JP5579426B2 - 海中圧力制御システムにおけるソレノイドせん断密封弁の作動検出回路及びソレノイドアクチュエータの作動検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、ソレノイドアクチュエータの作動を監視する方法及び装置に関し、特に、電流を監視することによってソレノイドアクチュエータの作動を監視する方法及び装置に関する。

例えば掘削装置の噴出防止システム（ＢＯＰシステム）などで使用される海中電動／油圧式圧力制御システムにおいて、掘削坑井を流れる泥水を制御する油圧弁に接続する流路を開放及び／又は閉鎖するために、ソレノイドアクチュエータが用いられる。例えば、石油採掘時に予期せぬ高圧ガスが検出された場合、制御信号をソレノイド制御回路に送り、１つ以上の重要な弁を閉鎖又は開放することにより、泥水流を遮断し、掘削船又は掘削基地にいる人員が、高温の泥の乱流によって負傷又は死亡することを防止する。このような海中システムでは、制御スイッチとしていくつかのソレノイド群が使用されている場合が多い。従来、ソレノイドコイル内を流れる電流の監視は、ソレノイドアクチュエータを開閉させるよう、所定のソレノイドコイルに適切なレベルの電流が供給されているかどうかを判定するために行われていた。この既存のソレノイド電流監視方法では、例えば機械故障などの際、ソレノイドアクチュエータが正しく作動したかどうかを確認することはできない。

従来のソレノイド電流監視回路は、複数の電流経路を有し、それぞれの経路には、対応する電流検出素子に接続された個々のソレノイドコイルが接続されていることがある。検出素子として、通常、抵抗素子（例えば、ソレノイドコイルと直列に配置された単純な抵抗器）が含まれ、抵抗器を通過した電圧は、ソレノイドコイルを流れる電流に比例して降下する。これらの従来型の回路では、抵抗器を通過する電圧の調整や読み出しは、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によって行われ、ここで測定された電圧に基づいて、ソレノイドコイルを流れる電流の値が判定される。

上述のようなソレノイド電流監視回路では、基本的に、通電処理又は遮断処理の完了後、ソレノイドコイルを流れる電流の値が監視及びレポートされる。従って、既に述べたように、既存の制御システムは、ソレノイドアクチュエータの実際の物理的作動を全く検出することなく、ソレノイドコイルの作動状況をレポートする（すなわち、ソレノイドコイルの電流を監視する既存の方法では、ソレノイドアクチュエータが実際に伸縮したかどうかが検出されない）。つまり、アクチュエータが作動していなくても、依然としてソレノイドコイルでは正しい電流が検出される可能性があるので、ソレノイドアクチュエータに機械的な故障が発生していても、既存の電流監視回路では、ソレノイドアクチュエータが「作動している」とレポートされる恐れがある。

アクチュエータの作動を検出するために、位置センサ又は運動センサをソレノイドコイルに設置してもよい。センサからの信号が中央システムに戻り、ソレノイドアクチュエータが制御信号に従って作動したかどうかが判定される。このような位置及び／又は運動センサを設置するためには、センサを実装できるよう、ソレノイドアクチュエータ及びそのハウジングの機械的設計を再度行わねばならず、位置及び／又は運動センサに接続するための電力／信号線としての配線が更に必要になる。つまり、ソレノイドコイルの作動を検出できるようにするには、大幅な変更が必要となる。

本発明の一実施形態において、ソレノイドアクチュエータのソレノイド電流監視回路を開示する。ソレノイド電流監視回路は、制御信号を受信するよう構成されたソレノイド駆動基板と、制御信号に由来するアクチュエータのソレノイドコイルの電流信号を検出するよう構成された検出抵抗器と、電流信号を微分するよう構成された微分器とを有する。ソレノイド電流監視回路は、ソレノイドコイルのインダクタンスの変化による微分された電流信号の変化に基づいて、アクチュエータの作動を検出する。

本発明の別の実施形態において、ソレノイドアクチュエータの作動を判定するための方法を開示する。この方法は、ソレノイド駆動基板に制御信号を送信するステップと、制御信号に由来する、アクチュエータのソレノイドコイルから電流信号を取得するステップと、電流信号を微分してパルスを取得するステップとを含む。パルスは、アクチュエータの作動時にソレノイドコイルのインダクタンスが変化することに起因する微分された電流信号の変化によって発生する。本方法は更に、検出されたパルスに基づいてアクチュエータの作動をレポートするステップを含む。

本発明のまた別の実施形態において、油圧流路と、油圧流路に流体連通する油圧弁と、油圧弁に接続されたソレノイドアクチュエータと、ソレノイドアクチュエータの電流を監視するよう構成されたソレノイド電流監視回路を有する海中圧力制御システムを開示する。ソレノイド電流監視回路は更に、制御信号を受け取るよう構成されたソレノイド駆動基板と、制御信号に由来するアクチュエータのソレノイドコイルの電流信号を検出するよう構成された検出抵抗器と、電流信号を微分するよう構成された微分器とを有する。ソレノイド電流監視回路は、ソレノイドコイルのインダクタンスの変化によって発生する、微分された電流信号の変化に基づいてアクチュエータの作動を検出する。

以上、本発明に係る実施形態の特徴を簡単に例示したが、これらの特徴及び本発明の効果を、以下の詳細な説明において更に具体的に示す。勿論、以上に記載した以外の特徴も後述されており、これらも添付の特許請求の範囲に含まれるものとする。

本発明に係る実施形態のうち幾つかを例示するにあたり、本発明に含まれる実施形態は、以下に説明し添付図面に示されるこれらの実施形態の構造や構成要素の配置の細部に限定されないことを理解されたい。本発明を実施し利用するための形態は他にも様々存在する。なお、本願に記載の用語及び表現は、説明の便宜上用いられているものであり、本発明の実施形態を限定するものではない。

このように、当業者には明らかなように、本発明の実施形態には元来、本発明の企図を実現可能な、本明細書に記載した以外の構造、方法、及びシステムが含まれている。従って、添付の特許請求の範囲は、かかる等価の措置をも包含することに留意されたい。

添付の要約書は、特許審査官や一般の人々、特に、特許又は法律に関する用語や表現に不慣れな当該技術分野に従事する科学者、技術者、作業員に対して、本発明の企図をわかり易いように簡潔に説明するためのものである。従って、添付の要約書は、本発明又は本願の教示内容を明示したり、その内容を限定したりするものではない。本発明又は本願の教示内容は、添付の特許請求の範囲に基づいてのみ解釈されるべきである。

本発明の更なる態様は、以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲から明らかとなる。

添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。次にその内容を記載する添付図面に対応する以下の詳細な説明から、本発明の特徴を更に理解できよう。

本発明の一実施形態による、ソレノイド電流監視回路のブロック図である。 本発明の一実施形態による、ソレノイド電流監視回路である。 本発明の一実施形態による、通電中のソレノイドコイルの電流変動を時間関数で示す。 本発明の一実施形態による、電圧遮断中のソレノイドコイルの電流変動を時間関数で示す。 本発明の一実施形態による、ソレノイドコイルに送られる制御信号のシミュレーショングラフである。 本発明の一実施形態による、ソレノイド電流監視回路内の抵抗器を通過する電流の変動（検出抵抗器の読み出し電圧の変動）を時間関数で示す。 本発明の一実施形態による、立ち下がりエッジパルスのシミュレーショングラフである。 本発明の一実施形態による、立ち上がりエッジパルスのシミュレーショングラフである。 本発明の一実施形態による、ソレノイドアクチュエータの作動検出方法のフローチャートである。

これより、添付図面を参照しながら、本発明をその一部の実施形態を用いて詳細に説明する。全図面を通じて統一性をもたせるため、同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。

以下に本発明の実施形態を、本発明の教示内容の理解を助けるよう、細部にわたり例示しながら説明するが、当業者には明らかなように、本発明の実施形態は必ずしも本明細書に記載した通りでなくてもよい。また、説明の便宜上、周知の特徴についての説明を割愛している。

本明細書に記載の実施形態は、添付図面に対応している。全図面を通じて、同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。本発明は、添付の特許請求の範囲に基づいて解釈されるものであり、以下の記載内容によって制限されることはない。説明の便宜上、本発明を、船上でプラントアセンブリを成す発電機に接続されたガスタービンに関する用語及び構成を用いて説明しているが、本発明は、これらのシステムに限らず、簡便且つ安全にアクセス可能であり、好適に設計し配置されていることが特に重要な、大型装置をはじめとするその他の様々なプラントアセンブリにも適用可能である。勿論、本発明は、地上に設置された装置にも適用可能である。

本明細書を通じて、「一実施形態」又は「例示的実施形態」という表現は、実施形態に関連して説明する特定の機能、構造又は特徴において、本発明の教示内容が少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。このため、本明細書に散見される「一実施形態において」又は「例示的実施形態において」という表現が示す実施形態は、必ずしも同一のものではない。また、特定の機能、構造又は特徴を、１つ以上の実施形態において適宜、組み合わせてもよい。

本発明の実施形態は、概して、ソレノイド電流監視回路を使用したアクチュエータの作動検出に関し、特に、回路により電流信号が検出された後のインダクタンスの変化に由来する、ソレノイドコイルの立ち下がり電流又は立ち上がり電流の変化量の変動を検出することにより、ソレノイドコイルの電流信号に基づいて、ソレノイドアクチュエータが物理的に作動したかどうかをレポートするソレノイド電流監視回路に関する。ソレノイド電流監視回路を利用するアクチュエータとしては、例えば、電機子と、電機子にバイアスをかけるソレノイドコイルとが挙げられる。ソレノイドコイルに電流が流れると、その結果発生する磁場により電機子が付勢され、アクチュエータが作動する。なお、本発明を適用可能なアクチュエータは、特定のものに限定されない。関連技術において周知の別のソレノイドアクチュエータにも、本発明を適用可能である。

本発明の一実施形態において、機械的及びハーネス／配線ハードウェア及び／又はソレノイドハウジングをソレノイド回路に接続して追加で使用することなく、海中電気システムの中に設置されたソレノイドアクチュエータの作動を検出する、ソレノイド電流監視回路を開示する。ソレノイドアクチュエータは、関連技術において周知のような電動ソレノイドアクチュエータであってもよく、例えば、電機子と、電機子にバイアスをかけるソレノイドコイルも含まれる。一実施形態において、後述するように、アオームの法則及びカーコフの回路の法則（Ｋｉｒｋｏｆｆ’ｓ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｌａｗｓ）を用いて、クチュエータの作動を検出するためのソレノイド電流監視回路の一次部分の経時的な電流の変動を取得することができる。より具体的には、ソレノイド電流監視回路のアクチュエータの作動を、Ｖ（ｔ）を電圧、Ｉ（ｔ）を電流、Ｒを抵抗、Ｌをインダクタンスとして、
Ｖ（ｔ）＝Ｌ［ｄｉ（ｔ）／ｄｔ］＋Ｒｉ（ｔ）
の式に基づいて判定することができる。

図１は、本発明の一実施形態による、ソレノイド電流監視回路のブロック図である。図１のブロック図において、この回路は、ソレノイド駆動基板１０４、増幅器１０６、微分器１０８、信号処理回路１１０及び１１２、並びに、パルスゲート１１４及び１１６を含む。以下に、ソレノイド電流監視回路の上記構成要素のそれぞれの詳細を記す。

ソレノイド駆動基板１０４は、制御システム（図示せず）からソレノイド駆動基板１０４のソレノイド回路に送信された制御信号１０２を受け取るよう構成されている。当業者には明らかであるが、関連技術において周知のＭｕｘ Ｐｏｄ（商標）などの海中電気システムの中にソレノイド駆動基板が存在することがある。本明細書に記載の実施形態では、監視回路はソレノイド駆動基板に組み込まれている。

本明細書に例示する実施形態において、ソレノイド駆動基板１０４は、ソレノイド駆動基板１０４の最終段に電流センサを含む。増幅器１０６は、電流信号を拡大し、ソレノイド駆動基板１０４のセンサによって検出されたソレノイド電流の値を読み出すよう構成されている。当業者に明らかなように、電流信号が抵抗器を通過する時には電圧が降下するので、増幅信号を電圧信号とみなすことができる。微分器１０８は、増幅器１０６から供給された増幅電圧／電流信号を微分する回路を含む。まず、制御信号１０２を受け取ると、抵抗及びインダクタンスの初期値に応じて、監視回路の一部を流れる電流が変化し始め、アクチュエータが作動し始める。ソレノイドコイルが通電されたり遮断されたりすると（すなわち、ソレノイドコイルに電圧が供給されたりされなかったりすると）、例えば、アクチュエータの電機子がソレノイドコイルに出たり入ったりして、アクチュエータを作動させる。アクチュエータが作動すると、ソレノイドコイルのインダクタンス値が変化し、その結果、電流信号の変化量が変動する。この電流信号の変化量の変動を、増幅された電流信号を微分することにより検出できる。より具体的には、電流信号を微分することにより、ソレノイド電流監視回路のパルスが得られ、これに基づいてアクチュエータの作動を確認することができる。

図１を更に参照すると、信号処理回路１１０、１１２は、電流信号を微分して得られるパルスを調整するよう構成されている。パルスを調整することで、パルス信号の精度が上がる。具体的には、信号処理回路１１０は立ち下がりエッジパルスのみを通し、信号処理回路１１２は立ち上がりエッジパルスのみを通す。つまり、信号処理回路１１０、１１２によって、ソレノイドコイルの通電／遮断によって発生したパルスがふるい分けられる。最後に、パルスゲート１１４、１１６は、検出されたパルスの精度を上げるために、無関係なパルス及びノイズを除去するよう構成されている。その後、検出された立ち上がりエッジパルス１１８又は立ち下がりエッジパルス１２０が出力される。実施形態によっては、パルスゲートは、制御信号１０２に近いパルスのみを通す、ソレノイド制御信号によって制御される単安定振動子であってもよい。

図２は、本発明の実施形態による、ソレノイド電流監視回路の回路図である（回路図に記載の数値は例示目的のためであり、本発明の実施形態はこれら特定の数値に限定されない）。図２には、図１のソレノイド電流監視回路図の実施形態がより詳細に例示されている。ソレノイド電流２０３の測定は、ソレノイド回路の抵抗器Ｒ_１２０６により行われる。明らかなように、Ｒ_１２０６は検出抵抗器であり、電流信号がＲ_１２０６を通ると、Ｒ_１２０６が電流信号の変化を検出する。ソレノイド電流監視回路のＡ段において、電圧信号である制御信号２０４がソレノイド回路に送信される。電圧信号は、ソレノイドコイルにＤＣ電圧を供給する。ＤＣ電圧が印加されると、電流がソレノイドコイルを流れ始める。電流信号が検出される第１のポイントはＲ_１２０６であり、Ｖ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）Ｒ［ｃｏｎｓｔａｎｔ］の法則が適用される。制御信号が送信される前に、ソレノイドコイルはインダクタンス値Ｌ_１と関連付けられる。Ｌ_１は、ソレノイドコイルの初期インダクタンスである。制御信号が送信されると、ソレノイドコイルは通電され、アクチュエータの電機子がソレノイドコイルの中に向かって移動し、ソレノイドコイルインダクタンスが変化する。この変化の後のインダクタンス値をＬ_２とする。Ｌ_２は、ソレノイドコイルが通電している場合にＬ_１よりも小さく、ソレノイドが通電していない場合はＬ_１よりも小さい。

図２を更に参照すると、ソレノイド電流２０３と関連付けられた電流信号は、その後、増幅器２１０によって増幅される。実施形態によっては、ソレノイド定電流測定値２０８を、地上制御システムに送り返されるフィードバック信号によってレポートするようにしてもよい。次に、パルスを得るために、増幅された電流信号が微分器２１２によって微分される。実施形態によって、生成されるパルスが、立ち上がりエッジパルスであっても立ち下がりエッジパルスであってもよい。アクチュエータの電機子がソレノイドコイルの中へ向かって動くと、インダクタンスの増加に伴って電流信号が（例えば、図３の電流波形のように）減少するので、立ち下がりエッジパルスはソレノイドコイルが通電された時に発生する。電流が著しく減少したときの電流信号を微分すると、立ち下がりエッジパルスが得られる。同様に、アクチュエータの電機子がソレノイドコイルから出ると、インダクタンスが減少して電流降下量が（例えば、図４の電流波形のように）上昇し、これを微分することで、立ち上がりエッジパルスが得られる。従って、ソレノイドコイルの通電が遮断されると、立ち上がりエッジパルスが発生する。２つの信号処理回路２１４及び２１６では、電流信号を微分して、得られたパルスが立ち上がりエッジパルスと立ち下がりエッジパルスのいずれかをそれぞれ識別する。

当業者には明らかなように、立ち上がりエッジパルスは、信号処理回路２１４及びパルスゲート２１８によって捕捉され、立ち下がりエッジパルスは信号処理回路２１６及びパルスゲート２２０によって捕捉されるか、或いは、その逆のことが生じる。また、当業者には明らかなように、図２にＤ_１及びＤ_２として示すダイオードを使用して、信号を一方向に進ませて別の方向へはほぼ遮断することができる。図２のように、信号処理回路２１４及び２１６のそれぞれが立ち上がりエッジパルスのみ、或いは、立ち下がりエッジパルスのみを受信するように、ダイオードには逆方向にバイアスがかけられている。制御信号２０４によって制御される単安定振動子（すなわちパルスゲート）を使用して、各信号処理回路からあらゆるノイズを除去することができる。

図２のソレノイド電流監視回路では、ソレノイドアクチュエータの作動によってインダクタンスが変化することに起因して、電流が特異的に増加又は降下している間、ソレノイドコイルの誘導特性を利用して、立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジパルスを識別する。ソレノイドコイルが通電されると、ソレノイドのアクチュエータの電機子がソレノイドコイルの内部に向かって移動し、元のインダクタンスＬ_１から変化後のインダクタンスＬ_２にインダクタンスが切り替わる。ソレノイドコイルが通電されてアクチュエータの電機子がソレノイドコイルを離れると、ソレノイドコイルのインダクタンスは元の値Ｌ_１に戻る。

また、インダクタンスの変化は、インダクタＬを流れる電流の変動を意味する。従って、ソレノイドコイルのインダクタンスを利用して、電流の変動に基づいてソレノイドアクチュエータの物理的作動を検出することができる。より具体的には、ソレノイドコイルの電流の変動を示す時間関数（すなわち、電流波形）は、インダクタンス値によって変化する。電流波形Ｉ（ｔ）は、それぞれのインダクタンスに対して異なる時定数を有するので、電流波形の変化量も異なる。電流波形の時定数τは、以下の式により求められる。

τ＝Ｌ／Ｒ
ここで、Ｌはインダクタンス、Ｒは抵抗値である。更に、時間関数としての時定数と電流の関係も、次式により求められる。

Ｉ（ｔ）＝Ｉ_ｍａｘ（１−ｅ^−ｔ／τ）＝Ｖ／Ｒ（１−ｅ^−ｔ／τ）
図３は、ソレノイドコイルが通電されている時の電流波形Ｉ（ｔ）のグラフである。図４は、ソレノイドコイルが通電されていない時のＩ（ｔ）のグラフである。図３及び図４の例では、電流変化量が判定される。図３の例では、ソレノイドコイルの中に電機子が押し込まれてアクチュエータが作動すると、電流変化量が著しく小さくなる。図４の例では、ソレノイドコイルから電機子が解放されてアクチュエータが元に戻ると、電流変化量が著しく大きくなる。図３及び図４の例では、電流信号波形を微分することにより、電流変化量の変動が判定される。ソレノイドコイルのインダクタンスに応じて、図３に示す電流波形の傾斜が、従って電流変化量が異なる。インダクタンスが大きい場合、電流の変化量は、インダクタンスが小さい場合よりも遅い。従って、ソレノイドアクチュエータが作動すると、電流の変化量が変動する。この変動は、図３及び図４のような、電流信号の変化量の急激な上昇／降下からわかる。

当業者には明らかなように、図３及び図４の電流波形は、ソレノイドコイルのタイプによって異なる。なお、波形の大まか形状は、いかなるソレノイドコイルにも当てはまる。つまり、ソレノイドコイルが通電されると電流波形は急激な降下を示すが、ソレノイドコイルが遮断されると、電流波形は急激な上昇を示す。ソレノイド電流監視回路を用い、波形を解析することによって、経時的な電流の変化量を検出し、ソレノイドアクチュエータの物理的作動を検出しレポートすることができる。本発明による改良されたソレノイド電流監視回路では、上記の式及び関係を利用して、特異的な電流量の上昇又は降下の変動の間に発生するパルスを検出し、ソレノイド電流監視回路により、ソレノイド電流測定値、及びソレノイドアクチュエータが物理的に作動したかどうかをレポートすることができる。

当業者には明らかなように、ソレノイド電流値、及びソレノイドアクチュエータの作動の検出方法はいくつかあり、そのうちの１つが選択される。例えば、ソレノイド電流監視回路は、ソレノイドの通電／遮断中にソレノイドアクチュエータが作動したかどうかを示す電流値及びブール値を表すフィードバック信号を有していてもよい。その後、フィードバックされた情報を、視覚的表示装置又は計算装置に表示することにより、更に観察又は解析してもよい。本発明の一実施形態において、ソレノイド駆動基板を修正して、ソレノイドアクチュエータの作動をレポートする検出フラグを含めてもよい。検出フラグは、フリップフロップ回路として実装されてもよい。より具体的には、図２の回路に示すパルスゲートのパルス出力は、標準フリップフロップ回路への入力であってもよく、例えば、立ち上がりエッジパルスは立ち下がりトリガ型フリップフロップに供給され、立ち下がりエッジパルスは立ち上がりトリガ型フリップフロップに供給される。両方のフリップフロップは、出力として、ソレノイドアクチュエータの作動を示すフラグを含む。当業者には明らかなように、フリップフロップ回路（図示せず）を、回路図のパルスゲートの後に、立ち上がり又は立ち下がりエッジパルスが２つのフリップフロップのうちの１つへ入力されるよう組み込んでもよい。

図５〜図８は、本発明の実施形態による、ソレノイド電流監視回路のシミュレーショングラフである。具体的には、図５に、地上制御システムから送信される制御信号５０２のグラフであって、これに基づいて所定のソレノイドを通電及び遮断する。図５は、図６のソレノイド電流検出信号に相当する（後述の通り）。ソレノイドコイルが通電されると、制御システムのソフトウェアを介して送信される制御信号は「１」となり、ソレノイドコイルの電圧を遮断すると、制御信号は「０」となる。上述のように、１つ以上のスイッチが閉鎖又は開放されると、制御信号は（例えば海中システムの）ソレノイド回路に送信される。制御信号を受け取ると、ソレノイドアクチュエータが作動し、スイッチが閉鎖又は開放される。信号図に示すように、制御信号５０２は、ｔ＝０において５Ｖで上昇し、２．４秒間維持し、その後ゼロまで減少して、ソレノイドコイルの電圧がオフになる（遮断される）。

図６は、ソレノイドコイルの電圧が遮断された時の、電流検出抵抗器Ｒ_１（図２参照）にかかる出力電圧のシミュレーショングラフである。具体的には、図６には、（電流検出抵抗器Ｒ_１によって検出された）電圧対時間の図が示されており、これに基づいて、ソレノイド電流の変化がレポートされる。ＲＬソレノイドコイル中の検出抵抗器を電流が流れると、
Ｖ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）Ｒ１（オームの法則）
、及び、Ｖｏをソレノイドコイルに印加された電圧とする
Ｉ（ｔ）＝Ｖｏ／Ｒ（１−ｅ−ｔ／τ）
の関係から測定される値の１つは電圧なので、図６のグラフが、時間対電圧の関係を示すことは、当業者には明らかであろう。従って、電流信号を電圧図で表すことができる。図６に例示したシミュレーションの結果では、ソレノイド回路に印加される初期電圧Ｖｏは６０ＶＤＣ（制御信号）であるが、例えば省エネルギーのため、これを後に３０ＶＤＣに変化させて維持する。電流検出抵抗器Ｒ_１の抵抗は０．５Ωであるが、ソレノイドコイルの抵抗Ｒの抵抗は１３３Ωである。従って、０．５Ωの検出抵抗器を流れる最大の電流は、初期の６０ＶＤＣの電圧でおよそ４４９ｍＡ（６０Ｖ／１３３．５Ω）であり、その後３０ＶＤＣでおよそ２２５ｍＡ（３０Ｖ／１３３．５Ω）まで降下して、最初のおよそ２２５ｍＶ（４４９ｍＡ×０．５Ω）の検出抵抗器の電圧となり、これがその後、およそ１１２ｍＶまで降下する（結果を図６に示す）。

図６に、ソレノイドコイルの３つの段階を示す。ソレノイドコイルが通電される第１段階６００は、ｔ＝０秒の時に発生する。６０２として示す電流の変化の段階では、アクチュエータがソレノイドコイルの中に向かって作動している。より具体的には、これは、ソレノイドコイルが通電された時に発生する急激な電流降下である。この電流降下を微分して立ち下がりエッジパルスとなったものが、図５の５０２である。アクチュエータの電機子がソレノイドコイルの中に向かって作動すると、ソレノイドコイルはｔ＝０．７秒で電圧変化を受ける（例えば図６では、これはおよそ２２５ｍＶからおよそ１１２ｍＶへの電圧降下である）。次に、ソレノイドコイルはｔ＝２．４秒で（制御信号を通じて）電圧がオフになり（切断され）（６０８に示す）、６０４の立ち上がりエッジパルスからわかるように、アクチュエータ電機子はソレノイドコイルを離れる（出る）。

図７に、ソレノイドアクチュエータが通電されて作動したことによる立ち下がりエッジパルスを示し、図８に、ソレノイドアクチュエータが遮断されて作動したことによる立ち上がりエッジパルスを示す。より具体的には、図７に示すシミュレーション結果のグラフは、ソレノイドコイルが通電された時の、図２の回路図の上半分（ダイオードＤ１の後の上部分）に対応する。同様に、図８に示すシミュレーション結果のグラフは、ソレノイドコイルが遮断された場合の、図２の回路図の下半分（ダイオードＤ２の後の下部分）に対応する。

図９は、本発明の一実施形態による、ソレノイドアクチュエータの作動を検出する方法のフローチャートである。フローチャートの様々なステップが連続して記載及び説明されているが、当業者には明らかなように、一部又は全部のステップを異なる順番で実行しても、組み合わせても、或いは、一部のステップを省略してもよく、一部又は全部のステップを同時に実行してもよい。従って、本発明の範囲は、図９に示す具体的なステップ配置に限定されるものではない。

まず、制御信号が１つ以上のソレノイド制御回路に送信される（ステップ９００）。制御信号により、電機子がソレノイドコイルの中に向かって作動させ、ソレノイドコイルへの通電を変化させて弁の作動を制御する。続いて、ソレノイドコイルを流れる電流を示す電流信号が検出される（ステップ９０２）。この電流信号を、増幅電流信号を得るために増幅してもよい（ステップ９０４）。その後、ソレノイド検出抵抗器を流れる電流の上昇又は低下量の変化に基づいてパルスを得るために、増幅された電流信号が微分される（ステップ９０６）。クリーンなパルス信号を得るために、取得されたパルスを調整及びフィルタリングしてもよい（ステップ９０８）。

そして、ソレノイドアクチュエータが物理的に所望の位置に移動したかどうか判定される（ステップ９１０）。アクチュエータが移動しない限り、パルスは検出されないので、適切なパルスが得られれば、ソレノイドアクチュエータが物理的に動いたことになる。パルスの極性に基づいて、ソレノイドコイルが通電されたか遮断されたかを判定／識別される（ステップ９１２）。このとき、立ち下がりエッジパルスはソレノイドコイルの通電を示し、立ち上がりエッジパルスはソレノイドコイルの遮断を示す。このように、ソレノイドアクチュエータの作動がレポートされる（ステップ９１４）。逆に、取得された結果がソレノイドアクチュエータが物理的に動かなかったことを示す場合には、ソレノイドアクチュエータの故障がレポートされる（ステップ９１６）。

当業者には明らかなように、インダクタンスの適正な変化及び／又は適正なパルスの生成が発生又は検出されない限り、ソレノイドアクチュエータは物理的に動いていない。この場合、ソレノイドコイルにおいて電流はモニタリングされているが、ソレノイドコイルの作動はレポートされず、ソレノイドアクチュエータが正しい位置に移動しなかったことがわかる。従って、上記の例では、海中システムのスイッチは駆動（開放／閉鎖）されなかったと思われる。

実施形態によっては、本発明による、ソレノイド監視回路を用いて監視されるソレノイドアクチュエータを海中に設置することができる。より具体的には、海中電子モジュール（ＳＥＭ）は、高圧・高温の掘削液（泥）が地上に到達するのを防止するための海中スイッチの開放又は閉鎖を制御するいくつかのソレノイド駆動基板を含んでもよい。アクチュエータの物理的作動により、そのような悪影響を防止するための重要な弁を制御し、海中設備及びシステムが正しく作動していること、及び、誤ったレポートを確実に防止することが求められる。従って、制御システムは、単にソレノイドコイルを流れる電流を検出して測定された電流値のみに基づいてソレノイドアクチュエータが完全に機能しているとレポートするものよりも、通電中及び遮断中にソレノイドアクチュエータの物理的作動を検出できるだけ強固なものであることが望ましい。

本発明の実施形態により、以下のうち１つ以上の利点が得られる。

本発明の一実施形態において、ソレノイドアクチュエータの物理的作動を検出可能なソレノイド電流監視回路を開示する。これにより、ソレノイドコイルに送信された制御信号に基づいてレポートされるシステムの作動状態は、ソレノイドコイルを流れる電流の測定値とソレノイドアクチュエータの作動の両方に基づくものになる。その結果、ソレノイドの１つ以上の部品に発生し得る機械的な故障の検出が可能になる。

更に、本発明による電流監視回路では、アセンブリに部品を追加する必要がないので、Ｍｕｘ Ｐｏｄ（商標）アセンブリ又はソレノイドハウジングアセンブリの機械的及びハーネス／配線を大幅に変更しなくてもよい。唯一必要な変更は、ソレノイド駆動基板であって、これに、信号処理回路、パルスゲート、及びソレノイドアクチュエータが動いたかどうかをレポート／表示するためのフラグの追加を含めてもよい。

以上、本発明に係る実施形態を添付図面に図示しながら例示し、説明した。当業者には明らかなように、本発明の企図から逸脱することなく、且つ、添付の特許請求の範囲の範囲内で、かかる実施形態に多様な修正、改変、及び省略を加えることができる。従って、本発明の企図は、かかる修正、改変、及び省略を網羅するよう、添付の実施形態に基づいてのみ広義に解釈されるべきである。更に、開示の工程又は方法の順序や方式を様々に改変したり、組み立て直したりしても、本発明の代替的実施形態とみなされる。添付の特許請求の範囲に記載の全ての手段及び機能は、かかる等価の措置並びに構成を本質的に包含するものである。

Claims (12)

1. ソレノイドアクチュエータのソレノイド電流監視回路において、
   制御信号を受信するよう構成されたソレノイド駆動基板と、
   前記制御信号に由来するソレノイドアクチュエータのソレノイドコイルの電流信号を検出するよう構成された検出抵抗器と、
   前記電流信号を微分するよう構成された微分器と、
   微分された前記電流信号から、前記ソレノイドアクチュエータの電機子の前記ソレノイドコイルに対する第１の方向への移動を示す、立ち上がりエッジパルスを抽出するよう構成された第１信号処理回路と、
   微分された前記電流信号から、前記ソレノイドアクチュエータの前記電機子の前記ソレノイドコイルに対する第２の方向への移動を示す、立ち下がりエッジパルスを抽出するよう構成された第２信号処理回路と、
   を備え、
   前記第２の方向は前記第１の方向とは逆の方向であり、
   前記ソレノイド電流監視回路が、前記立ち上がりエッジパルス又は前記立ち下がりエッジパルスの検出に基づいて前記アクチュエータの各方向への作動を検出する、ソレノイド電流監視回路。
2. 前記微分器からの前記電流信号を増幅するよう位置づけれら、構成された増幅器を備える、請求項１に記載のソレノイド電流監視回路。
3. 前記立ち上がりエッジパルスから電気的ノイズを除去するよう構成された第１パルスゲートと、
   前記立ち下がりエッジパルスから電気的ノイズを除去するよう構成された第２パルスゲートとを更に備える、請求項２に記載のソレノイド電流監視回路。
4. 前記電機子の前記第１の方向への作動をレポートするよう構成された第１のフリップフロップ回路と、
   前記電機子の前記第２の方向への作動をレポートするよう構成された第２のフリップフロップ回路と、
   を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のソレノイド電流監視回路。
5. 前記立ち下がりエッジパルスは、前記ソレノイドが通電された時に生成され、前記立ち上がりエッジパルスは、前記ソレノイドが遮断された時に生成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のソレノイド電流監視回路。
6. 前記第１の方向は前記ソレノイドコイルから離れる前記電機子の移動の方向であり、
   前記第２の方向は前記ソレノイドコイルに向かう前記電機子の移動の方向である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のソレノイド電流監視回路。
7. ソレノイドアクチュエータの作動を判定する方法であって、
   ソレノイドアクチュエータのソレノイド駆動基板に制御信号を送信するステップと、
   前記制御信号に由来するソレノイドアクチュエータのソレノイドコイルから電流信号を受け取るステップと、
   前記電流信号を微分してパルスを得るステップであって、
   前記パルスは、前記アクチュエータの作動時に前記ソレノイドコイルのインダクタンスの変化に起因する微分された前記電流信号の変動によって発生するステップと、
   前記電流信号からの抽出を行い、前記ソレノイドアクチュエータの電機子の前記ソレノイドコイルに対する第１の方向への移動を示す、立ち上がりエッジパルス及び、前記ソレノイドアクチュエータの前記電機子の前記ソレノイドコイルに対する第２の方向への移動を示す、立ち下がりエッジパルスを提供し、これにより前記ソレノイドコイルの通電及び遮断により生成されたパルスを弁別するステップと、
   前記立ち上がりエッジパルス及び前記立ち下がりエッジパルスの検出に基づいて、前記アクチュエータの移動方向を特定するステップと、
   を含む方法。
8. 前記立ち上がりエッジパルス及び前記立ち下がりエッジパルスから電気的ノイズを除去するステップを更に備える、請求項７に記載の方法。
9. アクチュエータの移動方向を特定する前記ステップは、前記立ち上がりエッジパルスを入力として受け取る第１のフリップフロップ回路と、前記立ち下がりエッジパルスを入力として受け取る第２のフリップフロップ回路とを適用するステップを備える、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記アクチュエータの作動によって海中油圧式スイッチを作動させる、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 噴出事故防止のため、海中電力システムに、海中圧力制御システムの油圧式スイッチを作動させるためのソレノイドアクチュエータを取り付けるステップを更に備える、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 海中圧力制御システムであって、
    油圧流路と、
    前記油圧流路に流体連通する油圧弁と、
    前記油圧弁に接続された、前記油圧弁を作動させるよう構成されているソレノイドアクチュエータと、
    前記ソレノイドアクチュエータの電流を監視するよう構成された請求項１乃至６のいずれか１項に記載のソレノイド電流監視回路と、
    を備える、海中圧力制御システム。
    

Images