KR102592862B1 - 압력 셀의 측정 신호를 처리하는 방법 및 측정 셀 장치 - Google Patents

압력 셀의 측정 신호를 처리하는 방법 및 측정 셀 장치 Download PDF

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Abstract

압력 셀에서의 압력 측정 방법으로서, 상기 방법은 적어도 압력 셀에서 측정되는 압력에 비례하는 측정 신호(x)를 구하는 단계, 상기 측정 신호(x)에 포함된 노이즈 신호를 적어도 감소시키거나, 바람직하게는 제거함으로써, 전달 함수를 갖는 필터 유닛(10)에 의해 상기 측정 신호(x)로부터 출력 신호(y)를 생성하는 단계, 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화를 측정하는 단계 및 상기 전달 함수를 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화의 함수로 구성하는 단계로 이루어진다. 또한, 측정 셀 장치가 개시된다.

Description

압력 셀의 측정 신호를 처리하는 방법 및 측정 셀 장치
본 발명은 압력 셀의 측정 신호를 처리하는 방법 및 압력 측정 셀을 구비한 측정 셀 장치에 관한 것이다.
얇은 멤브레인에 압력을 가하고 그 결과 일어나는 멤브레인의 휘어짐을 측정함으로써 압력 또는 압력차를 측정하는 것은 공지되어 있다. 이러한 멤브레인의 휘어짐을 측정하는 공지된 적합한 방법은 멤브레인 장치를 가변적인 전기 커패시턴스로서 형성하는 것으로 이루어지며, 이 경우 측정 전자장치에 의하여 압력 변화와 상관관계가 있는 커패시턴스 변화가 평가된다. 얇은 가요성 멤브레인 면을 본체의 다른 면에 대해 약간의 거리를 두고 배치하고 서로 대향하는 두 표면을 전기전도성으로 형성함으로써 커패시턴스가 형성된다. 멤브레인 및 본체가 비전도성 유전 재료로 이루어지는 경우에는, 그 표면을 예를 들어 전기 전도성 코팅으로 피복함으로써 커패시터 전극을 형성한다. 멤브레인 및/또는 본체는 또한 그 자체가 전기 전도성 재료로 제작될 수 있는데, 그러면 그 표면이 커패시터 전극을 형성한다. 멤브레인이 압력을 받을 때 휘어짐의 결과로서 두 전극 사이의 거리가 변화되고, 이것은 분석가능한 커패시턴스 변화를 유도한다. 이러한 유형의 센서는 예를 들어 규소로 이루어진 다수의 조각으로 제작된다. 여기서 평면형 기본 본체 뿐만 아니라 멤브레인도 빈번히 완전히 규소로 이루어진다. 예컨대 규소와 유리 지지체와 같은 조합 재료 조성을 갖는 실시예도 존재한다. 이로써 센서가 저렴하게 제작된다. 이러한 유형의 압력 센서는 일반적으로 약 10- 1mbar로부터 몇 bar까지의 범위의 더 높은 압력 범위에 대해서만 이용될 수 있다. 약 10- 1mbar로부터 더 낮은 압력에서는 규소 재료에 의하여 높은 해상도가 더 이상 실현될 수 없다. 일반적인 진공 적용예에 대해 이러한 유형의 센서는 적합하지 않다. 제어하고자 하는 다양한 진공 프로세스에 대해 진공 속에서의 압력의 측정은 종종 대기압 내지 10- 6mbar 범위에서 실행된다. 이러한 측정은 높은 감도와 높은 해상도 및 진공압 측정의 양호한 재현가능성을 필요로 하며, 이를 위하여 특별하게 형성된 측정 셀은 고압 측정 셀의 설계와 완전히 상이할 수 있다.
진공압 측정을 위해서는 Al2O3와 같은 내부식성 재료로 제조된 정전용량식 멤브레인 압력 측정 셀이 특히 적합하다. 유럽특허 EP 1 070 239 B1호에는, 실질적으로 완전히 세라믹으로 제작되어 고도로 내부식성인 공지의 정전용량식 진공 측정 셀이 개시되어 있다. 매우 정확하게 10-6 mbar까지의 매우 낮은 압력을 측정할 수 있기 위하여, 세라믹 케이싱에 응력 없이 대칭적으로 배치되는 예를 들어 60μm 두께의 매우 얇은 세라믹 멤브레인이 사용된다.
케이싱 본체의 표면으로부터 커패시터 전극 또는 멤브레인 표면의 거리는 여기서 바람직하게는 2 내지 50μm 범위이다. 이러한 멤브레인 압력 측정 셀의 직경은 바람직하게는 5 내지 80mm 범위이다. 이렇게 형성된 측정하고자 하는 커패시턴스는 10pF 내지 32pF 범위이다. 신규한 전자 장치들 덕분에 우리는 현재 5pF 내지 1000pF 범위의 커패시턴스를 측정할 수 있다. 측정되는 커패시턴스는 여기서 측정하고자 하는 압력의 크기로서 이용된다. 이 커패시턴스는 압력에 따라 멤브레인이 구부러질 때 이에 상응하에 변화하므로, 멤브레인에 적용되는 압력이 검출될 수 있다. 이 커패시턴스 측정은 매우 정확하게 실행되어야 하며, 커패시턴스가 작으면 압력 변화에 의해 야기되는 커패시턴스 변화도 매우 작기 때문에 커패시턴스 값이 매우 작은 경우에는 간단하지가 않다. 그 결과 이로부터 발생되거나 유도되는 전기 신호도 매우 작으므로 교란되기 쉽다.
따라서, 상기 개시된 바와 같은 압력 신호의 처리를 위한 신호 처리 시스템에 높은 요구 조건이 주어진다. 또한, 예를 들어 프로세스 챔버 내의 압력을 제어하기 위해 재사용을 위해 측정되는 압력 신호의 특성을 최적화하기 위하여 필터 알고리즘이 사용된다. 압력 신호의 처리를 위해 이하의 두 상반되는 목적을 동시에 달성하는 필터 알고리즘을 제공하는 것이 시도되고 있다: 첫째, 예를 들어 측정 신호의 계단형 변화 후, 전이 조작이 가능한 한 빠르게 종료되어야 한다. 즉, 필터의 출력 신호가 가능한 한 빨리 안정한 출력 신호를 유도하여야 한다. 이로써 압력 변화에 기초하여 경우에 따라 필요한 동작이 가능한 한 빨리 개시될 수 있다. 둘째, 경우에 따라 노이즈 신호는 필터 알고리즘에 의해 가능한 한 강하게 억제되어야 한다. 따라서, 첫번째 조건에 따르면 가능한 한 빠른 필터가 요구되고, 두번째 조건에 따르면 비교적 더 느린 필터가 요망된다.
두 상반되는 목적을 달성하기 위하여, 필터 알고리즘 및 이에 따라 필터를 위한 전달 함수를 측정 신호의 처리에 제공하는 다수의 시도가 공지되어 있다. 공지된 필터 알고리즘은 절충에 기초하며, 이 알고리즘은 고감도 센서를 이용하여 압력을 측정하는 적용예에 있어서 만족스러운 결과를 도출하지 못한다.
미국특허 제5,838,599호에는 필터의 한 변형예가 개시되어 있는데, 이것은 입력 신호가 급격하게 변화하는 경우의 짧은 전이 뿐만 아니라 정상 상태에서의 입력 신호에서 노이즈 신호 성분의 양호한 감소도 가능하다.
또한, 노이즈의 제거를 위한 선형 필터를 이용하는 고가의 연산 방법을 개시한 미국특허공개 제2013/0016888호도 참조된다.
본 발명의 과제는 두드러진 노이즈 신호의 억제가 달성되고 동시에 현저히 상이한 측정 신호에 대해 빠른 응답이 가능한 간단한 측정 신호 처리 방법을 제공하는 것이다.
이 과제는 청구항 1의 특징에 의해 해결된다. 유리한 구현예 및 압력 측정 셀을 구비한 측정 셀 장치는 다른 청구항들에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 압력 셀에서의 압력 측정 방법은
- 적어도 압력 셀에서 측정된 압력에 비례하는 측정 신호를 구하고,
- 상기 측정 신호에 포함된 노이즈 신호를 적어도 감소시키거나 바람직하게는 제거함으로써, 전달 함수를 갖는 필터 유닛에 의해 상기 측정 신호로부터 출력 신호를 생성하고,
- 상기 측정 신호의 경시적 변화를 측정하며,
- 상기 전달 함수를 상기 측정 신호의 경시적 변화의 함수로 구성하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 한 실시 변형은 압력 셀에서의 압력을 적어도 출력 신호에 비례하여 조절하는 것으로 이루어진다. 이로써 매우 안정하고 강고한 폐쇄 제어 시스템이 수득된다.
상기 출력 신호는 선형이므로 최신 제어기(상태제어기)에 대해서도 실제값으로서 매우 적합하다.
본 발명에 따른 방법의 한 실시 변형은 상기 전달 함수가 적어도 1차 오더에서 로우 패스 특성(low-pass characteristic)을 가지며, 여기서 전달함수의 시상수(time constant)를 상기 측정 신호의 경시적 변화의 함수로 구성하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시 변형은 상기 측정 신호의 평균값을 구하고, 상기 측정 신호와 상기 측정 신호의 평균값 사이의 차를 구함으로써 차동 신호를 구하며, 적어도 상기 차동 신호로부터 상기 측정 신호의 경시적 변화를 도출하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시 변형은 이산 시간(discrete time) 측정 신호에 대해 하기 식으로 정의되는 외삽 평균값 필터를 이용하여 측정 신호의 평균값을 구하는 것으로 이루어진다:
fn = β1ㆍxn+(1-β1)ㆍfn -1
상기 식에서, f는 이산 시간 출력 신호이고, β1은 변수이고, x는 이산 시간 측정 신호이며, n은 시간에 따른 지수인데, 여기서 변수 β1은 특히 1 내지 0 사이의 값, 특히 바람직하게는 1 내지 0.1 사이의 값, 특히 바람직하게는 0.85 내지 0.95 사이의 값을 가진다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시 변형은 상기 차동 신호의 평균값을 생성함으로써 상기 측정 신호의 경시적 변화를 구하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시 변형은 이산 시간 차동 신호에 대해 하기 식으로 정의되는 외삽 평균값 필터를 이용하여 측정 신호의 경시적 변화를 구하는 것으로 이루어진다:
(Δx/ΔT)n = β2ㆍen+(1-β2)ㆍ(Δx/ΔT)n-1
상기 식에서, (Δx/ΔT)n은 측정 신호의 이산 시간 변화이고, β2는 변수이고, e는 이산 시간 차동 신호이며, n은 시간에 따른 지수인데, 여기서 변수 β2는 특히 1 내지 0 사이의 값, 특히 바람직하게는 0.5 내지 0.01 사이의 값, 특히 바람직하게는 0.05 내지 0.15 사이의 값을 가진다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시 변형은 이산 시간 시스템의 전달 함수의 시상수가 하기 식에 의해 정의되는 것으로 이루어진다:
Figure 112017117458109-pct00001
상기 식에서, ΔT는 상기 이산 시간 시스템에서 샘플링 간격(sampling interval)에 상응하며, α는 변수로서, 이의 값은 적어도 상기 측정 신호의 경시적 변화에 비례하지만 최소값(αmin) 이상이고 최대값(αmax)을 이하이며, 여기서 상기 최소값(αmin)은 특히 0.0 내지 0.1 사이, 특히 바람직하게는 0.0 내지 0.01 사이이고, 최대값(αmax)은 특히 0.3 내지 1.0 사이이다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시 변형은 상기 전달 함수가 하기 식에 의해 정의되는 것으로 이루어진다:
yn = αㆍxn+(1-α)ㆍyn -1
상기 식에서, y는 이산 시간 출력 신호이고, x는 이산 시간 측정 신호이며, α는 변수로서, 이의 값은 상기 측정 신호의 경시적 변화에 따라 달라지며, n은 시간에 따른 지수이다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시 변형은 상기 측정 신호를 빠른 경로에서 처리하여 출력 펄스를 생성하는 것으로 이루어지며, 여기서 상기 빠른 경로의 출력 펄스는 적어도 최대 3의 샘플링 간격 동안 측정되는 측정 신호 변화가 동일한 기간에 측정되는 측정 신호에서의 또는 측정 신호 변화에서의 노이즈를 초과하는 한 활성이다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시 변형은 상기 측정 신호를 추가로 느린 경로에서 처리하여 스위치 신호를 생성하는 것 및 변수 α가 상기 출력 펄스와 상기 스위치 신호 사이의 OR-연산에 따른 값을 유지하는 것으로 이루어지며, 여기서 상기 느린 경로의 스위치 신호는 적어도 2*TS보다 오래 동안 측정되는 측정 신호의 변화가 동일한 기간에 측정되는 측정 신호에서의 또는 측정 신호 변화에서의 노이즈를 초과하는 한 활성이며, TS는 출력 펄스의 소정 최소 펄스 폭이다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시 변형은 상기 변수 α가 적어도 스위칭 프로세스 후 소정의 전이 시간 후 α1 값 또는 α2 값을 취하는 것으로 이루어지며, 여기서 α1에 대한 값은 특히 0.01 내지 0.9 범위에 있으며, α2에 대한 값은 특히 0.0001 내지 0.01 범위에 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시 변형은 α1 값으로부터 α2 값으로의 전환이 시간 범위 Fin에 걸쳐 실행되고/되거나 α2 값으로부터 α1 값으로의 전환이 시간 범위 Fout에 걸쳐 실행되는 것으로 이루어진다.
또한, 본 발명은 압력 셀 및 상기 압력 셀과 작동적으로 연결된 멤브레인 압력 측정 셀을 구비한 측정 셀 장치에 관한 것으로, 상기 멤브레인 압력 측정 셀은 압력에 따른 측정 신호를 생성하고, 상기 측정 신호는 전달 함수를 갖는 필터 유닛에서 처리되어 출력 신호를 생성하고, 상기 측정 신호의 경시적 변화가 측정될 수 있으며, 상기 전달 함수는 상기 측정 신호의 경시적 변화의 함수로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 한 실시 변형은 상기 출력 신호가 상기 압력 셀에서의 압력의 조절에, 특히 프로세스 챔버에서의 압력의 조절에 이용될 수 있는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 측정 장치의 한 실시 변형은 상기 전달 함수가 적어도 1차 오더에서 로우 패스 특성을 가지며, 여기서 전달함수의 시상수가 상기 측정 신호의 경시적 변화의 함수로서 설정될 수 있는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은 상기 측정 신호의 평균값이 구해질 수 있고, 상기 측정 신호와 상기 측정 신호의 평균값 사이의 차를 구함으로써 차동 신호가 구해질 수 있으며, 적어도 상기 차동 신호로부터 상기 측정 신호의 경시적 변화가 도출될 수 있는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은 이산 시간 측정 신호에 대해 하기 식으로 정의되는 외삽 평균값 필터를 이용하여 상기 측정 신호의 평균값을 구할 수 있는 것으로 이루어진다:
fn = β1ㆍxn+(1-β1)ㆍfn -1
상기 식에서, f는 측정 신호의 이산 시간 평균값이고, β1은 변수이고, x는 이산 시간 측정 신호이며, n은 시간에 따른 지수인데, 여기서 변수 β1은 특히 1 내지 0 사이의 값, 특히 바람직하게는 1 내지 0.1 사이의 값, 특히 바람직하게는 0.85 내지 0.95 사이의 값을 가진다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은 상기 차동 신호의 평균값을 생성함으로써 상기 측정 신호의 경시적 변화를 구할 수 있는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은 이산 시간 차동 신호에 대해 하기 식으로 정의되는 외삽 평균값 필터를 이용하여 상기 측정 신호의 경시적 변화를 구할 수 있는 것으로 이루어진다:
(Δx/ΔT)n = β2ㆍen+(1-β2)ㆍ(Δx/ΔT)n-1
상기 식에서, (Δx/ΔT)n은 측정 신호의 이산 시간 변화이고, β2는 변수이고, en은 이산 시간 차동 신호이며, n은 시간에 따른 지수인데, 여기서 변수 β2는 특히 1 내지 0 사이의 값, 특히 바람직하게는 0.5 내지 0.01 사이의 값, 특히 바람직하게는 0.05 내지 0.15 사이의 값을 가진다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은, 이산 시간 시스템의 전달 함수의 시상수가 하기 식에 의해 정의되는 것으로 이루어진다:
Figure 112017117458109-pct00002
상기 식에서, ΔT는 상기 이산 시간 시스템에서의 샘플링 간격에 상응하며, α는 변수로서, 이의 값은 적어도 상기 측정 신호의 경시적 변화에 비례하지만 최소값(αmin)을 하회하지 않고 최대값(αmax)을 상회하지 않으며, 여기서 상기 최소값(αmin)은 특히 0.0 내지 0.1 사이, 특히 바람직하게는 0.0 내지 0.01 사이이며, 최대값(αmax)은 특히 0.3 내지 1.0 사이이다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은 상기 전달 함수가 하기 식에 의해 정의되는 것으로 이루어진다:
yn = αㆍxn+(1-α)ㆍyn -1
상기 식에서, y는 이산 시간 출력 신호이고, x는 이산 시간 측정 신호이며, α는 변수로서, 이의 값은 상기 측정 신호의 경시적 변화에 따라 달라지며, n은 시간에 따른 지수이다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은 상기 측정 신호를 빠른 경로에서 처리하여 출력 펄스를 생성하는 것으로 이루어지며, 여기서 상기 빠른 경로의 출력 펄스는 적어도 최대 3의 샘플링 간격 동안 측정되는 측정 신호 변화가 동일한 기간에 측정되는 측정 신호에서의 또는 측정 신호 변화에서의 노이즈를 초과하는 한 활성이다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은 상기 측정 신호를 추가로 느린 경로에서 처리하여 스위치 신호를 생성하는 것 및 변수 α가 상기 출력 펄스와 상기 스위치 신호 사이의 OR-연산에 따른 값을 유지하는 것으로 이루어지며, 여기서 상기 느린 경로의 스위치 신호는 적어도, 2*TS보다 오래 동안 측정되는 측정 신호의 변화가 동일한 기간에 측정되는 측정 신호에서의 또는 측정 신호 변화에서의 노이즈를 초과하는 한 활성이며, TS는 출력 펄스의 최소 펄스 폭이다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은 상기 변수 α가 적어도 스위칭 프로세스 후 소정의 전이 시간 후 α1 값 또는 α2 값을 취하는 것으로 이루어지며, 여기서 α1에 대한 값은 특히 0.01 내지 0.9 범위에 있으며, α2에 대한 값은 특히 0.0001 내지 0.01 범위에 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시 변형은 필터 유닛과 결정 유닛 사이에 전이 유닛이 제공되며, 여기서 α1 값으로부터 α2 값으로의 전환이 시간 범위 Fin에 걸쳐 실행되고/되거나 α2 값으로부터 α1 값으로의 전환이 시간 범위 Fout에 걸쳐 실행되는 것으로 이루어진다.
상기 실시 변형들은 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 조합에 의해 모순되는 실시 변형의 조합들만이 제외된다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은, 신호 처리 유닛에서의 본 발명에 따른 처리 후 밸브로 공급되는 측정 신호를 측정하는 프로세스 챔버에 연결된 멤브레인 압력 측정 셀을 구비한 측정 셀 장치를 도시한 것이다.
도 2는 측정 신호의 처리를 위한 연산 유닛을 구비한 도 1에 따른 신호 처리 유닛의 블록도이다.
도 3은 도 2에 따른 연산 유닛의 제1 실시예의 블록도이다.
도 4는 도 2에 따른 연산 유닛의 제2 실시예의 블록도이다.
도 5는 결정 유닛에서 진행되는 방법 단계를 나타낸 신호 흐름도이다.
도 6은 빠른 신호 경로 및 느린 신호 경로를 갖는 본 발명에 따른 연산 유닛 및 결정 유닛에 대한 다른 실시 변형의 블록도이다.
도 7은 도 6에 따른 본 발명에 따른 빠른 신호 경로의 블록도이다.
도 8은 도 6에 따른 본 발명에 따른 느린 신호 경로의 블록도이다.
도 9는, 도 2에서 출발하여, 연산 유닛과 필터 유닛 사이에 전이 유닛을 갖는 다른 실시 변형을 도시한 것이다.
도 1은 프로세스 챔버(1), 멤브레인 압력 측정 셀(2), 진공 펌프(3), 신호 처리 유닛(4), 제어 유닛(5), 밸브 구동기(6) 및 밸브(7)를 구비하는 측정 셀 장치의 개략 블록도이다. 상기 멤브레인 압력 측정 셀(2)은 진공 공정의 적용 후 소정 압력을 설정함으로써 상기 프로세스 챔버(1)에서의 압력을 구하기 위해 이용된다. 진공 공정은 예를 들어 코팅 공정, 에칭 공정, 공작물의 열처리 등과 같은 여러가지 공정을 포함한다. 진공 공정은 빈번히 보조 가스에 의해서도 운전되는데, 이러한 보조 가스는 공정에 있어 반응성 기체로서 활성 기체 또는 불활성 기체로서 필요하다. 상기 가스는 프로세스 챔버(1) 내의 압력 및 가스 흐름을 제어할 수 있고 밸브 구동기(6)에 의해 구동되는 밸브(7)에 의해 프로세스 챔버에 공급된다. 신호 처리 유닛(4) 및 제어 유닛(5)에서 밸브 구동기(6)를 위한 제어 신호(s)로 처리되는 측정 신호(x)는 멤브레인 압력 측정 셀(2)에 의해 생성된다. 프로세스 챔버(1) 내에서의 압력 변화에 대해 가능한 한 빠르고 정확하게 반응할 수 있기 위하여, 멤브레인 압력 측정 셀(2)이 한편으로는 가능한 한 정확하게 다른 한편으로는 빠르게 측정하는 것이 정확한 공정 제어에 필요하다.
- 본 발명의 간략화된 실시예에서는 - 신호 처리 유닛(4)의 출력 신호(y)가 프로세스 챔버에서의 압력 제어에 이용되지 않는 것도 생각될 수 있다. 이 경우 이것은 폐쇄 시스템이 아니라 개방 시스템에 관한 것이다. 여기서 임의의 유형의 압력 셀에서의 압력은 - 도 1에 따른 프로세스 챔버와 유사하게 - 압력 측정 셀(2)에 의해 측정된다. 안정하고 노이즈가 없으며 변화에 신속하게 반응하는 출력 신호(y)를 얻기 위하여, 압력 측정 셀(2)에 의해 측정되는 측정 신호(x)도 또한 신호 처리 유닛(4)에서 처리된다.
본 발명은 - 다시 도 1에 따른 실시 변형을 살펴보면 - 진공 프로세스에 존재하는 조건의 맥락에서 측정 신호(x)의 처리에 관한 것으로, 특히 이러한 진공 프로세스에서 압력 신호로서 나타날 수 있는 측정 신호(x)의 최적의 신호 처리를 목적으로 한다. 여기서 신호 처리는 기본적으로 아날로그 방식 또는 디지털 방식의 신호 처리 유닛(4)에서 실행될 수 있으며, 신호 처리가 아날로그 방식 또는 디지털 방식으로 실행되는 경우 구체적인 수단에 관해서는 이러한 수단(아날로그/디지털 변경, 에일리어싱(aliasing)의 회피를 위한 필터링, 표본화 주파수의 선택 등)은 당업자에게 충분히 공지되어 있으므로 이하에서 더 설명하지 않는다.
신호 처리 유닛(4)의 출력 신호(y)는 제어 유닛(5)에서 예를 들어 소위 P-, PI-, PID- 또는 상태 조절기로 다시 처리된다. 제어 유닛(5) 안에 형성되는 조절기는 여기서 특히 밸브 구동기(6) 또는 밸브(7)를 위한 제어 신호(s)의 최적의 추적을 담당한다.
기본적으로 신호 처리 유닛(4)에서의 추이 및 이의 블록 회로도에 관한 설명은 폐쇄 시스템 실시 변형에 대해서 뿐만 아니라 개방 시스템 실시 변형에 대해서도 유효하다.
도 2는 본 발명에 따른 신호 처리 유닛(4)(도 1)에서 실행되는 처리 단계의 예시를 위한 간략화된 블록도를 개략적으로 도시한 것이다. 본 발명에 따른 알고리즘의 개개의 처리 단계의 실현을 위해, 예를 들어 그에 맞춰 프로그램화된 신호 처리기가 이용된다. 물론, 그에 대한 프로세서 용량이 충분하다면 다른 과제도 상기 신호 처리기에 의해 실행될 수 있다. 특히 상기 제어 유닛(5)의 조절기도 동일한 신호 처리기에 구현하는 것도 생각할 수 있다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 측정 신호(x)는 필터 유닛(10)에 공급되고, 이 필터 유닛은 출력 신호(y)를 생성한다. 필터 유닛(10)은 측정 신호(x) 및 출력 신호(y)를 이용하여 신호 처리 유닛(4)의 실제 신호 경로를 형성한다(도 1). 필터 유닛(10)의 특성의 확립을 위해, 연산 유닛(11) 및 결정 유닛(12)과 같은, 후술하게 될 기타 부품들이 제공된다.
필터 유닛(10)은, 이산 시간 시스템에서 예를 들어 이하의 방정식에 따라 정의되는 필터 특성을 가진다:
yn = αㆍxn+(1-α)ㆍyn -1
상기 식에서, y는 이산 시간 출력 신호이고, x는 이산 시간 측정 신호이고, n은 시간에 따른 지수이며, α는 변수로서, 이의 값은 결정적으로 필터 유닛(10)의 시상수를 결정한다. 본 발명의 목적은 변수 α의 값의 최적의 설정이며, 구체적으로는, 측정 신호(x)에서의 노이즈 신호를 가능한 한 억제하거나 심지어 제거하고, 동시에 프로세스 챔버 내의 압력 변화를 검출하여 이에 대해 빠르게 반응할 수 있는 것이다.
변수 α를 포함하는 상기 언급된 방정식은 노이즈 신호 성분의 억제를 위한 필터 특성으로서 로우 패스 특성을 가지며, 여기서 1차 오더 필터에 대한 시상수 τ는 다음과 같이 구해질 수 있다:
Figure 112017117458109-pct00003
변수 α에 대한 값의 선택은 본 발명에 있어 매우 중요하다. 안정한 압력값에서 측정 신호(x)는 노이즈 신호만을 포함하므로, α에 대한 값은 예를 들어 0.01과 같이 최대한 작게(αmin) 선택되어야 한다. 이로써 측정 신호(x)에 존재하는 노이즈 신호가 최대한 억제되고, 필터링된 출력 신호(y)는 특히 후속되는 제어 유닛(5)의 조절기에서 사용하기 적합한데(도 1), 안정한 출력 신호가 밸브 구동기(6) 또는 밸브(7)의 활성을 낮추어 이들 부품의 부하를 감소시키고, 이에 의해 공지된 시스템에 비하여 오류 확률이 현저히 감소되기 때문이다.
다른 한편 측정 신호(x)의 변화는 프로세스 챔버 내에서의 실제 압력 변화에 기초하여 지체 없이 검출되고, 이것은 변수 α에 대한 다른 값, 즉, 예를 들어 0.3 내지 1.0 (αmax) 사이의 α 값을 필요로 한다.
변수 α에 대한 값의 조정은 본 발명에 따르면 측정 신호(x)의 경시적 변화에 따라 행해지며, 이에 대해서는 추후 상세히 설명된다.
도 3은 측정 신호(x)의 경시적 변화를 구하기 위한 제1 실시 변형의 블록도를 개략적으로 도시한 것이다. 실제로 측정 신호(x)는 균등화 유닛(13)에서 예를 들어 평균값 필터를 이용하여 균등화된다. 여기서 특히 소위 외삽 평균값 필터가 특히 적합한 것으로 나타났다. 이 필터의 출력 신호(f)는 차동 유닛(14)에 제공되고, 이것은 불변 측정 신호(x)에 대한 차이를 구하며, 이 차이는 이하 차동 신호(e)로서 표현된다.
상기 차동 신호(e)는 측정 신호(x)의 경시적 변화에 대한 크기를 나타내며 본 발명에 따른 이 실시 변형에서는 필터 유닛(10)(도 2)에서의 변수 α의 값의 설정에 이용되는데, 경우에 따라 환산(scaling)이 필요하다.
외삽 평균값 필터에 의해 실현되는 균등화 유닛(13)은 이하의 순환공식에 의해 정의된다:
fn = β1ㆍxn+(1-β1)ㆍfn -1
상기 식에서, f는 이산 시간 출력 신호이고, β1은 변수이고, x는 이산 시간 측정 신호이며, n은 시간에 따른 지수인데, 여기서 변수 β1은 차동 신호(f)의 생성을 위한 외삽 평균값 필터에 있어 특히 1 내지 0 사이의 값, 특히 바람직하게는 1 내지 0.1 사이의 값, 특히 바람직하게는 0.85 내지 0.95 사이의 값을 가진다.
따라서 도 3에 따른 실시 변형에서 도 2에 따른 연산 유닛(11)은 다음과 같이 차동 신호(e)를 생성한다:
en = fn - xn
도 4는 연산 유닛(11)(도 2)의 다른 실시 변형의 개략 블록도이다. 이것은 제2 단계에서 Δx/ΔT로서도 표현되는 측정 신호(x)의 경시적 변화를 구하는 것에 관한 것으로, 여기서 제1 단계는 도 3에 따른 개개의 단계와 동일하다. 도 4에 따르면 차동 신호(e)의 추가의 처리가 예를 들어 외삽 평균값 필터로서 구현될 수 있는 평균값 필터(15)에 의해 행해진다. 따라서, 제1 단계에서와 동일한 정의(상기 식들 참조)가 적용된다. 여기서 β2라 일컬어지는 변수 β의 개개의 값은 다른 값을 가지는데, 변수 β2는 측정 신호(x)의 경시적 변화를 구하기 위한 외삽 평균값 필터에 있어서 특히 1 내지 0 사이의 값, 특히 0.5 내지 0.01 사이의 값, 특히 0.05 내지 0.15 사이의 값을 유지한다.
따라서, 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)는 다음과 같이 이산 시간 차동 신호(e)로부터 정해질 수 있다:
(Δx/ΔT)n = β2ㆍen+(1-β2)ㆍ(Δx/ΔT)n-1
상기 식에서, (Δx/ΔT)n은 측정 신호(x)의 이산 시간 경시적 변화이고, en은 이산 시간 차동 신호(e)이며, n은 시간에 따른 지수이다.
본 발명의 이 실시 변형에 있어서도 여기서 수득된 측정 신호(x)의 경시적 변화 Δx/ΔT 또는 (Δx/ΔT)n은 도 3에 따른 실시 변형과 관련하여 이미 설명한 바와 같이 필요에 따라 환산 처리되어야 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 변형을 도시한 것으로, 결정 유닛(12)(도 2)의 특별한 구성에 관한 것이다. 도 3 및 4를 참조하여 이미 설명한 실시 변형들에 따르면 결정 유닛(12)은 경우에 따라 연산 유닛(11)을 통해 수득된 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)의 환산을 포함한다. 본 발명의 이 실시 변형들에 이어서, α 값에 대한 수치 범위를 하한 및 상한으로 한정하는 것이 제안된다. 이에 따라 도 5에 나타낸 본 발명의 다른 실시 변형에 따른 αmin 및 αmax가 제공되며, 이들은 도 5에 도시된 흐름도에 따라 적용된다:
측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)는 인자(k)에 의해 (도 3 및 4에 도시된 실시 변형들과 관련하여 이미 설명한 바와 같이) 환산 처리된다. 환산 처리된 상기 경시적 변화(Δx/ΔT)는 α'로 표시된다. 이제 일련의 결정들이 뒤따르고, 최소값(αmin)과 최대값(αmax) 사이의 수치 범위 내에서 α의 확정값을 한정하는 것을 목표로 한다. 상기 극값(αmin 및 αmax) 사이에서, 도 3에 따라 또는 도 4에 따라 실행되는 연산 유닛(11)(도 2)의 결과에 따라 α값이 설정된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 변형을 도시한 것으로, 여기서는 도 2에 대시선으로 둘러싸이고 이하 기울기 결정 유닛(50)으로서도 표시되는 도 2에 도시된 연산 유닛(11) 및 결정 유닛(12)에 대한 블록도가 개략도로 도시되어 있다.
후술되는 모든 구체적인 실시예에서 (특히 시상수 τ에 대해) 일반적인 샘플링 시간(ΔT)(사이클 시간이라고도 일컬어짐)에 의해 1 ms로부터 개시된다. 물론 1 ms의 샘플링 시간(ΔT)은 일례로서만 이용된다. 샘플링 시간(ΔT)은 기본적으로 이용가능한 처리 능력 및 전체 시스템의 필요한 반응 시간의 범위 내에서 선택된다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 기울기 결정 유닛(50)은 우선 2개의 기능 블록 - 즉, "빠른" 기능 블록(20) 및 "느린" 기능 블록(30)으로 이루어진다. 더 설명하게 될 이들 두 기능 블록(20 및 30)은 빠른 경로(20) 및 느린 경로(30)로서도 표현된다.
우선 질적인 면에서 필터 유닛(10)(도 2)의 파라미터 α1 및 α2에 관한 이하의 원리가 구성될 수 있다:
최대의 노이즈 억제를 얻기 위하여 시간의 함수로서 변화하지 않는 측정 신호(x)(즉, 압력 변화가 존재하지 않는 경우)는 강하게 필터링될 수 있다. 파라미터 α2에 대해서는 0.0001 (τ
Figure 112017117458109-pct00004
10 s) 내지 0.01 (τ
Figure 112017117458109-pct00005
100 ms) 사이의 값이 적합한 것으로 나타났다. 여기서 파라미터 α2에 대해 바람직한 값은 0.001 (τ
Figure 112017117458109-pct00006
1 s)이다.
시간의 함수로서 변화하는 측정 신호(x)(즉, 압력 변화가 존재하는 경우)는 강하게 필터링될 필요가 더 적다. 이 경우 파라미터 α1은 감쇠 인자(attenuation factor)를 정의한다. 따라서, 이것은 일반적으로 파라미터 α2보다 더 크도록 선택된다. α1에 대해서는 0.01 (τ
Figure 112017117458109-pct00007
100 ms) 내지 0.9 (τ
Figure 112017117458109-pct00008
0.1 ms) 사이의 값이 적합한 것으로 나타났다. 여기서 파라미터 α1에 대해 바람직한 값은 0.1 (τ
Figure 112017117458109-pct00009
9 ms)이다.
이미 언급한 바와 같이 기울기 결정 유닛(50)은 우선 "빠른" 기능 블록(20) 및 "느린" 기능 블록(30)의 두 기능 블록으로 이루어지는데, 여기서 "빠른" 기능 블록(20)은 빠른 변화 대한 출력 신호(FC)를 생성하고 "느린" 기능 블록(30)은 느린 변화에 대한 출력 신호(SC)를 생성하며, 이로부터 제어 신호(SW)가 다음과 같이 OR-연산에 의해 수득된다:
SW = FC 또는 SC
활성 제어 신호(SW)는 - OR-게이트에 따른 도 6의 흐름도로부터 알 수 있는 바와 같이 - 필터 유닛(10)(도 2)에서 α1 값이 사용되게 한다. 한편 상기 제어 신호(SW)가 비활성일 때는 필터 유닛(10)에서 α2가 사용된다.
"빠른" 기능 블록(20)은 측정 신호(x)의 빠른 변화에 대해 샘플링 시간(ΔT) 내에 (여기서 샘플링 시간(ΔT)도 예를 들어 1 ms) 검출 및 반응하지만, 느린 또는 일정한 측정 신호 변화에 대해서는 비교적 민감하지 않다. 느린 또는 일정한 측정 신호 변화는 "느린" 기능 블록(30)에 의해 검출된다.
느린 측정 신호(x)와 빠른 측정 신호(x) 사이의 경계는 "빠른" 기능 블록(20)에 의하여 표시된다:
측정 신호(x)의 주파수가
Figure 112017117458109-pct00010
보다 작으면, "빠른" 기능 블록(20)의 관점에서 이것은 측정 신호(x), 그렇지 않으면 빠른 측정 신호(x)이다. 이러한 기재의 의미 및 이로부터 결과하는 반응의 의미에 대해서는 기능 블록(20 및 30)의 설명과 관련하여 상세히 언급되어 있다.
도 7에는 도 6에 따른 "빠른" 기능 블록(20)이 도시되어 있다. 측정 신호(x)는 도 4에 도시되고 자세히 설명된 연산 유닛(11)에서 처리된다. 부응하여 그 양태들이 본 발명의 이 실시 변형에 대해서도 유효하다.
연산 유닛(11)의 출력 신호 Δx/ΔT는, Δx/ΔT의 양이 구해지는 정량 유닛(21) 및 덧셈 유닛(25)으로 공급된다. 연산 유닛(11)에서 구해진 차동 신호(e)의 양은 추가의 정량 유닛(22)에서 구해진다. 이어서 정량 신호(|en|)가 평균값 필터(23)에서 파라미터 β3에 의해 다시 이하의 식에 따라 균등화된다:
hn = β3ㆍ|en|+(1-β3)ㆍhn -1
상기 식에서, 출력 신호 hn은 곱셈 유닛(multiplier unit)(24)에서 CF 인자에 의한 환산 후 덧셈 유닛(25)으로 공급되고 거기서 정량 신호
Figure 112017117458109-pct00011
및 CFㆍh 사이의 차가 구해진다. 그 결과는 역치 검출기(threshold detector)(26)에 공급되고, 이 때 소정 역치에 미치지 못하면 트리거가 생성되고, 이 트리거는 모노플롭(monoflop)(27)에 공급된다. 예를 들어 리트리거블(retriggerable) 모노플롭으로서 형성되는 상기 모노플롭(27)은 트리거의 수득 후의 입력으로 출력 펄스(FC)를 생성하며, 이의 길이는 펄스 폭(TS)에 걸쳐 조절될 수 있다. 이와 관련하여 "리트리거블"이란 시간 기한 동안 발생한 트리거가 모노플롭(27)의 내부 시간을 각각 새롭게 개시시키고 이에 따라 활성 스위칭 상태가 경시적으로 변화된다는 것을 의미한다.
이미 설명한 바와 같이 신호 Δx/ΔT는 측정 신호(x)의 변화에 대한 크기를 나타낸다. 평균값 필터(23) 및 이후의 CF 인자에 의한 환산을 이용하여 차동 신호(e)의 양을 필터링함으로써 신호 CFㆍh가 수득된다. 이것은 측정 신호 변화(Δx/ΔT)의 측정의 "배경 노이즈"에 대한 크기를 나타낸다. 따라서 신호 CFㆍh와 Δx/ΔT의 양을 비교함으로써 2진 제어 신호 "트리거"가 수득되고, 이것은 모노플롭(27)의 제어에 이용된다.
감쇠 인자 β1, β2 및 β3는 특히 이하의 값을 가져야 하는 것으로 나타났다:
β1에 대해서는 0.1 내지 0.001 (τ
Figure 112017117458109-pct00012
9 ms 내지 1 s), 특히 전형적인 값으로서 0.01 (τ
Figure 112017117458109-pct00013
100 ms); β2에 대해서는 0.1 내지 0.001 (τ
Figure 112017117458109-pct00014
9 ms..1 s) 범위, 특히 전형적인 값으로서 0.01 (τ
Figure 112017117458109-pct00015
100 ms); β3에 대해서는 0.01 내지 0.0001 범위(τ
Figure 112017117458109-pct00016
100 ms 내지 10s), 특히 전형적인 값으로서 0.001 (τ
Figure 112017117458109-pct00017
1 s).
도 1에 도시된 압력 모니터링 및 압력 조절 시스템에서 출발하여 이하가 언급될 수 있다: 프로세서 챔버(1)에서의 모든 빠른 압력 변화(압력 급상승)는 "트리거-펄스"를 발생시킨다. 이 펄스의 폭은 선택된 감쇠 인자 β1 및 β2에 따라 달라진다. 특히 실제 진공 시스템에서 압력 변화가 없으면 > 10 ms 범위의 시상수를 가진다. 압력 변화(에지) 내에서 빠른 필터와 느린 필터 사이의 전환이 일어나지 않도록 하기 위하여, 리트리거블 모노플롭(27)에 의하여, 출력 펄스(FC)가 적어도 펄스 폭(TS)을 갖도록 확실히 한다. 펄스 폭(TS)에 대한 바람직한 값 범위는 예를 들어 50 ms (특히 소형 고속 진공 시스템의 경우) 내지 5s (특히 대형 운반 진공 시스템의 경우) 사이이다. 펄스 폭(TS)에 대한 전형적인 값은 500 ms이다. 환산 계수(scaling factor)(CF)는 예를 들어 0.15의 값을 가진다.
Figure 112017117458109-pct00018
보다 작은 주파수를 갖는 측정 신호(x)의 경우, "빠른" 기능 블록(20)(도 6)은 반응하지 않거나 요망되는 것보다 더 적은 신뢰성을 갖고 반응한다. 이것은 특히 모노플롭(27)(도 7)의 펄스 폭(TS)이 너무 짧아서 완전한 신호 기간을 커버할 수 없기 때문이다. 따라서,
Figure 112017117458109-pct00019
보다 작은 주파수를 갖는 측정 신호(x)는 도 6에 도시된 실시 변형의 경우 "느린" 기능 블록(30)에 의해 처리된다. 그러나, 이미 "빠른" 기능 블록(20)만으로 - 즉, "느린" 기능 블록(30) 없이 - 매우 양호한 결과가 수득될 수 있다는 것을 명확히 지적해 두는 바이다.
"느린" 기능 블록(30)(도 6 참조)에 대한 한 실시 변형이 도 8에 도시되어 있다. 여기서는
Figure 112017117458109-pct00020
보다 작은 주파수를 갖는 측정 신호(x)에 대해 "느린" 기능 블록(30)이 설계되며, 예를 들어 500 ms의 펄스 폭(TS)으로부터 출발하는 경우 상기 주파수는 전형적으로는 1Hz보다 작다. "느린" 기능 블록(30)은 다음과 같이 스위치 신호(SC)를 출력 신호로서 연산한다:
Figure 112017117458109-pct00021
상기 식에서, SS는 예를 들어 2ㆍTS(즉, 2배의 펄스 폭 TS)보다 긴 기간에 걸친 측정 신호(x)의 변화의 크기를 나타내므로 일반적으로 초 단위이고, SSN은 측정 신호(x)의 노이즈의 크기이다. SSN도 SS도 이미 기술한 방식의 평균값 필터에 의해 구해진다. 평균값 필터의 전이 함수는 도 2의 필터 유닛(10)의 기재와 관련하여 설명하였다.
SS는 도 4의 평균값 필터(13) 및 도 7의 평균값 필터(15)와 유사하게 다른 평균값 필터(35 및 38)(도 8)에 의해 구해진다. 유일한 차이는 더 작은 주파수 범위에 대해 최적화된 감쇠 인자 β5 및 β6의 크기에 있다.
감쇠 인자 β5 및 β6는 특히 이하의 값을 가져야 하는 것으로 나타났다:
β5에 대해서는 0.01 내지 0.0001 (τ
Figure 112017117458109-pct00022
100 ms 내지 10s)의 범위, 특히 전형적인 값으로서 0.001 (τ
Figure 112017117458109-pct00023
1 s); β6에 대해서는 0.01 내지 0.0001 (τ
Figure 112017117458109-pct00024
100 ms 내지 10s)의 범위, 특히 전형적인 값으로서 0.001 (τ
Figure 112017117458109-pct00025
1 s).
이미 기재한 방식으로 산출되는 신호 SS는 실질적으로 측정 신호(x)의 노이즈 및 측정 신호(x)의 변화의 합에 대한 크기이다. 하이 패스 필터(31) 및 추가의 평균값 필터(33)에 의해 측정 신호(x)의 (느린) 변화에 의존하지 않는 신호 SSN이 계산된다. 따라서 이것은 측정 신호(x)의 노이즈에 대한 크기를 나타내며, 신호 SS와의 비교를 통해 앞서 기재한 조건에 따라 구하고자 하는 스위치 신호(SC)가 수득된다.
감쇠 인자 β4는 예를 들어 0.005 내지 0.00005 (τ
Figure 112017117458109-pct00026
200 ms 내지 20 s) 범위에 있어야 하는 것으로 , 특히 0.0005 (τ
Figure 112017117458109-pct00027
2 s)이어야 하는 것으로 나타났다.
평균값 필터(33)의 출력 신호는 곱셈 유닛(34)에 의한 환산으로 이어지고, 이의 제2 입력은 환산 계수(CS)에 의해 처리되어 출력 신호(SSN)를 생성한다. 환산 계수(CS)는 예를 들어 50의 값을 갖는 것으로 나타났다.
하이 패스 필터(34)의 과제는 측정 신호(x)에서의 느린 변화 및 노이즈를 분리하는 것이다. (1 ms의 ΔT의 전형적인 샘플링 간격에서) 0 … 1kHz의 선택가능한 주파수 영역에 걸쳐 측정 신호의 노이즈가 정규분포된다는 가정하에, 이하의 구성을 갖는 하이 패스 필터(34)가 적합한 것으로 나타났다:
필터 타입: 하이 패스 필터
설계 방식: 타원형
표본화 주파수: 1kHz
통과 대역에서의 나이퀴스트 주파수: 400Hz
통과 대역에서의 변동: 3dB
저지 대역에서의 나이퀴스트 주파수: 250Hz
저지 대역에서의 감쇠: 73dB
이 조건하에서, 용이하게, 즉 실행가능한 비용으로 계산되고 실행될 수 있는 4차 오더의 하이 패스 필터가 얻어진다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 변형을 도시한 것으로, 여기서는 본 발명에 따른 필터 유닛(10)이 최적으로 빠르고 이에 따라 두 감쇠 인자 α1 및 α2 사이에서 급격히 전환된다. 제어 유닛(5)(도 1)의 모든 후속 조절기들에 의해 이러한 급격한 전환이 허용되지 않는 것도 생각할 수 있다. 따라서 α1 및 α2 사이에서의 전환은 본 발명의 더 개선된 실시 변형에 따라 페이드인(Fade-in)/페이드아웃(Fade-out) 옵션의 활성화에 의해 덜 급격하게 실행될 수 있다. 이를 위하여 - 도 9로부터 명백한 바와 같이 - 필터 유닛(10)과 결정 유닛(50) 사이에 전이 유닛(51)이 제공된다. 상기 전이 유닛(51)은 2개의 경시적 파라미터 Fin 및 Fout을 제공한다.
이하 전달 유닛(51)의 함수를 설명한다: 2개의 경시적 파라미터 Fin 및 Fout은 두 시간 범위를 정의하며, 이것은 α1으로부터 α2로의 또는 반대로의 감쇠 인자 전환시 이용되며, 전이 방향에 따라 시간 범위 Fin 또는 시간 범위 Fout이 우세해진다: α2로부터 α1으로 전환되어야 하는 경우(압력 변화가 일어남) 시간 범위 Fin이 적용되고, 그 동안 α2로부터 α1으로의 온건한 전이가 이루어진다. 반대 방향으로는 - 압력 변화 후 안정한 압력비가 다시 우세하게 된 경우 - α1으로부터 α2로 전환되어야 한다. 이것은 이 실시 변형에 따르면 더이상 급격하게가 아니라 Fout에 의해 정해진 시간 범위 내에 행해진다. 다시 α1으로부터 α2로의 "온건한" 전이가 이루어진다.
예를 들어 이하의 값의 두 시간 범위가 Fin 또는 Fout에 적합하다는 것이 나타났다:
시간 범위 Fin에 대해 0 내지 100 ms 범위, 특히 전형적인 값으로서 10 ms; 시간 범위 Fout에 대해 0 내지 10 s 범위, 특히 전형적인 값으로서 1 s.

Claims (24)

  1. - 압력 셀(2)에서 측정되는 압력에 비례하는 측정 신호(x)를 구하고,
    - 상기 측정 신호(x)에 포함된 노이즈 신호를 감소시키거나, 제거함으로써, 전달 함수를 갖는 필터 유닛(10)에 의해 상기 측정 신호(x)로부터 출력 신호(y)를 생성하는 것으로 이루어지는 압력 셀(2)에서의 압력 측정 방법에 있어서,
    - 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(△x/△T)를 측정하며,
    - 상기 전달 함수를 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화의 함수로 구성하고,
    상기 전달 함수는 하기 식에 의해 정의되며,
    yn = αㆍxn+(1-α)ㆍyn-1
    상기 식에서, y는 이산 시간 출력 신호이고, x는 이산 시간 측정 신호이며, α는 변수로서, 이의 값은 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화에 따라 달라지며, n은 시간에 따른 지수이고,
    상기 측정 신호(x)를 빠른 경로(20)에서 처리하여 출력 펄스(FC)를 생성하며, 여기서 상기 빠른 경로(20)의 출력 펄스(FC)는 최대 3의 샘플링 간격(sampling interval) 동안 측정되는 측정 신호 변화가 동일한 기간에 측정되는 측정 신호(x)에서의 또는 측정 신호 변화에서의 노이즈를 초과하는 한 활성인 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력 셀(2)에서의 압력이 상기 출력 신호(y)에 비례하여 조절되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전달 함수가 1차 오더에서 로우 패스 특성(low-pass characteristic)을 가지며, 여기서 전달함수의 시상수(time constant)가 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)의 함수로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 측정 신호(x)의 평균값을 구하고, 상기 측정 신호(x)와 상기 측정 신호(x)의 평균값 사이의 차를 구함으로써 차동 신호(e)를 구하며, 상기 차동 신호(e)로부터 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)를 도출하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 측정 신호(x)의 평균값은 이산 시간(discrete time) 측정 신호(x)에 대해 하기 식으로 정의되는 외삽 평균값 필터를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법:
    fn = β1ㆍxn+(1-β1)ㆍfn-1
    상기 식에서, fn은 측정 신호(x)의 이산 시간 평균값이고, β1은 변수이고, xn은 이산 시간 측정 신호(x)이며, n은 시간에 따른 지수인데, 여기서 변수 β1은 1 내지 0 사이의 값을 가진다.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)는 상기 차동 신호(e)의 평균값을 생성함으로써 구하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)는 이산 시간 차동 신호(e)에 대해 하기 식으로 정의되는 외삽 평균값 필터를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법:
    (Δx/ΔT)n = β2ㆍen+(1-β2)ㆍ(Δx/ΔT)n-1
    상기 식에서, (Δx/ΔT)n은 측정 신호(x)의 이산 시간 경시적 변화이고, β2는 변수이고, e는 이산 시간 차동 신호이며, n은 시간에 따른 지수인데, 여기서 변수 β2는 1 내지 0 사이의 값을 가진다.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 측정 신호(x)를 추가로 느린 경로(30)에서 처리하여 스위치 신호(SC)를 생성하는 것을 특징으로 하며, 여기서 상기 느린 경로(30)의 스위치 신호(SC)는 2*TS보다 오래 동안 측정되는 상기 측정 신호(x)의 변화가 동일한 기간에 측정되는 측정 신호(x)에서의 또는 측정 신호 변화에서의 노이즈를 초과하는 한 활성이고, TS는 출력 펄스(FC)의 소정 최소 펄스 폭이며, 변수 α가 상기 출력 펄스(FC)와 상기 스위치 신호(SC) 사이의 OR-연산에 따른 값을 유지하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 변수 α는 스위칭 프로세스 후 소정의 전이 시간 후 α1 값 또는 α2 값을 취하며, 여기서 α1에 대한 값은 0.01 내지 0.9 범위에 있으며, α2에 대한 값은 0.0001 내지 0.01 범위에 있는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
  12. 제1항에 있어서, α1 값으로부터 α2 값으로의 전환은 시간 범위 Fin에 걸쳐 실행되거나, α2 값으로부터 α1 값으로의 전환은 시간 범위 Fout에 걸쳐 실행되거나, 또는 α1 값으로부터 α2 값으로의 전환은 시간 범위 Fin에 걸쳐 실행되고 α2 값으로부터 α1 값으로의 전환은 시간 범위 Fout에 걸쳐 실행되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
  13. 압력 셀(2) 및 상기 압력 셀(2)과 작동적으로 연결된 멤브레인 압력 측정 셀(2)을 구비한 측정 셀 장치로서, 상기 멤브레인 압력 측정 셀은 압력에 따른 측정 신호(x)를 생성하며, 상기 측정 신호는 전달 함수를 갖는 필터 유닛(10)에서 처리되어 출력 신호(y)를 생성하는 상기 장치에 있어서, 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(△x/△T)가 측정될 수 있으며, 상기 전달 함수가 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화의 함수로 구성될 수 있고,
    상기 전달 함수가 하기 식에 의해 정의되며,
    yn = αㆍxn+(1-α)ㆍyn-1
    상기 식에서, y는 이산 시간 출력 신호이고, xn은 이산 시간 측정 신호(x)이며, α는 변수로서, 이의 값은 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화에 따라 달라지고, n은 시간에 따른 지수이며,
    상기 측정 신호(x)를 빠른 경로(20)에 적용하여 출력 펄스(FC)를 생성하며, 여기서 상기 빠른 경로(20)의 출력 펄스(FC)는 최대 3의 샘플링 간격 동안 측정되는 측정 신호 변화가 동일한 기간에 측정되는 측정 신호(x)에서의 또는 측정 신호 변화에서의 노이즈를 초과하는 한 활성인 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 출력 신호(y)가 상기 압력 셀(2)에서의 압력의 조절에 이용될 수 있는 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 전달 함수가 1차 오더에서 로우 패스 특성을 가지며, 여기서 전달함수의 시상수가 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)의 함수로 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 측정 신호(x)의 평균값을 구할 수 있고, 상기 측정 신호(x)와 상기 측정 신호(x)의 평균값 사이의 차를 구함으로써 차동 신호(e)를 구할 수 있으며, 상기 차동 신호(e)로부터 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)를 도출할 수 있는 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 측정 신호(x)의 평균값은 이산 시간 측정 신호(x)에 대해 하기 식으로 정의되는 외삽 평균값 필터를 이용하여 구해질 수 있는 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치:
    fn = β1ㆍxn+(1-β1)ㆍfn-1
    상기 식에서, fn은 측정 신호(x)의 이산 시간 평균값이고, β1은 변수이고, xn은 이산 시간 측정 신호(x)이며, n은 시간에 따른 지수인데, 여기서 변수 β1은 1 내지 0 사이의 값을 가진다.
  18. 제17항에 있어서, 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)는 상기 차동 신호(e)의 평균값을 생성함으로써 구해질 수 있는 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치.
  19. 제16항 또는 제18항에 있어서, 상기 측정 신호(x)의 경시적 변화(Δx/ΔT)는 이산 시간 차동 신호(e)에 대해 하기 식으로 정의되는 외삽 평균값 필터를 이용하여 구해질 수 있는 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치:
    (Δx/ΔT)n = β2ㆍen+(1-β2)ㆍ(Δx/ΔT)n-1
    상기 식에서, (Δx/ΔT)n은 측정 신호(x)의 이산 시간 경시적 변화이고, β2는 변수이고, en은 이산 시간 차동 신호이며, n은 시간에 따른 지수인데, 여기서 변수 β2는 1 내지 0 사이의 값을 가진다.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제13항에 있어서, 상기 측정 신호(x)를 추가로 느린 경로(30)에 적용하여 스위치 신호(SC)를 생성하는 것을 특징으로 하며, 여기서 상기 느린 경로(30)의 스위치 신호(SC)는 2*TS보다 오래 동안 측정되는 측정 신호(x)의 변화가 동일한 기간에 측정되는 측정 신호(x)에서의 또는 측정 신호 변화에서의 노이즈를 초과하는 한 활성이고, TS는 출력 펄스(FC)의 소정 최소 펄스 폭이며, 변수 α는 상기 출력 펄스(FC)와 상기 스위치 신호(SC) 사이의 OR-연산에 따른 값을 유지하는 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 변수 α는 스위칭 프로세스 후 소정의 전이 시간 후 α1 값 또는 α2 값을 취하며, 여기서 α1에 대한 값은 0.01 내지 0.9 범위에 있으며, α2에 대한 값은 0.0001 내지 0.01 범위에 있는 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치.
  24. 제22항에 있어서, 필터 유닛(10)과 결정 유닛(12) 사이에 전이 유닛(51)이 제공되며, 여기서 α1 값으로부터 α2 값으로의 전환은 시간 범위 Fin에 걸쳐 행해지거나, α2 값으로부터 α1 값으로의 전환은 시간 범위 Fout에 걸쳐 행해지거나, 또는 α1 값으로부터 α2 값으로의 전환은 시간 범위 Fin에 걸쳐 행해지고, α2 값으로부터 α1 값으로의 전환은 시간 범위 Fout에 걸쳐 행해지는 것을 특징으로 하는 측정 셀 장치.
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