JP4425508B2 - 電動バルブアクチュエータにおける負荷連続検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラント等において数多く使用されている電動バルブアクチュエータにおける負荷連続検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電プラントや石油化学プラントにおいて使用されているバルブの駆動装置としては、一般に、電動バルブアクチュエータが使用されている。
【０００３】
この電動バルブアクチュエータには、弁体が異物を噛み込んで、そのトルクが一定値以上に達した際に、これを検出して、駆動源を停止させるためのトルクリミットスイッチが設けられている。これにより、バルブの損傷は回避させられるようになっている。
【０００４】
電動バルブアクチュエータにおけるトルク検出手段としては、モータのトルクが設定値に到達したときに作動する単なるオン・オフスイッチが、一般的に使用されている。
【０００５】
一方、現場においては、電動アクチュエータを分解することなく、その作動の健全性を絶えず確認したいという強い要求がある。このような要求に応えるためには、トルクを、連続的に、かつ電気信号として検出することが必要となる。
【０００６】
しかし、上記したような単なるオン・オフスイッチ型式のトルク検出手段では、モータのトルクの変化を連続的に検出することはできない。
また、微妙なバルブ制御を行ったり、トルクスイッチ自体の健全性を、絶えず確認するためにも、トルクを連続量として検出することが必要である。
【０００７】
そのため、トルクスイッチに代えて、ポテンショメータ等の連続量検出手段を使用しても、圧縮ばねには、通常予圧がかけられているため、モータのトルクと、圧縮ばねの変形量との関係には、極端な非線形性があり、モータの出力トルクの値を、連続量として検出することはできない。
【０００８】
そこで、従来は、図５に示すように、モータのトルクを連続的にかつ電気的に検出するために、モータで駆動される筒状ウオーム（軸端のみ示す）(01)の軸線方向と直交し、かつ前記筒状ウオーム(01)の軸線方向の送りに基づく推力を、圧縮バネ(02)を介して受けるようにした受圧片(03)を設けるとともに、受圧片(03)に歪みゲージ(04)を取付け、受圧片(03)の変形に伴う歪みゲージ(04)の抵抗変化によって、筒状ウオーム(01)を回転させるモータのトルクを検出するようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、バルブアクチュエータにおいては、筒状ウオームは、バルブの開方向と閉方向の双方向に軸線方向の推力を発生するので、発生するトルクを、バルブの開閉双方向に関して検出しなければならない。
しかし、受圧片(03)の歪み部位に、歪みゲージ(04)を取り付けただけでは、開方向と閉方向に対して、歪みゲージ(04)の出力に、感度差や出力特性に基づく相異が生じ、開閉双方向に対して、均一な対称的特性を得ることはできない。
【００１０】
詳言すると、受圧片(03)は、変形を生じ難い大径の伝圧軸(05)と、変形を生じ易い小径のスリーブ(06)の端部同士を連結する壁体(07)に設けた薄肉部(08)からなっているため、受圧片(03)は、筒状ウオーム(01)の軸線方向の推力の方向に応じて、撓み方向が反転することとなる。
【００１１】
そのため、歪みゲージ(04)の取付け部位のいかんによっては、受圧片(03)の歪み部に、圧縮歪みと伸張歪みの両方が、歪みゲージ(04)に作用することになり、また推力方向の反転時にも、取付け位置によっては、圧縮歪みと伸張歪みの両方が、歪みゲージ(04)に作用することになる。
このように、歪みゲージ(04)の取付け位置によって、歪みゲージ(04)に、圧縮、伸張の歪みが複雑に生じ、歪みゲージ(04)の出力特性は、歪みゲージ(04)の取付位置によって、開閉方向に非対称的に変化する。また、いずれか一方向の推力に関して、安定した再現性の高い取付け位置を求めることは困難となっている。
【００１２】
さらに、出力特性を、１つのバルブアクチュエータの開閉双方向について、高精度に合致させることは困難であり、従って、複数のバルブアクチュエータ相互間の特性についても、これを均等に平衡させるべく、補償もしくは調整することは、非常に困難である。
【００１３】
特に、発電プラントや石油化学プラントにおいては、多数のバルブアクチュエータが使用され、それらからは、従来の負荷連続検出装置から出力される電気信号に基づいて、通信回線を介して一元管理されるようになっているが、その際の各バルブアクチュエータから出力されるトルク対出力電気値の特性が不揃いであると、正確な制御管理ができなくなるとともに、制御系に誤動作を発生する危険もある。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決し、電動バルブアクチュエータにおけるモータ負荷のトルクの計測を、駆動方向の双方向に対して、均一かつ正確に行い、もって、多数のバルブアクチュエータ間において、極力基準に合致しうる絶対精度を確保しうるようにした負荷連続検出装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
モータにより回転させられるウオーム軸に、回転不能かつ軸方向に摺動可能として嵌合した筒状ウオームをもって弁体を開閉させるようにし、かつ前記筒状ウオームの軸線方向と直交するとともに、前記筒状ウオームの軸線方向の送りに基づく推力を受けるようにした受圧片に歪みゲージを取付け、この受圧片の変形に伴う歪みゲージの抵抗変化によって、前記モータのトルクを検出するようにした電動バルブアクチュエータにおける負荷連続検出装置において、
前記受圧片に、前記ウオーム軸の中心を中心とし、前記歪みゲージの幅の２倍程度の幅の環状凹溝を形成することにより、薄肉部を形成し、前記環状凹溝内に、前記ウオーム軸の中心を中心とし、かつ１／４円弧より少し大きな円弧を有し、環状凹溝の外径に沿い、しかも互いに対向して１対をなす大径の円弧状歪みゲージと、前記ウオーム軸の中心を中心とし、かつ１／４円弧より少し大きな円弧を有し、前記環状凹溝の内径に沿い、しかも互いに対向して１対をなす小径の円弧状歪みゲージを、周方向に隣接するもの同士の径を互いに異らせて、それらの側端同士が径方向に重合するように配設し、もって、前記大小径の異なる円弧状歪みゲージは、圧縮歪み、もしくは伸張ひずみのいずれか一方の影響を受けて、抵抗値を変化するようにし、その大小径の異なる複数の円弧状歪みゲージを、電気的にブリッジ接続して、前記モータのトルクを検出する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、図２と図３に示す本発明の一実施形態である負荷連続検出装置が組み込まれたバルブアクチュエータを示す図である。図１における右方を前方とする。
【００１７】
図１において、モータ(１)の回転は、ヘリカルギア(２)(３)によって減速され、ヘリカルギア(３)と一体をなす水平のウオーム軸(４)へ相対回転不能に嵌合された筒状ウオーム(５)を介して、水平のウオームホイール(７)に伝達される。
【００１８】
ウオームホイール(７)の中心の孔には、垂直の筒状のステムナット(６)が、スプラインを介して、相対回転不能として嵌合されている。ステムナット(６)のめねじ孔には、バルブステム(８)が螺合されている。
【００１９】
かくして、モータ(１)の回転により、バルブステム(８)は昇降させられる。
なお筒状ウオーム(５)は、ウオーム軸(４)に切られた軸方向のスプライン(９)と噛合しており、筒状ウオーム(５)は、ウオーム軸(４)上を軸方向に移動することはできるが、ウオーム軸(４)に対して、相対的に回転することはできないようになっている。
【００２０】
筒状ウオーム(５)の前面には、複数の皿ばねを交互に逆向きとして重合してなる圧縮ばね(10)が、直接的または間接的に当接され、モータ(１)のトルクの方向とその大きさに対応して、筒状ウオーム(５)がウオーム軸(４)上を前後に移動すると、その移動量に応じて、圧縮ばね(10)は圧縮されるようになっている。
【００２１】
図２に示す如く、筒状ウオーム(５)の前端外周は、小径部(12)となっており、小径部(12)の前端部外周には、おねじ(13)が切られている。
【００２２】
前記小径部(12)の後端には、ボールベアリング(14)が嵌合され、かつおねじ(13)へ締付リング(15)を螺合することにより、ボールベアリング(14)のインナーレースは小径部(12)上へ固定されている。締付リング(15)は、ノックボルト(16)によって固定されている。
【００２３】
ボールベアリング(14)の外周には、外周面に軸線方向の環状ラック(17)を有する伝圧筒(18)が、前方より嵌合されている。
環状ラック(17)にはピニオン(19)が噛合されており、ピニオン(19)は、図１に示すトルクスイッチ(11)と連係されている。
【００２４】
伝圧筒(18)の内周前端部には、保持筒(20)が嵌合されている。保持筒(20)は、ボールベアリング(14)のアウターレースを押圧し、伝圧筒(18)を、筒状ウオーム(５)に対して軸線方向の適正な位置に保持している。
【００２５】
伝圧筒(18)の前端と、ウオーム軸(４)と同軸をなして前方を向く小径スリーブ(22)の後端は、その軸線と直交して求心方向を向く、やや薄肉の受圧片(21)をもって連結されている。
【００２６】
小径スリーブ(22)の前端は、圧縮ばね(10)の前端を受ける受止片(23)を緩く貫通し、小径スリーブ(22)の受止片(23)から突出する前方部分に切ったおねじ(24)にナット(25)を螺合することにより、小径スリーブ(22)は、受止片(23)に対し、後方へ抜け止めされている。
【００２７】
小径スリーブ(22)の後端には、前記受圧片(21)の前面内周部に当接するリング状の押圧片(26)が、緩く嵌合されている。押圧片(26)と受止片(23)との間において、小径スリーブ(22)には、複数の皿ばねを交互に逆向きとして重合してなる圧縮ばね(10)が、やや圧縮状態に予圧して嵌合されている。
【００２８】
前記受圧片(21)の前面には、後方を向く環状凹溝(27)を形成することにより薄肉部を形成し、かつ環状凹溝(27)内には、複数の歪みゲージ(28a)(28b)を貼着してある。
【００２９】
モータ(１)を起動して、筒状ウオーム(５)を正逆いずれかの方向へ回転させると、筒状ウオーム(５)には、そのねじ山の角度に応じて、前方または後方を向く軸方向の分力が発生する。
【００３０】
この際の筒状ウオーム(５)による軸方向の荷重により、伝圧筒(18)は、ボールベアリング(14)と締付リング(15)及び保持筒(20)を介して、前後に押し動かされる。
【００３１】
伝圧筒(18)が前方へ移動させられると、受圧片(21)及び押圧片(26)を介して、圧縮ばね(10)は受止片(23)を押圧して圧縮される。
【００３２】
この際、受止片(23)は、バルブアクチュエータのケーシング(29)に、ボルト(30)で固定されたばね室(31)のキャップ(32)の内向突端(33)に当接して、前方には移動不可能になっており、伝圧筒(18)の前方移動により、押圧片(26)は前方へ押され、押圧片(26)と受止片(23)の間に挾まれた圧縮ばね(10)は圧縮され、その反力により、受圧片(21)は圧縮方向の推力を受けて、その外周部は、図４の（ａ）のように前方へ撓む。
【００３３】
伝圧筒(18)が後方へ移動させられると、受圧片(21)と小径スリーブ(22)及びナット(25)を介して、受止片(23)は後方へ押され、圧縮ばね(10)は、押圧片(26)により圧縮される。
【００３４】
この際、押圧片(26)の外周部は、ケーシング(29)のばね室(31)の後端に設けた縮径段部(34)に当接して、後方には移動不可能になっている。伝圧筒(18)が後方へ移動すると、小径スリーブ(22)及びナット(25)を介して、受止片(23)と押圧片(26)の間に挟まれた圧縮ばね(10)は圧縮され、その圧縮力の反力により、受圧片(21)は引張方向の推力を受けて、その外周部は、図４の（ｂ）のように後方へ撓む。
【００３５】
図３は、受圧片(21)の前面に、大小円弧の異なる複数の歪みゲージ(28a)(28b)を取り付けた状態を示すもので、歪みを生じさせるための薄肉部を形成する環状凹溝(27)の径方向の溝幅は、帯状をなす歪みゲージ(28)の径方向の幅の２倍程度に広くしてある。
環状凹溝(27)の中に、半径を異にし、かつ円周の４分の１より少し大きな円弧状をなす２対の歪みゲージ(28a)(28a)、(28b)(28b)を貼着してある。
【００３６】
各歪みゲージ(28a)(28a)、(28b)(28b)の円弧の中心は、受圧片(21)の中心と一致し、かつ大径をなす１対の歪みゲージ(28a)(28a)は、互いに対向するように１８０度変位させて、環状凹溝(27)の径方向の外周に沿って配置され、また小径をなす1対の歪みゲージ(28b)(28b)は、大径をなす1対の歪みゲージ(28a)(28a)と９０度位置をずらし、かつ互いに対向するように１８０度変位させて、環状凹溝(27)の径方向の内周に沿って配置されている。
【００３７】
各歪みゲージ(28a)(28a)(28b)(28b)の弧の長さは、円周の4分の１（９０度）より少し大きくしてあり、径を異にして隣接するものの端部同士が、径方向に向けて若干重なるようにして、歪みゲージ全体として切れ目なく円を描くように配置されている。
【００３８】
図４に示す如く、大小径の異なる歪みゲージ(28a)(28b)は、環状凹溝(27)の中で、歪み方向が、圧縮歪みか、伸張歪みかの、いずれか一方の歪みの影響を受けて、抵抗値を変化するようになっている。
【００３９】
また、大小径の異なる歪みゲージ(28a)(28b)は、互いに圧縮歪みと伸張歪みに関して、受圧片(21)の圧縮時または引張時のいずれにおいても、双方別々に歪みを生じ、その歪みによる抵抗変化は、互いに相補的に作用して、誤差成分が互いに打ち消し合って、均質な変化成分を得ることができるようになっている。
【００４０】
さらに、大小径の異なる各対の歪みゲージ(28a)(28a)、(28b)(28b)を、異なる径の１対については、電気的に互いに並列関係とし、同一径のもの同士については、電気的に直列関係として、ブリッジ接続することにより、さらに外乱成分やノイズに対して安定させることができるようにしてある。
【００４１】
また、推力の方向の違いによる、圧縮歪みと伸張歪みにの不平衡等についても、大小径の異なる各１対の歪みゲージ(28a)(28a)、(28b)(28b)は、同時に互いに歪み特性を逆極性で発生するため、局部的な外乱要素や、取付位置の微少な相異は、相補的に打ち消し合い、再現性の高いトルク測定が可能となり、高精度の絶対値計測が可能となっている。
【００４２】
上記した各１対の歪みゲージ(28a)(28a)、(28b)(28b)を、ブリッジ接続して電気配線するには、小径スリーブ(22)の外周に、軸線方向の溝(35)を設けておき、その溝(35)から、小径スリーブ(22)の内孔(36)に抜ける孔(37)を、おねじ(24)の後方に設けておけばよい。
【００４３】
小径スリーブ(22)の前端は、おねじ(24)の前端よりも若干突出し、その前端に軸線方向の接続コネクタ(38)を固着し、接続コネクタ(38)の先端を、キャップ(32)の中央に設けた孔(39)から、若干突出させておき、かつ、接続コネクタ(38)には、前記各１対の歪みゲージ(28a)(28a)、(28b)(28b)をブリッジ接続する電気配線(40)を、前記孔(37)と溝(35)を介して接続してある。
【００４４】
接続コネクタ(38)は、小径スリーブ(22)とともに、若干軸線方向に動くが、それを動かす力は、計測を要するモータのトルク出力であり、接続コネクター(38)に連なるケーブルの荷重に比して、十分大であるから、計測の外乱要素や余分な負荷となることはない。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、つぎのような効果が得られる。
（ａ） 軸心からの距離を異にする複数の歪みゲージにより、互いに圧縮歪みと伸張歪みに関して、受圧片の圧縮時または引張時のいずれにおいても、双方別々に歪みの検出をおこない、かつその歪みによる抵抗変化が、互いに相補的に作用して、誤差成分を互いに打ち消し合い、均質な変化成分を得ることができる。
【００４６】
（ｂ） 歪みを生じさせる部位に、圧縮歪みと伸張歪みにを明確に生じさせる部位を形成してあるため、計測の安定性と、再現性を図ることができる。
【００４７】
（ｃ） 軸心からの距離を異にする複数の歪みゲージを、半径の異なる同心円上に配置して、歪みゲージの取付け精度を高めるとともに、位置決めを容易にすることができる。
【００４８】
（ｄ） 軸心からの距離を異にする複数の歪みゲージを、細かに分割して、電気回路的に各種の接続を施し、電気回路的に同相成分の除去が可能となっており、かつ電気的、温度的その他の外乱に対して、安定な回路構成が可能となっている。
【００４９】
（ｅ） 軸心からの距離を異にする複数の歪みゲージを、同一特性のものを対として、それらをブリッジ回路接続することにより、歪み特性に対する同相成分の打ち消し、並びに電気回路的に同相成分の除去を可能とするとともに、電気的、温度的その他の外乱に対して、安定な回路を構成し、絶対レベルで、安定した高精密なトルク値の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の装置の一実施例を備える電動バルブアクチュエータの一部切開斜視図である。
【図２】 図１におけるバルブステム駆動用ウオームのスラストに基いて、モータのトルクを検出するようにした本発明の装置の要部の拡大縦断面図である。
【図３】 図２におけるIII−III線縦断面図である。
【図４】 受圧片の歪み状態を、推力が受圧片の両端部材を圧縮方向に働く場合と、引張方向に働く場合を、（ａ）（ｂ）に分けて示す要部縦断面図である。
【図５】 図５は、従来の受圧片に歪みゲージを取り付けた状態を示す要部縦断面図である。
【符号の説明】
(１) モータ
(２)(３) ヘリカルギア
(４) ウオーム軸
(５) 筒状ウオーム
(６) ステムナット
(７) ウオームホイール
(８) バルブステム
(９) スプライン
(10) 圧縮ばね
(11) トルクスイッチ
(12) 小径部
(13) おねじ
(14) ボールベアリング
(15) 締付リング
(16) ノックボルト
(17) 環状ラック
(18) 伝圧筒
(19) ピニオン
(20) 保持筒
(21) 受圧片
(22) 小径スリーブ
(23) 受止片
(24) おねじ
(25) ナット
(26) 押圧片
(27) 環状凹溝
(28a)(28b)歪みゲージ
(29) ケーシング
(30) ボルト
(31) ばね室
(32) キャップ
(33) 内向突端
(34) 縮径段部
(35) 溝
(36) 内孔
(37) 孔
(38) コネクタ
(39) 孔
(40) 電気配線

Claims (1)

1. モータにより回転させられるウオーム軸に、回転不能かつ軸方向に摺動可能として嵌合した筒状ウオームをもって弁体を開閉させるようにし、かつ前記筒状ウオームの軸線方向と直交するとともに、前記筒状ウオームの軸線方向の送りに基づく推力を受けるようにした受圧片に歪みゲージを取付け、この受圧片の変形に伴う歪みゲージの抵抗変化によって、前記モータのトルクを検出するようにした電動バルブアクチュエータにおける負荷連続検出装置において、
   前記受圧片に、前記ウオーム軸の中心を中心とし、前記歪みゲージの幅の２倍程度の幅の環状凹溝を形成することにより、薄肉部を形成し、前記環状凹溝内に、前記ウオーム軸の中心を中心とし、かつ１／４円弧より少し大きな円弧を有し、環状凹溝の外径に沿い、しかも互いに対向して１対をなす大径の円弧状歪みゲージと、前記ウオーム軸の中心を中心とし、かつ１／４円弧より少し大きな円弧を有し、前記環状凹溝の内径に沿い、しかも互いに対向して１対をなす小径の円弧状歪みゲージを、周方向に隣接するもの同士の径を互いに異らせて、それらの側端同士が径方向に重合するように配設し、もって、前記大小径の異なる円弧状歪みゲージは、圧縮歪み、もしくは伸張ひずみのいずれか一方の影響を受けて、抵抗値を変化するようにし、その大小径の異なる複数の円弧状歪みゲージを、電気的にブリッジ接続して、前記モータのトルクを検出するようにしたことを特徴とする電動バルブアクチュエータにおける負荷連続検出装置。

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