JP3828262B2 - 流体の注入・排出流量または注入・排出圧力の自動制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ等から搬送される液体または気体等の流体の流量または圧力の何れかを自動制御したり、流体の排出流量または圧力の何れかを自動制御するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地盤の透水性試験や透気性の試験、または一般にトレーサー試験と呼ばれる溶解性または非溶解性物質を地盤中に注入しその移動状況を測定する試験、または薬液やグラウト材料等の地盤内注入工事においては、注入流量及び圧力を所定の値に制御する必要がある。
【０００３】
この制御方法として、従来にあっては、モータ（渦流ポンプ、ギアポンプなど）の回転速度を制御する方法、ピストン（ブースターポンプなど）の移動速度を制御する方法等がある。しかし、これらの制御方法は、制御範囲が狭く、応答性も悪いという欠点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、地盤や構造物を構成する土、岩、コンクリート等の自然材料あるいは人工材料は、その透水性または透気性が場所毎に大きく異なるという、いわゆる不均質な透過性を有している。このため、これらの材料中に流体を注入して、材料の透水、透気性能を測定する場合には、場所毎に制御すべき流量や圧力の値が大きく異なる。したがって、上記従来のような流量制御方式では、異なる種類のモータを有するポンプや、断面積の異なるピストンを有するブースターポンプ等、目標とする流量や圧力に応じて、複数の注入装置を用意する必要がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、一つの流量または圧力制御装置を用いて、広い範囲の流量制御または圧力制御を可能にすると共に、制御の応答性を良くすることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者が上記目的を達成するために提案する本発明の構成は以下のとおりである。
１．ａ．バルブケーシング１５内に設けた一直線状の流路には、小流量入口１３と排出 口２１が設けられていると共に、前記小流量入口１３と排出口２１間には、大流量入 口１８が設けられていること、
ｂ．前記流路において、小流量入口１３と大流量入口１８間には、第一バルブシー ト１６が形成され、前記大流量入口１８と排出口２１間には、第二バルブシート１９ が形成されていること、
ｃ．前記第一バルブシート１６には、下流側から出入りしてこの第一バルブシート １６を通過する流体の流量を制御する第一絞り弁１７を組みつけ、第二バルブシート １９には、下流側から出入りしてこの第二バルブシート１９を通過する流体の流量を 制御する第二絞り弁２０を組みつけたこと、
ｄ．前記第一絞り弁１７と第二絞り弁２０は、前記流路内において、第一及び第二 バルブシート１６、１９側に前進又は後退自在に組み込まれた弁軸２２に取り付けら れていること、
ｅ．前記第一絞り弁１７と第二絞り弁２０の流量制御レンジは、第一絞り弁１７の 場合は、ある一定幅の小流量側を制御し、第二絞り弁２０の場合は、前記第一絞り弁 １７の制御レンジを超えた大流量側を制御するように設定されていること、
ｆ．前記第一絞り弁１７及び第二絞り弁２０を取り付けた弁軸２２は、ステッピン グモータ−２３によりその前進又は後退する駆動が制御自在であること、
ｇ．前記小流量入口１３と大流量入口１８は、小流量分岐ライン２ａと大流量分岐 ライン２ｂを介して切換ユニット３に結ばれていて、圧送ユニット１から流体送出ラ イン２を経由して送出された流体は、切換ユニット３で小流量又は大流量分岐ライン ２ａ又は２ｂ側に切り換えられて小流量入口１３又は大流量入口１８から流路内に送 入されること、
ｈ．前記排出口２１には、注入ライン６を経由して注入ユニット７が結ばれていて 、この注入ライン６には、流量計９及び圧力計１０が取り付けられていること、
ｉ．前記ステッピングモーター２３は、コントローラー８により、前記弁軸２２を 駆動して、第一及び第二絞り弁１７及び２０を同時に駆動して流量又は圧力を制御し 、前記切換ユニット３は、同じく前記コントローラー８により小流量入口１３又は大 流量入口１８側に送出する流体の切り換えが制御され、そして、前記コントローラー ８は、上記ステッピングモーター２３と切換ユニット３をあらかじめ入力された制御 モードと、流量計９及び圧力計１０で検出される流量又は圧力値に基づいてステッピ ングモーター２３と切換ユニット３を制御すること、
ｊ．を特徴とする流体の注入・排出流量または注入・排出圧力の自動制御装置。
【００２１】
【作用】
制御対象となる流体は、流体流入口から流量または圧力制御装置内に流入し、絞り弁と弁シートがなす開口面積内を通過することによりその流量または圧力が設定値になるように制御される。
【００２２】
この制御は、流体の排出側において、排出される流体の流量または圧力を検出手段で検出し、これをコントローラーに入力する。コントローラーは、基本的には排出流量または圧力の値を基にして絞り弁の開度の演算を行い、この演算値に基づいてステッピングモータを制御する。ステッピングモータは、コントローラーから入力された制御信号に基づいて駆動し、この運動は弁軸を経由して絞り弁に伝達され、絞り弁が作動して流量または圧力を設定値になるようにその開度を変更する。この制御は、フィードバック制御である。
【００２３】
注入又は排出条件により、複数の絞り弁を選択的に使用することにより、広いレンジでの流量または圧力制御が可能である。このためには、各絞り弁の上流側に設けられた流体の流入口に入る流体を切換弁を用いて目的とする絞り弁側に切り換えることが必要である。コントローラーは、この切り換えがあると、自動的にプログラムを変更して、切り換えが行われた側の絞り弁を制御する。この際、各絞り弁は、共通の弁軸に取り付けられているため、ステッピングモータの駆動により全体の絞り弁は同時に変位する。このため、上流側での制御が下流側の絞り弁及び弁シートにより影響（障害）を受けることがないように、絞り弁と弁シートの配列は、下流側に向かって段階的に制御流量又は制御圧力が大きくなるように設定されている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の装置は、液体または気体が流れる流路内において、供給流体の流量または圧力、または排出する流量または圧力を自動制御するために用いられる。このような分野としては多方面が考えられるが、主として、地盤の透水性試験や透気性試験のために、地盤中に試験液体または気体を注入する際に、この注入流量または圧力を自動制御したり、或いは、溶解性または非溶解性物質を地盤中に注入し、その移動状況を測定する試験、或いは薬液やグラウト材料等を地盤中に注入する工事において、この注入流量または圧力を自動制御する際に用いられるものである。
【００２５】
本発明の自動制御は、一台の制御装置で流量、圧力等のあらゆる条件に対応できる点に特徴があり、このために、制御弁には絞り弁を用い、場合によっては、この絞り弁を流路内に多段（複数）に配列し、制御用絞り弁を選択的に制御することにより、広いレンジでの制御を可能にしている。又、複数の絞り弁は、共通の弁軸とステッピングモータで制御できる構成となっている。
【００２６】
更に、本発明にあっては、絞り弁の下流側に流量計または圧力計を取り付けて制御流体の流量または圧力を計測し、この値が設定値になるように、制御手段（制御回路）によりフィードバック制御している。
制御流体は、絞り弁を通過する前に整流器を通過させて整流を行ってから流量または圧力を制御することにより、制御の安定性を図る工夫を行っている。
【００２７】
【実施例】
本発明の実施例であって、絞り弁を複数配列した流体の流量または圧力の自動制御装置の実施例を図１及び図２に基づいて説明する。
図１は、試験流体を地盤中に注入する装置において、この注入流体の流量または圧力を制御する全体のシステム図である。
【００２８】
図１において符号の１は、流体タンク、ポンプ等の圧送機器を組み込んだ圧送ユニット、２は流体送出ライン、３は流体送出ライン２の流れを小流量分岐ライン２ａと大流量分岐ライン２ｂ側に切り換えるための切換ユニット、４ａ、４ｂは分岐ライン２ａ、２ｂに夫々取り付けられた整流器、５は流量または圧力自動制御装置、６は前記流量または圧力自動制御装置５で制御された流体の注入ライン、７は注入ライン６の先端に結ばれた注入ユニットであって、この注入ユニット７を用いて地盤内に試験流体を注入するものである。
【００２９】
８は注入ライン６に取り付けたアナログまたはデジタル式の流量計（流量検出手段）９及びアナログまたはデジタル式の圧力計（圧力検出手段）１０からの信号に基づいて流量または圧力を制御するために、前記圧送ユニット１、切換ユニット３、流量または圧力自動制御装置５を制御するコントローラーである。
なお、圧送ユニット１及び注入ユニット７には公知のものが用いられているので、これらの構造の詳細なる説明は省略する。図中、符号の１１は信号線を示す。また、図１において、１２以降の符号の説明は、以下に詳述する図２の説明と重複するので、ここでの説明は省略する。
【００３０】
図２は前記流量または圧力自動制御装置５の詳細図である。この図２において、１２はバルブケーシングであって、このバルブケーシング１２の先端の中心には、小流量入口（小圧力入口）１３が形成され、ここには小流量分岐ライン２ａが結ばれている。
【００３１】
１４はバルブケース、１５はバルブケーシング、１５ａはバルブケーシング１２の固定ナット、１６は急峻な角度を持った第一バルブシート、１７はこの第一バルブシート１６内に出入り自在の第一絞り弁（ニードル弁）であって、外面のテーパー角度は前記第一バルブシート１６と同一角である。
【００３２】
１８は前記大流量分岐ライン２ｂが結ばれている大流量流入口であって、この大流量入口１８から流入した流体は、第二バルブシート１９とこの第二バルブシート１９内に出入り自在の第二絞り弁２０により制御される。なお、第二絞り弁２０は台形状を呈している。
２１は前記第一絞り弁１７又は第二絞り弁２０により制御された流体の排出口であって、ここに前記注入ライン６が結ばれている。
【００３３】
２２は前記第一絞り弁１７、第二絞り弁２０を取り付けたスライド自在の弁軸であって、この弁軸２２の後端２２ａは弁軸固定カラー２６に連結されている。一方、この弁軸固定カラー２６は、バルブケーシング１５側のベース２４、後記のステッピングモータ２３側のベース２９により平行に保持されているガイドシャフト２５、２５ａ間にスライド自在に跨架された支軸２７により保持されている。また、前記弁軸固定カラー２６内にはねじカラー２６ａが組み込まれていて、このねじカラー２６ａのねじ２６ｂには、ステッピングモーター２３により回転するシャフト３０のねじ３０ａが螺入しており、シャフト３０（ステッピングモーター２３）が回転すると、ねじ２６ｂと３０ａの作用で弁軸固定カラー２６がガイドシャフト２５、２５ａに沿って前後にスライドすることにより、前記弁軸２２を一緒にスライドさせて第一絞り弁７、第二絞り弁２０を開又は閉方向に駆動し、これにより第一、第二バルブシート１６、１９の開口面積を調節する。
【００３４】
２８は前記シャフト３０をベース２９で保持している軸受部分に組み込まれたベアリング、３１はベース２９とステッピングモーター２３間を連結しているジョイントシャフト、３２はステッピングモーター２３の出力軸３３とシャフト３０を連結しているカップリング、３４は回転制御円盤であって、出力軸３３に固定されていて、出力軸３３の回転角度を表示し、これにより第一絞り弁１７、第二絞り弁２０の開度を示す。なお。弁の開度は信号としてコントローラー８に取り込まれる。
【００３５】
コントローラー８は、切換ユニット３の切り換えと、流量計９からの出力と、所定流量との差から小流量を制御する第一絞り弁１７又は大流量を制御する第二絞り弁２０の開度の変化量及び変化方向（弁を開けるか、または閉めるか）を計算し、ステッピングモータ２３に駆動のための電気信号を送る。そして、実際の流量と目標流量の差が、許容範囲内に落ち着くまでこのフィードバック制御を繰り返し実施する。因に、本実施例のレンジ幅は、０〜１００ｌ／ｍｉｎで、３０〜１００ｌ／ｍｉｎを第二絞り弁２０で制御し、それ以下を第一絞り弁１７で制御している。
【００３６】
また、圧力の自動制御を行う場合には、圧力計１０からの出力と、所定圧力との差から第一絞り弁１７又は第二絞り弁２０の開度の変化量及び変化方向（弁を開けるか、または閉めるか）を計算し、ステッピングモータ２３に駆動のための電気信号を送る。そして、実際の圧力と目標圧力の差が、許容範囲内に落ち着くまでこのフィードバック制御を繰り返し実施する。
【００３７】
コントローラー８には、予め、目標とする流量履歴または圧力履歴を入力しておくことにより、一定流量または一定圧力だけではなく、任意の流量変化または一定圧力変化を生じるような、制御も可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は以上のように、流体の流量または圧力を絞り弁を用いてフィードバック制御を行うことにより、次の効果を奏する。
ａ．流体の圧送にあっては、ポンプの回転数やベーンの移動量を変更して圧送液体の流量または圧力を制御する従来方式に比較して、制御幅が大きくなると共に微制御が可能である。
【００３９】
ｂ．制御の応答性が良い。
ｃ．絞り弁を複数組み込み、選択的に切り換えて使用することにより、制御幅（レンジ）が拡大し、従来のように対象条件に応じて多種類の圧送ユニット等の装置を用意する必要がない。
【００４０】
ｄ．整流器を取り付けて整流を行ってから流量または圧力の制御を行うため、制御値が安定する。
ｅ．流体の注入または排出流量または圧力の自動制御全般に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を地盤に対する試験流体注入システムに実施した例の説明図。
【図２】流量または圧力制御装置の詳細説明図。
【符号の説明】
１ 圧送ユニット
２ 流体送出ライン
３ 切換ユニット
５ 流量または圧力自動制御装置
６ 注入ライン
７ 注入ユニット
８ コントローラー
１１ 整流器
１３ 小流量入口（小圧力入口）
１６ 第一バルブシート
１７ 第一絞り弁
１８ 大流量入口
１９ 第二バルブシート
２０ 第二絞り弁
２１ 排出口
２２ 弁軸
２３ ステッピングモータ

Claims (1)

1. ａ．バルブケーシング１５内に設けた一直線状の流路には、小流量入口１３と排出口２１が設けられていると共に、前記小流量入口１３と排出口２１間には、大流量入口１８が設けられていること、
   ｂ．前記流路において、小流量入口１３と大流量入口１８間には、第一バルブシート１６が形成され、前記大流量入口１８と排出口２１間には、第二バルブシート１９が形成されていること、
   ｃ．前記第一バルブシート１６には、下流側から出入りしてこの第一バルブシート１６を通過する流体の流量を制御する第一絞り弁１７を組みつけ、第二バルブシート１９には、下流側から出入りしてこの第二バルブシート１９を通過する流体の流量を制御する第二絞り弁２０を組みつけたこと、
   ｄ．前記第一絞り弁１７と第二絞り弁２０は、前記流路内において、第一及び第二バルブシート１６、１９側に前進又は後退自在に組み込まれた弁軸２２に取り付けられていること、
   ｅ．前記第一絞り弁１７と第二絞り弁２０の流量制御レンジは、第一絞り弁１７の場合は、ある一定幅の小流量側を制御し、第二絞り弁２０の場合は、前記第一絞り弁１７の制御レンジを超えた大流量側を制御するように設定されていること、
   ｆ．前記第一絞り弁１７及び第二絞り弁２０を取り付けた弁軸２２は、ステッピングモータ−２３によりその前進又は後退する駆動が制御自在であること、
   ｇ．前記小流量入口１３と大流量入口１８は、小流量分岐ライン２ａと大流量分岐ライン２ｂを介して切換ユニット３に結ばれていて、圧送ユニット１から流体送出ライン２を経由して送出された流体は、切換ユニット３で小流量又は大流量分岐ライン２ａ又は２ｂ側に切り換えられて小流量入口１３又は大流量入口１８から流路内に送入されること、
   ｈ．前記排出口２１には、注入ライン６を経由して注入ユニット７が結ばれていて、この注入ライン６には、流量計９及び圧力計１０が取り付けられていること、
   ｉ．前記ステッピングモーター２３は、コントローラー８により、前記弁軸２２を駆動して、第一及び第二絞り弁１７及び２０を同時に駆動して流量又は圧力を制御し、前記切換ユニット３は、同じく前記コントローラー８により小流量入口１３又は大流量入口１８側に送出する流体の切り換えが制御され、そして、前記コントローラー８は、上記ステッピングモーター２３と切換ユニット３をあらかじめ入力された制御モードと、流量計９及び圧力計１０で検出される流量又は圧力値に基づいてステッピングモーター２３と切換ユニット３を制御すること、
   ｊ．を特徴とする流体の注入・排出流量または注入・排出圧力の自動制御装置。

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