專利名稱：流量測量裝置和流量控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)壓力測量例如半導(dǎo)體加工中使用的材料氣體等的流量的流量測量裝置以及使用了該流量測量裝置的流量控制裝置。
背景技術(shù)：
所述種類的流量測量裝置和流量控制裝置，通過設(shè)置流體阻力部件，根據(jù)該流體阻力部件前后的壓力來計(jì)算出流量(在半導(dǎo)體加工等中，當(dāng)如在下游連接有真空室時(shí)等那樣下游壓力低的情況下，僅使用上游的壓力就可以高精度計(jì)算出流量)。公知的有下述的裝置形成作為集成塊的一個(gè)共通的主體單元，并在該主體單元上安裝所述流體阻力部件和壓力傳感器，從而形成一體，在所述集成塊的內(nèi)部例如形成有流路。
為了更準(zhǔn)確地計(jì)算出流量，還需要流體的溫度。例如，如果是使用電阻元件類型的壓力傳感器，由于電阻元件的電阻值因溫度發(fā)生變化，所以測量值會出現(xiàn)誤差，因此通過測量壓力傳感器的溫度，可以測量到誤差得到補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確的壓力。此外，因?yàn)榱黧w溫度會對粘性等造成影響，所以如果知道流體阻力部件中的流體溫度，則可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出流量。因此，例如如圖13所示，以往將溫度傳感器安裝在主體單元上，將溫度傳感器表示的溫度看作所述流體阻力部件和壓力傳感器的溫度來計(jì)算出所述流量。另一方面，近年來在追求設(shè)備緊湊化和簡單化的情況下，安裝在流量測量裝置或流量控制裝置的前后的開關(guān)閥等，從氣動式改變?yōu)殡姶攀?，且配置得更加接近?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本實(shí)用新型公開公報(bào)實(shí)開平2-55123號可是，根據(jù)本發(fā)明人專心研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于從電磁式開關(guān)閥等通電時(shí)發(fā)出的熱量，如果將所述開關(guān)閥配置在流量測量裝置或流量控制裝置附近，則壓力傳感器和流體阻力部件的溫度隨時(shí)間變動，而且在各處會產(chǎn)生溫度不同的現(xiàn)象。這時(shí)，如果還按照以往那樣在一處測量溫度，則該溫度就不一定表示實(shí)際的壓力傳感器中的溫度或流體阻力部件中的溫度，從而存在會導(dǎo)致產(chǎn)生測量誤差的問題。然而如果單純地增加溫度傳感器，又會導(dǎo)致不能滿足緊湊化等的要求。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于本發(fā)明人首次發(fā)現(xiàn)的所述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種流量測量裝置和流量控制裝置，能夠提高流量測量精度而不會損害緊湊性。S卩，本發(fā)明提供一種流量測量裝置，其包括流體阻力部件，流過測量的對象流體；上游壓力傳感器，包括感壓面，所述流體阻力部件的上游的對象流體導(dǎo)向該感壓面，所述上游壓力傳感器能分別或同時(shí)在壓力測量模式和溫度測量模式下進(jìn)行動作，在所述壓力測量模式下，所述上游壓力傳感器能根據(jù)以與該感壓面的變形聯(lián)動而變形的方式設(shè)置的電阻元件的電阻值的變化測量所述對象流體的壓力，在所述溫度測量模式下，所述上游壓力傳感器能根據(jù)所述電阻元件因溫度產(chǎn)生的電阻值的變化測量該壓力傳感器的溫度；溫度檢測部件，配置于能測量流過所述流體阻力部件的對象流體的溫度的位置；以及流量計(jì)算部，至少根據(jù)在所述壓力測量模式下測量到的上游流路的壓力、所述流體阻力部件的壓力一流量特性、在所述溫度測量模式下測量到的上游壓力傳感器的溫度和由所述溫度檢測部件測量到的所述流體阻力部件中的對象流體的溫度，計(jì)算出所述對象流體的流量。還可以在流量計(jì)算部的計(jì)算參數(shù)中使用所述流體阻力部件所具有的壓力一流量特性。本發(fā)明的流量測量裝置包括流體阻力部件，流過測量的對象流體；上游壓力傳感器，包括感壓面，所述流體阻力部件的上游的對象流體導(dǎo)向該感壓面，所述上游壓力傳感器能根據(jù)以與該感壓面的變形聯(lián)動而變形的方式設(shè)置的電阻元件的電阻值的變化測量所述對象流體的壓力，并且能根據(jù)所述電阻元件因溫度產(chǎn)生的電阻值的變化測量該壓力傳感器的溫度；溫度檢測部件，配置于能測量流過所述流體阻力部件的對象流體的溫度的位置；以及流量計(jì)算部，至少根據(jù)由所述上游壓力傳感器測量到的上游流路的壓力、所述流體阻 力部件的壓力一流量特性、由所述上游壓力傳感器測量到的上游壓力傳感器的溫度及由所述溫度檢測部件測量到的所述流體阻力部件中的對象流體的溫度，計(jì)算出所述對象流體的流量。按照所述的流量測量裝置，即使假設(shè)因從電磁式開關(guān)閥等通電時(shí)發(fā)出的熱量，壓力傳感器和流體阻力部件的溫度隨時(shí)間變動且各處的溫度不同，也由于單獨(dú)地測量壓力傳感器的溫度和流過流體阻力部件的對象流體的溫度，并將各測量溫度作為計(jì)算對象流體的流量時(shí)的計(jì)算參數(shù)，因此能計(jì)算出極高精度的流量。此外，由于將用于測量壓力的電阻元件作為測量壓力傳感器的溫度的部件共用，所以不會損害緊湊性。優(yōu)選的是，測量對象流體的溫度的所述溫度檢測部件設(shè)置在流體阻力部件的附近。作為能夠特別顯著地發(fā)揮本發(fā)明的效果的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的是，所述流量測量裝置還包括主體單元，所述主體單元具有長邊方向，在該主體單元中形成有流過所述對象流體的內(nèi)部流路，所述流體阻力部件以切斷所述內(nèi)部流路的方式安裝在所述主體單元上，并且所述上游壓力傳感器以所述感壓面與部件安裝面大體垂直且所述感壓面與所述長邊方向大體平行的方式安裝在所述部件安裝面上，所述部件安裝面被設(shè)定為是所述主體單元的與所述長邊方向平行的面。按照所述結(jié)構(gòu)，由于感壓面豎起，與將感壓面放倒的結(jié)構(gòu)相比，感壓面遠(yuǎn)離設(shè)置有流體阻力部件的內(nèi)部流路，所以流體阻力部件與感壓面的溫度差往往變大，在以往那樣用一個(gè)溫度傳感器的測量誤差變大，但是按照本發(fā)明，能可靠地降低所述誤差，從而能夠以高精度測量流量。為了使溫度檢測部件盡可能接近流體阻力部件并維持緊湊性，優(yōu)選的是，所述流體阻力部件嵌入凹部，該凹部開口于所述主體單元的部件安裝面，所述上游壓力傳感器包括主體構(gòu)件，在該主體構(gòu)件的內(nèi)部形成有所述感壓面，通過所述主體構(gòu)件密封所述凹部的開口，并且所述溫度檢測部件內(nèi)置于所述主體構(gòu)件的開口密封面的正上方。
此外，優(yōu)選的是，本發(fā)明的所述流體阻力部件使對象流體以層流狀態(tài)流動。下游的壓力傳感器如果具備同樣的功能，則也能進(jìn)行更準(zhǔn)確的流量測量。具體而言，所述流量測量裝置還包括下游壓力傳感器，該下游壓力傳感器包括感壓面，所述流體阻力部件的下游的對象流體導(dǎo)向該感壓面，所述下游壓力傳感器能分別或同時(shí)在壓力測量模式和溫度測量模式下進(jìn)行動作，在所述壓力測量模式下，所述下游壓力傳感器能根據(jù)以與該感壓面的變形聯(lián)動而變形的方式設(shè)置的電阻元件的電阻值的變化測量所述流體阻力部件的下游流路的壓力，在所述溫度測量模式下，所述下游壓力傳感器能根據(jù)所述電阻元件因溫度產(chǎn)生的電阻值的變化測量該壓力傳感器的溫度，所述流量計(jì)算部根據(jù)在所述壓力測量模式下測量到的下游流路的壓力和在所述溫度測量模式下測量到的下游壓力傳感器的溫度，計(jì)算出所述對象流體的流量。此外，本發(fā)明還提供一種利用了本發(fā)明的流量測量裝置的流量控制裝置。按照如上所述的本發(fā)明，在差壓式流量測量裝置和利用了該差壓式流量測量裝置的流量控制裝置中，可以提高流量測量精度而不會損害緊湊性。


圖I是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的流量控制裝置的流體回路圖。圖2是與圖I為相同實(shí)施方式的流量控制裝置的整體立體圖。圖3是表示與圖I為相同實(shí)施方式的流量控制裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱剖視圖。圖4是與圖I為相同實(shí)施方式的流量控制裝置的俯視圖。圖5是表示與圖I為相同實(shí)施方式的壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫剖視圖。圖6是與圖I為相同實(shí)施方式的流量控制裝置的分解立體圖。圖7是表示與圖I為相同實(shí)施方式的流量調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部剖視圖。圖8是表示與圖I為相同實(shí)施方式的流量調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部剖視圖。圖9是表示與圖I為相同實(shí)施方式的將流體阻力部件收容在凹部中的狀態(tài)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部剖視圖。圖10是表示與圖I為相同實(shí)施方式的將電阻元件粘貼在感壓面上的狀態(tài)下的圖。圖11是與圖I為相同實(shí)施方式的電阻元件的連接等價(jià)電路圖。圖12是表示本發(fā)明其他實(shí)施方式的壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部剖視圖。圖13是表示以往的流量控制裝置的整體立體圖。附圖標(biāo)記說明100…流量控制裝置10…流量測量裝置I…主體單元Ia…內(nèi)部流路21…上游壓力傳感器22…下游壓力傳感器2b I…感壓面3…流體阻力部件6…控制電路
具體實(shí)施例方式下面參照

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。本實(shí)施方式的流量控制裝置100安裝在例如氣體面板上，構(gòu)成半導(dǎo)體制造裝置的材料供給管道的一部分，如圖I的流體回路圖、圖2的整體立體圖所示，流量控制裝置100包括主體單元I，具有內(nèi)部流路Ia,在該內(nèi)部流路Ia中流過作為流量控制對象的流體；流量調(diào)節(jié)閥4，設(shè)置在所述內(nèi)部流路Ia上；流量測量裝置10，設(shè)置在比所述流量調(diào)節(jié)閥4更靠下游，測量流過所述內(nèi)部流路Ia的流體的質(zhì)量流量；以及控制電路6，控制所述流量調(diào)節(jié)閥4，從而使所述流量測量裝置10測量到的測量流量成為預(yù)定的目標(biāo)流量。以下具體說明各部分。如圖2所示，主體單元I為呈細(xì)長的長方體形狀的例如金屬制部件。所述主體單元I的與長邊方向平行的一個(gè)面被設(shè)定為部件安裝面1C，只在該部件安裝面Ic上安裝有所述流量調(diào)節(jié)閥4和壓力傳感器21、22等部件。此外，與所述安裝面Ic相反一側(cè)的面作為用于將該主體單元I固定在面板等上的固定面。另外，主體單元I的與長邊方向平行的其他 兩個(gè)面(以下稱側(cè)面)不安裝任何部件，因此多個(gè)主體單元I可以以側(cè)面之間貼緊或接近的方式配置。內(nèi)部流路Ia從主體單元I的長邊方向的一端部向另一端部延伸，更具體而言，如圖3所示，內(nèi)部流路Ia的流體導(dǎo)入口 Id和流體導(dǎo)出口 le，分別開口于所述主體單元I的與長邊方向垂直的兩端面。而且，從與所述部件安裝面Ic垂直的方向觀察時(shí)(以下也稱俯視)，流體與長邊方向大體平行地流動。如圖3、圖6、圖7所示，流量調(diào)節(jié)閥4為柱狀部件，包括閥座構(gòu)件42和閥體構(gòu)件41，垂直安裝在所述部件安裝面Ic的流體導(dǎo)入口 Id—側(cè)的一端部上。所述流量調(diào)節(jié)閥4的最大寬度尺寸被設(shè)定為小于所述部件安裝面Ic的寬度尺寸(與長邊方向垂直的方向的尺寸)或與所述部件安裝面Ic的寬度尺寸相同，如圖4所示，在所述流量調(diào)節(jié)閥4安裝在主體單元I上的狀態(tài)下，流量調(diào)節(jié)閥4在寬度方向上不從主體單元I突出。如圖6、圖7等所示,構(gòu)成所述流量調(diào)節(jié)閥4的構(gòu)件中,所述閥座構(gòu)件42為大體柱狀構(gòu)件，其頂面中央部突出形成有圓環(huán)狀的座面42a。此外，流體導(dǎo)入通道42b和流體導(dǎo)出通道42c貫穿所述閥座構(gòu)件42，流體導(dǎo)入通道42b的一端開口于該閥座構(gòu)件42的頂面中央部(具體為閥座面42a的內(nèi)側(cè))，并且其另一端開口于該閥座構(gòu)件42的底面中央部。流體導(dǎo)出通道42c的一端開口于該閥座構(gòu)件42的頂面周向邊緣部(更具體而言為比閥座面42a更靠外側(cè))，并且另一端開口于該閥座構(gòu)件42的底面周向邊緣部。所述閥座構(gòu)件42嵌入有底凹部If，該有底凹部If開口于所述部件安裝面Ic的一端部。所述有底凹部If設(shè)置在切斷所述內(nèi)部流路Ia的位置上。具體而言，被切斷的內(nèi)部流路Ia中的上游內(nèi)部流路Ia (I)的末端開口于該有底凹部If的底面中央部，下游內(nèi)部流路Ia (2)的始端開口于該有底凹部If的底部側(cè)周面。通過所述結(jié)構(gòu)，在閥座構(gòu)件42嵌入有底凹部If的狀態(tài)下，所述流體導(dǎo)入通道42b的另一端通過密封構(gòu)件SL2與開口于有底凹部If中央的上游內(nèi)部流路Ia(I)的末端連通，此外，由于閥座構(gòu)件42從底面周向邊緣部到側(cè)周面底部與有底凹部If的內(nèi)周面之間存在間隙，所以所述流體導(dǎo)出通道42c的另一端與所述下游內(nèi)部流路Ia (2)的始端連通。
另一方面，如圖3、圖7、圖8所示，所述閥體構(gòu)件41包括箱體411，內(nèi)部為氣密狀態(tài)；以及層疊壓電元件412，呈柱狀，收容在所述箱體411的內(nèi)部。箱體411包括呈長筒狀的殼體411a ;薄板狀的隔板構(gòu)件411b，氣密地堵塞所述殼體411a的一端面，能彈性變形；以及堵塞構(gòu)件411c，氣密地堵塞所述殼體411a的另一端面。殼體411a包括塊體狀的一端側(cè)部件411a. 1，以覆蓋所述有底凹部If的方式安裝在部件安裝面Ic上；以及圓筒狀的另一端側(cè)部件411a. 2，與所述一端側(cè)部件411a. I連接。如圖7所示，隔板構(gòu)件411b為能彈性變形的薄板，在中央具有向內(nèi)側(cè)突出的突起411b. I,隔板構(gòu)件411b與所述一端側(cè)部件411a. I 一體成形。 如圖8所示，堵塞構(gòu)件411c包括呈圓板狀的構(gòu)件主體411c. 1，以堵塞殼體411a的另一端面的方式安裝；作為進(jìn)退桿的調(diào)整螺釘411c. 2，與貫穿所述構(gòu)件主體411c. I中央的內(nèi)螺紋孔螺紋連接；以及氣密保持構(gòu)件411c. 3，以包圍螺紋連接部分的方式安裝在構(gòu)件主體411c. I的內(nèi)側(cè)的面上。另外，所述構(gòu)件主體411c. I為所謂的密封結(jié)構(gòu)，被壓電元件驅(qū)動用的端子T以氣密的方式貫穿。所述氣密保持構(gòu)件411c. 3包括筒狀的波紋管部411c. 31，能夠在軸向上彈性伸縮；以及柱狀構(gòu)件411c. 32，與所述波紋管部411c. 31的底部氣密連接。所述柱狀構(gòu)件411c. 32介于調(diào)整螺釘411c. 2和層疊壓電元件412之間，通過使調(diào)整螺釘411c. 2通過螺紋前進(jìn)或后退，并通過柱狀構(gòu)件411c. 32，可以調(diào)節(jié)層疊壓電元件412在軸向上的位置。另外，柱狀構(gòu)件411c. 32的前端面與層疊壓電元件412的基端面接觸。此外，通過借助密封構(gòu)件SLl將所述殼體411a的一端面安裝到主體單元I的部件安裝面Ic上，以該一端面密封形成在主體單元I上的所述有底凹部If的開口，并且使閥座面42a與隔板構(gòu)件411b相對，通過所述壓電兀件412的伸縮，使隔板構(gòu)件411b與閥座面42a的間隔距離發(fā)生改變，所述隔板構(gòu)件411b發(fā)揮作為閥體41a的功能。如圖I所示,流量測量裝置10包括流體阻力部件3,設(shè)置在內(nèi)部流路Ia上；一對壓力傳感器21、22，用于分別測量所述流體阻力部件3a的上游和下游的流體壓力；以及作為流體計(jì)算部的流量計(jì)算電路9，用于計(jì)算出流過所述流體阻力部件3的對象氣體的流量。以下具體說明各部分。如圖6、圖9所示，所述流體阻力部件3為將多個(gè)矩形狀薄板31 35層疊而成的長方體狀部件，由于所述流體阻力部件3構(gòu)成為使流過該流體阻力部件3的內(nèi)部的流體以層流狀態(tài)流動，所以也可以將流體阻力部件3稱為層流阻力元件。如圖6所示，在所述流體阻力部件3的各薄板上或一部分薄板上設(shè)有通孔3b和狹縫3d，通孔3b在層疊時(shí)相互重合從而在層疊方向上形成貫通的連接通道3c，狹縫3d的內(nèi)側(cè)端與所述連接通道3c連通，狹縫3d的外側(cè)端開口于與長邊方向垂直的側(cè)面，在層疊所述薄板31 35時(shí)，由狹縫3d形成阻力流路3a。按照該結(jié)構(gòu)，通過使狹縫3d的形狀和個(gè)數(shù)不同可以調(diào)節(jié)流路阻力。另一方面，如圖3、圖5、圖6、圖9所示，在主體單元I的部件安裝面Ic的長邊方向中央部，以切斷內(nèi)部流路Ia的方式設(shè)有矩形的凹部lh。而且設(shè)計(jì)為所述流體阻力部件3以寬度方向無間隙、且在主體單元I的長邊方向上存在間隙的方式嵌入所述凹部lh。此外，被所述凹部Ih切斷的內(nèi)部流路Ia中的上游內(nèi)部流路Ia (2)的末端開口于所述凹部Ih的底面中央，并且下游內(nèi)部流路la (3)的始端開口于有底凹部Ih的長邊方向的底面邊緣部。在所述流體阻力部件3嵌入凹部Ih的狀態(tài)下，所述連接通道3c的底側(cè)的一端通過密封構(gòu)件SL3與上游內(nèi)部流路Ia (2)的末端連接，阻力流路3a的外側(cè)端與下游內(nèi)部流路Ia (3)的始端連通。即，上游內(nèi)部流路Ia (2)通過連接通道3c和阻力流路3a，與下游內(nèi)部流路Ia (3)連接。如圖2 圖6等所示，壓力傳感器21、22包括呈扁平形狀的主體構(gòu)件2A ;以及內(nèi)置于所述主體構(gòu)件2A內(nèi)的壓力檢測用的電阻元件2B。此外，將所述扁平的主體構(gòu)件2A以下述方式安裝在所述部件安裝面Ic上主體構(gòu)件2A的面板部(扁平面)與部件安裝面Ic垂直且與主體單元I的長邊方向大體平行，即俯視為與流體的流動方向大體平行。此外，如圖4等所示，壓力傳感器21、22的厚度尺寸設(shè)定為小于部件安裝面Ic的寬度方向尺寸或與部件安裝面Ic的寬度方向尺寸相同，安裝狀態(tài)下的壓力傳感器21、22不會在寬度方向上從王體單兀I關(guān)出。如圖5所示，所述主體構(gòu)件2A內(nèi)形成有呈薄圓板狀的流體填充室2b，由彈性變 形的隔板壁2A1形成與所述面板部平行的一個(gè)面2bl ；以及流體導(dǎo)入通道2c，連通所述流體填充室2b和壓力導(dǎo)入口 2al。所述壓力導(dǎo)入口 2al開口于與主體單元I相對的安裝面2a。流體導(dǎo)入通道2c開口于流體填充室2b的側(cè)面，即開口于與所述一個(gè)面2bl垂直的面，并且流體導(dǎo)入通道2c的延伸方向設(shè)定為與所述一個(gè)面2b I平行或相對于所述一個(gè)面2bl略微傾斜。在此，如圖5、圖10所示，所述電阻元件2B采用四個(gè)等價(jià)元件，并列粘貼在所述隔板壁2A1的背面，但不限于此，也可以采用貼在表面和背面等已知的各種粘貼方法。所述四個(gè)電阻元件2B例如如圖11的等效電路圖所示，以構(gòu)成電橋電路的方式連接，所述電阻元件2B中的正中間的兩個(gè)電阻元件2B (2)、電阻元件2B (3)為電橋電路中的相對的電阻。此外，如相同的圖所示，在電橋電路中相鄰的電阻元件2B的連接點(diǎn)中處于對角位置的連接點(diǎn)T1、T2上，從另外設(shè)置的固定電流源I流通有一定的電流，將處于另一方的對角位置的連接點(diǎn)Τ3、Τ4間的電壓作為壓力指示電壓Vp取出。另外，取出或輸出所述壓力指示電壓時(shí)為壓力測量模式。按照所述的結(jié)構(gòu)，由于在沒有壓力作用的狀態(tài)下，作為感壓面的所述一個(gè)面2b I不變形，所以電橋電路保持平衡，壓力指示電壓為0，而當(dāng)感壓面2bl受到流體壓力后產(chǎn)生變形時(shí)，由于例如電阻元件2B (2)、2B (3)伸長后其電阻值相應(yīng)地增加，并且電阻元件2B
(1)、2B (4)縮短后其電阻值相應(yīng)地減小，所以電橋電路的平衡被破壞，產(chǎn)生與變形對應(yīng)的壓力指示電壓Vp。但是，即使在相同壓力下，所述壓力指示電壓Vp也會因溫度而變化。這是由于電阻元件2B的電阻值也因溫度而變化。因此，在所述實(shí)施方式中，也可以利用所述電橋電路來測量溫度。具體而言，利用電阻元件2B的阻力值因溫度而變化，取出固定電流源所連接的連接點(diǎn)間的電壓作為溫度指示電壓Vt。即，所述溫度指示電壓Vt間接表示電阻元件2B的在Tl、T2間觀察時(shí)的合成電阻值，由于該合成電阻值根據(jù)溫度變化，所以溫度指示電壓Vt成為表示溫度的值。此外，取出或輸出所述溫度指示電壓時(shí)為溫度測量模式。由于所述合成電阻值基本與壓力無關(guān)，因此可以與壓力無關(guān)地獨(dú)立測量溫度。另外，作為具體的電阻元件，可以使用由娃等形成的MEMS (Micro ElectroMechanical Systems,微機(jī)電系統(tǒng))或壓電元件等,從溫度測量功能的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)選MEMS。但是，所述一對壓力傳感器21、22中，上游壓力傳感器21安裝在主體單元I的部件安裝面Ic的長邊方向的中央部，下游壓力傳感器22安裝在所述部件安裝面Ic的長邊方向的另一端部。特別是通過安裝在主體單元I上，所述上游壓力傳感器21的安裝面2a通過環(huán)狀密封構(gòu)件SL4將所述凹部Ih的開口氣密密封，并且所述上游壓力傳感器21將凹部Ih內(nèi)的流體阻力部件3按壓夾持在其與凹部Ih的底面之間。由此，流體阻力部件3不需要專用的蓋等密封，因此能夠減少部件數(shù)量并能促進(jìn)組裝簡單化，從而可以實(shí)現(xiàn)降低成本。此外，在所述狀態(tài)下，流體阻力部件3的連接通道3c與上游壓力傳感器21的壓力導(dǎo)入口 2al連接，比阻力流路3a更靠上游的內(nèi)部流路Ia (2)通過所述連接通道3c與上游壓力傳感器21連通。
另一方面，比阻力流路3a更靠下游的內(nèi)部流路Ia (3)，沿主體單元I的長邊方向延伸到達(dá)流體導(dǎo)出口 le，并且通過在中途分支的分支流路li，內(nèi)部流路Ia (3)與下游壓力傳感器22的壓力導(dǎo)入口 2al連接。另外，在所述實(shí)施方式中，設(shè)置有溫度檢測部件8，該溫度檢測部件8用于測量流過所述流體阻力部件3的流體的溫度。所述溫度檢測部件8例如為熱敏電阻或測溫電阻體等，所述溫度檢測部件8被埋入所述上游壓力傳感器21的主體構(gòu)件2A中。更具體而言，如圖9、圖3所示，所述溫度檢測部件8被埋入所述主體構(gòu)件2A的距安裝面2a隔開薄壁W(厚度O. Imm左右)的位置，所述溫度檢測部件8隔著薄壁W與流體阻力部件3相對配置。所述流量計(jì)算電路9在物理上由CPU、存儲器、I/O通道，A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器以及其他的模擬或數(shù)字電路等構(gòu)成，在此，所述流量計(jì)算電路9收容于圖2所示的罩體7內(nèi)，該罩體7以覆蓋壓力傳感器21、22和流量調(diào)節(jié)閥4的方式安裝在主體單元I上，所述流量計(jì)算電路9也可以不附帶在罩體7和主體單元I上，而與罩體7和主體單元I分開設(shè)置流量計(jì)算電路9。另外，圖2未表示流量計(jì)算電路9。所述流量計(jì)算電路9與所述壓力傳感器21、22和溫度檢測部件8電連接，可以接收所述壓力指示電壓Vp、溫度指示電壓Vt和來自溫度檢測部件8的溫度測量值。此外，按照存儲在所述存儲器中的程序，通過使CPU及其外圍設(shè)備協(xié)同動作，所述流量計(jì)算電路9發(fā)揮下述功能。S卩，分別取得從壓力傳感器21、22輸出的壓力指示電壓Vp后計(jì)算出修正前壓力值，并且取得溫度指示電壓Vt后計(jì)算出壓力傳感器的溫度，用壓力傳感器的溫度對所述修正前壓力值進(jìn)行修正，計(jì)算出作為最終結(jié)果的壓力。另外，作為最終結(jié)果的壓力也可以根據(jù)壓力指示電壓Vp和溫度指示電壓Vt直接求出。以下為具體示例。首先，根據(jù)溫度指示電壓Vt求出溫度T。例如按照以下的規(guī)定的關(guān)系式求出。T = e (Vt)e為規(guī)定的函數(shù)(例如為一次式)接著，通過擬合(7 ^ r ^ >々'')等求出在溫度Tl下使壓力變化時(shí)真實(shí)的壓力P和壓力指示電壓Vp的關(guān)系式。P (T1) = f (Vp, a1； b1； C1, d1；…)
f為規(guī)定的函數(shù)(例如三次式)^ 屯，…為通過擬合等得到的規(guī)定的系數(shù)在多個(gè)(例如η個(gè))溫度下進(jìn)行所述測量，得到以下的式子。P (Tk) = f (Vp, ak, bk, ck, dk,…)k為I n的整數(shù)接著，將ai an (= a)表示為以溫度T為參數(shù)的函數(shù)g (T)0所述函數(shù)g為例如T的多次式。a = g (T) 同樣地分別由溫度的函數(shù)h (T), i (T), j (T)......確定h bn, C1 cn, (I1
dnj ****** οS卩，壓力P可以通過以壓力指示電壓Vp和溫度指示電壓Vt為參數(shù)的函數(shù)k來表
/Jn οP = f (Vp, g (T), h (T), i (T), j (T)…)=k (Vp, Vt)所以，根據(jù)如上所述求出的函數(shù)k以及壓力指示電壓Vp和溫度指示電壓Vt就能計(jì)算出壓力P。接著，根據(jù)如上所述計(jì)算出的上游的壓力和下游的壓力、存儲在存儲器中的流體阻力部件3所具有的壓力一流量特性和來自溫度檢測部件8的溫度測量值，可以計(jì)算出流過所述流體阻力部件的流量，即流過內(nèi)部流路Ia的流量。具體而言,在流動為層流時(shí),根據(jù)Hagen Poiseuille (哈根_泊肅葉)的定律(公式1)，管路亦即流體阻力部件的兩端產(chǎn)生的壓力差與體積流量成比例，其比例系數(shù)包含流體的粘性系數(shù)。另外，這里所述的壓力一流量特性是指例如由下述公式(I)中的r和L規(guī)定的系數(shù)。Q=Ji · r " 4 · Δp/ (8 nL)…公式(I)其中，r :流體阻力部件的流路半徑η :流體的粘性系數(shù)L :流體阻力部件的流路長度Λ P:壓力差由于粘性系數(shù)依存于流體溫度亦即來自所述溫度檢測部件8的溫度測量值，所以利用所述溫度測量值能求出準(zhǔn)確的粘性系數(shù)，并能計(jì)算出體積流量(或在其上乘以密度的
質(zhì)量流量)。此外，也可以預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)求出例如多個(gè)溫度、多個(gè)壓力下的各流量并存儲在存儲器中，根據(jù)所述實(shí)驗(yàn)值通過擬合等對在實(shí)際測量到的溫度和壓力下的流量進(jìn)行修正后計(jì)
算出流量?？刂齐娐?在物理上與所述流量計(jì)算電路9設(shè)置在同一基板上，與所述流量計(jì)算電路9共用CPU、存儲器、I/O通道、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、其他的模擬或數(shù)字電路。此外，按照存儲在存儲器中的程序，通過使CPU及其外圍設(shè)備協(xié)同動作，所述控制電路6控制所述流量調(diào)節(jié)閥4，將所述流量計(jì)算電路9計(jì)算出的內(nèi)部流路Ia的流體流量調(diào)節(jié)為從外部指示的設(shè)定流量。
具體而言，如果從操作者或外部其他設(shè)備賦予了設(shè)定流量，則所述控制電路6計(jì)算出所述設(shè)定流量與所述流量計(jì)算電路9計(jì)算出的流量的偏差，根據(jù)該偏差，向流量調(diào)節(jié)閥4輸出使所述層疊壓電元件412伸縮的指令信號，從而使所述計(jì)算出的流量接近設(shè)定流量。由此，使閥座面42a和閥體41a的間隔距離發(fā)生變動，來調(diào)節(jié)流過所述流量調(diào)節(jié)閥4的流體，亦即調(diào)節(jié)流過所述內(nèi)部流路Ia的流體的流量。按照所述的結(jié)構(gòu)，即使假設(shè)由于從電磁式開關(guān)閥等通電時(shí)發(fā)出的熱量，壓力傳感器21、22和流體阻力部件3的溫度隨時(shí)間變化，且各處的溫度不同，也可以通過對壓力傳感器21、22的溫度和流過流體阻力部件3的對象流體的溫度進(jìn)行單獨(dú)測量，并將各測量溫度作為對象流體的流量計(jì)算中的計(jì)算參數(shù)，因此能以極高的精度計(jì)算出流量。此外，由于將測量壓力的電阻元件2B作為測量壓力傳感器21、22的溫度的部件共用，所以不會損害緊湊性、亦即不會使寬度變寬。特別是在所述實(shí)施方式中，將壓力傳感器21、22的感壓面2bl相對于安裝面2a 垂直豎起，并且以在俯視時(shí)使流體的流動方向與感壓面2bl平行的方式將所述壓力傳感器2U22在部件安裝面Ic上串聯(lián)安裝，從而在使感壓面2bl成為大面積且維持高靈敏度的同時(shí)，使寬度方向的尺寸減小、且在俯視下呈細(xì)長形狀。因此，與感壓面放倒的結(jié)構(gòu)相比，壓力傳感器21、22遠(yuǎn)離設(shè)置有流體阻力部件3的內(nèi)部流路la，導(dǎo)致流體阻力部件3與感壓面2bI的溫度差往往變大。但是，按照本實(shí)施方式，如上所述，由于單獨(dú)測量壓力傳感器21、22的溫度和流過流體阻力部件3的對象流體的溫度，所以能夠可靠地降低所述誤差，進(jìn)行高精度的流量測量。此外，由于將溫度檢測部件8埋入密封流體阻力部件3的上游壓力傳感器21的主體構(gòu)件2A中，并使溫度檢測部件8盡可能接近流體阻力部件3，所以能更準(zhǔn)確地檢測對象流體的溫度。此外，因?yàn)閷⑺雎袢胛恢迷O(shè)定在所述主體構(gòu)件2A的所謂的無效空間，所以不會損害緊湊性。作為其他的附屬效果如下所述由于流量調(diào)節(jié)閥4和流體阻力部件3排列設(shè)置在主體單元I的所述部件安裝面Ic上，所以能夠盡可能地降低連接兩者之間的內(nèi)部流路Ia的容積。因此，能夠減小流量的檢測與流量的控制的時(shí)間偏差，可以大幅改善流量控制裝置100的控制響應(yīng)性。此外，就流量調(diào)節(jié)閥4而言，由于隔板構(gòu)件411b兼具有作為將壓電元件412氣密密封在殼體411a中的密封構(gòu)件的功能以及作為調(diào)節(jié)流量的閥體的功能，所以能夠減少部件數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)小型化和節(jié)省空間。此外，在殼體411a的一端面一體成形有隔板構(gòu)件411b，并且在殼體411a的另一端面上設(shè)有氣密保持構(gòu)件411c. 3，所以能確保殼體內(nèi)的氣密性。此外，由于通過所述氣密保持構(gòu)件411c. 3，利用調(diào)整螺釘411c. 2可以按壓壓電元件412或使壓電元件412伸長，所以可以保持殼體內(nèi)的氣密性，并且可以調(diào)整壓電元件412的位置。另外，本發(fā)明不限于所述實(shí)施方式。例如，由于和下游壓力傳感器相比，上游壓力傳感器的壓力測量值對流量測量精度的影響大，所以也可以僅使上游壓力傳感器處于溫度測量模式，通過溫度修正計(jì)算出壓力值。流量和壓力一流量特性也可以不通過理論公式而根據(jù)實(shí)驗(yàn)等確定，當(dāng)流體阻力部件是臨界噴嘴等的情況下，也可以僅根據(jù)上游壓力傳感器的壓力測量值計(jì)算出流量。此外，不僅可以利用壓力差，也可以利用(上游壓力的η次方)-(下游壓力的η次方)、(下游壓力的m次方)* (上游壓力-下游壓力)的k次方、或所述的組合等，根據(jù)在實(shí)際設(shè)備上可以進(jìn)行擬合的各種公式和值等計(jì)算出流量。如圖12所示，在壓力傳感器21、22中，可以不在接觸對象流體的隔板壁2A1 (感壓面2bl)上直接粘貼電阻元件，而是使所述隔板壁2A1的位移通過非壓縮性流體FD傳導(dǎo)到第二隔板2A2上，并在所述第二隔板2A2上粘貼電阻元件2B。按照該結(jié)構(gòu)，電阻元件2B不易受對象流體的溫度變化的影響，能夠進(jìn)行更高精度的測量。電阻元件2B還可以粘貼在非壓縮性流體FD —側(cè)。流量測量裝置也可以單獨(dú)構(gòu)成。根據(jù)情況，也可以省略上游壓力傳感器，而僅包括下游壓力傳感器。另外，可以將多個(gè)主體單元的側(cè)面(與長邊方向平行的面)彼此貼緊或接近配置，由此使多個(gè)流路并聯(lián)。
此外，在不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種變形。
權(quán)利要求
1.ー種流量測量裝置，其特征在于包括 流體阻力部件，流過測量的對象流體； 上游壓カ傳感器，包括感壓面，所述流體阻力部件的上游的對象流體導(dǎo)向該感壓面，所述上游壓カ傳感器能根據(jù)以與該感壓面的變形聯(lián)動而變形的方式設(shè)置的電阻元件的電阻值的變化測量所述對象流體的壓力，并且能根據(jù)所述電阻元件因溫度產(chǎn)生的電阻值的變化測量該壓カ傳感器的溫度；溫度檢測部件，配置于能測量流過所述流體阻力部件的對象流體的溫度的位置；以及流量計(jì)算部，至少根據(jù)由所述上游壓カ傳感器測量到的上游流路的壓力、所述流體阻力部件的壓カー流量特性、由所述上游壓カ傳感器測量到的上游壓カ傳感器的溫度及由所述溫度檢測部件測量到的所述流體阻力部件中的對象流體的溫度，計(jì)算出所述對象流體的流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流量測量裝置，其特征在于，所述溫度檢測部件設(shè)置在所述流體阻力部件的附近。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流量測量裝置，其特征在干， 所述流量測量裝置還包括主體單元，所述主體單元具有長邊方向，在該主體單元中形成有流過所述對象流體的內(nèi)部流路， 所述流體阻力部件以切斷所述內(nèi)部流路的方式安裝在所述主體単元上，并且所述上游壓カ傳感器以所述感壓面與部件安裝面大體垂直且所述感壓面與所述長邊方向大體平行的方式安裝在所述部件安裝面上，所述部件安裝面被設(shè)定為是所述主體単元的與所述長邊方向平行的面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的流量測量裝置，其特征在干， 所述流體阻力部件嵌入凹部，該凹部開ロ于所述主體単元的所述部件安裝面， 所述上游壓カ傳感器包括主體構(gòu)件，在該主體構(gòu)件的內(nèi)部形成有所述感壓面， 通過所述主體構(gòu)件密封所述凹部的開ロ，并且所述溫度檢測部件內(nèi)置于所述主體構(gòu)件的開ロ密封面的正上方。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流量測量裝置，其特征在于，所述流體阻力部件使所述對象流體以層流狀態(tài)流動。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流量測量裝置，其特征在干， 所述流量測量裝置還包括下游壓カ傳感器，該下游壓カ傳感器包括感壓面，所述流體阻力部件的下游的對象流體導(dǎo)向該感壓面，所述下游壓カ傳感器能根據(jù)以與該感壓面的變形聯(lián)動而變形的方式設(shè)置的電阻元件的電阻值的變化測量所述流體阻力部件的下游流路的壓力，并且能根據(jù)所述電阻元件因溫度產(chǎn)生的電阻值的變化測量該壓カ傳感器的溫度，所述流量計(jì)算部根據(jù)所述下游壓カ傳感器測量到的下游流路的壓カ和下游壓カ傳感器的溫度，計(jì)算出所述對象流體的流量。
7.ー種流量控制裝置，其特征在于包括 權(quán)利要求3或4所述的流量測量裝置； 流量調(diào)節(jié)閥，安裝在所述主體単元上；以及 控制電路，控制所述流量調(diào)節(jié)閥，使得由所述流量測量裝置測量到的測量流量變成預(yù)定的目標(biāo)流量。
全文摘要
本發(fā)明提供流量測量裝置(10)和流量控制裝置(100)，能提高流量測量精度而不損害緊湊性。流量測量裝置(10)包括流過測量對象流體的流體阻力部件(3)；上游壓力傳感器(21)，能依對象流體導(dǎo)向的感壓面上粘貼的電阻元件(2B)的電阻值的變化測量流體阻力部件(3)的上游壓力，且能依電阻元件(2B)因溫度產(chǎn)生的電阻值的變化測量所述感壓面的溫度；溫度檢測部件(8)，配置于能測量流過流體阻力部件(3)的對象流體的溫度的位置；以及流量計(jì)算部(9)，至少根據(jù)由上游壓力傳感器(21)測量到的上游流路的壓力、所述流體阻力部件的壓力—流量特性、由上游壓力傳感器(21)測量到的壓力傳感器的溫度和由溫度檢測部件(8)測量到的流體阻力部件(3)中的對象流體的溫度，計(jì)算出該對象流體的流量。
文檔編號G05D7/06GK102829828SQ20121020048
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者安田忠弘, 高倉洋 申請人:株式會社堀場Stec