CN116185086A - 流量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够改善累计流量误差的流量控制装置。本发明的流量控制装置(1)具备：流量计(2)，其测定在流路(8)流通的流体的流量；流量调节阀(4)，其调节在流路(8)流通的流体的流量；以及控制部(7)，其基于流量计(2)的测定结果来控制流量调节阀(4)的开度，流量控制装置(1)具有：关闭功能，其以瞬时流量值控制流量调节阀(4)的开度，并以设定的累计流量值进行关闭；以及累计值预测功能，其始终监视流量调节阀(4)的当前的开度与瞬时流量值，在累计流量值达到事先关闭流量值的时间点开始流量调节阀(4)的关闭动作。

Description

流量控制装置

技术领域

本发明涉及一种流量控制装置，其能够以瞬时流量值进行控制，并且能够以准确的累计流量值来关闭阀。

背景技术

以往，已知有具备流量计、流量调节阀以及控制器的流量控制装置。在这样的流量控制装置中，在以累计流量值而使阀关闭的情况下，通常采用如下方法：首先使瞬时流量值保持为恒定，其后，在达到累计流量值的时间点使阀关闭。但是，由于阀无法在一瞬间关闭，所以即使从达到累计流量值起使阀关闭，直到关闭为止也需要时间，导致因该需要的时间而使累计流量值产生误差。特别地，在由一个阀兼具流量调节阀和关闭阀这两者的功能的情况下，更加需要直到关闭为止的时间，因此有累计流量值的误差变得更大的问题。

另外，由于通过下述的压力条件和瞬时控制流量等而控制的开度不同，所以即使是相同的瞬时控制流量，累计流量误差也因阀开度不同而不同，存在难以以准确的累计流量值来关闭阀这样的问题。应予说明，在压力条件变化时，也存在累计流量误差变动，再现性差这样的问题。

压力条件：若压力大则排出量变多，若压力小则排出量变少。

瞬时控制流量：若瞬时控制流量多则阀开度大，若瞬时控制流量少则阀开度小。

应予说明，本申请人事先进行了调查，作为现有技术文献，发现了下述专利文献1。专利文献1的注入量控制装置以预测累计流量的达到时刻，通过仅提前阀关闭动作时间来开始关闭动作从而成为准确的注入量的方式进行控制，但是由于阀为恒定关闭时间且不控制瞬时流量，所以瞬时流量值根据压力条件而不同。另外，在没有来自开度传感器等的反馈这一点、以及不是瞬时流量控制这一点上，是与本发明不同的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-310773号公报(东芝有限公司)

发明内容

技术问题

本发明是鉴于上述那样的问题而做出的，其目的在于，提供一种流量控制装置：针对关闭阀时的延迟时间，考虑到由于阀控制的开口面积(阀高度＝阀开度)根据压力变化和瞬时控制流量值而不同所以产生累计溢出流量值的偏差的情况，通过始终监视阀开度与瞬时流量值，并在适当的时间(与控制流量值、开度值匹配的时间)事先进行关闭，从而能够改善累计流量误差。

技术方案

为了解决上述课题，本发明的流量控制装置的特征在于，具备：流量计，其测定在流路流通的流体的流量；流量调节阀，其调节在所述流路流通的流体的流量；以及控制部，其基于所述流量计的测定结果来控制所述流量调节阀的开度，所述流量控制装置具有：关闭功能，其以瞬时流量值控制所述流量调节阀的开度，并以设定的累计流量值进行关闭；以及累计值预测功能，其始终监视所述流量调节阀的当前的开度与瞬时流量值，在累计流量值达到由下述的<数学式>定义的事先关闭流量值的时间点开始所述流量调节阀的关闭动作。

<数学式>

事先关闭流量值＝设定的累计流量值－累计溢出流量值

累计溢出流量值＝根据当前的开度计算出的全闭完成时间×根据瞬时流量值计算出的每单位时间的排出流量

或者

累计溢出流量值＝根据瞬时流量值计算出的每单位面积的流速×从当前的开度起到完成全闭为止的开口截面积的积分值

针对全闭完成时间，阀开度根据压力条件和瞬时流量值而不同。通过利用位置检测传感器等来监视当前的阀开度，从而能够计算出直到全闭为止的时间，通过对其应用瞬时流量值的每单位时间的排出流量从而根据当前的阀开度而求出累计溢出流量值，因此，通过始终与累计流量值进行比较从而能够进行符合当前的状态的事先关闭动作。由此，能够通过与阀开度对应的事先关闭动作来消除由压力条件变化和瞬时流量值变化而引起的累计溢出流量值的偏差。

另外，本发明的流量控制装置的特征在于，所述流量控制装置具有：低流量急速开阀功能，其在所述流量调节阀的开度为全闭且在由所述流量计测定出的瞬时流量值为0L/min的状态下，通过将所述流量调节阀的开度从全闭强制打开到指定开度，从而加快所述流体的流出；以及过冲抑制功能，其在所述低流量急速开阀功能刚刚动作之后，通过使所述流量控制待机直到达到预先设定的待机时间或者达到预先设定的流量阈值为止，从而抑制过冲。

技术效果

根据本发明的流量控制装置，具有如下效果：针对由压力变化和瞬时控制流量值的差异引起的累计溢出流量值的偏差，在根据当前的开度与瞬时流量值而提前预测了开始流量调节阀的关闭动作时的累计流量值的时刻(达到了事先关闭流量值的时间点)强制地开始关闭动作，从而能够以相对于设定的累计流量值而误差小的准确的累计流量值来完成关闭动作。

附图说明

图1是本发明的流量控制装置的功能框图。

图2是该装置的内部结构图。

图3的(A)是示出在该装置中，在设定的累计流量值为10L时，以瞬时流量值1L/min进行流量控制的情况下的开度与累计流量值的关系的图表，图3的(B)是示出在该装置中，在设定的累计流量值为10L时，以瞬时流量值5L/min进行流量控制的情况下的开度与累计流量值的关系的图表。

图4是示出在该装置中，在设定的累计流量值为10L时，从0L起以瞬时流量值1L/min进行流量控制的情况下的开度与累计流量值之间的关系的图表。

图5是在该装置中，基于当前的开度与瞬时流量值而求出延迟流量值与事先关闭流量值的数据表。

图6是该装置的流量调节阀中的针与阀座的示意图。

图7是示出该装置进行的流量控制方法的一例的流程图。

图8是示出该装置进行的具体的动作例的图表。

图9是示出该装置进行的流量控制方法的其他例的流程图。

符号说明

1：流量控制装置

2：流量计

3：流量计基板

4：流量调节阀

5：步进马达

6：位置检测传感器

7：控制基板

8：流路

9：PFA管

10：流入口

11：流出口

12：测定管

13：超声波传感器

14：超声波传感器

15：阀体

16：隔膜

17：针

18：马达致动器

19：轴体

20：马达轴

21：弹簧部件

22：阀座

23：连接器基板

24：I/O连接器

25：通信连接器

26：磁铁

50：外部控制设备

具体实施方式

以下，参照附图，对用于实施本发明的方式进行说明。

如图1所示，本实施方式的流量控制装置1是将流量测定部与流量控制部一体化的装置，并且构成为具备流量计2、流量计基板3作为流量测定部，具备流量调节阀4、步进马达5、位置检测传感器6、控制基板(控制部)7作为流量控制部。在控制基板7连接有外部控制设备50，从外部控制设备50进行电力供给和/或各种信号的接收发送。

流量计2测定在流路8流通的流体的流量。如图2所示，本实施方式的流量计2是超声波式流量计，并且在从安装有PFA管9的流入口10连通至流出口11的流路8的中途设置有直管型的测定管12。在测定管12的两端安装有由对置的一对超声波振子构成的超声波传感器13、14。超声波传感器13、14被交替地切换为发送器和接收器，针对在测定管12内流通的流体，从一个超声波传感器13(14)发送的超声波被另一个超声波传感器14(13)接收，基于流体的正向的超声波的传播时间与反向的超声波的传播时间之差来测定流体的流量。

流量计基板3具备收发电路和测定电路。收发电路按照来自测定电路的指令信号使超声波振子激振，利用超声波传感器13、14对超声波脉冲进行发送、接收。测定电路具有CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等运算处理部，所述测定电路计测出从利用超声波传感器13、14发送超声波脉冲到接收超声波脉冲所需要的传播时间，并且基于流体的正向的传播时间与反向的传播时间之差而求出流速，将求出的流速换算为流量值(瞬时流量值、累计流量值)并将其向控制基板7输出。

流量调节阀4调节在流路8流通的流体的流量。如图2所示，本实施方式的流量调节阀4是能够将开度从全闭(0％)调节到全开(100％)的电动式针阀。该电动式针阀具备隔膜16和针17作为阀体15，并且具备包括步进马达5的马达致动器18作为驱动部。在阀体15连结有轴体19，轴体19在其后端安装有步进马达5的马达轴20，通过抑制轴体19侧面的旋转力而进行直线运动动作，并始终被弹簧部件21向后方(远离阀座22的方向)施力。

关于流量调节阀4，若通过马达致动器18的驱动使步进马达5旋转而使马达轴20旋转，则轴体19通过其驱动力抵抗弹簧部件21的作用力而前进，与轴体19连结的阀体15接近阀座22。另外，若通过马达致动器18的驱动使步进马达5反向旋转而使马达轴20反向旋转，则轴体19被弹簧部件21的作用力按压而后退，与轴体19连结的阀体15离开阀座22。如此，通过马达致动器18的驱动使阀体15的针17接近或离开阀座22，从而调节作为针17与阀座22之间的间隙的阀开度。应予说明，马达致动器18除了包括步进马达5以外，还包括减速器、位置检测传感器6。

在控制基板7，外部控制设备50经由未图示的I/O连接器线缆和通信连接器线缆而与设置于图2所示的连接器基板23的I/O连接器24和通信连接器25连接。控制基板7从外部控制设备50接受电力供给，在其与外部控制设备50之间进行各种信号的接收发送。从外部控制设备50接收的信号是电源输入信号、目标值设定的指令输入信号、控制导通/关断的控制输入信号等，向外部控制设备50发送的信号是流量输出信号。

控制基板7具备控制电路和马达驱动电路。控制基板7基于流量计2的测定结果来控制马达致动器18，对流量调节阀4的开度进行反馈控制(PID控制)。控制电路具有CPU等运算处理部，基于从流量计基板3接收到的流量值(瞬时流量值、累计流量值)、以及从外部控制设备50接收到的指令输入信号，向马达驱动电路输出用于控制步进马达5的矩形波的脉冲信号。另外，控制电路利用安装于步进马达5的轴体19的磁铁26使位置检测传感器6检测磁力，基于来自位置检测传感器6的电压信号来检测步进马达5的轴体19的位置。马达驱动电路根据从控制电路输出的脉冲信号生成并输出励磁信号，从而控制步进马达5的驱动。

以上是本实施方式的流量控制装置1的结构，接下来，参照图3～图9对该装置进行的流量控制动作进行说明。

本实施方式的流量控制装置1具有以瞬时流量值对流量调节阀4的开度进行反馈控制(PID控制)，并以由外部控制设备50设定的累计流量值进行关闭的关闭功能。在此，试着考虑例如从流体正在流路8中流动的状态起在控制基板(控制部)7中开始累计的情况。在图3中，在设定的累计流量值为10L时，图3的(A)是示出以瞬时流量值1L/min进行流量控制的情况下的开度与累计流量值的关系的图表，图3的(B)是示出以瞬时流量值5L/min进行流量控制的情况下的开度与累计流量值的关系的图表。

在通常的流量控制的情况下，一边进行瞬时流量控制，一边在测定出的累计流量值达到预先设定的累计流量值的时间点开始进行强制关闭动作，但是根据图3可知，关闭延迟时间根据即将进行强制关闭之前的开度而变动，存在若开度高则累计流量值的误差变大的倾向。另外，可知如下情况：根据流量控制时的瞬时流量值(1L/min、5L/min)的不同，由关闭延迟而引起的流量误差也不同。

虽然在图3中，对在基于瞬时流量值的流量控制中，在流体正在流动的状态下开始累计的情况进行了说明，但是通常从流体没有流动的0L开始累计的使用例较多。图4是示出在设定的累计流量值为10L时，从流量调节阀4的开度为全闭(0％)且由流量计2测定出的瞬时流量值为0L/min的状态起，以瞬时流量值1L/min进行流量控制的情况下的开度与累计流量值的关系的图表。

如图4所示，虽然以往在测定出的累计流量值达到预先设定的累计流量值的时间点开始进行关闭动作(图4的A点)，但是在本发明中，通过预测达到的累计流量值而提前开始强制关闭动作(图4的B点)，从而能够使累计流量值不容易溢出，能够高精度地控制累计流量值。根据本发明的强制关闭开始流量值，在根据开度与瞬时流量值而提前预测了开始进行关闭动作时的累计流量值的时刻强制地开始进行关闭动作，因此能够以相对于设定的累计流量值而误差小的准确的累计流量值来完成关闭动作。

即，本实施方式的流量控制装置1具有如下功能：始终监视流量调节阀4的当前的开度与瞬时流量值，在测定出的累计流量值达到强制关闭开始流量值、换言之达到事先关闭流量值的时间点开始流量调节阀4的关闭动作。这是累计值预测功能。

事先关闭流量值由下述<数学式>来定义。

<数学式>

事先关闭流量值＝设定的累计流量值－累计溢出流量值

累计溢出流量值＝根据当前的开度计算出的全闭完成时间×根据瞬时流量值计算出的每单位时间的排出流量(×第一关闭校正系数)

应予说明，第一关闭校正系数是指对从阀关闭开始起到全闭为止开口面积变化的针阀或球阀等一边节流一边关闭的阀进行校正的系数，根据实验评价或阀与节流孔的体积比来进行计算。

或者，也可以采用下述的<数学式>来代替上述的<数学式>。

<数学式>

事先关闭流量值＝设定的累计流量值－累计溢出流量值

累计溢出流量值＝根据瞬时流量值计算出的每单位面积的流速×从当前的开度起到完成全闭为止的开口截面积的积分值(×第二关闭校正系数)

应予说明，第二关闭校正系数是指对由关闭动作引起的压差变化和/或由粘性影响引起的平均流速变化的校正、以及对因节流部形状而使开口截面积的变化量与计算不同的情况进行校正的系数，通过实验评价等来计算。

图5是基于根据流量调节阀4的当前的开度(％)计算出的全闭完成时间[ms]与根据瞬时流量值计算出的每单位时间[1ms]的排出流量(mL/ms)而求出累计溢出流量值＝延迟流量值(mL)(图5)与事先关闭流量值(mL)的数据表。当前的开度为10％刻度，其中间以比率来计算。另外，累计单位根据缩放值而不同。

列举一例，在设定的累计流量值为1000mL且以瞬时流量值300mL/min进行流量控制的情况下，若当前的开度为70％，则根据开度而计算出的全闭完成时间为180ms。另外，由于根据瞬时流量值300mL/min计算出的1ms间的排出流量为0.005mL，所以延迟流量值成为180ms×0.005mL＝0.90mL。因此，事先关闭流量值成为1000mL－0.90mL＝999.10mL。控制基板(控制部)7以在由流量计2测定出的累计流量值达到该事先关闭流量值的时间点开始流量调节阀4的关闭动作的方式控制马达致动器18的驱动。如该数据表所示，在控制基板(控制部)7中，实时地计算出当前的开度与流速。

本实施方式的流量调节阀4是电动式针阀，若如图6那样地示意性地表示针17和阀座22，则如下示出求出累计值预测功能中的事先关闭流量值的计算式。

·计算从当前的开度起到关闭动作开始t秒后的半径r

r＝a×(最大提升量－最大提升量×K+vt)

a＝针底面半径/针长度

v＝针提升速度

K＝关闭动作开始时的开度(％)

·计算t秒后的开口截面积Dt

Dt＝πR²－πr²

R＝阀节流孔半径

·计算t秒后的瞬时流量值

Qt＝V×Dt

V＝关闭开始时的流速＝关闭开始时的瞬时流量/截面积Dt(在t＝0处计算)

·计算从当前的开度起到全闭完成为止的时间(t1)

t1＝最大提升量×K/v

·计算延迟流量值(Q’)

从t0(关闭开始时间)起到t1(关闭完成时间)为止对Qt进行积分

事先关闭流量值＝设定的累计流量值－延迟流量值(Q’)

应予说明，在图4中说明的那样的从流体没有流动的0L起开始累计的情况下，容易产生流量控制开始时的过冲，因此优选并用以下那样的在提高低流量区域的响应性的同时抑制过冲的功能。

在图7中，在流量调节阀4的开度为全闭(0％)且由流量计2测定出的瞬时流量值为0L/min的状态下，开始进行流量控制(在步骤101中为是)(图8的A点)。虽然朝着目标的流量设定值的方向进行流量控制，但是在开始流量控制的时间点不进行PID控制，而输出开度指令信号，将流量调节阀4的开度从全闭(0％)强制打开到预先指定的开度(步骤102)(图8的A点至B点)。由此，能够消除流量调节阀4的止水裕度，并加快流体的流出。该动作是低流量急速开阀功能。

在该流量急速开阀功能刚刚动作之后，在实际的开度达到预先指定的开度的情况下(步骤103中为是)，判断是否设定了待机时间或流量阈值(步骤104)。在此，在没有设定待机时间或流量阈值的情况下(在步骤104中为否)，开始进行通常的PID控制(步骤107)，但是在设定了待机时间或流量阈值的情况下(在步骤104中为是)，不进行PID控制而进行控制待机(步骤105)。即，使流量控制待机直到达到预先设定的待机时间或者达到预先设定的流量阈值为止(图8的B点至C点)。该动作是过冲抑制功能。

通过该过冲抑制功能的动作，在预先设定的待机时间之前一直进行待机控制(在步骤106中为否)，在其中途达到流量阈值(待机时间解除流量值)的情况下(在步骤106中为是)，解除控制待机，开始进行通常的PID控制(步骤107)。在此处的PID控制中，利用饱和的流量值求出偏差，因此在没有误识别的情况下计算出适当的偏差，对开度进行微调(图8的C点至D点)。利用该PID控制，持续进行流量控制直到流量计2的测定结果成为设定流量值附近为止(在步骤108中为否)，若成为设定流量值附近(在步骤108中为是)(图8的D点)，则结束流量控制。

如此，通过低流量急速开阀功能，能够提高开始进行从流量0L起的基于瞬时流量的流量控制时的响应性。而且，虽然仅通过低流量急速开阀功能容易产生流量控制开始时的过冲，但是通过并用过冲抑制功能，在低流量急速开阀功能刚刚动作之后进行控制待机直到达到预先设定的待机时间或流量阈值为止，从而能够有效地抑制过冲。

应予说明，上述过冲抑制功能也能够采用图9所示的控制方法。图9所示的步骤201～206的动作与图7所示的步骤101～106的动作相同。不同点在于，在步骤207中，在检测到指定变化量以下且指定采样次数以上的情况下(在步骤207中为是)，判断为达到预先设定的流量阈值而开始PID控制(步骤208)。在此，“指定采样次数”是指每隔一定周期(例如10ms)对流量测定进行采样并设定进行几次比较而得的次数。另外，代替检测到指定变化量以下且指定采样次数以上的情况，也可以在多次连续地检测到设定流量值以上的情况下，判断为达到了预先设定的流量阈值。通过施加这样的处理，能够防止因压力变化等的影响而引起的误检测。

在以上说明的实施方式中，虽然采用了超声波式流量计作为流量计2，但是构成流量测定部的流量计并不限于此，也能够采用卡门涡旋式流量计、叶轮式流量计、面积式流量计、科里奥利式流量计、差压式流量计、电磁式流量计、热式流量计等其他流量计。另外，虽然采用了电动式针阀作为流量调节阀4，但是构成流量控制部的流量调节阀并不限于此，也能够采用空气式针阀、定压阀、球阀、蝶阀、截止阀等其他阀。

Claims (2)

1.一种流量控制装置，其特征在于，具备：

流量计，其测定在流路流通的流体的流量；

流量调节阀，其调节在所述流路流通的流体的流量；以及

控制部，其基于所述流量计的测定结果来控制所述流量调节阀的开度，

所述流量控制装置具有：

关闭功能，其以瞬时流量值控制所述流量调节阀的开度，并以设定的累计流量值进行关闭；以及

累计值预测功能，其始终监视所述流量调节阀的当前的开度与瞬时流量值，在累计流量值达到由下述的数学式定义的事先关闭流量值的时间点开始所述流量调节阀的关闭动作，

所述数学式如下：

事先关闭流量值＝设定的累计流量值－累计溢出流量值，

累计溢出流量值＝根据当前的开度计算出的全闭完成时间×根据瞬时流量值计算出的每单位时间的排出流量，

或者，

累计溢出流量值＝根据瞬时流量值计算出的每单位面积的流速×从当前的开度起到完成全闭为止的开口截面积的积分值。

2.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，

所述流量控制装置具有：

低流量急速开阀功能，其在所述流量调节阀的开度为全闭且在由所述流量计测定出的瞬时流量值为0L/min的状态下，通过将所述流量调节阀的开度从全闭强制打开到指定开度，从而加快所述流体的流出；以及

过冲抑制功能，其在所述低流量急速开阀功能刚刚动作之后，通过使所述流量控制待机直到达到预先设定的待机时间或者达到预先设定的流量阈值为止，从而抑制过冲。

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