KR20020080137A - Sensor for detecting the mass flow rate and device and method for controlling mass flow rate using it - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 질량유량제어장치의 구조를 하이브리드형 및 디지털형에서 사용하기 위한 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flow measuring sensor and a mass flow control device and method using the same, and more particularly, a flow measuring sensor for using the structure of the mass flow control device in a hybrid type and a digital type and a mass flow rate using the same A control apparatus and method are provided.
종래의 질량유량제어장치는 열전도 방식의 센서를 많이 사용하고 있다. 열전도 방식의 센서의 특징으로는, 압력이나 온도를 수정하지 않고 직접 유량 계측이 가능하고, 높은 수준의 전기 출력이 가능하며, 작은 유량 변화를 잘 감지할 수 있는 높은 민감도를 지니며, 작은 압력 손실을 가지고, 넓은 압력 범위에도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다.Conventional mass flow controllers use many thermally conductive sensors. Thermally conductive sensors feature direct flow measurement without modifying pressure or temperature, high levels of electrical output, high sensitivity to detect small flow changes, and low pressure loss. It has the advantage that it can be applied to a wide pressure range.
이러한 열전도 방식의 센서의 기본적 개념은 에너지 균형을 이용하는 것으로정확한 속도와 온도라는 특징을 이용하기 위하여 큰 L/D 비율을 갖는 작은 지름의 모세관을 사용한다. 이때 유체의 온도는 들어갈 때와 나올 때의 값을 측정하는데, 기체의 흐름에는 지속적인 열원이 더하여 진다.The basic concept of these thermally conductive sensors uses energy balance, using small diameter capillaries with large L / D ratios to take advantage of the precise speed and temperature characteristics. At this time, the temperature of the fluid is measured as it enters and exits, and a gas stream is added with a continuous heat source.
열전도 방식 센서를 이용하는 질량유량제어 장치는 크게 정전류형 열식 질량유량제어장치 및 정온도형 열식 질량유량제어장치로 구분이 가능하다.The mass flow control device using the thermal conductivity sensor can be classified into a constant current thermal mass flow controller and a constant temperature thermal mass flow controller.
정전류형 열식 질량유량제어장치의 작동 원리는 모세관의 외벽에 발열 저항체가 감겨 있는 구조로 되어 있으며, 저항 센서에 지속적인 전류를 공급하여, 주위 온도와 가열 센서와의 온도 차이를 계측하게 된다. 즉, 가열된 센서에 의하여 모세관 중심에 대하여 대칭적인 온도 분포가 형성된 유체가 흐르게 되면, 유체의 흡열 작용에 의하여 업스트림코일(up stream coil)은 작아지고, 가열된 유체의 다운스트림코일은 늘어나게 되어 업스트림코일의 저항 값과 다운스트림코일의 저항값의 차가 브리지(bridge) 회로에 의하여 검출되게 된다. 이 방법은 저전압(low voltage)에 사용 가능하며 영점(Zero Point)이 안정하다는 장점을 가지나, 주위 온도에 대하여 편차가 발생할 우려가 높다는 단점을 가진다. 또한, 센서의 온도 관성 때문에 온도와 속도의 변화 속도가 느리다는 단점을 지니고 있다.The operating principle of the constant current type thermal mass flow controller is a structure in which a heat generating resistor is wound around the outer wall of the capillary tube, and a continuous current is supplied to the resistance sensor to measure the temperature difference between the ambient temperature and the heating sensor. That is, when a fluid having a symmetrical temperature distribution with respect to the capillary center is flowed by a heated sensor, the upstream coil becomes smaller due to the endothermic action of the fluid, and the downstream coil of the heated fluid is increased, thereby upstream. The difference between the resistance value of the coil and the resistance value of the downstream coil is detected by the bridge circuit. This method can be used for low voltage and has the advantage that the zero point is stable, but it has the disadvantage that there is a high possibility of deviation with respect to the ambient temperature. In addition, the temperature inertia of the sensor has a disadvantage in that the rate of change of temperature and speed is slow.
정온도형 열식 질량유량제어장치는 센서 저항체의 정온도(Constant Temperature)를 위하여 소모되는 전력이 실제 유량의 계수가 되어진다. 즉, 유체가 흐르게 되면 흡열 작용에 의하여 일정 온도를 유지하기 위하여 전력이 공급되고, 또한 가열된 유체로 소모되는 전력량이 줄어들게 되는데, 이 전력량의 차를 실 유량으로 나타내는 방법이다. 이 방법은 주위 온도의 변화에 둔감하다는 장점을 지니나, 영점이 변동(Zero Drift)하기 쉬운 단점을 지닌다.In the constant temperature thermal mass flow controller, the power consumed for the constant temperature of the sensor resistor is the coefficient of the actual flow rate. That is, when the fluid flows, power is supplied to maintain a constant temperature by the endothermic action, and the amount of power consumed by the heated fluid is reduced. This method has the advantage of being insensitive to changes in ambient temperature, but has the disadvantage of being prone to zero drift.
이러한 종래의 열식 질량유량제어장치의 문제점을 정리하여 보면 다음과 같다.The problems of the conventional thermal mass flow controller are summarized as follows.
종래의 질량유량제어장치에서는 유량 검출을 위하여 2개, 3개의 센서를 이용하고 있다. 2개 이상의 센서를 이용하여 신호를 처리하는 경우 센서 제조공정상의 불일치에 따른 문제로 시스템 전체에 오차를 유발시키게 되며, 이는 영점 조정의 문제에도 영향을 미치게 된다. 따라서 센서의 제조과정의 불일치를 줄이기 위하여 공정에 많은 노력이 필요하게 되며, 이는 제조 단가 상승의 요인으로 작용하게 된다.Conventional mass flow controllers use two or three sensors for flow detection. If two or more sensors are used to process the signal, a mismatch in the sensor manufacturing process can cause errors throughout the system, which also affects the problem of zeroing. Therefore, a lot of effort is required in the process to reduce inconsistencies in the manufacturing process of the sensor, which acts as a factor of the increase in manufacturing cost.
또한, 2개 이상의 센서를 이용하는 경우 가열부와 감지부간의 비선형을 내포하게 되는데, 이 문제를 개선하기 위하여 비선형 보정 회로를 사용하고 있다. 이 보정 회로의 정확성은 사용하는 가스의 특성과 센서의 제작 상태 등에 따라 다른 값을 보이게 되며, 보정 방법에 유연성이 매우 제약적이다. 제약적인 보정 방법에서 일어나는 오차는 전체 시스템의 오차를 증가시키는 결과를 가져오게 되며, 시스템 성능 저하를 유발하게 된다.In addition, when two or more sensors are used, a nonlinearity between the heating part and the sensing part is included. In order to solve this problem, a nonlinear correction circuit is used. The accuracy of this calibration circuit is different depending on the characteristics of the gas used and the fabrication state of the sensor, and the flexibility of the calibration method is very limited. Errors in constrained calibration methods increase the error of the entire system and cause system performance degradation.
또한, 종래의 질량유량제어 장치에서는 전원변동에 따라 센서의 출력값이 다르게 계측되어 영점이 변동하는 문제점이 있었다. 이는 정전류원의 구성이 단순한 구조를 가진다는 점 및 측정점에서 동상 신호에 대한 처리가 충분하게 설계되지 못한데 기인한다.In addition, in the conventional mass flow control device, the output value of the sensor is measured differently according to a change in power supply, and thus there is a problem in that the zero point is changed. This is due to the fact that the configuration of the constant current source has a simple structure and the processing of the in-phase signal at the measurement point is not sufficiently designed.
또한, 종래의 질량유량제어 장치에서는 센서 자체에서 발생되는 열 즉, 자체발열에 의하여 영점이 변동되는 문제점이 있었다. 따라서 센서 자체에서 발생되는 열, 즉 자체 발열을 최소화하는 방안이 필요하였다.In addition, the conventional mass flow control device has a problem that the zero point is changed by the heat generated from the sensor itself, that is, self-heating. Therefore, a method of minimizing heat generated from the sensor itself, that is, self-heating was needed.
한편, 질량유량제어장치에서는 센서 주변온도의 변화에 따라 영점이 변동되게 된다. 따라서 종래에는 주변 온도에 대하여 온도 계측을 별도로 하여 주변온도 변화에 따른 보정을 하거나, 센서 주변온도가 정온상태를 유지하도록 하는 방법을 사용하였다. 그러나 전자의 방법은 별도의 온도계측회로를 구성하여야 하였고, 후자의 방법은 연결선의 재질이 다름에 따라 열기전력이 발생하는 문제점을 가지고 있었다.On the other hand, in the mass flow controller, the zero point is changed according to the change of the sensor ambient temperature. Therefore, in the related art, a temperature measurement is performed separately with respect to the ambient temperature, and a method of correcting the temperature according to the change of the ambient temperature or maintaining the ambient temperature of the sensor is used. However, the former method had to configure a separate thermometer side circuit, the latter method had a problem that the thermoelectric power is generated according to the material of the connection line.
본 발명은 간단하면서도 정밀한 유량 계측용 센서를 이용하여 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 단일 센서를 사용함으로써, 영점 조정문제를 해결할 수 있는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems by using a simple and precise flow measurement sensor, the present invention by using a single sensor, a flow measurement sensor that can solve the zero adjustment problem and mass flow control using the same It is an object to provide an apparatus and method.
아울러, 본 발명은 센서 제조공정의 불일치로 인한 시스템 오차 문제를 최소화함과 아울러, 제조 노력 및 비용의 절감을 달성할 수 있는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention provides a flow measurement sensor and a mass flow control device and method using the same, which can minimize the system error problem due to the mismatch of the sensor manufacturing process, and can achieve a reduction in manufacturing effort and cost. There is a purpose.
또한, 본 발명은 비선형성에 따른 오차를 최소화함으로써 우수한 시스템 성능을 가지는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a sensor for measuring the flow rate and a mass flow rate control device and method using the same by minimizing errors due to nonlinearity.
또한, 본 발명은 안정된 정전류원을 제공함과 아울러 전압 변동을 간단히 보상할 수 있도록 함으로써, 전원변동에 따른 오차를 방지할 수 있는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention to provide a stable constant current source and to easily compensate for the voltage fluctuation, to provide a flow measuring sensor and a mass flow control device and method using the same to prevent the error caused by power fluctuations Another There is a purpose.
또한, 본 발명은 자체 발열로 인한 온도 변화를 최소화함으로써, 영점 변동의 문제를 해결할 수 있는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a flow measuring sensor and a mass flow control device and method using the same, which can solve the problem of zero point fluctuation by minimizing a temperature change caused by self-heating.
또한, 본 발명은 센서주변온도 변화가 발생하는 경우, 이에 따른 보정값을 간단히 시스템에 반영할 수 있도록 함으로써, 시스템 오차를 최소화할 수 있는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention provides a flow rate measuring sensor and a mass flow control device and method using the same, which can minimize the system error by simply reflecting the correction value according to the system when the change in the sensor ambient temperature occurs, There is another purpose.
도 1은 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 질량유량제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.1 is a view schematically showing the overall configuration of a mass flow control device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 종래의 유량 계측용 센서의 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.2 is a view for schematically showing the configuration of a conventional flow measurement sensor.
도 3은 종래의 유량 계측용 센서에 사용되는 전류원의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.3 is a view schematically showing the configuration of a current source used in a conventional flow measurement sensor.
도 4는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 유량 계측용 센서에 사용되는 정전류원의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a concept of a constant current source used in a flow measurement sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 유량 계측용 센서의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.5 is a conceptual view for explaining the concept of the flow measurement sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 유량 계측용 센서의 회로 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.6 is a view for schematically showing the circuit configuration of the flow measurement sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101: 정전압원102: 제1 저항101: constant voltage source 102: first resistor
103: 제1 연산증폭기104: 트랜지스터103: first operational amplifier 104: transistor
202: 제2 연산증폭기203: 제2 저항202: second operational amplifier 203: second resistor
204: 제3 저항205: 감지부저항204: third resistor 205: sensing resistor
206: 제3 연산증폭기206: third operational amplifier
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 온도를 감지하는 감지부저항과, 상기 감지부저항과 병렬로 연결된 정전류원으로 이루어진 유량 계측용 센서로서, 상기 정전류원의 (+)단자는 상기 감지부저항의 일단에 연결되고, 상기 감지부저항의 타단에 일단이 각각 연결되는 제2 및 제3 저항을 구비하고, 반전입력단은 상기 제2 저항의 타단에 연결되고, 비반전입력단 및 출력단은 상기 제3 저항의 타단에 연결되는 제2 연산증폭기를 구비하고, 상기 제2 연산증폭기의 출력단은 네거티브 전력 공급 전압(-Vcc)에 연결되는 것을 특징으로 하는 유량 계측용 센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a sensor for measuring the flow rate consisting of a constant current source connected in parallel with the sensing unit resistor for sensing the temperature, the positive terminal of the constant current source is the sensing unit A second resistor and a third resistor connected to one end of the resistor and one end connected to the other end of the sensing unit resistor, and an inverting input terminal is connected to the other end of the second resistor; And a second operational amplifier connected to the other end of the third resistor, and the output terminal of the second operational amplifier is connected to a negative power supply voltage (-Vcc).
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제2 저항 및 제3 저항의 크기는 동일하다.According to a preferred embodiment of the present invention, the size of the second resistor and the third resistor is the same.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 유량 계측용 센서는 정전압원, 제1 연산증폭기, 트랜지스터, 및 제 1 저항을 추가적으로 구비하고, 상기 제2 연산증폭기의 출력단은 상기 트랜지스터의 이미터단자에 연결되고, 상기 제1 연산증폭기는, 비반전입력단은 상기 정전압원에 연결되고, 반전입력단은 상기 트랜지스터의 컬렉터단자에 연결되며, 출력단은 상기 트랜지스터의 베이스단자에 연결되고, 상기 제1 저항은, 일단은 상기 트랜지스터의 컬렉터단자에 연결되고, 타단은 네거티브 전력 공급 전압(-Vcc)에 연결된다.According to a preferred embodiment of the present invention, the flow measurement sensor further includes a constant voltage source, a first operational amplifier, a transistor, and a first resistor, and the output terminal of the second operational amplifier is connected to the emitter terminal of the transistor. The first operational amplifier, a non-inverting input terminal is connected to the constant voltage source, the inverting input terminal is connected to the collector terminal of the transistor, the output terminal is connected to the base terminal of the transistor, the first resistor, Is connected to the collector terminal of the transistor, and the other end is connected to the negative power supply voltage (-Vcc).
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 반전입력단은 상기 감지부저항의 일단과 연결되고, 비반전입력단은 접지되며, 출력단을 통하여 상기 감지부저항으로부터의 신호를 증폭하는 제3연산증폭기를 추가적으로 구비한다.According to a preferred embodiment of the present invention, an inverting input terminal is connected to one end of the sensing unit resistor, the non-inverting input terminal is grounded, and further includes a third operational amplifier for amplifying a signal from the sensing unit resistor through an output terminal. .
또한, 본 발명은 전술한 유량 계측용 센서를 이용한 질량유량제어방법 및 장치를 제공하는데, 본 발명의 유량 계측용 센서의 검출값에 따라, 유관을 개폐 제어함으로써 유관을 통하여 흐르는 질량유량을 제어하게 된다.In addition, the present invention provides a mass flow rate control method and apparatus using the above-described flow rate measuring sensor, according to the detection value of the flow rate measuring sensor of the present invention, to control the mass flow rate flowing through the oil pipe by opening and closing the oil pipe. do.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구체예를 상세히 살펴본다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings looks at in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 질량유량제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.1 is a view schematically showing the overall configuration of a mass flow control device according to a preferred embodiment of the present invention.
종래의 질량유량제어장치는 유량 변화를 측정하기 위하여 아날로그 회로를 이용하여 유량의 변화를 계측하여, 아날로그 회로나 하이브리드형의 제어기를 이용하여 질량유량을 제어하는 구성을 하고 있다.The conventional mass flow controller is configured to measure the change in flow rate using an analog circuit to measure the flow rate change, and to control the mass flow rate using an analog circuit or a hybrid controller.
그러나, 본 발명은 비열과 질량이 동일할 때 변화 유량은 온도 변화를 유발한다는 사실에 중점을 두어, 시간 추이에 따른 온도 변이를 계측하여, 시간 변화에 따른 온도 변화항을 산정하고, 이 결과를 이용하여 변화 유량을 산출하며, 산출된 변화 유량을 이용하여 유관의 개폐정도를 조절하는 방법을 사용한다. 본 발명은 다음과 같은 단계로 구분지어 생각 할 수 있다.However, the present invention focuses on the fact that the change flow rate causes a temperature change when the specific heat and the mass are the same, and measure the temperature change over time, and calculate the temperature change term over time, and calculate the result. The change flow rate is calculated using the calculated change flow rate, and the opening and closing degree of the oil pipe is adjusted using the calculated change flow rate. The present invention can be considered divided into the following steps.
첫째, 시간 추이에 따른 온도 변이를 측정하기 위한 회로 구성,First, the circuit configuration for measuring the temperature variation over time,
둘째, 시간 추이에 따른 온도 변이 산정,Second, estimate the temperature variation over time
셋째, 시간 추이 및 온도 변이에 따른 변화 유량 관계 산정,Third, the calculation of the relation of change flow rate according to time trend and temperature variation
넷째, 계산된 변화 유량에 따른 유관 개폐정도 제어 등으로 구분되어진다.Fourth, it is divided into control of the degree of opening and closing of the tube according to the calculated change flow rate.
첫 번째로, 시간 추이에 따른 온도 변화의 측정 가능성을 살펴본다. 질량유량제어장치에서 1개의 온도 센서로 온도를 계측하여, t1시간의 온도가 T1, t2시간의 온도가 T2로 계측되면, 온도차는로 산정되어진다. 산정된 온도차에서 열전달량은의 식을 이용하여 계산할 수 있고, 이로부터 유량 변화를 산출할 수 있다.First, we look at the possibility of measuring temperature change over time. When the temperature is measured by one temperature sensor in the mass flow controller, and the temperature of t 1 hour is measured as T 1 and the temperature of t 2 time as T 2 , the temperature difference is Is calculated. The heat transfer amount at the calculated temperature difference It can be calculated using the following equation, from which the flow rate change can be calculated.
이는 질량유량제어장치에서, 사용하는 가스의 온도를 계측하고, 이 값을 이용하면 디지털 질량유량제어장치에 적용 가능하다는 점을 보여 준다.This shows that in the mass flow controller, the temperature of the gas used is measured and this value is applicable to the digital mass flow controller.
도 2는 종래의 유량 계측용 센서의 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.2 is a view for schematically showing the configuration of a conventional flow measurement sensor.
도시한 바와 같이, 온도를 계측하기 위한 방안으로, 측정하고자 하는 센서에 전류를 흐르게 하여 온도 변화에 따른 저항 변화량을 전압 변화량으로 계측하게 하면, 원하는 온도를 측정 할 수 있다. 따라서, 도 2의 피 측정 저항은 감지부가 된다. 이 회로는 전류원을 이용하여 저항을 측정하는 방법과 동일한 형태가 된다. 실제로 이 방법은 RTD(Resistance Temperature Detector)를 이용한 온도 측정 방법과 동일한 구조와 형태를 보인다.As shown in the figure, as a method for measuring temperature, a desired temperature can be measured by allowing a current to flow through a sensor to be measured to measure an amount of resistance change according to a temperature change as a voltage change amount. Therefore, the measured resistance of FIG. 2 becomes a sensing unit. This circuit is the same as the method for measuring resistance using a current source. In practice, this method has the same structure and shape as the temperature measurement method using the resistance temperature detector (RTD).
일반적으로 전류원을 이용하여 저항 변화을 계측하는 과정에서 고려하여야 하는 사항은 첫째, 전류원의 정밀도 유지, 둘째, 전류원의 크기에 따른 자체 발열(self heating)에 의한 저항 변화분의 출현, 셋째, 측정점 또는 측정기까지 연결선의 저항이 측정하고자 하는 저항 변화분의 값에 함께 나타난다는 것 등을 들 수 있다.In general, considerations in the process of measuring the resistance change by using a current source are as follows. First, the accuracy of the current source is maintained. Second, the occurrence of resistance changes due to self heating according to the size of the current source. The resistance of the connecting line appears up to the value of the resistance change to be measured.
도 3은 종래의 유량 계측용 센서에 사용되는 전류원의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.3 is a view schematically showing the configuration of a current source used in a conventional flow measurement sensor.
도 4는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 유량 계측용 센서에 사용되는 정전류원의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a concept of a constant current source used in a flow measurement sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
전류원의 구성 방법으로는 여러 가지가 있으나, 구성이 편리하고, 안정적 전원 변동 및 주위 온도에 무관한 구조를 지녀야 한다. 도 4의 회로는 종래의 회로 구성에 비하여 복잡성을 보이나, 안정성 있는 정전류 회로를 구성하고, 거울 효과를 이용하여 안정된 전류를 공급할 수 있게 한다.There are many ways to configure the current source, but the configuration should be convenient and have a structure independent of stable power fluctuations and ambient temperature. Although the circuit of FIG. 4 shows complexity compared with the conventional circuit configuration, it is possible to construct a stable constant current circuit and to supply a stable current using a mirror effect.
101은 정전압원이며, 제1 저항(102)은 108과 함께 공급전압을 103 양단에 일정하게 유지시키는 바이어스용 저항이다. 103은 정전류원을 구성하기 위한 제 1 연산 증폭기이며, 104는 제1 연산증폭기(103)의 전류 공급 능력을 개선하기 위한 트랜지스터이다. 106은 트랜지스터(104)에 흐르는 전류를 거울 효과에 의하여 B의 전류원으로 사용하기 위한 회로이다.101 is a constant voltage source, and the first resistor 102 together with 108 is a bias resistor for maintaining a constant supply voltage across 103. 103 is a first operational amplifier for constructing a constant current source, and 104 is a transistor for improving the current supply capability of the first operational amplifier 103. 106 is a circuit for using the current flowing in the transistor 104 as the current source of B by the mirror effect.
정전압원(101)은 회로 전체의 기준 전압을 형성하는 것으로서, 이 소자의 정확도가 시스템 전체에 영향을 주나, 현재 시중에서 판매되는 부품을 사용하면 기준 전압의 정확도는 소수점 이하 둘째자리(예를 들어, 10V를 기준 전압으로 사용하는 경우 10.00V)까지 정확도를 얻을 수 있다. 회로 전체의 공급전압을 분할하는 제1 저항(102)과 저항(108)의 정밀도가 제1 연산증폭기(103)의 양단에 인가되는 전압의 정확도를 결정하게 되고, 이들이 정전류원의 정확도를 결정하게 된다.The constant voltage source 101 forms the reference voltage for the entire circuit. The accuracy of this device affects the system as a whole. However, using commercially available components, the accuracy of the reference voltage is two decimal places (for example, When using 10V as the reference voltage, accuracy up to 10.00V can be obtained. The precision of the first resistor 102 and the resistor 108 dividing the supply voltage of the entire circuit determines the accuracy of the voltage applied across the first operational amplifier 103, which causes them to determine the accuracy of the constant current source. do.
거울 효과를 이용하는 106의 회로에 대한 내역을 살펴본다. 연산증폭기(105)에 의해 공급되는 전류는 저항(108)과 저항(109)의 저항의 정밀도에 의하여 결정되어진다.Let's take a look at the 106 circuits that use the mirror effect. The current supplied by the operational amplifier 105 is determined by the precision of the resistors 108 and 109.
따라서 도 4의 회로 설계에서 중요한 사항은 정전압원(101)의 정밀도, 제1 저항(102), 저항(108) 및 저항(109)의 정밀도를 잘 선정하는 것이 된다. 그리고 정전류원(B)에서 공급되는 전류는 센서의 자체 발열을 최소화하기 위하여 센서에 공급되는 전류를 1mA로 설계하는 것이 바람직하며, 본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 정전압원(101)의 출력 전압을 10.0 V, 제1 저항(102)의 저항값을 10.0 K, 저항(108) 및 저항(109)의 저항값을 5.0K로 선정한다.Therefore, an important point in the circuit design of FIG. 4 is to select the precision of the constant voltage source 101, the precision of the first resistor 102, the resistor 108 and the resistor 109 well. And the current supplied from the constant current source (B) is preferably designed to the current supplied to the sensor to minimize the self-heating of the sensor to 1mA, according to a preferred embodiment of the present invention, the output voltage of the constant voltage source 101 Is set to 10.0 V, the resistance of the first resistor 102 is 10.0 K, and the resistance of the resistor 108 and the resistor 109 is 5.0K.
도 5는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 유량 계측용 센서의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.5 is a conceptual view for explaining the concept of the flow measurement sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 도 5는 전류원을 이용하여 저항 변화를 계측하는 방법을 개선하기 위한 개념을 나타내며, 도 2의 회로의 문제점과, 개선하여야 사항들이 어떻게 개선되어야 하는지를 알 수 있다.As shown, FIG. 5 shows a concept for improving a method of measuring a resistance change using a current source, and it can be seen that the problems of the circuit of FIG. 2 and how to be improved are to be improved.
전류원을 이용한 종래의 유량 계측방법은 센서에 전류를 흘려 변화되는 전압을 측정하고, 이 측정값에서 센서 자체 저항 값에 의한 크기와 변화 저항에 의한 크기를 분리하여 변화 성분의 크기를 산정하게 된다. 즉, 계측되는 값은 자체 저항 R에 의한 전압VR과 변화 저항에 의한 전압가 합쳐진 값가 계측점에서 계측되어진다. 그런데 센서 자체 저항 R 에 의한 전압VR의 값은 변화량 계측에는 불필요한 항이다. 센서 자체 저항과 변화량을 구분하는 것은 가상적인 것으로 이 항을 계측 과정에서 없앨 수 있는 방안으로는 플로우팅(floating) 계측기로 계측하게 되면 변화 저항에 의한 전압만이 계측된다. 이를 유량 계측용 센서에 적용하기 위한 방법으로는, 도 5의 A점의 전위를 0으로 하게 되면 변화 저항에 의한 전압만을 실제 계측할 수 있게 된다.The conventional flow measurement method using a current source measures the voltage which is changed by passing a current through the sensor, and calculates the magnitude of the change component by separating the magnitude due to the sensor's own resistance value and the magnitude due to the change resistance from the measured value. That is, the measured value is the voltage V R and the change resistance due to the self resistance R. Voltage by Combined values Is measured at the measurement point. However, the value of the voltage V R by the sensor self-resistance R is an unnecessary term for the change amount measurement. The distinction between the sensor's own resistance and the amount of change is hypothetical. A way to eliminate this term from the measurement process is to measure the resistance with a floating instrument. Voltage by Only is measured. As a method for applying this to the sensor for measuring the flow rate, if the potential at the point A of FIG. Voltage by Only the actual measurement will be possible.
도 6은 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 유량 계측용 센서의 회로 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.6 is a view for schematically showing the circuit configuration of the flow measurement sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 도 6은 지금까지 살펴본 계측 방법을 질량유량제어장치에 사용 가능한 형태로 구현한 회로를 제시한다. 즉, 앞서 제시된 문제점을 개선하면서도 질량유량제어장치에 적용 가능한 구조의 단순화된 구조의 정전류원을 이용한저항 측정 회로이다.As shown, FIG. 6 shows a circuit in which the measurement method described so far is implemented in a form usable for the mass flow controller. That is, the resistance measurement circuit using the constant current source of the simplified structure of the structure applicable to the mass flow control device while improving the problems presented above.
회로의 구성은 정전류원을 만드는 부분과 전압 변동을 보상하는 회로, 그리고 변화량을 증폭하는 회로로 구성되어진다.The circuit consists of a part that creates a constant current source, a circuit that compensates for voltage variations, and a circuit that amplifies the amount of change.
B는 그림 4에서 제시되는 정전류원을 표시하고, 201은 정전류원을 표시하고, 202는 센서의 전위를 설정하는 제2 연산증폭기이며, 제2 저항(203)과 제3 저항(204)은 제2 연산증폭기(202)의 전위를 동일하게 하는 저항이다. 205는 감지부저항이며 제3 연산증폭기(206)는 센서의 변화분을 증폭하는 계장형증폭기이며, 207은 제 3 연산증폭기(206)의 이득조절용저항을 나타내고 있다.B denotes the constant current source shown in Figure 4, 201 denotes the constant current source, 202 is a second operational amplifier for setting the potential of the sensor, and the second resistor 203 and the third resistor 204 are the It is a resistor that makes the potentials of the two operational amplifiers 202 equal. Denoted at 205 is a sense resistor, and the third operational amplifier 206 is an instrumentation amplifier for amplifying changes in the sensor, and 207 represents a gain adjusting resistance of the third operational amplifier 206.
감지부저항(205)에 정전류(B)가 공급되어 감지부저항(205) 양단에 전압 변화분이 발생하게 된다. 이 크기는 제3 연산증폭기(206)에서 디지털 질량유량제어장치의 A/D 변환기에 알맞는 크기로 이득조절용저항(207)을 이용하여 증폭되게 된다. 제2 저항(203)과 제3 저항(204)은 같은 크기의 저항을 이용하여 제2 연산증폭기(202)의 양단의 전위차가 평형이 되도록 구성한다.The constant current B is supplied to the detector resistor 205 to generate a voltage change across the detector resistor 205. This magnitude is amplified by the gain adjusting resistor 207 in the third operational amplifier 206 to a size suitable for the A / D converter of the digital mass flow controller. The second resistor 203 and the third resistor 204 are configured such that the potential difference between both ends of the second operational amplifier 202 is balanced using a resistor having the same magnitude.
정전류원(201)은 도 4에서 설명된 정전류원 회로이다. 이 회로의 목적은 센서에 인가되는 전류를 일정하게 유지하면서 제2 연산증폭기(202) 양단에 인가되는 전위를 일정하게 하는 기능을 한다. 제2 연산증폭기(202)는 도 5에서 제시된 개념을 구체화시킨 회로이다. C의 전위를 0으로 만들기 위하여 제2 저항(203)과 제3 저항(204)을 사용한다. 제2 연산증폭기(202)의 양단의 전위를 동일하게 유지시키면서, 이 값을 0전위로 만들어 실제로 계측하는 값을 변화 저항에 의한 전압만이 계측될 수 있도록 한다. 이때 제2 저항(203)과 제3 저항(204)의 저항의 정밀도가 C점의 전위 뿐 아니라 전압 변동에 많은 영향을 미치게 되므로 잘 선정하여야 한다.The constant current source 201 is a constant current source circuit described in FIG. The purpose of this circuit is to make the potential applied across the second operational amplifier 202 constant while keeping the current applied to the sensor constant. The second operational amplifier 202 is a circuit incorporating the concept shown in FIG. The second resistor 203 and the third resistor 204 are used to bring the potential of C to zero. While keeping the potentials at both ends of the second operational amplifier 202 the same, this value is set to zero potential to change the value actually measured. Voltage by Only the instrument can be measured. At this time, the precision of the resistance of the second resistor 203 and the third resistor 204 has a great influence on the voltage fluctuation as well as the potential of the point C, so it should be well selected.
제3 증폭기(206)는 높은 동상 신호제거 특성을 지니는 계장형 증폭기로 구성하거나, 높은 입력 임피던스를 유지하면서 큰 동상 신호 제거특성을 유지하여야 한다.The third amplifier 206 may be configured as an instrumentation amplifier having a high in-phase signal cancellation characteristic, or maintain a large in-phase signal cancellation characteristic while maintaining a high input impedance.
감지부저항(205)에서의 변화량에 의한 변화 전압가 제3 연산증폭기(206)에 인가되며, 제3 연산증폭기(206)의 출력 Vo는가 된다. 여기서 제3 연산증폭기(206)의 출력단의 크기를 조절하는 이득조절용저항(207) R의 크기는 계장형 증폭기를 사용할 때, 다음과 같은 이득 관계식이 성립된다.The amount of change in the detector resistance 205 Change voltage by Is applied to the third operational amplifier 206, and the output V o of the third operational amplifier 206 is Becomes Herein, when the size of the gain adjusting resistor 207 R for adjusting the size of the output terminal of the third operational amplifier 206 is used, the following gain relational expression is established.
제3 연산증폭기(206)의 출력의 크기는 시스템 전체에 필요한 전압의 크기에 맞게 조절 가능하며 전체 이득은 1000 이하에서 사용한다.The size of the output of the third operational amplifier 206 can be adjusted to the size of the voltage required for the entire system, and the overall gain is used at 1000 or less.
상기한 구성에 따르면, 본 발명은 단일 센서를 사용함으로써, 영점 조정문제를 야기하지 않는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다. 영점 조정문제는 아날로그 회로를 이용하여 초기 유량에 대한 기준값을 설정하는데 따른 문제로, 본 발명의 단일 센서를 이용하여 계측하는 경우 디지털 신호로 처리됨에 따라 초기값 설정은 디지털 또는 하이브리드형의 알고리즘에서 처리할 수 있게 되어 영점 조정문제를 야기하지 않게 된다.According to the above configuration, by using a single sensor, the present invention has an effect that can provide a sensor for measuring the flow rate and a mass flow control device and method using the same, which does not cause a zero point adjustment problem. The zeroing problem is a problem of setting the reference value for the initial flow rate using an analog circuit. When the measurement is performed using a single sensor of the present invention, the initial value setting is processed by a digital or hybrid type algorithm as it is processed as a digital signal. So that it does not cause a zeroing problem.
아울러, 본 발명은 센서 제조공정의 불일치로 인한 시스템 오차 문제를 최소화함과 아울러, 제조 노력 및 비용의 절감을 달성할 수 있는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다. 즉, 단일 센서를 사용함으로써, 센서 제조과정에서 다소간의 오차가 발생하더라도 온도차 계산 과정에서 처리가 가능하게 되어 훨씬 경제적인 구성을 이룰 수 있게 된다.In addition, the present invention can provide a flow measuring sensor and a mass flow control device and method using the same, which can minimize the system error problem due to the mismatch of the sensor manufacturing process, and can achieve a reduction in manufacturing effort and cost. It works. That is, by using a single sensor, even if some error occurs in the manufacturing process of the sensor can be processed in the process of calculating the temperature difference, it is possible to achieve a much more economical configuration.
또한, 본 발명은 비선형성에 따른 오차를 최소화함으로써 우수한 시스템 성능을 가지는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명에서는 저항 변화분에 따른 전압 변화만을 계측하게 되어 다수의 센서의 사용으로 인한 비선형 문제와 센서간 불일치의 문제는 발생하지 않게 되며, 유량 변화 과정에 포함되는 비선형 관계는 데이터를 이용하여 처리 가능하여 종래의 방법의 보간된 결과보다 우수한 특성을 가지게 된다.In addition, the present invention has the effect of providing a sensor for measuring the flow rate and a mass flow rate control device and method using the same by minimizing the error due to non-linearity. That is, in the present invention, only the voltage change according to the resistance change is measured so that the problem of nonlinearity and inconsistency between the sensors due to the use of a plurality of sensors does not occur, and the nonlinear relationship included in the flow rate change process uses data. It can be processed to have properties that are superior to the interpolated results of conventional methods.
또한, 본 발명은 안정된 정전류원을 제공함과 아울러 전압 변동을 간단히 보정할 수 있도록 함으로써, 전원변동에 따른 오차를 방지할 수 있는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can provide a stable constant current source and to easily correct the voltage fluctuation, thereby providing a flow measuring sensor and a mass flow control device and method using the same, which can prevent errors caused by power fluctuations. It works.
또한, 본 발명은 자체 발열로 인한 온도 변화를 최소화함으로써, 영점 변동의 문제를 해결할 수 있는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of providing a sensor for measuring the flow rate and a mass flow control device and method using the same by minimizing the temperature change due to self-heating, the problem of the zero point change.
또한, 본 발명은 센서주변온도 변화가 발생하는 경우, 이에 따른 보정값을 간단히 시스템에 반영할 수 있도록 함으로써, 시스템 오차를 최소화할 수 있는 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어 장치 및 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명의 단일 온도 계측을 이용하는 경우, 질량유량제어 장치 내부의 온도를 유량이 흐르기 전과, 흐르는 도중 일정 시간간격으로 계측하여 사용하게 되므로, 주변온도에 대한 값을 항상 보정하여 사용할 수 있게 된다.In addition, the present invention provides a flow rate measuring sensor and a mass flow control device and method using the same, which can minimize the system error by simply reflecting the correction value according to the system when the change in the sensor ambient temperature occurs, It can work. That is, when using the single temperature measurement of the present invention, since the temperature inside the mass flow control device is measured and used at a predetermined time interval before and during the flow, it is possible to always correct and use the value for the ambient temperature. .
본 발명은 종래의 질량유량제어 장치 및 방법에서 사용하는 비메모리 방식에서는 사용이 불가능하다는 단점을 지닐 수 있으나, 질량유량제어장치의 개발 동향 및 일반 계측 기기들의 개발추세에 비추어볼 때, 본 발명의 타당성은 매우 합리적이고, 스마트 디바이스(Smart Device)의 필수 항목으로 판단된다.The present invention may have the disadvantage that it can not be used in the non-memory method used in the conventional mass flow control device and method, in view of the development trend of the mass flow control device and the development trend of general measuring instruments, The feasibility is very reasonable and it is judged to be an essential item of a smart device.
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