JP2024048549A - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量制御装置内に圧力センサを実装したり、外部から圧力値を設定したりすることなく、圧力値を取得する。
【解決手段】流量制御装置は、配管２に配設されたバルブ４と、配管２を流れる流体の流量を計測する流量計測部６と、流量計測部６によって得られた流量計測値を所定の流量オフセット値によって補正する流量補正部１１と、補正された流量計測値と流量設定値とが一致するようにバルブ４の開度を制御する流量制御部１３と、ゼロ点調整時における補正された流量計測値の代表値をゼロ点補正値として算出するゼロ点調整部８と、ゼロ点補正値に基づいて配管２の入口側の配管内圧力を算出する入口圧推定部９とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流量制御装置に関するものである。

流体の流量を制御する流量制御装置においては、実動作時の管内圧力と出荷時の調整・校正実施時の圧力（基準圧力）との違いにより、計測流量にずれが生じることがある。この計測流量のずれの補正のため実動作環境の入口圧力値を使用することがある（特許文献１参照）。特許文献１に開示された技術のように管内圧力に基づいて流量を補正する場合、流量制御装置内に圧力センサを実装したり、外部から圧力値を設定したりする必要があった。

また、流量制御装置では、バルブの制御を行う流量制御部のＰＩＤ定数（比例帯、積分時間、微分時間）は、動作圧力によって最適値が異なることが一般的に知られている。流量制御の応答速度や制御安定性を最適な状態に保つためには、圧力値に応じてＰＩＤ定数を変える必要があるが、流量補正の場合と同様に流量制御装置内に圧力センサを実装したり、外部から圧力値を設定したりする必要があった。

しかしながら、流量制御装置内に圧力センサを実装する場合、圧力センサから圧力値を取得するためにアナログ入力回路を実装する必要があり、製品の小型化に支障が出る。また、ユーザが圧力値を別途設定する場合、ユーザが正確な圧力値を把握する必要があった。

特許第４２６９０４６号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、流量制御装置内に圧力センサを実装したり、外部から圧力値を設定したりすることなく、圧力値を取得することができる流量制御装置を提供することを目的とする。

本発明の流量制御装置は、配管に配設されたバルブと、前記配管を流れる流体の流量を計測するように構成された流量計測部と、前記流量計測部によって得られた流量計測値を所定の流量オフセット値によって補正するように構成された流量補正部と、前記補正された流量計測値と流量設定値とが一致するように前記バルブの開度を制御するように構成された流量制御部と、前記流量がゼロの状態で実施するゼロ点調整時における前記補正された流量計測値の代表値をゼロ点補正値として算出するように構成されたゼロ点調整部と、前記ゼロ点補正値に基づいて前記配管の入口側の配管内圧力を算出するように構成された入口圧推定部とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の流量制御装置の１構成例において、前記流量補正部は、前記ゼロ点調整の後に前記流量計測部によって得られた流量計測値から前記流量オフセット値と前記ゼロ点補正値とを減算して前記流量計測値を補正することを特徴とするものである。
また、本発明の流量制御装置の１構成例は、前記流量に対応する値の信号を出力するように構成されたフローセンサと、前記フローセンサの出力値に乗算して前記流量計測値を算出するための流量スケールを、前記配管内圧力に基づいて算出して前記流量計測部に設定するように構成された流量スケール算出部とをさらに備え、前記流量計測部は、前記フローセンサの出力値に前記流量スケールを乗算して前記流量計測値を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の流量制御装置の１構成例において、前記流量スケール算出部は、前記配管内圧力と所定の基準圧力との差に基づいて前記流量スケールを算出することを特徴とするものである。

また、本発明の流量制御装置の１構成例は、前記流量制御部のＰＩＤ定数を、前記配管内圧力に基づいて決定して前記流量制御部に設定するように構成されたＰＩＤ定数決定部をさらに備え、前記流量制御部は、前記ＰＩＤ定数を用いたＰＩＤ制御演算により前記バルブに出力する操作量を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の流量制御装置の１構成例において、前記入口圧推定部は、流量制御装置の設置の向きと前記流体の種類と前記ゼロ点補正値とに基づいて前記配管内圧力を算出することを特徴とするものである。

本発明によれば、ゼロ点調整時における補正された流量計測値の代表値をゼロ点補正値として算出するように構成されたゼロ点調整部と、ゼロ点補正値に基づいて配管の入口側の配管内圧力を算出するように構成された入口圧推定部とを設けることにより、流量制御装置内に圧力センサを実装したり、外部から圧力値を設定したりすることなく、配管内圧力の値を取得することができる。

図１は、本発明の実施例に係る流量制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係る流量制御装置のゼロ点調整時の動作を説明するフローチャートである。 図３は、本発明の実施例に係る流量制御装置の設置例を示す図である。 図４は、流量設定値を変更したときの流量変化の１例を示す図である。 図５は、本発明の実施例に係る流量制御装置のゼロ点調整後の動作を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の実施例に係る流量制御装置を流体が鉛直下向きに流れる状態で設置した場合の入口側の配管内圧力と流量器差との関係を示す図である。 図７は、本発明の実施例に係る流量制御装置におけるゼロ点調整時のゼロ点補正値と入口側の配管内圧力との関係を示す図である。 図８は、本発明の実施例に係る流量制御装置におけるゼロ点調整時のゼロ点補正値と入口側の配管内圧力との関係を示す図である。 図９は、本発明の実施例の効果を説明する図である。 図１０は、本発明の実施例の効果を説明する図である。 図１１は、本発明の実施例に係る流量制御装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る流量制御装置の構成を示すブロック図である。流量制御装置１は、流量制御の対象となる流体が流れる配管２と、配管２に配設されたセンサパッケージ３と、配管２に配設されたバルブ４と、センサパッケージ３に搭載されたフローセンサ５の出力値を流量計測値に変換する流量計測部６と、ゼロ点調整の指示をユーザから受け付けるゼロ点調整受付部７と、ゼロ点調整時にゼロ点補正値を算出するゼロ点調整部８と、ゼロ点補正値に基づいて配管２の入口側の配管内圧力を算出する入口圧推定部９と、フローセンサの出力値に乗算して流量計測値を算出するための流量スケールを、配管内圧力に基づいて算出して流量計測部６に設定する流量スケール算出部１０と、流量計測部６によって得られた流量計測値を所定の流量オフセット値とゼロ点補正値とによって補正する流量補正部１１と、補正された流量計測値を出力する流量出力部１２と、補正された流量計測値と流量設定値とが一致するようにバルブ４の開度を制御する流量制御部１３と、流量制御部１３のＰＩＤ定数を配管内圧力に基づいて決定して流量制御部１３に設定するＰＩＤ定数決定部１４とを備えている。

図１において、２１は配管２の入口側の開口、２２は配管２の出口側の開口である。流体（ガス）は、開口２１から配管２に流入してバルブ４を通過し、開口２２から排出される。フローセンサ５は、センサパッケージ３に搭載され、計測対象の流体に晒されるように配管２に装着される。

図２は本実施例の流量制御装置１の動作を説明するフローチャートである。流量制御装置１のユーザは、流量制御装置１の設置の向きの情報と、制御対象の流体（ガス）の種類の情報とを流量制御装置１に対して事前に設定する（図２ステップＳ１００）。

図３（Ａ）～図３（Ｄ）は流量制御装置１の設置例を示す図である。図３（Ａ）は流体が水平の向きに流れる設置状態を示している。図３（Ｂ）は流体が水平の向きに流れる設置状態の別の例を示している。図３（Ｃ）は流体が鉛直下向きに流れる設置状態を示している。図３（Ｄ）は流体が鉛直上向きに流れる設置状態を示している。流量制御装置１の設置の向きと流体の種類の情報を入力する理由は、後述のように設置の向きと流体の種類によってゼロ点補正値と圧力の関係が変わるためである。

次に、ユーザは、流量制御装置１の前後にあるバルブ（不図示）を全閉にして流体の流量をゼロにして、ゼロ点調整実行の指示を流量制御装置１に入力する（図２ステップＳ１０１）。流量制御装置１への指示は、流量制御装置１に設けられたキーの操作、通信、またはデジタルインプット（ＤＩ）信号の入力などによって行うことができる。なお、流量制御装置１の後ろにあるバルブを閉じる代わりに、流量制御装置１のバルブ４を閉じてもよい。
流量制御装置１のゼロ点調整部８は、ゼロ点調整受付部７を介してユーザからの指示を受けると、ゼロ点調整を実行する（図２ステップＳ１０２）。

フローセンサ５は、配管２を流れる流体の流量に対応する値の信号を出力する。熱式のフローセンサ５については、例えば特許文献１に開示されているので、詳細な説明は省略する。流量計測部６は、フローセンサ５の出力値を流量計測値Ｑに変換する。

流量補正部１１は、流量計測部６によって得られた流量計測値Ｑを流量制御装置１の出荷時に行われたゼロ点調整時の流量オフセット値ＯＦＳ_ｒｅｆによって補正する。流量オフセット値ＯＦＳ_ｒｅｆは、出荷時に流量を０にしたときの流量計測値Ｑの代表値である。このときの代表値は、例えば流量計測値Ｑの平均値である。補正後の流量計測値Ｑ’は次式のようになる。
Ｑ’＝Ｑ－ＯＦＳ_ｒｅｆ ・・・（１）

ゼロ点調整部８は、ユーザから指示を受けた調整開始時から所定のゼロ点調整時間（例えば３秒）の間の流量計測値Ｑ’の代表値をゼロ点補正値ＯＦＳとして算出する（図３ステップＳ１０３）。このときの代表値は、例えば流量計測値Ｑ’の平均値である。ゼロ点調整部８は、ゼロ点補正値ＯＦＳを流量補正部１１に対して設定する（図２ステップＳ１０４）。以後、流量補正部１１における流量補正演算は次式のように行われる。
Ｑ’＝Ｑ－ＯＦＳ_ｒｅｆ－ＯＦＳ ・・・（２）

次に、入口圧推定部９は、流量制御装置１の設置の向きと流体の種類とゼロ点補正値ＯＦＳとに基づいて、配管２の入口側の配管内圧力Ｐを次式により算出する（図２ステップＳ１０５）。
Ｐ＝α×ＯＦＳ＋β ・・・（３）

α，βは、流量制御装置１の設置の向きと流体の種類とによって決まる既知の係数である。係数α，βは、例えば配管２の入口側に圧力センサを設置した流量制御装置１を用いて、設置の向きと流体の種類を変えながらゼロ点調整の実験を行い、配管内圧力Ｐとゼロ点補正値ＯＦＳを測定することにより、事前に決定することができる。

流量スケール算出部１０は、フローセンサ５の出力値に乗算して流量計測値Ｑを算出するための流量スケールを、入口圧推定部９によって算出された配管内圧力Ｐに基づいて算出する（図２ステップＳ１０６）。フローセンサ５の出力値（実際にはフローセンサ５の出力をＡ／Ｄ変換した値）をＸとすると、流量計測値Ｑの変換式は式（４）のようになる。
Ｑ＝ＡＸ＋Ｃ ・・・（４）

式（４）のＡ，Ｃは流量制御装置１の出荷時に求めた個体毎の既知の特性係数である。流量スケール算出部１０から流量スケールが設定されない状態では、流量計測部６は、式（４）により流量計測値Ｑを算出する。
一方、配管内圧力Ｐを考慮した流量計測値Ｑの変換式は式（５）のようになる。
Ｑ＝Ａ×ｆ（ΔＰ）×Ｘ＋Ｃ ・・・（５）

ΔＰは入口圧推定部９によって算出された配管内圧力Ｐと流量制御装置１の出荷時の調整・校正実施時の配管内圧力（基準圧力）との差である。ｆ（）は予め設定された関数である。関数ｆ（）は同じ型番の流量制御装置であれば個体差が少ないため、代表的な個体について実験的に求めた値を事前に設定しておけばよい。

流量スケール算出部１０は、式（５）の流量スケールＡ×ｆ（ΔＰ）を、配管内圧力Ｐに基づいて算出する（ステップＳ１０６）。流量スケール算出部１０は、算出した流量スケールＡ×ｆ（ΔＰ）を流量計測部６に対して設定する（図２ステップＳ１０７）。以後、流量計測部６は、式（５）により流量計測値Ｑを算出する。

次に、ＰＩＤ定数決定部１４は、流量制御部１３のＰＩＤ制御演算で使用されるＰＩＤ定数（比例帯Ｋｐ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄ）を、入口圧推定部９によって算出された配管内圧力Ｐに基づいて決定する（図２ステップＳ１０８）。

配管内圧力Ｐに対するＰＩＤ定数は、同じ形番の流量制御装置であれば個体差が少ないため、事前に代表的な個体について配管内圧力を変えながら実験的に決定して、配管内圧力毎に登録しておけばよい。

例えば配管内圧力が１００ｋＰａ以上１５０ｋＰａ未満のときのＰＩＤ定数が比例帯Ｋｐ＝０．５、積分時間Ｔｉ＝２、微分時間Ｔｄ＝０．１で、配管内圧力が１５０ｋＰａ以上２００ｋＰａ未満のときのＰＩＤ定数が比例帯Ｋｐ＝１、積分時間Ｔｉ＝２．５、微分時間Ｔｄ＝０．１と登録されていたとする。ＰＩＤ定数決定部１４は、入口圧推定部９によって算出された配管内圧力Ｐが１００ｋＰａ以上１５０ｋＰａ未満であれば比例帯Ｋｐ＝０．５、積分時間Ｔｉ＝２、微分時間Ｔｄ＝０．１と決定し、配管内圧力が１５０ｋＰａ以上２００ｋＰａ未満であれば、比例帯Ｋｐ＝１、積分時間Ｔｉ＝２．５、微分時間Ｔｄ＝０．１と決定する。

こうして、入口圧推定部９によって算出された配管内圧力Ｐに対応するＰＩＤ定数を決定することができる。ＰＩＤ定数決定部１４は、流量制御部１３に設定されているＰＩＤ定数を、ステップＳ１０８で決定したＰＩＤ定数に更新する（図２ステップＳ１０９）。以後、流量制御部１３は、更新後のＰＩＤ定数を用いてＰＩＤ制御演算を行う。

バルブ４のＰＩＤ制御を行うためのＰＩＤ定数は、入口側の配管内圧力Ｐによって最適値が異なることが一般的に知られている。図４は従来の流量制御装置において流量設定値ＳＰをステップ的に変更したときの流量変化（バルブ４の応答）の１例を示す図である。図４の４００，４０１はそれぞれ配管内圧力Ｐが３００ｋａ、５０ｋａで、０％から１００％に流量設定値ＳＰを変更したときの流量の変化、４０２，４０３はそれぞれ配管内圧力Ｐが３００ｋａ、５０ｋａで、０％から６０％に流量設定値ＳＰを変更したときの流量の変化、４０４，４０５はそれぞれ配管内圧力Ｐが３００ｋａ、５０ｋａで、０％から１０％に流量設定値ＳＰを変更したときの流量の変化を示している。このように、配管内圧力Ｐによってバルブ４の応答が異なることが分かる。配管内圧力Ｐに応じてＰＩＤ定数を変えることで、流量制御の応答速度や制御安定性を最適な状態に保つことができる。

以上で、ゼロ点調整時の流量制御装置１の動作が終了する。ゼロ点調整後は、流量計測部６は、式（５）により流量計測値Ｑを算出する（図５ステップＳ２００）。流量補正部１１は、式（２）により流量計測値Ｑを補正する（図５ステップＳ２０１）。

流量制御部１３は、流量補正部１１によって補正された流量計測値Ｑ’と流量設定値ＳＰとを入力として、流量計測値Ｑ’と流量設定値ＳＰとが一致するようにＰＩＤ制御演算によって操作量を算出し、算出した操作量をバルブ４に出力してバルブ４の開度を調節することにより、配管２を流れる流体の流量を制御する（図５ステップＳ２０２）。

流量出力部１２は、流量補正部１１によって補正された流量計測値Ｑ’を表示する（図５ステップＳ２０３）。流量制御装置１は、図５の処理を一定時間毎に行う。

流量制御装置１を図３（Ｃ）のように流体が鉛直下向きに流れる状態で設置した場合の入口側の配管内圧力Ｐと流量器差との関係を図６に示す。流量制御装置１の出口側は大気開放としている。図６の６００は配管内圧力Ｐが基準圧力２００ｋＰａの場合を示し、６０１は配管内圧力Ｐが１６０ｋＰａの場合を示し、６０２は配管内圧力Ｐが３００ｋＰａの場合を示している。配管内圧力Ｐが基準圧力と異なる場合、器差が生じる。フローセンサ５を用いた流量制御装置１の場合、器差は％ＲＤでみると流量に関係なくほぼ一定であり、スケール補正が必要なことが分かる。

ゼロ点調整時のゼロ点補正値ＯＦＳと配管内圧力Ｐとの関係を図７、図８に示す。図７では流体を空気とし、図８では流体をＣＯ_２としている。図７、図８の７００は図３（Ａ）、図３（Ｂ）のように流体が水平の向きに流れる設置状態の場合を示し、７０１は図３（Ｃ）のように流体が鉛直下向きに流れる設置状態の場合を示し、７０２は図３（Ｄ）のように流体が鉛直上向きに流れる設置状態の場合を示している。

図７、図８によれば、ゼロ点補正値ＯＦＳと配管内圧力Ｐには相関があり、その傾向は流量制御装置１の設置の向きとガス種に依存することが分かる。また、流体が鉛直下向きに流れる設置状態の場合と鉛直上向きに流れる設置状態の場合の特性には対称性があることが分かる。

図９、図１０は本実施例の効果を説明する図である。図９は流量設定値ＳＰ＝１００％の場合の補正前の流量器差を示し、図１０は補正後の流量器差を示している。図９では、式（２）のゼロ点調整のみ実施し、式（５）の補正はしていないものとする。図９、図１０の９００は図３（Ａ）、図３（Ｂ）のように流体が水平の向きに流れる設置状態の場合を示し、９０１は図３（Ｃ）のように流体が鉛直下向きに流れる設置状態の場合を示し、９０２は図３（Ｄ）のように流体が鉛直上向きに流れる設置状態の場合を示している。図１０によれば、配管内圧力Ｐが１００ｋＰａ、３００ｋＰａのときのデータが基準圧力２００ｋＰａ相当のデータに補正され、流量器差が小さくなっていることが分かる。

本実施例で説明した流量計測部６とゼロ点調整受付部７とゼロ点調整部８と入口圧推定部９と流量スケール算出部１０と流量補正部１１と流量制御部１３とＰＩＤ定数決定部１４とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインター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１１に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ１００と、記憶装置１０１と、インターフェース装置（Ｉ／Ｆ）１０２とを備えている。Ｉ／Ｆ１０２には、バルブ４とフローセンサ５と流量出力部１２等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の流量制御方法を実現させるためのプログラムは記憶装置１０１に格納される。ＣＰＵ１００は、記憶装置１０１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、流量制御装置を補正する技術に適用することができる。

１…流量制御装置、２…配管、３…センサパッケージ、４…バルブ、５…フローセンサ、６…流量計測部、７…ゼロ点調整受付部、８…ゼロ点調整部、９…入口圧推定部、１０…流量スケール算出部、１１…流量補正部、１２…流量出力部、１３…流量制御部、１４…ＰＩＤ定数決定部。

Claims (6)

1. 配管に配設されたバルブと、
   前記配管を流れる流体の流量を計測するように構成された流量計測部と、
   前記流量計測部によって得られた流量計測値を所定の流量オフセット値によって補正するように構成された流量補正部と、
   前記補正された流量計測値と流量設定値とが一致するように前記バルブの開度を制御するように構成された流量制御部と、
   前記流量がゼロの状態で実施するゼロ点調整時における前記補正された流量計測値の代表値をゼロ点補正値として算出するように構成されたゼロ点調整部と、
   前記ゼロ点補正値に基づいて前記配管の入口側の配管内圧力を算出するように構成された入口圧推定部とを備えることを特徴とする流量制御装置。
2. 請求項１記載の流量制御装置において、
   前記流量補正部は、前記ゼロ点調整の後に前記流量計測部によって得られた流量計測値から前記流量オフセット値と前記ゼロ点補正値とを減算して前記流量計測値を補正することを特徴とする流量制御装置。
3. 請求項１または２記載の流量制御装置において、
   前記流量に対応する値の信号を出力するように構成されたフローセンサと、
   前記フローセンサの出力値に乗算して前記流量計測値を算出するための流量スケールを、前記配管内圧力に基づいて算出して前記流量計測部に設定するように構成された流量スケール算出部とをさらに備え、
   前記流量計測部は、前記フローセンサの出力値に前記流量スケールを乗算して前記流量計測値を算出することを特徴とする流量制御装置。
4. 請求項３記載の流量制御装置において、
   前記流量スケール算出部は、前記配管内圧力と所定の基準圧力との差に基づいて前記流量スケールを算出することを特徴とする流量制御装置。
5. 請求項１または２記載の流量制御装置において、
   前記流量制御部のＰＩＤ定数を、前記配管内圧力に基づいて決定して前記流量制御部に設定するように構成されたＰＩＤ定数決定部をさらに備え、
   前記流量制御部は、前記ＰＩＤ定数を用いたＰＩＤ制御演算により前記バルブに出力する操作量を算出することを特徴とする流量制御装置。
6. 請求項１または２記載の流量制御装置において、
   前記入口圧推定部は、流量制御装置の設置の向きと前記流体の種類と前記ゼロ点補正値とに基づいて前記配管内圧力を算出することを特徴とする流量制御装置。

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