JP5755945B2 - キャビテーション診断装置および診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体が流れる調節弁にキャビテーションが発生したか否かと、キャビテーションの状態とを診断するキャビテーション診断装置および診断方法に関するものである。

従来より、調節弁においては、キャビテーション（流体中の圧力の低下によって気泡の発生と崩壊が生じる現象）により騒音や振動が発生し、キャビテーションが酷い場合には弁本体や下流側の配管を損傷させてしまうという問題があった。この問題は調節弁だけではなく、パイプラインなど流体を扱う機器や設備に共通する。したがって、流体を扱う機器や設備においては、キャビテーションの発生をオンラインで常時診断し、早期に対応することで、キャビテーションが発生して重大な損傷を被ることを未然に防止することが望まれている。

キャビテーションの起り難さの指標として、一般的にキャビテーション係数が用いられる（非特許文献１参照）。特許文献１には、キャビテーション係数を用いてキャビテーションの有無を診断する診断装置が開示されている。特許文献１に開示された診断装置では、調節弁に、弁開度を検出する開度指示計と、振動値を検出する振動加速度計とを設けると共に、調節弁の上流側流体圧力を検出する圧力計と、調節弁の上流側流体圧力と下流側流体圧力との差圧を弁差圧として計測する差圧計と、上流側流体圧力と弁差圧と飽和水蒸気圧とに基づいてキャビテーション係数を演算するキャビテーション係数演算器とを設けている。そして、キャビテーションが発生しているときのキャビテーション係数、振動レベル値および弁開度を記録した３次元のデータテーブルをあらかじめ用意しておき、現在計測しているキャビテーション係数、振動レベル値および弁開度と比較することで、キャビテーションの有無を診断するようにしていた。

このように、特許文献１に開示された診断装置では、キャビテーション係数を用いてキャビテーションの有無を診断する。しかしながら、流体の流量とキャビテーション係数とが線形の関係でないので、高精度のキャビテーション診断を実現するためには、実験的に弁開度と圧力条件を変えてキャビテーションが発生しているときのキャビテーション係数を多数求めてデータテーブルにあらかじめ記録しておく必要があり、データテーブルの準備に多大な労力を必要とするという問題点があった。

一方、特許文献２には、データテーブルを用いることなくキャビテーションの有無を診断することができる診断装置が開示されている。この診断装置は、調節弁の上流側流体圧力の所定期間内の変動の大きさを算出すると共に、調節弁の下流側流体圧力の所定期間内の変動の大きさを算出し、下流側流体圧力の変動の大きさが上流側流体圧力の変動の大きさよりも大きい場合に、調節弁にキャビテーションが発生したと判断するものである。

特開平６−０９４１６０号公報 特開２０１０−１２７４１７号公報

加藤 洋治，「キャビテーション 基礎と最近の進歩」，槇書店，１９９９年

以上のように、特許文献１に開示された診断装置では、データテーブルの準備に多大な労力を必要とするという問題点があった。
一方、特許文献２に開示された診断装置では、データテーブルを不要とすることができる。しかしながら、特許文献２に開示された診断装置では、調節弁の上流側流体圧力の変動の大きさと下流側流体圧力の変動の大きさとを用いてキャビテーションの有無を診断するため、流体を圧送するポンプの脈動の影響を受けてキャビテーションの診断精度が悪化する可能性があった。

また、キャビテーションの状態には、騒音発生、臨界キャビテーション、チョークフローなどの種類があるが、特許文献１、２に開示された診断装置では、キャビテーションの状態を診断することができないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、データの準備に要する労力を軽減することができ、かつキャビテーションの有無および状態を高精度に診断することができるキャビテーション診断装置および診断方法を提供することを目的とする。

本発明のキャビテーション診断装置は、流体が流れる調節弁の上流側の流体圧力Ｐ１を検出する上流側流体圧力検出手段と、前記調節弁の下流側の流体圧力Ｐ２を検出する下流側流体圧力検出手段と、前記調節弁による圧力損失から回復する途中の流体圧力Ｐ３を検出する回復途中流体圧力検出手段と、前記上流側流体圧力検出手段が検出した上流側流体圧力Ｐ１と前記下流側流体圧力検出手段が検出した下流側流体圧力Ｐ２と前記回復途中流体圧力検出手段が検出した回復途中流体圧力Ｐ３とから診断係数を算出する診断係数算出手段と、前記調節弁にキャビテーションが発生し始めるときの診断係数であるしきい値σｔｈ０と前記調節弁の相対容量係数との関係、およびキャビテーションの状態を判定するしきい値σｔｈｘ（σｔｈ０＜σｔｈｘ）と前記調節弁の相対容量係数との関係をあらかじめ記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶されている情報から前記調節弁の現在の相対容量係数に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈｘを求め、このしきい値σｔｈ０と前記診断係数算出手段が算出した診断係数とを比較することにより、キャビテーションの有無を判定し、前記調節弁にキャビテーションが発生していると判定したときには、前記しきい値σｔｈｘと前記診断係数算出手段が算出した診断係数とを比較することにより、キャビテーションの状態を判定する判定手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明のキャビテーション診断装置の１構成例において、前記しきい値σｔｈｘは、前記調節弁に発生するキャビテーションが特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たす状態に達したときの診断係数であるしきい値σｔｈ１と、キャビテーションが臨界キャビテーションの圧力条件を満たす状態に達したときの診断係数であるしきい値σｔｈ２と、キャビテーションがチョークフローの圧力条件を満たす状態に達したときの診断係数であるしきい値σｔｈ３（σｔｈ１＜σｔｈ２＜σｔｈ３）とからなり、前記記憶手段は、前記しきい値σｔｈ０と前記調節弁の相対容量係数との関係、前記しきい値σｔｈ１と前記調節弁の相対容量係数との関係、前記しきい値σｔｈ２と前記調節弁の相対容量係数との関係、および前記しきい値σｔｈ３と前記調節弁の相対容量係数との関係をあらかじめ記憶し、前記判定手段は、前記診断係数がしきい値σｔｈ０未満の場合、キャビテーションが発生していないと判定し、前記診断係数がしきい値σｔｈ０以上しきい値σｔｈ１未満の場合、騒音のクレーム発生および前記調節弁への悪影響の恐れがない範囲でキャビテーションが発生していると判定し、前記診断係数がしきい値σｔｈ１以上しきい値σｔｈ２未満の場合、特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たすキャビテーションの状態であると判定し、前記診断係数がしきい値σｔｈ２以上しきい値σｔｈ３未満の場合、臨界キャビテーションの圧力条件を満たすキャビテーションの状態であると判定し、前記診断係数がしきい値σｔｈ３以上の場合、チョークフローの圧力条件を満たすキャビテーションの状態であると判定することを特徴とするものである。
また、本発明のキャビテーション診断装置の１構成例において、前記診断係数算出手段は、前記診断係数を（Ｐ２−Ｐ３）／Ｐ１により算出することを特徴とするものである。
また、本発明のキャビテーション診断装置の１構成例において、前記診断係数算出手段は、飽和水蒸気圧をＰｖとしたとき、前記診断係数を（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１−Ｐｖ）により算出することを特徴とするものである。

また、本発明のキャビテーション診断装置の１構成例において、前記診断係数算出手段は、前記上流側流体圧力Ｐ１と前記下流側流体圧力Ｐ２と前記回復途中流体圧力Ｐ３の各々について所定期間内の平均値を算出し、これらの平均値を用いて前記診断係数を算出することを特徴とするものである。
また、本発明のキャビテーション診断装置の１構成例において、前記記憶手段は、前記調節弁の相対容量係数とこれに対応する前記しきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３との組からなるデータをあらかじめ記憶し、前記判定手段は、前記記憶手段から、前記調節弁の現在の相対容量係数に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３を取得することを特徴とするものである。
また、本発明のキャビテーション診断装置の１構成例において、前記記憶手段は、前記しきい値σｔｈ０と前記調節弁の相対容量係数との関係を線形近似した関数ｆ０、前記しきい値σｔｈ１と前記調節弁の相対容量係数との関係を線形近似した関数ｆ１、前記しきい値σｔｈ２と前記調節弁の相対容量係数との関係を線形近似した関数ｆ２、および前記しきい値σｔｈ３と前記調節弁の相対容量係数との関係を線形近似した関数ｆ３をあらかじめ記憶し、前記判定手段は、前記記憶手段に記憶されている関数ｆ０，ｆ１，ｆ２，ｆ３を用いて、前記調節弁の現在の相対容量係数からしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３を算出することを特徴とするものである。

また、本発明のキャビテーション診断方法は、流体が流れる調節弁の上流側の流体圧力Ｐ１を検出する上流側流体圧力検出ステップと、前記調節弁の下流側の流体圧力Ｐ２を検出する下流側流体圧力検出ステップと、前記調節弁による圧力損失から回復する途中の流体圧力Ｐ３を検出する回復途中流体圧力検出ステップと、前記上流側流体圧力検出ステップで検出した上流側流体圧力Ｐ１と前記下流側流体圧力検出ステップで検出した下流側流体圧力Ｐ２と前記回復途中流体圧力検出ステップで検出した回復途中流体圧力Ｐ３とから診断係数を算出する診断係数算出ステップと、前記調節弁にキャビテーションが発生し始めるときの診断係数であるしきい値σｔｈ０と前記調節弁の相対容量係数との関係、およびキャビテーションの状態を判定するしきい値σｔｈｘ（σｔｈ０＜σｔｈｘ）と前記調節弁の相対容量係数との関係をあらかじめ記憶する記憶手段を参照し、この記憶手段に記憶されている情報から前記調節弁の現在の相対容量係数に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈｘを求め、このしきい値σｔｈ０と前記診断係数算出ステップで算出した診断係数とを比較することにより、キャビテーションの有無を判定し、前記調節弁にキャビテーションが発生していると判定したときには、前記しきい値σｔｈｘと前記診断係数算出ステップで算出した診断係数とを比較することにより、キャビテーションの状態を判定する判定ステップとを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、キャビテーション係数を用いる従来の診断装置に比べて、同等の診断精度を維持しつつ記憶手段に記憶させるデータの量を減らすことができるので、データの準備に要する労力を軽減することができる。また、本発明では、上流側流体圧力の変動の大きさと下流側流体圧力の変動の大きさとを用いる従来の診断装置に比べて、ポンプの脈動の影響を受け難くすることができるので、高精度のキャビテーション診断を実現することができる。さらに、本発明では、キャビテーションの状態を高精度に診断することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るキャビテーション診断装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る調節弁の水平断面を示す図である。 上流側流体圧力と下流側流体圧力と回復途中流体圧力との関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るキャビテーション診断装置の動作を示すフローチャートである。 従来のキャビテーション係数と相対容量係数との関係を示す図、および本発明の第１の実施の形態に係る診断係数と相対容量係数との関係を示す図である。 従来のキャビテーション係数と相対容量係数との関係を示す図、および本発明の第１の実施の形態に係る診断係数と相対容量係数との関係を示す図である。 従来のキャビテーション係数と相対容量係数との関係を示す図、および本発明の第１の実施の形態に係る診断係数と相対容量係数との関係を示す図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るキャビテーション診断装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態のキャビテーション診断装置は、流体が流れる配管３の途中に調節弁１が設けてある構成において、調節弁１の上流側の流体圧力Ｐ１を検出する上流側流体圧力検出器４と、調節弁１の下流側の流体圧力Ｐ２を検出する下流側流体圧力検出器５と、調節弁１による圧力損失から回復する途中の流体圧力Ｐ３を検出する回復途中流体圧力検出器６と、上流側流体圧力Ｐ１と下流側流体圧力Ｐ２と回復途中流体圧力Ｐ３とから診断係数を算出する診断係数算出部７と、調節弁１にキャビテーションが発生し始めるときの診断係数であるしきい値σｔｈ０と調節弁１の相対容量係数との関係、調節弁１に発生するキャビテーションが特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たす状態に達したときの診断係数であるしきい値σｔｈ１と調節弁１の相対容量係数との関係、キャビテーションが臨界キャビテーションの圧力条件を満たす状態に達したときの診断係数であるしきい値σｔｈ２と調節弁１の相対容量係数との関係、およびキャビテーションがチョークフローの圧力条件を満たす状態に達したときの診断係数であるしきい値σｔｈ３（σｔｈ０＜σｔｈ１＜σｔｈ２＜σｔｈ３）と調節弁１の相対容量係数１との関係をあらかじめ記憶する記憶部８と、記憶部８に記憶されている情報から調節弁１の現在の相対容量係数に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３を求め、このしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３と診断係数算出部７が算出した診断係数とを比較することにより、キャビテーションの有無および状態を判定する判定部９と、診断結果を外部に出力する診断結果出力部１０と、流体の温度を検出する温度センサ３０とを備えている。

図２は調節弁１の水平断面を示す図である。調節弁１は、両側に開口する流通路を有する弁本体１１と、この弁本体１１の内部中央に回動自在に組み込まれたボールプラグ１２と、このボールプラグ１２を水平方向に回動させる弁軸１３とから構成されている。弁本体１１には、流体が流入する一次側（上流側）流通路１４と、ボールプラグ１２が組み込まれるボールキャビティ１５と、流体が流出する二次側（下流側）流通路１６と、回復途中流体圧力Ｐ３の検出用の圧力取り出し口１７とが形成されている。

ボールプラグ１２は、略球状に形成されており、ボールキャビティ１５内に回動自在に嵌挿されている。ボールプラグ１２には、流入側開口部１８と、流体を流す貫通流路１９と、流出側開口部２０とが形成されている。弁本体１１の一次側流通路１４に流入した流体は、流入側開口部１８からボールプラグ１２内に流入し、貫通流路１９を通って流出側開口部２０から二次側流通路１６に排出される。図２の状態は、ボールプラグ１２の流入側開口部１８が一次側流通路１４の位置にあり、一次側流通路１４に連通するボールプラグ１２の開口部分の断面積が最大の状態、すなわち調節弁１の全開状態を示している。

弁軸１３の回動によってボールプラグ１２を水平方向に回動させると、流入側開口部１８が一次側流通路１４の位置からずれるので、一次側流通路１４に連通するボールプラグ１２の開口部分の断面積が減少する。これにより、調節弁１は全開状態から中間の開度状態に移行する。ボールプラグ１２が更に回動すると、流入側開口部１８が一次側流通路１４の位置から完全に外れて、ボールプラグ１２の外周壁が一次側流通路１４を塞ぐので、一次側流通路１４と二次側流通路１６は遮断される。こうして、調節弁１は全閉状態に移行する。このように、ボールプラグ１２の開口部分の断面積を大きくしたり小さくしたりすることで、調節弁１の開度を調節できるようになっている。

図３は上流側流体圧力Ｐ１と下流側流体圧力Ｐ２と回復途中流体圧力Ｐ３との関係を示す図である。図３の縦軸は流体圧力を示し、横軸は調節弁１の上流側の配管３から調節弁１を通って下流側の配管３に至る流路上の位置を示している。調節弁１においては、ボールプラグ１２の部分で流路が絞られるために、流体の圧力損失が生じる。このため、流体圧力は、調節弁１の位置でいったん低下し、その後に回復し始め、下流側流体圧力Ｐ２で概ね安定する。回復途中流体圧力検出器６は、この圧力低下状態から整定後の下流側流体圧力Ｐ２まで回復する途中の流体圧力Ｐ３を検出するものである。回復途中流体圧力検出器６は、調節弁１の圧力取り出し口１７の位置で回復途中流体圧力Ｐ３を検出する。図２の例では、圧力取り出し口１７は、ボールプラグ１２が組み込まれるボールキャビティ１５に形成されている。

次に、本実施の形態のキャビテーション診断装置の動作を図４を参照して説明する。なお、以下で述べる圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐｖは全て絶対圧である。
まず、診断係数算出部７は、上流側流体圧力検出器４が検出した上流側流体圧力Ｐ１を読み取る（ステップＳ１）。同様に、診断係数算出部７は、下流側流体圧力検出器５が検出した下流側流体圧力Ｐ２を読み取る（ステップＳ２）。さらに、診断係数算出部７は、回復途中流体圧力検出器６が検出した回復途中流体圧力Ｐ３を読み取る（ステップＳ３）。

続いて、診断係数算出部７は、上流側流体圧力Ｐ１と下流側流体圧力Ｐ２と回復途中流体圧力Ｐ３の各々について所定期間内の平均値を算出する（ステップＳ４）。平均値を求める算出方法としては、公知の平均値算出方法（例えば移動平均など）を利用することができる。そして、診断係数算出部７は、上流側流体圧力Ｐ１と下流側流体圧力Ｐ２と回復途中流体圧力Ｐ３の各々の平均値を用いて、次式のように診断係数σ２を算出する（ステップＳ５）。
σ２＝（Ｐ２−Ｐ３）／Ｐ１ ・・・（１）

診断係数σ２は、飽和水蒸気圧Ｐｖの影響を受ける。そこで、上流側流体圧力Ｐ１と下流側流体圧力Ｐ２と回復途中流体圧力Ｐ３の各々の平均値と、飽和水蒸気圧Ｐｖとを用いて次式のように診断係数σ２を算出することがより好ましい。
σ２＝（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１−Ｐｖ） ・・・（２）

周知のとおり飽和水蒸気圧Ｐｖは流体の温度で決まる。そこで、診断係数算出部７は、温度センサ３０が検出した流体の温度の値を読み取って、飽和水蒸気圧Ｐｖを計算すればよい。
なお、従来のキャビテーション係数σは、次式により算出することができる。
σ＝（Ｐ２−Ｐｖ）／（Ｐ１−Ｐ２） ・・・（３）

次に、判定部９は、調節弁１の開度を設定する開度設定器２から調節弁１の現在の開度を読み取る（ステップＳ６）。判定部９は、調節弁１の現在の開度から調節弁１の現在の相対容量係数Ｃｖ％を求め、記憶部８から、調節弁１の現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３を取得する（ステップＳ７）。

しきい値σｔｈ０は、調節弁１にキャビテーションが発生し始めるときの診断係数σ２の値である。σ２＝σｔｈ０の状態では、調節弁１を流れる流体に気泡が発生しているが、調節弁１や周囲への悪影響は何もない。

しきい値σｔｈ１は、圧力比ＸＦが、キャビテーションにより騒音レベルが上昇し始めるときの圧力条件である特性圧力比ＸＦｚに達したときの診断係数σ２の値である。σｔｈ０＜σ２＜σｔｈ１の状態では、キャビテーションの成長や流量増加に合わせて騒音が徐々に増加する。なお、圧力比ＸＦは次式のようになる。特性圧力比ＸＦｚについては、例えば日本工業規格ＪＩＳ２００５−８−２に開示されている。
ＸＦ＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１−Ｐｖ） ・・・（４）

しきい値σｔｈ２は、キャビテーションが定常的に発達する圧力条件である臨界キャビテーションに達したときの診断係数σ２の値である。σｔｈ１＜σ２≦σｔｈ２の状態は、しきい値σｔｈ１を境としてキャビテーションの成長や流量増加に伴う騒音が急激に増加する状態であり、騒音のクレームが発生する可能性がある状態である。臨界キャビテーション（限界キャビテーション）については、例えば文献「“バルブとキャビテーション”，日本バルブ工業会，バルブ技報，Ｎｏ．５３，２００４」に開示されている。

しきい値σｔｈ３は、調節弁１の前後差圧（Ｐ１−Ｐ２）を大きくしても流量が増加しなくなる圧力条件であるチョークフローに達したときの診断係数σ２の値である。σｔｈ２＜σ２≦σｔｈ３の状態は、しきい値σｔｈ２を境としてキャビテーションの成長や流量増加に伴う騒音増加がσｔｈ１＜σ２≦σｔｈ２の場合に比べて穏やかになる状態であるが、調節弁１や調節弁１の下流側の配管が損傷する恐れが出てくる状態である。すなわち、臨界キャビテーションとチョークフローとの間の条件でキャビテーション・エロージョンが起る。この間の条件で運用を続けると、調節弁１や下流側配管が損傷する。σ２≧σｔｈ３の状態では、流体が流れにくくなり、調節弁１の前後の差圧が増加しても流量が増加しない。チョークフローについては、例えば国際規格ＩＥＣＰｕｂ．５３４−２−３に開示されている。

図５（Ａ）、図６（Ａ）、図７（Ａ）は従来のキャビテーション係数σと、調節弁１を流れる流体の相対容量係数Ｃｖ％との関係を示す図、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）は本実施の形態の診断係数σ２と相対容量係数Ｃｖ％との関係を示す図である。図５（Ａ）、図６（Ａ）、図７（Ａ）におけるしきい値σｔｈ４は、特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たすキャビテーションの状態に達したときのキャビテーション係数σの値である。しきい値σｔｈ５は、臨界キャビテーションの圧力条件を満たすキャビテーションの状態に達したときのキャビテーション係数σの値である。しきい値σｔｈ６は、チョークフローの圧力条件を満たすキャビテーションの状態に達したときのキャビテーション係数σの値である。

相対容量係数Ｃｖ％は調節弁１が全開状態のときの容量係数Ｃｖに対する容量係数Ｃｖの割合を示す。容量係数Ｃｖはバルブの開度により変化し、その求め方は周知であるので、詳細な説明は省略する。なお、相対容量係数Ｃｖ％は調節弁１の流量特性によって異なるが、調節弁１の開度と相対容量係数Ｃｖ％との関係を事前に調べておくことにより、調節弁１の現在の開度から調節弁１の現在の相対容量係数Ｃｖ％を求めることが可能である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）は調節弁１の口径が１５Ａのときの特性を示し、図６（Ａ）、図６（Ｂ）は口径が４０Ａのときの特性を示し、図７（Ａ）、図７（Ｂ）は口径が６５Ａのときの特性を示している。

図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）のしきい値σｔｈ１は、調節弁１の開度を固定し、調節弁１の前後差圧を変えて流体圧力を上昇させながら圧力条件を観測する実験を行い、特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たすキャビテーションの状態に達したと判断したときの圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐｖから計算される診断係数σ２をプロットしたものである。図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）のしきい値σｔｈ２は、上記の実験において臨界キャビテーションの圧力条件を満たすキャビテーションの状態に達したと判断したときの圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐｖから計算される診断係数σ２をプロットしたものである。図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）のしきい値σｔｈ３は、上記の実験においてチョークフローの圧力条件を満たすキャビテーションの状態に達したと判断したときの圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐｖから計算される診断係数σ２をプロットしたものである。以上のような診断係数σ２を求める実験を、調節弁１の開度ごとに行えばよい。なお、このときの診断係数σ２の計算には、式（３）を用いている。

図５（Ａ）、図６（Ａ）、図７（Ａ）のしきい値σｔｈ４は、上記の実験において特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たすキャビテーションの状態に達したと判断したときの圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐｖから計算されるキャビテーション係数σをプロットしたものである。図５（Ａ）、図６（Ａ）、図７（Ａ）のしきい値σｔｈ５は、上記の実験において臨界キャビテーションの圧力条件を満たすキャビテーションの状態に達したと判断したときの圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐｖから計算されるキャビテーション係数σをプロットしたものである。図５（Ａ）、図６（Ａ）、図７（Ａ）のしきい値σｔｈ６は、上記の実験においてチョークフローの圧力条件を満たすキャビテーションの状態に達したと判断したときの圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐｖから計算されるキャビテーション係数σをプロットしたものである。

図５（Ａ）、図６（Ａ）、図７（Ａ）から明らかなように、特性圧力比ＸＦｚの圧力条件、臨界キャビテーションの圧力条件またはチョークフローの圧力条件を満たすときのキャビテーション係数σ（しきい値σｔｈ４，σｔｈ５，σｔｈ６）は、相対容量係数Ｃｖ％と線形の関係ではない。このため、キャビテーション係数σを用いて高精度のキャビテーション診断を実現するためには、相対容量係数Ｃｖ％とキャビテーション係数σとの組からなるデータをできるだけ細かく求めてデータテーブルにあらかじめ記録しておく必要がある。

一方、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）に示すように、特性圧力比ＸＦｚの圧力条件、臨界キャビテーションの圧力条件またはチョークフローの圧力条件を満たすときの診断係数σ２（しきい値σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３）は、相対容量係数Ｃｖ％が大きくなるほど大きくなり、相対容量係数Ｃｖ％と概ね線形の関係にあることが分かる。したがって、本実施の形態では、相対容量係数Ｃｖ％と診断係数σ２との組からなるデータの数が少ない場合でも、高精度のキャビテーション診断を実現することができる。なお、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）に図示していないが、キャビテーション発生（初生）の圧力条件を満たすときの診断係数σ２（しきい値σｔｈ０）についても、相対容量係数Ｃｖ％と概ね線形の関係にある。しきい値σｔｈ０を求めるには、しきい値σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３の場合と同様に、調節弁１の開度を固定し、調節弁１の前後差圧を変えて流体圧力を上昇させながら圧力条件を観測する実験を行い、キャビテーションが発生し始めたと判断したときの圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐｖから計算される診断係数σ２（＝σｔｈ０）を求めるようにすればよい。キャビテーションが発生し始めたか否かは、発生した気泡が破裂したときに発生する音（チリチリ音）を聞き取るか、あるいは高周波の圧力振動を振動計で計測するなどの方法で判断する。

本実施の形態のキャビテーション診断装置の記憶部８には、以上のようにして求められた、相対容量係数Ｃｖ％とこれに対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３との組からなるデータがあらかじめ記録されている。したがって、判定部９は、記憶部８から、調節弁１の現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３を取得することができる（ステップＳ７）。

ただし、上記のとおり記憶部８に記録されているデータ数が少ないので、調節弁１の現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ０が記憶部８に記録されていない場合もある。このような場合、判定部９は、記憶部８に記録されているデータのうち、現在の相対容量係数Ｃｖ％よりも小さい相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ０のデータと現在の相対容量係数Ｃｖ％よりも大きい相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ０のデータとを基に線形補間演算を行い、現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ０を算出すればよい。

また、判定部９は、現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ１が記憶部８に記録されていない場合、現在の相対容量係数Ｃｖ％よりも小さい相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ１のデータと現在の相対容量係数Ｃｖ％よりも大きい相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ１のデータとを基に線形補間演算を行い、現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ１を算出すればよい。同様に、判定部９は、現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ２が記憶部８に記録されていない場合、線形補間演算により現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ２を算出すればよく、現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ３が記憶部８に記録されていない場合、線形補間演算により現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ３を算出すればよい。

そして、判定部９は、ステップＳ５で算出した診断係数σ２とステップＳ７で取得したしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３とを比較する（ステップＳ８，Ｓ１０，Ｓ１２）。判定部９は、ステップＳ５で算出した診断係数σ２がしきい値σｔｈ０未満の場合（ステップＳ８においてＮＯ）、キャビテーションが発生していないと判定し（ステップＳ９）、診断係数σ２がしきい値σｔｈ０以上しきい値σｔｈ１未満の場合（ステップＳ１０においてＮＯ）、キャビテーションが発生していると判定する（ステップＳ１１）。

また、判定部９は、ステップＳ５で算出した診断係数σ２がしきい値σｔｈ１以上しきい値σｔｈ２未満の場合（ステップＳ１２においてＮＯ）、特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たすキャビテーションの状態であると判定し（ステップＳ１３）、診断係数σ２がしきい値σｔｈ２以上しきい値σｔｈ３未満の場合（ステップＳ１４においてＮＯ）、臨界キャビテーションの圧力条件を満たすキャビテーションの状態であると判定し（ステップＳ１５）、診断係数σ２がしきい値σｔｈ３以上の場合（ステップＳ１４においてＹＥＳ）、チョークフローの圧力条件を満たすキャビテーションの状態であると判定する（ステップＳ１６）。

診断結果出力部１０は、判定部９による診断結果を出力する（ステップＳ１７）。このときの出力方法としては、診断結果信号の出力、診断結果の表示、あるいは診断結果を知らせるランプの点滅などがある。
以上のステップＳ１〜Ｓ１７の処理が、診断装置の動作が終了するまで（ステップＳ１８においてＹＥＳ）、一定時間ごとに行われる。

以上のように、本実施の形態では、特許文献１に開示された診断装置に比べて、同等の診断精度を維持しつつ記憶部８のデータの数を減らすことができるので、データの準備に要する労力を軽減することができる。また、本実施の形態では、特許文献２に開示された診断装置に比べて、ポンプの脈動の影響を受け難くすることができるので、高精度のキャビテーション診断を実現することができる。さらに、本実施の形態では、キャビテーションの状態を診断することができる。

なお、ステップＳ４の平均化処理は必須の処理ではない。基本的には、圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の瞬時値で診断係数σ２を算出してキャビテーションの有無および状態を診断することは可能である。但し、現実には配管内の圧力はポンプの脈動や調節弁の開閉などにより常に変動していることが想定され、圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の出力を収集するにしても、まったく同じ瞬間の圧力にはならないので、診断係数σ２は算出の度にばらつくことになる。診断係数σ２の算出の度にキャビテーションの診断結果が反転することは好ましくない。そこで、本実施の形態では、配管内の圧力変動の外乱の影響により診断結果が不安定になることを避けるために、圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の平均化処理などの処理をステップＳ４で行っている。

安定した診断を行うための方法としては、本実施の形態のように圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の平均値を用いて診断係数σ２を算出する方法の他に、圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の瞬時値を用いて算出した診断係数σ２を所定期間で平均化し、平均化した診断係数σ２でキャビテーションの有無および状態を診断する方法がある。また、圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の瞬時値を用いて診断係数σ２を算出して個々の診断係数σ２ごとに診断結果を求め、キャビテーション無しという診断結果と、キャビテーション発生という診断結果と、特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たすキャビテーションの状態という診断結果と、臨界キャビテーションの圧力条件を満たすキャビテーションの状態という診断結果と、チョークフローの圧力条件を満たすキャビテーションの状態という診断結果の所定期間内での割合から最終的な診断結果を得るようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、キャビテーション診断装置の構成および処理の流れは第１の実施の形態と同様であるので、図１、図４の符号を用いて説明する。第１の実施の形態で説明したとおり、キャビテーション発生（初生）の圧力条件、特性圧力比ＸＦｚの圧力条件、臨界キャビテーションの圧力条件またはチョークフローの圧力条件を満たすときの診断係数σ２（しきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３）は、相対容量係数Ｃｖ％と概ね線形の関係にある。そこで、しきい値σｔｈ０と相対容量係数Ｃｖ％との関係を線形近似した関数ｆ０（Ｃｖ％）と、しきい値σｔｈ１と相対容量係数Ｃｖ％との関係を線形近似した関数ｆ１（Ｃｖ％）と、しきい値σｔｈ２と相対容量係数Ｃｖ％との関係を線形近似した関数ｆ２（Ｃｖ％）と、しきい値σｔｈ３と相対容量係数Ｃｖ％との関係を線形近似した関数ｆ３（Ｃｖ％）とを記憶部８にあらかじめ登録しておけばよい。

本実施の形態の判定部９は、ステップＳ７において、記憶部８から関数ｆ０（Ｃｖ％），ｆ１（Ｃｖ％），ｆ２（Ｃｖ％），ｆ３（Ｃｖ％）を取得し、この関数ｆ０（Ｃｖ％），ｆ１（Ｃｖ％），ｆ２（Ｃｖ％），ｆ３（Ｃｖ％）にそれぞれ調節弁１の現在の相対容量係数Ｃｖ％を代入して、しきい値σｔｈ０＝ｆ０（Ｃｖ％），σｔｈ１＝ｆ１（Ｃｖ％）、σｔｈ２＝ｆ２（Ｃｖ％）、σｔｈ３＝ｆ３（Ｃｖ％）を算出すればよい。これにより、調節弁１の現在の相対容量係数Ｃｖ％に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３を取得することができる。その他の処理は第１の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第１、第２の実施の形態では、調節弁の例としてボール弁を例に挙げて説明しているが、他の形式の調節弁にも適用できることは言うまでもない。
第１、第２の実施の形態で説明した診断係数算出部７と記憶部８と判定部９とは、ＣＰＵ、メモリ及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムに従って第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、調節弁にキャビテーションが発生したか否かを診断する技術に適用することができる。

１…調節弁、２…開度設定器、３…配管、４…上流側流体圧力検出器、５…下流側流体圧力検出器、６…回復途中流体圧力検出器、７…診断係数算出部、８…記憶部、９…判定部、１０…診断結果出力部、１１…弁本体、１２…ボールプラグ、１３…弁軸、１４…一次側流通路、１５…ボールキャビティ、１６…二次側流通路、１７…圧力取り出し口、１８…流入側開口部、１９…貫通流路、２０…流出側開口部、３０…温度センサ。

Claims (8)

1. 流体が流れる調節弁の上流側の流体圧力Ｐ１を検出する上流側流体圧力検出手段と、
   前記調節弁の下流側の流体圧力Ｐ２を検出する下流側流体圧力検出手段と、
   前記調節弁による圧力損失から回復する途中の流体圧力Ｐ３を検出する回復途中流体圧力検出手段と、
   前記上流側流体圧力検出手段が検出した上流側流体圧力Ｐ１と前記下流側流体圧力検出手段が検出した下流側流体圧力Ｐ２と前記回復途中流体圧力検出手段が検出した回復途中流体圧力Ｐ３とから診断係数を算出する診断係数算出手段と、
   前記調節弁にキャビテーションが発生し始めるときの診断係数であるしきい値σｔｈ０と前記調節弁の相対容量係数との関係、およびキャビテーションの状態を判定するしきい値σｔｈｘ（σｔｈ０＜σｔｈｘ）と前記調節弁の相対容量係数との関係をあらかじめ記憶する記憶手段と、
   この記憶手段に記憶されている情報から前記調節弁の現在の相対容量係数に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈｘを求め、このしきい値σｔｈ０と前記診断係数算出手段が算出した診断係数とを比較することにより、キャビテーションの有無を判定し、前記調節弁にキャビテーションが発生していると判定したときには、前記しきい値σｔｈｘと前記診断係数算出手段が算出した診断係数とを比較することにより、キャビテーションの状態を判定する判定手段とを備えることを特徴とするキャビテーション診断装置。
2. 請求項１記載のキャビテーション診断装置において、
   前記しきい値σｔｈｘは、前記調節弁に発生するキャビテーションが特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たす状態に達したときの診断係数であるしきい値σｔｈ１と、キャビテーションが臨界キャビテーションの圧力条件を満たす状態に達したときの診断係数であるしきい値σｔｈ２と、キャビテーションがチョークフローの圧力条件を満たす状態に達したときの診断係数であるしきい値σｔｈ３（σｔｈ１＜σｔｈ２＜σｔｈ３）とからなり、
   前記記憶手段は、前記しきい値σｔｈ０と前記調節弁の相対容量係数との関係、前記しきい値σｔｈ１と前記調節弁の相対容量係数との関係、前記しきい値σｔｈ２と前記調節弁の相対容量係数との関係、および前記しきい値σｔｈ３と前記調節弁の相対容量係数との関係をあらかじめ記憶し、
   前記判定手段は、前記診断係数がしきい値σｔｈ０未満の場合、キャビテーションが発生していないと判定し、前記診断係数がしきい値σｔｈ０以上しきい値σｔｈ１未満の場合、騒音のクレーム発生および前記調節弁への悪影響の恐れがない範囲でキャビテーションが発生していると判定し、前記診断係数がしきい値σｔｈ１以上しきい値σｔｈ２未満の場合、特性圧力比ＸＦｚの圧力条件を満たすキャビテーションの状態であると判定し、前記診断係数がしきい値σｔｈ２以上しきい値σｔｈ３未満の場合、臨界キャビテーションの圧力条件を満たすキャビテーションの状態であると判定し、前記診断係数がしきい値σｔｈ３以上の場合、チョークフローの圧力条件を満たすキャビテーションの状態であると判定することを特徴とするキャビテーション診断装置。
3. 請求項１または２記載のキャビテーション診断装置において、
   前記診断係数算出手段は、前記診断係数を（Ｐ２−Ｐ３）／Ｐ１により算出することを特徴とするキャビテーション診断装置。
4. 請求項１または２記載のキャビテーション診断装置において、
   前記診断係数算出手段は、飽和水蒸気圧をＰｖとしたとき、前記診断係数を（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１−Ｐｖ）により算出することを特徴とするキャビテーション診断装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のキャビテーション診断装置において、
   前記診断係数算出手段は、前記上流側流体圧力Ｐ１と前記下流側流体圧力Ｐ２と前記回復途中流体圧力Ｐ３の各々について所定期間内の平均値を算出し、これらの平均値を用いて前記診断係数を算出することを特徴とするキャビテーション診断装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のキャビテーション診断装置において、
   前記記憶手段は、前記調節弁の相対容量係数とこれに対応する前記しきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３との組からなるデータをあらかじめ記憶し、
   前記判定手段は、前記記憶手段から、前記調節弁の現在の相対容量係数に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３を取得することを特徴とするキャビテーション診断装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のキャビテーション診断装置において、
   前記記憶手段は、前記しきい値σｔｈ０と前記調節弁の相対容量係数との関係を線形近似した関数ｆ０、前記しきい値σｔｈ１と前記調節弁の相対容量係数との関係を線形近似した関数ｆ１、前記しきい値σｔｈ２と前記調節弁の相対容量係数との関係を線形近似した関数ｆ２、および前記しきい値σｔｈ３と前記調節弁の相対容量係数との関係を線形近似した関数ｆ３をあらかじめ記憶し、
   前記判定手段は、前記記憶手段に記憶されている関数ｆ０，ｆ１，ｆ２，ｆ３を用いて、前記調節弁の現在の相対容量係数からしきい値σｔｈ０，σｔｈ１，σｔｈ２，σｔｈ３を算出することを特徴とするキャビテーション診断装置。
8. 流体が流れる調節弁の上流側の流体圧力Ｐ１を検出する上流側流体圧力検出ステップと、
   前記調節弁の下流側の流体圧力Ｐ２を検出する下流側流体圧力検出ステップと、
   前記調節弁による圧力損失から回復する途中の流体圧力Ｐ３を検出する回復途中流体圧力検出ステップと、
   前記上流側流体圧力検出ステップで検出した上流側流体圧力Ｐ１と前記下流側流体圧力検出ステップで検出した下流側流体圧力Ｐ２と前記回復途中流体圧力検出ステップで検出した回復途中流体圧力Ｐ３とから診断係数を算出する診断係数算出ステップと、
   前記調節弁にキャビテーションが発生し始めるときの診断係数であるしきい値σｔｈ０と前記調節弁の相対容量係数との関係、およびキャビテーションの状態を判定するしきい値σｔｈｘ（σｔｈ０＜σｔｈｘ）と前記調節弁の相対容量係数との関係をあらかじめ記憶する記憶手段を参照し、この記憶手段に記憶されている情報から前記調節弁の現在の相対容量係数に対応するしきい値σｔｈ０，σｔｈｘを求め、このしきい値σｔｈ０と前記診断係数算出ステップで算出した診断係数とを比較することにより、キャビテーションの有無を判定し、前記調節弁にキャビテーションが発生していると判定したときには、前記しきい値σｔｈｘと前記診断係数算出ステップで算出した診断係数とを比較することにより、キャビテーションの状態を判定する判定ステップとを備えることを特徴とするキャビテーション診断方法。

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