(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面積が既知の音速ノズルが直列に接続された流路を流れる気体の実質量流量を測定する質量流量測定方法において、
予め、理論質量流量と前記実質量流量とにより流出係数を求め、前記理論質量流量に対する、複数の流出係数の対応関係を、複数の気体を代表する物性値により分類して、分類した前記各対応関係を対応テーブルとして記憶するステップと、
前記流路を流れる気体の実質量流量を測定しようとする際に、前記音速ノズルの上流側の気体の圧力および温度を測定するステップと、
前記流路を流れる気体の物性値と前記測定した圧力および温度に基づいて、理論質量流量を求めるステップと、
求めた理論質量流量と前記流路に流れる気体の物性値をパラメータとして前記対応テーブルを参照し、流出係数を求めるステップと、
求めた流出係数と前記理論質量流量との積により実質量流量を求めるステップと
を有することを特徴とする質量流量測定方法。
【請求項２】
気体供給源から圧力可変手段を介して供給される気体を被供給側に供給する流路中に断面積が既知のオリフィスを介在させるとともに、前記オリフィスの上流側に上流側圧力検出手段と気体温度検出手段とが配され、前記オリフィスの下流側に下流側圧力検出手段が配された質量流量制御装置において、
予め、理論質量流量と実質量流量とにより流出係数を求め、前記理論質量流量に対する、複数の流出係数の対応関係を、複数の気体を代表する物性値により分類して、分類した前記各対応関係を対応テーブルとして記憶する記憶手段と、
気体の種類と、目標質量流量と、前記各検出手段で検出される上流側圧力、気体温度、下流側圧力とに基づき前記圧力可変手段を可変し、前記流路を流れる気体の実質量流量が前記目標質量流量になるように制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記気体の種類と目標質量流量が与えられたとき、前記オリフィスが臨界圧力比以下で動作していることを確認した後、理論質量流量を求め、求めた理論質量流量と前記流路に流れる気体の物性値をパラメータとして前記記憶手段中の前記対応テーブルを参照し流出係数を求め、求めた流出係数と求めた理論質量流量との積により実質量流量を求め、該求めた実質量流量が前記目標質量流量となるように前記圧力可変手段をフィードバック制御する
ことを特徴とする質量流量制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の質量流量制御装置において、
前記気体温度検出手段は、内部に前記流路の一部が設けられた金属構造体の表面温度を検出する構成とされている
ことを特徴とする質量流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、音速ノズルとして動作するオリフィスを用いた質量流量測定方法および質量流量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にオリフィスを用いた流量計測において、流体が気体（ガス）の場合、特に微小流量の計測が難しい。すなわち、各状態量から算出した理論質量流量（以下、Ｑｔｈという。）と実質量流量（以下、Ｑｔｒという。）との間に差異が生じる。
【０００３】
このため、たとえば、特開平８−３３５１１７号公報に開示された従来技術に係る質量流量制御装置では、Ｑｔｒ＝Ｑｔｈ×Ｃｄとするための流出係数Ｃｄを予め対応テーブルＣｄ＝ｆ（Ｒｔｈ）として求めておく。なお、Ｒｔｈは、理論レイノルズ数である。
【０００４】
実際に、前記オリフィスの上流側の圧力と温度とを検出することで、理論レイノルズ数Ｒｔｈと理論質量流量Ｑｔｈを計算し、該理論レイノルズ数Ｒｔｈに対応する流出係数Ｃｄを前記対応テーブルを参照して求め、前記式Ｑｔｒ＝Ｑｔｈ×Ｃｄから実質量流量を求めるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この出願の発明者は、気体の種類により流出係数Ｃｄの値が異なることを見いだした。
【０００６】
そのため、上記従来技術に係る質量流量制御装置で、複数の気体の種類に対応した質量流量制御を行おうとする場合、予め複数の気体の種類毎の上記流出係数Ｃｄの対応テーブルをメモリに格納しておくことが必要になるが、これにより、対応テーブル格納用のメモリ容量が大きくなるという問題がある。
【０００７】
また、この質量流量制御装置では、気体の温度を測定する際に、流路中の気体に直接接触するように温度検出素子を配置しているが、気体の種類によっては、この温度検出素子が腐食されて不良となる可能性があり、結果として質量流量制御装置が使用不能になるという問題もある。また、流路中に、温度検出素子を配置した場合には、気体の流れが乱されてしまうという問題もある。
【０００８】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、気体の種類が増えても、対応テーブル格納用のメモリ容量がそれほど増加することのない質量流量測定方法および質量流量制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
また、この発明は、温度検出素子の腐食の懸念が払拭されるとともに、流路中の気体の流れを乱すことのない質量流量制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の質量流量測定方法は、断面積が既知の音速ノズルが直列に接続された流路を流れる気体の実質量流量を測定する質量流量測定方法において、予め、理論質量流量と前記実質量流量とにより流出係数を求め、前記理論質量流量に対する、複数の流出係数の対応関係を、複数の気体を代表する物性値により分類して、分類した前記各対応関係を対応テーブルとして記憶するステップと、前記流路を流れる気体の実質量流量を測定しようとする際に、前記音速ノズルの上流側の気体の圧力および温度を測定するステップと、前記流路を流れる気体の物性値と前記測定した圧力および温度に基づいて、理論質量流量を求めるステップと、求めた理論質量流量と前記流路に流れる気体の物性値をパラメータとして前記対応テーブルを参照し、流出係数を求めるステップと、求めた流出係数と前記理論質量流量との積により実質量流量を求めるステップとを有することを特徴とする（請求項１記載の発明）。
【００１１】
この発明によれば、予め、理論質量流量に対する、気体の物性値により分類された複数の流出係数の対応関係を求めるようにしているので、気体の物性値が近似する気体の種類では、同一の対応関係を使用することが可能となり、気体の種類が増加しても、実質量流量を求めるために必要な対応テーブル格納用のメモリ容量をそれほど増加させる必要がない。
【００１２】
また、この発明の質量流量制御装置は、気体供給源から圧力可変手段を介して供給される気体を被供給側に供給する流路中に断面積が既知のオリフィスを介在させるとともに、前記オリフィスの上流側に上流側圧力検出手段と気体温度検出手段とが配され、前記オリフィスの下流側に下流側圧力検出手段が配された質量流量制御装置において、予め、理論質量流量と実質量流量とにより流出係数を求め、前記理論質量流量に対する、複数の流出係数の対応関係を、複数の気体を代表する物性値により分類して、分類した前記各対応関係を対応テーブルとして記憶する記憶手段と、気体の種類と、目標質量流量と、前記各検出手段で検出される上流側圧力、気体温度、下流側圧力とに基づき前記圧力可変手段を可変して、前記流路を流れる気体の実質量流量が、前記目標質量流量になるように制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記気体の種類と目標質量流量が与えられたとき、前記オリフィスが臨界圧力比以下で動作していることを確認した後、理論質量流量を求め、求めた理論質量流量と前記流路に流れる気体の物性値をパラメータとして前記記憶手段中の前記対応テーブルを参照し流出係数を求め、求めた流出係数と求めた理論質量流量との積により実質量流量を求め、該求めた実質量流量が前記目標質量流量となるように前記圧力可変手段をフィードバック制御することを特徴とする（請求項２記載の発明）。
【００１３】
この発明によれば、記憶手段には、予め求められている、理論質量流量に対する、気体の物性値により分類された複数の流出係数の対応関係を記憶するようにしているので、気体の物性値が近似する気体の種類では、同一の対応関係を使用することが可能となり、気体の種類が増加しても、実質量流量を求めるために必要な対応テーブル格納用のメモリ容量をそれほど増加させる必要がない。
【００１４】
この場合、前記気体温度検出手段が、内部に前記流路の一部が設けられた金属構造体の表面温度を検出するように構成されることで、直接流体の温度を検出する必要がなくなり、温度検出手段を構成する温度検出素子の腐食の懸念が払拭されるとともに、温度検出にあたり流路中の気体の流れを乱す懸念が一掃される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、この発明の一実施の形態に係る質量流量測定方法が実施される質量流量制御装置１０の概略的な構成を示している。
【００１７】
この質量流量制御装置１０は、固定絞りであり音速ノズルとして動作するオリフィス１２が介在された流路１４を有している。この実施の形態でのオリフィス１２は、１００［ｃｃ／ｍｉｎ］用のオリフィスであり、その径は０．１８ｍｍものを使用している。
【００１８】
オリフィス１２の上流側の流路１４には、圧力可変手段としての制御バルブ１６が配され、制御バルブ１６の上流側は、入力ポート１８を介して気体供給源２０に連通されている。
【００１９】
オリフィス１２の下流側の流路１４は、出力ポート２２を介して真空ポンプ２４に連通されている。
【００２０】
また、オリフィス１２の上流側の流路１４には、上流側圧力Ｐｕを検出する上流側圧力検出手段としての圧力センサ２６と、気体温度Ｔを検出する気体温度検出手段としての温度センサ２８が配され、圧力センサ２６と温度センサ２８の出力は、制御手段であるマイクロコンピュータ３０に供給されている。
【００２１】
さらに、オリフィス１２の下流側の流路１４には、下流側圧力Ｐｄを検出する下流側圧力検出手段としての圧力センサ３２が配され、この圧力センサ３２の出力も、マイクロコンピュータ３０に供給されている。
【００２２】
マイクロコンピュータ３０は、計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）３４、メモリである記憶手段としてのＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）３６、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３８、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、Ｉ／Ｏ等を有するインタフェース４０、その他、計時手段としてのタイマ等を有しており、制御部、演算部、処理部等として機能する。
【００２３】
この場合、上述した圧力センサ２６、３２および温度センサ２８の出力は、マイクロコンピュータ３０のインタフェース４０中、Ａ／Ｄ変換器を通じてデジタルデータとして上流側圧力Ｐｕ、下流側圧力Ｐｄおよび気体温度ＴとされＲＡＭ３８に格納される。
【００２４】
このマイクロコンピュータ３０には、気体の種類や目標質量流量（以下、Ｑｔａという。）を入力・設定する設定入力部４２が接続されている。
【００２５】
マイクロコンピュータ３０は、入力された気体の種類、目標質量流量Ｑｔａ、および検出された上流側圧力Ｐｕ、気体温度Ｔおよび下流側圧力Ｐｄに基づき、後述する所定の処理を行う。そして、その処理結果によりインタフェース４０を構成するＤ／Ａ変換器およびドライバ４４を介して制御バルブ１６の開度を可変し、流路１４を流れる気体の実質量流量Ｑｔｒが、目標質量流量Ｑｔａになるように制御する。
【００２６】
ＲＯＭ３６には、この制御のためのプログラムの他、図２に示す気体種類・物性値・分類対応テーブル５０および図３に示す理論質量流量・流出係数対応テーブル５２が予め更新可能に記録されている。
【００２７】
図２の気体種類・物性値・分類対応テーブル５０には、気体の種類として、空気（ＡＩＲ）、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、四フッ化エチレン（ＣＦ４）等と、それぞれ物性値としての比熱比ｋ（定圧比熱と定積比熱との比）と、図３に示す理論質量流量・流出係数対応テーブル５２の分類Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅとの対応関係を示す分類α（α＝Ａ〜Ｄ・・・）が記憶されている。
【００２８】
また、図３の理論質量流量・流出係数対応テーブル５２には、クラス分けである分類α（α＝Ａ〜・・・）と、その各分類Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの代表特性である流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅの特性が記憶（登録）されている。分類αと流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅは、近似式で記憶しておくことも可能である。なお、この実施の形態では、クラス分けである分類αを５分類としているが、用途に応じて増減することができる。また、代表特性である流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅは、各分類Ａ〜Ｅの中央値に沿う曲線としている。
【００２９】
次に、図２の気体種類・物性値・分類対応テーブル５０および図３の理論質量流量・流出係数対応テーブル５２の作成方法、換言すれば、断面積が既知の音速ノズルとして動作するオリフィス１２が直列に接続された流路１４を流れる気体の物性値により分類された複数の流出係数Ｃｄの理論質量流量Ｑｔｈに対する対応関係を求めるステップ、について説明する。
【００３０】
この場合、まず、図４に示すように、測定対象の気体供給源２０と入力ポート１８との間に直列に流量制御器（Ｍａｓｓ  Ｆｌｏｗ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）６０と流量計（Ｍａｓｓ  Ｆｌｏｗ  Ｍｅｔｅｒ）６２とを接続する。
【００３１】
次に、測定対象の気体毎に、流量制御器６０にて、測定範囲での流量を順次設定する。たとえば、１０％、２０％、３０％、・・・８０％、９０％、１００％の流量を順次設定する。
【００３２】
測定対象の気体とは、たとえば、空気ＡＩＲ、窒素Ｎ２、アルゴンＡｒ、四フッ化エチレンＣＦ４、二酸化炭素ＣＯ２等である。
【００３３】
次いで、各気体の各流量設定時において、流量計６２の値が安定したとき、次の状態量を測定する。
【００３４】
すなわち、流量計６２による実質量流量Ｑｔｒと、圧力センサ２６による上流側圧力Ｐｕと、温度センサ２８による上流側の気体温度Ｔと、圧力センサ３２による下流側圧力Ｐｄとを測定する。
【００３５】
次に、これらの測定データから各測定時における理論質量流量Ｑｔｈを以下の（１）式により計算する。
【００３６】
Ｑｔｈ＝Ａ・Ｐｕ・（２／（ｋ＋１））１／（ｋ−１）・［（ｋ／（ｋ＋１））・（２／（Ｒ・Ｔ））］１／２                                        …（１）
ただし、Ａ：オリフィス１２の有効断面積［ｍ２］、ｋ：比熱比、Ｒ：ガス定数［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］である。
【００３７】
次に、各測定時において、流出係数Ｃｄを次の（２）式に示すように、流量計６２で測定した実質量流量Ｑｔｒを理論質量流量Ｑｔｈで割った値として計算する。
【００３８】
Ｃｄ＝Ｑｔｒ／Ｑｔｈ                                      …（２）
図５は、図４の装置を用いて、このような手順により求めた複数の気体についての理論質量流量Ｑｔｈと流出係数Ｃｄとの特性例を示している。
【００３９】
この図５では、四フッ化エチレン気体ＣＦ４が分類Ａに区分され、空気ＡＩＲと窒素気体Ｎ２とが分類Ｃに区分され、アルゴンガスＡｒが分類Ｄに区分されていることが分かる。このようにして、求められた流出係数Ｃｄおよび分類αから図２に示す気体種類・物性値・分類対応テーブル５０および理論質量流量・流出係数対応テーブル５２が作成され、ＲＯＭ３６中に記憶される。なお、比熱比ｋは、気体の種類が分かれば既知である。
【００４０】
次に、上述の実施の形態の動作について、図６に示すアプリケーションプログラムに係るフローチャートに基づいて詳しく説明する。なお、特に断らない限り、制御主体はＣＰＵ３４であるが、これをその都度参照するのは煩雑になるので、必要に応じて参照する。
【００４１】
まず、ステップＳ１では、設定入力部４２から流量を制御しようとする気体の種類を入力するとともに、目標質量流量Ｑｔａを入力することで、ＲＡＭ３８中の所定領域に記憶される。
【００４２】
次に、ステップＳ２では、ＣＰＵ３４は、ドライバ４４を介して制御バルブ１６の開度を目標質量流量Ｑｔａ近傍の値に設定する。これにより、設定入力部４２により設定された気体が、気体供給源２０から質量流量制御装置１０内の入力ポート１８に供給される。
【００４３】
質量流量制御装置１０に供給された気体は、入力ポート１８、制御バルブ１６、上流側流路１４、オリフィス１２を介して下流側流路１４に供給され、出力ポート２２を介して質量流量制御装置１０の出力側に配置されている真空ポンプ２４に供給される。
【００４４】
次いで、ステップＳ３では、圧力センサ２６、３２で監視している上流側圧力Ｐｕおよび下流側圧力Ｐｄが安定していることを条件に、各圧力センサ２６、３２および温度センサ２８により上流側圧力Ｐｕ、下流側圧力Ｐｄおよび上流側の気体温度Ｔを測定してＲＡＭ３８に記憶する。
【００４５】
次いで、ステップＳ４では、念のため（質量流量制御装置１０が正常に動作しているかどうかを確認するため）、下流側圧力Ｐｄを上流側圧力Ｐｕで割った値が臨界圧力比以下であるかどうかを確認し、臨界圧力比以下であることを条件に、すなわち、オリフィス１２が音速ノズルとして動作していることを条件に、上記（１）式（予めＲＯＭ３６に格納されている。）により理論質量流量Ｑｔｈを算出する。なお、（１）式中の比熱比ｋは、ステップＳ１で設定入力された気体の種類により気体種類・物性値・分類対応テーブル５０を参照することで分かり、さらにガス定数Ｒは予めＲＯＭ３６に格納しておいたものを使用できる。
【００４６】
次に、ステップＳ５では、この求めた理論質量流量Ｑｔｈと流路１４に流れる気体の物性値による分類α（この場合、分類αは設定入力された気体の種類から気体種類・物性値・分類対応テーブル５０を参照することで分かる。）をパラメータとして、図３に示した理論質量流量・流出係数対応テーブル５２を参照することにより、５個の流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅの特性の中、対応する流出係数Ｃｄの特性から計算で求めた理論質量流量Ｑｔｈに対応する流出係数Ｃｄの値を求めることができる。すなわち、たとえば気体の種類が分類Ａと区分された場合には、流出係数Ｃｄａの特性が参照され、横軸の理論質量流量Ｑｔｈに対応する縦軸の流出係数Ｃｄの値が導出される。
【００４７】
次に、導出された流出係数Ｃｄと理論質量流量Ｑｔｈとから（２）式を変形した下記の（３）式により、すなわち、流出係数Ｃｄと理論質量流量Ｑｔｈの積により流路１４を流れる現在の実質量流量Ｑｔｒを求める。
【００４８】
Ｑｔｒ＝Ｃｄ・Ｑｔｈ                                    …（３）
次にステップＳ７では、このようにして求めた現在の実質量流量Ｑｔｒが目標質量流量Ｑｔａに一致しているかどうかが判断され、一致していない場合には、一致するまで、ステップＳ２〜Ｓ６における制御バルブ１６の調節以降の処理が実行される。
【００４９】
なお、実際上、ステップＳ７の判断が成立した後には、一定時間毎にステップＳ７の判断処理がなされ、実質量流量Ｑｔｒが目標質量流量Ｑｔａに一致するように監視され、ずれてきた場合には、ステップＳ２以降の処理が実行される。
【００５０】
このように上述の実施の形態によれば、図３に示すように、予め、理論質量流量Ｑｔｈに対する、気体の物性値（たとえば、比熱比ｋ）により分類（α：この実施の形態ではＡ〜Ｅの５分類）された複数の流出係数Ｃｄａ〜Ｃｄｅの対応関係を求めるようにしているので、気体の物性値が近似する気体の種類では、同一の対応関係を使用することが可能となり、気体の種類が増加しても、どの分類に入る気体であるかどうかを図２に示す気体種類・物性値・分類対応テーブル５０の分類欄に記憶すればよく、その増加した気体に対応する新たな流出係数Ｃｄの特性を持つ必要がない。このため、実質量流量Ｑｔｒを求めるために必要な対応テーブル格納用のメモリ容量をそれほど増加させる必要がない。
【００５１】
図７は、この発明の他の実施の形態に係る質量流量制御装置１０Ａの構成を示している。この質量流量制御装置１０Ａでは、図１に示す質量流量制御装置１０に比較して、オリフィス１２の上流側の流路１４の一部をステンレス等のブロックによる金属構造体５４で形成している点が異なる。
【００５２】
金属構造体５４は、熱容量が大きくかつ熱伝導性が良いので、一旦、温度が平衡状態になった後、その表面の温度は、金属構造体５４中に形成された流路１４を流れる気体の温度に等しい温度となる。
【００５３】
そのため、図７に示すように、温度センサ２８により金属構造体５４の表面温度を検出するように構成することで、気体の温度を測定することが可能となる。
【００５４】
このようにすれば、温度センサ２８により、直接、流体である気体の温度を検出する必要がなくなることから、温度センサ２８を構成する温度検出素子の腐食の懸念が払拭されるとともに、温度検出にあたり流路１４中の気体の流れを乱す懸念が一掃されるという効果が達成される。
【００５５】
なお、この発明は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、気体の種類が異なっても、実質量流量を、少ないメモリ容量で測定することができるという効果が達成される。
【００５７】
また、代表的な流出係数を登録しておくことで、様々な気体の種類において、実質量流量を一定精度でかつ効率よく算出することができる。
【００５８】
さらに、この発明によれば、気体が腐食性の気体であっても、温度検出手段を構成する温度検出素子が腐食されることがなく、また、流路中の気体の流れを乱すことのない質量流量制御装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】気体種類・物性値・分類対応テーブルの例を示す説明図である。
【図３】理論質量流量・流出係数対応テーブルの説明図である。
【図４】理論質量流量・流出係数対応テーブルを作成する際に使用される装置のブロック図である。
【図５】実際の流出係数の測定例を示す説明図である。
【図６】図１例の動作説明に供されるフローチャートである。
【図７】この発明の他の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０、１０Ａ…質量流量制御装置    １２…オリフィス
１４…流路                        １６…制御バルブ
１８…入力ポート                  ２０…気体供給源
２２…出力ポート                  ２４…真空ポンプ
２６、３２…圧力センサ            ２８…温度センサ
３０…マイクロコンピュータ        ３４…ＣＰＵ
３６…ＲＯＭ                      ３８…ＲＡＭ
４０…インタフェース              ４４…ドライバ
５０…気体種類・物性値・分類対応テーブル
５２…理論質量流量・流出係数対応テーブル
５４…金属構造体                  ６０…流量制御器
６２…流量計
Ｃｄ、Ｃｄａ〜Ｃｄｅ…流出係数    ｋ…比熱比
Ｐｕ…上流側圧力                  Ｐｄ…下流側圧力
Ｑｔａ…目標質量流量              Ｑｔｈ…理論質量流量
Ｑｔｒ…実質量流量                Ｔ…気体温度
【図１】
0003604354.tif 000002
【図２】
0003604354.tif 000003
【図３】
0003604354.tif 000004
【図４】
0003604354.tif 000005
【図５】
0003604354.tif 000006
【図６】
0003604354.tif 000007
【図７】
0003604354.tif 000008