KR20030010704A - 질량 유동 계측 시스템 및 방법 - Google Patents

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로어리패트릭에이.
라라지오네로버트
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플로우매트릭스, 인크.
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Abstract

본 발명은 단일 압력 신호에만 기초하여 질량 유동 속도를 계산하는 유동 계측 시스템(20)에 관한 것이다. 유동 제어기(22, 24)는 제한부(30)에 걸쳐 일정한 압력 차이가 유지되도록 제한부(30)에 평행하게 배열된다. 제한부(30)를 통해 유동하는 유체의 압력 및 온도는, 제어되지 않는 경우, 제한부(30)의 양쪽에서 측정된다. 압력은 특정 제한부 및 측정되고 있는 유체에 대해 계산된 질량 유동 속도 대 압력의 곡선에 비교된다. 제한부에 걸쳐 유지되는 일정한 압력 차이는 압력과 유동 속도 사이에 선형 관계를 발생시킨다. 온도가 제어되지 않는다면, 압력 대 질량 유동 속도의 곡선은 선형을 유지하지만, 곡선의 기울기는 유체 온도에 기초하여 조정된다.

Description

질량 유동 계측 시스템 및 방법{MASS FLOW METER SYSTEMS AND METHODS}
많은 분야에서, 유체의 질량 유동은 고도로 정확하게 측정되어야 한다. 예를 들어, 의학 및 반도체 제조에서, 종종 기체와 액체는 소정의 결과를 얻도록 정확한 양으로 전달될 필요가 있다. 실제로 전달되는 유체의 질량을 측정하기 위하여 계측기들이 사용된다.
종래의 압력 기초 질량 유동 계측기는 유동 제한부, 온도 센서 및 유동 제한부를 가로지르는 압력차뿐만 아니라 유동 제한부의 상류측 절대 압력을 검출하기 위한 압력 센서들을 이용한다. 질량 유동은 압력 및 온도 수치와 소정의 질량 유동 속도를 상관시키는 표로부터 결정된다. 이러한 시스템들은 상이한 온도, 상류측 및 하류측 압력 하에서의 유체 밀도, 유체 속도 및 유체 점성을 설명하도록 적어도 2개의 압력 센서들 및 하나의 온도 센서를 필요로 한다.
실제 질량 유동을 결정하기 위해 덜 복잡한 계산들을 필요로 하고 보다 단순한 질량 유동 계측기에 대한 필요성이 존재한다.
미국 특허 제5,791,369호(니시노 외)는 단지 하나의 기능적인 압력 변환기를 필요로 하는 것으로 알려진 유동 속도 제어기를 개시한다. 그러나, 특허 '369호에 개시된 제어기는 음파 유동 영역에서만 작동하고, 이러한 시스템은 제어기가 적절하게 작동하기 위해 입구 압력이 출구 압력의 2배가 되는 것을 필요로 한다. 특허 '369호의 유동 제어기는 매우 낮은 유동 속도, 즉 기체로만 작동하고, 유효 압력 조절을 상류에 구비해야 한다. 또한, 특허 제'369호는 하류측 압력이 입구 압력의 절반 이상일 때를 결정하기 위해 제2 압력 변환기의 사용을 개시하며, 제어기는 이러한 조건이 만족될 때 종료된다.
미국 특허 제6,152,162호(발라지 외)는 2개의 압력 측정, 유동 제한기의 하나의 상류측 및 하나의 하류측을 필요로 하는 유체 유동 제어기를 개시한다. 특허 제'162호는 질량 유동을 측정하지 않는다. 또한, 특허 제'162호는 유동 제한부로서 필터 요소를 이용한다. 기체 흐름의 입자들은 필터를 폐색할 수 있어, 그 유동 제한부의 압력 강하 및 유동 특성들의 관계를 변화시키고 초기 보정(calibration) 설정으로부터 벗어날 수 있다.
미국 특허 제6,138,708호(발드부저)는 압력 보상 질량 유동 제어기를 개시한다. 특허 제'708호에 설명된 시스템은 열 질량 유동 제어기를 돔-부하식(dome-loaded) 압력 조절기에 결합된 열 계측기와 조합한다. 독립적인 기체 공급원을 사용하는 다른 파일롯 압력 조절기는 열 질량 유동 제어기의 압력 조절기 상류측의돔에 부하를 가한다. 파일롯 조절기 및 질량 유동 제어기는 입구 압력이 유동 속도와 조화되어 제어되도록 마이크로프로세서에 의해 제어되어, 입구 압력에 독립적인 유동 제어기가 된다.
본 특허 출원은 전체가 참조로 본 명세서에 병합되는 2001년 4월 13일 출원된 가 미국 특허 출원 제60/283,596호에 기초하여 우선권을 주장한다.
본 발명은 질량 유동을 측정하고 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 유동 제한부, 압력 및 온도 센서들을 사용하여 질량 유동의 정확한 측정을 가능케 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 예시적인 질량 유동 계측기를 도시하는 블록 선도이다.
도2는 본 발명의 작동을 도시하는, 유체 압력 대 계측기를 통한 질량 유동의 예시적인 구성도이다.
도3은 도1에 도시된 질량 유동 계측기를 구현하는데 사용될 수 있는 예시적인 기계 시스템을 도시하는 개략 단면도이다.
도4는 도1의 질량 유동 계측기에 의해 사용되는 계측 회로를 도시하는 블록 선도이다.
도5는 본 발명의 원리를 이용하는 질량 유동 계측기에 의해 이용될 수 있는 예시적인 계측 회로의 세부 블록 선도이다.
도6은 도1의 질량 유동 계측기를 보정하는 일 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도7은 상이한 유체 온도의 보상을 도시하는, 수 개의 상이한 유체 온도에 대해 유체 압력 대 계측기를 통한 질량 유동의 구성도이다.
도8은 비선형 질량 유동 출력에 적용된 본 발명의 조작의 기본 원리를 도시하는, 유체 압력 대 계측기를 통한 질량 유동의 예시적인 구성도이다.
도9는 본 발명의 질량 유동 계측 시스템을 이용하는 예시적인 유동 제어 시스템의 블록 선도이다.
도10은 유동 제어 시스템의 다른 실시예의 블록 선도이다.
이하의 설명은 다수의 부분으로 이루어진다. 제1 부분에서, 본 발명의 기본 조작 및 이론이 질량 유동 계측 시스템 부분에서 설명된다. 제2 및 제3 부분은 본 발명을 구현하는데 이용될 수 있는 예시적인 기계 및 전기 시스템을 설명한다. 제4 부분은 본 발명의 원리에 따라 구성된 질량 유동 계측 시스템을 보정하는 일 방법을 설명한다. 제5 부분은 질량 유동 제어기의 일부로서 사용되는 제1 내지 제4 부분에 설명된 질량 유동 계측기를 설명한다. 제6 부분은 질량 유동 제어 시스템의 다른 실시예를 설명한다. 마지막 부분은 본 발명의 특정 실시예를 설계하고 구성할 때 일반적으로 고려되는 추가 사항들을 설명한다.
1. 질량 유동 계측 시스템
먼저, 도면 중 도1을 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 제조되고 본 발명을 구현하는 예시적인 질량 유동 계측 시스템(20)이 도시된다. 계측 시스템(20)은 기계 시스템(22) 및 전기 시스템(24)을 포함한다. 기계 시스템(22)은 제한 챔버(32)와 압력 균형 시스템(34)을 한정하는 유동 제한기(30)를 포함한다. 전기 시스템(24)은 압력 센서(40), 온도 센서(42) 및 계측 회로(44)를 포함한다.
기계 시스템(22)은 유체 입구(50) 및 유체 출구(52)를 한정한다. 입구(50) 및 출구(52)는 가압 유체의 소스 또는 공급원(54)과 그 유체의 도착지(56)에 각각연결된다.
전술한 바로부터, 공급원(54) 및 도착지(56)의 세부사항들은 계측 시스템(20)이 사용되는 환경에 따라 크게 변화될 수 있음이 명백하다. 예컨대, 의료 환경에서, 공급원(54)은 가압 기체의 병이 될 수 있고 도착지(56)는 기체를 공기와 혼합하고 그 혼합물을 종래 수단을 사용하여 환자에게 공급하는 혼합기일 수 있다. 제조 환경에서, 공급원(54)은 원료로부터 기체의 공급을 발생시키는 컨버터일 수 있고 도착지(56)는 공업 공정의 일부로서 기체가 사용되는 반응 챔버일 수 있다. 많은 경우에, 공급원(54)에서의 공급 압력과 도착지(56)에서의 압력은 미지이거나 가변일 수 있다.
본 발명의 계측 시스템(20)은 가압 유체가 공급원(54)으로부터 기계 시스템(22)을 통해 도착지(56)로 유동하는 대형 시스템의 일부로서 이용된다. 압력 균형 시스템(34)은 제한 챔버(32)를 가로질러 일정한 압력 차이를 유지한다.
도1에 도시되어 있는 바와 같이, 예시적인 유동 제한기(30)는 가변적이다. 특히, 계측 시스템(20)이 보정될 때, 유동 제한기(30)는 제한 챔버(32)의 유효 횡단면적 및 소정의 기하학 형상을 한정한다. 예시적인 시스템(20)에서, 유동 제한기(30)는 제한 챔버(32)의 기하학 형상, 특히 유효 횡단면적을 바꾸기 위해 변경될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 유동 제한기(30)는 가변적일 필요는 없으나, 대신에 사전 설정된 기하학 형상 및 유효 횡단면적으로 제조될 수 있다. 이는 표준 오리피스, 음속 오리피스, 여러 기하학 형상의 층상 유동 요소 또는 가변 면적 제한을 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있다. 이후 설명되는 바와 같이,사전 설정되거나 또는 가변 유동 제한기의 사용은 계측 시스템(20)의 보정 공정에 영향을 미칠 수 있다.
바람직하게는 압력 균형 시스템(34)은 공급원 및 도착지 압력이 미지이거나 가변적이라 하더라도 제한 챔버(32)를 가로지는 일정한 압력 차이를 유지하기 위해 기계식 조절 시스템을 이용하는 유동 제한기이다. 이러한 기계식 유동 제한기는 예를 들어 1999년 12월 2일 허여된 미국 특허 제6,026,849호, 2001년 3월 13일 출원되고 본 출원에 공동 양도된 계류중인 미국 특허 출원 제09/805,708호에 개시되어 있다. 그러나, 압력 균형 시스템(34)은 특허 출원 제'708호에서 개시되어진 바와 같이 전자 기계 유동 제한기일 수 있다. 특허 제'849호 및 특허 출원 제'708호의 교지는 본 명세서에 참조로 병합된다.
바람직하게는 압력 및 온도 센서(40,42)는 압력 및 온도 수치를 전기 신호로 변환하는 전자 기계 변환기이다. 이러한 센서(40,42)는 기계 시스템(22)을 통해 유동되는 유체의 각각 압력 및 온도를 나타내는 전기 신호를 발생하기 위해 기계 시스템(22)에 작동 연결된다.
계측 회로(44)는 소정의 유체에 대해 압력 및 온도에 물질 유동 속도를 관련시키는 보정 데이터를 저장하거나 또는 상기 보정 데이터에 대한 액세스를 갖추고 있다. 보정 데이터는 주어진 제한기(30)에 대해 계산된 보정 인자 및 계측 시스템(20)을 통해 유동하는 기체의 특징에 의해 결정된 기체 상수를 포함한다. 기체 상수는 온도 변환에 관련된 특정 기체 밀도 또는 점성에 기초한다.
보정 데이터와 압력 및 온도 신호에 기초하여, 계측 회로(44)는 기계시스템(22)을 통해 유체의 질량 유동에 상응하는 유동 출력 신호를 발생한다. 유동 출력 신호는 공급원(54)으로부터 도착지(56)로의 유체 유동을 제어하기 위한 대형 회로의 일부분으로서 기록되거나 나타나거나 또는 이용된다.
도2를 참조하면, 압력 균형 시스템(34)이 전술한 바와 같이 제한기(30)를 가로질러 연결될 때 제한기(30)를 통한 질량 유동 대 압력의 곡선이 60으로 표시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 질량 유동 출력은 출력 압력에 따라 선형으로 증가된다. 이 곡선(60)은 체적, 질량, 온도와 관련된 이상 기체 법칙의 결과 및 하기의 방정식(1)에 의해 설명되는 비선형 압축율의 결과이다.
PV = mRTZ (1)
여기서, P는 압력,
m은 질량,
V는 체적,
R은 기체 상수(보편),
T는 온도
Z는 기체 압축율이다.
(하기의 기술에서, 이러한 기호들 위의 "ㆍ"는 체적 유동 속도의 질량을 나타낸다)
이상 기체 법칙 방정식의 양 항을 시간으로 나누면 하기의 속도 식(2)을 산출한다.
(2)
질량 유동 속도에 대해 속도 방정식(2)을 풀면 이하의 질량 유동 속도 방정식(3)이 산출된다.
(3)
질량 유동 속도 방정식의 항을 정리하면 이하의 기울기 방정식(4)이 산출된다.
= 곡선의 선형부의 기울기 = 일정
방정식(4)의 기울기는 질량 유동 속도와 주어진 시스템 및 기체에 대한 압력 사이의 관계를 도시한다. 만약 압력이 증가하면, 임의 체적 내의 질량의 양(즉, 밀도)은 온도가 일정하게 유지될 때 비례하여 증가할 것이다. 실험적인 데이터는 전체 실험에 걸쳐서 단지 1도만큼 변화되었다는 것을 보여준다. 곡선의 기울기가 일정하게 유지되기 때문에, 최종 결과는 압력 차이 압력(즉, 입구 압력 - 출구 압력)이 임계값에 접근할 때까지 본 장치에 대한 체적 유동 속도가 전체 압력 범위에 걸쳐 일정하게 유지된다는 것이다.
반면에, 압력 측정에 의존하는 종래의 유동 계측기는 3가지 인자, 즉, 입구 압력, 입구 온도 및 오리피스를 가로지르는 압력 차이를 고려해야만 한다. 오리피스를 가로지르는 유동 속도, 또는 유사한 유동 제한은 이하의 유동 속도 방정식(5)에 의해 일반항으로 표현된다.
(5)
여기서,
p1= 제한부의 상류 기체 압력
p2= 제한부의 하류 기체 압력
T1= 제한부의 상류 온도
D = 유동 경로 직경
d = 제한 유압 직경 (유효 유동 직경)
G = 기체의 비중량 또는 표준 분자량
Z = 기체의 압축 계수
상기 유동 속도 방정식(5)에서의 항(K)은 주어진 제한부의 보정 중 실험적으로 결정되는 계수이다. 항(K)은 주울-톰슨 냉각/가열(즉, 압력의 급격한 변화에 의해 발생되는 온도의 변화)과 같은 기체의 제한 및 팽창 계수의 기하학에 의존한다. 유동 속도 방정식(5)은 그 내부에 큰 기체 속도를 생성하지 않는 낮은 유동 또는 제한에 대해서만 유효하다. 기체의 속도가 음속에 접근할 때, 기체 분자의 부피 속도는 압력이 매체를 통과해 이동할 수 있는 속도보다 크다. 유동 특성은 현저하게 상이한 관계를 취하며, 소위 압축 유동, 음속 유동, 또는 초크 유동(choked flow)이라고 한다.
그러므로, 압력 강하에 의존하는 종래의 유동 제어기는 2 개의 압력 센서와 1 개의 온도 센서를 사용한다. 또한, 그러한 종래의 유동 제어기는 양측의 압력을 측정하거나, 압력 차이를 계산함으로써(통상의 op 앰프(아날로그)로써 또는 프로그래밍된 디지털 마이크로 프로세서 및 필요한 아날로그 디지털 변환기를 사용하여), 그리고 가장 중요하게는 항(K)을 찾아내기 위해 장치를 보정함으로써 유동 속도를 계산할 수 있는 상대적으로 복잡한 전자 기기를 구비해야만 한다.
본 발명에 관하여, 유동을 얻기 위해 풀린 방정식은 다음 방정식(6, 7) 중의 하나일 것이다:
(층상 유동 제한에 대해) (6)
또는
(오리피스 타입 제한에 대해) (7)
여기서 K는 보정 인자이고 이하에 설명되는 바와 같이 보정 중 결정된다. 방정식(6 내지 10)에서의 상수(R)는 방정식(1 내지 4)에서의 보편 상수(R)가 아님을 알 수 있다. 오히려, 이는 층상 유동 또는 오리피스 타입 제한에 대해 변화하는 기체-의존 상수이다.
비-이상(non-ideal) 압축률이 고려되어야 하는 일부 기체의 경우, 다음 방정식(8, 9)이 이용될 수 있다:
(층류 제한에 대해) (8)
또는
(오리피스 타입 제한에 대해) (9)
여기서 Z(P, T)는 압력 및 온도에 의존하는 압축성 인자이다.
방정식(6, 7, 8, 9) 중의 하나와 방정식(5)을 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 압력 및 온도에 대한 질량 유동 속도의 관계를 매우 단순화한다. 대부분의 경우에, 압축률이 보정 과정에서 설명되도록 제어기가 보정될 것이므로, 압축률이 직접 얻어질 필요는 없다.
주어진 온도 및 압력에서, 기체는 보정 중 유동 표준에 의해 취해진 측정으로 고유한 일부 비-이상 압축률을 이미 도시하고 있다. 또한, 항(R)은 기체 특이적이고, 단지 기체 특이적 상수는 매우 정확한 질량 유동 측정을 갖도록 보정 전 또는 보정 중 도입될 필요가 있다. 보정 과정은 도5를 참조하여 이하에 기술되는 바와 같이 실행될 수 있다.
보정 인자(K)가 보정 과정을 이용하여 계산된 후, 질량 유동은 도2에서 도시된 곡선(60)의 기울기를 한정한 다음 선형 기울기 방정식 (10)만을 이용하여 측정될 수 있다:
Y = mx+b (10)
여기서 y는 질량 유동, x는 측정된 압력, m은 K/RT, b는 영 오프셋이다.
계측 시스템(20)에 대한 상술된 기본적 이해를 가지고, 이 시스템의 다양한 부품이 이하에서 더욱 상세히 기술될 것이다.
Ⅱ. 기계 시스템
이제 도면 중 도3을 참조하면, 예시적인 유동 계측 시스템(20)의 기계 시스템(22)이 여기에 상세히 도시된다. 기계 시스템(22)의 제한기(30)는 주 본체 조립체(120)에 의해 형성된다. 주 본체 조립체(120)는 입구(132) 및 출구(134)를 갖고 제한 챔버(32)를 한정하는 주 통로(130)를 한정한다. 제한 챔버(32)는 입구(132) 및 출구(134) 사이에 배열된다.
일반적으로 상술된 바와 같이, 질량 유동 계측 시스템(20)은 압력 센서(40) 및 온도 센서(42)에 의해 발생된 압력 및 온도 신호를 이용하여 입구(132)로부터 출구(134)까지 주 통로(130)를 통해 유동하는 유체의 질량 유동을 측정한다. 계측 시스템(20)을 통해 유동하는 유체는 여기서 계측된 유체로서 언급될 것이다. 시일은 계측된 유체가 단지 여기서 설명된 경로만을 따라 유동하도록 기계 시스템(22)을 형성하는 여러 부품들의 접합점에서 형성된다; 이러한 시일은 현재 존재하거나 종래에 존재하였으므로 상세히 기술되지 않을 것이다.
예시적 주 본체 조립체(120)는 주 본체 부재(140)와, 선택에 따라, 가변식 오리피스 조립체(142)를 포함한다. 주 본체 부재(140)는 주 통로(130), 입구(132) 및 출구(134)의 적어도 일부를 한정한다. 주 본체 부재는 입구 부분(144), 출구 부분(146) 및 중간 부분(148)을 포함한다.
주 본체 부재(140)는 각각 가변식 오리피스 조립체(142)의 상류 및 하류에위치한 제1 및 제2 균형 포트(150, 152)를 더 한정한다. 제1 및 제2 균형 포트(150, 152)는 압력 균형 시스템(24)과 주 통로(130)의 각 입구 및 출구 부분(144, 146) 사이의 유체 연통을 가능케 한다. 제1 균형 포트(150) 및 제2 균형 포트(152)는 압력 균형 시스템(34)의 각 입력 및 출력 포트(154, 156)에 각각 연결된다.
계측 시스템(20)에 의해 사용되는 예시적 압력 및 온도 센서(40, 42)는 주 통로(130)를 통해 유동하는 계측된 유체의 압력과 온도를 검출하도록 배열된다. 특히, 주 본체 부재(140)는 주 본체 부재(140)의 출구 부분(146)에 배열된 제1 및 제2 테스트 포트(160, 162)를 한정한다. 그러나, 테스트 포트(160, 162)는 본 발명의 다른 실시예에서 본체 부재(140)의 입구 및/또는 중간 부분(144, 148)에 배열될 수 있다.
센서(40, 42)는 종래 기술이거나 또는 종래 기술일 수 있고, 테스트 포트(160, 162) 내로 삽입되거나 또는 나사 결합된다. 일반적으로 시일은 센서(40, 42)와 테스트 포트(160, 162) 사이에 형성된다. 주 본체 부재(140)에 부착되어, 센서(40, 42)는 테스트 포트(160, 162)에 바로 인접한 계측된 유체의 압력과 온도에 상응하는 전기 압력 및 온도 신호를 발생시킨다.
주 본체 부재(140)의 입구, 출구 및 제한 부분(144, 146, 148)은 상이한 기능을 제공하고, 따라서 상이한 형상을 갖는다. 입구 및 출구 부분(144, 146)은 나사 결합되거나 또는 주 본체 부재(140) 및 공급원(54)과 계측된 유체의 도착지(56) 사이에서 유체 기밀 연결되도록 될 수 있다. 입구 및 출구 부분(144, 146)의 유효단면적은 유체 도착지(56)로의 계량된 유체의 유동이 소정의 시스템 요구 사항을 충족시켜야 한다는 것을 제외하고는 본 발명의 어떠한 실행에도 중요하지 않다. 예시적인 주 본체 조립체(120)에서, 입구 및 출구 부분(144, 146)은 원통형 입구 및 출구 내벽 표면(170, 172)을 한정하고, 거의 동일한 직경과 동일한 유효 단면적을 갖는다.
주 본체 부재(140)의 중간 부분(148)은 계측된 유체의 유동이 시스템 요구 사항을 충족할 수 있게 하면서 주 통로(130)를 통한 계측된 유체의 유동을 제한하는 역할을 한다. 따라서, 주 통로(130)의 중간 부분(148)의 적어도 일부의 유효 단면적은 입구 및 출구 부분(144, 146)보다 작다. 특히, 중간 부분(148)은 주 본체 부재(140)의 내부 제한 벽(180)에 의해 적어도 부분적으로 한정된다. 제한 벽(180)은 거의 원통형이고 입구 및 출구 벽 표면(170, 172)보다 작은 직경을 갖는다.
본 발명의 계측 시스템(20)은 선택에 따른 가변식 오리피스 조립체(142) 없이 제조될 수 있다. 이러한 경우, 주 본체 부재(140)의 제한 벽(180)은 제한 챔버(32)를 한정한다. 주 본체 부재(40)는 빈틈 없는 공차로 제조되어야 하고 그리고/또는 가변식 오리피스가 사용되지 않으면, 개별 주 본체 부재에 의해 한정된 제한 부분의 변화를 설명하도록 보정 데이터가 각 주 본체 부재(140)용으로 계산될 필요가 있다.
가변식 오리피스 조립체(142)가 사용되면, 주어진 주 본체 부재(140)와 연관된 제한 챔버(32)는 주어진 주 본체부(140)를 보정하도록 변경될 수 있다. 임의의수의 기구가 제한 챔버(32)의 기하학 형상을 변경시키도록 사용될 수 있다.
계측 시스템에서, 예시적인 가변식 오리피스 조립체(142)는 내부 표면(222)을 갖는 튜브 부재(220)를 포함한다. 튜브 부재(220)의 내부 표면(222)은 제한 챔버(32)의 유효 단면적을 한정한다.
어떤 상황에서는, 튜브 부재(220)는 일부 금속 또는 중합체와 같은 강성 재료로 만들어질 수 있다. 이 경우, 튜브 부재(220)는 상이한 소정의 단면적을 갖는 제한 챔버(32)에 각각 대응하는 복수의 소정의 구성으로 만들어진다. 이러한 소정의 구성들 중 하나는 제한 챔버(32)의 원하는 기하학 형상을 얻도록 선택된다.
그러나, 예시적인 튜브 부재(220)는 튜브 부재(220)가 변형될 때 제한 챔버(32)의 유효 단면적이 변화되도록 변형 가능한 재료로 만들어진다. 예시적인 튜브 부재(220)는 금속으로 만들어지지만, 그러나 중합체, 천연 고무 또는 다른 재료가 상황에 따라 사용될 수 있다. 이 점에서, 튜브 부재(220)는 탄성 재료(예컨대, 중합체 또는 천연 고무) 또는 비탄성 재료(예컨대, 금속)로 제작될 수 있다.
예시적인 계측 시스템(20)에 의해 사용되는 가변식 오리피스 조립체(142)는 압축 웨지(224)와, 압축 심(shim)(226)과, 제1 및 제2 쉐브론 부재(228, 230)와, 나선이 형성된 표면(234)을 갖는 압축 너트(232)를 더 포함한다.
이 가변식 오리피스 조립체(142)를 수용하기 위해, 예시적인 주 몸체 부재(140)의 중간 부분(148)은 제한 벽(180)에 부가하여 후속 내부 벽, 튜브 시트 벽(240), 압축 벽(242), 간격 벽(244) 및 나선이 형성된 벽(246)을 포함한다. 튜브 시트 벽(240)은 전술된 제한 벽(180)의 상류에 위치되고 전체적으로 원통형이다. 압축 벽(242)은 튜브 시트 벽의 상류에 위치되고 전체적으로 원추형이다. 간격 벽(244)은 압축 벽의 상류에 위치되고 전체적으로 원통형이다. 나선이 형성된 벽(246)은 간격 벽의 상류에 위치하고 압축 너트(230)의 나선이 형성된 표면(232)과 정합되도록 나선이 형성된다.
몸체 부재(140)에 대한 압축 너트(230)의 축방향 회전은 너트(230)가 몸체 부재(140)의 종방향 축(A)을 따라 제한 벽(180)을 향해 변위되도록 한다. 너트(230)가 제한 벽(180)을 향해 이동함에 따라, 너트(230)는 쉐브론 부재(228, 230) 및 압축 심(226)을 통해 압축 웨지(224) 상에 힘을 인가한다. 압축 웨지(224)는 원추형 외부 표면(250)을 포함한다. 압축 웨지(224)의 외부 표면(250)은 웨지(224)가 종방향 축을 향해 방사상 내향으로 이동하도록 압축 벽(242)과 결합한다. 압축 웨지(224)의 내향 이동은 일반적으로 전술된 바와 같이 제한 챔버(32)의 유효 단면적을 변경시키도록 튜브 부재(220)를 변형시킨다.
Ⅲ. 전기 시스템
도면들 중 도4를 참조하면, 예시적인 유동 계측 시스템(20)의 전기 시스템(24)의 일부로서 사용된 계측 회로(44)의 예시적인 일 실시예가 상세하게 도시되어 있다. 계측 회로(44)는 제1, 제2 및 제3 가산 및 스케일링 시스템(320, 322, 324)을 포함한다. 제1 가산 및 스케일링 시스템(320)은 보정된 압력 신호를 얻기 위하여 보정 인자와 원래의 압력 신호를 조합한다. 제2 가산 및 스케일링 시스템(322)은 보상된 온도 신호를 얻기 위해 원래의 온도 신호와 기체 상수 입력값을 조합한다. 제3 가산 및 스케일링 시스템(324)은 유동 출력 신호를 얻기 위하여보정된 압력 신호와 보상된 온도 신호를 조합한다.
가산 및 스케일링 시스템(320 내지 324)의 설계 세부 사항은 계기 시스템(20)이 사용되는 특정 환경에 의해 결정된다. 일반적으로, 이러한 시스템(320 내지 324)은 신호 특이성 부품과 가산 및 스케일링 증폭기를 포함한다. 신호 특이성 부품은 아날로그 또는 디지털 형태의 원래의 입력 신호를 신호 특이성 부품과 관련된 가산 및 스케일링 증폭기에 의해 사용하기에 적절한 디지털 또는 아날로그 조절된 신호로 변환된다. 가산 및 스케일링 증폭기는 교대로 조절된 입력 신호에 기초한 스케일링된 신호를 발생시키도록 설계된다.
계측 회로(44)는 이산 회로 부품, 적용 특이성 집적 회로(ASIC), 범용 마이크로컴퓨터 또는 디지털 신호 프로세서와 같은 통합 프로세서에서 작동하는 소프트웨어, 또는 이러한 방법들의 조합을 사용하여 실행될 수 있다. 전기 시스템(24)의 임의의 주어진 실행의 정확한 성질은 제조 비용, 설계자의 배경 지식과 경험, 계측 시스템(20)의 작동 환경과 같은 인자들에 의존한다. 예를 들어, 디지털 신호 프로세서("DSP")로 실행되는 본 발명의 실시예에서, 바람직하게는 DSP는 계측을 위해 원래의 보정 조건을 포함하지만 이에 제한되지는 않는, 보정 조건을 저장하는 탐색표를 갖는 메모리 유닛을 포함한다. 이러한 데이터는 압력 및/또는 온도 센서 드리프트(drift)의 경우에 원래의 조건을 역 참조하는데 유용하다. 또한 데이터는 계측기가 보정 또는 다른 서비스를 필요로 하는 지의 여부를 결정하기 위한 진단 절차를 수행하기에 유용하다. 또한, 바람직하게는 DSP 메모리 유닛은 하나 이상의 유체용 유체 점도 대 온도의 탐색표를 갖는다. 이러한 데이터는 유체 온도의 변화를 보상하도록 사용하기에 유용하다.
이제, 도5를 참조하면, 아날로그 입력 신호에 기초하여 유동 출력 신호를 발생시키도록 구성된 예시적인 계측 회로(44)가 도시된다. 도5에 도시된 바와 같이, 제1 가산 및 스케일링 시스템(320)은 신호 조절 모듈(330), 선택적인 산술 논리 유닛(332), 선택적인 선형화 증폭기(334), 제1 및 제2 가산 및 스케일링 증폭기(336, 338)를 포함한다.
원래의 압력 신호는 신호 조절 모듈(330)에 의해 최초로 필터링되어 증폭된다. 그 후, 필요할 경우, 필터링된 압력 신호는 산술 논리 유닛(332)과 선형화 증폭기(334) 중 하나 또는 양자 모두로 인가된 후, 제1 가산 및 스케일링 증폭기(336)로 인가된다. 산술 논리 유닛(332) 및 선형화 증폭기(334)가 필요하지 않을 경우, 필터링된 압력 신호는 제1 가산 및 스케일링 증폭기(336)로 직접 통과된다. 제2 가산 및 스케일링 증폭기(338)는 보정 인자에 기초하여 보정 신호를 발생시킨다. 그 후, 압력 신호 및 보정 신호는 처리된 압력 신호를 얻기 위해 제1 가산 및 스케일링 증폭기(336)로 인가된다.
제2 가산 및 스케일링 시스템(322)은 신호 조절 모듈(340), 스케일링 및 이득 증폭기(342), 가산 및 스케일링 증폭기(344)를 포함한다. 신호 조절 모듈(340)은 필터링된 온도 신호를 얻도록 온도 신호를 필터링하고 증폭한다. 스케일링 및 이득 증폭기(342)는 기체 상수 입력값에 기초하여 기체 상수 신호를 발생시킨다. 가산 및 스케일링 증폭기(344)는 필터링된 온도 신호 및 기체 상수 신호에 기초하여 처리된 온도 신호를 발생시킨다.
제3 가산 및 스케일링 시스템(324)은 가산 및 스케일링 증폭기(350)와 버퍼 증폭기(352)를 포함한다. 가산 및 스케일링 증폭기는 대체로 상술한 바와 같이 보정된 압력 신호와 보상된 온도 신호에 기초하여 유동 신호를 발생시킨다. 버퍼 증폭기(352)는 유동 신호에 기초하여 유동 출력 신호를 발생시킨다.
Ⅳ. 보정 처리
도5를 참조하면, 상술된 계측 시스템(20)을 보정하기 위한 하나의 예시적 공정의 흐름도가 360으로 도시된다. 이하 설명에서, 보정될 특정 계측 시스템(20)은 DUT로 언급된다.
보정 공정의 제1 단계(362)는 DUT의 유동 제한기(30)를 보정된 계측 시스템과 직렬로 연결하는 것이다. 그 후, 부(negative) 게이지 압력 또는 진공이 단계(364)에서 DUT의 유동 제한기(30)의 출구에 인가되고, 계측 시스템의 전자 기기가 영으로 설정된다.
다음 단계(366)는 DUT를 통한 유동을 생성하도록 DUT의 상류에 압력을 인가하는 것이다. 유동은 보정된 계측 시스템을 사용하여 측정된다. 그 후, 단계(368)에서는 기체 특이성 기체 상수 입력값이 적절한 기체 상수 입력값을 발생시키도록 구성될 수 있는 하나 이상의 스위치 세트 및/또는 디지털 연속 입력과 같은 종래의 수단을 사용하여 전자 부분(24)에 인가된다.
그 후, 최대 유동 범위가 상술된 방법들 중 임의의 하나에 의해 제한 공동(32)의 적절한 기하학 형상을 선택함으로써 단계(370)에서 얻어진다.
그 후, 유동은 단계(372)에서 DUT의 최대 유동 설정의 10% 까지 감소된다.그 후, 이러한 유동과 관련한 압력 및 온도 신호가 판독 및 저장된다. 단계(374)에서는, 유동 속도가 10 %의 증분만큼 100 %까지 증가된다. 유동 속도의 각 증분 증가와 관련된 압력 및 온도 신호가 측정 및 저장된다. 보정 계측 시스템에 의해 단계(378)에서 측정된 질량 유동 속도 대 압력 신호의 곡선의 기울기가 측정되어 트림 포트(trim pot) 또는 디지털 직렬 입력과 같은 종래의 수단을 사용하여 보정 요소로 저장된다.
도6을 참조하면, 몇몇 온도에 대한 질량 유동 속도 대 압력 신호의 예시적 곡선이 380a, 380b 및 380c로 도시된다. 계측 회로(44)는 보정 인자 및 기체 상수 입력값에 의해 생성된 압력/질량 유동 곡선들을 기초로 유동 신호 출력 신호를 발생시킨다.
도7을 참조하면, 압력 신호와 질량 유동 속도 사이의 관계가 비선형인, 질량 유동 속도 대 압력 신호의 곡선(382)이 도시된다. 예를 들어, 이 관계는 오리피스의 경우에 비선형일 수 있다.
압력/질량 유동 속도 관계가 비선형일 때, 필터링된 압력 신호는 산술 논리 유닛(332)과 선형화 증폭기 중 하나 또는 둘 모두를 통과할 것이다. 산술 논리 유닛(332)과 선형화 증폭기(334)는 압력/질량 유동 속도 관계의 비선형을 보상하는 기능을 수행한다. 예를 들어, 신호 조절 회로는 보상된 압력 신호를 얻기 위해 필터링된 압력 신호 상에 "구분적 선형화(piecewise linearization)" 함수 또는 제곱근 함수 중 하나 또는 둘 모두를 수행할 수 있다. 특히, 도8을 참조하면, 비선형 곡선(382)의 역전에 상응하는 곡선이 384로 도시된다. 곡선(386)은 곡선(382,384)의 중심점을 나타내며 상술된 선형 기울기 방정식(10)에서 사용될 수 있다.
실제적으로, 계측 회로(44)는 바람직하게는 산술 논리 유닛(332)과 선형화 증폭기(334) 그리고, 도5에 도시된 바와 같이, 이러한 회로 요소(332, 334)들 중 하나가 회로(44)로부터 제거될 수 있도록 구성된 스위치(390, 392)로 제작된다. 따라서, 스위치(390, 392)의 사용은 특정 환경을 위해 용이하게 주문 제작될 수 있는 표준 계측 회로(44)의 생산을 가능케 한다.
Ⅴ. 질량 유동 제어 시스템
위에서 설명된 바와 같이, 상술된 본 발명의 질량 유동 계측기는 많은 용도를 갖는다. 이는 단순히 다양한 유동 속도에서 다양한 유체의 질량 유동 속도를 측정하도록 단독으로 사용될 수 있다. 이는 정확한 질량 유동 속도가 중요시되는 유체를 처리 또는 취급하는 보다 큰 시스템의 일부로 사용될 수 있다. 또한, 더욱 복잡한 독립 장치를 얻도록 다른 부품과 조합될 수도 있다.
도9를 참조하여 본 단락에서는 위에서 설명된 예시적인 질량 유동 계측기(20)를 포함하는 예시적인 질량 유동 제어 시스템(420)을 설명한다. 질량 유동 제어 시스템(420)은 질량 유동 속도를 측정할 뿐만 아니라 이러한 유동 속도가 다양한 유체 및 유동 속도에 대해 매우 정확하게 제어될 수 있게 하는 독립 장치이다.
질량 유동 제어 시스템(420)은 위에서 설명한 유동 계측 시스템(20)을 포함하며, 유동 제어 시스템(420)의 계측 부분은 유동 제어 시스템(420)을 완전히 이해하는데 필요한 것을 제외하고는 다시 설명되지 않을 것이다.
유동 계측 시스템(20)에 부가하여, 유동 제어 시스템(420)은 밸브 제어 피드백 루프 시스템(422) 및 유동 제어기 시스템(424)을 포함한다. 유동 제어기 시스템(424)은 유동 계측 시스템(20)과 직렬로 배열되어 유동 제어기 시스템(424)이 유동 계측기 시스템(20)을 통한 유체의 질량 유동을 결정한다.
바람직하게는, 유동 제어기 시스템(420)은 특허 제'849호 및 특허 출원 제'708호에 설명된 바와 같은 기계적 또는 전자 기계적 유동 제어기이다. 그러나, 유동 제어기 시스템(424)은 전기 또는 기계적 제어 하에서 시스템(420)을 통한 유체의 유동을 증가시키거나 감소시킬 수 있는 임의의 유동 조절기일 수 있다.
본 발명에서, 제3 가산 및 스케일링 시스템(324)의 가산 및 스케일링 증폭기(350)에 의해 발생된 유동 신호는 밸브 제어 피드백 루프 시스템(422)에 인가된다. 밸브 제어 피드백 루프 시스템(422)은 유동 신호와 원하는 유동 속도 신호를 비교한다. 원하는 유동 속도 신호는 사전 설정되거나 환경에 의해 요구되는 대로 변경될 수 있다. 예컨대, 의료적 설정 시, 의사는 기체가 소정의 유동 속도로 환자에게 인가되도록 규정할 수 있다. 의사가 결정한 소정의 유동 속도는 원하는 유동 속도 신호로 변환된다.
원하는 유동 속도 신호 및 유동 계측 시스템(20)에 의해 발생된 유동 신호 사이의 차이점에 기초하여, 밸브 제어 피드백 루프 시스템(422)은 유동 제어기 시스템(424)을 제어하는 유동 제어 신호를 발생시킨다. 유동 제어기 시스템(424)이 기계적 시스템이라면, 유동 제어 신호는 시스템(424)을 통한 유체 유동 속도를 증가 또는 감소시키도록 유동 제어기 신호를 작동시키는 기계적 운동(회전, 병진 운동)의 형태일 것이다. 이 시스템(424)이 전자기계식 시스템이라면, 유동 제어 신호는 시스템(424)에서 기계적 운동으로 전환되는 전기 신호의 형태를 취할 수도 있다.
유동 제어기 시스템(424)과 유동 계측 시스템(20)이 결합하여 시스템(420)의 유체 출력을 매우 정확하게 제어할 수 있다.
Ⅵ.질량 유동 제어 시스템의 다른 실시예
상술된 도9의 질량 유동 제어 시스템의 다른 실시예가 도10에 도시되어 있다. 구체적으로는, 유동 제어기(524)는 압전 엑츄에이터 제어 장치 또는 밸브(528)에 결합된 솔레노이드 엑츄에이터 제어 장치(526)를 포함한다. 엑츄에이터 제어 장치(526)는 신호(530)를 계측 회로(44)로 송신한다. 엑츄에이터 제어 장치(526)가 솔레노이드 엑츄에이터 제어 장치라면, 신호(530)는 전류 신호에서 전압 신호로 전환된다. 엑츄에이터 제어 장치(526)가 압전 엑츄에이터 제어 장치라면, 신호(530)는 통합 변형(strain) 게이지로부터의 전압 신호이다. 어느 경우든, 신호(530)는 Ⅴpm, 즉 프라임 무버(prime mover) 전압으로서 인지된다.
신호(530)는 밸브(528)의 압력 변화에 의해 엑츄에이터 제어 장치(526)에서 발생된 로렌츠힘 사이의 관계를 나타낸다. 따라서, 신호(530)는 도1의 압력 변환기(40)를 교체하고, 증가시키고 그리고/또는 보정하는 간접 압력 지시기로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도10에서 압력 변환기(40)는 없으며, 신호(530)가 대신 사용된다. 신호(530)는 또한 주어진 유동 제한에 대한 R의 값이 변하지 않았음을증명하는 진단 지시기로서 사용될 수 있다.
양호하게는, 도10에 도시된 질량 유동 제어 시스템을 위한 계측 회로(44)는 EEPROM을 사용하는 적어도 128 킬로바이트의 메모리를 갖는다. 계측 회로(44)용 메모리는 다양한 기체에 대한 증가하는 질량 유동 속도에 대한 Ⅴpm및/또는 유동 제한의 값의 탐색표를 내장해야만 한다. 이 탐색표는 양호하게는 다음 방정식으로 값을 나타낸다.
(11)
따라서, 시스템 내의 압력의 변화를 측정하고 질량 유동 제어 시스템의 밸브(528)를 제어하도록 신호(530), 즉 Ⅴpm를 사용하는 다른 실시예가 상술되어 있다.
Ⅶ.부가적인 고려 사항
설계자는 통상 유동 계측 시스템이 사용될 작동 환경을 초기에 결정함으로써 본 발명의 특별한 설치 사항을 설계한다. 작동 환경은 유체 성질 그 자체와, 유체의 입력 및 출력 압력의 예상 범위와, 주위 조건과 허용 오차 등을 포함할 것이다. 또한, 설계자는 비용과 같은 상업적 요인도 고려할 것이다.
본 발명의 기계식 및 전기식 부품 양자 모두의 많은 특성들은 특별한 용도를 위해 특정 유동 계측 시스템을 "튜닝(tuning)"하도록 상황에 따라 변화될 것이다.
예를 들면, 제한 챔버와 입구 및 출구 개구는 유체의 형태, 예상 입구 압력및 원하는 유동 속도에 기초하여 선택될 수도 있다.
또한, 다양한 부품에 대해 사용되는 재료는 예상되는 유체의 형태 및 압력에 기초하여 선택되어야만 한다. 예를 들면, 저압의 공기에 있어서, 플라스틱은 다수의 부품에 대해 사용될 수도 있다. 부식성의 유체 및 고압에 대해, 강 또는 스테인레스 강이 사용될 수도 있다.
또한 전자 기기는 특정 환경용으로 주문 제작된다. 예를 들면, 전술된 다양한 가산 및 스케일링 시스템의 실행 세부 사항은 일단 특정 작동 환경이 한정되면 결정된다.
따라서, 본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적 특성을 벗어나지 않고 명세서에서 설명된 것과는 다른 형태로 실시될 수도 있다. 따라서 본 실시예는 제한적이기보다는 예시적인 관점에서 고려되어야만 하고, 본 발명은 범위는 앞선 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 제시되며, 청구범위와 동등한 의미 및 범위 내에서 도출되는 모든 변화는 그 안에 포함되는 셈이다.

Claims (28)

  1. 질량 유동 계측기이며,
    일정 직경을 갖는 입구 및 일정 직경을 갖는 출구와, 입구와 출구 사이에 개재된 압력 균형 시스템과 입구 및 출구의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통형 제한 벽을 갖는 제한 챔버를 구비한 유동 제한기와, 유동 제한기로부터 상류에 위치되어 보정 데이터를 갖는 계측 회로로의 입력값을 제공하는 압력 센서 및 온도 센서를 포함함으로써, 계측 회로는 보정 데이터와 압력 센서 및 온도 센서로부터의 입력값을 기초로 유동 출력 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제한 벽은 제한 챔버를 한정하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제한 챔버는 제한 벽의 상류에 위치한 원뿔형 압축 벽과, 제한 챔버의 유효 단면적을 한정하는 내부 표면을 갖는 변형 가능한 튜브 부재, 압축 웨지, 압축 심, 제1 및 제2 쉐브론 부재 및 압축 너트를 구비한 가변 오리피스 조립체를 더 포함함으로써,
    압축 너트의 축회전은 제한 벽을 향해 너트를 변위시키고, 너트가 제한 벽을 향해 이동함에 따라 너트는 제1 및 제2 쉐브론 부재 및 압축 심을 통해 압축 웨지 상에 힘을 인가하고 방사상 내향으로 압축 웨지를 가압하여 변형 가능한 튜브 부재를 변형시키고 제한 챔버의 유효 단면적을 감소시키는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 계측 회로는 보정된 압력 신호를 얻기 위해 보정 데이터와 압력 신호를 조합하는 제1 가산 및 스케일링 시스템과, 보상된 온도 신호를 얻기 위해 기체 상수와 온도 신호를 조합하는 제2 가산 및 스케일링 시스템과, 유동 출력 신호를 얻기 위해 보정된 압력 신호와 보상된 온도 신호를 조합하는 제3 가산 및 스케일링 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 계측 회로는 특정 집적 회로의 적용예 상에서 구현된 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 계측 회로는 디지털 신호 프로세서 상에서 구현된 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 계측 회로는 보정 조건을 저장하기 위한 메모리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제1 가산 및 스케일링 시스템은 신호 조절 모듈과, 산술 논리 유닛과, 선택적 선형 증폭기와, 제1 및 제2 가산 및 스케일링 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  9. 제4항에 있어서, 제2 가산 및 스케일링 시스템은 신호 조절 모듈과, 스케일링 및 이득 증폭기와, 가산 및 스케일링 배율기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  10. 제4항에 있어서, 제3 가산 및 스케일링 시스템은 가산 및 스케일링 증폭기와, 유동 출력 신호를 발생시키는 버퍼 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  11. 제8항에 있어서, 계측 회로는 회로로부터의 선형화 증폭기 또는 산술 논리 유닛 중 하나를 제거하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  12. 질량 유동 제어 시스템이며,
    질량 유동 계측기와 직렬 연결되고 질량 유동 제어 시스템을 통해 유동 속도를 제어할 수 있는 유동 제어기를 포함하며,
    상기 질량 유동 계측기는, 일정 직경을 갖는 입구 및 일정 직경을 갖는 출구와, 입구와 출구 사이에 개재된 압력 균형 시스템과 입구 및 출구의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통형 제한 벽을 갖는 제한 챔버를 구비한 유동 제한기와, 유동 제한기로부터 상류에 위치되어 보정 데이터를 갖는 계측 회로로의 입력값을 제공하는 압력 센서 및 온도 센서를 포함함으로써, 계측 회로는 보정 데이터와 압력 센서 및 온도 센서로부터의 입력값을 기초로 유동 출력 신호를 발생시키며,
    상기 질량 유동 계측기는 밸브 제어 피드백 루프 시스템에 연결됨으로써, 질량 유동 계측기는 밸브 제어 피드백 루프 시스템에 유동 출력 신호를 전송하고, 상기 피드백 시스템은 유동 제어 신호를 발생시키도록 유동 출력 신호와 소정의 유동 속도를 비교하며,
    상기 밸브 제어 피드백 루프 시스템은 유동 제어기에 연결됨으로써, 상기 피드백 시스템은 유동 속도를 변경시키도록 유동 제어기를 작동하기 위해 유동 제어기에 유동 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 제어 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 제한 벽은 제한 챔버를 한정하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 제어 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 제한 챔버는 제한벽의 상류에 위치한 원뿔형 압축 벽과, 제한 챔버의 유효 단면적을 한정하는 내부 표면을 갖는 변형 가능한 튜브 부재, 압축 웨지, 압축 심, 제1 및 제2 쉐브론 부재 및 압축 너트를 구비한 가변 오리피스 조립체를 더 포함함으로써,
    압축 너트의 축회전은 제한 벽을 향해 너트를 변위시키고, 너트가 제한 벽을 향해 이동함에 따라 너트는 제1 및 제2 쉐브론 부재 및 압축 심을 통해 압축 웨지상에 힘을 인가하고 방사상 내향으로 압축 웨지를 가압하여 변형 가능한 튜브 부재를 변형시키고 제한 챔버의 유효 단면적을 감소시키는 것을 특징으로 하는 질량 유동 제어 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 계측 회로는 보정된 압력 신호를 얻기 위해 보정 데이터와 압력 신호를 조합하는 제1 가산 및 스케일링 시스템과, 보상된 온도 신호를 얻기 위해 기체 상수와 온도 신호를 조합하는 제2 가산 및 스케일링 시스템과, 유동 출력 신호를 얻기 위해 보정된 압력 신호와 보상된 온도 신호를 조합하는 제3 가산 및 스케일링 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 제어 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 계측 회로는 특정 집적 회로의 적용예 상에서 구현된 것을 특징으로 하는 질량 유동 제어 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 계측 회로는 디지털 신호 프로세서 상에서 구현된 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제1 가산 및 스케일링 시스템은 신호 조절 모듈과, 산술 논리 유닛과, 선택적 선형 증폭기와, 제1 및 제2 가산 및 스케일링 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  19. 제15항에 있어서, 제2 가산 및 스케일링 시스템은 신호 조절 모듈과, 스케일링 및 이득 증폭기와, 가산 및 스케일링 배율기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  20. 제15항에 있어서, 제3 가산 및 스케일링 시스템은 가산 및 스케일링 증폭기와, 유동 출력 신호를 발생시키는 버퍼 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  21. 일정 직경을 갖는 입구 및 일정 직경을 갖는 출구와, 입구와 출구 사이에 개재된 압력 균형 시스템과 가변 오리피스 조립체를 갖는 제한 챔버를 구비한 유동 제한기와, 입구 및 출구의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통형 제한 벽과, 유동 제한기로부터 상류에 위치되어 보정 데이터를 갖는 계측 회로로의 입력값을 제공하는 압력 센서 및 온도 센서를 포함함으로써, 상기 계측 회로는 보정 데이터와 압력 센서 및 온도 센서로부터의 입력값을 기초로 유동 출력 신호를 발생시키는 유동 계측기 보정 방법이며,
    유동 계측기를 기준 유동 표준에 연결하는 단계와, 부 게이지 압력을 출구에 인가하는 단계와, 계측 회로 상에 영점을 설정하는 단계와, 계측기의 상류에 압력을 인가하는 단계와, 유동을 측정하는 단계와, 계측 회로의 보정 데이터로 특정 기체 상수를 입력하는 단계와, 주어진 입구 압력에 대해 가변 오리피스 조립체를 조절함으로써 최대 유동 범위를 얻는 단계와, 최대 유동의 10 %로 유동을 감소시키는 단계와, 압력과 온도를 측정하고 그 결과를 계측 회로에 저장하는 단계와, 최대 유동까지 10 % 증분만큼 유동을 증가시키는 단계와, 각 10 % 증분에서 압력과 온도를 측정하고 그 결과를 계측 회로에 저장하는 단계와, 계측 회로에 저장된 결과로부터 압력 대 질량 유동 속도의 그래프의 기울기를 계산하는 단계와, 기울기를 사용하여 계측 회로를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 계측 회로는 산술 논리 유닛과 선형 증폭기를 더 포함하며, 그래프가 비선형인 경우, 상기 방법은 계측 회로를 설정하는데 사용하기 위한 보상된 압력 신호를 얻기 위해 필터링된 압력 신호 상에 구분적 선형 함수를 실행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 방법은 전류를 측정하고 압력으로서 계측 회로 내에 결과를 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 질량 유동 계측기이며,
    입구 및 출구와, 입구와 출구 사이에 개재됨으로써 유동 제한기를 통해 일정한 체적 유동을 유지하는 압력 균형 시스템 및 유동 제한기와, 유동 제한기로부터 상류에 위치되어 저장된 보정 인자(K), 저장된 기체 상수(R) 및 영 오프셋을 갖는 계측 회로로의 입력값(P, T)을 각각 제공하는 압력 센서와 온도 센서를 포함함으로써, 계측 회로는 저장된 보정 인자, 저장된 기체 상수, 영 오프셋 및 압력 센서와 온도 센서로부터의 입력값에 기초하여 방정식 y = mx+b 에 따라 유동 출력 신호를 발생시키며, 여기서 y는 질량 유동, x는 P, m은 KR/T, b는 영 오프셋인 것을 특징으로 하는 질량 유동 계측기.
  25. 질량 유동 제어 시스템이며,
    질량 유동 제어 시스템을 통해 유동 속도를 제어할 수 있고 질량 유동 계측기와 직렬 연결되고 계측 회로에 전압 신호를 발생시키는 유동 제어기를 포함하며,
    상기 질량 유동 계측기는, 일정 직경을 갖는 입구 및 일정 직경을 갖는 출구와, 입구와 출구 사이에 개재된 압력 균형 시스템과 입구 및 출구의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통형 제한 벽을 갖는 제한 챔버를 구비한 유동 제한기와, 유동 제한기로부터 상류에 위치되어 계측 회로로의 입력값을 제공하는 온도 센서를 포함하고, 상기 계측 회로는 보정 데이터를 구비함으로써 상기 계측 회로는 보정 데이터와 온도 센서로부터의 입력값 및 전압 신호를 기초로 유동 출력 신호를 발생시키며,
    상기 질량 유동 계측기는 밸브 제어 피드백 루프 시스템에 연결됨으로써, 질량 유동 계측기는 밸브 제어 피드백 루프 시스템에 유동 출력 신호를 전송하고 상기 피드백 시스템은 유동 제어 신호를 발생시키도록 유동 출력 신호와 소정의 유동 속도를 비교하며,
    상기 밸브 제어 피드백 루프 시스템은 유동 제어기에 연결됨으로써, 상기 피드백 시스템은 유동 속도를 변경시키도록 유동 제어기를 작동하기 위해 유동 제어기에 유동 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 제어 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 유동 제어기는 압전 액츄에이터 제어 장치 및 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 제어 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 유동 제어기는 솔레노이드 액츄에이터 제어 장치 및 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유동 제어 시스템.
  28. 제25항에 있어서, 유동 제어기는 전압 신호로 전환되는 전류 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 질량 유동 제어 시스템.
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