JP2023131472A - ポジショナ - Google Patents
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Abstract
【課題】ポジショナ本体の姿勢を変えることなく制御対象のバルブの動作形式に対応する。【解決手段】ポジショナは、ハウジング13に装着されたシャフトホルダ14と、ハウジング13の内部に設けられ、シャフトホルダ14によって回転自在に軸支されたシャフト9の回転角度を測定する角度センサ100aと、ハウジング13の外部に設けられ、バルブステムの動きに連動してシャフト9を回転させるフィードバックレバー18とを備える。ハウジング13には、軸方向が異なる複数の開口部である複数のポート15-1,15-2が形成されている。シャフトホルダ14は、複数のポート15-1,15-2のうちいずれか1つに装着される。【選択図】 図6
Description
本発明は、バルブ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、化学プラント等においては、その流量プロセスに用いられるバルブに対してポジショナを設け、ポジショナによってバルブの開度を制御するようにしている。例えば図8に示すコントロールバルブ110は、バルブ本体101と、ポジショナ102と、操作器103とを備えている。操作器103は、ポジショナ102から供給される出力空気圧に応じてバルブステム(弁棒)104を上下動させて、バルブの開度を調節する。
ポジショナ102は、上位装置から送られてくる設定開度とバルブからフィードバックされてくる実開度との偏差を求め、この偏差に応じた電気信号を制御信号として生成する制御演算部と、制御演算部が生成した制御信号を空気圧信号に変換する電空変換部と、電空変換部からの空気圧信号を増幅し出力空気圧として操作器103に供給する空気圧信号増幅部(パイロットリレー)とを備えている(特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)。
ポジショナ102では、バルブの実開度をバルブステム104の上下動の変位量として検出する変位検出部として角度センサ100が用いられている。角度センサ100は、フィードバックレバー106を介してバルブステム104の変位量に応じて回転する回転体を有している。この角度センサ100の回転体の回転角度に応じた電気信号がバルブの実開度を示す信号として制御演算部にフィードバックされる。
図9は角度センサ100の構成を示す図である。角度センサ100は、回転体2に取り付けられた磁石3,4による磁界の回転角度を測定する。角度測定には、磁気抵抗効果素子やホール素子などを用いたセンサ回路1が使用される。図9の5は磁石3,4による磁界の向きを示し、6はセンサ回路1の測定面を示している。一般的には、図9に示すようにセンサ回路1の測定面と磁界の回転面とが平行となるように設置される。
バルブは、直動式弁と回転弁に大別できる。図8に示したコントロールバルブ110は直動式弁である。直動式弁の場合、ポジショナの角度センサは、バルブステムの変位量に応じて回転する回転体の鉛直面上での回転角度を測定する。回転弁の場合、ポジショナの角度センサは、水平面上でのバルブステムの回転角度を測定する。
例えばアズビル株式会社製のポジショナAVP300は、鉛直面上での回転角度を測定をする前提の構造となっている。このため、水平面上での回転角度測定のためにはポジショナ全体を横転させる必要があった。しかしながら、ポジショナを横転させると、ポジショナの表示器の向きも変わってしまうため、表示器の向きのみを元の向きに戻せるような工夫が必要となり、ポジショナの構造が複雑化するという課題があった。また、ポジショナを横転させると、内部の空気回路や圧力ゲージの部品にかかる重力の向きが変わるため、これら空気回路や圧力ゲージに特性が変化し、再調整が必要になる場合があった。
また、ポジショナを横転させることなく、水平面上での回転角度を測定するために角度センサの向きを変更する方法が考えられる。しかしながら、角度センサはポジショナ内部に固定されているため、ポジショナのカバーを開けて角度センサの向きを変える作業をする必要があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ポジショナ本体の姿勢を変えることなく制御対象のバルブの動作形式に容易に対応することが可能なポジショナを提供することを目的とする。
本発明のポジショナは、ポジショナのハウジングに装着されたシャフトホルダと、前記ハウジングの内部に設けられ、前記シャフトホルダによって回転自在に軸支されたシャフトの回転角度を測定するように構成された角度センサと、前記ハウジングの外部に設けられ、バルブステムの動きに連動して前記シャフトを回転させるように構成されたフィードバック機構とを備え、前記ハウジングは、軸方向が異なる複数の開口部である複数のポートが形成され、前記シャフトホルダは、前記複数のポートのうちいずれか1つに装着されることを特徴とするものである。
また、本発明のポジショナの1構成例は、前記複数のポートとして、第1のポートと、前記第1のポートと軸方向が直交する第2のポートの2つが前記ハウジングに形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明のポジショナの1構成例は、前記複数のポートのうち前記シャフトホルダが装着されていないポートを閉鎖するように装着された防爆キャップをさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明のポジショナの1構成例は、前記複数のポートのうち前記シャフトホルダが装着されていないポートを閉鎖するように装着された防爆キャップをさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明のポジショナの1構成例において、前記角度センサは、磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、前記ハウジングの内部の前記シャフトの先端に固定され、発生する磁界が前記シャフトの回転軸を中心として前記シャフトと連動して回転するように構成された磁界発生部と、前記センサ回路の出力電圧を検出するように構成された電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出された電圧に基づいて前記磁界の回転角度を算出するように構成された回転角度算出部とを備え、前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面に対する前記磁界の回転面の傾斜角度が45°の整数倍となるように、前記センサ回路が配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のポジショナの1構成例は、前記回転角度によらず前記磁界が前記センサ回路の磁気抵抗効果素子に対して飽和している状態であることを特徴とするものである。
また、本発明のポジショナの1構成例は、前記回転角度によらず前記磁界が前記センサ回路の磁気抵抗効果素子に対して飽和している状態であることを特徴とするものである。
本発明によれば、ポジショナのハウジングに、軸方向が異なる複数のポートを形成しておくことにより、制御対象のバルブの動作形式に応じてシャフト(フィードバック機構)の回転軸の方向を変更することが容易になるので、シャフトホルダとフィードバック機構の取り付けを変更するだけで、ポジショナ本体の姿勢を変えることなく、制御対象のバルブの動作形式に容易に対応することができる。
[従来例]
まず、本発明の実施例について説明する前に、従来の角度センサについて詳細に説明する。磁界によって電気抵抗が変化する異方性磁気抵抗効果(AMR:Anisotropic Magneto Resistive effect)素子で構成されたセンサ回路であるブリッジ回路1aを図1に示す。ブリッジ回路1aは、第1のAMR素子10-1と第2のAMR素子10-2とを直列に接続した第1の直列回路10-5と、第3のAMR素子10-3と第4のAMR素子10-4とを直列に接続した第2の直列回路10-6とを並列に接続したものである。
まず、本発明の実施例について説明する前に、従来の角度センサについて詳細に説明する。磁界によって電気抵抗が変化する異方性磁気抵抗効果(AMR:Anisotropic Magneto Resistive effect)素子で構成されたセンサ回路であるブリッジ回路1aを図1に示す。ブリッジ回路1aは、第1のAMR素子10-1と第2のAMR素子10-2とを直列に接続した第1の直列回路10-5と、第3のAMR素子10-3と第4のAMR素子10-4とを直列に接続した第2の直列回路10-6とを並列に接続したものである。
図1の両向き矢印で示すように、向かい合うAMR素子10-1と10-4の感磁方向(抵抗値が最小になる磁界の方向)が同一であり、向かい合うAMR素子10-2と10-3の感磁方向が同一である。また、隣り合うAMR素子の感磁方向は直交する。
角度センサの磁石による磁界の回転面と、4つのAMR素子10-1~10-4の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面(AMR素子10-1~10-4の感磁方向と平行な面であり、図1の紙面と平行な面)とが平行な場合、図示しない電源からブリッジ回路1aに一定の電流Iを流すと、中点電位差(第1の直列回路10-5の中点と第2の直列回路10-6の中点との電位差)V(θ)は、磁界の回転角度θによって式(1)のようになる。
式(1)から中点電位差V(θ)は、振幅がV0で、磁界が1回転する間に2周期となる周期関数となる。磁界の回転角度θは、中点電位差V(θ)から式(2)のように求まる。
半周期を超えると、中点電位差V(θ)に対し回転角度θが一意に決まらなくなるため、従来の角度センサの角度測定範囲は90度以内となる。
[実施例]
図2(A)は本発明の実施例に係るポジショナの構造を示す断面模式図、図2(B)は図2(A)のポジショナを矢印Bの方向から見た模式図である。ただし、図2(B)では、構造を見易くするために回転体2の内部を透視して記載している。
図2(A)は本発明の実施例に係るポジショナの構造を示す断面模式図、図2(B)は図2(A)のポジショナを矢印Bの方向から見た模式図である。ただし、図2(B)では、構造を見易くするために回転体2の内部を透視して記載している。
本実施例では、図示しないフィードバックレバーの一端が角度センサ100aのシャフト9に固定されている。磁石3,4(磁界発生部)は、シャフト9の先端に固定された回転体2に取り付けられ、シャフト9と回転体2の回転に伴って回転軸Aを中心として回転する。角度センサ100aのブリッジ回路1a(センサ回路)は、センサホルダ11に固定されている。
そして、本実施例では、AMR素子10-1~10-4の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面6aに対する磁界の回転面7の傾斜角度αが45°の整数倍となるように、ブリッジ回路1a(センサ回路)と回転体2と磁石3,4とシャフト9とセンサホルダ11とを配置する。回転軸Aの延長線は、図1に示す菱形(正方形)のブリッジ回路1aの中心を通る。
図2(A)の12はポジショナの表示部を示している。図2(A)、図2(B)の例では、回転軸Aが水平方向、すなわち直動式弁に使用されるポジショナのようにフィードバックレバーの回転軸が水平方向であり、角度センサ100aはシャフト9および回転体2の鉛直面上での回転角度を測定する。
回転軸Aが鉛直方向、すなわち回転弁に使用されるポジショナのようにフィードバックレバーの回転軸が鉛直方向の場合の本実施例のポジショナの断面模式図を図3(A)に示し、図3(A)のポジショナを矢印Bの方向から見た模式図を図3(B)に示す。図3(A)、図3(B)の例では、角度センサ100aはシャフト9および回転体2の水平面上での回転角度を測定する。
図2(A)、図3(A)によれば、回転軸Aが水平方向、鉛直方向のいずれの場合でも、表示部12の向きが同じであることが分かる。このように、本実施例では、回転軸Aの方向を容易に90°変更できることを特徴とする。
ここで、本実施例のようにセンサ面6aと磁界の回転面7とが平行でない場合の磁界の回転角度の求め方について説明する。AMR素子10-1~10-4の出力は、磁気飽和状態では磁石3,4との距離によらず不変で、磁界の角度のみに依存する。したがって、図2(A)、図2(B)、図3(A)、図3(B)のようにセンサ面6aに対して磁界の回転面7が傾く場合、測定範囲中で磁石3,4が最もAMR素子10-1~10-4から離れる位置でもAMR素子10-1~10-4が磁気飽和状態となるだけの磁界強度を保っていれば、磁石3,4の回転軌道による距離の変化を考慮しなくて良い。
回転体2の回転に伴って磁石3,4は、磁界の回転面7の面内において真円の軌道を描く。ここで、磁界の回転角度をφ、磁界の回転面7とセンサ面6aとのなす角をα、センサ面6a上での磁界の回転角度をθとすると、上述のとおり磁石3,4との距離を考慮する必要が無いため、磁石3,4の回転を真円ではなく楕円軌道として考えることができる。具体的には、磁石3,4の軌道は、磁石3,4の回転半径をRとすると、短径R、長径R/cosαとなる図4の楕円8の軌道として考えることができる。
、ブリッジ回路1aと回転体2と磁石3,4とシャフト9とセンサホルダ11とは、ブリッジ回路1aの中点電位差V(θ)がゼロとなる方向(基準位置)が、磁界の回転面7(図4の軌道8の面)とセンサ面6aとの交線(図4のL)と一致するように配置される。図1、図4では基準位置をθ0で示している。図1の例では、基準位置θ0は、AMR素子10-2,10-3の感磁方向と平行で、AMR素子10-1,10-4の感磁方向と直交する方向である。
図4より、式(3)~式(6)が得られる。
cosφ=cosθ ・・・(3)
sinφ=sinθ/cosα ・・・(4)
tanφ=sinφ/cosφ=(sinθ/cosα)/cosθ
=tanθ/cosα ・・・(5)
φ=tan-1(tanθ/cosα) ・・・(6)
cosφ=cosθ ・・・(3)
sinφ=sinθ/cosα ・・・(4)
tanφ=sinφ/cosφ=(sinθ/cosα)/cosθ
=tanθ/cosα ・・・(5)
φ=tan-1(tanθ/cosα) ・・・(6)
ここで、式(7)より、式(8)が得られる。
また、sin2θ=V(θ)/V0なので、式(9)が得られる。
したがって、ブリッジ回路1aの出力から磁界の回転角度φを求めることができる。ここでα=-45°またはα=45°なので、cos(45°)=cos(-45°)=1/√2であり、回転軸Aの方向の変更によって磁界の回転角度φとセンサ出力V(θ)/V0との関係は変化しない。
ただし、例えばα=-45°とα=135°の場合、磁界の回転方向が反転するので注意が必要である。例えば図5の例のように、α=135°(シャフト9がブリッジ回路1aの上側にある状態)のときの磁界の回転面7を上方から見たときの磁界の回転方向が半時計回りだとすると、α=-45°(シャフト9がブリッジ回路1aの下側にある状態)のときの磁界の回転面7を同じく上方から見たときの磁界の回転方向は時計回りである。
図5の例で言えば、α=(2n-1/4)πはシャフト9がブリッジ回路1aの下側にある状態、α=(2n+1/4)πはシャフト9がブリッジ回路1aの右側にある状態、α=(2n+1+1/4)πはシャフト9がブリッジ回路1aの左側にある状態、α=(2n+1-1/4)πはシャフト9がブリッジ回路1aの上側にある状態である。
図2(B)、図3(B)に示す角度センサ100aの電源23は、ブリッジ回路1aに一定の電流Iを供給する。角度センサ100aの電圧検出部21は、ブリッジ回路1aの中点電位差V(θ)を検出する。
角度センサ100aの回転角度算出部22は、電圧検出部21によって検出された中点電位差V(θ)に基づいて、センサ面6a上での磁界の回転角度θを算出し、回転角度θと既知の角度αとに基づいて、式(8)により磁界の回転角度φ(回転体2およびシャフト9の回転角度)を算出する。この際、回転角度算出部22は、予め登録されている、中点電位差V(θ)と磁界の回転角度θとの関係を示す近似関数を用いて、中点電位差V(θ)から磁界の回転角度θを算出すればよい。
角度センサ100aをポジショナに使用する場合、回転角度算出部22は、磁界の回転角度φに応じた信号を、バルブの実開度を示す信号としてポジショナの制御演算部に渡すようにすればよい。
次に、フィードバックレバーの回転軸Aの方向を変更可能な本実施例のポジショナの構造について説明する。図6(A)、図6(B)は本実施例の角度センサ100aを配置したポジショナの要部断面図であり、図6(A)は回転軸Aが水平方向の場合を示し、図6(B)は回転軸Aが鉛直方向の場合を示している。
上記のとおり、角度センサ100aのブリッジ回路1aは、センサホルダ11に固定されている。センサホルダ11は、ベース17を介してポジショナのハウジング13に固定される。センサホルダ11とベース17には、ブリッジ回路1aと電源23または電圧検出部21との間を接続するための配線(不図示)が設けられている。
また、ポジショナのハウジング13には、シャフト9を回転自在に軸支するシャフトホルダ14を装着するための開口部であるポート15-1,15-2が少なくとも2つ設けられている。図6(A)、図6(B)の例では、ポート15-1は回転軸Aを水平方向にする場合の開口部、ポート15-2は回転軸Aを鉛直方向にする場合の開口部である。シャフトホルダ14は、ポート15-1またはポート15-2に装着され、ねじ留めされる。
ポート15-1とポート15-2は、互いの中心軸C1,C2が直交するようにハウジング13に形成されている。これら中心軸C1,C2の交点に、ブリッジ回路1aの中心が位置するようにブリッジ回路1aが配置される。
図6(A)のように、ポート15-1にシャフトホルダ14を装着したとき、ポート15-1の中心軸C1とシャフト9の回転軸Aとが一致し、回転軸Aの延長線がブリッジ回路1aの中心を通る。シャフトホルダ14を装着しないポート15-2には、防爆キャップ16が装着され閉鎖される。
一方、図6(B)のように、ポート15-2にシャフトホルダ14を装着したとき、ポート15-2の中心軸C2とシャフト9の回転軸Aとが一致し、回転軸Aの延長線がブリッジ回路1aの中心を通る。シャフトホルダ14を装着しないポート15-1には、防爆キャップ16が装着され閉鎖される。
シャフト9の先端には回転体2が固定され、回転体2には磁石3,4が取り付けられている。一方、回転体2と反対側のシャフト9の端にはフィードバックレバー18(フィードバック機構)が取り付けられる。
ポジショナの制御対象のバルブが直動式弁の場合、バルブステムの上下動は回転軸Aを中心とするフィードバックレバー18の回転運動に変換されて、シャフトホルダ14によって軸支されたシャフト9の回転に伴って回転体2がシャフトホルダ14内で回転し、磁石3,4がブリッジ回路1aの周囲を回転する。ポジショナの制御対象のバルブが回転弁の場合には、バルブステムの回転運動は回転軸Aを中心とするフィードバックレバー18の回転運動に変換される。
以上のように、本実施例では、フィードバックレバー18の回転軸Aの方向を、ブリッジ回路1aのセンサ面6aの法線と平行な面(図6(A)、図6(B)の紙面)上で90°変更することが容易になるので、シャフトホルダ14とフィードバックレバー18の取り付けを変更するだけで、ポジショナ本体の取付姿勢を変えることなく、1つの角度センサ100aによって磁界の回転角度φ(シャフト9とフィードバックレバー18の回転角度)を測定することができる。本実施例では、ポジショナの表示器やブリッジ回路1aの向きを変える必要がなく、またポジショナを横転させる必要がないので、ポジショナの再調整も不要となる。
本実施例で説明した回転角度算出部22は、CPU(Central Processing Unit)、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図7に示す。コンピュータは、CPU200と、記憶装置201と、インタフェース装置(I/F)202とを備えている。I/F202には、電圧検出部21のハードウェア等が接続される。CPU200は、記憶装置201に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。
本発明は、ポジショナに適用することができる。
1a…ブリッジ回路、2…回転体、3,4…磁石、9…シャフト、10-1~10-4…AMR素子、11…センサホルダ、12…表示部、13…ハウジング、14…シャフトホルダ、15-1,15-2…ポート、16…防爆キャップ、17…ベース、18,106…フィードバックレバー、21…電圧検出部、22…回転角度算出部、23…電源、100a…角度センサ。
Claims (5)
- ポジショナのハウジングに装着されたシャフトホルダと、
前記ハウジングの内部に設けられ、前記シャフトホルダによって回転自在に軸支されたシャフトの回転角度を測定するように構成された角度センサと、
前記ハウジングの外部に設けられ、バルブステムの動きに連動して前記シャフトを回転させるように構成されたフィードバック機構とを備え、
前記ハウジングは、軸方向が異なる複数の開口部である複数のポートが形成され、
前記シャフトホルダは、前記複数のポートのうちいずれか1つに装着されることを特徴とするポジショナ。 - 請求項1記載のポジショナにおいて、
前記複数のポートとして、第1のポートと、前記第1のポートと軸方向が直交する第2のポートの2つが前記ハウジングに形成されていることを特徴とするポジショナ。 - 請求項1または2記載のポジショナにおいて、
前記複数のポートのうち前記シャフトホルダが装着されていないポートを閉鎖するように装着された防爆キャップをさらに備えることを特徴とするポジショナ。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のポジショナにおいて、
前記角度センサは、
磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、
前記ハウジングの内部の前記シャフトの先端に固定され、発生する磁界が前記シャフトの回転軸を中心として前記シャフトと連動して回転するように構成された磁界発生部と、
前記センサ回路の出力電圧を検出するように構成された電圧検出部と、
前記電圧検出部によって検出された電圧に基づいて前記磁界の回転角度を算出するように構成された回転角度算出部とを備え、
前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面に対する前記磁界の回転面の傾斜角度が45°の整数倍となるように、前記センサ回路が配置されることを特徴とするポジショナ。 - 請求項4記載のポジショナにおいて、
前記回転角度によらず前記磁界が前記センサ回路の磁気抵抗効果素子に対して飽和している状態であることを特徴とするポジショナ。
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