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KR102266217B1 - 열식 유량계, 온도 측정 장치 및 열식 유량계용 프로그램 - Google Patents

열식 유량계, 온도 측정 장치 및 열식 유량계용 프로그램 Download PDF

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KR102266217B1
KR102266217B1 KR1020157033896A KR20157033896A KR102266217B1 KR 102266217 B1 KR102266217 B1 KR 102266217B1 KR 1020157033896 A KR1020157033896 A KR 1020157033896A KR 20157033896 A KR20157033896 A KR 20157033896A KR 102266217 B1 KR102266217 B1 KR 102266217B1
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다카시 시라이
히로유키 오카노
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가부시키가이샤 호리바 에스텍
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Abstract

환경 온도에 따라서 변화하는 제로점 오차, 스팬 오차를 종래보다도 정밀도 좋게 보정할 수 있음과 아울러, 공통의 산출식에 의해서 보정에 이용되는 보정량을 유체의 종류에 의존하지 않고 간단하게 산출할 수 있어, 식별의 수고 등을 경감시킬 수 있는 열식 유량계를 제공하기 위해서, 측정 대상의 유체가 흐르는 유로와, 상기 유로의 상류측에 마련된 상류측 전기 저항 소자와, 상기 유로의 하류측에 마련된 하류측 전기 저항 소자와, 상기 상류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 상류측 전압, 상기 하류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 하류측 전압, 및 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부를 구비했다.

Description

열식 유량계, 온도 측정 장치 및 열식 유량계용 프로그램{THERMAL FLOW METER, TEMPERATURE MEASUREMENT DEVICE, AND THERMAL FLOW METER PROGRAM}
본 발명은 측정 대상의 유체(流體)가 흐르는 유로(流路)에 2개의 전기 저항 소자를 마련하고, 이들 전기 저항 소자에 열을 가하기 위해서 인가되는 전압에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 측정하는 열식(熱式) 유량계 및 그 열식 유량계에 이용되는 프로그램에 관한 것이다.
예를 들면 정온도(定溫度) 구동 방식의 열식 유량계는, 유로의 상류측과 하류측의 각각에 마련된 전기 저항 소자의 온도가 일정하게 되도록 인가되는 전압이 제어되고, 그 때의 상류측 전압과 하류측 전압에 기초하여 유로를 흐르는 유체의 유량이 산출되도록 구성하고 있다. 보다 구체적으로는, 유량은 식 1에 나타내지는 것처럼 상류측 전압과 하류측 전압의 차인 전압차를, 상류측 전압과 하류측 전압의 합으로 나눈 센서 출력으로부터 구해지고 있다.
[수 1]
Figure 112015116005418-pct00001
여기서, Q：유량, Sens：결정(determine) 상수, Vu：상류측 전압, Vd：하류측 전압, (Vu－Vd)/(Vu＋Vd)：센서 출력이다.
식 1에 대해 정성적(定性的)으로 설명하면, Vu－Vd는 유로를 흐르는 유체의 유량과 온도에 의존하여 변화하는 값이고, Vu＋Vd는 거의 온도에 의존하여 변화하는 값이므로, (Vu－Vd)/(Vu＋Vd)는 이상적(理想的)으로는 유체의 유량에만 의존하여 변화한다고 생각할 수 있다.
그런데, 실제로는 측정 대상의 유체의 종류, 환경 온도나 유체의 온도 등의 영향에 따라서 식 1에서 산출되는 유량에는 제로점 오차나 스팬(span) 오차가 생기게 된다.
예를 들면, 유체가 흐르고 있지 않은 상태에서도 환경 온도가 변화하면 Vu－Vd의 제로점 출력이 변화하여, 식 1에 의해 산출되는 유량 Q는 제로가 되지 않게 되어 버린다.
이 때문에, 특허 문헌 1 등에 제시되는 것처럼 온도 지표로서 Vu＋Vd를 포함한 제로점 보정 함수 M을 정의하여, 유체가 흐르고 있지 않은 경우에는 ((Vu－Vd)/(Vu＋Vd))－M의 값이 환경 온도에 의존하지 않고 제로가 되도록 하여, 제로점 보정을 행하고 있는 것이 있다.
그렇지만, 제로점 보정 함수 M의 변수로서 이용하고 있는 온도 지표 Vu＋Vd는, 일부의 온도 대역에 대해서만 밖에 리니어 특성을 가지고 있지 않기 때문에, 특허 문헌 1의 제로점 보정 방법을 이용한다고 해도 15℃~35℃의 범위에서 밖에 충분한 제로점 보정을 행하지 못하고, 15℃~60℃ 등과 같이 보다 넓은 온도 대역에서의 제로점 보정을 실현하지 못하였다.
또, 제로점 보정 함수 M은 유체의 종류의 영향을 받기 때문에, 유체의 종류마다 다르다. 따라서 측정 대상인 유체의 종류마다 제로점 보정 함수 M을 미리 식별(同定)해 둘 필요가 있어, 실제의 측정에서는 매우 시간이 든다. 바꾸어 말하면, 종래에 있어서는 제로점 보정 함수 M과 유체의 종류의 사이의 관계성을 잘 알고 있지 않기 때문에, 각 종류에 대해서 제로점 보정 함수 M을 정확하게 식별하는 등의 작업을 행하지 않으면 정밀도가 좋은 보정을 행할 수 없었다.
이러한 문제는 식 1 등으로 산출되는 유량의 스팬 보정을 행하는 경우에도 마찬가지로 일어날 수 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특허 2875919호 공보
본 발명은 상술한 것 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 환경 온도에 따라서 변화하는 제로점 오차, 스팬 오차를 종래보다도 정밀도 좋게 보정할 수 있음과 아울러, 공통의 산출식에 의해서 보정에 이용되는 보정량을 유체의 종류에 의존하지 않고 간단하게 산출할 수 있어, 식별의 수고 등을 경감시킬 수 있는 열식 유량계 및 열식 유량계용 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 열식 유량계는 측정 대상의 유체가 흐르는 유로와, 상기 유로의 상류측에 마련된 상류측 전기 저항 소자와, 상기 유로의 하류측에 마련된 하류측 전기 저항 소자와, 상기 상류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 상류측 전압, 상기 하류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 하류측 전압, 및 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부를 구비한 것을 특징한다.
그리고 본 발명은 본원 발명자 등이 열식 유량계에 있어서의 제로점 오차나 스팬 오차는 실은 측정 대상의 열전도율과 밀접한 관계가 있으며, 이 열전도율을 파라미터로서도 이용함으로써 출력되는 유량의 정밀도를 종래와 비교하여 높일 수 있다는 것을 예의 검토한 결과 처음으로 발견한 것에 의해서 이루어진 것이다.
이러한 것이면, 제로점 오차나 스팬 오차와 밀접한 관계에 있는 유체의 열전도율을 유량의 출력에 이용하고 있으므로, 종래보다도 출력되는 유량을 실제의 유량에 가까운 값으로 할 수 있다.
또, 열전도율을 이용함으로써 유체 타입이 다르더라도 환경 온도의 변화 등에 따라서 변화해 버리는 제로점 오차나 스팬 오차에 따른 보정량을 공통의 연산식에 의해서 산출하는 것이 가능해진다. 따라서 제로점 오차나 스팬 오차를 저감시키기 위해서 미리 보정량을 식별하는 것 같은 수고를 종래에 비해 저감시킬 수 있다.
열전도율을 이용함으로써 정밀도가 좋은 제로점 보정을 실현할 수 있도록 하려면, 상기 유량 산출부가, 상기 상류측 전압과 상기 하류측 전압의 차인 전압차에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량과 상관하는 센서 출력을 산출하는 센서 출력 산출부와, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 센서 출력의 제로점 보정량을 산출하는 제로점 보정량 산출부와, 적어도 상기 센서 출력과 상기 제로점 보정량에 기초하여, 보정된 유량을 산출하는 보정 산출부를 구비한 것이면 좋다.
환경 온도가 넓은 온도 대역에서 변화했다고 하더라도 유체가 멈춰 있는 경우에는 열식 유량계로부터 출력되는 유량이 제로가 되도록 하기 위한 구체적인 구성으로서는, 상기 제로점 보정량 산출부가, 상기 유로에 상기 측정 대상의 유체가 흐르고 있지 않은 경우에 있어서 소정의 온도 대역에서 상기 센서 출력과의 차가 제로가 되도록 정해진 온도의 함수인 제로점 보정 온도 함수를 기억하는 제로점 보정 온도 함수 기억부와, 상기 상류측 전압 및 상기 하류측 전압으로부터 산출되는 보정 전 온도 지표와, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율로부터 산출되는 보정 상수에 적어도 기초하여 보정 후 온도 지표를 산출하는 보정 후 온도 지표 산출부와, 상기 보정 후 온도 지표로부터 현재 온도를 산출하는 현재 온도 산출부와, 상기 제로점 보정 온도 함수와, 상기 현재 온도로부터 제로점 보정량을 결정하는 제로점 보정량 결정부를 구비한 것을 들 수 있다. 이러한 것이면, 열전도율로부터 산출되는 보정 상수에 의해 환경 온도의 변화에 대해서 대략 비례하여 변화하는 보정 후 온도 지표를 산출할 수 있으므로, 환경 온도를 정확하게 파악한 상태에서 상기 제로점 보정 온도 함수로부터 현재 상태(現狀)에 맞는 제로점 보정량을 얻을 수 있다. 따라서 온도계를 마련하는 일 없이도, 열식 유량계로 얻어지는 데이터만으로 정확한 제로점 보정을 행하여 출력되는 유량의 정밀도를 높일 수 있다.
유체의 종류에 의존하지 않고 열전도율을 알 수 있으면 산출식으로부터 상기 보정 상수를 얻어지도록 하여, 예를 들면 유체의 종류가 바뀔 때마다 보정 상수의 식별 실험을 행할 필요가 없도록 하려면, 상기 보정 상수가, 열전도율의 역수의 2승에 기초하여 산출되는 값이면 좋다.
환경 온도가 변화한 경우에 있어서 넓은 온도 대역에서 보정 전 온도 지표가 양호한 리니어 특성을 나타내도록 하여, 정확한 온도로부터 제로점 보정 온도 함수로부터 현재의 상태에 맞는 보정량이 얻어지도록 하려면, 상기 보정 전 온도 지표가, 상류측 전압과 하류측 전압의 합의 2승, 또는 상류측 전압의 2승과 하류측 전압의 2승의 합이면 좋다.
상기 보정 상수가 환경 온도뿐만이 아니라, 실제로 흐르고 있는 유량의 영향도 반영한 것으로 하여, 보다 현재 상태에 적절한 제로점 보정량이 얻어지도록 하려면, 상기 보정 후 온도 지표 산출부가, 상기 보정 전 온도 지표, 상기 보정 상수, 및 센서 출력에 기초하여 상기 보정 후 온도 지표를 산출하는 것이면 좋다.
환경 온도, 실제의 유량, 유체의 종류 등의 영향을 받지 않고 대략 항상 제로점 오차가 보정된 유량이 출력되도록 하려면, 상기 유량 산출부가 하기 식 2에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 출력하는 것이면 좋다.
[수 2]
Figure 112015116005418-pct00002
여기서, t：온도, G(t)：유량의 온도 함수, Vu：상류측 전압, Vd：하류측 전압, (Vu－Vd)/(Vu＋Vd)：센서 출력, F(t)：제로점 보정 온도 함수, a, b, c, d：제로점 보정 온도 함수의 각 계수, Y：보정 후 온도 지표, e, f：보정 후 온도 지표를 온도의 일차식으로서 나타냈을 때의 기울기와 절편, (Vu＋Vd)2：보정 전 온도 지표, K：보정 상수, SET：풀스케일(full-scale)에 대한 센서 출력의 비율이다.
환경 온도가 변화하면 그것에 따라서 변화하는 것 같은 스팬 오차에 대해서도 정밀도 좋게 보정할 수 있도록 하려면, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 센서 출력의 스팬 보정량을 산출하는 스팬 보정량 산출부를 추가로 구비하고, 상기 보정 산출부가, 적어도 상기 센서 출력과 상기 스팬 보정량에 기초하여, 보정된 유량을 산출하도록 구성된 것이면 좋다.
스팬 오차 중 환경 온도의 변화에 따라서만 생기는 성분과, 상기 측정 대상의 유체의 특성에 의해서 생기는 성분의 양쪽을 정밀도 좋게 보정할 수 있도록 하여, 유량의 정밀도를 높일 수 있도록 하려면, 상기 스팬 보정량이, 온도에만 의존하여 변화하는 공통 스팬 보정 성분과, 적어도 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 의존하여 변화하는 유체 고유 스팬 보정 성분으로 구성되어 있으면 좋다.
상기 측정 대상의 유체의 종류마다에 따른 스팬 보정을 정밀도 좋게 행할 수 있도록 하려면, 상기 유체 고유 스팬 보정 성분이, 상기 열전도율과, 상기 센서 출력과, 온도를 변수로 하는 함수로서 정의된 것이면 좋다.
상기 측정 대상의 유체가 흐르는 유로의 구조 등에 의한 유량으로의 영향도 보정할 수 있도록 하려면, 상기 유로가, 유체 저항 소자가 마련되어 있고, 상기 측정 대상의 유체가 흐르는 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로에 대해서 상기 유체 저항 소자의 전후(前後)를 접속하도록 마련되어 있고, 외측에 상기 상류측 전기 저항 소자 및 상기 하류측 전기 저항 소자가 마련된 센서 유로로 이루어지고, 상기 스팬 보정량이, 상기 바이패스 유로에 따른 보정을 행하기 위한 바이패스 스팬 보정 성분을 추가로 포함하고, 당해 바이패스 스팬 보정 성분이 적어도 상기 측정 대상의 유체의 열전도율을 변수로 하는 함수이면 좋다.
환경 온도, 실제의 유량, 유체의 종류에 따라서 변화하는 스팬 오차를 정밀도 좋게 보정할 수 있도록 하기 위한 구체적인 식으로서는, 상기 유량 산출부가 하기 식 3에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 출력하는 것이면 좋다.
[수 3]
Figure 112015116005418-pct00003
여기서, t：온도, G(t)：유량의 온도 함수, Vu：상류측 전압, Vd：하류측 전압, (Vu－Vd)/(Vu＋Vd)：센서 출력, F(t)：제로점 보정 온도 함수, a, b, c, d：제로점 보정 온도 함수의 각 계수, Y：보정 후 온도 지표, e, f：보정 후 온도 지표를 온도의 일차식으로서 나타냈을 때의 기울기와 절편, (Vu＋Vd)2：보정 전 온도 지표, K：보정 상수, SET：풀스케일에 대한 센서 출력의 비율(보정 전의 유량치의 풀스케일에 대한 비율), S：스팬 보정량, h(t)：공통 스팬 보정 성분을 나타내는 함수, i(λ, t, SET)：유체 고유 스팬 보정 성분을 나타내는 함수, j(λ, t)：바이패스 스팬 보정 성분을 나타내는 함수이다.
상류측 전압 및 하류측 전압으로부터 유체의 현재 온도를 산출할 수 있도록 함과 아울러, 측정 대상의 유체의 열전도율에 의해서 산출되는 현재 온도의 정밀도를 높일 수 있도록 하려면, 측정 대상의 유체가 흐르는 유로와, 상기 유로의 상류측에 마련된 상류측 전기 저항 소자와, 상기 유로의 하류측에 마련된 하류측 전기 저항 소자와, 상기 상류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 상류측 전압 및 상기 하류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 하류측 전압으로부터 산출되는 보정 전 온도 지표와, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율로부터 산출되는 보정 상수에 적어도 기초하여 보정 후 온도 지표를 산출하는 보정 후 온도 지표 산출부와, 상기 보정 후 온도 지표로부터 현재 온도를 산출하는 현재 온도 산출부를 구비한 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치이면 좋다.
기존의 열식 유량계에 있어서, 유량을 산출하기 위해서 프로그램을 갱신하여, 현재 상태보다도 제로점 오차, 스팬 오차가 저감된 유량이 출력되도록 하려면, 측정 대상의 유체가 흐르는 유로와, 상기 유로의 상류측에 마련된 상류측 전기 저항 소자와, 상기 유로의 하류측에 마련된 하류측 전기 저항 소자를 구비한 열식 유량계에 이용되는 열식 유량계용 프로그램으로서, 상기 상류측 전기 저항 소자를 발열시키기 위해서 인가되는 전압인 상류측 전압, 상기 하류측 전기 저항 소자를 발열시키기 위해서 인가되는 전압인 하류측 전압, 및 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부로서의 기능을 발휘시키는 것을 특징으로 하는 열식 유량계용 프로그램을 이용하면 좋다. 예를 들면, 프로그램을 갱신할 때에는, 상기 열식 유량계용 프로그램을 CD, DVD, 플래쉬 메모리 등의 기록 매체에 기록한 열식 유량계용 프로그램 매체를 이용해도 좋다.
이와 같이 본 발명의 열식 유량계에 의하면, 상류측 전압, 하류측 전압, 및 상기 측정 대상의 열전도율에 기초하여 유량을 출력하도록 구성되어 있으므로, 열전도율과 관계성이 있는 제로점 오차, 스팬 오차를 정밀도 좋게 보정하여, 실제의 유량에 가까운 값을 출력할 수 있다. 또, 열전도율과 소정의 산출식 등에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 종류에 따른 보정량을 산출할 수 있으므로, 보정량을 생성하는데 필요한 파라미터를 식별하기 위한 실험을 일부 생략하는 것 등도 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열식 유량계의 센서 부분을 나타내는 모식도이다.
도 2는 동 실시 형태의 열식 유량계의 연산 기구(機構)에 대해 나타내는 기능 블록도이다.
도 3은 보정 전 온도 지표와 환경 온도의 관계를 나타낸 실측 데이터의 그래프이다.
도 4는 유체 타입마다의 보정 전 온도 지표와 환경 온도의 관계에 대한 유량의 영향을 나타내는 그래프와, 각 그래프로부터 구해지는 변화 비율과 열전도율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 유체 타입마다의 변화 비율과 유량의 관계에 대한 유량의 영향을 나타내는 그래프와, 각 그래프로부터 구해지는 변화 비율과 열전도율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 실시 형태의 제로점 보정량에 의한 보정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래의 열식 유량계에서 나타나는 스팬 오차에 대해서 나타내는 그래프이다.
도 8은 유체 고유 스팬 오차의 유량에 대한 기울기를 나타내는 그래프와, 그 그래프로부터 산출되는 기울기와 열전도율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 공통 스팬 보정 성분과 유체 고유 스팬 보정 성분만에 의한 스팬 보정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 모든 성분을 포함한 스팬 보정량에 의한 스팬 보정 결과를 나타내는 그래프이다.
본 실시 형태의 열식 유량계(100)에 대해 각 도면을 참조하면서 설명한다.
본 실시 형태의 열식 유량계는, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 이용되는 가스의 유량을 비접촉으로 측정하기 위해서 이용되는 것이다. 여기서, 이용되는 가스로서는 부식성 가스(BCl2, Cl2, HCl, ClF3 등)나 반응성 가스(SiH4, B2H6 등) 등, 불활성 가스(N2, He 등) 다양한 종류의 가스가 있다.
보다 구체적으로는, 상기 열식 유량계(100)는 도 1의 모식도에 도시하는 것처럼 유체인 가스가 흐르는 바이패스 유로(BC)와, 상기 바이패스 유로(BC)로부터 분기(分岐)하는 세관(細管) 내에 상기 바이패스 유로(BC)로부터 분류(分流)된 가스가 흐르는 센서 유로(SC)와, 상기 센서 유로(SC)를 흐르는 가스에 기초하여 유량을 측정하기 위한 유량 측정 기구(FM)와, 상기 바이패스 유로(BC)에 있어서의 상기 분기 유로의 분기점과 합류점의 사이에 마련되어, 복수의 내부 유로를 가지는 유체 저항으로서의 층류(層流) 소자(FR)를 구비한 것이다. 또한, 상기 층류 소자(FR)는 바이패스 유로(BC) 및 센서 유로(SC)의 분류비가 소정의 설계치가 되도록 구성되어 있고, 예를 들면, 복수의 세관을 외관(外管)에 삽입하여 형성한 것이나, 다수의 관통공을 가진 얇은 평판을 복수 매 적층하여 형성한 것을 이용할 수 있다.
상기 센서 유로(SC)는 개략 U자 모양의 중공(中空) 세관에 의해 형성되어 있고, 당해 세관은 스텐레스 등의 금속제의 것이다. 이 세관의 U자의 저부(低部)에 상당하는 직선 모양 부분에 상기 유량 측정 기구(FM)가 구비하는 2개의 전기 저항 소자가 권회된다.
상기 유량 측정 기구(FM)는 센서 유로(SC)에 흐르는 가스의 유량에 따른 출력을 하는 센서부(SP)와, 상기 센서부(SP)로부터의 출력에 기초하여 센서 유로(SC) 및 바이패스 유로(BC)를 흐르는 가스의 질량 유량을 산출하는 유량 산출부(2)로 구성되어 있다.
상기 센서부(SP)는 센서 유로(SC)의 상류측에 있어서 세관의 외표면에 감긴 코일인 상류측 전기 저항 소자(Ru)와, 센서 유로(SC)의 하류측에 있어서 세관의 외표면에 감긴 코일인 하류측 전기 저항 소자(Rd)를 구비하고 있다. 이들 상류측 전기 저항 소자(Ru), 하류측 전기 저항 소자(Rd)는, 온도의 변화에 따라 전기 저항값이 증감하는 발열 저항선으로 형성되어 있어, 가열 수단과 온도 검출 수단을 1개의 부재로 겸할 수 있도록 하고 있다.
추가로 이 센서부(SP)는 정온도 방식의 것으로, 상기 상류측 전기 저항 소자(Ru)를 일부로 하는 브릿지 회로에 의해서 상류측 정온도 제어 회로(1u)를 구성하고 있음과 아울러, 상기 하류측 전기 저항 소자(Rd)를 일부로 하는 브릿지 회로에 의해서 하류측 정온도 제어 회로(1d)를 구성하고 있다.
상기 상류측 정온도 제어 회로(1u)는, 상기 상류측 전기 저항 소자(Ru) 및 당해 상류측 전기 저항 소자(Ru)에 대해서 직렬로 접속된 온도 설정용 저항(R1)으로 이루어지는 직렬 저항 그룹과, 2개의 고정 저항(R2, R3)을 직렬로 접속한 직렬 저항 그룹을 병렬로 접속하여 이루어지는 상류측 브릿지 회로와, 상기 상류측 전기 저항 소자(Ru)와 온도 설정용 저항(R1)의 접속점의 전위 및 2개의 고정 저항의 접속점의 전위의 차(Vu)를 상류측 브릿지 회로에 피드백하여, 상류측 브릿지 회로의 평형(平衡)을 유지하도록 하는 OP 앰프로 이루어지는 귀환 제어 회로로 이루어진다.
상기 하류측 정온도 제어 회로(1d)나 상류측 정온도 제어 회로(1u)와 마찬가지로, 상기 하류측 전기 저항 소자(Rd) 및 당해 하류측 전기 저항 소자(Rd)에 대해서 직렬로 접속된 온도 설정용 저항(R1)으로 이루어지는 직렬 저항 그룹과, 2개의 고정 저항(R2, R3)을 직렬로 접속한 직렬 저항 그룹을 병렬로 접속하여 이루어지는 하류측 브릿지 회로와, 상기 하류측 전기 저항 소자(Rd)와 온도 설정용 저항(R1)의 접속점의 전위 및 2개의 고정 저항의 접속점의 전위의 차(Vd)를 하류측 브릿지 회로에 피드백하여, 하류측 브릿지 회로의 평형을 유지하도록 하는 OP 앰프로 이루어지는 귀환 제어 회로로 이루어진다.
여기서, 상기 상류측 전기 저항 소자(Ru) 및 하류측 전기 저항 소자(Rd)는, 감열(感熱) 저항체이고, 같은 저항 온도 계수의 재료를 이용하여 구성하고 있다. 그리고 상기 상류측 전기 저항 소자(Ru) 및 상기 하류측 전기 저항 소자(Rd)는, 각 귀환 제어 회로에 의해서 온도 설정용 저항(R1)과 동 저항값이 되도록 피드백 제어된다. 즉, 저항값이 일정하게 유지되므로, 상기 상류측 전기 저항 소자(Ru) 및 상기 하류측 전기 저항 소자(Rd)의 온도도 일정하게 유지되도록 전압 Vu, Vd는 제어된다. 본 실시 형태에서는, Vu, Vd가 상류측 전기 저항 소자(Ru), 하류측 저항 소자(Rd)를 발열시키기 위해서 인가되는 전압인 상류측 전압 Vu, 하류측 전압 Vd로서 이용된다.
상기 유량 산출부(2)는 상기 상류측 전기 저항 소자(Ru)를 발열시키기 위해서 인가되는 전압인 상류측 전압 Vu와, 상기 하류측 전기 저항 소자(Rd)를 발열시키기 위해서 인가되는 전압인 하류측 전압 Vd와, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율의 값에 기초하여 상기 센서 유로(SC) 및 상기 바이패스 유로(BC)를 흐르고 있는 측정 대상의 가스의 유량을 산출하는 것이다.
그리고 상기 유량 산출부(2)는 메모리, CPU, 입출력 수단, A/D 컨버터, D/A 컨버터 등을 구비하는 이른바 컴퓨터에 의해서 메모리에 격납되어 있는 열식 유량계(100)용 프로그램이 실행됨으로써 그 기능이 실현되는 것이다. 보다 구체적으로는 상기 유량 산출부(2)는 하기 식 4에 기초하여 유량을 산출한다.
[수 4]
Figure 112015116005418-pct00004
여기서, t：온도, G(t)：유량의 온도 함수, Vu：상류측 전압, Vd：하류측 전압, (Vu－Vd)/(Vu＋Vd)：센서 출력, F(t)：제로점 보정 온도 함수, a, b, c, d：제로점 보정 온도 함수의 각 계수, Y：보정 후 온도 지표, e, f：보정 후 온도 지표를 온도의 일차식으로서 나타냈을 때의 기울기와 절편, (Vu＋Vd)2：보정 전 온도 지표, K：보정 상수, λ: 측정 대상의 유체의 열전도율, SET：풀스케일에 대한 센서 출력의 비율(보정 전의 유량치의 풀스케일에 대한 비율), S：스팬 보정량, h(t)：공통 스팬 보정 성분을 나타내는 함수, i(t, λ, SET)：유체 고유 스팬 보정 성분을 나타내는 함수, j(λ, t)：바이패스 스팬 보정 성분을 나타내는 함수이다.
그리고 상기 유량 산출부(2)는 상기 식 4에 의한 연산을 실행하기 위해서 도 2의 기능 블록도에 도시하는 것처럼 적어도 센서 출력 산출부(3), 제로점 보정량 산출부(4), 스팬 보정량 산출부(5), 보정 산출부(6)로서의 기능을 실현하도록 구성하고 있다.
각 부에 대해서 설명한다.
상기 센서 출력 산출부(3)는 상기 상류측 전압 Vu와 상기 하류측 전압 Vd의 차이인 전압차에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량과 상관하는 센서 출력을 산출하도록 구성하고 있다. 보다 구체적으로는, 센서 출력 Vc는 하기 식 5에 기초하여 산출된다.
[수 5]
Figure 112015116005418-pct00005
상기 제로점 보정량 산출부(4)는 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 센서 출력의 제로점 보정량을 산출하는 것으로, 하기 식 6, 7, 8을 품으로써 산출된다.
[수 6]
Figure 112015116005418-pct00006
[수 7]
Figure 112015116005418-pct00007
[수 8]
Figure 112015116005418-pct00008
즉, 제로점 보정량은 식 6에 나타내지는 것처럼 환경 온도를 변수로 하는 3차식으로서 표현되는 것이다. 그리고 식 8로 상류측 전압 Vu 및 하류측 전압 Vd로부터 산출되는 보정 후 온도 지표를 식 7에 의해서 환경 온도로 변환하고, 그 환경 온도를 식 6에 대입함으로써 각 환경 온도에서의 제로점 보정량을 얻을 수 있다.
다음으로 상기 제로점 보정량 산출부(4)의 상세에 대해서 설명한다.
상기 제로점 보정량 산출부(4)는 제로점 보정 온도 함수 기억부(41)와, 보정 후 온도 지표 산출부(42)와, 현재 온도 산출부(43)와, 제로점 보정량 결정부(44)로 구성하고 있다.
상기 제로점 보정 온도 함수 기억부(41)는 상기 유로에 상기 측정 대상의 유체가 흐르고 있지 않은 경우에 있어서 예를 들면 15℃~60℃ 등과 같은 소정의 온도 대역에서 상기 센서 출력과의 차가 항상 제로가 되도록 정해진 식 6으로 나타내지는 온도의 함수인 제로점 보정 온도 함수를 기억하고 있다. 보다 구체적으로는, 상기 제로점 보정 온도 함수 기억부(41)는 식 6의 3차식의 각 계수 a, b, c, d를 기억하고 있다. 식 6의 각 계수에 대해서는 유로에 유체를 흘리고 있지 않은 상태에 있어서 상기 소정의 온도 대역에서 변화시켰을 경우에, 센서 출력과 항상 동일한 값이 되도록 실험에 기초하여 정하고 있다.
상기 보정 후 온도 지표 산출부(42)는 상기 상류측 전압 Vu 및 상기 하류측 전압 Vd로부터 산출되는 보정 전 온도 지표와, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율로부터 산출되는 보정 상수 K와, 현재의 센서 출력에 기초하여 보정 후 온도 지표를 산출하는 것이다. 본 실시 형태에서는 보정 전 온도 지표로서, 식 8에 나타내는 것처럼 상류측 전압 Vu와 하류측 전압 Vd의 합의 2승을 사용하고 있다. 이 보정 전 온도 지표는, 종래 이용되고 있는 상류측 전압 Vu와 하류측 전압 Vd의 합과 비교하여 온도에 대한 리니어 특성이 좋고, 도 3의 실측 데이터에 도시하는 것처럼 적어도 환경 온도가 15℃~60℃의 온도 대역에 있는 경우에는, 보정 전 온도 지표와 환경 온도의 관계를 나타내는 검량선(檢量線)은 일차식으로 나타낼 수 있다.
그런데, 도 4에 도시하는 것처럼 상기 검량선은 유체의 종류, 또는 현재 유로에 흐르고 있는 유량이 변화하면, 그 기울기 및 절편은 변화한다. 즉, 식 7의 Y로서 보정 전 온도 지표를 대입해도 현재의 환경 온도로부터 벗어난 온도가 산출될 가능성이 있다. 여기서, 상기 보정 후 온도 지표 산출부(42)에서는, 식 8과 같이 상기 보정 전 온도 지표를 보정함으로써, 유체의 종류, 및 유체의 유량에 의존하지 않고 현재의 환경 온도를 정확하게 반영한 온도가 산출되도록 하고 있다.
먼저, 유체 타입의 차이에 의한 상기 보정 전 온도 지표와 환경 온도의 검량선으로의 영향에 대해 설명한다.
각 종류의 가스에 대해서 유체가 흐르고 있지 않은 상태(0%FS)에 있어서의 검량선의 기울기 a1 및 절편 b1과, 풀스케일의 유량이 흐르고 있는 상태(100%FS)에 있어서의 검량선의 기울기 a2 및 절편 b2를 각각 비교하면, 이하의 표 1과 같이 된다. 여기서, Ka, Kb는 유체가 흐르고 있지 않은 상태를 기준으로 하여, 기울기 및 절편이 각각 몇 배가 되어 있는지를 나타내는 변화 비율이다. 또한, 표 1에 기재되어 있는 N2와 SF6에 대해 0%FS, 100FS의 각 상태에 있어서 측정한 보정 전 온도 지표와 환경 온도의 검량선을 도 4 (a)(b)에 나타낸다. 표 1의 각 유체의 기울기, 절편은 도 4 (a)(b)에 도시되는 것 같은 측정 결과로부터 근사 직선을 작성하여 구하고 있다.
[표 1]
Figure 112015116005418-pct00009
표 1로부터 알 수는 것처럼 기울기의 변화 비율 Ka와 절편의 변화 비율 Kb는 대략 같은 값을 취한다는 것을 알 수 있어, 구별 없이 변화 비율 K로서 나타낼 수 있다. 각 유체 타입에 따라서 변화 비율 K의 값은 다르지만, 본원 발명자 등이 예의 검토한 결과, 이 변화 비율 K는 유체의 열전도율에 의해서 산출 가능한 값이라는 것을 발견했다. 보다 구체적으로는 도 4 (c)의 그래프에 나타내는 것처럼 변화 비율 K는 열전도율의 역수의 2승을 변수로 하는 일차식으로, 도 4 (c)의 그래프에 나타내지는 검량선에 있어서의 기울기 및 절편을 미리 식별해 둠으로써, 열전도율로부터 임의의 유체의 100%FS에 있어서의 변화 비율 K를 산출할 수 있다.
그런데, 같은 유체 타입이더라도 변화 비율 K는, 유로에 흐르고 있는 유체의 유량의 영향을 받아 변화한다. 본원 발명자 등은, 도 5 (a)(b)에 도시하는 것 같은 유량과 변화 비율 K의 관계에 대해 측정한 결과에 대해 예의 검토함으로써, 변화 비율 K는 유량의 2승을 변수로 했을 경우에 일차식으로 표현할 수 있다는 것을 처음으로 발견했다. 또한, 각 가스 타입에 있어서의 일차식의 계수는 다르고, 센서 출력의 풀스케일에 대한 비율인 SET를 이용하면 표 2에 나타내지는 것처럼 되었다.
[표 2]
Figure 112015116005418-pct00010
여기서, 변화 비율 K는 유체가 흐르고 있지 않은 상태를 기준으로 하고 있으므로 SET가 제로의 경우에는 K=1이 될 필요가 있다. 따라서 표 2에 있어서의 각 절편은 1로서 생각해도 좋다. 또, (SET)2의 계수인 변화 비율 K의 기울기에 대해 주목하면 표 1의 변화 비율 Ka, Kb로부터 1을 뺀 값과 대략 동일하다는 것도 알 수 있다. 따라서 상기 각 계수에 대해서는 100%FS에 있어서의 변화 비율 K를 이용하여 (K－1)라고 표현할 수 있다. 또한, 이 변화 비율 K의 기울기에 대해서도 도 5 (c)의 그래프에 도시하는 것처럼 각 유체의 열전도율의 역수의 2승을 변수로 했을 경우에 일차식으로서 나타낼 수 있다. 따라서 이 변화 비율 K의 유량의 2승에 대한 기울기도 열전도율을 알 수 있으면 산출 가능한 값이다.
이와 같이 보정 전 온도 지표와 환경 온도의 검량선으로의 유체 타입에 의한 영향과, 유량에 의한 영향은 각각 유체의 열전도율로부터 산출되는 변화 비율 K에 의해 표현할 수 있다. 이에, 상기 보정 후 온도 지표 산출부(42)에서는, 변화 비율 K를 보정 상수 K로서 이용하여 보정 전 온도 지표에 대해 유체 타입과 유량의 각각에 대해서 보정을 행하고 있다.
보다 구체적으로는, 상기 보정 후 온도 지표 산출부(42)는 보정 전 온도 지표 (Vu＋Vd)2를 보정 상수 K로 나눔으로써 유체 타입의 차이에 의한 영향을 보정하고, 보정 전 온도 지표 (Vu＋Vd)2를 (K－1)*SET2＋1로 나눔으로써 유량에 의한 영향을 보정하고 있다.
그리고 상기 현재 온도 산출부(43)는, 식 7에 의해 상기 보정 후 온도 지표로부터 현재 온도를 산출한다. 여기서, 식 7에 이용되고 있는 계수 f, e에 대해서는 미리 실측 등을 행해서 정하고 있다. 또한, 계수 a, b, c, d, e, f에 대해서는 기준이 되는 유체 타입을 흘렸을 경우의 측정 데이터에 기초하여 미리 정해 있으며, 유체 타입마다는 정하지 않았다. 유체 타입이 바뀐 경우에는 상기 보정 후 온도 지표를 산출할 때에 이용되는 보정 상수 K를 유체의 열전도율에 맞춰서 변경하여 이용함으로써, 정확한 환경 온도를 얻을 수 있다.
표 3에 보정 전 온도 지표를 이용하여 식 7로 환경 온도를 산출했을 경우의 값과, 상기 보정 후 온도 지표 산출부(42)에서 산출되는 보정 후 온도 지표를 이용하여 식 7로 환경 온도를 산출했을 경우의 값의 비교예를 나타낸다.
[표 3]
흐르고 있는 유체가 N2이고 20%FS인 경우
Figure 112015116005418-pct00011
흐르고 있는 유체가 N2이고 60%FS인 경우
Figure 112015116005418-pct00012
흐르고 있는 유체가 F6이고 20%FS인 경우
Figure 112015116005418-pct00013
흐르고 있는 유체가 F6이고 60%FS인 경우
Figure 112015116005418-pct00014
표 3으로부터 알 수 있는 것처럼, 보정 후 온도 지표를 이용함으로써, 유체 타입이나 유량에 의존하지 않고 종래보다도 정확한 환경 온도를 산출하는 것을 할 수 있다.
상기 제로점 보정량 결정부(44)는 상기 제로점 보정 온도 함수와, 상기 현재 온도로부터 제로점 보정량을 결정하는 것이다. 즉, 상기 제로점 보정량 결정부(44)는 식 7, 식 8로 얻어진 환경 온도를 식 6의 제로점 보정 온도 함수에 대입하여, 제로점 보정량을 산출해서, 상기 보정 산출부(6)에 그 값을 보낸다. 본 실시 형태의 제로점 보정량에 의한 보정 결과를 도 6의 그래프에 나타낸다. 유체가 흐르고 있지 않은 상태에 있어서 15℃~60℃의 범위에 있어서 어느 유체 타입이더라도 출력을 대략 제로로 할 수 있어, 양호한 제로점 보정을 행할 수 있다.
다음으로 센서 출력의 스팬 보정량을 산출하는 스팬 보정량 산출부(5)에 대해 설명한다.
상기 스팬 보정량 산출부(5)는 상기 현재 온도 산출부(43)에 있어서 산출되는 환경 온도를 이용함과 아울러, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 센서 출력의 스팬 보정량을 산출하도록 구성하고 있다.
보다 구체적으로는, 상기 스팬 보정량 산출부(5)는 하기 식 9의 스팬 보정 함수를 기억하는 스팬 보정 함수 기억부(51)와, 상기 현재 온도 산출부(43)로부터 얻은 현재 온도와, 센서 출력과, 측정 대상의 유체의 열전도율을 상기 스팬 보정 함수에 대입하여, 스팬 보정량을 결정하는 스팬 보정량 결정부(52)로 구성하고 있다.
[수 9]
Figure 112015116005418-pct00015
여기서, S：스팬 보정량, h(t)：공통 스팬 보정 성분을 나타내는 함수, i(λ, t, SET)：유체 고유 스팬 보정 성분을 나타내는 함수, j(λ, t)：바이패스 스팬 보정 성분을 나타내는 함수이다. 또, h(t), i(λ, t, SET)는 열식 유량계 자체의 구조로부터 생기는 스팬 오차를 보정하기 위한 함수이며, j(λ, t)는 유로에 의해서 생기는 스팬 오차를 보정하기 위한 함수이다.
이와 같이 스팬 보정량을 3개의 함수에 의해 정의하고 있는 이유에 대해 설명한다. 도 7에는 종래의 열식 유량계(100)에 의해 유량을 측정했을 경우의 25℃에서 측정된 유량을 기준으로 한 각 온도에서의 스팬 오차를 나타내는 그래프이다. 또한, 유체의 종류는 SF6와 He이고, 종래의 열식 유량계와는 별개로 온도의 영향을 받기 어려운 기준이 되는 유량계를 마련하고 있다. 그래프에 나타내지고 있는 스팬 오차는, 기준이 되는 유량계가 나타내고 있는 값에 대해서 종래의 열식 유량계의 나타내는 값이 불일치하는 양을 나타내고 있다.
도 7 (a)(b)를 비교하면, 스팬 오차는 유체의 종류와 유량에 상관없이 대략 환경 온도에만 의존하여 오프셋의 형태로 발생하는 공통 스팬 오차와, 유체의 종류마다 유량에 대한 변화율이 다르고, 또한 유량이 커질수록 커지는 유체 고유 스팬 오차로 구성되어 있다고 생각할 수 있다.
이에, 스팬 보정량은 공통 스팬 오차를 보정하기 위한 공통 스팬 성분과, 유체 고유 스팬 오차를 보정하기 위한 유체 고유 스팬 보정 성분을 적어도 포함하도록 하고 있다.
여기서, 도 7 (b)을 보면 He의 스팬 오차는, 어느 온도에서도 유량에 의존하지 않고 항상 대략 플랫하게 되어 있고, 공통 스팬 오차만이 현저하게 나타나고 있고, 게다가 기준 온도 25℃로부터 멀어지는데 상관하여 스팬 오차가 크게 되어 있다. 이에, 전 이 He의 온도와 스팬 오차의 크기의 관계로부터 온도의 일차 함수를 생성하여, 하기 식 10과 같이 공통 스팬 보정 성분의 함수 h(t)를 정하고 있다.
[수 10]
Figure 112015116005418-pct00016
여기서 C1, C2는 He의 스팬 오차에 기초하여 정해지는 상수이다.
다음으로 유체 고유 스팬 보정 성분에 대해 설명한다.
각 유체 타입에 있어서의 유체 고유 스팬 오차의 환경 온도에 대한 기울기는, 도 8 (a)의 100% 유량에 있어서의 온도 변화에 대한 스팬 오차의 그래프로부터 알 수 있는 것처럼 유체 타입마다 다르다. 본원 발명자 등은 예의 검토한 결과, 각 직선의 기울기는, 도 8 (b)에 제시되는 것처럼 각 유체의 열전도율의 역수를 변수로 하는 일차식으로 나타낼 수 있다는 것을 발견했다. 이에, 유체 고유 스팬 보정 성분의 함수에 대해서는, 온도와, 열전도율과, 유량을 변수로 하는 함수 i(λ, t, SET)로서 정의하고 있다.
보다 구체적인 함수 i(λ, t, SET)는 하기 식 11과 같이 정의하고 있다.
[수 11]
Figure 112015116005418-pct00017
여기서, C3, C4는 기준 유체에 대해서 실측에 의해 정해지는 상수이다.
상술한 공통 스팬 보정 성분과, 유체 고유 스팬 보정 성분만을 포함한 스팬 보정에 의해 도 7의 측정 결과를 보정했을 경우의 그래프를 도 9에 나타낸다. 도 9로부터 알 수 있는 것처럼 유체 타입, 및 유량에 의존하지 않고 스팬 오차의 보정을 행할 수 있다는 것을 알 수 있다.
다음으로 스팬 보정량이 바이패스 스팬 보정 성분을 추가로 포함하고 있는 경우에 대해서 설명한다.
스팬 오차 중에는 센서 유로(SC)와 바이패스 유로(BC)의 분류비나 구조의 영향을 받는 바이패스 스팬 오차도 함께 존재하고 있다. 이 오차는, 환경 온도가 변화하면 유체의 점성(粘性)이 변화하여, 센서 유로(SC)와 바이패스 유로(BC)의 분류비가 변화하기 때문에 생긴다고 생각할 수 있다. 이에, 바이패스 스팬 보정 성분의 함수 j(λ, t)는 하기 식 12와 같이 정의하고 있다.
[수 12]
Figure 112015116005418-pct00018
여기서, C5, C6, C7, C8은 기준 유체를 흘렸을 때의 실측 데이터에 기초하여 정해지는 상수이다.
스팬 보정량이 공통 스팬 성분, 유체 고유 스팬 보정 성분만을 포함하고 있는 경우와, 스팬 보정량이 추가로 바이패스 스팬 보정 성분을 포함하고 있는 경우의 비교예를 도 10의 그래프에 나타낸다. 유체 타입 및 온도에 의존하지 않고, 추가로 스팬 오차를 저감시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 9 (a)에 있어서의 SF6의 스팬 보정의 측정 결과와, 도 10의 SF6의 스팬 보정의 측정에서는, 분류비가 다른 별개의 열식 유량계를 이용하여 측정하고 있기 때문에 보정 전의 스팬 보정의 결과에 차이가 생겨 있다. 그렇지만, 바이패스 스팬 보정 성분 j(λ, t)를 더함으로써, 추가로 스팬 오차를 작게 할 수 있다는 점에 대해서는 도 10으로부터 판독할 수 있다.
식 12와 같은 바이패스 스팬 보정 성분의 함수 j(λ, t)를 정의함으로써 보정의 정밀도가 높아지는 이유에 대해서는 정성적으로 설명한다. 분류비가 변화하는 원인은 유체의 점성이 환경 온도의 변화에 의해 변화하기 때문일 것으로 예상된다. 여기서, 점성과 온도의 관계식은 예를 들면 식 13과 같은 것이다.
[수 13]
Figure 112015116005418-pct00019
여기서, μ: 점성률, m：분자 한 개의 질량, kB：볼츠만 상수, d：기체 분자의 직경(直徑)이다.
한편, 열전도율과 온도의 관계식은 식 14와 같이 된다.
[수 14]
Figure 112015116005418-pct00020
식 13과 식 14를 비교해 보면, 점성률과 열전도율은 함께 온도의 0.5승에 비례하는 값이고, 온도에 대한 의존성은 매우 유사하다고 생각할 수 있다. 따라서 본 실시 형태에서는, 점성률을 이용하는 대신에 열전도율을 이용함으로써 유체 타입마다의 스팬 보정량을 산출하여 정밀도 좋게 보정을 행할 수 있다고 생각할 수 있다.
마지막으로 상기 보정 산출부(6)는, 상기 센서 출력과 상기 제로점 보정량과 상기 스팬 보정량에 기초하여, 보정된 유량을 산출하여 최종적인 출력으로 한다.
이와 같이 본 실시 형태의 열식 유량계(100)는, 상류측 전압 Vu와 하류측 전압 Vd와 유체의 열전도율에 기초하여 유량을 산출하도록 구성하고 있으므로, 환경 온도와 유체의 유량의 영향을 받아서 변화하는 제로점 오차와 스팬 오차에 대해서, 폭넓은 온도 대역에서 정밀도 좋게 보정한 후에 올바른 유량을 출력할 수 있게 된다.
또, 제로점 보정량, 스팬 보정량을 산출하기 위해서 유체 타입마다 보정량의 식별 실험을 행하는 일 없이, 각 유체 타입의 열전도율을 공통의 산출식에 대입함으로써 보정량을 산출할 수 있다. 따라서 유로에 흐르는 유체의 종류가 복수인 용도여도, 유체 타입의 수만큼 전용의 보정량 산출식을 결정하기 위한 실험을 행할 필요가 없어, 설정 작업을 경감시킬 수 있다.
그 외의 실시 형태에 대해 설명한다.
상기 실시 형태에서는, 제로점 보정량 산출부 및 스팬 보정량 산출부의 양쪽을 구비한 것이었지만, 용도에 따라서는 본 발명의 제로점 보정량 산출부, 또는 스팬 보정량 산출부를 단독으로 이용해도 상관없다. 예를 들면 제로점 보정만을 행하는 경우에는, 식 15와 같이 유량의 산출식을 정의해도 좋다.
[수 15]
Figure 112015116005418-pct00021
또, 상기 스팬 보정량 산출부를 단독으로 이용하는 경우에는, 상기 스팬 보정량 산출부가, 상기 보정 후 온도 지표 산출부 및 상기 현재 온도 산출부를 그 구성에 포함하도록 해도 좋다. 또, 스팬 보정량으로서는, 바이패스 스팬 보정 성분을 생략하고, 공통 스팬 보정 성분, 유체 고유 스팬 보정 성분만을 포함하는 것이어도 상관없다.
상기 실시 형태에서는 온도 지표로서 상류측 전압과 하류측 전압의 합의 2승을 이용하고 있었지만, 상류측 전압의 2승과 하류측 전압의 2승의 합을 이용해도 상관없다. 이러한 것이어도 폭넓은 온도 대역에 있어서 온도에 대해서 양호한 리니어 특성을 가져서, 정밀도 좋게 현재 온도를 추정 산출하는 것이 가능해진다.
제로점 보정량, 스팬 보정량을 산출하기 위해서 이용되는 유체 타입마다의 열전도율은 미리 물성치(物性値)로서 메모리에 기억해 두어도 좋고, 상류측 전압, 하류측 전압에 기초하여 열전도율을 산출해도 좋다. 보다 구체적으로는, 유량이 변화했을 때의 상류측 전압의 변화량과 하류측 전압의 변화량의 비와, 열전도율의 사이에는 소정의 관계식이 존재하므로, 그 관계식에 기초하여 상류측 전압 및 하류측 전압으로부터 유체의 열전도율을 산출할 수 있다.
또, 상기 실시 형태에서는 정온도 구동 방식의 열식 유량계로의 본 발명의 적용예를 설명했지만, 본 발명은 정전류 구동 방식의 열식 유량계로도 적용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 정전류 구동 방식의 경우, 상류측 전기 저항 소자 및 하류측 전기 저항 소자를 포함하는 1개의 브릿지 회로를 가지고, 각 전기 저항 소자에 인가되는 전류가 일정하게 되도록 제어된다. 정전류 방식으로는, 상류측 전기 저항 소자에 인가되고 있는 상류측 전압과 하류측 전기 저항 소자에 인가되고 있는 하류측 전압의 전압차가 브릿지 회로로부터 출력된다. 이와 같이 브릿지 회로로부터 출력되는 전압차는 1개밖에 존재하지 않지만, 이 전압차는 상류측 전압과 하류측 전압에 기초하여 출력되는 것이며, 이 점에서는 상기 실시 형태의 정온도 방식의 열식 유량계와 공통되고 있다. 따라서 본 발명을 정전류 방식의 열식 유량계에도 적용할 수 있다. 또, 상류측 전기 저항 소자와 하류측 전기 저항 소자의 사이에서 소정의 온도차가 유지되도록 구성된 정온도차 구동 방식의 열식 유량계에 대해서 본 발명을 적용해도 상관없다.
추가로 본 발명에 있어서의 상류측 전압 및 하류측 전압은, 발열시키기 위해서 인가되는 전압으로 한정되는 것은 아니다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 상류측 전기 저항 소자와 하류측 전기 저항 소자의 사이에 마련된 발열 저항이 발열하고, 상류측 전기 저항 소자 및 하류측 전기 저항 소자가 온도 센서로서 기능하고, 온도에 따라 인가되고 있는 상류측 전압과 하류측 전압에 기초하여 유량을 산출하는 열식 유량계에도 이용할 수 있다.
이에 더하여 본 발명은 유량을 측정하는 목적뿐만이 아니라, 측정 대상의 유량의 현재 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치로서 구성해도 상관없다. 보다 구체적으로는, 측정 대상의 유체가 흐르는 유로와, 상기 유로의 상류측에 마련된 상류측 전기 저항 소자와, 상기 유로의 하류측에 마련된 하류측 전기 저항 소자와, 상기 상류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 상류측 전압 및 상기 하류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 하류측 전압으로부터 산출되는 보정 전 온도 지표와, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율로부터 산출되는 보정 상수에 적어도 기초하여 보정 후 온도 지표를 산출하는 보정 후 온도 지표 산출부와, 상기 보정 후 온도 지표로부터 현재 온도를 산출하는 현재 온도 산출부를 구비한 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치로서 구성해도 상관없다. 또, 이 온도 측정 장치의 다른 실시 형태로서는 상기 보정 후 온도 지표로부터 현재 온도를 산출하는 현재 온도 산출부를 생략한 것이어도 좋다. 보다 구체적으로는, 예를 들면 섭씨 온도(Celsius temperature)로서의 값이 필요하지 않은 경우 등에는, 보정 후 온도 지표를 그대로 온도로서 취급하도록 해도 좋다. 이러한 것이더라도, 상기 보정 후 온도 지표는 유체의 정확한 온도를 반영한 것이므로, 예를 들면 보정이나 그 외의 용도에 매우 적합하게 이용할 수 있다.
상기 실시 형태에서는 유체 타입이나 유량의 차이에 의한 제로점 오차의 영향에 대해 실측하여, 그 측정 데이터로부터 도 4 (c) 등에 도시하는 것처럼 열전도율을 변수로 하는 일차식으로 보정 상수 K를 근사하여, 각 유체의 열전도율로부터 보정 상수 K를 산출할 수 있도록 하고 있었다. 여기서, 근사식으로서는 일차식으로 한정되는 것이 아니고, 그 외의 다항식으로 근사하도록 해도 상관없다. 이것은 스팬 보정에 대해서도 마찬가지이다.
또, 상기 실시 형태의 바이패스 스팬 오차 보정 성분 j(λ, t)는, 열전도율과 온도의 함수였지만, 추가로 유량의 영향을 보정할 수 있도록 변수에 현재의 유량에 관련하는 값을 이용해도 상관없다.
이에 더하여, 본 발명의 열식 유량계에 이용되고 있는 열식 유량계용 프로그램을 기억한 프로그램 기억 매체에 의해서, 기존의 열식 유량계에 본 발명의 구성을 추가하고, 그 기능을 실현할 수 있도록 해도 상관없다. 프로그램 기억 매체로서는, CD, DVD, HDD, 플래쉬 메모리 등을 이용해도 좋다.
그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서 다양한 변형이나 실시 형태의 조합을 행해도 상관없다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 열식 유량계를 이용하면, 반도체 제조 프로세스에 있어서 성분 가스 등의 유량을 정밀도 좋게 측정하여, 그 품질 등을 향상시킬 수 있다.
100 … 열식 유량계
1u … 상류측 전기 저항 소자
1d … 하류측 전기 저항 소자
2 … 유량 산출부
3 … 센서 출력 산출부
4 … 제로점 보정량 산출부
41 … 제로점 보정 온도 함수 기억부
42 … 보정 후 온도 지표 산출부
43 … 현재 온도 산출부
44 … 제로점 보정량 결정부
5 … 스팬 보정량 산출부
51 … 스팬 보정 함수 기억부
52 … 스팬 보정량 결정부
6 … 보정 산출부

Claims (11)

  1. 측정 대상의 유체(流體)가 흐르는 유로(流路)와,
    상기 유로의 상류측에 마련된 상류측 전기 저항 소자와,
    상기 유로의 하류측에 마련된 하류측 전기 저항 소자와,
    상기 상류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 상류측 전압, 상기 하류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 하류측 전압, 및 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부를 구비하고,
    상기 유량 산출부가,
    상기 상류측 전압과 상기 하류측 전압의 합에 기초하여 보정 전 온도 지표를 산출하고,
    상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 보정 상수를 산출하고,
    상기 보정 전 온도 지표와 상기 보정 상수에 기초하여 보정 후 온도 지표를 산출하고,
    상기 보정 후 온도 지표에 기초하여 상기 측정 대상의 환경 온도를 산출하고,
    상기 상류측 전압과 상기 하류측 전압의 차와, 상기 환경 온도에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 열식 유량계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유량 산출부가,
    상기 상류측 전압과 상기 하류측 전압의 차인 전압차에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량과 상관하는 센서 출력을 산출하는 센서 출력 산출부와,
    상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 센서 출력의 제로점 보정량을 산출하는 제로점 보정량 산출부와,
    적어도 상기 센서 출력과 상기 제로점 보정량에 기초하여, 보정된 유량을 산출하는 보정 산출부를 구비한 열식 유량계.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제로점 보정량 산출부가,
    상기 유로에 상기 측정 대상의 유체가 흐르고 있지 않은 경우에 있어서 소정의 온도 대역에서 상기 센서 출력과의 차가 제로가 되도록 정해진 온도의 함수인 제로점 보정 온도 함수를 기억하는 제로점 보정 온도 함수 기억부와,
    상기 상류측 전압 및 상기 하류측 전압으로부터 산출되는 보정 전 온도 지표와, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율로부터 산출되는 보정 상수에 적어도 기초하여 보정 후 온도 지표를 산출하는 보정 후 온도 지표 산출부와,
    상기 보정 후 온도 지표로부터 현재 온도를 산출하는 현재 온도 산출부와,
    상기 제로점 보정 온도 함수와, 상기 현재 온도로부터 제로점 보정량을 결정하는 제로점 보정량 결정부를 구비한 열식 유량계.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보정 상수가, 열전도율의 역수의 2승에 기초하여 산출되는 값인 열식 유량계.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 보정 후 온도 지표 산출부가, 상기 보정 전 온도 지표, 상기 보정 상수 및 센서 출력에 기초하여 상기 보정 후 온도 지표를 산출하는 열식 유량계.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 센서 출력의 스팬 보정량을 산출하는 스팬 보정량 산출부를 추가로 구비하고,
    상기 보정 산출부가, 적어도 상기 센서 출력과 상기 스팬 보정량에 기초하여, 보정된 유량을 산출하도록 구성된 열식 유량계.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 스팬 보정량이, 온도에만 의존하여 변화하는 공통 스팬 보정 성분과, 적어도 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 의존하여 변화하는 유체 고유 스팬 보정 성분으로 구성되어 있는 열식 유량계.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유체 고유 스팬 보정 성분이, 상기 열전도율과, 상기 센서 출력과, 온도를 변수로 하는 함수인 열식 유량계.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 유로가, 유체 저항 소자가 마련되어 있고, 상기 측정 대상의 유체가 흐르는 바이패스 유로와,
    상기 바이패스 유로에 대해서 상기 유체 저항 소자의 전후(前後)를 접속하도록 마련되어 있고, 외측에 상기 상류측 전기 저항 소자, 및 상기 하류측 전기 저항 소자가 마련된 센서 유로로 이루어지고,
    상기 스팬 보정량이, 상기 바이패스 유로에 따른 보정을 행하기 위한 바이패스 스팬 보정 성분을 추가로 포함하고, 당해 바이패스 스팬 보정 성분이 적어도 상기 측정 대상의 유체의 열전도율을 변수로 하는 함수인 열식 유량계.
  10. 측정 대상의 유체가 흐르는 유로와,
    상기 유로의 상류측에 마련된 상류측 전기 저항 소자와,
    상기 유로의 하류측에 마련된 하류측 전기 저항 소자와,
    상기 상류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 상류측 전압 및 상기 하류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 하류측 전압의 합으로부터 산출되는 보정 전 온도 지표와, 상기 측정 대상의 유체의 열전도율로부터 산출되는 보정 상수에 적어도 기초하여 보정 후 온도 지표를 산출하는 보정 후 온도 지표 산출부와,
    상기 보정 후 온도 지표로부터 현재 온도를 산출하는 현재 온도 산출부를 구비한 것을 특징하는 온도 측정 장치.
  11. 측정 대상의 유체가 흐르는 유로와, 상기 유로의 상류측에 마련된 상류측 전기 저항 소자와, 상기 유로의 하류측에 마련된 하류측 전기 저항 소자를 구비한 열식 유량계에 이용되는, 컴퓨터 판독가능 기억 매체에 기억된 열식 유량계용 프로그램으로서,
    상기 상류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 상류측 전압, 상기 하류측 전기 저항 소자에 인가되는 전압인 하류측 전압, 및 상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부를 컴퓨터에 발휘시키고,
    상기 유량 산출부가,
    상기 상류측 전압과 상기 하류측 전압의 합에 기초하여 보정 전 온도 지표를 산출하고,
    상기 측정 대상의 유체의 열전도율에 기초하여 보정 상수를 산출하고,
    상기 보정 전 온도 지표와 상기 보정 상수에 기초하여 보정 후 온도 지표를 산출하고,
    상기 보정 후 온도 지표에 기초하여 상기 측정 대상의 환경 온도를 산출하고,
    상기 상류측 전압과 상기 하류측 전압의 차와, 상기 환경 온도에 기초하여 상기 측정 대상의 유체의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는, 컴퓨터 판독가능 기억 매체에 기억된 열식 유량계용 프로그램.
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