EZ-Japan BLOG since 2017 真・MFC千夜一夜物語

EZ-Japanブログは、真・MFC千夜一夜物語という流体制御機器=マスフローコントローラ(MFC)の解説記事をメインに、闘病復帰体験、猫達との生活が主なコンテンツです

ステップ応答時間

真・MFC千夜一夜物語 第325話 MFCの応答性 その1

最近でこそあまり競わなくなったイメージがありますが、Decoが営業になった1990年代はMFCの応答性精度の数字がどれだけ良いかを競う時代でした。
応答性と精度という項目は、MFCが単独で保証できる性能ではなく、どんな環境で使ってもカタログスペックを発揮できるわけではないという点を最近のユーザーさんは良くわかってきておられるようですね。

下図、SEMI Standard  E17 “ マスフローコントローラの過渡特性テストのガイド” での定義を見てください。
現在マスフローメーカーが仕様に記載する定義・用語は、そのほとんどがこれに準じていると思っていいでしょう。

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この定義が普及するまでは,MFCの応答性能表記はメーカーによりまちまちでした。
設定信号(SV値)が入力されてから、流量信号(PV値)が反応するまでの無反応時間(だんまり時間(Dead Time)が含まれます。
これを無視してPVが反応してからの時間を記載したり、無反応時間を含むトータルの応答時間としてステップ応答時間(Step Response Time)で記載する為、流量が設定値の±2%範囲の下限、設定値の-2%側を通過した瞬間で記載していたメーカーもありました。
これには大きな問題点があります。
先の図を見て頂ければお判りいただけると思いますが、ステップ応答を良く見せる為には、例えオーバーシュートが過多であってもOKなのです。

整定時間(Settling Time)の定義が理解されるまでは、こういったオーバーシュート含みの応答波形で出荷されるMFCに当たると、顧客はプロセスに問題を生じてしまい、困ってしまったのです。
特に半導体製造装置や一部の分析装置はリアクターを高真空に維持してプロセスを行います。
これではせっかくポンプで排気してAPCで高真空を保っても、ガス導入時のオーバーシュートによるサージで真空度が悪化してしまいます。

止む無く安定するまで、貴重なプロセスガスをベント側へ捨てて、流量が安定してから切り替えるという無駄を強いられることになってしまいます。
高価なガス、しかも一部は毒性の高いガスであったりしますから、それを純度の高い状態で捨てられると、下流の除害システムにかかる負担も大きくなりますので、こういった傾向は「応答性能を良く見せているだけで、なにも良い事は無いではないか?」という気付きに繋がり、整定時間でMFCの応答性を議論するようになったのです。

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

応答性とは?

下図でMFC(マスフローコントローラ)の応答特性に関する用語を整理してみました。
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これは SEMI Standard  E17 “ マスフローコントローラの過渡特性テストのガイド” にて定義されてたものを参考にしています。
最近のマスフローメーカーが仕様書に記載する定義・用語は、そのほとんどがこれに準じていると思っていいでしょう。
MFCのゼロから設定値へ流量制御する応答性に関しては、「応答性能1秒以下」等とよく表記されます。
これには設定信号(SV値)が入力されてから、流量信号(PV値)が反応するまでの無反応時間(だんまり時間(Dead Time)が含まれています。

無反応時間を含むトータルの応答時間は整定時間(Settling Time)で表記するのが、今では一般的です。

図中のステップ応答時間(Step Response Time)と整定時間(Settling Time)は異なる定義であるので注意して下さい。
いずれも流量が設定値の±2%に到達することを目安としていますが、ステップ応答時間がその最初、つまり目標値の-2%を通過する時間の事なのです。
乱暴な言い方をすれば、ステップ応答を良く見せる為には、オーバーシュートを過多に調整すればOK。
整定時間の定義が導入されるまでは、こういったオーバーシュート含みの応答波形で出荷されるMFCが多く、顧客は仕様通りの圧力条件で使用しても、大きなオーバーシュートによりプロセスの問題を抱えて困ってしまいました。
MFCの最大ニーズのある半導体製造装置の大半はリアクターを高真空に維持してプロセスを行います。
これではせっかく排気側APCで高真空を保っても、ガス導入時のオーバーシュートによるガスサージで真空が破壊されてしまいます。
おまけにオーバーシュート過大なMFCはそのピーキーなPID特性から、オーバーシュートと、アンダーシュートを繰り返し、整定時間はかなり遅いのです。
その間、ガスをベントへ捨てて、流量が安定してから切り替えるという無駄を強いられることになってしまいます。
高価なプロセスガスですし、そのほとんどが毒性や可燃性を持つ危険なガスを、反応なしでそのまま捨てられるというのは、排気側にある除害装置への負担もかなり増やすことになり、良い事は何もありませんでした。
オーバーシュートレスの応答波形は、それだけ目標値へ緩やかに到達する為に、結果としてガスサージは生じにくく、更に応答の制定も早いのでいいことづくめなのです。

【MFC豆知識】by Deco  EZ-Japan 


EZ-Japan(イージージャパン)Deco こと 黒田です。 2014年6月開業です。流体制御機器マスフローコントローラーを中心に”流体制御関連の万(よろず)屋”として情報発信しています。 日本工業出版「計測技術」誌で”マスフロー千夜一夜物語”の連載中です。
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