JP2016526243A - ダイヤフラムの保護を伴うパイロット操作ガスレギュレータ - Google Patents

Abstract

パイロット装置を用いてレギュレータを制御する方法は、レギュレータの出口の出口圧力をフィードバック圧力センサを用いて定期的に検出することを含む。方法は、検出された各出口圧力を目標制御圧力と比較することも含む。さらに、方法は、検出された出口圧力が目標制御圧力より大きいと判定された場合、レギュレータのダイヤフラムの上面に加わる、前記パイロット装置の充填ガスを排気弁を通して排気してダイヤフラムへの荷重を減らすように、パイロット装置の排気弁を開くことを含む。方法は、排気弁を開いた後、パイロット弁の出口ポート内の充填圧力を充填圧力センサを用いて感知し、その充填圧力を所定の最小閾値圧力と比較することをさらに含む。充填圧力が所定の最小閾値以下であると判定された場合、方法は排気弁を閉じることを含む。

Description

本開示は、プロセス制御システムに関し、より詳細には、プロセス制御システムで用いられる圧力レギュレータ等のフィールドデバイスや、圧力レギュレータのためのパイロット充填機構の分野に関する。

化学プロセス、石油プロセス、または、他のプロセスで用いられるような、分散した、または、スケーラブルな（拡大縮小可能な）プロセス制御システム等の、プロセス制御システムは、典型的に、少なくとも１つのホストまたはユーザのワークステーションと、１つまたは複数のフィールドデバイスとに、アナログバス、デジタルバス、または、アナログとデジタルを組み合わせたバスを介して通信可能に接続された１つまたは複数のプロセスコントローラを備える。フィールドデバイスは、例えば、制御弁、弁ポジショナ、レギュレータ、スイッチ、及び、送信機（例えば、温度センサ、圧力センサ、及び、流量センサ）を備えてよく、弁の開閉やプロセスパラメータの測定等のプロセス内で機能する。プロセスコントローラは、フィールドデバイスが行ったプロセス測定を示す信号、及び／または、フィールドデバイスに関する他の情報を受信し、この情報を用いて制御ルーチンを実施して制御信号を生成する。制御信号は、バスを介してフィールドデバイスに送られ、プロセスの動作を制御する。各フィールドデバイス及びコントローラからの情報は、ユーザのワークステーションで実行される１つまたは複数のアプリケーションで一般的に利用可能で、操作者は、プロセスの現在の状態を見る、プロセスの動作を修正するなど、プロセスに関する任意の所望の機能を行うことができる。フィールドデバイスが万一、故障すると、プロセス制御システム全体の動作状態が危うくなる場合がある。

本開示の一態様は、パイロット装置を用いてレギュレータを制御する方法を含む。パイロット装置は、吸気弁を有する吸気ポート、排気弁を有する排気ポート、レギュレータに接続された出口ポート、及び、出口ポート内の圧力を検出する充填圧力センサを備える。方法は、フィードバック圧力センサを用いて、レギュレータの出口で出口圧力を定期的に検出することを含む。方法は、検出された各出口圧力を目標制御圧力と比較することも含む。さらに、方法は、検出された出口圧力が目標（set-point）制御圧力より大きいと判定されると、レギュレータのダイヤフラムの上面に加えられることになる、パイロット装置内の充填ガスを排気弁を通して排気してダイヤフラムにかかる負荷を減らすように、パイロット装置の排気弁を開くことを含む。方法は、排気弁を開いた後、充填圧力センサを用いてパイロット弁の出口ポート内の充填圧力を感知し、その充填圧力を所定の最小閾値圧力と比較することをさらに含む。さらに、方法は、充填圧力が所定の最小閾値以下であると判定されると、排気弁を閉じることを含む。

本開示の原理に従って構築された１つまたは複数のパイロット操作ガスレギュレータを有するプロセス制御システムの概略図である。 本開示の原理に従って構築されたパイロット操作ガスレギュレータの１つのバージョンの断面図である。 既知のガスレギュレータの動作のグラフ表示である。 既知のガスレギュレータの動作のグラフ表示である。 本開示に従って構築されたパイロット操作ガスレギュレータのグラフ表示である。 本開示のパイロット操作ガスレギュレータのコンポーネントの一部を示すブロック図である。 本開示に従った、パイロット装置を用いてレギュレータを制御する方法の１つのバージョンを示すプロセスフローチャートである。

本開示は、インテリジェントなパイロット操作レギュレータに関し、インテリジェントなパイロット操作レギュレータは、例えば、プロセス制御システムのフィールドデバイスであってよい。より具体的には、パイロット操作レギュレータはレギュレータのダイヤフラムを保護する特徴を備え、この特徴は、要求流量が急速に変化して、ダイヤフラム感知レギュレータ、特に金属ダイヤフラム感知レギュレータ、の感知要素に過度の応力がかかる適用に対して追加の保護層を提供する。

図１を参照すると、本開示の１つのバージョンに従って構築されたプロセス制御システム１０は、プロセスコントローラ１１と通信する１つまたは複数のフィールドデバイス１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、７１を含み、プロセスコントローラ１１は、順に、データヒストリアン１２と、１つまたは複数のユーザワークステーション１３と通信し、各ユーザワークステーションは、表示画面１４を有する。このような構成で、コントローラ１１は、フィールドデバイス１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、７１とワークステーション１３に信号を送り、それらから信号を受信して、プロセス制御システムを制御する。

さらに詳細には、図１に記載のバージョンのプロセス制御システム１０のプロセスコントローラ１１は、有線通信接続を通して入力／出力（Ｉ／Ｏ）カード２６、２８を介して、フィールドデバイス１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２に接続される。データヒストリアン１２は、データを記憶するための任意の所望の種類のメモリと、任意の所望または既知のソフトウェア、ハードウェア、または、ファームウェアとを有する任意の所望の種類のデータ収集ユニットであってよい。さらに、データヒストリアン１２は、図１においては別個の装置として示されているが、それに代えて、または、それに加えて、ワークステーション１３の１つの一部、またはサーバ等の他のコンピュータ装置の一部であってよい。コントローラ１１は、例を挙げると、Ｅｍｅｒｓｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ
Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔが販売しているＤｅｌｔａＶ（商標）コントローラであってよく、ワークステーション１３及びデータヒストリアン１２に、例えば、イーサネット接続等の通信ネットワーク２９を介して通信可能に接続される。

上述のように、コントローラ１１は、有線通信スキームを用いてフィールドデバイス１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２に通信可能に接続されているとして示されている。有線通信スキームは、任意の所望のハードウェア、ソフトウェア及び／またはファームウェアを用いて、例えば、標準的な４〜２０ｍＡ通信、及び／または、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス通信プロトコル、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコル等の任意のスマート通信プロトコルを使った任意の通信を含む有線通信を実施することを含んでよい。フィールドデバイス１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２は、センサ、制御弁アセンブリ、送信機、ポジショナ等の任意の種類の装置であってよく、Ｉ／Ｏカード２６、２８は、任意の所望の通信またはコントローラプロトコルに準拠する任意の種類のＩ／Ｏ装置であってよい。図１に記載の実施形態においては、フィールドデバイス１５、１６、１７、１８は、アナログラインを介してＩ／Ｏカード２６と通信する標準的な４〜２０ｍＡ装置であり、デジタルフィールドデバイス１９、２０、２１、２２は、フィールドバスプロトコル通信を用いてデジタルバスを介してＩ／Ｏカード２８と通信する、ＨＡＲＴ（登録商標）通信装置やフィールドバスフィールドデバイス等の、スマート装置であってよい。当然、フィールドデバイス１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２は、今後開発される任意の規格またはプロトコルを含めて、任意の他
の所望の規格（単数または複数）またはプロトコルに準拠してよい。

さらに、図１のプロセス制御システム１０は、制御すべきプラントに配置された多くの無線フィールドデバイス６０、６１、６２、６３、６４、７１を含む。フィールドデバイス６０、６１、６２、６３、６４は、送信機（例えば、プロセス変数センサ）として示され、フィールドデバイス７１は、例えば、制御弁とアクチュエータを含む、制御弁アセンブリとして示されている。コントローラ１１とフィールドデバイス６０、６１、６２、６３、６４、７１との間の無線通信は、既知の、または、今後開発される、ハードウェア、ソフトウェア、もしくは、それらの任意の組み合わせを含む任意の所望の無線通信機器を用いて確立されてよい。図１に示すバージョンにおいては、アンテナ６５が、送信機６０に接続されて送信機６０の無線通信を行い、アンテナ６７を有する無線ルータまたは他のモジュール６６が、送信機６１、６２、６３、６４に接続されて送信機６１、６２、６３、６４の無線通信を集合的に扱う。同様に、アンテナ７２は、制御弁アセンブリ７１に接続されて、制御弁アセンブリ７１の無線通信を行う。フィールドデバイスまたは関連するハードウェア６０、６１、６２、６３、６４、６６、７１は、適切な無線通信プロトコルによって用いられるプロトコルスタック動作を実施して、アンテナ６５、６７、７２を介して無線信号を受信、デコード、ルーティング、エンコード、及び、送信することによって、プロセスコントローラ１１と、送信機６０、６１、６２、６３、６4及び制御弁アセンブリ７１と、の間の無線通信を実施してよい。

必要に応じて、送信機６０、６１、６２、６３、６４は、様々なプロセスセンサ（送信機）とプロセスコントローラ１１との間に唯一のリンクを構築することができ、したがって、プロセスの性能を損なうことなく、正確な信号をコントローラ１１に確実に送信する。よって、プロセス変数送信機（ＰＶＴ）と呼ばれることも多い送信機６０、６１、６２、６３、６４は、制御プロセス全体の制御において重要な役割を果たし得る。さらに、制御弁アセンブリ７１は、制御弁アセンブリ７１内のセンサが行った測定、または、制御弁アセンブリ７１によって生成または計算された他のデータを、その動作の一部として、コントローラ１１に提供してよい。当然、周知のように、制御弁アセンブリ７１は、また、プロセス全体の中で、例えば、流量等の物理的パラメータを有効にする制御信号をコントローラ１１から受信してよい。

プロセスコントローラ１１は、１つまたは複数のＩ／Ｏ装置７３、７４に接続され、Ｉ／Ｏ装置７３、７４は、それぞれ、アンテナ７５、７６に接続される。これらのＩ／Ｏ装置７３、７４、アンテナ７５、７６は、送信機／受信機として働き、１つまたは複数の無線通信ネットワークを介して無線フィールドデバイス６１、６２、６３、６４、及び７１と無線通信を行う。フィールドデバイス（例えば、送信機６０、６１、６２、６３、６４及び制御弁アセンブリ７１)間の無線通信は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル、Ｅｍｂｅｒプロトコル、ＷｉＦｉプロトコル、ＩＥＥＥ無線規格等の１つまたは複数の既知の無線通信プロトコルを用いて行ってよい。さらに、Ｉ／Ｏ装置７３、７４は、これらの通信プロトコルによって用いられるプロトコルスタック動作を実施して、アンテナ７５、７６を介して無線信号を受信、デコード、ルーティング、エンコード、及び、送信することによって、コントローラ１１と、送信機６０、６１、６２、６３、６４及び制御弁アセンブリ７１と、の間の無線通信を実施してよい。

図１に示すように、コントローラ１１は、メモリ７８に記憶された１つまたは複数のプロセス制御ルーチン（または、その任意のモジュール、ブロック、もしくはサブルーチン）を実施または監視するプロセッサ７７を、従来、備える。メモリ７８に記憶されたプロセス制御ルーチンは、プロセスプラント内で実施される制御ループを含んでよい、または、その制御ループに関連付けられてよい。一般的に言うと、また、一般に知られているように、プロセスコントローラ１１は、１つまたは複数の制御ルーチンを実施し、フィール
ドデバイス１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、６０、６１、６２、６３、６４、７１、ユーザワークステーション１３、及び、データヒストリアン１２と通信して、任意の所望の方法（単数または複数）でプロセスを制御する。さらに、それぞれ、制御弁アセンブリとして示されている、図１のフィールドデバイス１８、２２、７１はいずれも、本開示の原理に従って構築されたインテリジェントな制御弁アクチュエータを備えることができ、アクチュエータの健全性及び完全性の監視を促進するためにプロセスコントローラ１１と通信する。

図２を参照すると、説明のために、図１のフィールドデバイス７１は、本開示の原理に従って構築されたインテリジェントなレギュレータアセンブリ１００として示されている。図２において、インテリジェントなレギュレータアセンブリ１００は、レギュレータ１０２、パイロット装置１０４、及び、フィードバック圧力センサ１０６を備える。さらに、図２は、パイロット装置１０４とのユーザの対話を可能にするために、例えば、ＵＳＢポート等の通信インタフェース１０９を介してパイロット装置１０４に通信可能に接続されたオプションのパーソナルコンピュータ装置１０８を示す。これについては、後に記載する。

レギュレータ１０２は、弁本体１１０及び制御アセンブリ１１２を備える。弁本体１１０は、入口１１４と、出口１１６と、座面１２０を画定する室１１８と、を画定する。制御アセンブリ１１２は、弁本体１１０内に収容され、ダイヤフラムアセンブリ１２４に動作可能に接続された制御要素１２２を備える。制御要素１２２は、ダイヤフラムアセンブリ１２４を渡たる圧力の変化に応答して、座面１２０と封止係合された閉鎖位置と、座面１２０から離れた開放位置との間で移動可能である。図に示すように、ダイヤフラムアセンブリ１２４は、レギュレータ１０２の弁本体１１０のダイヤフラムキャビティ１２８内に配置されたダイヤフラム１２６を備える。ダイヤフラム１２６の底面１３０は、弁本体１１０の出口１１６と流体連通しており、ダイヤフラム１２６の上面１３２は、弁本体１１０のダイヤフラムキャビティ１２８とパイロット開口部１５０を介して、パイロット装置１０４と流体連通している。ダイヤフラムキャビティ１２８のダイヤフラム１２６の上面１３２の上になる部分は、レギュレータ１０２のドーム１５２と呼ぶことができる。

パイロット装置１０４は、弁本体１３４、吸気弁１３６、排気弁１３８、圧力センサ１４０、及び、出口アダプタ１４２を備える。弁本体１３４は、吸気ポート１４４、排気ポート１４６、及び、出口ポート１４８を画定する。吸気ポート１４４は、後で述べられるように、ダイヤフラム１２６の上のレギュレータ１０２のドーム１５２に充填するための供給ガス源に接続されるように適合されている。これについては、後に記載する。図に示すように、吸気弁１３６は吸気ポート１４４の隣に配置され、排気弁１３８は排気ポート１４６の隣に配置され、出口アダプタ１４２は、出口ポート１４８から弁本体１１０のパイロット開口部１５０に延びている。したがって、出口アダプタ１４２は、パイロット装置１０４とレギュレータ１０２とを流体連通させている。圧力センサ１４０は、吸気弁１３６と出口弁１３８の間の場所でパイロット装置１４０の弁本体１３４に配置されている。したがって、圧力センサ１０４は、吸気弁１３６と出口弁１３８の間、出口ポート１４８内、出口アダプタ１４２内、及び、ダイヤフラム１２６の上面１３２に隣接するドーム１５２とも呼ばれるダイヤフラムキャビティ１２８内、の圧力を感知するように動作可能である。パイロット装置１０４の１つのバージョンにおいては、吸気弁１３６及び排気弁１３８は、パルス幅変調（ＰＷＭ）ソレノイド弁等のソレノイド弁であってよく、圧力センサ１４０は、圧力変換器であってよい。さらに、吸気弁１３６、排気弁１３８、及び、圧力センサ１４０は、オンボードコントローラ１５４に通信可能に接続することができ、オンボードコントローラ１５４は、ロジックを記憶することができる、及び／または、パイロット装置１０４の機能の一部または全てを指示することができる。これについて以下に記載する。

図２をさらに参照すると、アセンブリ１００のフィードバック圧力センサ１０６は、レギュレータ１０２の出口１１６で圧力を検出し、パイロット装置１０４に、より詳細には、パイロット装置１０４のオンボードコントローラ１５４に、信号を送信するように配置された圧力変換器を備える。フィードバック圧力センサ１０６からオンボードコントローラ１５４によって受信された信号に基づいて、パイロット装置１０４は、吸気弁１３６及び排気弁１３８を開き、及び／または、閉じて、レギュレータ１０２のドーム１５２内の圧力を制御し、それは、制御要素１２２の位置を制御し、最終的に、レギュレータ１０２の出口１１６の圧力を制御する。

例えば、通常動作の間、レギュレータ１０２の出口１１６の圧力は、レギュレータ１０２のドーム１５２内の圧力を調整することによって、望みどおりに制御、維持される。これは、パイロット装置１０４とフィードバック圧力センサ１０６の動作によって達成される。１つのバージョンにおいては、フィードバック圧力センサ１０６は、２５ミリ秒毎に出口１１６の圧力を検出し、パイロット装置１０４のオンボードコントローラ１５４に信号を送信する。オンボードコントローラ１５４は、出口１１６の圧力を示すこの信号を所望の目標圧力を示す所望の目標（set-point）値と比較し、出口圧力が、当該目標圧力より低いか、同じか、高いかを判定する。この判定に基づいて、パイロット装置１０４は、吸気弁１３６及び排気弁１３８の片方または両方を操作して、ドーム１５２内の圧力を調整する。すなわち、感知した出口圧力が、所望の目標圧力より低い場合、オンボードコントローラ１５４は、吸気弁１３６を作動させる（例えば、吸気弁１３６を開くよう指示し、オプションで、排気弁１３８を閉じるように指示する）。この構成において、ガスはパイロット装置１０４の吸気ポート１４４に入り、ドーム１５２内の圧力を高め、それによって、ダイヤフラムアセンブリ１２４が制御要素１２２を図２の向きでは下方に押す、その結果、レギュレータ１０２を開き、流量を増やし、最終的に、出口１１６の圧力を高める。逆に、フィードバック圧力センサ１０６によって出口１１６で感知される圧力が、所望の目標圧力より高いと判定されると、オンボードコントローラ１５４は、排気弁１３８を作動させる（例えば、排気弁１３８を開くように指示し、オプションで、吸気弁１３６を閉じるように指示する）。この構成において、ドーム１５２のガスは、パイロット装置１０４の排気ポート１４６を通って排気されて、ダイヤフラム１２６の上面１３２にかかる圧力が減少する。これによって、出口圧力が、図２の向きに対して上方にダイヤフラムアセンブリ１２４と制御要素１２２を押すのを可能にし、その結果、レギュレータ１０２を閉じて、流量、及び、最終的には出口１１６の圧力を減少させる。

上の記載に基づいて、パイロット装置１０４及びフィードバック圧力センサ１０６は、互いに協働して、レギュレータ１０２の出口１１６の圧力を断続的にではあるが、頻繁に監視し、出口１１６の圧力が目標圧力に等しくなるまで、ドーム１５２の圧力を調整することは、理解されたい。上記では、測定はフィードバック圧力センサ１０６及び充填圧力センサ１４０によって２５ミリ秒毎に行われるとされているが、これは一例であって、頻度または割合は、一般的に、所望の適用に応じて、任意の頻度または割合であってよい。

本明細書に開示のアセンブリ１００は、通常のオープンループの減圧レギュレータにおいて「ドループ」として知られる周知の現象も克服できる。「ドループ」は、流量が増加するにつれて、レギュレータ１０２の出口１１６の圧力が減少することを指す専門用語である。この現象は、図３を参照しておおまかに示すことができる。図３に示すシナリオにおいては、レギュレータ１０２は、アセンブリ１００を通る流れがない時、出口圧力６０ｐｓｉｇを提供するために設定することができる。これは、図３の曲線Ａで示される。需要があって、流量が「ポイント」矢印が示す必要な流量まで増加すると、ドループによって、出口圧力は、所望の６０ｐｓｉｇより小さい値まで降下する。従来のレギュレータアセンブリを用いると、このドループは、操作者が、ダイヤフラム１２６の上面１３２への
負荷力を増加させることによってのみ補償される。この負荷力は、流れている状態で、典型的には、例えば、ばねによって提供されて６０ｐｓｉｇまで戻される。これは、図３の曲線Ｂによって示される。しかしながら、この従来の設計の欠点は、例えば、操作者が下流の弁を閉じることによって、レギュレータを通る流れを急に止めた場合、増加した負荷力によって出口圧力が上昇することである。図３の曲線Ｂは、静（例えば、流れの無い）圧が８０ｐｓｉｇまで上昇し得ることを示している。一部の顧客の適用においては、流れによる出口圧力のこの大きな変化は受け入れられない。

本明細書に開示のアセンブリ１００を用いることによって、より詳細には、図２を参照して前述したパイロット装置１０４を用いることによって、要求流量または入口圧力変動に関わらず、出口圧力を６０ｐｓｉｇに保つことができる。しかしながら、図２のレギュレータ１０２が、ベント式レギュレータの場合と、非ベント式レギュレータの場合との性能差がある。レギュレータ１０２が、ベント式レギュレータである場合、出口圧力の急上昇により、アセンブリからベントすることができ、様々なアセンブリコンポーネントにかかる背圧は低減される。しかし、レギュレータ１０２が、例えば、一定の環境要件を満たすために使用されることがある非ベント式レギュレータの場合、出口圧力の急上昇により、ベントできない背圧を生み、アセンブリコンポーネントにかかる一定の応力によって、装置の使用寿命が短くなる可能性がある。この１つの例を図４に示す。図４は、目標圧力を約９０ｐｓｉｇに設定した構成である。図４は、レギュレータ１０２のドーム１５２内の圧力と、レギュレータ１０２の出口１１６の圧力も示す。最後に、図４は、レギュレータ１０２を通る流れを示す。図４では、圧力はｐｓｉｇで示され、流量はリットルで表される。図４の左側に示すように、決定した流量で出口圧力９０ｐｓｉｇを維持するためには、ドーム１５２を１００ｐｓｉｇまで充填して、ドループの影響を補償する必要がある。レギュレータ１０２を通る流れが突然止まると、閉じ込められた非ベント式レギュレータでは、出口圧力が９５ｐｓｉｇまで上昇して、背圧を生む。これは、図４のグラフの垂直の線の間に示されている。

これらの条件下で、以前のパイロット装置は、出口圧力が所望の９０ｐｓｉｇになるまで、パイロット装置１０４の排気弁１３８を開けて、ドーム１５２をベントした。しかしながら、上記のように、非ベント式レギュレータを用いると、出口圧力は閉じ込められ、したがって、９０ｐｓｉｇまで降下しない。しかしながら、フィードバック圧力センサ１０６からの信号が、出口圧力が高すぎるとパイロット装置１０４に通知し続けるので、パイロット装置１０４はドーム１５２のベントを続ける。したがって、ドーム１５２内の圧力は、最終的には０ｐｓｉｇまでベントされる。これは、図４のグラフのほぼ垂直の長い線の間に示されている。ドーム圧力が０ｐｓｉｇまでベントされると、レギュレータ１０２は、ダイヤフラム１２６の両側で約９５ｐｓｉｇの力の不均衡を有することになる。これは、ダイヤフラムアセンブリ１２４に高い応力をかける大きい圧力差である。

引き続き図４を参照する。下流の需要が戻って、レギュレータ１０２を通る流れが再開すると、レギュレータ１０２の出口１１６の圧力は、最初、降下し、ドーム圧力は０ｐｓｉｇの状態で、出口１１６の圧力は下がり続ける。しかし、パイロット装置１０４が、フィードバック圧力コントローラ１０６を介して、出口圧力が９０ｐｓｉｇを下回ったことを感知すると、排気弁１３８を閉じて、吸気弁１３６を開きドーム１５２への充填を開始する。上記のように、パイロット装置１０４は、２５ミリ秒毎に出口圧力をチェックしてよく、かつ、出口圧力が上昇し始めるまで、ドーム１５２を完全に充填する。ドーム１５２内の圧力の前述の定期的なアクションは、ダイヤフラム１２６に大きな応力を加え、装置の寿命を大幅に短くする。さらに、完全にドームを充填することと相まって、最初のドループの割合が、出口圧力の変動を原因とする性能のさらなる低下をまねく。

これらの懸念を軽減するために、本開示のパイロット装置１０４は、レギュレータ１０
２の流れが、急に、及び／または、瞬時に止められた時、ドーム１５２内の圧力が使い果たされる量を、具体的に制限することを備えている。デフォルト設定で、本開示のパイロット装置１０４によって、目標圧力の所定のパーセンテージ未満にドーム１５２をベントできないようにする。このプロセスは、図５のように、グラフでおおまかに示すことができる。図５の左側に示すように、図４を参照して記載したのと同様、決定した流量で出口圧力９０ｐｓｉｇを維持するために、ドーム１５２は、１００ｐｓｉｇまで充填されて、ドループの影響を補償する必要がある。例えば、下流での需要が止まってレギュレータ１０２を通る流れが突然止まると、出口圧力は急上昇し、閉じ込められた、非ベント式レギュレータ１０２において、背圧を生む。これは、図５のグラフの真ん中の領域に示されている。

これらの条件下で、本開示のパイロット装置１０４は、吸気弁１３６を閉じたままにして、排気弁１３８を開いて、ドーム１５２から圧力のベントを開始する。閉じ込められた出口圧力は、非ベント式レギュレータ１０２では降下しないことが知られているので、パイロット装置１０４は、ドーム１５２内の圧力が所定の最小閾値圧力に達すると、ベントを止める。図５の例においては、所定の最小閾値圧力は、目標圧力の約９０％である。上記のように、図５の目標圧力は約９０ｐｓｉｇである。したがって、図５の所定の最小閾値圧力は、約８１ｐｓｉｇである。これは、図５においては、グラフの真ん中の領域のほぼ垂直の線の間の低い方の水平の線で示されている。他の適用においては、目標圧力は、一般的に、任意の所望の値であってよく、所定の最小閾値圧力は、一般的に、目標圧力より小さく、０より大きい任意の値であってよい。例えば、所定の最小閾値は、目標圧力の約５０％から約９５％の範囲内の値、目標圧力の約６０％から約９５％の範囲内の値、目標圧力の約７０％から約９５％の範囲内の値、目標圧力の約５０％から約９０％の範囲内の値、目標圧力の約６０％から約９０％の範囲内の値、目標圧力の約７０％から約９０％の範囲内の値、目標圧力の約５０％から約８５％の範囲内の値、目標圧力の約６０％から約８５％の範囲内の値、または、目標圧力の約７０％から約８５％の範囲内の値であってよい。これらの範囲及びパーセンテージは、単に一例として理解されるべきであり、任意の他のパーセンテージ及びパーセンテージ範囲は、所定の最小閾値圧力が、ゼロより大きく、目標圧力以下である限り、本開示の範囲内にあるものとする。

目標圧力に対する所定の最小閾値の実際の値に関わらず、例えば、図４を参照して前述したようなパイロット装置の従来の動作との重要な違いは、本開示のパイロット装置１０４は、突然、需要が止まった時に、ダイヤフラム１２６の両側の力の不均衡を最小限にするように、ドーム１５２内の圧力の減少を制限することである。図５において、力または圧力の差は、ほぼ垂直の線の間の真ん中の領域にドーム圧力と出口圧力のオフセットによって示され、図のように、約１４ｐｓｉｇ（すなわち、出口圧力９５ｐｓｉｇとドーム圧力８１ｐｓｉｇとの差)を決して超えない。これは、前述の動作条件の下で、ダイヤフラム１２６にかかる力と応力の不均衡の量を有利に低減し、ダイヤフラム１２６とダイヤフラムアセンブリ１２４の全体の使用寿命を延ばす。さらに、図５に示すように、この制御によって、また、需要が戻って、流れが再開したときに、反応時間を速くすることができ、任意の所与の動作時における出口圧力と目標圧力との間の全体としての分散を低減する。具体的には、図４と図５を比較すると、左から２番目のほぼ垂直の線によって示される流れが戻った時、安定した流れの状態に戻るまで、図５のドーム圧力は、図４のドーム圧力ほど高く上昇せず、上昇時間も長くない、また、図５の出口圧力は、図４の出口圧力ほど低く降下せず、降下時間も長くもないことが、分かる。図４に示す従来のプロセスを用いたときの反応時間の遅れは、１つには、ドームが０ｐｓｉｇに枯渇して、空になってしまったことによる。したがって、充填ガスでドームを満たすのに追加の時間がかかる。対照的に、図５に示すプロセスを用いると、ドームは、決して空にならず、したがって、通常の動作圧力に戻すまでの時間が短くなる。本開示の主題によって提供される応答時間が速くなることによって、正確性が増し、レギュレータの性能が向上する。

圧力とレギュレータ１０２を通る流れの変動を示すグラフを参照して本開示の概念を記載してきたが、本開示は、アセンブリ１００を操作して上記の結果を達成するための実際のシステム及び方法も含む。例えば、図６を参照すると、パイロット装置１０４とフィードバック圧力センサ１０６の電気的に接続されたハードウェアコンポーネントの１つのバージョンが、略ブロック図の形で示されている。すなわち、前述したことと矛盾なく、パイロット装置１０４は、オンボードコントローラ１５４、吸気弁１３６、排気弁１３８、及び、充填圧力センサ１４０を備える。フィードバック圧力センサ１０６は、圧力信号をパイロット装置１０４に送信できるように、オンボードコントローラ１５４に通信可能に接続される。

パイロット装置１０４の１つのバージョンにおいては、オンボードコントローラ１５４は、メモリ２００、プロセッサ２０２、及び、メモリ２００に記憶されたロジック２０４を含むことができる。メモリ２００に記憶されたロジック２０４は、様々なルーチン及びサブルーチンを行って、例えば、図５を参照して記載した機能、及び、他の機能性を実施するためにプロセッサ２０２によって実行可能である。図７を参照して、パイロット装置１０４は、レギュレータを制御するプロセスまたは方法を行うとして記載することができる。

方法は、パイロット装置１０４のオンボードコントローラ１５４が、フィードバック圧力センサ１０６からフィードバック制御信号を受信すること（ブロック３００）を含み得る。フィードバック制御信号は、レギュレータ１０２の出口１１６で検出された圧力を示す。次に、オンボードコントローラ１５４は、各フィードバック制御信号を、メモリ２００に記憶可能な目標制御値と比較して（ブロック３０２)、レギュレータ１０２の出口１１６での圧力が、これもメモリ２００に記憶可能な目標圧力より大きいか否かを判定する。フィードバック制御信号が目標制御値より大きく、出口圧力が目標圧力より大いと判定された場合、オンボードコントローラ１５４は、パイロット装置１０４の排気弁１３８を開けて(ブロック３０４)、パイロット装置１０４の充填ガスがレギュレータ１０２のダイヤフラム１２６の上面１３２から離れて排気されるのを可能にする。排気弁を開いた後、オンボードコントローラ１５４は、パイロット装置１０４の充填圧力センサ１４０から充填制御信号を受信する(ブロック３０６)。充填制御信号は、パイロット装置１０４内、及び、ダイヤフラム１２６の上面１３２への圧力を表す。オンボードコントローラ１５４は、次に、充填制御信号を、目標制御値より小さい所定の最小閾値と比較する(ブロック３０８)。充填制御信号が所定の最小閾値以下の場合、オンボードコントローラ１５４は、排気弁１３８を閉めて（ブロック３１０）、通常の成り行きで、フィードバック圧力センサ１０６からの読み取り値の取得に戻る。ダイヤフラム１２６の上面１３２（すなわち、ドーム１５２内）への充填圧力が所定の閾値まで降下した時、図４を参照して前述した大きな圧力差をダイヤフラム１２６が経験するのを保護するのが、この排気弁１３８の閉鎖である。すなわち、ドーム圧力がゼロに降下する前に排気弁１３８を閉め、ダイヤフラム１２６の両側の力の不均衡を最小限にして、レギュレータ１０２の使用寿命と保守時期を延ばす。

再度、図７のブロック３０８を参照する。排気弁１３８が開いた状態で、充填圧力（すなわち、ドーム圧力）が、所定の最小閾値圧力以下に降下しなかった場合、オンボードコントローラ１５４は、何もせずに、ブロック３０６に戻って、充填圧力センサ１４０からの次の信号を受信する。さらに、図７のブロック３０２を参照する。出口圧力が目標圧力より上に上昇しない場合、本開示の焦点となっている問題は回避される。すなわち、出口圧力が、目標圧力より大きくないと判定される場合、オンボードコントローラ１５４は、出口圧力が目標圧力より小さいか否かを判定する（ブロック３１２)。小さい場合、オンボードコントローラ１５４は、パイロット装置１０４の吸気弁１３６を開いて（ブロック
３１４）、供給ガスの流入を増やすことを可能にし、ダイヤフラム１２６の上面にかかる圧力を上昇させる、その結果、レギュレータ１０２を通る流量は増加し、出口圧力は上昇する。この時点で、プロセスはブロック３００に戻り、オンボードコントローラ１５４は、フィードバック圧力センサ１０６からの信号受信を開始して、リアルタイムで訂正を行う。同様に、ブロック３１２で、オンボードコントローラ１５４が、出口圧力は目標圧力より小さくないと判定すると、これは、出口圧力が目標圧力に等しいことを意味するので、プロセスは、ブロック３００に戻る。

開示のアセンブリ１００の動作に関する上の記載は、レギュレータ１０２の出口１１６の目標圧力、ダイヤフラム１２６の上面１３２に作用するドーム１５２の内側の充填圧力の所定の最小閾値圧力または値を含む、様々なパラメータに依存している。これらのパラメータの値は、例えば、工場で、オンボードコントローラ１５４に対して予め設定されてもよく、または、設置時に、設置を行う技術者によって設定されてもよく、動作中に操作者によって設定されてもよい。例えば、設置または動作中、技術者または操作者は、例えば、図２に示すようなパーソナルコンピュータ装置１０８、タブレット、または、他のハンドヘルドコンピュータ装置を、通信インタフェース１０９を介してパイロット装置１０４に接続してよい。１つのバージョンにおいては、通信インタフェースは、ＵＳＢポートを含むことができ、接続は、例えば、ＵＳＢケーブルを用いて行うことができる。無線接続、ネットワーク接続、ＬＡＮ接続、インターネット接続、イントラネット接続などの他の接続も当然、ここに含むことを意図している。具体的な接続に関わらず、パーソナルコンピュータ装置１０８は、技術者または操作者が入力を行うことができ、その入力がプログラミングのためにパイロット装置１０４に送られるように構成することができる。入力は、目標圧力の値、所定の最小閾値圧力の値、目標圧力に基づいて例えば所定の最小閾値圧力を計算するためのパーセンテージ、または、これらの、及び／もしくは、任意の他の変数もしくは動作パラメータの任意の組み合わせ、を含んでよい。したがって、フィードバック圧力センサ１０６及び充填圧力センサ１４０が圧力測定を行う頻度を含む、異なる動作パラメータの値を、任意の所与の適用または動作環境に対して、望ましいように、有利にカスタマイズすることができることは、理解されたい。

以上の記載に基づいて、本明細書に記載の装置及び方法は、金属ダイヤフラム感知非ベント式レギュレータを含む、ダイヤフラム感知非ベント式レギュレータを用いた適用に非常に有利なレギュレータダイヤフラムの保護機能を提供することを、理解されたい。具体的には、開示の装置及び方法は、下流の需要が突然停止した時、ダイヤフラムの両側の圧力の不均衡の大きさを低減し、さらに、そのような停止後に下流の需要が戻った時、開始応答時間を向上させる。これらは、使用寿命を有利に延ばし、保守頻度を減らし、動作性能と正確さを向上させる。

Claims (23)

1. レギュレータと、パイロット装置と、フィードバック圧力センサと、を備える流量制御装置であって、
   前記レギュレータは、入口と、出口と、制御要素と、ダイヤフラムアセンブリと、を備え、前記ダイヤフラムアセンブリは、前記制御要素に動作可能に接続されたダイヤフラムであって、前記ダイヤフラムを横断する圧力変化に応答して、前記制御要素を動かして、前記入口から前記出口への流体の流れを制御するダイヤフラムを有し、
   前記パイロット装置は、前記ダイヤフラムの上面に充填するために前記流体レギュレータに接続され、前記パイロット装置は、充填ガスの供給を受けるように適合され、かつ、吸気弁を有する吸気ポートと、排気弁を有する排気ポートと、前記レギュレータの前記ダイヤフラムの前記上面と流体連通する出口ポートと、前記吸気弁と前記出口弁との間に配置され、前記出口ポートと前記ダイヤフラムの前記上面と流体連通する充填圧力センサと、前記吸気弁、前記出口弁、及び、前記充填圧力センサに通信可能に接続されたオンボードコントローラと、を備え、前記吸気弁は、充填ガスの供給を前記出口ポートと前記ダイヤフラムの前記上面とに運ぶために前記吸気ポートを開く開放位置と、前記吸気ポートを閉じる閉鎖位置との間で動作可能であり、前記排気弁は、前記排気ポートを開いて前記ダイヤフラムの前記上面から離れてガスを排気する開放位置と、前記排気ポートを閉じる閉鎖位置との間で動作可能であり、
   前記フィードバック圧力センサは、前記レギュレータの前記出口と前記パイロット装置の前記オンボードコントローラとの間に接続され、前記フィードバック圧力センサは、前記レギュレータの前記出口で圧力を定期的に感知して、フィードバック制御信号を前記パイロットコントローラに送るように適合され、前記フィードバック制御信号は、前記検出された圧力の大きさを表し、
   前記オンボードコントローラは、メモリ、プロセッサ、及び、前記メモリに記憶されたロジックを備え、前記コントローラの前記メモリに記憶された前記ロジックは、
   前記フィードバック制御信号を前記フィードバック圧力センサから受信し、
   各フィードバック制御信号を目標制御値と比較して、前記レギュレータの前記出口の前記圧力が目標圧力より大きいか否かを判定し、
   フィードバック制御信号が前記目標制御値より大きいと判定された時、前記パイロット装置の充填ガスを前記レギュレータの前記ダイヤフラムの前記上面から離れて排気することができるように前記パイロット装置の前記排気弁を開け、
   前記排気弁を開けた後、前記ダイヤフラムの前記上面への圧力を示す充填制御信号を、前記パイロット装置の前記充填圧力センサから受信し、
   前記充填制御信号を前記目標制御値より小さい所定の最小閾値と比較し、
   前記充填制御信号が、前記所定の最小閾値以下の場合、前記排気弁を閉じる
   ために、前記プロセッサによって実行可能である、
   流量制御装置。
2. 前記コントローラの前記メモリに記憶された前記ロジックは、フィードバック制御信号が目標制御値より大きいと判定された場合、前記パイロット装置の前記吸気弁を閉じるために、前記プロセッサによってさらに実行可能である、請求項１に記載の装置。
3. 前記所定の最小閾値は、前記目標制御値の約５０％〜約９５％の範囲内の値、前記目標制御値の約６０％〜約９５％の範囲内の値、前記目標制御値の約７０％〜約９５％の範囲内の値、前記目標制御値の約５０％〜約９０％の範囲内の値、前記目標制御値の約６０％〜約９０％の範囲内の値、前記目標制御値の約７０％〜約９０％の範囲内の値、前記目標制御値の約５０％〜約８５％の範囲内の値、前記目標制御値の約６０％〜約８５％の範囲内の値、または、前記目標制御値の約７０％〜約８５％の範囲内の値、を含む、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記所定の最小閾値は、前記目標制御値の約９０％である値を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記コントローラの前記メモリに記憶された前記ロジックは、フィードバック制御信号が前記目標制御値より小さい場合、充填ガスの供給が前記吸気ポートを通り、前記レギュレータの前記ダイヤフラムの前記上面にかかる前記圧力を上昇させるように、前記パイロット装置の前記吸気弁を開くために、前記プロセッサによってさらに実行可能である、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記パイロット装置は、補助装置との通信を促進するように適合された通信インタフェースをさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記通信インタフェースは、前記オンボードコントローラと、パーソナルコンピュータ、タブレット、または、ハンドヘルドコンピュータ装置と、の間の通信を促進するＵＳＢケーブルを受け入れるＵＳＢポートを備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 流体レギュレータとフィードバック圧力センサとを備える流体レギュレータアセンブリと共に用いるパイロット装置であって、前記流体レギュレータは、入口と、出口と、制御要素と、ダイヤフラムアセンブリと、を備え、前記ダイヤフラムアセンブリは、前記制御要素に動作可能に接続されたダイヤフラムであって、当該ダイヤフラムを渡たる圧力変化に応答して、前記制御要素を動かして、前記入口から前記出口への流体の流れを制御するダイヤフラムを有し、前記フィードバック圧力センサは、前記流体レギュレータの前記出口に接続されて、出口圧力を定期的に感知し、前記パイロット装置は、
   充填ガスの供給を受けるように適合され、かつ、吸気弁を有する吸気ポートと、
   排気弁を有する排気ポートと、
   レギュレータのダイヤフラムの上面と流体連通するように配置されるように適合された出口ポートと、
   前記吸気弁と前記出口弁との間に配置され、前記出口ポートと流体連通する充填圧力センサと、
   前記吸気弁、前記出口弁、及び、前記充填圧力センサに通信可能に接続されたオンボードコントローラと、を備え、前記吸気弁は、前記出口ポートと前記ダイヤフラムの前記上面とに充填ガスを供給するために前記吸気ポートを開く開放位置と、前記吸気ポートを閉じる閉鎖位置との間で動作可能であり、前記排気弁は、前記排気ポートを開いて、前記ダイヤフラムの前記上面から離れてガスを排気する開放位置と、前記排気ポートを閉じる閉鎖位置との間で動作可能であり、
   前記オンボードコントローラは、メモリ、プロセッサ、及び、前記メモリに記憶されたロジックを備え、前記コントローラの前記メモリに記憶された前記ロジックは、
   フィードバック制御信号をフィードバック圧力センサから受信し、
   各フィードバック制御信号を目標制御値と比較して、前記レギュレータの前記出口の前記圧力が目標圧力より大きいか否かを判定し、
   フィードバック制御信号が前記目標制御値より大きいと判定された場合、前記パイロット装置の充填ガスを前記レギュレータの前記ダイヤフラムの前記上面から離れて排気できるように、前記パイロット装置の前記排気弁を開き、
   前記排気弁を開いた後、前記ダイヤフラムの前記上面への圧力を示す充填制御信号を前記パイロット装置の前記充填圧力センサから受信し、
   前記充填制御信号を前記目標制御値より小さい所定の最小閾値と比較し、
   前記充填制御信号が前記所定の最小閾値以下の場合、前記排気弁を閉じる
   ために、前記プロセッサによって実行可能である、
   前記流体レギュレータアセンブリと共に用いるパイロット装置。
9. 前記コントローラの前記メモリに記憶された前記ロジックは、フィードバック制御信号が前記目標制御値より大きいと判定された場合、前記パイロット装置の前記吸気弁を閉じるために、前記プロセッサによってさらに実行可能である、請求項８に記載の装置。
10. 前記所定の最小閾値は、前記目標制御値の約５０％〜約９５％の範囲内の値、前記目標制御値の約６０％〜約９５％の範囲内の値、前記目標制御値の約７０％〜約９５％の範囲内の値、前記目標制御値の約５０％〜約９０％の範囲内の値、前記目標制御値の約６０％〜約９０％の範囲内の値、前記目標制御値の約７０％〜約９０％の範囲内の値、前記目標制御値の約５０％〜約８５％の範囲内の値、前記目標制御値の約６０％〜約８５％の範囲内の値、または、前記目標制御値の約７０％〜約８５％の範囲内の値を含む、請求項８または９に記載の装置。
11. 前記所定の最小閾値は、前記目標制御値の約９０％である値を含む、請求項８から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記コントローラの前記メモリに記憶された前記ロジックは、フィードバック制御信号が前記目標制御値より小さいと判定された場合、充填ガスの供給が前記吸気ポートを通り、前記レギュレータの前記ダイヤフラムの前記上面にかかる前記圧力を上昇させることができるように、前記パイロット装置の前記吸気弁を開くために、前記プロセッサによってさらに実行可能な、請求項８から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記パイロット装置は、補助装置との通信を促進するように適合された通信インタフェースをさらに備える、請求項８から１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記通信インタフェースは、前記オンボードコントローラと、パーソナルコンピュータ、タブレット、または、ハンドヘルドコンピュータ装置との間の通信を促進するＵＳＢケーブルを受け入れるように適合されたＵＳＢポートを備える、請求項８から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 吸気弁を有する吸気ポートと、排気弁を有する排気ポートと、レギュレータに接続された出口ポートと、前記出口ポートで圧力を検出する充填圧力センサと、を有するパイロット装置を備えたレギュレータを制御する方法であって、
    前記レギュレータの出口の出口圧力をフィードバック圧力センサを用いて定期的に検出することと、
    各検出された出口圧力を目標制御圧力と比較することと、
    検出された出口圧力が目標制御圧力より大きいと判定された場合、前記パイロット装置の充填ガスであって、前記レギュレータのダイヤフラムの上面に加えられる充填ガスを前記排気弁を通して排気して前記ダイヤフラムへの荷重を減らすように、前記パイロット装置の排気弁を開くことと、
    前記排気弁を開いた後、前記パイロット弁の前記出口ポート内の充填圧力を、前記充填圧力センサを用いて感知することと、
    前記充填圧力を所定の最小閾値圧力と比較することと、
    前記充填圧力が前記所定の最小閾値以下であると判定された場合、前記排気弁を閉じることと、
    を含む方法。
16. 前記検出された出口圧力が前記目標制御圧力よりも大きいと判定された場合、前記吸気弁を閉じることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. フィードバック制御圧力が前記目標制御圧力よりも小さいと判定された場合、充填ガスの供給が前記吸気ポートを通って、前記出口ポート内の前記圧力を上昇させることができるように、前記パイロット装置の前記吸気弁を開くことをさらに含む、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記目標圧力を示す入力信号を受信することをさらに含む、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記入力信号に基づいて、前記所定の最小閾値を設定することをさらに含む、請求項１５から１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記所定の最小閾値を設定することは、前記所定の最小閾値を前記目標圧力のパーセンテージとして設定することを含み、前記パーセンテージは、約６０％〜約９５％、約７０％〜約９５％、約５０％〜約９０％、約６０％〜約９０％、約７０％〜約９０％、約５０％〜約８５％、約６０％〜約８５％、または、約７０％〜約８５％の範囲内である、請求項１５から１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記所定の最小閾値を設定することは、前記所定の最小閾値を前記目標圧力の約９０％に設定することを含む、請求項１５から２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記所定の最小閾値を示す入力信号を受信することをさらに含む、請求項１５から２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記入力信号に基づいて前記所定の最小閾値を設定することをさらに含む、請求項１５から２２のいずれか１項に記載の方法。

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