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KR102150579B1 - 열식 질량 유량 측정 방법, 당해 방법을 사용하는 열식 질량 유량계 및 당해 열식 질량 유량계를 사용하는 열식 질량 유량 제어 장치 - Google Patents

열식 질량 유량 측정 방법, 당해 방법을 사용하는 열식 질량 유량계 및 당해 열식 질량 유량계를 사용하는 열식 질량 유량 제어 장치 Download PDF

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KR102150579B1
KR102150579B1 KR1020167026724A KR20167026724A KR102150579B1 KR 102150579 B1 KR102150579 B1 KR 102150579B1 KR 1020167026724 A KR1020167026724 A KR 1020167026724A KR 20167026724 A KR20167026724 A KR 20167026724A KR 102150579 B1 KR102150579 B1 KR 102150579B1
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thermal mass
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sensor wire
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아키라 사사키
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히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

센서 와이어에 직류 전압을 인가하는 것이 아니고, 센서 와이어에 펄스 신호를 공급하여, 센서 와이어를 발열시킴으로써, 센서 와이어에 공급되는 신호 강도는 유지하면서 에너지량을 저감하거나, 센서 와이어에 공급되는 에너지량은 유지하면서 신호 강도를 증대시키거나 한다. 이에 의해, 측정 정밀도의 저하를 억제하면서 센서 와이어로부터의 발열을 저감하거나, 센서 와이어로부터의 발열의 증대를 억제하면서 측정 정밀도를 향상시키거나 할 수 있는, 열식 질량 유량계에 의한 질량 유량의 측정 방법을 제공한다.

Description

열식 질량 유량 측정 방법, 당해 방법을 사용하는 열식 질량 유량계 및 당해 열식 질량 유량계를 사용하는 열식 질량 유량 제어 장치{THERMAL MASS FLOW RATE MEASUREMENT METHOD, THERMAL MASS FLOW RATE METER USING SAID METHOD, AND THERMAL MASS FLOW RATE CONTROLLER USING SAID THERMAL MASS FLOW RATE METER}
본 발명은 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법, 당해 방법을 사용하는 열식 질량 유량계 및 당해 열식 질량 유량계를 사용하는 열식 질량 유량 제어 장치에 관한 것이다.
질량 유량계(매스 플로 미터)는, 예를 들어 반도체의 제조 프로세스에 있어서 챔버 내에 공급되는 프로세스 가스의 질량 유량을 측정하는 것을 목적으로 하여 널리 사용되고 있다. 게다가, 질량 유량계는, 상기와 같이 단독으로 사용될 뿐만 아니라, 유량 제어 밸브 및 제어 회로 등의 다른 부재와 함께 질량 유량 제어 장치(매스 플로 컨트롤러)를 구성하는 부품으로서도 사용된다. 이 기술분야에는 다양한 형식의 질량 유량계가 있지만, 비교적 단순한 구성에 의해 유체(예를 들어, 가스 및 액체)의 질량 유량을 정확하게 측정할 수 있기 때문에, 열식 질량 유량계가 널리 사용되고 있다.
일반적으로는, 열식 질량 유량계는, 유체가 흐르는 유로와, 유로의 도중에 설치된 바이패스와, 바이패스의 상류측에 있어서 유로로부터 분기해서 바이패스의 하류측에 있어서 유로에 다시 합류하는 센서 튜브와, 센서 튜브에 감긴 한 쌍의 센서 와이어와, 센서 와이어 및 다른 저항 소자를 포함하는 브리지 회로를 구비하는 센서 회로에 의해 구성된다(예를 들어, 특허문헌 1을 참조). 바이패스는 유체에 대하여 유체 저항을 갖고, 유로에 흐르는 유체 중 일정한 비율의 유체가 센서 튜브로 분기하도록 구성된다.
상기 구성에 있어서, 소정의 전압을 인가하는(또는 소정의 전류를 흐르게 하는) 것에 의해 한 쌍의 센서 와이어를 발열시키면, 센서 와이어로부터 발생한 열이 센서 튜브를 흐르는 유체에 의해 빼앗긴다. 그 결과, 센서 튜브를 흐르는 유체가 가열된다. 이때, 상류측의 센서 와이어는 아직 가열되지 않은 유체에 의해 열을 빼앗긴다. 한편, 하류측의 센서 와이어는 상류측의 센서 와이어에 의해 이미 가열된 유체에 의해 열을 빼앗긴다. 이로 인해, 상류측의 센서 와이어로부터 빼앗기는 열은, 하류측의 센서 와이어로부터 빼앗기는 열보다도 크다. 그 결과, 상류측의 센서 와이어의 온도가, 하류측의 센서 와이어의 온도보다도 낮아진다. 이로 인해, 상류측의 센서 와이어의 전기 저항값이, 하류측의 센서 와이어의 전기 저항값보다도 낮아진다. 이와 같이 하여 발생하는 상류측의 센서 와이어와 하류측의 센서 와이어와의 온도차에 기인하는 전기 저항값의 차는, 센서 튜브를 흐르는 유체의 질량 유량이 클수록 커진다.
상기와 같은 상류측의 센서 와이어 및 하류측의 센서 와이어의 전기 저항값의 차의 유체의 질량 유량에 따른 변화는, 예를 들어 브리지 회로 등을 사용해서 검출할 수 있다. 또한, 이와 같이 하여 검출된 센서 와이어의 전기 저항값의 변화차에 기초하여, 센서 튜브에 흐르는 유체의 질량 유량을 구할 수 있고, 센서 튜브에 흐르는 유체의 질량 유량에 기초하여, 유로에 흐르는 유체의 질량 유량을 구할 수 있다(상세한 것은 후술함). 본 명세서에 있어서는, 열식 질량 유량계 중 센서 튜브와 센서 와이어가 포함되는 부분을 「유량 센서」라고 호칭한다.
센서 튜브의 재료로서는 우수한 내식성 및 기계적 강도를 갖는 재료가 바람직하고, 일반적으로는 스테인리스강 등의 금속(즉, 도체)이 사용된다. 한편, 센서 와이어의 재료로서는 당연한 것이면서 도체가 사용된다. 즉, 일반적으로는, 센서 튜브 및 센서 와이어의 재료는 모두 도체이다. 따라서, 유량 센서에 있어서는, 센서 튜브와 센서 와이어와의 도통 및 센서 와이어끼리의 도통의 방지 및 센서 튜브에의 센서 와이어의 고정 등을 목적으로 하여, 센서 튜브의 센서 와이어가 감긴 부분 및 센서 와이어의 주위에 예를 들어 수지 등의 절연 재료에 의해 형성되는 피복층이 배치되는 것이 일반적이다(상세한 것은 후술함).
게다가, 유량 센서에 의한 질량 유량 측정을 위해서는, 상술한 바와 같이, 통전에 의해 센서 와이어로부터 발생하는 열이 센서 튜브 및 센서 튜브에 흐르는 유체에 의해 빼앗길 필요가 있다. 따라서, 적어도 센서 와이어와 센서 튜브 사이에 개재되는 피복층은, 양호한 열전도성을 구비하는 것이 바람직하다.
일본 특허 공개 제2009-192220호 공보 일본 특허 공개 평09-218065호 공보
상술한 바와 같이, 열식 질량 유량계가 구비하는 유량 센서에 있어서는, 소정의 입력 신호가 공급됨으로써(즉, 소정의 전압이 인가되거나, 소정의 전류가 흘려지거나 함으로써) 발열하고 있는 센서 와이어로부터 센서 튜브를 흐르는 유체에 의해 빼앗기는 열의 양이 상류측 센서 와이어와 하류측 센서 와이어에서 상이한 것을 이용하여, 센서 튜브에 흐르는 유체의 질량 유량을 구할 수 있다. 즉, 열식 질량 유량계를 사용해서 유체의 질량 유량을 측정하기 위해서는, 센서 와이어에 소정의 입력 신호를 공급하여, 센서 와이어를 발열시킬 필요가 있다.
그런데, 상기와 같이 센서 와이어에 소정의 입력 신호를 공급해서 센서 와이어를 발열시키는 것에 관련해서 몇 가지의 과제가 발생한다. 구체적으로는, 예를 들어 센서 와이어로부터의 발열에 수반하는 피복층 및 센서 와이어의 경시 변화, 유체의 변질 및 서멀 사이포닉 현상 등이 발생하여, 열식 질량 유량계가 유체의 질량 유량을 정확하게 계측하지 못할 우려가 있다(상세한 것은 후술함).
상기 과제를 해결하기 위한 방법으로서는, 센서 와이어로부터의 발열을 적게 하는 것이 생각된다. 그러나, 센서 와이어로부터의 발열을 적게 하면, 유체의 유동에 기인하는 상류측의 센서 와이어와 하류측의 센서 와이어와의 온도차가 작아지고, 결과적으로 센서 회로로부터의 출력이 약해져서 검출 신호의 S/N비가 저하되고, 질량 유량의 측정 정밀도가 저하될 우려가 있다.
반대로, 센서 회로로부터의 출력을 강화해서 검출 신호의 S/N비를 높이고, 질량 유량의 측정 정밀도를 향상시키기 위해서는, 센서 와이어로부터의 발열을 많게 할 필요가 있다. 그러나, 이 경우에는, 결과적으로, 센서 와이어로부터의 발열에 기인하는 상기와 같은 문제가 악화될 우려가 있다. 게다가, 센서 와이어로부터의 발열을 많게 하기 위해서는, 센서 와이어에 공급하는 전력량을 증대시킬(즉, 센서 와이어에 인가하는 전압 또는 센서 와이어에 흐르게 하는 전류를 증대시킬) 필요가 있기 때문에, 센서 와이어에 있어서의 소비 전력의 증대를 초래한다.
그런데, 브리지 회로를 구성하는 발열용 저항체를 유체 중에 배치하고, 이 발열용 저항체의 방열을 이용해서 유체의 유량을 검지하는 감열식 유량계에 있어서, 검출 신호를 취득하는 기간에 있어서만 발열용 저항체에 직류 전력을 공급함으로써 발열용 저항체에 있어서의 소비 전력을 저감하는 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 2를 참조). 이러한 유량계에 있어서는, 발열용 저항체가 유체에 직접 접촉하고 있기 때문에, 발열용 저항체에의 직류 전력의 공급을 개시하고 나서 열적 평형 상태에 도달할 때까지 필요로 하는 기간이 짧아(열시상수가 작아), 발열용 저항체에 직류 전력을 공급하는 기간을 충분히 짧게 할 수 있다. 그 결과, 발열용 저항체에 있어서의 소비 전력을 저감할 수 있다.
그러나, 유체가 흐르는 유로로부터 분기되는 센서 튜브에 감긴 센서 와이어에 직류 전력을 공급해서 발열시키는 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서는, 상기와 같이 센서 와이어에 직류 전력을 단속적으로 공급함으로써 센서 와이어에 있어서의 소비 전력을 저감하는 것은 곤란하다. 구체적으로는, 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서는, 센서 와이어가 유체에 직접 접촉하고 있지 않다. 즉, 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서 센서 와이어로부터 발생한 열은, 유체뿐만 아니라 센서 튜브에 의해서도 빼앗기기(열용량이 크기) 때문에, 열적 평형 상태에 도달하기 위해 필요로 되는 시간이 길다(열시상수가 크다). 따라서, 센서 와이어에 직류 전력을 공급하는 기간을 충분히 짧게 함으로써, 센서 와이어에 있어서의 소비 전력을 저감하는 것은 곤란하다.
게다가, 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서는, 열용량이 크고, 열시상수가 크므로, 센서 와이어에의 직류 전력의 공급을 정지하고 나서 열적 평형 상태에 도달할 때까지 필요로 하는 기간도 길다. 따라서, 전회의 센서 와이어의 발열에 의한 열 이력의 영향이 비교적 긴 기간에 걸쳐서 잔존하므로, 상기 종래 기술에서와 같이 열 이력의 영향을 배제하기 위해서는, 센서 와이어에 직류 전력을 공급하지 않는 기간을 길게 할 필요가 있다.
즉, 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서 상기 종래 기술과 같이 센서 와이어에 직류 전력을 단속적으로 공급해서 유체의 유량을 측정하는 경우, 센서 와이어에 직류 전력을 공급하고 있는 기간 및 센서 와이어에 직류 전력을 공급하고 있지 않은 기간의 양쪽을 길게 할 필요가 있다. 그 결과, 센서 와이어에 직류 전력을 공급해서 검출 신호를 취득하는 빈도가 적어진다. 따라서, 이러한 측정 방법은, 유체의 정확한 유량을 항상 감시하는 것이 요망되는 용도(예를 들어, 반도체의 제조 프로세스에 있어서 챔버 내에 공급되는 유체(프로세스 가스)의 질량 유량을 측정하는 용도 등)에는 적합하지 않다.
상기한 바와 같이 종래 기술에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 센서 와이어로부터의 발열에 기인하는 여러 가지 문제의 억제와 질량 유량의 측정 정밀도의 향상은 양립하기 곤란하다. 즉, 이 기술분야에 있어서는, 센서 와이어로부터의 발열에 기인하는 여러 가지 문제의 억제와 질량 유량의 측정 정밀도의 유지·향상을 적합하게 밸런스시킬 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있다. 예를 들어, 측정 정밀도의 저하를 억제하면서 센서 와이어로부터의 발열을 저감하거나, 센서 와이어로부터의 발열의 증대를 억제하면서 측정 정밀도를 향상시키거나 할 수 있는, 열식 질량 유량계에 의한 질량 유량의 측정 방법이 요구되고 있다. 따라서, 본 발명은 측정 정밀도의 저하를 억제하면서 센서 와이어로부터의 발열을 저감하거나, 센서 와이어로부터의 발열의 증대를 억제하면서 측정 정밀도를 향상시키거나 할 수 있는, 열식 질량 유량계에 의한 질량 유량의 측정 방법을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.
본 발명자는, 예의 연구의 결과, 발열을 목적으로 하여 센서 와이어에 공급(입력)되는 입력 신호(전기 신호)의 신호 강도(전압값 또는 전류값)는 유지하면서 이 입력 신호에 의해 센서 와이어에 공급되는 에너지량(전력량)을 저감하거나, 이 입력 신호에 의해 센서 와이어에 공급되는 에너지량은 유지하면서 이 입력 신호의 신호 강도를 증대시키거나 함으로써, 본 발명의 상기 하나의 목적을 달성할 수 있음을 알아내었다. 구체적으로는, 종래 기술에 관한 열식 질량 유량계에서와 같이 센서 와이어에 직류 전압을 인가하는(또는 직류 전류를 흐르게 하는) 것이 아니고, 센서 와이어에 펄스 신호(예를 들어, 펄스 전압 및 펄스 전류 등)를 입력 신호로서 공급하고, 센서 와이어를 발열시킴으로써, 본 발명의 상기 하나의 목적을 달성할 수 있음을 알아낸 것이다.
즉, 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법은, 유체가 흐르는 유로와,
상기 유로의 도중에 설치된 바이패스와,
상기 바이패스의 상류측에 있어서 상기 유로로부터 분기해서 상기 바이패스의 하류측에 있어서 상기 유로에 다시 합류하는 센서 튜브 및 상기 센서 튜브에 흐르는 유체에 대하여 직접 접촉하지는 않고 또한 열전도 가능하게 배치된 한 쌍의 센서 와이어를 포함하는 유량 센서와,
상기 센서 와이어로부터 발열시키기 위한 입력 신호를 상기 센서 와이어에 공급하는 전원과,
상기 센서 와이어를 포함하는 브리지 회로를 구비하는 센서 회로를 구비하는 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이며,
제1 강도 및 상기 제1 강도보다도 낮은 제2 강도 중 어느 하나의 값을 취하도록 신호 강도가 경시적으로 변화되는 펄스 신호를 상기 입력 신호로서 상기 센서 와이어에 공급하는 것,
상기 펄스 신호가 상기 센서 와이어에 공급된 결과로서 상기 센서 회로로부터 출력되는 출력 신호 중, 신호 강도가 상기 제1 강도로 되어 있는 상기 입력 신호에 대응하고 또한 단위 시간당의 신호 강도의 변동폭이 소정의 역치 이하로 되어 있는 부분에 있어서의 출력 신호의 신호 강도를 출력 신호 강도로서 취득하는 것 및
상기 출력 신호 강도에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 포함하는 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이다.
본 발명에 따른 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 의하면, 측정 정밀도의 저하를 억제하면서 센서 와이어로부터의 발열을 저감하거나, 센서 와이어로부터의 발열의 증대를 억제하면서 측정 정밀도를 향상시키거나 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이 적용되는 열식 질량 유량계를 포함하는 열식 질량 유량 제어 장치의 구성의 일례를 도시하는 모식도.
도 2는 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이 적용되는 열식 질량 유량계가 구비하는 센서 회로의 구성의 일례를 도시하는 모식도.
도 3은 유량 센서에 있어서 센서 튜브에 센서 와이어가 감긴 부분 근방의 단면 구조의 일례를 도시하는 모식도.
도 4는 실시예에 관한 열식 질량 유량계와 비교예에 관한 열식 질량 유량계와의 비교를 위해서 사용한 센서 회로의 구성을 도시하는 모식도.
도 5는 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 (a) 센서 와이어에 인가되는 펄스 전압의 파형 및 (b) 센서 회로로부터 연산 증폭기를 통해서 출력되는 출력 신호의 파형을 각각 도시하는 모식적인 그래프.
도 6은 실시예에 관한 열식 질량 유량계와 비교예에 관한 열식 질량 유량계와의 비교를 위해서 사용한 실험 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 7은 실시예 및 비교예에 관한 각각의 열식 질량 유량계에 있어서의 설정 유량과 센서 회로로부터의 출력 전압과의 관계를 도시하는 모식적인 그래프.
전술한 바와 같이, 당해 기술분야에 있어서는, 측정 정밀도의 저하를 억제하면서 센서 와이어로부터의 발열을 저감하거나, 센서 와이어로부터의 발열의 증대를 억제하면서 측정 정밀도를 향상시키거나 할 수 있는, 열식 질량 유량계에 의한 질량 유량의 측정 방법이 요구되고 있다.
그래서, 본 발명자는, 예의 연구의 결과, 발열을 목적으로 하여 센서 와이어에 공급(입력)되는 입력 신호(전기 신호)의 신호 강도(전압값 또는 전류값)는 유지하면서 이 입력 신호에 의해 센서 와이어에 공급되는 에너지량(전력량)을 저감하거나, 이 입력 신호에 의해 센서 와이어에 공급되는 에너지량은 유지하면서 이 입력 신호의 신호 강도를 증대시키거나 함으로써, 본 발명의 상기 하나의 목적을 달성할 수 있음을 알아내었다. 구체적으로는, 종래 기술에 관한 열식 질량 유량계에서와 같이 센서 와이어에 직류 전압을 인가하는(또는 직류 전류를 흐르게 하는) 것이 아니고, 센서 와이어에 펄스 신호(예를 들어, 펄스 전압 및 펄스 전류 등)를 입력 신호로서 공급하고, 센서 와이어를 발열시킴으로써, 본 발명의 상기 하나의 목적을 달성할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 상도하기에 이른 것이다.
즉, 본 발명의 제1 실시 형태는, 유체가 흐르는 유로와,
상기 유로의 도중에 설치된 바이패스와,
상기 바이패스의 상류측에 있어서 상기 유로로부터 분기해서 상기 바이패스의 하류측에 있어서 상기 유로에 다시 합류하는 센서 튜브 및 상기 센서 튜브에 흐르는 유체에 대하여 직접 접촉하지는 않고 또한 열전도 가능하게 배치된 한 쌍의 센서 와이어를 포함하는 유량 센서와,
상기 센서 와이어로부터 발열시키기 위한 입력 신호를 상기 센서 와이어에 공급하는 전원과,
상기 센서 와이어를 포함하는 브리지 회로를 구비하는 센서 회로를 구비하는 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이며,
제1 강도 및 상기 제1 강도보다도 낮은 제2 강도 중 어느 하나의 값을 취하도록 신호 강도가 경시적으로 변화되는 펄스 신호를 상기 입력 신호로서 상기 센서 와이어에 공급하는 것,
상기 펄스 신호가 상기 센서 와이어에 공급된 결과로서 상기 센서 회로로부터 출력되는 출력 신호 중, 신호 강도가 상기 제1 강도로 되어 있는 상기 입력 신호에 대응하고 또한 단위 시간당의 신호 강도의 변동폭이 소정의 역치 이하로 되어 있는 부분에 있어서의 출력 신호의 신호 강도를 출력 신호 강도로서 취득하는 것 및
상기 출력 신호 강도에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 포함하는 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이다.
상기한 바와 같이 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이 적용되는 열식 질량 유량계는, 이 기술분야에 있어서 주지의 구성을 갖는 일반적인 열식 질량 유량계이다. 구체적으로는, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법은, 이하와 같은 구성을 갖는 열식 질량 유량계에 적용할 수 있다.
유체가 흐르는 유로와,
상기 유로의 도중에 설치된 바이패스와,
상기 바이패스의 상류측에 있어서 상기 유로로부터 분기해서 상기 바이패스의 하류측에 있어서 상기 유로에 다시 합류하는 센서 튜브 및 상기 센서 튜브에 흐르는 유체에 대하여 직접 접촉하지는 않고 또한 열전도 가능하게 배치된 한 쌍의 센서 와이어를 포함하는 유량 센서와,
상기 센서 와이어로부터 발열시키기 위한 입력 신호를 상기 센서 와이어에 공급하는 전원과,
상기 센서 와이어를 포함하는 브리지 회로를 구비하는 센서 회로를 구비하는 열식 질량 유량계.
여기서, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이 적용되는 열식 질량 유량계의 구성의 일례에 대해서, 첨부 도면을 참조하면서, 이하에 상세하게 설명한다. 도 1은, 전술한 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이 적용되는 열식 질량 유량계를 포함하는 열식 질량 유량 제어 장치의 구성의 일례를 도시하는 모식도이다. 또한, 도 2는, 전술한 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이 적용되는 열식 질량 유량계가 구비하는 센서 회로의 구성의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 열식 질량 유량 제어 장치(100)는, 열식 질량 유량계(110)와, 유량 조절 수단(120)과, 제어 수단(130)(후술하는 「제1 제어부」 및 「제2 제어부」에 상당함)을 포함한다. 열식 질량 유량계(110)는, 유체가 흐르는 유로(114)와, 유로(114)의 도중에 설치된 바이패스(115)와, 바이패스(115)의 상류측에 있어서 유로(114)로부터 분기해서 바이패스(115)의 하류측에 있어서 유로(114)에 다시 합류하는 센서 튜브(116)와, 센서 튜브(116)에 감긴 한 쌍의 센서 와이어(117 및 118)와, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 센서 와이어(117 및 118) 및 다른 저항 소자(117′ 및 118′)를 포함하는 브리지 회로를 구비하는 센서 회로(111)에 의해 구성된다. 바이패스(115)는, 유체에 대하여 유체 저항을 갖고, 유로(114)를 흐르는 유체 중 일정한 비율의 유체가 센서 튜브(116)에 분기하도록 구성된다. 또한, 도 1에 도시되어 있는 구성에 있어서는, 한 쌍의 센서 와이어(117 및 118)가 센서 튜브(116)에 감겨 있다. 그러나, 센서 와이어로부터 발생한 열이 센서 튜브에 흐르는 유체에 전도되는 것이 가능한 한, 센서 와이어의 구체적인 배치는 특별히 한정되지 않는다.
상기 구성에 있어서, 전원(113)으로부터 센서 와이어(117 및 118)에 소정의 입력 신호(전기 신호)를 공급(입력)하면 줄 열이 발생하고, 이 열은 센서 튜브(116)를 흐르는 유체에 의해 빼앗긴다. 이때, 상류측의 센서 와이어(117)는 아직 가열되지 않은 유체에 의해 열을 빼앗기고, 하류측의 센서 와이어(118)는 상류측의 센서 와이어(117)에 의해 이미 가열된 유체에 의해 열을 빼앗긴다. 이로 인해, 상류측의 센서 와이어(117)의 온도보다도 하류측의 센서 와이어(118)의 온도 쪽이 높아진다. 그 결과, 상류측의 센서 와이어(117)의 전기 저항보다도 하류측의 센서 와이어(118)의 전기 저항 쪽이 높아진다. 또한, 발열을 목적으로 하여 센서 와이어에 공급(입력)되는 입력 신호(전기 신호)는 전압 및 전류 중 어느 쪽에 기초해서 제어되어도 된다.
이와 같이 하여 발생하는 상류측의 센서 와이어(117)와 하류측의 센서 와이어(118)와의 온도차에 기인하는 전기 저항값의 차(비)는, 센서 튜브(116)를 흐르는 유체의 질량 유량에 따라서 변화된다. 그 결과, 센서 회로(111)의 점 S와 점 C 사이의 전위차도 또한 센서 튜브(116)를 흐르는 유체의 질량 유량에 따라서 변화된다. 이러한 전위차의 변화를, 예를 들어 연산 증폭기(119)를 통해서 검출함으로써, 센서 튜브(116)에 흐르는 유체의 질량 유량을 측정할 수 있다. 또한, 이와 같이 하여 측정되는 센서 튜브(116)에 흐르는 유체의 질량 유량에 기초하여, 유로(114)에 흐르는 유체의 질량 유량을 구할 수 있다. 즉, 열식 질량 유량 제어 장치(100)는 모세관 가열형 열식 질량 유량계이다.
도 2에 도시되어 있는 센서 회로에 있어서는, 각각 300Ω의 저항값을 갖는 센서 와이어(117 및 118)가 점 S에 있어서 직렬로 접속되고, 각각 20kΩ의 저항값을 갖는 다른 저항 소자(117′ 및 118′)가 점 C에 있어서 직렬로 접속되어 있다. 또한, 상기와 같이 각각 직렬로 접속된 센서 와이어(117 및 118)의 양단과 다른 저항 소자(117′ 및 118′)의 양단이, 각각 점 P 및 점 N에 있어서 접속되어 있다. 즉, 센서 와이어(117 및 118)와 저항 소자(117′ 및 118′)는 소위 「휘트스톤 브리지」를 구성하고 있다.
질량 유량의 측정 시에는, 전원(113)으로부터 상기 점 P와 점 N 사이에 소정의 입력 신호(전기 신호)가 공급(입력)되고, 센서 와이어(117 및 118)로부터 줄 열이 발생한다. 또한, 점 S 및 점 C는 각각 연산 증폭기(119)의 비반전 입력(+) 및 반전 입력(-)에 접속되고, 점 S와 점 C 사이의 전위차에 따른 신호가 연산 증폭기(119)의 출력으로서 얻어진다. 이와 같이 하여 얻어지는 연산 증폭기(119)로부터의 출력 신호에 기초하여, 센서 튜브(116)에 흐르는 유체의 질량 유량을 측정할 수 있다. 단, 다른 저항 소자(117′ 및 118′)의 전기 저항이 센서 와이어(117 및 118)로부터의 발열의 영향을 받으면, 센서 튜브(116)에 흐르는 유체의 질량 유량을 정확하게 측정할 수 없다. 따라서, 다른 저항 소자(117′ 및 118′)는, 센서 와이어(117 및 118)로부터의 발열의 영향을 실질적으로 받지 않는 위치 및/또는 상태로 배치된다.
또한, 상술한 바와 같이, 도 1은, 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이 적용되는 열식 질량 유량계를 포함하는 열식 질량 유량 제어 장치의 구성의 일례를 도시하는 모식도이다. 따라서, 도 1에는, 상술한 바와 같이, 열식 질량 유량계(110) 이외에, 유량 조절 수단(120) 및 제어 수단(130) 등도 도시되어 있지만, 이들에 대해서는, 열식 질량 유량계 및 열식 질량 유량 제어 장치로서의 본 발명의 실시 형태에 따른 설명에 있어서 상세하게 설명하므로, 여기서는 설명하지 않는다.
그런데, 전술한 바와 같이, 센서 튜브의 재료로서는 우수한 내식성 및 기계적 강도를 갖는 재료가 바람직하고, 일반적으로는 스테인리스강 등의 금속(즉, 도체)이 사용된다. 한편, 센서 와이어의 재료로서는 당연히 도체가 사용된다. 구체적으로는, 센서 튜브의 재료로서는, 예를 들어 일본 공업 규격(JIS)에 의해 정해지는 SUS316을 비롯한 스테인리스강재 등, 우수한 내식성 및 기계적 강도를 갖는 재료가 사용된다. 한편, 센서 와이어의 재료로서는, 예를 들어 에나멜선 등, 원하는 전기 저항값을 갖는 도체(예를 들어, 구리 등의 금속)가 사용된다. 즉, 전형적으로는, 센서 튜브 및 센서 와이어의 재료는 모두 도체이다.
따라서, 센서 튜브와 센서 와이어가 접촉하거나, 센서 와이어끼리(예를 들어, 센서 튜브에 감긴 센서 와이어의 권선끼리 등)가 접촉하거나 하면, 센서 와이어의 전기 저항값이 저하된다. 그 결과, 입력 신호의 공급에 의한 센서 와이어로부터의 발열이 불충분해지거나, 유량 센서의 감도가 저하되거나 한다. 이로 인해, 센서 튜브와 센서 와이어 사이 및 센서 와이어끼리의 사이는, 전기적으로 절연되어 있을 필요가 있다. 또한, 센서 와이어가 센서 튜브의 소정의 위치에 고정되어 있을 필요도 있다.
그래서, 유량 센서에 있어서는, 전술한 바와 같이, 센서 튜브와 센서 와이어와의 도통 및 센서 와이어끼리의 도통의 방지 및 센서 튜브에의 센서 와이어의 고정 등을 목적으로 하여, 센서 튜브 및 센서 와이어의 소정의 부분 및 센서 와이어의 표면 등에, 예를 들어 수지 등의 재료에 의해 형성되는 피복층이 배치된다. 여기서, 피복층의 구성의 일례에 대해서, 첨부 도면을 참조하면서 이하에 상세하게 설명한다.
도 3은, 전술한 바와 같이, 유량 센서에 있어서 센서 튜브에 센서 와이어가 감긴 부분 근방의 단면 구조의 일례를 도시하는 모식도이다. 즉, 도 3에 도시되어 있는 예에 있어서는, 센서 튜브(116)에는 센서 와이어(117 및 118)가 코일 형상으로 감기고, 센서 튜브(116) 및 센서 와이어(117 및 118)의 주위에는 피복층(112)이 형성되어 있다. 피복층(112)은 그 위치와 기능에 따라 이하에 나타내는 4개의 부분으로 나눌 수 있다.
제1 피복층(112a)은 센서 튜브(116)의 표면에 접해서 형성되고, 센서 튜브(116)와 센서 와이어(117 및 118) 사이의 도통(전기적 접속)을 방지하는 절연층을 구성하고 있다. 제2 피복층(112b)은 센서 와이어(117 및 118)의 표면에 접해서 형성되고, 센서 와이어(117 및 118)끼리의 도통을 방지하는 절연층을 구성하고 있다. 제3 피복층(112c)은 제1 피복층(112a)과 제2 피복층(112b)에 의해 둘러싸인 공간에 형성되고, 센서 와이어(117 및 118)를 센서 튜브(116)에 고정하는 기능을 갖고 있다. 제4 피복층(112d)은 센서 와이어(117 및 118)가 센서 튜브(116)에 감겨 있는 부분 전체를 덮도록 형성되고, 센서 와이어(117 및 118)끼리를 서로 고정하는 기능을 갖고 있다. 본 명세서에 있어서는, 예를 들어 상기 제1 피복층(112a) 내지 제4 피복층(112d) 등, 적어도 센서 와이어(117 및 118)가 센서 튜브(116)에 감겨 있는 부분을 피복하는 층을 총칭해서 「피복층」(112)이라고 호칭한다.
그런데, 상술한 바와 같이 유량 센서에 의한 질량 유량 측정을 위해서는 센서 와이어로부터 발생하는 열이 센서 튜브를 흐르는 유체에 의해 빼앗길 필요가 있다. 따라서, 적어도 센서 와이어와 센서 튜브 사이에 개재하는 피복층은, 양호한 열전도성을 구비할 필요가 있다. 따라서, 피복층을 구성하는 재료에는, 전기 절연체로서의 기능, 접착제로서의 기능 및 열전도체로서의 기능이 필요해진다. 또한, 센서 튜브 및 센서 와이어의 표면에 얇게 형성할 수 있고, 표면에 피복층이 형성된 센서 와이어를 센서 튜브에 감아도 균열이 발생하지 않는 충분한 가요성을 갖는 재료가 바람직하다. 이러한 관점에서, 종래 기술에 관한 유량 센서의 피복층의 재료로서는, 폴리아미드이미드 또는 폴리이미드가 적합하게 사용된다. 특히, 폴리이미드는 극히 높은 내열성을 가지므로, 더 바람직하다. 그런데, 전술한 바와 같이, 센서 와이어에 소정의 입력 신호를 공급해서 센서 와이어를 발열시키는 것에 관련하여, 이하에 열거하는 몇 가지의 과제가 발생한다.
우선, 제1 과제로서는, 센서 와이어로부터 발생하는 열에 의한 유량 센서를 구성하는 부재의 경시 변화를 들 수 있다. 경시 변화의 원인은 2가지로 크게 구분된다. 하나의 원인은, 유량 센서를 구성하는 부재의 하나인 센서 와이어가 발열해서 승온됨으로써, 그 내부 응력이 완화되고, 전기 저항값이 시간과 함께 변화되는 것이다. 센서 와이어는 제조 시의 소성 가공에 기인하는 내부 응력을 갖는다. 게다가, 센서 튜브에 감겨서 소성 변형됨으로써, 센서 와이어의 내부 응력이 더 증대된다. 이들 내부 응력은, 센서 와이어가 발열해서 승온됨으로써 완화되고, 그것에 수반하여 센서 와이어의 전기 저항값이 변화된다.
경시 변화의 다른 하나의 원인은, 센서 와이어의 주위에 존재하는 피복층으로부터 센서 와이어에 작용하는 외부 응력의 변동이다. 피복층을 구성하는 폴리이미드 등의 수지 재료는, 고온으로 유지되면 공기 중의 수분 및/또는 산소와의 반응에 의해 서서히 분해되는 것이 알려져 있다. 이렇게 피복층이 분해되어 소실되면, 센서 와이어가 피복층으로부터 받고 있던 외부 응력이 완화된다. 그 결과로서, 센서 와이어의 전기 저항값이 변화된다.
열식 질량 유량계의 제조 시에는 상류측의 센서 와이어(117)의 전기 저항값과 하류측의 센서 와이어(118)의 전기 저항값이 소정의 비율로 밸런스 맞추도록 초기 조정되어 있다. 그러나, 상술한 경시 변화에 의해 센서 와이어의 전기 저항값이 변화하면, 상기 균형이 깨져, 유량의 검출 오차의 원인이 된다. 이러한 시간의 경과에 수반해서 발생하는 유량의 검출 오차는 「제로점 변동」이라고 호칭되는 경우가 있다. 제로점 변동은, 센서 와이어로부터의 발열이 클수록 단기간에 급속하게 나타난다.
이어서, 제2 과제로서는, 센서 와이어로부터 발생하는 열에 의한 센서 튜브에 흐르는 유체의 변질 및/또는 변성을 들 수 있다. 열식 질량 유량계의 설치 환경의 온도가 실온일 경우, 센서 와이어의 온도는 90 내지 95℃로 승온되고, 센서 와이어로부터 발생하는 열의 일부가 유체에 빼앗겨서, 유체의 온도가 상승한다. 유체의 종류에 따라서는, 이때의 온도 상승에 의해 변질 및/또는 변성되어, 열식 질량 유량계에 의해 정확하게 질량 유량을 측정하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.
예를 들어, 염소 가스(Cl2)는 상온에서도 수분 등과 용이하게 반응해서 염소화합물을 생성한다. 이러한 염소 가스의 반응성은 온도가 상승할수록 높아지기 때문에, 열식 질량 유량계를 사용해서 염소 가스의 질량 유량을 측정하는 경우에는, 센서 와이어로부터의 발열에 의한 유체의 승온 폭을 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.
또한, 제3 과제로서는, 소위 「서멀 사이포닉 현상」에 의한 유량 측정값의 어긋남(제로점 변동)을 들 수 있다. 서멀 사이포닉 현상은, 예를 들어 센서 튜브의 방향이 연직 방향이 되는 구성에 있어서, 센서 와이어로부터의 발열에 의해 가열된 유체가 센서 튜브에 있어서 상승함으로써, 예를 들어 유체의 대류 등, 의도하지 않은 유체의 흐름이 발생하는 현상이다. 이러한 현상이 일어나면, 예를 들어 실제로는 유체가 흐르지 않고 있는 상황에 있어서도 질량 유량값이 측정된다. 이와 같이, 서멀 사이포닉 현상이 일어나면, 센서 튜브에 있어서의 유체의 질량 유량이 유로에 있어서의 유체의 질량 유량을 정확하게 반영하지 않게 되는 경우가 있다. 그 결과, 열식 질량 유량계에 의해 정확하게 질량 유량을 측정하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.
또한, 상기와 마찬가지의 현상은 센서 튜브의 외부에 있어서도 일어날 수 있다. 예를 들어, 센서 와이어의 주위에 존재하는 공기가 센서 와이어로부터의 발열에 의해 가열되고, 공기의 대류가 발생하는 경우가 있다. 이 경우도 또한, 열식 질량 유량계에 의해 정확하게 질량 유량을 측정하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 물론 상기와 같은 현상은, 센서 와이어로부터의 발열이 클수록 일어나기 쉽다.
이상과 같이, 예시한 어떠한 과제에 대해서도, 센서 와이어로부터의 발열을 적게 함으로써 문제를 저감 및/또는 경감할 수 있다. 그러나, 센서 와이어로부터의 발열을 적게 하면, 전술한 바와 같이, 센서 회로로부터의 출력이 약해져서 검출 신호의 S/N비가 저하되어, 질량 유량의 측정 정밀도가 저하될 우려가 있다.
그래서, 본 발명자는, 예의 연구의 결과, 종래 기술에 관한 열식 질량 유량계에서와 같이 센서 와이어에 직류 전압을 인가하는(또는 직류 전류를 흐르게 하는) 것이 아니고, 센서 와이어에 펄스 신호(예를 들어, 펄스 전압 및 펄스 전류 등)를 입력 신호로서 공급하여, 센서 와이어를 발열시킴으로써, 측정 정밀도의 저하를 억제하면서 센서 와이어로부터의 발열을 적게 할 수 있음을 알아내었다.
따라서, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법은, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 열식 질량 유량계에 있어서,
제1 강도 및 상기 제1 강도보다도 낮은 제2 강도 중 어느 하나의 값을 취하도록 신호 강도가 경시적으로 변화되는 펄스 신호를 상기 입력 신호로서 상기 센서 와이어에 공급하는 것,
상기 펄스 신호가 상기 센서 와이어에 공급된 결과로서 상기 센서 회로로부터 출력되는 출력 신호 중, 신호 강도가 상기 제1 강도로 되어 있는 상기 입력 신호에 대응하고 또한 단위 시간당의 신호 강도의 변동폭이 소정의 역치 이하로 되어 있는 부분에 있어서의 출력 신호의 신호 강도를 출력 신호 강도로서 취득하는 것 및
상기 출력 신호 강도에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 포함한다.
상기한 바와 같이 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 있어서는, 제1 강도 및 상기 제1 강도보다도 낮은 제2 강도 중 어느 하나의 값을 취하도록 신호 강도가 경시적으로 변화되는 펄스 신호를 상기 입력 신호로서 상기 센서 와이어에 공급한다. 즉, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 있어서는, 종래 기술에 관한 열식 질량 유량계에서와 같이 센서 와이어에(연속적으로) 직류 전압을 인가하는(또는 직류 전류를 흐르게 하는) 것이 아니고, 소정의 펄스폭 및 소정의 진폭을 갖는 펄스 신호를 센서 와이어에 공급한다. 또한, 발열을 목적으로 하는 입력 신호로서 센서 와이어에 공급되는 펄스 신호도 또한, 전압 및 전류 중 어느 쪽에 기초해서 제어되어도 된다.
상기한 바와 같이 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 있어서 센서 와이어에 공급되는 입력 신호는, 신호 강도가 제1 강도로 되어 있는 기간(제1 기간)과, 신호 강도가(제1 강도보다도 낮은) 제2 강도로 되어 있는 기간(제2 기간)을 갖는다. 이 제1 강도는, 측정 대상이 되는 유체의 질량 유량을 원하는 정밀도로 측정하는 것이 가능한 온도차를 상류측의 센서 와이어와 하류측의 센서 와이어 사이에 발생시킬 수 있는 열량을 센서 와이어로부터 발생시키는 데 필요해지는 입력 신호의 강도로 할 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 있어서는, 제1 기간에 있어서의 적절한 타이밍에서, 유체의 질량 유량을 원하는 정밀도로 측정할 수 있다. 한편, 제2 강도는, 상술한 바와 같이 제1 강도보다도 낮은 한 어떠한 신호 강도이어도 되지만, 전형적으로는 0(제로)로 할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 의하면, 입력 신호의 신호 강도가 제1 강도에서 일정해지는 종래 기술과 비교하여, 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 에너지량(전력량)을 저감할 수 있다. 결과적으로, 단위 시간당의 센서 와이어로부터의 발열량을 저감할 수 있어, 센서 와이어로부터의 발열에 기인하는 상술한 바와 같은 여러 가지 문제를 저감할 수 있다.
또는, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 의하면, 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 에너지량(전력량)의 증대를 억제하면서, 센서 와이어에의 입력 신호의 신호 강도(펄스 신호의 진폭)를 증대시킬 수 있다. 결과적으로, 단위 시간당의 센서 와이어로부터의 발열량의 증대를 억제하면서, 센서 회로로부터의 출력 신호를 강하게 해서 검출 신호의 S/N비를 높여, 질량 유량의 측정 정밀도를 높일 수 있다.
상기와 같이 소정의 펄스폭 및 소정의 진폭을 갖는 펄스 신호를 센서 와이어에 공급하기 위한 구체적인 방법은 특별히 한정되지 않고, 펄스 신호를 발생시키기 위한 방법으로서 당업자에게 주지의 다양한 방법으로부터 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 소정의 펄스폭 및 소정의 주기를 갖는 펄스 전압을 함수 발생기에 의해 생성한다. 이와 같이 하여 생성된 펄스 전압을, 소정의 전압값을 갖는 발열용 전압을 센서 와이어에 인가하기 위한 배선에 개재 장착된 트랜지스터의 기초로 인가함으로써, 소정의 펄스폭 및 소정의 진폭을 갖는 펄스 전압을 입력 신호로서 센서 와이어에 인가할 수 있다(예를 들어, 도 4를 참조).
단, 상기 예시에 있어서는 소정의 주기를 갖는 펄스 전압을 입력 신호로서 센서 와이어에 인가하는 경우에 대해서 설명했지만, 센서 회로로부터의 출력 신호를 정확하게 검출하는 것이 가능한 한, 펄스 전압이 반드시 소정의 주기로 인가될 필요는 없다. 즉, 상술한 제1 기간 및 제2 기간의 길이는, 각각 반드시 일정할 필요는 없다. 또한, 제1 기간(예를 들어, 펄스 전압의 펄스폭) 및 제2 기간의 길이는, 예를 들어 센서 회로로부터의 출력 신호를 검출하기 위한 검출 수단의 구성 요소(예를 들어, A/D 컨버터 및 샘플 홀드 회로(사용하는 경우) 등)의 응답 속도 등에 기초하여 적절히 설정할 수 있다.
또한, 상기 예시와 같이 소정의 주기를 갖는 펄스 신호를 센서 와이어에 공급하는 경우, 펄스 신호의 주기도 또한, 예를 들어 센서 회로로부터의 출력 신호를 검출하기 위한 검출 수단의 구성 요소(예를 들어, A/D 컨버터 및 샘플 홀드 회로(사용하는 경우) 등)의 응답 속도 등에 기초하여 적절히 설정할 수 있다. 이렇게 설정되는 펄스 신호의 일례로서는, 예를 들어 0.11㎳(밀리 초)의 펄스폭, 8V(또는 24V)의 진폭 및 1.0㎳의 주기(즉, 듀티비=1/9)를 갖는 펄스 전압을 들 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 있어서는, 상기 펄스 신호가 상기 센서 와이어에 공급된 결과로서 상기 센서 회로로부터 출력되는 출력 신호 중, 신호 강도가 상기 제1 강도로 되어 있는 상기 입력 신호에 대응하고 또한 단위 시간당의 신호 강도의 변동폭이 소정의 역치 이하로 되어 있는 부분에 있어서의 출력 신호의 신호 강도로서 취득한다. 예를 들어, 센서 와이어에 펄스 신호(예를 들어, 펄스 전압)를 공급한 결과로서의 센서 회로로부터의 출력 신호(예를 들어, 출력 전압)의 추이를 사전 실험 등에 의해 측정한다. 이 측정 결과에 기초하여, 신호 강도가 제1 강도로 되어 있는 입력 신호에 대응하고 또한 단위 시간당의 신호 강도의 변동폭이 소정의 역치 이하(즉, 대략 일정)로 되는 기간을 미리 특정해 둔다. 이와 같이 하여 특정된 기간 내의 특정한 타이밍(예를 들어, 펄스 전압의 상승으로부터 0.05㎳(밀리 초) 후)에 있어서, 센서 회로로부터 출력되는 출력 신호의 신호 강도(예를 들어, 출력 전압의 값)를 출력 신호 강도로서 취득할 수 있다.
따라서, 소정의 주기를 갖는 펄스 신호를 센서 와이어에 입력 신호로서 공급하는 경우에는, 센서 회로로부터 출력되는 출력 신호의 신호 강도를 출력 신호 강도로서 취득하는 주기를, 센서 와이어에 공급되는 입력 신호로서의 펄스 신호의 주기에 동기시켜도 된다. 구체적으로는, 상기와 같이 센서 회로로부터의 출력 신호의 신호 강도가 대략 일정해지는 기간 내의 특정한 타이밍에서 센서 회로로부터 출력되는 출력 신호의 신호 강도를 출력 신호 강도로서 취득하도록, 센서 회로로부터의 출력 신호를 검출하기 위한 검출 수단을 구성하면 된다. 또한, 예를 들어 센서 회로로부터의 출력 신호를 디지털화하는 A/D 컨버터에의 입력 경로에 샘플 홀드 회로를 설치하여, 센서 회로로부터의 출력 신호를 보다 확실하게 검출하도록 해도 된다. 또한, 센서 회로로부터의 출력 신호의 신호 강도가 대략 일정해졌는지 여부의 판단 기준이 되는 「소정의 역치」는, 예를 들어 센서 회로로부터의 출력 신호를 검출하기 위한 검출 수단의 검출 정밀도 및/또는 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 노이즈의 크기 등을 고려하여, 적절히 정할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 있어서는, 상기 출력 신호 강도에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출한다. 상술한 바와 같이, 센서 회로로부터의 출력 신호는 센서 튜브에 흐르는 유체의 질량 유량에 대응한다. 한편, 전술한 바와 같이, 바이패스는 유체에 대하여 유체 저항을 갖고, 유로에 흐르는 유체 중 일정한 비율의 유체가 센서 튜브에 분기하도록 구성되어 있다. 따라서, 이 비율에 기초하여, 센서 회로로부터의 출력 신호에 대응하는 센서 튜브에 흐르는 유체의 질량 유량으로부터, 유로에 흐르는 유체의 질량 유량을 구할 수 있다.
단, 실제의 열식 질량 유량계에 있어서 유체의 질량 유량을 구하기 위한 연산 처리에 있어서는, 센서 튜브에 흐르는 유체의 질량 유량을 반드시 산출할 필요는 없다. 예를 들어, 센서 회로로부터의 출력 신호 강도와 유로에 흐르는 유체의 질량 유량과의 대응 관계를 사전 실험 등에 의해 미리 특정해 두고, 이 대응 관계에 기초하여, 센서 회로로부터의 출력 신호 강도부터 유로에 흐르는 유체의 질량 유량을 직접적으로 구할 수도 있다.
상기와 같은 연산 처리 및 상술한 바와 같은 센서 와이어에의 입력 신호의 공급 및 센서 회로로부터의 출력 신호의 검출에 관한 제어는, 예를 들어 열식 질량 유량계에 내장된 마이크로컴퓨터 등의 전자 제어 장치를 이용해서 행할 수 있다. 이러한 전자 제어 장치의 상세에 대해서는 당업자에게 주지이므로, 본 명세서에 있어서의 설명은 생략한다.
그런데, 모두에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 지금까지 설명해 온 질량 유량의 측정 방법을 사용하는 열식 질량 유량계에도 관계한다. 이 열식 질량 유량계는, 상기 측정 방법을 실행하기 위한 제어부(예를 들어, 상기 전자 제어 장치 등)를 구비한다.
즉, 본 발명의 제2 실시 형태는,
유체가 흐르는 유로와,
상기 유로의 도중에 설치된 바이패스와,
상기 바이패스의 상류측에 있어서 상기 유로로부터 분기해서 상기 바이패스의 하류측에 있어서 상기 유로에 다시 합류하는 센서 튜브 및 상기 센서 튜브에 흐르는 유체에 대하여 직접 접촉하지는 않고 또한 열전도 가능하게 배치된 한 쌍의 센서 와이어를 포함하는 유량 센서와,
상기 센서 와이어로부터 발열시키기 위한 입력 신호를 상기 센서 와이어에 공급하는 전원과,
상기 센서 와이어를 포함하는 브리지 회로를 구비하는 센서 회로를 구비하는 열식 질량 유량계이며,
상기 전원 및 상기 센서 회로를 제어하는 제1 제어부를 더 구비하고,
상기 제1 제어부가 본 발명의 상기 제1 실시 형태에 따른 방법을 실행함으로써, 상기 유체의 유량을 산출하는, 열식 질량 유량계이다.
상기한 바와 같이 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계는, 본 발명의 상기 제1 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이 적용되는 열식 질량 유량계이다. 따라서, 열식 질량 유량계의 기본적인 구성에 대해서는, 도 1 및 도 2 등을 참조하면서, 본 발명의 상기 제1 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법의 설명에 있어서 이미 설명했으므로, 여기서는 반복해서 설명하지 않는다.
단, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계는, 상기한 바와 같이 상기 전원 및 상기 센서 회로를 제어하는 제1 제어부를 더 구비하고, 상기 제1 제어부가 본 발명의 상기 제1 실시 형태에 따른 방법을 실행함으로써, 상기 유체의 유량을 산출한다. 보다 구체적으로는, 제1 제어부는, 본 발명의 상기 제1 실시 형태에 따른 방법에 있어서의 각종 연산 처리 및 센서 와이어에의 입력 신호로서의 펄스 신호의 공급 및 센서 회로로부터의 출력 신호의 검출에 관한 제어를 실행한다. 이러한 제1 제어부는, 예를 들어 열식 질량 유량계에 내장된 마이크로컴퓨터 등의 전자 제어 장치로서 실장할 수 있다. 또한, 전술한 도 1에 있어서는, 제1 제어부는 제어 수단(130)으로서 도시되어 있다.
따라서, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 의하면, 센서 와이어에 공급되는 펄스 신호에 있어서 신호 강도가 제1 강도가 되는 제1 기간이 도래하고 나서 다음 제1 기간이 도래할 때까지의 기간(즉, 제2 기간)에 있어서는, 신호 강도가 제1 강도보다도 낮은 제2 강도로 되어 있다. 예를 들어, 입력 신호가 펄스 전압일 경우, 센서 와이어에 공급되는 펄스 전압에 있어서, 전압값이 제1 강도(예를 들어, 8V)가 되는 제1 기간과 전압값이 제2 강도(예를 들어, 0(제로)V)가 되는 제2 기간이 교대로 도래한다. 이에 의해, 유체의 유량을 검출할 때 센서 와이어에 공급되고 있는 펄스 신호의 신호 강도(예를 들어, 펄스 전압의 진폭)가 동일해도,(센서 와이어에의 누적 인가 시간 또는 누적 통전 시간이 짧아지므로) 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 에너지량(전력량)을 저감할 수 있다. 결과적으로, 단위 시간당의 센서 와이어로부터의 발열량을 저감할 수 있어, 센서 와이어로부터의 발열에 기인하는 상술한 바와 같은 여러 가지 문제를 저감할 수 있다.
또는, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 의하면, 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 에너지량(전력량)의 증대를 억제하면서, 센서 와이어에의 입력 신호의 신호 강도(예를 들어, 펄스 전압의 진폭)를 증대시킬 수 있다. 결과적으로, 단위 시간당의 센서 와이어로부터의 발열량의 증대를 억제하면서, 센서 회로로부터의 출력 신호를 강하게 해서 검출 신호의 S/N비를 높여, 질량 유량의 측정 정밀도를 높일 수 있다.
그런데, 종래 기술에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 제1 과제로서 전술한 바와 같이, 센서 와이어로부터 발생하는 열에 의한 유량 센서를 구성하는 부재의 경시 변화에 기인하는 제로점 변동 등의 문제가 염려된다. 전술한 바와 같이, 이들 부재 중에서 상기와 같은 문제에의 영향이 큰 것은, 일반적으로 내열성 수지에 의해 구성되는 피복층이다. 따라서, 본 발명의 상기 제1 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법은, 피복층을 갖는 열식 질량 유량계에 적용되는 경우에 큰 효과를 발휘한다.
따라서, 본 발명의 제3 실시 형태는,
본 발명의 상기 제2 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계이며,
상기 센서 튜브의 근방에 상기 센서 와이어가 배치되어 있고,
상기 센서 튜브의 근방에 상기 센서 와이어가 배치된 부분의 주위에 배치된 피복층을 더 포함하는 열식 질량 유량계이다.
본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계가 구비하는 피복층의 구체적인 구성에 대해서는, 도 3 등을 참조하면서, 본 발명의 상기 제1 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법의 설명에 있어서 이미 설명했으므로, 여기서는 반복해서 설명하지 않는다.
상술한 바와 같이, 센서 와이어로부터 발생하는 열에 의한 피복층의 경시 변화는, 열식 질량 유량계의 응답 속도 저하 및/또는 검출 오차의 증대 등의 문제의 큰 원인이 될 수 있다. 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 센서 튜브의 근방에 센서 와이어가 배치되어 있다(예를 들어, 센서 튜브에 센서 와이어가 감겨 있음). 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 이렇게 센서 튜브의 근방에 센서 와이어가 배치된 부분의 주위에 피복층이 배치되어 있지만, 본 발명의 상기 제1 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이 적용된다. 그 결과, 센서 와이어로부터 발생하는 열에 의한 피복층의 경시 변화가 억제되어, 상술한 바와 같은 문제가 방지된다.
그런데, 모두에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법 및 이 방법을 사용하는 열식 질량 유량계뿐만 아니라, 이 열식 질량 유량계를 사용하는 열식 질량 유량 제어 장치에 관한 것이기도 하다. 이 열식 질량 유량 제어 장치는, 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법을 사용하는 열식 질량 유량계에 의해 산출되는 유체의 유량에 기초하여 유량 조절 수단을 제어하여, 유체의 유량을 목표값에 근접시킨다.
즉, 본 발명의 제4 실시 형태는,
본 발명의 상기 제2 또는 상기 제3 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계와,
상기 유로에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유량 조절 수단과,
상기 유량 조절 수단을 제어하는 제2 제어부를 구비하는 열식 질량 유량 제어 장치이며,
상기 제2 제어부가, 상기 열식 질량 유량계에 의해 산출되는 상기 유체의 유량에 기초하여 상기 유량 조절 수단을 제어하여, 상기 유체의 유량을 목표값에 근접시키는, 열식 질량 유량 제어 장치이다.
상기한 바와 같이 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량 제어 장치는, 본 발명의 상기 제2 또는 제3 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계를 구비하는 열식 질량 유량 제어 장치이다. 따라서, 열식 질량 유량계의 기본적인 구성에 대해서는, 도 1 내지 3 등을 참조하면서, 본 발명의 상기 제1 내지 상기 제3 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법 및 이 방법을 사용하는 열식 질량 유량계의 설명에 있어서 이미 설명했으므로, 여기서는 반복해서 설명하지 않는다.
본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량 제어 장치는, 상기한 바와 같이 열식 질량 유량계 이외에, 상기 유로에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유량 조절 수단과, 상기 유량 조절 수단을 제어하는 제2 제어부를 구비한다. 유량 조절 수단은, 유로에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 것이 가능한 한, 특별히 한정되지 않는다. 유량 조절 수단의 구체예로서는, 예를 들어 액추에이터에 의해 개방도를 변경할 수 있는 유량 제어 밸브를 들 수 있다. 제2 제어부도 또한, 유량 조절 수단을 제어하여, 유로에 흐르는 유체의 유량을 증감하는 것이 가능한 한, 특별히 한정되지 않는다. 도 1에 도시되어 있는 예에 있어서는, 열식 질량 유량 제어 장치(100)는, 열식 질량 유량계(110) 이외에, 유로(114)에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유량 조절 수단(120) 및 유량 조절 수단(120)을 제어하는 제2 제어부(도 1에 있어서는, 제어 수단(130)에 포함됨)를 구비한다.
유량 조절 수단(120)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 유량 제어 밸브(121), 구변(122), 다이어프램(123), 액추에이터(124), 밸브 구동 회로(125) 및 도시하지 않은 전원 등을 포함한다. 제어 수단(130)에 포함되는 제2 제어부는, 열식 질량 유량계(110)에 의해 산출되는 유체의 유량에 기초하여 유량 조절 수단(120)을 제어하여, 유체의 유량을 목표값에 근접시킨다. 보다 구체적으로는, 제어 수단(130)에 포함되는 제2 제어부는, 열식 질량 유량계(110)에 의해 산출되는 유체의 유량을 목표값과 비교하고, 그 결과에 따른 제어 신호를 밸브 구동 회로(125)에 송신한다.
예를 들어, 유체의 유량이 목표값보다도 적은 경우에는, 제2 제어부는 액추에이터(124)에 의해 유량 제어 밸브(121)의 개방도를 증가시켜서 유체의 유량을 증가시키도록 밸브 구동 회로(125)에 제어 신호를 보낸다. 반대로, 유체의 유량이 목표값보다도 많은 경우에는, 제2 제어부는 액추에이터(124)에 의해 유량 제어 밸브(121)의 개방도를 저감시켜서 유체의 유량을 저감시키도록 밸브 구동 회로(125)에 제어 신호를 보낸다. 또한, 상기 설명에 있어서는 피드백 방식에 의한 유체의 유량 제어에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량 제어 장치에 의한 유체의 유량 제어는, 피드백 방식에 한정되지 않고, 예를 들어 피드 포워드 방식 등의 다른 제어 방식에 의해 실행해도 된다.
게다가, 도 1에 도시되어 있는 실시 형태에 관한 열식 질량 유량 제어 장치에 있어서는, 제1 제어부 및 제2 제어부가 모두 제어 수단(130)에 포함되어 있었다. 그러나, 이들 제어부 및/또는 다른 제어부는, 그들 모두가 이렇게 하나의 제어 수단으로서 실장되어 있어도 되고, 각각 개별의 제어 수단(제어부)으로서 실장되어 있어도 된다. 또는, 이들 제어부 및/또는 다른 제어부 중 어느 하나는 하나의 제어 수단으로서 실장되어 있고, 나머지 제어부는 다른 제어 수단으로서 통합하거나, 또는 나머지 제어부는 각각 개별의 제어 수단(제어부)으로서 실장되어 있어도 된다.
본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량 제어 장치가 구비하는 열식 질량 유량계에 의하면, 상술한 바와 같이, 센서 와이어로부터 발생하는 열에 의한 유량 센서를 구성하는 부재의 경시 변화 등에 기인하는 제로점 변동 등의 문제를 저감할 수 있다. 그 결과, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량 제어 장치는, 장기간에 걸쳐서 높은 제어 정밀도를 유지할 수 있어, 높은 신뢰성을 발휘할 수 있다.
또는, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량 제어 장치가 구비하는 열식 질량 유량계에 의하면, 상술한 바와 같이, 단위 시간당의 센서 와이어로부터의 발열량의 증대를 억제하면서, 센서 회로로부터의 출력 신호를 강하게 해서 검출 신호의 S/N비를 상승시켜, 질량 유량의 측정 정밀도를 높일 수 있다. 그 결과, 본 실시 형태에 관한 열식 질량 유량 제어 장치는, 신뢰성의 저하 등을 억제하면서, 더 높은 제어 정밀도를 발휘할 수 있다.
이하, 본 발명의 몇 가지 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계의 구성 등에 대해서, 때로 첨부 도면을 참조하면서, 더욱 상세하게 설명한다. 단, 이하에 설명하는 설명은 어디까지나 예시를 목적으로 하는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 설명에 한정되는 것이라고 해석되어서는 안된다.
<실시예 1>
본 실시예에서는, 소정의 펄스폭 및 소정의 진폭을 갖는 펄스 전압을 입력 신호로서 센서 와이어에 공급하는 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 열식 질량 유량계(실시예)와 센서 와이어에 직류 전압을 (연속적으로) 인가하는 종래 기술에 관한 열식 질량 유량계(비교예)를 비교하였다. 구체적으로는, 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 전력량을 일치시킨 상태에 있어서, 실시예 및 비교예에 관한 각각의 열식 질량 유량계가 구비하는 센서 회로로부터의 출력 신호 강도로서의 출력 전압을 동일 조건 하에서 비교하였다.
(1) 열식 질량 유량계의 구성
실시예 및 비교예의 어느 쪽에 대해서도, 도 1에 도시되어 있는 구성을 갖는 열식 질량 유량 제어 장치로서 하였다. 따라서, 이들 열식 질량 유량 제어 장치의 구성에 대해서는, 이미 설명되어 있으므로, 여기서는 반복해서 설명하지 않는다. 또한, 실시예 및 비교예의 어느 쪽에 있어서도, 센서 와이어의 재료로서는 니켈과 철의 합금을 사용하고, 센서 튜브의 재료로서는 전술한 SUS316을 사용하고, 피복층의 재료로서는 폴리이미드를 사용하였다.
(2) 센서 회로의 구성
본 실시예에서는, 상술한 바와 같이, 실시예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는 센서 와이어에 펄스 전압을 인가하고, 비교예에 관한 각각의 열식 질량 유량계에 있어서는 센서 와이어에 직류 전압을 인가하고, 각각의 열식 질량 유량계가 구비하는 센서 회로로부터의 출력 전압을 동일 조건 하에서 비교한다. 그래서, 본 실시예에서는, 도 4에 도시하는 센서 회로를 채용하였다. 도 4는, 전술한 바와 같이, 실시예에 관한 열식 질량 유량계와 비교예에 관한 열식 질량 유량계와의 비교를 위해서 사용한 센서 회로의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 4에 있어서, 도 2에 도시되어 있는 센서 회로의 구성 요소에 대응하는 구성 요소에는, 도 2와 동일 부호가 붙여져 있다.
우선, 실시예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 스위치 SW를 OFF로 한(개방한) 상태로, 센서 와이어를 발열시키기 위한 전압으로서 점 P와 점 N 사이에 24V의 전압을 인가하였다(점 P측을 +12V, 점 N측을 -12V로 했음). 또한, 함수 발생기에 의해 생성된 0.11㎳(밀리 초)의 펄스폭 및 1.0㎳의 주기를 갖는 펄스 전압(즉, 듀티비=1/9)을 점 P와 센서 와이어 사이에(스위치 SW와 병렬로) 개재 장착된 트랜지스터의 베이스에 인가하였다. 이와 같이 하여, 실시예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 0.11㎳의 펄스폭 및 24V의 진폭을 갖는 펄스 전압을 1.0㎳의 주기로 센서 와이어에 인가하였다(도 5의 (a)를 참조).
한편, 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 스위치 SW를 ON으로 한(폐쇄한) 상태에서, 센서 와이어를 발열시키기 위한 전압으로서 점 P와 점 N 사이에 8V의 전압을 인가하였다. 이렇게 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 스위치 SW를 폐쇄한 상태에서 상기 8V의 전압을 직류 전압으로서 (연속적으로) 센서 와이어에 인가하였다(즉, 듀티비=1/1)
상기한 바와 같이 실시예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서 센서 와이어에 인가되는 전압(24V)은 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서 센서 와이어에 인가되는 전압(8V)의 3배이다. 한편, 실시예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서 센서 와이어에 인가되는 전압의 듀티비(1/9)는 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서 센서 와이어에 인가되는 전압의 듀티비(1/1)의 1/9이다. 따라서, 실시예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 전력량은, 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 전력량과 동일하다.
또한, 본 실시예에서는, 실험을 용이하게 할 목적으로, 상기와 같이 스위치 SW를 점 P와 센서 와이어(117) 사이에 개재 장착하였다. 이에 의해, 본 발명에 따른 실시예로서의 열식 질량 유량계의 작동과, 종래 기술에 관한 비교예로서의 열식 질량 유량계의 작동을, 하나의 센서 회로에 있어서 전환해서 실현하는 것이 가능하게 된다. 그러나, 이와 같은 구성은 어디까지나 실험을 용이하게 하기 위해서 도입된 것이며, 이와 같은 구성이 본 발명의 실시에 필수적이라고 해석되어서는 안 된다.
(3) 실험 장치의 구성
이어서, 도 6에 도시되어 있는 실험 장치를 사용하여, 상술한 바와 같이 구성된 실시예 및 비교예에 관한 각각의 열식 질량 유량계에 있어서의 질량 유량의 계측 실험을 행하였다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 유체로서는 질소 가스(N2)를 사용하였다. 또한, 유체가 흐르는 유로의 상류 측부터 순서대로 이 실험 장치에 있어서의 유체의 유량을 제어하는 기준으로서의 질량 유량 제어 장치(기준 MFC)와 시험용 질량 유량 제어 장치(시험용 MFC)로서의 실시예 또는 비교예에 관한 열식 질량 유량계를 직렬로 배치하였다.
상기와 같은 구성을 갖는 실험 장치에 있어서, 기준 MFC의 입구측의 유로에 있어서의 유체의 압력은 0.2㎫로 조절하고, 시험용 MFC의 출구측의 유로에 있어서의 유체의 압력은 대기압으로 하였다(출구측의 유로는 개방하였다). 또한, 기준 MFC에 있어서, 유체로서의 질소 가스(N2)의 최대 유량은 3slm으로 하고, 기준 MFC의 유량 조절 수단(유량 제어 밸브)을 제어하여, 이 최대 유량의 0%, 10%, 30%, 40%, 50%, 60% 및 67%의 설정 유량에 있어서 유체를 흘리고, 각각의 설정 유량에 있어서의 시험용 MFC에 의한 유량 측정의 결과를 기록하였다. 이때, 시험용 MFC의 유량 조절 수단(유량 제어 밸브)은 완전 개방으로 하였다. 즉, 본 실시예에 있어서, 시험용 MFC는, 질량 유량 제어 장치(MFC)로서가 아니고, 질량 유량계(MFM)로서 작동시켰다.
상기 계측 실험에 있어서, 실시예에 관한 열식 질량 유량계가 구비하는 센서 회로로부터 연산 증폭기를 통해서 출력되는 출력 신호는, 예를 들어 도 5의 (b)에 도시되어 있는 바와 같은 파형을 나타냈다. 이 출력 신호의 파형에 있어서는, 센서 와이어에 인가되는 펄스 전압의 상승 및 하강 시에 스파이크 형상의 파형이 확인되지만, 펄스 전압의 상승 후, 소정의 기간이 경과하면, 출력 신호의 파형은 평탄(대략 일정)해진다. 본 실시예에서는, A/D 컨버터를 펄스 전압과 동기시켜서, 펄스 전압의 상승으로부터 0.05㎳(밀리 초) 후에 검출되는 전압의 값을 출력 신호 강도로서 샘플링하였다. 또한, 상기 스파이크 형상의 파형은, 센서 튜브에 코일 형상으로 감긴 센서 와이어의 인덕턴스에 기인한다고 생각된다. 또한, 상기 「대략 일정」이란, 전술한 바와 같이, 단위 시간당의 신호 강도의 변동폭이 소정의 역치 이하로 되어 있는 상태를 가리킨다. 즉, 도 5의 (b)에 도시되어 있는 파형에는 나타나 있지 않지만, 출력 신호의 평탄부에 있어서도, 예를 들어 노이즈에 기인하는 신호 강도의 약간의 변동이 있을 수 있는 것은 물론이다.
한편, 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 상술한 바와 같이 직류 전압을 센서 와이어에 인가했으므로, 센서 회로로부터 연산 증폭기를 통해서 출력되는 출력 신호도 또한, 종래 기술에 관한 열식 질량 유량계와 마찬가지로 직류 전압이었다. 따라서, 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 이렇게 직류 전압으로서 출력되는 출력 신호의 전압값을 출력 신호 강도로서 샘플링하였다.
(4) 측정 결과
상기와 같이 해서 측정된 여러 가지 설정 유량에 있어서의 실시예 및 비교예에 관한 각 열식 질량 유량계가 구비하는 센서 회로로부터의 출력 신호 강도(출력 전압값) 및 실시예에 있어서의 출력 신호 강도의 비교예에 있어서의 출력 신호 강도에 대한 비(E/C)를 이하의 표 1에 열거한다.
Figure 112016093538054-pct00001
표 1에 나타나 있는 실시예 및 비교예에 관한 각 열식 질량 유량계가 구비하는 센서 회로로부터의 출력 신호 강도(출력 전압값)와 설정 유량과의 관계를 플롯한 그래프를 도 7에 나타낸다. 표 1 및 도 7로부터 명확한 바와 같이, 실시예 및 비교예에 관한 어떠한 열식 질량 유량계에 있어서도, 센서 회로로부터의 출력 신호 강도는 설정 유량에 거의 비례하고 있었다. 또한 어떠한 열식 질량 유량계에 있어서도, 센서 회로로부터의 출력 파형의 평탄부에 있어서의 노이즈의 진폭은, 출력 전압값의 크기에 관계없이, 약 0.1V로 일정하였다.
실시예 및 비교예에 관한 각 열식 질량 유량계에 있어서 얻어진 출력 신호 강도를 비교하면, 예를 들어 50%(즉, 1.5slm)의 설정 유량에 있어서, 실시예에 관한 열식 질량 유량계의 출력 신호 강도는 1.031V이었던 데 반해, 비교예에 관한 각 열식 질량 유량계의 출력 신호 강도는 0.364V이었다. 이와 같이, 어떠한 설정 유량에 있어서도, 실시예에 관한 열식 질량 유량계의 출력 신호 강도의 비교예에 관한 각 열식 질량 유량계의 출력 신호 강도에 대한 배율은, 센서 와이어에의 인가 전압의 배율과 동등한 약 3배였다.
(5) 평가
실시예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 비교예에 관한 각 열식 질량 유량계와 비교하여, 센서 와이어에의 인가 전압의 크기가 3배로 증대되어 있고, 그 결과, 상기한 바와 같이 센서 회로로부터의 출력 신호 강도도 또한 약 3배로 증대되었다. 한편, 상술한 바와 같이, 어떠한 열식 질량 유량계에 있어서도, 센서 회로로부터의 출력 파형의 평탄부에 있어서의 노이즈의 진폭은, 출력 신호 강도의 크기에 관계없이, 약 0.1V로 일정하였다. 따라서, 실시예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 비교예에 관한 각 열식 질량 유량계와 비교하여, 유량 측정에 있어서의 S/N비가 약 3배로 개선되었다.
한편, 전술한 바와 같이, 실시예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 전력량은, 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 전력량과 동일하다. 따라서, 전술한 바와 같은 센서 와이어로부터의 발열에 의해 센서 튜브 및 유체를 가열하는 것에 수반하는 유량 센서를 구성하는 부재의 경시 변화 등에 기인하는 제로점 변동 등의 문제는, 적어도 악화되지는 않는다. 즉, 실시예에 관한 열식 질량 유량계에 의하면, 유량 센서를 구성하는 부재의 경시 변화 등에 기인하는 제로점 변동 등의 문제의 악화를 억제하면서, 센서 회로로부터의 출력 신호를 강하게 해서 검출 신호의 S/N비를 높여, 질량 유량의 측정 정밀도를 높일 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 본 실시예에서는, 상기한 바와 같이 센서 와이어에 공급되는 에너지량(전력량)을 일정하게 유지하면서, 센서 와이어에 공급되는 입력 신호의 신호 강도(예를 들어, 펄스 전압의 진폭)를 증대시킴으로써, 센서 와이어로부터의 발열에 기인하는 여러 가지 문제의 악화를 억제하면서, 센서 회로로부터의 검출 신호의 S/N비를 높여, 질량 유량의 측정 정밀도를 높였다. 그러나, 본 발명에 의해 센서 와이어에 공급되는 입력 신호의 신호 강도(예를 들어, 전압값)를 일정하게 유지하면서, 펄스 신호의 듀티비를 작게 해서 센서 와이어에 공급되는 에너지량(전력량)을 감소시켜도 된다. 이 경우, 센서 회로로부터의 출력 신호의 신호 강도의 저하를 억제하면서, 단위 시간당 센서 와이어에 공급되는 에너지량(전력량)을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 센서 회로로부터의 검출 신호의 S/N비의 저하를 억제해서 질량 유량의 측정 정밀도의 저하를 억제하면서, 유량 센서를 구성하는 부재의 경시 변화 등에 기인하는 제로점 변동 등의 문제를 경감할 수 있다.
상기에 있어서, 센서 회로로부터의 출력 신호의 강도를 완전히 유지해서 질량 유량의 측정 정밀도를 완전히 유지하고자 하는 경우에는, 펄스 전압의 듀티비의 저감에 의한 센서 와이어에의 공급 전력의 감소 효과가 상실되지 않는 범주에 있어서, 센서 와이어에 인가되는 펄스 전압의 진폭을 증대시켜도 된다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 센서 와이어에 공급되는 펄스 신호의 진폭 및 듀티비 각각을 적절하게 조정함으로써, 센서 와이어로부터의 발열에 기인하는 여러 가지 문제의 정도와 질량 유량의 측정 정밀도를 적합하게 밸런스시킬 수 있다.
<실시예 2>
본 실시예에서는, 실시예 1에 있어서의 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서 스위치 SW를 조작하여, 모두에서 설명한 바와 같이 센서 회로로부터의 출력 신호를 취득하는 기간에 있어서만 센서 와이어에 직류 전력을 공급함으로써 센서 와이어에 있어서의 소비 전력을 저감하는 것을 시도하였다. 그래서, 실시예 1에 있어서의 비교예에 관한 열식 질량 유량계에 있어서, 센서 와이어에의 전력 공급의 개시 및 정지로부터 열적 평형 상태에 도달할 때까지 필요로 하는 기간을 측정하였다.
상기한 결과, 상기 열식 질량 유량계에 있어서, 소정의 직류 전압(8V)을 센서 와이어에 인가하기 시작하고 나서부터, 센서 회로로부터의 출력 신호의 강도가 안정될(열적 평형 상태에 도달할) 때까지 필요로 한 기간은 대략 10초였다. 반대로, 상기 열식 질량 유량계에 있어서, 소정의 직류 전압(8V)의 센서 와이어에의 인가를 정지하고 나서, 센서 회로로부터의 출력 신호의 강도가 안정될(열적 평형 상태에 도달할) 때까지 필요로 한 기간도 또한 대략 10초였다.
따라서, 상기 열식 질량 유량계에 있어서 모두에서 설명한 종래 기술과 같이 센서 와이어에 직류 전력을 단속적으로 공급하는 경우, 대략 20초(=10초+10초)에 1회밖에 유체의 질량 유량을 측정할 수 없다. 이러한 측정 빈도가, 유체의 정확한 유량을 항상 감시하는 것이 요망되는 용도(예를 들어, 반도체의 제조 프로세스에 있어서 챔버 내에 공급되는 유체(프로세스 가스)의 질량 유량을 측정하는 용도 등)에는 불충분함은 물론이다. 즉, 모두에서 설명한 종래 기술에 관한 방법을 상기 열식 질량 유량계에 적용해도, 센서 와이어에 있어서의 소비 전력을 저감할 수는 있지만, 유체의 정확한 유량을 시의적절하게 측정할 수는 없다.
한편, 실시예 1에 있어서의 실시예(본 발명)에 관한 열식 질량 유량계에 있어서는, 상술한 바와 같이 0.11㎳의 펄스폭 및 24V의 진폭을 갖는 펄스 전압을 1.0㎳의 주기로 센서 와이어에 인가한다. 이 경우도, 상기 열식 질량 유량계의 열시상수는 동일하고, 열적 평형 상태에 도달할 때까지 필요로 하는 기간도 또한 대략 10초이다. 따라서, 이 경우, 열적 평형 상태에 도달할 때까지 필요로 하는 기간에 있어서 약 10000회(=10초/1.0㎳)의 유량 측정이 행하여진다.
또한, 실시예 1에 있어서 설명한 바와 같이, 개개의 펄스에 있어서, 펄스 전압의 상승 후, 소정의 기간(0.05㎳)이 경과해서 출력 신호의 파형이 평탄(대략 일정)해졌을 때 검출되는 전압의 값이 출력 신호 강도로서 취득된다. 즉, 개개의 펄스에 있어서는, 순간적 또한 국소적으로는 열적 평형 상태에 도달해 있고, 이러한 열적 평형 상태에 있어서의 유체의 질량 유량이 매우 짧은 주기(1.0㎳)로 시시각각 측정된다. 따라서, 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법에 의하면, 펄스 신호를 입력 신호로서 센서 와이어에 공급함으로써, 유체의 질량 유량을 대략 연속적으로 측정할 수 있다.
게다가, 실시예 1에 있어서 설명한 바와 같이, 센서 와이어에 공급되는 펄스 신호의 진폭 및 듀티비 각각을 적절하게 조정함으로써, 센서 와이어에 있어서의 소비 전력의 저감 효과와 질량 유량의 측정 정밀도의 향상 효과를 적합하게 밸런스시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 설명하는 것을 목적으로 하여, 특정한 구성을 갖는 몇 가지의 실시 형태에 대해서 설명해 왔지만, 본 발명의 범위는, 이들 예시적인 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 특허 청구 범위 및 명세서에 기재된 사항의 범위 내에서, 적절히 수정을 가할 수 있음은 물론이다.
100 : 열식 질량 유량 제어 장치
110 : 열식 질량 유량계
111 : 센서 회로
112 : 피복층
112a : 제1 피복층
112b : 제2 피복층
112c : 제3 피복층
112d 제4 피복층
113 : 전원
114 : 유로
115 : 바이패스
116 : 센서 튜브
117 및 118 : 센서 와이어
117′ 및 118′ : 저항 소자
119 : 연산 증폭기
120 : 유량 조절 수단
121 : 유량 제어 밸브
122 : 구변
123 : 다이어프램
124 : 액추에이터
125 : 밸브 구동 회로
130 : 제어 수단

Claims (6)

  1. 가스인 유체가 흐르는 유로와,
    상기 유로의 도중에 설치된 바이패스와,
    상기 바이패스의 상류측에 있어서 상기 유로로부터 분기해서 상기 바이패스의 하류측에 있어서 상기 유로에 다시 합류하는 센서 튜브 및 상기 센서 튜브에 흐르는 상기 유체에 대하여 직접 접촉하지는 않고 또한 열전도 가능하게 배치된 한 쌍의 센서 와이어를 포함하는 유량 센서와,
    상기 센서 와이어로부터 발열시키기 위한 입력 신호를 상기 센서 와이어에 공급하는 전원과,
    상기 센서 와이어를 포함하는 브리지 회로를 구비하는 센서 회로를 구비하는 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법이며,
    열적 평형 상태에 도달하여 상기 센서 회로로부터 출력된 출력 신호의 강도가 안정될 때까지 필요한 기간인 측정 기간에 있어서 신호 강도가 제1 강도가 되는 기간인 제1 기간과 신호 강도가 0(제로)이 되는 기간인 제2 기간이 교대로 복수 회 나타나도록 신호 강도가 경시적으로 변화되는 펄스 신호를 상기 입력 신호로서 상기 센서 와이어에 공급하는 것,
    상기 펄스 신호가 상기 센서 와이어에 공급된 결과로서 상기 센서 회로로부터 출력되는 상기 출력 신호 중, 신호 강도가 상기 제1 강도로 되어 있는 상기 입력 신호에 대응하고 또한 단위 시간당의 신호 강도의 변동폭이 소정의 역치 이하로 되어 있는 부분에 있어서의 상기 출력 신호의 신호 강도를 출력 신호 강도로서 취득하는 것 및
    상기 출력 신호 강도에 기초하여, 상기 유체의 유량을 산출하는 것을 포함하는 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 강도는, 상기 입력 신호로서의 상기 펄스 신호에 의해 상기 센서 와이어에 단위 시간당 공급된 전력량과 같은 전력량을 상기 센서 와이어에 단위 시간당 공급하는 것이 가능한 상기 입력 신호로서의 직류 전력의 신호 강도보다 큰, 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력 신호로서의 상기 펄스 신호에 의해 상기 센서 와이어에 단위 시간당 공급된 전력량은, 상기 제1 강도와 같은 신호 강도를 갖는 직류 전력을 상기 입력 신호로 하는 경우에 상기 센서 와이어에 단위 시간당 공급된 전력량보다 작은, 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법.
  4. 가스인 유체가 흐르는 유로와,
    상기 유로의 도중에 설치된 바이패스와,
    상기 바이패스의 상류측에 있어서 상기 유로로부터 분기해서 상기 바이패스의 하류측에 있어서 상기 유로에 다시 합류하는 센서 튜브 및 상기 센서 튜브에 흐르는 상기 유체에 대하여 직접 접촉하지는 않고 또한 열전도 가능하게 배치된 한 쌍의 센서 와이어를 포함하는 유량 센서와,
    상기 센서 와이어로부터 발열시키기 위한 입력 신호를 상기 센서 와이어에 공급하는 전원과,
    상기 센서 와이어를 포함하는 브리지 회로를 구비하는 센서 회로를 구비하는 모세관 가열형 열식 질량 유량계이며,
    상기 전원 및 상기 센서 회로를 제어하는 제1 제어부를 더 구비하고,
    상기 제1 제어부가 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 모세관 가열형 열식 질량 유량계에 있어서의 유량의 측정 방법을 실행함으로써, 상기 유체의 유량을 산출하는, 모세관 가열형 열식 질량 유량계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서 튜브의 근방에 상기 센서 와이어가 배치되어 있고,
    상기 센서 튜브의 근방에 상기 센서 와이어가 배치된 부분의 주위에 배치된 피복층을 더 포함하는 모세관 가열형 열식 질량 유량계.
  6. 제4항에 기재된 모세관 가열형 열식 질량 유량계와,
    상기 유로에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유량 조절 수단과,
    상기 유량 조절 수단을 제어하는 제2 제어부를 구비하는 열식 질량 유량 제어 장치이며,
    상기 제2 제어부가, 상기 열식 질량 유량계에 의해 산출되는 상기 유체의 유량에 기초하여 상기 유량 조절 수단을 제어하여, 상기 유체의 유량을 목표값에 근접시키는, 모세관 가열형 열식 질량 유량 제어 장치.
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