JP5212699B2 - 電空変換モジュールとこの電空変換モジュールを備えたバルブポジショナ - Google Patents

Description

本発明は、電空変換モジュールとこの電空変換モジュールを備えたバルブポジショナに関し、特に、ゲイン特性のばらつきが少ない電空変換モジュールとこれを用いたバルブポジショナに関する。

従来から、石油、鉄鋼、化学プラントなどで導入されているプロセス制御では、配管内の流体の出入り調整を行うためにバルブの開度を制御するバルブポジショナが用いられている。このバルブポジショナは、入力電流信号に応ずる圧力を供給する電空変換モジュール（以下、Ｉ／Ｐモジュールという）を備え、このＩ／Ｐモジュールで得られる圧力を制御することでバルブの開度を制御するものである。

図４は従来のＩ／Ｐモジュールを用いたバルブポジショナの一例を示す構成ブロック図である。図４においてバルブポジショナは、信号を送受信するＭＡＵ（Media Access Unit）１、入出力信号を変復調するフィールドバスモデム２、バルブポジショナの各部を制御する制御手段３、入力信号をアナログ変換し出力するＤ／Ａ変換手段４、受信した電気信号に応じて圧力を供給するＩ／Ｐモジュール５、Ｉ／Ｐモジュール５で得られた圧力に基づきバルブを駆動する駆動出力圧を出力するコントロールリレー６、バルブ７、バルブステムの変位を検出する位置センサ８、入力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段９などで構成されている。

このようなバルブポジショナにおけるバルブ７の開度は、バルブ７を支持しているバルブステムの位置を変位させることにより、制御される。

従来のバルブポジショナで行われているバルブ７の開度制御について説明する。まず、バルブステムの位置の目標値信号がＭＡＵ１およびフィールドバスモデム２を介して制御手段３に送信される。制御手段３は、目標値信号と位置センサ８からの位置信号との偏差信号を演算出力し、Ｄ／Ａ変換手段４を介してＩ／Ｐモジュール５に入力する。

Ｉ／Ｐモジュール５は、受信した偏差信号に応じた圧力を発生してコントロールリレー６に供給する。コントロールリレー６は、Ｉ／Ｐモジュール５が発生した圧力と供給圧力により圧力を増幅し、駆動出力圧としてバルブ７に供給する。駆動出力圧がバルブ７に供給されることによりバルブステムが変位し、バルブ７の開度が制御される。

バルブステムの変位は、位置センサ８によって検知されてＡ／Ｄ変換手段９を介し位置信号として制御手段３にフィードバックされる。そして制御手段３は、目標値信号と位置信号との偏差を演算し、この偏差が０になるようにＩ／Ｐモジュール５を制御する。

このように、バルブポジショナは、Ｉ／Ｐモジュール５を用いて圧力を制御することにより、バルブの開度を制御できる。このようなバルブポジショナに備えられるＩ／Ｐモジュールに関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。

特開２００７−２５５４４７号公報

図５は従来のＩ／Ｐモジュールの一例を示す構成図であり、（イ）、（ロ）はそれぞれ（ロ）のＡ−Ａ断面図、上面図である。

図５において、第１のハウジング１０は外形が円筒状に形成され、中心部には円柱状のポールピース部１０ａが形成されている。このポールピース部１０ａの中央には流路部２０が形成される。さらに、第１のハウジング１０には外部と連通する排気孔１０ｂが形成されている。

流路部２０には、絞り部（図示せず）および気体噴出部（図示せず）などが設けられている。流路部２０は、気体噴出部の先端部分において開口していて、たとえばノズルとして形成されている。

磁石部３０はドーナツ状に形成され、ポールピース部１０ａを囲むように第１のハウジング１０に固着されている。この磁石部３０は、たとえばハウジング１０ａと固着される側がＮ極に、その反対側がＳ極に磁化されている。

可動部４０は、金属製の薄い板状部材でダイアフラム形状に構成されたものであり、ポールピース部１０ａの間に所定の間隙ＡＧ１００を形成するように磁石部３０の端面に固定されている。

第２のハウジング６０は外形が円筒状に形成され、磁石部３０、可動部４０を覆うように第１のハウジング１０に固定されている。第２のハウジング６０の中心部には円柱状のポールピース部６０ａが形成され、このポールピース部６０ａの外周にはコイル５０が巻かれている。コイル５０には電気信号の入力端子が設けられているが図示しない。

ここで、可動部４０とポールピース部６０ａの間にも、所定の間隙ＡＧ２００が形成されている。

これら間隙ＡＧ１００とＡＧ２００は気体（空気）の流れに対する抵抗となり、流路部の気体が外部に噴出されることにより、圧力が変化する。なお流路部２０には、気体供給部（図示せず）から気体が供給されている。

このように構成されるＩ／Ｐモジュールは、コイル５０に流れる電流を変化させて可動部４０周辺の磁束を制御することで、可動部４０を変形・変位させる。

可動部４０が変位して撓むと、間隙ＡＧ１００およびＡＧ２００もそれぞれ変化して気体の流れに対する抵抗が変化し、流路部の圧力が変化する。

このように、Ｉ／Ｐモジュールは、コイル５０に流れる電流を変化させて間隙ＡＧ１００とＡＧ２００を制御することで、コイル５０に流れる電流に応じた気体の圧力を得ることができる。

そして、このようなＩ／Ｐモジュールをバルブポジショナに組み込むことにより、上述のようにたとえばコントロールリレーに圧力を供給でき、バルブの開度制御が行える。

しかしながら、従来の構成のＩ／Ｐモジュールは、各構成部品の寸法のばらつきや磁石の保磁力のばらつきなどの影響を受けて磁気抵抗、磁束密度、流量係数などがばらつき、ゲイン特性（＝圧力（ノズル背圧）の変化／電流値の変化）にばらつきが生じてしまうことになる。

そして、このようなゲイン特性にばらつきのあるＩ／Ｐモジュールをバルブポジショナに組み込んだ場合には、圧力（ノズル背圧）を一定の目標値信号によって制御することは困難であり、バルブの開度を的確に制御できなくなってしまう。

本発明は上述の問題点を解決するものであり、その目的は、ゲイン特性のばらつきを抑える電空変換モジュール（Ｉ／Ｐモジュール）を実現し、バルブの開度を的確に制御できるバルブポジショナを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
コイルに入力される電気信号に応じて変位する可動部と、この可動部が第１のハウジングに固定された磁石部と第２のハウジングのポールピース部とに挟持固定されることにより形成され前記可動部の可動領域となる第１および第２の間隙とを備え、前記可動部の変位に応じた圧力を供給する電空変換モジュールであって、
前記第２のハウジングは、取り付け位置が調整可能なポールピース部を備え、
前記ポールピース部は、前記可動部との距離を調整して前記第１および第２の間隙間隔を制御することにより前記コイルのインダクタンスを制御し、
前記第２のハウジングおよび前記ポールピース部には、進退自在に螺合するためのねじ部がそれぞれ形成され、
電空変換モジュール内では前記コイルと接続され、外部のインダクタンス測定器と接続して前記コイルのインダクタンスを測定するためのコネクタ部を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１に記載の電空変換モジュールにおいて、
前記ポールピース部は、
前記ねじ部にフェライト含有エポキシ樹脂が充填されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１または請求項２に記載の電空変換モジュールにおいて、
前記ねじ部は細目ねじであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
入力される電気信号に応じた圧力を供給する電空変換モジュールを備え、前記圧力によりバルブを動作させるバルブポジショナにおいて、
前記電空変換モジュールは、
ハウジングの一部にポールピース部が設けられていて、このポールピース部は前記ハウジングに対して取り付け位置が調整可能に構成されていることを特徴とする。

本発明に係る電空変換モジュールによればゲイン特性のばらつきを抑えることができ、本発明に係るバルブポジショナによればバルブの開度を的確に制御できる。

図１は本発明に係るＩ／Ｐモジュールの構成図であって、（イ）、（ロ）、（ハ）はそれぞれ下面図、（イ）のＡ−Ａ断面図、上面図であり、（ニ）は第２のハウジングのポールピース部１０１を取り外した状態のＩ／Ｐモジュールの構成図を表している。図５と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図５との相違点は、図１では、第２のハウジング１００が着脱可能であるポールピース部１０１を備えていること、インダクタンスを測定するために外部の測定器と接続するコネクタ部２００を備えていることである。

第２のハウジング１００は、外形が円筒状に形成され中心に凹み部（以下、ポールピース支持部という）１０２が形成されている。このポールピース支持部１０２の内壁にはねじ部（雌ねじ）が形成されている。

このポールピース支持部１０２には、ねじ部（雄ねじ部）を有するポールピース１００がナット１０３およびワッシャ１０４を介して着脱可能に螺合されている。

ここで、ポールピース部１０１と可動部４０の間には所定の間隔が設けられ、間隙ＡＧ２００が形成される。

また図示しないが、コネクタ部２００はＩ／Ｐモジュール内でコイル５０と接続されており、その出力端がたとえば第２のハウジング１００に形成される。

ところで、Ｉ／Ｐモジュールでは、ゲイン特性（ゲイン特性＝圧力（ノズル背圧）の変化／電流値の変化）とコイル５０のインダクタンスは高い相関がある。

図２は実験結果に基づくインダクタンスとゲインの関係の説明図であり、このように構成されるＩ／Ｐモジュールでは、ゲイン特性とインダクタンスには相関があることがわかる。

このようなゲイン特性とインダクタンスの高い相関を利用することにより、Ｉ／Ｐモジュールのコイル５０におけるインダクタンスを測定し、あらかじめ定められたインダクタンスの仕様を満たすようにポールピース部１０１の位置を調整することで、Ｉ／Ｐモジュールのゲイン特性のばらつきを抑える（少なくする）ことが可能となる。

たとえばＩ／Ｐモジュールのゲイン特性の仕様が０．３〜０．３６ｋｇｆ／ｃｍ２／ｍＡである場合には、図２のような実験結果に基づいてインダクタンスの範囲を１１．１９〜１１．５３Ｈに定める。

図３は本発明に係るＩ／Ｐモジュールにおけるインダクタンス測定の説明図である。インダクタンス測定器３００は、コネクタ部２００に接続される。

インダクタンス測定器３００は、ポールピース部１０１がポールピース支持部１０２に進退自在に螺合された状態でコネクタ部２００を介して励磁電圧などを測定し、Ｉ／Ｐモジュールのコイル５０のインダクタンスを測定する。

第２のハウジング１００のポールピース部１０１は、このインダクタンスの測定結果に基づいて、あらかじめ定められたインダクタンスの範囲（たとえば１１．１９〜１１．５３Ｈ）を満たすように、螺合位置が調整される。

たとえばポールピース部１０１は、まずポールピース支持部１０２に進退自在に螺合され、インダクタンス測定器３００の測定結果に基づいて第１のハウジング１０に近い位置または遠い位置に調整される。

具体的には、第１のハウジング１０と第２のハウジング１００のポールピース部１０１の距離が近くなるほど、間隙ＡＧ１００および２００の間隔が短くなって磁気抵抗が減少するので、インダクタンスは高くなる。

調整位置が決定した後に、第２のハウジング１００とポールピース部１０１は、ナット１０３およびワッシャ１０４で固定する。

この結果、本発明に係るＩ／Ｐモジュールは、着脱可能で螺合位置が調整可能な第２のハウジングのポールピースを、あらかじめ定められたインダクタンスを満たすように調整することにより電空変換モジュールのゲイン特性のばらつきを抑えることができる。

なお、上記実施例の第１のハウジング１０および第２のハウジング１００は、たとえば純鉄、フェライト系のステンレス、パーマロイなどの軟磁性の材料から構成されるものであってもよい。また、磁石部３０は、たとえばエネルギー積の大きなサマリウム−コバルト磁石、または鉄−ネオジウム磁石などが適用されるものであってよい。

また、上記実施例のポールピース部１０１のねじ部（雄ねじ）は、細目ねじにするものであってもよく、ポールピース支持部１０２のねじ部（雌ねじ）もあわせて細目ねじとなるものでもよい。この場合には、第２のハウジング１００とポールピース部１０１との嵌め合わせの際に微調整が可能となる。

また、第２のハウジング１００とポールピース部１０１との嵌め合わせを調整するにあたっては、両ねじ部の少なくともいずれかにフェライト含有エポキシ樹脂を充填するものでもよい。この場合、可動部４０とポールピース部１０１間のエアギャップによる磁気抵抗の増加を防ぐことが可能となる。

また、Ｉ／Ｐモジュールの各部の寸法や磁石の保持力のばらつきによってゲイン特性にばらつきが生じてしまうケースには、従来より、たとえば、
１）流路部先端の面取り寸法が異なると流量係数が増加しゲインが低下するケース
２）可動部の厚さ寸法が厚くなると剛性が増加しゲインが低下するケース
３）磁石の外径寸法が大きくなると磁束が増加しゲインが増加するケース
４）磁石の内径寸法が大きくなると可動部の支点が変わり、また磁束も変化することによりゲインに影響を与えるケース
５）第１、第２のハウジングのポールピースの直径寸法が大きくなると磁束が増加しゲインが増加するケース
６）第１、第２のハウジングの面取り寸法が大きくなると磁束が減少し、ゲインが減少するケース
などがあったが、本発明に係るＩ／Ｐモジュールによれば、これらの電空変換モジュールのゲイン特性のばらつきを抑えることができる。

なおインダクタンス測定器３００は、各機能の動作を制御する演算制御部（たとえば、ＣＰＵ）、各種情報を格納する記憶部（図示せず）、外部機器とデータ通信する通信部（図示せず）、励磁電圧などを測定する励磁測定回路から構成されるものであってよい。

たとえばインダクタンス測定器３００の演算制御部は、主に各機能を統合的に制御し、記憶部（図示せず）に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で格納されたプログラムを読み出して実行することにより、インダクタンス測定器３００全体を制御し、インダクタンス測定器３００固有の動作を行うものであってよい。たとえば記憶部のＲＡＭ（図示せず）は、その動作の際に作業領域として使用される。

具体的には、インダクタンス測定器３００の演算制御部は、励磁測定回路などで測定された励磁電圧などを用いて、コイル５０のインダクタンスを求める演算を実行する。さらにインダクタンス測定器３００の演算制御部は、インダクタンス値がばらつく場合など必要に応じて平均値を算出するなどの統計的な処理を行う。

また、インダクタンス測定器３００の記憶部（図示せず）は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory)、フラッシュメモリ、ハードディスクなどであって、主にＯＳやインダクタンス測定器として動作するためのプログラムや各種情報を格納するものでよい。

以上説明したように、本発明によればＩ／Ｐモジュールは、電空変換モジュールのゲイン特性のばらつきを抑えることができ、バルブポジショナによってバルブの的確な開度制御でき、石油、鉄鋼、化学プラントにおける適切なプロセス制御への貢献が期待できる。

本発明に係るＩ／Ｐモジュールの構成図である。 実験結果に基づくインダクタンスとゲインの関係の説明図である。 本発明に係るＩ／Ｐモジュールにおけるインダクタンス測定の説明図である。 従来のＩ／Ｐモジュールを用いたバルブポジショナを示す構成ブロック図である。 従来のＩ／Ｐモジュールの一例を示す構成図である。

符号の説明

１ ＭＡＵ
２ フィールドバスモデム
３ 制御手段
４ Ｄ／Ａ変換手段
５ Ｉ／Ｐモジュール
６ コントロールリレー
７ バルブ
８ 位置センサ
９ Ａ／Ｄ変換手段
１０ 第１のハウジング
１０ａ ポールピース部
１０ｂ 排気孔
２０ 流路部
３０ 磁石部
４０ 可動部
５０ コイル
６０ 第２のハウジング
６０ａ ポールピース部
１００ 第２のハウジング
１０１ ポールピース部
１０２ ポールピース支持部
１０３ ナット
１０４ ワッシャ
２００ コネクタ部
３００ インダクタンス測定器

Claims (4)

1. コイルに入力される電気信号に応じて変位する可動部と、この可動部が第１のハウジングに固定された磁石部と第２のハウジングのポールピース部とに挟持固定されることにより形成され前記可動部の可動領域となる第１および第２の間隙とを備え、前記可動部の変位に応じた圧力を供給する電空変換モジュールであって、
   前記第２のハウジングは、取り付け位置が調整可能なポールピース部を備え、
   前記ポールピース部は、前記可動部との距離を調整して前記第１および第２の間隙間隔を制御することにより前記コイルのインダクタンスを制御し、
   前記第２のハウジングおよび前記ポールピース部には、進退自在に螺合するためのねじ部がそれぞれ形成され、
   電空変換モジュール内では前記コイルと接続され、外部のインダクタンス測定器と接続して前記コイルのインダクタンスを測定するためのコネクタ部を備える
   ことを特徴とする電空変換モジュール。
2. 前記ポールピース部は、
   前記ねじ部にフェライト含有エポキシ樹脂が充填されることを特徴とする請求項１に記載の電空変換モジュール。
3. 前記ねじ部は細目ねじであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電空変換モジュール。
4. 入力される電気信号に応じた圧力を供給する電空変換モジュールを備え、前記圧力によりバルブを動作させるバルブポジショナにおいて、
   前記電空変換モジュールは、
   ハウジングの一部にポールピース部が設けられていて、このポールピース部は前記ハウジングに対して取り付け位置が調整可能に構成されていることを特徴とするバルブポジショナ。

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