KR102555190B1

KR102555190B1 - 유량 제어 장치

Info

Publication number: KR102555190B1
Application number: KR1020230028485A
Authority: KR
Inventors: 후미카즈 타무라; 신지 토비마츠; 마사토시 나카무라; 켄지 야마모토
Original assignee: 도플로 코포레이션 가부시키가이샤
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2023-03-03
Publication date: 2023-07-13
Also published as: JP2023168990A; CN116185086A; JP7224089B1; US11782461B1; CN116185086B

Abstract

적산 유량 오차를 개선할 수 있는 유량 제어 장치를 제공한다.
본 발명에 관한 유량 제어 장치(1)는, 유로(8)를 흐르는 유체의 유량을 측정하는 유량계(2)와, 유로(8)를 흐르는 유체의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브(4)와, 유량계(2)의 측정 결과에 기초하여 유량 조절 밸브(4)의 개방도를 제어하는 제어부(7)를 구비하고, 유량 조절 밸브(4)의 개방도를 순시 유량치로 제어하고, 설정된 적산 유량치에서 폐지하는 폐지 기능과, 유량 조절 밸브(4)의 현재의 개방도와 순시 유량치를 항상 감시하고, 적산 유량치가 사전 폐지 유량치에 도달한 시점에서 유량 조절 밸브(4)의 폐지 동작을 개시하는 적산치 예측 기능을 갖는다.

Description

유량 제어 장치{FLOW RATE CONTROL DEVICE}

본 발명은, 순시(瞬時) 유량치로 제어하여 정확한 적산(積算) 유량치로 밸브를 폐지(閉止)할 수 있는 유량 제어 장치에 관한 것이다.

종래, 유량계, 유량 조절 밸브 및 콘트롤러를 구비한 유량 제어 장치가 알려져 있다. 이러한 유량 제어 장치에 있어서 적산 유량치로 밸브를 폐지시킬 경우, 우선 순시 유량치를 일정하게 유지하고, 그 후 적산 유량치에 도달한 시점에서 밸브를 폐지시키는 방법이 일반적이다. 그러나, 밸브는 일순간에 닫히지 않기 때문에 적산 유량치에 도달한 후 밸브를 폐지시켜도 닫을 때까지 시간을 필요로 하고, 그 필요한 시간으로 인해 적산 유량치에 오차가 생긴다. 특히, 유량 조절 밸브와 폐지 밸브의 두가지 기능을 하나의 밸브에서 겸하고 있는 경우에는, 닫을 때까지의 시간을 더 필요로 하기 때문에, 적산 유량치의 오차가 더욱 커진다는 문제가 있었다.

또, 하기 압력 조건 및 순시 제어 유량 등에 의해 제어되는 개방도(開度)가 다르기 때문에, 동일한 순시 제어 유량이어도 밸브 개방도에 따라 적산 유량 오차가 달라져 정확한 적산 유량치로 밸브를 폐지하기 어렵다는 문제가 있었다. 압력 조건이 변화되었을 때에도 적산 유량 오차가 변동하여 재현성이 나쁘다는 문제도 있었다.

압력 조건: 압력이 크면 토출량이 많고 압력이 작으면 토출량이 적어진다.

순시 제어 유량: 순시 제어 유량이 많으면 밸브 개방도는 크게 하고, 순시 제어 유량이 적으면 밸브 개방도는 작게 한다.

본 출원인이 사전에 조사한 바, 선행 기술 문헌으로서 하기 특허 문헌 1이 발견되었다. 특허 문헌 1의 주입량 제어 장치는, 적산 유량의 도달 타이밍을 예측하여 밸브 폐지 동작 시간만큼 빠르게 폐지 동작을 개시함으로써 정확한 주입량이 되도록 제어하는 것인데, 밸브는 일정 폐지 시간이며, 또한 순시 유량을 제어하는 것은 아니므로 압력 조건에 따라 순시 유량치가 다르다. 또 개방도 센서 등으로부터의 피드백이 없다는 점이나 순시 유량 제어가 아니라는 점에서 본 발명과는 다른 기술이다.

[특허 문헌 1] 일본 공개특허 2002-310773호 공보(주식회사 도시바)

본 발명은 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 밸브를 폐지할 때의 지연 시간에 대해, 압력 변화 및 순시 제어 유량치에 의해 밸브 제어의 개구 면적(밸브 높이=밸브 개방도)이 다르기 때문에 적산 오버 유량치의 불균일이 발생하는 것을 고려하여 밸브 개방도와 순시 유량치를 항상 감시하고 적정한 시간(제어 유량치, 개방도 값에 맞춘 시간)에 사전에 폐지함으로써 적산 유량 오차를 개선할 수 있는 유량 제어 장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 유량 제어 장치는, 유로를 흐르는 유체의 유량을 측정하는 유량계와, 상기 유로를 흐르는 유체의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브와, 상기 유량계의 측정 결과에 기초하여 상기 유량 조절 밸브의 개방도를 제어하는 제어부와, 상기 유량 조절 밸브의 개방도 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 구비하고, 상기 유량 조절 밸브의 개방도를 순시 유량치로 제어하고, 설정된 적산 유량치에서 폐지하는 폐지 기능과, 상기 유량 조절 밸브의 현재의 개방도와 순시 유량치를 항상 감시하고, 적산 유량치가 하기 <식>에서 정의되는 사전 폐지 유량치에 도달한 시점에서 상기 유량 조절 밸브의 폐지 동작을 개시하는 적산치 예측 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.

<식>

사전 폐지 유량치=설정된 적산 유량치-적산 오버 유량치

적산 오버 유량치=현재의 개방도로부터 산출되는 전폐(全閉) 완료 시간×순시 유량치로부터 산출되는 단위 시간당 토출 유량

또는

적산 오버 유량치=순시 유량치로부터 산출되는 단위 면적당 유속×현재의 개방도로부터 전폐가 완료될 때까지의 개구 단면적의 적분치

전폐 완료 시간에 대해서는, 압력 조건 및 순시 유량치에 따라 밸브 개방도가 다르다. 현재의 밸브 개방도를 위치 검출 센서 등에서 감시함으로써 전폐까지의 시간을 산출할 수 있고, 여기에 순시 유량치의 단위 시간당 토출 유량을 적용시킴으로써 현재의 밸브 개방도로부터 적산 오버 유량치가 구해지기 때문에 항상 적산 유량치와 비교함으로써 현재 상태에 맞는 사전 폐지 동작이 가능해진다. 이로써, 압력 조건 변화 및 순시 유량치 변화에 따른 적산 오버 유량치의 불균일을 밸브 개방도에 따른 사전 폐지 동작으로 해소할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 유량 제어 장치는, 상기 유량 조절 밸브의 개방도가 전폐이고, 또한 상기 유량계에서 측정한 순시 유량치가 0L/min 상태에서 상기 유량 조절 밸브의 개방도를 전폐에서 지정 개방도까지 강제로 개방함으로써 상기 유체의 유출을 앞당기는 저(低)유량 급속 밸브 오픈 기능과, 상기 저유량 급속 밸브 오픈 기능의 동작 직후에 미리 설정된 대기 시간에 도달하거나, 또는 미리 설정된 유량 문턱값에 도달할 때까지 상기 유량 제어를 대기시킴으로써 오버 슛(over shoot)을 억제하는 오버 슛 억제 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 유량 제어 장치에 의하면, 압력 변화 및 순시 제어 유량치의 차이에 의한 적산 오버 유량치의 불균일에 대해, 유량 조절 밸브의 폐지 동작을 개시할 때의 적산 유량치를, 현재의 개방도와 순시 유량치에 따라 일찌감치 예측한 타이밍(사전 폐지 유량치에 도달한 시점)에서 강제적으로 폐지 동작을 개시함으로써, 설정된 적산 유량치에 대해 오차가 적은 정확한 적산 유량치로 폐지 동작을 완료할 수 있다는 효과가 있다.

[도 1] 본 발명에 관한 유량 제어 장치의 기능 블럭도이다.
[도 2] 동일 장치의 내부 구조도이다.
[도 3] 동일 장치에서, 설정된 적산 유량치가 10L일 때, (A)는 순시 유량치 1L/min로 유량 제어한 경우의 개방도와 적산 유량치의 관계를 도시한 그래프, (B)는 순시 유량치 5L/min로 유량 제어한 경우의 개방도와 적산 유량치의 관계를 도시한 그래프이다.
[도 4] 동일 장치에서, 설정된 적산 유량치가 10L일 때, 0L부터 순시 유량치 1L/min로 유량 제어한 경우의 개방도와 적산 유량치의 관계를 도시한 그래프이다.
[도 5] 동일 장치에서, 현재의 개방도와 순시 유량치에 기초하여 지연 유량치와 사전 폐지 유량치를 구한 데이터 테이블이다.
[도 6] 동일 장치의 유량 조절 밸브에서의 니들과 밸브 시트의 모식도이다.
[도 7] 동일 장치에 의한 유량 제어 방법의 일례를 도시한 흐름도이다.
[도 8] 동일 장치에 의한 구체적인 동작예를 도시한 그래프이다.
[도 9] 동일 장치에 의한 유량 제어 방법의 다른 예를 도시한 흐름도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1에 도시한 것처럼, 본 실시 형태의 유량 제어 장치(1)는 유량 측정부와 유량 제어부를 일체화한 장치로서, 유량 측정부로서 유량계(2), 유량계 기판(3)을 구비하고, 유량 제어부로서 유량 조절 밸브(4), 스테핑 모터(5), 위치 검출 센서(6), 제어 기판(제어부)(7)을 구비하여 구성되어 있다. 제어 기판(7)에는 외부 제어 기기(50)가 접속되어, 외부 제어 기기(50)로부터 전력 공급이나 각종 신호의 송수신이 이루어진다.

유량계(2)는, 유로(8)를 흐르는 유체의 유량을 측정한다. 도 2에 도시한 것처럼, 본 실시 형태의 유량계(2)는 초음파식 유량계로서, PFA 튜브(9)가 장착된 유입구(10)에서 유출구(11)로 연통되는 유로(8)의 도중에 직관형(直管型) 측정관(12)이 마련되어 있다. 측정관(12)의 양단에는, 대향하는 한 쌍의 초음파 진동자로 이루어진 초음파 센서(13),(14)가 부착되어 있다. 초음파 센서(13),(14)는 교대로 송신기와 수신기로 전환되어 측정관(12) 내를 흐르는 유체에 대해 한쪽 초음파 센서(13)(14)로부터 송신된 초음파를 다른쪽 초음파 센서(14)(13)로 수신하고, 유체의 순(順)방향에서의 초음파의 전파 시간과 역방향에서의 초음파의 전파 시간과의 차이에 기초하여 유체의 유량을 측정한다.

유량계 기판(3)은, 송수신 회로와 측정 회로를 구비하여 이루어진다. 송수신 회로는, 측정 회로로부터의 지령 신호에 따라 초음파 진동자를 여진시켜 초음파 센서(13),(14)에 의한 초음파 펄스의 송신과 수신을 행한다. 측정 회로는, CPU 등의 연산 처리부를 가지고, 초음파 센서(13),(14)에 의한 초음파 펄스의 송신에서 수신까지 필요한 전파 시간을 계측하고, 유체의 순방향에서의 전파 시간과 역방향에서의 전파 시간과의 차이에 기초하여 유속을 구하고, 구한 유속을 유량치(순시 유량치, 적산 유량치)로 환산하여 제어 기판(7)에 출력한다.

유량 조절 밸브(4)는, 유로(8)를 흐르는 유체의 유량을 조절한다. 도 2에 도시한 것처럼, 본 실시 형태의 유량 조절 밸브(4)는, 전폐(0%)에서 전개(全開)(100%)까지 개방도를 조절할 수 있는 전동식 니들 밸브이다. 이 전동식 니들 밸브는, 밸브체(15)로서 다이어프램(16)과 니들(17)을 구비하고, 구동부로서 스테핑 모터(5)를 포함한 모터 액추에이터(18)를 구비하고 있다. 밸브체(15)에는 축체(19)가 연결되어 있으며, 축체(19)는, 그 후단에 스테핑 모터(5)의 모터축(20)이 부착되어 축체(19) 측면의 회전력을 억제함으로써 직동(直動) 동작을 행하고, 스프링 부재(21)에 의해 후방(밸브 시트(22)에서 멀어지는 방향)으로 상시 탄성가압되어 있다.

유량 조절 밸브(4)에 대해, 모터 액추에이터(18)의 구동은, 스테핑 모터(5)가 회전하여 모터축(20)이 회전하면, 그 구동력에 의해 스프링 부재(21)의 탄성가압력에 저항하여 축체(19)가 전진하고, 축체(19)에 연결된 밸브체(15)가 밸브 시트(22)에 근접한다. 또, 모터 액추에이터(18)의 구동에 의해 스테핑 모터(5)가 역회전하여 모터축(20)이 역회전하면, 스프링 부재(21)의 탄성가압력에 의해 축체(19)를 누르면서 후퇴하고, 축체(19)에 연결된 밸브체(15)가 밸브 시트(22)로부터 이간된다. 이와 같이, 모터 액추에이터(18)의 구동에 의해 밸브체(15)의 니들(17)이 밸브 시트(22)에 근접 또는 이간됨으로써, 니들(17)과 밸브 시트(22) 간의 간극인 밸브 개방도가 조절된다. 모터 액추에이터(18)는, 스테핑 모터(5) 외에 감속기나 위치 검출 센서(6)를 포함한다.

제어 기판(7)에는, 도 2에 도시한 커넥터 기판(23)에 설치된 I/O 커넥터(24)와 통신 커넥터(25)에 대해, 미도시된 I/O 커넥터 케이블과 통신 커넥터 케이블을 통해 외부 제어 기기(50)가 접속된다. 제어 기판(7)은, 외부 제어 기기(50)로부터 전력 공급을 받아, 외부 제어 기기(50)와의 사이에서 각종 신호의 송수신을 행한다. 외부 제어 기기(50)로부터 수신하는 신호는, 전원 입력 신호, 목표치 설정의 지령 입력 신호, 제어 ON/OFF의 제어 입력 신호 등이며, 외부 제어 기기(50)에 송신하는 신호는 유량 출력 신호이다.

제어 기판(7)은, 제어 회로와 모터 드라이버 회로를 구비하여 이루어진다. 제어 기판(7)은, 유량계(2)의 측정 결과에 기초하여 모터 액추에이터(18)를 제어하고, 유량 조절 밸브(4)의 개방도를 피드백 제어(PID 제어)한다. 제어 회로는, CPU 등의 연산 처리부를 가지며, 유량계 기판(3)으로부터 수신한 유량치(순시 유량치, 적산 유량치)와, 외부 제어 기기(50)으로부터 수신한 지령 입력 신호에 기초하여, 스테핑 모터(5)를 제어하기 위한 구형파의 펄스 신호를 모터 드라이버 회로에 출력한다. 또, 제어 회로는, 스테핑 모터(5)의 축체(19)에 부착된 마그넷(26)에 의해 위치 검출 센서(6)가 자기를 검출하고, 위치 검출 센서(6)로부터의 전압 신호에 기초하여 스테핑 모터(5)의 축체(19)의 위치를 검출한다. 모터 드라이버 회로는, 제어 회로로부터 출력된 펄스 신호에 따라 여자 신호를 생성하여 출력하고, 스테핑 모터(5)의 구동을 제어한다.

이상이 본 실시 형태의 유량 제어 장치(1)의 구성인데, 다음으로, 이 장치에 의한 유량 제어 동작에 대해, 도 3∼9를 참조하여 설명하기로 한다.

본 실시 형태의 유량 제어 장치(1)는, 유량 조절 밸브(4)의 개방도를 순시 유량치로 피드백 제어(PID 제어)하고, 외부 제어 기기(50)에서 설정된 적산 유량치에서 폐지하는 폐지 기능을 가지고 있다. 여기서, 예를 들면 유로(8)에 유체가 흐르고 있는 상태에서부터, 제어 기판(제어부)(7)에서 적산을 개시한 경우에 대해 생각해 보기로 한다. 도 3에서, 설정된 적산 유량치가 10L일 때, (A)는 순시 유량치 1L/min로 유량 제어한 경우의 개방도와 적산 유량치의 관계를 도시한 그래프, (B)는 순시 유량치 5L/min로 유량 제어한 경우의 개방도와 적산 유량치의 관계를 도시한 그래프이다.

통상의 유량 제어의 경우, 순시 유량 제어를 행하면서, 측정된 적산 유량치가 미리 설정된 적산 유량치에 도달한 시점에서 강제 폐지 동작을 개시하는데, 도 3으로부터 알 수 있듯이, 강제 폐지시키기 직전의 개방도에 따라 폐지 지연 시간이 변동되고, 개방도가 높으면 적산 유량치의 오차가 커지는 경향이 있다. 또, 유량 제어시의 순시 유량치(1L/min, 5L/min)의 차이에 따라, 폐지 지연에 따른 유량 오차도 다르다는 것을 알 수 있다.

도 3에서는 순시 유량치에 의한 유량 제어중에, 유체가 흐르고 있는 상태에서 적산을 개시한 경우에 대해 설명하였으나, 일반적으로는 유체가 흐르지 않는 0L에서부터 적산을 개시하는 사용예가 많다. 도 4는, 설정된 적산 유량치가 10L일 때 유량 조절 밸브(4)의 개방도가 전폐(0%)이고, 또한 유량계(2)에서 측정한 순시 유량치가 0L/min인 상태에서부터, 순시 유량치 1L/min로 유량 제어한 경우의 개방도와 적산 유량치의 관계를 도시한 그래프이다.

도 4에 도시한 것처럼, 종래에는 측정된 적산 유량치가 미리 설정된 적산 유량치에 도달한 시점에서 폐지 동작을 개시하는데(도 4의 A점), 본 발명에서는 도달할 적산 유량치를 예측하여 일찌감치 강제 폐지 동작을 개시함으로써(도 4의 B점), 적산 유량치가 오버되기 어려워 고정밀도로 적산 유량치를 제어할 수 있다. 본 발명의 강제 폐지 개시 유량치에 의하면, 폐지 동작을 개시할 때의 적산 유량치를, 개방도와 순시 유량치에 따라 일찌감치 예측한 타이밍에서 강제로 폐지 동작을 개시하기 때문에, 설정된 적산 유량치에 대해 오차가 적은 정확한 적산 유량치로 폐지 동작을 완료할 수 있게 된다.

즉, 본 실시 형태의 유량 제어 장치(1)는, 유량 조절 밸브(4)의 현재의 개방도와 순시 유량치를 상시(常時) 감시하고, 측정된 적산 유량치가 강제 폐지 개시 유량치, 환언하면, 사전 폐지 유량치에 도달한 시점에서 유량 조절 밸브(4)의 폐지 동작을 개시하는 기능을 가지고 있다. 이것이 적산치 예측 기능이다.

사전 폐지 유량치는, 하기 <식>으로 정의된다.

<식>

사전 폐지 유량치=설정된 적산 유량치-적산 오버 유량치

적산 오버 유량치=현재의 개방도로부터 산출되는 전폐(全閉) 완료 시간×순시 유량치로부터 산출되는 단위 시간당 토출 유량(×제1 폐지 보정 계수)

제1 폐지 보정 계수란, 밸브 폐지 개시부터 전폐까지 개구 면적이 바뀌는 니들 밸브나 볼 밸브 등을 조이면서 폐지하는 것을 보정하는 계수이며, 실기(實機) 평가 또는 밸브와 오리피스의 체적비로부터 산출하는 것으로 한다.

또는, 상기 <식> 대신에 하기 <식>을 채용해도 좋다.

<식>

사전 폐지 유량치=설정된 적산 유량치-적산 오버 유량치

적산 오버 유량치=순시 유량치로부터 산출되는 단위 면적당 유속×현재의 개방도로부터 전폐가 완료될 때까지의 개구 단면적의 적분치(×제2 폐지 보정 계수)

제2 폐지 보정 계수란, 폐지 동작에 의한 차압(差壓) 변화나 점성 영향에 의한 평균 유속 변화의 보정, 및 조리개부 형상에 의해 개구 단면적의 변화량이 계산과 다른 경우에 보정하는 계수이며, 실기 평가 등에 의해 산출하는 것으로 한다.

도 5는, 유량 조절 밸브(4)의 현재의 개방도(%)로부터 산출되는 전폐 완료 시간[ms]과, 순시 유량치로부터 산출되는 단위시간[1ms]당 토출 유량(mL/ms)에 기초하여 적산 오버 유량치=지연 유량치(mL)(도 5)와 사전 폐지 유량치(mL)를 구한 데이터 테이블이다. 현재의 개방도는 10% 단위인데, 그 중간은 비율로 산출한다. 또, 스케일링치에 따라 적산 단위는 다르다.

일례를 들면, 설정된 적산 유량치가 1000mL에서 순시 유량치 300mL/min로 유량 제어되는 경우, 현재의 개방도가 70%이면, 개방도로부터 산출되는 전폐 완료 시간은 180ms이다. 또, 순시 유량치 300mL/min로부터 산출되는 1ms 동안의 토출 유량이 0.005mL이기 때문에, 지연 유량치는 180ms×0.005mL=0.90mL가 된다. 따라서, 사전 폐지 유량치는 1000mL-0.90mL=999.10mL가 된다. 제어 기판(제어부)(7)은, 유량계(2)에서 측정된 적산 유량치가 이 사전 폐지 유량치에 도달한 시점에서 유량 조절 밸브(4)의 폐지 동작을 개시하도록 모터 액추에이터(18)의 구동을 제어한다. 이 데이터 테이블에 나타낸 것처럼, 제어 기판(제어부)(7)에서는 현재의 개방도와 유속이 실시간으로 계산된다.

본 실시 형태의 유량 조절 밸브(4)는 전동식 니들 밸브이며, 도 6과 같이, 니들(17)과 밸브 시트(22)를 모식적으로 나타내면, 적산치 예측 기능에서의 사전 폐지 유량치를 구하는 계산식은 다음과 같다.

·현재의 개방도로부터 폐지 동작 개시 t초 후의 반경(r)을 산출

r=a×(최대 리프트량-최대 리프트량×K+vt)

a=니들 저면 반경/니들 길이

v=니들 리프트 스피드

K=폐지 동작 개시시의 개방도(%)

·t초 후의 개구 단면적 Dt를 산출

Dt=πR²-πr²

R=밸브 오리피스 반경

·t초 후의 순시 유량치를 산출

Qt=V×Dt

V=폐지 개시시의 유속=폐지 개시시의 순시 유량/단면적(Dt)(t=0으로 산출)

·현재의 개방도에서부터 전폐 완료까지의 시간(t1)을 산출

t1=최대 리프트량×K/v

·지연 유량치(Q')를 산출

t0(폐지 개시 시간)에서부터 t1(폐지 완료 시간)까지 Qt를 적분

사전 폐지 유량치=설정 적산 유량치-지연 유량치(Q')

도 4에서 설명한 바와 같은 유체가 흐르지 않는 0L에서부터 적산을 개시하는 경우에는, 유량 제어 개시시의 오버 슛이 쉽게 발생하기 때문에, 이하와 같은 저유량 영역의 응답성을 높이면서 오버 슛을 억제하는 기능을 병용하는 것이 바람직하다.

도 7에서, 유량 조절 밸브(4)의 개방도가 전폐(0%)이고, 또한 유량계(2)로 측정한 순시 유량치가 0L/min인 상태에서 유량 제어를 개시한다(단계 101에서 YES)《도 8의 A점》. 목표로 하는 유량 설정치를 목표로 유량 제어를 행하는데, 유량 제어를 개시한 시점에서 PID 제어는 행하지 않고, 개방도 지령 신호를 출력하여 유량 조절 밸브(4)의 개방도를 전폐(0%)에서 미리 지정된 개방도까지 강제로 개방한다(단계 102)《도 8의 A점에서 B점》. 이로써, 유량 조절 밸브(4)의 지수 마진을 해소하여 유체의 흐름을 앞당길 수 있다. 이 동작이 저유량 급속 밸브 오픈 기능이다.

이 유량 급속 밸브 오픈 기능의 동작 직후에, 실제 개방도가 미리 지정된 개방도까지 도달한 경우에는(단계 103에서 YES), 대기 시간 또는 유량 문턱값이 설정되어 있는지 여부를 판단한다(단계 104). 여기서, 대기 시간 또는 유량 문턱값이 설정되어 있지 않은 경우에는(단계 104에서 NO), 통상의 PID 제어를 개시하고(단계 107), 설정되어 있는 경우에는(단계 104에서 YES), PID 제어를 행하지 않고 제어 대기한다(단계 105). 즉, 미리 설정된 대기 시간에 도달하거나, 또는 미리 설정된 유량 문턱값에 도달할 때까지 유량 제어를 대기시킨다《도 8의 B점에서 C점》. 이 동작이 오버 슛 억제 기능이다.

이 오버 슛 억제 기능의 동작에 의해, 미리 설정된 대기 시간까지 제어 대기하는데(단계 106에서 NO), 그 도중에 유량 문턱값(대기 시간 해제 유량치)에 도달한 경우에는(단계 106에서 YES), 제어 대기를 해제하고, 통상의 PID 제어를 개시한다(단계 107). 여기에서 PID 제어는, 포화된 유량치로 편차를 구하기 때문에 오인식이 없고, 적절한 편차가 산출되어 개방도가 미세 조절된다《도 8의 C점에서 D점》. 이 PID 제어에 의해, 유량계(2)의 측정 결과가 설정 유량치 부근이 될 때까지 유량 제어를 계속하는데(단계 108에서 NO), 설정 유량치 부근이 되면(단계 108에서 YES)《도 8의 D점》, 유량 제어를 종료한다.

이와 같이, 저유량 급속 밸브 오픈 기능에 의해, 유량 0L에서부터의 순시 유량에 의한 유량 제어를 개시할 때의 응답성을 높일 수 있다. 게다가, 저유량 급속 밸브 오픈 기능만으로는 유량 제어 개시시의 오버 슛이 발생하기 쉽지만, 오버 슛 억제 기능을 병용함으로써 저유량 급속 밸브 오픈 기능의 동작 직후에 미리 설정된 대기 시간 또는 유량 문턱값에 도달할 때까지 제어 대기함으로써 오버 슛을 효과적으로 억제할 수 있다.

상술한 오버 슛 억제 기능에 대해, 도 9에 도시한 제어 방법을 채용하는 것도 가능하다. 도 9에 도시한 단계 201∼206까지의 동작은, 도 7에 도시한 단계 101∼106까지의 동작과 동일하다. 다른 점은, 단계 207에서, 지정 변화량 이하이면서 지정 샘플링 횟수 이상을 검지한 경우에(단계 207에서 YES), 미리 설정된 유량 문턱값에 도달했다고 판단하여 PID 제어를 개시한다(단계 208). 여기서 '지정 샘플링 횟수'란, 유량 측정을 일정 주기(예를 들면 10ms)마다 샘플링하여 몇회 비교할지를 설정한 횟수를 말한다. 또, 지정 변화량 이하이면서 지정 샘플링 횟수 이상을 검지한 경우 대신에, 복수회 연속으로 설정 유량치 이상을 검지한 경우에, 미리 설정된 유량 문턱값에 도달했다고 판단해도 좋다. 이러한 처리를 가함으로써 압력 변화 등의 영향에 의한 오검지를 막을 수 있다.

이상 설명한 실시 형태에서는, 유량계(2)로서 초음파식 유량계를 채용하였으나, 유량 측정부를 구성하는 유량계는 이에 한정되지는 않으며, 카만와류 유량계, 임펠러 유량계, 면적 유량계, 코리올리 유량계, 차압 유량계, 전자(電磁) 유량계, 열식 유량계 등, 그 외의 유량계를 채용할 수도 있다. 또, 유량 조절 밸브(4)로서 전동식 니들 밸브를 채용하였으나, 유량 제어부를 구성하는 유량 조절 밸브는 이에 한정되지는 않으며, 에어식 니들 밸브, 정압 밸브, 볼 밸브, 버터플라이 밸브, 글로브 밸브등, 그 외의 밸브를 채용할 수도 있다.

1: 유량 제어 장치
2: 유량계
3: 유량계 기판
4: 유량 조절 밸브
5: 단계 모터
6: 위치 검출 센서
7: 제어 기판
8: 유로
9: PFA 튜브
10: 유입구
11: 유출구
12: 측정관
13: 초음파 센서
14: 초음파 센서
15: 밸브체
16: 다이어프램
17: 니들
18: 모터 액추에이터
19: 축체
20: 모터축
21: 스프링 부재
22: 밸브 시트
23: 커넥터 기판
24: I/O 커넥터
25: 통신 커넥터
26: 마그넷
50: 외부 제어 기기

Claims

유로를 흐르는 유체의 유량을 측정하는 유량계와,
상기 유로를 흐르는 유체의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브와,
상기 유량계의 측정 결과에 기초하여 상기 유량 조절 밸브의 개방도를 제어하는 제어부와,
상기 유량 조절 밸브의 개방도 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 구비하고,
상기 유량 조절 밸브의 개방도를 순시(瞬時) 유량치로 제어하고, 설정된 적산(積算) 유량치에서 폐지(閉止)하는 폐지 기능과,
상기 유량 조절 밸브의 현재의 개방도와 순시 유량치를 상시 감시하고, 적산 유량치가 하기 <식>에서 정의되는 사전 폐지 유량치에 도달한 시점에서 상기 유량 조절 밸브의 폐지 동작을 개시하는 적산치 예측 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 유량 제어 장치.
<식>
사전 폐지 유량치=설정된 적산 유량치-적산 오버 유량치
적산 오버 유량치=현재의 개방도로부터 산출되는 전폐(全閉) 완료 시간×순시 유량치로부터 산출되는 단위 시간당 토출 유량
또는
적산 오버 유량치=순시 유량치로부터 산출되는 단위 면적당 유속×현재의 개방도로부터 전폐가 완료될 때까지의 개구 단면적의 적분치
청구항 1에 있어서,
상기 유량 조절 밸브의 개방도가 전폐이고, 또한 상기 유량계에서 측정한 순시 유량치가 0L/min인 상태에서, 상기 유량 조절 밸브의 개방도를 전폐에서부터 지정 개방도까지 강제로 개방함으로써 상기 유체의 유출을 앞당기는 저유량 급속 밸브 오픈 기능과,
상기 저유량 급속 밸브 오픈 기능의 동작 직후에, 미리 설정된 대기 시간에 도달하거나, 또는 미리 설정된 유량 문턱값에 도달할 때까지 상기 유량 제어를 대기시킴으로써 오버 슛을 억제하는 오버 슛 억제 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 유량 제어 장치.