JP4864280B2 - 質量流量コントローラのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
図1に、本発明の実施形態による、質量流量コントローラの概略ブロック図を示す。図1に示された質量流量コントローラには、流量計110、利得/リード/ラグ(GLL)コントローラ150、バルブアクチュエータ160、およびバルブ170が含まれる。
多くの場合に、質量流量コントローラは、一貫性があり安定した形で動作するために、製造中にチューニングされ、かつ/または較正されなければならないことを理解されたい。手動のチューニングおよび/または較正は、しばしば、時間がかかり、労働集中型であり、高価な工程である。さらに、処理で、質量流量コントローラを、製造中に使用されるものと異なる流体の種類および/または動作条件で動作するように構成することが必要である時に、質量流量コントローラの動作は、質量流量コントローラが複数のプロセス流体でチューニングされ、較正された場合であっても、質量流量コントローラの製造中に観察されたものと同一の挙動を示すことはほとんどない。言い換えると、質量流量コントローラは、質量流量コントローラがそれによってチューニングされ、かつ/または較正されたものと異なる流体および/または動作条件で動作する時に、異なる応答を有する可能性がある。
図7cおよび7dに、製造中の質量流量コントローラのチューニングおよび/または較正中に構成データを得る1つの例示的な手順を示す。
質量流量コントローラが、その個々の構成要素の動作に関連する不安定性を経験することがしばしばある。たとえば、ソレノイド作動バルブを使用する質量流量コントローラは、ソレノイドの磁気学に関連するヒステリシス効果に起因して不正確になりやすい。
用語非動作信号は、ソレノイド作動装置に適用される時に、装置を作動させることができない、装置に印加される信号を表す。たとえば、ソレノイド作動バルブで、非動作信号は、バルブの制御される部分(すなわちプランジャ)を変位させるのに不十分な大きさを有する信号を指すことができる。非動作信号が、装置を作動させるのに不十分になるように減らされただけの、装置の制御信号または駆動信号と同一の信号である場合があることを理解されたい。
本発明のもう1つの態様によれば、出願人は、主に2つの構成要素すなわち、粘性圧力低下および無粘性(動的)圧力低下からなるものとして、異なる入口圧力および出口圧力での流体の流れを物理的にモデル化した。構成要素ごとのバルブの有効変位が等しい場合のこれらの構成要素のそれぞれの寄与を合計することによって、バルブの有効変位を、下記の方法を使用して経験的に判定することができる。上で注記したように、特定の流体での特定の流体流量でのバルブの有効変位の判定によって、バルブに関連する利得項(たとえば利得項D)を判定でき、したがって、バルブアクチュエータに関連する利得項(たとえば利得項C)を判定できるようになる。
P1、Px:粘性表面の上流および下流の圧力(psi)
Q:質量流量(sccm)
L:流路の長さ(ft)
H:2つの平行な表面の間の距離(ft)
w:流路の幅、wはπ・φと等しく、φはプラトー1650の平均直径であり、φは、テストされたバルブに基づくと1.016mm(0.040インチ)である
μ:気体の動的的粘性(centi−Poise)
T:絶対温度(ランキン温度)
R^:一般気体定数、8314Nm/kmol°K(1545.33ft−lbf/lb−mole−deg.R)
R:気体定数(ft−lbf/lbm−deg.R)
である。
Q=バルブを通る流れ(sccm)
A=π・φ・H=バルブ有効面積(平方インチ)
φ=オリフィス1640の直径
Mw=気体分子量(gm/mol)
Px,0,=上流全圧力(torr)
P2=下流静圧(torr)
T1,0=気圧温度(K)
γ=比熱の比
である。
Cfcx=気体xの変換係数「C」
Mw=気体の分子量
入口圧力、温度、および比熱の比の関数である追加項があるので、上の式は近似である。
しかし、この追加項の影響は、0.4乗までであり、通常は無視することができる。たとえば、質量流量コントローラ100の較正が、当初は既知の流体または気体として窒素を用いて実行されたと仮定すると、追加のこの値は、窒素および他の2原子気体の.684から、上は単原子気体の0.726、下は多原子気体の0.628までの範囲にわたり、0.4乗される。したがって、窒素からの相違は、多くとも約3.5%であり、通常は無視することができる。異なる気体への上の気体の変化または較正で使用されたものと異なる動作条件について補償するために、利得項Gを、上の比率の逆数だけ変更して、設定点と無関係に、動作条件と無関係に、使用される流体または気体のタイプに無関係に、マスコントローラの一定の閉ループ利得を提供することができる。すなわち、質量流量コントローラの閉ループ利得が、A×B×C×Dである場合には、利得項Gに、定数かける1/(A×C×D)をセットして、較正中に使用されたものと同一の一定の閉ループ利得をもたらす。
Claims (10)
- 質量流量コントローラ(100、1000)の製造中に使用されたテスト動作条件と少なくとも部分的に異なる、エンドユーザによる該質量流量コントローラの適用において提供されるプロセス動作条件で動作するように質量流量コントローラ(100、1000)を構成する方法であって、該質量流量コントローラは、流量計(110)、コントローラ(150)、バルブアクチュエータ(160)、及び、制御バルブ(170)からなる複数の構成要素を含み、該複数の構成要素は、該質量流量コントローラの制御ループを形成し、製造中に使用されたテスト動作条件と前記エンドユーザによる適用において提供されるプロセス動作条件との間で相違する動作条件は、該質量流量コントローラを流れる流体の流量、該質量流量コントローラに使用される流体の種類、該質量流量コントローラの入口圧力、出口圧力、流体の温度のうちの任意のものを含む、方法において、
テスト流体を使用するテスト動作条件で、前記流量計(110)をチューニングし、流量計(110)に関連するテスト流量計利得項を決定するステップと、
前記テスト動作条件で、複数の所定の流量に対応するバルブアクチュエータ(160)の駆動レベルを取得することにより、流量計(110)、制御バルブ(170)、及び、バルブアクチュエータ(160)に関連する第1テスト合成利得項を決定するステップと、
前記第1テスト合成利得項から前記テスト流量計利得項の寄与を除去することにより、制御バルブ(170)及びバルブアクチュエータ(160)に関連する第2テスト合成利得項を決定するステップと、
前記テスト動作条件で、前記複数の所定の流量を達成するのに必要な制御バルブ(170)のバルブ変位を求めることにより、制御バルブ(170)に関連するテストバルブ利得項を決定するステップと、
前記第2テスト合成利得項から前記テストバルブ利得項の寄与を除去することにより、バルブアクチュエータ(160)に関連するテストバルブアクチュエータ利得項を決定するステップと、
前記プロセス動作条件の少なくとも1つと前記テスト流量計利得項、テストバルブ利得項、及びテストバルブアクチュエータ利得項とを用いて、プロセス動作条件での、流量計(110)に関連するプロセス流量計利得項、制御バルブ(170)に関連するプロセスバルブ利得項、及び、バルブアクチュエータ(160)に関連するプロセスバルブアクチュエータ利得項を求め、該プロセス流量計利得項、プロセスバルブ利得項、及び、プロセスバルブアクチュエータ利得項の積としてプロセス合成利得項を決定するステップと、
前記プロセス合成利得項の逆数利得項を決定するステップと、
前記逆数利得項を前記コントローラ(150)に入力して、1つ又は複数のプロセス動作条件に関して、前記質量流量コントローラ(100、1000)の一定のループ利得を維持するステップと、
を含む、方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記プロセス動作条件が、テスト流体と異なるプロセス流体を含み、該方法は、さらに、プロセス流体種類情報に少なくとも基づいて前記プロセス合成利得項を決定するステップを含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、さらに、前記プロセス動作条件のプロセス流体に関連するプロセスフルスケール範囲から前記プロセス流量計利得項を決定するステップを含み、前記プロセス流体がテスト流体と異なる、方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記テストバルブ利得項は、複数の所定の流量において、流量の変化をバルブ変位の対応する変化で割ったものとして決定される、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、さらに、テスト動作条件の下でテスト流体に関する質量流量コントローラ(100、1000)の定常状態応答を確立するステップを含む、方法。
- 請求項5に記載の方法において、流量計(110)の応答に関するセンサチューニングデータ、バルブ(170)およびバルブアクチュエータ(160)の応答に関するバルブ特性記述データ、およびテスト流体に関するテスト動作条件の下での質量流量コントローラ(100、1000)の定常状態応答に関する較正データの少なくとも1つを得るステップを含む、方法。
- 請求項6に記載の方法であって、さらに、前記定常状態応答を確立するために、前記テスト流量計利得項を本質的に一定に調整するステップを含む、方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記プロセスバルブ利得項を決定するステップが、バルブの物理モデルから、流量の関数としてバルブ変位を決定するステップを含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、さらに、前記テスト動作条件で質量流量コントローラ(100、1000)を較正するステップとを含み、テスト動作条件が単一のテスト流体を含む、該質量流量コントローラ(100、1000)の特性を記述するステップをさらに含む、方法。
- コンピュータに、請求項1〜9の何れか1項に記載のステップを実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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