KR100565548B1

KR100565548B1 - 유량제어 콘트롤러 시스템

Info

Publication number: KR100565548B1
Application number: KR1020050095704A
Authority: KR
Inventors: 김광선; 윤지한; 최영학
Original assignee: 김광선; 최영학; 윤지한
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2006-03-30

Abstract

본 발명은 코르츠통의 외벽(또는 내벽)에 골드막을 형성하고 이를 여러조각으로 쪼개어 커패시터전극을 형성하여 하나의 크로스 커패시티브 센서를 만들고 이 센서에 프리앰프와 솔레노이드 밸브를 결합하여 디지탈회로의 제어에 의해 MFC(Mass Flow Controller)역할을 하도록 한 유량제어 콘트롤러 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 코르츠통(10)의 외벽에 골드막(11)을 형성하고, 이 골드막(11)을 횡방향으로 4개(또는 8개)로 쪼개어 커패시티브 전극을 형성하여 하나의 크로스 커패시티브 센서(12)를 구성한 것으로, 크로스 커패시티브 센서(12)의 코르츠통(10)내부를 흐르는 유량(또는 기체)의 커패시턴스를 측정하여 안정적인 유속신호를 얻을 수 있으며, 정확도가 ±0.5%까지 나옴을 알 수 있었다.

유량제어, 센서, 골드 필름 전극, 금속, 온도변화, 가스, 파이프라인

Description

유량제어 콘트롤러 시스템{A controller system for control of the mass flow}

도 1은 종래 유량제어 콘트롤러의 개략적인 구성도

도 2는 본 발명 커패시티브 센서의 개략 구성도

도 3과 도 4는 본 발명 센서의 단면도

도 5는 본 발명 유량제어콘트롤러가 내장된 석영 튜브의 사시도

도 6은 본 발명 유량제어콘트롤러의 전체적인 개략블럭도

도 7은 본 발명 디지탈회로의 블럭도

도 8은 본 발명의 가스압력에 따른 전기용량변화를 측정하기 위한 실험장치

의 블럭도

도 9는 본 발명의 골드필름전극이 석영튜브외부에 형성된 경우의 측정결과

를 나타낸 그래프

도 10은 본 발명의 골드필름전극이 석영튜브내부에 형성된 경우의 측정결

과를 나타낸 그래프

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10:코르츠 통 11:골드막

12:크로스 커패시티브 센서 16:프리앰프

17:솔레노이드 밸브 18:MFC

20:디지탈 제어회로

본 발명은 유량제어 콘트롤러(MFC)시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코르츠통(quartz tube)의 외벽(또는 내벽)에 골드막을 형성하고 이를 여러조각으로 쪼개어 커패시터전극을 형성하여 크로스 커패시티브 센서를 만들고 이 센서에 프리앰프와 솔레노이드 밸브를 결합하여 디지털제어회로의 제어에 의해 MFC(Mass Flow Controller)역할을 하도록 한 유량제어 콘트롤러 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 가스나 기체를 측정하기 위한 대표적인 유량계로는 오리피스를 비롯한 차압 유량계, 볼텍스 유량계, 터빈 유량계, 초음파 유량계, 면적식 유량계 그리고 열식 질량 유량계가 있다.

이들 유량계중 열식 질량 유량계를 제외한 나머지는 유체의 체적만을 측정하는 유량계로 유체측정을 필요로 하는 공정의 온도나 압력 등이 설계치와 달라질 때 이를 적절히 보정을 할 수 없는 즉 현재 배관에 흐르고 있는 유체의 양만을 측정하는 유량계이다.

그러나 가스 혹은 기체는 온도나 압력의 변화에 대단히 큰 부피의 팽창과 수축을 하게 되며, 이를 적절히 보정하지 못하게 되면 대단히 큰 측정오차를 갖게 된다.

현대의 산업은 점점 고도화, 다양화되어 왔으며 이와 더불어 유체 특히 가스의 흐름을 측정하는데 있어서도 점점 다양한 공정에서 요구되고 또한 고정밀도의 측정이 요구되기도 한다.

일반적으로 기체 측정에 있어서, 유체의 체적유량 측정값만으로 충분한 산업공정이 있는가 하면 다양한 산업분야에서 질량유량의 측정이 요구되기도 한다.

질량유량으로 가스나 기체의 측정은 다양한 산업분야에서 효율적으로 응용되고 있다.

열식 질량유량계의 경우, 흐르고 있는 유체중에 가열된 물체를 놓으면 유체와 가열된 물체사이에 열교환이 이루어짐에 따라 가열된 물체가 냉각된다.

이 냉각율은 유속의 함수가 되기 때문에 가열된 물체의 온도를 측정하는 것에 의해 유속을 구할 수 있다.

또 유체를 가열하여 일정한 온도로 높이기 위하여 필요한 에너지는 유속의 함수가 되기 때문에 흐르고 있는 유체의 온도를 어떤 일정한 온도로 높이기 위하여 필요한 에너지를 측정하면 유속을 구할 수 있으며 이러한 원리를 이용한 유량계를 열식 질량 유량계라 한다.

상기 열식 질량 유량계는 크게 바이패스 캐필러리, 파이프 직접 가열형, 삽입형 방식의 열식 질량 유량계의 3가지로 나누어지는데 이러한 열식 질량 유량계의 특징은 온도, 압력변화의 영향을 거의 받지 않고 유체의 질량 유량을 측정할 수 있으며, 저유량의 측정이 가능하고, 응답이 빠르며, 유량 측정범위가 넓고 보수 점검이 쉽다.

상기중에서 바이패스 캐필러리는 MFC로 응용되어 유체의 흐름제어에 이용되는데, 종래의 MFC는 도 1에 도시된 바와 같이 가스가 통과하는 메인파이프(1)로부터 바이패스된 가는 파이프라인(2) 중앙부분의 주변에 히터(3)를 감고 가스가 인입되는 입구부분과 가스가 통과되어 나오는 출구부분에 온도측정을 위한 코일(4)(5)이 감긴 구조를 이루고 있다.

이와 같은 종래의 MFC에 있어서는, 히터(3)에 의해 열이 전체적으로 균일하게 분포된 상태에서 가스가 파이프를 통과하면 양단에서의 온도차이가 발생되어 이 신호를 이용하여 밸브를 콘트롤하였다.

또한, 종래에는 서로 대향하고 있는 전극사이의 전기용량(예컨대, C1과 C2)을 측정하여 평균값을 구하여 사용하였다.

그러나 상기와 같은 종래 MFC는 금속 파이프 라인 온도변화의 반응속도가 민감하지 못하기 때문에 밸브 콘트롤을 위한 신호의 시간지연을 초래하는 결점이 있었다.

또한, 양산과정에서 초극세선을 권선하여 도 1과 같은 센서를 제작하는데 불량률이 많이 발생하는 결점이 있을뿐 만 아니라 외부온도에 따른 영향이 크게 작용하는 결점도 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 결점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 기존의 MFC가 가지고 있는 단점을 해결할 수 있는 컴팩트하고 소형화된 센서를 제공하고, 이러한 센서에 프리앰프와 솔레노이드 밸브를 결합하고 이들을 제어할 수 있도록 디지탈회로를 접속하여 MFC로서의 역할을 할 수 있도록 한 유량제어 콘트롤러 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명은 코르츠통의 외벽(또는 내벽)에 골드막을 형성하고 이를 4개 또는 8개로 쪼개어 커패시터 전극을 형성함을 특징으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 코르츠통의 외벽이나 내벽에 골드막을 형성하고 이를 여러 조각으로 쪼개어 커패시터전극을 형성한 크로스 커패시티브 센서와, 상기 센서에 연결되는 프리앰프 및 솔레노이드 밸브를 구비하여 유량제어 콘트롤러를 구비하고, 상기 유량제어 콘트롤러를 제어하는 디지털제어회로를 구비하여 구성함을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 디지탈 제어회로가, 센서의 커패시터 전극의 비율을 변형시키는 비율 변형부와, 상기 비율변형부에 접속되어 발진을 일으키는 발진부와, 상기 비율변형부와 발진부사이에 접속되어 시간을 지연시키는 타임 딜레이와, 상기 타임 딜레이에 접속되어 위상을 검출하는 위상검출기와, 상기 센서의 프리앰프에 접속되는 리시브 앰프와, 상기 리시브 앰프와 위상 검출기사이에 접속되어 완충역할을 하는 버퍼와, 상기 위상 검출기에 접속되는 DC앰프와, 상기 솔레노이드 밸브에 접속되는 쵸퍼 앰프와, 상기 쵸퍼 앰프에 접속되어 일측의 가변성 0-5V의 입력과 타측의 입력을 비교하는 비교기를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 커패시터전극 사이를 소정각도로 임의로 분리하여 구성하고, 폭이 작은 전극은 접지 전원이 되도록 배선하며, 폭이 큰 전극 사이의 전 기용량만 측정하여 출력으로 이용하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 유량제어 콘트롤러 시스템의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 센서를 나타낸 것으로, 코르츠통(10)의 외벽(또는 내벽)에 골드막(11)을 형성하고, 이 골드막(11)을 4개 또는 8개로 쪼개어 커패시티브 전극을 형성하여 하나의 크로스 커패시티브 센서(12)를 구성함으로써 코르츠통(10)내부를 흐르는 유량(또는 기체)의 커패시턴스를 측정하여 안정적인 유속신호를 얻을 수 있도록 한 것이다.

도 3과 도 4는 상기 크로스 커패시티브 센서(12)의 등전위면을 나타낸 단면으로, 골드막(11)이 형성된 코르츠통(10)을 원통금속관(13)내에 설치되어 있다. 이는 전극사이를 소정각도로 분리하여 구성하고, 폭이 작은 전극은 항상 접지전원이 되도록 배선하며, 폭이 큰 전극사이의 전기용량만 측정하여 출력으로 이용하도록 구성한 것이다.

상기의 소정각도는 자유롭게 변경이 가능하도록 구성할 수 있다.

도 5는 상기 코르츠통(10)을 원통금속관(13)내에 내장하여 구성한 실시예를 나타낸 것으로, 원통금속관(13)의 일측에 가스를 인가하는 파이프(14)가 설치되고, 반대쪽에 가스를 배출하는 파이프(15)를 설치하여 구성된다.

단, 크로스 커패시티브 센서(12)의 전극으로부터 전기용량 측정기까지의 배선은 외부로부터 유입되는 잡음 및 스트레이(stray) 커패시턴스 영향을 제거하기 위해 동축으로 된 단자, 케이블, 콘넥터를 사용하여 구성된다.

도 6은 본 발명의 크로스 커패시티브 센서(12)와 프리앰프(16) 및 솔레노이 드 밸브(17)를 결합하여 하나의 MFC(18)를 이루도록 하고, 상기 MFC(18)에 디지털제어회로(20)를 접속하여 MFC(18)를 제어하도록 구성한 것이다.

도 7은 상기 디지털제어회로(20)의 상세구성도를 나타낸 것으로, 크로스 커패시티브 센서(12)의 커패시터전극(C1)(C2)의 비율을 변형시키는 비율 변형부(21)와, 상기 비율변형부(21)에 접속되어 발진을 일으키는 발진부(22)와, 상기 비율변형부(21)와 발진부(22)사이에 접속되어 시간을 지연시키는 타임 딜레이(23)와, 상기 타임 딜레이(23)에 접속되어 위상을 검출하는 위상검출기(24)와, 상기 센서(12)의 프리앰프(16)에 접속되는 리시브 앰프(25)와, 상기 리시브 앰프(25)와 위상 검출기(24)사이에 접속되어 완충역할을 하는 버퍼(26)와, 상기 위상 검출기(24)에 접속되는 DC앰프(27)와, 상기 솔레노이드 밸브(17)에 접속되는 쵸퍼 앰프(28)와, 상기 쵸퍼 앰프(28)에 접속되어 일측의 가변성 0-5V의 입력과 타측의 기준신호를 비교하는 비교기(29)를 포함하여 구성된 것이다.

도 8은 본 발명의 가스 압력에 따른 전기용량의 변화를 측정하기 위한 장치의 블럭도로, 가스가 충진된 가스탱크(31)와, 가스흐름의 온/오프를 제어하기 위하여 파이프(32)에 설치된 밸브(33)와, 상기 가스탱크(31)와 밸브(33)사이에 설치되어 가스압력을 측정하기 위한 압력게이지(34)와, 상기 파이프(32)에 설치된 MFC(18)와, 상기 MFC(18)에 의해 측정된 가스량을 표시하기 위한 C-메터(35)와, 상기 MFC센서(18)에 연결되는 진공챔버(36)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 유량제어 콘트롤러 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 코르츠통(10)의 외벽에 골드막(11)을 형성하고, 이 골드막(11)을 횡방향으로 4개(또는 8개)로 쪼개어 커패시티브 전극을 형성하여 하나의 크로스 커패시티브 센서(12)를 구성한다.

도 3과 도 4는 이러한 크로스 커패시티브 센서(12)의 단면을 나타낸 것으로, 곡선은 시뮬레이션에 의해 확인된 등전위면을 나타낸다.

따라서, 이러한 크로스 커패시티브 센서(12)의 코르츠통(10)내부를 흐르는 유량(또는 기체)의 커패시턴스를 측정하여 안정적인 유속신호를 얻을 수 있게 되는 것으로, 정확도가 ±0.5%까지 나옴을 알 수 있었다.

여기서, 상기 코르츠통(10)의 외벽에 골드막(11)을 형성하는 경우와 내벽에 골드막(11)을 형성하는 경우의 실험치는 거의 동일하게 나타남을 알 수 있었으며, 이는 후술하는 도 9와 도 10에서 명확하게 알 수 있을 것이다.

또한, 상기 크로스 커패시티브 센서(12)는 도 5와 같은 원통금속관(13)내에 내장하여 사용할 수 있는 것으로, 일측에는 가스를 인가하는 파이프(14)가 설치되고, 반대쪽에 가스를 배출하는 파이프(15)를 설치된다.

도 6과 도 7은 본 발명의 MFC(18)와 디지탈 제어회로(20)의 구성을 나타낸 것으로, 먼저 MFC(18)는 크로스 커패시티브 센서(12), 프리앰프(16), 솔레노이드 밸브(17)로 구성되어 디지탈 제어회로(20)의 제어에 의해 제어를 받아 MFC센서로서의 역할을 수행하게 된다.

즉, 디지탈 제어회로(20)의 비율 변형부(21)에서는 상기 MFC(18)의 커패시터에 의해 측정된 신호의 비율을 변형시키며, 이어 발진부(22)로부터 발진되는 50- 100kHz의 발진주파수에 의해 발진이 이루어져 타임 딜레이(23)를 거치면서 소정시간 딜레이가 된 상태로 위상 검출기(24)에 입력된다.

또한, 프리앰프(16)에 의해 소정레벨 증폭된 신호는 리시브 앰프(25)를 거치면서 소정레벨 증폭되고 이어 버퍼(26)를 통해 위상 검출기(24)로 입력된다.

따라서, 위상 검출기(24)에서는 위상을 검출하게 되며, 이때 상기 위상검출기(24)에는 DC앰프(27)가 접속되어 있어 DC레벨을 증폭시키게 된다.

한편, 비교기(29)의 일측에는 0-5V의 가변저항에 의한 전압치가 입력되고, 또한 다른 일측에는 기준신호가 입력되어 이에 따른 비교치가 쵸퍼앰프(28)를 통해 증폭된 후 솔레노이드 밸브(17)로 입력되므로 솔레노이드 밸브(17)의 동작을 제어하게 된다.

도 8은 본 발명의 MFC(18)를 적용한 실험장치를 나타낸 것으로, 본 발명의 MFC(18)에 진공 챔버(36)를 설치하고 진공챔버(36)내부로 가스를 주입하면서 실험할 때와 진공챔버(36)를 설치하지 않고 공기중에 가스를 배출하면서 실험한 결과, 측정값의 오프셋 값(offset value)은 다를지라도 가스 압력에 따른 전기용량이 직선적으로 변화하는 현상은 동일하게 나타남을 알 수 있다.

도 8에서 C-메터(35)는 불확실성이 수 ppm수준인 A/H 2500 커패시턴스 브릿지를 사용한 것으로, 상기 브릿지는 커패시턴스와 소실요소(dissipation factor)를 8디지트까지 표시해 주는 표준기급 측정기이다.

도 9는 크로스 커패시턴스 측정을 위한 골드 필름 전극을 튜브외벽에 형성한 상태에서 질소가스의 압력에 따른 전기용량 변화를 측정한 결과를 나타냄을 알 수 있었다.

즉, 가스 압력(Pressure)에 따라 커패시턴스(Capacitance)는 직선적으로 변화하였으며, y축의 전기용량 변화는 소수점 이하 4자리에서 변화되고 있다.

실험결과에서 완벽한 직선이 나오지 않은 것은 실험중에 부분적으로 가스 누설이 발생되고 압력 게이지가 노후된 아날로그 형이기 때문에 측정 불확도가 크게 영향을 주고 있기 때문이다.

도 10은 골드 필름전극이 튜브 내부에 형성된 경우를 나타낸 것으로, 튜브내부표면에 전극을 형성한 센서를 별도로 제조하여 동일한 실험을 한 결과, 전극형성이 외부인 경우(Outside electrodes)와 내부인 경우(Inside electrodes)가 오프셋값은 서로 다르지만 동일한 기울기를 보여주고 있다.

이는 톰슨-램파드 정리가 오로지 길이에 의존됨을 다시 한번 실험적으로 확인한 결과이다.

상기에서 튜브내부표면에 전극을 형성한 센서를 별도로 제조하여 동일한 실험을 수행한 것은, 전극이 석영외벽에 형성되어 있어 측정 전극사이에는 가스절연체뿐만 아니라 석영튜브재질이 포함되었기 때문에 이 영향을 제거하여 골드 필름전극에 접촉하면 감도가 증가될 것이라는 기대가 있었기 때문이었지만 측정결과는 도 10과 같이 예상과 달리 나타남을 알 수 있었다.

한편, 상기에서는 기체의 경우를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 기체에 한정되는 것은 아니고 액체의 경우도 마찬가지로 적용가능하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 코르츠통의 외벽(또는 내벽)에 골드막을 형성하고 이를 여러조각으로 쪼개어 커패시터판을 형성하여 크로스 커패시티브 센서를 만들고 이 센서에 프리앰프와 솔레노이드 밸브를 결합하여 디지탈회로의 제어에 의해 MFC(Mass Flow Controller)역할을 하도록 하는 효과를 갖는다.

또한, 기존과 같이 아날로그방식의 브릿지회로를 사용하지 않고, 디지탈 브릿지 회로를 사용하므로 보다 안정적인 유속신호를 얻을 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

코르츠통의 외벽이나 내벽에 골드막을 형성하고 이를 여러조각으로 쪼개어 커패시터 전극을 형성하여 이루어지는 크로스 커패시티브 센서와, 상기 크로스 커패시티브 센서에 연결되는 프리앰프 및 솔레노이드 밸브를 구비하여 유량제어 콘트롤러(MFC)를 구비하고,

상기 유량제어 콘트롤러(MFC)를 제어하는 디지털제어회로를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량 제어 콘트롤러 시스템.
제1항에 있어서, 상기 디지털제어회로가,

센서의 커패시터전극의 비율을 변형시키는 비율 변형부와, 상기 비율변형부에 접속되어 발진을 일으키는 발진부와, 상기 비율변형부와 발진부사이에 접속되어 시간을 지연시키는 타임 딜레이와, 상기 타임 딜레이에 접속되어 위상을 검출하는 위상검출기와, 상기 센서의 프리앰프에 접속되는 리시브 앰프와, 상기 리시브 앰프와 위상 검출기사이에 접속되어 완충역할을 하는 버퍼와, 상기 위상 검출기에 접속되는 DC앰프와, 상기 솔레노이드 밸브에 접속되는 쵸퍼 앰프와, 상기 쵸퍼 앰프에 접속되어 일측의 가변성 0-5V의 입력과 타측의 기준신호를 비교하는 비교기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량 제어 콘트롤러 시스템.
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