JP2014524026A - バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置 - Google Patents

Abstract

バルブシグネチャ診断およびリーク検査装置は、パイロット弁に動作可能に接続されているスプール弁を含む。パイロット弁は、スプール弁を開放位置および閉鎖位置のいずれかに位置付けるように構成されている。遮断弁が、スプール弁の制御流体排出口に流体的に接続されている。電気モジュールが、パイロット弁、制御流体の供給口、および遮断弁に動作可能に接続されている。電気モジュールは、パルス変換された電気信号をパイロット弁および遮断弁に送信することによって、スプール弁および遮断弁を開放位置または閉鎖位置に選択的に位置付けることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に制御バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置に関するものであり、より具体的には、電気的にパルスされる遮断弁を有する制御バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置に関するものである。

既存のプロセス制御システムは、多くの場合、制御弁を利用してプロセス制御システム内部の流量を制御する。制御弁は時折故障するため、プロセス制御装置またはプロセス制御コンポーネント、例として、制御弁に定期的な診断を行い、そのような装置の操作性および性能を判定することが望ましい。プロセス制御装置の操作性の判定によって、プロセス制御装置の保守に対するより良いスケジューリングが可能になり、その結果、故障の発生および動作不能時間を減少することができる。これにより、能率、安全性および収益の増大をもたらすことができる。プロセス制御システムは、さまざまなセンサおよび他の測定装置を用いて、プロセス制御装置の特性を観察することができる。例として、一部の既存の制御システムは、デジタル弁制御器を用いて、制御弁に関するさまざまなセンサからのデータを測定および収集することができる。

制御弁の評価に用いる診断の一つにバルブシグネチャ試験があり、この試験では、弁への入力、例として、アクチュエータ圧力または制御信号に対するアクチュエータの位置またはアクチュエータ弁の開放位置を測定する。シグネチャグラフのグラフィカル表示によって、プラントオペレータは、備品の劣化を示唆し得る弁特性の変化をより容易に認知または検出することができる。このように、一部の制御システムは、弁保守ソフトウェア、例として、ミズーリ州セントルイスのＦｉｓｈｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＬＬＣが提供するＡＭＳ（商標）、ＶａｌｖｅＬｉｎｋ（製品版）ソフトウェアを実装してシグネチャグラフを表示することができる。バルブシグネチャ試験によって判定できるいくつかの弁特性は、これらに限定されないが、弁摩擦、アクチュエータのトルク、不感帯および遮断機能、ならびにアクチュエータのばね定数およびベンチセットを含むことができる。

例として、制御弁を新規にしたときにバルブシグネチャ試験（たとえば、弁製造業者による検査）を実施して、制御弁の性能をベンチマークすることができる。バルブシグネチャ試験によって、開放および閉鎖運動を起こすために加えられた作動圧力に伴い制御弁の可動要素、例として、弁体が開放および閉鎖したときのそれらの移動距離または位置を記録および／または追跡できることを当業者は理解できる。制御弁にバルブシグネチャ試験をそれ以後長期にわたって行う場合には、シグネチャ試験の結果を以前の試験に関連させて調査することによって、さまざまな特性の変化、例として、アクチュエータのばね定数および弁摩擦またはトルクの変化を判定することができる。そして、制御弁の性能または制御に何らかの劣化が生じたか否かを判定することができる。

制御弁には、バルブシグネチャ検査に加えて、多くの場合、弁のリークが発生した時、およびリークがあるかどうか、それ故に、修理または交換が必要かどうかを判定するためのリーク検査が要求される。

一部のプロセス制御システムは弁位置決め装置（たとえば、ポジショナ）を有し、これは、弁部材の実際の位置の測定と、所望の位置と実際の位置との比較との両方を行うことができる。実際の位置と所望の位置とが互いに異なる場合には、ポジショナは、実際の位置を調節して所望の位置に一致させる。ポジショナが弁アクチュエータに入る信号入力の測定と、弁部材の位置の測定との両方を行うため、ポジショナ内部（または、ポジショナに動作可能に接続されているコンピュータ内）のソフトウェアが、実測値と所望のまたは基準測定値とを比較することによって、弁の性能が低下しているか否かを判定できる。ポジショナはリーク検査機能を含むことができる。

しかしながら、性能の劣るプロセス制御システムは、ポジショナを備えない制御弁を使用することがある。現在のところ、ポジショナが無くとも制御弁の性能の観測、またはリーク検査を実行可能な、簡単で費用効率が良い装置は存在しない。

バルブシグネチャ診断およびリーク検査装置は、パイロット弁に動作可能に接続されているスプール弁を含む。パイロット弁は、スプール弁を開放位置および閉鎖位置のいずれかに位置付けるように構成されている。スプール弁は、第一の制御流体注入口、第一の制御流体排出口、および第二の制御流体排出口を含む。第一の制御流体注入口は、制御流体の供給口に流体的に接続されている。第一の制御流体排出口は、弁アクチュエータに接続するように構成されている。遮断弁が、スプール弁の第二の制御流体排出口に流体的に接続されている。電気モジュールが、パイロット弁、制御流体の供給口、および遮断弁に動作可能に接続されている。電気モジュールは、パルス変換された電気信号をパイロット弁および遮断弁に送信することによって、スプール弁および遮断弁を開放位置または閉鎖位置に選択的に位置付けることが可能である。スプール弁は、開放位置では、第一の制御流体注入口と第一の制御流体排出口とを流体的に接続する。スプール弁は、閉鎖位置では、第一の制御流体排出口と第二の制御流体排出口とを流体的に接続する。

ポジショナを備えずに制御弁のバルブシグネチャ診断を実行する方法は、電気モジュールから遮断弁に電気信号を送信することによって遮断弁を閉鎖することと、パルス方式において電気モジュールからスプール弁に電気信号を送信することによってスプール弁を開放することと、制御流体を弁アクチュエータに段階的に流し込むことと、を段階的に含む。アクチュエータ内部の圧力および制御要素の位置をパルスごとに測定し、その圧力および位置をプロットしてバルブシグネチャグラフを生成する。

ポジショナを備えずに制御弁のリークテストを実行する方法は、電気モジュールから遮断弁に電気信号を送信することによって遮断弁を閉鎖することと、電気モジュールからスプール弁に電気信号を送信することによってスプール弁を閉鎖することと、を含む。弁アクチュエータ内部の圧力および制御要素の位置を特定の期間観測することによって、アクチュエータにリークが存在するか否かを判定する。

バルブシグネチャ診断およびリーク検査装置を含む制御弁を示す断面図である。 バルブシグネチャグラフの例を示す図である。 図１のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置を示す略図である。 開放位置におけるスプール弁を備えている図３のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置の一部を示す略図である。 閉鎖位置におけるスプール弁を備えている図３のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置の一部を示す略図である。 図１のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置を用いたバルブシグネチャ試験を例証する論理図である。 図１のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置を用いたリークテストを例証する論理図である。 図１のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置のスプール弁または遮断弁の一実施態様を示す分解斜視図である。

以下の文書では本発明の例示的な実施態様の詳細な説明を記載するが、本発明の法的な範囲が、本特許の最後に説明される請求項の用語によって定義されることが理解されるはずである。詳細な説明は単に例示的なものであり、すべての実行可能な実施態様の記述が不可能ではないにしても実益がないであろうため、本発明のすべての実行可能な実施態様を記述するものではないと解釈されるべきである。本開示の読解に従い、当業者は、現在の技術または本特許の出願日後に開発される技術のいずれかを用いて、一以上の代替態様を実施することが可能である。そのような追加の主張もまた、本発明を定義する請求項の範囲内に含まれるであろう。

プロセス制御システムに用いる制御装置には、制御弁、調整弁またはプロセス制御システム内部の流量を調整または制御するための他の変更可能な開放手段等のプロセス制御装置を含めることができる。本明細書に記述する例示の実施態様は空気圧で作動する制御弁に基づくが、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、他のプロセス制御装置、例として、ポンプ、電気的に作動する弁、調整弁なども意図することができる。概して、制御装置、例として、制御弁アセンブリを導管またはパイプに位置付け、取り付けられたアクチュエータを用いて、可動要素、例として、制御弁内部の弁体の位置を変えることによって流量を制御できる。制御要素を調節して一部の作業条件に影響を与えることによって、選択された流量、圧力、液面または温度を維持することができる。

制御弁アセンブリは、通常、空気流圧を調整した源、例として、プラント圧縮機からの空気によって動作するが、他の制御流体を用いることもできる。この流体圧力は、プロセス制御システムから受信した信号に応答して流体圧力を制御する弁制御機器を通じて、アクチュエータ（例として、弁軸をスライドさせるためのバネおよびダイヤフラムアクチュエータ、または回転弁用のピストンアクチュエータ）に取り込まれる。アクチュエータ内の流体圧力の大きさに応じて、アクチュエータ内部のバネおよびダイヤフラムまたはピストンの運動および位置が決定される。それによって、制御弁の制御要素に連結されている弁軸の位置を制御する。例として、バネおよびダイヤフラムアクチュエータにおいて、ダイヤフラムは、プロセス制御システム内部の流れを変更するために、制御弁の注入口と排出口とを繋ぐ弁通路内部の制御要素（すなわち、弁体）を位置付けるように付勢バネに対して作用する必要がある。アクチュエータは、圧力チャンバ内の流体圧力の増大に従い制御要素の開放の程度を増大または減少（たとえば、順動作または逆動作）するように設計することができる。

図１に例証するシステムの制御弁１０は、弁位置等の出力変数と、定値またはコマンド信号等の入力変数との間の特性ループに関与する関係を持っている。この関係はシグネチャグラフと呼ぶことができ、この例を図２に例証する。ここでは、例として、弁軸またはアクチュエータ軸の位置として表される制御要素の位置に対するアクチュエータ圧力をプロットしている。図２に例証するように、アクチュエータ内の流体圧力に関する全範囲の入力−出力特性を、制御弁１０の可動要素の出力位置の対応する範囲にわたってプロットできる。代替的な入力変数、例として、定値コマンド信号もシグネチャグラフに用いることができる。

制御弁の性能上の問題を診断する一方法には、完全または部分的なシグネチャグラフを生成し、完全または部分的なシグネチャグラフと、制御弁に関する基準または初期のシグネチャグラフとを比較する方法がある。２つのグラフを比較することによって、技術者は、２つのグラフ間の差異に基づいて、制御弁のどの部分が劣化または故障している可能性があるかを判定することができる。

図１に戻ると、制御弁１０は、流体通路１８によって接続されている流体注入口１４と流体排出口１６とを有する弁本体１２を含む。制御要素または弁体２０が弁座２２と共に動作して制御弁１０を流れる流量を変化させる。弁体２０は、弁座２２に対して弁体２０を移動する弁軸２４に接続している。アクチュエータ３０が、弁体２０に力を加えて移動させる。アクチュエータ３０は、ダイヤフラム３４を包囲するアクチュエータハウジング３２を含む。ダイヤフラム３４は、アクチュエータハウジング３２を第一のチャンバ３６と第二のチャンバ３８とに分離する。これらのチャンバは、ダイヤフラム３４によって互いに流体的に分離される。ダイヤフラム３４は、アクチュエータ軸４２に取り付けられているダイヤフラム板４０に備え付けられている。アクチュエータ軸４２は弁軸２４に接続されている。バネ４４が第二のチャンバ３８に配置されており、この実施態様では、バネ４４は弁座２２とは反対向きにダイヤフラム板４０を付勢する。他の実施態様では、バネ４４を第一のチャンバ３６に設置してもよいし、また、バネ４２が弁座２２から離れる方にダイヤフラム板を付勢してもよい。これらの配置にかかわらず、第一のチャンバ３６内および第二のチャンバ３８内のいずれかの圧力を変化させることによって、アクチュエータ軸４２が移動する。この軸の移動によって、弁座２２に対する弁体２０の位置を変えて、弁１０を流れる流量を制御する。図１の実施態様では、アクチュエータハウジング３２は制御流体注入ポート４６を含み、これは、制御流体を第一のチャンバ３６に供給するか、第一のチャンバ３６から制御流体を排出することによって、第一のチャンバ３６内の制御流体圧力を変化させる。

バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置５０が、アクチュエータ３０の制御流体注入ポート４６に接続されている。バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置５０は、アクチュエータ３０内に入る制御流体およびそこから出る制御流体の流れを段階的に制御し、完全または部分的なバルブシグネチャグラフを生成する。バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置５０は、制御弁１０のリークテストも行うことができる。バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置５０は、電気モジュール５２、パイロット弁５４、制御流体源、例として、空気圧供給タンク５６、スプール弁５８、および遮断弁６０を含む。電気モジュール５２は、アクチュエータハウジング３２内部に取り付けられ、または設置されている圧力センサ６２および位置センサ６４からの圧力および位置入力を受信する。圧力センサ６２は、この実施態様では、第一のチャンバ３６内部の制御流体圧力を測定する。他の実施態様では、圧力センサ６２は、第二のチャンバ３８内部の制御流体圧力または他の流体圧力を測定できる。位置センサ６４は、ダイヤフラム３４、ダイヤフラム板４０、アクチュエータ軸４４および／または弁軸２４の位置を測定する。位置センサ６４は、ダイヤフラム３４、ダイヤフラム板４０、アクチュエータ軸４４および弁軸２４のうちの２つ以上の位置を測定できるが、電気モジュール５２が必要なのはこれらの要素の１つのみの位置である。

圧力センサ６２および位置センサ６４からの信号は、その信号を解釈する電気モジュール５２に送られる。電気モジュール５２は、追加的な信号をパイロット弁５４、供給タンク５６および弁遮断６０のうちの一つ以上に送信することによって、弁軸２４を作動させる。圧力センサ６２および位置センサ６４からの信号は、有線接続、無線接続、または任意の他の電気的接続によって電気モジュール５２に送信することができる。あるいは、圧力センサ６２および位置センサ６４は、空気圧、油圧または機械的信号を電気モジュール５２に送信してもよい。電気モジュール５２は、同様に、パイロット弁５４、供給タンク５６および遮断弁６０に制御信号を送信する。制御信号は、有線または無線接続によって送信された電気信号でもよい。あるいは、制御信号は、空気圧、油圧または機械的信号でもよい。任意の事象では、制御信号をパルス変換してスプール弁５８および遮断弁６０を段階的に移動する。

図２に、フルストロークのシグネチャグラフ１００を例証する。このグラフでは、制御弁は、完全閉鎖位置（上流部）１０２から完全に開放し、完全開放位置（下流部）１０４から完全に閉鎖する。シグネチャグラフ１００は、制御弁１０が開放を開始して流体を流す前に、アクチュエータ３０および／または制御弁１０の運動量および摩擦またはトルクに勝る初期圧力の上昇が必要になることを例証している。開放運動から閉鎖運動に転移するときに、運動量および摩擦が、他の方向に制御弁１０を押し進める力に勝る必要が生じ得る。転移運動に必要な圧力は、上流経路１０２と下流経路１０４との間を横断する垂直経路１０６で例証することができる。上流経路１０２と下流経路１０４との間の領域は、不感帯と呼ぶことができる。

（たとえば、制御要素の損耗、弁パッキングの損耗、アクチュエータ圧力チャンバ内のリークなどにより）制御弁の性能が時間の経過に伴い低下するため、シグネチャグラフは、初期標準グラフから変化し得る。時間の経過に伴うシグネチャグラフのこの変化は、例として、摩擦に起因する弁の動作の低下を示唆し得る。この変化は、弁または弁のコンポーネントの修理または交換を促し得る。

基準シグネチャグラフは、製造業者の試験によって取得することができる。あるいは、基準シグネチャグラフは、据え付け前またはある程度の初期動作時間に行うユーザ測定から得ることができる。この基準グラフを用いて、ユーザによる限度の設定を援助することができる。例として、ユーザは、表示された基準シグネチャグラフを用いて、新規のシグネチャグラフの測定値との比較に用いることができる基準からの偏差閾値として機能し得る一以上の限度を規定または設定できる。この限度は、ユーザが基準シグネチャグラフを用いて限度を設定したときに更新するようにできる。あるいは、標準的なコンピュータ入力装置、例として、マウスまたはライトペンを用いて限度を描くことができる。バルブシグネチャグラフのための評価システムの一例が、Ｆｉｓｈｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌに譲渡された米国特許公開第２００８／０００４８３６号に開示されている。米国特許公開第２００８／０００４８３６号は、参照により本明細書に組み入れられる。

基準シグネチャグラフを使用してユーザが設定した限度を用いて、更新した、現在または新規のシグネチャグラフがプリセットされた限度に従い示される許容範囲に適合するか否か、または、シグネチャグラフが一部の保守活動、例として、制御弁の修理または交換を行う必要がある一以上の特性の低下または偏差を示しているか否かを判定できる。例として、一つ以上の限度の設定後、現在のシグネチャグラフを設定した限度に対して測定および分析することによって、任意のグラフ上の点が限度を超過または上回っているか否かを判定できる。現在のシグネチャグラフを表示し、事前設定された限度に重ね合わせることによって、例として、現在のシグネチャグラフがプリセットされた限度の外側に点を有しているか否かによって、特徴的な故障を判定できる。

先に記載したように、他の試験によって、差し迫った弁機能不全または弁性能の低下が示唆され得る。これらの試験の一つにリークテストがある。リークテストでは、アクチュエータ３０を制御流体で加圧し、次に、アクチュエータ３０内の全ての流体入力および出力を閉鎖して、弁位置を一定期間観測する。試験中に制御要素が移動した場合には、アクチュエータ３０内にリークが存在している。試験中に制御要素が移動しない場合には、アクチュエータ３０にリークが無いと見なされる。

図３に、バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置５０をより詳細に例証する。電気モジュール５２は、パイロット弁５４に通信可能に接続されているメインソレノイド７０を含む。メインソレノイド７０は、コマンド信号をパイロット弁５４に送信することによってスプール弁５８の設定、換言すれば、スプール弁５８の位置を制御する。一実施態様では、メインソレノイド７０から送信されるコマンド信号は、電気信号であり、パイロット弁５４からスプール弁５８に送信される信号は、空気圧信号または油圧信号である。他の実施態様では、パイロット弁５４からの信号は電気信号でもよい。任意の事象では、メインソレノイド７０およびパイロット弁５４からのコマンド信号は、スプール弁５８が段階的に移動するようにパルス変換される。スプール弁５８は、パイロット弁５４からの信号に応答して移動するスライド可能ピストン７２を含む。スプール弁５８は、制御流体注入ポート７４、第一の制御流体排出ポート７６、および第二の制御流体排出ポート７８も含む。スプール弁５８は、一つ以上のプラグ８０も含むことができる。

電気モジュール５２は、遮断弁６０に通信可能に接続されているセカンダリソレノイド８２も含むことができる。セカンダリソレノイド８２は、電気信号を遮断弁６０に送信して遮断弁６０を開放または閉鎖する。第一の圧力センサ８４が、供給タンク５６内の圧力を測定し、一方、第二の圧力センサ入力８６が、アクチュエータ３０内の流体圧力を表す、圧力センサ６２（図１）からの圧力信号を受信する。位置センサ入力８８が、アクチュエータ軸４２および／または弁軸２４の位置を表す、位置センサ６４（図１）からの位置センサ信号を受信する。プロセッサ９０が、バルブシグネチャグラフの形成および／またはリークテストの実行に用いることができるデータを作成するために、パイロット弁５４、スプール弁５８、および遮断弁６０を選択的に位置付ける。

メインソレノイド７０およびセカンダリソレノイド８２の両方に電力を供給すると、図４に例証するように、スプール弁５８は開放位置に構成される。この開放によって、制御流体注入ポート７４と第一の制御流体排出ポート７６とが流体的に接続され、制御流体が供給タンク５６からアクチュエータ３０内に移る。供給タンク５６からスプール弁５８を通ってアクチュエータ３０内に制御流体が流れると、アクチュエータ３０の第一のチャンバ３６内の制御流体圧力が増大する。この圧力の増大により、ダイヤフラム３４およびダイヤフラム板４０が制御弁１０の方に移動する（図１）。この結果、アクチュエータ軸４２および弁軸２４も制御弁１０の方に移動する。この移動により、弁体２０が弁座２２から離れる方に移動し、その結果より多くの流体が制御弁を通って流れる。

メインソレノイド７０に電力を供給せず、セカンダリソレノイド８２に電力を供給すると、図５に例証するように、スプール弁５８は閉鎖位置に構成される。この位置では、制御流体が第二の制御流体排出ポート７８および第一の制御流体排出ポート７６を通ってアクチュエータ３０から外へ流れ出る（この場合では、移された流体がアクチュエータ３０から出てスプール弁５８内に流れる）。セカンダリソレノイド８２に電力を供給すると遮断弁６０は閉鎖する。アクチュエータ３０からスプール弁５８通って遮断弁６０内に流れる制御流体は、遮断弁６０で停止する。この結果、制御流体６０は、遮断弁６０とダイヤフラム３４との間に閉じ込められる。この構成においてメインソレノイド７０をパルスすると、少量の制御流体がアクチュエータ３０内に押し込まれる。この制御流体が第一のチャンバ３６内の圧力を増大し、ダイヤフラム３４を制御弁１０の方に移動させる（図１）。各パルス後に、パルスならびに弁位置および圧力を測定することによって、バルブシグネチャ診断のためのバルブシグネチャグラフを生成できる。

プロセッサ９０は、電気パルスの形態の信号を、メインソレノイド７０およびセカンダリソレノイド８２に送信することによって、それらを段階的に動作させる。プロセッサ９０は、このようにしてスプール弁５８および遮断弁６０の位置を制御することによって、制御流体を正確にかつ徐々にアクチュエータ３０内に流し込むか、そこから外に流し出すことができる。この結果、アクチュエータ軸４２および弁軸２４も徐々に移動する。

バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置５０は、制御要素２０を、完全開放から完全閉鎖に段階的に移動させることもできる。メインソレノイド７０に電力を供給しないときに、セカンダリソレノイド８２をパルスすることによって、遮断弁６０を徐々に開放し、少量の制御流体をアクチュエータ３０から外に流し出すことができる。パルス運動期間の弁の圧力および位置を測定することによって、バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置５０は、バルブシグネチャ診断のためのバルブシグネチャグラフを生成することができる。

さらに、バルブシグネチャ診断およびリークテスト装置５０は、アクチュエータ３０内の制御流体が増え、弁体２０が完全開放位置の方に移動するように、初期にメインソレノイド７０およびセカンダリソレノイド８２に電力を供給することによって、リークテストを実行することができる。リークテストの実行には弁体２０を完全に開放する必要は無く、部分的にのみ開放すればよい。弁体２０が完全または部分的な開放位置に位置した時点で、メインソレノイド７０を電源オフし、アクチュエータ３０と空気源５６との間の流体接続を切断する。遮断弁６０は、制御流体がアクチュエータからリークし、第一の制御流体排出ポート７６および第二の制御流体排出ポート７８を通って流れることを防止する。それ故に、制御流体はアクチュエータ３０内に閉じ込められる。圧力および弁位置を一定時間測定することによって、アクチュエータ３０内のあらゆるリークを特定することができる。

ここで図６を参照し、論理図２００に、一実施態様のバルブシグネチャ診断およびリークテスト装置を用いた、バルブシグネチャ診断試験を実行する例示の方法を例証する。バルブシグネチャ診断試験は、メインソレノイドおよびセカンダリソレノイドの両方を電源オフし、弁体２０（図１）を完全閉鎖位置に移動させるステップ２１０において開始する。次に、ステップ２１２において、セカンダリソレノイドを電源オンする。ステップ２１４において、メインソレノイド７０を短時間だけ電源オンし、その後、電源オフする。メインソレノイド７０に電力を供給する時間は、アクチュエータのタイプ、アクチュエータのサイズ、または制御流体圧力に基づいて異なる。ステップ２１６において、アクチュエータ３０内部の空気圧Ｐ_ｒ、および弁体または弁軸の位置Ｐ_ｏの両方を測定および記録する。ステップ２１８において、Ｐ_ｏがＬ_ｏ（Ｌ_ｏは所望の完全または部分的な開放位置として定義される）以下である場合には、Ｐ_ｏがＬ_ｏよりも大きくなるまでループ２１９を繰り返す。Ｐ_ｏがＬ_ｏよりも大きくなった時点で、セカンダリソレノイド８２を短時間だけ電源オフする。セカンダリソレノイド８２を電源オフする時間は、アクチュエータのタイプ、アクチュエータのサイズ、または制御流体圧力に基づいて異なる。ここでもまた、アクチュエータ内部の空気圧Ｐ_ｒ、および弁体または弁軸の位置Ｐ_ｏの両方を測定および記録する。ステップ２２６において、Ｐ_ｏがＬ_ｃ（Ｌ_ｃは所望の完全または部分的な閉鎖位置として定義される）以上である場合には、Ｐ_ｏがＬ_ｃよりも小さくなるまでループ２２７を繰り返す。Ｐ_ｏがＬ_ｃよりも小さくなった時点で、ステップ２２８において、バルブシグネチャをプロットする。最後に、ステップ２３０において、ステップ２２８でプロットしたバルブシグネチャを分析し、任意の問題を診断する。

ここで図７を参照し、論理図３００に、一実施態様のバルブシグネチャ診断およびリークテスト装置を用いた、弁のリークテストを実行する例示の方法を例証する。弁のリークテストは、メインソレノイドを電源オンし、弁体２０（図１）を完全開放位置に移動させるステップ３１０において開始する。次に、ステップ３１２において、セカンダリソレノイドを電源オンする。ステップ３１４において、メインソレノイドを電源オフする。ステップ３１６において、時間ｔを０に規定する。ステップ３１８において、アクチュエータ３０内部の空気圧Ｐ_ｒ、および弁体または弁軸の位置Ｐ_ｏの両方を測定および記録する。ステップ３２０において、試験を一定期間ｔ_０（たとえば、２７時間、あるいはそれ以上）だけ遅らせる。ステップ３２２において、時間ｔ_０をｔに加算する。ステップ３２４において、待ち時間の合計（たとえば、１０日）であるＴよりもｔが小さい場合には、ｔがＴよりも大きくなるまでループ３２５を繰り返す。ステップ３２６において、この結果をプロットし、ステップ３２８において、分析してリークを診断する。

速度制御の精度は、ステップ数およびソレノイド弁の反応時間に応じて決まる。精度の向上は、アルゴリズム、例として、ＰＩＤ制御をプロセッサ９０に追加することによっても行うことができる。

図８に、スプール弁５８の一実施態様を例証する。同様または同一の構造を遮断弁６０に用いることができる。スプール弁５８は弁本体９２を含み、弁本体９２の中心穴９３が、プラグ８０、制御流体注入ポート７４、第一の制御流体排出ポート７６、および第二の制御流体排出ポート７８と流体的に接続する。中心穴９３の内部には有孔スリーブ９４が配置され、有孔スリーブ９４の内部にはスライド可能ピストン７２が配置される。

スライド可能ピストン７２は、中心駆動軸７１および中心駆動軸７１の両端に位置するプラグ７３を備えている。２つのプラグ７３の間に中心ディスク７５が配置される。プラグ７３および中心ディスク７５は、シリンダ状であり、中心駆動軸７１に沿って同軸上に設置される。プラグ７３および中心ディスク７５の半径は、有孔スリーブ９４の内径と略等しい。プラグ７３と中心ディスク７５との間に、流体を流すための空洞７７が形成される。プラグ７３は、追加のシール、例として、ｏリング（図示せず）を受け入れるための環状リセス７９を含むことができる。

有孔スリーブ９４には、有孔スリーブ９４の周囲に分散配置された複数の開口９５が形成される。開口９５によって、制御流体は有孔スリーブ９４の一部分を通って流れる。有孔スリーブ９４は、複数のシール、例として、中心穴９３の内面に接触してシールするｏリング９６を含むことができる。ｏリング９６は、複数の開口９５を別個の群に分割することによって、有孔スリーブ９４の外側において開口９５の個々の群を横切る流れを防止できる。各開口群９５ａ，９５ｂ，９５ｃ，９５ｄ，９５ｅは、概して、プラグ８０、制御流体注入ポート７４、第一の制御流体排出ポート７６、および第二の制御流体排出ポート７８のうちの一つ以上に位置合わせすることができる。開口群９５ａ，９５ｂ，９５ｃ，９５ｄ，９５ｅは、ｏリング９６を受け入れるための環状溝９９を含む一つ以上の環状リング９１によって互いに分離することができる。

スペーサ９７および／またはシール９８を有孔スリーブ９４の両端に配置して、中心穴９３内部に有孔スリーブ９４を位置付けしてシールすることができる。

スライド可能ピストン７２は、パイロット弁５４からの入力に応答して有孔スリーブの内部をシフトする。このシフトにより、先に記載したように、制御流体注入ポート７４、第一の制御流体排出ポート７６、および第二の制御流体排出ポート７８のうちの２つを互いに流体的に接続してスプール弁５８を通る流量を制御する。より具体的には、スライド可能ピストン７２が有孔スリーブ９４内部においてシフトすると、ピストン７２上の空洞７７によって開口群９５ａ〜ｅの一つ以上を互いに流体的に接続する。このように、有孔スリーブ内部のピストン７２の位置に基づいて、制御流体の流れを、制御流体注入口７４、第一の制御流体排出口７６、および第二の制御流体排出口７８の間に選択的に導くことができる。

開示したバルブシグネチャ診断およびリークテスト装置は、有利にも、弁ポジショナを必要とせずに、バルブシグネチャ診断検査およびリーク検査の両方を実行する。メインソレノイドおよびセカンダリソレノイドを電気的にパルスしてスプール弁および遮断弁を段階的に移動することによって、バルブシグネチャ診断およびリーク検査の両方を改善することができる。

本発明の多くの変更および代替態様が、前述の説明を考慮した当業者に明らかとなる。従って、この説明は、単なる一例として解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示することが目的である。本発明の精神から逸脱することなく、本開示の詳細は異なり得、請求項の範囲内の全ての変更の独占的な使用は保持される。

Claims (20)

1. スプール弁を開放位置および閉鎖位置のいずれかに位置付けるように構成されているパイロット弁に動作可能に接続されているスプール弁であって、第一の制御流体注入口、第一の制御流体排出口、および第二の制御流体排出口を含み、前記第一の制御流体注入口が制御流体の供給口に流体的に接続されており、前記第一の制御流体排出口が弁アクチュエータに接続するように構成されている、スプール弁と、
   前記第二の制御流体排出口に流体的に接続されている遮断弁と、
   前記パイロット弁、前記制御流体の供給口、および前記遮断弁に動作可能に接続されている電気モジュールであって、パルス変換された電気信号を前記パイロット弁および前記遮断弁に送信することによって、前記スプール弁および前記遮断弁を開放位置または閉鎖位置に選択的に位置付けることが可能な、電気モジュールと、を備えており、
   前記スプール弁の前記開放位置において、前記第一の制御流体注入口と前記第一の制御流体排出口とを流体的に接続し、前記スプール弁の前記閉鎖位置において、前記第一の制御流体排出口と前記第二の制御流体排出口とを流体的に接続する、制御弁用のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
2. 前記電気モジュールが、前記パイロット弁に動作可能に接続されているメインソレノイド、および前記遮断弁に動作可能に接続されているセカンダリソレノイドを含む、請求項１記載のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
3. 前記電気モジュールが、前記制御流体の供給口に通信可能に接続されている第一の圧力センサを含む、前記請求項いずれか１項記載のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
4. 前記電気モジュールが、前記弁アクチュエータの第一のチャンバに通信可能に接続されている第二の圧力センサを含む、前記請求項いずれか１項記載のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
5. 前記電気モジュールが、アクチュエータ軸または弁軸の現在位置を表す位置信号を生成する、前記弁アクチュエータに接続されている位置センサからの位置信号を受信するように構成されている位置センサ入力を含む、前記請求項いずれか１項記載のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
6. 前記電気モジュールが、前記第一の圧力センサ、前記第二の圧力センサ、および前記位置センサからの信号を読み取り、前記メインソレノイドおよび前記セカンダリソレノイド用の制御信号を生成するプロセッサを含む、前記請求項いずれか１項記載のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
7. 前記スプール弁が、弁本体、前記弁本体に形成された中心穴、前記中心穴内部に配置された有孔スリーブ、および前記有孔スリーブ内部に配置されたスライド可能ピストンを含む、前記請求項いずれか１項記載のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
8. 前記有孔スリーブが、一以上の環状リングによって一以上の群に分離される複数の開口を含む、前記請求項いずれか１項記載のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
9. 前記遮断弁が、弁本体、前記弁本体に形成された中心穴、前記中心穴内部に配置された有孔スリーブ、および前記有孔スリーブ内部に配置されたスライド可能ピストンを含む、前記請求項いずれか１項記載のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
10. 前記有孔スリーブが、一つ以上の環状リングによって一つ以上の群に分離される複数の開口を含む、前記請求項いずれか１項記載のバルブシグネチャ診断およびリーク検査装置。
11. 制御流体注入ポート、第一の制御流体排出ポート、第二の制御流体排出ポート、およびプラグに流体的に接続されている中心穴を含む弁本体と、
    前記中心穴内部に配置されており、少なくとも二つの開口群に分離される複数の開口を含む有孔スリーブと、
    前記有孔スリーブ内部に配置されたスライド可能ピストンであって、中心駆動軸、前記中心駆動軸のいずれか一端に位置するプラグ、および前記プラグの間に位置する中心ディスクを含み、前記プラグと前記中心ディスクとの間のスペースに少なくとも一つの流体リセスが形成される、スライド可能ピストンと、を備えており、
    前記制御流体注入ポート、前記第一の制御流体排出ポート、および前記第二の制御流体排出ポートのうちの一つ以上が、前記有孔スリーブ内の少なくとも一つの開口群と、前記スライド可能ピストン内の前記少なくとも一つの流体リセスとによって互いに流体的に接続する、シグネチャ診断およびリーク検査装置に用いる遮断弁。
12. 前記開口群が環状リングによって分離される、請求項１１記載の遮断弁。
13. 前記少なくとも一つの環状リングが環状溝を含む、請求項１１または１２記載の遮断弁。
14. 前記環状溝に配置されたＯリングをさらに備えている、請求項１１〜１３記載の遮断弁。
15. ポジショナを備えずに制御弁のバルブシグネチャグラフを作成する方法であって、
    バルブシグネチャ診断およびリーク検査装置と前記制御弁とを接続することと、ここで、前記バルブシグネチャ診断およびリーク検査装置がパイロット弁に動作可能に接続されているスプール弁を含み、前記パイロット弁が前記スプール弁を開放位置および閉鎖位置のいずれかに位置付けるように構成されており、前記スプール弁が、第一の制御流体注入口、第一の制御流体排出口、および第二の制御流体排出口を含み、前記第一の制御流体注入口が制御流体の供給口に流体的に接続されており、前記第一の制御流体排出口が弁アクチュエータに接続するように構成されており、遮断弁が前記スプール弁の第二の制御流体排出口に流体的に接続されており、電気モジュールが、前記パイロット弁、前記制御流体の供給口、および前記遮断弁に動作可能に接続されており、
    前記電気モジュールから前記遮断弁に、前記遮断弁を閉鎖位置に位置付ける電気信号を送信することと、
    前記電気モジュールから前記パイロット弁に、前記スプール弁を開放位置に位置付けて、前記制御流体の供給口と前記第一の制御流体排出口とを接続する電気パルス信号を送信することと、
    アクチュエータ内部の圧力を測定することと、
    前記制御弁内部の制御要素の位置を測定することと、
    前記測定した圧力および位置をプロットしてバルブシグネチャグラフを作成すること、を含む、方法。
16. 前記電気信号を、前記パイロット弁および前記遮断弁のいずれかを動作させるソレノイドに送信する、請求項１５記載の方法。
17. 前記パイロット弁が、前記遮断弁に接続されているソレノイドと分離しているソレノイドに接続されている、請求項１５または１６記載の方法。
18. 制御弁のリークテストを実行する方法であって、
    バルブシグネチャ診断およびリーク検査装置と前記制御弁とを接続することと、ここで、前記バルブシグネチャ診断およびリーク検査装置がパイロット弁に動作可能に接続されているスプール弁を含み、前記パイロット弁が前記スプール弁を開放位置および閉鎖位置のいずれかに位置付けるように構成されており、前記スプール弁が、第一の制御流体注入口、第一の制御流体排出口、および第二の制御流体排出口を含み、前記第一の制御流体注入口が制御流体の供給口に流体的に接続されており、前記第一の制御流体排出口が弁アクチュエータに接続するように構成されており、遮断弁が前記スプール弁の第二の制御流体排出口に流体的に接続されており、電気モジュールが、前記パイロット弁、前記制御流体の供給口、および前記遮断弁に動作可能に接続されており、
    前記電気モジュールから前記遮断弁に、前記遮断弁を閉鎖位置に位置付ける電気信号を送信することと、
    前記電気モジュールから前記パイロット弁に、前記スプール弁を閉鎖位置に位置付けて、前記制御流体の供給口と前記第一の制御流体排出口との接続を解除する電気信号を送信することと、
    特定の期間だけアクチュエータ内部の圧力を測定することと、
    特定の期間だけ前記制御弁内部の制御要素の位置を測定することと、
    前記特定の期間に測定した前記制御要素の位置を比較して、前記アクチュエータにリークが存在するか否かを判定することと、を含む、方法。
19. 前記電気信号を、前記パイロット弁および前記遮断弁のいずれかを動作させるソレノイドに送信する、請求項１８記載の方法。
20. 前記パイロット弁が、前記遮断弁に接続されているソレノイドと分離しているソレノイドに接続されている、請求項１８または１９記載の方法。

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