KR100508488B1 - Thermal mass flow sensor and method for in-process error compensation thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열량형 질량유량 측정센서 및 그의 오차보정 방법에 관한 것으로서, 가스 주입로에 기초측정값과 더불어 기준측정값을 측정할 수 있도록 부가적으로 직경이 서로 다른 측정모세관을 설치하여 가스 주입로내의 오염이나 부식에 의해 유체저항이 증가되는 등 측정감도가 저하될 때에도 정밀도를 자가진단하여 실시간으로 오차를 자체보상할 뿐만 아니라 이상상태를 진단할 수 있는 이점이 있다. The present invention relates to a calorie-type mass flow rate measurement sensor and an error correction method thereof, and further comprising a measurement capillary having a diameter different from each other so as to measure a basic measurement value as well as a basic measurement value in a gas injection path. Even when the measurement sensitivity is degraded due to contamination or corrosion of the internal fluid, the self-diagnosis of the accuracy is not only compensated for in real time, but also an error can be diagnosed.
Description
본 발명은 열량형 질량유량 측정센서 및 그의 오차보정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 주입로에 기초측정값과 더불어 기준측정값을 측정할 수 있도록 부가적으로 직경이 서로 다른 측정모세관을 설치하여 가스 주입로내의 오염이나 부식에 의해 유체저항이 증가되는 등 측정감도가 저하될 때에도 정밀도를 자가진단하여 실시간으로 오차를 자체보상할 뿐만 아니라 이상상태를 진단할 수 있도록 한 열량형 질량유량 측정센서 및 그의 오차보정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a calorie-type mass flow rate measurement sensor and an error correction method thereof. More specifically, a measurement capillary having a diameter different from each other in order to measure a reference measurement value together with a basic measurement value is installed in a gas injection path. Calorie-type mass flow measurement sensor that not only compensates for errors in real time but also diagnoses abnormal conditions by measuring the accuracy by itself even when the measurement sensitivity decreases due to contamination or corrosion in the gas injection furnace. And an error correction method thereof.
열량형 질량유량측정센서(Mass Flow Sensor)는 온도나 압력에 따라 부피가 변화되는 압축성기체의 질량유량(mass flow, cf. volume flow)을 열량형 방식으로 측정하는 센서로써, 반도체 제조공정 중 화학기상증착기(CVD), 건식식각장치(RIE), 산화로(Furnace) 등 여러 가지 반응로(Reaction Chamber)에 미량으로 주입되는 여러 종류의 기체의 질량유량을 정밀하게 측정하는 핵심부품으로 사용되고 있다. Calorie Mass Flow Sensor is a sensor that measures the mass flow (cf. volume flow) of a compressible gas whose volume changes according to temperature or pressure. It is used as a key component to precisely measure the mass flow rate of various kinds of gases injected in small amounts into various reaction chambers such as a vapor deposition (CVD), a dry etching apparatus (RIE), and a furnace.
또한, 위와 같은 종류의 장비에서 주입되는 기체의 질량유량을 정밀하게 제어하기 위해 사용되는 질량유량조절기(Mass Flow Controller)를 구성하는 핵심모듈로 사용된다. In addition, it is used as a core module constituting the mass flow controller (mass flow controller) used to precisely control the mass flow rate of the gas injected from the equipment of the above kind.
그 외에도 환경설비, 실험실용 가스반응기 등 반응기체(reaction gas)를 다루는 모든 장비 및 설비에서 없어서는 안 되는 센서이다.In addition, it is an indispensable sensor in all equipment and facilities that deal with reaction gas such as environmental facilities and laboratory gas reactors.
도 1은 종래의 열량형 질량유량 측정센서를 나타낸 구성도이다. 1 is a block diagram showing a conventional calorie-type mass flow rate measuring sensor.
여기에서 보는 바와 같이 열량형 질량유량 측정센서는 가스가 유입되는 가스 주입로(Bypass tube)(10) 내부에 바이패스모세관(Bypass Capillary)(30)이 설치되어 있고, 가스 주입로(10) 바깥쪽으로 바이패스모세관(30) 양쪽을 연결하는 측정모세관(Sensor Capillary)(20)이 설치된다. 그리고, 측정모세관(20)에는 정전류를 공급하면 열을 발생하고 온도에 따라 저항값이 달라지는 특성을 갖는 제 1내지 제 2 발열소자(Thermometer element)(41,42)가 바깥쪽으로 감겨져 있다. As shown here, the calorie-type mass flow rate measuring sensor has a bypass capillary 30 installed inside the bypass tube 10 through which the gas is introduced, and outside the gas injection passage 10. The sensor capillary 20 is connected to both sides of the bypass capillary 30. In addition, the first and second thermometer elements 41 and 42 are wound around the measuring capillary tube 20 to generate heat when a constant current is supplied, and the resistance value varies depending on temperature.
또한, 휘스톤 브리지(50)의 일측 양단에 정전류를 공급하기 위한 정전류원(60)이 연결되고 정전류원(60)에 대칭되도록 제 1내지 제 2발열소자(41,42)가 연결되어 온도차에 의해 달라지는 저항값의 변화를 증폭기(70)에 의해 증폭하여 출력하는 신호처리부(80)가 설치된다. In addition, the first to second heat generating elements 41 and 42 are connected to each other so that the constant current source 60 for supplying a constant current to both ends of the Wheatstone bridge 50 is symmetrical to the constant current source 60. The signal processing unit 80 for amplifying and outputting the change in the resistance value changed by the amplifier 70 is provided.
그리고, 신호처리부(80)의 출력값을 입력받아 선형화시키고 저항값의 변화에 대해 바이패스모세관(30)과 측정모세관(20)을 통해 흐르는 가스유량값()을 전기적신호로 출력하는 제어부(90)로 이루어진다.In addition, the output value of the signal processing unit 80 is linearized and the gas flow rate value flowing through the bypass capillary 30 and the measurement capillary 20 with respect to the change in the resistance value ( ) Is a control unit 90 for outputting an electrical signal.
이때, 저항값의 변화는 측정모세관(20)을 통해 흐르는 가스의 온도값의 변화를 나타내는 값이며 이 값들은 측정모세관(20)을 통해 흐르는 가스유량()에 대한 정보를 지닌값들이다. 따라서, 이 저항값의 변화를 통해 제어부(90)에서 측정모세관(20)을 통해 흐르는 가스유량()을 측정할 수 있게 된다.At this time, the change in the resistance value is a value representing the change in the temperature value of the gas flowing through the measuring capillary tube 20 and these values are the gas flow rate flowing through the measuring capillary tube ( Are values with information about). Therefore, the gas flow rate flowing from the control unit 90 through the measurement capillary tube 20 through the change of the resistance value ( ) Can be measured.
도 2는 측정모세관의 온도변화를 설명하기 위한 그래프로써, (가)는 측정모세관내의 제 1발열소자와 제 2발열소자간의 온도차와 유량의 관계를 나타낸 그래프이고, (나)는 측정모세관을 흐르는 가스유량에 따른 온도분포를 나타낸 그래프이다. 2 is a graph for explaining the temperature change of the measurement capillary, (A) is a graph showing the relationship between the temperature difference and the flow rate between the first heating element and the second heating element in the measurement capillary, (B) is the flow of the measurement capillary A graph showing the temperature distribution according to the gas flow rate.
측정모세관에서의 온도변화에 의해 가스유량을 측정할 수 있는 구간은 (가)의 그래프에서 보는 바와 같이 선형적인 구간으로 최대 온도차()가 약 100℃가 되는 가스유량이 로 흐르는 구간까지이다.The section where gas flow rate can be measured by the temperature change in the capillary tube is a linear section as shown in the graph of (A). Gas flow rate Up to the section that flows into.
따라서, 열량형 질량유량 측정센서의 측정방법은 (나)의 그래프에서 보는 바와 같이 측정모세관(20)을 흐르는 가스유량()에 따른 온도변화가 'A'와 같이 가스가 흐르지 않을 때()는 제 1발열소자(41)와 제 2발열소자(42)간에 온도차가 발생하지 않게 된다. 그러나, 'B'와 같이 일정한 량이 흐를 경우()에는 제 1발열소자(41)에 의해 일차적으로 가열된 후 다시 제 2발열소자(42)에 의해 가열되기 때문에 가스가 흐르지 않을 때보다 제 2발열소자(42)에 의해 가열될 때 가스의 온도가 높게 올라가서 제 1발열소자(41)와 제 2발열소자(42)의 온도차가 발생한다. 그리고, 'C'와 같이 흐르는 가스량이 매우 많을 경우()에는 제 2발열소자(42)에 의해 가열될 때 제 1발열소자(41)에 의한 영향을 별로 받지 못하면서 유량의 흐름이 있어 높게 가열되지도 않을 뿐만 아니라 제 1발열소자(41)와 제 2발열소자(42)간에 온도차도 적게 발생하게 된다.Therefore, the measurement method of the calorie-type mass flow rate measuring sensor is a gas flow rate flowing through the measuring capillary tube 20 as shown in the graph ), When the temperature does not flow like 'A' The temperature difference does not occur between the first heat generating element 41 and the second heat generating element 42. However, if a certain amount flows, such as 'B' ( ) Is first heated by the first heat generating element 41 and then heated by the second heat generating element 42 again, so that the temperature of the gas when heated by the second heat generating element 42 rather than when the gas does not flow. Rises high to generate a temperature difference between the first heat generating element 41 and the second heat generating element 42. And, if the amount of gas flowing like 'C' is very large ( ), When heated by the second heat generating element 42 is not affected by the first heat generating element 41 much, there is a flow of the flow does not heat too high, as well as the first heat generating element 41 and the second A small temperature difference occurs between the heat generating elements 42.
이와 같이 측정모세관(20)을 감고 있는 제 1내지 제 2발열소자(41,42)에 정전류가 인가될 경우 발열하여 측정모세관(20)을 가열하게 되고, 측정모세관(20)을 흐르는 가스는 이 열을 식혀주는 역할을 하기 때문에 제 1발열소자(41)와 제 2발열소자(42)간에 온도차가 발생하게 된다. 이 온도차는 측정모세관(20)을 흐르는 가스의 밀도, 열특성 그리고 속도에 따라 차이가 발생하기 때문에 온도차를 측정함으로써 측정모세관(20)으로 흐르는 가스유량()을 계산할 수 있게 된다.As described above, when a constant current is applied to the first to second heating elements 41 and 42 wound around the measurement capillary tube 20, the measurement capillary tube 20 is heated to heat the gas flowing through the measurement capillary tube 20. Since it serves to cool the heat, a temperature difference occurs between the first heat generating element 41 and the second heat generating element 42. Since the temperature difference varies depending on the density, thermal characteristics, and speed of the gas flowing through the measurement capillary tube 20, the gas flow rate flowing through the measurement capillary tube 20 by measuring the temperature difference ( ) Can be calculated.
따라서, 가스 주입로(10)를 통과하는 가스의 총량(m)은 측정모세관(20)으로 흐르는 가스유량()과, 바이패스모세관(30)으로 흐르는 가스유량()을 합한 값으로 구할 수 있다. 그런데, 바이패스모세관(30)으로 흐르는 가스유량()은 측정모세관(20)으로 흐르는 가스유량()과 일정한 질량흐름비(k)를 갖고 흐르기 때문에 측정모세관(20)으로 흐르는 가스유량()과 바이패스모세관(30)으로 흐르는 가스유량() 사이에 성립되는 질량흐름비(k)를 구하게 되면 측정모세관(20)으로 흐르는 가스유량()을 측정한 값을 신호처리부(80)로부터 입력받아 가스 주입로(10)를 통과하는 가스의 총량()을 제어부(90)에서 수학식 1에 의해 구하게 된다.Therefore, the total amount m of gas passing through the gas injection passage 10 is equal to the gas flow rate flowing into the measurement capillary 20. ) And the gas flow rate flowing into the bypass capillary tube 30 ( ) Can be found as a sum. However, the gas flow rate flowing into the bypass capillary tube 30 ( ) Is the flow rate of gas flowing into the measuring capillary tube 20 ( ) And the gas flow rate flowing into the measuring capillary tube 20 because it ) And the gas flow rate flowing into the bypass capillary tube 30 ( When the mass flow ratio (k) is established between the gas flow rate flowing into the measuring capillary tube (20) ) The total amount of gas passing through the gas injection passage 10 receives the measured value from the signal processing unit 80 ( ) Is calculated by Equation 1 in the control unit 90.
이와 같은 열량형 질량유량 측정센서는 측정정밀도 및 내부식성면에서 매우 우수한 방식으로, 30여년 전에 미국의 질량유량조절기(MFC) 전문업체인 Sierra Instruments Co.가 특허출원 한 이후, 지금까지 대다수 질량유량센서의 기본방식으로 사용되고 있다.This calorie-type mass flow sensor is very excellent in terms of measurement accuracy and corrosion resistance. Since the patent application of Sierra Instruments Co., a mass flow regulator (MFC) specialist in the United States, more than 30 years ago, most mass flow rates have been It is used as the basic method of the sensor.
또한, 제어부(90)는 아나로그회로에 의한 측정 및 제어가 일반적이나, 요구정밀도가 높아지고 단위장비에서 사용되는 질량유량조절기의 숫자가 백여개까지 많아지면서, 디지털방식의 제어 및 네트워킹 기능이 있는 디지털제어를 수행하고 있다. In addition, the control unit 90 is generally measured and controlled by an analog circuit, but the required precision is increased and the number of mass flow regulators used in the unit equipment is increased to about one hundred, digital control with digital control and networking functions Is doing.
반도체장비에 사용되는 질량유량조절기는 주로 부식성이 강한 Gas의 유량조절에 사용하게 됨으로 가스와 접촉되는 모든 부위는 EP(Electro-chemical Polishing)에 의한 경면가공으로 내부식성을 확보하고 있으며, 독성가스에 의한 오염을 차단하기 위한 밀폐특성 등이 핵심사양으로 기계요소의 설계 및 가공기술도 질량유량조절기를 위한 핵심기술로 발전하고 있다.The mass flow controller used in semiconductor equipment is mainly used to control the flow rate of highly corrosive gas, so all parts in contact with gas ensure corrosion resistance by mirror processing by EP (Electro-chemical Polishing). The sealing property to prevent contamination by the core is the key specification, and the design and processing technology of the machine element is also developing as the core technology for the mass flow controller.
그런데, 이와 같이 가스 주입로(10)를 통과하는 가스유량을 측정하기 위해 바이패스모세관(30)과 측정모세관(20)을 이용한 열량형 질량유량 측정센서의 경우 측정모세관(20)의 관로가 매우 가늘기 때문에 관로내에 오염물질이 부착될 경우 유체저항이 증가되고, 관로를 통해 흐르는 가스가 부식성가스인 경우 관로내벽과의 화학반응에 의한 내경의 변화 등의 원인으로 인해 측정모세관의 유체저항이 변화되어, 측정모세관(20)을 통해 흐르는 가스유량()과 바이패스모세관(30)을 통해 흐르는 가스유량()과의 질량흐름비(k)가 변화됨으로써 전체적인 측정정밀도가 저하되는 문제점이 발생한다.However, in the case of the calorie-type mass flow rate measuring sensor using the bypass capillary tube 30 and the measuring capillary tube 20 in order to measure the gas flow rate passing through the gas injection path 10, the conduit of the measuring capillary tube 20 is very large. Because of the thinness, fluid resistance increases when contaminants adhere to the pipeline, and when the gas flowing through the pipeline is corrosive, the fluid resistance of the capillary tube changes due to the change in the inner diameter due to chemical reaction with the inner wall of the pipeline. Gas flow rate flowing through the measuring capillary tube 20 ( ) And the gas flow rate flowing through the bypass capillary tube 30 ( The change in mass flow ratio (k) with) causes a problem that the overall measurement accuracy is lowered.
따라서, 측정정밀도를 유지하기 위해서는 일정기간마다 열량형 질량유량 측정센서를 장비에서 분해하여 별도의 검사 및 수리과정을 거쳐 사용해야하기 때문에 분해, 검사에 따른 직접비용과 장비의 가동율 손실에 의한 간접비용이 발생하는 문제점이 있다.Therefore, in order to maintain the measurement accuracy, the calorie-type mass flow rate sensor must be disassembled from the equipment at regular intervals and used after a separate inspection and repair process. There is a problem that occurs.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 가스 주입로에 기초측정값과 더불어 기준측정값을 측정할 수 있도록 부가적으로 직경이 서로 다른 측정모세관을 설치하여 가스 주입로내의 오염이나 부식에 의해 유체저항이 증가되는 등 측정감도가 저하될 때에도 정밀도를 자가진단하여 실시간으로 오차를 자체보상할 뿐만 아니라 이상상태를 진단할 수 있도록 한 열량형 질량유량 측정센서 및 그의 오차보정 방법을 제공함에 있다. The present invention was created to solve the above problems, and an object of the present invention is to additionally install a measuring capillary tube of different diameters so as to measure a reference measurement value as well as a basic measurement value in a gas injection path. Calorie-type mass flow sensor and self-diagnosing accuracy in real time even when measurement sensitivity is deteriorated due to contamination or corrosion in the injection furnace. To provide an error correction method.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 의한 열량형 질량유량 측정센서는 가스가 유입되는 가스 주입로와, 가스 주입로 내부에 설치된 바이패스모세관과, 가스 주입로 바깥쪽으로 바이패스모세관 양쪽을 연결하도록 설치된 제 1측정모세관과, 제 1측정모세관의 바깥쪽에 일정한 간격으로 감겨져 정전류를 공급하면 열을 발생하고 온도에 따라 저항값이 달라지는 특성을 갖는 제 1내지 제 2 발열소자와, 정전류를 공급하는 정전류원이 제 1휘스톤 브리지의 일측 양단에 연결되고 제 1내지 제 2 발열소자가 정전류원에 대칭되도록 설치되어 제 1휘스톤 브리지의 타측 양단에서의 출력값을 제 1증폭기에 의해 증폭하여 출력하는 제 1신호처리부와, 가스 주입로 바깥쪽으로 바이패스모세관 양쪽을 연결하도록 설치되며 제 1측정모세관과 직경이 서로 다른 제 2측정모세관과, 제 2측정모세관의 바깥쪽에 일정한 간격으로 감겨져 정전류를 공급하면 열을 발생하고 온도에 따라 저항값이 달라지는 특성을 갖는 제 3내지 제 4 발열소자와, 제 3내지 제 4발열소자를 제 2휘스톤 브리지에 대칭되도록 구성하여 제 2휘스톤 브리지의 대칭 양끝단의 출력값을 제 2증폭기에 의해 증폭하여 출력하는 제 2신호처리부와, 제 1신호처리부와 제 2신호처리부의 출력값을 입력받아 선형화시키고 저항값의 변화에 대해 바이패스모세관과 제 1내지 제 2측정모세관을 통해 흐르는 가스의 질량유량값을 전기적신호로 출력할 뿐만 아니라 상기 제 1측정모세관을 통과하는 가스유량값()을 측정하고, 상기 제 2측정모세관을 통과하는 가스유량값()을 측정하여, 오염된 상기 제 1측정모세관에 대한 상기 제 2측정모세관의 질량흐름비()를 아래식 1에 의해 계산한 후, 관로내에 오염된 두께(t)를 아래식 2에 의해 계산하고, 오염된 상기 제 1측정모세관과 상기 바이패스모세관의 직경을 아래식 3에 의해 계산하여, 오염된 상기 제 1측정모세관에 대한 상기 바이패스모세관의 질량흐름비()를 아래식 4에 의해 계산함으로써 상기 가스주입로를 통과하는 가스유량의 총합()을 아래식 5에 의해 산출하여 전기적 신호로 출력하는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 한다.The calorie-type mass flow rate measuring sensor according to the present invention for realizing the above object connects both a gas injection passage into which gas is introduced, a bypass capillary tube installed inside the gas injection passage, and a bypass capillary tube to the outside of the gas injection passage. And a first to second heating element having a characteristic of generating heat and changing a resistance value according to temperature when the first measuring capillary and the first measuring capillary are wound at regular intervals on the outside of the first measuring capillary to supply heat. A constant current source is connected to both ends of the first Wheatstone bridge, and the first to second heating elements are installed so as to be symmetrical to the constant current source to amplify and output the output values at both ends of the first Wheatstone bridge by the first amplifier. It is installed to connect both the first signal processing unit and the bypass capillary to the outside of the gas injection path, and the diameter of the first measuring capillary is different from each other. The third to fourth heating elements, and the third to fourth heat generating element, characterized in that the heat generated when the constant current is supplied to the outside of the second measuring capillary and the second measuring capillary at regular intervals, and the resistance value varies depending on the temperature; A second signal processor for amplifying and outputting the output values at both ends of the symmetrical ends of the second loudspeaker bridge by the second amplifier, and the output values of the first signal processor and the second signal processor; Is linearized and outputs the mass flow rate of the gas flowing through the bypass capillary tube and the first to second measuring capillaries as an electrical signal as well as the gas flow rate value passing through the first measurement capillary ( ) And the gas flow rate value passing through the second measuring ), The mass flow ratio of the second measuring capillary to the contaminated first measuring capillary ( ) Is calculated by Equation 1 below, the contaminated thickness t in the conduit is calculated by Equation 2 below, and the diameters of the contaminated first measuring capillary and the bypass capillary are calculated by Equation 3 below. , The mass flow ratio of the bypass capillary to the contaminated first measuring capillary ( ) Is calculated by Equation 4 below, and the sum of the gas flow rates through the gas injection path ( ) Is calculated by the following equation 5, characterized in that consisting of a control unit for outputting as an electrical signal.
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또한, 본 발명에 의한 열량형 질량유량 측정센서의 오차보정 방법은 가스주입로를 통과하는 가스의 총량을 바이패스모세관으로 흐르는 가스유량과 상기 바이패스모세관 양쪽을 연결하여 설치된 제 1측정모세관을 흐르는 가스유량과 상기 바이패스모세관 양쪽을 연결하여 설치되며 상기 제 1측정모세관과 직경이 다른 제 2측정모세관을 흐르는 가스유량을 합하여 측정하는 열량형 질량유량 측정센서에 있어서, 상기 제 1측정모세관을 통과하는 가스유량값()을 측정하고, 상기 제 2측정모세관을 통과하는 가스유량값()을 측정하여, 오염된 상기 제 1측정모세관에 대한 상기 제 2측정모세관의 질량흐름비()를 아래식 1에 의해 계산한 후, 관로내에 오염된 두께(t)를 아래식 2에 의해 계산하고, 오염된 상기 제 1측정모세관과 바이패스모세관의 직경을 아래식 3에 의해 계산하여, 오염된 상기 제 1측정모세관에 대한 바이패스모세관의 질량흐름비()를 아래식 4에 의해 계산함으로써 가스 주입로를 통과하는 가스유량의 총합()을 아래식 5에 의해 산출하여 출력하는 것을 특징으로 한다.In addition, the error correction method of the calorie-type mass flow rate measuring sensor according to the present invention flows through the first measuring capillary tube installed by connecting both the gas flow rate and the bypass capillary tube to the total amount of gas passing through the gas injection path A calorie-type mass flow rate measuring sensor, which is installed by connecting both a gas flow rate and the bypass capillary tube, and measures the gas flow rate through the first measuring capillary tube and a second measuring capillary tube having a different diameter, and passes through the first measuring capillary tube. Gas flow rate ) And the gas flow rate value passing through the second measuring ), The mass flow ratio of the second measuring capillary to the contaminated first measuring capillary ( ) Is calculated by Equation 1 below, the thickness t contaminated in the conduit is calculated by Equation 2 below, and the diameters of the contaminated first measuring capillary and bypass capillary are calculated by Equation 3 below. The mass flow ratio of the bypass capillary to the contaminated first measuring capillary ( ) Is calculated by Equation 4 below, and the sum of the gas flow rates through the gas injection path ( ) Is calculated by Equation 5 below and output.
(아래식 1) (아래식 2) 이때, 이때, k2는 제 1측정모세관에 대한 제 2측정모세관의 질량흐름비 k2'는 오염된 제 1측정모세관에 대한 오염된 제 2측정모세관의 질량흐름비 D1은 제 1측정모세관의 직경 D2는 제 2측정모세관의 직경(아래식 3)D1'=(D1-2t)Dbo'=(Dbo-2αt)Dbi'=(Dbi-2αt)이때, D1'는 오염된 제 1측정모세관의 직경 Dbo'는 오염된 바이패스모세관의 외부 직경 Dbi'는 오염된 바이패스모세관의 내부 직경 α는 0 < α < 1(아래식 4) (아래식 5) (Equation 1) (Equation 2) In this case, k 2 is the mass flow ratio k 2 'of the second measuring capillary to the first measuring capillary is the mass flow ratio D 1 of the contaminated second measuring capillary to the first measuring capillary is the first measuring capillary the diameter D 2 of the second diameter of the second measurement capillary (the following equation 3) D 1 '= (D 1 -2t) D bo' = (D bo -2αt) D bi '= (D bi -2αt) in this case, D 1 'Is the diameter D bo of the contaminated first measuring capillary' is the outer diameter D bi 'of the contaminated bypass capillary tube is the inner diameter α of the contaminated bypass capillary tube is 0 <α <1 (Equation 4) (Equation 5)
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위와 같이 이루어진 본 발명은 제 1내지 제 2측정모세관과 바이패스모세관이 오염되어 유체저항이 변화되어 바이패스모세관과의 질량흐름비에 이상이 생길 경우 통로의 넓이가 서로 다른 제 1내지 제 2측정모세관에서 측정된 제 1내지 제 2신호처리부의 신호를 입력받아 두 신호를 비교 분석하여 상대적인 값에 의한 오차정도를 판단하여 자기 정밀도를 자가진단하고 이상상태 발생시 자체보상을 할 수 있게 된다. According to the present invention made as described above, when the first to second measurement capillaries and the bypass capillaries are contaminated and the fluid resistance changes to cause an abnormality in the mass flow ratio with the bypass capillaries, the first to second measurements having different widths of the passages are different. By receiving the signals of the first to second signal processing unit measured in the capillary tube and comparing the two signals to determine the degree of error due to the relative value, it is possible to self-diagnose the self-precision and self-compensation when an abnormal state occurs.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the present embodiment is not intended to limit the scope of the present invention, but is presented by way of example only and the same parts as in the conventional configuration using the same reference numerals and names.
도 3은 본 발명에 의한 열량형 질량유량 측정센서를 나타낸 블록구성도이다. Figure 3 is a block diagram showing a calorie-type mass flow rate sensor according to the present invention.
여기에 도시된 바와 같이 가스가 유입되는 가스 주입로(10)와, 가스 주입로(10) 내부에 설치된 바이패스모세관(30)과, 가스 주입로(10) 바깥쪽으로 바이패스모세관(30) 양쪽을 연결하도록 설치된 제 1측정모세관(21)과, 제 1측정모세관(21)의 바깥쪽에 일정한 간격으로 감겨져 정전류를 공급하면 열을 발생하고 온도에 따라 저항값이 달라지는 특성을 갖는 제 1내지 제 2 발열소자(41,42)와, 정전류를 공급하는 제 1정전류원(61)이 제 1휘스톤 브리지(51)의 일측 양단에 연결되고 제 1내지 제 2 발열소자(41,42)가 제 1정전류원(61)에 대칭되도록 설치되어 제 1휘스톤 브리지(51)의 타측 양단에서의 출력값을 제 1증폭기(71)에 의해 증폭하여 출력하는 제 1신호처리부(81)와, 가스 주입(10)로 바깥쪽으로 바이패스모세관(30) 양쪽을 연결하도록 설치되며 제 1측정모세관(21)보다 직경이 큰 제 2측정모세관(22)과, 제 2측정모세관(22)의 바깥쪽에 일정한 간격으로 감겨져 정전류를 공급하면 열을 발생하고 온도에 따라 저항값이 달라지는 특성을 갖는 제 3내지 제 4 발열소자(43,44)와, 정전류를 공급하는 제 2정전류원(62)이 제 2휘스톤 브리지(52)의 일측 양단에 연결되고 제 3내지 제 4 발열소자(43,44)가 제 2정전류원(62)에 대칭되도록 설치되어 제 2휘스톤 브리지(52)의 타측 양단에서의 출력값을 제 2증폭기(72)에 의해 증폭하여 출력하는 제 2신호처리부(82)와, 제 1신호처리부(81)와 제 2신호처리부(82)의 출력값을 입력받아 선형화시키고 저항값의 변화에 대해 바이패스모세관(30)과 제 1내지 제 2측정모세관(21,22)을 통해 흐르는 가스의 질량유량값을 전기적신호로 출력하는 제어부(90)로 이루어진다. As shown here, both the gas injection passage 10 through which the gas flows, the bypass capillary tube 30 installed inside the gas injection passage 10, and the bypass capillary tube 30 toward the outside of the gas injection passage 10 are provided. The first to second capillary tube 21 and the first measuring capillary tube 21, which are installed to be connected to each other, are wound at regular intervals and supplied with a constant current to generate heat and have a characteristic in which resistance values vary depending on temperature. The heat generating elements 41 and 42 and the first constant current source 61 for supplying a constant current are connected to both ends of the first Wheatstone bridge 51, and the first to second heat generating elements 41 and 42 are firstly connected to each other. A first signal processor 81 provided to be symmetrical to the constant current source 61 to amplify and output the output values at the other ends of the first Wheatstone bridge 51 by the first amplifier 71, and the gas injection unit 10 It is installed so as to connect both sides of the bypass capillary tube (30) to the outside of the first measuring capillary tube (21) The third to fourth heating elements having the characteristics of generating heat and changing the resistance value according to temperature when the constant current is supplied to the large second measuring capillary 22 and the outside of the second measuring capillary tube 22 at regular intervals. 43 and 44 and a second constant current source 62 for supplying a constant current are connected to both ends of the second Wheatstone bridge 52 and the third to fourth heat generating elements 43 and 44 are the second constant current source. A second signal processing unit 82 and a first signal processing unit 81 provided so as to be symmetrical to 62 so as to amplify and output the output values at both ends of the second Wheatstone bridge 52 by the second amplifier 72; ) And linearize the output values of the second signal processor 82 and calculate the mass flow rate of the gas flowing through the bypass capillary 30 and the first to second measuring capillaries 21 and 22 for the change of the resistance value. The control unit 90 outputs an electrical signal.
본 실시예에서는 제 1측정모세관의 직경보다 제 2측정모세관의 직경이 더 큰 것을 사용하여 설명한다. In this embodiment, the diameter of the second measuring capillary is larger than that of the first measuring capillary.
위와 같이 구성될 경우 가스 주입로(10)를 통해 흐르는 가스유량은 바이패스모세관(30)과 제 1측정모세관(21)과 제 2측정모세관(22)을 통해 흐르는 가스유량의 총합으로 수학식 2에 의해 구해진다. When the gas flow path 10 is configured as described above, the gas flow rate flowing through the gas injection path 10 is the sum of the gas flow rates flowing through the bypass capillary tube 30, the first measurement capillary tube 21, and the second measurement capillary tube 22. Obtained by
이때 모세관을 통해 흐르는 가스유량은 모세관의 단면적에 의한 값으로 도 4에 도시된 바와 같이 (가)와 같은 제 1측정모세관(21)을 통해 흐르는 가스유량()은 제 1측정모세관(21)의 단면적()에 비례하고, (나)와 같은 제 2측정모세관(22)을 통해 흐르는 가스유량()도 제 2측정모세관(22)의 단면적 ()에 비례하게 된다. 또한, (다)와 같은 바이패스모세관(30)을 통해 흐르는 가스유량()은 바이패스모세관(30)내에서 가스가 통과할 수 있는 단면적 ()에 비례하게 된다.At this time, the gas flow rate flowing through the capillary tube is a value based on the cross-sectional area of the capillary tube and the gas flow rate flowing through the first measuring capillary tube 21 as shown in (a) ( ) Is the cross-sectional area of the first measuring capillary tube ( ) And the gas flow rate flowing through the second measuring capillary tube 22 as Also the cross-sectional area of the second measuring capillary tube ( Is proportional to). In addition, the gas flow rate flowing through the bypass capillary tube 30 as shown in ) Is the cross-sectional area through which gas can pass in the bypass capillary ( Is proportional to).
따라서, 수학식 2에서 사용된 제 1측정모세관(21)을 통해 흐르는 가스유량()에 대한 제 2측정모세관(22)을 통해 흐르는 가스유량()의 질량흐름비(k2)와 제 1측정모세관(21)을 통해 흐르는 가스유량()에 대한 바이패스모세관(30)을 통해 흐르는 가스유량()의 질량흐름비(kb)는 다음의 수학식 3에 의해서 구해진다.Therefore, the gas flow rate flowing through the first measurement capillary tube 21 used in Equation 2 Gas flow rate flowing through the second measuring capillary 22 for Mass flow ratio (k 2 ) and gas flow rate flowing through the first measuring capillary (21) Gas flow rate through the bypass capillary 30 for The mass flow ratio k b of ) is calculated by the following equation.
이와 같이 제 1측정모세관(21)을 통해 흐르는 가스유량()을 측정할 경우 제 2측정모세관(22)을 통해 흐르는 가스유량()과 바이패스모세관(30)을 통해 흐르는 가스유량()은 수학식 2와 수학식 3을 통해 계산할 수 있어 가스 주입로(10)를 통과하는 전체적인 가스유량()을 측정할 수 있게 된다. 이때 제 2측정모세관(22)을 통해 흐르는 가스유량()은 측정하여 얻을 수 있다.In this way, the gas flow rate flowing through the first measurement capillary tube 21 ( When measuring the gas flow rate flowing through the second measuring capillary tube ( ) And the gas flow rate flowing through the bypass capillary tube 30 ( ) Can be calculated through Equation 2 and Equation 3 so that the overall gas flow rate through the gas injection path 10 ( ) Can be measured. At this time, the gas flow rate flowing through the second measuring capillary tube 22 ) Can be obtained by measurement.
가스 주입로(10)가 오염이 되지 않고 정상적으로 작동될 때는 수학식 2와 수학식 3에 의해서 구해질 수 있지만 도 5와 같이 제 1내지 제 2측정모세관(21,22)과 바이패스모세관(30)이 오염되었을 경우에는 각각의 관로를 통해 흐르는 가스유량에 차이가 발생하게 될 뿐만 아니라 질량흐름비에 차이가 발생하여 수학식 2와 수학식 3에 의해서 측정할 수 없게 된다. When the gas injection path 10 is normally operated without being polluted, it may be obtained by Equation 2 and Equation 3, but as shown in FIG. 5, the first to second measurement capillaries 21 and 22 and the bypass capillary tube 30 may be obtained. If the) is contaminated, not only the difference in the gas flow rate flowing through each pipe line, but also a difference in the mass flow rate, can not be measured by the equation (2) and (3).
이와 같이 오염이 발생했을 때 제 1내지 제 2측정모세관(21,22)과 바이패스모세관(30)을 통해 흐르는 가스유량의 총합()은 수학식 4와 같이 정의된다.When the contamination occurs as described above, the sum of the gas flow rates flowing through the first to second measurement capillaries 21 and 22 and the bypass capillary tube 30 ( ) Is defined as in Equation 4.
이때, 도 5의 (가)와 (나)같이 오염된 제 1내지 제 2측정모세관(21,22)의 경우 수학식 4에서의 오염된 제 1측정모세관(21)에 대한 오염된 제 2측정모세관(22)의 질량흐름비(k2') 는 다음의 수학식 5에 의해 구해진다.At this time, in the case of the contaminated first to second measurement capillaries 21 and 22 as shown in (a) and (b) of FIG. 5, the contaminated second measurement on the contaminated first measurement capillary tube 21 in Equation 4 is performed. The mass flow ratio k 2 ′ of the capillary tube 22 is obtained by the following equation (5).
이때 오염된 제 1내지 제 2측정모세관의 직경은 오염물질이 내벽을 감싸고 있기 때문에 2t만큼 줄어들게 된다. 즉, 오염된 제 1측정모세관의 직경()은 이 되고 제 2측정모세관의 직경()은 이 된다.At this time, the diameter of the contaminated first to second measuring capillaries is reduced by 2t because the contaminants surround the inner wall. That is, the diameter of the contaminated first measuring capillary ( )silver And the diameter of the second measuring )silver Becomes
오염된 제 1내지 제 2측정모세관의 직경을 수학식 5에 적용하면 수학식 6과 같이 정리된다. Applying the diameter of the contaminated first to second measuring capillaries to Equation 5 is summarized as Equation 6.
수학식 6에서 이 1보다 현저하게 작을 경우 이 값을 무시를 할 수 있게 됨으로 수학식 7과 같이 정리된다.In equation (6) If it is significantly smaller than 1, this value can be ignored, and thus it is summarized as in Equation 7.
수학식 7의 값을 오염된 두께인 t값으로 정리하면 수학식 8과 같이 된다. When the value of Equation 7 is arranged into a contaminated thickness t, it is expressed as Equation 8.
그런데, 오염된 제 1측정모세관(21)에 대한 제 2측정모세관(22)의 질량흐름비()는 측정값에 의해 구할 수 있기 때문에 관로내에 오염된 두께인 t는 수학식 8에 의해서 구할 수 있게 된다.However, the mass flow ratio of the second measuring capillary 22 to the contaminated first measuring capillary 21 ( ) Can be obtained by the measured value, so the thickness t, which is contaminated in the pipeline, can be obtained by Equation (8).
한편, 오염된 제 1측정모세관(21)에 대한 바이패스모세관(30)의 질량흐름비()는 수학식 9와 같이 정의된다.Meanwhile, the mass flow ratio of the bypass capillary 30 to the contaminated first measuring capillary 21 ( ) Is defined as in Equation 9.
이때 오염된 바이패스모세관(30)의 직경은 오염물질에 의해 줄어들게 되는데 바이패스모세관(30)은 제 1내지 제 2측정모세관(21,22)에 비해 열을 적게 받기 때문에 오염의 진행속도가 제 1내지 제 2측정모세관(21,22)에 비해 느려서 전체적인 오염물질의 두께는 αt의 관계식을 갖게 된다. 이때 α는 실험적으로 구할 수 있는 값으로 0 < α < 1 범위의 값이다.At this time, the diameter of the contaminated bypass capillary tube 30 is reduced by contaminants. However, since the bypass capillary tube 30 receives less heat than the first to second measuring capillaries 21 and 22, the progress of contamination is zero. Compared to the first to second measuring capillaries 21 and 22, the thickness of the entire contaminant has a relation of αt. Α is a value that can be obtained experimentally and is in the range of 0 <α <1.
따라서, 도 5의 (다)와 같이 오염된 바이패스모세관(30)의 외부 직경는 로 표시할 수 있으며 내부 직경 는 로 표시할 수 있다. 그래서, 수학식 9를 다시 정리하면 수학식 10과 같이 된다.Therefore, the outer diameter of the contaminated bypass capillary tube 30 as shown in FIG. Is Internal diameter Is Can be displayed as Thus, rearranging the equation (9) is as shown in the equation (10).
수학식 10에서 이 1보다 현저하게 적기 때문에 무시하고 는 수학식 3에 의해 kb로 대치하면 수학식 11과 같이 정리된다.In equation (10) Because this is significantly less than 1 Is replaced with k b by Equation 3, and is summarized as in Equation 11.
따라서, 본 발명에 의한 열량형 질량유량 측정센서를 통해 가스 주입로(10)를 통과하는 가스유량()을 측정할 경우 제 1내지 제 4발열소자(41,42,43,44)에 의해 제 1내지 제 2측정모세관(21,22)을 통과하는 가스유량(,)에 따라 온도차가 변하게 되는 값을 제 1내지 제 2휘스톤 브리지(51,52)에 연결된 제 1내지 제 4발열소자(41,42,43,44)의 저항값 변화를 감지하여 제 1내지 제 2증폭기(71,72)를 통해 증폭 출력하는 제 1내지 제 2신호처리부(81,82)의 신호를 입력받은 제어부(90)에서 측정된 제 1측정모세관(21)을 통과하는 가스유량값()과 제 2측정모세관(22)을 통과하는 가스유량값()을 통해 수학식 3에 의해 제 1측정모세관(21)에 대한 바이패스모세관(30)의 질량유량비()를 계산한 후 수학식 2에 의해 가스 주입로를 통과하는 가스유량의 총합()을 구하게 된다.Therefore, the gas flow rate passing through the gas injection path 10 through the calorie-type mass flow rate measuring sensor according to the present invention ( ), The gas flow rate passing through the first to second measurement capillaries 21 and 22 by the first to fourth heating elements 41, 42, 43 and 44 ( , The temperature difference is changed according to the first to second heating element (41, 42, 43, 44) connected to the first to the second heating element (41, 42, 43, 44) by detecting the change in the resistance value of the first to Gas flow value passing through the first measurement capillary tube 21 measured by the control unit 90 receiving the signals of the first to second signal processing units 81 and 82 that are amplified and output through the second amplifiers 71 and 72. ( ) And the gas flow rate value passing through the second measuring capillary tube ( The mass flow rate ratio of the bypass capillary tube 30 to the first measuring capillary tube 21 by Equation 3 After calculating the sum of the gas flow rate through the gas injection path by ).
그러나 일반적인 상태에서의 가스 주입로(10)는 부식성 가스등에 의해 오염되어 있기 때문에 항상 수학식 2와 수학식 3에 의해서 구할 수 없게 된다. However, since the gas injection path 10 in a general state is contaminated by corrosive gas or the like, it cannot always be obtained by the following equations (2) and (3).
따라서, 오염된 가스 주입로(10)를 통과하는 가스유량값()을 보정하기 위해 측정되는 제 1내지 제 2측정모세관(21,22)을 통해 흐르는 가스유량(,)을 측정한 값을 기반으로 수학식 7내지 수학식 8과 수학식 11을 통해 오염된 제 1측정모세관(21)에 대한 오염된 바이패스모세관(30)의 질량유량비()를 구한 후 수학식 4를 통해 가스 주입로(10)를 통과하는 가스유량을 계산하여 출력함으로써 자체보정된 값을 제어부(90)에서 전기적인 신호로 출력하게 된다.Therefore, the gas flow rate value passing through the contaminated gas injection passage 10 ( Gas flow rate flowing through the first to second measurement capillaries 21 and 22 measured to correct , The mass flow rate ratio of the contaminated bypass capillary tube 30 to the contaminated first measuring capillary tube 21 through Equations 7 to 8 and 11 based on the measured values ) And then calculate and output the gas flow rate passing through the gas injection path 10 through Equation 4 to output the self-corrected value as an electrical signal from the controller 90.
한편, 오염정도가 심해짐에 따라 측정감도 저하되어 계산값에 의한 보정범위를 넘을 경우 경고를 하기 위해 제 1측정모세관(21)에 의해 측정되는 가스유량값()과 제 2측정모세관(22)에 의해 측정되는 가스유량값()의 변화를 비교하여 일정범위를 벗어날 경우 제어부(90)에서 경고신호를 출력함으로써 자체보정값을 벗어남을 알려 수리를 받을 수 있도록 한다.On the other hand, as the degree of contamination increases, the measurement sensitivity decreases and the gas flow rate value measured by the first measuring capillary tube 21 to give a warning when it exceeds the correction range by the calculated value ( ) And the gas flow rate value measured by the second measuring capillary 22 ( By comparing the change in the) and out of a certain range by outputting a warning signal from the control unit 90 to notify the deviation of the self-calibration value to be repaired.
본 실시예에서는 동일 중심축에 심이 형성된 관으로써 심의 외측을 따라 가스가 흐르는 구조로 바이패스모세관을 모델링하였으나 바이패스모세관의 구조가 다를 경우에도 바이패스모세관을 통해 흐르는 가스량을 새롭게 모델링할 경우 본 발명에 의한 동일한 관계식에 의해 동일한 방법으로 가스 주입로를 통과하는 가스유량을 측정할 수 있다. In the present embodiment, the bypass capillary is modeled as a structure in which gas flows along the outer side of the core as the core is formed on the same central axis. By the same relational expression, it is possible to measure the gas flow rate passing through the gas injection passage in the same manner.
상기한 바와 같이 본 발명은 열량형 질량유량 측정센서에서 가스유량을 측정하기 위한 기초값과 더불어 오염에 따라 변하는 정도를 파악하고 자체 보상을 하기 위한 기준값을 측정하여 일정범위 내에서는 기초값과 기준값을 통해 자체적인 진단과 보상작용을 행하여 가스유량값을 출력함으로써 이상상태가 발생하여도 일정한 범위내에서는 가스의 유량을 제어하는데 큰 오차가 없어지는 이점이 있다. As described above, the present invention measures the base value for measuring the gas flow in the caloric-type mass flow sensor and the degree of change according to contamination, and measures the reference value for self-compensation to determine the base value and the reference value within a certain range. By performing a self-diagnosis and compensation action through the output gas flow value there is an advantage that a large error in controlling the flow rate of the gas within a certain range even if an abnormal condition occurs.
또한, 이상상태가 일정한 범위를 벗어날 경우 경고를 함으로써 일정한 시간을 사용한 후 일방적으로 수리하거나 교체하는데 소요되는 시간과 경제적인 손실을 줄일 수 있는 이점이 있다. In addition, there is an advantage to reduce the time and economic loss of unilateral repair or replacement after using a certain time by warning when the abnormal condition is out of a certain range.
도 1은 종래의 열량형 질량유량 측정센서를 나타낸 구성도이다. 1 is a block diagram showing a conventional calorie-type mass flow rate measuring sensor.
도 2는 측정모세관의 온도변화를 설명하기 위한 그래프이다. 2 is a graph for explaining the temperature change of the measurement capillary.
도 3은 본 발명에 의한 열량형 질량유량 측정센서를 나타낸 구성도이다. 3 is a block diagram showing a calorie-type mass flow rate measuring sensor according to the present invention.
도 4는 오염되지 않은 가스 주입로의 내부를 나타낸 단면도이다. 4 is a cross-sectional view showing the interior of an uncontaminated gas injection path.
도 5는 오염된 가스 주입로의 내부를 나타낸 단면도이다. 5 is a cross-sectional view showing the inside of a contaminated gas injection path.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 - -Explanation of symbols for the main parts of the drawings-
10 : 가스 주입로 20 : 측정모세관10: gas injection furnace 20: measuring capillary
21, 22 : 제 1내지 제 2측정모세관 21, 22: first to second measuring capillary
30 : 바이패스모세관 41,42,43,44 : 제 1내지 제 4발열소자30: bypass capillary 41, 42, 43, 44: the first to fourth heating element
50 : 휘스톤 브리지 51,52 : 제 1내지 제 2휘스톤 브리지50: Wheatstone Bridge 51,52: First to Second Wheatstone Bridge
60 : 정전류원 61,62 : 제 1내지 제 2정전류원 60: constant current source 61,62: first to second constant current source
70 : 증폭기 71, 72 : 제 1내지 제 2증폭기70: amplifier 71, 72: first to second amplifier
80 : 신호처리부 81, 82 : 제 1내지 제 2신호처리부80: signal processor 81, 82: first to second signal processor
90 : 제어부90: control unit
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| KR20030034264A (en) | 2003-05-09 |
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