JP2003056510A - 流量計測機能付きマスターバルブ - Google Patents
流量計測機能付きマスターバルブInfo
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Abstract
小な漏れ流量とを、差圧流量法を用いて精度良く測定で
きる機能を備えたマスターバルブを得る。 【解決手段】 圧力エア源7に接続するための第1ポー
トP1 と空気圧機器8に接続するための第2ポートP2
とを結ぶ流路9中に、該流路9を給気状態と排気状態と
に切り換えるための第1バルブ3と、全開放状態と制限
開放状態とに切り換えるための第2バルブ4とを直列に
接続すると共に、これらのバルブ3,4を個別に切換操
作するための切換手段5,6を設け、更に、一次側流路
9a及び二次側流路9c中のエア圧力をそれぞれ測定し
て演算装置2に出力する圧力センサー28a,28bを
設ける。
Description
気圧機器を制御するためのマスターバルブに関するもの
であり、更に詳しくは、上記空気圧機器の稼動時に消費
されるエアの消費流量と、非稼動時に消費されるエアの
微小な漏れ流量とを測定するための機能を備えたマスタ
ーバルブに関するものである。
消費流量が大きい空気圧機器の制御には、マスターバル
ブが使用される。一方、上述した空気圧機器で消費され
るエアの消費流量や微小な漏れ流量等を測定するための
方法として、従来より、差圧流量式や、超音波式、ター
ビン式、オリフィス式などの各種方法が知られている。
この中の差圧流量方式を利用する技術として、例えば特
開2000−249579号公報には、絞り機構を利用
して流体の圧力変化量及び流速を求め、流体の流量を算
出する差圧式流量計について開示されている。これは、
管路を流れる流体の圧力損失によって生じる第1の差圧
と、絞り機構の入口と絞り部との間の第2の差圧とか
ら、ベルヌーイの定理に従う管路断面積が変化したこと
のみによる補正圧力変化量を算出し、この補正圧力変化
量を利用して流速を求め、その流速と管路断面積とから
流体の流量を算出するものである。
は、流量が定量的に消費されていて流量変動の少ない状
態においては効果的であるが、消費流量が増大したとき
には、絞りが圧力損失となって測定精度が低下するとい
う欠点がある。また、漏れ流量のような配管内を僅かに
流れる微小流量の測定には不向きである。さらに、管路
中にマスターバルブとは別に専用の測定装置を接続しな
ければならないため、配管が複雑になり易いという問題
もある。
は、空気圧機器で消費されるエアの消費流量と微小な漏
れ流量とを、差圧流量法を用いて精度良く測定すること
ができ、また、管路中への接続も容易な、流量測定のた
めの手段を提供することにある。
め、本発明によれば、圧力エア源に接続するための第1
ポートと空気圧機器に接続するための第2ポートとを結
ぶ流路中に直列に接続され、個別の切換手段により切換
操作される第1バルブ及び第2バルブと、上記第1ポー
トと第1バルブとを結ぶ一次側流路、及び第2バルブと
第2ポートとを結ぶ二次側流路にそれぞれ接続され、こ
れらの流路中のエア圧力を測定して演算装置に出力する
圧力センサーとを有する流量計測機能付きマスターバル
ブが提供される。上記第1バルブは、上記流路を給気状
態と排気状態とに切り換えるための機能を有し、また上
記第2バルブは、上記流路が給気状態及び排気状態にあ
るときは該流路の断面積を大きく保ち、空気圧機器にお
けるエアの漏れ流量の測定時には上記流路の断面積を絞
る機能を有する。
は、空気圧機器稼動時のエア供給状態及び消費流量測定
状態と、非稼動時の漏れ流量測定状態と、稼動時又は非
稼動時の残圧排気状態とに切り換えることができる。す
なわち、空気圧機器の稼動時には、切換手段によって上
記第1バルブを給気状態に切り換えると共に、第2バル
ブを流路の断面積が大きくなるように切り換えることに
より、このマスターバルブはエア供給状態となる。そし
てこのとき、一次側流路と二次側流路とにおけるエア圧
力を圧力センサーでそれぞれ測定することにより、それ
らの差圧から差圧流量法に基づいて定常の消費流量を算
出することができる。また、空気圧機器の非稼動時にお
ける漏れ流量測定状態では、上記第1バルブは給気状態
のまま、第2バルブで流路の断面積を小さく絞ることに
より、圧力エアはこの第2バルブを通じて制限的に空気
圧機器に供給される。そして、このときの一次側流路と
二次側流路とにおけるエア圧力を圧力センサーでそれぞ
れ測定することにより、それらの差圧から差圧流量法に
基づいて空気圧機器からの微小な漏れ流量を算出するこ
とができる。さらに、空気圧機器の稼動時又は非稼動時
における残圧排気状態では、上記第1バルブを排気状態
に切り換えると共に、第2バルブを流路の断面積が大き
くなるように切り換えることにより、空気圧機器からの
エアを第1バルブを通じて急速排気することができる。
御に用いられるマスターバルブを使用して、稼動時のエ
アの消費流量と非稼動時の微小な漏れ流量とを、差圧流
量法を利用して2段階で測定することができ、また、専
用の測定装置をマスターバルブとは別に管路中へ接続す
る必要がないため、管路の構成も簡単になる。
第1バルブが、第2バルブに通じる中間流路と上記一次
側流路とを連通させる第1切換位置と、上記一次側流路
を遮断しかつ中間流路を外部に開放する第2切換位置と
に切換可能なるように構成され、上記第2バルブは、上
記中間流路と二次側流路とを全開放状態で連通させる第
1切換位置と、制限開放状態で連通させる第2切換位置
とに切換可能なるように構成されている。
ば、上記第1バルブ及び第2バルブがそれぞれ、パイロ
ットエアにより操作されるパイロット操作形バルブであ
り、また、上記第1バルブを切換操作するための切換手
段が電磁パイロット弁であって、第2バルブを切換操作
するための切換手段が手動操作弁である。
上記第1バルブが3ポートバルブであって、上記第1ポ
ートに通じる入力口と、上記第2バルブの入力口に通じ
る出力口と、排気口と、これらの開口を結ぶ流路を切り
換えるための弁手段とを有しており、また、一方の上記
第2バルブは2ポートバルブであって、上記第1バルブ
の出力口に通じる上記入力口と、上記第2ポートに通じ
る出力口と、これらの入力口と出力口との間を結ぶ流路
を開閉するための弁手段とを有し、該第2バルブの弁手
段に、第2切換位置において上記入力口と出力口とを制
限的に連通させるためのオリフィスが設けられている。
第1バルブと第2バルブとが、上記各ポートと流路とを
備えた一つのケーシング内に一体に組み込まれると共
に、該ケーシングに上記切換手段及び圧力センサーが組
み付けられている。
ブと、上記圧力センサーにより測定されたエア圧力に基
づいて計算式から空気圧機器におけるエアの消費流量と
漏れ流量とを算出する演算装置とを有する流量計測装置
が提供される。
よって示すもので、図中1は工作機械などの空気圧機器
を制御するためのマスターバルブ、2はこのマスターバ
ルブ1に接続された演算装置を示しており、これらのマ
スターバルブ1と演算装置2とによって流量計測装置が
構成されている。
接続するための第1ポートP1 と、空気圧機器8に接
続するための第2ポートP2 と、排気用の第3ポート
P3とを有していて、上記第1ポートP1 と第2ポー
トP2 とを結ぶ流路9中に、個別の切換手段5,6に
よって切換操作される第1バルブ3と第2バルブ4とが
直列に接続されている。
態と排気状態とに切り換えるためのもので、パイロット
操作形の3ポートバルブとして構成されている。即ちこ
の第1バルブ3は、上記第1ポートP1 に一次側流路
9aを通じて連通する入力口10と、上記第2バルブ4
の入力口20に中間流路9bを通じて連通する出力口1
1と、上記第3ポートP3 に通じる排気口12と、こ
れらの各開口間を結ぶ流路を切り換えるための弁手段1
3とを有している。そして、この弁手段13に作用する
復帰用のばね14と、切換手段5により供給されるパイ
ロットエアとによって、上記一次側流路9aと中間流路
9bとを連通させる第1切換位置と、一次側流路9aを
遮断しかつ中間流路9bを外部に開放する第2切換位置
とに切換可能となっている。
めの切換手段5は、電磁力によって操作される3ポート
式の電磁パイロット弁であって、パイロット流路16
a,16bを通じて上記一次側流路9aと第1バルブ3
とに接続され、この一次側流路9aからパイロットエア
を上記第1バルブ3に供給するようになっている。
給気状態及び排気状態にあるときは該流路の断面積を大
きく保ち、空気圧機器8におけるエアの漏れ流量の測定
時には上記流路9の断面積を小さく絞るためのもので、
パイロット操作形の2ポートバルブとして構成されてい
る。即ちこの第2バルブ4は、上記第1バルブ3の出力
口11に通じる上記入力口20と、第2ポートP2 に
通じる出力口21と、これらの各開口間を結ぶ流路を切
り換えるための弁手段23とを有している。そして、こ
の弁手段23に作用する復帰用のばね24と、切換手段
6により供給されるパイロットエアとによって、上記中
間流路9bと二次側流路9cとを全開放状態で連通させ
る第1切換位置と、オリフィス25を通じて制限開放状
態で連通させる第2切換位置とに切換可能なるように構
成されている。
めの切換手段6は、手動により切換操作される3ポート
式の手動操作弁であって、パイロット流路26a,26
bを通じて上記一次側流路9aと第2バルブ4とに接続
され、この一次側流路9aからパイロットエアを上記第
2バルブ4に供給するものである。
次側流路9a及び二次側流路9cにはそれぞれ、これら
の流路中のエア圧力を測定するための圧力センサー28
a,28bが接続され、これらの圧力センサー28a,
28bが上記演算装置2に接続されている。
量測定のための計算式が入力されていて、上記圧力セン
サー28a,28bで測定されたエア圧力がこの演算装
置2に入力されると、上記計算式によってエアの瞬時流
量と単位時間当りの積算流量とが算出され、それらが必
要に応じてマスターバルブ1やその他の場所に設置され
た表示手段に表示されるようになっている。
消費流量と漏れ流量とをそれぞれ音速域について算出す
るための計算式1と、亜音速域について算出するための
計算式2とに分かれている。
界圧力比bとは、マスターバルブ1の固有値であって、
消費流量の測定時と漏れ流量の測定時とで数値が異なる
ものである。従って、使用するマスターバルブ1が決定
されると、事前に、このマスターバルブ1が消費流量測
定のための切換状態にあるときと、漏れ流量測定のため
の切換状態にあるときとの、それぞれの場合について上
記流体コンダクタンスCと臨界圧力比bとが求められ、
それらの数値が上記各式に組み込まれることによって計
算が行われる。
力エア源7と空気圧機器8との間に接続され、該空気圧
機器8の制御と、該空気圧機器8の稼動時におけるエア
の消費流量の測定と、非稼動時における漏れ流量の測定
とに使用される。すなわち、図1に示すように、空気圧
機器8の稼動時には、上記第1バルブ3及び第2バルブ
4が切換手段5,6によって共に第1切換位置に切り換
えられることにより、このマスターバルブ1はエア供給
状態となる。そしてこのとき、一次側流路9aと二次側
流路9cとにおけるエア圧力を圧力センサー28a,2
8bでそれぞれ測定して演算装置2に入力することによ
り、この演算装置2において、差圧流量法に基づく上記
計算式1及び計算式2によって稼動時のエア消費流量が
算出される。
れ流量の測定時には、図2に示すように、上記第1バル
ブ3が第1切換位置にあり且つ第2バルブ4が第2切換
位置にあるようにマスターバルブ1が制御されることに
より、圧力エアはこの第2バルブ4のオリフィス25を
通じて制限的に空気圧機器8に供給される。そして、こ
のときの一次側流路9aと二次側流路9cとにおけるエ
ア圧力を圧力センサー28a,28bでそれぞれ測定す
ることにより、上記計算式1及び計算式2により非稼動
時のエアの漏れ流量が算出される。
3に示すように、上記第1バルブ3が第2切換位置にあ
り且つ第2バルブ4が第1切換位置にあるようにマスタ
ーバルブ1が制御されることにより、空気圧機器8から
のエアが第3ポートP3 を通じて急速排気される。
マスターバルブ1の具体的な実施形態を例示するもの
で、このマスターバルブ1は、上記第1ポートP1 と
第2ポートP2 及び第3ポートP3 を備えた一つのケ
ーシング30を有していて、このケーシング30に上記
第1バルブ3と第2バルブ4とを並べて内蔵すると共
に、上記パイロット弁5と手動操作弁6及び圧力センサ
ー28a,28bとを組み付けることにより、全体を一
体に形成したものである。
力口11との間の供給弁座31と、出力口11と排気口
12との間の排気弁座32と、これらの弁座31,32
を開閉する上記弁手段13とを有している。この弁手段
13は、弁孔33内に摺動自在に収容されたピストン3
4と、このピストン34から延びるバルブステム35
と、このバルブステム35の先端に取り付けられて上記
弁座31,32をポペット式に開閉する弁体36と、上
記ピストン34とケーシング30との間に介設した復帰
ばね14とを含んでいて、上記ピストン34の受圧面側
に区画形成された圧力室38にパイロット弁5でパイロ
ットエアを供給することにより、このパイロットエアと
上記復帰ばね14との共同作用によって第1切換位置と
第2切換位置とに切り換えられ、上記弁座31,32を
交互に開閉するものである。
0の上面に取り付けられ、該ケーシング30の内部に設
けられたパイロット流路を通じて上記一次側流路9aと
圧力室38とに接続されている。
0と出力口21との間に形成された弁座41と、この弁
座41を開閉する上記弁手段23とを有している。この
弁手段23は、弁孔42内に摺動自在に収容されたピス
トン43と、このピストン43から延びるバルブステム
44と、このバルブステム44の先端に取り付けられて
上記弁座41をポペット式に開閉する弁体45と、上記
ピストン43とケーシング30との間に介設された復帰
ばね24とを含んでいて、上記ピストン43の受圧面側
に形成された圧力室47に手動操作弁6でパイロットエ
アを供給することにより、このパイロットエアと上記復
帰ばね24との共同作用によって第1切換位置と第2切
換位置とに切り換えられ、上記弁座41を開閉する。そ
して、上記弁体45及びバルブステム44には、上記第
2切換位置において上記入力口20と出力口21とを制
限的に連通させるための小断面積の流路を形成する上記
オリフィス25が設けられている。
の前面に取り付けられていて、該ケーシング30の内部
に設けられたパイロット流路を通じて上記一次側流路9
aと圧力室47とに接続され、ハンドル6aを回すこと
によって上記圧力室47にパイロットエアを供給できる
ように構成されている。
記圧力センサー28a,28bで検出したエア圧力や、
測定した消費流量及び漏れ流量等を選択的に表示するた
めの表示部49が設けられると共に、その表示内容を選
択するための切換スイッチ50が設けられている。図中
51a,51bは圧力測定用のポートであって、これら
の各ポートにそれぞれ上記圧力センサー28a,28b
が取り付けられている。
試作して試験的に使用し、その時の一次側圧力と二次側
圧力とから上記計算式によりエアの消費流量と漏れ流量
とを求めると共に、それらの圧力に対応する実測流量を
求め、それらを比較した。 (1)試作品の仕様 ポートの管接続口径 : 3/8 使用圧力範囲 : 0.2〜1Mpa 周囲温度及び使用液体温度 : 0〜60℃ Cv値 第1ポートから第2ポート : 2.2 第2ポートから第3ポート : 2.9 質量 : 1265g
あるときの流体コンダクタンス(C)、臨界圧力比
(b)、有効断面積(S=計算値)は下記の通りであ
る。 流体コンダクタンス(C): 5721.8/min・bar 臨界圧力比(b) : 0.184 有効断面積(S) : 67mm2 上述した数値をそれぞれ上記計算式1,2に代入する
と、音速域での消費流量の計算式は、
費流量特性は図7の線図に示す通りである。この線図に
おける各曲線は、一次側圧力に対する二次側圧力とエア
流量との変化の関係を表すもので、例えば曲線Xは、一
次側圧力が0.6Mpaである場合の二次側圧力とエア
流量との変化を表していて、この曲線X上の点Yは、一
次側圧力が0.6Mpaであるとき二次側圧力が0.5
3Mpaであって、そのときのエア流量が1500l/
minであるということを表している。
費流量の、実測流量に対する比を表1に示す。
使用し、その固有値である流体コンダクタンスと臨界圧
力比とを組み入れた計算式から算出した消費流量は、実
測流量に対し、音速域においても亜音速域においても±
5%以内の精度を有する。
あるときの流体コンダクタンス(C)、臨界圧力比
(b)、有効断面積(S=計算値)は下記の通りであ
る。 流体コンダクタンス(C): 535.0/min・bar 臨界圧力比(b) : 0.216 有効断面積(S) : 40mm2
に代入すると、音速域での漏れ流量の計算式は、
れ流量特性は図8の線図に示す通りである。この線図に
おける各曲線は、一次側圧力に対する二次側圧力とエア
の漏れ流量との変化の関係を表すもので、その見方は図
7の場合と同じである。上記計算式1b,2bから算出
した漏れ流量の、実測流量に対する比を表2に示す。
し、その固有値である流体コンダクタンスと臨界圧力比
とを組み入れた計算式から算出した漏れ流量は、実測流
量に対し、音速域においても亜音速域においても±5%
以内の精度を有する。
エアの定常消費流量と微小な漏れ流量とを差圧流量法を
利用して2段階で精度良く測定することができ、また、
専用の測定装置を用意してマスターバルブとは別に管路
中へ接続する必要がないため、管路の構成も簡単にな
る。
である。
る。
ある。
る。
を示す線図である。
を示す線図である。
Claims (6)
- 【請求項1】圧力エア源に接続するための第1ポートと
空気圧機器に接続するための第2ポートとを結ぶ流路中
に直列に接続され、個別の切換手段により切換操作され
る第1バルブ及び第2バルブと、上記第1ポートと第1
バルブとを結ぶ一次側流路、及び第2バルブと第2ポー
トとを結ぶ二次側流路にそれぞれ接続され、これらの流
路中のエア圧力を測定して演算装置に出力する圧力セン
サーとを有し、 上記第1バルブは、上記流路を給気状態と排気状態とに
切り換えるための機能を持ち、 上記第2バルブは、上記流路が給気状態及び排気状態に
あるときは該流路の断面積を大きく保ち、空気圧機器に
おけるエアの漏れ流量の測定時には上記流路の断面積を
小さく絞る機能を持つ、ことを特徴とする流量計測機能
付きマスターバルブ。 - 【請求項2】請求項1に記載のマスターバルブにおい
て、上記第1バルブが、第2バルブに通じる中間流路と
上記一次側流路とを連通させる第1切換位置と、上記一
次側流路を遮断しかつ中間流路を外部に開放する第2切
換位置とに切換可能なるように構成され、上記第2バル
ブは、上記中間流路と二次側流路とを全開放状態で連通
させる第1切換位置と、制限開放状態で連通させる第2
切換位置とに切換可能なるように構成されていることを
特徴とするもの。 - 【請求項3】請求項2に記載のマスターバルブにおい
て、上記第1バルブ及び第2バルブがそれぞれ、パイロ
ットエアにより操作されるパイロット操作形のバルブで
あり、また、上記第1バルブを切換操作するための切換
手段が電磁パイロット弁であって、第2バルブを切換操
作するための切換手段が手動操作弁であることを特徴と
するもの。 - 【請求項4】請求項2又は3に記載のマスターバルブに
おいて、上記第1バルブが3ポートバルブであって、上
記第1ポートに通じる入力口と、上記第2バルブの入力
口に通じる出力口と、排気口と、これらの開口を結ぶ流
路を切り換えるための弁手段とを有し、一方の上記第2
バルブは2ポートバルブであって、上記第1バルブの出
力口に通じる上記入力口と、上記第2ポートに通じる出
力口と、これらの入力口と出力口との間を結ぶ流路を開
閉するための弁手段とを有し、該第2バルブの弁手段
に、第2切換位置において上記入力口と出力口とを制限
的に連通させるためのオリフィスが設けられていること
を特徴とするもの。 - 【請求項5】請求項1から4までの何れかに記載のマス
ターバルブにおいて、上記各ポートと流路とを備えた一
つのケーシング内に上記第1バルブと第2バルブとが一
体に組み込まれると共に、該ケーシングに上記切換手段
及び圧力センサーが組み付けられていることを特徴とす
るもの。 - 【請求項6】請求項1から5までの何れかに記載のマス
ターバルブと、上記圧力センサーにより測定されたエア
圧力に基づいて計算式から空気圧機器におけるエアの消
費流量と漏れ流量とを算出する上記演算装置とを有し、
上記計算式が、 【数1】 【数2】 但し、Qmax: 音速域での流量 l/min(標準状態) Qn : 亜音速域での流量 l/min(標準状態) C : 流体コンダクタンス l/( min・MPa abs ) b : 臨界圧力比 PH : 一次側圧力 MPa abs PL : 二次側圧力 MPa abs To : 絶対温度 273℃ T : 常温 ℃ であることを特徴とする流量計測装置。
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- 2001-08-13 JP JP2001245725A patent/JP4703912B2/ja not_active Expired - Fee Related
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