KR20050031109A - 질량 유량 제어기 내의 압력 보상을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

질량 유량 제어기의 성능은 제어기가 유체 유량을 제어할 목적으로 결합된 유동 경로 내의 압력 전이에 대해 취약할 수 있다. 압력 환경의 변화에 기인한 질량 유량 제어기의 성능 저하, 불안정성, 및/또는 부정확성을 감소시키거나 제거하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 특히, 유동 경로 및 질량 유량 제어기의 압력 환경 내의 압력 전이를 보상하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다.

Description

질량 유량 제어기 내의 압력 보상을 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR PRESSURE COMPENSATION IN A MASS FLOW CONTROLLER}

본 발명은 유체의 유량을 제어하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이고, 특히 질량 유량 제어기를 포함하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

많은 산업적 처리는 다양한 처리 유체의 정밀한 제어를 요구한다. 예를 들어, 제약 및 반도체 산업에서, 질량 유량 제어기가 처리 챔버 내로 도입되는 처리 유체의 양을 정밀하게 측정하고 제어하도록 사용된다. 유체라는 용어는 본원에서 유동할 수 있는 임의의 상태의 임의의 유형의 물체를 설명하도록 사용된다. 유체라는 용어는 제어된 유동이 관심 있을 수 있는 물체 또는 물질의 임의의 조합을 포함하는, 액체, 기체 및 슬러리에 적용된다는 것을 이해해야 한다.

종래의 유량 제어기는 통상 유량계, 제어 밸브, 밸브 액츄에이터, 및 제어기의 네 개의 주요 부분을 포함한다. 유량계는 유동 경로 내의 유체의 유량을 측정하여 그러한 유량을 표시하는 신호를 제공한다. 유량계는 유량 센서 및 바이패스를 포함할 수 있다. 유량 센서는 바이패스에 유체 결합된 센서 도관 내의 유체의 질량 유량을 측정한다. 센서 도관 내의 유체의 질량 유량은 바이패스 내에서 유동하는 유체의 질량 유량에 대체로 비례하고, 이 둘의 합은 질량 유량 제어기에 의해 제어되는 유동 경로를 통한 전체 유량이다. 그러나, 몇몇 질량 유량 제어기는 바이패스를 채용하지 않을 수 있어서, 모든 유체가 센서 도관을 통해 유동할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

많은 질량 유량 제어기에서, 각각 온도에 의해 변경되는 저항을 가지며 이격된 위치에서 센서 도관 둘레에 권취된 한 쌍의 저항기를 포함하는 열 질량 유량 센서가 사용된다. 유체가 센서 도관을 통해 유동할 때, 열이 상류 저항기로부터 하류 저항기로 운반되고, 온도 차이는 센서 도관 및 바이패스를 통해 유동하는 유체의 질량 유량에 비례한다.

제어 밸브가 (전형적으로 바이패스 및 질량 유량 센서 하류의) 주 유체 유동 경로 내에 위치되어, 주 유체 유동 경로를 통해 유동하는 유체의 질량 유량을 변경하도록 제어(예를 들어, 개방 또는 폐쇄)될 수 있고, 제어는 질량 유량 제어기에 의해 제공된다. 밸브는 전형적으로 밸브 액츄에이터에 의해 제어되고, 그의 예는 솔레노이드 액츄에이터, 압전 액츄에이터, 및 스테퍼 액츄에이터 등을 포함한다.

제어 전자 부품은 질량 유량 제어기에 의해 제공되기 원하는 유체의 질량 유량을 표시하는 설정점, 및 센서 도관 내에서 유동하는 유체의 실제 질량 유량을 표시하는 질량 유량 센서로부터의 유량 신호에 기초하여 제어 밸브의 위치를 제어한다. 비례 제어, 적분 제어, 비례-적분(PI) 제어, 미분 제어, 비례-미분(PD) 제어, 적분-미분(ID) 제어, 및 비례-적분-미분(PID) 제어와 같은 전통적인 피드백 제어 방법이 그 다음 질량 유량 제어기 내의 유체의 유동을 제어하도록 사용된다. 각각의 전술한 피드백 제어 방법에서, 제어 신호(예를 들어, 제어 밸브 구동 신호)가 유체의 원하는 질량 유량을 표시하는 설정점 신호와 질량 유량 센서에 의해 감지되는 실제 질량 유량에 관한 피드백 신호 사이의 차이인 오류 신호에 기초하여 발생된다.

많은 종래의 질량 유량 제어기는 유체 종류, 유량, 입구 및/또는 출구 압력, 온도 등을 포함한 복수의 작동 조건 중 하나에 의존할 수 있는 구성요소 거동에 민감하다. 또한, 종래의 질량 유량 제어기는 특히 질량 유량 제어기의 제작 시에 사용되는 구성요소들의 조합에 대해 어떠한 불균일성을 보일 수 있고, 이는 질량 유량 제어기의 일관되지 않고 원치 않는 성능의 결과를 낳는다.

몇몇의 이러한 문제점을 해결하기 위해, 질량 유량 제어기는 제작 중에 조정 및/또는 보정될 수 있다. 제작은 통상 일련의 작동 조건 하에서 테스트 유체에 대해 질량 유량 제어기를 작동시키는 단계와, 질량 유량 제어기를 그가 만족스러운 거동을 보이도록 조정 및/또는 보정하는 단계를 포함한다.

당업자에게 공지된 바와 같이, 질량 유량 제어기를 조정 및/또는 보정하는 공정은 비용이 드는 노동 집약적인 절차이고, 종종 한 명 이상의 숙련된 작업자 및 특수 장비를 요구한다. 예를 들어, 질량 유량 제어기의 질량 유량 센서부는 센서부를 통해 공지된 양의 공지된 유체를 흘려 보내어 적절한 응답을 제공하도록 소정의 필터 또는 구성요소를 조절함으로써 조정될 수 있다. 바이패스가 그 다음 센서에 장착될 수 있고, 바이패스는 다양한 공지된 유량에서 주 유체 유동 경로 내에서 유동하는 공지된 유체의 적절한 비율을 반영하도록 공지된 유체에 의해 조정된다. 질량 유량 센서부 및 바이패스는 그 다음 제어 밸브 및 제어 전자부에 대해 정합되고 그 다음 다시 공지된 조건 하에서 조정될 수 있다.

최종 사용자에 의해 사용되는 유체의 유형이 조정 및/또는 보정 시에 사용된 것과 다를 때, 또는 최종 사용자에 의해 사용되는 입구 및 출구 압력, 온도, 유량의 범위 등과 같은 작동 조건이 조정 및/또는 보정 시에 사용된 것과 다를 때, 질량 유량 제어기의 작동은 통상 저하된다. 이러한 이유로, 추가의 유체("대행 유체"로 언급됨) 및/또는 작동 조건이 종종 조정 또는 보정되고, 만족스러운 응답을 제공하는데 필요한 임의의 변경이 색인표 내에 저장된다.

상이한 유체 및 상이한 작동 조건에서의 추가의 조정 및/또는 보정이 질량 유량 제어기의 성능을 개선하도록 사용될 수 있지만, 이러한 유형의 대행 조정 및/또는 보정은 시간이 걸리고 비용이 들며, 이는 조정 및/또는 보정 절차가 적어도 각각의 대행 유체에 대해 반복되어야 하고 유사하게 각각의 대행 유체에서 복수의 상이한 작동 조건에 대해 반복되어야 하기 때문이다. 더욱이, 대행 유체가 최종 사용자에 의해 사용될 수 있는 다양한 유형의 유체의 거동을 단지 모방하기 때문에, 최종 사용자측에서의 질량 유량 제어기의 실제 작동은 조정 및/또는 보정 중에서와 대체로 다를 수 있다. 질량 유량 제어기를 채용한 광범위한 산업 및 용도를 고려하여, 최종 사용자에 의해 질량 유량 제어기에 적용되는 처리 유체 및 작동 조건은 복수의 상이한 대행 유체 및 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 조정 및/또는 보정에도 불구하고, 질량 유량 제어기가 조정 및/또는 보정된 테스트 유체 및 작동 조건과 다를 수 있다. 그러므로, 작동 조건에 민감하지 않고 많은 보정 및/또는 조정을 요구하지 않는 장치가 필요하다.

질량 유량 제어기가 유량을 제어하기 위해 결합되는 유동 경로는 유량계가 유동을 감지하는 부분을 포함할 수 있고, 이 부분은 전술한 바와 같은 바이패스 및 센서 도관을 갖는다. 유동 경로는 종종 유동 경로의 입구측에서 압력을 제어하기 위한 압력 조절기를 구비한다. 전형적으로, 압력 조절기는 유량계가 결합되는 유동 경로의 부분 상류에 제공된다.

압력 조절기는 유동 경로의 원하는 입구 압력을 유지한다. 압력 조절기는 통상 오류 없이 작동하지 않고, 압력 전이 또는 유동 경로 내로의 원하는 압력으로부터의 다른 편차를 도입할 수 있다. 이러한 편차는 질량 유량 제어기의 성능에 대해 해로운 효과를 가질 수 있다. 종종, 질량 유량 제어기는 이러한 바람직하지 않은 압력 전이를 가능한 한 잘 흡수해야 하고, 이러한 바람직하지 않은 전이는 전형적으로 질량 유량 제어기의 제어 정확성 및 성능의 품질을 저하시킨다.

도1은 본 발명의 다양한 태양이 실시될 수 있는 예시적인 질량 유량 제어기의 개략적인 블록 선도를 도시한다.

도2는 도1에 도시된 유량계의 더욱 상세한 개략적인 블록 선도이다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동의 스텝 변화에 응답하는 질량 유량 센서의 다양한 출력 신호를 도시한다.

도4는 도1에 도시된 게인/선도/지연 제어기 회로의 더욱 상세한 개략도이다.

도5는 도1에 도시된 밸브 액츄에이터의 더욱 상세한 개략적인 블록 선도이다.

도6a 내지 도6f는 도4에 도시된 복수의 신호의 신호 파형을 도시한다.

도7a 내지 도7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동하도록 질량 유량 제어기를 구성하는 방법을 도시한다.

도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 필터를 도시한다.

도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 유도식 밸브 변위 보상의 한 가지 방법을 도시한다.

도10은 자유 부동 플런저를 도시한다.

도11a는 시간의 함수로서 유동 경로의 입구측에서 도입되는 압력 펄스의 그래프이다.

도11b는 도11a에 도시된 압력 펄스로부터 생성된 압력 신호의 그래프이다.

도11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 변화를 검출하기 위한 압력 트랜스듀서를 갖는 유동 경로를 도시한다.

도11d는 본 발명의 일 실시예에 따른 거짓 유동 정보를 보상하는 보상 필터를 도시한다.

도12a는 압력 펄스의 형상의 압력 전이가 유동 경로의 입구측에서 도입되는 경우를 도시한다.

도12b는 도12a에 도시된 압력 전이로부터 생성된 시간의 함수로서 센서 출력을 도시한다.

도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 유도식 밸브 변위 보상의 한 가지 방법을 도시한다.

도14는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 유량 제어기의 자동 구성을 용이하게 하는 시스템을 도시한다.

도15는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 유량 제어기의 자동 구성을 용이하게 하는 다른 시스템을 도시한다.

도16은 밸브의 단면도를 도시한다.

본 발명의 일 태양은 입구측 및 출구측을 갖는 유체 유동 경로에 결합되어 유동 경로를 통해 감지된 유체 유량을 표시하는 센서 출력 신호를 제공하도록 되어 있는 유량 센서를 포함하는 유량 제어기에서, 유동 경로의 적어도 하나의 압력을 측정하는 단계와, 적어도 하나의 압력을 측정하는 단계에 기초하여 센서 출력 신호를 조절하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 적어도 하나의 압력에 기초하여 적어도 하나의 압력 신호를 형성하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 유동 경로의 내의 압력 변화로 인한 유량 센서의 응답을 모방한 거짓 유량 신호를 제공하기 위해 적어도 하나의 압력 신호를 필터링하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 센서 출력 신호로부터 거짓 유량 신호를 감산하는 단계를 포함하는 센서 출력을 조절하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다른 태양은 유동 경로의 적어도 하나의 압력 측정에 기초하여 압력 변화로 인한 유량 센서의 응답에 대응하는 거짓 유량 신호를 구성하는 단계와, 센서 출력 신호로부터 거짓 유량 신호를 감산하는 단계를 포함하는, 유량 센서로부터의 센서 출력 신호를 변형시키는 방법을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 적어도 하나의 압력 측정을 표시하는 압력 신호를 제공하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 압력 신호를 그가 센서 출력 신호와 대체로 시정렬되도록 지연시키는 단계를 포함하는 거짓 유량 신호를 구성하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 압력 신호를 미분하는 단계를 포함하는 방법을 포함하는 거짓 유량 신호를 구성하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 적어도 하나의 필터로 압력 신호를 필터링하는 단계를 포함하는 거짓 유량 신호를 구성하는 단계를 더 포함하고, 적어도 하나의 필터는 유동 경로 내의 압력 변화에 대한 유량 센서의 응답을 모방한 전달 함수를 갖는다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 필터는 직렬로 연결된 복수의 2차 필터를 포함하고, 복수의 2차 필터 각각으로부터의 출력은 개산되고 합산되어 거짓 유량 신호를 제공한다.

본 발명의 일 태양은 유동 경로에 결합된 유량 센서에 의해 제공되는 센서 출력 신호로부터, 압력 전이에 기인한 유량 변화에 응답하여 유량 센서로부터 생성된 거짓 유량 정보를 제거하는 방법을 포함한다. 방법은 유동 경로 내의 적어도 하나의 압력을 측정하는 단계와, 적어도 하나의 압력 측정을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 단계와, 적어도 하나의 압력 신호로부터 거짓 유량 신호를 구성하는 단계와, 유체 경로 내의 유체 유량을 표시하는 유량 신호를 제공하기 위해 센서 출력 신호로부터 거짓 유량 신호를 감산하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 태양은 유체 유동 경로 내의 압력 변화로 인한 불감 체적을 충전하는 유체에 대한 센서의 응답을 예측하는 단계와, 센서 출력 신호로부터 거짓 유량 정보를 본질적으로 제거하기 위해 예측된 응답에 기초하여 센서에 의해 제공되는 센서 출력 신호를 변형시키는 단계를 포함하는 불감 체적 보상 방법을 포함한다.

본 발명의 다른 태양은 a) 도관 내에서 유동하는 유체의 유량을 감지하는 단계와, b) 도관 내에서 유동하는 유체의 압력 변화를 측정하는 단계와, c) 단계(a)에 의해 감지된 유체의 유량에 대한 압력 변화의 영향을 결정하는 단계와, d) 도관 내에서 유동하는 유체의 유량을 결정하기 위해 압력 변화의 효과에 기초하여 유체의 감지된 유량을 변형시키는 단계를 포함하는, 도관 내에서 유동하는 유체의 유량을 결정하는 방법을 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양은 유동 경로 내의 유체 유량을 측정하도록 되어 있으며 유동 경로 내에서 감지된 유체 유량에 응답하여 센서 출력 신호를 제공하는 유량 센서와, 유동 경로 내의 적어도 하나의 압력을 측정하여 각각의 적어도 하나의 측정된 압력에 관련된 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 적어도 하나의 압력 트랜스듀서와, 적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 유동 경로 내의 압력 전이에 대한 유량 센서의 응답을 근사화하는 거짓 유량 신호를 구성하도록 되어 있는 보상 필터와, 센서 출력 신호 및 거짓 유량 신호를 수신하여 센서 출력 신호와 거짓 유량 신호 사이의 차이에 관련된 유량 신호를 제공하는 감산기를 포함하는 유량계에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보상 필터는 압력 전이에 대한 유량 센서의 응답과 대체로 시정렬되도록 적어도 하나의 압력 신호를 지연시키는 지연 블록을 포함하고, 지연 블록은 적어도 하나의 지연된 압력 신호를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보상 필터는 지연된 압력 신호를 수신하는 미분기를 포함하고, 미분기는 미분 신호를 제공하기 위해 지연된 압력 신호의 미분을 결정하도록 되어 있다.

본 발명의 다른 태양은 유체 경로 내의 압력을 표시하는 압력 신호를 수신하여 미분 신호를 제공하기 위해 압력 신호의 미분을 결정하도록 되어 있는 보상 필터와, 미분 신호를 압력 전이에 응답하여 유량계에 의해 발생되는 거짓 유량 정보를 표시하는 거짓 유량 신호로 변환하도록 되어 있는 전달 함수를 갖는 적어도 하나의 필터를 포함하는, 압력 신호로부터 거짓 유량 신호를 발생시키기 위한 보상 필터에 관한 것이다.

본 발명의 일 태양은 밸브 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하는 단계와, 적어도 하나의 압력 측정을 각각 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 단계와, 적어도 하나의 압력 신호에 기초하여 밸브의 제어되는 부분의 변위를 계산하는 단계와, 계산된 변위에 반대인 부호를 가지며 크기가 대체로 동일한 양으로 밸브의 제어되는 부분을 이동시키기 위한 보상 구동 수준을 발생시키는 단계를 포함하는, 밸브의 제어되는 부분의 위치의 유체 압력 유도식 변화를 보상하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 다른 태양은 압력 전이가 밸브 환경의 적어도 하나의 압력 측정에 기초하여 밸브의 제어되는 부분을 이동시키는 변위를 예측하는 단계와, 예측된 변위를 상쇄하도록 밸브의 제어되는 부분을 이동시키는 단계를 포함하는, 압력 전이로 인한 밸브의 제어되는 부분의 이동을 방지하는 방법을 포함한다.

본 발명의 일 태양은 유동 경로 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하여 적어도 하나의 측정 압력을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 압력 측정 장치와, 적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 유동 경로 환경 내의 압력 변화에 기인한 유동 경로에 결합된 밸브의 밸브 변위를 보상하기 위한 구동 수준을 표시하는 변위 보상 신호를 제어하기 위한 변위 보상 수단을 포함하는, 유동 경로에 결합된 장치를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 변위 보상 수단은 힘 밸브 모델에 기초하여 변위 보상 신호를 계산하기 위한 수단을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 힘 밸브 모델은 밸브의 자성 모델을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 힘 밸브 모델은 밸브 환경 내의 압력 구배를 표시하는 파라미터를 갖는다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 유체 유동 경로 내의 유체 유량을 감지하여 감지된 유체 유량을 표시하는 센서 출력 신호를 제공하도록 되어 있는 유량 센서와, 유체 유동 경로 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하여 적어도 하나의 측정 압력을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하도록 되어 있는 적어도 하나의 압력 트랜스듀서와, 적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 적어도 하나의 압력 신호에 관련된 거짓 유량 신호를 구성하는 보상 필터를 포함하는 유량계가 제공된다.

일 실시예에 따르면, 거짓 유량 신호는 유동 경로 내의 압력 전이에 기인한 유량 변동에 대한 유량 센서 응답으로부터 생성된 거짓 유량 정보를 재현하도록 구성된다. 다른 실시예에 따르면, 보상 필터는 유동 경로 내의 압력 전이에 대한 유량 센서의 응답을 모방한 전달 함수를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 거짓 유량 신호는 센서 출력 신호로부터 감산되어 유량 신호를 제공한다. 다른 실시예에 따르면, 유동 경로에 결합되어, 유량계, 제어기, 밸브 액츄에이터, 및 밸브를 포함하는 제어 루프를 갖는 질량 유량 제어기에서, 유체 유동 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하는 단계와, 적어도 하나의 압력 측정을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 단계와, 적어도 하나의 압력 측정에 기초하여 적어도 하나의 보상 신호를 결정하는 단계와, 적어도 하나의 보상 신호를 질량 유량 제어기의 제어 루프에 제공하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

일 실시예에 따르면, 방법은 유동 경로 환경 내의 압력 전이에 대한 유량계의 응답으로부터 생성된 거짓 유량 정보를 재현하기 위해 거짓 유량 신호를 구성하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 보상 필터를 결정하는 단계를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 방법은 유동 경로 내의 압력 전이로 인한 유체 유량의 유량계 응답 변동을 보상하기 위해 거짓 유량 신호를 제어 루프에 인가하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 보상 신호를 제어 루프에 인가하는 단계를 더 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 방법은 압력 전이로 인한 밸브 변위를 보상하기 위한 구동 수준을 표시하는 변위 보상 신호를 결정하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 보상 신호를 결정하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 거짓 유량 신호 및 변위 보상 신호를 결정하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 보상 신호를 결정하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 유체 유동 경로 내의 유체 유량을 감지하여 유동 경로 내의 질량 유량을 표시하는 유량 신호를 제공하도록 되어 있는 유량계와, 유량계에 결합되어 유량 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 구동 신호를 제공하도록 되어 있는 제어기와, 제어기로부터 구동 신호를 수신하도록 되어 있는 밸브 액츄에이터와, 밸브 액츄에이터에 의해 제어되도록 되어 있으며 유체 유동 경로에 결합된 밸브와, 질량 유량 제어기 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하여 적어도 하나의 압력의 측정을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 적어도 하나의 압력 트랜스듀서와, 적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 질량 유량 제어기 환경 내의 압력 변화의 효과를 보상하기 위해 제어 루프에 적어도 하나의 압력 보상 신호를 제공하는 적어도 하나의 보상 수단을 포함하는 질량 유량 제어기가 제공되고, 질량 유량 제어기의 제어 루프는 유량계, 제어기, 밸브 액츄에이터, 및 밸브를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 트랜스듀서는 유동 경로의 입구 압력을 측정하여 입구 압력 신호를 제공한다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 보상 수단은 입구 압력 신호를 수신하여 입구 압력 신호로부터 거짓 유량 신호를 구성하는 보상 필터를 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 유량계는 유동 경로 내의 유체 유량을 감지하여 감지된 유체 유량을 표시하는 센서 출력 신호를 제공하도록 되어 있는 유량 센서를 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 보상 필터는 입구 압력의 변화로부터 생성된 유체 유량에 대한 유량 센서의 응답을 모방한 전달 함수를 갖는다.

다른 실시예에 따르면, 거짓 유량 신호는 입구 압력의 변화로부터 생성된 센서 출력 신호의 거짓 유량 정보 구성요소를 재현하도록 구성된다. 일 실시예에 다르면, 유량 신호는 센서 출력 신호로부터 거짓 유량 신호를 감산함으로써 결정된다. 일 실시예에 따르면, 보상 수단은 입구 압력 신호를 수신하여 밸브의 제어되는 부분을 밸브의 압력 환경 내에서 대체로 고정되게 유지하기 위한 구동 수준을 표시하는 변위 보상 신호를 제공하는 변위 보상 수단을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 변위 보상 신호는 밸브의 압력 환경 내의 압력 구배로부터 생성된 밸브 변위를 보상하기 위해 구동 신호에 가산된다. 일 실시예에 따르면, 변위 보상 신호는 밸브의 힘 모델에 부분적으로 기초한다. 일 실시예에 따르면, 밸브의 힘 모델은 밸브의 자성 모델을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 밸브의 힘 모델은 밸브를 가로지른 적어도 하나의 압력 강하에 대한 파라미터를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 보상 수단은 적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 압력 전이에 응답하는 유량계로부터 생성된 거짓 유량 정보를 재현하도록 구성된 거짓 유량 신호를 제공하는 보상 필터와, 적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 압력 변화에 기인한 밸브 변위를 보상하기 위한 구동 수준을 표시하는 변위 보상 신호를 제공하는 변위 보상 수단을 포함한다.

본 발명의 일 태양은 질량 유량 제어기의 제작 중에 사용된 테스트 작동 조건과 적어도 부분적으로 다른 처리 작동 조건에서 작동하도록 질량 유량 제어기를 구성하는 방법이며, 테스트 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 응답을 확립하는 단계와, 처리 작동 조건에서 작동하는 질량 유량 제어기의 응답이 대체로 변하지 않도록 처리 작동 조건에 기초하여 질량 유량 제어기의 적어도 하나의 제어 파라미터를 변형시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

일 실시예에 따르면, 방법은 처리 작동 조건에 기초하여 질량 유량 제어기의 복수의 구성요소와 관련된 복수의 처리 게인항을 결정하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 제어 파라미터를 변형시키는 단계를 더 포함하고, 복수의 구성요소는 질량 유량 제어기의 제어 루프를 형성한다. 일 실시예에서, 방법은 복수의 처리 게인항의 곱의 역수를 취함으로써 형성된 처리 역게인항을 결정하는 단계를 포함하는 복수의 처리 게인항을 결정하는 단계를 더 포함하고, 처리 역게인항은 적어도 하나의 가변 작동 조건의 함수이다. 일 실시예에 따르면, 방법은 질량 유량 제어기 환경 내의 적어도 하나의 압력을 포함하는 적어도 하나의 가변 작동 조건을 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 입구 압력을 포함하는 적어도 하나의 가변 작동 조건을 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 방법은 설정점을 포함하는 적어도 하나의 가변 작동 조건을 더 포함한다.

본 발명의 일 태양은 제작 중에 질량 유량 제어기의 응답을 확립하도록 사용된 일련의 테스트 작동 조건과 적어도 부분적으로 다른 일련의 처리 작동 조건에서 작동하도록 질량 유량 제어기를 구성하는 방법을 수행하는 프로세서에서 실행될 때, 프로세서에서의 실행을 위한 프로그램에 의해 부호화된 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하고, 방법은 처리 유체 종류 정보 및 처리 작동 조건 중 적어도 하나를 입력으로서 수신하는 단계와, 처리 작동 조건에서 작동될 때 질량 유량 제어기의 응답이 대체로 변하지 않도록 입력에 기초하여 질량 유량 제어기의 적어도 하나의 제어 파라미터를 변형시키는 단계를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 제어 파라미터를 변형시키는 단계는 처리 작동 조건에서 작동하는 질량 유량 제어기의 복수의 구성요소와 관련된 복수의 처리 게인항을 결정하는 단계를 포함하고, 복수의 구성요소는 질량 유량 제어기의 제어 루프를 형성한다. 일 실시예에 따르면, 복수의 게인항을 결정하는 단계는 복수의 게인항의 곱의 역수를 취함으로써 형성된 처리 역게인항을 결정하는 단계를 포함하고, 처리 역게인항은 적어도 하나의 가변 작동 조건의 함수이다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 질량 유량 제어기 환경 내의 적어도 하나의 압력을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 입구 압력을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 설정점을 포함한다.

본 발명의 다른 태양에서, 제어 루프를 갖는 질량 유량 제어기가 제공된다. 질량 유량 제어기는 유체 유동 경로 내의 유체 유량을 감지하여 유동 경로 내의 질량 유량을 표시하는 유량 신호를 제공하도록 되어 있는 유량계와, 유량계에 결합되어 유량 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 구동 신호를 제공하도록 되어 있는 제어기와, 제어기로부터 구동 신호를 수신하도록 되어 있는 밸브 액츄에이터와, 밸브 액츄에이터에 의해 제어되도록 되어 있으며 유체 유동 경로에 결합된 밸브를 포함하고, 질량 유량 제어기의 제어 루프는 유량계, 제어기, 밸브 액츄에이터, 및 밸브를 포함하고, 제어 루프는 작동 중에 적어도 하나의 가변 작동 조건에 대한 대체로 일정한 제어 루프 게인항을 갖도록 되어 있다.

일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 질량 유량 제어기 환경 내의 적어도 하나의 압력을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 입구 압력을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 설정점을 포함한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 압력 신호로부터 거짓 유량 신호를 발생시키기 위한 보상 필터가 제공된다. 보상 필터는 적어도 2개가 직렬로 연결된 복수의 필터를 포함하고, 적어도 2개의 필터 각각의 출력이 개산되어 합산된다. 본 발명의 일 실시예에서, 보상 필터는 압력 신호를 미분하도록 되어 있으며 미분된 신호를 복수의 필터에 제공하는 미분기를 더 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 압력 신호를 지연시켜서 지연된 압력 신호를 복수의 필터에 제공하는 지연기를 더 포함한다.

본 출원은 본원에서 전체적으로 참조된 2002년 4월 24일자로 출원된 발명의 명칭이 "질량 유량 제어기를 위한 시스템 및 방법"인 미국 특허 출원 제10/131,603호에 관한 보호 대상을 포함한다.

전형적으로, 유체 유동 경로는 압력 환경 내에 존재한다. 압력 환경은 유동 경로의 입구측의 압력(입구 압력으로 언급됨), 밸브의 출구측의 압력(출구 압력으로 언급됨), 및 환경 내의 다른 압력을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유동 경로의 압력 환경은 예를 들어 바이패스 또는 밸브를 가로지른 압력 강하와 같은 압력 차이를 또한 포함할 수 있다. 압력 환경은 조절기에 의해 도입되는 펄스, 유동 센서의 기하학적 형상에 기인한 난류, 또는 다양한 다른 압력 섭동을 또한 포함할 수 있다. 그러나, 압력 환경은 종종 감시되지 않는다. 따라서, 질량 유량 제어기의 성능은 제어기가 유체 유동을 제어할 목적으로 결합된 유동 경로 내의 압력 전이에 취약할 수 있다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 본 출원인은 유동 경로의 압력 환경의 측정이 압력 환경의 변화에 기인한 질량 유량 제어기의 성능 저하, 불안정, 및/또는 부정확성을 감소시키거나 제거하도록 사용될 수 있다는 것을 인식하였다. 따라서, 본 출원인은 유동 경로 및 질량 유량 제어기의 압력 환경 내의 압력 전이를 보상하기 위한 다양한 방법을 개발하였다.

전술한 바와 같이, 질량 유량 제어기는 전형적으로 유체 유동 경로 내의 유체 유동을 감지하는 유량계를 포함한다. 유량계에 의해 감지되는 유량은 종종 유동 경로의 출구측에서 공정(예를 들어, 반도체 제조 공정)에 제공되는 유체의 유동을 제어하는 피드백 제어 루프의 일부이다.

많은 경우에, 공정에 제공되는 실제 유량은 정확하게 제어되어야 한다. 그러나, 압력 전이는 유량계에 의해 감지되는 유체 유량의 국소 변동을 일으킬 수 있다. 이러한 국소 변동은 공정에 제공되는 실제 유량의 정확한 표시가 아닐 수 있다. 이러한 거짓 유량 정보는 그 다음 질량 유량 제어기의 제어 루프에 제공된다. 제어기는 그 다음 거짓 유량 정보에 응답하여 공정에 제공되는 유량을 조절할 수 있다. 따라서, 제어기는 공정의 제어를 일시적으로 상실할 수 있고 그리고/또는 원치 않는 유량을 공정에 제공할 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 거짓 유량이라는 용어는 공정에 제공되는 실제 유량에 대응하지 않는 유체 유량을 언급한다. 예를 들어, 유동 경로의 출구측에서 대체로 경험되는 유체 유량의 국소 변경 또는 변동이 거짓 유량으로 고려된다. 따라서, 거짓 유량 정보는 통상 공정에 제공되는 유량에 대응하지 않는 유량의 표시를 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유동 경로의 압력(예를 들어, 입구 압력)을 측정하고 이러한 정보를 통합하는 제어 시스템을 제공하는 것이 유리할 수 있다는 것이 이해된다. 특히, 압력 전이로 인한 성능 저하를 감소시키기 위해, 유동 경로 내의 압력을 측정하고 압력 변화에 응답하여 질량 유량 제어기의 제어 파라미터를 조절하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 유동 경로의 입구 압력을 측정하고 입구 압력 측정치를 질량 유량 제어기에 공급하는 것을 포함한다. 예를 들어, 압력 트랜스듀서가 유동 경로에 결합되어, 유동 경로의 입구 압력을 표시하는 압력 신호를 제공할 수 있다.

본 출원인은 질량 유량 제어기에 압력 신호를 제공함으로써, 질량 유량 제어기의 종래의 작동의 다양한 결점이 처리될 수 있다는 것을 인식하고 이해했다. 따라서, 본 출원인은 질량 유량 제어기의 성능 및 정확성을 개선하기 위해 압력 신호를 이용하는 다양한 방법을 확인했다. 본 발명의 일 실시예에 따른 한 가지 방법은 질량 유량 제어기에 결합된 유체 경로 내의 압력 전이로 인해 일어날 수 있는 허위 유동 신호를 보상하는 것을 포함한다.

질량 유량 제어기에 대해 해로운 효과를 가질 수 있는 유동 경로 내의 압력 전이와 관련된 한 가지 문제점이 아래에서 설명된다. 유동 경로 내의 압력이 변할 때, 유체는 압력 변화에 의해 생성된 불감 체적으로 언급되는 체적을 충전하기 위해 압력 구배를 따라 아래로 가속된다. 유량계의 센서가 불감 체적 내로의 유체의 이러한 국소 가속으로 인한 유체 유량의 증가를 기록할 수 있다. 그러나, 이는 이러한 유량이 공정에 제공되는 유량을 표시하지 않기 때문에 거짓 유량으로 고려된다. 따라서, 센서로부터의 센서 출력 신호는 질량 유량 제어기의 제어 루프로 전파되는 거짓 유량 정보를 운반한다. 전술한 바와 같이, 이러한 거짓 유량 정보는 질량 유량 제어기의 정확성 및 성능에 대해 바람직하지 않은 결과를 가질 수 있다.

도12a는 압력 펄스 형상의 압력 전이가 유동 경로의 입구측에서 도입되는 경우를 도시한다. 그래프(1200a)는 시간의 함수로서 압력 펄스(1210)의 플롯을 도시한다. 압력 펄스(1210)는 유동 경로의 입구측에서 도입된다. 결과적으로, 유량 센서는 도12b의 그래프(1200b)에 도시된 바와 같이 센서 출력 신호(1200)와 응답한다. 유동 경로의 실제 유량 (즉, 공정으로 송출되는 유량)이 변화되지 않는다고 가정하면, 센서 출력 신호 내의 피크는 실제 유량에 대한 큰 거짓 유량 구성요소를 포함한다. 따라서, 질량 유량 제어기는 유량 피크에 대해 반응하며, 일시적으로 공정의 제어를 상실할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 출원인은 유동 경로 내의 압력 측정이 거짓 유량 표시를 예상하고 질량 유량 제어기 상에서 초래할 수 있는 음의 충격을 보상하도록 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 유체 유동 경로 내의 압력을 측정하고 압력 측정에 기초하여 유동 경로에 결합된 유량 센서에 의해 제공되는 출력 신호를 조절하는 것을 포함한다.

압력 전이에 기인한 유량 센서의 응답 유체 유량 변동을 분석함으로써, 본 출원인은 압력 전이에 응답하여 유량 센서에 의해 제공되는 유량 신호의 거짓 유량 구성요소를 재현하는 거짓 유량 신호를 발생시키기 위한 방법을 개발하였다. 이러한 발생된 거짓 유량 신호는 유량 센서 출력 내의 피크를 보상하기 위한 시스템에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 신호는 출력 내의 피크로부터 생성된 유도식 밸브 구동 이동을 감소시키기 위한 보상기에 의해 사용될 수 있다.

도11a 내지 도11d는 유체 유동 경로 내에서 측정된 압력을 표시하는 압력 신호로부터 거짓 유량 신호를 발생시키기 위한 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 거짓 유량 신호는 그 다음 유량 센서에 의해 제공되는 유량 신호로부터 감산되어 거짓 유량 정보를 포함하지 않는 표시 유량 신호를 생성할 수 있다. 따라서, 거짓 유량 정보는 (예를 들어, 공정에 원치 않는 유량을 제공함으로써) 제어기가 잘못 응답하는 것이 방지된다.

도11a에 도시된 그래프(1100a)는 압력 전이, 특히 유동 경로가 작동 중에 경험할 수 있는 압력 펄스(1110)를 도시한다. 도11b의 그래프(1100b)는 압력 펄스(1110)로부터 생성된 압력 신호(1120)를 도시한다. 압력 신호는 유동 경로에 결합되어 유동 경로의 일부에서 압력을 측정하도록 되어 있는 압력 측정 장치(예를 들어, 압력 트랜스듀서)에 의해 측정될 수 있다.

도11c는 유동 경로(200)를 갖는 시스템(1100c)을 도시하고, 유량 센서(1140)는 유동 경로(200)에 결합되어 유동 경로(200) 내의 유체 유량을 감지한다. 도시된 바와 같이, 압력 펄스(1100)는 유동 경로(200)의 입구에서 유동 경로(200; 예를 들어, 상류 조절기의 비이상적인 성능에 의해) 유동 경로(200)에 도입된다. 압력 펄스(1100)는 유량 센서(1140)에 의해 감지되는 유체 유동의 국소 변동을 일으킬 수 있다. 유량 센서(1140)는 결국 거짓 유량 정보로 오염된 센서 출력 신호(1150)를 생성한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 거짓 유량 정보를 보상하는 보상 필터가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에서, 도11d에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서(295)에 의해 생성된 압력 신호(1120)를 수신하여 거짓 유량 신호(1160)를 생성하는 보상 필터(1180)가 제공된다. 필터(1180)가 유동 경로의 일부분 내의 압력을 표시하는 압력 정보를 수신하기 때문에, 보상 필터(1180)는 유량 센서가 압력 전이로부터 생성된 유체 유량 변동에 대해 갖는 응답을 예측할 수 있다.

따라서, 필터(1180)는 센서에 의해 생성된 거짓 유량 정보와 매우 유사한 거짓 유량 신호를 구성할 수 있다. 특히, 필터(1180)는 유량 센서(1140)에 의해 생성된 거짓 유량 정보를 재현하여, 이러한 정보를 거짓 유량 신호(1160)로서 제공한다. 거짓 유량 신호(1160)는 그 다음 센서 출력 신호(1150)로부터 감산되어 압력 펄스(1100)의 효과를 효과적으로 제거할 수 있다. 일 실시예에서, 거짓 유량 신호는 압력 전이에 기인한 유량 변동에 응답하여 유량 센서의 거동을 모방하는 전달 함수를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유량 센서의 거동을 모방하는 보상 필터(800)가 제공된다. 특히, 도8은 시간 지연 블록(810), 미분기(820), 2차 필터의 직렬로 연결된 뱅크[830a - 830f; 총체적으로 아이템(830)], 및 가산기(840)를 포함하는 보상 필터(800)를 도시한다. 보상 필터(800)는 압력 신호(1120)를 수신하여 이를 시간 지연 블록(810)에 제공한다. 시간 지연 블록(810)은 지연된 출력 신호가 (도시되지 않은) 센서 출력 신호와 시정렬되도록 압력 신호를 지연시킨다. 특히, 어떠한 유한 시간량이 압력 전이와 유량 센서가 압력 전이에 응답하는 시각 사이에서 경과된다(즉, 압력 펄스와 거짓 유량 정보가 센서 출력 신호 상에 출현하는 시각 사이에 지연이 있다). 따라서, 압력 신호는 발생된 거짓 유량 신호가 센서 출력 신호의 적절한 부분에서 감산되도록 지연될 수 있다.

지연 블록(810)은 지연된 압력 신호(815)의 미분을 계산하여 미분 신호(825)를 일련의 2차 필터(830)에 제공하는 미분기(820)에 지연된 압력 신호(815)를 제공한다. 지연된 압력 신호의 미분이 계산되고, 이는 압력 전이로부터 생성된 거짓 유량이 압력 전이로부터 생성된 압력 구배에 비례하기 때문이다. 또한, 지연된 압력 신호의 미분은 일정한 압력이 0의 거짓 유량 신호를 생성하는 것을 보장한다. 즉, 압력 신호가 일정하면, 보상 필터는 센서 출력 신호에 대한 효과를 갖지 않는다.

미분 신호(825)는 일련의 필터(830) 내의 제1 2차 필터(830a)에 제공된다. 각각의 2차 필터의 출력은 시리즈 내의 다음의 2차 필터(830)에 대한 입력으로서 제공된다. 또한, 각각의 2차 필터로부터의 출력이 취출되어, 각각의 필터의 각각의 출력을 각각의 일정한 게인 인자(K_n)에 의해 개산(槪算)하는 각각의 게인 블록(850a - 850f)에 제공된다.

개별 2차 필터로부터 개산된 출력 각각은 거짓 유량 신호(1160)의 구성에 기여한다. 가산기(840)는 개산된 출력의 기여를 합산하여 거짓 유량 신호(1160)를 제공한다. 일 실시예에서, 거짓 유량 신호(1160)는 압력 전이에 응답하여 유량 센서에 의해 제공되는 거짓 유량 정보의 재현이다. 따라서, 거짓 유량 신호(1160)는 센서 출력으로부터 감산되어 이러한 거짓 유량 정보를 보상할 수 있다.

도8에 도시된 필터의 개수 및 필터의 유형은 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 실제로, 임의의 순서 및 배열의 임의의 필터 구성이 거짓 유량 신호를 제공하도록 사용될 수 있다. 도8에 도시된 구성은 압력 전이에 응답하여 센서 출력 신호 상에 부가된 거짓 유량 정보와 매우 유사한 거짓 유량 신호가 재현될 수 있도록 불감 시간, 상승 시간, 초과 및 포물선 속성과 같이 본 출원인이 유용하다고 발견한 거짓 유량 신호의 특징에 대해 충분한 제어를 제공하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 당업자에게 명백한 다른 필터 설계 및 배열이 적용 가능할 수 있으며, 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 여러 구성요소[예를 들어, 지연 블록(810), 미분기(820)]의 순서는 상이할 수 있고, 그리고/또는 이러한 블록 중 하나 이상이 상호 제거될 수 있다.

일례에서, 도8에 도시된 필터의 일 실시예의 설계가 아래에서 더욱 상세하게 설명된다. 2차 필터의 일반화된 제2 전달 함수는 다음과 같이 표현될 수 있다.

K/(s² + 2ζω_ns + ω²) (1)

여기서,

K = 게인

s = 라플라스 연산자

ω_n = 고유 진동수

ζ = 감쇄 인자

개산 인자가 각각의 필터가 서로에 대해 독립적으로 맞춰질 수 있도록 추가될 수 있다. 따라서, 필터 뱅크(830)는 구성된 거짓 유량 신호의 형상이 개산 인자(ζ, ω, δ)를 변화시킴으로써 맞춰질 수 있도록 "높이(게인)", "폭(진동수 응답)" 및 초과/미달(감쇄)에 관하여 상이한 응답을 제공하도록 최적화될 수 있다.

하나의 예시적인 특정 전달 함수는 다음과 같이 표현될 수 있다.

Kδω_n ²/(s² + 2ζδω_ns + δ²ω_n ²) (2)

전달 함수 내의 K항은 일정한 게인 인자(K_n)로서 도시되어 있다. 따라서, 각각의 2차 필터로부터의 출력은 K_n에 의해 곱해져서 가산기(840)에 제공된다. 가산기(840)는 각각의 필터로부터의 기여를 합산하여 거짓 유량 신호(1160)를 제공한다. 거짓 유량 신호(1160)는 센서 출력 신호로부터 감산되어 표시 유량 신호를 제공한다. 따라서, 압력 전이로 인해 유량 신호 상에 부가된 거짓 유량 정보는 구성된 거짓 유량 신호에 의해 감산되어, 유동 경로의 출구측에서 공정에 공급되는 실제 유량을 표시하는 유량 신호를 남긴다.

질량 유량 제어기는 종종 질량 유량 제어기의 다양한 작동 조건을 포함한 인자 및 다른 인자로 인한 불안정성에 취약하다. 작동 조건이라는 용어는 통상 제어될 수 있으며 질량 유량 제어기의 작동에 영향을 줄 수 있는 다양한 조건 중 하나에 적용된다. 특히, 작동 조건은 특정 질량 유량 제어기와 독립적으로 제어될 수 있는 다양한 외부 조건에 적용된다. 예시적인 작동 조건은 유체 종류, 설정점 또는 유량, 입구 및/또는 출구 압력, 온도 등을 포함하지만 그에 제한되지 않는다.

그러나, 특정 유량 제어기와 독립적으로 제어될 수 없는 신호 특징, 시스템 잡음, 또는 섭동과 같은 다른 내부 조건이 질량 유량 제어기의 작동 중에 존재할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 특히, 질량 유량 제어기에 의해 채용되는 다양한 신호는 많은 상이한 진동수를 포함한 진동수 구성요소를 가질 수 있다. 그러나, 신호의 진동수 성분은 신호에 대해 고유하며, 특정 질량 유량 제어기와 독립적으로 제어 가능한 것으로 고려되지 않는다. 따라서, 그러한 조건은 특별히 달리 언급되지 않으면, 본원에서 사용되는 작동 조건이라는 용어 내에 포함되는 것으로 고려되지 않는다.

질량 유량, 유체 유량, 및 유량이라는 용어는 본원에서 단위 시간당, 유동 경로[예를 들어, 도1의 유동 경로(103)]의 단위 체적, 또는 유동 경로의 일부를 통해 유동하는 유체의 양 (즉, 유체 질량 플럭스)를 설명하기 위해 교환 가능하게 사용된다.

종류라는 용어는 통상 유체의 특정한 경우의 특성에 적용된다. 종류의 변화는 질량 유량 제어기의 성능을 변화시키거나 그에 영향을 줄 수 있는 유체의 적어도 하나의 특성의 변화에 적용된다. 예를 들어, 종류의 변화는 (예를 들어, 질소로부터 수소로의) 유체 유형의 변화, (예를 들어, 유체가 기체 또는 액체 등의 조합일 때의) 유체의 성분의 변화, 및/또는 유체의 상태 또는 유체의 조합의 변화를 포함할 수 있다. 종류 정보라는 용어는 특정한 유체 종류를 정의하는 임의 개수의 특성에 적용된다. 예를 들어, 종류 정보는 유체 유형(예를 들어, 수소, 질소 등), 유체 성분(예를 들어, 수소 및 질소), 분자량, 비열, 상태(예를 들어, 액체, 기체 등), 점성 등을 포함할 수 있지만 그에 제한되지 않는다.

종종, 질량 유량 제어기는 제어 루프에 결합된 여러 상이한 구성요소(즉, 유량 센서, 피드백 제어기, 밸브 등)를 포함한다. 제어 루프의 일부인 각각의 구성요소는 관련 게인을 가질 수 있다. 통상, 게인이라는 용어는 특정 구성요소 또는 구성요소 그룹의 입력과 출력 사이의 관계를 언급한다. 예를 들어, 게인은 입력 변화에 대한 출력 변화의 비율을 나타낼 수 있다. 게인은 하나 이상의 변수, 예를 들어 질량 유량 제어기의 하나 이상의 작동 조건 및/또는 특징(예를 들어, 유량, 입구 및/또는 출구 압력, 온도, 밸브 변위 등)의 함수일 수 있다. 통상, 그러한 게인 함수는 본원에서 게인항으로 언급된다. 게인항, 특히 게인항의 표현은 곡선, 함수의 샘플, 이산 데이터점, 점 쌍, 상수 등일 수 있다.

질량 유량 제어기의 다양한 구성요소 또는 구성요소 그룹 각각은 관련 게인항을 가질 수 있다. 뚜렷한 게인항을 갖지 않는 구성요소는 단위 게인항을 갖는 것으로 고려될 수 있다. 질량 유량 제어기의 다양한 구성요소와 관련된 게인항들 사이의 관계는 종종 복잡하다. 예를 들어, 상이한 게인항은 상이한 변수(즉, 구성요소의 작동 조건 및/또는 특징)의 함수일 수 있고, 부분적으로 비선형일 수 있고, 서로에 대해 불균형일 수 있다.

따라서, 질량 유량 제어기의 제어 루프 주위의 구성요소와 관련된 각각의 게인항의 기여는 그 자체가 게인항이다. 이러한 복합 게인항은 그 자체가 하나 이상의 변수의 함수일 수 있으며, 질량 유량 제어기의 다양한 구성요소의 작동 조건 및/또는 특징의 변화에 대한 질량 유량 제어기의 감도에 적어도 부분적으로 기여할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 일정한 루프 게인을 갖는 제어 루프를 갖는 질량 유량 제어기가 제공된다. 일 실시예에 따르면, 일정한 루프 게인은 질량 유량 제어기의 제어 루프 내의 하나 이상의 구성요소와 관련된 게인항의 곱의 역수를 형성하고 역게인항을 제어 루프에 제공함으로써 제공된다. 일 실시예에 따르면, 압력 신호는 일정한 게인을 제공하기 위해 질량 유량 제어기(예를 들어, 질량 유량 제어기와 관련된 GLL 제어기) 내의 게인을 조절하도록 사용된다.

본원에서 사용되는 일정한 루프 게인은 질량 유량 제어기의 하나 이상의 작동 조건에 대해 대체로 일정한 상수를 유지하는 질량 유량 제어기의 제어 루프의 게인을 설명한다. 특히, 일정한 루프 게인은 질량 유량 제어기와 관련된 특정 작동 조건의 함수로서, 또는 제어 루프와 관련된 개별 게인항의 함수로서 변하지 않는다. 일정한 루프 게인은 정확히 일정하지 않을 수 있다는 것을 이해해야 한다. 측정, 연산 및 계산의 부정확성은 일정한 루프 게인을 변경할 수 있다. 그러나, 그러한 변경은 본원에서 사용되는 일정한 루프 게인의 정의에 의해 포함되는 것으로 고려되어야 한다. 더욱이, 일정한 루프 게인은 모든 작동 범위 또는 조건에 걸쳐 반드시 일정하지 않을 수 있다. 그러나, 작동 조건에 걸쳐 일정한 루프 게인을 갖는 한 가지 이점은 하나의 유체에 대해 작동될 수 있고 (조정 및 보정될 수 있고) 다른 유체 및/또는 작동 조건에 대해 조정 및/또는 보정될 필요가 없는 질량 유량 제어기를 포함한다.

또한, 질량 유량 제어기의 어떠한 구성요소의 게인은 작동 진동수에 의해 변할 수 있고, 질량 유량 제어기의 신호는 많은 상이한 진동수에서 진동수 구성요소를 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 진동수는 작동 조건으로 고려되지 않고, 따라서 일정한 루프 게인이 일정하게 유지되는 조건으로서 고려되지 않는다.

다음에 이어서, 질량 유량 제어기의 제어 및 구성을 위한 본 발명에 따른 방법 및 장치에 관한 다양한 개념 및 그의 실시예가 더욱 상세하게 설명된다. 다양한 태양이 실시될 수 있는 그러한 유량 제어기는 특히 2002년 4월 24일자로 출원된 발명의 명칭이 질량 유량 제어기를 위한 시스템 및 방법인 미국 특허 출원 제10/131,603호에 설명되어 있고, 이는 본원에서 전체적으로 참조되었다. 본 발명의 다양한 태양이 위의 출원에서 설명된 질량 유량 제어기에서 실시될 수 있지만, 임의의 질량 유량 제어기가 사용될 수 있고 본 발명은 임의의 특정한 질량 유량 제어기에서 실시되는 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.

또한, 본 발명의 다양한 태양은, 본 발명이 임의의 특정 실시예에 제한되지 않으므로, 전술되고 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이 다양한 방식 중 하나로 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 특정 실시예의 예가 단지 예시적인 목적으로 제공된다.

다음의 설명에서, 본 발명의 다양한 태양 및 특징이 설명될 것이다. 다양한 태양 및 특징은 명확하게 하기 위해 따로 설명된다. 당업자는 특징들이 특정 용도에 의존하여 질량 유량 제어기 내에서 선택적으로 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

A. 질량 유량 제어기의 제어

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 유량 제어기의 개략적인 블록 선도를 도시한다. 도1에 도시된 질량 유량 제어기는 유량계(110), 게인/선도/지연(GLL) 제어기(150), 밸브 액츄에이터(160), 및 밸브(170)를 포함한다.

유량계(110)는 유동 경로(103)에 결합된다. 유량계(110)는 유동 경로 또는 유동 경로의 일부분 내의 유체의 유량을 감지하여, 감지된 유량을 표시하는 유량 신호(FS2)를 제공한다. 유량 신호(FS2)는 GLL 제어기(150)의 제1 입구에 제공된다.

또한, GLL 제어기(150)는 설정점 신호(SI2)를 수신하기 위한 제2 입구를 포함한다. 설정점은 질량 유량 제어기(150)에 의해 제공되어야 하는 원하는 유체 유량의 표시를 말한다. 도1에 도시된 바와 같이, 설정점 신호(SI2)는 먼저 GLL 제어기(150)에 제공되기 전에 회전율 제한기 또는 필터(130)를 통과할 수 있다. 필터(130)는 신호(SI1) 내의 설정점의 순간 변화가 GLL 제어기(150)에 직접 제공되는 것을 제한하도록 역할하여, 유동 변화가 규정된 기간에 걸쳐 발생한다. 회전율 제한기 또는 필터(130)의 사용은 본 발명을 실시하는데 있어서 필수적이지 않으며 본 발명의 몇몇 실시예에서 생략될 수 있고, 원하는 유체 유동의 표시를 제공할 수 있는 다양한 신호들 중 하나가 적합한 설정점 신호로 고려된다는 것을 이해해야 한다. 설정점이라는 용어는 특정 신호를 참조하지 않고서 원하는 유체 유동을 나타내는 값을 설명한다.

유동 신호(FS2) 및 설정점 신호(SI2)에 부분적으로 기초하여, GLL 제어기(150)는 밸브(170)를 제어하는 밸브 액츄에이터(160)에 구동 신호(DS)를 제공한다. 밸브(170)는 전형적으로 유량계(110)로부터 하류에 위치되고, 밸브의 제어되는 부분의 변위에 적어도 부분적으로 의존하여, 일정한 질량 유량을 허용한다. 밸브의 제어되는 부분은 도16에 대해 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 유동 경로의 단면을 가로질러 위치된 이동 가능한 플런저일 수 있다. 밸브는 유체가 유동하도록 허용되는 단면의 개방 면적을 증가 또는 감소시킴으로써 유체 경로 내의 유량을 제어한다. 전형적으로, 질량 유량은 밸브의 제어되는 부분을 원하는 양만큼 기계적으로 변위시킴으로써 제어된다. 변위라는 용어는 통상 질량 유량이 적어도 부분적으로 의존하는 밸브의 변수를 설명하도록 사용된다. 따라서, 단면 내의 개방 면적은 통상 밸브 변위로 언급되는 제어되는 부분의 변위에 관련된다.

밸브의 변위는 종종 솔레노이드 액츄에이터, 압전 액츄에이터, 스테퍼 액츄에이터 등과 같은 밸브 액츄에이터에 의해 제어된다. 도1에서, 밸브 액츄에이터(160)는 솔레노이드 타입 액츄에이터이지만, 다른 선택적인 유형의 밸브 액츄에이터가 사용될 수 있으므로, 본 발명은 그에 제한되지 않는다. 밸브 액츄에이터(160)는 제어기로부터 구동 신호(DS)를 수신하여, 신호(DS)를 밸브의 제어되는 부분의 기계적 변위로 변환한다. 이상적으로, 밸브 변위는 순전히 구동 신호의 함수이다. 그러나, 실제로, 밸브의 제어되는 부분의 위치에 영향을 주는 다른 변수가 있을 수 있다.

예를 들어, 도10에 도시된 밸브에서, 제트 오리피스(1040) 및 플래토(plateau; 1050) 위에서 플런저(1026)의 후면과 플런저(1025)의 면 사이의 압력 차이가 플런저를 제트를 향해 이동시키려 한다. 오리피스 위의 플런저 면은 유동 경로의 출구 압력에 대체로 상응하는 압력을 경험한다. 오리피스의 모서리(1045)로부터 플래토의 외측 모서리(1055)로, 플런저 면은 압력 구배를 경험하고, 입구 압력에 대체로 상응하는 플래토의 외측 모서리에서의 압력은 센서 바이패스를 통한 임의의 압력 강하보다 작다. 후면을 포함한 플런저의 나머지 부분은 센서 바이패스를 통한 임의의 압력 강하보다 작은 입구 압력에 대체로 상응하는 압력을 경험한다. 따라서, 플런저(1020)는 다음과 같이 표현될 수 있는 압력 의존성 힘을 경험할 것이다: 힘 = (P_I - P_O)*A, 여기서, P_I는 입구 압력에 상응하고, P _O는 출구 압력에 상응하고, A는 플런저의 유효 면적에 상응한다. 플런저의 유효 면적은 밸브마다 변할 수 있고, 전형적으로 오리피스의 면적 및 오리피스 더하기 플래토의 면적의 범위 내이다.

따라서, 밸브가 압력 구배를 경험할 때, 이러한 힘은 변하고 플런저는 바람직하지 않은 변위를 겪을 수 있다. 즉, 플런저는 제어 루프에 의해 원하는 밸브 변위와 다른 어떠한 양만큼 변위될 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 변위는 의도하지 않은 구성요소를 갖는 유체 유량을 공정에 제공할 수 있다. 또한, 이러한 바람직하지 않은 변위는 아래에서 설명되는 바와 같이 제어 루프를 진동시킬 수 있다.

그러나, 밸브의 제어되는 부분의 바람직하지 않은 이동을 일으킬 수 있는 압력 전이가 검출될 수 있으면, 밸브 액츄에이터에 인가되는 구동 신호는 이러한 바람직하지 않은 밸브 변위를 보상하도록 조절될 수 있다. 달리 말하면, 구동 신호는 플런저를 검출된 압력 구배 하에서 고정되게 유지하는데 필요한 구동 수준을 표시하는 구성요소를 갖도록 조절될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 일 실시예는 압력 측정으로부터 변위 보상 신호를 결정하는 것을 포함하고, 변위 보상 신호는 플런저가 압력 구배로 인해 이동하는 것을 방지하는데 필요한 구동 수준이다. 변위 보상 신호는 그 다음 밸브 구동 신호에 가산된다. 따라서, 밸브에 인가되는 밸브 구동 신호는 질량 유량 제어기의 제어 루프가 원하는 밸브 변위를 표시하는 구성요소와, 압력 측정에 의해 기록된 압력 환경 내에서 플런저를 안정되게 유지하는데 필요한 구동 수준을 표시하는 구성요소를 갖는다.

압력 환경이라는 용어는 통상 밸브가 경험하는 다양한 압력을 언급한다. 밸브의 상이한 부분들이 상이한 시간에 상이한 압력을 "보일" 수 있으므로, 압력 환경이라는 용어는 밸브에 대해 힘을 작용할 수 있는 일련의 전체 압력을 언급하는 의미이다. 유사하게, 밸브 환경은 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 밸브에 대해 작용하며 압력, 자력, 스프링력, 기계적인 힘 등을 포함할 수 있는 일련의 힘을 언급한다.

본 발명에 따른 일 실시예는 밸브 환경 내에서 적어도 하나의 압력 측정을 표시하는 압력 신호로부터 압력 유도식 밸브 변위를 예측하기 위해 밸브의 힘 모델을 사용하는 것을 포함한다.

도9는 압력 유도식 밸브 변위 보상의 한 가지 방법을 도시한다. 도9는 유동 경로(200)의 출구측을 도시한다. 밸브(170)는 출구를 통한 공정으로의 유체 유동을 제어하기 위해 유동 경로에 결합된다. 밸브 액츄에이터(160)는 구동 신호(DS')에 의해 표시되는 구동 수준에 의존하여 밸브의 변위를 제어한다. 예를 들어, 밸브 및 밸브 액츄에이터 쌍(170, 160)은 도1과 관련하여 설명된 것과 동일할 수 있다.

또한, 압력 트랜스듀서(295')가 유동 경로에 결합된다. 압력 트랜스듀서는 밸브 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정한다. 압력 트랜스듀서(295')는 밸브 환경 내의 적어도 하나의 압력(예를 들어, 입구 압력, 출구 압력 등)을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공한다. 이러한 예의 목적으로, 압력 트랜스듀서는 유동 경로의 입구 압력을 측정하여, 입구 압력을 표시하는 압력 신호(270")를 제공한다. 압력 트랜스듀서가 밸브로부터 상류에 있는 것으로 도시되어 있지만, 이는 밸브의 하류에 위치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 하나 이상의 압력 트랜스듀서가 밸브 환경 내의 임의의 바람직한 압력을 측정하여 압력 측정을 표시하는 관련 압력 신호를 출력하기 위해 유동 경로를 따라 배치될 수 있다.

압력 신호(270")는 변위 보상 블록(920)에 제공된다. 변위 보상은 압력 신호(270")에 의해 표시되는 압력 환경에 의해 밸브에 대해 작용하는 압력 유도식 변위에 대체로 대항하기에 충분한 구동 수준을 결정한다. 변위 보상 블록(920)은 변위 보상 신호를 합산 블록(950)에 제공한다. 합산 블록(950)에서, 변위 보상 신호는 제어기(150)로부터 송출된 구동 신호(DS)에 가산된다. 예를 들어, 제어기(150)는 도1에 도시된 바와 같이 GLL 제어기일 수 있다. 합산된 구동 신호(DS')는 그 다음 구동 신호(DS')에 따라 밸브의 제어되는 부분을 기계적으로 변위시키는 밸브 액츄에이터에 제공된다.

따라서, 구동 신호(DS')는 압력 환경이 밸브 변위에 대해 갖는 힘의 효과를 효과적으로 제거하는 구성요소와, 제어 루프에 의해 제공되는 구성요소를 갖는다. 따라서, 밸브 환경으로부터 생성된 순밸브 변위는 질량 유량 제어기의 제어 루프가 원하는 변위이다.

변위 보상의 일 실시예에서, 밸브의 힘 모델은 압력 환경 내의 밸브의 압력 유도식 변위를 결정하기 위해 사용된다. 도13은 도9와 유사하지만, 변위 보상(920')은 밸브 환경 내의 힘을 모델링하는 힘 모델(1300)을 포함한다. 자유 부동 플런저에 의해 작동하는 밸브에 대한 적합한 힘 모델이 "힘 밸브 모델"이라는 명칭의 섹션 E에서 설명된다.

많은 상이한 힘 모델이 압력 환경 내에서 압력 유도식 밸브 변위를 예측하기 위해 조성될 수 있다. 힘 모델은 밸브의 유형 및 밸브가 작동하도록 의도된 조건에 대해 변할 수 있다. 본 발명은 임의의 특정한 힘 모델로 제한되지 않는다.

전술한 바와 같이, 질량 유량 제어기의 다양한 구성요소는 그의 작동과 관련된 게인항을 가질 수 있다. 예를 들어, 도1은 각각 유량계(110), GLL 제어기(150), 밸브 액츄에이터(160), 및 밸브(170)와 관련된 게인항(A, B, C, D)을 도시한다. 이러한 구성요소와 이들의 관련 입력 및 출력 신호, 특히 유동 신호(FS2), 구동 신호(DS), 밸브 신호(AD), 및 유동 경로(103) 내에서 유동하는 유체는 질량 유량 제어기의 제어 루프를 형성한다. 게인(A, B, C, D)은 결국 상기 입력과 출력 사이의 관계와 관련된다. 이러한 제어 루프 주위의 게인항은 복합 제어 루프 게인에 기여한다는 것을 이해해야 한다.

전형적으로, 이러한 제어 루프 게인항은 제어 루프 주위의 게인항의 곱이다 [즉, 제어 루프는 곱(A*B*C*D)에 상응한다]. 본원에서 사용되는 바와 같이, 복합 게인항은 복수의 개별 게인항의 기여를 포함하는 임의의 게인항을 설명한다. 본원에서 사용되는 복합 게인항에 대한 표시는 복합 게인항에 기여하는 개별 게인항을 나타내도록 사용되는 부호의 집합으로서 나타날 것이다. 예를 들어, 전술한 제어 루프 게인항은 게인항(ABCD)으로서 나타날 것이다. 달리 표시되지 않으면, 복합 게인항에 대해 전술한 표시는 그의 구성 게인항의 곱으로 가정된다.

질량 유량 제어기의 제어 루프와 관련된 개별 게인항은 상이한 특징 및 의존성을 가질 수 있어서, 다중 의존성을 가질 수 있는 복합 게인항을 생성한다. 이러한 의존성 또는 변수는 설정점 또는 유량, 유체 종류, 온도, 입구 및/또는 출구 압력, 밸브 변위 등을 포함할 수 있다. 본 출원인은 임의의 제어 루프 게인항을 갖는 질량 유량 제어기가 불안정성에 취약할 수 있고 전술한 의존성의 일부 또는 전부의 변화에 민감할 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 아래에서, 도1에 도시된 예시적인 게인항 각각이 설명된다.

게인항(A)은 유량계와 관련되고, 질량 유량 제어기를 통한 실제 유체 유량과 유량계의 표시 유량(예를 들어, FS2) 사이의 관계(예를 들어, 실제 유체 유량의 변화에 의해 나누어진 표시 유량의 변화)를 나타낸다. 게인항(A)은 적어도 유량의 상수 함수이도록 보정된다. 그러나, 이러한 상수는 질량 유량 제어기가 작동하는 유체 종류에 적어도 의존할 수 있다.

게인항(B)은 GLL 제어기와 관련되고, 유량계로부터 수신된 표시 유량 신호(FS2)와 밸브 액츄에이터에 제공되는 구동 신호(DS) 사이의 관계를 나타낸다. 게인항(B)은 GLL 제어기의 피드백 제어에서 사용되는 다양한 게인 및 상수에 관한 것이다.

게인항(C)은 밸브 액츄에이터와 관련되고, 구동 신호와 밸브의 변위 사이의 관계를 나타낸다. 게인(C)은 구동 신호의 전류 또는 전압 제어 신호로의 변환과 관련된 게인과 제어 신호 및 밸브의 제어되는 부분의 기계적 변위와 관련된 게인을 포함한 두 개의 별도의 게인의 조합을 포함할 수 있다.

게인항(D)은 밸브와 관련되고, 질량 유량 제어기의 유량과 밸브 변위 사이의 관계(예를 들어, 밸브 변위의 변화에 의해 나누어진 유량의 변화)를 나타낸다. 게인항(D)은 유체 종류, 입구 및 출구 압력, 온도, 밸브 변위 등을 포함한 다양한 작동 조건에 의존할 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 본 발명의 일 태양에 따르면, 임의의 유체 및 작동 조건을 갖는 밸브와 관련된 게인항의 결정을 용이하게 하는 밸브의 물리적인 모델이 제공된다.

게인항(G)은 게인항(A, C, D)의 곱의 역수로부터 형성된 역게인항이다. 본원의 설명으로부터 더욱 이해되는 바와 같이, 게인항(G)은 질량 유량 제어기의 제어 루프에 일정한 루프 게인을 제공함으로써 질량 유량 제어기가 작동 조건에 관계없이 일관된 방식으로 작동하는 것을 허용한다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 시스템 게인항이 질량 유량 제어기의 제어 루프 주위의 다양한 구성요소의 복합 게인항을 결정함으로써 특정 질량 유량 제어기에 대해 결정된다. 역게인항이 시스템 게인항의 역수를 취함으로써 형성된다. 이러한 역게인항은 그 다음 제어 루프가 일정한 루프 게인에 의해 작동하도록 제어 루프에 인가된다. 따라서, 제어 루프 주위의 다양한 게인항이 변하므로, 역게인항은 일정한 루프 게인을 유지하기 위해 변할 수 있다.

질량 유량 제어기의 루프 게인이 질량 유량 제어기에서 사용되는 유체의 유형에 관계없이 그리고 질량 유량 제어기가 작동되는 작동 조건에 관계없이 일정하게 유지되기 때문에, 상이한 유체 및/또는 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 응답은 안정되어 테스트 유체 및 테스트 작동 조건 상에서의 질량 유량 제어기의 제작 중에 관찰되는 것과 동일한 거동을 보이도록 만들어질 수 있다.

달리 설명되지 않으면, 시스템 게인항은 하나 이상의 작동 조건의 함수로서 고유하게 변하는 질량 유량 제어기의 다양한 구성요소와 관련된 제어 루프 주위의 복합 게인항이다. 예를 들어, 도1의 시스템 게인항은 복합 게인항(ACD)이다.

도1의 블록(140)에서, 역게인항(G)이 시스템 게인항(ACD)의 역수를 취하여 이를 GLL 제어기로의 입력들 중 하나로서 인가함으로써 형성된다. 역게인항은 질량 유량 제어기의 제어 루프 주위의 다양한 구성요소와 관련된 모든 게인항보다 더 적은 게인항의 역수일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 제어 및 안정성의 개선은 복합 게인항(AC, AD, CD 등)의 역수를 형성함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 양호한 실시예에서, 게인항(G)은 루프 게인이 일정하게 유지되도록 형성된다 [즉, 게인(G)은 시스템 게인항의 역수이다].

본 발명의 일 태양에 따르면, 압력이 입구에서 감지될 수 있고, 질량 유량 제어기와 관련하여 사용될 수 있는 압력 신호[예를 들어, 압력 신호(190)]가 생성될 수 있다. 예를 들어, 압력 전이로 인한 허위 표시를 보상하기 위해 질량 유량 제어기의 유동 센서부 내에서 사용될 수 있는 압력 신호가 생성될 수 있다. 더욱이, 압력 신호는 밸브의 피드 포워드 제어를 위해 사용될 수 있다. 또한, 압력 신호는 GLL 제어기 내의 게인을 조절하도록 사용될 수 있다.

도2는 유량계(110)의 더욱 상세한 개략적인 블록 선도를 도시한다. 유량계는 통상 유동 경로 또는 유동 경로의 일부를 통한 유량을 감지하여 유량을 표시하는 신호를 제공하는 다양한 구성요소들 중 하나를 언급한다. 도2의 유량계(110)는 바이패스(210), 센서 및 센서 전자 부품(230), 센서 및 센서 전자 부품(230)으로부터 센서 신호(FS1)를 수신하기 위한 정규화 회로(240), 정규화 회로(240)에 결합된 응답 보상 회로(250), 및 응답 보상 회로(250)에 결합된 선형화 회로(260)를 포함한다. 선형화(260)의 출력은 도1의 질량 유량 제어기 내에 도시된 유량 신호(FS2)이다.

도2에 도시되지 않았지만, 몇몇 실시예에서, 센서 신호(FS1)는 아날로그-디지털(A/D) 변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환될 수 있어서, 질량 유량 제어기(100)의 모든 이후의 신호 처리가 디지털 컴퓨터 또는 디지털 신호 프로세서(DSP)에 의해 수행될 수 있다. 하나의 양호한 실시예에서, 질량 유량 제어기(100)에 의해 수행되는 모든 신호 처리가 디지털로 수행되지만, 아날로그 처리 기술이 선택적으로 사용될 수 있으므로 본 발명은 그에 제한되지 않는다.

도2에서, 센서 회로(220)가 유동 경로를 통해 유동하는 유체의 일부를 방향 전환하고, 유체의 나머지 대부분은 바이패스를 통해 유동한다. 센서 및 센서 전자 부품(230)은 센서 회로에 결합되어 도관을 통한 유량을 측정한다. 압력 트랜스듀서(295)가 바이패스 상류에서 유동 경로(200)에 결합되어, 유동 경로(200)의 입구측에서 입구 압력을 측정한다. 압력 트랜스듀서(295)는 입구 압력을 표시하는 압력 신호(270)를 제공한다.

전술한 바와 같이, 압력 전이는 센서 및 센서 전자 부품(230)에 의해 감지되는 유체 유량의 국소 변동을 일으킬 수 있다. 그러나, 이는 유동 경로의 출구측에서 공정에 제공되는 유량을 표시하지 않으므로 거짓 유량 정보로 고려된다. 따라서, 유량 신호(FS0)는 입구 압력의 전이로부터 생성된 거짓 유량 정보로 오염될 수 있다. 예를 들어, 유량 신호(FS0)는 압력 펄스 또는 다른 압력 전이에 기인한 불감 체적을 충전하도록 공급된 유체에 기인한 국소 유체 유량 변동으로부터 생성된 거짓 유량 정보를 포함할 수 있다.

거짓 유량 정보의 효과를 완화시키기 위해, 보상 필터(280)가 압력 트랜스듀서(295)로부터 압력 신호(270)를 수신하여 거짓 유량 신호(290)를 구성한다. 거짓 유량 신호(290)는 압력 전이에 기인한 유체 유량 변동으로 인한 센서 및 센서 전자 부품(230)의 잘못된 응답을 모델링하도록 구성된다. 즉, 거짓 유량 신호(290)는 압력 전이의 결과로 유량 신호 상에 부가된 거짓 유량 정보에 상응하거나 거의 근접하도록 구성된다. 하나의 적합한 보상 필터가 도8 및 도12에 대해 상세하게 설명되었다. 그 다음 거짓 유량 신호(290)가 [예를 들어, 감산기(297)에 의해] 신호(FS0)로부터 감산되어 거짓 유량 정보가 효과적으로 제거된 센서 신호(FS1)를 제공한다.

센서 신호(FS1)는 그 다음 더욱 처리되어 표시 유량 신호(FS2)를 제공한다. 특히, 도관을 통해 유동하는 유체의 양은 바이패스 내에서 유동하는 유체에 비례한다. 그러나, 질량 유량 제어기가 작동하도록 의도된 유량의 범위 내에서, 도관 내의 유량과 바이패스 내의 유량 사이의 관계는 선형이 아닐 수 있다.

또한, 열 센서가 도관의 간격에 걸쳐 온도 변화를 검출함으로써 유량을 측정한다. 따라서, 몇몇 실시예, 특히 열 센서를 실시하는 실시예에서, 특히 질량 유량 제어기가 작동하는 유량 범위의 두 말단(본원에서 각각 0 유동 및 전량 유동으로 언급됨)에서 온도 의존성이 존재할 수 있다.

정규화 회로(240)는 센서 신호(FS1)를 수신하여 0 유동 및 전량 유동에서 잠재적인 온도 의존성에 대해 수정한다. 특히, 유체가 도관 및/또는 바이패스를 통해 유동하지 않을 때(즉, 0 유동), 센서는 0이 아닌 유량 신호를 생성할 수 있다. 더욱이, 이러한 유동의 허위 표시는 온도에 의존할 수 있다. 유사하게, 센서 신호(FS1)는 전량 유동에서 온도에 의존하는 변동을 경험할 수 있다. 0 유동에서 신호(FS1) 내의 온도 의존성 변동에 대한 수정은 복수의 상이한 온도에서 0 유동에서의 센서 신호(FS1)의 값을 측정하고 그 다음 센서의 온도에 기초하여 신호(FS1)에 교정 인자를 인가함으로써 수행될 수 있다. 전량 유동에서의 센서 신호(FS1)의 온도 의존성 변동의 교정은 상이한 온도값에서 센서 신호를 측정하고 온도에 기초하여 적절한 교정 인자를 인가하는 것에 기초하여 유사한 방식으로 수행될 수 있다.

또한, 온도 의존성은 질량 유량 제어기가 작동하도록 원하는 전체 범위를 따라 특정 지점에 대해 유사하게 측정될 수 있다. 따라서, 유량 및 온도의 함수인 교정 곡선은 0 유동, 전량 유동, 및 이들 사이의 임의의 수의 특정 지점에서 취해진 측정에 맞춰질 수 있다. 이러한 교정 곡선은 질량 유량 제어기가 작동하도록 의도된 유량의 범위에 걸쳐 온도 의존성에 대한 교정을 제공할 수 있다. 또한, 사용되는 유체 및 온도에 의한 공지된 센서 특성 변동의 인식은 정규화(240)의 교정 인자 및/또는 교정 곡선을 제공하거나 향상시키도록 이용될 수 있다.

정규화 회로(240)는 또한 센서 도관을 통한 전량 유동에서, 특정값이 정규화된 신호(FS1')에 대해 얻어지고, 0 유동에서, 다른 특정값(예를 들어, 0)이 얻어지도록, 고정된 정규화 게인을 신호(FS1)에 제공할 수 있다.

일 실시예에서, 예를 들어, 정규화(240)는 센서 도관을 통한 0 유동에서, 정규화된 신호(FS1')가 0.0의 값을 갖고, 도관을 통한 전량 유동에서, 정규화된 신호(FS1')가 1.0의 값을 갖는 것을 보장한다. 본원에서 사용되는 값이 단지 예시적이므로, 임의의 값이 0 유동 및 전량 유동에서 정규화된 신호(FS1')에 대해 선택될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

정규화된 신호(FS1')는 불량한 동적 특성을 가질 수 있어서, 유체 유동의 스텝 변화에 응답하여, 신호(FS1')가 시간 지연되고 유량 센서를 통한 실제 유동에 대해 평탄화된다는 것을 이해해야 한다. 이는 열 변화가 비교적 장기간에 걸쳐 발생하므로 열 유량 센서가 전형적으로 느린 응답 시간을 갖기 때문이다.

도3은 시간이 수평 또는 X축 상에 표시되고 유량이 수직 또는 Y축 상에 표시된 이러한 거동의 그래프이다. 도3에 도시된 바와 같이, 열 질량 유량 센서를 통한 실제 유동의 단위 스텝 변화에 응답하여, 센서에 의해 제공되는 신호(FS1)는 시간 지연되고 평탄화된다.

이러한 센서 효과를 교정하고 유체 유량의 변화에 응답하여 더 양호한 동적 특성을 제공하기 위해, 정규화된 신호(FS1')가 응답 보상 회로(250)에 제공된다. 응답 보상 회로(250)는 기능적으로 센서 및 센서 전자 부품(230)의 전달 기능에 대체로 반대인 필터이다. 응답 보상 회로(250)는 응답 보상 회로(250)에 의해 제공되는 조절된 신호(FS1")가 소정의 상승 시간을 갖고, 초과 및/또는 미달의 소정의 최대 수준을 갖고, 소정의 시간 프레임 내에서 수평화되도록 조절 또는 조정될 수 있고, 그리고/또는 질량 유량 제어기의 특정 실시예에 대해 바람직할 수 있는 다른 특징에 대해 조정될 수 있다.

도3에 도시된 바와 같이, 보상된 신호(FS1")는 도면에 도시된 센서를 통한 유체 유량의 스텝 변화의 프로파일을 더욱 밀접하게 반영하는 프로파일을 갖는다. 질량 유량 제어기의 유량계는 질량 유량 제어기의 제작 중에 그러한 보상된 신호를 제공하도록 조절될 수 있다. 특히, 동적 응답은 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 센서 조정 단계 중에 조정될 수 있다.

간략히 전술한 바와 같이, 바이패스를 통해 유동하는 유체에 대한 도관을 통해 유동하는 유체의 비율은 유체의 유량에 의존할 수 있다. 또한, 센서 및 센서 전자 부품 내의 비선형성이 실제 유량과 상이한 유량에서 센서에 의해 제공되는 감지된 유량 신호 사이의 관계를 더욱 복잡하게 한다. 결과는 감지된 유량 대 유체 유량을 나타내는 곡선이 선형이 아닐 수 있다는 것이다.

많은 이러한 비선형성은 정규화(240) 및 응답 보상(250)을 통해 전달된다. 따라서, 직접적인 논의가 센서 신호(FS1, FS1', FS1")들 중 하나에 대해 적절하다. 센서 출력이라는 용어는 본원에서 선형화되기 전의[즉, 선형화(260) 이전의] 센서 신호를 설명하도록 사용될 것이다. 특히 그리고 달리 표시되지 않으면, 센서 출력은 센서에 의해 생성되어 예를 들어 정규화(240) 및 응답 보상(250)에 의해 정규화되고 보상되었지만(예를 들어, FS1"), 선형화되지 않은 신호를 설명한다. 또한, 정규화 및 보상 단계는 도2에서 적용되는 순서를 지킬 필요가 없고 사실상 교환 가능하다는 것을 이해해야 한다.

선형화(260)는 센서 출력(즉, FS1")의 비선형성을 교정한다. 예를 들어, 선형화(260)는 0 유동에서 0, 전량 유동의 25%에서 0.25, 전량 유동의 50%에서 0.5, 전량 유동에서 1.0의 값을 가질 것이다. 선형화(260)는 도1에 도시된 바와 같이, GLL 제어기(150)의 입구에 제공되는 유량 신호(FS2)를 제공한다. 표시 유량이라는 용어는 본원에서 통상 선형화된 후에 유량계에 의해 제공되는 유량 신호[예를 들어, 유량 신호(FS2)]를 설명하도록 사용될 것이다.

다항 선형화, 부분 선형 근사화 등과 같은 센서 출력을 선형화하기 위한 여러 방법이 있지만, 본 발명의 일 실시예에서, 스플라인, 특히 삼차 스플라인이 이러한 신호를 선형화하도록 사용된다. 삼차 스플라인에 대한 설명은 영국 통계학회(Royal Statistics Society)의 저널에 발간된 실버만 비.더블유.(Silverman B.W.)의 "무파라미터 회귀 곡선 맞춤에 대한 스플라인 평탄화 접근의 몇 가지 관점"(Some Aspects of the Spline Smoothing Approach to Non-Parametric regression Curve Fitting)이라는 제목으로 주어지고, 이는 본원에서 전체적으로 참조되었다.

본 발명의 이러한 태양에 따르면, 센서 및 센서 전자 부품(230)으로부터의 실제 출력 신호(FS1)가 테스트 유체 또는 기체에 대해 복수의 상이한(공지된) 유량에서 측정되고, 측정된 유량은 공지된 유량에서 모든 측정점에 대해 도시된다. 측정된 유량 대 공지된 유량의 이러한 도시는 센서 및 센서 전자 부품(230)의 전달 기능을 정의하고, 삼차 스플라인은 그 다음 센서 및 센서 전자 부품(230)의 전달 기능의 역수에 맞춰진다. 센서 출력의 측정값은 그 다음 정규화되고 보상되고 선형화된 표시 유량 신호(예를 들어, FS2)를 제공하도록 삼차 스플라인에 대한 입력으로서 사용된다.

아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 선형화 회로(260)는 센서 출력의 선형화를 용이하게 하기 위해 (도시되지 않은) 선형화표를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 삼차 스플라인은 센서 및 센서 전자 부품(230)의 역수보다는 그 자체의 전달 함수에 맞춰진다.

센서 및 센서 전자 부품(230) 내의 비선형성 및 센서 도관(220)을 통해 가는 유체 유량의 변화 분획을 보상한 후에, 조절된 유량 신호(FS2)는 GLL 제어기(150)에 제공되며 표시를 위해 필터(120; 도1)에 제공될 수도 있다. 조절된 유량 신호(FS2)의 도시는 "조절된 감지 유량(FS2)"으로 언급되며 도3에 도시되어 있다.

도1에 도시된 바와 같이, 게인항(A)은 유량계(110)와 관련된다. 이러한 게인항은 유동 경로(103) 내에서 유동하는 유체와 표시 유량[즉, 유량 신호(FS2)] 사이의 관계를 나타낸다. 특히, 게인항(A)은 실제 유체 유량의 변화에 대한 표시 유량의 변화율이다. 상기 유량계(110)에 대한 설명으로부터, 이러한 관계(즉, 유체 유량 대 표시 유량의 곡선)은 선형으로 만들어졌다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 실제 유체 유량의 변화에 대한 표시 유량의 변화율(즉, 유체 유량 대 표시 유량의 곡선의 미분)은 유량의 상수 함수이다. 따라서, 게인항(A)은 특정 유체 종류에 대해 상수이다.

게인(A)이 상수이고 표시 유량이 전량 유동에서 특정값으로 정의되었으므로, 게인(A)은 질량 유량 제어기의 제작 중에 사용되는 유체와 관련된 전량 유동에 기초하여 특정 유체에 대해 결정될 수 있다. 표시 유량이 전량 유동에서 1.0의 값을 갖도록 조절된 예시적인 유량계에서, 게인(A)은 단순히 전량 유동의 역수이다.

질량 유량 제어기를 통한 전량 유동은 질량 유량 제어기를 상이한 유체에서 작동시킨 결과로 변할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 질량 유량 제어기는 유체 종류에 의존하는 전량 범위를 가질 것이다. 그러므로, 게인(A)이 적어도 유량의 상수 함수이지만, 이러한 상수는 상이한 유체 종류에서의 질량 유량 제어기의 작동 시에 변할 수 있다.

그러나, 본 출원인은 유량계와 관련된 게인[예를 들어, 게인항(A)]이 유체 종류에 따라 어떻게 변하는 지를 결정하였다. 전술한 바와 같이, 유량계의 게인은 전량 범위(즉, 질량 유량 제어기의 전량 유동)로부터 직접 계산될 수 있다. 따라서, 처리 유체에 대한 전량 범위를 결정하는 것은 유량계의 게인의 직접 결정을 허용한다. 처리 유체의 전량 범위는 테스트 유체와 관련된 전량 범위에 변환 인자를 인가함으로써 결정될 수 있다. 변환 인자는 전량 범위가 결정되는 특정 유체에서의 측정으로부터 실험적으로 도출될 수 있다.

도4는 GLL 제어기(150)의 일 실시예의 세부를 도시한다. 제어기(150)가 본원에서 게인/선도/지연(GLL) 제어기로서 설명되지만, 본 발명은 그에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 태양은 비례 적분 미분(PID) 제어기, 비례 적분(PI) 제어기, 적분 미분(ID) 제어기 등과 같은 다른 유형의 피드백 제어기에서 사용될 수 있다. 본 발명이 본원에 도시된 특정 제어기 구조에 제한되지 않으므로, 도4에 도시된 GLL 제어기(150)에 대한 여러 수학적인 등가물이 사용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.

GLL 제어기(150)는 3개의 입력 신호, 유량 신호(FS2; 표시 유량으로도 언급됨), 설정점 신호(SI2), 및 역게인항(G)을 수신한다. 전술한 바와 같이, 설정점 신호(SI2)는 설정점 신호의 즉각적인 변화가 GLL 제어기에 제공되는 것을 방지하기 위해 회전율 제한기 또는 필터(130)를 먼저 통과할 수 있다.

전술한 바와 같이, 게인(G; 140)은 본원에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 질량 유량 제어기의 제어 루프 주위의 다양한 구성요소와 관련된 게인항의 곱의 역수를 취함으로써 형성된 역게인항(시스템 게인항의 역수)이다. 게인(G)은 제어 루프를 따라 어디에도 인가될 수 있으며, 질량 유량 제어기의 입구에 인가되는 것으로 제한되지 않는다. 그러나, 역게인항(G)은 일반적으로 도1 및 도4에 도시된 바와 같이 GLL 제어기의 입구에 인가될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 게인항(G)은 질량 유량 제어기와 관련된 마이크로 프로세서 또는 디지털 신호 프로세서에 의해 결정될 수 있다. 프로세서는 아래에서 설명되는 바와 같이 질량 유량 제어기 내로 통합될 수 있거나 외부에 있을 수 있다.

도4에 도시된 바와 같이, 유량 신호(FS2)는 미분기 또는 D-항 회로(410)에 제공된다. 회로(410)가 정확히 미분기는 아니기 때문에, 이는 본원에서 "D-항" 회로로 언급된다. 실제로, D-항 회로(410) 내에서, 유량 신호(FS2)는 미분되고, 저주파 필터링되고, 상수에 의해 곱해지고 그 다음 조절된 유량 신호(FS2)와 합산된다. 본 발명은 다른 유형의 미분기 회로가 사용될 수 있으므로, 본원에서 설명되는 D-항 회로(410)의 특정 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 기능적으로, D항 회로(410)는 조절된 신호(FS2)에 대해 "가속된" 변형된 유량 신호(FS3)를 제공하고, 이에 의해 GLL 제어기(150) 내에서 "선도"를 구성한다. D항 회로(410)는 또한 감쇄를 제공한다. 당업자에 의해 이해되어야 하는 바와 같이, D-항 회로(410)는 유량 신호가 어떻게 얼마나 빨리 변하는 지를 표시하는 변형된 유량 신호(FS3)를 기능적으로 제공한다.

변형된 유량 신호(FS3)는 그 다음 설정점 신호(SI2)와 함께 변형된 유량 신호(FS3) 및 설정점 신호(SI2)를 취하여 이들의 차이에 기초하여 오류 신호(E)를 발생시키는 감산 회로(420)에 제공된다. 오류 신호(E)는 그 다음 게인항(G; 이하에서, 게인/지연/선도 GLL 제어기 내의 "게인")에 의해 곱해져서, 비례 게인항(440) 및 적분 게인항(450)에 제공된다.

비례 게인항은 신호(EG)를 고정된 상수(K_P)에 의해 곱하고, 그 다음 출력 신호(EGK_P)를 합산 회로(470)에 제공한다. 비례 게인항(440)은 제어 밸브(170)를 신호(EG)에 기초하여 일정한 고정량으로 이동시키기 위한 구동 신호의 구성요소를 기능적으로 제공하도록 사용되고, 이에 의해 제어 밸브(170)가 오류 신호(E)의 변화 시에 빨리 기준을 조정하는 것을 허용한다.

비례 게인항(440)은 또한 감쇄를 제공하여, 구동 신호(DS) 및 생성된 유량 내의 링잉(ringing)을 방지하는 것을 돕는다. 예를 들어, 오류 신호(E)가 감소하고 적분기(460)로부터의 출력 신호가 증가함에 따라, 상수(K_P)가 양호하게는 1보다 작으므로, K_P에 의해 곱해진 오류 신호(E)의 값은 감소하고, 이에 의해 일어나는 미달의 양을 감소시킨다.

적분 게인항(450)은 신호(EG)를 다른 고정된 상수(K_I)에 의해 곱하고, 그 다음 출력 신호(EGK_i)를 적분기(460)의 입구에 제공한다. 적분기(460)는 신호(EGK_i)를 적분하여, 적분된 출력을 합산 회로(470)의 제2 입구에 제공한다. 기능적으로, 적분기(460)의 출력은 시간에 걸쳐 오류 신호(E)를 표시하며 오류 신호가 과거에 어떻게 변했는지를 나타내는 신호(이하에서, 게인/선도/지연 GLL 제어기 내의 "지연")를 제공한다. 오류 신호(E)가 주어지면, 적분기(460)는 특정 기울기에서 시작하고, 표시 유량(예를 들어, FS2)은(새롭고 더 높은 설정점이 입력되었다고 가정하여) 증가하고, 오류 신호(E)는 감소하여, 적분기(460)는 적분을 멈추고(즉, 그가 변하는 속도를 늦추고) 적분기(460)로부터 출력된 구동 신호의 구성요소는 증가를 멈춘다. 적분된 출력 신호(EGK_I)는 그 다음 합산 회로(470) 내에서 비례 게인항(EGK_P)과 합산되고, 합산된 출력 신호(DS)는 구동 신호로서 밸브 액츄에이터(160)에 제공된다.

또한, (도시되지 않은) 기준이 제어기가 0 유동으로부터 조절된 유동 상태로 전이될 때, 적분기(460)를 특정값으로 미리 설정하기 위해 제공될 수 있다. 기준은 적분기에 가산되었을 때 밸브를 개방하여 유동을 허용하는데 필요한 구동 수준 바로 아래의 구동 수준(DS)을 제공하는 값을 설명한다. 이러한 방식으로, 적분기가 기준값으로 상승하는데 필요한 시간은 제거될 수 있고, 제어기는 0 유동과 제어된 유동 사이의 전이에 대한 응답 시간을 감소시킨다.

도5에 도시된 바와 같이, 합산 회로의 출력은 전자 기계식 액츄에이터(520)에 결합된 밸브 구동 전자 회로(510)를 통상 포함하는 밸브 액츄에이터(150)에 제공된다. 임의의 적합한 밸브 구동 전자 회로(510)가 구동 신호(DS)를 수신하여 구동 신호(DS)를 원하는 유량을 제공하기 위해 밸브(170)를 원하는 위치로 이동시킬 수 있는 전압, 전류, 또는 다른 신호로 변환시키도록 사용될 수 있다. 더욱이, 밸브 구동 회로(510)는 솔레노이드 작동식 밸브, 압전 작동식 밸브 등을 구동하기 위해 본 기술 분야에 공지된 임의의 적합한 밸브 구동 작동 회로를 포함할 수 있다. 솔레노이드 작동식 제어 밸브를 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따르면, 밸브 구동 전자 회로(510)는 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 솔레노이드 작동식 제어 밸브 내의 이력 현상의 충격을 감소시키는 회로를 포함할 수 있다.

도6은 수평 또는 X축이 시간을 나타내고 수직 또는 Y축이 식별된 신호 수준을 나타내는 도4에 대해 전술한 여러 신호의 도면이다. 도6a에 도시된 바와 같이, 시간(T₀)에서, 신호(SI2) 내의 설정점 내의 [수준(F₀)로의] 스텝 변화가 제공된다. 이 때, 오류 신호(E)가 (여전히 그의 이전 상태에 있는) 조절된 유량 신호(FS2)와 이제 F₀의 값인 신호(SI2) 내의 설정점의 값 사이의 차이에 상응하므로, 오류 신호(E)는 수준(F₀)으로 상승한다. 오류 신호는 게인항[G; 즉, 신호(EG)]에 시기에 맞추어 높은 값으로 스테핑되고, 그 다음 도6b에 도시된 방식으로 감소한다. 비례 게인항(440)의 출력이 (1보다 작은) 상수(K_P)에 의해 곱해진 신호(EG)이므로, 신호(EGK_P)는 유사한 형상을 갖지만, 도6c에 도시된 바와 같이 진폭이 약간 감소된다. 도6d에 도시된 바와 같이, 시간(T₀)에서, 적분된 출력 신호(EGK_I)는 0이지만, 오류 신호(E)의 크기로 인해 재빨리 위로 상승하기 시작한다. 출력 신호(EGK_P) 및 적분된 출력 신호(EGK_I)의 합계를 나타내는 합산 회로(470)의 출력은 DS로 표시되고 도6E에 도시되어 있다. 밸브 구동 및 밸브 구동 전자 회로(160)에 제공된 구동 신호(DS)에 기초하여, 제어 밸브(170)는 증가된 양으로 개방되고, 표시 유량 신호[예를 들어, 유량 신호(FS2)]는 SI2 내의 설정점의 새로운 수준으로 증가하기 시작한다. 시간이 지남에 따라, 오류 신호(E)는 감소하고, 비례 게인항(440)의 출력 신호(EGK_P)는 적분된 출력 신호(EGK_I)와 같이 감소하고, 유량은 새로운 설정점의 수준에서 확립된다.

이상적으로, 질량 유량 제어기의 설정점에 인가되는 스텝 입력에 응답하여 참 유량의 스텝 응답을 얻는 것이 필요하다. 이는 실질적으로 가능하지 않지만, 본 발명의 실시예는 전량 스텝 입력이 유량에 대한 2% 스텝을 나타내든지 또는 100% 스텝을 나타내든 지에 관계없이, 사용되는 유체에 관계없이, 그리고 입구 또는 출구 압력 등에 관계없이, 설정점 내의 스텝 입력에 응답하여 일관된 응답을 제공하도록 사용될 수 있다. 이러한 일관성을 얻기 위해, 본 발명의 실시예는 일정한 루프 게인을 갖는 질량 유량 제어기를 제공한다.

상기 내용으로부터, 질량 유량 제어기의 제어 루프 주위의 구성요소와 관련된 다양한 게인이 상이한 변수의 함수로서 변할 수 있고 다양한 상이한 작동 조건에 의존할 수 있지만, 질량 유량 제어기의 일관되고 안정된 작동은 질량 유량 제어기의 제어 루프에 일정한 루프 게인을 제공함으로써 일련의 작동 조건에 대해 얻어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

질량 유량 제어기의 제어의 다양한 태양이 마이크로 프로세서를 사용하여 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, GLL 제어기(150)는 마이크로 프로세서, 디지털 신호 프로세서 등으로 실시될 수 있다. 유사하게, 역게인항[예를 들어, 게인항(G)]과 같은 다양한 제어 파라미터의 결정이 마이크로 프로세서에 의해 제공될 수 있다. 질량 유량 제어기의 제어의 다양한 태양은 본 기술 분야에 공지된 기술을 사용하여 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어 내에서 실시될 수 있다.

B. 질량 유량 제어기 구성

많은 경우에, 질량 유량 제어기가 일관되고 안정된 방식으로 작동하도록, 질량 유량 제어기는 제작 중에 조정 및/또는 보정되어야 한다는 것을 이해해야 한다. 수동 조정 및/또는 보정은 종종 시간을 소모하고 노동 집약적이며 비용이 드는 공정이다. 또한, 공정이 질량 유량 제어기가 제작 중에 사용된 것과 상이한 유체 종류 및/또는 작동 조건에서 작동하도록 구성되는 것을 요구할 때, 질량 유량 제어기의 성능은 질량 유량 제어기가 복수의 처리 유체에 대해 조정 및 보정되었더라도, 질량 유량 제어기의 제작 중에 관찰된 동일한 거동을 거의 보이지 않을 것이다. 바꾸어 말하면, 질량 유량 제어기는 질량 유량 제어기가 조정 및/또는 보정된 것 이외의 유체 및/또는 작동 조건에서 작동할 때 상이한 응답을 가질 수 있다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 질량 유량의 응답이 질량 유량 제어기가 테스트 유체 및 테스트 작동 조건에서 조정 및/또는 보정된 응답과 대체로 동일하게 만들어지는 것을 허용하는 질량 유량 제어기를 구성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에서, 단일 테스트 유체 및 일련의 테스트 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 조정 및/또는 보정 중에, 구성 데이터가 얻어진다. 이러한 구성 데이터는 질량 유량 제어기를 임의의 처리 유체 및/또는 작동 조건에서 작동하도록 구성하기 위해 사용될 수 있고, 따라서 제작 중에 사용된 것 이외의 유체 및/또는 작동 조건에서의 작동으로 인한 성능 저하를 경감시키고, 다중 대용 유체에 대한 질량 유량 제어기의 비용이 들며 시간이 소모되는 조정 및/또는 보정을 제거한다.

임의의 유체 및 작동 조건에서 작동할 수 있으며 만족스러운 응답을 보이는 질량 유량 제어기를 제공하는 것은 종종 질량 유량 제어기의 초기 제작 및 질량 유량 제어기의 이후의 구성을 포함하는 단계를 포함한다. 도7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제작 및 구성 단계를 도시한다.

본원에서 사용되며 질량 유량 제어기에 적용되는 제작이라는 용어는 통상 특정 유체 종류 및 특정한 일련의 작동 조건에서 작동하기 위한 질량 유량 제어기를 준비하는 것에 관계된 다양한 작업을 설명한다. 제작은 다양한 구성요소로부터 질량 유량 제어기를 형성하는 것과, 테스트 작동 조건 하에서 테스트 유체에 대해 질량 유량 제어기를 작동시키는 것과, 질량 유량 제어기가 테스트 유체 및 테스트 작동 조건에서 만족스러운 거동 및 성능을 보이도록(즉, 만족스러운 응답을 갖도록) 질량 유량 제어기의 다양한 구성요소 및/또는 제어 파라미터를 조정 및/또는 보정하는 것을 포함한다.

본원에서 사용되며 질량 유량 제어기에 적용되는 구성이라는 용어는 통상 질량 유량 제어기를 임의의 작동 조건 하의 임의의 유체에서 작동하도록 적응시키는 것과 관계된 다양한 단계를 설명한다. 특히, 구성은 질량 유량 제어기를 제작된 유체 이외의 유체(본원에서, 각각 "테스트 유체" 및 "처리 유체"로 언급됨)에서 그리고 질량 유량 제어기의 제작 중에 사용된 일련의 작동 조건과 다를 수 있는 조건(본원에서, 각각 "테스트 작동 조건" 및 "처리 작동 조건"으로 언급됨) 하에서, 질량 유량 제어기의 응답이 제작 중에 관찰된 것과 대체로 동일하도록 적응시키는 것과 관계된 단계를 설명한다. 질량 유량 제어기의 구성은 제작 후에 임의의 시점에서 그리고 (예를 들어, 특정한 공지된 용도를 위한 질량 유량 제어기를 구성하기 위한) 제조 장소 또는 (예를 들어, 최종 사용자의 작업 장소인) 현장을 포함하지만 그에 제한되지 않는 임의의 위치에서 수행될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

통상, 만족스러운 응답이라는 용어는 특정한 질량 유량 제어 공정 또는 작업의 주어진 일련의 공차 내에서 수행되는 질량 유량 제어기의 응답을 언급한다. 특히, 질량 유량 제어기의 동적 응답 및 정적 응답은 질량 유량 제어기가 작동하도록 의도된 공차의 범위 내에서 수행된다.

질량 유량 제어기가 임의의 일련의 공차에 대해 만족스러운 응답을 갖도록 제작 중에 조정 및/또는 보정될 수 있다. 따라서, 테스트 유체 및 일련의 테스트 작동 조건에 대한 조정 및/또는 보정 후의 질량 유량 제어기의 응답은 달리 설명되지 않으면, 그러한 테스트 유체 및 작동 조건에 대해 만족스러운 응답을 갖는 것으로 고려되어야 한다. 그러나, 응답은 질량 유량 제어기가 상이한 유체 및/또는 작동 조건에서 작동될 때, 실질적으로 변할 수 있어서, 응답은 더 이상 만족스럽지 않다.

통상, 질량 유량 제어기는 테스트 유체 및 테스트 작동 조건과, 처리 유체 및 처리 작동 조건에 대해, 양쪽 응답이 만족스러울 때 (즉, 양쪽 응답이 질량 유량 제어기가 작동하도록 의도된 공차 내에서 수행될 때), 동일한 응답을 갖는 것으로 고려된다.

도7a에 도시된 바와 같이, 제작(710) 중에, 질량 유량 제어기는 일련의 테스트 작동 조건 하의 테스트 유체에서 작동된다. 질량 유량 제어기의 작동 특징이 얻어져서 구성 데이터(712)로서 저장된다. 구성 데이터(712)는 도7b 내지 도7f에 대해 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 제작(710)의 다양한 조정 및/또는 보정 중에 얻어질 수 있다.

조정이라는 용어는 유체 유동, 및 유체 유동의 변화 및/또는 원하는 유체 유동의 변화(즉, 설정점의 변화)에 대해 만족스러운 동적 응답 및 거동을 제공하는 것을 포함하는 단계를 설명한다. 보정이라는 용어는 통상 질량 유량 제어기의 만족스러운 정상 상태 또는 정적 응답을 제공하는 것을 포함하는 단계를 언급한다.

구성 데이터라는 용어는 통상 질량 유량 제어기의 조정 및/또는 보정 중에 얻어지는 정보에 적용된다. 특히, 구성 데이터는 테스트 유체 및 테스트 작동 조건에서의 작동 중에 질량 유량 제어기로부터 취해진 특징 및/또는 측정을 설명한다. 질량 유량 제어기의 제작 중에 얻어진 구성 데이터는 그 다음 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 질량 유량 제어기를 구성하도록 사용될 수 있다.

간략하게 전술한 바와 같이, 테스트 유체 및 테스트 작동 조건이라는 용어는 질량 유량 제어기의 제작 중에 사용된 유체 및 작동 조건을 설명하도록 사용된다. 처리 유체 및 처리 작동 조건이라는 용어는 전형적으로 질량 유량 제어기의 특정 용도를 위해 최종 사용자가 원하는 유체 및 작동 조건을 설명한다.

동일한 유형의 유체 및 작동 조건은 테스트 및 처리의 목적으로 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 질량 유량 제어기가 모든 유체에 대해 그리고/또는 모든 작동 조건 하에서 조정될 수 없기 때문에, 본 발명의 몇몇 태양은 질량 유량 제어기가 이후에 상이한 유체 및/또는 작동 조건에서 작동하도록 구성될 수 있도록, 질량 유량 제어기가 제작 중에 특정 테스트 유체에 대해 그리고 특정한 일련의 작동 조건 하에서 조정 및/또는 보정되는 것을 포함한다. 따라서, "처리 유체"라는 용어는 상이한 유형의 유체를 설명하도록 사용되기보다는 유체가 질량 유량 제어기가 조정 및/또는 보정된 유체와 다를 수 있다는 것을 보여준다. 유사하게, "처리 작동 조건"이라는 용어는 질량 유량 제어기가 조정 및/또는 보정된 테스트 작동 조건과 동일하지 않을 수 있는 일련의 작동 조건을 설명한다. 일련의 처리 작동 조건 중 하나, 일부 또는 전부는 테스트 작동 조건과 다를 수 있다.

구성 단계(720)에서, 제작 중에 얻어진 구성 데이터(712)는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대한 질량 유량 제어기의 구성을 용이하게 하도록 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 구성 데이터(712)는 구성(720) 중에, 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 작동을 가능케 하는 질량 유량 제어기와 관련된 제어 파라미터를 결정하도록 사용된다. 특히, 제작 단계(710) 중에 얻어진 구성 데이터(712)는 질량 유량 제어기가 만족스러운 응답을 보이도록(즉, 질량 유량 제어기가 테스트 유체 및 테스트 작동 조건을 사용한 제작 중에 관찰된 것과 대체로 동일한 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서의 응답을 갖도록 구성되도록), 처리 유체 및 처리 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 구성을 용이하게 하는 제어 파라미터를 결정하도록 사용된다.

본원에서 사용되는 제어 파라미터라는 용어는 통상 질량 유량 제어기의 작동을 용이하게 하는 질량 유량 제어기와 관련된 파라미터를 언급한다. 제어 파라미터는 필터 계수, 게인항, 제어기 상수, 선형화 곡선 등을 포함할 수 있지만 그에 제한되지 않는다. 특히, 제어 파라미터는 질량 유량 제어기가 임의의 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동하도록 구성될 때(즉, 만족스러운 응답을 보이도록 구성될 때), 변화, 변형, 또는 추가를 필요로 할 수 있는 파라미터를 언급한다.

본원에서 사용되는 바와 같이, "작동을 위해 구성된"이라는 용어는 질량 유량 제어기가 작동될 때 만족스러운 응답을 보이는 방식으로 질량 유량 제어기를 구성하는 것을 설명하기 위한 것이다(즉, 불만족스러운 응답을 갖는 질량 유량 제어기는 대체로 작동이 고려되지 않는다).

통상, 제작(710)은 단일 테스트 유체 및 일련의 테스트 작동 조건에서 한번만 행해지면 된다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 구성(720)은 질량 유량 제어기의 수명 중에 임의의 회수로 반복될 수 있다. 특히, 상이한 처리 유체 및/또는 작동 조건에서 질량 유량 제어기를 작동시키는 것이 바람직할 때마다, 질량 유량 제어기가 새로운 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 만족스러운 응답을 보이도록 새로운 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 구성(720)을 반복하는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상이한 유형의 질량 유량 제어기의 제작 및 구성 그리고 상이한 질량 유량 제어기 실시는 상이한 단계를 요구할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 제작은 질량 유량 제어기가 적절하게 특징화되고 일련의 테스트 작동 조건에서 만족스러운 응답이 확립되고, 충분한 구성 데이터가 질량 유량 제어기의 이후의 구성을 용이하게 하기 위해 얻어지도록 하는 단계를 포함한다. 유사하게, 구성은 통상 일련의 처리 작동 조건에서 작동할 때 제작 중에 관찰된 것과 대체로 동일한 응답을 확립하는데 필요한 단계를 포함한다.

도7b는 질량 유량 제어기의 제작 및 구성 중에 수행될 있는 다양한 단계[예를 들어, 도7a의 단계(710, 720)]를 포함하는 일 실시예에 따른 블록 선도를 도시한다. 제작(710)은 센서 조정 단계(10), 밸브 특징화 단계(20), 피드백 제어기 조정 단계(30), 및 보정 단계(40)를 포함할 수 있다. 제작(710)은 제작(710) 내에 도시되지 않은 다른 단계, 예를 들어 본 기술 분야에 공지된 바이패스 정합 등과 같은 질량 유량 제어기를 형성하는 것과 관계된 단계를 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

제작(710)의 다양한 예시적인 단계(10 - 40)에서, 질량 유량 제어기가 특징화되고, 만족스러운 응답이 일련의 테스트 작동 조건에 대해 확립된다. 일련의 처리 작동 조건에서의 작동을 위한 질량 유량 제어기의 구성을 용이하게 하는 구성 데이터가 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 제작 중에 얻어진다.

센서 조정 단계(10)에서, 질량 유량 제어기의 유량계는 만족스러운 동적 응답을 보이도록 조정된다. 특히, 유량계의 다양한 구성요소는 센서 출력(예를 들어, FS1)이 센서를 통한 유량의 변화에 대해 만족스럽게 응답하도록 조정된다. 예를 들어, 도2와 관련하여 설명된 바와 같이, 센서 조정은 유량계가 유동 경로 내의 유체 유량의 스텝 변화와 매우 유사한 스텝 형상을 갖는 센서 출력에서의 유체 스텝에 응답하도록, 정규화 및 응답 보상 필터 계수, 교정 곡선, 및/또는 게인을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 보상 필터(280)는 압력 전이에 대한 센서 및 센서 전자 부품 응답과 매우 근사한 거짓 유량 신호를 제공하도록 조정될 수 있다. 필터 계수, 교정 곡선, 및/또는 게인항과 같은, 조정 단계(10) 중에 얻어진 정보는 구성 데이터(712)로서 저장될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 질량 유량 제어기는 적어도 하나의 디지털 필터를 포함한다. 이러한 디지털 필터는 압력 전이로부터 생성된 거짓 유량 정보를 보상하기 위한 보상 필터[예를 들어, 도8 및 도12에 설명된 보상 필터(280)]를 실시하도록 프로그램될 수 있다.

특히, 필터의 변환 함수(예를 들어, 방정식 6 및/또는 7)는 다음과 같이 디지털 필터를 프로그램함으로써 센서 조정 단계(10) 중에 실시될 수 있다.

J₀ = (2J_n-1 - J_n-2) + [(I - J_n-1)Q - (J_n-1 - J_n-2)]P (3)

여기서,

P = 4tζω_p/(t²ω_p ² + 2tζω_p + 1)

Q = t(ω_p/ζ)

t = T_sample/2

여기서,

ω_p: 극 진동수. 상승/강하 시간 및 로브의 "폭"을 제어함. 또한 로브의 높이(게인)에 영향을 줌.

ζ: 감쇄 인자. 초과량을 제어함. 또한 로브의 폭 및 높이에 영향을 줌.

K: 게인. 알고리즘 출력의 필터 섹션의 부분 각각을 설정함. 응답의 높이에 영향을 줌.

t: 2로 나누어진 샘플링 기간(T).

J₀는 필터 변환 함수, 특히 방정식 7의 변환 함수의 겹선형 변환을 취함으로써 생성된다. P 및 Q의 값은 보상 필터가 원하는 거짓 유량 신호를 구성하도록 계산된다. 본원에서 변형 가능 파라미터로 언급되는 파라미터(ω_p, ζ, K)는 센서 출력 신호 상에 부가된 거짓 유동 정보를 보상하기에 적합한 거짓 유량 신호를 제공하도록 필터를 조정하기 위해 변할 수 있다.

제작 중에 이러한 파라미터를 조정하는 한 가지 방법이 아래에서 설명된다. 제작 중에, 압력 펄스가 센서에 도입되고, 센서의 응답이 기록된다. 또한, 펄스에 대한 압력 트랜스듀서의 응답도 기록된다. 변형 가능한 파라미터는 그 다음 필터의 출력을 기록된 센서 응답에 맞추도록 조절된다. 예를 들어, 최소 제곱 맞춤이 필터 출력과 기록된 센서 응답 사이의 오류를 최소화하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 필터 파라미터를 조절하도록 사용될 수 있는 다양한 최적화 방법이 당업자에게 명백할 것이다. 본원에서 설명되는 방법은 최소 제곱 맞춤을 수행하는 방법 중 하나이다.

일련의 기본 파라미터가 필터에 대해 선택된다. 이러한 예를 목적으로, 조정되어야 하는 보상 필터는 도8과 관련하여 설명된 것과 유사하다. 따라서, 6개의 2차 필터가 각각 3개의 변형 가능한 파라미터, 총 18개의 파라미터를 조정할 것이다. 예시적인 일련의 기본 파라미터가 아래에 도시되어 있다.

파라미터	필터1	필터2	필터3	필터5	필터5	필터6
K(단위없음)	0	0	.295	.225	.11	.2
ωp(rad/sec)	600	200	63	63	30	2
ζ(단위없음)	1	1	.56	.79	1	1

센서에 도입된 압력 펄스에 대응하는 압력 트랜스듀서로부터의 압력은 기본 파형을 제공하기 위해 기본 파라미터를 갖는 기본 보상 필터로 입력된다. 그 다음 행렬(W)이 발생되어 기본 파형이 변형 가능한 파라미터의 변화에 대해 어떻게 변하는지에 관한 정보를 저장한다. 행렬(W)은 변형 가능한 파라미터를 Δ(예를 들어, 기본값의 1%)만큼 개별적으로 변경하고 변경된 파라미터에 의해 필터로부터 파형을 발생시킴으로써 발생된다. 이러한 파형 각각은 그 다음 기본 파형으로부터 감산되어 차이 파형을 생성한다. 따라서, 18개의 차이 파형이 도8에 설명된 필터를 조정하기 위해 제공된다. 이러한 차이 파형은 각각 행렬(W) 내의 입력으로서 저장되어, M x N 차원을 갖는 행렬을 제공하고, N은 변형 가능한 파라미터의 개수이고, M은 필터 출력으로부터 취한 샘플의 개수이다. 그러므로, 행렬은 필터 출력의 각각의 파라미터 영향을 설명하는 정보를 포함한다.

본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 18개의 파라미터의 최적화는 계산에 비용이 들 수 있다. 따라서, 변형 가능한 파라미터의 개수는 각각의 파라미터의 기여의 중요성을 인식함으로써 감소되었다. 파라미터의 실제 감소는 실시, 원하는 특징, 및 필터 출력의 제어에 의존하여 변할 수 있다.

필터1 및 2는 주로 그들이 제공하는 지연에 대해 사용된다. 따라서, 이러한 필터에 대한 게인항은 그들의 기본값으로부터 변할 필요가 없을 수 있다. 게인항을 감소시키는 것은 K₃, K₄, K₅, 및 K₆에 대해 최적화되어야 한다. 필터1, 2, 5 및 6은 항상 1의 "감쇄" 인자를 보유할 것이다. 따라서, 단지 ζ₃ 및 ζ₄만이 최적화될 필요가 있을 수 있다. 또한, 단지 ζ₃를 변경하고 예시적인 기본값을 도시하는 표에 도시된 관계를 유지하기 위해 다른 진동수 파라미터를 개산할 필요가 있을 수 있다. 따라서, 최적화될 필요가 있는 변형 가능한 파라미터의 개수는 K₃, K₄, K₅ , K₆, ζ₃, ζ₄, ω₃으로 감소되어, 계산 작업을 쉽게 만든다. 파라미터의 이러한 예시적인 감소에 따라 생성된 행렬은 M x 7 행렬을 생성한다.

전술한 바와 같이, 행렬(W)은 필터 출력이 변형 가능한 파라미터의 변화에 대해 어떻게 변하는지를 설명한다. 이러한 정보로부터, 변형 가능한 파라미터의 일련의 변화가 다음의 수학식을 만족시키도록 풀릴 수 있다.

W * 파라미터 델타 = 파형 오류 (방정식 9)

파형 오류 = (센서 출력 - 기본 파형) (방정식 10)

여기서,

센서 출력 = 압력 펄스로 인한 센서의 출력 형태

기본 파형 = 기본 파라미터에서의 보상 필터의 출력

W = 발생된 차이 행렬(M x N)

파라미터 델타(N X 1) = N개의 변형 가능한 파라미터 각각의 변화를 설명하는 열 벡터.

방정식 9는 어떤 가장 적합한 의미에서는 참일 수 있고, 절대량을 나타낼 수 없다. 파라미터 델타는 당업자에게 명백한 임의의 개수의 방법에 따라 풀릴 수 있다. 파라미터 델타 벡터 내에 저장된 N개의 변형 가능한 파라미터에 대한 변화는 그 다음 기본 파라미터의 값에 가산되어, 조정된 센서와 함께 사용되는 디지털 필터 내에 저장되는 보상 필터의 최종 값을 제공한다.

파라미터 델타는 반복에 의해 풀릴 수 있다. 따라서, 각각의 반복 후에 기본 파형을 갱신하고 축적된 파라미터 델타 값을 저장하기 위해 현재의 파라미터 벡터를 제공할 필요가 있을 수 있다.

현재의 파라미터 ₀ = 기본 파라미터

현재의 파라미터 _n = 현재의 파라미터 _n-1 + 파라미터 델타 _n

기본 파형 _n = 현재의 파라미터 _n 내에 저장된 값을 사용한 필터 출력

파형 오류 _n = (센서 출력 - 기본 파형 _n )

보상 필터의 파라미터를 조정하는 다양한 방법이 당업자에 명백할 것이다. 그러나, 본 발명은 필터의 파라미터가 얻어지는 방법에 제한되지 않는다. 보상 필터를 얻기 위한 다양한 방법 및 접근이 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 고려된다.

밸브 특징화 단계(20)에서, 질량 유량 제어기는 다양한 작동 조건 및/또는 특징의 변화에 응답하여 일관되고 안정된 방식으로 작동하도록 구성될 수 있기에 충분히 특징화된다. 일 실시예에 따르면, 질량 유량 제어기의 제어 루프의 시스템 게인항이 결정될 수 있고, 시스템 게인항의 역수가 결정되어 일정한 루프 게인을 제공하도록 제어 루프에 인가된다. 또한, 시스템 게인항의 결정 중에 이루어진 측정은 아래에서 도7c에 대해 상세하게 설명되는 바와 같이, 구성 데이터로서 저장되어 이후에 구성 중에 사용될 수 있다.

피드백 제어기 조정 단계(30)에서, 피드백 제어기와 관련된 제어 및 제어 전자 부품은 질량 유량 제어기가 설정점의 변화에 대해 만족스러운 동적 응답을 보이도록 조정된다. 일 실시예에 따르면, 도4와 관련하여 설명된 다양한 PID 파라미터는 GLL 제어기가 설정 시간, 최대 초과 및 미달 등과 같은 바람직한 동적 특징을 보이도록 설정될 수 있다.

보정 단계(40)에서, 질량 유량 제어기는 만족스러운 정상 상태 응답을 보이도록 보정된다. 일 실시예에 따르면, 질량 유량 제어기는 질량 유량 제어기를 통한 실제 유체 유량과 질량 유량 제어기가 작동하도록 의도된 유량계의 범위에 걸쳐 유량계에 의해 표시되는 유량[예를 들어, 표시 유량이라고도 언급되는 유량 신호(FS2)] 사이에 선형 관계를 제공하도록 보정된다.

구성(720) 내에 도시된 예시적인 단계(50, 60)에서, 제작(710) 중에 얻어진 구성 데이터와, 질량 유량 제어기가 작동하도록 구성되어야 하는 처리 작동 조건에 대한 정보는 제작 중에 확립된 응답이 처리 작동 조건에서 질량 유량 제어기를 작동시킬 때 대체로 변하지 않도록 질량 유량 제어기의 제어 파라미터를 변형시키기 위해 사용된다.

도7b에 도시된 바와 같이, 질량 유량 제어기의 구성(720)은 시스템 게인 분해 단계(50), 및 시스템 구성 단계(60)를 포함할 수 있다. 시스템 게인 분해 단계(50)에서, 시스템 게인항이 얻어지고 그 다음 질량 유량 제어기의 제작(710) 중에 얻어진 구성 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 그의 성분 게인항으로 분해된다.

그러나, 시스템 게인 분해 단계(50)는 질량 유량 제어기의 몇몇 실시예에서는 필요하지 않을 수 있고, 액츄에이터 거동의 모델이 시스템 구성 단계(60)에 제공될 수 있는 단지 한 가지 방법을 나타낸다.

따라서, 본원에서 설명된 예에서, 시스템 게인항의 측정 및 이후의 분해를 포함하는 단계는 질량 유량 제어기의 다양한 구성요소와 관련된 게인항이 직접 얻어질 수 있는 환경 하에서 불필요할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 몇몇 질량 유량 제어기에서, 관련 게인항이 액츄에이터의 기계적 설계로부터 직접 얻어질 수 있는 스테퍼 액츄에이터가 채용될 수 있다. 그러한 경우에, 제작 중의 시스템 게인의 측정(예를 들어, 도7c의 밸브 특징화 단계(20) 중의 CDA'의 기록) 및 구성 중의 시스템 게인항의 분해[예를 들어, 단계(50)]는 생략될 수 있고, 이는 시스템 게인항[예를 들어, 게인항(C)]에 의해 제공되는 정보가 액츄에이터 자체로부터 직접 얻어질 수 있기 때문이다.

그러나, 제작 중에 시스템 게인항 정보를 얻고 구성 중에 시스템 게인항을 분해하는 방법은 다른 것이 이용될 수 없으며 그러한 정보가 직접 얻어질 수 없는 경우에, 예를 들어 액츄에이터의 모델을 제공하기 위해 질량 유량 제어기의 임의의 실시예에 통상 적용될 수 있는 질량 유량 제어기를 구성하기 위한 방법을 제공한다. 따라서, 이러한 방법의 세부 사항은 도7c 내지 도7f에 도시된 실시예에서 설명된 제작 및 구성 단계 내로 통합되었다. 그러나, 본 발명의 태양은 이러한 방법을 사용하는 것에 제한되지 않고, 이러한 방법이 필요할 수 있는 질량 유량 제어기에 제한되지 않는다.

시스템 구성 단계(60)에서, 제어 파라미터는 질량 유량 제어기가 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동할 때 만족스러운 응답을 보이도록, 질량 유량 제어기가 구성되는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 결정된다. 일 실시예에 따르면, 역게인항은 처리 작동 조건에서 작동하는 질량 유량 제어기의 다양한 구성요소와 관련된 개별 게인항의 곱의 역수로부터 형성될 수 있다. 게인항은 밸브 및 밸브 액츄에이터의 물리적인 모델로부터 결정될 수 있다. 역게인항은 일정한 루프 게인을 제공하기 위해 질량 유량 제어기의 제어 루프에 인가될 수 있다.

예시적인 제작 및 구성 단계의 추가의 세부 사항이 이제 도7c 내지 도7f와 관련하여 설명된다.

도7c 및 도7d는 제작 중의 질량 유량 제어기의 조정 및/또는 보정 중에 구성 데이터를 얻기 위한 하나의 예시적인 절차를 도시한다.

도7e 및 도7f는 질량 유량 제어기가 조정 및/또는 보정된 것과 다른 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 질량 유량 제어기가 작동하도록 구성하기 위한 다른 예시적인 절차를 도시한다.

도7c 내지 도7f에 도시된 제작 및 구성을 위한 절차는 도1에 도시된 것과 유사한 질량 유량 제어기에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 그러한 태양은 그렇게 제한되지 않고 다양한 상이한 구성요소 및 작동 특징을 갖는 다양한 질량 유량 제어기에 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

도7c 내지 도7f에서, 질량 유량 제어기의 제작 중에 구성 데이터로서 저장될 수 있는 예시적인 정보가 "구성 데이터"라는 헤딩으로 712로 표시된 블록 내에 위치되어 도시되어 있다. 도면에 도시된 정보는 제한적이지 않으며 필수 조건으로 고려되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다. 질량 유량 제어기의 각각의 실시예는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동하도록 질량 유량 제어기의 구성을 용이하게 하는 상이한 일련의 구성 데이터를 가질 수 있다.

도7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 조정 단계(10) 및 밸브 특징화 단계(20)의 추가의 세부 사항을 도시한다. 센서 조정 단계(10)에서, 질량 유량 제어기의 유량계는 예를 들어 유체 스텝에 대해 만족스러운 동적 응답을 보이도록 조정된다. 유체 스텝은 유체 유량의 양의 스텝 및 음의 스텝 모두를 포함하는, 스텝 함수의 특징을 갖는 유체 유량의 변화를 언급한다.

단계(12)에서, 유체 스텝이 유량 센서에 인가된다. 유량 센서는 그 다음 단계(14)에서, 유체 스텝에 응답하여 스텝형 유량 신호가 제공되도록 조정된다. 이러한 스텝형 유량 신호의 바람직한 특징은 상승 시간, 정착 시간, 최대 초과 및 미달 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다시 도1 및 도2에 대해 설명된 질량 유량 제어기를 참조하면, 유량계를 조정하는 단계는 센서 및 센서 전자 부품(230)의 조정, 정규화(240) 및 응답 보상(250)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 응답 보상 필터(250)의 필터 계수는 도3에 도시된 바와 같이 신호를 재형성하도록 조정될 수 있다. 통상, 질량 유량 제어기의 각각의 실시예는 조정될 수 있는 상이한 일련의 파라미터를 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 센서 조정 과정(10)의 의도는 유량 센서가 만족스러운 동적 특징을 보이는 것을 보장하는 것이다. 도7c에 도시된 바와 같이, 센서 도관을 통한 전량 유동에 대해 1.0의 센서 출력을 제공하는 것과 관련된 정규화 게인은 구성 데이터로서 기록될 수 있다.

밸브 특징화 단계(20)에서, 테스트 유체가 공지된 입구 및 출구 압력에서, 일련의 선택된 설정점들 중 상이한 설정점들에서 질량 유량 제어기에 제공된다. 각각의 설정점에서, 생성된 구동 수준이 기록된다. 구동 수준이라는 용어는 밸브 액츄에이터에 제공되는 구동 신호의 값을 설명한다. 예를 들어, 구동 수준은 전류 또는 전압 전위의 측정값일 수 있다. 구동 수준은 또한 밸브의 기계적 변위를 제어하기 위해 전기 신호로 변환될 수 있는 디지털 제어 신호의 값일 수 있다. 도1의 신호(DS)는 구동 신호의 일례이고, 그의 값은 구동 수준이다.

일 실시예에서, 조정되지 않았지만 수렴되는 것으로 공지된 GLL 제어기가 이러한 단계 중에 사용된다. 따라서, 일련의 선택된 설정점들의 각각의 설정점은 센서 출력에 수렴할 것이다. 몇몇 실시예에서, 이러한 단계 중에 기록된 센서 출력 및 구동 수준 정보는 질량 유량 제어기의 복합 게인항을 계산하도록 사용된다. 예를 들어, 도7c의 밸브 특징화 단계(20)에서, 밸브 액츄에이터(160), 밸브(170), 및 유량계(110)와 관련된 게인항의 곱에 대응하는 복합 게인항(CDA')이 밸브의 특징화 중에 얻어진 정보로부터 계산된다.

단계(21)에서, 선택된 일련의 설정점으로부터의 일련의 설정점들이 질량 유량 제어기에 제공된다. 일련의 선택된 설정점은 임의의 적합한 방식으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 일련의 선택된 설정점은 질량 유량 제어기가 작동하도록 의도된 범위를 어느 정도 고려하는 전량 유동의 다양한 분획이다. 선택된 설정점은 값의 범위에 걸쳐 균일하게 이격될 필요는 없다. 또한, 임의 개수의 설정점이 선택될 수 있다. 통상, 선택되는 설정점의 개수는 질량 유량 제어기가 작동하도록 의도된 범위에 걸쳐 밸브 액츄에이터를 적절하게 특징화하기에 충분해야 한다.

도7c 내지 도7f에 도시된 다양한 선택된 일련의 설정점 각각은 서로 동일한 필요는 없다. 설정점이 각각의 세트 내에서 동일할 필요가 없다는 것을 설명하기 위해, 예를 들어 vt, cb 및 cf의 첨자가 각각 밸브 특징화, 보정, 및 구성 단계에 대해 선택된 설정점을 표시하도록 사용되었다. 그러나, 이러한 세트는 부분적으로 또는 전체적으로 동일할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

단계(21)에서, 제1 설정점(_vtS₀)이 선택된 일련의 설정점({_vtS₀, _vtS₁, _vtS₂, ...})으로부터 선택된다. 작은 편차(n)가 설정점(_vtS_i)에 대한 오프셋으로서 선택된다. 그 다음, _vtS + n이 제어기에 인가되고, 제어기는 수렴되도록 허용된다. 제어기가 수렴할 때, 센서 출력은 인가된 설정점과 동일할 것이다. 단계(22)에서, 생성된 구동 수준은 설정점(_vtS_i)에 대해 기록된다.

단계(23)에서, _vtS₀ - n이 제어기에 인가되어 수렴되도록 허용된다. 생성된 구동 수준은 다시 단계(24)에 도시된 바와 같이 기록된다. 단계(25)에서, 복합 게인항(CDA')이 결정된다. 예를 들어, 복합 게인항은 2개의 설정점 (즉, 2n)의 변화를 취하여 변화를 단계(22, 24)에서 기록된 구동 수준의 변화에 의해 나눔으로써 결정될 수 있다. 이러한 비율은 설정점(_vtS₀)에 대한 복합 게인항(CDA')을 나타낸다. 게인항(C, D)은 전술한 바와 같이, 각각 밸브 액츄에이터 및 밸브와 관련된다. 게인항(A')은 유량계와 관련되고, 선형화(260)의 기여가 없는 유량계의 게인 (즉, 센서 출력과 관련된 게인)을 나타낸다. 질량 유량 제어기가 각각의 설정점(_vtS_I)에 대해 수렴되는 센서 출력 값과, 그러한 설정점에서 결정된 복합 게인항(CDA')이 구성 데이터로서 저장될 수 있다.

단계(21 - 25)는 일련의 선택된 설정점 내의 설정점(_vtS_i) 각각에 대해 반복된다. 결과는 일련의 점 쌍({센서 출력, CDA'}_i)이다. 일 실시예에서, 일련의 점 쌍({센서 출력, CDA'}_i)은 질량 유량 제어기의 수동 조정을 위한 구성 데이터로서 기록된다. 또한, 단계(20)에서 기록된 각각의 CDA'에 대해, 역게인항(G = 1/CDA')이 형성될 수 있다. 이러한 역게인항(G)은 계속되는 제어기 조정 단계에서 제어기에 안정성을 제공하도록 제어기에 제공될 수 있다.

피드백 제어기 조정 단계(30)에서, 질량 유량 제어기의 피드백 제어기와 관련된 다양한 파라미터가 질량 유량 제어기에 제공되는 일련의 유체 단계에 대한 만족스러운 동적 응답을 제공하도록 조정된다. 질량 유량 제어기의 각각의 실시예는 상이한 제어 방법(예를 들어, GLL, PID, ID 등)을 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 질량 유량 제어기의 피드백 제어기를 조정하기 위한 한 가지 예시적인 절차가 이제 도4에 도시된 GLL 제어기에 대해 설명된다.

단계(32)에서, 단계(20)에서 이루어진 측정으로부터 형성된 역게인항(G)이 GLL 제어기에 인가된다. 단계(34)에서, 유체 단계가 설정점을 스테핑함으로써 질량 유량 제어기에 제공된다. 예를 들어, 도1의 SI₂는 설정점의 일련의 상이한 변화(ΔS_i)에 의해 변형된다. 상이한 ΔS_i는 제어기가 큰 스텝 변화(예를 들어, 전량 유동의 100%의 ΔS_i) 및 작은 스텝 변화(예를 들어, 전량 유동의 5%의 ΔS_i)에 대해 적절하게 조정되도록 선택될 수 있다. 다양한 ΔS_i의 개수 및 크기는 각각의 실시예에 대해 특정 질량 유량 제어기 실시예의 상이한 작동 요건에 따라 다를 수 있다.

단계(36)에서, GLL 제어기의 다양한 파라미터는 GLL 제어기가 다양한 ΔS_i에 의해 한정된 설정점의 상이한 변화에 대해 만족스럽게 응답하도록 설정된다. 예를 들어, PID 상수(K_p, K_i 등)를 포함한 파라미터는 설정점의 변화에 대해 원하는 응답을 제공하도록 조정될 수 있다. 조정될 수 있는 제어기의 다양한 특징은 상승 시간, 최대 초과/미달, 정착 시간 등을 포함하지만 그에 제한되지 않는다.

보정 단계(40)에서, 원하는 동적 응답을 위해 센서 및 제어기를 조정하고, 다양한 설정점에 대해 복합 게인(CDA')을 얻으면서, 질량 유량 제어기는 질량 유량 제어기가 만족스러운 정상 상태 응답을 갖는 것을 보장하도록 보정 단계를 겪는다. 질량 유량 제어기는 부분적으로 실제 유체 유량과 표시 유량 사이의 관계가 선형이도록 보정된다. 또한, 도7b의 보정 단계(40)에서 설명되는 바와 같이 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대한 질량 유량 제어기의 구성을 용이하게 하는 구성 데이터가 얻어질 수 있다.

보정 단계(40)의 단계(41)에서, 전량 범위가 질량 유량 제어기에 대해 정의된다. 일 실시예에 따르면, 실제 유체 유량은 1.0의 센서 출력에 대응하여 측정된다. 근사 선형화 곡선이 정의된 전량 범위 유동에서 표시 유량이 1.0 또는 그 근방의 값을 갖도록 제공된다. 근사 선형화 곡선은 그 다음 유량계(110)에 인가된다. 최대 센서 출력에 대한 1.0의 값 및 표시 유량은 예시적이며 임의의 원하는 수치로 대체될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

단계(43)에서, 제1 설정점(_cbS₀)이 일련의 선택된 설정점({_cbS₀, _cbS₁, _cbS₂, ...})으로부터 선택되어, 질량 유량 제어기에 인가된다. 그 다음 설정점으로부터 생성된 유동 경로[예를 들어, 유동 경로(103)] 내의 실제 유체 유량이 측정된다. 각각의 설정점에 대응하여, 센서 출력 및 실제 유체 유량이 기록된다. 분획 유량 (즉, 테스트 유체와 관련된 전량 범위에 의해 나누어진 실제 유체 유량)이 더 편리하다면 실제 유체 유량 대신에 기록될 수 있고 관련 정보가 두 표시 내에 존재한다는 것을 이해해야 한다. 단계(41, 43)는 일련의 선택된 설정점 내의 각각의 설정점(_cbS_i)에 대해 반복되어, 단계(44, 45)에 도시된 바와 같이 구성 데이터로서 저장될 수 있는 일련의 점 쌍({센서 출력, 실제 유체 유량}_i)을 생성한다.

점 쌍({센서 출력, 실제 유체 유량}_i)들 사이의 관계는 센서와 관련된 비선형성과, 상이한 유량에서 센서 도관 및 질량 유량 제어기를 통해 유동하는 유체의 비율 사이의 비선형성을 설명한다. 따라서, 선형화 곡선은 유체 유량과 표시 유량 사이의 관계가 선형인 것을 보장하기 위해 이러한 점 쌍으로부터 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 점 쌍({센서 출력, 실제 유체 유량}_i)과 관련된 비선형성을 교정하는 일련의 점들이 결정된다. 삼차 스플라인은 연속적이며 점(0, 0)(즉, 유체 유량 = 0이고 센서 출력 = 0)을 통과하는 선형화 곡선이 제공되도록 일련의 점에 맞춰진다. 단계(46)에서, 선형화 곡선이 질량 유량 제어기에 인가된다. 부분 선형 근사화, 다항 선형화 등을 포함하지만 그에 제한되지 않는 여러 다른 곡선 맞춤 방법이 선택적으로 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

단계(10 - 40) 중에, 구성 데이터는 테스트 유체 및 테스트 작동 조건에 대해 질량 유량 제어기의 다양한 제작 단계로부터 기록되었다. 구성 데이터는 처리 기체 및/또는 처리 작동 조건에서의 작동을 위한 질량 유량 제어기의 구성을 용이하게 하는 정보를 포함한다. 질량 유량 제어기의 수동 조정 중에 기록된 일련의 구성 데이터는 질량 유량 제어기의 특정 실시예에 의존하여 다를 수 있으며 도7c 및 도7d에 도시된 것으로부터 다를 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 질량 유량 제어기의 임의의 특정 실시예에 대한 구성 데이터는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서의 작동을 위한 질량 유량 제어기의 구성을 용이하게 하는 질량 유량 제어기의 제작 중에 얻어지는 데이터를 단지 설명한다.

예를 들어, 도7c 및 도7d에 도시된 실시예에서, 단계(10 - 40) 중에 기록된 구성 데이터는 센서 조정 파라미터, 센서 조정 단계로부터의 단일 게인, 조정 조건, 보정 조건, 일련의 점 쌍({센서 출력, CDA'}_i), 일련의 점 쌍({센서 출력, 실제 유체 유량}_i), 및 테스트 유체에 대한 전량 범위를 포함한다.

밸브 특징화 단계(20)에서, 점 쌍({센서 출력, CDA'}_i)이 기록되었다. 전술한 바와 같이, 복합 게인항(CDA')은 각각 밸브 액츄에이터, 밸브, 및 유량계와 관련된 게인항의 곱이다. 그러나, 복합 게인항(CDA')에 대한 게인항(C, D, A')의 개별 기여는 공지되지 않았다. 또한, A'는 유량계와 관련된 전체 게인항(A)의 단지 일부라는 것을 알 필요가 있다.

시스템 게인 분해(50)에서, 복합 게인항(CDA')에 기여하는 개별 게인항은 이어지는 시스템 구성 단계(60)에서 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 결정될 수 있도록 복합 게인항으로부터 분리된다. 그러나, 단계(51 - 56)는 예를 들어 밸브 액츄에이터의 정확한 모델이 이용 가능하거나 일련의 처리 작동 조건에 대해 액츄에이터와 관련된 게인이 직접 얻어질 수 있는 질량 유량 제어기의 특정 실시예에 대해 필요하지 않을 수 있다는 것을 이해해야 한다. 전술한 바와 같이, 시스템 게인 분해(50)는 밸브 액츄에이터의 거동을 모델링하는 더욱 일반적인 방법[예를 들어, 일련의 처리 작동 조건에 대한 게인항(C)을 얻는 방법]을 제공한다.

단계(51)에서, 게인항(A)이 결정된다. 전술한 실시예에서, 유량계는 전량 유동의 25%가 0.25의 표시 유량을 생성하고 전량 유동의 50%가 0.5의 표시 유량을 생성하고 전량 유동의 75%가 0.75의 표시 유량을 생성하도록 조정 및/또는 보정되었다. 유동 경로 내의 유체 유량과 표시 유량 사이의 관계는 선형이고, 따라서 유량계와 관련된 게인 [즉, 게인(A)]은 상수이다.

따라서, 게인(A)은 임의의 원하는 점에서의 유체 유량에 의해 표시 유량을 나눔으로써 단계(51)에서 직접 결정될 수 있고, 가장 간단하게는 전량 유동 및 선형화 곡선에 의해 보장되는 1의 관련 표시 유량이다. 따라서, 최대 표시 유량이 1인 실시예에서, 게인(A)은 전량 범위(즉, 특정 유체 종류에 대한 질량 유량 제어기를 통한 전량 유동의 값)의 역수에 상응한다. 통상, 게인(A)은 특정 유체 종류와 관련된 전량 범위에 의해 나누어진 최대 표시 유량값에 상응한다.

단계(52)에서, 복합 게인항(CDA)이 형성된다. 게인항(A')은 선형화 곡선의 기여가 없는 유량계와 관련된 게인이고, 게인항(A)은 선형화 곡선을 포함하는 유량계와 관련된 게인이다. 그러므로, A'와 A 사이의 관계는 선형화 곡선에 의해 정의된다. 따라서, 복합 게인항(CDA)은 선형화 곡선의 기여를 가산함으로써, 즉 CDA'를 선형화 곡선과 관련된 게인항에 의해 곱함으로써(예를 들어, CDA'를 선형화 곡선의 미분에 의해 곱함으로써) 직접 결정될 수 있다. 단계(52)의 각각의 반복 시에, 게인항(CDA_i)이 설정점(_dS_i)에서 형성되어 단계(53)에 제공된다.

단계(53)에서, 게인항(A)의 기여가 제거된다. 복합 게인항(CDA) 및 개별 게인항(A; 전량 범위의 역수)이 이제 공지되었으므로, 게인항(A)의 기여는 복합 게인항(CDA)으로부터 분리되어, 밸브 액츄에이터 및 밸브와 관련된 복합 게인항(CD)을 남길 수 있다. 단계(53)에 도시된 바와 같이, 게인항(CD_i)은 설정점(_dS_i)에서 형성되어 단계(54)에 제공된다.

전술한 바와 같이, 게인(C)은 구동 신호(예를 들어, GLL 제어기에 의해 제공되는 DS)의 대응하는 변화에 의해 나누어진 밸브 변위의 변화이다. 게인(D)은 밸브 변위의 대응하는 변화에 의해 나누어진 유체 유량의 변화이다.

단계(54)에서, 게인항(D)이 결정되고, 밸브 변위가 일련의 선택된 설정점에서 계산된다. 복합 게인항(CD)을 더욱 구별하기 위해, 밸브의 물리적인 모델이 특정한 일련의 작동 조건 하에서 특정 유체 유량을 달성하는데(즉, 게인(D)을 결정하는데) 필요한 밸브 변위를 결정하도록 채용된다. 이러한 결정을 하기 위해 사용될 수 있는 밸브의 한 가지 물리적인 모델이 "물리적인 밸브 모델"이라는 명칭으로 아래에서 섹션 D에서 예시되고 설명된다. 상이한 밸브 및 밸브 유형은 상이한 물리적인 모델을 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 임의의 특정 밸브의 특징을 모델링하도록 사용될 수 있는 한 가지 이상의 물리적인 모델이 있을 수 있다. 따라서, 본 발명은 임의의 특정 밸브 모델에 제한되지 않는다.

일 실시예에서, 게인(D)은 일련의 선택된 설정점({_dS₀, _dS₁, _dS₂, ...})에 의해 표현되는 각각의 유체 유량을 달성하는데 필요한 밸브 변위를 계산함으로써 결정된다. 편차(n)가 선택될 수 있고, 게인항(D)은 _dS_i - n 및 _dS_i + n에서의 밸브 변위를 계산하고 밸브 변위의 변화(예를 들어, 2n/Δ 변위)에 대한 설정점의 변화를 형성함으로써 결정된다. 또한, _dS_i에서의 변위가 결정될 수 있거나, _dS _i - n 및 _dS_i + n에서의 변위값이 _dS_i에서의 변위_i를 결정하기 위해 평균화될 수 있다. 도시된 바와 같이, 단계(54)의 각각의 반복 시에, 설정점(_dS_i)에서의 게인항(D_i) 및 밸브의 변위_i가 결정된다.

단계(55)에서, 게인항(D)은 복합 게인항(CD)으로부터 나누어져서, 게인항(C)을 분리한다. 또한, 일련의 점 쌍({C, 변위}_i)이 제작(710) 중에 사용되는 일련의 테스트 작동 조건에서의 액츄에이터 거동의 모델을 제공하도록 발생된다. 게인항(C; 밸브 액츄에이터와 관련된 게인)은 보통 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 직접 의존하지 않지만 밸브 변위의 함수일 수 있다는 것이 공지되어 있다. 단계(55)의 각각의 반복 시에, 게인항(C_i)은 설정점(_dS_i)에서 계산된 변위 _i에 대한 게인항(D_i)의 기여를 제거함으로써 형성되어 세트({C, 변위}_i) 내에 저장된다.

단계(52 - 55)는 일련의 테스트 작동 조건 하에서의 밸브 액츄에이터의 거동에 대한 정보를 이어지는 구성 단계에 제공하는 일련의 점 쌍({C, 변위}_i)이 발생되도록 각각의 선택된 설정점(_dS_i)에 대해 반복된다.

시스템 구성 단계(60)에서, 제어 파라미터는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 결정된다. 물리적인 모델은 유체 종류, 입구 및 출구 압력, 온도 등을 고려한다. 따라서, 게인(D)은 유체 종류 정보 및 처리 작동 조건을 물리적인 모델에 제공하고 다양한 대표적인 유체 유량값을 달성하는데 필요한 변위를 계산함으로써 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 계산될 수 있다. 밸브의 물리적인 모델 및 밸브 액츄에이터 거동의 모델로부터 결정된 변위로부터, 게인항(C)은 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 계산될 수 있다. 일 실시예에서, 액츄에이터의 거동의 모델은 시스템 게인 분해 단계(50)에서 발생된 지점 쌍{C, 변위}_i이다. 그러나, 밸브의 거동이 공지되거나 직접 측정될 수 있는 실시예에서, 게인(C)은 밸브로부터 직접 결정될 수 있다. 따라서, 게인항(C, D) 모두를 얻어서, 복합 게인항(CD)이 형성될 수 있다. 이후에, 게인(A)이 처리 유체에 대한 전량 범위를 결정함으로써 계산될 수 있다. 따라서, 시스템 게인항(CDA)은 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 결정될 수 있다.

시스템 게인항의 역수가 형성되어 GLL 제어기의 제어 루프에 인가될 수 있다 [예를 들어, 게인항(G)]. G는 설정점, 입구 및/또는 출구 압력, 온도 등과 같은 질량 유량 제어기의 하나 이상의 작동 조건의 함수일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 역게인항(G)은 질량 유량 제어기의 제어 루프가 G의 함수인 적어도 하나 이상의 작동 조건에 대해 일정한 루프 게인을 갖는다. 따라서, 질량 유량 제어기는 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동하도록 구성된다.

단계(61)에서, 질량 유량 제어기가 구성되어야 하는 처리 유체와 관련된 전량 범위가 결정된다. 전량 범위를 결정하는 한 가지 방법은 처리 유체의 비열 비율에 기초하여 변환 인자를 계산하는 것이고, 테스트 유체는 테스트 유체와 관련된 전량 범위의 시기를 맞춘다. 다른 방법이 특정 처리 유체와 관련된 전량 범위를 계산하기에 적절할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 특정 처리 유체와 관련된 전량 범위는 적절하다면 직접 측정될 수 있다.

단계(62)에서, 게인항(D)은 처리 유체 종류 정보 및/또는 처리 작동 조건을 물리적인 모델에 제공하고 대표적인 일련의 유량값({_cfS₀, _cfS₁, _cfS₂, ...})을 달성하는데 필요한 변위를 계산함으로써 밸브의 물리적인 모델로부터 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 결정된다. 전술한 바와 같이, 게인(D)은 편차(n)를 선택하고 _cfS_i - n 및 _cfS_i + n에서의 밸브 변위를 계산하고 밸브 변위의 변화(예를 들어, 2n/Δ 변위)에 대한 설정점의 변화의 비율을 형성함으로써 결정될 수 있다. 또한, _cfS_i에서의 변위가 결정될 수 있거나 _cfS_i - n 및 _cf S_i + n에서의 변위값이 _cfS_i에서의 변위를 결정하기 위해 평균화될 수 있다. 따라서, 단계(62)의 각각의 반복 시에, 설정점(_cfS_i)에서의 게인항(D_i) 및 밸브의 변위_i가 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 결정된다.

단계(63)에서, 게인항(C)이 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 결정된다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 게인(C)은 액츄에이터 자체로부터 직접 측정될 수 있다. 선택적으로, 게인항(C)은 시스템 게인 분해 단계(50)에서 발생된 점 쌍({C, 변위}_i) 내에 저장된 정보로부터 결정될 수 있다. 각각의 경우에, 단계(63)의 각각의 반복 시에, C_i가 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 설정점(_cfS_i )에 대응하는 변위_i에서 결정된다.

단계(64)에서, 게인항(D)은 게인항(C)과 곱해져서 복합 게인항(CD)을 생성한다. 도시된 바와 같이, 단계(64)의 각각의 반복 시에, 단계(53)로부터의 게인항(C_i)과 단계(52)로부터의 게인항(D_i)의 곱이 취해져서 설정점(_cfS_i )에서의 복합 게인항(CD_i)을 형성한다.

단계(65)에서, 게인항(A)의 기여가 제거된다. 게인항(A)이 단순히 전량 범위의 역수이므로, 복합 게인항(CD)은 처리 유체와 관련된 전량 범위에 의해 나누어져서 시스템 게인항(CDA)을 형성한다. 도시된 바와 같이, 단계(65)의 각각의 반복 시에, 복합 게인항(CD_i)은 전량 범위에 의해 나누어져서 설정점(_cfS_i)에서의 시스템 게인항(CDA_i)을 형성한다.

단계(66)에서, 시스템 게인항(CDA)의 역수가 계산되어 역게인항(G)을 형성한다. 도시된 바와 같이, 단계(66)의 각각의 반복 시에, 역수(CDA_i)가 형성되고, 생성된 설정점(_cfS_i)에서의 G_i는 블록(67)에 제공되어 역게인항(G)을 형성한다. 게인항(G)은 여러 기술에 의해 표현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 곡선이 점(G_i)에 맞춰질 수 있고, 점(G_i)은 색인표 내에 저장될 수 있거나 또는 그렇지 않으면 게인항(G)은 게인항의 정의와 관련하여 전술한 임의의 방식으로 표현될 수 있다. 또한, 게인항(G)은 하나 이상의 작동 조건의 함수일 수 있다. 도7f에 도시된 실시예에서, 게인항(G)은 설정점의 함수이다. 그러나, 게인(G)은 또한 질량 유량 제어기의 특정 실시예의 요구에 의존하는 하나 이상의 작동 조건의 함수일 수 있다.

단계(62 - 66)는 질량 유량 제어기가 작동하도록 구성되는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 대해 역게인항(G)을 결정하기 위해 선택된 설정점({_cfS₀, _cf S₁, _cfS₂, ...}) 각각에 대해 반복된다.

단계(68)에서, 역게인항(G)은 질량 유량 제어기의 제어 루프에 인가되어, 적어도 설정점에 대해 일정한 루프 게인을 제공한다. 통상, 게인항(G)은 적어도 그가 기능하는 작동 조건에 대해 일정한 루프 게인을 제공할 것이다.

처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에 기초하여 질량 유량 제어기의 시스템 게인을 결정함으로써 그리고 시스템 게인의 역게인항을 질량 유량 제어기의 제어 루프에 인가함으로써, 질량 유량 제어기는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동하도록 구성된다는 것을 이해해야 한다. 바꾸어 말하면, 질량 유량 제어기는 테스트 유체 및/또는 테스트 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 제작 후에 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동할 때 관찰되는 동일한 응답을 보이고, 즉 질량 유량 제어기는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동할 때, 만족스러운 응답을 보인다.

질량 유량 제어기를 구성하는 과정은 컴퓨터의 사용을 통해 자동화될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 단계(50, 60)는 메모리 내에 저장되어 개인용 컴퓨터와 같은 컴퓨터의 프로세서에서 실행되는 프로그램에 의해 전적으로 제어될 수 있다. 따라서, 질량 유량 제어기가 임의의 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동하도록 자동으로 구성될 수 있다.

본원에서 사용되는 자동 또는 자동으로라는 용어는 통상 주로 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 또는 그의 제어 하에서 활성화되는 상태를 말한다. 특히, 자동 작업, 단계, 과정, 및/또는 절차는 광범위한 작업자 관여 또는 감시를 요구하지 않는다. 따라서, 질량 유량 제어기의 자동 구성은 수동 관여를 요구하지 않는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서의 작동을 위한 질량 유량 제어기의 구성을 설명한다. 컴퓨터 프로그램의 제어 하에서의 질량 유량 제어기의 구성은 자동 구성으로 고려된다.

질량 유량 제어기를 컴퓨터 또는 프로세서에 연결하고, 프로그램의 실행을 개시하는 등과 같은 루틴 작업은 통상 수동으로 행해진다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 그러한 작업은 루틴으로 고려되며 질량 유량 제어기의 자동 구성의 일부일 수 있다.

도14는 임의의 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 자동 구성을 용이하게 하는 시스템을 도시한다. 시스템은 질량 유량 제어기(1000) 및 컴퓨터(800)를 포함한다.

질량 유량 제어기(1000)는 메모리(1002), 프로세서(1004), 및 도1에 대해 도시되고 설명된 질량 유량 제어기(1006)의 다양한 구성요소를 포함한다. 프로세서는 메모리에 결합되어 질량 유량 제어기의 구성요소 중 적어도 일부에 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 질량 유량 제어기의 작동은 GLL 제어기(150)가 프로세서(1004)에 의해 실시되도록, 프로세서의 제어 하에서 실시될 수 있다. 질량 유량 제어기(100)는 질량 유량 제어기의 제작 중에 얻어져서 메모리(1002) 내에 저장된 구성 데이터(1012)를 더 포함한다.

컴퓨터(800)는 메모리(802), 프로세서(804), 입력 장치, 및 메모리(802) 내에 저장된 프로그램(810)을 포함한다. 프로그램(810)은 프로세서(804) 상에서 실행될 때 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동하도록 질량 유량 제어기를 구성하는 것에 관계된 다양한 단계[예를 들어, 도7a의 단계(712), 도7b, 도7e 및 도7f의 단계(60, 70) 등]를 수행하는 지시를 포함한다.

컴퓨터(800)는 본 기술 분야에서 공지된 여러 연산 장치 중 하나일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 컴퓨터(800)는 개인용 컴퓨터, 랩탑, 휴대 장치, 또는 프로그램을 실행할 수 있는 임의의 다른 연산 장치일 수 있다. 더욱이, 컴퓨터(800)는 본 기술 분야에 공지된 여러 방식으로 질량 유량 제어기에 연결되어 그와 통신할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터(800)는 표준 병렬 포트 통신, 직렬 포트 통신, 유니버설 시리얼 버스(USB) 등을 포함하지만 그에 제한되지 않는 여러 표준 통신 방법을 사용하여 케이블을 거쳐 연결될 수 있다. 선택적으로, 컴퓨터(800)는 질량 유량 제어기와의 무선 연결을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명은 다양한 유형의 연산 장치, 연결 유형, 및 통신 방법이 적합하게 사용될 수 있으므로, 특정한 유형의 연산 장치, 입력 장치, 연결 유형, 또는 통신 방법에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 컴퓨터(800)는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 질량 유량 제어기를 구성하기 위해 질량 유량 제어기에 연결될 수 있다. 프로그램(810)은 그 다음 프로세서(804) 상에서 실행될 수 있다. 구성 입력이 입력 장치(808)에 제공될 수 있다. 구성 입력은 처리 유체 종류 정보, 처리 작동 조건, 및/또는 질량 유량 제어기의 구성에 관한 다른 정보를 포함할 수 있지만 그에 제한되지 않는다. 입력 장치는 키보드 또는 키패드, 마우스, 포인터 등으로부터 입력을 수신하기 위한 인터페이스 소프트웨어를 포함하지만 그에 제한되지 않는, 정보를 수신할 수 있는 여러 장치 중 하나일 수 있다.

프로그램(810)은 그 다음 질량 유량 제어기의 메모리(1002) 내에 저장된 구성 데이터(1012)를 얻을 수 있다. 구성 데이터 및 구성 입력으로부터, 프로그램(810)은 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 작동을 용이하게 하는 질량 유량 제어기에 대한 제어 파라미터를 결정한다. 프로그램(810)은 그 다음 기존의 제어 파라미터를 대응하게 변형함으로써 또는 질량 유량 제어기에 추가의 제어 파라미터를 추가함으로써 제어 파라미터를 질량 유량 제어기에 인가할 수 있다. 이러한 방식으로, 질량 유량 제어기는 처리 유체 및/또는 처리 작동 조건에서 작동하도록 자동으로 구성될 수 있다.

도15에 도시된 다른 실시예에서, 프로그램(810)은 질량 유량 제어기의 메모리(1002) 내에 저장될 수 있고, GLL 제어기(150)를 실시하도록 사용될 수 있는 프로세서(1004) 상에서 실행될 수 있다. 입력 장치(1008)가 질량 유량 제어기에 추가되어 질량 유량 제어기가 구성 입력을 수신하는 것을 가능케 할 수 있다. 따라서, 도15에 도시된 질량 유량 제어기(1000)는 자동 구성식이다.

D. 물리적인 밸브 모델

본 발명의 다른 태양에 따르면, 본 출원인은 2개의 구성요소, 점성 압력 강하 및 무점성(동적) 압력 강하로 주로 구성된 상이한 입구 및 출구 압력의 유동을 물리적으로 모델링하였다. 각각의 구성요소에 대한 밸브의 유효 변위가 동일한 경우에, 이러한 구성요소 각각의 기여를 합산함으로써, 밸브의 유효 변위가 다음의 방법을 사용하여 실험적으로 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 특정 유체에 대한 특정 유체 유량에서의 밸브의 유효 변위의 결정은 밸브와 관련된 게인항[예를 들어, 게인항(D)]과, 밸브 액츄에이터와 관련된 게인항[예를 들어, 게인항(C)]이 결정되는 것을 가능케 한다.

도16을 참조하면, 상류 또는 입구 압력이 P₁에 의해 표시되고 하류 또는 출구 압력이 P₂에 의해 표시되는 것을 허용하고, 그 다음 Q에 의해 표시된 질량 유량에서, 밸브 상승은 H에 의해 표시되고, 점성 효과만이 압력을 P₁으로부터 어떠한 중간 압력(P_x)으로 감소시킨다. 무점성 압축성 유동은 압력을 중간 압력(P_x)으로부터 P₂로 더욱 감소시킨다. 2개의 평행판 사이의 (예를 들어, 밸브 시트와 제트 표면 사이의) 유체의 점성 유동의 물리적인 모델에 기초하여 밸브(170)를 가로지른 점성 압력 강하를 모델링하여, 2개의 평행판 사이의 거리[예를 들어, 밸브(170)의 변위]가 다음의 방정식에 의해 제공된다.

(방정식 1)

여기서,

P₁, P_x: 점성 표면의 상류 및 하류 압력(psi)

Q: 질량 유량(sccm)

L: 유동 경로의 길이(ft)

H: 2개의 평행 표면 사이의 거리(ft)

w: 유동 경로의 넓이, w는 π·φ이고, φ는 플래토(1650)의 평균 직경이고, φ는 테스트 밸브에 기초하여 0.040"에 상응함.

μ: 기체의 동점성(센티 포아즈)

T: 절대 온도(deg. Rankine)

: 일반 기체 상수, 1545.33(ft-lbf/lb-mole-deg.R)

R: 기체 상수(ft-lbf/lbm-deg.R)

오리피스 또는 제트를 통한 유체의 비점성 유동의 물리적인 모델에 기초하여 밸브(170)를 가로지른 무점성 압력 강하를 모델링하는 것은 다음을 제공한다.

(방정식 2)

(질식 유동에 대해)

(방정식 3)

(비질식 유동에 대해)

다음과 같은 경우 유동은 질식되고,

(방정식 4)

그렇지 않으면 질식되지 않는다.

Q = 밸브를 통한 유량(sccm)

A = π·φ·H = 밸브 유효 면적(sq.in)

φ = 오리피스(1640)의 직경

M_w = 기체 분자량(gm/mol)

P_x,o = 상류 전체 압력(torr)

p₂ = 하류 정압(torr)

T_1,0 = 기체 온도(K)

γ = 비열의 비율

상기 점성 및 비점성 방정식으로부터, 밸브(170)의 유효 변위 (즉, H)가 쉽게 결정될 수 있다. 상기 비점성 계산에 대해 사용된 단위들 중 몇몇은 점성 계산에 사용된 단위와 다르게 나타나지만, 방정식들 사이에 일반적인 차이는 없으며, 단위 변환 인자는 각각의 방정식에서 수치 상수로 이미 형성되었다.

밸브의 유효 변위를 결정하기 위해, 측정된 질량 유량은 Q이고 측정된 상류 및 하류 압력은 P₁ 및 P₂로 각각 가정하고, 전체 압력에 대한 유속 수두의 기여를 무시하면, 밸브(170)의 유효 변위를 계산하는 방법이 수행될 수 있다. 유효 변위를 계산하는 한 가지 예시적인 방법은 시행 착오에 의해 중간 압력(P_x)을 추정하는 것이고, 여기서 유동이 질식되었는 지에 의존하여 (방정식 4), 점성 유동 이론(Hv, 방정식 1) 및 비점성 이론(Hi, 방정식 2 또는 3)으로부터 H의 값을 계산한다. 따라서, 중간 압력이 출구 압력의 대략 2배이면, 질식 유동이 가정될 수 있고, 방정식 2는 계산의 비점성 구성요소에 대해 사용되고, 입구 압력이 출구 압력의 대략 2배이면, 방정식 3이 계산의 비점성 구성요소에 대해 사용된다. 주어진 Q, P1, 및 P2에 대해, 올바른 P_x는 Hv 및 Hi가 서로 동일해 질 때 얻어진다. 따라서, 계산 계획은 P_x를 얻기 위한 연속된 반복을 포함한다. 계산은 Px를 P₁과 P₂ 사이의 중간으로 선택함으로써 시작된다. 그 다음, 점성 밸브 상승(Hv) 및 비점성 밸브 상승(Hi)이 계산된다. Hv가 Hi보다 크다고 결정되면, 즉 비점성 유동보다 더 요구되는 유동을 송출하기 위해 점성 유동에 대해 충분한 압력 차이가 없다는 것을 의미하면, 다음의 반복 중에, 다소 낮은 압력(P_x')이 하류 압력(P₂)과 이전의 압력(P_x ) 사이에서 선택될 것이다. 반복은 두 계산된 밸브 상승(Hv, Hi)이 서로에 대해 0.1% 이내가 될 때까지 계속된다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 이러한 반복적인 과정은 소프트웨어 내에서 수행될 수 있다. 이러한 반복적인 계산을 수행하기 위한 소프트웨어는 당업자에 의해 쉽게 수행될 수 있으며 컴퓨터 상에서 실시될 수 있다. 따라서, 상기 방법에 기초하여, 밸브(170)의 유효 변위는 각각의 여러 상이한 유량에 대해 결정될 수 있다.

전술한 바와 같이, 다양한 상이한 유체 또는 기체에서의 실험적인 테스트에 기초하여, 본 출원인은 질량 유량 제어기의 게인(A)의 부분적인 기여가 어떻게 하나의 기체마다 변하는 지를 결정하였고, 이는 그가 사용되는 유체 또는 기체의 비열에 의해 주로 지배되기 때문이다. 따라서, 질량 유량계(100)가 공지된 유체 또는 기체에서 보정되면, 이러한 게인이 어떻게 다른 유형의 기체에 대해 변하는지가 알려진다. 더욱이, GLL 제어기(150)의 게인(B)의 부분적인 기여는 질량 유량 제어기(100)에 대해 알려져 있고, 이는 이러한 게인을 결정하는 다양한 상수가 질량 유량 제어기(100)의 메모리 내에 저장될 수 있기 때문이고, 밸브 액츄에이터(160)의 게인(C)의 부분적인 기여는 효과적으로 일정하거나 알려져 있다. 따라서, 남은 것은 밸브(170)의 게인(D)의 부분적인 기여 및 기체 경로가 상이한 기체 및 상이한 작동 조건에 대해 어떻게 변하는지 그리고 질량 유량 제어기(100)가 초기에 보정된 것과 다른 유체 또는 기체에 대해 질량 유량 제어기(100)의 범위 변화를 어떻게 보상할 지를 결정하는 방식이다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 상이한 유체 또는 기체에 대해 또는 그가 조정된 상이한 작동 범위에서 거의 동일한 응답을 갖도록 질량 유량 제어기를 조정하도록 사용될 수 있는, 공지된 조건 하에서 공지된 유체 또는 기체에서 조정된 질량 유량 제어기를 구성하는 방법이 제공된다. 전술한 바와 같이, 질량 유량 제어기(100)는 초기에 공지된 입구 압력 및 공지된 출구 압력에서 공지된 기체(예를 들어, 질소)에 대해 조정된다. 간단하게 하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 공지된 입구 압력을 2기압 및 주위의 출구 압력보다 높게 선택한다. 입구 및 출구 압력의 이러한 선택은 두 가지 이유로 유리하다. 첫째로, 질식 유동에 관한 입구 및 출구 압력의 사용은 밸브 및 밸브 기체 경로의 물리적인 모델링을 용이하게 하고, 이는 단지 질식 유동 조건만이 비점성 압력 강하 방정식에 대해 사용될 수 있기 때문이다. 둘째로, 이러한 유형의 작동 (즉, 대략 2기압의 압력 강하)는 최종 사용자에 의해 사용되는 작동의 유형에 전형적이다. 이러한 조건 하에서, 기체 경로의 게인은 다음과 같은 정의될 수 있다.

(방정식 5)

이러한 동일한 질량 유량 제어기를 기체("x")에 대해 새로운 전량 유동 범위로 작동시키기 위해, 질량 유량 제어기(100)의 폐쇄 루프 게인은 다음과 같이 변하는 것으로 예상될 수 있다.

(방정식 6)

여기서,

Cfc_x = 기체(x)에 대한 변환 인자("C")

Mw = 기체의 분자량

상기 방정식은 입구 압력, 온도, 및 비열의 비율의 함수인 추가의 항이 있으므로, 근사적이다. 그러나, 이러한 추가 항의 효과는 0.4 제곱이며, 보통은 무시될 수 있다. 예를 들어, 질량 유량 제어기(100)의 보정이 초기에 공지된 유체 또는 기체로서 질소에서 수행되었다고 가정하면, 이러한 추가 항의 값은 질소 및 다른 2원자 기체에 대해 0.684이고, 1원자 기체에 대해 0.726까지 올라가고, 다원자 기체에 대해 0.628까지 내려가고, 그 다음 0.4 제곱으로 상승된다. 따라서, 질소로부터의 차이는 기껏해야 3.5%이며, 보통 무시될 수 있다. 보정 시에 사용된 것과 다른 기체 또는 다른 작동 조건에서의 게인의 상기 변화를 보상하기 위해, 게인항(G)은 상기 비율의 역수만큼 변화되어, 설정점, 작동 조건, 및 사용되는 유체 또는 기체의 유형에 관계없이, 질량 유량 제어기에 대해 일정한 폐쇄 루프 게인을 제공한다. 즉, 질량 유량 제어기의 폐쇄 루프 게인이 A*B*C*D이면, 게인항(G)은 일정한 시간[1/(A*C*D)]으로 설정되어, 보정 중에 사용된 것과 동일한 일정한 폐쇄 루프 게인을 제공한다.

E. 힘 밸브 모델

한 가지 적합한 힘 모델이 도1에 도시된 바와 같이 자유 부동 플런저를 사용하는 밸브와 관련하여 설명될 것이다. 플런저(#)의 위치는 여러 힘의 균형에 의해 제어된다. 제1 힘은 플런저를 그의 복귀 위치로 복원시키려고 하는 스프링력이다. 제2 힘은 전자 부품의 제어 하에서 플런저를 그의 복귀 위치로 이동시키려고 하는 솔레노이드로부터의 자력이다. 제3 힘은 플런저를 (정방향 유동 밸브에 대해) 제트를 향해 그리고 (역방향 유동 밸브에 대해) 제트로부터 멀리 이동시키려고 하는, 제트 오리피스 및 플래토에 걸쳐, 플런저의 후면과 플런저의 면 사이의 압력 차이이다. 제4 힘은 제트 플래토 영역 외부에서 플런저의 후면과 플런저의 면 사이의 유동 의존성 압력 차이이다. 이러한 효과는 제트 설계에 의해 적절하게 제어될 수 있다.

플런저에 대한 자력은 밸브 역학(구조 및 재료), 밸브 구동 전류, 및 밸브 변위에 의존한다. 0의 압력 강하에서, 구동 전류와 변위 사이의 관계가 계산될 수 있다. 이는 공칭 밸브의 자성 모델을 이용함으로써 행해질 수 있다. 구동 전류와 변위 사이의 관계는 특정 유체 유량에서의 밸브 게인 측정으로부터 계산될 수도 있거나, 또는 제트를 통해 관찰하는 레이저 간섭계에 의해 직접 측정될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

임의의 주어진 변위 및 구동 전류에서, 전류에 대한 자력의 미분(dF/dL)이 계산될 수 있다. 이는 공칭 밸브의 자성 모델로부터 계산될 수 있다.

Fg(p)는 압력 강하(p)에 의해 플런저 상에 가해지는 힘이다.

Fm(d, l)은 상승(l)에서 밸브 구동(d)에 의해 플런저 상에 가해지는 힘이다.

Fs(l)은 상승(l)에서 스프링에 의해 플런저 상에 가해지는 힘이다.

L = 밸브 상승

D = 0의 압력 강하에서 상승(L)을 제공하는데 요구되는 밸브 구동

Dd = 밸브 구동의 미소 변화

D' = 압력 강하(P)에서 상승(L)을 제공하는데 요구되는 밸브 구동

P = 밸브를 가로지른 압력 강하

주어진 밸브에 대해, (밸브의 자성 모델로부터) 다음을 알 수 있다.

Fm(D, L)

Fs(L)

평형 및 0의 압력 강하에서, 다음을 갖는다.

Fm(D, L) + Fs(L) = 0

이는 0의 압력 강하에서 L(D)를 계산할 수 있게 한다.

임의의 밸브 상승(L)에 대해 다음을 갖기를 희망한다.

Fm(D, L) = Fm(D', L) + Fg(P)

Fm은 작은 Dd에 대해 선형이라고 가정한다.

Fm(D + Dd, L) = Fm(D, L) + Dd*dFm/dD

이는 다음을 제공한다.

Fm(D, L) = Fm(D, L) + Dd*dFm/dD + Fg(P) ⇒ Dd = -Fg(P)/dFm/dD

Fg가 P에 비례하므로, 이를 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

Dd = Kp*P/(dFm/dD)

이는 밸브 구동기를 D 대신에 D'로부터 구동함으로써 플런저 위치를 P와 독립적으로 만들 수 있게 한다.

D' = D + Kp*P/(dFm/dD) (방정식 11)

따라서, 방정식 11은 전술한 바와 같은 변위 보상(예를 들어, 도9 및 도13에 도시된 바와 같은 변위 보상)에 의해 사용될 수 있다. 특히, 압력 강하(P)는 밸브 환경 내의 압력 측정으로부터 결정될 수 있다. 압력 강하를 표시하는 압력 신호는 변위 보상 블록으로 입력될 수 있다. 변위 보상 신호는 Kp*P/(dFm/dD)에 관련될 수 있다. 예를 들어, 변위 보상 신호는 Kp*P/(dFm/dD)에서 설명되는 바와 같이 변위를 달성하는데 필요한 구동 수준일 수 있다. 이러한 변위 보상 신호는 그 다음 압력 유도식 밸브 변위를 보상하기 위해 제어 루프로부터 송출된 구동 신호에 추가될 수 있다.

예를 들어, 질량 유량 제어 밸브 액츄에이터 또는 구동기는 GLL 제어기로부터 밸브 구동 신호(D)를 수신하여, 이를 원하는 전류(I)로 변환하고 그 다음 이 값을 요구되는 PWM 설정으로 변환할 수 있다. 교정된 밸브 구동 신호(D')를 다음과 같이 계산할 필요가 있다.

D' = D + Kp*(Pi - P₀)/dF(D)

Kp는 밸브 구동 기여이고,

Pi는 입구 압력이고,

P₀는 가정되거나 측정된 출구 압력이고,

dF(D)는 D 및 D에서 평가된 dFm/dD의 임의의 함수이다.

따라서, 변위 보상은 밸브에 의해 보여지는 입구 및 출구 압력 사이의 압력 구배에 기인한 밸브 변위를 보상하도록 실시될 수 있다.

dF(D)항은 주어진 제어기/밸브 조합에 대해 고정될 수 있으며, 특정 유형의 밸브에 대해 그리고 그러한 유형의 밸브를 갖는 각각의 질량 유량 제어기에 대해 이용되는 dF(D)를 결정하는 것이 가능할 수 있다. 따라서, dF(D)는 밸브 의존적일 수 있으며, 따라서 상이한 밸브 유형에 대해 결정될 필요가 있을 수 있다. dF(D)를 결정하기 위한 한 가지 방법이 아래에서 설명된다.

밸브의 자성 모델이 특정 밸브에 대한 dF(D)를 결정하도록 사용될 수 있다. 밸브 플런저에 대한 자력은 밸브 구동 및 상승의 함수이다. 0의 압력 강하에서의 상승은 자력 및 스프링 상수의 함수이고, 따라서 또한 밸브 구동의 함수이다.

밸브 기하학적 형상 및 스프링 상수가 주어지면, 공칭 밸브의 유한 요소 자성 모델이 다양한 밸브 구동 수준에 대한 힘 대 상승 곡선을 제공할 수 있다. 유사하게, 스프링 상수는 스프링에 대한 스프링력 대 상승 선을 제공한다.

(주어진 구동 수준에 대한) 힘 대 상승 곡선 및 스프링력 대 상승 선의 교차점은 그러한 구동 수준에서의 공칭 상승을 제공한다. (상이한 구동 수준에서의) 여러 힘 대 상승 곡선 및 스프링력 대 상승 선은 구동의 함수, L(D)로서 공칭 상승을 제공한다.

정의에 의하면, 0의 압력 강하에서 밸브 구동(D)에 대해 예상되는 고정된 상승이 주어지면, dF(D)는 밸브 구동(D)에 대한 밸브 플런저 상의 자력의 미분이다.

여러 구동 수준 각각에 대해, 공칭 상승[L(D)]을 계산할 수 있다. 각각의 상승에 대해, 밸브의 동일한 유한 요소 자성 모델은 힘 대 전류 곡선을 제공할 수 있다. dF(D)는 단순히 D에서 평가된, L(D)에 대해 계산된 힘 대 전류 곡선의 미분이다.

따라서, 정합된 D 및 F(D)의 쌍은 제어기에 의해 사용하도록 도표화될 수 있다. 예를 들어, dF(D)는 밸브 구동기, 솔레노이드, 및 밸브의 거동에 대한 조각적 근사화일 수 있다. 일 실시예는 (D, dF) 밸브 쌍에 의해 특정된 조각적 선형 근사화를 형성하는 것을 포함한다. 일련의 점 쌍은 밸브의 자성 모델로서 질량 유량 제어기 내에 저장될 수 있다. 점 쌍은 전술한 바와 같이 변위 보상 신호를 계산하기 위해 인덱싱될 수 있다.

Kp는 질량 유량 제어기의 제작 시에 측정될 수 있는 밸브 기여 게인항이다. Kp를 결정하기 위한 한 가지 방법은 다음과 같이 진행된다.

1. 다음의 요구를 만족시키는 (입구 압력, 설정점)의 2개의 쌍을 선택한다.

a. 두 쌍은 조합된 점성/비점성 밸브 모델에 대해 동일한 밸브 개방을 요구한다.

b. 높은 입구 압력에서의 압력 강하는 낮은 입구에서의 압력 강하의 적어도 2배 (양호하게는 4배 이상)이다.

c. 밸브 모델은 점성 및 비점성 모델이 결과에 대해 동일하게 기여할 때 가장 덜 정확하다. 두 쌍에 대해, 유량은 동일한 모델(점성 또는 비점성 유동)에 의해 대략적으로 결정되어야 한다. 이것이 참이면, 밸브 모델은 두 경우에 동일한 말단(입구 또는 출구) 근방에서 중간 압력을 제공한다.

d. 유동은 밸브 개방에 매우 민감하다. 점성 유동에 대해, 이는 최고 설정점에서 일어난다. 비점성 유동에 대해, 이는 최저 설정점에서 일어난다.

2. 제어기 내에서 Kp = 0으로 설정한다.

3. 입구 압력 및 설정점을 선택된 밸브의 쌍 사이에서 적어도 4회(양호하게는 10회) 순환시킨다. 매번, 높고 낮은 입구 압력 하에서, 유동 안정화 후에, 표시된 입구 압력(Pi) 및 밸브 구동(D) 신호를 기록한다.

4. 기록된 값을 평균화하여 다음을 제공한다.

Pi1 = 낮은 입구 압력 하에서의 평균 표시 입구 압력

Pi2 = 높은 입구 압력 하에서의 평균 표시 입구 압력

D1 = 낮은 입구 압력 하에서의 평균 밸브 구동(D)

D2 = 높은 입구 압력 하에서의 평균 밸브 구동(D)

5. 다음을 정의한다.

P₀ = Pi1 및 Pi2와 동일한 단위로 변환된, 테스트 중의 평균 출구 압력

6. 다음을 계산한다.

Pd1 = Pi1 - P₀

Pd2 = Pi2 - P₀

D0 = D1 - (D2 - D1)*(Pi1 - P₀)*(Pi2 - Pi1)

Kp = ((D2 - D1)/(P2 - P1))/dF(D0)

따라서, K_p는 제작 중에 각각의 유닛에 대해 조정되어야 한다.

다른 개선 및 변경이 본 발명의 다양한 태양에 따라 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 태양에 따르면, 피드 포워드 보상이 압력 정보를 사용하여 시스템 상에서 수행될 수 있다. 압력 전이 (및 상이한 값의 정압)이 밸브 작동에 영향을 주기 때문에, 밸브 작동에 대한 압력의 영향의 예측이 이루어져서 보상될 수 있다. 예를 들어, 밸브에 대한 압력의 영향이 결정될 수 있고, 밸브 구동 신호가 압력 및 압력 전이로 인해 유도된 밸브 이동을 감소시키도록 보상될 수 있다. 일 실시예에서, 밸브의 플런저를 고정되게 유지하는데 필요한 밸브 구동 신호의 변화가 예측될 수 있다.

일 실시예에서, 피드 포워드 보상은 사용되는 밸브의 모델을 생성하고, 동일한 밸브 개방을 요구하는 유량/압력 상태의 적어도 두 세트를 선택하고, 시스템을 작동시키기 위한 파라미터를 발생시키도록 사용될 수 있는 보정값을 생성하도록 밸브 구동 신호를 측정함으로써 수행될 수 있다. 특히, 밸브의 모델은 힘 대 변위 대 구동 전류 곡선으로부터 생성될 수 있다. 밸브 자체의 물리적 특성에 기초한 모델을 사용하여, 적어도 2개의 유량과, 모델링된 밸브에 대해 동일한 밸브 개방을 요구하는 적어도 2개의 대응하는 압력 상태가 선택된다. 압력 및 설정점은 작동 조건의 이러한 선택된 쌍들 사이에서 순환되고, 밸브 구동 설정이 각각의 작동 조건에서 기록된다. 이러한 밸브 구동 설정은 장치에 대해 적절한 작동 파라미터를 발생시키기 위해 밸브 모델과 관련하여 사용될 수 있는 보정 상수를 제공한다. 만족스러운 측정을 얻기 위해, 양호한 전자식 압력 제어기가 압력을 적절하게 순환시키도록 사용될 수 있다. 더욱이, 사용되는 각각의 밸브 구성에 대해 힘 대 변위 대 구동 전류 곡선을 개발하는데 시간과 노력이 필요할 수 있다.

일 실시예에서, 보정 상수는 2개의 상이한 입구 압력에서 밸브 기준(밸브를 개방시키기 시작하는 전류)을 측정하고, (거짓이더라도) 액츄에이터 게인이 상수라는 가정을 함으로서 도출될 수 있다. 적절한 밸브 모델과 조합된 밸브 기준 조절은 다른 보상 방법에 대한 현저한 개선이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 압력 정보(예를 들어, 압력 신호)를 또한 사용하는 불감 체적 보상 조정 과정이 수행될 수 있다. 특히, 압력 신호는 일정한 게인을 제공하기 위해 GLL 제어기 내의 게인을 조절하도록 사용될 수 있다. 압력 전이가 물리적인 밸브 모델에 영향을 주고, 따라서 게인이 이러한 압력 영향을 보상하도록 조절될 수 있다는 것이 인식되었다.

일 실시예에서, 보상은 다음의 과정을 사용하여 수행될 수 있다.

1. 제어기 내로 압력 스텝을 보낸다. 일 실시예에서, 입구 압력은 대략 30 PSIG로부터 대략 32 PSIG로 스텝형으로 상승한다. 다른 압력도 작용하지만, 너무 큰 압력 스텝은 잘못된 결과를 제공한다는 것이 인식되었다. 입구 압력을 제공하도록 사용되는 테스트 장치는 가능한 한 사각파 스텝에 가까운 압력을 제공하도록 변형될 수 있다.

2. 스텝 중의 압력 트랜스듀서 및 유량 센서의 출력을 기록한다.

3. 기록된 압력 트랜스듀서 출력을 (미분기를 포함한) 보상 필터의 모델을 통과시키고, 트랜스듀서의 출력을 기록된 유량 센서 출력과 비교한다. 매번 모델을 재실행하면서, 두 신호들 사이의 차이를 최소화하기 위해 필터 파라미터를 조절한다. 차이가 만족스러운 수준 내에 있으면, 필터 조절은 정지될 수 있고, 테스트 조건이 기록되고, 최종 필터 파라미터가 장치 내에서 설정될 수 있다.

상기 최소화 방법이 사용될 수 있지만, 임의 개수의 최소화 방법이 사용될 수 있으며, 본 발명은 임의의 특정 방법에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 한 가지 방법은 전형적인 유닛으로부터 결정된 기본 필터 파라미터를 사용하고, 필터 파라미터를 선단과 조화되도록 조절하고, 파라미터를 동결하고, 다른 파라미터를 피크와 정합되도록 조절하고, 이를 동결하고, 그 다음 나머지 파라미터를 후단과 정합되도록 조절하는 것을 포함할 수 있다. 각각의 단계에서, 예를 들어, 다양한 선형 최소 제곱 맞춤이 파라미터를 조절하도록 사용될 수 있다. 더욱이, 다른 최소화 알고리즘이 동일하게 사용될 수 있다.

또한, 불감 체적 보상은 각각의 처리 기체에 대해 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 미분기[예를 들어, 도8의 미분기(820)]의 일부인 게인 조절부가 있다. 미분기 게인은 주위 온도(예를 들어, 절대 온도)에 의해 나누어진 게인 상수에 상응하고, 게인 상수는 전술한 조정 소프트웨어에 의해 요청된 게인으로 (공칭) 설정되고, 조정 데이터가 수집되었을 때 주위 온도(절대 온도)에 의해 곱해지고, 조정 기체로부터 처리 기체로의 변환 인자에 의해 나누어질 수 있다.

1. 유닛이 넓은 온도 범위에 걸쳐 작동하도록 되어 있으면, 성능은 1/T에 비례하는 전체 게인을 선택함으로써 그러한 범위의 단부에서 개선될 수 있고, T는 절대 온도이며, 이는 압력 변화로 인한 이상 기제에 대한 총 질량 유량이 1/T에 비례하고 통상 사용되는 센서가 질량 유량 센서이기 때문이다.

2. 기체 종류가 유량 센서의 게인에 영향을 준다. 유닛이 유닛이 조정된 것과 다른 기체에 대해 사용되어야 하면, 전체 게인은 적절하게 조절될 필요가 있다. 게인이 대응하여 조절되지 않으면, 불감 체적 보상은 실제로 성능을 불감 체적 보상이 없는 경우보다 더 열악하게 만들 수 있다.

3. 기체 종류는 또한 유량 센서의 응답에 영향을 준다. 알고리즘의 성능은 필터 파라미터가 기체 종류의 함수로서 조절되면 개선될 있다.

4. 유량 센서의 게인은 또한 유량에 따라 변하고, 게인은 (전형적으로) 높은 유량에서 감소한다. 높은 유량 수준에서의 성능은 전체 게인을 유량의 함수로 만들어서 개선될 수 있다. 게인은 다음과 같이 관련될 수 있다.

게인 = g0 + KG*설정점

여기서, KG는 (g0에 비해) 작고, 전형적으로 음의 값이다. 설정점이 유량과 적당히 유사하다고 가정하면, 이러한 상기 관계는 유량의 함수로서 게인을 효과적으로 감소시킨다. 선택적으로, 실제 표시 유량이 대신 사용될 수 있다.

더욱이, 게인을 유량의 더 복잡한 함수로 만들거나, 센서를 선형화한 후에 거짓 유량 신호를 감산하는 것을 포함한 다른 개선이 이루어질 수 있다.

5. 유량 센서의 응답도 유량에 따라 변한다. 그러나, 현재의 하드웨어에 대해, 변화는 작아서, 성능의 작은 개선이 필터 캐스케이드 파라미터를 설정점 또는 유량의 함수로 만들어서 이루어질 수 있다.

본 발명의 여러 실시예가 상세하게 설명되었지만, 다양한 변형 및 개선이 당업자에게 명백할 것이다. 그러한 변형 및 변경은 본 발명의 범주 내에 있다. 따라서, 상기 설명은 단지 예시적이며, 제한적인 것이 아니다. 본 발명은 다음의 청구범위 및 그의 등가물에 의해서만 제한된다.

Claims (64)

1. 입구측 및 출구측을 갖는 유체 유동 경로에 결합되어 유동 경로를 통해 감지된 유체 유량을 표시하는 센서 출력 신호를 제공하도록 되어 있는 유량 센서를 포함하는 유량 제어기에서의 방법이며,

   유동 경로의 적어도 하나의 압력을 측정하는 단계와,

   적어도 하나의 압력을 측정하는 단계에 기초하여 센서 출력 신호를 조절하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 압력에 기초하여 적어도 하나의 압력 신호를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 유동 경로의 내의 압력 변화로 인한 유량 센서의 응답을 모방한 거짓 유량 신호를 제공하기 위해 적어도 하나의 압력 신호를 필터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 센서 출력을 조절하는 단계는 센서 출력 신호로부터 거짓 유량 신호를 감산하는 단계를 포함하는 방법.
5. 유량 센서로부터의 센서 출력 신호를 변형시키는 방법이며,

   유동 경로의 적어도 하나의 압력 측정에 기초하여 압력 변화로 인한 유량 센서의 응답에 대응하는 거짓 유량 신호를 구성하는 단계와,

   센서 출력 신호로부터 거짓 유량 신호를 감산하는 단계를 포함하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 적어도 하나의 압력 측정을 표시하는 압력 신호를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 거짓 유량 신호를 구성하는 단계는 압력 신호를 그가 센서 출력 신호와 대체로 시정렬되도록 지연시키는 단계를 포함하는 방법.
8. 제6항에 있어서, 거짓 유량 신호를 구성하는 단계는 압력 신호를 미분하는 단계를 포함하는 방법.
9. 제6항에 있어서, 거짓 유량 신호를 구성하는 단계는 적어도 하나의 필터로 압력 신호를 필터링하는 단계를 포함하고, 적어도 하나의 필터는 유동 경로 내의 압력 변화에 대한 유량 센서의 응답을 모방한 전달 함수를 갖는 방법.
10. 제9항에 있어서, 적어도 하나의 필터는 직렬로 연결된 복수의 2차 필터를 포함하고, 복수의 2차 필터 각각으로부터의 출력은 개산되고 합산되어 거짓 유량 신호를 제공하는 방법.
11. 유동 경로에 결합된 유량 센서에 의해 제공되는 센서 출력 신호로부터, 압력 전이에 기인한 유량 변화에 응답하여 유량 센서로부터 생성된 거짓 유량 정보를 제거하는 방법이며,

    유동 경로 내의 적어도 하나의 압력을 측정하는 단계와,

    적어도 하나의 압력 측정을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 단계와,

    적어도 하나의 압력 신호로부터 거짓 유량 신호를 구성하는 단계와,

    유체 경로 내의 유체 유량을 표시하는 유량 신호를 제공하기 위해 센서 출력 신호로부터 거짓 유량 신호를 감산하는 단계를 포함하는 방법.
12. 불감 체적 보상 방법이며,

    유체 유동 경로 내의 압력 변화로 인한 불감 체적을 충전하는 유체에 대한 센서의 응답을 예측하는 단계와,

    센서 출력 신호로부터 거짓 유량 정보를 본질적으로 제거하기 위해 예측된 응답에 기초하여 센서에 의해 제공되는 센서 출력 신호를 변형시키는 단계를 포함하는 방법.
13. 도관 내에서 유동하는 유체의 유량을 결정하는 방법이며,

    a) 도관 내에서 유동하는 유체의 유량을 감지하는 단계와,

    b) 도관 내에서 유동하는 유체의 압력 변화를 측정하는 단계와,

    c) 단계(a)에 의해 감지된 유체의 유량에 대한 압력 변화의 영향을 결정하는 단계와,

    d) 도관 내에서 유동하는 유체의 유량을 결정하기 위해 압력 변화의 효과에 기초하여 유체의 감지된 유량을 변형시키는 단계를 포함하는 방법.
14. 유동 경로 내의 유체 유량을 측정하도록 되어 있으며 유동 경로 내에서 감지된 유체 유량에 응답하여 센서 출력 신호를 제공하는 유량 센서와,

    유동 경로 내의 적어도 하나의 압력을 측정하여 각각의 적어도 하나의 측정된 압력에 관련된 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 적어도 하나의 압력 트랜스듀서와,

    적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 유동 경로 내의 압력 전이에 대한 유량 센서의 응답을 근사화하는 거짓 유량 신호를 구성하도록 되어 있는 보상 필터와,

    센서 출력 신호 및 거짓 유량 신호를 수신하여 센서 출력 신호와 거짓 유량 신호 사이의 차이에 관련된 유량 신호를 제공하는 감산기를 포함하는 유량계.
15. 제14항에 있어서, 보상 필터는 압력 전이에 대한 유량 센서의 응답과 대체로 시정렬되도록 적어도 하나의 압력 신호를 지연시키는 지연 블록을 포함하고, 지연 블록은 적어도 하나의 지연된 압력 신호를 제공하는 유량계.
16. 제15항에 있어서, 보상 필터는 지연된 압력 신호를 수신하는 미분기를 포함하고, 미분기는 미분 신호를 제공하기 위해 지연된 압력 신호의 미분계수를 결정하도록 되어 있는 유량계.
17. 압력 신호로부터 거짓 유량 신호를 발생시키기 위한 보상 필터이며,

    유체 경로 내의 압력을 표시하는 압력 신호를 수신하여 미분 신호를 제공하기 위해 압력 신호의 미분계수를 결정하도록 되어 있는 미분기와,

    미분 신호를 압력 전이에 응답하여 유량 센서에 의해 발생되는 거짓 유량 정보를 표시하는 거짓 유량 신호로 변환하도록 되어 있는 전달 함수를 갖는 적어도 하나의 필터를 포함하는 보상 필터.
18. 밸브의 제어되는 부분의 위치의 유체 압력 유도식 변화를 보상하는 방법이며,

    밸브 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하는 단계와,

    적어도 하나의 압력 측정을 각각 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 단계와,

    적어도 하나의 압력 신호에 기초하여 밸브의 제어되는 부분의 변위를 계산하는 단계와,

    계산된 변위에 반대인 부호를 가지며 크기가 대체로 동일한 양으로 밸브의 제어되는 부분을 이동시키기 위한 보상 구동 수준을 발생시키는 단계를 포함하는 방법.
19. 압력 전이로 인한 밸브의 제어되는 부분의 이동을 방지하는 방법이며,

    압력 전이가 밸브 환경의 적어도 하나의 압력 측정에 기초하여 밸브의 제어되는 부분을 이동시키는 변위를 예측하는 단계와,

    예측된 변위를 상쇄하도록 밸브의 제어되는 부분을 이동시키는 단계를 포함하는 방법.
20. 유동 경로에 결합된 장치이며,

    유동 경로 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하여 적어도 하나의 측정 압력을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 압력 측정 장치와,

    적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 유동 경로 환경 내의 압력 변화에 기인한 유동 경로에 결합된 밸브의 밸브 변위를 보상하기 위한 구동 수준을 표시하는 변위 보상 신호를 제어하기 위한 변위 보상 수단을 포함하는 장치.
21. 제20항에 있어서, 변위 보상 수단은 힘 밸브 모델에 기초하여 변위 보상 신호를 계산하기 위한 수단을 포함하는 장치.
22. 제21항에 있어서, 힘 밸브 모델은 밸브의 자성 모델을 포함하는 장치.
23. 제21항에 있어서, 힘 밸브 모델은 밸브 환경 내의 압력 구배를 표시하는 파라미터를 갖는 장치.
24. 유체 유동 경로 내의 유체 유량을 감지하여 감지된 유체 유량을 표시하는 센서 출력 신호를 제공하도록 되어 있는 유량 센서와,

    유체 유동 경로 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하여 적어도 하나의 측정 압력을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하도록 되어 있는 적어도 하나의 압력 트랜스듀서와,

    적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 적어도 하나의 압력 신호에 관련된 거짓 유량 신호를 구성하는 보상 필터를 포함하는 유량계.
25. 제24항에 있어서, 거짓 유량 신호는 유동 경로 내의 압력 전이에 기인한 유량 변동에 대한 유량 센서 응답으로부터 생성된 거짓 유량 정보를 재현하도록 구성된 유량계.
26. 제24항에 있어서, 보상 필터는 유동 경로 내의 압력 전이에 대한 유량 센서의 응답을 모방한 전달 함수를 포함하는 유량계.
27. 제24항에 있어서, 거짓 유량 신호는 센서 출력 신호로부터 감산되어 유량 신호를 제공하는 유량계.
28. 유동 경로에 결합되어, 유량계, 제어기, 밸브 액츄에이터, 및 밸브를 포함하는 제어 루프를 갖는 질량 유량 제어기에서의 방법이며,

    유체 경로 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하는 단계와,

    적어도 하나의 압력 측정을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 단계와,

    적어도 하나의 압력 측정에 기초하여 적어도 하나의 보상 신호를 결정하는 단계와,

    적어도 하나의 보상 신호를 질량 유량 제어기의 제어 루프에 인가하는 단계를 포함하는 방법.
29. 제28항에 있어서, 적어도 하나의 보상 필터를 결정하는 단계는 유동 경로 환경 내의 압력 전이에 대한 유량계의 응답으로부터 생성된 거짓 유량 정보를 재현하기 위해 거짓 유량 신호를 구성하는 단계를 포함하는 방법.
30. 제29항에 있어서, 적어도 하나의 보상 신호를 제어 루프에 인가하는 단계는 유동 경로 내의 압력 전이로 인한 유체 유량의 유량계 응답 변동을 보상하기 위해 거짓 유량 신호를 제어 루프에 인가하는 단계를 포함하는 방법.
31. 제27항에 있어서, 적어도 하나의 보상 신호를 결정하는 단계는 압력 전이로 인한 밸브 변위를 보상하기 위한 구동 수준을 표시하는 변위 보상 신호를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
32. 제27항에 있어서, 적어도 하나의 보상 신호를 결정하는 단계는 거짓 유량 신호 및 변위 보상 신호를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
33. 제어 루프를 갖는 질량 유량 제어기이며,

    유체 유동 경로 내의 유체 유량을 감지하여 유동 경로 내의 질량 유량을 표시하는 유량 신호를 제공하도록 되어 있는 유량계와,

    유량계에 결합되어 유량 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 구동 신호를 제공하도록 되어 있는 제어기와,

    제어기로부터 구동 신호를 수신하도록 되어 있는 밸브 액츄에이터와,

    밸브 액츄에이터에 의해 제어되며 유체 유동 경로에 결합된 밸브와,

    질량 유량 제어기 환경 내의 적어도 하나의 압력을 측정하여 적어도 하나의 압력의 측정을 표시하는 적어도 하나의 압력 신호를 제공하는 적어도 하나의 압력 트랜스듀서와,

    적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 질량 유량 제어기 환경 내의 압력 변화의 효과를 보상하기 위해 제어 루프에 적어도 하나의 압력 보상 신호를 제공하는 적어도 하나의 보상 수단을 포함하고,

    질량 유량 제어기의 제어 루프는 유량계, 제어기, 밸브 액츄에이터, 및 밸브를 포함하는 질량 유량 제어기.
34. 제33항에 있어서, 적어도 하나의 트랜스듀서는 유동 경로의 입구 압력을 측정하여 입구 압력 신호를 제공하는 질량 유량 제어기.
35. 제34항에 있어서, 적어도 하나의 보상 수단은 입구 압력 신호를 수신하여 입구 압력 신호로부터 거짓 유량 신호를 구성하는 보상 필터를 포함하는 질량 유량 제어기.
36. 제35항에 있어서, 유량계는 유동 경로 내의 유체 유량을 감지하여 감지된 유체 유량을 표시하는 센서 출력 신호를 제공하도록 되어 있는 유량 센서를 포함하는 질량 유량 제어기.
37. 제36항에 있어서, 보상 필터는 입구 압력의 변화로부터 생성된 유체 유량에 대한 유량 센서의 응답을 모방한 전달 함수를 갖는 질량 유량 제어기.
38. 제36항에 있어서, 거짓 유량 신호는 입구 압력의 변화로부터 생성된 센서 출력 신호의 거짓 유량 정보 구성요소를 재현하도록 구성되는 질량 유량 제어기.
39. 제36항에 있어서, 유량 신호는 센서 출력 신호로부터 거짓 유량 신호를 감산함으로써 결정되는 질량 유량 제어기.
40. 제33항에 있어서, 보상 수단은 입구 압력 신호를 수신하여 밸브의 제어되는 부분을 밸브의 압력 환경 내에서 대체로 고정되게 유지하기 위한 구동 수준을 표시하는 변위 보상 신호를 제공하는 변위 보상 수단을 포함하는 질량 유량 제어기.
41. 제40항에 있어서, 변위 보상 신호는 밸브의 압력 환경 내의 압력 구배로부터 생성된 밸브 변위를 보상하기 위해 구동 신호에 가산되는 질량 유량 제어기.
42. 제40항에 있어서, 변위 보상 신호는 밸브의 힘 모델에 부분적으로 기초하는 질량 유량 제어기.
43. 제42항에 있어서, 밸브의 힘 모델은 밸브의 자성 모델을 포함하는 질량 유량 제어기.
44. 제42항에 있어서, 밸브의 힘 모델은 밸브를 가로지른 적어도 하나의 압력 강하에 대한 파라미터를 포함하는 질량 유량 제어기.
45. 제33항에 있어서, 보상 수단은 적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 압력 전이에 응답하는 유량계로부터 생성된 거짓 유량 정보를 재현하도록 구성된 거짓 유량 신호를 제공하는 보상 필터와, 적어도 하나의 압력 신호를 수신하여 압력 변화에 기인한 밸브 변위를 보상하기 위한 구동 수준을 표시하는 변위 보상 신호를 제공하는 변위 보상 수단을 포함하는 질량 유량 제어기.
46. 질량 유량 제어기의 제작 중에 사용된 테스트 작동 조건과 적어도 부분적으로 다른 처리 작동 조건에서 작동하도록 질량 유량 제어기를 구성하는 방법이며,

    테스트 작동 조건에서의 질량 유량 제어기의 응답을 확립하는 단계와,

    처리 작동 조건에서 작동하는 질량 유량 제어기의 응답이 대체로 변하지 않도록 처리 작동 조건에 기초하여 질량 유량 제어기의 적어도 하나의 제어 파라미터를 변형시키는 단계를 포함하는 방법.
47. 제46항에 있어서, 적어도 하나의 제어 파라미터를 변형시키는 단계는 처리 작동 조건에 기초하여 질량 유량 제어기의 복수의 구성요소와 관련된 복수의 처리 게인항을 결정하는 단계를 포함하고,

    복수의 구성요소는 질량 유량 제어기의 제어 루프를 형성하는 방법.
48. 제47항에 있어서, 복수의 처리 게인항을 결정하는 단계는 복수의 처리 게인항의 곱의 역수를 취함으로써 형성된 처리 역게인항을 결정하는 단계를 포함하고,

    처리 역게인항은 적어도 하나의 가변 작동 조건의 함수인 방법.
49. 제48항에 있어서, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 질량 유량 제어기 환경 내의 적어도 하나의 압력을 포함하는 방법.
50. 제49항에 있어서, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 입구 압력을 포함하는 방법.
51. 제49항에 있어서, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 설정점을 포함하는 방법.
52. 제작 중에 질량 유량 제어기의 응답을 확립하는데 사용된 일련의 테스트 작동 조건과 적어도 부분적으로 다른 일련의 처리 작동 조건에서 작동하도록 질량 유량 제어기를 구성하는 방법을 수행하는 프로세서에서 실행될 때, 프로세서에서의 실행을 위한 프로그램에 의해 부호화된 컴퓨터 판독 가능 매체이며,

    상기 방법은,

    처리 유체 종류 정보 및 처리 작동 조건 중 적어도 하나를 입력으로서 수신하는 단계와,

    처리 작동 조건에서 작동될 때 질량 유량 제어기의 응답이 대체로 변하지 않도록 입력에 기초하여 질량 유량 제어기의 적어도 하나의 제어 파라미터를 변형시키는 단계를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
53. 제52항에 있어서, 적어도 하나의 제어 파라미터를 변형시키는 단계는 처리 작동 조건에서 작동하는 질량 유량 제어기의 복수의 구성요소와 관련된 복수의 처리 게인항을 결정하는 단계를 포함하고,

    복수의 구성요소는 질량 유량 제어기의 제어 루프를 형성하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
54. 제53항에 있어서, 복수의 게인항을 결정하는 단계는 복수의 게인항의 곱의 역수를 취함으로써 형성된 처리 역게인항을 결정하는 단계를 포함하고,

    처리 역게인항은 적어도 하나의 가변 작동 조건의 함수인 컴퓨터 판독 가능 매체.
55. 제54항에 있어서, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 질량 유량 제어기 환경 내의 적어도 하나의 압력을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
56. 제55항에 있어서, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 입구 압력을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
57. 제55항에 있어서, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 설정점을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체.
58. 제어 루프를 갖는 질량 유량 제어기이며,

    유체 유동 경로 내의 유량 유량을 감지하여 유동 경로 내의 질량 유량을 표시하는 유량 신호를 제공하도록 되어 있는 유량계와,

    유량계에 결합되어 유량 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 구동 신호를 제공하도록 되어 있는 제어기와,

    제어기로부터 구동 신호를 수신하도록 되어 있는 밸브 액츄에이터와,

    밸브 액츄에이터에 의해 제어되도록 되어 있으며 유체 유동 경로에 결합된 밸브를 포함하고,

    질량 유량 제어기의 제어 루프는 유량계, 제어기, 밸브 액츄에이터, 및 밸브를 포함하고,

    제어 루프는 작동 중에 적어도 하나의 가변 작동 조건에 대한 대체로 일정한 제어 루프 게인항을 갖도록 되어 있는 질량 유량 제어기.
59. 제58항에 있어서, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 질량 유량 제어기 환경 내의 적어도 하나의 압력을 포함하는 질량 유량 제어기.
60. 제59항에 있어서, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 입구 압력을 포함하는 질량 유량 제어기.
61. 제59항에 있어서, 적어도 하나의 가변 작동 조건은 설정점을 포함하는 질량 유량 제어기.
62. 압력 신호로부터 거짓 유량 신호를 발생시키기 위한 보상 필터이며,

    적어도 2개가 직렬로 연결된 복수의 필터를 포함하고,

    적어도 2개의 필터 각각의 출력이 개산되어 합산되는 보상 필터.
63. 제62항에 있어서, 압력 신호를 미분하도록 되어 있으며 미분된 신호를 복수의 필터에 제공하는 미분기를 더 포함하는 보상 필터.
64. 제62항에 있어서, 압력 신호를 지연시켜서 지연된 압력 신호를 복수의 필터에 제공하는 지연기를 더 포함하는 보상 필터.