DE102024116947A1

DE102024116947A1 - Flow controller, method for regulating a flow in a fluid channel of a flow controller, and computer program product

Info

Publication number: DE102024116947A1
Application number: DE102024116947.8A
Authority: DE
Inventors: Lena Katharina Hägele; Valentin Falkenhahn; Daniel Klassen
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2024-06-17
Filing date: 2024-06-17
Publication date: 2025-12-18
Also published as: WO2025261802A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Durchflussregler (11), mit einem Fluidkanal (15), der einen Ventilsitz (23) und einen Drosselabschnitt (18) sowie ein Ventilglied (22) aufweist, wobei dem Ventilglied (22) ein Ventilantrieb (21) zur Einleitung einer Bewegung zugeordnet ist, mit einem ersten Drucksensor (27), der an einem ersten Messanschluss (25) angeschlossen ist und mit einem zweiten Drucksensor (28), der an einem zweiten Messanschluss (26) angeschlossen ist, wobei der erste Drucksensor (27) und der zweite Drucksensor (28) elektrisch mit einer Verarbeitungseinrichtung (31) verbunden sind, die aus den Sensorsignalen der Drucksensoren (27, 28) einen Durchflussistwert im Fluidkanal (15) ermittelt und die einen Fluidstromregler (41) umfasst, der für eine Bereitstellung eines Stellsignals an den Ventilantrieb (21) zur Regelung des Durchflussistwerts auf einen Durchflusssollwert ausgebildet ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung (31) für eine Ausgabe einer Fehlermeldung ausgebildet ist, sofern das erste Sensorsignal einen vorgegebenen ersten Schwellwert überschreitet und/oder sofern das zweite Sensorsignal einen vorgegebenen zweiten Schwellwert überschreitet. The invention relates to a flow controller (11) with a fluid channel (15) comprising a valve seat (23) and a throttle section (18) as well as a valve element (22), wherein the valve element (22) is associated with a valve actuator (21) for initiating movement, with a first pressure sensor (27) connected to a first measuring port (25) and with a second pressure sensor (28) connected to a second measuring port (26), wherein the first pressure sensor (27) and the second pressure sensor (28) are electrically connected to a processing unit (31) which determines an actual flow rate in the fluid channel (15) from the sensor signals of the pressure sensors (27, 28) and which includes a fluid flow controller (41) configured to provide a control signal to the valve actuator (21) for regulating the actual flow rate to a setpoint flow rate, wherein the processing unit (31) is configured to output an error message if the first sensor signal exceeds a predetermined first threshold value. and/or if the second sensor signal exceeds a predefined second threshold.

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflussregler zur Bereitstellung eines vorgebbaren Fluidstroms. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines Durchflusses in einem Fluidkanal eines Durchflussreglers und ein Computerprogrammprodukt.The invention relates to a flow controller for providing a predefinable fluid flow. Furthermore, the invention relates to a method for controlling a flow in a fluid channel of a flow controller and a computer program product.

Aus dem Produktprogramm der Anmelderin ist der Proportional-Durchflussregelventil VEMD bekannt, mit dem eine proportionale Regelung und Dosierung eines Durchflusses von Luft oder inerten Gasen vorgenommen werden kann.The applicant's product range includes the proportional flow control valve VEMD, which allows for proportional control and metering of the flow of air or inert gases.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Durchflussregler bereitzustellen, mit dem eventuell auftretende Veränderungen an einem mit dem Durchflussregler verbundenen Fluidverbraucher detektiert werden können.The object of the invention is to provide a flow controller with which any changes that may occur in a fluid consumer connected to the flow controller can be detected.

Diese Aufgabe wird für einen Durchflussregler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Durchflussregler ein Gehäuse aufweist, in dem sich ein Fluidkanal von einem Eingangsanschluss zu einem Ausgangsanschluss erstreckt, wobei der Fluidkanal einen Ventilsitz und einen Drosselabschnitt aufweist, wobei ein Ventilglied beweglich zwischen einer Schließstellung für den Ventilsitz und einer Öffnungsstellung für den Ventilsitz im Gehäuse aufgenommenen ist, wobei im Gehäuse ein Ventilantrieb angeordnet ist, der zur Einleitung einer Bewegung auf das Ventilglied ausgebildet ist, und wobei ein erster Drucksensor vorgesehen ist, der an einem zwischen dem Eingangsanschluss und dem Drosselabschnitt angeordneten ersten Messanschluss angeschlossen ist, und wobei ein zweiter Drucksensor vorgesehen ist, der an einem zwischen dem Drosselabschnitt und dem Ausgangsanschluss angeordneten zweiten Messanschluss angeschlossen ist, wobei der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor elektrisch mit einer Verarbeitungseinrichtung verbunden sind, die aus ersten Sensorsignalen des ersten Drucksensors und aus zweiten Sensorsignalen des zweiten Drucksensors einen Durchflussistwert im Fluidkanal ermittelt und die einen als Fluidstromregler bezeichneten Algorithmus oder eine als Fluidstromregler bezeichnete elektronische Schaltung umfasst, wobei der Fluidstromregler für eine Bereitstellung eines Stellsignals an den Ventilantrieb zur Regelung des Durchflussistwerts auf einen Durchflusssollwert ausgebildet ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung für eine Ausgabe einer Fehlermeldung ausgebildet ist, sofern das erste Sensorsignal einen vorgegebenen ersten Schwellwert überschreitet und/oder sofern das zweite Sensorsignal einen vorgegebenen zweiten Schwellwert überschreitet.This problem is solved for a flow controller of the type mentioned above by the flow controller having a housing in which a fluid channel extends from an inlet port to an outlet port, wherein the fluid channel has a valve seat and a throttle section, wherein a valve element is movably received in the housing between a closed position for the valve seat and an open position for the valve seat, wherein a valve actuator is arranged in the housing which is configured to initiate a movement on the valve element, and wherein a first pressure sensor is provided which is connected to a first measuring port arranged between the inlet port and the throttle section, and wherein a second pressure sensor is provided which is connected to a second measuring port arranged between the throttle section and the outlet port, wherein the first pressure sensor and the second pressure sensor are electrically connected to a processing device which determines an actual flow rate in the fluid channel from first sensor signals of the first pressure sensor and from second sensor signals of the second pressure sensor, and which comprises an algorithm or an electronic circuit referred to as a fluid flow controller, wherein the fluid flow controller is used to provide a control signal to the The valve actuator is designed to regulate the actual flow rate to a target flow rate, wherein the processing device is designed to output an error message if the first sensor signal exceeds a predetermined first threshold and/or if the second sensor signal exceeds a predetermined second threshold.

Prinzipiell basiert der Durchflussregler auf einem Proportionalventil, bei dem ein Ventilglied von einem Ventilantrieb in einer vorgebbaren Abhängigkeit von einem Stellsignal relativ zu einem Ventilsitz bewegt werden kann. Dabei verschließt das Ventilglied in einer Schließstellung den in einem Fluidkanal ausgebildeten Ventilsitz, so dass eine Fluidströmung durch den Fluidkanal unterbunden wird. Ferner gibt das Ventilglied in einer Öffnungsstellung den Ventilsitz frei, womit eine Fluidströmung durch den Fluidkanal ermöglicht wird. Für die Bewegung des Ventilglieds zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung ist ein Ventilantrieb vorgesehen, der mit dem Ventilglied bewegungsgekoppelt ist und der durch ein elektrisches Stellsignal angesteuert werden kann. Beispielhaft ist der Ventilantrieb als Magnetspulenantrieb oder als Piezoantrieb ausgebildet und ist für eine freie Positionierung des Ventilglieds zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung ausgebildet, so dass ein Strömungsquerschnitt des Fluidkanals im Bereich des Ventilsitzes variabel eingestellt werden kann und damit ein Einfluss auf den Volumenstrom (Volumen pro Zeit) und damit auch auf den Massenstrom (Masse pro Zeit), der durch den Fluidkanal fließt, genommen werden kann.In principle, the flow controller is based on a proportional valve, in which a valve element can be moved relative to a valve seat by a valve actuator in a predefined manner depending on a control signal. In a closed position, the valve element closes the valve seat formed in a fluid channel, thus preventing fluid flow through the fluid channel. Furthermore, in an open position, the valve element releases the valve seat, thereby allowing fluid flow through the fluid channel. A valve actuator is provided for the movement of the valve element between the closed and open positions. This actuator is motion-coupled with the valve element and can be controlled by an electrical control signal. For example, the valve actuator is designed as a solenoid coil actuator or as a piezo actuator and is designed for free positioning of the valve element between the closed position and the open position, so that a flow cross-section of the fluid channel in the area of the valve seat can be variably adjusted and thus an influence can be made on the volume flow (volume per time) and thus also on the mass flow (mass per time) that flows through the fluid channel.

Das Stellsignal wird von einer Verarbeitungseinrichtung bereitgestellt, die elektrisch mit dem Ventilantrieb gekoppelt ist, und die beispielsweise als Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgebildet ist. Die Verarbeitungseinrichtung ist zur Abarbeitung eines Computerprogramms, das in der einer Speichereinrichtung der Verarbeitungseinrichtung gespeichert ist, ausgebildet. Hierbei ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung von Eingangssignalen, beispielsweise von Sensorsignalen, die von Drucksensoren bereitgestellt werden, und zur Ausgabe von Stellsignalen, die mittels des Computerprogramms in Abhängigkeit von den Eingangssignalen berechnet werden, ausgebildet ist. Die Stellsignale können unmittelbar an den Ventilantrieb bereitgestellt werden, sofern der Stellantrieb eine eigene Energieversorgung aufweist und in der Lage ist, ein eintreffendes Stellsignal zu verarbeiten und in eine Bewegung des Ventilantriebs und des damit gekoppelten Ventilglieds umzusetzen. Alternativ ist vorgesehen, dass das Stellsignal der Verarbeitungseinrichtung an eine elektrische Endstufe bereitgestellt wird, die als Bestandteil der Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sein kann, und dass diese elektrische Endstufe die zur Ansteuerung des Ventilantriebs benötigte elektrische Energie an den Ventilantrieb zur Verfügung stellt.The control signal is provided by a processing unit that is electrically coupled to the valve actuator and is, for example, a microcontroller or microprocessor. The processing unit is designed to execute a computer program stored in its memory. Specifically, the processing unit is configured to process input signals, such as sensor signals from pressure sensors, and to output control signals calculated by the computer program based on these input signals. The control signals can be supplied directly to the valve actuator, provided the actuator has its own power supply and is capable of processing an incoming control signal and converting it into movement of the valve actuator and the connected valve element. Alternatively, the control signal from the processing unit can be supplied to an electrical output stage, which can be integrated into the processing unit. This electrical output stage then supplies the valve actuator with the electrical energy required to control it.

Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Ventilantrieb als Piezobiegeantrieb ausgebildet ist, bei dem ein streifenförmiges piezoelektrisches Element durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung zwischen unterschiedlichen Biegestellungen eingestellt werden kann. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Ventilglied als gummielastisches Dichtelement direkt auf eine Oberfläche des auch als Piezobieger bezeichneten piezoelektrischen Elements aufgebracht ist und durch die unterschiedliche elektrische Ansteuerung zwischen einer abdichtend an einem Ventilsitz anliegenden Sperrstellung und einer entfernt vom Ventilsitz angeordneten Freigabestellung bewegt werden kann. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das von der Verarbeitungseinrichtung bereitgestellte Stellsignal von einer Hochvolt-Endstufe, die elektrisch mit der Verarbeitungseinrichtung verbunden ist, in ein elektrisches Hochspannungssignal umgesetzt wird, mit dem die Ansteuerung des piezoelektrischen Elements durchgeführt werden kann. Eine typische Ansteuerspannung für das piezoelektrische Element liegt in einem Intervall von 200 Volt bis 500 Volt.As an example, the valve actuator is designed as a piezoelectric bending actuator, in which a strip-shaped piezoelectric element is moved between different bending positions by applying an electrical control voltage. can be positioned. It is particularly preferred that the valve element, as a rubber-elastic sealing element, is applied directly to a surface of the piezoelectric element, also known as a piezo bender, and can be moved between a closed position, sealing against a valve seat, and a release position located away from the valve seat by means of different electrical control signals. It is particularly preferred that the control signal provided by the processing device is converted by a high-voltage output stage, which is electrically connected to the processing device, into a high-voltage electrical signal with which the piezoelectric element can be controlled. A typical control voltage for the piezoelectric element is in the range of 200 volts to 500 volts.

Durch die Stellbewegung des Ventilantriebs und die daraus resultierende Bewegung des Ventilglieds zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung können der Volumenstrom und damit auch der Massenstrom, der durch den Fluidkanal strömt, im Rahmen eines Intervalls, dessen Obergrenze von einem maximal bereitstellbaren Volumenstrom bzw. Massenstrom abhängt, eingestellt werden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich der Fluidkanal ausgehend von dem Eingangsanschluss, der an einer Außenoberfläche des (Durchflussregler-)Gehäuses angeordnet ist und der beispielsweise mit einer Fluidquelle, insbesondere einer Druckluftquelle oder einer Inertgasquelle, verbunden werden kann, zu einem Ausgangsanschluss erstreckt, der beispielsweise mit einem Fluidverbraucher verbunden werden kann. Der Fluidkanal kann in dem Gehäuse in der Art einer Bohrung ausgebildet sein. Der Fluidkanal kann innerhalb des Gehäuses auch bereichsweise als Rohrleitung oder Schlauchleitung ausgebildet sein.The actuating movement of the valve drive and the resulting movement of the valve element between the closed and open positions allow the volumetric flow rate, and thus also the mass flow rate, flowing through the fluid channel to be adjusted within a range whose upper limit depends on the maximum available volumetric or mass flow rate. It is assumed that the fluid channel extends from the inlet port, located on an outer surface of the (flow regulator) housing and connected, for example, to a fluid source, particularly a compressed air source or an inert gas source, to an outlet port, which can be connected, for example, to a fluid consumer. The fluid channel can be configured as a bore within the housing. Alternatively, the fluid channel can be configured as a pipe or hose within the housing.

Bei dem Fluidverbraucher, der mit dem Ausgangsanschluss des Durchflussreglers verbunden wird, kann es sich um einen fluidischen Antrieb handeln, der für eine Umsetzung fluidischer Energie in Bewegungsenergie ausgebildet ist, wie dies beispielsweise bei einem Pneumatikzylinder oder einem Druckluftmotor der Fall ist.The fluid consumer connected to the output port of the flow controller can be a fluidic drive designed to convert fluidic energy into kinetic energy, as is the case, for example, with a pneumatic cylinder or a compressed air motor.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Fluidverbraucher um eine Prozesskammer oder eine Lagerkammer, die eine Fluidversorgung benötigt, um eine vorgegebene Atmosphäre innerhalb des von der Prozess- oder Lagerkammer umschlossenen Raumvolumens zu gewährleisten. Eine solche Prozess- oder Lagerkammer findet beispielsweise im Bereich der Halbleiterherstellung eine Anwendung. Dort werden Prozessschritte für Wafer in Prozesskammern durchgeführt, bei denen eine Versorgung der Prozesskammer mit einem Prozessgas erforderlich ist. Ferner werden Wafer zwischen unterschiedlichen Prozessschritten in Lagerkammern, insbesondere in Lagerboxen, zwischengelagert, in denen eine Inertgasatmosphäre, beispielsweise eine Atmosphäre mit definierter Stickstoffkonzentration, aufrechterhalten werden muss. Dies wird durch eine geregelte Stickstoffzufuhr in die Lagerkammer gewährleistet, wobei diese Stickstoffzufuhr mit Hilfe des erfindungsgemäßen Durchflussreglers verwirklicht werden kann. Besonders bevorzugt wird auch die Fluidleitung, die typischerweise für die fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem Durchflussregler und der Prozesskammer oder Lagerkammer vorzusehen ist, dem Fluidverbraucher zugerechnet.Preferably, the fluid consumer is a process chamber or a storage chamber that requires a fluid supply to maintain a predetermined atmosphere within the enclosed volume. Such a process or storage chamber is used, for example, in semiconductor manufacturing. There, process steps for wafers are carried out in process chambers that require a supply of process gas to the chamber. Furthermore, wafers are temporarily stored between different process steps in storage chambers, particularly storage boxes, where an inert gas atmosphere, for example, an atmosphere with a defined nitrogen concentration, must be maintained. This is ensured by a controlled supply of nitrogen to the storage chamber, which can be achieved using the flow controller according to the invention. The fluid line, which is typically provided for the fluidic communication between the flow controller and the process chamber or storage chamber, is also preferably considered part of the fluid consumer.

Um eine Regelung des Durchflusses im Fluidkanal vornehmen zu können, ist es erforderlich, einen Durchflussistwert im Fluidkanal zu ermitteln. Für die Ermittlung des Durchflussistwerts umfasst der Durchflussregler einen ersten Drucksensor, der an einem ersten Messanschluss angeordnet ist und der elektrisch mit der Verarbeitungseinrichtung verbunden ist, um ein erstes Sensorsignal an die Verarbeitungseinrichtung bereitzustellen. Ferner umfasst der Durchflussregler für die Erfassung des Durchflussistwerts einen zweiten Drucksensor, der an einem zweiten Messanschluss angeordnet ist und der elektrisch mit der Verarbeitungseinrichtung verbunden ist, um ein zweites Sensorsignal an die Verarbeitungseinrichtung bereitzustellen. Dabei ist der erste Messanschluss stromauf eines im Fluidkanal ausgebildeten Drosselabschnitts, also zwischen dem Eingangsanschluss und dem Drosselabschnitt, angeordnet. Ferner ist der zweite Messanschluss stromab des Drosselabschnitts, also zwischen dem Drosselabschnitt und dem Ausgangsanschluss angeordnet.To control the flow rate in the fluid channel, it is necessary to determine the actual flow rate. For this purpose, the flow controller includes a first pressure sensor, which is located at a first measuring port and electrically connected to the processing unit to provide a first sensor signal to the processing unit. The flow controller also includes a second pressure sensor, located at a second measuring port and electrically connected to the processing unit to provide a second sensor signal. The first measuring port is located upstream of a throttled section in the fluid channel, i.e., between the inlet port and the throttled section. The second measuring port is located downstream of the throttled section, i.e., between the throttled section and the outlet port.

Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Drucksensor und bei dem zweiten Drucksensor um Relativdrucksensoren, die jeweils zur Erfassung eines Überdrucks oder Unterdrucks am jeweiligen Messanschluss gegenüber der Umgebung des Durchflussreglers ausgebildet sind. Alternativ können der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor jeweils als Absolutdrucksensoren ausgebildet sein. In jedem Fall ist für die Ermittlung des Durchflussistwerts im Fluidkanal eine Ermittlung eines ersten Druckwerts am ersten Messanschluss und eines zweiten Druckwerts am zweiten Messanschluss erforderlich, wobei diese ersten und zweiten Druckwerte sowohl mit Relativdrucksensoren als auch mit Absolutdrucksensoren ermittelt werden können. Preferably, the first and second pressure sensors are relative pressure sensors, each designed to detect overpressure or underpressure at the respective measuring port relative to the environment of the flow controller. Alternatively, the first and second pressure sensors can each be absolute pressure sensors. In either case, determining the actual flow rate in the fluid channel requires a first pressure reading at the first measuring port and a second pressure reading at the second measuring port, whereby these first and second pressure readings can be determined using either relative pressure sensors or absolute pressure sensors.

Der Drosselabschnitt weist im Vergleich zu dem übrigen Fluidkanal einen signifikant erhöhten Strömungswiderstand für das Fluid auf, wobei dieser erhöhte Strömungswiderstand beispielsweise durch eine im Fluidkanal angeordnete Düse oder Blende, insbesondere jedoch durch eine aus mehreren Blenden gebildete Turbulenzdrosselanordnung, verwirklicht werden kann. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Fluidkanal abseits des Drosselabschnitts und bei maximalem Abstand zwischen Ventilsitz und Ventilglied (vollständig geöffnetem Ventil) einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt und damit auch einen im Wesentlichen konstanten Strömungswiderstand aufweist. Im Bereich des Drosselabschnitts liegt hingegen durch die lokale Verengung des Fluidkanals ein Strömungswiderstand vor, der wenigstens das Doppelte, vorzugweise wenigstens das fünffache, insbesondere wenigstens das zehnfache, des Strömungswiderstands des übrigen Fluidkanals beträgt.The throttle section exhibits a significantly increased flow resistance for the fluid compared to the rest of the fluid channel, whereby this increased flow resistance is caused, for example, by a nozzle or orifice arranged in the fluid channel, but in particular by a system consisting of several orifices. The turbulence throttle arrangement described can be implemented. By way of example, it is provided that the fluid channel away from the throttle section and at maximum distance between the valve seat and valve element (fully open valve) has a substantially constant cross-section and thus also a substantially constant flow resistance. In the region of the throttle section, however, the local constriction of the fluid channel results in a flow resistance that is at least twice, preferably at least five times, and in particular at least ten times, the flow resistance of the rest of the fluid channel.

Sofern der Verarbeitungseinrichtung das erste Sensorsignal des ersten Drucksensors und das zweite Sensorsignal des zweiten Drucksensors zur Verfügung steht, können aus den beiden Sensorsignale der Durchflussistwert und somit der Volumenstrom und der Massenstrom berechnet werden. Für diese Berechnung ist zunächst vorgesehen, mit Hilfe des in der Verarbeitungseinrichtung ablaufenden Computerprogramms aus dem ersten Sensorsignal einen ersten Druckwert und aus dem zweiten Sensorsignal einen zweiten Druckwert zu berechnen. Anschließend kann das Computerprogramm unter Verwendung eines Algorithmus und unter Einbeziehung der Charakteristik des Drosselabschnitts aus dem ersten Druckwert und dem zweiten Druckwert einen Durchflussistwert berechnen. Dieser Durchflussistwert kann, gegebenenfalls nach Durchführung weiterer Rechenschritte, als Volumenstromwert oder als Massenstromwert ausgegeben werden. Beispielhaft ist für die Ermittlung des Volumenstroms und/oder des Massenstroms noch eine Temperatur des Gases, das den Durchflussregler durchströmt, zu ermitteln. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, eine Dichte des Gases, das den Durchflussregler durchströmt, einzubeziehen. Anschließend wird der Durchflussistwert an einen weiteren Algorithmus des Computerprogramms bereitgestellt, der auch als Fluidstromregler bezeichnet wird. Dieser Fluidstromregler berechnet aus dem Durchflussistwert und einem vorgegebenen, insbesondere in der Verarbeitungseinrichtung gespeicherten, Durchflusssollwert eine Durchflussabweichung und hieraus das Stellsignal, das die Veränderung der Position des Ventilglieds repräsentiert, die erforderlich ist, um die Durchflussabweichung zu minimieren.Provided the processing unit has access to the first sensor signal from the first pressure sensor and the second sensor signal from the second pressure sensor, the actual flow rate, and thus the volumetric flow rate and mass flow rate, can be calculated from these two sensor signals. This calculation is performed by first using a computer program running in the processing unit to calculate a first pressure value from the first sensor signal and a second pressure value from the second sensor signal. The computer program then uses an algorithm and incorporates the characteristics of the throttle section to calculate an actual flow rate from the first and second pressure values. This actual flow rate can be output as a volumetric flow rate or a mass flow rate, if necessary after further calculations. For example, to determine the volumetric flow rate and/or the mass flow rate, the temperature of the gas flowing through the flow controller can also be determined. Additionally or alternatively, the density of the gas flowing through the flow controller can be included. The actual flow rate is then provided to another algorithm in the computer program, also known as the fluid flow controller. This fluid flow controller calculates a flow deviation from the actual flow rate and a predetermined flow rate setpoint, which is stored in particular in the processing unit, and from this the control signal that represents the change in the position of the valve element required to minimize the flow deviation.

Bei der praktischen Verwendung des Durchflussreglers zur Fluidversorgung eines Fluidverbrauchers kann der Fall auftreten, dass eine Verbindungsleitung zwischen dem Durchflussregler und dem Fluidverbraucher, bei der es sich insbesondere um einen Fluidschlauch handeln kann, der typischerweise einen kleinen Querschnitt bei großer Länge aufweist, in ihrer räumlichen Lage verändert wird, wodurch sich ein Strömungswiderstand für diese Verbindungsleitung verändern kann, insbesondere erhöhen kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Verbindungsleitung stark gebogen oder gar geknickt wird. Hierdurch kann die Situation eintreten, dass der Fluidstrom, der den Durchflussregler durchströmt, derart in der Verbindungsleitung aufgestaut wird, dass ein Druckanstieg an den beiden Messanschlüssen erfolgt, da das Fluid nicht mehr ordnungsgemäß zum Fluidverbraucher abströmen kann. Mit einem solchen Druckanstieg an dem zweiten Messanschluss reduziert sich zunächst das Druckgefälle über dem Drosselabschnitt. Hierdurch sinkt der in der Verarbeitungseinrichtung berechnete Betrag für den Durchflussistwert und die Durchflussabweichung steigt an. Hieraus folgt, dass der Fluidstromregler das Stellsignal darauf ausrichtet, dass der Ventilantrieb das Ventilglied weiter in die Öffnungsstellung verlagert, um die Durchflussabweichung zwischen dem Durchflussistwert und dem Durchflusssollwert zu reduzieren. Findet dabei ein Druckanstieg im Durchflussregler statt, bei dem ein Messbereich wenigstens eines der beiden Drucksensoren überschritten wird, repräsentiert das Sensorsignal des jeweiligen Drucksensors nicht mehr den tatsächlichen Druckwert am jeweiligen Messanschluss. Dementsprechend kann es zu einer selbstverstärkenden Fehlfunktion des Durchflussreglers kommen, bei der die bestimmungsgemäße Fluidversorgung des Fluidverbrauchers nicht mehr gewährleistet ist.In practical use of a flow controller to supply fluid to a fluid consumer, it can happen that the position of a connecting line between the flow controller and the fluid consumer—which may be a fluid hose typically with a small cross-section and a long length—changes. This can alter, and in particular increase, the flow resistance of this connecting line. This is especially true if the connecting line is sharply bent or even kinked. As a result, the fluid flow through the flow controller can back up in the connecting line to such an extent that a pressure increase occurs at both measuring ports, since the fluid can no longer flow properly to the fluid consumer. With such a pressure increase at the second measuring port, the pressure drop across the throttled section initially decreases. This, in turn, reduces the calculated actual flow rate in the processing unit and increases the flow deviation. This means that the fluid flow controller directs the control signal so that the valve actuator moves the valve element further into the open position in order to reduce the flow deviation between the actual flow rate and the setpoint flow rate. If a pressure increase occurs within the flow controller, exceeding the measuring range of at least one of the two pressure sensors, the sensor signal of the respective pressure sensor no longer represents the actual pressure value at the respective measuring port. Consequently, a self-reinforcing malfunction of the flow controller can occur, in which the intended fluid supply to the fluid consumer is no longer guaranteed.

Um diese Fehlfunktion an einen Benutzer und/oder an eine dem Durchflussregler übergeordnete Steuerungseinrichtung, insbesondere eine Maschinensteuerung oder eine Prozesssteuerung, kommunizieren zu können, ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, eine Fehlermeldung bereitzustellen, sofern die Fehlfunktion eintritt. Zur Ermittlung der Fehlfunktion ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, eine Überwachung des ersten Sensorsignals, das von dem ersten Drucksensor bereitgestellt wird und/oder des zweiten Sensorsignals des zweiten Drucksensors, vorzunehmen. Sobald das erste Sensorsignal einen vorgegebenen ersten Schwellwert übersteigt und/oder sobald das zweite Sensorsignal einen vorgegebenen zweiten Schwellwert übersteigt, ist davon auszugehen, dass die Fehlfunktion eingetreten ist. Hierbei sind der erste und/oder der zweite Schwellwert derart gewählt, dass sie bei einem ordnungsgemäßen Betrieb des Durchflussreglers und des daran angeschlossenen Fluidverbrauchers nicht überschritten werden. Eine Überschreitung des ersten und/oder des zweiten Schwellwerts tritt nur dann ein, sofern stromab des Drosselabschnitts eine Beeinträchtigung der Fluidströmung in Form einer zusätzlichen, nicht gewünschten Drosselung vorliegt. To communicate this malfunction to a user and/or to a control unit higher than the flow controller, in particular a machine control or a process control system, the processing unit is designed to provide an error message when the malfunction occurs. To detect the malfunction, the processing unit is designed to monitor the first sensor signal provided by the first pressure sensor and/or the second sensor signal from the second pressure sensor. As soon as the first sensor signal exceeds a predefined first threshold and/or as soon as the second sensor signal exceeds a predefined second threshold, it is assumed that the malfunction has occurred. The first and/or second thresholds are selected such that they are not exceeded during the proper operation of the flow controller and the connected fluid consumer. An exceedance of the first and/or second threshold only occurs if there is an impairment of the fluid flow downstream of the throttling section in the form of additional, undesired throttling.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der jeweilige (erste oder zweite) vorgebbare Schwellwert dem maximalen Druck entspricht, der mit dem jeweiligen (ersten oder zweiten) Drucksensor ermittelt werden kann. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der jeweilige (erste oder zweite) vorgebbare Schwellwert um einen definierten absoluten oder prozentualen Betrag unterhalb dieses maximalen Drucks, den der jeweilige (erste oder zweite) Drucksensor erfassen kann, angesiedelt ist.Preferably, the respective (first or second) predefinable threshold is to be assigned to the This corresponds to the maximum pressure that can be determined by the respective (first or second) pressure sensor. It is particularly preferred that the respective (first or second) predefinable threshold value is set below this maximum pressure that the respective (first or second) pressure sensor can detect by a defined absolute or percentage amount.

Die Fehlermeldung kann in Form eines analogen oder digitalen Signals, insbesondere als digitales high-Signal, von dem Durchflussregler an eine mit dem Durchflussregler elektrisch verbundene übergeordnete Steuerungseinrichtung bereitgestellt werden. Ergänzend oder alternativ kann die Fehlermeldung direkt vom Durchflussregler als optisches und/oder akustisches Signal ausgegeben werden.The error message can be provided by the flow controller to a higher-level control unit electrically connected to the flow controller in the form of an analog or digital signal, in particular a digital high signal. Additionally or alternatively, the error message can be output directly by the flow controller as a visual and/or audible signal.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Zweckmäßig ist es, wenn die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet ist, bei einer Überschreitung des vorgegebenen ersten Schwellwerts durch das erste Sensorsignal und/oder bei einer Überschreitung des vorgegebenen zweiten Schwellwerts durch das zweite Sensorsignal den Durchflusssollwert schrittweise zu reduzieren, bis sich durch die Beeinflussung des Ventilantriebs ein Durchflussistwert einstellt, bei dem das erste Sensorsignal unterhalb des vorgegebenen ersten Schwellwerts und/oder das zweite Sensorsignal unterhalb des vorgegebenen zweiten Schwellwerts liegt. Mit dieser Maßnahme soll erreicht werden, dass auch für den Fall einer Beeinträchtigung der Fluidversorgung des Fluidverbrauchers bis zu einer Behebung dieser Beeinträchtigung eine kontrollierte und nachvollziehbare Fluidzufuhr an den Fluidverbraucher gewährleistet bleibt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Fluidverbraucher, bei dem es sich insbesondere um eine Prozesskammer oder um eine Lagerkammer handeln kann, in der eine vorgegebene Gasatmosphäre vorliegen soll, eine gewisse Toleranz gegenüber Veränderungen der Gasatmosphäre aufweist und zumindest innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne, die mit der Bereitstellung der Fehlermeldung durch die Verarbeitungseinrichtung beginnt, keine negativen Auswirkungen auf die in der Gasatmosphäre ablaufenden Prozesse bzw. auf die in der Gasatmosphäre gelagerten Gegenstände eintreten, sofern innerhalb dieser Zeitspanne eine - wenn auch reduzierte - Gasversorgung vorliegt und die Beeinträchtigung der Fluidversorgung innerhalb dieser Zeitspanne behoben wird. Dementsprechend ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, den Durchflusssollwert so lange zu reduzieren, bis sich ein Fluidstrom durch den Durchflussregler und bis zum Fluidverbraucher einstellt, bei dem es nicht mehr zu einer Überschreitung des vorgegebenen ersten Schwellwerts durch das erste Sensorsignal und/oder zu einer Überschreitung des vorgegebenen zweiten Schwellwerts durch das zweite Sensorsignal kommt. Durch diese Reduzierung des Durchflusssollwerts, die beispielsweise in prozentualen oder in absoluten Schritten vorgenommen werden kann, wird die Durchflussabweichung gegenüber dem Durchflussistwert, der aufgrund der eingetretenen Beeinträchtigung der Fluidversorgung fälschlicherweise auf ein fehlerhaft niedriges Niveau abgesunken ist, reduziert. Daraus folgt, dass der Fluidstromregler ein Stellsignal bereitstellt, das zu einer Reduktion der vom Ventilantrieb und Ventilglied bestimmten Ventilöffnung führt, so dass sich trotz des erhöhten Strömungswiderstands stromab des Drosselabschnitts an beiden Messanschlüssen wieder Druckwerte einstellen, mit denen eine zuverlässige Ermittlung des Durchflussistwerts möglich ist. It is advantageous if the processing device is designed to gradually reduce the target flow rate when the first sensor signal exceeds the predetermined first threshold and/or the second sensor signal exceeds the predetermined second threshold, until the actual flow rate is reached by influencing the valve actuator, at which the first sensor signal is below the predetermined first threshold and/or the second sensor signal is below the predetermined second threshold. This measure is intended to ensure that, even in the event of a disruption to the fluid supply to the fluid consumer, a controlled and traceable fluid supply to the fluid consumer is maintained until the disruption is resolved. This assumes that the fluid consumer, which may be a process chamber or a storage chamber in which a predetermined gas atmosphere is required, exhibits a certain tolerance to changes in the gas atmosphere and that, at least within a predetermined time period beginning with the provision of the error message by the processing equipment, no negative effects will occur on the processes taking place in the gas atmosphere or on the objects stored in the gas atmosphere, provided that a gas supply – even if reduced – is available within this time period and that the impairment of the fluid supply is rectified within this time period. Accordingly, the processing equipment is designed to reduce the flow setpoint until a fluid flow through the flow controller and to the fluid consumer is established at which the predetermined first threshold is no longer exceeded by the first sensor signal and/or the predetermined second threshold is no longer exceeded by the second sensor signal. By reducing the target flow rate, which can be done in percentage or absolute increments, for example, the flow rate deviation from the actual flow rate is reduced. The actual flow rate has erroneously dropped to a falsely low level due to the impaired fluid supply. Consequently, the fluid flow controller provides a control signal that reduces the valve opening determined by the valve actuator and valve element. This ensures that, despite the increased flow resistance downstream of the throttled section, pressure values are restored at both measuring ports, allowing for a reliable determination of the actual flow rate.

Als Kriterium für eine erfolgreiche Reduzierung des Durchflusssollwerts dient somit das erste Sensorsignal, das unterhalb des vorgegebenen ersten Schwellwerts absinkt, sowie ergänzend oder alternativ das zweite Sensorsignal, das unterhalb des vorgegebenen zweiten Schwellwerts absinkt.The criterion for a successful reduction of the flow setpoint is therefore the first sensor signal that falls below the specified first threshold, as well as, additionally or alternatively, the second sensor signal that falls below the specified second threshold.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung zusätzlich zu dem Fluidstromregler einen als Algorithmus oder al elektronische Schaltung ausgebildeten Fluiddruckregler umfasst, der zur Begrenzung eines aus dem ersten Sensorsignal ermittelten ersten Druckwerts auf einen ersten Maximaldruckwert und/oder zur Begrenzung eines aus dem zweiten Sensorsignal ermittelten zweiten Druckwerts auf einen zweiten Maximaldruckwert, ausgebildet ist. Der Fluiddruckregler ist vorzugsweise als Softwaremodul (Algorithmus) in dem Computerprogramm, das in der Verarbeitungseinrichtung abgearbeitet wird, ausgebildet. Der Fluiddruckregler wird zeitlich parallel zum Fluidstromregler betrieben und dient der Überwachung des ersten Druckwerts und/oder des zweiten Druckwerts. Eine Einflussnahme des Fluiddruckreglers auf das Stellsignal, das von der Verarbeitungseinrichtung an den Ventilantrieb zur Verfügung gestellt wird, ist nur für den Fall vorgesehen, dass ein Fluiddruck, insbesondere der zweite Fluiddruck einen, vorgegebenen Maximaldruckwert, insbesondere einen zweiten Maximaldruckwert überschreitet. Dieser Maximaldruckwert kann beispielsweise identisch mit dem vorgegebenen zweiten Schwellwert sein.Preferably, the processing device includes, in addition to the fluid flow controller, a fluid pressure controller designed as an algorithm or an electronic circuit. This controller is configured to limit a first pressure value determined from the first sensor signal to a first maximum pressure value and/or to limit a second pressure value determined from the second sensor signal to a second maximum pressure value. The fluid pressure controller is preferably implemented as a software module (algorithm) within the computer program executed by the processing device. The fluid pressure controller operates in parallel with the fluid flow controller and serves to monitor the first pressure value and/or the second pressure value. The fluid pressure controller only influences the control signal provided by the processing device to the valve actuator if a fluid pressure, particularly the second fluid pressure, exceeds a predetermined maximum pressure value, especially a second maximum pressure value. This maximum pressure value can, for example, be identical to the predetermined second threshold value.

Vorteilhaft ist es, wenn der Ventilsitz zwischen dem Eingangsanschluss und dem Drosselabschnitt angeordnet ist. Der Ventilsitz bildet zusammen mit dem Ventilglied und dem Ventilantrieb ein Fluidventil, mit dem eine einstellbare Drosselwirkung für den Fluidkanal bereitgestellt werden kann. Durch die Anordnung des Ventilsitzes stromauf des Drosselabschnitts wird erreicht, dass der am Eingangsanschluss von einer Fluidquelle bereitgestellte Fluiddruck sowie der daraus resultierende Fluidvolumenstrom bzw. Fluidmassenstrom von dem Fluidventil bereits derart gedrosselt wurde, dass dadurch eine vorteilhafte Anpassung an den Fluidbedarf des Fluidverbrauchers gewährleistet werden kann. Aufgrund der nicht einstellbaren, vom Durchfluss abhängigen Drosselwirkung des Drosselabschnitts werden dadurch die Druckwerte am ersten Messanschluss und am zweiten Messanschluss jeweils auf einem Niveau gehalten, mit dem eine möglichst exakte Bestimmung des Durchflussistwerts vorgenommen werden kann.It is advantageous if the valve seat is arranged between the inlet port and the throttle section. The valve seat, together with the valve element and the valve actuator, forms a fluid valve that provides adjustable throttling for the fluid channel. By arranging the valve seat upstream of the throttle section, the fluid supplied at the inlet port from a fluid source is ensured. The pressure and the resulting fluid volume flow or mass flow rate are already throttled by the fluid valve to such an extent that an advantageous adaptation to the fluid demand of the fluid consumer can be ensured. Due to the non-adjustable, flow-dependent throttling effect of the throttling section, the pressure values at the first and second measuring ports are maintained at a level that allows for the most accurate possible determination of the actual flow rate.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Messanschluss zwischen dem Ventilsitz und dem Drosselabschnitt angeordnet ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass das erste Sensorsignal möglichst exakt dasjenige Druckniveau wiedergibt, das unmittelbar vor dem Drosselabschnitt vorliegt, um dadurch eine möglichst genaue Bestimmung des Durchflussistwerts zu ermöglichen.In a further development of the invention, the first measuring port is arranged between the valve seat and the throttle section. This ensures that the first sensor signal reflects as accurately as possible the pressure level present immediately upstream of the throttle section, thus enabling the most precise possible determination of the actual flow rate.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ventilglied und der Ventilsitz zusammen mit dem Ventilantrieb ein Fluidventil aus der Gruppe: direktgesteuertes Sitzventil, direktgesteuertes Schieberventil, fluidisch vorgesteuertes Sitzventil, fluidisch vorgesteuertes Schieberventil bilden.In a further embodiment of the invention, it is provided that the valve element and the valve seat together with the valve actuator form a fluid valve from the group: directly controlled poppet valve, directly controlled spool valve, fluidically piloted poppet valve, fluidically piloted spool valve.

Bei einem Sitzventil ist das Ventilglied dazu ausgebildet, längs einer Bewegungsachse bewegt zu werden und mit einer Dichtfläche in abdichtende Anlage zu dem Ventilsitz zu gelangen, der beispielsweise als Kreisringfläche ausgebildet ist, die in einer quer zur Bewegungsachse ausgerichteten Ebene angeordnet ist. Das Sitzventil ist somit für eine axiale Dichtwirkung ausgebildet.In a poppet valve, the valve element is designed to move along an axis of movement and to come into sealing contact with the valve seat, which is, for example, designed as an annular surface arranged in a plane perpendicular to the axis of movement. The poppet valve is thus designed for an axial sealing effect.

Bei einem Schieberventil wird das Ventilglied längs einer Bewegungsachse in einer Ventilbohrung bewegt, wobei wenigstens zwei Anschlussbohrungen in die Ventilbohrung einmünden, die insbesondere quer zur Bewegungsachse ausgerichtet sind. Das Ventilglied, das auch als Ventilschieber bezeichnet wird, weist eine in radialer Richtung nach außen über den Ventilschieber abragende Dichtung auf, die beispielsweise als koaxial zur Bewegungsachse ausgerichteter O-Ring verwirklicht sein kann und die für eine radiale Dichtwirkung mit einem Bereich der Ventilbohrung ausgebildet ist.In a slide valve, the valve element moves along an axis of movement within a valve bore, with at least two connecting bores opening into the valve bore, which are oriented transversely to the axis of movement. The valve element, also referred to as a valve slide, has a seal projecting radially outwards beyond the valve slide, which can, for example, be implemented as an O-ring oriented coaxially to the axis of movement and is designed to provide a radial seal against a portion of the valve bore.

Bei einem direktgesteuerten Ventil wird das Ventilglied unmittelbar von einem elektromechanischen Ventilantrieb, bei dem es sich beispielsweise um einen Magnetantrieb oder um einen Piezoantrieb oder um einen elektrischen Getriebemotor handeln kann, in Abhängigkeit von dem Stellsignal in Bewegung versetzt.In a direct-controlled valve, the valve element is set in motion directly by an electromechanical valve actuator, which may be, for example, a magnetic actuator, a piezo actuator, or an electric geared motor, depending on the control signal.

Bei einem fluidisch vorgesteuerten Ventil wird das Ventilglied von einen druckbeaufschlagten Fluid, insbesondere Druckluft oder Inertgas, in Bewegung versetzt, wobei eine Bereitstellung des druckbeaufschlagten Fluids über ein elektrisch ansteuerbares Vorsteuerventil vorgenommen wird, das mit dem Stellsignal angesteuert werden kann.In a fluidically pilot-operated valve, the valve element is set in motion by a pressurized fluid, in particular compressed air or inert gas, whereby the pressurized fluid is supplied via an electrically controlled pilot valve which can be controlled with the control signal.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Regelung eines Durchflusses in einem Fluidkanal eines Durchflussreglers gelöst, das die nachfolgenden Schritte umfasst: Ermitteln eines ersten Fluiddrucks an einem ersten Messanschluss eines fluiddurchströmten Fluidkanals, wobei der erste Messanschluss zwischen einem Eingangsanschluss des Fluidkanals und einem im Fluidkanal ausgebildeten Drosselabschnitt angeordnet ist, Ermitteln eines zweiten Fluiddrucks an einem zweiten Messanschluss, der zwischen dem Drosselabschnitt und einem Ausgangsanschluss des Fluidkanals angeordnet ist, Berechnen eines im Fluidkanal vorliegenden Durchflussistwerts aus dem ersten Fluiddruck und dem zweiten Fluiddruck in einem Durchflussrechner einer Verarbeitungseinrichtung, Bereitstellen eines Stellsignals von der Verarbeitungseinrichtung an einen Ventilantrieb, der in Abhängigkeit von dem Stellsignal eine Position eines Ventilglieds beeinflusst, das einem im Fluidkanal angeordneten Ventilsitz zugeordnet ist, wobei das Stellsignal von einem in der Verarbeitungseinrichtung ausgebildeten Fluidstromregler berechnet wird, der eine Minimierung einer Durchflussabweichung zwischen dem Durchflussistwert und einem Durchflusssollwert vornimmt und wobei die Verarbeitungseinrichtung eine Fehlermeldung bereitstellt, sofern der erste Fluiddruck einen vorgegebenen ersten Schwellwert überschreitet und/oder sofern der zweite Fluiddruck einen vorgegebenen zweiten Schwellwert überschreitet.The object of the invention is achieved by a method for controlling a flow rate in a fluid channel of a flow controller, comprising the following steps: determining a first fluid pressure at a first measuring port of a fluid-filled fluid channel, wherein the first measuring port is arranged between an inlet port of the fluid channel and a throttle section formed in the fluid channel; determining a second fluid pressure at a second measuring port, which is arranged between the throttle section and an outlet port of the fluid channel; calculating an actual flow rate present in the fluid channel from the first fluid pressure and the second fluid pressure in a flow computer of a processing unit; providing a control signal from the processing unit to a valve actuator, which, depending on the control signal, influences a position of a valve element associated with a valve seat arranged in the fluid channel, wherein the control signal is calculated by a fluid flow controller formed in the processing unit, which minimizes a flow rate deviation between the actual flow rate and a flow rate setpoint, and wherein the processing unit provides an error message if the first fluid pressure exceeds a predetermined first threshold value and/or if the second fluid pressure exceeds a predetermined second threshold.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung eine schrittweise Reduzierung des Durchflusssollwerts vornimmt, bis sich durch die Beeinflussung des Ventilantriebs und die dadurch bewirkte Positionsveränderung des Ventilglieds ein Durchflussistwert einstellt, bei dem das erste Sensorsignal unterhalb des vorgegebenen ersten Schwellwerts liegt und/oder bei dem das erste Sensorsignal unterhalb des vorgegebenen ersten Schwellwerts liegt.In a further development of the process, it is provided that the processing device gradually reduces the target flow rate until, through the influence on the valve actuator and the resulting change in the position of the valve element, an actual flow rate is established at which the first sensor signal is below the specified first threshold and/or at which the first sensor signal is below the specified first threshold.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Fluiddruckregler der Verarbeitungseinrichtung den ersten Fluiddruck überwacht und das von dem Fluidstromregler bereitgestellte Stellsignal verändert, sofern der erste Fluiddruck einen vorgegebenen ersten Schwellwert überschreitet und/oder dass der Fluiddruckregler der Verarbeitungseinrichtung den zweiten Fluiddruck überwacht und das von dem Fluidstromregler bereitgestellte Stellsignal verändert, sofern der zweite Fluiddruck einen vorgegebenen zweiten Schwellwert überschreitet.In a further embodiment of the method, it is provided that a fluid pressure regulator of the processing device monitors the first fluid pressure and changes the control signal provided by the fluid flow regulator if the first fluid pressure exceeds a predetermined first threshold value and/or that the fluid pressure regulator of the processing device monitors the second fluid pressure and changes the control signal provided by the fluid flow regulator. The control signal changes if the second fluid pressure exceeds a predetermined second threshold value.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, wobei das Computerprogramm zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Softwaremittel umfasst, wenn das Computerprogramm von einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgeführt wird.The object of the invention is also achieved by a computer program product comprising a computer program, wherein the computer program includes software means designed to execute the method according to the invention, if the computer program is executed by a microprocessor or microcontroller.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:

1 eine rein schematische Übersichtsdarstellung eines Prozesssystems, das eine Gasquelle, einen Durchflussregler und eine Prozesskammer umfasst, und
2 eine rein schematische Darstellung einer Verarbeitungseinrichtung des in der 1 dargestellten Durchflussreglers.

An advantageous embodiment of the invention is shown in the drawing. Here, the drawing shows:

1 a purely schematic overview of a process system comprising a gas source, a flow regulator, and a process chamber, and
2 a purely schematic representation of a processing facility of the in the 1 flow regulator shown.

Ein in der 1 gezeigtes Prozesssystem 1 kann beispielsweise bei der Produktion von Halbleiterbausteinen eingesetzt werden und umfasst eine Gasquelle 2, einen Durchflussregler 11 sowie eine Prozesskammer 5. Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass nicht näher dargestellte Halbleiterbausteine in der Prozesskammer 5 aufgenommen sind und mit einem von der Gasquelle 2 bereitgestellten und über den Durchflussregler 11 eingespeisten Prozessgas beaufschlagt werden. Um eine reproduzierbare Gasbeaufschlagung der Prozesskammer 5 zu gewährleisten, ist es vorgesehen, das Prozessgas mit einem vorgegebenen Durchfluss an die Prozesskammer 5 bereitzustellen. Die Aufgabe des Durchflussreglers 11 besteht somit darin, diesen Durchfluss des Prozessgases so zu beeinflussen, dass stets der benötigte Prozessgasstrom an die Prozesskammer 5 bereitgestellt wird.One in the 1 The process system 1 shown can be used, for example, in the production of semiconductor components and comprises a gas source 2, a flow controller 11, and a process chamber 5. For illustrative purposes, semiconductor components (not shown in detail) are placed in the process chamber 5 and exposed to process gas supplied by the gas source 2 and fed in via the flow controller 11. To ensure reproducible gas exposure of the process chamber 5, the process gas is supplied to the process chamber 5 at a predetermined flow rate. The task of the flow controller 11 is therefore to control this process gas flow rate so that the required process gas flow is always supplied to the process chamber 5.

Hierzu ist die Gasquelle 2 über eine Versorgungsleitung 3 mit einem Eingangsanschluss 13 des Durchflussreglers 11 verbunden, wobei der Eingangsanschluss 13 an einer Außenoberfläche eines Gehäuses des Durchflussreglers 11 angeordnet ist. Der Eingangsanschluss 13 bildet den Anfang eines Fluidkanals 15, der sich durch das Gehäuse 12 erstreckt und der an einem Ausgangsanschluss 14 endet. Sowohl der Eingangsanschluss 13 als auch der Ausgangsanschluss 14 sind rein exemplarisch als Schlauchkupplungen ausgebildet, an denen die als Fluidschlauch ausgebildete Versorgungsleitung 3 sowie eine ebenfalls als Fluidschlauch ausgebildete Ausgangsleitung 4, die mit der Prozesskammer 5 verbunden ist, angeschlossen werden können.For this purpose, the gas source 2 is connected via a supply line 3 to an inlet port 13 of the flow regulator 11, the inlet port 13 being located on an outer surface of a housing of the flow regulator 11. The inlet port 13 forms the beginning of a fluid channel 15 that extends through the housing 12 and terminates at an outlet port 14. Both the inlet port 13 and the outlet port 14 are, purely by way of example, designed as hose couplings to which the supply line 3, designed as a fluid hose, and an outlet line 4, also designed as a fluid hose and connected to the process chamber 5, can be connected.

Der Fluidkanal ist beispielhaft in mehrere Fluidkanalabschnitte 16, 17, 18 und 19 unterteilt, wobei an den jeweiligen, nicht näher bezeichneten Schnittstellen zwischen den Fluidkanalabschnitten 16 bis 19 jeweils nachstehend näher beschriebene Funktionskomponenten angeordnet sind.The fluid channel is exemplarily divided into several fluid channel sections 16, 17, 18 and 19, wherein functional components described in more detail below are arranged at the respective, unspecified interfaces between the fluid channel sections 16 to 19.

Zwischen dem ersten Fluidkanalabschnitt 16, der mit dem Eingangsanschluss 13 verbunden ist, und dem zweiten Fluidkanalabschnitt 17 ist ein Fluidventil 37 angeordnet, bei dem es sich rein exemplarisch um ein fluidisch vorgesteuertes Proportionalventil handelt. Das Fluidventil 37 umfasst ein elektrisch ansteuerbares Vorsteuerventil 20, das auf einen fluidischen Ventilantrieb 21 wirkt, der seinerseits eine Bewegung eines Ventilglieds 22 zwischen einer Schließstellung, wie sie in der 1 gezeigt ist, und einer nicht gezeigten Öffnungsstellung bewirken kann. Dabei ist eine Position des Ventilglieds 22 zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung frei wählbar, so dass ein vom Fluidventil 37 freigegebener Strömungsquerschnitt des nur andeutungsweise dargestellten Ventilsitzes 23 frei eingestellt werden kann. Dem Ventilantrieb 21 wirkt eine Rückstellfeder 24 entgegen, so dass es sich bei dem Fluidventil 37 rein exemplarisch um ein normal geschlossenes Proportionalventil handelt.A fluid valve 37, which is a purely exemplary example of a fluidically piloted proportional valve, is arranged between the first fluid channel section 16, which is connected to the inlet port 13, and the second fluid channel section 17. The fluid valve 37 comprises an electrically actuated pilot valve 20, which acts on a fluidic valve actuator 21, which in turn moves a valve element 22 between a closed position, as described in the 1 as shown, and can effect an open position not shown. The position of the valve element 22 between the closed and open positions is freely selectable, so that the flow cross-section of the valve seat 23, which is only indicated, can be freely adjusted by the fluid valve 37. A return spring 24 opposes the valve actuator 21, so that the fluid valve 37 is, purely by way of example, a normally closed proportional valve.

Das Vorsteuerventil 20 ist über eine Steuerleitung 32 mit einer nachstehend näher beschriebenen Verarbeitungseinrichtung 31 verbunden, die Stellsignale für das Vorsteuerventil 20 bereitstellt, um dadurch den freien Strömungsquerschnitt am Ventilsitz 23 des Fluidventils 37 zu beeinflussen.The pilot valve 20 is connected via a control line 32 to a processing device 31 described in more detail below, which provides control signals for the pilot valve 20 in order to influence the free flow cross-section at the valve seat 23 of the fluid valve 37.

Zwischen dem zweiten Fluidkanalabschnitt 17 und dem dritten Fluidkanalabschnitt 18 ist ein erster Messanschluss 25 angeordnet, an dem ein erster Drucksensor 27 angeschlossen ist. Der erste Drucksensor 27 ist zur Umsetzung eines am ersten Messanschluss 25 vorliegenden Fluiddrucks in ein elektrisches Sensorsignal ausgebildet und steht über eine erste Sensorleitung 29 in elektrischer Verbindung mit der Verarbeitungseinrichtung 31.A first measuring port 25 is arranged between the second fluid channel section 17 and the third fluid channel section 18, to which a first pressure sensor 27 is connected. The first pressure sensor 27 is designed to convert a fluid pressure present at the first measuring port 25 into an electrical sensor signal and is electrically connected to the processing unit 31 via a first sensor line 29.

Zwischen dem ersten Messanschluss 25 und einem zweiten Messanschluss 26 erstreckt sich ein dritter Fluidkanalabschnitt 18, der auch als Drosselabschnitt bezeichnet wird, da dieser dritte Fluidkanalabschnitt mit einer Fluiddrossel 38 versehen ist. Die Aufgabe der Fluiddrossel 38 besteht darin, während eines Fluidstroms durch den Fluidkanal 15 für den ersten Messanschluss 25 und den zweiten Messanschluss 26 gut voneinander unterscheidbare Messwerte hervorzurufen. Hierzu ist dem zweiten Messanschluss 26 ein zweiter Drucksensor 28 zugeordnet, der zur Umsetzung eines am zweiten Messanschluss 26 vorliegenden Fluiddrucks in ein elektrisches Sensorsignal ausgebildet und der über eine zweite Sensorleitung 30 in elektrischer Verbindung mit der Verarbeitungseinrichtung 31 steht.A third fluid channel section 18, also referred to as a throttle section, extends between the first measuring port 25 and a second measuring port 26, because this third fluid channel section is equipped with a fluid throttle 38. The function of the fluid throttle 38 is to generate clearly distinguishable measured values for the first measuring port 25 and the second measuring port 26 during fluid flow through the fluid channel 15. For this purpose, a second pressure sensor 28 is assigned to the second measuring port 26. This sensor is designed to convert the fluid pressure present at the second measuring port 26 into an electrical sensor signal and is electrically connected to the processing unit 31 via a second sensor line 30.

Zwischen dem zweiten Messanschluss 26 und dem Ausgangsanschluss 14 erstreckt sich der vierte Fluidkanalabschnitt 19.The fourth fluid channel section 19 extends between the second measuring port 26 and the output port 14.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste Fluidkanalabschnitt 16, der zweite Fluidkanalabschnitt 17 und der vierte Fluidkanalabschnitt 19 jeweils den gleichen Querschnitt und den gleichen Strömungswiderstand aufweisen, während der dritte Strömungskanalabschnitt 18 einen erheblich größeren Strömungswiderstand aufweist.Preferably, the first fluid channel section 16, the second fluid channel section 17 and the fourth fluid channel section 19 each have the same cross-section and the same flow resistance, while the third flow channel section 18 has a considerably greater flow resistance.

Die Verarbeitungseinrichtung 31 ist zur Verarbeitung des ersten Sensorsignals des ersten Drucksensors 27 und zur Verarbeitung des zweiten Sensorsignals des zweiten Drucksensors 28 zu einem Durchflussistwert ausgebildet, der anschließend zu einem Stellsignal für das Fluidventil 37 weiterverarbeitet wird, um eine Durchflussregelung für das am Ausgangsanschluss 14 bereitgestellte Prozessgas zu gewährleisten.The processing unit 31 is designed to process the first sensor signal of the first pressure sensor 27 and to process the second sensor signal of the second pressure sensor 28 into an actual flow value, which is then further processed into a control signal for the fluid valve 37 in order to ensure flow control for the process gas provided at the output port 14.

Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass der Durchflussregler 11 eine Signalleitung 33 aufweist, über die eine Ansteuerung einer rein exemplarisch als Leuchtdiode 34 ausgebildeten Anzeigeeinrichtung vorgenommen werden kann. Beispielhaft ist vorgesehen, über die Leuchtdiode 34 eine Fehlfunktion des Durchflussreglers 11 anzuzeigen.For illustrative purposes only, the flow controller 11 is provided to have a signal line 33, via which a display device, for illustrative purposes only, designed as a light-emitting diode 34, can be controlled. For illustrative purposes only, the light-emitting diode 34 is provided to indicate a malfunction of the flow controller 11.

Ferner weist der Durchflussregler 11 beispielhaft eine Kommunikationsleitung 35 auf, die mit einer am Gehäuse 12 angeordneten Kommunikationsschnittstelle 36 verbunden ist. Über die Kommunikationsschnittstelle 36 kann ein Datenaustausch mit einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuerung oder mit einem ebenfalls nicht dargestellten Programmiergerät vorgenommen werden. Beispielhaft kann über die Kommunikationsschnittstelle 36 eine Parametrierung des Durchflussreglers 11 vorgenommen werden. Ergänzend oder alternativ kann der Durchflussregler 11 über die Kommunikationsschnittstelle 36 ein analoges oder digitales Fehlersignal ausgeben, sofern eine Fehlfunktion des Durchflussreglers 11 vorliegen sollte.Furthermore, the flow controller 11 has, for example, a communication line 35 which is connected to a communication interface 36 located on the housing 12. Data exchange with a higher-level controller (not shown) or a programming device (also not shown) can take place via the communication interface 36. For example, the flow controller 11 can be parameterized via the communication interface 36. Additionally or alternatively, the flow controller 11 can output an analog or digital error signal via the communication interface 36 if a malfunction of the flow controller 11 occurs.

Aus der 2 gehen rein schematisch die Funktionsbausteine der Verarbeitungseinrichtung 31 hervor. Diese nachstehend näher beschriebenen Funktionsbausteine sind insbesondere Programmmodule eines in der Verarbeitungseinrichtung 31, die insbesondere als nicht näher dargestellter Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgebildet sein kann, ablaufenden Computerprogramms.From the 2 The functional blocks of the processing unit 31 are shown schematically. These functional blocks, described in more detail below, are in particular program modules of a computer program running in the processing unit 31, which may be designed in particular as a microprocessor or microcontroller (not shown in detail).

Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung 31 die Funktionsbausteine: Fluidstromregler 41, Druckregler 42, Durchflussrechner 43 und Drucküberwachung 44 umfasst. Ferner umfasst die Verarbeitungseinrichtung 31 einen elektronischen Speicher 45 und eine elektrische Endstufe 46.For example, the processing unit 31 is designed to include the following functional modules: fluid flow controller 41, pressure controller 42, flow computer 43, and pressure monitoring 44. Furthermore, the processing unit 31 includes an electronic memory 45 and an electrical output stage 46.

Der Fluidstromregler 41 ist ein Regleralgorithmus, der aus dem elektronischen Speicher 45 einen Durchflusssollwert ausliest und diesen Durchflusssollwert mit einem Durchflussistwert vergleicht, der von dem Durchflussrechner 43 bereitgestellt wird. Die Aufgabe des Fluidstromreglers 41 besteht darin, aus einer Differenz zwischen dem Durchflusssollwert und dem Durchflussistwert ein Stellsignal zu berechnen, das in der Endstufe 46 verstärkt wird und anschließend an das Fluidventil 37 bereitgestellt wird, um die ermittelte Differenz zwischen dem Durchflusssollwert und dem Durchflussistwert zu minimieren.The fluid flow controller 41 is a control algorithm that reads a target flow value from the electronic memory 45 and compares this target flow value with an actual flow value provided by the flow computer 43. The task of the fluid flow controller 41 is to calculate a control signal from the difference between the target flow value and the actual flow value. This control signal is amplified in the final stage 46 and then supplied to the fluid valve 37 to minimize the calculated difference between the target flow value and the actual flow value.

Der vom Fluidstromregler 41 benötigte Durchflussistwert wird vom Durchflussrechner 43 auf Basis des ersten Sensorsignals des ersten Drucksensors 27, das über die erste Sensorleitung 29 bereitgestellt wird, und auf Basis des zweiten Sensorsignals des zweiten Drucksensors 28, das über die zweite Sensorleitung 30 bereitgestellt wird, berechnet.The actual flow rate required by the fluid flow controller 41 is calculated by the flow computer 43 on the basis of the first sensor signal of the first pressure sensor 27, which is provided via the first sensor line 29, and on the basis of the second sensor signal of the second pressure sensor 28, which is provided via the second sensor line 30.

Der Druckregler 42 hat die Aufgabe, den Druck am Ausgangsanschluss 14 zu begrenzen, sofern dieser einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet. Hierzu erhält der Druckregler 42 über die zweite Sensorleitung 30 das zweite Sensorsignal des zweiten Drucksensors 28.The pressure regulator 42 is designed to limit the pressure at the outlet port 14 if it exceeds a predefined maximum value. For this purpose, the pressure regulator 42 receives the second sensor signal from the second pressure sensor 28 via the second sensor line 30.

Die Aufgabe der Drucküberwachung 44 besteht darin, wenigstens einen Druck auf eine Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwerts zu überwachen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Drucküberwachung ausschließlich das erste Sensorsignal des ersten Drucksensors 27 heranzieht, das über die erste Sensorleitung 29, die in der 2 ausgehend von dem Durchflussrechner 43 bis zur Drucküberwachung 44 weitergeführt ist, zur Verfügung gestellt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Drucküberwachung 44 ausschließlich das zweite Sensorsignal des zweiten Drucksensors 28 heranzieht, das über die zweite Sensorleitung 30, die in der 2 ausgehend von dem Durchflussrechner 43 bis zur Drucküberwachung 44 weitergeführt ist, zur Verfügung gestellt wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Drucküberwachung 44 sowohl das erste Sensorsignal des ersten Drucksensors 27 auf eine Überschreitung eines ersten vorgegebenen Schwellwerts als auch das zweite Sensorsignal des zweiten Drucksensors 28 auf Überschreitung eines zweiten vorgegebenen Schwellwerts überwacht. Grundsätzlich ist die Drucküberwachung 44 dazu eingerichtet, eine Fehlermeldung, die auch als Fehlersignal bezeichnet wird, auszugeben, wenn wenigstens ein vorgegebener Schwellwert von dem jeweiligen Sensorsignal überschritten wird. Dieses Fehlersignal führt dann beispielsweise zur Aktivierung der Leuchtdiode 34 und/oder zu einer Reaktion einer mit der Kommunikationsschnittstelle 36 verbundenen, nicht dargestellten übergeordneten Steuerung.The task of the pressure monitoring system 44 is to monitor at least one pressure for exceedance of a predetermined threshold value. It may be provided that the pressure monitoring system uses only the first sensor signal from the first pressure sensor 27, which is transmitted via the first sensor line 29 located in the 2 starting from the flow computer 43 and continuing to the pressure monitoring system 44, the signal is provided. Alternatively, it can be provided that the pressure monitoring system 44 uses exclusively the second sensor signal from the second pressure sensor 28, which is transmitted via the second sensor line 30, which is located in the 2 The flow control system 43, which extends from the flow computer 43 to the pressure monitoring system 44, is provided. Preferably, the pressure monitoring system 44 monitors both the first sensor signal of the first pressure sensor 27 for exceeding a first predefined threshold and the second sensor signal of the second pressure sensor 28 for exceeding a second predefined threshold. The pressure monitoring system 44 is generally configured to output an error message, also referred to as an error signal, when at least one predefined threshold of the respective sensor signal is exceeded. This error signal then leads, for example, to the activation of the LED 34 and/or to a reaction from a higher-level control unit connected to the communication interface 36 (not shown).

Über die Bereitstellung der Fehlermeldung hinaus kann die Drucküberwachung 44 auch dazu ausgebildet sein, einen Einfluss auf den im elektronischen Speicher 45 abgelegten Durchflussistwert zu nehmen und durch eine Reduzierung des Durchflussistwerts, der dann anschließend vom Fluidstromregler 41 aus dem Speicher 45 ausgelesen wird, eine Verringerung des Durchflusses durch den Durchflussregler 11 zu bewirken, um zu erreichen, dass der Durchflussrechner 43 mit korrekten Sensorsignalen arbeiten kann, was eventuell in Frage gestellt sein kann, wenn beispielsweise eine Verengung in der Ausgangsleitung 4 eingetreten ist.Beyond providing the error message, the pressure monitoring 44 can also be configured to influence the actual flow rate stored in the electronic memory 45 and, by reducing the actual flow rate, which is then subsequently read from the memory 45 by the fluid flow controller 41, to reduce the flow rate through the flow controller 11 in order to ensure that the flow computer 43 can operate with correct sensor signals, which may be called into question if, for example, a constriction has occurred in the output line 4.

Claims

Flow regulator (11) for providing a predefinable fluid flow, comprising a housing (12) in which a fluid channel (15) extends from an inlet port (13) to an outlet port (14), wherein the fluid channel (15) has a valve seat (23) and a throttle section (18), and a valve element (22) which is movably received in the housing (12) between a closed position for the valve seat (23) and an open position for the valve seat (23), wherein a valve actuator (21) is arranged in the housing (12) which is configured to initiate a movement on the valve element (22), and a first pressure sensor (27) which is connected to a first measuring port (25) arranged between the inlet port (13) and the throttle section (18), and a second pressure sensor (28) which is connected to a second measuring port (26) arranged between the throttle section (18) and the outlet port (14), wherein the first pressure sensor (27) and the second pressure sensor (28) are electrically connected to a processing unit (31) which determines an actual flow rate in the fluid channel (15) from first sensor signals of the first pressure sensor (27) and from second sensor signals of the second pressure sensor (28) and which includes a fluid flow controller (41) configured to provide a control signal to the valve actuator (21) to regulate the actual flow rate to a setpoint flow rate, wherein the processing unit (31) is configured to output an error message if the first sensor signal exceeds a predetermined first threshold and/or if the second sensor signal exceeds a predetermined second threshold.

Flow regulator (11) according to Claim 1 , characterized in that the processing device (31) is designed to gradually reduce the flow setpoint when the predetermined first threshold is exceeded by the first sensor signal and/or when the predetermined second threshold is exceeded by the second sensor signal, until an actual flow value is established by influencing the valve actuator (21) at which the first sensor signal is below the predetermined first threshold and/or at which the second sensor signal is below the predetermined second threshold.

Flow regulator (11) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the processing device (31) additionally comprises a fluid pressure regulator (42) in addition to the fluid flow regulator (41), which is designed to limit a first pressure value determined from the first sensor signal to a first maximum pressure value and/or to limit a second pressure value determined from the second sensor signal to a second maximum pressure value.

Flow regulator (11) according to Claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the valve seat (23) is arranged between the inlet port (13) and the throttle section (18).

Flow regulator (11) according to Claim 1 , 2 , 3 or 4 , characterized in that the first measuring port (25) is arranged between the valve seat (23) and the throttle section (18).

Flow regulator (11) according to one of the preceding claims, characterized in that the valve element (22) and the valve seat (23) together with the valve actuator (21) form a fluid valve (37) from the group: directly controlled poppet valve, directly controlled spool valve, fluidically piloted poppet valve, fluidically piloted spool valve.

Method for controlling a flow rate in a fluid channel of a flow controller (11) comprising the steps of: determining a first fluid pressure at a first measuring port (25) of a fluid-flowing fluid channel (15), wherein the first measuring port (25) is arranged between an inlet port (13) of the fluid channel (15) and a throttle section (18) formed in the fluid channel (15); determining a second fluid pressure at a second measuring port (26) arranged between the throttle section (18) and an outlet port (14) of the fluid channel (15); and calculating an actual flow rate value present in the fluid channel (15) from the first fluid pressure and the second fluid pressure. Flow controller (43) of a processing unit (31), providing a control signal from the processing unit (31) to a valve actuator (21) which, depending on the control signal, influences a position of a valve element (22) which is assigned to a valve seat (23) arranged in the fluid channel (15), wherein the control signal is calculated by a fluid flow controller (41) formed in the processing unit (31), which minimizes a flow deviation between the actual flow value and a target flow value, and wherein the processing unit (31) provides an error message if the first fluid pressure exceeds a predetermined first threshold value and/or if the second fluid pressure exceeds a predetermined second threshold value.

Procedure according to Claim 7 , characterized in that the processing device (31) performs a stepwise reduction of the flow setpoint until, by influencing the valve actuator (21) and the resulting change in position of the valve element (22), an actual flow value is established at which the first sensor signal is below the predetermined first threshold and/or at which the second sensor signal is below the predetermined second threshold.

Procedure according to Claim 7 or 8 , characterized in that a fluid pressure regulator (42) of the processing device (31) monitors the first fluid pressure and changes the control signal provided by the fluid flow regulator (41) if the first fluid pressure exceeds a predetermined first threshold value and/or that the fluid pressure regulator (42) of the processing device (31) monitors the second fluid pressure and changes the control signal provided by the fluid flow regulator (41) if the second fluid pressure exceeds a predetermined second threshold value.

Computer program product comprising a computer program, wherein the computer program is used to execute the method according to one of the Claims 7 until 9 Trained software means includes when the computer program is executed by a microprocessor or microcontroller.