JP2016173128A - ポジショナ - Google Patents

Abstract

【課題】気体流量計を内蔵することなく、電空変換部からの調節弁の操作器への空気圧の流路と内蔵された圧力センサ、温度センサを利用して、電空変換部から調節弁の操作器への空気の流量をポジショナの内部で計測する。【解決手段】出力空気回路ＬOUTの上流側に温度センサ１５と圧力センサ１７とを設置し、出力空気回路ＬOUTの下流側に温度センサ１６と圧力センサ１８とを設置する。制御部１１に流量計測部１１−２を設け、温度センサ１５，１６が計測する空気の温度Ｔ１，Ｔ２および圧力センサ１７，１８が計測する空気の圧力Ｐ１，Ｐ２に基づいて、Ｑ＝Ｃ・Ａ・（２Ｐ／δ）1/2なる基本式を用いて、出力空気回路ＬOUTを流れる空気の流量を求める。なお、Ｃは流出係数、Ａは流路の断面積、ＰはＰ１とＰ２との差圧、δは平均空気密度。【選択図】 図１

Description

この発明は、調節弁の開度を制御するポジショナに関するものである。

従来より、流体が流れる管路に設けられる調節弁に対してポジショナを取り付け、このポジショナによって調節弁の開度を制御するようにしている。

このポジショナは、上位装置から送られてくる弁開度設定値と調節弁からフィードバックされてくる実開度値との偏差を求め、この偏差に所定の演算を施して得られる電気信号を制御出力として出力する制御部と、この制御部からの制御出力を空気圧信号に変換する電空変換器と、この電空変換器が変換した空気圧信号を増幅し調節弁の操作器へ出力するパイロットリレーとを備えている（例えば、特許文献１参照）。

図２に従来のポジショナの要部の構成を示す。同図において、１はポジショナ、２は調節弁であり、調節弁２にはその弁開度（バルブの開度）を検出する開度センサ３が設けられている。ポジショナ１は、制御部１１と、電空変換器（ＥＰＭ）１２と、パイロットリレー１３とを備えており、開度センサ３が検出する調節弁２の弁開度が実開度値θｐｖとして制御部１１へフィードバックされるようになっている。

ポジショナ１において、制御部１１は、上位装置（図示せず）からの弁開度設定値θｓｐと開度センサ３からの実開度値θｐｖとの偏差を求め、この偏差にＰＩＤ制御演算を施して得られる電気信号を制御出力ＭＶとして出力する。

電空変換器１２は、制御部１１からの制御出力ＭＶを空気圧信号（ノズル背圧）Ｐｎに変換する。パイロットリレー１３は、電空変換器１２からの空気圧信号Ｐｎを増幅し、空気圧Ｐｏとして調節弁２の操作器２ａへ出力する。これにより、操作器２ａ内のダイアフラム室に空気圧Ｐｏの空気が流入し、調節弁２のバルブ２ｂの開度が調整される。

なお、このポジショナ１において、電空変換器１２とパイロットリレー１３とによって、制御部１１からの制御出力ＭＶを調節弁２への空気圧（出力空気圧）Ｐｏに変換する電空変換部１４が構成されている。また、電空変換器１２およびパイロットリレー１３には、外部からの供給空気圧（計装空気）Ｐｓが供給される。

実開昭６２−２８１１８号公報 特開平９−２１０８５８号公報

ポジショナにおいて、操作器の開度制御を行う上で、操作器に供給される空気圧力と空気回路を実際に流れる空気が設計で決められた流量を満たすことは性能上必須である。例えば、図２に示したポジショナ１では、パイロットリレー１３から増幅された空気圧Ｐｏとされた空気が調節弁２の操作器２ａに送り込まれるが、この送り込まれる空気の流量が不足する或いは、時間的遅れを伴うと、空気圧Ｐｏの制御性が悪化し、操作器に適切なバルブの開度制御が担保されない。そのため、ポジショナ１内の空気回路を流れる空気の流量を、すなわちパイロットリレー１３から調節弁２の操作器２ａへの空気の流量を、ポジショナ１内で計測することが望まれる。

この場合、代表的な気体流量計として、面積流量計、差圧流量計、超音波流量計、渦電流計、熱式質量流量計などをポジショナに内蔵することが考えられる。しかし、このような気体流量計をポジショナに内蔵する場合、サイズが大きい、消費電力が大きい、絞り機構を設置する必要がある、流量抵抗が大きい、指定された直管部を設置する必要がある、コストが掛かる等、何れかの問題があり、現実的にはポジショナに気体流量計を内蔵することは困難である。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、気体流量計を内蔵することなく、電空変換部からの調節弁の操作器への空気圧の流路を利用して、電空変換部から調節弁の操作器への空気の流量をポジショナの内部で計測することが可能なポジショナを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、上位装置から送られてくる弁開度設定値と調節弁からフィードバックされてくる実開度値との偏差に応じた電気信号を制御出力として出力する制御部と、この制御部からの制御出力を空気圧に変換し調節弁の操作器へ出力する電空変換部と、電空変換部からの調節弁の操作器への空気圧の流路とされる出力空気回路とを備えたポジショナにおいて、制御部は、出力空気回路の上流側の空気の温度および圧力と下流側の空気の温度および圧力とに基づいて出力空気回路を流れる空気の流量を求める流量計測部を備えることを特徴とする。

本発明において、制御部は流量計測部を備えており、流量計測部は、電空変換部からの調節弁の操作器への空気圧の流路（出力空気回路）の上流側の空気の温度および圧力と下流側の空気の温度および圧力とに基づいて、その流路（出力空気回路）を流れる空気の流量を求める。

例えば、本発明において、流量計測部は、出力空気回路の上流側の空気の圧力と下流側の空気の圧力との差圧をＰとし、出力空気回路を流れる空気の平均空気密度をδとし、出力空気回路を流れる空気の流路の断面積をＡとし、出力空気回路の流れ易さを示す流出係数をＣとし、下記（１）式を基本式として出力空気回路を流れる空気の流量Ｑを求める。
Ｑ＝Ｃ・Ａ・（２Ｐ／δ）^1/2 ・・・・（１）

本発明において、出力空気回路を流れる空気の流量Ｑを上記（１）式によって求める場合、出力空気回路を流れる空気の平均空気密度δは、例えば次のようにして求める。出力空気回路の上流側の空気の温度と圧力とに基づいて出力空気回路の上流側の空気の密度を求め、出力空気回路の下流側の空気の温度と圧力とに基づいて出力空気回路の下流側の空気の密度を求め、この求めた上流側の空気の密度と下流側の空気の密度との平均値を出力空気回路を流れる空気の平均空気密度δとする。

本発明において、上流側の空気の温度および下流側の空気の温度はポジショナの庫内温度を代用するようにしてもよく、外気温度を代用するようにしてもよい。また、上流側の空気の温度を下流側の空気の温度として代用したり、下流側の空気の温度を上流側の空気の温度として代用したりするようにしてもよい。

なお、ポジショナの外部に空気流量計測手段を設けて、そこでポジショナ内の空気回路を流れる空気の流量を計測するように構成したものが特許文献２に示されている。この特許文献２に示された空気流量計測手段は、フィードバックセンサが検出したパイロットリレーの出力側の空気の圧力と、弁軸変位検出手段が検出した弁軸変位とにより、操作器に送り込まれる空気の供給量を計測する。この特許文献２に示された空気流量計測手段は、ポジショナにおける供給空気の増幅性能を評価するために空気流量計測手段を用いるものであり、評価した後はポジショナから空気流量計測手段は取り外される。すなわち、ポジショナの内部で空気流量を計測するようにしてはいない。また、空気流量の計測に用いる情報は、パイロットリレーの出力側の空気の圧力と、弁軸変位すなわち調節弁の開度情報であり、空気の流量計測に用いる情報も異なっており、本発明を何ら示唆するものではない。

本発明によれば、電空変換部からの調節弁の操作器への空気圧の流路（出力空気回路）の上流側の空気の温度および圧力と下流側の空気の温度および圧力とに基づいて、その流路（出力空気回路）を流れる空気の流量を求めるようにしたので、気体流量計を内蔵することなく、電空変換部からの調節弁の操作器への空気圧の流路を利用して、電空変換部から調節弁の操作器への空気の流量をポジショナの内部で計測することが可能となる。

本発明に係るポジショナの一実施の形態の要部を示す図である。 従来のポジショナの要部の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係るポジショナの一実施の形態の要部を示す図である。同図において、図２と同一符号は図２を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。

このポジショナ１では、パイロットリレー１３への供給空気圧（計装空気）Ｐｓの入力側の空気の流路を入力空気回路Ｌ_INとし、パイロットリレー１３からの調節弁２の操作器２ａへの空気圧Ｐｏの出力側の空気の流路を出力空気回路Ｌ_OUTとし、出力空気回路Ｌ_OUTの上流側（出力空気回路Ｌ_OUTの開始位置）に第１の温度センサ１５と第１の圧力センサ１７とを設置し、出力空気回路Ｌ_OUTの下流側（出力空気回路Ｌ_OUTの終端位置）に第２の温度センサ１６と第２の圧力センサ１８とを設置している。以下、本実施の形態のポジショナ１を１Ａとし、図２に示した従来のポジショナ１（１Ｂ）と区別する。

このポジショナ１Ａにおいて、第１の温度センサ１５は出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の温度Ｔ１を計測し、第２の温度センサ１６は出力空気回路Ｌ_OUTの下流側の空気の温度Ｔ２を計測する。第１の圧力センサ１７は出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の圧力Ｐ１を計測し、第２の圧力センサ１８は出力空気回路Ｌ_OUTの下流側の空気の圧力Ｐ２を計測する。

また、このポジショナ１Ａにおいて、制御部１１は、開度制御部１１−１と流量計測部１１−２とを備えている。制御部１１は、マイクロプロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。以下、このポジショナ１Ａにおける制御部１１を１１Ａとし、従来のポジショナ１Ｂにおける制御部１１（１１Ｂ）と区別する。

このポジショナ１Ａにおいて、制御部１１Ａの開度制御部１１−１は、上位装置（図示せず）からの弁開度設定値θｓｐと開度センサ３からの実開度値θｐｖとの偏差を求め、この偏差にＰＩＤ制御演算を施して得られる電気信号を制御出力ＭＶとして出力する。

電空変換器１２は、制御部１１Ａの開度制御部１１−１からの制御出力ＭＶを空気圧信号（ノズル背圧）Ｐｎに変換する。パイロットリレー１３は、電空変換器１２からの空気圧信号Ｐｎを調圧し、空気圧Ｐｏとして調節弁２の操作器２ａへ出力する。すなわち、入力空気回路Ｌ_INからの供給空気圧（計装空気）Ｐｓを調圧して空気圧Ｐｏとし、この空気圧Ｐｏとされた空気を出力空気回路Ｌ_OUTを通して調節弁２の操作器２ａへ供給する。この調節弁２の操作器２ａへの空気の供給に際し、空気回路の流体抵抗から出力空気回路Ｌ_OUTの管路にはエネルギー損失（圧力損失）が生じる。図１では、この出力空気回路Ｌ_OUTの管路に生じるエネルギー損失（圧力損失）を絞りＳ１として示している。

このポジショナ１Ａにおいて、制御部１１Ａの流量計測部１１−２は、任意のサンプリング周期で、第１の温度センサ１５が計測する出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の温度Ｔ１と、第２の温度センサ１６が計測する出力空気回路Ｌ_OUTの下流側の空気の温度Ｔ２と、第１の圧力センサ１７が計測する出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の圧力Ｐ１と、第２の圧力センサ１８が計測する出力空気回路Ｌ_OUTの下流側の空気の圧力Ｐ２とを収集し、この収集した出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の温度Ｔ１および圧力Ｐ１と下流側の空気の温度Ｔ２および圧力Ｐ２とに基づいて、出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の流量Ｑを求める。

流量計測部１１−２は、この出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の流量Ｑの演算に際し、出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の圧力Ｐ１と下流側の空気の圧力Ｐ２との差圧をＰ（Ｐ＝Ｐ１−Ｐ２）とし、出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の平均空気密度をδとし、出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の流路の断面積をＡとし、出力空気回路Ｌ_OUTの流れ易さを示す流出係数をＣとし、下記（２）式を基本式として、出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の流量Ｑを求める。

Ｑ＝Ｃ・Ａ・（２Ｐ／δ）^1/2 ・・・・（２）

流量計測部１１−２は、上記（２）式を基本式として出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の流量Ｑを求める際、出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の温度Ｔ１と圧力Ｐ１を下記（３）式に代入することによって出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の密度δ１を求め、出力空気回路Ｌ_OUTの下流側の空気の温度Ｔ２と圧力Ｐ２を下記（４）式に代入することによって出力空気回路Ｌ_OUTの下流側の空気の密度δ２を求め、この求めた上流側の空気の密度δ１と下流側の空気の密度δ２との平均値を出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の平均空気密度δ（δ＝（δ１＋δ２）／２）とする。

δ１＝δ０×２７３．２／（２７３．２＋Ｔ１）×（１０１．１３＋Ｐ１）／１０１．３ ・・・・（３）
δ２＝δ０×２７３．２／（２７３．２＋Ｔ２）×（１０１．１３＋Ｐ２）／１０１．３ ・・・・（４）

なお、上記（３），（４）式は気体の密度を求める式として周知の式であり、δ０は基準状態（温度０℃、圧力１ａｔｍ（大気圧））の気体の密度を示す。

一例として、Ｔ１＝２５℃、Ｐ１＝２００ｋＰａ、Ｔ２＝２０℃、Ｐ２＝１８０ｋＰａ（Ｐ１，Ｐ２はGauge単位）、平均管径＝２０ｍｍ、Ｃ＝０．７、δ０＝１．２９３ｋｇ／ｍ³（ｎｔｐ）とした場合の流量Ｑの演算結果を下記に示す。なお、Ｃは約０．６〜０．８の値をとるが、この例ではＣ＝０.７としている。

この場合、δ１＝３．５２３ｋｇ／ｍ³、δ２＝３．３４６ｋｇ／ｍ³、δ＝３．４３５ｋｇ／ｍ³、Ｐ＝２０ｋＰａ、Ａ＝０．０００３１４ｍ²として求められ、基本式である上記（２）式にＣ＝０．７、Ａ＝０．０００３１４ｍ²、Ｐ＝２０ｋＰａ、δ＝３．４３５ｋｇ／ｍ³を代入することにより、流量ＱはＱ＝０．０２４ｍ³／secとして求められる。

この求められた流量Ｑ＝０．０２４ｍ³／secは、時間単位の流量Ｑｏｐに直すと、Ｑｏｐ＝８６．４ｍ³／ｈとなる。また、この流量Ｑｏｐ＝８６．４ｍ³／ｈを圧力１ａｔｍ、温度０℃の体積流量に換算すると、Ｑｎｔｐ＝Ｑｏｐ×（ρｏｐ／ρｎｔｐ）＝２３０ｍ³／ｈとなる（ρは流体密度）。

このようにして、制御部１１Ａの流量計測部１１−２は、任意のサンプリング周期で、出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の温度Ｔ１と下流側の空気の温度Ｔ２と上流側の空気の圧力Ｐ１と下流側の空気の圧力Ｐ２とを収集し、収集した出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の温度Ｔ１および圧力Ｐ１と下流側の空気の温度Ｔ２および圧力Ｐ２とに基づいて、出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の流量Ｑを求める。

これにより、ポジショナ１Ａに面積流量計や差圧流量計などの気体流量計を内蔵することなく、パイロットリレー１３からの調節弁２の操作器２ａへの空気圧の流路である出力空気回路Ｌ_OUTを利用して、パイロットリレー１３からの調節弁２の操作器２ａへの空気の流量Ｑをポジショナ１Ａの内部で計測することができるようになる。

すなわち、本実施の形態のポジショナ１Ａによれば、ポジショナ１Ａ内の出力空気回路Ｌ_OUTと温度センサ１５，１６と圧力センサ１７，１８とを利用することで、流量計向けの特殊な空気回路構造や計測アルゴリズムを採用することなく、小型でローコストな専用流量計を構成することが可能となり、面積流量計や差圧流量計などの気体流量計を内蔵しようとする場合の各問題点を回避することができるようになる。そして、ポジショナ１Ａの内部で計測された流量Ｑが設計で決められた流量を満たすような制御を行うことにより、空気圧Ｐｏの制御性が向上し、適切なバルブの開度制御を担保させることができるようになる。

なお、上述した実施の形態では、出力空気回路Ｌ_OUTの上流側の空気の温度Ｔ１を第１の温度センサ１５で計測し、下流側の温度Ｔ２を第２の温度センサ１６で計測するようにしたが、上流側の空気の温度Ｔ１や下流側の空気の温度Ｔ２としてポジショナ１Ａの庫内温度を代用するようにしてもよい。

このようにすれば、温度センサ１５や１６を不要とし、ポジショナ１Ａで使用する庫内温度を計測する既設の温度センサを流用することができる。また、上流側の空気の温度Ｔ１や下流側の空気の温度Ｔ２として、時定数を考慮する必要はあるが、外気温度を代用することも可能である。また、上流側の空気の温度Ｔ１を下流側の空気の温度Ｔ２として代用したり、下流側の空気の温度Ｔ２を上流側の空気の温度Ｔ１として代用したりしてもよい。

また、上述した実施の形態では、上記（２）式を基本式として出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の流量Ｑを求めるようにしたが、出力空気回路Ｌ_OUTを流れる空気の流量Ｑを求める式は上記（２）式に限られるものではない。

また、上述した実施の形態では、出力空気回路Ｌ_OUTの管路に自ずと生じるエネルギー損失（圧力損失）を利用したが、出力空気回路Ｌ_OUTに意図的に絞りを設けるようにしてもよい。出力空気回路Ｌ_OUTは、長くなるほどエネルギー損失（圧力損失）が生じるが、エネルギー損失（圧力損失）が少ない場合には、意図的にエネルギー損失（圧力損失）を作り出すようにするとよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１（１Ａ）…ポジショナ、２…調節弁、２ａ…操作器、２ｂ…バルブ、３…開度センサ、１１（１１Ａ）…制御部、１１−１…開度制御部、１１−２…流量計測部、１２…電空変換器、１３…パイロットリレー、１４…電空変換部、１５…第１の温度センサ、１６…第２の温度センサ、１７…第１の圧力センサ、１８…第２の圧力センサ、Ｌ_IN…入力空気回路、Ｌ_OUT…出力空気回路、Ｓ１…絞り。

Claims (6)

1. 上位装置から送られてくる弁開度設定値と調節弁からフィードバックされてくる実開度値との偏差に応じた電気信号を制御出力として出力する制御部と、この制御部からの制御出力を空気圧に変換し前記調節弁の操作器へ出力する電空変換部と、前記電空変換部からの前記調節弁の操作器への空気圧の流路とされる出力空気回路とを備えたポジショナにおいて、
   前記制御部は、
   前記出力空気回路の上流側の空気の温度および圧力と下流側の空気の温度および圧力とに基づいて前記出力空気回路を流れる空気の流量を求める流量計測部
   を備えることを特徴とするポジショナ。
2. 請求項１に記載されたポジショナにおいて、
   前記流量計測部は、
   前記出力空気回路の上流側の空気の圧力と下流側の空気の圧力との差圧をＰとし、前記出力空気回路を流れる空気の平均空気密度をδとし、前記出力空気回路を流れる空気の流路の断面積をＡとし、前記出力空気回路の流れ易さを示す流出係数をＣとし、下記（１）式を基本式として前記出力空気回路を流れる空気の流量Ｑを求める
   ことを特徴とするポジショナ。
   Ｑ＝Ｃ・Ａ・（２Ｐ／δ）^1/2 ・・・・（１）
3. 請求項２に記載されたポジショナにおいて、
   前記流量計測部は、
   前記出力空気回路の上流側の空気の温度と圧力とに基づいて前記出力空気回路の上流側の空気の密度を求め、前記出力空気回路の下流側の空気の温度と圧力とに基づいて前記出力空気回路の下流側の空気の密度を求め、この求めた上流側の空気の密度と下流側の空気の密度との平均値を前記出力空気回路を流れる空気の平均空気密度δとする
   ことを特徴とするポジショナ。
4. 請求項１に記載されたポジショナにおいて、
   前記流量計測部は、
   前記上流側の空気の温度および前記下流側の空気の温度として前記ポジショナの庫内温度を代用する
   ことを特徴とするポジショナ。
5. 請求項１に記載されたポジショナにおいて、
   前記流量計測部は、
   前記上流側の空気の温度および前記下流側の空気の温度として外気温度を代用する
   ことを特徴とするポジショナ。
6. 請求項１に記載されたポジショナにおいて、
   前記出力空気回路の上流側の空気の温度を計測する第１の温度センサと、
   前記出力空気回路の下流側の空気の温度を計測する第２の温度センサと、
   前記出力空気回路の上流側の空気の圧力を計測する第１の圧力センサと、
   前記出力空気回路の下流側の空気の圧力を計測する第２の圧力センサと
   を備えることを特徴とするポジショナ。

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