KR100710630B1 - 압력센서, 압력 제어장치 및 압력식 유량 제어장치의 자동영점 보정장치 - Google Patents

압력센서, 압력 제어장치 및 압력식 유량 제어장치의 자동영점 보정장치 Download PDF

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카주히코 수기야마
쇼이찌 히노
에이지 타카하시
마코토 사에구사
노부카주 이케다
코우지 니시노
료우수케 도히
토요미 우에노야마
카쯔유키 수기타
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가부시키가이샤 후지킨
다다히로 오미
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Abstract

압력센서의 경시 영점 드리프트를 자동 보정하여, 그 사용기간에 관계없이 압력을 정확하게 검출할 수 있게 한 압력센서와, 이것을 사용한 압력 제어장치 및 유량 제어장치를 제공하는 것이다.
구체적으로는, 유체 압력을 측정하는 반도체 감압소자를 이용한 압력센서에 있어서, 압력센서로부터의 센서 출력 전압을 증폭기를 통해서 외부로 출력함과 아울러 상기 센서 출력 전압을 D/A변환기를 통해서 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 그 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에 있어서 상기 센서 출력 전압이 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 또한 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에 있어서 압력센서의 작동조건을 판정하여, 상기 센서 출력 전압이 설정값보다 크고 또한 압력센서의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때는, D/A변환기를 통해서 상기 센서 출력 전압과 동일한 전압이며 또한 역극성인 영점 보정용 전압을 상기 증폭기의 오프셋 단자에 입력하여, 압력센서의 경시 영점 드리프트를 소거한다.

Description

압력센서, 압력 제어장치 및 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 보정장치{AUTOMATIC ZERO POINT-CORRECTING DEVICE FOR PRESSURE SENSOR, PRESSURE CONTROLLER, AND PRESSURE-TYPE FLOW RATE CONTROLLER}
본 발명은, 주로 반도체 제조설비나 화학플랜트 등에서 사용되는 압력센서, 압력 제어장치 및 압력식 유량 제어장치에 관한 것이고, 유체의 압력을 계측하는 압력센서의 출력이 경시변화할 경우에, 그 변화량(드리프트량)이 소정의 설정값을 초과하면 자동적으로 압력센서 영점 보정을 행함으로써, 압력 검출값의 경시변화에 의한 압력이나 유량의 측정오차의 발생을 방지할 수 있게 한 압력센서, 압력 제어장치 및 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 보정장치에 관한 것이다.
반도체 제조설비나 화학품 제조설비 등에 있어서는, 각종 원료가스의 공급 유량이나 공급 압력 등을 고정밀도로 제어하는 것이 요구되고, 이것 등의 요구에 대응하기 위해서, 다양한 형식의 압력 제어장치나 유량 제어장치 및 이것에 이용하는 압력센서가 개발되어 있다.
도 13 및 도 14는 종전의 유량 제어장치의 일례를 나타내는 것이고, 도 13(US특허 제5146941호)에 있어서는, 오리피스(F)의 상류측 가스압(P1)과, 오리피스 (F)의 입구측과 스로트(throat)부 사이의 차압(δP)을 연산수단(C)에 입력하고, 그 연산수단(C)에 의해 산출된 유량(Wg)과 설정 유량(Wr)에 기초하여, 밸브 컨트롤러(VC)를 통해서 컨트롤 밸브(V)를 개폐 제어함으로써, 오리피스 하류측의 가스 유량을 설정 유량으로 제어하도록 하고 있고, 소위 차압식 유량 제어장치로서 주지의 것이다.
마찬가지로 도 14(일본 특허공개 평8-338546호)는, 종전의 압력식 유량 제어장치의 일례를 나타내는 것이고, 임계조건하에서 오리피스 하류측의 가스 유량을 Qc=KP1(단, P1은 오리피스 상류측 압력)로 하여 연산수단(C)에 의해 연산하고, 설정 유량(Qs)과 상기 연산 유량(Qc)의 차가 작아지는 방향으로 컨트롤밸브(V)를 개폐 제어함으로써, 오리피스(F)의 하류측의 가스 유량을 설정값으로 제어하도록 하고 있고, 임계조건(P2/P1 ≤ 약 0.5) 하에서 사용하는 압력식 유량 제어장치로서 공지의 것이다.
또한, 상술한 바와 같은 유량 제어장치 등에 있어서는, 모든 오리피스(F)의 상류측의 가스압(P1) 등을 검출할 필요가 있고, 이들 압력 검출에는, 스트레인 게이지 등의 반도체 감압소자를 이용한 압력센서가 많이 이용되고 있다.
그런데, 상기 유체 압력(P1)을 검출하는 압력센서는, 센서 주위의 환경조건 예컨대 가스 온도 등에 의해, 그 출력값이 변동하는 것으로 판명되어 있다. 즉, 동일한 유체 압력 내에 배치한 압력센서에서도, 유체온도가 변동하는 것에 의해 압력센서의 출력값이 변동한다.
예컨대, 상기 스트레인 게이지형 압력센서에서는, 압력이 전압으로 변환되고, 가로축을 압력으로 하면 세로축이 출력전압에 대응하는 관계로 된다. 또한, 출력 특성으로서는, 절대압력이 0일 때에 출력전압이 0이 되고, 절대압력의 증가와 아울러 출력전압이 직선적으로 증가한다는 특성의 것이 바람직하다.
그러나, 현실의 압력센서는, 상기한 바와 같이 가스 온도가 변화하면, 동일한 가스압력하에서도 센서 출력이 변화되는데다가, 압력-출력특성은 엄밀한 직접관계가 없는 것으로 판명되어 있다.
구체적으로는, 압력센서에 가해지는 압력이 0일 때의 센서 출력을 영점 출력이라고 말하고, 이 영점이, 온도변화에 의해 변동하는 것을 영점 출력의 온도 드리프트라고 칭한다. 또한, 가압시의 센서 출력의 온도에 의한 변동을 스팬 출력의 온도 드리프트라고 칭하고, 정확한 센서 출력을 얻기 위해서는, 영점 출력의 온도 드리프트와 스팬 출력의 온도 드리프트 양자의 조정이 필요하게 된다.
예컨대, 현재 압력센서의 영점 출력의 온도 드리프트가 없고, 그 영점 전압이 0(V)인 것으로 가정한다. 그리고, 이 압력센서에 절대압력이 1.0(×102㎪A) 즉 1atm의 가스압이 가해졌을 때의 압력센서의 출력전압이 20㎷인 것으로 가정한다. 이 상태에서 가스 온도를 변화시킨 경우, 당연히 그 출력전압은 20㎷로부터 변화한다. 이 변동이 상술한 스팬 출력의 온도 드리프트이다. 실제로는, 영점 출력의 온도 드리프트가 있기 때문에, 임의 압력에 있어서의 스팬 출력의 온도 드리프트에는, 영점 전압의 변동분(영점 출력 드리프트)이 가산되어 출현하게 된다.
이와 같이, 상류측 압력(P1) 및/또는 하류측 압력(P2)을 측정하면서 오리피스 통과 유량을 제어하는 압력식 유량 제어장치 등에서는, 압력센서의 출력전압에 영점 출력의 온도 드리프트와 스팬 출력의 온도 드리프트라는 온도 변동 특성이 포함되기 때문에, 그 출력전압을 직접 압력으로 변환하면, 압력(P1,P2)에 오차가 포함되게 된다.
그 때문에, 본원 발명자들은, 상기 온도 변동에 의한 압력센서의 영점 출력의 온도 드리프트 및/또는 스팬 출력의 온도 드리프트를 제어회로나 제어 소프트에 의해 자동 보정하여, 유체 압력이나 압력제어, 유량제어를 보다 정확하게 행할 수 있도록 한 시스템 기술을 개발하여, 이것을 일본 특허출원 2001-399910호로서 공개하고 있다.
상기 일본 특허출원 2001-399910호에 관한 기술은, 이러한 종류의 압력센서의 온도 드리프트에 기인하는 압력이나 유량 등의 제어 오차를 비교적 간단한 구성의 장치에 의해 거의 완전히 제거할 수 있어, 우수한 실용적 효용을 거두는 것이다.
그러나, 압력센서 특히 반도체 감응소자를 이용한 압력센서에는, 상기 유체온도에 의한 출력전압의 변동뿐만 아니라, 경시적인 출력전압의 변동이 있는 것으로 최근에 판명되었다.
특히, 상기 압력센서의 경시적인 출력전압의 변동은, 오리피스(F)의 2차측을 저압(예컨대 1O-4~1O-6Torr의 진공으로부터 100Torr 정도)으로 한 상태에서 사용되는 경우에 현저하게 나타나게 되고, 반도체 제조장치의 프로세스 챔버에 각종 가스를 공급하는 장치에 사용되는 압력식 유량 제어장치에 있어서는, 그 영향을 무시할 수 없게 되어 오고 있다.
한편, 상기 압력센서의 경시적인 출력변동의 영향을 제거하기 위해서는, 압력센서의 압력-출력특성을 별도로 설치한 제어회로나 제어 소프트를 이용하여, 인위적으로 소정 양만큼 슬라이드시키는 방책이 고려된다. 그러나, 이들 경시적인 출력변동(이하 압력센서의 경시 출력 드리프트라고 칭함)을 보정하기 위한 장치를 별도로 설치하는 것은, 압력 제어장치나 유량 제어장치의 제조비용의 상승을 초래하게 되어 문제가 된다.
특허문헌1: 미국 특허 제5146941호
특허문헌2: 일본 특허공개 평8-338546호 공보
특허문헌3: 일본 특허공개 평10-82707호 공보
본 발명은, 종전의 반도체 감응소자를 이용한 압력센서나 이것을 이용한 유량·압력 제어장치에서 있어서의 상술한 바와 같은 문제, 즉 (1) 압력센서의 압력-출력특성이 경시변동을 일으키고, 이것에 의해 유량·압력 등의 제어 정밀도가 악화되는 것, (2) 상기 경시 출력 드리프트를 보정하는 수단을 별도로 설치하는 경우에는, 유량·압력 제어장치의 제조비용의 상승을 초래하는 것 등의 문제를 해결하고자 하는 것이며, 유량·압력 제어장치에 구비되어 있는 압력센서의 압력-출력특성의 온도 드리프트 보정수단을 유효하게 활용함으로써, 대폭적인 제조비용의 상승을 초래하는 일없이 압력센서의 경시 영점 드리프트를 간단하게 또한 정확하게 보정할 수 있게 한, 압력센서, 압력 제어장치 및 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 조정장치를 제공하는 것이다.
본원 발명자들은, 압력센서의 경시변화에 의한 압력-출력변동을 해석하기 위해서, 압력센서뿐만 아니라, 이것을 이용한 압력 제어장치나 압력식 유량 제어장치를 이용하여, 이하에 나타내는 바와 같은 각종 실험을 거듭해 왔다.
그리고, 이들 실험결과로부터, 반도체 감응소자를 이용한 압력센서에 있어서는, (1) 압력센서의 영점이 경시변화를 일으키는 것, (2) 진공의 조건하에서 사용했을 때는, 영점의 경시변화가 반드시 마이너스측으로 향해 변동하는 것(즉, 압력-출력특성에 있어서의 압력 0일 때의 출력값이 -측으로 변동하는 것) 및 (3) 압력센서의 영점이 -측으로 변동하고, 이 변동분만큼 압력제어 정밀도의 오차가 +측으로 변동하는 것[즉, 압력 0일 때의 출력값이 영점으로부터 -측, 예컨대 풀 스케일(Full scale) 출력전압의 0.2%에 상당하는 전압(Δv)만큼 -측으로 변동하면, 압력제어 정밀도의 오차는 풀 스케일 출력전압의 O.2%에 상당하는 전압(Δv)만큼 상승하게 된다.]을 지득했다.
본원 발명은, 상기와 같은 사상의 지득을 기초로 하여 창작된 것이며, 청구항1의 발명은, 유체 압력을 측정하는 압력센서에 있어서, 압력센서로부터의 센서 출력 전압을 외부로 출력함과 아울러, 상기 센서 출력 전압을 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 그 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에 있어서 출력 전압 드리프트가 마이너스측에 있는 것을 판별하는 것에 의해, 경시 영점 드리프트의 조정을 행할 수 있는지를 판단하여 조정을 실행함과 아울러, 상기 센서 출력 전압 드리프트가, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 제어 정밀도 이하의 압력에 대응하는 전압 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값을 초과하고 있을 경우에는, 경시변화에 의한 영점 드리프트의 조정이 필요하다고 자기판단하고, 또한, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에 있어서 압력센서의 작동조건을 판정하여, 상기 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때는, 압력센서의 경시 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 한 것을 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항2의 발명은, 청구항1의 발명에 있어서, 압력센서에 반도체 감압소자를 이용하고, 또한, 센서의 출력전압을 증폭기를 통해서 외부로 출력함과 아울러 A/D변환기를 통해서 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 또한, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서가 설정한 작동조건하에 있을 때는, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 D/A변환기를 통해서 상기 센서 출력 전압 드리프트와 동일한 전압이며 또한 역극성인 영점 보정용 전압을 상기 증폭기의 오프셋 단자에 입력하는 구성으로 한 것을 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항3의 발명은, 압력제어용 컨트롤 밸브와 유체 압력을 측정하는 압력센서를 구비한 압력 제어장치에 있어서, 압력센서로부터의 센서 출력 전압을 외부로 출력함과 아울러, 상기 센서 출력 전압을 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에 있어서 출력 전압 드리프트가 마이너스측에 있는 것을 판별하는 것에 의해, 경시 영점 드리프트의 조정을 행할 수 있는지를 판단하여 조정을 실행함과 아울러, 상기 센서 출력 전압 드리프트가, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 제어 정밀도 이하의 압력에 대응하는 전압 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값을 초과하고 있을 경우에는, 경시변화에 의한 영점 드리프트의 조정이 필요하다고 자기판단하고, 또한, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에 있어서 압력센서의 작동조건을 판정하여, 상기 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때는, 압력센서의 경시 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 한 것을 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항4의 발명은, 청구항3의 발명에 있어서, 압력센서에 반도체 감압소자를 이용하고, 또한, 센서의 출력전압을 증폭기를 통해서 외부로 출력함과 아울러 A/D변환기를 통해서 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 또한, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서가 설정한 작동조건하에 있을 때는, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 D/A변환기를 통해서, 상기 센서 출력 전압 드리프트와 동일한 전압이며 또한 역극성인 영점 보정용 전압을 상기 증폭기의 오프셋 단자에 입력하는 구성으로 한 것을 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항5의 발명은, 유량제어용 오리피스, 오리피스의 상류측 배관에 설치한 컨트롤 밸브, 및 오리피스와 컨트롤 밸브 사이에 설치하여 상류측 압력(P1)을 검출하는 상류측 압력센서로 구성되고, 상류측 압력(P1)에 의해 오리피스 통과 유량을 제어하는 압력식 유량 제어장치에 있어서, 상기 압력센서로부터의 센서 출력 전압을 유량 연산수단에 출력함과 아울러, 상기 센서 출력 전압을 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에 있어서 출력 전압 드리프트가 마이너스측에 있는 것을 판별하는 것에 의해, 경시 영점 드리프트의 조정을 행할 수 있는지를 판단하여 조정을 실행함과 아울러, 상기 센서 출력 전압 드리프트가, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 제어 정밀도 이하의 압력에 대응하는 전압 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값을 초과하고 있을 경우에는, 경시변화에 의한 영점 드리프트의 조정이 필요하다고 자기판단하고, 또한, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에 있어서 압력센서의 작동조건을 판정하여, 상기 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때는, 압력센서의 경시 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 한 것을 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항6의 발명은, 청구항5의 발명에 있어서, 압력센서에 반도체 감압소자를 이용하고, 또한, 센서의 출력전압을 증폭기를 통해서 외부로 출력함과 아울러 A/D변환기를 통해서 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 또한, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서가 설정한 작동조건하에 있을 때는, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 D/A변환기를 통해서, 상기 센서 출력 전압 드리프트와 동일한 전압이며 또한 역극성인 영점 보정용 전압을 상기 증폭기의 오프셋 단자에 입력하는 구성으로 한 것을 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항7의 발명은, 유량제어용 오리피스, 오리피스의 상류측 배관에 설치한 컨트롤 밸브, 오리피스와 컨트롤 밸브 사이에 설치하여 상류측 압력(P1)을 검출하는 상류측 압력센서, 및 오리피스의 하류측 배관에 설치되어 하류측 압력(P2)을 검출하는 하류측 압력센서로 구성되고, 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)에 의해 오리피스 통과 유량을 제어하는 압력식 유량 제어장치에 있어서, 압력센서로부터의 센서 출력 전압을 유량 연산수단에 출력함과 아울러, 상기 센서 출력 전압을 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에 있어서 출력 전압 드리프트가 마이너스측에 있는 것을 판별하는 것에 의해, 경시 영점 드리프트의 조정을 행할 수 있는지를 판단하여 조정을 실행함과 아울러, 상기 센서 출력 전압 드리프트가, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 제어 정밀도 이하의 압력에 대응하는 전압 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값을 초과하고 있을 경우에는, 경시변화에 의한 영점 드리프트의 조정이 필요하다고 자기판단하고, 또한, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에 있어서 압력센서의 작동조건을 판정하여, 상기 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때는, 압력센서의 경시 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 한 것을 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항8의 발명은, 청구항7의 발명에 있어서, 압력센서에 반도체 감압소자를 이용하고, 또한, 센서의 출력전압을 증폭기를 통해서 외부로 출력함과 아울러 A/D변환기를 통해서 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 또한, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서가 설정한 작동조건하에 있을 때는, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 D/A변환기를 통해서, 상기 센서 출력 전압 드리프트와 동일한 전압이며 또한 역극성인 영점 보정용 전압을 상기 증폭기의 오프셋 단자에 입력하는 구성으로 한 것을 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항9의 발명은, 청구항1, 청구항3 또는 청구항4의 발명에 있어서, 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에서 기준으로 하는 설정값을, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 -0.13%에 상당하는 센서 출력 전압으로 하도록 한 것이다.
청구항10의 발명은, 청구항3 또는 청구항4의 발명에 있어서, 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에서 기준으로 하는 설정 작동조건을, 컨트롤 밸브로의 강제 개방의 신호의 유무와, 강제 폐쇄의 신호의 유무와, 유량의 설정 신호가 0인 것의 3조건으로 하도록 한 것이다.
청구항11의 발명은, 청구항5, 청구항6, 청구항7 또는 청구항8의 발명에 있어서, 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에서 기준으로 하는 설정값을, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 -0.13%에 상당하는 센서 출력 전압으로 하도록 한 것이다.
청구항12의 발명은, 청구항5, 청구항6, 청구항7 또는 청구항8의 발명에 있어서, 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에서 기준으로 하는 설정 작동조건을, 컨트롤 밸브로의 강제 개방신호의 유무와, 강제 폐쇄신호의 유무와, 유량 설정신호가 0인 것의 3조건으로 하도록 한 것이다.
청구항13의 발명은, 청구항4의 발명에 있어서, 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 영점 보정용 전압을 증폭기의 오프셋 단자에 출력하는 D/A변환기를, 상기 압력식 유량 제어장치의 유량 연산수단에 설치한 압력센서의 온도 드리프트 보정수단과 공용하도록 한 것이다.
청구항14의 발명은, 청구항6 또는 청구항8의 발명에 있어서, 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 영점 보정용 전압을 증폭기의 오프셋 단자에 출력하는 D/A변환기를, 상기 압력식 유량 제어장치의 유량 연산수단에 설치한 압력센서의 온도 드리프트 보정수단과 공용하는 구성으로 한 것이다.
[발명의 효과]
본원 청구항1의 발명에 있어서는, 경시 영점 드리프트 보정수단에 의해 판단한 결과에 기초하여, 경시변화에 의해 생기는 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 하고 있기 때문에, 압력센서의 압력 검출 정밀도가 대폭적으로 향상된다.
본원 청구항2의 발명에 있어서는, 경시 영점 드리프트 보정수단에 의해 판단한 결과에 기초하여, 압력센서의 경시변화에 의해 생긴 드리프트 전압과 동일하며 또한 역극성인 전압을 압력센서의 출력을 증폭하는 증폭기의 오프셋 단자에 입력함으로써, 상기 경시변화에 의해 생기는 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 하고 있다. 그 결과, 압력센서의 압력 검출 정밀도가 대폭적으로 향상된다.
청구항3 내지 청구항8의 발명에 있어서도, 압력제어나 유량제어의 기초를 행하는 압력센서의 압력 검출 정밀도가 향상되기 때문에, 압력이나 유량의 제어 정밀도가 대폭적으로 향상된다.
또한, 청구항9 및 청구항11의 발명에 있어서는, 압력센서에서 검출하는 풀 스케일 압력(FS)의 제어 정밀도 이하, 예컨대 풀 스케일 압력(FS)의 0.13%에 상당하는 센서 출력 전압을 기준으로 하여 자동 영점보정을 행하도록 하고 있기 때문에, 항상 유량 측정값을 소정의 정밀도 범위 내로 유지할 수 있다.
또한, 청구항10 및 청구항12의 발명에 있어서는, 오리피스 상류측의 압력센서가 설치되어 있는 환경조건이 진공에 가까운 상태에 있을 경우에, 자동적으로 경시 영점 드리프트의 보정이 행해지기 때문에, 보다 고밀도로 영점 드리프트의 소거를 행하는 것이 가능하게 된다.
청구항13 및 청구항14의 발명에 있어서는, 증폭기의 오프셋 단자에 드리프트 보정용 전압을 공급하는 D/A변환기를, 압력센서의 온도 드리프트 보정수단과 공용하도록 하고 있기 때문에, 압력 제어장치나 압력식 유량 제어장치의 압력센서의 온도 드리프트 및 경시 드리프트의 보정수단의 구성을 간소화할 수 있다. 본 발명은 상술한 바와 같이, 우수한 실용적 효용을 거두는 것이다.
도 1은 본 발명에서 사용한 반도체 소자형 압력센서(압력 트랜스듀서)의 구조도이다.
도 2는 본 발명에서 사용한 압력센서의 설치 상황을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에서 사용한 압력센서의 진공 유지하에서의 영점 출력의 경시 변화를 나타내는 곡선이다.
도 4는 본 발명에서 사용한 압력센서의 진공 유지하에서의 영점 출력의 경시변화의 「진공처리전의 사용 이력에 의한 차이」를 나타내는 선도이다.
도 5는 본 발명에서 사용한 압력센서의 압력을 0(Torr·진공)~60Torr의 사이클로 변화시킨 경우의 영점 출력의 경시변화를 나타내는 선도이다.
도 6은 압력센서의 압력을 0(Torr·진공)~0.1㎫G의 사이클로 변화시킨 경우의 영점 출력의 경시변화를 나타내는 선도이다.
도 7은 압력센서의 압력을 0.1㎫G로 유지한 경우의 영점 출력의 경시변화를 나타내는 선도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 있어서 사용한 압력식 유량 제어장치의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 있어서 사용한 압력식 유량 제어장치의 온도에 의한 압력센서의 출력변동을 보정하는 수단 중의 영점 출력 보정 부분의 블록 구성도이다.
도 10은 압력센서의 영점 출력 전압의 보정과 풀 스케일(FS)의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 11은 본 발명에 따른 압력식 유량 제어장치의 제어회로의 블록 구성도이다.
도 12는 본 발명에 따른 압력센서 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동 플로우도이다.
도 13은 종전의 압력식 유량 제어장치의 일례를 나타내는 것이다.
도 14는 종전의 압력식 유량 제어장치의 일례를 나타내는 것이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
P : 오리피스 상류측 가스압 A : 압력센서
B : 관로 1 : 압력식 유량 제어장치
2 : 오리피스 2a : 오리피스 구멍
3 : 상류측 압력센서 4 : 상류측 배관
5 : 하류측 배관 6 : 온도센서
7 : 제어회로 7a : 유량 연산수단
7b : 유량 설정수단 7c : 비교수단
8 : 밸브 구동부 9 : 컨트롤 밸브
10 : 가스 공급원 11 : 압력 레귤레이터
12,13 : 밸브 14 : 프로세스 챔버
15 : 진공펌프 16 : 고정 증폭회로
16a : 오프셋 단자 17,18 : 가변 증폭회로
19 : A/D 변환기 20 : CPU
21 : 센서 베이스 22 : 센서 칩
23 : 다이어프램 24 : 다이어프램 베이스
25 : 실리콘 오일 26 : 밀봉체
27 : 리드 핀 28 : 설치 보디
29 : 가압 너트 30 : 베어링
31 : 밀봉 링 40 : 오프셋용 D/A변환기
40a,40b : D/A변환기 40c,40d : 버퍼
40e : 합성용 버퍼 41 : D/A변환기
42,43,44 : A/D변환기
7a' : 유량 연산수단 중의 유량직선성 보정부
48 : 압력센서의 온도 드리프트 보정부 수단
49 : 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단
49a : 센서 출력 판정수단 49b : 작동조건 판정수단
50 : 피에조 승압회로.
우선, 본원 발명자들은, 도 1에 나타내는 바와 같은 구조의 압력센서(A)를 관로(B)에 도 2와 같은 형태로 부착하고, 관로(B) 내를 진공펌프(도시생략)에 의해 소정의 진공도의 진공상태로 유지함으로써, 압력센서(A)의 압력-출력특성의 경시변화를 조사 측정하였다.
도 1 및 도 2에 있어서, 21은 센서 베이스, 22는 센서 칩(반도체형 감압소자), 23은 다이어프램, 24는 다이어프램 베이스, 25는 실리콘 오일, 26은 밀봉체, 27은 리드 핀, 28은 설치 보디, 29는 가압 너트, 30은 베어링, 31은 밀봉 링, P1은 가스압이다.
또한, 도 2에서는, 가압 너트(29)를 이용하여 압력센서(A)를 설치 보디(28)에 고정하고 있지만, 압력센서(A)의 설치 고정 기구는 어떤 것이여도 좋고, 예컨대 설치 고정용 플랜지(도시생략)를 이용하여, 압력센서(A)를 설치 보디(28)에 고정하도록 해도 된다.
또한, 도 1 및 도 2에는 나타내고 있지 않지만, 소위 스트레인 게이지를 다이어프램(23)의 내면측에 고정 부착하고, 실리콘 오일(25)을 사용하지 않는 구조의 압력센서(A)도, 도 1의 구조의 압력센서(A)로 바꾸어 사용했다.
관로(B) 내를 감압함으로써, 다이어프램(23)에 가해지는 가스압(P1)이 변하고, 그것에 의해서 센서 칩(22)(또는 스트레인 게이지)에 가해지는 압력이 변동된다. 그 결과, 센서 칩(22)으로부터의 출력전압이 변화되어, 가스압력(P1)의 변동이 검출된다. 또한, 압력센서(A) 그 자체는 공지(일본 특허공개 평10-82707호 등)이기 때문에, 여기서는 그 설명을 생략한다.
도 3은, 압력센서(A)를 도 2와 같은 상태로 설치하고, 대기압하에서 24시간 방치한 후, 진공처리(진공도 10-5~10-6Torr)한 상태로 유지한 경우의 압력센서(A)의 영점의 변동상태를 나타내는 선도이다.
도 3으로부터도 명확해지는 바와 같이, 진공처리 직후부터 약 1시간에서, 영점은 0.2~0.3%FS[풀 스케일(FS)을 100Torr로 한 경우, 0.2~0.3Torr 변동함]만큼 마이너스 방향으로 변동하고, 그 후 약 5시간 정도에서 또한 0.1%FS정도 마이너스 방향으로 변동한 후, 안정되지 않고, 변동량으로서는 적지만 마이너스 방향으로 변동 하고 있다.
또한, 도 3의 세로축의 압력센서의 출력은 ㎷로 표시되어 있고, 2㎷가 0.1%FS에 상당한다.(즉, 0~100Torr가 출력전압 0~2V에 상당하고 있다).
도 4는, 압력센서가 진공처리 전에 경험하는 압력·시간의, 영점의 안정시간으로의 영향을 나타내는 것이다. 즉, 진공 유지 시험에 의해 어느 정도 영점이 안정된 상태에 있는 공시품에 몇 종류의 압력을 경험시키고, 그 후, 진공으로 유지하여 영점의 안정시간을 연속 모니터링하여, 진공처리 전에 경험한 압력이 영점 안정시간에 미치는 영향을 조사한 것이다.
도 4로부터도 명확해지는 바와 같이, 경험한 압력이 높으면 영점의 초기값이 높고, 진공처리 후의 마이너스측으로의 변동의 비율이 커져 간다. 그러나 20~30시간 경과 후는, 사전에 경험한 압력에 관계없이 거의 동일한 값으로 안착되고, 그 후는, 도 3의 진공방치에 의한 영점 안정시간 측정시험의 결과와 마찬가지로, 일정한 비율로 계속 감소한다고 생각된다. 또한, 도면 중의 화살표로 나타내는 시간은, 연속 모니터링의 초기부터의 경과 시간이다.
도 5 및 도 6은, 압력범위를 0Torr(15초간 유지·진공도 약 10-6Torr)-60Torr(30초간 유지)에서, 규칙적으로 연속해서 1일당 5시간에 걸쳐 전환(도 5) 및 0(15초간 유지·진공도 약 10-6Torr)-0.1㎫G(30초간 유지)에서, 규칙적으로 연속해서 1일당 5시간에 걸쳐 전환하고(도 6), 각각 5시간 경과한 후에 영점의 변동을 측정한 결과를 나타내는 것이며, 약 1주간의 간격으로 4주에 걸쳐 영점의 변동을 측 정한 것이다.
도 5로부터도 명확해지는 바와 같이, 1~2주간 동안에 0.2%FS의 영점 변동이 나타나는 것을 알 수 있었다.
또한, 도 6의 시험 결과로부터는, 영점 변동은 마이너스 방향으로 0.1%FS 이하에 자리잡는 것이 판명되었다.
도 7은, 압력센서(A)를 0.1MPG의 가압상태로 연속해서 유지한 경우의 영점 출력의 경시변동을 나타내는 것이며, 영점 변동은, 플러스측으로 0.1%FS 이하의 변동량으로 생기는 것이 판명되었다.
상기 도 3~도 7에 나타낸 시험 결과로부터, 반도체 반응소자(트랜스듀서)를 이용한 압력센서(A)에 있어서는, 그 영점 출력의 경시변화에 대해서 하기의 같은 사상이 존재하는 것으로 판명되었다.
1) 진공유지, 진공⇔60Torr의 사이클 시험에서는, 영점은 마이너스 방향으로 계속해서 변동한다.
2) 진공유지에서는 초기의 몇 시간이 특히 변동이 크다.
3) 시간의 경과와 아울러 변동의 비율은 감소하지만, 대기압으로 되돌리거나 또는 0.1㎫G의 가압 상태로 둔 후 진공처리하면, 초기에 비교적 큰 변동이 일어난다.
4) 진공⇔60Torr의 사이클 시험에서는 불균형이 있고, 진공 유지 시험보다 변동량이 큰 것이 생긴다. 1주간 경과 후에는 0.2%FS를 벗어나는 것이 있다.
5) 0.1㎫ 유지 시험의 결과로부터, 이 정도의 가압 유지로는, 영점은 변동하 지 않는 것으로 생각된다. 또한, 대기압에서의 보관상태에서도 큰 변동은 없는 것으로 생각된다.
상기와 같은 압력센서(A)의 영점 출력의 경시변화를 기초로 하여, 본원 발명자들은 압력센서(A)뿐만 아니라, 압력센서(A)를 사용하는 압력 제어장치 및 압력식 유량 제어장치의 영점 출력의 경시변화를 자동 보정하는 방책을 창안했다.
이하에, 본 발명에 따른 압력식 유량 제어장치의 영점 출력의 경시변화를 보정하는 자동 영점 조정장치의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 8은, 본 발명에 따른 임계조건을 이용한 압력식 유량 제어장치의 구성도이다. 이 압력식 유량 제어장치(1)는, 공급되는 유체가 임계조건에 있을 경우, 즉 오리피스(2)로부터 유출되는 유체의 유체속도가 음속일 경우를 전제로 하고 있기 때문에, 유량은 Q=KP1로 표시되고, 압력측정은 상류측 압력센서(3)만으로 행해진다. 또한, 압력식 유량 제어장치(1)에는, 오리피스(2a)를 형성한 오리피스(2), 상류측 배관(4), 하류측 배관(5), 상류측 압력센서(3), 온도센서(6), 제어회로(7), 밸브 구동부(8) 및 컨트롤 밸브(9)가 배치되어 있다.
제어회로(7)는 전자회로와 마이크로컴퓨터와 내장 프로그램을 중심으로 구성되어 있고, 도시하지 않은 증폭회로나 A/D변환기 등의 전자회로계와, 실험 유량식에 의한 유량(Qc)을 연산하는 유량 연산수단(7a)과, 흘려야 할 설정 유량(Qs)을 지령하는 유량 설정수단(7b)과, 연산 유량(Qc)과 설정 유량(Qs)의 유량차(ΔQ)(=Qs-Qc 또는 Qc-Qs)를 계산하는 비교수단(7c)으로 구성되어 있다.
또한, 도 8에 있어서, 10은 가스 공급원, 11은 압력 레귤레이터, 12,13은 밸브, 14는 프로세스 챔버, 15는 진공펌프이다.
진공펌프(15)에 의한 배기에 의해, 오리피스(2)의 하류측 압력(P2)은 상류측 압력(P1)보다 매우 작게 설정되고, P2/P1 < 약 0.5인 임계조건은 항상 자동적으로 유지되어 있다. 그 결과, 오리피스 구멍(2a)으로부터 유출되는 가스 속도는 음속으로 되어 있고, 오리피스(2)의 통과 유량(Q)은 Q=KP1로 표시된다.
상류측 압력(P1)은 압력센서(3)에 의해 계측된다. 정확한 압력측정을 하기 위해서 압력센서(3)의 센서 부분은 가스류에 접촉해서 배치되고, 또한 가스류를 교란하지 않도록 그 센서 부분은 매우 작게 설계되어 있다. 따라서, 센서 부분은 가스 온도(T)와 같게 되어 있다.
또한, 가스 온도(T)는 온도센서(6)에 의해 계측되고 있고, 온도센서(6)는 가스류를 교란하지 않도록 오리피스(2)의 근방 온도를 측정하고 있고, 가스와 오리피스가 열평형으로 되면 양자의 온도는 같게 되기 때문에, 오리피스 온도를 가스 온도로서 측정한다.
상류측 압력(P1)과 가스 온도(T)는 전압으로서 얻어지고, 도시하지 않은 증폭회로나 A/D변환기에 의해 디지털 신호가 된다. 이들 디지털 신호는 유량 연산수단(7a)에 입력되고, 가스 온도(T)와 가스 물성으로부터 비례 계수(K)가 산출되고, 또한 상류측 압력(P1)을 이용해서 연산 유량(Qc)이 Qc=KP에 의해 산출된다.
유량 설정수단(7b)으로부터는 목적으로 하는 설정 유량(Qs)이 입력되어 있고, 비교수단(7c)에 의해 유량차(ΔQ)가 ΔQ=Qs-Qc로서 연산된다.
또한, 연산된 유량차(ΔQ)는, 밸브 구동부(8)에 출력되고, ΔQ가 0이 되는 방향으로 컨트롤 밸브(9)의 개방도를 조정한다. 이 개방도 조정에 의해, 가스의 오리피스 상류측 압력(P1)이 가변 조정되고, Qc=KP1에 의해 얻어지는 연산 유량(Qc)이 설정 유량과 같게 되도록 제어된다.
상술한 바와 같이, 압력센서(3)의 센서 부분은 가스 온도(T)와 같게 되어 있고, 가스 온도(T)가 변동하면, 그것에 따라서 센서 부분의 온도도 변화된다. 또한, 압력센서(3)는 온도의존성을 갖고, 압력센서(3)의 출력전압이 온도 변동에 따라 변동한다. 그 때문에, 본 발명에 따른 압력식 유량 제어장치에는, 도 9와 같은 압력센서(3)의 온도에 의한 출력전압의 변동(드리프트)을 보정하는 장치가 설치되어 있다.
도 9는, 압력식 유량 제어장치에 있어서의 상기 온도에 의한 출력전압의 변동(드리프트)을 보정하는 수단 중의 영점 출력(즉, 압력이 0인 상태하에서의 출력전압)의 조정에 이용하는 영점 출력의 온도 드리프트 보정장치의 간이 블록 회로도이다.
도 9를 참조하여, 압력센서(3)의 출력전압(v)은 고정 증폭회로(16) 및 가변 증폭회로(18)에 의해 압력전압(V)에까지 증폭된다. 압력전압(V)은 A/D변환기(19)를 통해서 CPU(20)에 입력된다. 또한, 고정 증폭회로(16)의 출력은 다른 가변 증폭회 로(17)에 출력되고, 이 가변 증폭회로(17)의 출력도 압력전압(V)을 주고, 상류측 압력(P1)으로서 표시판에 표시된다.
상기 압력센서(3)는, 예컨대 절대압(P1)=7기압(즉 7×102㎪A)을 감지했을 때에 1OO㎷를 출력하는 것으로 가정하면, 이 압력센서(3)에 의해 P1=O~3(×102㎪A)의 범위에서 상류측 압력(P1)을 제어하면, 압력센서(3)의 출력전압(v)은, v=0~42.86㎷의 범위의 출력전압이 된다.
또한, 이 출력전압(v)의 최대전압 42.86㎷를 풀 스케일의 5V로 증폭하는 것으로 하면, 증폭률은 117배가 된다. 본 실시형태에서는, 117배의 증폭률은, 상기 고정 증폭기(16)에서 100배, 가변증폭기(17,18)에서 1.17배로 함으로써 실현되고 있다.
그런데, 압력센서(3)의 출력전압은 온도 변동에 의해 드리프트되지만, 현재 압력 0일 때에 있어서의 출력변동(드리프트)을 영점 출력 온도 드리프트라고 칭하고, 임의의 압력을 받고 있을 때의 출력변동(드리프트)을 출력 온도 드리프트라고 칭하기로 한다.
상기 영점 출력 온도 드리프트는, 고정 증폭기(16)의 오프셋 단자(16a)를 조정함으로써 보정되고 있고, 구체적으로는, 영점 출력 드리프트의 보정은 오프셋용 D/A변환기(40)에 의해 실현되고 있다. 즉, 압력이 0일 때에 출력전압(v)이 소정 값(+v0)을 나타내었다고 하면, 이 영점 출력 드리프트 전압(v0)을 0이 되도록, 오프셋 단자(16a)에 -v0을 입력한다. 이 결과, 압력이 0일 때에, 압력센서(3)로부터 출력전압(v0)이 고정 증폭기(16)에 입력되어도, 실효입력전압은 v0+(-v0)=0이 되어, 영점 출력의 변동 드리프트가 보정되게 된다.
상기 오프셋용 D/A변환기(40)는 거친 조정용(粗調整用) D/A변환기(40a)와 버퍼(40c), 미세 조정용(微調整用) D/A변환기(40b)와 버퍼(40d) 및 합성용 버퍼(40e)로 구성된다. 이와 같이, 거친 조정용 회로와 미세 조정용 회로에 의해, 영점 출력 드리프트 전압(v0)을 반전한 영점 보정 전압(-v0)을 오프셋 단자(16a)에 인가하여, 영점 출력 드리프트를 소거하도록 보정하고 있다.
도 10은 영점 출력 전압의 변동 드리프트의 보정과 풀 스케일(FS)의 설정의 관계의 설명도이고, 가로축은 상류측 압력(P1)을, 또한 세로축은 압력센서(3)의 출력전압(v)과 가변증폭기(18)의 압력전압(V)을 나타내고 있다. 압력범위는 P1=0-P1m이고, 최대압력은 P1m=3.0(×102㎪A)으로 한다. 현재, 가스 온도(T)가 T0일 때, 영점 출력 드리프트가 v0=-2.0㎷, 최대압력(P1m)에 있어서의 센서의 최대출력전압은 v1=40.8㎷인 것으로 한다.
그리고, 도 10의 v0과 v1을 연결한 점선(a')이 압력센서(3)의 온도특성을 나타내는 것으로 되고, 여기서, 오프셋 단자(16a)에 -v0을 인가하면, v0+(-v0)=0에 의 해 v0은 0㎷로 되고, v0에서 0으로 보정되게 된다(화살표a). 그 결과, 최대압력(P1m)에 있어서의 센서 출력 전압도 v0+(-v0)=40.8+2.0=42.8㎷로 된다. 따라서, 압력센서(3)의 출력은 영점 드리프트 보정에 의해 0~42.8㎷로 보정된다. 이 보정된 후의 온도특성은 파선(a")에 의해 표시되어 있다.
다음에, 이 압력센서(3)의 풀 스케일 설정을 행한다. 영점 조정 후의 압력센서의 출력이 0~v1+(-v0), 즉 0~42.8㎷일 때, 이것을 풀 스케일 5V로 설정한다. 즉, 42.8㎷를 5V로 증폭하기 위해서, 가변증폭기(44,46)의 증폭률을 1.17로 하고, 그 결과, 2단 증폭률은 M=100×1.17=117로 설정된다. 이 보정은 화살표(b)로 나타내어져 있다.
따라서, 최대전압(Vm)은 Vm=(v1-v0)으로 주어지고, 임의 압력(P1)에서의 압력센서(3)의 출력전압(v)은, v=M(v-v0)으로 증폭된다. 이 증폭 출력(V)은 실선(C)에 의해 표시되고, 임계조건에서는 이 실선(C)은 V=a(T0)P1을 표시한다. 비례 정수 a(T0)은 가스 온도(T)가 T0에 있어서의 비례 정수를 준다.
상기 도 9 및 도 10의 설명에 있어서는, 영점 출력 드리프트[v0=-2.0㎷]가 유체(가스)의 온도변화에 의해 생기는 것으로 하고 있다. 그 때문에 직선(a')을 압력센서 출력(v)의 온도특성으로 하고, 또한 직선(C)을 증폭기 출력(V)의 온도특성으로 이해하고 있다.
한편, 본원 발명에 있어서는, 압력센서 출력(v)의 경시변화의 영점 보정을 문제삼는 것이므로, 상기 도 9 및 도 10의 영점 출력 드리프트(v0)[즉, 압력 0에 있어서의 압력센서 출력(v0)]를 경시변화에 의해 생기는 영점 출력 드리프트로 규정하면, 앞에 도 9 및 도 10에 있어서 설명한 보정수단이나 이것과 풀 스케일(FS)의 설정의 관계가, 그대로 경시변화에 의해 생기는 영점 출력 드리프트의 보정에 적용할 수 있게 된다.
즉, 상기 도 1O에 있어서의 직선(a')을 압력센서 출력(v)의 경시변화특성으로 하고, 또한 직선(C)을 증폭기 출력(V)의 경시변화특성으로 하여 파악하면 좋게 된다.
또한, 상기 도 3~도 6에서 나타낸 압력센서(3)의 출력(v)의 경시 출력 변화 특성의 측정방법에 대해서는, 여기서는 상세하게 설명하는 것은 생략하지만, 압력센서(3)를 도 2와 같은 형태로 맞붙인 관로(B) 내의 압력을 진공펌프(도시생략)로 0압력(진공1O-5~10-6Torr), 즉 P1≒0(×10-2㎪A)로 하고, 시간경과와 압력센서(3)의 영점 출력의 변동량(v0)[드리프트 전압(v0)]을 측정하거나, 또는, 관로(B) 내의 압력을 임의인 설정값으로 유지한 상태하에서 시간경과와 압력센서(3)의 영점 출력의 변동량(v0)을 측정한 것이다.
상기 도 3은, 진공상태로 유지한 경우의 압력센서(3)의 경시에 의한 영점 출력 드리프트의 일례를 나타내는 경시 출력 특성도이고, 가로축은 시간(Hr)이며, 세로축은 영점 출력 드리프트 전압(v0)이고, 센서 출력 전압(2㎷)이, 풀 스케일을 100Torr로 했을 때의 풀 스케일(FS)의 0.1%에 상당하는 것이다. PT 출력(0㎷)의 라인은 드리프트가 없는 이상적일 경우를 나타내고, 곡선은 실제로 측정된 영점 출력 드리프트를 준다. 이 드리프트는 압력센서의 샘플에 따라서도 다르지만, 상술한 바와 같이 약 1시간 후에 0.2~0.3%FS(v0=4~6㎷), 약 6시간 후에 0.4%FS(v0=8㎷)정도로 된다. 그리고, 이 영점 출력 드리프트 전압(v0)이, 상술한 도 9의 고정 증폭회로(16)의 오프셋 단자(16a)에 인가되게 된다.
본 발명에 있어서는, 압력센서(3)의 경시에 의한 영점 출력 드리프트(v0)가 -0.13%FS[즉, 영점 출력 드리프트(v0)가 -2.6㎷]보다 커지면, 영점 출력 드리프트(v0)를 도 9의 고정 증폭회로(16)의 오프셋 단자(16a)에 인가하여, 압력센서(3)의 영점 조정을 자동적으로 행하도록 하고 있다.
또한, 상기 -0.13%FS를 경시변화의 영점 드리프트의 조정 기준점으로 한 것은, 도 3~도 6 등에 나타낸 기초시험의 결과로부터, 진공 유지하에서는 영점 드리프트(v0)가 마이너스방향으로밖에 발생하지 않는 것, 및 -0.13%FS(v0=-2.6㎷)정도의 영점 드리프트까지이면 압력센서(3)의 실용상의 허용오차의 범위 내에 들어가는 것 등이 그 이유이다.
구체적으로는, 우선 압력센서(3)의 출력전압(v)이 마이너스측으로 되어 있는지의 여부를 판단한다.
또한, 압력 제어장치의 사용중에는, 압력센서(3)에는 반드시 가스압이 가해 져 있고, 압력센서(3)의 출력전압(v)이 마이너스측으로 되는 일은 없다. 따라서, 압력센서(3)의 출력전압(v)이 마이너스측에 있는 것을 판별하면, 압력 제어장치는 사용정지중이고, 가스의 유통이 없는 것으로 판명된다.
또한, 진공 유지하에서는, 압력센서(3)의 경시변화에 의한 영점 출력 전압 드리프트(v0)는 반드시 -측으로 나오는 것이 판명되어 있으므로, 압력센서(3)의 출력 드리프트(v)가 -측에 있으면, 압력센서(3)는 진공 또는 이것에 가까운 진공도(10-2~10-6Torr정도)로 유지되어 있는 것으로 판명된다.
따라서, 압력센서(3)의 출력 전압 드리프트(v)가 -측에 있는 것마저 판별하면, 압력식 유량 제어장치는 사용하지 않는 상태하에 있고, 또한 관로내 압력은 진공에 가까운 상태로 유지되어 있으므로, 언제든지 경시에 의한 영점 드리프트의 조정을 행할 수 있게 된다.
다음에, 압력센서(3)의 출력 전압 드리프트(v)가 상기 설정값(v=-0.13%FS)을 초과하고 있는지의 여부를 판별한다. 그리고, 만일 압력센서의 출력 드리프트(v)가 설정값을 초과하고 있을 경우에는, 압력센서(3)의 경시변화에 의한 영점 드리프트의 조정이 필요하다고 자기 진단하여, 자동적으로 영점 드리프트(v0)의 조정을 행한다.
도 11은, 압력 제어장치의 제어회로의 상세한 블록 구성도이다. 압력센서(3), 고정 증폭기(16), 가변증폭기(17,18), A/D변환기(19), 오프셋용 D/A변환기(40) 등은 도 9의 경우와 동일하므로, 그 설명을 생략한다.
또한, 압력식 유량 제어장치의 제어회로도 도 11의 경우와 거의 동일하고, 유량 연산수단 중의 유량직선성 보정부(7a')의 출력측에 가스온도 보정부(도시생략)가 설치되고, 이 가스온도 보정부에 온도센서(4)로부터의 온도검출신호가 입력되는 점만이 도 11과 다를 뿐이다.
또한, 도 11에 있어서, 41은 D/A변환기, 42,43,44는 A/D변환기, 7은 제어회로, 7c는 비교회로, 20은 CPU, 7a'는 유량 연산수단 중의 유량직선성 보정부, 48은 압력센서의 온도 드리프트 보정수단, 49는 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단, 50은 피에조 승압회로이고, 상기 피에조 승압회로(50)로부터의 출력에 의해 컨트롤 밸브(도시생략)가 개폐 제어된다.
압력센서 출력의 영점 경시 드리프트 보정수단(49)은, A/D변환기(44)로부터의 입력값(v)이 설정값(-0.13%FS=-2.6㎷)을 초과하고 있는지의 여부를 판정하는 수단[센서 출력 판정수단(49a)]과, 컨트롤 밸브(9)에 강제 폐쇄의 입력이 설정되어 있거나, 또는 압력 설정 신호(V)가 0.6%FS 이하이거나 중 어느 하나를 판정하는 작동조건 판정수단(49b)을 구비하고 있고, 작동조건 판정수단(49b)에 의해, (1) 컨트롤 밸브(9)에 강제 개방 또는 (2) 강제 폐쇄의 입력이 설정되어 있는지, (3) 압력 설정 신호(V)가 0.6%FS[V=60㎷·센서 출력 전압(v)=12㎷] 이하이거나 중 어느 하나가 확인되고, 또한 센서 출력 판정수단(49a)에 의해 압력센서(3)의 출력(v)이 -0.13%FS 이상인 것으로 확인되었을 때에는, 자동적으로 DA변환기로부터 +0.13%FS에 상당하는 영점 조정용 전압(v0=2.6㎷)이 고정 증폭회로(16)의 오프셋 단자(16a) 에 입력되고, 이것에 의해 압력센서의 경시 영점 드리프트(-0.13%FS)에 상당하는 드리프트 출력(-2.6㎷)이 상쇄됨으로써, 자동 영점조정이 행해진다.
도 12는, 본 발명에 따른 압력센서 경시 영점 드리프트 보정수단(49)의 작동 플로우 도면이다. 스텝m1에서, 압력센서(3)로부터의 출력전압(v)이 입력되고, 또한 스텝m2에서 컨트롤 밸브(9)로의 강제 개방의 입력신호(Vc) 또는 강제 폐쇄의 입력신호(Vo)가 입력된다. 그리고, 스텝m3에서 상기 v가 -O.13%FS(v=-2.6㎷)를 초과하고 있는지의 여부가 판정되고, 또한, 스텝m4에서 Vc 또는 Vo의 존재여부 및 압력 설정 신호(V)가 0.6%FS 이하인지의 여부가 판단된다.
최후에 스텝m5에서 V가 -12㎷를 초과하고 또한 Vc>0 또는 Vo>0 또는 V<0.6%FS 중 어느 하나의 조건이 만족되어 있을 때(스텝m5)에는, 스텝m6에서 +v(=2.6㎷)의 전압출력이 고정 증폭회로(16)의 오프셋 단자(16a)에 출력된다.
또한, 상기 도 1~도 11에 나타낸 본 발명의 실시형태에 있어서는, 임계조건하에서 사용하는 압력식 유량 제어장치에 기초하여 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 비임계조건하에서 사용하는 압력 제어장치나 단독 사용에 제공하는 압력센서에도 적용할 수 있는 것은 물론이다.
본 발명은, 반도체 제조설비나 화학품 제조설비 등에서 주로 이용되는 것이다. 또한, 본 발명은, 원료가스 등의 유체의 공급 유량이나 공급 압력을 고정밀도 로 제어할 필요가 있는 분야에서 널리 이용되는 것이다.

Claims (14)

  1. 유체 압력을 측정하는 압력센서에 있어서, 압력센서로부터의 센서 출력 전압을 외부로 출력함과 아울러, 상기 센서 출력 전압을 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 그 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에 있어서 출력 전압 드리프트가 마이너스측에 있는 것을 판별하는 것에 의해, 경시 영점 드리프트의 조정을 행할 수 있는지를 판단하여 조정을 실행함과 아울러, 상기 센서 출력 전압 드리프트가, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 제어 정밀도 이하의 압력에 대응하는 전압 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값을 초과하고 있을 경우에는, 경시변화에 의한 영점 드리프트의 조정이 필요하다고 자기판단하고, 또한, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에 있어서 압력센서의 작동조건을 판정하여, 상기 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때는, 압력센서의 경시 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력센서의 자동 영점 보정장치.
  2. 제1항에 있어서, 압력센서에 반도체 감압소자를 이용하고, 또한, 센서의 출력전압을 증폭기를 통해서 외부로 출력함과 아울러 A/D변환기를 통해서 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 또한, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서가 설정한 작동조건하에 있을 때는, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 D/A변환기를 통해서 상기 센서 출력 전압 드리프트와 동일한 전압이며 또한 역극성인 영점 보정용 전압을 상기 증폭기의 오프셋 단자에 입력하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력센서의 자동 영점 보정장치.
  3. 압력제어용 컨트롤 밸브와 유체 압력을 측정하는 압력센서를 구비한 압력 제어장치에 있어서, 압력센서로부터의 센서 출력 전압을 외부로 출력함과 아울러, 상기 센서 출력 전압을 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에 있어서 출력 전압 드리프트가 마이너스측에 있는 것을 판별하는 것에 의해, 경시 영점 드리프트의 조정을 행할 수 있는지를 판단하여 조정을 실행함과 아울러, 상기 센서 출력 전압 드리프트가, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 제어 정밀도 이하의 압력에 대응하는 전압 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값을 초과하고 있을 경우에는, 경시변화에 의한 영점 드리프트의 조정이 필요하다고 자기판단하고, 또한, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에 있어서 압력센서의 작동조건을 판정하여, 상기 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때는, 압력센서의 경시 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  4. 제3항에 있어서, 압력센서에 반도체 감압소자를 이용하고, 또한, 센서의 출력전압을 증폭기를 통해서 외부로 출력함과 아울러 A/D변환기를 통해서 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 또한, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서가 설정한 작동조건하에 있을 때는, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 D/A변환기를 통해서, 상기 센서 출력 전압 드리프트와 동일한 전압이며 또한 역극성인 영점 보정용 전압을 상기 증폭기의 오프셋 단자에 입력하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  5. 유량제어용 오리피스, 오리피스의 상류측 배관에 설치한 컨트롤 밸브, 및 오리피스와 컨트롤 밸브 사이에 설치하여 상류측 압력(P1)을 검출하는 상류측 압력센서로 구성되고, 상류측 압력(P1)에 의해 오리피스 통과 유량을 제어하는 압력식 유량 제어장치에 있어서, 상기 압력센서로부터의 센서 출력 전압을 유량 연산수단에 출력함과 아울러, 상기 센서 출력 전압을 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에 있어서 출력 전압 드리프트가 마이너스측에 있는 것을 판별하는 것에 의해, 경시 영점 드리프트의 조정을 행할 수 있는지를 판단하여 조정을 실행함과 아울러, 상기 센서 출력 전압 드리프트가, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 제어 정밀도 이하의 압력에 대응하는 전압 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값을 초과하고 있을 경우에는, 경시변화에 의한 영점 드리프트의 조정이 필요하다고 자기판단하고, 또한, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에 있어서 압력센서의 작동조건을 판정하여, 상기 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때는, 압력센서의 경시 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  6. 제5항에 있어서, 압력센서에 반도체 감압소자를 이용하고, 또한, 센서의 출력전압을 증폭기를 통해서 외부로 출력함과 아울러 A/D변환기를 통해서 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 또한, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서가 설정한 작동조건하에 있을 때는, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 D/A변환기를 통해서, 상기 센서 출력 전압 드리프트와 동일한 전압이며 또한 역극성인 영점 보정용 전압을 상기 증폭기의 오프셋 단자에 입력하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  7. 유량제어용 오리피스, 오리피스의 상류측 배관에 설치한 컨트롤 밸브, 오리피스와 컨트롤 밸브 사이에 설치하여 상류측 압력(P1)을 검출하는 상류측 압력센서, 및 오리피스의 하류측 배관에 설치되어 하류측 압력(P2)을 검출하는 하류측 압력센서로 구성되고, 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)에 의해 오리피스 통과 유량을 제어하는 압력식 유량 제어장치에 있어서, 압력센서로부터의 센서 출력 전압을 유량 연산수단에 출력함과 아울러, 상기 센서 출력 전압을 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에 있어서 출력 전압 드리프트가 마이너스측에 있는 것을 판별하는 것에 의해, 경시 영점 드리프트의 조정을 행할 수 있는지를 판단하여 조정을 실행함과 아울러, 상기 센서 출력 전압 드리프트가, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 제어 정밀도 이하의 압력에 대응하는 전압 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값을 초과하고 있을 경우에는, 경시변화에 의한 영점 드리프트의 조정이 필요하다고 자기판단하고, 또한, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에 있어서 압력센서의 작동조건을 판정하여, 상기 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때는, 압력센서의 경시 영점 드리프트를 소거하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  8. 제7항에 있어서, 압력센서에 반도체 감압소자를 이용하고, 또한, 센서의 출력전압을 증폭기를 통해서 외부로 출력함과 아울러 A/D변환기를 통해서 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단에 입력하고, 또한, 센서 출력 전압 드리프트가 설정값보다 크고 또한 압력센서가 설정한 작동조건하에 있을 때는, 상기 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 D/A변환기를 통해서, 상기 센서 출력 전압 드리프트와 동일한 전압이며 또한 역극성인 영점 보정용 전압을 상기 증폭기의 오프셋 단자에 입력하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  9. 제1항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에서 기준으로 하는 설정값을, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 -0.13%에 상당하는 센서 출력 전압으로 하도록 한 것을 특징으로 하는 압력 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  10. 제3항 또는 제4항에 있어서, 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에서 기준으로 하는 설정 작동조건을, 컨트롤 밸브로의 강제 개방신호의 유무와, 강제 폐쇄신호의 유무와, 유량 설정신호가 0인 것의 3조건으로 하도록 한 것을 특징으로 하는 압력 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  11. 제5항, 제6항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단의 센서 출력 판정수단에서 기준으로 하는 설정값을, 압력센서에 의해 검출하는 풀 스케일 압력의 -0.13%에 상당하는 센서 출력 전압으로 하도록 한 것을 특징으로 하는 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  12. 제5항, 제6항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 압력센서의 경시 영점 드리프트 보정수단의 작동조건 판정수단에서 기준으로 하는 설정 작동조건을, 컨트롤 밸브로의 강제 개방신호의 유무와, 강제 폐쇄신호의 유무와, 유량 설정신호가 0인 것의 3조건으로 하도록 한 것을 특징으로 하는 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  13. 제4항에 있어서, 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 영점 보정용 전압을 증폭기의 오프셋 단자에 출력하는 D/A변환기를, 상기 압력식 유량 제어장치의 유량 연산수단에 설치한 압력센서의 온도 드리프트 보정수단과 공용하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력 제어장치의 자동 영점 보정장치.
  14. 제6항 또는 제8항에 있어서, 경시 영점 드리프트 보정수단으로부터 영점 보정용 전압을 증폭기의 오프셋 단자에 출력하는 D/A변환기를, 상기 압력식 유량 제어장치의 유량 연산수단에 설치한 압력센서의 온도 드리프트 보정수단과 공용하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압력식 유량 제어장치의 자동 영점 보정장치.
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