JP5394262B2 - ダイアフラムの状態を監視するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にプロセス制御のためのダイヤフラムに関するものであり、さらに具体的にいえば、ダイアフラムの状態を監視するための方法および装置に関するものである。

プロセス産業では、制御弁またはレギュレータの如きプロセス制御デバイスを流れる流体の流れを制御するためさまざまな用途においてダイヤフラムを用いることが知られている。プロセス産業では、ダイヤフラムは、通常可撓性を有した圧力に応答するエレメントであって、力を制御エレメントに伝えるためにまたは流路内に可変絞りを形成して流体の流れを制御するために用いられている。一つの典型的なダイヤフラムの用途では、ダイヤフラムは、バネ−ダイヤフラム型のアクチュエータ内の負荷エレメントとして用いられており、制御弁内で制御エレメントの位置決めをするためにアクチュエータに加えられる制御圧力に応じてアクチュエータにスラストを加えるようになっている。他の典型的なダイヤフラム用途では、ダイヤフラムは、ダイヤフラム弁もしくはウェヤー（Ｗｅｉｒ）弁または圧力レギュレータの内の流体の流れ制御エレメントとして用いられている。

典型的なバネ−ダイヤフラム型のアクチュエータの用途では、可撓性を有したダイヤフラムがダイヤフラム板に結合され、このダイヤフラム板がアクチュエータロッドに取り付けられ、ダイヤフラム組立体を形成するようになっている。ダイヤフラム組立体は、アクチュエータ組立体内の上側ダイアフラムケースと下側ダイアフラムケースとの間に保持され、シールされた負荷チャンバおよびベントチャンバを有した本体またはハウジングを形成している。アクチュエータ組立体内には、アクチュエータバネが配置され、負荷圧力なしで、ダイヤフラム組立体を付勢により既知の位置に位置決めするようになっている。動作においては、ポジショナの如きプロセス制御装置を介して流体圧力または負荷圧力が負荷チャンバに加えられ、アクチュエータバネにより生成される付勢力に対抗してダイヤフラム組立体のアクチュエータロッドを変位させる。プロセス制御装置からの付加圧力を制御することにより、ダイヤフラム組立体のアクチュエータロッドの位置を制御することができ、このことが、それの結合されている制御弁内の制御エレメントの位置決めをすることとなる。

他の典型的なダイヤフラム弁は、通過する流体の流れを遮断または調節するためにアクチュエータ部材によって流路内で変位されるダイヤフラムを備えている。すなわち、ダイヤフラム制御エレメントを一時的に変形するためにアクチュエータが用いられ、このダイヤフラム制御エレメントが、そのまま、流路内における可変絞りとして作用する。したがって、この種のダイヤフラム弁では、プロセス流体はダイヤフラムと流路としか接触せず、弁の他のうちのさまざまな他の部分は、プロセス流体の潜在的な過酷な影響から保護されている。したがって、ダイヤフラム弁は、限定するわけではないがたとえば化粧品、薬品、食料および飲料の処理ならびに有毒な流体および／または腐食性流体の処理を含む化学処理または化学的操作に非常に適している。

ダイヤフラムをベースにした制御エレメントの他の例は流体圧力レギュレータである。先に記載した制御弁とは異なり、このレギュレータは、レギュレータの出口の流体圧力を制御するにあたって、レギュレータの出口の圧力に比例する力と調整可能な負荷組立体により供給される負荷力との間の力バランスに依存するようになっている。すなわち、レギュレータは、通常比較的高圧の流体を流体供給源から受け入れ、広範囲の出力負荷（すなわち、流れに関する要求項目や、流体容量などの変化）に対して安定した一定の出力を供給しながら、比較的低い流体圧力で流体を圧送するようになっている。当業者にとって明らかなように、圧力レギュレータは、通常、負荷エレメント（たとえば、バネ）により生成される反作用的な力に対抗してダイヤフラムに作用する出口流体圧力が生成するバランス力を用いて絞りエレメント（弁）の位置を制御することによって動作するようになっている。

先に記載されたすべての用途において、ダイヤフラムは、個々の用途に対して適切な弾力性、耐摩耗性および耐薬品性を有したものが選択されている。当該ダイヤフラムは、特性の優れたダイヤフラムの選択にもかかわらず、温熱状態および酸化を含む環境暴露および化学暴露に起因してまたは使用中にダイヤフラムが受ける屈曲の回数またはサイクル数に関連する物理的特性の変化に起因して劣化する。先に記載の用途のうちのいずれにおいても、ダイヤフラムは、周囲が取り囲まれており、ダイヤフラムの状態の検査にあたって制御デバイスを分解しなければならず視覚的検査が非常に困難でありかつ時間がかかる。

したがって、周期的におよび／またはスケジュールに従ってダイヤフラムを交換する予防保守手法が採用されている。しかしながら残念なことには、劣化がダイヤフラムの使用法およびプロセスへの暴露の関数であるのため、プロセス産業で用いられているダイヤフラムは、周期的におよび／またはスケジュールに従って交換する必要がなくてよいものがほとんどである。

一つの実施例によれば、弁は、弁箱と、この弁箱を貫通する流路とを備えている。流路は、入口と、出口と、当該流路を流れる流体の流れを制御するために流路内に設けられているダイヤフラムとを有している。また、弁は、ダイヤフラムの摩耗に関する少なくとも一つの状態を監視するためのセンサをさらに備えている。

他の実施例によれば、ダイヤフラム状態監視装置は、ダイヤフラムと、このダイヤフラムに作用可能に結合されたセンサとを備えている。また、このダイアフラムの状態を監視するための装置は、ダイアフラムの状態を究明するためにセンサから信号を受信するための制御ユニットをさらに備えている。

さらに他の実施例によれば、ダイアフラムの状態を究明する方法は、ダイヤフラムに作用可能に結合されているセンサから測定データを受信することと、ベースライン信号を取得することとを含んでいる。このダイアフラムの状態を究明する方法は、測定信号をベースライン信号と比較してダイアフラムの状態を究明する。

さらに他の実施例によれば、ダイヤフラムを交換するための方法は、ダイヤフラムセンサから受信された信号に基づいたダイヤフラム状態インジケータ（表示情報）を受信することを含んでいる。また、ダイヤフラムを交換するための方法は、ダイアフラム状態インジケータに応答してフィールドのサービサブルデバイス内のダイヤフラムを点検修理することをさらに含んでいる。

例示のダイヤフラムセンサを備えた、閉弁位置にあるダイヤフラム弁の一例を示す断面図である。 例示のダイヤフラムセンサを備えた、開弁位置にあるダイヤフラム弁の一例を示す断面図である。 図１Ａおよび図１Ｂのダイヤフラムセンサの実施形態を示す詳細図である。 図１Ａおよび図１Ｂのダイヤフラムセンサの実施形態を示す詳細図である。 図１Ａおよび図１Ｂのダイヤフラムセンサの実施形態を示す詳細図である。 図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂおよび図３の例示のダイヤフラムセンサからの出力信号を示すデータプロットの一例である。 図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂおよび図３の例示のダイヤフラムセンサを用いてダイアフラムの状態を監視するプロセスの一例を示すフローチャートである。 図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂおよび図３の例示のダイヤフラムセンサを用いてダイヤフラムの点検修理の必要性を監視するためのプロセスの一例を示すフローチャートである。

例示のダイヤフラム組立体では、当該ダイヤフラム組立体の圧力応答構成部材またはダイヤフラムの状態を示す信号を提供するためのセンサが用いられている。本明細書に記載の例示のダイヤフラム組立体により、サービス中にダイヤフラムの劣化の程度を判断することが可能となり、手動でダイヤフラムを検査する場合に生じる保守コストを著しく削減することができる。本明細書に記載の例示のダイヤフラム組立体がダイヤフラムまたはウェヤー弁の視点から説明されており、ダイヤフラムセンサが、圧力応答ダイヤフラムの状態を検出するための導電率センサまたはひずみゲージとして記載されているものの、当業者にとって明らかなように、バネ−ダイヤフラム型のアクチュエータまたはレギュレータに用いられるダイヤフラムの如き他のいかなるタイプのダイヤフラムが、当該ダイヤフラムの物理的特性または材料特性（状態）を監視するための他のタイプの電気的、光学的、音響学的および／または物理的なセンサデバイスと共に用いられてもよい。これに加えて、本実施形態としてはエラストマおよび／またはゴム状物質から造られるダイヤフラムが記載されているが、当業者にとって明らかなように、たとえば金属製のダイヤフラムの如き可撓性を有したまた弾力性を有したいかなるダイヤフラムが用いられて測定されてもよい。また、当業者にとって明らかなように、ダイヤフラムは、加えられた圧力に応じて移動する可撓性を有しうる領域と、たとえばダイヤフラムの取り付けを可能とする可撓性の低い領域とを有していてもよい。

図１Ａを参照すると、例示のダイヤフラム弁１００の断面図が示されている。例示の弁１００は、弁箱１０５と、流体配管（図示せず）に接続されている流路１０７とを備えている。流路１０７は、出口流路１１５に接続される入口流路１１０で流体を受け入れる。図示されている実施例では、ボンネット１２０が、弁箱１０５に取り付けられ、弁棒１２５の一方の端部にプランジャ１３０を有した弁棒１２５を案内するようになっている。プランジャ１３０は、下方に向けて（すなわち、流路１０７の中へ）ダイヤフラム１３５を力で移動させることにより、ダイヤフラム１３５の一部分を変位させ、可変絞りを形成するように構成されている。このように、動作時に、ダイヤフラム１３５の底面１４０が弁箱１０５の面１４５に向けて移動すると、入口流路１１０から出口流路１１５への流体の流れが、部分的にまたは全体的に阻止または遮断されることとなる。

図示されている実施例では、一または複数のダイヤフラムセンサ１５０がダイヤフラム１３５に載置されるかまたはダイヤフラム１３５に埋め込まれる（たとえば、結合もしくは成型される）ようになっている。下記にさらに詳細に記載されているように、ダイヤフラムセンサ５０は、センサリードまたはワイヤ１５５を通じて、ダイヤフラム１３５のステータスまたは状態を示す特性信号を外部制御ユニット１６０へ送信する。それに加えてまたはそれに代えて、下記にさらに詳細に記載されているように、弁１００が、埋め込まれたコントローラまたはさらに一般的には制御ユニットにより作動されるようになっていてもよい。

一般的にいえば、ダイヤフラム１３５は、とりわけダイヤフラムを作る材料のタイプおよびダイヤフラム１３５の使用時の動作状態に基づくさまざまな特性またはパラメータを有している。ダイヤフラム１３５は、その使用時、サイクル運動中（すなわち、繰り返して曲げられる間）さまざまなプロセス媒体およびプロセス温度に暴露されることにより、ダイヤフラム１３５のさまざまな特性またはパラメータ（たとえば、曲げやすさまたは追随性、圧縮永久ひずみまたはオフセットなど）に変化がもたらされる。たとえば、新規のダイヤフラム（すなわち、まだ使用されていないもの）は、化学薬品による腐食、プロセス媒体からの加熱、繰返しサイクル動作および寿命による前述の特性の経時的変化に相関するデュロメータ硬さ（すなわち、硬度）の値を有している。ダイヤフラム１３５の製造業者および／またはユーザは、デュロメータ硬さがどの程度変化したときダイヤフラム１３５の交換が必要となるかを実験的に求めてもよいしおよび／または理論的に求めてもよい。したがって、センサ１５０は、ダイヤフラム１３５のデュロメータ硬さを示す信号を、周期的に、スケジュールに従って、または、ある動作サイクル数毎に提供し、測定値を、ダイヤフラム１３５が新しかったときに得られたベースライン測定値と比較してもよい。ベースライン読み取り値または測定値と現在の測定値との間の差がしきい値（たとえば、相対的変化量および／または絶対的変化量）を上回ってしまった場合または下回ってしまった場合、ダイヤフラム１３５のエンドユーザは、経費を削減するために定期的プラント保守中に修理をスケジュールしてもよいし、また、実際に故障してしまう前にダイヤフラム１３５を交換してもよい。

上記の実施例には、ダイヤフラム１３５がダイヤフラムセンサ１５０により検出されうるデュロメータ硬さを示す特性を有していると記載されているが、ダイヤフラムセンサ１５０により検出されうるダイヤフラム１３５の他のまたは追加の特性または状態には、限定するわけではないが、不透明度、光応答（たとえば、測定された明るさ、測定された光学的振動数）、力応答、抵抗、コンダクタンス、電圧、電流、信号伝播遅れおよび／または音響応答（たとえば、測定された音響強度、測定された音響周波数など）が含まれる。

このような情報を伝達するために、センサのリードまたはワイヤ１５５がボンネットの開口部１６５を通り抜けるようになっていてもよい。この開口部は、たとえば気密性のグロメットを含んでいてもよい。制御ユニット１６０は、ダイヤフラム１３５に関連する特性、状態またはパラメータ（値の範囲）が了承可能なまたは適切な範囲内か、ダイヤフラムの修理が必要であることを示すしきい値を上回る／下回るかを判断するためのダイヤフラムセンサからの信号を受信するようになっていてもよい。一または複数の特性、状態またはパラメータ値がダイヤフラム１３５の問題または起こりうる故障を示している場合、制御ユニット１６０は、オペレータおよび／または制御システムに保守が必要であるというアラートを出すようになっていてもよい。

図示されている実施例では、ダイヤフラム動作インジケータ／スイッチ１７０は、ダイヤフラム１３５が停止位置（たとえば、弁１００が完全に開弁／閉弁している位置）にあるか、完全に動作位置（たとえば、弁１００が完全に閉弁／開弁している位置）にあるか、または、中間の位置にあるかを示す表示情報を提供するようになっている。当業者にとって明らかなように、ダイヤフラム動作スイッチ１７０は、有限の位置ステップ（たとえば、開弁、閉弁、部分的に開弁／閉弁）を提供してもよいし、または、スイッチ１７０は、より高い位置解像度を提供するためにエンコーダを用いて具象化されてもよい。また、ダイヤフラム動作スイッチ１７０は、ダイヤフラム１３５および／またはプランジャ１３０の位置を求めるためにホール効果センサを採用してもよい。ダイヤフラム動作スイッチ１７０からの信号は、リードまたはワイヤ１７２を通じて外部制御ユニット１６０に送信されてもよい。制御ユニット１６０には、限定するわけではないが、パソコン（ＰＣ）、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサまたはＧＥ（登録商標）ＦａｎｕｃシリーズＰＬＣの如きプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）が含まれる。

図１Ｂは、図１Ａの例示のダイヤフラム弁１００を示す断面図である。しかしながら、図１Ｂでは、ダイヤフラム弁１００は完全に開弁された位置で示されており、この位置では、プロセス流体は、入口流路１１０から出口流路１１５へ自由に流れることが可能となっている。したがって、ダイヤフラム弁１００がノーマリオープン型弁である場合、ダイヤフラム１３５は、図１Ｂに示されているような完全に開弁された位置のとき最小量のストレスしかまたはなんらのストレスも持たない状態（たとえば、リラックス状態）に置かれる。しかしながら、ダイヤフラム１３５は、弁箱１０５の直径（寸法線ｘにより図示されている）を横断した後に最も物理的なストレスを（たとえば、伸張により）受ける（たとえば、完全な動作状態）。制御ユニット１６０は、ダイヤフラム１３５および／またはプランジャ１３０の移動経路上におけるいかなる位置の読み取り値をもダイヤフラムセンサ１５０から取得してもよい。しかしながら、進行する摩耗の特性信号、化学的劣化の特性信号および／または他の故障信号は、下記にさらに詳細に記載するように、既知の位置（たとえば、開弁、閉弁、中間）に対応する一または複数の前に測定されたベースライン値をセンサ信号と比較することによって求められることが一般的である。

当業者にとって明らかなように、弁棒１２５およびプランジャ１３０のさまざまな位置を用いて流体の流れが効果的に制御または調整されている。これに加えて、図示されている例示のダイヤフラム弁１００がプランジャ１３０およびダイヤフラム１３５の下方に向かう移動により閉弁する（すなわち、流体の流れが実質的に抑制または阻止される）ノーマリオープン型弁として示されているが、ノーマリクローズド型ダイヤフラム弁が用いられてもよい。

ダイヤフラム１３５を作るには、弾性部材、エラストマ、繊維を含浸した／織ったエラストマおよび／または金属が用いられてもよい。このような材料を用いてダイヤフラム１３５を生み出すことにより、ダイヤフラム１３５に、化学薬品による腐食および高温／低温に起因する有害性または破損に対する耐性を持たせることができるようになり、ならびに／または、当該ダイヤフラム１３５の耐久性（たとえば、サイクル寿命）を向上させることができるようになる。また、ダイヤフラム１３５は、当業者にとって公知となっている合成ゴムなどの如き可撓性を有したポリマー材料、および／または、ナイロンの如き高強度繊維から作られてもよい。

図２Ａは、ダイヤフラム１３５上に取り付けられた例示のダイヤフラムセンサ１５０ａを示す平面図である。図示されている実施例では、ダイヤフラムセンサ１５０ａは、三つの導電性ワイヤ２１０ａ、２１２ａおよび２１４ａを有している。図２Ａには、同心円状に配置された導電性ワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａを有するおおむね円形状の例示のダイヤフラム１３５が示されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、ダイヤフラム１３５は他のいかなる形状（たとえば、非円形状）であってもよいし、また、いかなる他の様態で配置されるより少ない数のまたはより多い数の導電性および／または抵抗性のワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａを有していてもよい。ワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａの各々は第一の端部２２２と第二の端部２２４とを有しており、これらは、電圧計、オーム計、導電性テスターおよび／またはプロセッサに接続されうる。このプロセッサは、電圧、抵抗を測定することができ、および／または、開回路／閉回路を判断することができる。

動作時、図２Ａの例示のダイヤフラム１３５は、＋／−ｘ方向に向けて（たとえばプランジャ１３０または気圧により）変位されると、屈曲してさまざまな力を受けることとなる。たとえば、図１Ｂに示されているように、ダイヤフラム１３５が距離ｘを横断すると、ダイヤフラムの材料のうち中心線２３０に沿った部分が最も変位するが、ダイヤフラムの材料のうちのダイヤフラム端部２３２における部分は弁箱１０５に固定されているので少ししかまたはまったく変位しない場合もある。ダイヤフラム１３５は、いくつかの要因に応じて、中心線２３０とダイヤフラム端部２３２との間のさまざまな部位において非常に大きな摩耗および／または物理的な破壊を受けうる。要因としては、限定するわけではないが、ダイヤフラム１３５上のプランジャ１３０からの摩擦力、ダイヤフラム１３５上の伸張力、および／または、ダイヤフラム１３５上のプロセス流体による摩耗（これは出口流路１１５側よりも入口流路１１０側で大きい）が挙げられる。

例示のダイヤフラムセンサ１５０ａは、複数の導電性ワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａを有しており、ダイヤフラム１３５を構成する材料のサイクル寿命よりも短いサイクル寿命を有するように構成されてもよい。その場合、制御ユニット１６０は、閉回路用のワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａを監視するように構成されうる。したがって、複数のワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａのうちの一つが、ダイヤフラムの開弁／閉弁のサイクル数が多くなって切断されるまたは断続的に切断されるようになると、制御ユニット１６０は開回路および／または断続的開回路であると判断する。開回路状態（すなわち、ワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａのうちの一または複数のワイヤの機械的または電気的な切断）の検出に応答して、制御ユニット１６０は、プロセス保守係に開回路に注意を促し、ダイヤフラム１３５がその耐用年数の終了点に近づきつつある恐れのあることを示すようにしてもよい。

同様に、制御ユニット１６０は、例示のダイヤフラムセンサ１５０（この場合、複数のワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａ）を監視して、抵抗値、導電度および／または印加電圧を求めてもよい。当業者にとって明らかなように、さらに容量性タイプのセンサを形成する導電トレースを形成することによって、ダイヤフラム１３５の現在の状態を示す容量測定またはインピーダンス測定を可能としてもよい。

さらに明らかなように、ダイヤフラムセンサ１５０ａが電流ループの形態をとってもよい。電流ループ構成（たとえば、４−２０ミリアンペア（ｍＡ））は、電気雑音および長いセンサリードを有するプロセス制御環境にとくに適している。４−２０ｍＡ用電流ループ構成も信号配線中の電圧降下によって影響を受けないようになっている。電流ループ構成内のダイヤフラムセンサ１５０ａの測定は、既知の電気抵抗値（たとえば１％の精度での定格が１０Kオームである抵抗器）の両端の電圧降下を測定することにより行われる。

ベースライン抵抗、ベースラインコンダクタンスおよび／またはベースライン電圧値は、制御ユニット１６０のメモリに格納されており、その後のダイヤフラムセンサ１５０ａの測定値はそれぞれベースライン測定値と比較される。したがって、ダイヤフラム１３５およびワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａが新しいときに複数のワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａのベースライン抵抗が５０オームである場合、制御ユニット１６０は、次の測定値が、前もって決められているしきい値を超えるまたはそれに接近する場合、警告信号を起動しうる。このようなしきい値は、ダイヤフラム１３５が故障した状態になるまえに警告信号がトリガされるよう理論的に決定されてもよいしまたは実験的に決定されてもよい。

図２Ｂには、センサリード２４０で４−２０ｍＡ用の構成を有したダイヤフラムセンサ１５０ｂが形成されている例示のダイヤフラム１３５が示されている。動作時、例示のダイヤフラムセンサ１５０ｂは、開回路状態／閉回路状態、抵抗値および／または導電度を求めるべくワイヤ２１０ｂ、２１２ｂ、２１４ｂを監視する。ワイヤ２１０ｂ、２１２ｂ、２１４ｂからの測定値に応じて電流値がセンサリード２４０上に比例して生じる。したがって、オペレータは、図２Ａに示されているような複数のワイヤ２１０ａ、２１２ａ、２１４ａの各々からの一対のリード２２２、２２４というよりもむしろ二つのワイヤリード２４０の出力を監視するだけでよい。

図２Ｂに示されている実施例では、ダイヤフラムセンサ１５０ｂは制御ユニット２５０を備えている。制御ユニット２５０は、プロセッサ２５５と、メモリ２６０と、入出力（Ｉ／Ｏ）ポート２６５と、センサインターフェイス回路２７０とを備えている。センサインターフェイス回路２７０は、アナログ出力を有しているダイヤフラムセンサ用のアナログ−デジタル変換器であってもよいし、または、デジタル出力を提供するダイヤフラムセンサ用のカウンタタイプ回路であってもよい。プロセッサ２５５は、測定値とベースライン値との間の差を計算する算術機能の如き演算能力を有したマイクロプロセッサを備えている。また、プロセッサ２５５は、適切なアラーム信号／アラート信号を発生させＩ／Ｏポート２６５を経由して送信しうるように、測定値としきい値との差をさらに計算するようになっていてもよい。メモリ２６０は、たとえばベースライン測定値および／またはプロセッサ２５５のためのプログラムインストラクション（たとえば、ソフトウェア、機械よる読み込み可能、および、実行可能なインストラクション）を格納するために用いられてもよい。ダイヤフラムセンサ１５０ｂにより提供される出力信号はアナログであってもよいしまたはデジタルであってもよく、また、このような信号はダイヤフラム１３５の対応する物理的パラメータに比例してもよいしまたは比例しなくてもよい。したがって、メモリ２６０は、測定信号をダイヤフラムの物理的特性（たとえば、力の単位、抵抗の単位など）に変換するためのアルゴリズムおよび／またはルックアップテーブルを格納するようになっていてもよい。

制御ユニット２５０は、アリゾナ州フェニックスにあるマイクロチップ（登録商標）によるｒｆＰＩＣ１２Ｆ６７５Ｋ（「ＰＩＣ」）の如きマイクロコントローラを用いて具象化されもよい。たとえば、ＰＩＣは、６つの汎用入出力（Ｉ／Ｏ）ピンとアナログ−デジタル（Ａ／Ｏ）コンバータとを備えた８ビットのマイクロコントローラである。Ｉ／Ｏピンがダイヤフラムセンサ１５０ｂからの信号を受信しＩ／Ｏ信号をワイヤを通じて弁１００の外部へ送信するために用いられうるが、ＰＩＣは、振幅シフトキーイング（ＡＳＫ）または振動数シフトキーイング（ＦＳＫ）によりデータを送信することができる無線周波数（ＲＦ）トランスミッタをさらに備えている。当業者にとって明らかなように、これに代えて、他のマイクロコントローラが用いられてもよい。または、制御ユニット２５０の使用に代えて、ダイヤフラムセンサ１５０ｂからの出力がワイヤを通じて弁１００から出力され、生の（無調整の）アナログ状態および／またはデジタル状態の信号が提供され、制御ユニット１６０による解釈および／または処理がなされるようになっていてもよい。しかしながら、ダイヤフラム１３５の表面上にダイヤフラムセンサ１５０ｂを取り付けるよりもむしろ、図２Ｂに示されているように、例示のダイヤフラムセンサがダイヤフラム１３５内に一体化される方がまたは埋め込まれる方がよい。

他の実施例では、ダイヤフラムセンサは、図３に示されているようなダイヤフラム１３５に取り付けられたひずみゲージである。当業者にとって明らかなように、一枚の導電性金属片が伸張された場合、その金属はより長くかつより薄くなる。このような材料の変化はその金属の抵抗値特性を変える効果を有している（すなわち、一枚の金属片が伸張され薄くされると、電気抵抗が大きくなる）。伸張が金属の降伏点以下で行なわれるとすると、それに対応する金属の圧縮作用が、金属を短くし、このことにより電気抵抗を小さくする。したがって、ひずみゲージの抵抗の増大／減少を通じて表面の物理的特性を測定するために、金属製のひずみゲージの双方向の移動を用いることができる。一般的にいえば、上述のプロセスは、ダイヤフラム１３５上に取り付けてその動作特性を監視しうるひずみゲージ用いて実現される。その場合、制御ユニット１６０は、当業者に公知となっている方法で（たとえば、ホイートストンブリッジを用いて）ひずみゲージの抵抗値を処理するように構成されてもよい。

図３には、ひずみゲージとして構成されているとともにダイヤフラム１３５に取り付けられたダイアフラムセンサ１５０ｅ、１５０ｆ、１５０ｇを有する例示のダイヤフラム１３５が示されている。図示されている実施例では、ダイヤフラムセンサ１５０ｅ、１５０ｆの各々が、制御ユニット１６０に作用可能に接続されているワイヤ３０５を有している。限定するわけではないが、ダイヤフラムセンサ１５０ｅ、１５０ｆ、１５０ｇは、ダイヤフラムセンサ１５０ｇにより示されているように、センサ１５０ｅ、１５０ｆ、１５０ｇの一体化した部分として制御ユニット２５０を有している。したがって、ダイヤフラムセンサ１５０ｇは、プロセスエンジニアおよび／または他の人にダイアフラムの状態を知らせるために、警報デバイス（たとえば、閃光等灯、サイレン）および／または、処理制御システムを有している。図示されている実施例が三つのひずみゲージを有しているが、当業者にとって明らかなように、ダイヤフラム１３５の状態を判断または監視するためにより少ない数のまたはより多くの数のひずみゲージが用いられてもよい。

ダイヤフラムセンサ１５０ｅ、１５０ｆ、１５０ｇのひずみゲージは、最初に、弁１００がシステム内に搭載される前、たとえば製造後のテスト中にまたはセンサ１５０ｅ、１５０ｆ、１５０ｇがダイヤフラム１３５に搭載された後に、一または複数の弁駆動サイクル中に測定または特徴付けがなされる。次いで、ダイヤフラム１３５の耐久年数全体にわたって、ダイヤフラムセンサ１５０ｅ、１５０ｆ、１５０ｇにより読み取り値（たとえば、ひずみ読み取り値）が取られ、最初の測定値と比較され、その差異が、追跡、測定、計算および／または観察される。測定値の変化は、化学薬品による腐食、高いサイクルカウントおよび／または熱疲労によるダイヤフラムの劣化による物理的劣化であるダイヤフラムの摩耗を示している場合もある。たとえば、ダイヤフラム材料は、それが新しいとき、印加された力に対して大きな物理的な耐性を示す。しかしながら、動作サイクルおよび／またはプロセス媒体による化学的腐食が複数回繰り返えされると、ダイヤフラム材は、加えられた力に対して小さな物理的耐性しか示さなくなる。この物理的な耐性がひずみゲージ１５０ｅ、１５０ｆ、１５０ｇにより測定される。計算により求められた差異が前もって決められているしきい値（たとえば、抵抗値）を上回るまたは下回る場合、制御ユニット１６０は、プロセスオペレータおよび／または他のユーザに対して弁１００の予防保守を行なうべきであるという警告を出すことにより、任意のスケジュール、周期的なスケジュールおよび／または日付ベースのスケジュールに従ったダイヤフラムの不必要な交換を排除することが可能となる。さらに、ダイヤフラム１３５が期待耐用年数サイクル（たとえば、サイクル数または使用された時間数）を超えた場合、前もって決められているしきい値に到達したまたはそれを超過したということを示す表示情報により、突発的な故障に先立って予防保守を行うことが可能となる。

上述の例示のダイヤフラムセンサがダイヤフラム弁の状態を検出するためのひずみゲージおよび導電率センサの視点から説明されているが、当業者にとって明らかなように、バネ−ダイヤフラム型のアクチュエータまたはレギュレータに用いられるダイヤフラムの如き他のいかなるタイプのダイヤフラムが、当該ダイヤフラムの物理的特性または材料特性（状態）を監視するための他のタイプの電気的検出デバイス、光学的検出デバイス、音響的検出デバイスおよび／または物理的検出デバイスとともに用いられてもよい。 これに加えて、上述の実施例には、エラストマおよび／またはゴム状材料から造られるようなダイヤフラム１３５が記載されているが、当業者にとって明らかなように、たとえば金属製のダイヤフラムの如きいかなる可撓性のあるダイヤフラムが用いられ測定されてもよい。したがって、本明細書に記載のダイヤフラムセンサは、光学、音響（たとえば、ＳＯＮＡＲ、音、周波数特性）および／または運動（たとえば、加速度計）を採用しうる。したがって、ダイヤフラムセンサ１５０は、電圧センサ、電流センサ、導通センサ、光学センサ、音響センサ、ひずみゲージおよび／または運動センサを用いて具象化されうる。さらに、ダイヤフラム１３５の状態を監視するために、センサおよび／またはセンサタイプを任意に組み合わせたものがダイヤフラム上に実装されてもよい。

図４は、ダイヤフラムセンサ１５０（たとえば、上述のダイヤフラムセンサ１５０ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆおよびｇのうちの一または複数）からの出力データを表わす例示のデータグラフ４００である。出力データは信号処理されていないセンサ１５０からの生の値であってもよいし、または、信号は、ダイヤフラム１５０の対応する特性または状態を示す値を計算するために調整および／または処理されていてもよい。図示されている実施例では、縦軸４０５は、ダイヤフラムの特性または状態（たとえば、不透明度、抵抗、コンダクタンス、力、音響の大きさ）に関するダイヤフラムセンサ１５０の値を示しており、横軸４１０は時間を示している。また、例示のデータグラフ４００には、ダイヤフラム１３５の状態がいつ交換に値するかまたはそれが必要となるかを特定するためのしきい値４１５も含まれている。例示のしきい値４１５は、理論的にまたは実験的に、ダイヤフラム１３５の故障が発生しそうなポイントを上回る／下回るある値に決められおよび／または設定されてもよい。たとえば、しきい値４１５を実際に予期されている故障ポイントよりも１０％高い値に設定することにより、保全係が適時に保守予防のスケジュールを立てることが可能となる。

当業者にとって明らかなように、例示のデータグラフ４００に代えて、ダイヤフラムセンサ１５０から取得されたデータが、メモリ（たとえば、制御ユニット２５０のメモリ２６０、制御ユニット１６０のメモリ、パソコン（ＰＣ）のハードドライブなど）内にテーブル形式で格納されてもよい。図示されている実施例では、時間（ｔｏ）４２５における第一の測定値４２０は、ダイヤフラム１３５がエンドユーザの用途（たとえば、化学処理プラント、化粧品プロセス）に適用される前または用いられる前にダイヤフラムセンサ１５０よって提供されるダイヤフラム１３５のなんらかの特性または状態を表す出力値のベースライン測定値である。時間の経過とともに、その後に測定されるダイヤフラムセンサ１５０の値は小さくなっていくが、このことは、ダイヤフラム１３５が化学薬品による腐食および／または温度変動の影響を受けていることを示している。ダイヤフラムセンサ１５０の測定値がしきい値４１５を下回る場合、制御ユニット２５０または制御ユニット１６０は、弁１００が保守を必要としているということをプロセス作業員に知らせるための警告信号を送信してもよい。同様に、時間（ｔｏ）４２５における第一の測定値４５０は、ダイヤフラム１３５がエンドユーザの用途に適用されるまたは用いられる前のダイヤフラム１３５の他の特性または状態のベースライン測定値を表している。この場合、ダイヤフラムセンサ１５０の値は、ライン４５５により示されているように例示のダイヤフラム１３５が時間の経過とともに摩耗して行くのが減少していくというよりはむしろ増大していくことになる。ダイヤフラムセンサ１５０の測定値がしきい値４１５を超える場合、制御ユニット２５０または制御ユニット１６０は、弁が保守を必要としていることをプロセス作業員に知らせるための警告信号を送信してもよい。当業者にとって明らかなように、ダイヤフラム１３５のさまざまな特性または状態に関するダイヤフラムセンサ１５０の値が、ダイヤフラム１３５が摩耗するかまたは古くなるにつれて、線形および／または非線形に増加する傾向があってもよいしまたは減少する傾向があってもよい。

図５は、ダイヤフラム１３５の状態を監視する例示のプロセス５００を示すフローチャートである。プロセス５００は、（たとえば、埋め込まれた制御ユニット２５０または外部の制御ユニット１６０を用いて）、ダイヤフラム１３５が新規に搭載されているかまたは前に用いられたことがないかを判断する（ブロック５０５）。このダイヤフラム１３５を用いるのは今回が初めてである場合、プロセス５００は、測定を行ない、結果を格納し、比較する目的のためのベースライン測定値として用いる（ブロック５１０）。ベースライン測定（ブロック５１０）は、エンドユーザまたは設置係にいくつかのベースライン測定値をダイヤフラム１３５全体にわたってさまざまな位置で生成させることを含んでいる。たとえば、ダイヤフラムが停止している（すなわち、弁は完全に開弁／閉弁している）間に第一のベースライン測定が行われ（たとえば、図１Ｂを参照）、ダイヤフラム１３５が完全に作用している（たとえば、完全に閉弁／開弁している）間に第二のベースライン測定が行われ（たとえば、図１Ａを参照）、一または複数の中間位置で第三のベースライン測定（および、それ以上のベースライン測定）が行われる。ベースライン測定値は、制御ユニット２５０のメモリ２６０の如きメモリまたはＰＣハードドライブの如き外部の制御ユニット１６０のメモリに格納されてもよい。

一または複数のベースライン測定を行った後（ブロック５１０）またはダイヤフラムが初めて用いられるのではない場合（ブロック５０５）、プロセス５００はタイマを始動させる（ブロック５１５）。当業者にとって明らかなように、タイマは、ほとんどのマイクロプロセッサ／マイクロコントローラにより通常プログラムによって実装されていてもよいし、および／または、別のハードウェアとして設けられていてもよい。下記にさらに詳細に記載されているように、タイマを用いることにより、プロセス５００は、周期的におよび／またはスケジュールに従ってダイヤフラムセンサ１５０からの測定値を取得することが可能となる。タイマの時間が経過していない場合、プロセス５００はダイヤフラム１３５が始動されたか否かを判断する（ブロック５２０）。上述のように、ダイヤフラム動作スイッチ１７０は、ダイヤフラム１３５が始動されたか否かを示す情報をプロセス５００に提供するようにしてもよい（ブロック５２０）。

ダイヤフラム１３５が始動されていない場合（ブロック５２０）、プロセス５００は、ダイヤフラムが始動するのを待機および監視し続ける（ブロック５１５）。そうでなく、ダイヤフラム１３５が始動されている場合（ブロック５２０）またはタイマの時間が経過している場合（ブロック５１５）、プロセス５００はダイヤフラムセンサ１５０から測定値を取得する（ブロック５２５）。図５に示されているように、測定値は、図式解析のためにメモリ（たとえば、制御ユニット２５０のメモリ２６０）のログに格納されてもよい。これに加えて、測定値は、ダイヤフラム１３５が新規の時に取得したベースライン測定値と比較される（ブロック５３０）。たとえば、測定値（ブロック５２５）が経時タイマ（ブロック５１５）により引き起こされていた場合、測定値は、現在のダイヤフラムの位置に対応するベースライン測定値と比較される。換言すれば、ダイヤフラム１３５が完全に始動している間に測定（ブロック５２５）が行われる場合、完全に始動したときのベースラインが測定値と比較されることになる。

比較を行なうために（ブロック５３０）、プロセス５００は、ベースライン測定値と現在の測定値との間に差があれば、それを計算し、値を出してもよい。これに加えて、プロセス５００は、この得られた値をしきい値と比較してダイヤフラム１３５が点検を必要としているか否かを判断するようにしてもよい。たとえば、ダイヤフラム１３５は、測定値が前もって決められているしきい値を超えたこと、前もって決められているしきい値を下回ったこと、前もって決められているしきい値と一致したこと、前もって決められているしきい値のある値内にあること、を根拠として点検を必要としうる。たとえば、エンドユーザは、ダイヤフラム１３５の故障が生じると予測されるポイントよりも１０％高い値にしきい値をセットしてもよい。したがって、この１０％の緩衝を設けることにより、エンドユーザは、ダイヤフラム１３５が実際に故障する前に予防保守をスケジュールことが可能となる。このような予防保守には、しきい値に到達したかまたはそれを超えたことがわかったときに、新規のダイヤフラムを取り付けるように点検係に通知するまたは第三者のコントラクタに警報を出すことが含まれてもよい。しきい値に到達するかまたはそれを超えた場合（ブロック５３５）、プロセス５００はアラームを起動または送信してもよいし（ブロック５４０）、そうでなければ、直近の測定値をメモリに格納してもよい。そうして、プロセス５００は動作を繰り返す。また、プロセス５００は、ダイヤフラムがしきい値の近傍（たとえば、しきい値の１７％上または下）にあることを通知するために、対応するダイヤフラム１３５の状態の情報を格納してもよい（ブロック５４５）。これに代えて、ダイヤフラムのステータスまたは状態が読み取り可能な名称でともに格納されてもよい（ブロック５４５）。たとえば、限定するわけではないが、「新規」、「適度に古い」、「破損」または「重篤」が含まれる。

図６は、点検を必要としているダイヤフラム１３５を監視する他の例示のプロセス６００を示すフローチャートである。例示のプロセス６００は、（たとえば、埋め込まれた制御ユニット２５０または外部の制御ユニット１６０を用いて）、ダイヤフラムの状態が受信されたか否かを判断する（ブロック６０５）。ダイヤフラムの状態が受信されていない場合（ブロック６０５）、プロセス６００は、上述のように、周期的に、スケジュールに従って、または、ダイヤフラムが作用を受けたとき、監視しつづける。しかしながら、ダイヤフラムの状態が受信されている／検出されている場合（ブロック６０５）、プロセス６００（たとえば、外部の制御ユニット１６０または埋め込まれた制御ユニット２５０）は、状態値をしきい値と比較して点検が望ましいまたは必要かを判断する（ブロック６１０）。たとえば、ダイヤフラム１３５の摩耗状態に関連するしきい値に到達せず、および／または、ダイヤフラムセンサ１５０からの測定された状態がしきい値のある範囲の近傍（たとえば、交換を意味するしきい値から１７％離れた）にない場合、プロセス６００はダイヤフラムの状態を監視し続けることになる。

点検が必要であると見なされた場合（ブロック６１０）、プロセス６００は、点検依頼コールをするための警報信号および／または要求を送信する（ブロック６１５）。プロセスプラントのオペレータが、アラームを示す情報を受信し、点検係に電話をするようにしてもよいし、または、点検係が、しきい値に到達したという連絡を受けて、プロセス６００からのアラーム状態／サービス依頼に自動的に応答するようにしてもよい。点検係は、点検を必要とするダイヤフラムの位置に行き、フィールドサービサブルデバイス（たとえば、弁）が代わりのダイヤフラムを必要としているか否かまたはフィールドサービサブルデバイスを修理することができるか否かを判断するようにしてもよい。たとえば、点検係は、アラーム状態が機能不全のダイヤフラムとは無関係な状態によるものであったと判断してもよい。このような誤った警報の状態が切断されたかおよび／または錆びてしまったセンサワイヤ（たとえば、ワイヤ１７２、２２２、２２４、２４０）によるものであって、ダイヤフラム自体は良好な機能状態にある場合もある。したがって、点検係は、修理が適切な処置方法であると判断する場合（６２０ブロック）、フィールドデバイスを修理してもよい（ブロック６２５）。

その一方、点検係は、修理がフィールドサービサブルデバイスの適切な動作の担保に適切な選択肢ではないと判断する場合もある。この場合、現場の点検係が、ダイヤフラム１３５を交換することを決定してもよい（ブロック６２０）。点検係は新規のダイヤフラムを取り付けてもよい（ブロック６３０）。あるいは、点検係は、フィールドサービサブルデバイス全体を、新規のフィールドサービサブルデバイス、修理の終わったフィールドサービサブルデバイス、他の機能的フィールドサービサブルデバイス（たとえば、現場で未使用のフィールドサービサブルデバイス）、および／または修理の終わったフィールドサービサブルデバイスと交換してもよい（ブロック６３０）。上記のフィールドサービサブルデバイスの各々の内部には新規のダイヤフラムがありうる。

本明細書では、いくつかの方法、装置および製品が記載されているが、本発明の技術範囲はそれらに限定されるわけではない。むしろ、本発明は、文言上または均等論に従って添付の特許請求の範囲に正当に含まれる方法、装置および製品をすべて網羅するものである。

Claims (31)

1. 流体制御デバイスであって、
   弁箱と、
   入口および出口を有し、弁箱を貫通している流路と、
   前記流路を流れる流体の流れを制御するための、前記流体制御デバイス内のダイヤフラム
   と、
   前記ダイヤフラムに結合された、前記ダイヤフラムの摩耗に関する状態を監視するための
   センサとを備えてなり、
   前記センサは複数の導電性ワイヤを有し、各導電性ワイヤは前記ダイヤフラムに取り付けられるか、または前記ダイヤフラム内に埋め込まれるかの少なくとも一つである流体制御デバイス。
2. 前記ダイヤフラムの摩耗に関する状態が、前記ダイヤフラムの材料の状態または前記ダイヤフラムに結合された前記センサの材料の状態のうちの少なくとも一つである、請求項１に記載の流体制御デバイス。
3. 前記センサが、電圧センサ、電流センサ、導通性センサまたはインピーダンスセンサのうちの少なくとも一つである、請求項２に記載の流体制御デバイス。
4. 前記ダイヤフラムの摩耗に関する状態が、デュロメータ硬さ、力、抵抗、コンダクタンス、電圧または電流のうちの少なくとも一つから構成されてなる、請求項３に記載の流体制御デバイス。
5. 前記センサが、該センサからの信号パラメータの変化量を計算するために、コントローラに作用可能に結合されてなる、請求項４に記載の流体制御デバイス。
6. 前記信号パラメータの変化量が、伝播遅延、周波数、力、抵抗またはコンダクタンスのうちの少なくとも一つから構成されてなる、請求項５に記載の流体制御デバイス。
7. 前記コントローラが、前記信号パラメータの変化量を格納するためのメモリを有しており、前記コントローラが、前記信号パラメータの変化量をベースライン測定値と比較して前記ダイヤフラムの摩耗に関する状態を求めるように構成されてなる、請求項６に記載の流体制御デバイス。
8. 前記ダイヤフラムの状態が、新規、古い、破損、重篤、または前記ダイヤフラムの摩耗に関する状態のしきい値への近さを示す数値のうちの少なくとも一つである、請求項７に記載の流体制御デバイス。
9. 前記ダイヤフラムが、プロセス制御装置から負荷圧力を受けるように構成されてなる、請求項８に記載の流体制御デバイス。
10. 前記ダイヤフラムが、前記流体と直接に接触するように構成されてなる、請求項８に記載の流体制御デバイス。
11. 前記センサが、プロセッサを含む制御ユニット、メモリまたは入出力ポートのうちの少なくとも一つをさらに有してなる、請求項８に記載の流体制御デバイス。
12. 前記複数の導電性ワイヤが同心状に配列された、請求項１に記載の流体制御デバイス。
13. 前記ダイヤフラムの状態は、前記ダイヤフラムの摩耗に関する状態のしきい値への近さを示す数値によって示される、請求項１に記載の流体制御デバイス。
14. ダイヤフラムの状態を判断するための方法であって、
    ダイヤフラムに作用可能に結合されたセンサから測定信号を受信することであって、前記センサは複数の導電性ワイヤを有し、各導電性ワイヤは前記ダイヤフラムに取り付けられるか、または前記ダイヤフラム内に埋め込まれるかの少なくとも一つであることと、
    ベースライン信号を取得することと、
    前記測定信号を前記ベースライン信号と比較して前記ダイヤフラムの状態を求めることとを含む方法。
15. 前記測定信号が、電圧、電流、抵抗、コンダクタンスまたは力を示す、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ベースライン信号は、前記ダイヤフラムが新しいときに測定される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ダイヤフラムの状態を警告インジケータまたはコントローラのうちの少なくとも一つに伝えることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ダイヤフラムの状態がしきい値を超えたとき警告インジケータを送信することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記ダイヤフラムが、作用を受けていない位置、完全に作用を受けている位置または中ぐらいに作用を受けている位置のうちの少なくとも一つの位置にあるとき、前記測定信号を受信する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記測定信号を前記ベースライン信号と比較することが、前記ベースライン信号と前記測定信号との間の相対的な差または絶対的な差のうちの少なくとも一つを計算することを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記ダイヤフラムの状態を報告することが、前記測定信号をメモリに格納することを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記ダイヤフラムの状態をしきい値と比較することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. プロセス制御デバイスのためのダイヤフラムであって、
    前記ダイヤフラムのうちの可撓性のある圧力応答領域を有した部分と、
    前記圧力応答領域に結合され、前記圧力応答領域の物理的状態を示す信号を提供するセンサとを備えてなり、
    前記センサは複数の導電性ワイヤを有し、各導電性ワイヤは前記ダイヤフラムに取り付けられるか、または前記ダイヤフラム内に埋め込まれるかの少なくとも一つであるダイヤフラム。
24. 前記センサが、電圧センサ、電流センサ、導通性センサ、インピーダンスセンサの少なくとも一つである、請求項２３に記載のダイヤフラム。
25. 前記センサが、メモリ、プロセッサまたは入出力ポートのうちの少なくとも一つを有する制御ユニットを備えている、請求項２４に記載のダイヤフラム。
26. 前記センサが、前記圧力応答領域に取り付けられる、請求項２５に記載のダイヤフラム。
27. 前記圧力応答領域が、プロセス制御装置から負荷圧力を受けるように構成されてなる、請求項２６に記載のダイヤフラム。
28. 制御ユニットが、前記センサと一体化している、請求項２７に記載のダイヤフラム。
29. 前記制御ユニットが、パソコン、マイクロプロセッサまたはプログラマブルロジックコントローラのうちの少なくとも一つである、請求項２８に記載のダイヤフラム。
30. 前記圧力応答領域が、プロセス流体と直接接触してなる、請求項２６に記載のダイヤフラム。
31. 前記複数の導電性ワイヤが同心状に配列された、請求項２３に記載のダイヤフラム。

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