로의 차단밸브(20)(22)과 나란히 작동한다. 이러한 구조는 부가적인 밸브조절 및 배관조절을 필요로 하나 교정장치가 개조설치될 수 있고 필요한 경우 가스유동라인에 대하여 전환될 수 있도록 하는 바이패스 구조의 편의선과 함께 챔버(14) 및 변환기조립체(31)의 효과적인 배기가 이루어질 수 있는 잇점을 제공한다.
도3A-도3C와 도4A-도4C에 기술된 모든 실시형태에 있어서, 체적 V는 챔버의 체적과 차단밸브(20)(22) 사이의 부가적인 공간(도3A와 도3C 그리고 도4A와 도4C의 경우) 그리고 도3B와 도4B에서 변환기조립체(31)와 밸브(22) 사이의 부가적인 공간으로 나타낸다. 그러나, 각 구성에서 체적은 측정시마다 일정하게 유지된다.
본 발명의 장치와 방법은 이상기체가 측정된다고 가정할 때 알려진 일정체적의 챔버에서 가스의 질량을 측정하기 위한 효율적이고 경제적이며 직접적인 수단을 제공한다. 압력변환기와 관련된 전압분할 네트워크에서 온도감응 저항요소는 챔버 내 가스의 온도에 대한 압력과 체적의 비율에 비례하는 단일출력신호를 제공한다. 이와 같이 출력신호는 챔버 내 가스의 몰 수를 직접 나타낸다. 본 발명의 장치는 예를 들어 유체공급시스템에 직접 사용되거나 질량유량계 또는 기타 시험장치를 교정하기 위하여 오프-라인 시험시스템에 사용될 수 있다.
이상의 본 발명은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 상기 언급된 장치에 변경을 가할 수 있으므로 상기 언급되고 예시된 모든 내용은 다분히 설명을 위한 것이지 어떠한 제한을 두고자 한 것이 아님을 이해할 것이다.

Claims (48)

  1. 질량이 측정될 가스를 수용하기 위한 고정체적의 공간을 형성하는 수단과 함께 사용하기 위한 변환기조립체가 상기 고정체적 공간내의 상기 가스의 압력의 함수로서 제1신호를 발생하기 위한 수단과, 제1신호에 응답하여 상기 고정체적 공간내의 상기 가스의 온도의 함수로서 상기 고정체적내의 상기 가스의 질량을 나타내는 출력신호를 발생하기 위한 수단으로 구성되는 것에 있어서, 출력신호를 발생하기 위한 상기 수단이 상기 제1신호를 수신하기 위함 입력단자, 상기 출력신호를 제공하기 위한 출력단자, 상기 고정체적 내 가스의 온도에 따른 저항값을 갖는 하나 이상의 온도감응 저항요소와, 상기 온도감응 저항요소에 직렬로 결합되고 상기 고정체적내 가스의 온도에 종속하기 않는 저항값을 갖는 하나 이상의 온도미감응 저항요소를 포함하는 전압분할 네트워크로 구성되고, 상기 온도감응 저항요소 또는 온도미감응 저항요소가 상기 입력 및 출력단자 상이에 연결되어 상기 출력단자가 상기 온도감응 저항요소와 상기 온도미감응 저항요소 사이에 배치되며, 상기 출력신호를 발생하기 위한 상기 수단이 출력단자에서 신호레벨을 측정하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1신호를 발생하기 위한 상기 수단이 상기 제1신호가 상기 고정체적 공간내의 상기 가스의 상기 압력에 비례하도록 상기 제1신호를 발생하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 온도감응 저항요소가 상기 입력단자와 상기 출력단자 사이에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 변환기조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 온도감응 저항요소가 상기 출력단자와 접지부 사이에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 변환기조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 온도감응 저항요소가 서미스터임을 특징으로 하는 변환기조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전압분할 네트워크가 상기 출력단자에 결합되어 상기 출력신호를 완충시키기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 완충수단이 상기 출력단자에 전기적으로 연결된 하나 이상의 연산증폭기로 구성됨을 특징으로 하는 변환기조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 온도미감응 저항요소가 -RTCref(1-αTref)와 같은 저항값 RF를 가지고, 상기 온도 감응 요소가 RTCref(1+α(T-Tref))와 같은 저항값 RTC를 가짐을 특징으로 하는 변환기조립체(여기에서, RTCref는 켈빈단위의 절대기준온도 Tref에서상기 온도 감응 저항요소의 저항값, α는 ppm/K 단위의 상기 온도 감응 저항요소의 온도저항계수이고, T는 상기 고정체적 공간 내의 상기 가스의 켈빈단위의 절대온도를 나타낸다).
  9. 제1항에 있어서, 상기 출력신호의 크기가 상기 챔버 내 상기 가스온도에 대한 상기 챔버내 상기 가스의 압력과 체적의 적의 비율에 비례하고, 상기 출력신호가 단위 신호에너지 당 상기 가스의 표준질량단위로 표현됨을 특징으로 하는 변환기조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 출력신호가 볼트 당 상기 가스의 몰로 표현됨을 특징으로 하는 변환기조립체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 압력변환수단이 용량압력계임을 특징으로 하는 변환기조립체.
  12. 가스의 질량유량을 측정하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치가 질량이 측정될 가스를 수용하기 위한 고정체적의 공간을 형성하기 위한 수단, 가스가 상기 고정체적 공간으로 도입되도록 상기 장치를 상기 가스의 소오스에 연결하기 위한 수단과, 고정체적의 공간과 유체 및 열적으로 연통하는 변환기조립체로 구성되고, 상기 조립체가 상기 고정체적 공간 내의 상기 가스의 압력의 함수로서 제1신호를 발생하기 위한 수단과, 제1신호에 응답하고 상기 고정체적 공간 내의 상기 가스의 온도의 함수로서 상기 고정체적 내의 상기 가스의 질량을 나타내는 출력신호를 발생하기 위한 수단을 포함하는 가스 질량유량측정장치에 있어서, 출력신호를 발생하기 위한 상기 수단이 상기 제1신호를 수신하기 위한 입력단자, 상기 출력신호를 제공하기 위한 출력단자, 상기 고정체적내 가스의 온도에 따른 저항값을 갖는 하나 이상의 온도감응 저항요소와, 상기 온도감응 저항요소에 직렬로 결합되고 상기 고정체적내 가스의 온도에 종속하지 않는 저항값을 갖는 하나 이상의 온도미감응 저항요소를 포함하는 전압분할 네트워크로 구성되고, 상기 온도감응 저항요소 또는 온도미감응 저항요소가 상기 입력 및 출력단자 사이에 연결되어 상기 출력단자가 상기 온도감응 저항요소와 상기 온도미감응 저항요소 사이에 배치되며, 상기 출력신호를 발생하기 위한 상기 수단이 상기 출력단자에서 신호레벨을 측정하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 가스 질량유량측정장치.
  13. 제12항에 있어서, 고정체적 공간을 형성하기 위한 상기 수단이 챔버, 상기 챔버에 대한 유입구와 상기 챔버에 대한 유출구와, 상기 챔버에 대한 상기 유입구와 유출구를 선택적으로 개방 빛 폐쇄하기 위한 밸브수단으로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1신호를 발생하기 위한 상기 수단이 상기 제1신호가 상기 고정체적 공간 내의 상기 가스의 압력에 비례하도록 상기 제1신호를 발생하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 온도감응 저항요소가 상기 입력단자와 상기 출력단자 사이에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 온도감응 저항요소가 상기 출력단자와 접지부 사이에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 온도감응 저항요소가 서미스터임을 특징으로 하는 장치.
  18. 제12항에 있어서, 상기 전압분할 네트워크가 상기 출력단자에 결합되어 상기 출력신호를 완충시키기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 완충수단이 상기 출력단자에 전기적으로 연결된 하나 이상의 연산증폭기로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
  20. 제12항에 있어서, 상기 온도미감응 요소가 -RTCref(1-αTref)와 같은 저항값 RF를 가지고, 상기 온도감응 요소가 RTCref(1+α(T-Tref))와 같은 저항값 RTC를 가짐을특징으로 하는 장치(여기에서, RTCref는 켈빈단위의 절대기준온도 Tref에서 상기 온도 감응 저항요소의 저항값, α는 ppm/K 단위의 상기 온도 감응 저항요소의 온도저항계수이고, T는 상기 챔버 내의 상기 가스의 켈빈단위의 절대온도를 나타낸다).
  21. 제12항에 있어서, 상기 출력신호의 크기가 상기 챔버내 상기 가스온도에 대한 상기 챔버내 상기 가스의 압력과 체적의 적의 비율에 비례하고, 상기 출력신호가 단위 신호에너지 당 상기 가스의 표준질량 단위로 표현됨을 특징으로 하는 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 출력신호가 볼트 당 상기 가스의 몰로 표현됨을 특징으로 하는 장치.
  23. 제12항에 있어서, 상기 압력변환수단이 용량압력계임을 특징으로 하는 장치.
  24. 제12항에 있어서, 상기 고정체적 공간으로의 가스흐름을 제어하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  25. 제24항에 있어서, 가스흐름을 제어하기 위한 상기 수단이 질량유량제어기를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  26. 가스의 유량을 측정하기 위한 장치가 가스의 소오스, 알려진 일정한 체적을 가지고 상기 소오스에 유체연결되며 가스유입포트와 가스유출포트 그리고 상기 가스의 흐름에 대하여 상기 포트들을 선택적으로 개방 및 폐쇄하기 위한 밸브수단을 갖는 챔버, 상기 소오스로부터 상기 가스의 조절된 흐름을 상기 챔버 내로 안내하기 위한 유동제어 수단과, 변환기조립체로 구성되고, 상기 변환기조립체는 상기 챔버내의 상기 가스의 압력을 측정하고 상기 압력을 나타내고 이에 비례하는 제1신호를 제공하기 위한 압력변환수단과, 상기 압력변환수단과 결합되어 상기 챔버내 상기 가스의 질량을 나타내는 출력신호를 얻기 위하여 상기 제1신호를 수정하기 위한 수단의 조합으로 구성되는 가스유량측정장치에 있어서, 상기 신호수정수단이 입력단자, 상기 입력단자와 접지부 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 온도감응 저항요소와 하나 이상의 온도미감응 저항요소와, 상기 온도감응 저항요소와 상기 온도미감응 저항요소 사이의 출력단자를 갖는 전압분할 네트워크로 구성됨을 특징으로 하는 가스유량측정장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 온도감응 저항요소가 상기 입력단자와 상기 출력단자 사이에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 장치.
  28. 제26항에 있어서, 상기 온도감응 저항요소가 상기 출력단자와 접지부 사이에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 온도감응 저항요소가 서미스터임을 특징으로 하는 장치.
  30. 제26항에 있어서, 상기 온도 감응 저항요소가 상기 챔버 내의 상기 가스와 열적으로 연결됨을 특징으로 하는 장치.
  31. 제26항에 있어서, 상기 전압분할 네트워크가 상기 출력신호를 완충시키기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 완충수단이 상기 출력단자에 전기적으로 연결된 하나 이상의 연산증폭기로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
  33. 제26항에 있어서, 상기 온도미감응 요소가 -RTCref(1-αTref)와 같은 저항값 RF를 가지고, 상기 온도감응 요소가 RTCref(1+α(T-Tref))와 같은 저항값 RTC를 가짐을 특징으로 하는 장치(여기에서, RTCref는 켈빈단위의 절대기준온도 Tref에서 상기 온도 감응 저항요소의 저항값, α는 ppm/K 단위의 상기 온도감응 저항요소의 온도저항계수이고, T는 상기 챔버 내의 상기 가스의 켈빈단위의 절대온도를 나타낸다).
  34. 제26항에 있어서, 상기 출력신호의 크기가 상기 챔버내 상기 가스온도에 대한 상기 챔버내 상기 가스의 압력과 체적의 적의 비율에 비례하고, 상기 출력신호가 단위 신호에너지 당 상기 가스의 표준질량 단위로 표현됨을 특징으로 하는 장치.
  35. 제34항에 있어서, 상기 출력신호가 볼트 당 상기 가스의 몰로 표현됨을 특징으로 하는 장치.
  36. 제26항에 있어서, 상기 압력변환 수단이 용량압력계임을 특징으로 하는 장치.
  37. 가스의 질량유량을 측정하는 방법에 있어서, 상기 방법이 가스를 수용하기 위한 고정체적 공간으로 질량이 측정될 가스를 도입하는 단계와, 상기 고정체적 공간 내의 상기 가스의 압력의 함수로서 제1신호를 발생하고 제1신호에 응답하여 상기 고정체적 공간 내의 상기 가스의 온도의 함수로서 상기 고정체적 내 상기 가스의 질량을 나타내는 출력신호를 발생하는 단계로 구성되는 가스 질량유량측정방법에 있어서, 상기 출력신호를 발생하기 위한 단계가 상기 고정체적내 가스의 온도에 종속하는 저항값을 갖는 하나 이상의 온도감응 저항요소와 상기 온도감응 저항요소에 직렬로 결합되고 상기 고정체적내 가스의 온도에 종속하지 않는 저항값을 갖는 하나 이상의 온도미감응 저항요소를 포함하고 접지부에 연결된 전압 분할기를 통해전압으로서 상기 제1신호를 발생하는 단계와, 상기 저항요소와 접지부 사이의 지점에서 출력신호를 측정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 가스 질량유량측정방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 제1신호를 발생하는 상기 단계가 상기 제1신호가 고정체적 공간 내 가스의 압력에 비례하도록 상기 제1신호를 발생하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  39. 제37항에 있어서, 측정단계가 상기 온도감응 저항요소를 통한 전압을 측정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  40. 제37항에 있어서, 측정단계가 상기 온도감응 저항요소를 통한 전압을 측정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  41. 제37항에 있어서, 상기 출력신호를 완충하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  42. 제37항에 있어서, 질량이 측정될 가스를 고정체적 공간으로 도입하는 단계가 상기 고정체적으로의 상기 가스의 흐름을 제어하기 위한 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  43. 가스 질량유량을 제어하는데 사용되는 질량유량제어기를 교정하는 방법에 있어서, 상기 방법이 상기 질량유량제어기를 가스의 소오스에 연결하는 단계, 상기 제어기를 통하여 질량이 측정될 가스를 수용하기 위한 고정체적 공간으로 전달하는 단계, 상기 고정체적 공간내의 상기 가스의 압력의 함수로서 제1신호를 발생하고 제1신호에 응답하여 상기 고정체적 공간내의 상기 가스의 온도의 함수로서 상기 고정체적내 상기 가스의 질량을 나타내는 출력신호를 발생하는 단계와, 상기 출력신호로 나타내는 질량의 값을 상기 질량유량제어기의 해당 측정값과 비교하는 단계로 구성되는 질량유량제어기의 교정방법에 있어서, 상기 출력신호를 발생하기 위한 단계가 상기 고정체적내 가스의 온도에 종속하는 저항값을 갖는 하나 이상의 온도감응 저항요소가 상기 온도 감응 저항요소에 직렬로 결합되고 상기 고전체적내 가스의 온도에 종속하지 않는 저항값을 갖는 하나 이상의 온도미감응 저항요소를 포함하고 접지부에 연결된 전압분할기를 통한 전압으로서 상기 제1신호를 발생하는 단계와, 상기 저항요소와 접지부 사이의 지점에서 출력신호를 측정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 질량유량제어기의 교정방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 제1신호를 발생하는 상기 단계가 상기 제1신호가 고정체적 공간내 가스의 압력에 비례하도록 상기 제1신호를 발생하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  45. 제43항에 있어서, 측정단계가 상기 온도감응 저항요소를 통한 전압을 측정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  46. 제43항에 있어서, 측정단계가 상기 온도미감응 저항요소를 통한 전압을 측정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  47. 제43항에 있어서, 상기 출력신호를 완충하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  48. 제43항에 있어서, 질량이 측정될 가스를 고정체적 공간으로 도입하는 단계가 상기 고정체적으로의 상기 가스의 흐름을 제어하기 위한 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
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