JP2024048549A - 流量制御装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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)。
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OFSrefによって補正する。流量オフセット値OFSref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-OFSref ・・・(1)
Q’=Q-OFSref ・・・(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-OFSref-OFS ・・・(2)
Q’=Q-OFSref-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)
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)
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)
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CO2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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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