KR20190113569A

KR20190113569A - 열식 플로우 센서 장치 및 유량 보정 방법

Info

Publication number: KR20190113569A
Application number: KR1020190026292A
Authority: KR
Inventors: 세이시 나카노; 마사토 다나카
Original assignee: 아즈빌주식회사
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2019-10-08
Also published as: JP2019174143A; KR102197378B1; CN110307876B; US20190301909A1; CN110307876A; JP6940441B2

Abstract

본 발명은, 보정 계수의 설정 시간과 보정 계수의 편차를 저감하는 것을 목적으로 한다.
열식 플로우 센서 장치(1)는, 밸브 개도와 유량의 관계에 대한 정보를 기억하는 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)와, 보정 계수를 산출·설정할 때에, 미리 규정된 적어도 2점의 밸브 개도를 지정하는 개도 지시 신호를, 밸브를 제어하는 제어 장치(9)에 송신하는 밸브 개도 지시부(5)와, 열식 플로우 센서(2)의 유량 출력값을 취득하는 출력 신호 취득부(6)와, 출력 신호 취득부(6)에 의해 취득된 2점의 유량 출력값의 배율을 산출하고, 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)의 정보로부터 얻어지는, 2점의 밸브 개도에 대응하는 2점의 유량의 배율을 취득하며, 2점의 유량 출력값의 배율에 대한 2점의 유량의 배율의 비를 보정 계수로서 산출하는 보정 계수 산출부(7)와, 열식 플로우 센서(2)의 유량 출력값에 보정 계수를 곱하여 유량을 보정하는 유량 보정부(8)를 구비한다.

Description

열식 플로우 센서 장치 및 유량 보정 방법{THERMAL FLOW SENSOR DEVICE AND FLOW RATE CORRECTING METHOD}

본 발명은, 계측 유체의 온도를 측정하는 온도 센서로부터 얻어지는 센서 출력 신호에 기초하여 계측 유체의 유량을 산출하는 열식 플로우 센서 장치에 관한 것이다.

유체의 유량을 계측하기 위한 열식 플로우 센서가 실용되고 있다(예컨대 특허문헌 1 참조). 열식 플로우 센서에서는, 상정되고 있는 계측 유체(예컨대 물)에 대해서 유량-출력 신호 특성을 미리 파악함으로써, 계측 유체의 유량을 측정(추정)할 수 있다. 이 때문에, 특성이 미리 파악되는 계측 유체 이외의 유체를 계측 대상으로 하는 경우에는, 유량-출력 신호 특성으로부터 얻어지는 유량값을 보정 계수로 보정하여 대응하게 된다.

현재의 열식 플로우 센서의 사용 방법에서는, 유체의 열 물성이나, 동종의 유체를 과거에 흘려보냈을 때의 감도를 확인하여, 추정으로 보정 계수를 설정하도록 하고 있다. 이 설정 작업은, 절차가 어느 정도 표준화되어 있는 케이스라도, 실질적으로 오퍼레이터의 수작업이 된다. 따라서, 시간이 걸리는 동시에, 오퍼레이터의 능력이나 주관에 의존한 편차가 생기기 쉽기 때문에, 개선이 요구되고 있다.

일본 특허 공개 제2017-009348호 공보

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 보정 계수의 설정 시간과 보정 계수의 편차를 저감할 수 있는 열식 플로우 센서 장치 및 유량 보정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 열식 플로우 센서 장치는, 계측 유체가 유통하는 유로에 배치되고, 상기 계측 유체의 온도를 측정하는 온도 센서로부터 얻어지는 센서 출력 신호를 출력하도록 구성된 열식 플로우 센서와, 상기 열식 플로우 센서보다 상류측 또는 하류측의 상기 유로의 개소에 배치된 밸브의 개도(開度)와 상기 계측 유체의 유량과의 관계에 대한 정보를 미리 기억하도록 구성된 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부와, 기준이 되는 계측 유체에서의 유량과 상기 센서 출력 신호와의 관계에 대한 정보를 미리 기억하도록 구성된 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부와, 이 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부에 기억되어 있는 정보에 기초하여, 상기 센서 출력 신호를 유량의 값으로 변환하도록 구성된 유량 도출부와, 이 유량 도출부의 유량 출력값에 보정 계수를 곱하여 유량을 보정하도록 구성된 유량 보정부와, 상기 보정 계수를 산출·설정할 때에, 미리 규정된 적어도 2점의 밸브 개도를 지정하는 개도 지시 신호를, 상기 밸브를 제어하는 제어 장치에 송신하도록 구성된 밸브 개도 지시부와, 상기 개도 지시 신호에 따른 밸브 개도가 되었을 때의 상기 유량 도출부의 유량 출력값을 취득하도록 구성된 출력 신호 취득부와, 이 출력 신호 취득부에 의해 취득된 2점의 유량 출력값의 배율을 산출하고, 상기 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부의 정보로부터 얻어지는, 상기 2점의 밸브 개도에 대응하는 2점의 유량의 배율을 취득하며, 상기 2점의 유량 출력값의 배율에 대한 상기 2점의 유량의 배율의 비를 상기 보정 계수로서 산출하여 상기 유량 보정부에 설정하도록 구성된 보정 계수 산출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 열식 플로우 센서 장치의 일 구성예에 있어서, 상기 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부는, 상기 밸브의 개도와 유량과의 관계를 근사시킨 이론 곡선으로부터 얻어지는 상기 2점의 유량의 배율을 기억하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 열식 플로우 센서 장치의 일 구성예는, 미리 규정된 타이밍에 상기 보정 계수의 산출·설정 처리를 실행하게 제어 관리하도록 구성된 실행 관리부와, 상기 보정 계수 산출부에 의해 산출된 과거부터 현재까지의 보정 계수의 이력 정보를 제시하도록 구성된 이력 정보 제시부와, 상기 보정 계수 산출부에 의해 산출된 보정 계수의 정상값으로부터의 괴리 정도가, 규정량 이상이 되었을 때에 알람을 출력하도록 구성된 알람 출력부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 유량 보정 방법은, 기준이 되는 계측 유체에서의 유량과 센서 출력 신호와의 관계에 대한 정보를 미리 기억하는 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부를 참조하고, 계측 유체가 유통하는 유로에 배치된 열식 플로우 센서의 센서 출력 신호를 유량 출력값으로 변환하는 제1 단계와, 상기 유량 출력값에 보정 계수를 곱하여 유량을 보정하는 제2 단계와, 상기 보정 계수를 산출·설정할 때에, 미리 규정된 적어도 2점의 밸브 개도를 지정하는 개도 지시 신호를, 상기 열식 플로우 센서보다 상류측 또는 하류측의 상기 유로의 개소에 배치된 밸브를 제어하는 제어 장치에 송신하는 제3 단계와, 상기 개도 지시 신호에 따른 밸브 개도가 되었을 때의 상기 유량 출력값을 취득하는 제4 단계와, 상기 제4 단계에서 취득된 2점의 유량 출력값의 배율을 산출하고, 상기 밸브 개도와 상기 계측 유체의 유량과의 관계에 대한 정보를 미리 기억하는 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부를 참조하여, 상기 2점의 밸브 개도에 대응하는 2점의 유량의 배율을 취득하고, 상기 2점의 유량 출력값의 배율에 대한 상기 2점의 유량의 배율의 비를 상기 보정 계수로서 산출하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 유량 보정 방법의 일 구성예에 있어서, 상기 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부에 미리 기억된 정보는, 상기 밸브의 개도와 유량과의 관계를 근사시킨 이론 곡선으로부터 얻어지는 상기 2점의 유량의 배율이다.

또한, 본 발명의 유량 보정 방법의 일 구성예는, 미리 규정된 타이밍에 상기 보정 계수의 산출·설정 처리를 실행하도록 지시하는 제6 단계와, 상기 제5 단계에 의해 산출된 과거부터 현재까지의 보정 계수의 이력 정보를 제시하는 제7 단계와, 상기 제5 단계에 의해 산출된 보정 계수의 정상값으로부터의 괴리 정도가, 규정량 이상이 되었을 때에 알람을 출력하는 제8 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부와, 밸브 개도 지시부와, 출력 신호 취득부와, 보정 계수 산출부를 설치함으로써, 보정 계수의 설정 시간과 보정 계수의 편차를 저감할 수 있다. 따라서, 유량 계측의 전문적 지식이 없는 오퍼레이터이더라도, 계측 유체에 따른 적절한 보정 계수를 설정하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에서는, 실행 관리부와, 이력 정보 제시부와, 알람 출력부를 설치함으로써, 보정 계수 산출부에 의해 산출·설정되는 보정 계수를 모니터링할 수 있고, 계측 유체의 상태 변화(이상 발생 등)를 검출하는 것을 기대할 수 있다.

도 1은 계측 유체를 물로 하는 설정 후에 각종 유체를 열식 플로우 센서에 유통시킨 경우의 실제 유량과 열식 플로우 센서의 유량 출력과의 관계를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열식 플로우 센서 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 매스 플로우 컨트롤러의 단면도이다.
도 4는 열식 플로우 센서의 플로우 센서 칩의 구조를 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 5는 열식 플로우 센서의 전기 회로의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6은 밸브의 개도와 유체의 유량과의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 7은 각종 유체를 유로에 유통시킨 경우의 실제 유량과 센서 출력 신호와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 물의 특성을 기준으로 한 경우의 각종 유체의 실제 유량과 센서 출력 신호와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열식 플로우 센서 장치의 밸브 개도 지시부와, 출력 신호 취득부와, 보정 계수 산출부와, 보정 계수 설정부의 동작을 설명한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열식 플로우 센서 장치의 유량 도출부와 유량 보정부의 동작을 설명한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열식 플로우 센서 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열식 플로우 센서 장치의 밸브 개도 지시부와, 출력 신호 취득부와, 보정 계수 산출부와, 실행 관리부와, 이력 정보 제시부와, 알람 출력부의 동작을 설명한 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 있어서의 보정 계수의 이력 정보의 제시예를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 열식 플로우 센서 장치를 실현하는 컴퓨터의 구성예를 나타낸 블록도이다.

[발명의 원리 1]

발명자들은, 예컨대 물(H₂O)을 기준 계측 유체로 한 경우(즉, 물을 계측 유체로서 교정한 경우)의 실제 유량-열식 플로우 센서의 유량 출력 특성과, 물 이외의 유체를 동 플로우 센서에 유통시킨 경우의 실제 유량-유량 출력 특성을 대비하면, 도 1에 도시한 바와 같이 어느 유체의 경우나 열식 플로우 센서의 유량 출력과 실제 유량이 대략 비례의 관계에 있는 것을 밝혀내었다.

도 1의 예에서는, 유체의 종류를, 물, 이소프로필알코올 중농도, 이소프로필알코올 고농도, 플루오리너트(등록상표), 과산화수소 저농도, 과산화수소 중농도, 과산화수소 고농도, 황산 저농도, 황산 중저농도, 황산 중고농도, 황산 고농도로 하고, 각 유체의 온도를 25℃로 하였다.

또한, 발명자들은, 열식 플로우 센서로 계측되는 유량값을 기초로 유체의 유량을 제어하는 밸브가 열식 플로우 센서의 상류 또는 하류에 배치되어 있을 때, 유체의 공급 압력이 일정(변동 적음) 상태이면, 밸브의 개도와 유량의 관계(일정 배율)가 미리 대략 파악되었다고 간주하는 것에 착안하였다.

그리고, 적어도 2가지의 밸브 개도에 대응하는 이론 유량의 배율과, 이것에 대응하여 검출되는 열식 플로우 센서의 유량 출력값의 배율의 비에 기초하여, 계측 유체에 따른 열식 플로우 센서의 보정 계수를 산출할 수 있는 것에 상도하였다. 이에 따라, 본 발명에서는, 보정 계수의 설정 시간을 저감하고, 편차를 저감할 수 있다.

[발명의 원리 2]

정기적으로 보정 계수를 산출하는 절차를 실행하여, 예컨대 상위측 기기에 송신하고, 이것을 모니터링함으로써, 계측 유체의 상태 변화(이상 발생 등)를 검출하는 것을 기대할 수 있다.

[제1 실시예]

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열식 플로우 센서 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 본 실시예는, 상기 발명의 원리 1에 대응하는 예이다. 또한, 도 2의 예에서는, 열식 플로우 센서 장치를 포함하는 매스 플로우 컨트롤러의 예에 대해서 기재하지만, 본 발명은 매스 플로우 컨트롤러 이외에도 적용 가능하다. 매스 플로우 컨트롤러의 경우에는, 열식 플로우 센서의 하류에 밸브가 배치되어 있지만, 열식 플로우 센서의 상류에 밸브가 배치되어 있어도 좋다.

열식 플로우 센서 장치(1)는, 열식 플로우 센서(2)와, 공급 압력이 일정한 상태에 있어서의 밸브 개도와 유량의 관계에 대한 정보를 미리 기억하는 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)와, 기준이 되는 계측 유체에서의 유량과 센서 출력 신호와의 관계에 대한 정보를 미리 기억하는 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부(4)와, 보정 계수를 산출·설정할 때에, 미리 규정된 적어도 2점의 밸브 개도를 지정하는 개도 지시 신호를, 밸브를 제어하는 제어 장치에 송신하는 밸브 개도 지시부(5)와, 개도 지시 신호에 따른 밸브 개도가 되었을 때의 열식 플로우 센서(2)의 유량 출력값을 취득하는 출력 신호 취득부(6)와, 출력 신호 취득부(6)에 의해 취득된 2점의 유량 출력값의 배율을 산출하고, 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)의 정보로부터 얻어지는, 상기 2점의 밸브 개도에 대응하는 2점의 유량의 배율을 취득하며, 2점의 유량 출력값의 배율에 대한 2점의 유량의 배율의 비를 보정 계수로서 산출하는 보정 계수 산출부(7)와, 열식 플로우 센서(2)의 유량 출력값에 보정 계수를 곱하여 유량을 보정하는 유량 보정부(8)를 구비하고 있다.

도 2의 유량 제어 장치(9)는, 밸브와 함께 매스 플로우 컨트롤러에 설치된다. 도 3은 매스 플로우 컨트롤러의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3에 있어서, 도면 부호 10은 매스 플로우 컨트롤러의 본체 블록, 11은 센서 패키지, 12는 센서 패키지(11)의 헤드부, 13은 헤드부(12)에 탑재된 플로우 센서 칩, 14는 밸브, 15는 본체 블록(10)의 내부에 형성된 유로, 16은 유로(15)의 입구측 개구, 17은 유로(15)의 출구측 개구이다.

유체는, 개구(16)로부터 유로(15)로 유입되어 밸브(14)를 통과하고, 개구(17)로부터 배출된다. 열식 플로우 센서(2)는, 유로(15)를 흐르는 유체의 유량을 계측한다.

매스 플로우 컨트롤러의 유량 제어 장치(9)는, 열식 플로우 센서 장치(1)에 의해 계측된 유체의 유량에 기초한 유량 제어를 행한다. 구체적으로는, 유량 제어 장치(9)는, 계측된 유량과 설정값이 일치하도록 밸브(14)를 구동한다.

도 4(A)는 열식 플로우 센서(2)의 플로우 센서 칩(13)의 구조를 나타낸 평면도, 도 4(B)는 도 4(A)의 플로우 센서 칩(13)의 A-A선 단면도이다. 도 4(A), 도 4(B)에 있어서, 도면 부호 130은 베이스가 되는 실리콘 칩, 131은 실리콘 칩(130)의 상면에 공간(132)을 마련하여 박육형으로 형성된, 예컨대 질화실리콘으로 이루어진 다이어프램, 133은 다이어프램(131) 위에 형성된 금속 박막으로 이루어진 히터, 134는 다이어프램(131) 상의 히터(133)의 상류측에 형성된 금속 박막의 감열 저항체로 이루어진 온도 센서, 135는 다이어프램(131) 상의 히터(133)의 하류측에 형성된 금속 박막의 감열 저항체로 이루어진 온도 센서, 136은 금속 박막의 감열 저항체로 이루어진 주위 온도 센서, 137은 다이어프램(131)을 관통하는 슬릿이다.

히터(133)나 온도 센서(134∼136)는 예컨대 질화실리콘으로 이루어진 박막의 절연층(138)에 의해 덮여 있다. 주위 온도 센서(136)는, 히터(133)로부터의 열의 영향을 받지 않고, 유체의 온도를 검출할 수 있는 곳에 배치된다. 플로우 센서 칩(13)은, 도 4(A)에 도시한 면이 아래가 되도록 하여 센서 패키지(11)의 헤드부(12)에 탑재되고, 계측 유체에 노출되도록 본체 블록(10)에 장착된다.

이상과 같은 열식 플로우 센서(2)의 구조와 그 원리는 예컨대 특허문헌 1에 개시되어 있다. 도 5는 열식 플로우 센서(2)의 전기 회로의 구성을 나타낸 블록도이다. 히터 구동부(20)는, 브릿지 회로(21)와, 트랜지스터(Q1)와, 차동 증폭기(A1)와, 고정 저항(R3, R4, R5, R6)과, 콘덴서(C1)로 이루어진다. 브릿지 회로(21)는, 히터(133)를 구동하는 회로이며, 히터(133)와, 주위 온도 센서(136)와, 한 쌍의 고정 저항(R1, R2)으로 이루어진다. 전원 전압(+V)은, 도시하지 않은 소정의 전원으로부터 공급되어, 트랜지스터(Q1)를 통해 브릿지 회로(21)에 인가된다.

차동 증폭기(A1)는, 히터(133)와 주위 온도 센서(136)와의 저항값의 변화에 따라 브릿지 회로(21)의 브릿지 출력 전압을 검출하고, 그 브릿지 출력 전압이 영(0)이 되도록 트랜지스터(Q1)를 귀환 제어하여, 브릿지 회로(21)에 인가하는 히터 구동 전압을 조정한다. 이에 따라, 히터 구동부(20)는, 히터(133)의 발열 온도가 그 주위 온도보다 항상 일정 온도만큼 높아지도록 제어한다.

한편, 유량 계측부(22)는, 브릿지 회로(23)와, 차동 증폭기(A2)와, 고정 저항(Rf)과, 유량 도출부(24)로 이루어진다. 브릿지 회로(23)는, 한 쌍의 온도 센서(134, 135)와 한 쌍의 고정 저항(Rx, Ry)으로 이루어진다. 전원 전압(+V)은, 도시하지 않은 소정의 전원으로부터 공급되어, 브릿지 회로(23)에 인가된다.

차동 증폭기(A2)는, 브릿지 회로(23)의 출력 전압(V4, V5)의 차의 전위를 온도 센서(134, 135)에 의해 계측된 온도차에 상당하는 센서 출력 신호(온도차 신호)(Vt)로서 출력한다. 이렇게 해서, 한 쌍의 온도 센서(134, 135)의 열에 의한 저항값 변화를 센서 출력 신호(Vt)로 변환한다.

유량 도출부(24)는, 후술하는 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부(4)에 미리 기억되어 있는 유량(PV)과 센서 출력 신호(Vt)와의 관계에 기초하여, 차동 증폭기(A2)로부터 출력되는 센서 출력 신호(Vt)를, 계측 유체의 유량(PV)의 값으로 변환한다.

다음에, 본 실시예의 열식 플로우 센서 장치(1)의 특징적 구성에 대해서 설명한다. 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)에는, 유체의 공급 압력이 일정한 상태에 있어서의 밸브(14)의 개도와 밸브(14)를 통과하는 유체의 유량(PV)과의 관계에 대한 정보가, 미리 기억되어 있다. 예컨대 일본 특허 제5931668호 공보에는, 밸브(14)의 개도를 시간적으로 직선적으로 변화시킨 경우에, 개도가 높을수록 유로를 흐르는 유체의 유량 체적이 적은 것이 개시되어 있다.

이와 같이, 밸브(14)의 개도(MV)와 유량(PV)은, 비선형의 관계이며, 개도가 높을수록 개도(MV)의 변화량에 대하여, 유량(PV)의 변화량이 감소한다고 알려져 있다. 이 개도(MV)와 유량(PV)의 관계의 개략을 도 6에 나타낸다. 또한, 도 6의 예에서는, 편의상, 밸브(14)의 개도(MV)와 유량(PV)을 0∼100%의 값으로 정규화하고 있다. 도 6에 도시한 바와 같은 특성은, 비선형의 수속 현상이므로, 다음 식의 지수 함수로 표현할 수 있다.

PV=K{1.0-exp(-MV/A)} ···(1)

이와 같이, 밸브(14)의 개도(MV)와 유량(PV)과의 관계를 근사시킨 함수는, 정수항(1.0)과, 개도(MV)에 관한 항과, 개도(MV)에 대한 유량(PV)의 크기를 나타내는 게인에 관한 계수(K)에 의해 정의된다. 식 (1)의 A는 비선형의 수속 상태를 부여하는 계수이다. 도 6의 곡선 cur1∼cur4는 모두 유체의 일정한 공급 압력을 전제로 하고 있고, 일례로서 어느 곡선이나 A=30.0으로 하고 있다. 이 경우, 식 (1)은 식 (2)와 같아진다.

PV=K{1.0-exp(-MV/30.0)} ···(2)

또한, 곡선 cur1의 경우, K=104.0이다. 그리고, 도 6에서는, 예컨대 밸브(14)의 개도(MV)=20%의 유량(PV)에 대하여 개도(MV)=50%의 유량(PV)은, 어느 곡선 cur1∼cur4의 경우라도 1.667배가 된다. 즉, 개도(MV)-유량(PV)의 이론 곡선(함수)으로부터 얻어지는 2점의 유량(PV)의 배율(Rref)로서 1.667을 특정할 수 있다.

밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)는, 밸브(14)의 개도(MV)와 유량(PV)과의 관계를 근사시킨 이론 곡선(함수)을 기억해 두어도 좋고, 함수로부터 얻어지는 개도(MV)마다의 유량(PV)의 값을 기억해 두어도 좋으며, 최저한의 정보로서, 함수로부터 얻어지는 배율(Rref)=1.667만을 기억시켜 두어도 좋다. 또한, 함수를 동정(同定)하기 위해서는, 예컨대 매스 플로우 컨트롤러의 유량 시험을 사전에 행하여 계수(A) 및 게인(K)의 값을 조사해 두면 좋다.

유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부(4)에는, 기준이 되는 계측 유체(예컨대 물)에서의 유량과 열식 플로우 센서(2)의 센서 출력 신호와의 관계에 대한 정보가, 미리 기억되어 있다. 도 7은 각종 유체를 유로(15)에 유통시킨 경우의 실제 유량과 센서 출력 신호(Vt)와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 7의 예에서는, 유체의 종류를, 물, 이소프로필알코올 중농도, 이소프로필알코올 고농도, 플루오리너트(등록상표), 과산화수소 저농도, 과산화수소 중농도, 과산화수소 고농도, 황산 저농도, 황산 중저농도, 황산 중고농도, 황산 고농도로 하고, 각 유체의 온도를 25℃로 하였다. 또한, 센서 출력 신호(Vt)에 대해서는 0∼100%의 값으로 정규화하고 있다.

물을 기준으로 한다면, 물의 특성만 미리 조사하여, 계측 유체가 물인 경우의 실제 유량과 센서 출력 신호(Vt)와의 관계를 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부(4)에 기억시켜 두면 좋다. 도 7은 물의 실제 유량이 30 ㎖/min가 되었을 때의 센서 출력 신호(Vt)를 100%로서 나타낸 특성도이다.

상기에서 설명한 바와 같이, 물을 기준 계측 유체로 한 경우의 실제 유량과 열식 플로우 센서(2)의 유량 출력(유량 도출부(24)의 출력)과의 관계는 도 1과같아진다. 도 1에 도시한 바와 같이 어느 유체의 경우나 열식 플로우 센서(2)의 유량 출력과 실제 유량이 대략 비례의 특성을 나타내고 있기 때문에, 이 특성의 비례 계수가 본 실시예에서 구하는 보정 계수와 관계되어 있다.

도 8은 도 7의 물의 특성을 기준으로 한 경우(계측 유체가 물인 경우의 각 유량에 있어서의 센서 출력 신호(Vt)를 100%로 한 경우)의 각종 유체의 실제 유량과 센서 출력 신호(Vt)와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 8에 따르면, 대부분의 유량 영역에 있어서, 물의 특성을 기준으로 하여 거의 일정한 보정 계수로 보정하면, 어느 정도의 유량 계측 정밀도를 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 9는 밸브 개도 지시부(5)와, 출력 신호 취득부(6)와, 보정 계수 산출부(7)의 동작을 설명한 흐름도이다.

밸브 개도 지시부(5)는, 보정 계수를 자동 설정할 때에, 밸브(14)가 미리 규정된 제1 개도(MV1)(예컨대 MV1=20%)가 되도록 개도 지시 신호를 유량 제어 장치(9)에 송신한다(도 9의 단계 S100).

유량 제어 장치(9)는, 밸브 개도 지시부(5)로부터의 개도 지시 신호를 수신한 경우, 이 개도 지시 신호에 따른 처리를 우선적으로 행한다. 즉, 유량 제어 장치(9)는, 상기한 유량 제어를 일단 중지하여, 개도 지시 신호로 지정된 개도(MV1)가 되도록 밸브(14)를 제어한다. 그리고, 유량 제어 장치(9)는, 개도 지시 신호를 수신하고 나서 일정 시간의 경과 후에 유량 제어로 복귀한다. 이 일정 시간은, 예컨대 후술하는 출력 신호 취득부(6)에 의한 유량 출력값의 취득에 충분한 시간으로 설정되어 있다.

출력 신호 취득부(6)는, 밸브(14)가 제1 개도(MV1)=20%일 때의 열식 플로우 센서(2)의 유량 도출부(24)로부터 출력되는 유량 출력값(PV1)을 취득한다(도 9의 단계 S101). 또한, 밸브(14)의 개도가 MV1로 변화하였을 때의 유량 변동이 안정되는 것을 기다리기 위해, 출력 신호 취득부(6)는, 개도 지시 신호가 송신되고 나서 소정의 대기 시간의 경과 후에 열식 플로우 센서(2)의 유량 출력값을 취득하는 것이 바람직하다.

출력 신호 취득부(6)에 의한 유량 출력값의 취득 후, 밸브 개도 지시부(5)는, 밸브(14)가 미리 규정된 제2 개도(MV2)(MV1≠MV2이며, 예컨대 MV2=50%)가 되도록 개도 지시 신호를 유량 제어 장치(9)에 송신한다(도 9의 단계 S102).

MV1=20%일 때와 마찬가지로, 유량 제어 장치(9)는, 유량 제어를 일단 중지하여, 개도 지시 신호로 지정된 개도(MV2)가 되도록 밸브(14)를 제어한다. 그리고, 유량 제어 장치(9)는, 개도 지시 신호를 수신하고 나서 일정 시간의 경과 후에 유량 제어로 복귀한다.

출력 신호 취득부(6)는, 밸브(14)가 제2 개도(MV2)=50%일 때의 열식 플로우 센서(2)의 유량 도출부(24)로부터 출력되는 유량 출력값(PV2)을 취득한다(도 9의 단계 S103). MV1=20%일 때와 마찬가지로, 출력 신호 취득부(6)는, 개도 지시 신호가 송신되고 나서 소정의 대기 시간의 경과 후에 열식 플로우 센서(2)의 유량 출력값을 취득하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 배율(Rref)=1.667은, 기준 유량을 PV1ref, 배율(Rref)을 결정하는 대상의 유량을 PV2ref라고 하면, R=PV2ref/PV1ref가 된다. 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)에, 개도(MV)-유량(PV)의 이론 곡선(함수)으로부터 얻어지는, 2점의 유량 PV2ref, PV1ref의 배율(Rref)=1.667만이 기억되어 있는 경우에는, 이론 곡선 상에서 유량 PV1ref에 대응하는 밸브 개도와 제1 개도(MV1)가 같고, 또한 이론 곡선 상에서 유량 PV2ref에 대응하는 밸브 개도와 제2 개도(MV2)가 같아지도록, 제1, 제2 개도(MV1, MV2)를 규정해 두면 좋다. 따라서, 개도 지시 신호의 송신과 유량 출력값의 취득을, 적어도 2회 행하면 좋게 된다.

보정 계수 산출부(7)는, 출력 신호 취득부(6)에 의한 유량 출력값의 취득 완료 후, 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)에 기억되어 있는 정보를 취득하고(도 9의 단계 S104), 출력 신호 취득부(6)에 의해 취득된 2점의 유량 출력값(PV2, PV1)의 배율(R)=PV2/PV1을 산출한다(도 9의 단계 S105).

그리고, 보정 계수 산출부(7)는, 산출된 배율(R)에 대한 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)로부터 취득된 정보로부터 얻어지는 배율(Rref)의 비(Rref/R)를 보정 계수(C)로서 산출하고, 이 보정 계수(C)를 유량 보정부(8)에 설정한다(도 9의 단계 S106).

예컨대 배율(R)이 1.275가 되었다고 하면, 보정 계수(C)는 Rref/R=1.677/1.275=1.307(130.7%)로서 산출된다. 이 값은, 도 8에 따르면, 황산 고농도(혹은 이것과 동등한 열전도율의 유체)가 계측 유체인 경우에, 자동적으로 얻어지는 보정 계수(C)의 수치이다.

또한, 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)에, 배율(Rref)이 아닌, 개도(MV)-유량(PV)의 이론 곡선(함수)이 기억되어 있는 경우, 보정 계수 산출부(7)는, 이론 곡선 상에서 제1 개도(MV1)에 대응하는 유량 PV1ref와, 이론 곡선 상에서 제2 개도(MV2)에 대응하는 유량 PV2ref를 구하여, 배율(Rref)을 산출하면 좋다.

도 10은 열식 플로우 센서(2)의 유량 도출부(24)와 유량 보정부(8)의 동작을 설명한 흐름도이다.

유량 도출부(24)는, 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부(4)에 기억되어 있는 유량(PV)과 센서 출력 신호(Vt)와의 관계에 기초하여, 차동 증폭기(A2)로부터 출력되는 센서 출력 신호(Vt)를 유량(PV)의 값으로 변환한다(도 10의 단계 S200).

유량 보정부(8)는, 열식 플로우 센서(2)의 유량 도출부(24)로부터 출력된 유량(PV)의 값에 보정 계수(C)를 곱하여 유량(PV)을 보정한다(도 10의 단계 S201). 또한, 보정 계수 산출부(7)에 의해 설정되기 전의 보정 계수(C)의 초기값(계측 유체가 물인 경우의 값)은 1이다.

유량 도출부(24)와 유량 보정부(8)는, 유량 제어(유량 계측) 중에 단계 S200, S201의 처리를 일정 시간마다 행한다.

이렇게 해서, 본 실시예에서는, 보정 계수(C)의 설정 시간과 보정 계수(C)의 편차를 저감할 수 있다.

또한, 도 9에서 설명한 처리를 시작하는 타이밍으로는, 오퍼레이터로부터 설정 개시의 지시를 받았을 때라도 좋고, 후술하는 제2 실시예와 같이 미리 규정된 타이밍이 되었을 때라도 좋다.

[제2 실시예]

다음에, 본 발명의 제2 실시예에 대해서 설명한다. 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열식 플로우 센서 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2와 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여 둔다. 본 실시예는, 상기 발명의 원리 2에 대응하는 예이다.

본 실시예의 열식 플로우 센서 장치(1a)는, 열식 플로우 센서(2)와, 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)와, 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부(4)와, 밸브 개도 지시부(5)와, 출력 신호 취득부(6)와, 보정 계수 산출부(7)와, 유량 보정부(8)와, 미리 규정된 타이밍에 상기 보정 계수의 산출·설정 처리를 실행하도록 제어 관리하는 실행 관리부(30)와, 보정 계수 산출부(7)에 의해 산출된 과거부터 현재까지의 보정 계수(C)의 이력 정보를 제시하는 이력 정보 제시부(31)와, 보정 계수 산출부(7)에 의해 산출된 보정 계수(C)의 정상값으로부터의 괴리 정도가, 규정량 이상이 되었을 때에 알람을 출력하는 알람 출력부(32)를 구비하고 있다.

도 12는 본 실시예의 밸브 개도 지시부(5)와, 출력 신호 취득부(6)와, 보정 계수 산출부(7)와, 실행 관리부(30)와, 이력 정보 제시부(31)와, 알람 출력부(32)의 동작을 설명한 흐름도이다.

실행 관리부(30)는, 미리 규정된 타이밍이 되었을 때에(도 12의 단계 S300에 있어서 YES), 보정 계수 산출·설정 처리를 시작하도록, 밸브 개도 지시부(5)와, 출력 신호 취득부(6)와, 보정 계수 산출부(7)에 대하여 지시를 보낸다(도 12의 단계 S301).

밸브 개도 지시부(5)와, 출력 신호 취득부(6)와, 보정 계수 산출부(7)의 동작(도 12의 단계 S302∼S308)은, 단계 S100∼S106에서 설명한 바와 같다.

이력 정보 제시부(31)는, 보정 계수 산출부(7)에 의해 산출된 과거부터 현재까지의 보정 계수(C)를 기억하고 있고, 과거부터 현재까지의 보정 계수(C)의 이력 정보를 제시한다(도 12의 단계 S309).

도 13은 보정 계수(C)의 이력 정보의 제시예를 나타낸 도면이다. 도 13의 예에서는, 이력 정보 제시부(31)가 표시하는 화면(310)에, 보정 계수(C)의 산출·설정의 실행 횟수를 횡축으로, 보정 계수(C)를 종축으로 하는 그래프가 표시되어 있다. 또한, 이력 정보 제시부(31)는, 가장 초기에 산출·설정된 보정 계수(C)의 +5%를 나타내는 라인 L1과 -5%를 나타내는 라인 L2를 화면(310)에 표시한다.

알람 출력부(32)는, 보정 계수 산출부(7)에 의해 산출된 최신의 보정 계수(C)의 정상값(통상은 열식 플로우 센서 장치의 사용 초기에 산출되어 기억된 보정 계수(C))로부터의 괴리 정도가, 규정량 이상이 되었을 때에(도 12의 단계 S310에 있어서 YES), 알람을 출력한다(도 12의 단계 S311).

예컨대 알람 출력부(32)는, 최신의 보정 계수(C)가 정상값으로부터 ±5% 이상 괴리되었을 때에, 알람을 출력한다. 알람의 출력 방법으로는, 예컨대 알람 발생을 알리는 내용을 표시하거나, 알람 발생을 알리는 정보를 외부로 송신하거나 하는 등의 방법이 있다.

이렇게 해서, 본 실시예에서는, 보정 계수 산출부(7)에 의해 산출·설정되는 보정 계수(C)를 모니터링함으로써, 계측 유체의 상태 변화(이상 발생 등)를 검출하는 것을 기대할 수 있다.

상기한 바와 같이, 제1, 제2 실시예에서는, 열식 플로우 센서 장치를 포함하는 매스 플로우 컨트롤러의 예에 대해서 설명하고 있지만, 본 발명은 매스 플로우 컨트롤러 이외에도 적용 가능하다. 또한, 열식 플로우 센서(2)의 상류, 하류 중 어느 한쪽에 밸브가 배치되어 있어도 좋다.

제1, 제2 실시예의 열식 플로우 센서 장치 중, 적어도 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부(3)와, 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부(4)와, 밸브 개도 지시부(5)와, 출력 신호 취득부(6)와, 보정 계수 산출부(7)와, 유량 보정부(8)와, 실행 관리부(30)와, 이력 정보 제시부(31)와, 알람 출력부(32)와, 유량 도출부(24)는, CPU(Central Processing Unit), 기억 장치 및 인터페이스를 구비한 컴퓨터와, 이들의 하드웨어 자원을 제어하는 프로그램에 의해 실현할 수 있다.

이 컴퓨터의 구성예를 도 14에 도시한다. 컴퓨터는, CPU(200)와, 기억 장치(201)와, 인터페이스 장치(이하, I/F라고 약칭함)(202)를 구비하고 있다. I/F(202)에는, 열식 플로우 센서(2)의 유량 계측부(22)와 유량 제어 장치(9)가 접속된다. 이러한 컴퓨터에 있어서, 본 발명의 유량 보정 방법을 실현시키기 위한 프로그램은 기억 장치(201)에 저장된다. CPU(200)는, 기억 장치(201)에 저장된 프로그램에 따라 제1, 제2 실시예에서 설명한 처리를 실행한다. 또한, 유량 제어 장치(9)에 대해서도, 주지하는 바와 같이 컴퓨터와 프로그램에 의해 실현할 수 있다.

본 발명은, 열식 플로우 센서에 적용할 수 있다.

1 : 열식 플로우 센서 장치, 2 : 열식 플로우 센서, 3 : 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부, 4 : 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부, 5 : 밸브 개도 지시부, 6 : 출력 신호 취득부, 7 : 보정 계수 산출부, 8 : 유량 보정부, 9 : 유량 제어 장치, 10 : 본체 블록, 11 : 센서 패키지, 12 : 헤드부, 13 : 플로우 센서 칩, 14 : 밸브, 15 : 유로, 16, 17 : 개구, 20 : 히터 구동부, 21, 23 : 브릿지 회로, 22 : 유량 계측부, 24 : 유량 도출부, 30 : 실행 관리부, 31 : 이력 정보 제시부, 32 : 알람 출력부, 130 : 실리콘 칩, 131 : 다이어프램, 133 : 히터, 134, 135 : 온도 센서, 136 : 주위 온도 센서, 137 : 슬릿.

Claims

계측 유체가 유통하는 유로에 배치되고, 상기 계측 유체의 온도를 측정하는 온도 센서로부터 얻어지는 센서 출력 신호를 출력하도록 구성된 열식 플로우 센서와,
상기 열식 플로우 센서보다 상류측 또는 하류측의 상기 유로의 개소에 배치된 밸브의 개도(開度)와 상기 계측 유체의 유량과의 관계에 대한 정보를 미리 기억하도록 구성된 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부와,
기준이 되는 계측 유체에서의 유량과 상기 센서 출력 신호와의 관계에 대한 정보를 미리 기억하도록 구성된 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부와,
이 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부에 기억되어 있는 정보에 기초하여, 상기 센서 출력 신호를 유량의 값으로 변환하도록 구성된 유량 도출부와,
이 유량 도출부의 유량 출력값에 보정 계수를 곱하여 유량을 보정하도록 구성된 유량 보정부와,
상기 보정 계수를 산출·설정할 때에, 미리 규정된 적어도 2점의 밸브 개도를 지정하는 개도 지시 신호를, 상기 밸브를 제어하는 제어 장치에 송신하도록 구성된 밸브 개도 지시부와,
상기 개도 지시 신호에 따른 밸브 개도가 되었을 때의 상기 유량 도출부의 유량 출력값을 취득하도록 구성된 출력 신호 취득부와,
이 출력 신호 취득부에 의해 취득된 2점의 유량 출력값의 배율을 산출하고, 상기 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부의 정보로부터 얻어지는, 상기 2점의 밸브 개도에 대응하는 2점의 유량의 배율을 취득하며, 상기 2점의 유량 출력값의 배율에 대한 상기 2점의 유량의 배율의 비를 상기 보정 계수로서 산출하여 상기 유량 보정부에 설정하도록 구성된 보정 계수 산출부
를 구비하는 것을 특징으로 하는 열식 플로우 센서 장치.
제1항에 있어서,
상기 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부는, 상기 밸브의 개도와 유량과의 관계를 근사시킨 이론 곡선으로부터 얻어지는 상기 2점의 유량의 배율을 기억하는 것을 특징으로 하는 열식 플로우 센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
미리 규정된 타이밍에 상기 보정 계수의 산출·설정 처리를 실행하게 제어 관리하도록 구성된 실행 관리부와,
상기 보정 계수 산출부에 의해 산출된 과거부터 현재까지의 보정 계수의 이력 정보를 제시하도록 구성된 이력 정보 제시부와,
상기 보정 계수 산출부에 의해 산출된 보정 계수의 정상값으로부터의 괴리 정도가, 규정량 이상이 되었을 때에 알람을 출력하도록 구성된 알람 출력부
를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열식 플로우 센서 장치.
기준이 되는 계측 유체에서의 유량과 센서 출력 신호와의 관계에 대한 정보를 미리 기억하는 유량-출력 신호 기준 특성 정보 기억부를 참조하고, 계측 유체가 유통하는 유로에 배치된 열식 플로우 센서의 센서 출력 신호를 유량 출력값으로 변환하는 제1 단계와,
상기 유량 출력값에 보정 계수를 곱하여 유량을 보정하는 제2 단계와,
상기 보정 계수를 산출·설정할 때에, 미리 규정된 적어도 2점의 밸브 개도를 지정하는 개도 지시 신호를, 상기 열식 플로우 센서보다 상류측 또는 하류측의 상기 유로의 개소에 배치된 밸브를 제어하는 제어 장치에 송신하는 제3 단계와,
상기 개도 지시 신호에 따른 밸브 개도가 되었을 때의 상기 유량 출력값을 취득하는 제4 단계와,
상기 제4 단계에서 취득된 2점의 유량 출력값의 배율을 산출하고, 상기 밸브 개도와 상기 계측 유체의 유량과의 관계에 대한 정보를 미리 기억하는 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부를 참조하여, 상기 2점의 밸브 개도에 대응하는 2점의 유량의 배율을 취득하고, 상기 2점의 유량 출력값의 배율에 대한 상기 2점의 유량의 배율의 비를 상기 보정 계수로서 산출하는 제5 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 보정 방법.
제4항에 있어서,
상기 밸브 개도-유량 특성 정보 기억부에 미리 기억된 정보는, 상기 밸브의 개도와 유량과의 관계를 근사시킨 이론 곡선으로부터 얻어지는 상기 2점의 유량의 배율인 것을 특징으로 하는 유량 보정 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,
미리 규정된 타이밍에 상기 보정 계수의 산출·설정 처리를 실행하도록 지시하는 제6 단계와,
상기 제5 단계에 의해 산출된 과거부터 현재까지의 보정 계수의 이력 정보를 제시하는 제7 단계와,
상기 제5 단계에 의해 산출된 보정 계수의 정상값으로부터의 괴리 정도가, 규정량 이상이 되었을 때에 알람을 출력하는 제8 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 보정 방법.