JP4082901B2

JP4082901B2 - 圧力センサ、圧力制御装置及び圧力式流量制御装置の温度ドリフト補正装置

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Publication number: JP4082901B2
Application number: JP2001399910A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見; 一彦杉山; 功二西野; 富雄宇野; 修中村; 篤諮松本; 亮介土肥; 信一池田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: CN1285896C; US20040144178A1; KR100537445B1; CN1503904A; CA2442166A1; TW554164B; IL157311A0; CA2442166C; US7085628B2; TW200301350A; EP1460401A1; KR20030080241A; IL157311A; JP2003194648A; WO2003058187A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として半導体製造設備や化学プラント等で使用される圧力センサ、圧力制御装置又は圧力式流量制御装置に関し、更に詳細には、流体の圧力を計測する圧力センサの出力が温度変動によりドリフトする場合に、その温度ドリフトを自動的に消去することにより正確に流体圧力を検出して流体の圧力や流量を制御できる圧力センサ、圧力制御装置又は圧力式流量制御装置の温度ドリフト補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造設備や化学プラントなどでは、原料となる複数のガスを所定の流量で供給し、原料ガスを反応炉の中で化学反応させて目的ガスを生成する場合が多い。このような場合に、原料ガスの供給流量が正確でないと化学反応に過不足が生じ、目的ガスの中に原料ガスが残留する事態が生じる。特に、この原料ガスが引火性の場合には爆発の危険性が付きまとう。従って、原料ガスの化学反応を過不足無く行なうために、ガス流量を正確に供給制御することが必要となる。
【０００３】
従来、ガス流量を正確に制御するために、配管内にオリフィスを配置し、オリフィスを通過する理論流量を表現する出来るだけ精度の良い流量式が選択されてきた。最初に用いられた流量式は流体を非圧縮性流体として近似するもので、Ｑｃ＝ＫＰ₂ ^1/2（Ｐ₁−Ｐ₂）^1/2で表される。Ｐ₁はオリフィスより上流側の圧力、またＰ₂はオリフィスより下流側の圧力を示す。Ｋは流体温度に依存した比例定数である。この流量式はＰ₁とＰ₂の二つの圧力パラメータで制御される。
【０００４】
実際のガス流は圧縮性流体であるから、上式の精度は良くない。そこで、圧力比Ｐ₂／Ｐ₁を約０．５の臨界値より小さくすると、オリフィスを通過するガスの流速が音速に達し、この音速領域では理論流量式がＱｃ＝ＫＰ₁になることが知られている。臨界条件が満足される限り、この式は上流側流量Ｐ₁にのみ依存する単純性を有するだけでなく、圧縮性流体に対する正確なオリフィス通過流量を与えることでも知られている。
【０００５】
従って、非圧縮性流体という近似制御ではＱｃ＝ＫＰ₂ ^1/2（Ｐ₁−Ｐ₂）^1/2が使用され、臨界条件（Ｐ₂／Ｐ₁＜約０．５）ではＱｃ＝ＫＰ₁が流量制御に主に使用されている。これらの流量式を使用する場合に、流体圧力Ｐ₁又はＰ₂の測定が前提になる。即ち、前者においては上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂の同時測定を要し、また後者では上流側圧力Ｐ₁の測定を要する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
流体圧力を測定するには、流体中に圧力センサを配置することが必要になる。従って、圧力センサは流体温度に極めて敏感になり、直ぐに流体温度Ｔと同一、即ち流体と平衡温度に到達する。流体圧力を正確に測定するには、圧力センサのサイズは流体の流れを撹乱しない程度に小さくする必要があり、この場合には平衡温度への到達速度は極めて速いと考えられる。
【０００７】
配管を流れるガス流体はできるだけ一定温度で流通するように制御されているが、実際の長時間流通では、かなりの温度変動が存在することが知られている。また、ガス流体を交換して流通させる場合には、ある時間帯では高温ガスが流れ、他の時間帯では低温ガスが流れることがある。従って、温度変動する流体を同一の圧力センサで計測すると、圧力センサ出力の温度ドリフト特性が問題となり、検出された流体圧力を補正する必要が生じる。
【０００８】
従来の圧力センサには、圧力の検出方式がどのようなものであれ必ず温度ドリフトが存在する。温度ドリフトとは、圧力センサの周囲の環境温度が変化したときに、圧力センサの出力が同じ圧力に対して変動することを云う。この出力ドリフトは流体温度と相関があることが判明している。
【０００９】
個々の圧力センサについては、温度補償回路が組み込まれているものも存在するが、この場合においても、温度ドリフトが例えば０．０５％／℃であれば、２０℃から１００℃に変化する場合には、４％の出力ドリフトが発生することになる。
【００１０】
圧力センサには各種の形式があるが、一例としてストレインゲージを考えてみる。ストレインゲージは圧力を電圧に変換し、横軸を圧力にとると縦軸が出力電圧に対応した関係になる。当然、絶対圧力がゼロの場合に出力電圧はゼロになり、絶対圧力の増加に従って出力電圧が増加することが期待される。
【００１１】
圧力センサに加わる圧力がゼロのときのセンサ出力をゼロ点出力と云い、ゼロ点が温度変化に応じて変動する温度ドリフトをゼロ点出力ドリフトと呼ぶ。これに対し、加圧時のセンサ出力の温度ドリフトをスパン出力ドリフトと呼ぶ。正確なセンサ出力を得るためには、ゼロ点出力ドリフトとスパン出力ドリフトの両者の調整が必要になる。
【００１２】
具体的に考えると、仮に圧力センサのゼロ点出力ドリフトが無く、そのゼロ点電圧が０（Ｖ）であるとしよう。今、流体の絶対圧力が１．０（×１０²ｋＰａＡ）、即ち１ａｔｍのとき、圧力センサの出力電圧が２０ｍＶであるとする。この状態で流体温度を変化させた場合、当然にその出力電圧は２０ｍＶから変化する。この変動が前述したスパン出力ドリフトである。実際には、ゼロ点出力ドリフトがあるため、任意圧力におけるスパン出力ドリフトにはゼロ点電圧が加算されて出現する。
【００１３】
このように、上流側圧力Ｐ₁又は下流側圧力Ｐ₂を測定しながらオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置では、圧力センサの出力電圧にゼロ点出力ドリフトとスパン出力ドリフトという温度変動特性が含まれる。従って、その出力電圧を直接圧力に変換すると圧力Ｐ₁、Ｐ₂に誤差が含まれる事になり、前述した流量式に従って演算流量Ｑｃに誤差を導入することになる。この問題が圧力式流量制御装置における温度ドリフトの問題である。
【００１４】
圧力センサが有するゼロ点及びスパンの温度ドリフト特性は個々の圧力センサにより異なるが、圧力センサの温度ドリフトを補正する方法を確立するすることによって、正確なセンサ出力を得ることが要望されてきた。
【００１５】
従って、本発明に係る温度ドリフト補正装置は、温度変動による圧力センサのゼロ点出力ドリフト及び／又はスパン出力ドリフトを制御回路や制御ソフトにより自動補正して、流体圧力を正確に測定することを目的とする。また、この圧力センサを有した圧力制御装置や圧力式流量制御装置に関しても、圧力センサのゼロ点出力ドリフト及び／又はスパン出力ドリフトを補正して、正確に圧力制御や流量制御を実現する圧力制御装置や圧力式流量制御装置を開発することを目的とする。
【００１６】
請求項１の発明は、流体圧力を測定する圧力センサ１０において、流体温度Ｔを測定する温度センサ１４と、圧力がゼロのときの流体温度Ｔと圧力センサ１０のゼロ点出力ドリフトの関係並びに任意圧力における流体温度と圧力センサ１０のスパン出力ドリフトの関係を夫々格納するメモリ手段６４と、圧力センサ１０の出力電圧 v が増幅器４２、４４及びＡ／Ｄ変換器４８を経て入力され、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段６４の流体温度とスパン出力ドリフトとの関係データからスパン出力ドリフト量を演算し、この演算スパン出力ドリフト量により前記Ａ／Ｄ変換器４８からの入力電圧から圧力センサ１０のスパン出力ドリフトを消去するスパンドリフト補正手段６６と、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段６４の流体温度とゼロ点出力ドリフトとの関係データからゼロ点出力ドリフト量を演算し、オフセット用Ａ／Ｄ変換器４０を通して前記増幅器４２のオフセット端子４２ａへ前記演算ゼロ点出力ドリフト量に相当する電圧 vo の反転電圧 -vo を出力してゼロ点出力ドリフトを消去するゼロ点補正手段６２とを備え、前記メモリ手段６４とスパンドリフト補正手段６６とゼロ点補正手段６２とから成る温度ドリフト補正手段６０によって圧力センサの出力ドリフトを消去補正することにより、流体温度が変動しても流体圧力を正確に測定する構成としたことを発明の基本構成とするものである。
【００１７】
請求項２の発明は、圧力制御用のコントロールバルブと流体圧力を測定する圧力センサ１０から構成された圧力制御装置において、流体温度を測定する流体センサと、圧力がゼロのときの流体温度と圧力センサのゼロ点出力ドリフトの関係並びに任意圧力における流体温度と圧力センサのスパン出力ドリフトの関係を夫々格納するメモリ手段６４と、圧力センサ１０の出力電圧 v が増幅器４２、４４及びＡ／Ｄ変換器４８を経て入力され、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段６４の流体温度とスパン出力ドリフトとの関係データからスパン出力ドリフト量を演算し、この演算スパン出力ドリフト量により前記Ａ／Ｄ変換器４８からの入力電圧Ｖから圧力センサ１０のスパン出力ドリフトを消去するスパンドリフト補正手段６６と、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段６４の流体温度とゼロ点出力ドリフトとの関係データからゼロ点出力ドリフト量を演算し、オフセット用Ａ／Ｄ変換器４０を通して前記増幅器４２のオフセット端子４２ａへ前記演算ゼロ点出力ドリフト量に相当する電圧 vo の反転電圧 -vo を出力してゼロ点出力ドリフトの消去するゼロ点補正手段６２とを備え、前記メモリ手段６４とスパンドリフト補正手段６６とゼロ点補正手段６２とから成る温度ドリフト補正手段６０によって圧力センサの出力ドリフトを消去補正することにより、流体温度が変動しても流体圧力を正確に測定する構成としたことを発明の基本構成とするものである。
【００１８】
請求項３の発明は、流量制御用のオリフィス４と、オリフィス４の上流側配管に設けたコントロールバルブ２２と、オリフィス４とコントロールバルブ２２の間に設けて上流側圧力Ｐ₁を検出する上流側圧力センサ１０とから構成され、上流側圧力Ｐ₁によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置において、流体温度Ｔを測定する温度センサ１４と、圧力がゼロのときの流体温度と圧力センサのゼロ点出力ドリフトの関係並びに任意圧力における流体温度と圧力センサのスパン出力ドリフトの関係を夫々格納するメモリ手段６４と、圧力センサ１０の出力電圧 v が増幅器４２、４４及びＡ／Ｄ変換器４８を経て入力され、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段６４の流体温度とスパン出力ドリフトとの関係データからスパン出力ドリフト量を演算し、この演算スパン出力ドリフト量により前記Ａ／Ｄ変換器４８からの入力電圧から圧力センサ１０のスパン出力ドリフトを消去するスパンドリフト補正手段６６と、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段６４の流体温度とゼロ点出力ドリフトとの関係データからゼロ点出力ドリフト量を演算し、オフセット用Ａ／Ｄ変換器４０を通して前記増幅器４２のオフセット端子４２ａへ前記演算ゼロ点出力ドリフト量に相当する電圧 vo の反転電圧 -vo を出力してゼロ点出力ドリフトの消去するゼロ点補正手段６２とを備え、前記メモリ手段６４とスパンドリフト補正手段６６とゼロ点補正手段６２とから成る温度ドリフト補正手段６０によって圧力センサの出力ドリフトを消去補正することにより、流体温度が変動しても流体圧力を正確に測定する構成としたことを発明の基本構成とするものである。
【００１９】
請求項４の発明は、流量制御用のオリフィス４と、オリフィス４の上流側配管に設けたコントロールバルブ２２と、オリフィス４とコントロールバルブ２２の間に設けて上流側圧力Ｐ₁を検出する上流側圧力センサ１０と、オリフィスの下流側配管に設けられて下流側圧力Ｐ₂を検出する下流側圧力センサ１２から構成され、上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置において、流体温度Ｔを測定する温度センサ１４と、上流側圧力センサ１０及び下流側圧力センサ１２の圧力がゼロのときの流体温度と圧力センサのゼロ点出力ドリフトの関係並びに任意圧力における流体温度と圧力センサのスパン出力ドリフトの関係を夫々格納するメモリ手段６４と、圧力センサ１０の出力電圧 v が増幅器４２、４４及びＡ／Ｄ変換器４８を経て入力され、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段６４の流体温度とスパン出力ドリフトとの関係データからスパン出力ドリフト量を演算し、この演算スパン出力ドリフト量により前記Ａ／Ｄ変換器４８からの入力電圧から圧力センサ１０のスパン出力ドリフトを消去するスパンドリフト補正手段６６と、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段６４の流体温度とゼロ点出力ドリフトとの関係データからゼロ点出力ドリフト量を演算し、オフセット用Ａ／Ｄ変換器４０を通して前記増幅器４２のオフセット端子４２ａへ前記演算ゼロ点出力ドリフト量に相当する電圧 vo の反転電圧 -vo を出力してゼロ点出力ドリフトの消去するゼロ点補正手段６２とを備え、前記メモリ手段６４とスパンドリフト補正手段６６とゼロ点補正手段６２とから成る温度ドリフト補正手段６０によって圧力センサの出力ドリフトを消去補正することにより、流体温度が変動しても流体圧力を正確に測定する構成としたことを発明の基本構成とするものである。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の温度ドリフト補正装置において、ガスを流体として流通させ、このガス圧力又はガス流量を制御するガス供給システムとしたものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、温度変化による圧力センサのゼロ点出力ドリフトやスパン出力ドリフトを分析することによって、圧力センサのみならず、圧力センサを使用する圧力制御装置や圧力式流量制御装置の温度ドリフトをも補正できる方法を創案するに到った。
以下に、本発明に係る圧力式流量制御装置の温度ドリフト補正装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る臨界条件を利用した圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、供給される流体が臨界条件にある場合、即ちオリフィス４から流出する流体の流体速度が音速である場合を前提としているため、流量はＱ＝ＫＰ₁で表され、圧力測定は上流側圧力センサ１０だけで行なわれる。
【００２５】
この圧力式流量制御装置２には、オリフィス孔４ａを形成したオリフィス４、上流側配管６、下流側配管８、上流側圧力センサ１０、温度センサ１４、制御回路１６、バルブ駆動部２０及びコントロールバルブ２２が配置されている。
【００２６】
制御回路１６は電子回路とマイクロコンピュータと内蔵プログラムを中心に構成されているが、電子回路だけで構成してもよいし、電子回路とパーソナルコンピュータで構成してもよい。この制御回路１６は、図示しない増幅回路やＡ／Ｄ変換器などの電子回路系と、実験流量式による流量Ｑｃを演算する流量演算手段１７と、流すべき設定流量Ｑｓを指令する流量設定手段１８と、演算流量Ｑｃと設定流量Ｑｓの流量差ΔＱ（＝Ｑｓ−Ｑｃ）を計算する比較手段１９から構成されている。流量差ΔＱはＱｃ−Ｑｓにより算出されてもよい。
【００２７】
この圧力式流量制御装置２の上流側には、高圧ガスを内蔵するガスタンク２４と、この高圧ガスのガス圧力を適度に調整するレギュレータ２６と、このガスを供給側配管２７からコントロールバルブ２２に供給するバルブ２８が接続されている。
【００２８】
また、圧力式流量制御装置２の下流側には、流量制御されたガスを流通させる制御側配管２９と、このガスをチャンバー３２に供給するバルブ３０と、真空ポンプ３４が連結されている。チャンバー３２は供給される原料ガスから目的ガスを生成する反応室で、例えばＨ２とＯ２の原料ガスからＨ２Ｏの水分ガスを生成する反応室である。
【００２９】
次に、この圧力式流量制御装置２の制御動作を説明する。上流側では供給側配管２７に所定圧力のガスが供給され、更にバルブ駆動部２０により開閉制御されるコントロールバルブにより上流側配管６への供給流量が制御される。同時に、下流側ではドライポンプ３４により下流側配管８が低圧に設定されている。
【００３０】
真空ポンプ３４による排気で、下流側配管８内の下流側圧力Ｐ₂は上流側圧力Ｐ₁よりもかなり小さく設定され、少なくともＰ₂／Ｐ₁＜約０．５の臨界条件は常に満足されるように自動的に設定されるから、オリフィス孔４ａから流出するガス速度は音速となっている。従って、オリフィス４の通過流量ＱはＱ＝ＫＰ₁が成立している。
【００３１】
上流側圧力Ｐ₁は圧力センサ１０により計測される。正確な圧力測定をするため、圧力センサ１０のセンサ部分はガス流に接触して配置され、しかもガス流を撹乱しないように、そのセンサ部分は極めて小さく設計されている。従って、センサ部分はガス温度Ｔに等しくなっている。
【００３２】
またガス温度Ｔも温度センサ１４により計測されている。温度センサ１４はガス流を撹乱しないようにオリフィス４の近傍温度を測定しており、ガスとオリフィスが熱平衡にあれば両者の温度は等しくなるから、オリフィス温度をガス温度として測定する。
【００３３】
上流側圧力Ｐ₁とガス温度Ｔは電圧として得られ、図示しない増幅回路やＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号になる。これらのデジタル信号は流量演算手段１７に入力され、ガス温度Ｔとガス物性から比例係数Ｋが算出され、また上流側圧力Ｐ₁を利用して、演算流量ＱｃがＱｃ＝ＫＰ₁により算出される。
【００３４】
流量設定手段１８からは目的となる設定流量Ｑｓが入力されており、比較手段１９により流量差ΔＱがΔＱ＝Ｑｓ−Ｑｃとして演算される。この流量差ΔＱとしてΔＱ＝Ｑｃ−Ｑｓが用いられてもよい。
【００３５】
この流量差ΔＱはバルブ駆動部２０に出力され、ΔＱをゼロにする方向にコントロールバルブ２２の開度を調整する。この開度調整により、ガスの上流側圧力Ｐ₁が可変調整され、Ｑｃ＝ＫＰ₁によって得られる演算流量Ｑｃが設定流量に等しくなるように制御される。
【００３６】
前述したように、圧力センサ１０のセンサ部分はガス温度Ｔに等しくなっており、ガス温度Ｔが変動すると、それに連れてセンサ部分の温度も変化する。しかし、圧力センサは温度依存性を有し、圧力センサの出力電圧が温度変動に従ってドリフトする。この出力ドリフトの補正について次に述べる。
【００３７】
図２は圧力式流量制御装置のゼロ点出力ドリフト補正用の簡易ブロック回路図である。圧力センサ１０の出力電圧ｖは固定増幅回路４２及び可変増幅回路４４によって圧力電圧Ｖにまで増幅される。圧力電圧ＶはＡ／Ｄ変換器４８を介してＣＰＵ４１に入力される。また、固定増幅回路４２の出力は他の可変増幅回路４６にも出力され、この可変増幅回路４６の出力も圧力電圧Ｖを与え、上流側圧力Ｐ₁として表示板に表示される。
【００３８】
この実施形態で用いられる圧力センサ１０は、例えば絶対圧でＰ₁＝７気圧、即ち７（×１０²ｋＰａＡ）を感受したときに１００ｍＶを出力すると仮定する。この圧力センサ１０を用いてＰ₁＝０〜３（×１０²ｋＰａＡ）の範囲で上流側圧力Ｐ₁を制御すると、圧力センサ１０の出力電圧ｖはｖ＝０〜４２．８６ｍＶの範囲になる。
【００３９】
この出力電圧ｖの最大電圧４２．８６ｍＶをフルスケールの５Ｖに増幅するとすれば、増幅率は１１７倍となる。この実施形態では、１１７倍の増幅率は、前記固定増幅器４２で１００倍、可変増幅器４４、４６で１．１７倍にして実現されている。
【００４０】
しかし、圧力センサ１０の出力は温度変動によりドリフトする。圧力ゼロのときにおける出力ドリフトをゼロ点出力ドリフトと呼び、任意の圧力を受けているときのドリフトを出力ドリフトと呼ぶことにする。
【００４１】
ゼロ点出力ドリフトは固定増幅器４２のオフセット端子４２ａを調整することによって補正される。ゼロ点出力ドリフト補正はオフセット用Ｄ／Ａ変換器４０によって実現される。即ち、圧力がゼロのときに出力電圧ｖがある値ｖ₀を示したとき、このゼロ点出力ドリフト電圧ｖ₀をゼロにするように、オフセット端子４２ａに−ｖ₀を入力する。この結果、圧力がゼロのときに、ｖ₀が固定増幅器４２に入力しても、実効入力電圧はｖ₀＋（−ｖ₀）＝０となり、ゼロ点出力ドリフト補正が行なわれる。
【００４２】
オフセット用Ｄ／Ａ変換器４０は、粗調整用（ＲＯＵＧＨ）のＤ／Ａ変換器４０ａとバッファ４０ｃ、微調整用（ＦＩＮＥ）のＤ／Ａ変換器４０ｂとバッファ４０ｄ及び合成用のバッファ４０ｅから構成される。このように、粗調整用回路と微調整用回路により、ゼロ点出力ドリフト電圧ｖ₀を反転したゼロ点補正電圧―ｖ₀をオフセット端子４２ａに印加して、ゼロ点出力ドリフトを消去するように補正している。
【００４３】
図３はゼロ点出力ドリフト補正とフルスケール設定の説明図である。横軸は上流側圧力Ｐ₁を示し、縦軸は出力電圧ｖと圧力電圧Ｖを示している。圧力範囲はＰ₁＝０〜Ｐ_1mで、最大圧力はＰ_1m＝３．０（×１０²ｋＰａＡ）とする。ガス温度ＴがＴ₀のとき、ゼロ点出力ドリフトはｖ₀＝−２．０ｍＶ、最大圧力においてセンサ最大出力はｖ₁＝４０．８ｍＶであるとする。
【００４４】
ｖ₀とｖ₁を結んだドット線が圧力センサ１０の温度特性である。オフセット端子４２ａに−ｖ₀を印加すると、ｖ₀＋（−ｖ₀）＝０によりｖ₀は０ｍＶへと消去補正され、Zero-Adjで示されている。その結果、最大圧力Ｐ_1mにおいてもｖ₁＋（−ｖ₀）＝４０．８＋２．０＝４２．８ｍＶになる。従って、圧力センサ１０の出力はゼロ点ドリフト補正により０〜４２．８ｍＶへと補正される。この補正は破線により表されている。
【００４５】
次に、この圧力センサ１０のフルスケール設定を行なう。Zero-Adj後の圧力センサの出力が０〜ｖ₁＋（−ｖ₀）、即ち０〜４２．８ｍＶであるとき、これをフルスケール５Ｖに設定する。即ち、４２．８ｍＶを５Ｖに増幅するため、可変増幅器４４、４６の増幅率を１．１７とし、その結果、２段増幅率はＭ＝１００×１．１７＝１１７に設定される。この補正はSpan-Adjで表されている。
【００４６】
従って、最大電圧Ｖ_mはＶ_m＝Ｍ（ｖ₁−ｖ₀）で与えられ、任意圧力Ｐ₁での圧力センサ１０の出力ｖは、Ｖ＝Ｍ（ｖ−ｖ₀）へと増幅される。この増幅出力Ｖは実線によって表され、臨界条件ではこの実線はＶ＝ａ（Ｔ₀）Ｐ₁を表す。比例定数ａ（Ｔ₀）はガス温度ＴがＴ₀における比例定数を与える。
【００４７】
図４は圧力センサの出力ドリフトを測定する説明図である。圧力センサ１０は圧力式流量制御装置に組み込んだ状態で恒温槽５０に設置し、恒温槽５０の外側に配置した真空ポンプＤＰおよび基準圧力発生器５２を配管で圧力式流量制御装置と接続する。
【００４８】
真空ポンプＤＰで配管内をゼロ圧力（真空）、即ちＰ₁＝０（×１０²ｋＰａＡ）に設定し、温度を変化させながら圧力センサ１０のゼロ点出力ドリフト電圧ｖ₀を測定する。また、バルブを切替えて基準圧力発生器５２の圧力Ｐ₁を特定の圧力に設定し、温度を変化させながら圧力センサ１０の出力電圧ｖを測定する。
【００４９】
図５は圧力センサのゼロ点出力ドリフト（ZERO DRIFT）の一例の温度特性図である。横軸はガス温度Ｔであり、縦軸はゼロ点出力ドリフト電圧ｖ₀の相対比率ｋ（Ｔ）である。０％のドットラインはドリフトが無い理想的なIdeal Lineを示し、折線は実際に測定されたゼロ点出力ドリフトを与える。このドリフトは６０℃でゼロ、８５℃で２．０％程度である。この相対比率ｋ（Ｔ）をゼロ点出力ドリフト電圧ｖ₀に換算して、前述したオフセット端子４２ａに印加する。
【００５０】
図６は圧力センサの出力ドリフト（SPAN DRIFT）の温度特性図である。横軸はガス温度Ｔであり、縦軸は特定圧力に対するスパン出力ドリフト電圧ｖの相対比率Δ（Ｔ）である。３種類の圧力、１．５、２．０、３．０（×１０²ｋＰａＡ）に関して出力ドリフトが測定され、出力ドリフトは圧力が変わると僅かな違いを見せるだけである事が分かった。例えば６０℃以下のような温度が低い場合には、圧力の違いは無視できることが分かる。従って、これらのドリフトを平均して、任意圧力に対し同一幅の出力ドリフトがあるとして補正をすることができる。
【００５１】
図７は圧力式流量制御装置の制御回路の詳細ブロック構成図である。圧力センサ１０、固定増幅器４２、可変増幅器４４・４６、Ａ／Ｄ変換器４８、オフセット用Ｄ／Ａ変換器４０は図２と同一であるから、その説明を省略する。
【００５２】
温度センサ１４により測定されたガス温度出力は、固定増幅器５６により増幅されてガス温度Ｔとなり、Ａ／Ｄ変換器５８を介してＣＰＵ４１に入力される。このガス温度Ｔは温度ドリフト補正手段６０とガス温度補正手段６８に入力される。
【００５３】
温度ドリフト補正手段６０は、ゼロ点補正手段６２、メモリ手段６４及びスパン補正手段６６から構成されている。メモリ手段６４には、図５に示されるゼロ点出力ドリフトの相対比率ｋ（Ｔ）と図６に示される出力ドリフトの相対比率Δ（Ｔ）のデータが格納されている。
【００５４】
ガス温度Ｔがゼロ点補正手段６２に入力されると、メモリ手段６４から必要なゼロ点出力ドリフトの相対比率データｋ・・が取り出され、ガス温度Ｔにおける相対比率ｋ（Ｔ）が計算される。この計算された相対比率ｋ（Ｔ）からゼロ点出力ドリフト電圧ｖ₀が演算され、この反転電圧―ｖ₀がオフセット用Ｄ／Ａ変換器４０を介してオフセット端子４２ａに印加されて、ゼロ点出力ドリフトが自動的に補正される。
【００５５】
また、ガス温度Ｔがスパン補正手段６６に入力されると、メモリ手段６６から必要な出力ドリフトの相対比率データΔ・・が取り出され、ガス温度Ｔにおける相対比率Δ（Ｔ）が計算される。この計算された相対比率Δ（Ｔ）とＡ／Ｄ変換器４８から入力された圧力電圧Ｖにより出力ドリフトを消去することにより、正確な上流側圧力Ｐ₁が導出される。
【００５６】
また、ガス温度Ｔがガス温度補正手段６８に入力されると、物性データと合わせて正確な比例定数Ｋが算出され、この比例定数Ｋと上流側圧力Ｐ₁により演算流量ＱｃがＱｃ＝ＫＰ₁として算出される。この演算流量ＱｃはＤ／Ａ変換器７２と固定増幅器７４を介して出力され、図示しない外部表示装置に表示される。
【００５７】
流量設定手段１８から目的流量として入力された設定流量Ｑｓは、固定増幅器７６とＡ／Ｄ変換器７８を介して比較手段１９に入力される。一方、ガス温度補正手段６８から演算流量Ｑｃが比較手段１９に入力され、流量差ΔＱがΔＱ＝Ｑｃ−Ｑｓとして計算され、バルブ駆動部２０に出力される。
【００５８】
バルブ駆動部２０は、この流量差ΔＱをゼロにするようにコントロールバルブ２２の弁開度を開閉調整し、この開閉によって上流側圧力Ｐ₁が制御される。この結果、ΔＱはゼロとなり、演算流量Ｑｃは設定流量Ｑｓに一致するように自動制御される。
【００５９】
図８は、本発明に係るゼロ点補正手段６２の作動フロー図である。ステップｍ１でガス温度Ｔを入力され、ｍ２ではメモリ手段６４の相対比率データを基礎にしてガス温度Ｔでの相対比率ｋ（Ｔ）を導出する。ｍ３では、この相対比率ｋ（Ｔ）と圧力センサ１０の出力電圧ｖからゼロ点出力ドリフト電圧ｖ₀を演算し、ｍ４でこの電圧ｖ₀を反転させた後、ｍ５で−ｖ₀をオフセット端子４２に印加する。このようにして、ゼロ点が補正される。
【００６０】
図９は、本発明に係るスパン補正手段６６の作動フロー図である。ステップｎ１ではガス温度Ｔが入力される。同時に、ｎ２では圧力センサ１０により計測された出力電圧ｖがゼロ点補正されて圧力電圧Ｖとして入力される。
【００６１】
ｎ３では、メモリ手段６４の相対比率データを基礎にしてガス温度Ｔでのドリフトの相対比率Δ（Ｔ）が導出される。ｎ４では、この相対比率Δ（Ｔ）と前記圧力電圧Ｖから温度補正されて温度補正出力電圧Ｖ’が算出され、この温度補正出力電圧Ｖ’が正確な上流側圧力Ｐ₁となる。ｎ５では、この上流側圧力Ｐ₁がガス温度補正手段６８に入力される。
【００６２】
図１０は、本発明に係る非臨界条件を利用した圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、供給される流体が非臨界条件にある場合、即ちオリフィス４から流出する流体の流体速度が音速より低い場合を前提としている。
【００６３】
流体が非臨界条件にあるとき、オリフィス通過流量の理論流量式の一つは、非圧縮性流体に対して成立するベルヌーイの定理から導出したもので、Ｑ＝ＫＰ₂ ^1/2（Ｐ₁−Ｐ₂）^1/2で与えられる。この実施形態では、この理論流量式を使用して、ガス流量を制御する。
【００６４】
この流量式では、オリフィス通過量Ｑは上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂を使用して演算される。従って、上流側圧力センサ１０により上流側圧力Ｐ₁を測定し、下流側圧力センサ１２により下流側圧力Ｐ₂を常に計測しながら、演算流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ₂ ^1/2（Ｐ₁−Ｐ₂）^1/2で算出する。
【００６５】
図１との相違点は、下流側圧力Ｐ₂を下流側圧力センサ１２により測定して制御回路１６に入力する電子回路系及びソフト系が付加されることである。この電子回路系及びソフト系としては、上流側圧力センサ１０に連続する電子回路系及びソフト系と同一のものがそのまま並行して配置される。
【００６６】
図１１は図１０の制御回路の詳細ブロック構成図である。電子回路系としては、下流側圧力センサ１２に連続して、固定増幅器（ＡＭＰ）、可変増幅器（ＶＡＭＰ）、表示用の可変増幅器（ＶＡＭＰ）、Ａ／Ｄ変換器及びオフセット用のＤ／Ａ変換器がある。これらの電子回路系はＣＰＵ４１の入力系に配置される。
【００６７】
また、ソフト系としては、上流側圧力センサ１０のソフト系を共用する。即ち、下流側圧力センサ１２のゼロ点出力ドリフトとスパン出力ドリフトのデータを格納するメモリ手段６４、これらのデータを使用してゼロ点出力ドリフトを補正するゼロ点補正手段６２とスパン出力ドリフトを補正するスパン補正手段６６がある。これらのソフト系はＣＰＵ４１の中に構成される。
【００６８】
このような電子回路系とソフト系を配置し、制御回路１６の中にＱｃ＝ＫＰ₂ ^1/2（Ｐ₁−Ｐ₂）^1/2を演算する流量演算手段１６を配置し、同時に流量差ΔＱ＝Ｑｓ−Ｑｃを演算する比較手段１９を配置して、目的とする流量を得るように流量制御を行なう。他の部材の作用・効果は図１と同様であるから、その説明を省略する。
【００６９】
図１２は、本発明に係る非臨界条件を利用した改良型圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、供給される流体が非臨界条件にある場合を前提としているが、改良された理論流量式を使用する。
【００７０】
実際のガス流体は膨張性と圧縮性を有しているため、非圧縮性を前提としたベルヌーイの定理は近似的にしか成立しない。従って、Ｑｃ＝ＫＰ₂ ^1/2（Ｐ₁−Ｐ₂）^1/2で表される流量式は近似式でしかない。本発明者等は、この近似式を改良して実際の流量を高精度に再現できる流量式を検討した。
【００７１】
この改良された流量式として、Ｑｃ＝ＫＰ₂ ^m（Ｐ₁−Ｐ₂）ⁿを使用することにした。指数として二つのパラメータｍ、ｎを使用し、実際の流量をこの流量式でフィットすることにより、ｍとｎを導出した。得られた値は、ｍ＝０．４７１５２、ｎ＝０．５９４９２であった。これらのパラメータを使用することにより、実際の流量を高精度に再現する事ができた。
【００７２】
この実施形態では、改良された流量式を用いて流量演算手段１７を構成しており、この点を除けば図１０に示す実施形態と全く同様である。即ち、上流側圧力センサ１０と下流側圧力センサ１２の温度ドリフトを補正する構成は図１１と同一であるから、その説明は省略する。
【００７３】
上述では、本発明を圧力式流量制御装置について説明したが、圧力センサ自体の温度ドリフト（ゼロ点出力ドリフトとスパン出力ドリフト）の補正にも適用できる。また、圧力センサが組み込まれた圧力制御装置の温度ドリフト補正にも使用できる。
【００７４】
本発明は上記実施形態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・設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【００７５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、圧力センサ自体の出力の温度ドリフトを消去補正する温度ドリフト補正手段を設けることによって、正確に圧力を検出できる圧力センサを提供できる。
また、圧力がゼロのときに流体温度と圧力センサのゼロ点出力ドリフトの関係をメモリ手段に格納するから、流体温度が任意の温度に変化してもメモリ手段のデータからゼロ点出力ドリフト量が演算でき、この演算ゼロ点出力ドリフト量により圧力センサのゼロ点出力ドリフトを消去補正することができる。
更に、任意圧力のときに流体温度と圧力センサのスパン出力ドリフトの関係をメモリ手段に格納するから、任意の圧力状態で流体温度が任意温度に変化してもメモリ手段のデータからスパン出力ドリフト量を演算でき、この演算スパン出力ドリフト量により圧力センサのスパン出力ドリフトを自動的に消去補正することができる。
【００７６】
請求項２の発明によれば、圧力センサとコントロールバルブを有した圧力制御装置において、圧力センサの出力の温度ドリフトを消去補正する温度ドリフト補正手段を設けることによって、圧力を正確に検出しながら精密に圧力制御できる圧力制御装置を提供できる。
【００７７】
請求項３の発明によれば、流体温度と上流側圧力センサの出力ドリフトの関係を格納するメモリ手段と、流体温度が変化した場合にメモリ手段のデータから上流側圧力センサの出力ドリフト量を演算し、この演算出力ドリフト量により上流側圧力センサの出力ドリフトを消去補正する温度ドリフト補正手段を有するから、どのような温度特性を有する圧力センサを用いても、その温度特性をメモリ手段に格納するだけで、上流側圧力Ｐ₁を正確に検出することができる。従って、Ｑｃ＝ＫＰ₁を流量式として使用する圧力式流量制御装置において、正確な流量制御を達成することができる。
【００７８】
請求項４の発明によれば、流体温度と上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの出力ドリフトの関係を格納するメモリ手段と、流体温度が変化した場合にメモリ手段のデータから上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの出力ドリフト量を演算し、この演算出力ドリフト量により上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの出力ドリフトを消去補正する温度ドリフト補正手段から構成されるから、どのような温度特性を有する圧力センサを用いても、その温度特性をメモリ手段に格納するだけで、上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂を正確に検出することができる。従って、Ｑｃ＝ＫＰ₂ ^1/2（Ｐ₁−Ｐ₂）^1/2又はＱｃ＝ＫＰ₂ ^m（Ｐ₁−Ｐ₂）ⁿを流量式として使用する圧力式流量制御装置において、正確な流量制御を達成することができる。
【００８１】
請求項７の発明によれば、流通するガス流体の温度がどのように変化しても、正確にガスの圧力を検出でき、半導体製造装置や化学品製造装置などにおいてガス流体の制御効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る臨界条件を利用した圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。
【図２】圧力式流量制御装置のゼロ点出力ドリフト補正用の簡易ブロック回路図である。
【図３】ゼロ点出力ドリフト補正とフルスケール設定の説明図である。
【図４】圧力センサの出力ドリフトを測定する説明図である。
【図５】圧力センサのゼロ点出力ドリフト（ZERO DRIFT）の温度特性図である。
【図６】圧力センサの出力ドリフト（SPAN DRIFT）の温度特性図である。
【図７】圧力式流量制御装置の制御回路の詳細ブロック構成図である。
【図８】本発明に係るゼロ点補正手段６２の作動フロー図である。
【図９】本発明に係るスパン補正手段６６の作動フロー図である。
【図１０】本発明に係る非臨界条件を利用した圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。
【図１１】図１１は図１０の制御回路の詳細ブロック構成図である。
【図１２】本発明に係る非臨界条件を利用した改良型圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。
【符号の説明】
２は圧力式流量制御装置、４はオリフィス、４ａはオリフィス孔、６は上流側配管、８は下流側配管、１０は上流側圧力センサ、１２は下流側圧力センサ、１４は温度センサ、１６は制御回路、１７は流量演算手段、１８は流量設定手段、１９は比較手段、２０はバルブ駆動部、２２はコントロールバルブ、２４はガスタンク、２６はレギュレータ、２７は供給側配管、２８はバルブ、２９は制御側配管、３０はバルブ、３２はチャンバー、３４は真空ポンプ、４０はオフセット用Ｄ／Ａ変換器、４０ａは粗調整用Ｄ／Ａ変換器、４０ｂは微調整用Ｄ／Ａ変換器、４０ｃはバッファ、４０ｄはバッファ、４０ｅはバッファ、４１はＣＰＵ、４２は固定増幅器、４２ａはオフセット端子、４４は可変増幅器、４６は可変増幅器、４８はＡ／Ｄ変換器、５０は恒温槽、５２は基準圧力発生器、５６は固定増幅器、５８はＡ／Ｄ変換器、６０は温度ドリフト補正手段、６２はゼロ点補正手段、６４はメモリ手段、６６はスパン補正手段、６８はガス温度補正手段、７２はＤ／Ａ変換器、７４は固定増幅器、７６は固定増幅器、７８はＡ／Ｄ変換器、ＤＰは真空ポンプ、Ｐ₁は上流側圧力、Ｐ₂は下流側圧力、Ｑｃは演算流量、Ｑｓは設定流量、ΔＱは流量差、ｖ０はゼロ点出力ドリフト電圧、ｖは出力電圧、Ｖは圧力電圧。

Claims

流体圧力を測定する圧力センサにおいて、流体温度を測定する温度センサと、圧力がゼロのときの流体温度と圧力センサのゼロ点出力ドリフトの関係並びに任意圧力における流体温度と圧力センサのスパン出力ドリフトの関係を夫々格納するメモリ手段と、圧力センサの出力電圧 v が増幅器及びＡ／Ｄ変換器を経て入力され、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段の流体温度とスパン出力ドリフトとの関係データからスパン出力ドリフト量を演算し、この演算スパン出力ドリフト量により前記Ａ／Ｄ変換器からの入力電圧から圧力センサのスパン出力ドリフトを消去するスパンドリフト補正手段と、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段の流体温度とゼロ点出力ドリフトとの関係データからゼロ点出力ドリフト量を演算し、オフセット用Ａ／Ｄ変換器を通して前記増幅器のオフセット端子へ前記演算ゼロ点出力ドリフト量に相当する電圧 vo の反転電圧 -vo を出力してゼロ点出力ドリフトを消去するゼロ点補正手段とを備え、前記メモリ手段とスパンドリフト補正手段とゼロ点補正手段とから成る温度ドリフト補正手段によって圧力センサの出力ドリフトを消去補正することにより、流体温度が変動しても流体圧力を正確に測定する構成としたことを特徴とする圧力センサの温度ドリフト補正装置。
圧力制御用のコントロールバルブと流体圧力を測定する圧力センサから構成された圧力制御装置において、流体温度を測定する流体センサと、圧力がゼロのときの流体温度と圧力センサのゼロ点出力ドリフトの関係並びに任意圧力における流体温度と圧力センサのスパン出力ドリフトの関係を夫々格納するメモリ手段と、圧力センサの出力電圧 v が増幅器及びＡ／Ｄ変換器を経て入力され、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段の流体温度とスパン出力ドリフトとの関係データからスパン出力ドリフト量を演算し、この演算スパン出力ドリフト量により前記Ａ／Ｄ変換器からの入力電圧から圧力センサのスパン出力ドリフトを消去するスパンドリフト補正手段と、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段の流体温度とゼロ点出力ドリフトとの関係データからゼロ点出力ドリフト量を演算し、オフセット用Ａ／Ｄ変換器を通して前記増幅器のオフセット端子へ前記演算ゼロ点出力ドリフト量に相当する電圧 vo の反転電圧 -vo を出力してゼロ点出力ドリフトの消去するゼロ点補正手段とを備え、前記メモリ手段とスパンドリフト補正手段とゼロ点補正手段とから成る温度ドリフト補正手段によって圧力センサの出力ドリフトを消去補正することにより、流体温度が変動しても流体圧力を正確に測定する構成としたことを特徴とする圧力センサの温度ドリフト補正装置。
流量制御用のオリフィスと、オリフィスの上流側配管に設けたコントロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ₁を検出する上流側圧力センサとから構成され、上流側圧力Ｐ₁によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置において、流体温度を測定する温度センサと、圧力がゼロのときの流体温度と圧力センサのゼロ点出力ドリフトの関係並びに任意圧力における流体温度と圧力センサのスパン出力ドリフトの関係を夫々格納するメモリ手段と、圧力センサの出力電圧 v が増幅器及びＡ／Ｄ変換器を経て入力され、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段の流体温度とスパン出力ドリフトとの関係データからスパン出力ドリフト量を演算し、この演算スパン出力ドリフト量により前記Ａ／Ｄ変換器からの入力電圧から圧力センサのスパン出力ドリフトを消去するスパンドリフト補正手段と、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段の流体温度とゼロ点出力ドリフトとの関係データからゼロ点出力ドリフト量を演算し、オフセット用Ａ／Ｄ変換器を通して前記増幅器のオフセット端子へ前記演算ゼロ点出力ドリフト量に相当する電圧 vo の反転電圧 -vo を出力してゼロ点出力ドリフトの消去するゼロ点補正手段とを備え、前記メモリ手段とスパンドリフト補正手段とゼロ点補正手段とから成る温度ドリフト補正手段によって圧力センサの出力ドリフトを消去補正することにより、流体温度が変動しても流体圧力を正確に測定する構成としたことを特徴とする圧力センサの温度ドリフト補正装置。
流量制御用のオリフィスと、オリフィスの上流側配管に設けたコントロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ₁を検出する上流側圧力センサと、オリフィスの下流側配管に設けられて下流側圧力Ｐ₂を検出する下流側圧力センサから構成され、上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置において、流体温度を測定する温度センサと、上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの圧力がゼロのときの流体温度と圧力センサのゼロ点出力ドリフトの関係並びに任意圧力における流体温度と圧力センサのスパン出力ドリフトの関係を夫々格納するメモリ手段と、圧力センサの出力電圧ｖが増幅器及びＡ／Ｄ変換器を経て入力され、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段の流体温度とスパン出力ドリフトとの関係データからスパン出力ドリフト量を演算し、この演算スパン出力ドリフト量により前記Ａ／Ｄ変換器からの入力電圧から圧力センサのスパン出力ドリフトを消去するスパンドリフト補正手段と、流体温度が変化した場合に前記メモリ手段の流体温度とゼロ点出力ドリフトとの関係データからゼロ点出力ドリフト量を演算し、オフセット用Ａ／Ｄ変換器を通して前記増幅器のオフセット端子へ前記演算ゼロ点出力ドリフト量に相当する電圧 vo の反転電圧 -vo を出力してゼロ点出力ドリフトの消去するゼロ点補正手段とを備え、前記メモリ手段とスパンドリフト補正手段とゼロ点補正手段とから成る温度ドリフト補正手段によって圧力センサの出力ドリフトを消去補正することにより、流体温度が変動しても流体圧力を正確に測定する構成としたことを特徴とする圧力センサの温度ドリフト補正装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の温度ドリフト補正装置において、ガスを流体として流通させ、このガス圧力又はガス流量を制御するガス供給システムの温度ドリフト補正装置。