KR100401163B1

KR100401163B1 - 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 하이브리드질량유량제어방법 및 장치

Info

Publication number: KR100401163B1
Application number: KR10-2001-0017020A
Authority: KR
Inventors: 이명의; 정원철
Original assignee: 이명의
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2003-10-17
Also published as: KR20020076857A

Abstract

본 발명은 유체의 상태를 감지하는 센서의 검출값에 따라, 유관을 개폐 제어함으로써 유관을 통하여 흐르는 질량유량을 제어하는 질량유량제어방법으로서, 사전단계로서, 유관을 폐쇄한 상태에서 센서주위온도를 측정하여 그 측정값을 Cal_Temp로 수치데이터화하는 제1단계 및 유관을 개방한 상태에서 유량 및 센서검출값을 변수로 하여 그 상호관계를 각각 Set_Flow 및 det_sensor로 수치데이터화하는 제2단계를 포함하는 캘리브레이션단계, 및 유관을 폐쇄한 상태에서 현재센서주위온도(Pre_Temp)를 측정하는 제3단계 및 유관을 개방한 상태에서 현재센서검출값 (Pre_sensor)에 대응하는 det_sensor에 따른 Set_Flow에, 상기 현재센서주위온도 (Pre_Temp)와 그에 대응하는 상기 Cal_Temp의 편차에 따른 오프셋값을 적용하여 현재유량(Pre_Flow)을 결정하고, 상기 현재유량(Pre_Flow)과 사용자설정유량 (user_Set_Flow)을 비교하여 유관개폐정도를 제어하는 제4단계를 포함하는 오퍼레이션단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 자동캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어장치를 제공한다.

Description

자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 하이브리드 질량유량제어방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING MASS FLOW RATE USING AUTO - CALIBRATION ALGORITHM}

본 발명은 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어방법 및 제어장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 현재 산업현장에서 사용되고 있는 각종 가스의 유량을 제어 및 표시하기 위한 질량유량제어장치(Mass Flow Controller, 이하, "MFC")를 자동-캘리브레이션 알고리즘을 이용함으로써, MFC의 생산, 교정 및 사용에 있어 높은 안정성, 신뢰성 및 편리성을 달성할 수 있는 질량유량제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.

종래의 MFC의 경우 영점의 조정(Zero_Point adjustment)문제, 온도변화에 의한 영점(Zero_Point)의 변화문제, 경년 변화로 인한 문제, 비선형 소자의 사용으로 인한 선형성 보정문제, 다양한 가스 종류로 인한 문제, 최대유량의 변경으로 인한 문제, MFC 관리문제, 높은 생산비 문제 등을 가지고 있어 산업현장에서 생산성 및 효율성 저하의 주요 원인으로 문제시 되어왔다. 이를 구체적으로 살펴본다.

- 영점의 조정문제

기존 MFC는 유량을 검출하는 회로가 일반 아날로그 회로로만 구성되어져 있기 때문에 영점 조정의 방법에 있어 사람이 직접 수조작에 의하여 구성소자의 값을 변경하여야 했다. 이로 인해, 사용자에 의한 정밀한 설정이 어렵고 가변소자의 사용으로 인해 정확하고 신뢰성 있는 영점조정 및 유지가 어려웠다. (대부분의 가변소자는 정밀도와 안정도가 낮은 문제점이 있다.) 이러한 부정확한 영점조정은 실제유량이 0인 점에서도 일정한 흐름이 있는 것처럼 검출되는 문제가 야기되었다. 이로 인하여 유량의 정확한 검출이 어렵고 액츄에이터에 부적절한 제어신호를 가하게 됨으로써 잘못된 유량이 설정되고, 액츄에이터의 손상을 가져오는 문제점이 있었다.

- 온도변화에 따른 영점의 변화문제

유량의 정도에 따라 변화하는 센서의 온도차를 이용하는 MFC의 경우에는 센서주위온도 변화에 따라 영점이 변화하는 문제점이 있었다.

도 1은 종래의 MFC중 열식 MFC의 센서 구성을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 도시한 바와 같이, 종래의 MFC의 센서는 보온판(11)이 부착된 인-슈트 케이스(12)의 내부에 센서튜브(13)가 그의 입구(13a)와 출구(13b)가 유관과 소통 연결되도록 돌출 설치되어 있다. 센서튜브(13)에는 업-스트림 코일(14)과 다운-스트림 코일(15)이 감겨 설치된 구조로 되어 있다. 센서튜브(13)내로 유체가 흐르게 되면, 업-스트림 코일(14)과 다운-스트림 코일(15)에서는 상호 열량차이가 발생하게 된다. 이러한 열량차이는 전압으로 변환된 후 증폭되어 가스유량을 감지할 수 있게 된다. 즉, 센서는 센서튜브(13)를 흐르는 가스의 미세한 열량차를 감지하여 가스유량을 감지하게 되므로, 센서주위온도에 민감한 반응을 나타내게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 종래에는 겹겹이 보온판을 설치한다든지 또 다른 외부케이스를 제작하여 사용하거나, 펠티어 효과를 이용한 온도유지 수단(대한민국등록특허 제1994-11791호)을 사용하는 등 주로 온도변화 자체를 방지하여, 센서주위온도가 항온을 유지하도록 하는 데에만 초점이 맞추어져 있었다. 그러나, 온도를 일정하게유지하는 것은 필연적으로 한계가 있고, 또한 위의 방안들은 부가 설치물의 정밀도에 민감하게 영향을 받는 문제점이 있었다.

- 경년 변화 문제

종래의 MFC를 구성하고 있는 내부의 전자적 제어회로중 대부분은 OP-Amp, 트랜지스터, 저항 등으로 구성된다. 이들 소자는 시간의 흐름과 내외부적 요소에 의한 열화 등에 의하여 그 고유의 값이 변화하기 쉽다. 이로 인해 유량의 정확한 검출이 어렵고 설정된 값과 다른 유량이 흘러 생산시설의 다른 부분에까지 큰 피해를 줄 수 있는 문제점이 있었다.

- 비선형 특성 문제

또한, 종래의 MFC의 경우 유량을 검출하는 회로의 소자가 비선형 소자로 구성되어져 있기 때문에 실제 유량과 검출되는 (유량에 비례한)신호의 양이 비선형 관계가 된다. 이를 보정 하기 위하여 다수개의 Op-Amp, 트랜지스터, 수동소자들로 이루어진 보정 회로가 필수적으로 요구된다. 하지만 이 회로 또한 사람의 수조작에 의한 구성소자의 값을 변경하는 방법으로 이루어지므로 정확하고 신뢰성 있는 조정이 어렵고 많은 시간을 요하게 되는 문제점이 있었다. (대부분의 가변소자는 정밀도와 안정도가 낮은 문제점이 있다.)

- 다양한 가스 종류의 변화, 최대유량의 변화 문제

기존의 MFC의 경우 사용하는 가스의 종류를 바꾸거나, 최대 유량을 변경하면 MFC를 교체하거나, MFC 내부에 설정된 값들을 다시 조정해야하는 불편함이 있고, 이러한 과정에는 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

- MFC 관리문제

기존의 MFC의 경우 각 장비마다 한대씩의 제어기가 부여되어 있고, 이들의 통합적인 관리를 위하여 각 제어기를 상호 연결하여 사용하였다. 그러나, 이러한 연결은 제조사에 따른 자체 연결 규정에 의한 것으로 MFC를 위한 공통의 제어 프로토콜(Protocol)이 규격화될 경우 이미 사용중인 MFC의 경우 규격화되지 못하거나, 규격화를 위해서는 내부 회로의 교체가 필수적이다. 또한, 현재까지는 MFC 장비간 거리와 장비의 수량에도 제약을 받으며, 한 대의 MFC당 한 대의 제어기라는 비효율성으로 인해 다수 MFC의 통합적, 동시적 관리가 어렵다는 문제점이 있었다.

- 높은 생산비 문제

기존의 MFC의 경우 정밀도 및 안정성을 확보하기 위하여 정밀한 부품을 이용한 복잡한 회로를 이용하여 사람의 손에 의존한 조정 작업을 함으로써, 자재비, 인건비 등의 인상을 가져왔고, 따라서 제품 가격이 고가에서 형성되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 아날로그 타입 MFC와 디지털 타입 MFC의 문제점들을 해결하기 위하여, 자동-캘리브레이션 알고리즘을 적용한 하이브리드 MFC를 제공하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 전술한 영점 조정 문제를 해결함으로써, 유량 제어의 정확도를 향상시키고 아울러 기기의 손상을 방지할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 실제 온도 변화에 대응하여 변화된 온도를 그대로 유량 제어에 반영함으로써, 실제 온도 변화에 능동적으로 대처하여 정확한 유량 제어를 할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 시간의 흐름에 따른 소자값 변화를 유량 제어에 그대로 반영함으로써, 정확한 유량 검출과 기기의 손상 방지를 할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 비선형적 특성에 따른 유량 편차를 유량 제어에 그대로 반영시킬 수 있도록 함으로써, 정확한 유량 제어를 달성할 수 있고, 아울러 비선형성 보정회로의 필요성을 제거함으로써 부품수 감소와 함께 온도문제에도 도움을 줄 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 가스의 종류, 최대유량 등이 변화되더라도, MFC의 교체나 재교정을 수반하지 않고 간단하게 그 변화에 대응하는 정확한 유량제어를 할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 모든 제어 신호와 정보를 디지털화함으로써, 기존에 상용화된 프로토콜과 연계하여 MFC의 종합적 관리 및 원격제어를 가능하게 함과 아울러 프로토콜의 변화에도 간단하면서도 능동적으로 대처할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 비선형성 보정을 위한 보정 회로의 제거, 저정밀도의 부품만으로도 고정밀도 제어를 할 수 있도록 함으로써, MFC의 생산단가 저감을 달성할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

도 1은 종래의 MFC의 센서의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 유량제어장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 자동 캘리브레이션 알고리즘의 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.

도 4는 도 3의 알고리즘을 수행하기 위한 유량제어장치 및 주변기기의 구성배치를 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.

도 5는 도 3의 캘리브레이션모드의 프로세스를 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.

도 6은 도 3의 오퍼레이션모드의 프로세스를 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: 센서 103: 액츄에이터

108: 온도센서 110: 제어유닛

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유체의 상태를 감지하는 센서의 검출값에 따라, 유관을 개폐 제어함으로써 유관을 통하여 흐르는 질량유량을 제어하는 질량유량제어방법으로서, 사전단계로서, 유관을 폐쇄한 상태에서 센서주위온도를 측정하여 그 측정값을 Cal_Temp로 수치데이터화하는 제1단계 및 유관을 개방한 상태에서 유량 및 센서검출값을 변수로 하여 그 상호관계를 각각 Set_Flow 및 det_sensor로 수치데이터화하는 제2단계를 포함하는 캘리브레이션단계, 및 유관을 폐쇄한 상태에서 현재센서주위온도(Pre_Temp)를 측정하는 제3단계 및 유관을 개방한 상태에서 현재센서검출값(Pre_sensor)에 대응하는 det_sensor에 따른 Set_Flow에, 상기 현재센서주위온도(Pre_Temp)와 그에 대응하는 상기 Cal_Temp의 편차에 따른 오프셋값을 적용하여 현재유량(Pre_Flow)을 결정하고, 상기 현재유량(Pre_Flow)과 사용자설정유량(user_Set_Flow)을 비교하여 유관개폐정도를 제어하는 제4단계를 포함하는 오퍼레이션단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제2단계는 유량을 설정하는 단계, 유관개폐정도를 변경하는 단계, 상기 설정된 유량과 실제유량을 비교하여 불일치하면 전단계로 이행되고, 일치하면 후속단계로 이행하는 단계 및 센서검출값을 읽어 det_sensor로 하고, 상기 설정된 유량은 Set_Flow로 하여 수치데이터화한다.

본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 유량 설정은 최대유량에 대한 일정비율로 단계적으로 설정되고, 유관개폐정도 변경은 기설정된 간격으로 단계적으로 변경된다.

본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제3단계 및 제4단계 중 어느 하나 이상은 사용자설정 시간격을 주기로 자동수행된다.

본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제4단계는 상기 user_Set_Flow의 변경이 있으면 자동수행된다.

본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제2단계는 유량 및 센서검출값과 함께 유관개폐정도를 변수로 하여, 유관개폐정도를 Act_Con_Lev로 수치데이터화하는 것을 포함하고, 상기 제4단계는 상기 user_Set_Flow에 대응하는 상기 Set_Flow에 따른 Act_Con_Lev를 선택하여 유관개방을 사전수행한다.

본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 캘리브레이션단계는 유체의 종류 및 최대유량별로 사전 수행되어지는 사전단계로서 행해지고, 상기 오퍼레이션단계에서는 제어하고자 하는 유체의 종류 및 최대유량에 대응하는 수치데이터를 입력받아 사용한다.

또한, 본 발명은 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어장치를 제공하는데, 유관을 개폐 제어함으로써 유관을 통하여 흐르는 질량유량을 제어하는 질량유량제어장치로서, 유체의 상태를 감지하여 센서검출값을 생성하는 센서; 유관을 개폐하기 위한 액츄에이터; 센서주위온도를 측정하기 위한 온도센서; 및 상기 온도센서에서 측정된 유관 폐쇄 상태에서의 센서주위온도를 입력받아 그 값을 Cal_Temp로 수치데이터화하고, 유관 개방 상태에서의 유량 및 상기 센서검출값을 입력받아 그 상호관계를 각각 Set_Flow 및 det_sensor로 수치데이터화하고, 상기온도센서로부터 유관 폐쇄 상태에서의 현재센서주위온도(Pre_Temp)를 입력받고, 상기 센서로부터 유관 개방 상태에서의 현재센서검출값(Pre_sensor)을 입력받아, 상기 현재센서검출값(Pre_sensor)에 대응하는 det_sensor에 따른 Set_Flow에, 상기 현재센서주위온도(Pre_Temp)와 그에 대응하는 상기 Cal_Temp의 편차에 따른 오프셋값을 적용하여 현재유량(Pre_Flow)을 결정하고, 상기 현재유량(Pre_Flow)과 사용자설정유량(user_Set_Flow)을 비교하여 액츄에이터 제어신호를 출력하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제어유닛은, 상기 액츄에이터의 유관개폐정도를 입력받아, 유량 및 센서검출값과 함께 유관개폐정도를 변수로 하여, 유관개폐정도를 Act_Con_Lev로 수치데이터화하고, 상기 user_Set_Flow에 대응하는 Set_Flow에 따른 Act_Con_Lev을 선택하여 유관개방을 사전수행하도록 하는 액츄에이터 제어신호를 출력한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구체예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 유량제어장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다. 도시한 바와 같이, 도 2의 유량제어장치는 센서(101), 액츄에이터(103), 제어유닛(110) 및 온도센서(108)를 포함한다.

상기 제어유닛(110)은 센서전처리부(102), 액츄에이터컨트롤러(104), 메모리(105), 외부유저인터페이스부(106), 메인컨트롤러유닛(107, 이하 "MCU"), 캘리브레이션인터페이스부(109)를 포함한다. 프로세서에 따라서는 상기제어유닛(110)의 구성의 일부는 상기 제어유닛에 포함되지 않은 형태로 존재할 수 있다.

센서(101)는 현재 MFC를 통하여 흐르고 있는 실제의 유량을 감지하기 위한 부분이다. 이러한 센서의 종류에는 정전류형 열식, 정온형 열식, 적외선방식, 반도체 압력센서방식 등이 있다. 이러한 방식마다 조금의 차이는 있으나, 현재의 유량에 비례하여 전류, 전압, 저항 등의 특성 값을 변화시킴으로써 유량의 변화를 표시한다. 즉, 본 발명의 유량제어방법 및 장치는 다양한 유량제어방식에 호환성 있게 적용될 수 있다.

센서전처리부(102)는 센서(101)로부터 전류, 전압, 저항 등의 형태로 받아들인 유량에 비례하는 신호를 메인컨트롤유닛(107)가 처리할 수 있도록 적절한 신호의 형태로 변환하는 역할을 한다. 이를 위해 레벨-시프터(Level-Shifter), A/D컨버터, 전류/전압 컨버터(Current to Voltage Converter) 등의 신호 변환회로가 사용되며, 이는 센서(101)의 종류에 따라 결정된다.

액츄에이터(103)는 액츄에이터컨트롤러(104)로부터 적절한 제어신호를 받아들여 실제 유량을 제어하는 부분이다. 액츄에이터(103)로는 열식 액츄에이터, 솔레노이드 액츄에이터, 압전 액츄에이터 등이 있다.

액츄에이터컨트롤러(104)는 MCU(107)로부터 제어신호를 받아들여 액츄에이터(103)를 구동하기 위한 적절한 제어신호를 만들어내는 부분이다. 이를 위하여 D/A 컨버터, 펄스폭변조기, 압전구동회로 등이 사용되어 지는데, 이는 액츄에이터(103)의 종류에 따라 결정된다.

메모리(105)는 MFC의 전반적인 제어를 위한 프로그램이 저장되는 프로그램 메모리와 프로그램에 필요한 각종 Table 값과 각종 데이터를 저장하는 데이터 메모리로 구성된다. 이들 메모리는 프로그램 실행 중 쓰기 작업이 가능한 비휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리)어야 한다.

외부유저인터페이스부(106)는 유량의 설정 및 표시, 알람(Alarm)의 설정 및 표시, 외부 기타 장치들과의 인터페이스를 위한 부분이다. 이 부분은 RS-232, RS-485, USB, I²C, TCP/IP, Bluetooth 등의 각종 프로토콜을 지원하는 전용 칩셋으로 구성된다.

메인컨트롤러유닛(107)은 MFC의 전반적인 제어를 담당하는 부분으로써 AMD, Intel, ARM등의 범용 내장형 프로세서이다. 이 MCU에 의하여, 메모리에 저장된 MFC 제어용 프로그램을 실행하여 MFC가 유량제어장치의 역할을 할 수 있게 한다.

온도센서(108)는 MFC 내부의 온도를 측정하기 위한 부분으로서 센서(101) 모듈 내에 존재하거나, 가장 가까운 곳에 위치함으로써 센서(101)의 주위온도를 가장 정확히 측정할 수 있어야 한다. 센서의 종류에 따라 전처리 하는 회로를 부가적으로 필요로 할 수 있다.

캘리브레이션인터페이스부(109)는 캘리브레이션모드를 위한 질량유량계(Mass Flow Meter, MFM)와의 인터페이스를 담당한다. 유량에 대한 전기적인 신호를 교환할 수 있는 장치로서, 논리회로, A/D 컨버터, D/A 컨버터 등의 회로로 제작되어 진다. 또, 각종 Table, 프로토콜, 프로그램 등의 업데이트를 위한 소프트웨어 다운로드 기능을 수행한다.

본 발명의 자동 캘리브레이션 알고리즘은 크게 캘리브레이션모드(Calibration Mode) 및 오퍼레이션모드(Operation Mode)의 두 가지의 모드로 나누어진다.

도 4는 도 3의 캘리브레이션모드를 수행하기 위한 유량제어장치 및 주변기기의 구성배치를 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.

캘리브레이션모드는 MFC(201)의 제작완료 후, 기본적인 전기적 특성검사를 마친 상태에서 도 4과 같이 주변기기를 구성하고, 표 1과 같은 유량측정에 해당하는 표준규격을 따라 수행하였다.

주변온도: 23 ± 2℃	가스 온도: 주변온도와 동일
MFC 유입 압력 : 174 ± 34 ㎪	주위압력: 1atm(101.3Kpa)
MFC Outlet pressure : < 0.13 ㎪	습도: 40% ± 10 %
자기장: < 50μt	전기장: < 100 ㎶/m
진동: < 50 m/s	충격: ≤ 3g

질량유량계(Mass Flow Meter, MFM)(202)는 캘리브레이션하고자 하는 MFC보다 더 높은 정밀도와 안정성을 가진 MFM(유량계)으로서 전기적으로 유량의 표현이 가능하여야 하며, 유량을 전기적 신호로 출력할 수 있어야 한다.

유체원(Fluid Source)(203)은 MFC를 캘리브레이션할 수 있는 환경(가스 종류, 압력, 유량)을 만족시킬 수 있는 것이어야 한다.

캘리브레이션인터페이스케이블(Calibration Interface Cable)(204)은 MFM의 종류와 MFC내의 캘리브레이션인터페이스부(109)의 형태에 따라 결정되어지며, 외부노이즈에 강한 특성을 지녀야 한다.

캘리브레이션모드(Calibration Mode)는 MFC의 최대유량, 유량 스텝(Flow Rate Step)에 따라 Actuator_Table, Sensor_Table을 작성하게 된다.

가스의 종류 및 최대유량은 프로그램 수행과 관계없이 메모리에 프로그램을 쓰기하는 과정에서 결정되어 저장되며, 오포레이션모드 실행시에 참고 정보로 이용된다.

캘리브레이션모드는 사용자가 캘리브레이션모드 선택, 즉 개시명령을 입력하는 것 이외에는 프로그램에 의해 자동으로 실행된다. 이하에서 사용되는 용어는 다음의 정의에 따른다.

Zero_Point: 액츄에이터(103)에 의하여 유관이 실제 완전히 폐쇄된 상태에서 유량이 전혀 없는 경우 센서(101)에 의해 검출되는 값.

Cal_Temp: MFC가 캘리브레이션모드에서 동작 할 때 온도센서(108)에 의하여 검출된 온도. 여러 온도에서 캘리브레이션모드를 수행하게 되며 메모리(105)에 저장되는 각종 Table이 어느 온도에서 캘리브레이션 되었는지를 알 수 있다.

Act_Con_Lev(Actuator control Level): 액츄에이터(103)에 의한 유관의 개폐정도를 제어하기 위하여 설정되어지는 값.

det_MFM(detection MFM): MFM에 의하여 검출된 실제유량을 MFC가 처리할 수 있는 신호형태로 변환된 값.

Set_Flow(Set value Flow Rate by user): 캘리브레이션모드에서 사용자에 의하여 설정된, 요구된 유량.

det_sensor(detection sensor level): 캘리브레이션모드에서 Act_Con_Lev 조정단계를 거쳐 실제유량과 설정유량이 일치했을 때, 센서(101)에 의해서 검출되는 값

Max_Flow_Rate(Maximum Flow Rate): MFC가 제어 가능한 최대 유량, 현재 메모리내의 Table들이 어떤 최대유량에서 캘리브레이션 되었는지를 알 수 있다.

Flow_Rate_Step: 사용자에 의해 설정되는 Set_Flow 사이의 간격.

Min_Act_Con(Minimum Actuator Control Step): Act_Con_Lev의 최소 간격.

Actuator_Table: 캘리브레이션모드에서 실제의 유량과 설정된 유량이 일치했을 때의 Act_Con_Lev을 Set_Flow에 따라 정리한 Table.

Sensor_Table: 캘리브레이션모드에서 실제의 유량과 설정된 유량이 일치했을 때의 det_sensor를 Set_Flow에 따라 정리한 Table.

Pre_Temp(Present Temperature): MFC 사용중 온도센서(109)에 의하여 검출된 현재의 온도.

Temp_offset(Temperature Offset): 온도 변화에 의해 발생되는 영점 변화에 따른 보정 Table에 의한 오프셋.

Pre-sensor(Present Sensor Level): MFC 사용중 센서에 의하여 검출된 현재 검출값.

user_Set_Flow: MFC 사용중 사용자가 설정한 유량.

Temp_Flow(Temporary Flow Rate): Pre_sensor에 대응하는 det_sensor을 Table 상에서 찾아, 그 det_sensor에 대응하는 Set_Flow값을 Temp_Flow라 한다.

Pre_Flow(Present Flow Rate): Temp_Flow값에 오프셋값을 적용하여 결정된 현재의 유량.

Temp_Table: 온도 보정 Table. MFC 생산 과정 중 캘리브레이션모드 수행시 가스종류, 주위온도, Max_Flow_Rate를 변경해가며 주위온도에 대한 센서의 det_sensor 값을 모두 측정하여, 이로부터 온도 보정 Table을 만든다. 이런 과정은 프로그램에 의하여 자동 수행되므로 소요시간이 많지 않으며, 가스의 종류와 Max_Flow_Rate를 한정하면 데이터의 양이 많지 않으며, MFC 메모리내에는 1종의 가스와 1종의 Max_Flow_Rate에 한해 저장되어진다. 이 Table은 소프트웨어 다운로드에 의하여 변경할 수 있다.

도 5의 프로세스를 구체적으로 살펴보면,

① 먼저, 사용자 설정에 의해 MFC가 캘리브레이션모드로 동작을 수행하기 시작하면, 액츄에이터(103)를 완전히 폐쇄시킨다.(Set_Flow = 0 % )

② 온도센서(108)로부터 센서주위온도를 읽어온다.

③ 읽어온 온도를 메모리 내의 Cal_Temp영역에 저장한다.

④ 유량을 N%로 설정한다. 이 때, N은 0 ~ 100 사이의 수로써 최대유량의 몇 % 인가를 의미하며, N과 다음 번 N과의 간격은 유량스텝(Flow Rate step)을 의미한다. 만일, MFC의 최대유량이 100sccm 이라면 N = 50% = 50sccm을 나타내며, Flow Rate step 이 0.5%이면 N은 0 -> 0.5 -> 1 -> 1.5 의 순으로 변화함을 의미한다.이때의 N % 설정값을 Set_Flow라 정의한다.

⑤ 캘리브레이션 인터페이스부(109)가 Set_Flow가 설정되었음을 확인하고, 확인하였음을 다시 MFC에게 알린다.

⑥ MFC는 Act_Con_Lev를 변경하기 시작한다. 이때 MFC는 Min_Act_Con 간격으로 액츄에이터(103)를 개방하여 유량을 증가시킨다.

⑦ 캘리브레이션 인터페이스부(109)는 미리 설정된 Set_Flow 와 MFM으로부터 검출된 det_MFM와 비교하여 그 결과를 MFC 에게 알린다.

⑧ MFC는 위의 과정에서 얻어진 결과에 따라,

Set_Flow = det_MFM: Act_Con_Lev를 메모리에 저장 -> Actuator_Table 영역

det_sensor를 메모리에 저장 -> Sensor_Table 영역(특히 Set_Flow가 0인 점(N=0)에서 det_sensor를 Zero_point라 하고 따로 저장)

Set_Flow ≠ det_MFM 이면 ⑥⑦ 과정을 반복적으로 수행하여 Set_Flow = det_MFM일 때까지 진행한다.

⑨ ④~⑥을 반복하고 N = 100%되면 캘리브레이션모드를 종료한다.

오퍼레이션모드는 사전단계로서 캘리브레이션모드를 통해 교정·조정 과정을 거쳐 MFC를 실제로 운용하는 모드이다. 오퍼레이션모드에서는 다음의 동작이 자동으로 이루어져야 한다.

캘리브레이션모드시와는 다른 주변 온도에서 MFC를 운용할 때에는 온도의 영향으로 Zero_point가 변화하게 되고, 이로 인해 Actuator_Table과 Sensor_Table의 값을 신뢰할 수 없게 된다. 따라서, 센서주위온도 변화에 따른 온도가 보상되어야 한다.

또한, 사용 중 가스의 변화, Max_Flow_Rate의 변화가 있는 경우에도, MFC의 교환, 재설치, 재교정 등의 작업을 부가적으로 수행하지 않고, 설치된 상태에서 빠른 시간내에 Table의 변경이 이루어져야 한다.

또한, 앞서 열거한 기존 MFC의 문제점을 해결 할 수 있어야 한다.

도 6의 오퍼레이션모드의 모든 기능의 수행은 기구적 조립, 케이블의 결선, 유량 설정을 제외하고 프로그램에 의해 자동적으로 이루어진다. 프로세스를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

① MFC의 실제 운영시, MFC 전원인가 후 캘리브레이션모드가 선택되지 않으면, 자동적으로 오퍼레이션모드가 선택되어 동작한다.

② 환경 설정 이전에 잘못된 유량의 흐름을 막기 위해서 프로그램과 하드웨어로 액츄에이터(103)를 폐쇄시킨다.

③ 캘리브레이션모드시와 다른 주변 온도에서 MFC가 동작할 때에 이를 보정하기 위해 현재의 센서주위온도를 검출하여 메모리에 저장하고(Pre_Temp), 온도 캘리브레이션 과정을 수행한다. 이 과정은 Temp_Timer 인터럽트 발생시 인터럽트 서비스로 수행된다.

온도 캘리브레이션 과정은 먼저, 메모리로부터 Pre_Temp를 읽어옴으로서 시작된다. 그리고 나서, 이 값을 Temp_Table과 비교하여, Temp_Table에 의하여 현재센서검출값 Pre_sensor에 대응하는 det_sensor 값의 Set_Flow, 즉 Temp_Flow를 읽어온다. 읽어온 Temp_Flow에 Temp_Offset 값을 적용하여 현재유량(Pre_Flow)을 결정한다.

④ 이후 MFC는 정상적 동작을 수행하며 다음과 같은 인터럽트 발생시 필요한 서비스를 제공한다.

ⓐ 사용자 유량 설정 인터럽트, Flow_Timer 인터럽트: 사용자가 유량을 설정 또는 변경 할 때 및 미리 설정된 매시간 마다(Flow_Timer) 발생한다. 구체적으로 살펴보면, 먼저, 사용자설정유량(user_Set_Flow)를 확인한다. 그리고 나서, Actuator_Table을 읽어 Act_Con_Lev를 선택하여 변경한다. 그리고 나서, 센서로부터 현재센서검출값(Pre_sensor)을 읽어온다. 그리고 나서, Temp_Offset값을 고려하여 현재유량(Pre_Flow)을 결정한다. 그리고 나서, user_Set_Flow와 Pre_Flow를 비교하여 그 결과에 따라 동작을 결정한다.

ⅰ. user_Set_Flow = Pre_Flow: 설정된 유량과 현재 흐르고 있는 유량이 같으므로 인터럽트를 종료한다.

ⅱ. user_Set_Flow ≠ Pre_Flow: 설정된 유량과 검출된 유량의 차이의 정도에 따라,

- stability Good : ⅰ의 조건이 되도록 유관개폐정도 변경.

- stability warning : 외부에 경고알람을 발생시키고 ⅰ의 조건이 되도록 유관개폐정도 변경.

- stability fail : 외부에 실패알람(fail Alarm)을 발생시키고 유관을 완전히 폐쇄하고 작동을 중단.

의도된 stability가 1%인 경우	Max_Flow_Rate= 100sccm,user_Set_Flow= 50sccm 경우
good	±0.5% 이하	49.5sccm ≤Pre_Flow ≤50.5sccm
warning	±0.5% 초과, ±0.1% 이하	49.0sccm ≤Pre_Flow < 49.5sccm,50.5sccm < Pre_Flow ≤51.0sccm
fail	±1.0% 초과	Pre_Flow < 49.0sccm,51.0sccm < Pre_Flow

ⓑ Software Download Interrupt: 가스의 종류, Max_Flow_Rate의 변경시 이에 해당하는 각종 Table를 업데이트하고자 할 때 사용자 선택에 의하여 발생한다. 인터럽트가 발생하면 MFC의 외부인터페이스를 통하여 메모리에 쓰기(Writing)작업을 할 수 있는 (소프트웨어 다운로드) 인터럽트 서비스를 제공한다. 이는 MCU부의 구성에 따라 다르다. Table의 업데이트가 끝나면 오퍼레이션모드를 다시 시작한다.

상기한 구성에 따르면, 본 발명은 종래의 영점의 조정 문제를 간단히 해결할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다. 즉, 자동-캘리브레이션 알고리즘 적용시 영점(Zero_Point)의 조정을 위해 부품을 가변소자로 사용할 필요가 없으며, 사람의 손으로 조정할 필요가 없게 된다. 자동-캘리브레이션 알고리즘에서는 액츄에이터를 완전히 폐쇄한 후 검출되는 센서 검출신호(det_sensor)를 기준으로 다른 유량 설정시의 센서 검출신호를 Table(Sensor_Table)화 함으로써, 전기적으로 '0'의 신호를 필요로 하지 않는다.

또한, 본 발명은 센서주위온도 변화에 따른 영점변화문제를 해결할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다. 자동 캘리브레이션 알고리즘의 캘리브레이션모드를 이용하여 가스의 종류, Max_Flow_Rate의 변경이 있더라도, 각 온도마다의 Table을 작성할 수 있고, 이들 Table를 비교, 검토함으로써 보정 값을 알 수 있다. 따라서, MFC 내부의 온도센서를 이용하여 현재 센서주위온도를 감지하고, 그에 따른 보정값을 유관개폐 제어에 사용함으로써 센서주위온도 변화에 따른 영점변화 문제를 해결할 수 있다.

또한, 본 발명은 경년변화 문제를 해결할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다. 자동 캘리브레이션 알고리즘의 오퍼레이션모드에서 정해진 시간(Flow_Timer)마다 현재의 유량과 설정된 유량을 비교하여 그 차이에 따라 동작을 달리 한다. 이를 통해 시간의 흐름에 따른 소자값 변화를 보정할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 비선형적 특성 문제를 해결할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다. 자동 캘리브레이션 알고리즘에서는 캘리브레이션모드를 이용하여 가스의 종류, Max_Flow_Rate의 변경이 있더라도, 정해진 유량을 구현하기 위한 액츄에이터 제어용 Table(Actuator_Table)을 작성할 수 있다. 따라서, 원하는 유량에 해당하는 Act_Con_Lev 데이터를 Actuator_Table에서 찾아서 이용하면 된다. 즉, 본 발명은 비선형적 특성을 보정하려 하지 않고 그 특성 그대로를 이용하여 문제를 해결한다. 더불어 보정회로가 없어짐에 따라 부품의 수가 줄게되므로 온도 문제에도 도움이 된다.

또한, 본 발명은 다양한 가스 종류의 변화, 최대유량의 변화 문제를 해결할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다. 자동 캘리브레이션알고리즘에서는 캘리브레이션모드를 이용하여 가스의 종류, Max_Flow_Rate의 변경이 있더라도, 정해진 유량을 구현하기 위한 액츄에이터 제어용 Table(Actuator_Table)을 작성할 수 있다. 또, 소프트웨어 다운로드 기능을 지원하므로 MFC를 다른 가스, 다른 Max_Flow_Rate에서 사용하고자 할 때, MFC의 교체나 재교정을 하지 않고 미리 준비된 Table만을 업데이트 하여 줌으로써 간단히 문제를 해결할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 다수의 MFC 관리 문제를 해결할 수 있는 유량제어방법 및 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다. MFC에 범용 프로세서를 사용함으로써 모든 제어 신호와 정보를 디지털화 할 수 있다. 이에 따라 기존에 상용화된 프로토콜과 연계하여 MFC의 종합적 관리가 이루어지게 된다. RS-232, RS-485, USB, I²C, TCP/IP, Bluetooth 등의 프로토콜을 지원하는 전용 칩셋(chipset)을 쉽게 MFC내에 장착할 수 있고 이를 이용하는 PC, Note-PC, 무선 단말장치, 인터넷을 이용한 웹 상에서도 MFC의 관리가 가능하게 된다. 또, 원격으로 중앙집중적, 동시적, 효율적으로 제어 감시가 가능하게 된다. 프로토콜이 바뀔 경우 소프트웨어 다운로드 기능을 사용함으로써 빠르고 간단하게 업데이트하여 지원 할 수 있다.

또한, 본 발명은 생산단가의 절감을 통하여 비용면에서 우수한 유량제어방법 및 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다. 비선형성 보정을 위한 보정 회로가 불필요하게 됨에 따라, 전체회로의 부품이 줄고, 그에 따른 조정작업이 없어지게 된다. 내부소자의 Table에 의존하여 제어됨으로 저정밀의 부품으로 고정밀이 제어가 가능하다. 또한, 현재 대부분의 마이크로프로세서가 앞서 언급한 센서전처리부, 액츄에이터컨트롤러, 메모리, 외부인터페이스부, 캘리브레이션인터페이스부가 MCU 내부에 포함된 형태(110)로 유통되므로 전기적 회로는 더욱 간략화 되어 생산 단가는 현저히 절감된다.

Claims

유체의 상태를 감지하는 센서의 검출값에 따라, 유관을 개폐 제어함으로써 유관을 통하여 흐르는 질량유량을 제어하는 질량유량제어방법으로서,

사전단계로서, 유관을 폐쇄한 상태에서 센서주위온도를 측정하여 그 측정값을 Cal_Temp로 수치데이터화하는 제1단계 및 유관을 개방한 상태에서 유량 및 센서검출값을 변수로 하여 그 상호관계를 각각 Set_Flow 및 det_sensor로 수치데이터화하고, 유량 및 센서검출값과 함께 유관개폐정도를 변수로 하여 유관개폐정도를 Act_Con_Lev로 수치데이터화하는 제2단계를 포함하는 캘리브레이션단계, 및

유관을 폐쇄한 상태에서 현재센서주위온도(Pre_Temp)를 측정하는 제3단계 및 사용자설정유량(user_Set_Flow)에 대응하는 상기 Set_Flow에 따른 Act_Con_Lev를 선택하여 유관개방을 사전수행하고, 유관을 개방한 상태에서 현재센서검출값(Pre_sensor)에 대응하는 det_sensor에 따른 Set_Flow에, 상기 현재센서주위온도(Pre_Temp)와 그에 대응하는 상기 Cal_Temp의 편차에 따른 오프셋값을 적용하여 현재유량(Pre_Flow)을 결정하고, 상기 현재유량(Pre_Flow)과 사용자설정유량(user_Set_Flow)을 비교하여 유관개폐정도를 제어하는 제4단계를 포함하는 오퍼레이션단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어방법.
제1항에서, 상기 제2단계는 유량을 설정하는 단계,

유관개폐정도를 변경하는 단계,

상기 설정된 유량과 실제유량을 비교하여 불일치하면 전단계로 이행되고, 일치하면 후속단계로 이행하는 단계 및

센서검출값을 읽어 det_sensor로 하고, 상기 설정된 유량은 Set_Flow로 하여 수치데이터화하는 것을 특징으로 하는 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어장치.
제2항에서, 유량 설정은 최대유량에 대한 일정비율로 단계적으로 설정되고, 유관개폐정도 변경은 기설정된 간격으로 단계적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어장치.
제1항에서, 상기 제3단계 및 제4단계 중 어느 하나 이상은 사용자설정 시간격을 주기로 자동수행되는 것을 특징으로 하는 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어방법.
제 1항에서, 상기 제4단계는 상기 user_Set_Flow의 변경이 있으면 자동수행되는 것을 특징으로 하는 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어방법.
삭제
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서, 상기 캘리브레이션단계는 유체의 종류 및 최대유량별로 사전 수행되어지는 사전단계로서 행해지고,

상기 오퍼레이션단계에서는 제어하고자 하는 유체의 종류 및 최대유량에 대응하는 수치데이터를 입력받아 사용하는 것을 특징으로 하는 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어방법.
유관을 개폐 제어함으로써 유관을 통하여 흐르는 질량유량을 제어하는 질량유량제어장치로서,

유체의 상태를 감지하여 센서검출값을 생성하는 센서;

유관을 개폐하기 위한 액츄에이터;

센서주위온도를 측정하기 위한 온도센서; 및

상기 온도센서에서 측정된 유관 폐쇄 상태에서의 센서주위온도를 입력받아 그 값을 Cal_Temp로 수치데이터화하고, 유관 개방 상태에서의 유량 및 상기 센서검출값을 입력받아 그 상호관계를 각각 Set_Flow 및 det_sensor로 수치데이터화하고,

상기 액츄에이터의 유관개폐정도를 입력받아, 유량 및 센서검출값과 함께 유관개폐정도를 변수로 하여, 유관개폐정도를 Act_Con_Lev로 수치데이터화하고,

상기 user_Set_Flow에 대응하는 Set_Flow에 따른 Act_Con_Lev을 선택하여 유관개방을 사전수행하도록 하는 액츄에이터 제어신호를 출력하고,

상기 온도센서로부터 유관 폐쇄 상태에서의 현재센서주위온도(Pre_Temp)를 입력받고, 상기 센서로부터 유관 개방 상태에서의 현재센서검출값(Pre_sensor)을 입력받아, 상기 현재센서검출값(Pre_sensor)에 대응하는 det_sensor에 따른 Set_Flow에, 상기 현재센서주위온도(Pre_Temp)와 그에 대응하는 상기 Cal_Temp의 편차에 따른 오프셋값을 적용하여 현재유량(Pre_Flow)을 결정하고, 상기 현재유량(Pre_Flow)과 사용자설정유량(user_Set_Flow)을 비교하여 액츄에이터 제어신호를 출력하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 캘리브레이션 알고리즘을 이용한 질량유량제어장치.
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