JP7144126B1 - 流量制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】流量制御開始時の応答性を改善しつつ、オーバーシュートを抑制することが可能な流量制御装置を提供する。【解決手段】本発明に係る流量制御装置１は、流路８を流れる流体の流量を測定する流量計２と、流路８を流れる流体の流量を調節する流量調節弁４と、流量計２の測定結果に基づき流量調節弁４の開度を制御する制御部７と、を備え、流量調節弁４の開度が全閉で、かつ、流量制御を開始した時点で、流量調節弁４の開度を全閉から指定開度まで強制的に開くことにより流体の流れ出しを早める低流量急速バルブオープン機能と、低流量急速バルブオープン機能の動作直後に、予め設定された待機時間に到達するか、又は、予め設定された流量閾値に到達するまで流量制御を待機させることによりオーバーシュートを抑制するオーバーシュート抑制機能と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、流量０Ｌから瞬時流量による流量制御を開始した際の応答性を高め、オーバーシュートを抑制することが可能な流量制御装置に関する。
従来、流量計、流量調節弁及びコントローラを備えた流量制御装置が知られている。このような流量制御装置において、通常はコントローラにて設定流量値と流量計で測定した現在の流量値とを比較し、ＰＩＤ制御によって流量調節弁のバルブ開度を制御するのが一般的である。しかし、流量０Ｌから低い流量を制御する際には、バルブ特性として止水マージンがあり、更にＰＩＤの偏差が少なく、流体が流れ出すのにかなりの時間を要するため、応答が遅いという問題があった。
なお、本出願人が事前に調査したところ、先行技術文献として下記の特許文献１が発見された。特許文献１のマスフローコントローラは、流量設定信号のレベルが閾値を超えると補正信号が出力され、制御信号が制御バルブの開き出し電圧まで瞬時に立ち上がるようにして低流量域の応答性を高めたものであるが、パルス信号による電圧によって制御バルブの開度を制御するものである点で本発明とは異なる技術である。
特開２００１－２３６１２５号公報（株式会社エステック）
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流量制御開始時の応答性を改善しつつ、オーバーシュートを抑制することが可能な流量制御装置を提供することにある。
前記の課題を解決するため、本発明に係る流量制御装置は、流路を流れる流体の流量を測定する流量計と、前記流路を流れる流体の流量を調節する流量調節弁と、前記流量計の測定結果に基づき前記流量調節弁の開度を制御する制御部と、を備え、前記流量調節弁の開度が全閉で、かつ、流量制御を開始した時点で、前記流量調節弁の開度を全閉から指定開度まで強制的に開くことにより前記流体の流れ出しを早める低流量急速バルブオープン機能と、前記低流量急速バルブオープン機能の動作直後に、予め設定された待機時間に到達するか、又は、予め設定された流量閾値に到達するまで前記流量調節弁の開度を前記指定開度まで強制的に開いたままの状態で待機することによりオーバーシュートを抑制するオーバーシュート抑制機能と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る流量制御装置は、前記低流量急速バルブオープン機能において、前記流量調節弁の開度が全閉で、かつ、前記流量計で測定した瞬時流量値が０Ｌ／ｍｉｎの状態で、前記流量調節弁の開度を全閉から指定開度まで強制的に開くように設定されていることを特徴とする。
また、本発明に係る流量制御装置は、前記オーバーシュート抑制機能において、指定変化量以下かつ指定サンプリング回数以上を検知した場合、又は、複数回連続で設定流量値以上を検知した場合に、前記予め設定された流量閾値に到達したと判断することを特徴とする。
本発明に係る流量制御装置によれば、流量制御開始時に流量調節弁の開度を全閉から指定開度まで強制的に開くことにより流量０Ｌからの応答性を高めることができるとともに、予め設定された待機時間又は流量閾値に到達するまで流量制御を待機させることにより流量制御開始時のオーバーシュートを抑制することができるという効果がある。
本発明に係る流量制御装置の機能ブロック図である。 同装置の内部構造図である。 同装置による流量制御方法の一例を示すフローチャート図である。 同装置による具体的な動作例を示すグラフ図である。 同装置による流量制御方法の他の例を示すフローチャート図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の流量制御装置１は、流量測定部と流量制御部を一体化した装置であって、流量測定部として流量計２、流量計基板３を備え、流量制御部として流量調節弁４、ステッピングモータ５、位置検出センサ６、制御基板（制御部）７を備えて構成されている。制御基板７には外部制御機器５０が接続され、外部制御機器５０から電力供給や各種信号の送受信が行われる。
流量計２は、流路８を流れる流体の流量を測定する。図２に示すように、本実施形態の流量計２は超音波式流量計であって、ＰＦＡチューブ９が取り付けられた流入口１０から流出口１１へと連通する流路８の途中に直管型の測定管１２が設けられている。測定管１２の両端には、対向する一対の超音波振動子からなる超音波センサ１３，１４が取り付けられている。超音波センサ１３，１４は交互に送信器と受信器に切り換えられ、測定管１２内を流れる流体に対して一方の超音波センサ１３（１４）から送信された超音波を他方の超音波センサ１４（１３）で受信し、流体の順方向における超音波の伝播時間と逆方向における超音波の伝播時間との差に基づいて流体の流量を測定する。
流量計基板３は、送受信回路と測定回路を備えてなる。送受信回路は、測定回路からの指令信号に従って超音波振動子を励振させ、超音波センサ１３，１４による超音波パルスの送信と受信を行う。測定回路は、ＣＰＵ等の演算処理部を有し、超音波センサ１３，１４による超音波パルスの送信から受信までに要した伝播時間を計測し、流体の順方向における伝播時間と逆方向における伝播時間との差に基づいて流速を求め、求めた流速を流量値（瞬時流量値、積算流量値）に換算して制御基板７に出力する。
流量調節弁４は、流路８を流れる流体の流量を調節する。図２に示すように、本実施形態の流量調節弁４は、全閉（０％）から全開（１００％）まで開度を調節することが可能な電動式ニードルバルブである。この電動式ニードルバルブは、弁体１５としてダイヤフラム１６とニードル１７を備え、駆動部としてステッピングモータ５を含むモータアクチュエータ１８を備えている。弁体１５には軸体１９が連結されており、軸体１９は、その後端にステッピングモータ５のモータ軸２０が取り付けられ、軸体１９側面の回転力を抑えることにより直動動作を行い、ばね部材２１により後方（弁座２２から遠ざかる方向）に常時付勢されている。
流量調節弁４について、モータアクチュエータ１８の駆動は、ステッピングモータ５が回転してモータ軸２０が回転すると、その駆動力によってばね部材２１の付勢力に抗して軸体１９が前進し、軸体１９に連結された弁体１５が弁座２２に近接する。また、モータアクチュエータ１８の駆動によりステッピングモータ５が逆回転してモータ軸２０が逆回転すると、ばね部材２１の付勢力によって軸体１９を押しながら後退し、軸体１９に連結された弁体１５が弁座２２から離間する。このように、モータアクチュエータ１８の駆動により弁体１５のニードル１７が弁座２２に近接又は離間することにより、ニードル１７と弁座２２との隙間である弁開度が調節される。なお、モータアクチュエータ１８は、ステッピングモータ５のほか、減速機や位置検出センサ６を含む。
制御基板７には、図２に示すコネクタ基板２３に設けられたＩ／Ｏコネクタ２４と通信コネクタ２５に対し、図示しないＩ／Ｏコネクタケーブルと通信コネクタケーブルを介して外部制御機器５０が接続される。制御基板７は、外部制御機器５０から電力供給を受けて、外部制御機器５０との間で各種信号の送受信を行う。外部制御機器５０から受信する信号は、電源入力信号、目標値設定の指令入力信号、制御ＯＮ／ＯＦＦの制御入力信号等であり、外部制御機器５０へ送信する信号は流量出力信号である。
制御基板７は、制御回路とモータドライバ回路を備えてなる。制御基板７は、流量計２の測定結果に基づいてモータアクチュエータ１８を制御し、流量調節弁４の開度をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）する。制御回路は、ＣＰＵ等の演算処理部を有し、流量計基板３から受信した流量値（瞬時流量値、積算流量値）と、外部制御機器５０から受信した指令入力信号に基づいて、ステッピングモータ５を制御するための矩形波のパルス信号をモータドライバ回路に出力する。また、制御回路は、ステッピングモータ５の軸体１９に取り付けられたマグネット２６により位置検出センサ６が磁気を検出し、位置検出センサ６からの電圧信号に基づいて、ステッピングモータ５の軸体１９の位置を検出する。モータドライバ回路は、制御回路から出力されたパルス信号に応じて励磁信号を生成して出力し、ステッピングモータ５の駆動を制御する。
以上が本実施形態の流量制御装置１の構成であるが、次に、この装置による流量制御方法について、図３及び図４を参照しながら説明する。
図３において、流量調節弁４の開度が全閉（０％）で、かつ、流量計２で測定した瞬時流量値が０Ｌ／ｍｉｎの状態で、流量制御を開始する（ステップ１０１でＹＥＳ）《図４のＡ点》。目標の流量設定値に向けて流量制御を行うが、流量制御を開始した時点でＰＩＤ制御は行わず、開度指令信号を出力し、流量調節弁４の開度を全閉（０％）から予め指定された開度まで強制的に開く（ステップ１０２）《図４のＡ点からＢ点》。これにより、流量調節弁４の止水マージンを解消し、流体の流れ出しを早めることができる。この動作が低流量急速バルブオープン機能である。
この流量急速バルブオープン機能の動作直後に、実際の開度が予め指定された開度まで到達した場合には（ステップ１０３でＹＥＳ）、待機時間又は流量閾値が設定されているかどうかを判断する（ステップ１０４）。ここで、待機時間又は流量閾値が設定されていない場合には（ステップ１０４でＮＯ）、通常のＰＩＤ制御を開始するが（ステップ１０７）、設定されている場合には（ステップ１０４でＹＥＳ）、ＰＩＤ制御を行わずに制御待機する（ステップ１０５）。すなわち、予め設定された待機時間に到達するか、又は、予め設定された流量閾値に到達するまで流量制御を待機させる《図４のＢ点からＣ点》。この動作がオーバーシュート抑制機能である。
このオーバーシュート抑制機能の動作により、予め設定された待機時間まで制御待機するが（ステップ１０６でＮＯ）、その途中で流量閾値（待機時間解除流量値）に到達した場合には（ステップ１０６でＹＥＳ）、制御待機を解除し、通常のＰＩＤ制御を開始する（ステップ１０７）。ここでのＰＩＤ制御では、飽和した流量値で偏差を求めるため、誤認識がなく、適切な偏差が算出され、開度が微調節される《図４のＣ点からＤ点》。このＰＩＤ制御により、流量計２の測定結果が設定流量値付近になるまで流量制御を継続するが（ステップ１０８でＮＯ）、設定流量値付近になれば（ステップ１０８でＹＥＳ）《図４のＤ点》、流量制御を終了する。
このように、低流量急速バルブオープン機能により、流量０Ｌからの瞬時流量による流量制御を開始する際の応答性を高めることができる。しかも、低流量急速バルブオープン機能だけでは流量制御開始時のオーバーシュートが発生し易いが、オーバーシュート抑制機能を併用することにより、低流量急速バルブオープン機能の動作直後に予め設定された待機時間又は流量閾値に到達するまで制御待機することでオーバーシュートを効果的に抑制することができる。
なお、上述したオーバーシュート抑制機能について、図５に示す制御方法を採用することも可能である。図５に示すステップ２０１～２０６までの動作は、図３に示すステップ１０１～１０６までの動作と同じである。異なる点は、ステップ２０７において、指定変化量以下かつ指定サンプリング回数以上を検知した場合に（ステップ２０７でＹＥＳ）、予め設定された流量閾値に到達したと判断してＰＩＤ制御を開始する（ステップ２０８）。ここで「指定サンプリング回数」とは、流量測定を一定周期（例えば１０ｍｓ）毎にサンプリングし、何回比較するかを設定した回数のことである。また、指定変化量以下かつ指定サンプリング回数以上を検知した場合に代えて、複数回連続で設定流量値以上を検知した場合に、予め設定された流量閾値に到達したと判断するようにしてもよい。このような処理を加えることにより、圧力変化等の影響による誤検知を防ぐことができる。
以上説明した実施形態では、流量計２として超音波式流量計を採用したが、流量測定部を構成する流量計はこれに限られず、カルマン渦式流量計、羽根車式流量計、面積式流量計、コリオリ式流量計、差圧式流量計、電磁式流量計、熱式流量計等、その他の流量計を採用することもできる。また、流量調節弁４として電動式ニードルバルブを採用したが、流量制御部を構成する流量調節弁はこれに限られず、エアー式ニードルバルブ、定圧弁、ボールバルブ、バタフライバルブ、グローブバルブ等、その他のバルブを採用することもできる。
１：流量制御装置
２：流量計
３：流量計基板
４：流量調節弁
５：ステッピングモータ
６：位置検出センサ
７：制御基板
８：流路
９：ＰＦＡチューブ
１０：流入口
１１：流出口
１２：測定管
１３：超音波センサ
１４：超音波センサ
１５：弁体
１６：ダイヤフラム
１７：ニードル
１８：モータアクチュエータ
１９：軸体
２０：モータ軸
２１：ばね部材
２２：弁座
２３：コネクタ基板
２４：Ｉ／Ｏコネクタ
２５：通信コネクタ
２６：マグネット
５０：外部制御機器

Claims (3)

  1. 流路を流れる流体の流量を測定する流量計と、
    前記流路を流れる流体の流量を調節する流量調節弁と、
    前記流量計の測定結果に基づき前記流量調節弁の開度を制御する制御部と、を備え、
    前記流量調節弁の開度が全閉で、かつ、流量制御を開始した時点で、前記流量調節弁の開度を全閉から指定開度まで強制的に開くことにより前記流体の流れ出しを早める低流量急速バルブオープン機能と、
    前記低流量急速バルブオープン機能の動作直後に、予め設定された待機時間に到達するか、又は、予め設定された流量閾値に到達するまで前記流量調節弁の開度を前記指定開度まで強制的に開いたままの状態で待機することによりオーバーシュートを抑制するオーバーシュート抑制機能と、を有する
    ことを特徴とする流量制御装置。
  2. 前記低流量急速バルブオープン機能において、
    前記流量調節弁の開度が全閉で、かつ、前記流量計で測定した瞬時流量値が０Ｌ／ｍｉｎの状態で、前記流量調節弁の開度を全閉から指定開度まで強制的に開くように設定されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
  3. 前記オーバーシュート抑制機能において、
    指定変化量以下かつ指定サンプリング回数以上を検知した場合、又は、複数回連続で設定流量値以上を検知した場合に、前記予め設定された流量閾値に到達したと判断する
    ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
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