專利名稱：壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體、化學品、藥品與精密機械零件等的制造中所用的氣體那樣的各種流體的壓力式流量控制裝置，更詳細地講，是涉及在壓力式流量控制裝置的節(jié)流孔中產(chǎn)生堵塞時檢知由于其堵塞而產(chǎn)生的流量異常的方法。
背景技術(shù)：
以往，在半導體制造設(shè)備與化學藥品制造設(shè)備的流體供給裝置中，特別是在需要高精度的流量控制的情況下，在流量控制用途中，其大部分一直使用質(zhì)量流量控制裝置。
但是，在質(zhì)量流量控制裝置中存在下述各種缺點①在熱式流量傳感器的情況下，應答速度比較慢；②在低流量區(qū)域的控制精度差，而且每一制品的精度有誤差；③在動作中故障多，穩(wěn)定性差；④制品價格高而且更換件價格也高，固而運轉(zhuǎn)費高等。
因此，本發(fā)明人等為改進這些缺點進行了努力研究，結(jié)果開發(fā)出特開平8-338546號公報所示的利用節(jié)流孔的壓力式流量控制裝置。
該壓力式流量控制裝置的特征在于如下之點。即節(jié)流孔前后的氣體的壓力比P2/P1(P1為上游側(cè)壓力，P2為下游側(cè)壓力)在氣體的臨界壓力比(在空氣與氮等情況下約為0.5)以下時，通過節(jié)流孔的氣體的流速成為音速，節(jié)流孔下游側(cè)的壓力變動不能傳遞到上游側(cè)，能獲得與節(jié)流孔上游側(cè)狀態(tài)相應的穩(wěn)定的質(zhì)量流量。
因此，在節(jié)流孔徑一定的情況下，將上游側(cè)壓力P1設(shè)定成下游側(cè)壓力P2的約2倍以上時，則流過節(jié)流孔的下游側(cè)流量QC只依賴于上游側(cè)壓力P1，QC＝KP1(K為常數(shù))這一直線關(guān)系高精確度地成立。而且，如節(jié)流孔徑相同，則上述常數(shù)K也一定。
該壓力式流量控制裝置的優(yōu)點在于只是檢測上游側(cè)壓力P1即能高精確度地控制下游側(cè)流量。
但是，由于使用節(jié)流孔，存在其微小孔堵塞的弱點。節(jié)流孔是微米級的節(jié)流孔，有時該節(jié)流孔也被塵埃等堵塞，流量控制即不可能。
進行流量控制的管路內(nèi)部必須高度的凈化，但在安設(shè)管路時的切屑、塵埃等有殘留的可能性。在節(jié)流孔發(fā)生堵塞的情況下，由于不能進行流量控制，全套設(shè)備變得不穩(wěn)定，會產(chǎn)生大量的不合格品。
另外，根據(jù)氣體流體的種類，還有化學反應失控而引起爆炸事故的危險。為防止這一點，還考慮過在管路內(nèi)設(shè)置密封過濾器，但有影響管路內(nèi)的傳導的缺點。
因此，本發(fā)明人等提出節(jié)流孔堵塞檢測方法，當節(jié)流孔發(fā)生堵塞到一定程度以上時，會報知堵塞(特愿平10-236653號)。
上述申請的發(fā)明如圖8所示，其構(gòu)成包括將設(shè)定流量QS保持在高設(shè)定流量QSH(通常100％)的第1工序；將此高設(shè)定流量QSH轉(zhuǎn)換成低設(shè)定流量QSL(通常0％)，通過測定上游壓力P1，獲得壓力衰減數(shù)據(jù)P(t)的第2工序；在同一條件下將節(jié)流孔未堵塞時所測得的基準壓力衰減數(shù)據(jù)Y(t)與前述壓力衰減數(shù)據(jù)P(t)進行對比的第3工序；當壓力衰減數(shù)據(jù)P(t)由基準壓力衰減數(shù)據(jù)Y(t)偏離規(guī)定值以上時，報知堵塞的第4工序。就是說，是P(t)不進入具有一定幅度的Y(t)的范圍之內(nèi)時報知堵塞的系統(tǒng)。
上述方法的優(yōu)點是能使節(jié)流孔的堵塞檢知自動化，但也有如下的弱點。
第1，在從遮斷流量控制模式之后進入流量異常檢知模式(堵塞檢知模式)起，在該流量異常檢知模式期間不能進行流量控制。
另外，作為低設(shè)定流量QSL，例如使用0％流量，因而需要排氣時間，在判定上所要的時間變長。因此，流量異常檢知一般是在流量控制終了的最終階段進行，因而存在的缺點是在實際的流量控制中不能確認是否有由于堵塞引起的異常。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為改進上述的缺點而完成的，本發(fā)明提供一種壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法，該裝置由控制閥CV、節(jié)流孔、檢測控制閥CV與節(jié)流孔之間的上游側(cè)壓力P1的壓力檢測器、流量設(shè)定回路構(gòu)成，所述方法包括以下步驟在將上游測壓力P1保持為下游側(cè)壓力P2的約2倍以上的狀態(tài)下，根據(jù)QC＝KP1(K為常數(shù))計算下游側(cè)流量QC，根據(jù)該計算流量QC與設(shè)定流量QS之差信號Qy對控制閥CV進行開閉控制的，由流量設(shè)定回路向控制閥CV輸出具有檢定振幅V0的檢定用信號ΔQS，測定應答該控制閥CV的開閉而產(chǎn)生的上游側(cè)壓力P1的脈動壓力ΔP1的壓力振幅V，當該壓力振幅V小于極限振幅Vt時，報知節(jié)流孔堵塞。
還提出將前述檢定用信號ΔQS疊加在表示正常設(shè)定流量QS0的信號上向控制閥CV輸出的流量異常檢知方法。
還提出向控制閥CV輸出的檢定用信號ΔQS是正弦波信號的流量異常檢知方法。
還提出向控制閥CV輸出的檢定用信號ΔQS是脈沖信號的流量異常檢知方法。


圖1是本發(fā)明的第1壓力式流量控制裝置FCS的構(gòu)成圖。
圖2是表示在節(jié)流孔中無堵塞情況下的設(shè)定流量信號QS與上游側(cè)壓力P1的信號波形。
圖3是表示在節(jié)流孔中有堵塞情況下的設(shè)定流量信號QS與上游側(cè)壓力P1的信號波形。
圖4是本發(fā)明的信號波形的概念構(gòu)成圖。
圖5是本發(fā)明的第2壓力式流量控制裝置FCS的構(gòu)成圖。
圖6是根據(jù)節(jié)流孔的堵塞檢知流量異常的程序方框圖。
圖7是檢定用信號為脈沖信號情況下的概念構(gòu)成圖。
圖8是本發(fā)明人等以往采用的流量異常檢知模式的信號波形圖。
具體實施例方式
下面，按照

本發(fā)明的實施形態(tài)。
本發(fā)明涉及壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法，前述壓力式流量控制裝置動作的前提條件與特開平8-338546號公報相同。即在將上游側(cè)壓力P1設(shè)定成下游側(cè)壓力P2的約2倍以上的情況下，節(jié)流孔下游側(cè)流量QC只依賴于上游側(cè)壓力P1，QC＝KP1這一線性條件高精確度地成立。在氣體種類與節(jié)流孔相同的情況下，比例常數(shù)K為一定。另外，在氣體種類一定之下，使用節(jié)流孔徑不同的節(jié)流孔時，改變常數(shù)K即可。
因此，欲將特定的流體控制成一定的流量QS時，對控制閥CV進行開閉控制，使上游側(cè)壓力P1成為P1＝QS/K之值即可。即一面經(jīng)常測定上游側(cè)壓力P1，一面按一對一的對應關(guān)系將控制閥CV開閉即可。
第1實施形態(tài)圖1是應用本發(fā)明的第1壓力式流量控制裝置的構(gòu)成圖。
在圖1中，節(jié)流孔2的上游側(cè)流路4與由驅(qū)動部8開閉的控制閥CV連接。另外，下游側(cè)流路6通過氣體取出用連接器12與流體反應裝置(未予圖示)連結(jié)。
節(jié)流孔上游側(cè)壓力P1由壓力檢測器14檢測，通過放大回路16顯示在壓力顯示器22上。另外，其輸出通過A/D變換器18數(shù)字化，節(jié)流孔下游側(cè)流量Q由中央運算處理裝置CPU根據(jù)Q＝KP1(K為常數(shù))算出。
另一方面，由溫度檢測器24檢測出的上游側(cè)溫度T1通過放大回路26、A/D變換器28輸入給CPU，對前述流量Q進行溫度修正，計算出運算流量QC。
由流量設(shè)定回路32通過A/D變換器34輸出設(shè)定流量信號QS，發(fā)送給CPU。在CPU中，計算流量QC的信號與設(shè)定流量信號QS的差QY根據(jù)QY＝QC-QS算出，該差信號QY通過放大回路40輸出給驅(qū)動部8。該驅(qū)動部8是朝向差信號QY變?yōu)榱愕姆较驅(qū)刂崎yCV進行開閉控制，控制成為下游側(cè)的流量等于設(shè)定流量QS的裝置。
作為本發(fā)明的特征的檢測回路31是后述的檢定用信號的發(fā)生回路，由CPU控制，通過放大回路33開閉操作驅(qū)動部8。
由該檢定回路31與放大回路33構(gòu)成堵塞檢測回路35。
此外，M是數(shù)據(jù)存儲用與程序存儲用的存儲裝置，42是與外部的通信通道PT，44是觸發(fā)回路等外部回路，46是堵塞時的報警回路，48是電源回路SC，50是±15V的外部電源。AMP是放大回路，A/D表示A/D變換器。
作為控制閥CV是使用所謂直接接觸式金屬隔膜閥，而且在其驅(qū)動部8中使用了壓電元件式驅(qū)動裝置。再者，關(guān)于控制閥CV的驅(qū)動部8，除此之外使用了磁致伸縮元件式驅(qū)動裝置、電磁式驅(qū)動裝置、電動式驅(qū)動裝置、氣壓式驅(qū)動裝置與熱膨脹式驅(qū)動裝置。
壓力檢測器14使用了半導體應變式壓力傳感器，此外還可使用金屬箔應變式壓力傳感器、靜電電容式壓力傳感器與磁阻式壓力傳感器。
溫度檢測器24使用了熱電偶式溫度傳感器，也可使用測溫電阻式溫度傳感器等眾所周知的各種溫度傳感器。
另外，節(jié)流孔2使用了在板狀的金屬薄板制墊片上通過切削加工設(shè)置孔部而形成的節(jié)流孔，此外，也可使用極細導管或通過腐蝕與電火花加工在金屬膜上形成孔所獲得的節(jié)流孔等眾所周知的節(jié)流孔。
將使用節(jié)流孔的上述壓力式流量控制裝置稱為FCS。本發(fā)明人等使用該FCS詳細地研究了節(jié)流孔發(fā)生堵塞時的流量異常。
在檢測流量異常所用的堵塞檢測回路35不動作的狀態(tài)下，由流量設(shè)定回路32輸出正常設(shè)定流量信號QS0，由驅(qū)動部8將控制閥CV控制成一定開度，因而將上游側(cè)壓力P1設(shè)定成正常壓力P10。
欲由此狀態(tài)檢測堵塞時，由外部回路44將堵塞檢測開始信號輸入到CPU內(nèi)，將其作為觸發(fā)信號，使CPU中斷向放大回路40輸出控制信號。CPU立即向檢定回路31輸出信號，由正常設(shè)定流量信號QS0與檢定用信號ΔQs構(gòu)成的設(shè)定流量信號QS(t)作為QS(t)＝QS0+ΔQS由檢定回路31輸出。
該信號通過放大回路33控制驅(qū)動部8，對控制閥CV進行開閉控制。就是說，F(xiàn)CS不發(fā)揮功能，而由檢定回路31一面將通過節(jié)流孔的流量保持成正常設(shè)定流量QS0，一面按照檢定用信號ΔQS檢驗節(jié)流孔的堵塞。本發(fā)明的堵塞檢測在短時間內(nèi)結(jié)束，因而此期間的流量控制是由正常設(shè)定流量信號QS0來保證。在未堵塞的情況下，立即回到FCS控制模式，堵塞檢測不會對流量控制產(chǎn)生影響。
圖2表示在節(jié)流孔中無堵塞情況下的設(shè)定流量信號QS(t)與上游側(cè)壓力P1(t)的信號波形。如上所述，由檢定回路31輸出的設(shè)定流量信號QS(t)可根據(jù)正常設(shè)定流量信號QS0與檢定用信號ΔQS由QS(t)＝QS0+ΔQS給出。
正常設(shè)定流量信號QS0是2.5[V]的直流電壓，檢定用信號ΔQS是振幅為0.5[V]、頻率為0.2[Hz]的正弦波信號。即可用伏單位由QS＝2.5+0.5sin(ωt)給出。所用的氣體是N2氣體，氣溫為21℃。在此，作為無堵塞的節(jié)流孔進行試驗，其孔徑是68[μm]，正常設(shè)定流量QSO的具體值為69.2[SCCM]。
這時，上游測壓力P1(t)也是正常壓力P10與脈動壓力ΔP1的合成，即作為P1(t)＝P10+ΔP1而給出。正常壓力P10是控制成正常值的成分，脈動壓力ΔP1是對應于檢定用信號ΔQS的應答波形。脈動壓力ΔP1是走形的正弦波，如將其近似為正弦波信號時，P10＝250[mV]，ΔP1＝200sin(ωt)[mV]，以毫伏單位由P1＝250+200sin(ωt)給出。
圖3是在節(jié)流孔有堵塞情況下的設(shè)定流量信號QS(t)與上游側(cè)壓力P1(t)的信號波形。所使用的節(jié)流孔的孔徑為62[μm]，相對于圖2的情形而言，假定約有10％的堵塞。給出與圖2相同的設(shè)定流量信號QS(t)＝2.5+0.5sin(ωt)時，上游側(cè)壓力P1(t)出現(xiàn)明顯的差異。就是說，以毫伏單位，成為P1＝70+90sin(ωt)。實際的正常設(shè)定流量為57.2[SCCM]。
將圖2與圖3進行比較時，正常壓力P10由250[mV]變化為70[mV]，脈動壓力ΔP1由200sin(ωt)向90sin(ωt)變化。由于在節(jié)流孔中有堵塞，正常壓力P10多少發(fā)生變化是理所當然的。
另外，脈動壓力P1(t)比檢定用信號ΔQS在相位上滯后是由于應答緩慢所致。但是，在本發(fā)明中，此滯后τ不成問題。上述脈動壓力ΔP1是以振幅求得，但也可由VPP，即峰·谷·峰值求出。
本發(fā)明人等著眼于節(jié)流孔堵塞會對脈動壓力ΔP1給予大的變化。就是說，作為檢定用信號，給予相同的ΔQS＝0.5sin(ωt)[V]時，如果以Vsin(ωt)表示脈動壓力ΔP1，則有壓力振幅V由±200[mV]向±90[mV]急減的事實。根據(jù)該事實，能通過脈動壓力的壓力振幅V的減小檢測出節(jié)流孔的堵塞，并能利用報警信號向外部報知。
圖4是概括上述事項的本發(fā)明的信號波形的概念構(gòu)成圖。正在以正常設(shè)定流量信號QS0進行流量控制時，由于檢測出節(jié)流孔堵塞，中斷由FCS進行的流量控制。立即由檢定回路將檢定用信號ΔQS＝V0sin(ωt)與QS0疊加而輸出。
這時，測定作為應答信號的上游側(cè)壓力P1(t)。上游側(cè)壓力P1(t)是由正常壓力P10與脈動壓力ΔP1＝Vsin(ωt)構(gòu)成。計算流量QC是作為QC＝KP10由正常壓力P10算出。另一方面，當脈動壓力ΔP1的壓力振幅V小于極限振幅Vt時，作為在節(jié)流孔中有堵塞而由CPU向報警回路46輸出報警信號。
在節(jié)流孔中無堵塞時，脈動壓力ΔP1是以ΔP1＝VP0sin(ωt)表示。因此，對于在Vt＜V＜VP0范圍內(nèi)的壓力振幅V來說，可判斷為無堵塞；在V＜Vt的范圍時，作為有堵塞而輸出報警信號。
在極限振幅Vt的決定方法上多少存在任意性。既要依賴于檢定用信號ΔQS＝V0sin(ωt)的檢定振幅V0，也要依賴于節(jié)流孔的堵塞程度。因此，在一定的檢定用信號ΔQS＝Vsin(ωt)的情況下，是根據(jù)堵塞的經(jīng)驗值來決定極限振幅Vt。
第2實施形態(tài)圖5是不設(shè)置堵塞檢測回路進行堵塞檢測的壓力式流量控制裝置的構(gòu)成圖。對于流量控制模式來說，是由流量設(shè)定回路32輸出正常設(shè)定流量信號QS0，由CPU進行控制閥CV的開閉控制，將上游側(cè)壓力P1控制成正常壓力P10。
由此狀態(tài)進入堵塞檢測模式時，設(shè)定流量信號QS(t)＝QS0+V0sin(ωt)即由流量設(shè)定回路32輸出到CPU內(nèi)。CPU通過放大回路40對控制閥CV進行開閉控制，上游側(cè)壓力P1(t)顯示P1(t)＝P10+Vsin(ωt)。根據(jù)該壓力振幅V進行與前述相同的堵塞檢測。
換言之，圖1是在FCS中另外設(shè)置檢定回路31，借此進行堵塞檢測，與此相反，圖5是由FCS單體進行堵塞檢測。對于堵塞檢測模式來說，前者是暫時中斷FCS控制，而后者是FCS控制也同時進行。但是，對于前者來說，由于是由檢定回路輸出正常信號，短時間的FCS控制中斷對于流量控制幾乎無影響。
圖6是利用節(jié)流孔堵塞檢知流量異常的程序方框圖的一側(cè)。本程序方框圖能適用圖1與圖5兩裝置。
由步驟n1確認FCS是流量控制模式時，則正常設(shè)定流量信號QS0作為設(shè)定流量信號QS由流量設(shè)定回路32輸出(n2)。上游側(cè)壓力P1測定后(n3)，下游側(cè)流量Q根據(jù)Q＝KP1算出(n4)。
另外，測定上游側(cè)溫度T1(n5)，下游側(cè)流量Q受到校正而變換成計算流量QC(n6)。
計算流量QC與設(shè)定流量QS的差Qy由Qy＝QC-QS進行計算(n7)。當Qy為負的情況下(n8)，將控制閥CV稍許打開(n9)；當Qy為正的情況下(n10)，將控制閥CV稍許關(guān)閉(n11)，再回到步驟n3。一面重復進行該步驟，一面使運算流量QC與設(shè)定流量QS一致地進行控制，將通過節(jié)流孔流量控制成當初的正常設(shè)定流量QS0。
當設(shè)定節(jié)流孔的堵塞檢測模式時(n12)，則輸出包括檢定用信號ΔQS＝V0sin(ωt)在內(nèi)的設(shè)定流量信號QS＝QS0+V0sin(ωt)(n13)。該輸出在圖1中由檢定回路31，在圖5中由流量設(shè)定回路32來進行。由于加入正常設(shè)定流量信號QS0，能一面進行流量控制，一面執(zhí)行堵塞檢測。
上游側(cè)壓力P1是作為P1(t)＝P10+Vsin(ωt)進行檢測(n14)。正常壓力P10是流量控制用，根據(jù)脈動壓力ΔP1＝Vsin(ωt)算出壓力振幅V(n15)。在該壓力振幅V大于極限振幅Vt的情況下(n16)，作為無堵塞而回到步驟n1。在壓力振幅V在極限振幅Vt以下的情況下(n16)，作為有堵塞而輸出報警信號(n17)。
圖7表示檢定用信號ΔQS是脈沖信號的情形。脈沖信號的深度是檢定振幅V0，作為應答信號的上游側(cè)壓力P1(t)也是脈動壓力ΔP1疊加在正常壓力P10上。作為該脈動壓力ΔP1的深度的壓力振幅V小于極限振幅Vt時，判斷為有堵塞。其他事項與圖4相同，從略。
本發(fā)明并不僅限于上述實施形態(tài)，不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍的各種變形例、設(shè)計變更等是包括在其技術(shù)范圍內(nèi)的。
根據(jù)本發(fā)明，作為對于來自另外設(shè)置的檢定回路的輸入的應答，由上游側(cè)壓力P1中取出脈動壓力ΔP1，只是將其壓力振幅V與極限振幅Vt對比，即能檢知節(jié)流孔的堵塞。因此，能極其簡便地檢知流量異常。
另外，根據(jù)本發(fā)明，不另外設(shè)置檢定回路，而是原封不動地利用以往的壓力式流量控制裝置即能檢知堵塞。因此，能極其簡便地檢知流量異常。
根據(jù)本發(fā)明，能一面按照正常設(shè)定流量信號QS0進行流量控制，一面根據(jù)檢定用信號ΔQS檢知節(jié)流孔堵塞，實現(xiàn)一面繼續(xù)進行流量控制一面檢知流量異常這一劃時代的方法。就是說，該權(quán)利要求3的發(fā)明與以往的停止流量控制系統(tǒng)地進入異常檢知模式這一流量異常的檢知方法相比較，是具有革新效果的方法。
另外，由于能在流量控制中檢知流量異常，在節(jié)流孔堵塞而使流量降低的情況下，具有能進行增加那一分額的流量的控制，始終保持通過節(jié)流孔的流量為一定的效果。
根據(jù)本發(fā)明，由于能利用正弦波信號作為檢定用信號，能活用眾所周知的正弦波電子技術(shù)，具有回路構(gòu)成簡單的效果。
根據(jù)本發(fā)明，由于能利用脈沖信號作為檢定用信號，能活用眾所周知的脈沖技術(shù)，以簡單的回路構(gòu)成檢知流量異常。
權(quán)利要求
1.一種壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法，該裝置由控制閥(CV)、節(jié)流孔(2)、檢測控制閥(CV)與節(jié)流孔(2)之間的上游側(cè)壓力P1的壓力檢測器(14)、流量設(shè)定回路(32)構(gòu)成，所述方法包括以下步驟在將上游測壓力P1保持為下游側(cè)壓力P2的約2倍以上的狀態(tài)下，根據(jù)QC＝KP1(K為常數(shù))計算下游側(cè)流量QC，根據(jù)該計算流量QC與設(shè)定流量QS之差信號Qy對控制閥(CV)進行開閉控制的，由流量設(shè)定回路(32)向控制閥(CV)輸出具有檢定振幅V0的檢定用信號ΔQS，測定應答該控制閥(CV)的開閉而產(chǎn)生的上游側(cè)壓力P1的脈動壓力ΔP1的壓力振幅V，當該壓力振幅V小于極限振幅Vt時，報知節(jié)流孔堵塞。
2.按權(quán)利要求1或2所述的流量異常檢知方法，將前述檢定用信號ΔQS疊加在正常設(shè)定流量信號QS0上輸出到控制閥(CV)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的流量異常檢知方法，前述檢定用信號ΔQS是正弦波信號。
4.按權(quán)利要求1或2所述的流量異常檢知方法，前述檢定用信號ΔQS是脈沖信號。
全文摘要
一種壓力式流量控制裝置的流量異常檢知方法，該裝置由控制閥(CV)、節(jié)流孔(2)、檢測控制閥(CV)與節(jié)流孔(2)之間的上游側(cè)壓力P
文檔編號F16K37/00GK1506607SQ0317874
公開日2004年6月23日 申請日期2000年7月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月10日
發(fā)明者大見忠弘, 飯?zhí)锞? 加賀爪哲, 廣瀨潤, 深澤和夫, 小泉浩, 長岡秀樹, 宇野富雄, 西野功二, 池田信一, 土肥亮介, 出田英二, 一, 二, 介, 哲, 夫, 樹, 雄 申請人:株式會社富士金, 大見忠弘, 飯?zhí)锞? 東京毅力科創(chuàng)株式會社