WO2000011531A1

WO2000011531A1 - Procede de detection d'obturation d'organe de commande de debit par pression et capteur utilise a cet effet

Info

Publication number: WO2000011531A1
Application number: PCT/JP1999/004310
Authority: WO
Inventors: Tadahiro Ohmi; Seiichi Iida; Satoshi Kagatsume; Jun Hirose; Kouji Nishino; Nobukazu Ikeda; Michio Yamaji; Ryousuke Dohi; Kazuhiro Yoshikawa; Mutsunori Koyomogi; Tomio Uno; Eiji Ideta; Takashi Hirose
Original assignee: Fujikin Incorporated; Tokyo Electron Ltd.
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2000-03-02
Also published as: CN1275218A; EP1035457B1; TW432267B; CN1114847C; US6302130B1; EP1035457A1; KR100348853B1; KR20010031332A; DE69912239T2; ATE252741T1; EP1035457A4; DE69912239D1

Description

明細書

圧力式流量制御装置におけるオリフィス目詰検出方法およびその検出装置技術分野

本発明は半導体や化学品、薬品、精密機械部品等の製造に用いるガス等の各種流体の圧力式流量制御装置に関し、更に詳細には、オリフィス孔が目詰まりを生起した際にその目詰まりを検出する方法およびその検出装置に関する。

背景技術

従来、半導体製造施設や化学薬品製造施設の流体供給装置であつて高精度な流量制御を必要とするものは、その殆んどがマスフ口一コントローラを用いてきた。

しかし、マスフローコントローラには、 ①熱式流量センサの場合応答速度が比較的遅いこと、 ②低流量域における制御精度が悪いうえ製品毎に精度のバラツキがあること、 ③作動上トラブルが多くて安定性に欠けること、 ④製品価格が高い上、交換用部品も高価であってランニングコストが高くつくこと、等の様々な不都合が存在した。

そこで、本発明者等はこれらの欠点を改善すべく鋭意研究した結果、特開平 8 - 3 3 8 5 4 6号公報に示すォリフィスを用いた圧力式流量制御装置を開発するに到った。

この圧力式流量制御装置の特徴は次の点にある。

オリフィス前後の気体の圧力比 P ₂ / P , ( P , ：上流側圧力、 P ₂ ：下流側圧力）が気体の臨界圧力比（空気や窒素等の場合は約 0 . 5 ) 以下になると、オリフィスを通る気体の流速が音速となって、オリフィス下流側の圧力変動が上流側に伝達しなくなり、オリフィス上流側の状態に相応した安定な質量流量を得ることができる。

即ち、オリフィス径が一定の場合、上流側圧力 P , を下流側圧力 P ₂ の約 2倍以上に設定すると、オリフィスを流通する下流側流量 Q _c は上流側圧力 P , にのみ依存し、 Q_C =ΚΡ , (Κ _:定数）という直線関係が高精度に成立している。そして、オリフィス径が同一なら、この定数 Κも一定となる。図 1 2を用いてこの圧力式流量制御装置の構成を説明する。

オリフィス 2の上流側流路 4は駆動部 8により開閉されるコントロール弁 CVに連結され、下流側流路 6はガス取出用継手 1 2を介して流体反応装置 (図示せず）に接続されている。

オリフィス上流側圧力 Ρ, は圧力検出器 1 4により検出され、増幅回路 1 6を介して圧力表示器 2 2に表示される。また、その出力は A/D変換器 1 8を通してデジタル化され、演算回路 2 0によりオリフィスの下流側流量 Q が Q = KP , (K ：定数）により算出される。

一方、温度検出器 2 4により検出された上流側温度 T】は増幅回路 2 6、 A/D変換器 2 8を介して温度補正回路 3 0に出力され、前記流量 Qが温度補正されて、演算流量 Q_C が比較回路 3 6に出力される。ここでは、演算回路 2 0と温度補正回路 3 0と比較回路 3 6をまとめて演算制御回路 3 8と呼ぶ。

流量設定回路 3 2からは A/D変換器 3 4を介して設定流量 Q_S が出力され、比較回路 3 6に送信される。比較回路 3 6では演算流量 Qc と設定流量 Qs の差信号 Q_Y が Q_Y

-QS によって算出され、増幅回路 4 0を介して駆動部 8に出力される。この駆動部 8は差信号 Q_Y が零になる方向にコントロール弁 C Vを開閉制御して、下流側流量が設定流量に等しくなるように制御するものである。

この圧力式流量制御装置は、上流側圧力 P , を検出するだけで下流側流量を高精度に制御できる点で優れているが、オリフィスを使用するためにその微細孔が目詰りするという弱点を有している。オリフィスはミクロンオーダ一のオリフィス孔であり、このオリフィス孔がゴミ等で目詰りし、流量制御が不可能になることがある。

流量制御される配管の内部は高度に清浄化されていなければならないが、配管時のキリコ、ゴミ等が残留する可能性がある。オリフィスが目詰まりを生起した場合には、流量制御ができないためにプラント全体が不安定になり、大量の不良品を発生することになる。またガス流体の種類によつては化学反応が暴走して爆発事故が起こる危険性もあった。これを防止するために、配管内にガスケットフィルタを内蔵することも検討されたが、配管のコンダク夕ンスに影響を与える欠点を有する。

図 1 3にはォリフィスに目詰まりが発生した場合の流量特性が示されている。パージ後流量特性とは目詰まりがない場合の特性であり、例えば、図 1 3に於いて設定値を 1 0 0%と指示した場合には、目詰まりがなければ N₂ ガスは 5 6 3. 1 SCCM (0印）流れるはずである。後続の反応系は全て期待通りの流量で設計されている。ところが目詰まりがあると、この場合には 4 8 5 SCCM (口印）しか流れず、設計通りの反応が期待できなくなる。但し、 SCCMは標準状態の下に於ける 1分間当りのガスの流量（c c) を表わすものである。

このように、オリフィスに目詰まりが生じると、流量が設定値よりも低下する現象が出現する。半導体や化学プラントでは、原料ガスに過不足が生じた場合には爆発が発生したり、製品に大量の損害が生じ、オリフィスの目詰まりをどのように検出するかが大きな課題とされていた。

発明の開示

本発明は上記欠点を改善するために創作されたものであり、請求項 1に記載の圧力式流量制御装置におけるオリフイス目詰検出方法は、コントロール弁とオリフィスとこれらの間の上流側圧力を検出する圧力検出器と流量設定回路からなり、上流側圧力 P, を下流側圧力 P₂ の約 2倍以上に保持して下流側の流量 Q_c を Q_c =KP】（Κ ：定数）で演算し、この演算流量 Q_c と設定流量 Q_s との差信号 Q_Y によりコントロール弁を開閉制御する流量制御装置において、設定流量 Q_s を高設定流量 Q_SHに保持する第 1工程と、この高設定流量 Q_SHを低設定流量 Q_SLに切換えて保持し上流側圧力 P , を測定して圧力減衰データ P (t) を得る第 2工程と、同条件でオリフィスに目詰まりがないときに測定された基準圧力減衰データ Y (t) と前記圧力減衰デ一夕 P (t) とを対比する第 3工程と、圧力減衰データ P (t) が基準圧力減衰データ Y (t) より所定度以上開離したときに目詰まりを報知する第 4ェ程から構成されている。

請求項 4に記載の圧力式流量制御装置における目詰検出方法は、コント口ール弁 CVとオリフィス 2とこれらの間の上流側圧力を検出する圧力検出器 1 4と流量設定回路 32力、らなり、上流側圧力 P, を下流側圧力 P ₂ の約 2倍以上に保持して下流側の流量 Q_c を Q_c =KP, (Κ：定数）で演算し、この演算流量 Q_c と設定流量 Q_s との差信号 Q_Y によりコントロール弁 CVを開閉制御する流量制御装置において、設定流量 Q_s を高設定流量 Q_SH に保持する第 1工程と、この高設定流量 Q_SHを低設定流量 Q_SLに切換えて保持し、上流側圧力 P, 及び上流側温度 P_t を測定すると共にこの測定値を用いて圧力減衰データ P (t) を演算する第 2工程と、同条件で、オリフィスに目詰まりがないときに測定した上流側圧力 P_t 及び上流側温度 T_t を用いて演算した基準圧力減衰データ Y (t) と、前記圧力衰データ P (t) とを対比する第 3工程と、圧力減衰データ P (t) が基準圧力減衰デ一夕 Y (t) より所定度以上開離したときに目詰まりを報知する第 4工程から構成されている。

また、請求項 7に記載の圧力式流量制御装置におけるオリフイス目詰検出装置は、コントロール弁とオリフィスとこれらの間の上流側圧力を検出する圧力検出器と流量設定回路からなり、上流側圧力 P, を下流側圧力 P ₂ の約 2倍以上に保持して下流側の流量 Qc を Qc ==KP, (Κ：定数）で演算し、この演算流量 Q_c と設定流量 Q_s との差信号 Q_Y によりコントロール弁を開閉制御する流量制御装置において、オリフィスに目詰まりがない条件下で高設定流量 Q_SHから低設定流量 QsiJこ切換えて測定された上流側圧力の基準圧力減衰データ Y (t) を記憶したメモリ装置と、オリフィスの実際条件下で高設定流量 Q_SHから低設定流量 Q_SLに切換えて、上流側圧力 P】の圧力減衰データ P (t) を測定する前記圧力検出器と、圧力減衰データ P (t) と基準圧力減衰データ Y (t) とを対比演算する中央演算処理装置と、圧力減衰デ一夕 P (t) が基準圧力減衰データ Y (t) より所定度以上開離すると目詰まりを報知するアラーム回路から構成されている。

請求項 9に記載の圧力式流量制御装置に於けるォリフイス目詰検出装置は、コントロール弁 CVとオリフィス 2とこれらの間の上流側圧力 P , を検出する圧力検出器 1 4と流量設定回路 32力、らなり、上流側圧力を下流側圧力 P₂ の約 2倍以上に保持して下流側の流量 Q_c を Q_c

(K：定数）で演算し、この演算流量 Q_c と設定流量 Q_s との差信号 Q_Y によりコント口一ル弁を開閉制御する流量制御装置において、オリフィス上流側圧力 Pを測定する圧力検出器 1 4と、オリフィス上流側温度 Tを検出する温度検出器 2 4と、オリフィス 2に目詰まりがない条件下で高設定流量 Q_SHから低設定流量 Q_SLに切換えて測定した上流側圧力 P_t 及び上流側温度 T_t を用いて演算した上流側圧力 P, の基準圧力減衰データ Y (t) を記憶したメモリ装置 M と、前記基準圧力減衰デ一夕 Y (t) を演算すると共に、オリフィス 2の実際条件下で高設定流量 Q _SHから低設定流量 Q _SLに切換えて測定した上流側圧力 P_t 及び上流側温度 T_t を用いて上流側圧力 Pi の圧力減衰データ P (t) を演算し、更に当該圧力減衰データ P (t) と前記基準圧力減衰データ Y ( t) とを対比演算する中央演算処理装置 CPUと、圧力減衰データ P (t) が基準圧力減衰データ Y (t) より所定度以上開離すると目詰まりを報知するアラーム回路 46から構成されている。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係る流量制御装置における目詰検出装置の一例のプロック構成図である。

図 2は、プラント運転時における流量制御のフローチヤ一トである。

図 3は、本発明の第 1実施例に係る目詰検出方法で用いる基準圧力減衰デ —夕 Y (t) を求めるフローチャートである。

図 4は、目詰まりのない基準圧力減衰データ Y (t) と目詰まりのある圧力減衰データ P (t) のグラフを示す。

図 5は、本発明の第 1実施例に係る目詰検出方法を実行するフローチヤ一トである。

図 6は、各種信号のタイムチャートを示す。

図 7は、本発明の第 2実施例に係る目詰検出方法で用いる基準圧力減衰デ —夕 Y ( t ) を求めるフローチャートである。

図 8は、本発明の第 2実施例に係る目詰検出方法を実行するフローチヤ一トである。

図 9は、本発明の第 2実施例に於いて、温度を変化させた場合の圧力降下特性を示すグラフである。

図 1 0は、本発明の第 2実施例に於いて、温度を変化させた場合の圧力減衰データ Z (t) の演算値を示すグラフである。

図 1 1は、本発明の第 2実施例に於いて、温度が変化した場合の基準時の圧力減衰データ（25°C) Z_s (t) と圧力減衰データの演算値との差を示すものである。

図 1 2は、従来例である圧力式流量制御装置のブロック構成図である。図 1 3は、オリフィスに目詰まりが生じた場合の設定値流量特性図である。符号の説明

2はォリフィス、 4は上流側流路、 6は下流側流路、 8は駆動部、 1 2はガス取出用継手、 1 4は圧力検出器、 1 6は増幅回路、 1 8は AZD変換器、 20は演算回路、 22は圧力表示器、 24は温度検出器、 26は増幅回路、 28は八ダ0変換器、 30は温度補正回路、 32は流量設定回路、 34は A /D変換器、 3 6は比較回路、 38は演算制御回路、 4 0は増幅回路、 4 2 は通信ポート、 44は外部回路、 4 6はアラーム回路、 4 8は電源回路、 5 0は外部電源、 AMPは増幅回路、 AZDは AD変換器、 ALはアラーム回路、 CPUは中央演算処理装置、 CVはコントロール弁、 ESは外部電源、 Mはメモリ装置、 SCは電源回路である。

発明を実施するための最良の形態

本発明は、図 1 2と同様の圧力式流量制御装置に用いるオリフィス目詰検出方法と目詰検出装置に関するものであり、圧力式流量制御装置が動作する前提条件は同一である。即ち、上流側圧力 P, を下流側圧力 P ₂ の約 2倍以上に設定した場合には、オリフィスの下流側流量 Q_c は上流側圧力 P】にのみ依存し、 Qc -KP, という線形条件が高精度に成立している。オリフィスが同一の場合には比例定数 Kは一定となり、オリフィス孔の異なるオリフィスに変換する場合にのみ定数 Kを変更すればよい。

従って、特定の流体を一定の流量 Q_s に制御するには、上流側圧力 P, を P, =Q_S /Kの値になるようにコントロール弁 CVを開閉制御すればよいことになる。即ち、上流側圧力 P, を常時測定しながら、それに一対一の対応の関係でコントロール弁 CVを開閉すればよいのである。

目詰検出装置の実施例

図 1は本発明に係る流量制御装置における目詰検出装置の一例を示している。本装置は図 1 2の装置と機能的に同等である力 \ マイクロコンピュー夕制御である点で異なる。従って、図 1 2と同一部分には同一番号を符してその説明を省略し、異なる符号および詳細点を以下に説明する。

CPUは中央演算処理装置で、図 1 2の演算制御回路 38に相当し、 Mはデータ記憶用のメモリ装置、 42は外部との通信ポート PT、 44はトリガ —回路等の外部回路、 46は目詰まり時のアラーム回路、 48は電源回路 S C、 50は ± 1 5 Vの外部電源である。 AMPは増幅回路、 AZDは A/D 変換器を表わしている。

コントロール弁 CVとしては、所謂ダイレクト夕ツチ型のメタルダイヤフラム弁が使用されており、またその駆動部 8には、圧電素子型駆動装置が使用されている。尚、コントロール弁 CVの駆動部 8にはこの他に、磁歪素子型駆動装置やソレノイド型駆動装置、モータ型駆動装置、空気圧型駆動装置、熱膨張型駆動装置が用いられる。

圧力検出器 1 4には半導体歪型圧力センサが使用されているが、この他に、金属箔歪型圧力センサゃ静電容量型圧力センサ、磁気抵抗型圧力センサ等の使用も可能である。

温度検出器 2 4には熱電対型温度センサが使用されているが、測温抵抗型温度センサ一等の公知の各種温度センサが使用できる。

また、オリフィス 2には、板状の金属薄板製ガスケットに切削加工によつて孔部を設けたォリフィスが使用されているが、この他に極細パイプやエツチング及び放電加工により金属膜に孔を形成したオリフィス等、公知のオリフィスを使用することもできる。

オリフィスを用いた流量制御装置を F C Sと略称するカ図 1に示した流量制御装置 F C Sは、本発明に係るオリフイス目詰検出装置を組込んだものである。

次に、図 1に示す流量制御装置 F C Sの通常の流量制御モードを 15 図 2のフローチャートにより説明する。

図 2はプラント運転時における流量制御のフローチャートであり、メモリ装置 Mに記憶されたプログラムに従って中央演算処理装置 C P Uにより実行される。ステップ n 1で流量制御モードであることが確認（Y) されると、流量設定回路 3 2から流量設定信号（設定流量） Q _s が入力される（n 2 ) 圧力検出器 1 4により上流側圧力 P , が測定され（n 3 ) 、増幅回路 1 6および A/D変換器 1 8を介して中央演算処理装置 C P Uにより下流側流量 Q が Q K P (Κ：定数）を通して演算される（η 4 )

同時に、上流側温度 Τ ι 力温度検出器 2 4により検出され（n 5 ) 、増幅回路 2 6および A/D変換器 2 8を介して前記装置 C P Uに入力され、このデータに基づいて流量の温度補正が行なわれ、流量 Qが演算流量 Q _c へと変換される（n 6 ) 。装置 C P Uの中では、演算流量 Q _c と設定流量 Q _s の差 Q_Y が Q_Y =Q_C -QS により算出される（n 7) 。

この流量差信号 Q_Y が零になるように、コントロール弁 CVを以下のステップで制御する。まず Q_Y く 0の場合（n 8) にはコントロール弁 CVを開方向に駆動部 8により制御し（n 9) 、また Q_Y > 0の場合（n 1 0) コントロール弁 CVを閉方向に駆動 (n 1 1 ) して、ステップ n 3に戻る。 Q_Y 0の場合には、流量制御が完成したものとしてコントロール弁 CVを現在の開度で固定する（n 1 2) 。流量差 Q_Y を完全に零にすることは難かしいから、ステップ n 8および n l 0には多少の余裕度を設定することもできる。流量設定回路 3 2の設定流量 Q_s について説明しておく。この設定流量（流量設定信号） Q_s は通常電圧値で与えられ、しかも上流側圧力の設定値 P, と P】 =Q_S /Kの関係が成立している。例えば流量を 0〜5 (V) で表示すると、圧力範囲 0〜3 (kg f /cm² ab s) に対応しているという訳である。この範囲をパーセント表示して 0〜1 0 0 (%) で表わすと、フルスケール 1 0 0 (%) は流量 Q_s では 5 (V) 、上流側圧力 P, では 3 (k g ί /cm² a b s) に対応している。

例えば、設定値が 5 0 (%) なら流量 Q_s は 2. 5 (V) 、圧力 P, は 1. 5 (kg f /cm² ab s) に相当している。以下の説明では上記を前提とする。

次に、オリフィスの目詰まりを検出するために、基礎データとなる基準圧力減衰データ Y (t) を測定する基準減衰モードを説明する。この基準減衰モードは、オリフィスの目詰まりが全く無い状態のとき、コントロール弁を大きく開放（全開状態）した状態から閉鎖（全閉状態）したときに上流側圧力 Ρ, がどのように減衰するかを調べるもので、目詰まりがある場合と対比するための基準データとなるものである。

目詰検出方法の第 1実施例

図 3は、第 1実施例に係る目詰検出方法で用いる基準減衰モードを示すフローチャートであり、外部回路 44からの信号によりメモリ装置 Mに記憶されたプログラムが台動実行される。

基準減衰モードであることが確認されると（n 2 0) 、設定流量 Q_s として高設定流量 Q_SHが CPUにセットされる（n 2 1 ) 。この高設定流量 Q_SH としてはフルスケールの 1 0 0%が一般的である。この状態で上流側圧力 P, が測定され、このレンジでの最大値として最大圧力 P™ で表わす（n 22)。次に外部回路 44からのトリガ一信号により、設定流量 Q_s として低設定流量 Q_SLがセットされ、この時点を時刻 t = 0 (s) とする（n 23) 。低設定流量 Q_SLとしては 0%が一般的である。即ち、上流側圧力 P, を最大値から零（コントロール弁を全閉）にしてから上流側圧力 P, の減衰を計測するのである。

= 0から上流側圧カ？_] を測定し（n 24) 、時刻と圧力データ（t、 P, /P_m ) をメモリ装置 Mに記憶させる（n 25) 。 P, /P_m にしたのは圧力を規格化しただけであって、全く規格化しなくてもよいし、他の方法をとつてもよレ、。時刻を微小時間 A tだけ進ませ（n 26) 、測定時間 t_m になるまで（27) 、データ（t、 P】 /P_m ) を測定しながらメモリ装置 Mに蓄えるのである。ここで測定時間 t_m はデータを蓄積できる時間であればよく、例えば 5 (s)、 20 (s) 等である。次に得られた多数のデ一夕 (t、 P, /P_m ) に、 Y (O =e xp (― k t) を最小二乗法によりフイツティングし（n 28) 、減衰パラメ一夕 kを算出する（n 29) 。

尚、現実の具体的な測定に於いては、前記測定時間 t mを 1 s〜 1 0 sに亘つて 8段階に切換え設定できるようにしており、また、内径が 1 5 0 のオリフィスの場合には、この間に 5 0点の上流側圧力 P , を測定している。このようにして、基準圧力減衰データ Y (t) が理論式 Y (t) =e xp (一 k t) として与えられる。目詰まりのない同一のオリフィス孔に対しては、減衰パラメ一夕 kは一定値となる。この基準圧力減衰データ Y (t) 力メモリ装置 Mに記憶される。

基準圧力減衰データ Y (t) は図 4に細実線で示され、最大値は 1に規格化されている。もちろん規格化せずに圧力 P, の値を減衰データとしてもよい。

上記の方法では、 Q_SH→Q_SLの変化を 1 00%→0%、即ちコントロール弁 CVでは全開—全閉としたが、これに限られるものではない。例えば Q_SH - 50%とすることもでき、また Q_SL= 209 とすることも可能である。その中でも減衰曲線が最も顕著なカーブを示すものとして 1 00%→0%が選択されたに過ぎないものである。

基準圧力減衰データ Y (t) は、オリフィスに目詰まりがない最良条件下で測定されたものであり、一般的な意味で目詰りがなレ、状態はこの最良条件を意味するものではない。例えば、小量の目詰まりがあっても目詰まりなしと判定する場合もあり、本実施例ではフルスケール値で ± 0. 2%、従って規格化が 1の場合には ± 0. 002を目詰まりなしの誤差範囲とする。この誤差範囲は状況に応じて種々変更することができる。

次に、フロ一ファクタ FFについて説明しておく。

本発明に係る流量制御装置は、同一のォリフィスで複数のガス種を制御できる利点を有する。前述したように、同一のオリフィス径のオリフィスでは、下流側流量 Q_c は Q_c =KP, (Κ：定数）で与えられることが分っている。この場合、定数 Κはガス種が変わると変化することが知られている。

例えば、 Ν₂ ガス、 Arガス、 0₂ ガスに対応して、定数 Kを K_N 、 K_A 、 K。と表わそう。通常、 Ν₂ ガスを基準にしたフローファクタ FFで表わすことが行なわれている。従って、 N₂ ガス、 Arガス、 0₂ ガスのフローファクタ FFを FF_N 、 FF_A 、 FFoで表わすと、 FF_N' =K_N /K_N 二 1、 FF_A =K_A /ΚΝ 、 FFo =Κο ΖΚ_Ν で与えられる。つまり、フローファクタ FFとは実際のガスの流量と Ν₂ 換算流量との比率であり、 FF二実ガス流量 ΖΝ₂ 換算流量で定義されるファクタである。表 1にガス種毎のフ口一ファクタの値が掲載されている。表 1

フロ一ファクター F. F.

実ガスの流量

FF =

N₂ 換算流量一

発明者等は、基準圧力減衰データ Y (t) =exp (― k t) の減衰パラメータ kがフローファクタ FFと密接な関係を有していることを究明するに到った。その関係式は流量と同様に、実ガス減衰パラメ一夕 FFxN₂ ガス減衰パラメ一夕である。従って、 N₂ ガスの減衰パラメ一夕 k さえ測定しておけば、任意ガスの減衰パラメ一夕 kは k = FFxk_N によって决めることができる。

図 5は、実際に使用しているオリフィスに対する目詰検出モ一ドのフ口一チャートである。目詰検出は実際のプラント運転時は困難であるから、プロセス終了後、設定流量が規定値（即ち、設定流量値が IVを越える任意の値 • しきい値）になると、その減少方向をトリガ信号として目詰検出モードに

A 0

本実施例では設定流量値が 1 Vになれば、トリガー信号 T が中央演算処理装置 CPUに入力される。この信号により目詰検出モードであることを確認し（n 30)、メモリ装置 Mから基準圧力減衰データ Y (t) を CPU に送信する（n 31)。このデ一夕としては実際に測定対象としている実ガスに対する Y (t)でもよいし、 N₂ に対する減衰パラメ一夕 kとフローファクタ FFでもよい。後者の場合には Y (t) exp (-k t xFF) によって実ガスに対する基準圧力減衰デ一夕 Y (t) を算出することができる。本実施例では、初期設定時に前記 Y (f ) として、メモリ装置 Mに下表のようなテーブルをメモリしておき、当該テ一ブルとの比較により目詰まり検出を行なうようにしている。

表 2

次に、高設定流量 Q_SHを入力し、この時点を t = 0 (s) として時間計測を行ない（n 32)、上流側圧力 P, を測定し、その値を最大圧力 P_m とする（n 33)。微小時間△ tを多数回繰返しながら（n 34)、高設定時間 t。になると（n 35)、低設定流量 Q_SLに切換え、この時点を再び t = 0 (s) とする（n 36)。本実施例では、前述した通り高設定流量 Q_SH 1 00%、低設定流量 Q_SL=0%とし、高設定時間 t 1 (s) とする。この高設定時間 t。は上流側圧力 P, が安定する時間であれば任意に採ることができる。

更に、微小時間 Δ tを多数回繰返しながら（n 37)、時間が低設定時間 t】になると（n 38)、上流側圧力 P, (t _] ) を検出する（n 39) 最大圧力 P_m で規格化した圧力減衰データ P (t , ) (t , ) /P_m 力 \ 基準圧力減衰データ Y (t , ) から誤差 mの範囲内に存在すれば（n4 0) 、目詰なしを表示し、アラーム信号 ALをオフにする（n 42) 。もし誤差範囲外であれば（n 40) 、目詰を表示し、アラーム信号 ALをオンにする（n 4 1 ) 。

前記の低設定時間 t , は対比時間であり、 0. 6 (s) でも 1. 6 (s) でもよく、対比が容易な時間を選定すればよい。また、圧力減衰データ P ( t) は上流側圧力 P, (t) を最大圧力 P_m により規格化したものを用いた力 \ 別段規格化しなくてもよい。規格化しない場合には、基準圧力減衰デー夕 Y (t) も規格化しないで用いた方がよい。この場合、ステップ n 40は I P, (t , ) -Y (t , ) I ZP_m く nの計算式になる。即ち、規格化した場合は P (t) =P】 (t) /P_m となるカ規格化しない場合は P (t) =P, ( t) とすればよいのである。この他にも圧力減衰デ一夕 P (t) の定数があり、重要なことは P (t) と Y (t) の定数をオリフィスの目詰まり以外は同一条件に設定しておくことである。

本実施例では、誤差 mは 0. 2%F. S. 、即ち m= 0. 002を設定している。しかし、この誤差範囲は仮に目詰まりがないとする範囲を与えるにすぎないから、 0. 5%F. S. 、即ち m= 0: 005と設定してもよく、精度に応じた任意性を有している。

また、図 5の本実施例では t = t , の 1点のデータで目詰判断をしたが、複数時点の判断でもよく、更に多数の点を利用し、圧力減衰曲線全体での対比判断を行ってもよい。

尚、現実の実施に於いては、 t = t , 〜t二 t nの 4〜5点について連続的に上述の如き目詰判断をし、各点に於ける初期基準値と測定値の差デ一夕の積算平均でもつて最終的な目詰判断を行っている。

圧力減衰曲線を示す図 4から判るように、目詰まりがない場合の細実線に対して ±0. 2%F. S. の誤差範囲を点線により与えている。この点線範囲内に含まれた場合には、目詰まりなしである。太実線は規格化された圧力減衰データであり、約 1. 6秒後の実測値が点線範囲外にあるため、目詰表示がなされ、アラームが報知される。

図 6は、図 5の実施例に於ける信号のタイムチヤ一トである。トリガ信号の立上りにより高設定流量 Q _SHが入力され、 t。秒後に低設定流量 Q _sしに設定された後、秒後の圧力減衰データ P ( t ) を実測する。誤差範囲外であればアラーム信号 A Lがオンになる。

本発明においては、基準圧力減衰データ Y ( t ) と圧力減衰データ P ( t ) は規格化されてレ、てもいなくてもどちらでもよレ、。

また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。

目詰検出方法の第 2実施例

図 7は、第 2実施例に係る目詰検出方法に於いて、基礎データとなる基準圧力減衰データ Y ( t ) を得るための基準減衰モードのフローチャートを示すものであり、前記第 1実施例の図 3に相当するものである。

前記図 3の第 1実施例に於いては、基準圧力減衰データ Y ( t ) を得る際に、オリフィス上流側の流体の温度丁が、圧力減衰に及ぼす影響を全く考慮に入れていない。また、このことは、前記図 5に示した目詰検出モードに於ける圧力減衰データ P ( t ) を測定する際にも同じである。

一方、現実の目詰まり検出に於いては、基準圧力減衰データ Y ( t ) を得たときの流体の温度丁と、目詰まり検出を行なう際の流体の温度 Tとが、等しいと云うことはほとんどなく、両者の間に温度差のあるのが通常である。ところで、前記第 1実施例に示した方法により目詰まりを検出した場合に、基準圧力減衰データ Y ( t ) を測定したときのオリフィス上流側の流体温度と、圧力減衰データ P ( t ) を測定したときのオリフィス上流側の流体温度に差があると、目詰まり検出の精度が悪くなる。具体的には、温度差が約 1 0で程度になると、目詰まり面積の検出値に約 3 %の誤差を生ずることが、実験により確認されている。前記図 7及び後述する図 8に示す第 2実施例は、オリフィス上流側の温度が異なることによる目詰まり検出の精度の低下を防止するために開発されたものであり、基準圧力減衰データ Y (t) と圧力減衰データ P (t) の検出時にォリフィス上流側の流体温度に差があっても、目詰まり検出精度が低下しないようにするため、前記基準圧力減衰データ Y (t) 及び圧力減衰デー夕 P (t) を、検出した流体の温度及び圧力の値を用いて、流体の流れの理論式から演算により求めるようにしたものである。

先ず、基準圧力減衰データ Y (t) を得る方法について説明する。尚、この基準圧力減衰データ Y (t) は図 1のオリフィス 2に全く目詰まりがない場合のォリフィス上流側の圧力減衰状態を示すものである。

図 1及び図 7を参照して、外部回路 44からのトリガー信号により、メモリ装置 Mに記憶されたプログラムが始動実行される。

基準減衰モードであることが確認されると（n 20 a) 、設定流量 Q_s として高設定流量 Q_SHが CPUにセットされる（n 2 1 a) 。この高設定流量 Q_SHとしてはフルスケールの 1 00%が一般的である。この状態で上流側圧力 P】が測定され、このレンジでの最大値として最大圧力 P_m =P。で表わす（n 22 a) 。前記外部回路 44からのトリガー信号により、設定流量 Q_s として高設定流量 Q_SHがセットされると（n 2 1 a) 、この状態が 2秒間保持され、 2秒後には設定流量 Q_s として低設定流量 Q_SLがセットされる。この時点を時刻 t = 0 (s) とする（n 23 a) 。低設定流量 Q_SLとしては 0%が一般的である。即ち、上流側圧力 P, を最大値から零（コントロール弁を全閉）にしてから上流側圧力 P】の減衰を計測するのである。

t = 0から上流側圧力二 P_t 及び上流側温度 T】測定し（η 4 3 a) 、時刻と圧力データと温度データ（t、 P_t 、 T_t ) をメモリ装置 M に記憶させる（n 43 a) 。このデータの測定は、時刻を微小時間△ tだけ進ませ（n 26 a) 、測定時間 tmになるまで（n 27 a) まで測定をし乍ら、メモリ装置 Mに蓄えるのである。ここで、測定時間 tmはデ一夕を蓄積できる時間であればよく、例えば 5 (s)、 20 (s)等である。

尚、現実の具体的な測定に於いては、前記測定時間 tmを I s 〜1 Os に亘つて 8段階に切換え設定できるようにしており、また、内径が 150 zm のオリフィスの場合には、この間に 50点の上流側圧力、上流側温度を測定している。

また、前記上流側圧力 P】、上流側温度の測定と並行して、これらの読み取りデータを用いて、 CPUに於いて基準圧力減衰デ一夕 Y (t) =Z_S (t) の演算が行なわれる（n 45 a)。そして、演算された基準圧力減衰データ Y (t) 二 Z_s (t) はメモリ装置 Mに蓄えられる。

本第 2実施例に於いては、前記基準圧力減衰データ Y (t) =Z_S (t) は、上流側圧力 P, の降下が、所謂「流体の理論式」に基づいて演算され、

「上流側圧力 P】の降下の度合を対数で表示した値 Z_s (t) 」が CPUに於いて演算される。

また、本実施例では、前記「流体の理論式」として下記の①式を用いてい。

P_t

LN t n ①

P, V 但し、ここで、 P。 =P_ra は初期時（標準時）の上流側圧力、 P_t は時間 t経過後の上流側圧力、 Sはオリフィス 2の断面積、 C_t は時間 tに於けるガス比熱比の定数、 R_t は時間 tに於けるガス定数、 T_t は時間 tに於ける上流側温度、 Vは FCS装置の内容積、 t_n は測定開始からの経過時間（単位時間 xn番目）である。

また、上記ガス比熱比の定数 Cは、次の②式で与えられるものである。 c ②

k+ 1 k+ 1 但し、 kはガスの比熱比である。

また、上流側圧力 P。の圧力降下した度合を対数で表現した値 Z _s ( t ) は、次の③式で与えられるものである。

C。VR。 ·Το P_t

Z_s (t)= xLN―

CtTRT TV Po x一 t n

V 但し、（。 * R。 · Τ。は初期時（基準時）に於けるガス比熱比の定数、ガス定数、上流側温度であり、また、 C_t 、 R_t 、 T_t は測定開始から時間 tの時点（n番目）に於けるガス比熱比の定数、ガス定数、上流側温度である。

測定開始時 t = 0から各時間 t , 、 1₂ … t _n 毎に前記③式を用いて基準圧力減衰デ一夕 Y (t) =Z_S (t)が CPUで演算され、その結果がメモリ装置 Mに順次蓄えられて行く。

次に、実際に使用をしているオリフィスに対する目詰まりの検出について説明する。

図 8は、第 2実施例に於けるオリフィス検出モ一ドのフローチヤ一トを示すものである。目詰検出は実際のプラント運転時は困難であるから、プロセス終了後、設定流量が規定値（即ち、設定流量値が IVを越える任意の値 - しきい値）になると、その減少方向をトリガ信号として目詰検出モードに入る。本実施例では設定流量値が 1 Vになれば、トリガ信号が中央演算処理装置 CPUに入力される。この信号により目詰検出モ一ドであることを確認し、 (n 30 a)、メモリ装置 Mから基準圧力減衰データ Y (t) を CPUに送信する（n 31 a)。このデータとしては、実際に測定対象としている実ガスに対する Y (t) =Z_s (t)でもよいし、 N₂ に対する基準圧力減衰デ一夕 Z_s ( t) に、ガス種に応じて予かじめ定めたフロ一ファクタ FFに対する定数 Aを乗じたものでもよい。

次に、高設定流量 Q_SHを入力し、この時点を t = 0 (s) として時間計測を行ない（n 32 a)、上流側圧力を測定し、その値を最大圧力 P_m とする（n 33)。微小時間 Δ tを多数回繰返しながら（n 34 a)、高設定時間。になると（n 35 a)、低設定流量 Q_SLに切換え、この時点を再び t = 0 (s) とする（n 36 a)。本実施例では、前述した通り高設定流量 Q_SH= 100%, 低設定流量 Q_SL=0%とし、高設定時間 t。 =2 (s) とする。この高設定時間 t。は上流側圧力 P, が安定する時間であれば任意に採ることができる。

更に、微小時間△ tを多数回繰返しながら（n 37 a)、時間が低設定時間になると（n 38 a)、上流側圧力 P t , 及び上流側温度 T t】を検出する（n 39 a)。検出された上流側圧力 P t , 、上流側温度 Τ ΐ , は必要に応じてメモリ装置 Μに蓄えられ、次に、中央演算装置 CPUに於いて、一次側圧力 P t , の圧力降下度合を対数で表示した値（即ち、圧力減衰デー夕 P (t, ) 二 Z (t, ) )が演算される（n 48)。

演算された圧力減衰データ P (t , ) =Ζ (ΐ , ) は、先にメモリ装置 Μ へ入力されている基準圧力減衰データ Y (t , ) と比較され（n 49) 、 I Y (t！ ) -P (t！ ) Iが許容される誤差の範囲 m外にあれば（n 49)、目詰まりを表示し、アラーム ALを onにする。（n41 a) 。

また、 I Y (t, ) — P ( ） Iが許容される誤差範囲内にあれば、時間の加算が行なわれ（_n = 50)、第 2単位時間 t二 t₂ に於ける測定、演算及び対比が繰り返され、 t = t_n に至れば（n = 5 1) 、最終的に目詰まりなしの表示及びアラーム A Lのオフが行なわれる（n 42 a) 。

尚、図 8の第 2実施例の目詰検出モードに於いては、ステップ n 48で圧力減衰データ P ( ） =Z (t】）を演算し、この演算値に基づいてステップ n 49で目詰まりの判定を行なったあと、目詰まりがなければ、ステツプ 5 1で時間の加算をして、次の上流側圧力 P_t 及び温度 T_t の検出を行なうようにしている。

しかし、このような方式に代えて、ステップ n 46に於いて上流側圧力 P_t 及び温度 T_t の検出を単位時間毎に連続的に行なうと共にこれと並行して、ステップ n 48に於いて、各単位時間毎の圧力減衰データ P (t , ) を演算し、当該演算値を用いて各単位時間毎に目詰まりの判定を行なうようにしてもよい。

図 9、図 1 0及び図 1 1は、本発明の第 2実施例によりオリフィスの目詰検出を行なった場合の試験結果を示すものであり、オリフィス内径 1 60 H m、単位時間 t (0. 0 1 2 s e c) 、基準温度 25°C、温度変動 + 1 0° 及び— 1 0° 、とした場合の、圧力降下特性（図 9) 、 Z (t) の計算結果 (図 1 0) 及び基準時の演算値（25°C) Z_s (t) と目詰まり検査時の演算値 Z (t) との差（図 1 1) を示すものである。

第 2実施例の場合には、図 9及び図 1 0からも明らかなように、目詰まりの検査時の上流側ガス温度 T ( t ) が基準時の温度（ 25 °C) より ± 1 0 °C 異なったとしても、圧力降下特性（図 8) 及び Z (t) の計算値は、基準値温度（25°C) の場合と殆んど同一となり、上流側ガス温度の変化による誤差がほぼ完全に補正されることになる。

その結果、上流側ガス温度が基準減衰データを得た時のガス温度よりも相当に変化している場合であっても、高精度な安定した目詰まり検出を行なうことができる。

発明の効果本発明は以上詳述したように、オリフィスに目詰まりがない場合の基準圧力減衰データ Y (t) と実際運転時の圧力減衰データ P (t) を比較し、 P (t)が Y (t) より所定度以上開離したかどうかで目詰まりの当否を判断するものである。従って配管を分解することなく、極めて簡単な操作で目詰まりを判断でき、その結果爆発等の非常事態を回避できると共にプラントの安定性を保証できる。即ち、本発明は低価格で信頼性の高いオリフィス目詰検出方法およびその装置を提供するものであって、オリフィスを利用した圧力式流量制御装置の広範な普及に寄与するものである。

特に、本発明の第 2実施例によれば、目詰検出時の上流側ガス温度 T (t) 力 \ 基準圧力減衰デ一夕 Y (t) を得たときの上流側ガス温度と相当に異なつている場合でも、温度変化による誤差を除いた高精度な目詰まり検出を行なうことができる。

Claims

請求の範囲

1. コントロール弁（CV) とオリフィス（2) とこれらの間の上流側圧力 P, を検出する圧力検出器（1 4) と流量設定回路（32) からなり、上流側圧力 P, を下流側圧力 P₂ の約 2倍以上に保持して下流側の流量 Q_c を Q_c KP （Κ :定数）で演算し、この演算流量 Qc と設定流量 Q_s との差信号 Q_Y によりコントロール弁（CV) を開閉制御する流量制御装置において、設定流量 Q_s を高設定流量 Q_SHに保持する第 1工程と、この高設定流量 Q_SH を低設定流量 QsiJこ切換えて保持し上流側圧力 P , を測定して圧力減衰デー夕 P (t) を得る第 2工程と、同条件でオリフィスに目詰りがないときに測定された基準圧力減衰データ Y (t) と前記圧力減衰データ P (t) とを対比する第 3工程と、圧力減衰データ P (t) が基準圧力減衰データ Y (t) より所定度以上開離したときに目詰まりを報知する第 4工程からなる圧力式流量制御装置におけるォリフイス目詰検出方法。

2. 前記高設定流量 Q_SHは 1 00%流量（フルスケール流量）であり、低設定流量 Q_SLは 0%流量（コントロール弁を完全閉鎖）であり、低設定流量に切換えてから所定時間後の圧力減衰デー夕 P ( t ) が基準圧力減衰デー夕 Y ( t ) よりも基準値以上開離している場合に目詰まりを報知する請求項 1記載の圧力式流量制御装置におけるオリフイス目詰検出方法。

3. 基準 E力減衰データ Y (t) 及び圧力減衰デ一夕 P (t) を、 Y (t) =exp (— k t) (但し、 kは減衰パラメータである）の形で表すようにした請求項 1又は請求項 2に記載のォリフィス目詰検出方法。

4. コントロール弁（CV) とオリフィス（2) とこれらの間の上流側圧力 P, を検出する圧力検出器（1 4) と流量設定回路（32) からなり、上流側圧力 P, を下流側圧力 P₂ の約 2倍以上に保持して下流側の流量 Q_c を Q_c -KP, (K _:定数）で演算し、この演算流量 Q_c と設定流量 Q_s との差信号 Q_Y によりコントロール弁（CV) を開閉制御する流量制御装置において、設定流量 Q_s を高設定流量 Q_SHに保持する第 1工程と、この高設定流量 ¹ SH を低設定流量 QsiJこ切換えて保持し、上流側圧力 P, 及び上流側温度 Ttを測定すると共にこの測定値を用いて圧力減衰データ P (t) を演算する第 2 工程と、同条件で、オリフィスに目詰りがないときに測定した上流側圧力 P t及び上流側温度 Ttを用いて演算した基準圧力減衰データ Y (t) と、前 5 記圧力減衰データ P (t) とを対比する第 3工程と、圧力減衰データ P (t) が基準圧力減衰データ Y (t) より所定度以上開離したときに目詰まりを報知する第 4工程からなる圧力式流量制御装置におけるオリフイス目詰検出方法。

5. 前記高設定流量 Q_SHは 1 0 0%流量（フルスケール流量）であり、低設 10 定流量 Q_SLは 0%流量（コントロール弁を完全閉鎖）であり、低設定流量に切換えてから所定時間後の圧力減衰データ P (t) が基準圧力減衰デ一夕 Y ( t ) よりも基準値以上開離している場合に目詰まりを報知する請求項 4記載の圧力式流量制御装置におけるオリフイス目詰検出方法。

6. 基準圧力減衰デ一夕 Y (t) 及び圧力減衰データ P (t) を、

P t

xLN—

(但し、 P。 · C。 ■ R。 · T。は基準時のガスの上流側圧力 ·ガス比熱比の定数 ·ガス定数 ·ガス温度、 P, · C_t · R_t · T, は到達時のガスの上流側圧力 ·ガス比熱比の定数 ·ガス定数 ·ガス温度である。）として演算するようにした請求項 4又は請求項 5に記載のォリフィス目詰検出方法。 20 7. コントロール弁（CV) とオリフィス（2) とこれらの間の上流側圧力 Ρ, を検出する圧力検出器（1 4) と流量設定回路（32) からなり、上流側圧力を下流側圧力 Ρ₂ の約 2倍以上に保持して下流側の流量 Q_c を Q_c = KP, (Κ _:定数）で演算し、この演算流量 Q_c と設定流量 Q_s との差信号 Q_Y によりコントロール弁を開閉制御する流量制御装置において、オリフイス（2) に目詰まりがない条件下で高設定流量 Q_SHから低設定流量 Q_SLに切換えて測定された上流側圧力 P, の基準圧力減衰データ Y (t) を記憶したメモリ装置 Mと、オリフィス（2) の実際条件下で高設定流量 Q_SHから低設定流量 Q_SLに切換えて上流側圧力 P, の圧力減衰データ P (t) を測定する前記圧力検出器（14) と、圧力減衰データ P (t) と基準圧力減衰デー夕 Y (t) とを対比演算する中央演算処理装置 CPUと、圧力減衰データ P (t) が基準圧力減衰データ Y (t) より所定度以上開離すると目詰まりを報知するアラーム回路（46)からなる圧力式流量制御装置におけるオリフイス目詰検出装置。

8. 基準圧力減衰デ一タ Y (t) 及び圧力減衰データ P (t) を、 Y (t) (又は P (t) ) exp (― k t) (但し、 kは減衰パラメ一夕である）の形で表わすようにした請求項 7に記載のォリフィス目詰検出装置。

9. コントロール弁（CV) とオリフィス（2) とこれらの間の上流側圧力 P, を検出する圧力検出器（14) と流量設定回路（32)からなり、上流側圧力 P, を下流側圧力 P₂ の約 2倍以上に保持して下流側の流量 Q_c を Q_c ΚΡ, (K :定数）で演算し、この演算流量 Qc と設定流量 Q_s との差信号 Q_Y によりコントロール弁を開閉制御する流量制御装置において、オリフイス上流側圧力 Pを測定する圧力検出器（14) と、オリフィス上流側温度 Tを検出する温度検出器（24) と、オリフィス（2) に目詰まりがない条件下で高設定流量 Q _SHから低設定流量 Q _s Lに切換ぇて測定した上流側圧カ P _t 及び上流側温度 T_t を用いて演算した上流側圧力 P】の基準圧力減衰データ Y (t) を記憶したメモリ装置 Mと、前記基準圧力減衰データ Y (t) を演算すると共に、オリフィス（2) の実際条件下で高設定流量 Q_SHから低設定流量 Q_SLに切換えて測定した上流側圧力 P_t 及び上流側温度 T_t を用いて上流側圧力 P, の圧力減衰データ P (t) を演算し、更に当該圧力減衰デ一夕 P (t) と前記基準圧力減衰データ Y (t) とを対比演算する中央演算処理装置 CPUと、圧力減衰データ P (t)が基準圧力減衰データ Y (t) より所定度以上開離すると目詰まりを報知するアラーム回路（46) からなる圧力式流量制御装置におけるオリフイス目詰検出装置。

10. 基準圧力減衰デ一夕 Y (t) 及び圧力減衰デ一夕 P (t) を、

CoVRo · To P_t

Y(t) (又は P(t)〉= ——

CiVRt - T_t Po (但し、 P。 · C。 ' R。 · T。は基準時のガスの上流側圧力 ·ガス比熱比の定数 ·ガス定数 'ガス温度、 P_t - C_t - R_t - T, は到達時のガスの上流側圧力 ·ガス比熱比の定数 ·ガス定数 ·ガス温度である）として演算するようにした請求項 9に記載のォリフィス目詰検出装置。