JP2016524106A - リニア・バルブの故障を無線で監視及び予測するためのシステム - Google Patents

Abstract

リニア・アクチェエータ−バルブの対の動作を監視するための、かつ、発生の初期段階で故障を検出するためのシステムであって、（ａ）２つのパイプの間のチャンネルを開けるか又は閉じるためのリニア・バルブと、（ｂ）バルブのステムを完全に又は部分的に変位させることによりバルブを閉状態又は開状態へと駆動するためのリニア・アクチュエータと、（ｃ）メイン・シャフトの角度方向を調べることにより対の状態を監視するための、かつ、状態をコントロール・センターに報告するための角度ベース無線バルブ監視デバイスと、（ｄ）ステムの線形変位をメイン・シャフトの角度進行に変換するための線形−角度コンバータと、を備えるシステム。

Description

本発明は産業設備内で流体の流れを制御及び監視するためのシステム及びデバイスに関する。より詳細には、本発明は、リニア・バルブの故障を無線で監視及び予測するためのシステム及び方法に関する。

現在の産業環境では、１０年前では不可能と思われたレベルでシステム及び設備は働かなければならない。国際的な競争により、産業は、以前よりも少ない人数で、プロセスの実施、製品の品質、生産量及び生産性を継続的に向上させることを強いられる。工場の運営者は、運転コスト及び維持コストを低減し、設備投資をなくすか又は最小にする方法を求めるため、製造設備はこれまで以上のレベルの信頼性、有用性及び保全性を達成しなければならない。要するに、産業は、コストを最小にし、かつ、新たな設備及び老朽化した設備の運転寿命を延ばしながら、生産、性能、安全性及び信頼性を向上させるための新しい措置をとらなければならない。

バルブ及び空気圧アクチュエータはあらゆるプロセス産業において重要な要素である。本出願人による特許文献１は、産業設備内でバブルの状態、具体的にはバルブの角度位置を無線で監視するためのデバイス及びシステムを開示している。より具体的には、この文献は、ボール・バルブ（当技術分野では「クォーター・ターン・バルブ」としても知られる）の上に設置される追加監視デバイスと、複数のこのような監視デバイスから形成されるネットワークとを開示する。監視デバイスは、Bluetooth（登録商標）、Zigbee（登録商標）、ISA100又はWireless HARTなどの短距離無線ネットワーク内で動作する。各監視デバイスが短距離ネットワークを介してボール・バルブのそれぞれの状態をコントロール・センターに報告する。

特許文献１の監視デバイスは手動で動作するクォーター・ターン・バルブ、又は、バルブ作動デバイスにより遠隔的に動作するクォーター・ターン・バルブに取り付けられ得る。特許文献１の監視デバイスの送信機が定期的に又はイベント時にクォーター・ターン・バルブの状態を送信することにより、ほとんどの時間はデバイスの送信機を「休止状態」に留めておき、バルブの状態を伝える必要なときのみ「起動させる（wake up）」ことが可能である。このような動作手法では、比較的コンパクトなバッテリを使用することができ、これらのバッテリは最大で数年間も持続することができる。

別の典型的な態様では、バルブは０°から９０°の範囲内の任意の所望される角度位置まで（手動で、又は、アクチュエータにより）回転させられ得る。特許文献１の監視デバイスはステムの角度位置を非常に高い精度で無線で報告することができる。自動動作の場合、監視デバイスがコントロール・センターにフィードバックを提供し、それにより、バルブの所望される角度配置が実際に適切に設定されているかどうかをコントロール・センターが確認することが可能となる。

別の態様では、特許文献２に、クォーター・ターン・バルブのアクチュエータの未来の故障を予測するためのシステムが開示されている。概して、特許文献２のシステムは、（ａ）アクチュエータでの制御命令の受信のすぐあとでバルブのステムの角度位置を継続的に感知し、それぞれの角度変化信号を監視ユニットに伝達するためのセンサと、（ｂ）監視ユニットであって、（ｂ１）上記角度変化信号を受信し、上記角度変化信号からの定期的なサンプル（periodical sample）からなる推移ベクトル（transition vector）を生成するためのサンプリング・ユニットと、（ｂ２）上記アクチュエータ−バルブの組のための公称推移値を記憶するためのローカル・ストレージと、（ｂ３）上記推移ベクトルの少なくとも一部分を、公称推移値の対応する記憶される組と比較し、１つ又は複数の既定の閾値を超える差異を確認する場合に、上記アクチュエータの潜在的な故障のための警告を発するためのローカル・コンパレータ・ユニットとを備える監視ユニットと、を備える。

上述のように、特許文献１及び特許文献２のいずれも、クォーター・ターン・バルブと一緒の動作を対象とする。より具体的には、特許文献１は、クォーター・ターン・バルブの角度位置を決定して報告する監視デバイスを提供し、特許文献２はクォーター・ターン・バルブのためのアクチュエータの潜在的な故障を予測する。

クォーター・ターン・バルブと同様に、リニア・バルブも流体の流れを制御するのに産業界で広く使用されている。しかし、特許文献１及び特許文献２の監視・予測デバイスは共に、クォーター・ターン・バルブの環境の場合にそうであるように、ステムの角度が変化するときのみ動作するように設計されているから、リニア・バルブの環境においては、それぞれ上記の監視又は予測のタスクを実施することができない。

通常、リニア・バルブのステムは、開状態から閉状態に又はその逆で切り換えられるときに数十ミリメートル（例えば、２５ミリメートル）の距離で直線的に変位する。このバルブの状態を監視する目的で、通常、一対のマイクロスイッチを起動させるためにステムから延びる拡張部分が設けられる。上記一対のマイクロスイッチのうちの第１のスイッチが拡張部分の想定される変位の第１の端部に設けられ、上記マイクロスイッチのうちの第２のスイッチが想定される変位の反対側の端部のところに設けられる。このようにして、２つのマイクロスイッチの状態がそれぞれ、バルブがその閉状態又はその開状態のどちらにあるのかに関する指示が提供する。

リニア・バルブは例えば酪農産業などの食品産業で広く使用されている。酪農産業で使用される場合、バクテリアの成長を回避する目的で、運転中、パイプ、バルブ、及び、付随するすべての内部構成要素を完全にクリーンな状態で維持するために、継続的な細心の注意を維持する必要がある。これは、酪農産業の製品で一般的であるような大量生産並びに迅速な流通及び使用の場合に特に重要となる。例えば、パイプ及びバルブ構成要素を洗浄することが完全には維持されない場合、故障及び汚染が検出される前の非常に短期間の間に（数時間程度の間に）何万もの人々の健康が同時に影響を受ける可能性がある。酪農産業では、パイプ、バルブ及び内部構成要素を衛生的な状態で維持するために、通常、「ダブル・バルブ」構造が使用され、「ダブル・リフティング（double lifting）」として知られる手順が数時間おきに実施される。「ダブル・リフティング・バルブ（double lifting valve）」とは、２つのパイプの間のチャンネル内に配置される２つのリニア・バルブの構造のことである。主運転モードでは、上記２つのバルブが２つのパイプの間のチャンネルを開けるために同時に変位することができ、それにより一方のパイプからもう一方のパイプに材料が流れることが可能となる。２つのバルブが変位していない場合、バルブ上のシールにより、パイプの間の材料の流れはない。別の運転モードでは、２つのバルブが閉位置にある場合、上記２つのバルブの各々が、もう一方のバルブは静止して閉じたまま、互いに独立して変位することができる。通常の酪農生産（normal dairy production）のときは、アクチュエータが、２つのバルブを同時に同じ方向に変位させることにより２つのパイプの間のチャンネルを閉じるか又は開けることができ、それによりパイプの間を材料が流れることが可能となる。クリーニング・イン・プロセス（ＣＩＰ：Cleaning In Process）手順（通常、数時間おきに実施される）は２つのステップからなる手順である。ＣＩＰ手順は、常に、２つのバルブが閉位置にある状態から開始される。第１のステップの間、アクチュエータが上記２つのバルブのうちの第１のバルブを第１のパイプの中まで第１の方向に部分的に変位させ、第２のバルブはチャンネルを閉じた状態で静止したままである。部分的に変位した後、上記第１のバルブが第１のパイプ内で洗浄剤と水との流れによって洗浄される。第１のバルブの洗浄が完了すると、アクチュエータが、チャンネルを閉じる位置まで戻すことによりこのバルブを再び部分的に変位させる（この段階では、チャンネルの閉鎖は上記２つのバルブの両方によって維持される）。第１のバルブはチャンネルを閉じた状態で静止したまま、アクチュエータが上記第２のパイプの空間内まで上記２つのバルブのうちの第２のバルブを第２の方向に部分的に変位させることにより、ＣＩＰ手順の第２のステップが開始される。部分的に変位したあと、今度は上記第２のバルブが第２のパイプ内で洗浄剤と水との流れによって洗浄される。第２のバルブの洗浄が完了すると、アクチュエータが、チャンネルを閉じる位置まで戻すことによりこのバルブを再び部分的に変位させ、洗浄の手順が完了する（やはり、この段階では、チャンネルの閉鎖は上記２つのバルブの両方によって維持される）。

主要な開閉の線形変位は、通常、２５〜５０ｍｍ程度である。対照的に、部分的な（ＣＩＰの）変位は、通常、大幅に短く、上記主要な開閉の変位の５〜１０％程度である。より具体的には、主要な開閉の変位は少なくとも２５〜５０ｍｍ程度（個別の用途に応じる）であるのに対して、上記部分的な変位は２〜４ｍｍ程度である。残念ながら、上で考察した上記のマイクロスイッチの構成は少なくとも１５〜２０ミリメートル程度の変位を感知することができ、そのような短い２〜４ミリメートルの変位を感知することができない。このような制限の結果、上記の２つのステップからなるＣＩＰ手順はコントロール・センターへのフィードバックなしに、すなわち、バルブの部分的な変位を監視することなく、これらの変位が実際に行われたかどうかの確認がなされずに実施される。明らかに、フィードバックを行わないこのような運転手法は、製造者にとって（製品及び材料を失うという）、そして一般市民の健康にとっても重大なリスクがある。また、現在使用されるこの手順は構成要素の故障に関して予測を行うことが一切できない。

国際公開第２００８／０７８３２３号 国際特許出願番号ＰＣＴ／ＩＬ２０１３／０５０４９４

したがって、本発明の一目的は、リニア・バルブに特に適合する無線監視システムを提供することである。

本発明の別の目的は、特には食品産業の洗浄手順中に実施されるようなリニア・バルブの短い変位を監視することができる無線監視システムを提供することである。

本発明の別の目的は、リニア・バルブの動作における故障を検出することができる監視システムを提供することである。

本発明の別の目的は、リニア・バルブの動作における故障を予測することができる監視システムを提供することである。

本発明の別の目的は、現在市販されているリニア・バルブに容易に適合し得る、上記の監視・故障検出・予測システムを提供することである。

本発明の別の目的は、アドオン・システムである、上記の監視・故障検出・予測システムを提供することである。

説明を進めるにつれて、本発明の他の目的及び利点が明らかとなる。

リニア・アクチェエータ−バルブの対の動作を監視するための、かつ、発生の初期段階で故障を検出するためのシステムであって、（ａ）２つのパイプの間のチャンネルを開けるか又は閉じるためのリニア・バルブと、（ｂ）バルブのステムを完全に又は部分的に変位させることによりバルブを閉状態又は開状態へと駆動するためのリニア・アクチュエータと、（ｃ）メイン・シャフトの角度方向を調べることにより対の状態を監視するための、かつ、状態をコントロール・センターに報告するための角度ベース（angular）無線バルブ監視デバイスと、ステムの線形変位をメイン・シャフトの角度進行に変換するための線形−角度コンバータとを備えるシステム。

好適には、線形−角度コンバータは、（ａ）２つの端部を有する第２の移行要素（transfer element）であって、その第１の端部において第２の移行要素がバルブのステムに取り付けられ、その第２の端部において第２の移行要素が第１の移行要素にヒンジにより取り付けられる、第２の移行要素と、（ｂ）第２の移行要素にヒンジにより取り付けられ、メイン・シャフトの第１の端部にも取り付けられる第１の移行要素であって、メイン・シャフトがそのもう一方の端部において角度ベース無線バルブ監視デバイスに接続される、第１の移行要素と、を備える。

好適には、リニア・バルブが２つの別個のバルブを備えるダブル・バルブであり、アクチュエータが、２つの別個のバルブの両方を同時に駆動するか又は別個のバルブのうちの一方のバルブを個別に駆動することができる。

２つの線形−角度コンバータ及び２つのバルブ監視デバイスが、ダブル・バルブの別個のバルブの両方を監視するのに使用される、請求項３のシステム。

好適には、第２の移行要素がその端部のところにある、ステムを握持するリングによりステムに取り付けられる。

好適には、リングが、ステムを囲むように開放可能であり、それにより、アドオン・システムであるシステムが提供される。

好適には、別個のバルブのうちの一方が、水及び洗浄剤によりそれぞれのバルブを洗浄するために、ＣＩＰ手順中にパイプのうちの一方の中の空間まで個別に部分的に変位し、もう一方の別個のバルブが閉状態を維持してチャンネルを閉じている。

好適には、部分的な変位が３〜５ｍｍ程度である。

好適には、完全な変位が２０〜３０ｍｍ程度であるか又はそれ以上である。

好適には、別個のバルブの各々が、別個のバルブが閉状態にあるときにチャンネルを密閉することができるＯリングを備える。

好適には、角度ベースバルブ監視デバイスが、バルブの状態を監視する目的並びに故障を検出及び予測する目的の両方に使用される改良型角度ベースバルブ監視デバイスである。

好適には、改良型角度ベースバルブ監視デバイスが、（ａ）アクチュエータ−バルブの対のための公称推移値を記憶するためのローカル・ストレージと、（ｂ）メイン・シャフト上のセンサから実際の角度変化信号を受信し、定期的なサンプルを含む推移ベクトルを信号から生成するための、サンプリング・ユニットと、（ｃ）（ｉ）推移ベクトルの少なくとも一部分を、記憶された公称推移値からの対応する組とを比較するための、かつ、（ｉｉ）１つ又は複数の既定の閾値を超える差異が確認される場合に、アクチュエータの潜在的な故障のための警告を発するための、コンパレータ・ユニットと、を備える。

好適には、推移ベクトルがコントロール・センターに伝えられ、公称推移値と推移ベクトルとの間の比較がコントロール・センターで実施される。

好適には、改良型角度ベースバルブ監視デバイスが、（ａ）リニア・バルブと、（ｂ）ダブル・バルブを使用する場合の、別個のリニア・バルブの各々と、（ｃ）バルブの１つ又は複数のバルブで使用される１つ又は複数のＯリングと、（ｄ）リニア・アクチュエータと、のうちの少なくとも１つにおける故障を予測かつ決定する。

好適には、２つの線形−角度コンバータ及び２つのバルブ監視デバイスが、ダブル・バルブの別個のバルブの両方を監視するのにそれぞれ使用される。

好適には、線形−角度コンバータが、線形変位を角変位に変換するための１つ又は複数のギアを備える。

食品産業で通常使用される配管システムの従来技術の構造を示す図である。 食品産業で通常使用される配管システムの従来技術の構造を示す図である。 図１ａ及び１ｂの配管構成に関連する、リニア・バルブ・アセンブリ（アクチュエータ及びダブル・バルブ）の内部構造を概略の形式で示す図である。 その開状態にある図２のリニア・バルブ・アセンブリを示す図である。 図２及び３のダブル・バルブ構造によりＣＩＰサイクルを実施する手法を概略の形式で示す図である。 ＣＩＰサイクルの第２のステップ中に上側バルブを洗浄する手法を概略の形式で示す図である。 本発明の一実施例による監視−故障予測・検出システムの構造を示すブロック図である。 本発明の一実施例による、ダブル・バルブ構造の線形変位を監視するためのシステムを示す図である。 線形−角度コンバータを詳細に示す図である。 線形−角度コンバータを詳細に示す図である。 特許文献１で説明されるような２つの無線方式の角度ベースバルブ監視デバイスを、リニア・バルブ・アセンブリを有する配管構造に取り付ける手法を示す図である。 アクチュエータ及びダブル・バルブの適切な対の、閉状態（０％）から開状態（１００％）までの推移ベクトルを示すグラフである。 図１０の曲線に類似するが、システムの閉状態から開状態までの推移に関連する曲線を示すグラフである。 本発明のシステムにおいてＣＩＰサイクル中に実施される第１の方向の部分的な変位（２〜４ｍｍ）を示すグラフである。 図１２ａの曲線を拡大したスケールで示すグラフである。 図１２ａのバルブがその元の位置に戻るのを示すグラフである。 適切なバルブの公称曲線「Ｎ」と故障したバルブの実際の曲線「Ａ」との間の比較を示すグラフである。 リニア・バルブの閉位置（１００％）から開位置（０％）までの移行に関連する、公称曲線「Ｎ」と実際の曲線「Ａ」との間の別の比較を示すグラフである。 線形から角度への転換の精度を示すグラフである。

本発明は、リニア・バルブのための無線監視・故障予測システムを提供する。本発明の監視システムは、食品産業におけるダブル・バルブのＣＩＰ手順で通常実施されるような２〜３ミリメートル程度のリニア・バルブの変位を監視することができる。また、本発明のシステムは、上記リニア・アクチュエータ及びバルブにおける、例えば、それぞれのチャンネルを密閉するために上記リニア・バルブで通常使用されるＯリングでの未来の故障の発生を予測することができる。本発明は２〜４ミリメートルの程度のリニア・バルブの変位を監視することが必要となる場合に特に有利であるが、本発明がより大きい変位を監視するのにも適用され得ることに留意されたい。また、本記述は、食品産業、具体的には酪農産業で使用される特定の構造に関連するが、本発明は任意の他の環境においてもリニア・バルブ及びアクチュエータの故障を監視及び予測するのに適用され得る。

食品産業で使用される配管システム１００の典型的な従来技術の構造を図１ａ及び１ｂに示す。システム１００は、２つの隣接するパイプ１０１及び１０２と、リニア・アクチュエータ１０３と、位置１０４に位置するリニア・「ダブル・バルブ」とを備える。２つの別個のバルブを備える位置１０４にあるダブル・バルブは、内部に存在し非透明の要素によって隠されていることから図１ａ及び１ｂには示されていない。通常運転時、ダブル・バルブはパイプ１０１及び１０２の間のチャンネル１０４を開けるか又は閉じる（遮断する）。チャンネル１０４が遮断される場合、例えば矢印１１１及び１１２の方向の、流体の別個の流れが２つのパイプ１０１及び１０２内にそれぞれ個別に発生する。例えばパイプ１０１の流体をパイプ１０２の流体と混合するような必要に応じて、アクチュエータ１０３がダブル・バルブのステム１０７を、上記別個のバルブの両方をパイプ１０１又は１０２の一方のパイプの空間内（例えば、パイプ１０１内）に同時に配置するように駆動することによりチャンネル１０４を開ける。このような一般的なダブル・バルブの同時の位置決めは、少なくとも２５〜５０ミリメートル程度でバルブのステム１０７を直線的に変位させることを伴い、それにより２つの別個のバルブが同時に駆動される。以下では、パイプ１０１及び１０２の間の接続チャンネル１０４を完全に開けるか又は閉じるためにステムを上記のように同時に変位させることは「通常の変位」とも称される。チャンネル１０４を開けると、流体の流れが矢印１１３の経路で、すなわち、パイプ１０１から始まって、チャンネル１０４を通過し、パイプ１０２の流体と混合され、あるいは反対の方向に流れることができる。

アクチュエータ及びダブル・バルブは当技術分野でよく知られる構成要素である。上述したように、上記の一般的な開閉の変位に加えて、ずっと小さい変位を伴う、２つのステップからなるＣＩＰ手順も食品産業では一般的である。第１のステップで、アクチュエータ１０３が第１の別個のバルブを上記ダブル・バルブ構造からパイプ１０１又は１０２のうちの一方の空間内へ部分的に駆動し、一方で第２の別個のバルブがチャンネル１０４を完全に閉じた状態で維持する。このように部分的に駆動することは第１のバルブを２〜４ミリメートル程度変位させることを伴い、これが、パイプ１０１内を流れる洗浄剤及び水によるバルブの洗浄によって次に起こる。第１のバルブの洗浄が完了すると、このバルブは、第２の別個のバルブとともにチャンネル１０４を閉じるために、その元の位置に戻るように変位させられる。第２のステップでは、第２のバルブが個別にパイプ１０２の空間内へ２〜４ミリメートル変位し、同様の洗浄の手順が第２のバルブに対しても繰り返し行われる。第２のバルブの洗浄が完了すると、第２のバルブが、チャンネル１０４が上記第１及び第２の別個のバルブによって遮断される、その元の位置に戻るように駆動される。

通常、ダブル・バルブのステムは開空間１２０を通過する。開空間の２つの反対の位置に設けられる２つのマイクロスイッチ（図示せず）のうちの１つを各々起動させるために、ステムから延びる拡張部分１２４が、通常、設けられる。このようにして、またステム１０７の位置に基づき、チャンネルの完全な開放又は完全な閉鎖についてのそれぞれの指示が提供される。通常、マイクロスイッチから延びるワイヤが、これらのマイクロスイッチの指示を、バルブの状態をコントロール・センターに伝達することができる監視ユニット１１６へと送る。しかし、この指示は少なくとも２５〜５０ミリメートルの完全な変位が発生するような場合に限定され、このマイクロスイッチ構造は、ＣＩＰ手順で実施されるような非常に短い変位（２〜３ミリメートル程度）を感知するのには適用され得ない。

図２は、図１ａ及び１ｂの配管構成に関連するリニア・バルブ・アセンブリ（アクチュエータ及びダブル・バルブ）１００の内部構造を概略的な形態で示す。アクチュエータ１０３が、ダブル・バルブ１３０を開けるか又は閉じるためにステム１３５を直線的に駆動する。ダブル・バルブ１３０は、それぞれ１３１及び１３２である、２つの別個のバルブを備える。アクチュエータ１０３がチャンネル１０４を開けるか又は閉じるために２つのバルブ１３１及び１３２を同時に駆動する。図２ではチャンネル１０４は閉状態で示されている。２つの別個のバルブ１３１及び１３２の各々が、必要に応じてチャンネル１０４を密閉するために、それぞれ１４１及び１４２である、Ｏリング・ガスケットを備える。チャンネル１０４の完全な密閉は１つのバルブ１３１又は１３２によって、あるいは、それらがそれぞれの密閉位置に位置しているときは両方のバルブによって達成され得る。図２、３、４及び５の例では、Ｏリング１４１はバルブ１３１における周囲溝内に着座し、一方、Ｏリング１４２はバルブ１３２の底面の溝内に着座する。しかし、これは単に一例であり、代わりに、両方のＯリングがバルブの上面若しくは底面の周囲に、又はその上に位置してもよい。

図３が開状態にある図２のリニア・バルブ・アセンブリ１００を示す。示されるように、個々のバルブ１４１及び１４２の両方がアクチュエータ１０３によりパイプ１０２の空間内まで一緒に変位しており、それによりチャンネル１０４が開かれ、２つのパイプ１０１及び１０２の間の流体の流れが可能となっている。既に述べたように、変位は（図２の閉状態に対して）通常は２５〜５０ミリメートル程度であり、すなわち、上で考察した２つのマイクロスイッチの構造によって監視されるのに十分な大きさの変位である。

図４は、図２及び３のダブル・バルブ構造によりＣＩＰサイクルを実施する手法を概略的な形態で示す。第１のステップで、下側バルブ１３１がパイプ１０２の空間内まで２〜４ミリメートルだけ変位され、一方で、上側バルブ１３２が閉じた密閉位置に留まる（Ｏリング１４２がチャンネル１０４を密閉する）。このようにして、流体がパイプ１０１及び１０２の間のチャンネル１０４を通る流体の流れが防止される。これに対して、パイプ１０１内の水及び洗浄剤の流れはＯリング１４１、さらにはバルブ１３１全体に到達してバルブ１３１を洗浄することができる。ＣＩＰサイクルの第１のステップはバルブ１３１がその閉位置に戻ることによって終了する。図５は、ＣＩＰサイクルの第２のステップ中に上側バルブ１３２を洗浄する手法を概略的な形態で示す。第２のステップでは、上側バルブ１３２がパイプ１０２の空間内まで２〜４ミリメートルだけ変位され、一方で、バルブ１３１が閉じた密閉位置に留まり、パイプ１０１からパイプ１０２への、及びその逆の、流体の潜在的な流れを密閉する。これに対して、パイプ１０２内の水及び洗浄剤の流れはＯリング１４２、さらにはバルブ１３２全体に到達してバルブ１３２を洗浄することができる。ＣＩＰサイクルの上記第２のステップの終了時にバルブ１３２がその密閉状態に戻る。やはり、バルブ１３２の最大変位は２〜４ミリメートル程度であり、これはマイクロスイッチ構造によって感知され得ない。

本発明は、部分的な変位を監視することができないという、従来技術のシステムの上記の欠点を克服する。「部分的な変位」という用語は、本明細書では、例えば、上で説明したようなＣＩＰ手順中に実施される約２〜５ミリメートル程度の変位を意味する。

図６は、本発明の監視−故障予測・検出システムの構造を示すブロック図である。アクチュエータ１０３が、図２〜５の２つの別個のバルブ１３１及び１３２（図６には示されない）にそれぞれ接続される２つのステム１５１及び１５２を直線的に駆動する。バルブおよび配管のアセンブリ１６０は図２〜５に示されるものと実質的に同じ構造である。アクチュエータ１０３が、図２〜５に関して上で説明した手法で、同時に又は個別にステム１５１及び１５２を駆動することができる。アクチュエータ１０３がステム１５１及び１５２を同時に駆動するときは、これらのステムは、チャンネル１０４（前の図に示される）を完全に開けるか又は完全に閉じるように２５〜５０ミリメートルだけ変位される。アクチュエータ１０３がＣＩＰサイクルの第１のステップ及び第２のステップ中にステム１５１及び１５２のうちの一方をそれぞれ個別に駆動するときは、ステムはやはり上で説明した手法で２〜４ミリメートルだけ駆動される。第１の線形−角度コンバータ２７１が、第２の線形−角度コンバータ２７２だけでなく、それぞれ、それぞれのグリップ・リング１８１及び１８２により第１のステム１５１及び第２のステム１５２にそれぞれ取り付けられる。したがって、グリップ・リング１８１及び１８２はステム１５１及び１５２と共に直線的に変位され、これらが上記線形変位を第１及び第２の線形−角度コンバータ２７１、２７２にそれぞれ移す。第１及び第２の線形−角度コンバータ２７１、２７２は、リング１８１及び１８２からそれぞれ受ける線形変位をシャフト１９１及び１９２のそれぞれの角回転へと変換する機械的な構成である。シャフト１９１及び１９２の各々が、ステム１５１及び１５２のそれぞれの線形変位に比例する角回転で回転する。シャフト１９１及び１９２の各々が、その回転を第１及び第２の角度監視ユニット２０１、２０２にそれぞれ移す。角度監視ユニットは、特許文献１で詳細に説明される構造を有する無線ユニットである（これ以降、「角度監視ユニット」という表現が使用されるときは、この用語は特許文献１で説明されるユニットの構造及び特徴を実質的に有するユニットを意味する）。したがって、角度監視ユニット２０１及び２０２の各々は角回転を非常に正確に測定することができる。したがって、この監視ユニットは２〜４ミリメートル程度の短さの非常に小さい変位を容易に感知することができる。この精度は、実際には、線形変位とシャフト１９１及び１９２の半径との間の機械的な変換比率に依存する。より具体的には、変位（２５〜５０ｍｍ又は２〜４ｍｍ）が与えられて固定されると、シャフト１９１及び１９２の半径の減少により、より大きな角変化となり、通常は精度が向上する。

実例１
例えば、２５〜５０ｍｍの線形変位がシャフト１９１又は１９２の各々の９０°の回転に変換され得る。その場合、２ｍｍのＣＩＰの変位は、７．２°のシャフトの回転（２５ｍｍの主変位では、これは２／２５×９０＝７．２°に相当する）と、３．６°のシャフトの回転（５０ｍｍの主変位では、これは２／５０×９０＝３．６°に相当する）とに変換され、４ｍｍのＣＩＰの変位の場合、これは、１４．４°のシャフトの回転（２５ｍｍの主変位では、これは４／２５×９０＝１４．４°に相当する）と、７．２°のシャフトの回転（５０ｍｍの主変位では、これは４／５０×９０＝７．２°に相当する）とに変換されよう。角度測定は１０ビット／１０００点の精度であり、したがって、１°の回転ごとに１１個の測定点が生じ、３．６°の最小回転で１１個の測定点が得られる。したがって、第１及び第２の角度監視ユニット２０１、２０２の角度分解能測定（angular resolution measurement）は、ＣＩＰの変位を正確に測定するのに十分な精度を有する。

示されるように、このような構造では、２〜４ｍｍ程度の小さい変位であっても、有意な測定変動へと変換されることから、容易に、高い精度で、検出、監視、さらには検査することができる。これはマイクロスイッチを使用することを伴い、大きい変位のみを感知することに限定される、従来技術の構成とは対照的である。

図７は、本発明の一実施例による、ダブル・バルブ構造における線形変位を監視するためのシステムを示す。このシステムは、開空間１２０を通過するバルブ・ステムに接続されるリニア・アクチュエータ１０３を備える。ステムはダブル・バルブを通って延びて、フレーム１４３の下方の第２の二重空間で終端する。簡単のために、この構造を説明するのに「ステム」という用語が単数形で使用されるが、実際には、このステムは、上記のように、主要な開閉中に使用されるときには２つのバルブ（図２〜５の１０１及び１０２）を同時に、又はＣＩＰサイクルの２つのステップ中に使用されるときには各々の別個のバルブを別個に作動させるのを可能にする、より複雑な構造を有することに留意されたい。このシステムは、バルブ１３１及び１３２（図２〜４に示される）のそれぞれの変位を監視するための２つの角度監視ユニット２２０ａ及び２２０ｂをさらに備える。各監視ユニットは、先に説明したように、線形−角度コンバータ２１０ａ及び２１０ｂによりステム１０３のそれぞれの部分に接続される。フレーム１４３は、通常、ねじによりコンバータをバルブ・アセンブリに取り付けるのに、及び、種々の機械構成要素を収容するのに、使用される。

図１６は、線形から角度への変換の精度を説明している。軸Ｘはフルスケール（ＦＳ）からのパーセントでの測定角度であり、これにより実際のＦＳからの線形移動からの測定されるずれがパーセントで得られる。２つの線が示されている。線Ａは、線形移動の実際の位置と比較した、生データの線形変換（linear translation）のずれであり、線Ｂは、線形移動の実際の位置からの、生データの線形回帰処理後のずれである。線形回帰処理後は、１％より良好なずれが得られた。

より正確な提示が必要である場合、リニア・バルブの位置を提示する前に反対の偏差チャートを使用すれば、実際のリニア・バルブの位置からの１％のずれを修正することができる。

図８ａ及び８ｂは、２つの線形−角度コンバータ２１０ａ及び２１０ｂをより詳細に示す。各線形−角度コンバータ２１０ａ及び２１０ｂは角度監視ユニット２２０に接合される。より具体的には、角度監視ユニット２２０が、第１の移行要素２２７に取り付けられるメイン・シャフト２２６に接合される。第１の移行要素２２７が補助シャフト（secondary shaft）２３４により第２の移行要素２２９に対して軸方向に取り付けられる。第２の移行要素２２９は、それぞれのステム１０７（図８ａ及び８ｂには示されない）を握持するリング２３０によって終端する。この構造が、それぞれのステム１０７の線形変位をメイン・シャフト２２６の角回転へと変換する。メイン・シャフトの角回転はステムの線形変位に比例する。この構成により、例えばメイン・シャフト２２６の軸と補助シャフト２３４の軸との間の適切な距離を選択することで、線形から角度への変換の比率を選択すること（又は、必要な場合、調整すること）が可能となる。より具体的には、この距離が大きくなるほど、ステム１０７の所与の線形変位においてより大きい角回転が得られる。リング２３０は２つの半体へと分割可能であり、それにより、リング２３０によりコンバータをそれぞれのステム１０７に容易に装着すること及び取り付けることが可能となり、とりわけ、アドオン・ユニットとしてシステムを容易に装着することが可能となる。

図９は、２つの無線方式の角度ベースバルブ監視デバイス２２０ａ及び２２０ｂ（特許文献１で説明されるデバイスなど）のそれぞれを、リニア・バルブ・アセンブリを有する配管構造に取り付ける手法を示す。２つの線形−角度コンバータ２１０ａ及び２１０ｂは、配管システム上でのそれらの２つの異なる位置にそれぞれ適合するように、構造及び寸法が機械的にいくらか異なる。

本発明の監視システムは、アクチュエータの、ダブル・バルブの別個のバルブの各々の、又は、各別個のバルブ内で使用されるそれぞれのＯリングの、未来の故障を予測するのにも使用され得る。上述したように、特許文献２が、その監視機能に加えて、アクチュエータ−バルブの対のアセンブリ内の未来の故障を予測するのにも使用される改良型バルブ監視デバイス（ＥＶＭＤ：Enhanced Valve Monitoring Device）を開示しており、そこでは、アクチュエータ及びバルブは回転タイプである（これ以降、「改良型バルブ監視デバイス」という用語が特許文献２で説明されるすべての特徴を有するデバイスを簡潔に示す）。簡単に述べると、特許文献２は、ラインにおける流体流れを共に制御するアクチュエータ又はバルブの潜在的な未来の故障を決定するためのシステムであって、前記制御が、２つのそれぞれのバルブ状態の間で前記バルブのステムへの角度変化を起こすアクチュエータによりラインにおける流量を決定し、前記システムが、
ａ．前記アクチュエータにより生じる前記ステムへのいかなる角度変化にも応じてステムの角度方向を継続的に感知するための、及び、それぞれの角度変化信号を監視ユニットに伝達するための、センサと、
ｂ．改良型バルブ監視デバイス（ＥＶＭＤ）であって、
ｉ．前記アクチュエータ−バルブの対のための公称推移値を記憶するためのローカル・ストレージと、
ｉｉ．前記角度変化信号を受信し、及び、前記信号からの定期的なサンプルを含む推移ベクトルを生成するための、サンプリング・ユニットと、
ｉｉｉ．（ａ）前記推移ベクトルの少なくとも一部分を、前記記憶された公称推移値からの対応する組と比較し、（ｂ）１つ又は複数の既定の閾値を超える差異が確認されると、前記アクチュエータの潜在的な故障のための警告を発するための、コンパレータ・ユニットと
を備える、改良型のバルブ監視デバイスと
を備えるシステムを開示している。

より具体的には、特許文献２によると、クォーター・ターン・バルブのステムの向きの角変化を表す公称推移曲線が予め記憶される。アクチュエータ−バルブの対の実際の動作中、すなわち、回転アクチュエータがクォーター・ターン・バルブを作動してその状態を変化させるとき、ＥＶＭＤが２つの状態の間での推移中のステムの角度方向を定期的にサンプリングして推移ベクトルを生成する。次いで、推移ベクトルと公称推移曲線との比較が実施され、１つ又は複数の既定の閾値を超える差異が確認されると、潜在的な未来の故障のための警告が発せられる。上述したように、特許文献２のシステムは、回転式のクォーター・ターン・バルブと、対応する回転アクチュエータと、バルブのステムの角度方向を定期的にサンプリングする改良型バルブ監視デバイスとに関連することから、本質的に角度ベースである。

特許文献２のシステムのその未来の故障の決定は以下のいくつかの観察に基づいている。
ａ．アクチュエータが正常であるとき、公称期間内で所定の角回転の変化（例えば、閉状態から開状態）を実施するべきである。種々のタイプのクォーター・ターン・バルブの様々なタイプと共に、種々の運転状況において使用される場合、通常、アクチュエータの仕様によりこの期間への指示が提供される。
ｂ．アクチュエータがクォーター・ターン・バルブの状態を変化させるとき、２つの状態の間の推移期間全体での時間に対するバルブのステムの角変化は実質的に線形であるか、又は、少なくとも、角度ベースの推移曲線がはっきり定義される（well defined）。
ｃ．アクチュエータの不具合の初期段階で、不具合がちょうど生じ始めるときは、推移中のステムの角変化の速度が上記のはっきり定義された曲線から逸れ始める。特許文献２のＥＶＭＤはこの推移曲線を監視し、既定の閾値を超えて公称曲線から逸れることが検出されると、ＥＶＭＤは故障が現れ始めていることを通知する警告を発する。

本質的に回転式である特許文献２の同じ改良型バルブ監視デバイスは、（ａ）リニア・アクチュエータと、（ｂ）ダブル・バルブの別個のバルブの各々と、（ｃ）各々の別個のバルブ内で使用されるＯリングと、の未来の故障を予測するのに本発明で使用される。線形の配管システム内の線形の構成要素の故障を予測するための、回転タイプの改良型バルブ監視デバイスの本発明における使用は、アクチュエータ及び別個のバルブの線形移動を、特許文献２で教示されるようなＥＶＭＤにより感知され得る回転概念へと変換する本発明の線形−角度コンバータによって実現可能となっている。

特許文献２と同様に、本発明のシステムにより故障を予測することは、公称推移曲線と実際の推移ベクトルとの間の比較に基づいている。

別の実例
図１０は、適切なアクチュエータ及びダブル・バルブの対の閉状態（０％）から開状態（１００％）までの推移ベクトルを示す。移行が約２３０ｍｓであること及び移行（変位）が時間に関して実質的に線形であることが分かる。推移ベクトルが既定の閾値だけ線形曲線から逸れると、これが対の中の構成要素のうちの１つの可能性のある未来の故障の兆候となる。図１１は図１０の曲線に類似の曲線を示すが、これは閉状態から開状態までのシステムの推移に関連する。

図１２ａは、本発明のシステム内でＣＩＰサイクル中に実施される第１の方向の部分的な変位（２〜４ｍｍ）を示す。見てとれるように、この部分的な変位には、約５ｍｓの間で５％の変位が含まれる。図１２ｂは、図１２ａの曲線を拡大したスケールで示す。図１３は、図１２ａのバルブがその元の位置に戻るのを示す。図１２ａ、１２ｂ及び１３のいずれでも、推移期間の大部分にわたって曲線が実質的に線形であることが分かる。

図１４は、適切なバルブの公称曲線「Ｎ」と故障したバルブの実際の曲線「Ａ」との間の比較を示す。故障したバルブの実際の移行の期間がより長くなっていること、及び、曲線が少なくとも期間全体のうちの一部において非線形となっていることが分かる。このような挙動は、Ｏリングが裂けるような事例で一般的であることが分かっている。

図１５は、閉位置（１００％）から開位置（０％）までのリニア・バルブの移行に関連する、公称曲線「Ｎ」と実際の曲線「Ａ」との間の別の比較を示す。損傷したＯリングによりバルブを「０％」の位置まで閉じることができなかったため、バルブの移動が１０％の位置から開始していることが分かる。バルブが１０％の位置から開始していたことから、より早く（故障していないバルブの２３０ｍｓではなく、１８０ｍｓで）１００％に達している。このような挙動は、損傷したＯリングを原因として故障が現れ始めるような事例で一般的であることが分かっている。

上記は、リニア・バルブ及びリニア・アクチュエータの対を備える線形システムがいかにして監視され得るか、さらには、初期段階でいかにして故障が検出又は予測され得るかを示すほんのいくつかの実例である。検査を行って実際の曲線と公称曲線とを比較することで、様々な他の故障がその初期段階で検出され得る。

また、上記の適用は、この線形−角度コンバータの構造に関するいくつかの実例を提示するものである。多様な他の線形−角度構造が熟練した技術者により同様に開発され得る。一例では、コンバータは、上記第１及び第２の移行要素ではなく、１つ又は複数のギアを備えることができる。

本発明のいくつかの実施例を例示として説明してきたが、本発明の趣旨から逸脱したり又は特許請求の範囲を超えたりすることなく、多くの修正、変更及び適応とともに、さらには、当業者の範囲内にある多数の均等物又は代替的解決策の使用とともに、本発明が実施され得ることは明らかであろう。

Claims (16)

1. リニア・アクチェエータ−バルブの対の動作を監視するための、かつ、発生の初期段階で故障を検出するためのシステムであって、
   ａ．２つのパイプの間のチャンネルを開けるか又は閉じるためのリニア・バルブと、
   ｂ．前記バルブのステムを完全に又は部分的に変位させることにより前記バルブを閉状態又は開状態へと駆動するためのリニア・アクチュエータと、
   ｃ．メイン・シャフトの角度方向を調べることにより前記対の前記状態を監視するための、かつ、前記状態をコントロール・センターに報告するための角度ベース無線バルブ監視デバイスと、
   ｄ．前記ステムの前記線形変位を前記メイン・シャフトの角度進行に変換するための線形−角度コンバータと、
   を備えるシステム。
2. 前記線形−角度コンバータが、
   ａ．２つの端部を有する第２の移行要素であって、その第１の端部において当該第２の移行要素が前記バルブのステムに取り付けられ、その第２の端部において当該第２の移行要素が第１の移行要素にヒンジにより取り付けられる、第２の移行要素と、
   ｂ．前記第２の移行要素にヒンジにより取り付けられ、前記メイン・シャフトの第１の端部にも取り付けられる第１の移行要素であって、前記メイン・シャフトがそのもう一方の端部において前記角度ベース無線バルブ監視デバイスに接続される、第１の移行要素と
   を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記リニア・バルブが２つの別個のバルブを備えるダブル・バルブであり、前記アクチュエータが、前記２つの別個のバルブの両方を同時に駆動するか又は前記別個のバルブのうちの一方のバルブを個別に駆動することができる、請求項１に記載のシステム。
4. ２つの線形−角度コンバータ及び２つのバルブ監視デバイスが、前記ダブル・バルブの前記別個のバルブの両方を監視するのに使用される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第２の移行要素がその端部のところにある、前記ステムを握持するリングにより前記ステムに取り付けられる、請求項２に記載のシステム。
6. 前記リングが、前記ステムを囲むように開放可能であり、それにより、アドオン・システムであるシステムが提供される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記別個のバルブのうちの一方が、水及び洗浄剤により前記それぞれのバルブを洗浄するために、ＣＩＰ手順中に前記パイプのうちの一方の中の空間まで個別に部分的に変位し、もう一方の別個のバルブが閉状態を維持して前記チャンネルを閉じている、請求項３に記載のシステム。
8. 前記部分的な変位が３〜５ｍｍ程度である、請求項７に記載のシステム。
9. 前記完全な変位が２０〜３０ｍｍ程度であるか又はそれ以上である、請求項１に記載のシステム。
10. 前記別個のバルブの各々が、前記別個のバルブが前記閉状態にあるときに前記チャンネルを密閉することができるＯリングを備える、請求項３に記載のシステム。
11. 前記角度ベースバルブ監視デバイスが、前記バルブの状態を監視する目的並びに故障を検出及び予測する目的の両方に使用される改良型角度ベースバルブ監視デバイスである、請求項１に記載のシステム。
12. 前記改良型角度ベースバルブ監視デバイスが、
    ａ．前記アクチュエータ−バルブの対のための公称推移値を記憶するためのローカル・ストレージと
    ｂ．メイン・シャフト上のセンサから実際の角度変化信号を受信し、定期的なサンプルを含む推移ベクトルを前記信号から生成するための、サンプリング・ユニットと、
    ｃ．（ｉ）前記推移ベクトルの少なくとも一部分を、前記記憶された公称推移値からの対応する組と比較するための、かつ、（ｉｉ）１つ又は複数の既定の閾値を超える差異が確認される場合に、前記アクチュエータの潜在的な故障のための警告を発するための、コンパレータ・ユニットと
    を備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記推移ベクトルがコントロール・センターに伝えられ、前記公称推移値と前記推移ベクトルとの間の比較が前記コントロール・センターで実施される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記改良型角度ベースバルブ監視デバイスが、
    ａ．前記リニア・バルブと、
    ｂ．ダブル・バルブを使用する場合の、別個のリニア・バルブの各々と、
    ｃ．前記バルブの１つ又は複数で使用される１つ又は複数のＯリングと、
    ｄ．前記リニア・アクチュエータと
    のうちの少なくとも１つにおける故障を予測かつ決定する、請求項１０に記載のシステム。
15. ２つの線形−角度コンバータ及び２つのバルブ監視デバイスが、前記ダブル・バルブの前記別個のバルブの両方を監視するのにそれぞれ使用される、請求項１１に記載のシステム。
16. 前記線形−角度コンバータが、線形変位を角変位に変換するための１つ又は複数のギアを備える、請求項１に記載のシステム。