JP7224089B1 - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積算流量誤差を改善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の開度を瞬時流量値で制御し、設定された積算流量値で閉止する閉止機能と、流量調節弁４の現在の開度と瞬時流量値を常時監視し、積算流量値が事前閉止流量値に到達した時点で流量調節弁４の閉止動作を開始する積算値予測機能と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、瞬時流量値で制御し、正確な積算流量値でバルブを閉止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、積算流量値でバルブを閉止させる場合、まず瞬時流量値を一定に保ち、その後、積算流量値に到達した時点でバルブを閉止させる方法が一般的である。しかし、バルブは一瞬で閉じることができないため、積算流量値に到達してからバルブを閉止させても閉じるまでに時間を要し、その要した時間によって積算流量値に誤差が生じてしまう。特に、流量調節弁と閉止弁の両方の機能を一つのバルブで兼ねている場合には、閉じるまでの時間をさらに要するため、積算流量値の誤差がより大きくなるという問題があった。

また、下記の圧力条件及び瞬時制御流量等により制御される開度が異なるため、同じ瞬時制御流量でもバルブ開度によって積算流量誤差が異なり、正確な積算流量値でバルブを閉止することが難しいという問題があった。なお、圧力条件が変化した際においても、積算流量誤差が変動し、再現性が悪いという問題もあった。
圧力条件：圧力が大きいと吐出量が多く、圧力が小さいと吐出量が少なくなる。
瞬時制御流量：瞬時制御流量が多いとバルブ開度は大きく、瞬時制御流量が少ないとバルブ開度は小さくする。

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の注入量制御装置は、積算流量の到達タイミングを予測し、バルブ閉止動作時間だけ早めに閉止動作を開始することによって正確な注入量になるように制御するものであるが、バルブは一定閉止時間であり、かつ瞬時流量を制御するものでないため圧力条件により瞬時流量値が異なる。また、開度センサ等からのフィードバックがない点や、瞬時流量制御でない点で本発明とは異なる技術である。

特開２００２－３１０７７３号公報（株式会社東芝）

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、バルブを閉止する際の遅れ時間について、圧力変化及び瞬時制御流量値によりバルブ制御の開口面積（バルブ高さ＝バルブ開度）が異なるため積算オーバー流量値のバラツキが発生することを考慮し、バルブ開度と瞬時流量値を常に監視し、適正な時間（制御流量値、開度値に合わせた時間）で事前に閉止することにより、積算流量誤差を改善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、前記流量調節弁の開度位置を検出する位置検出センサと、を備え、前記流量調節弁の開度を瞬時流量値で制御し、設定された積算流量値で閉止する閉止機能と、前記流量調節弁の現在の開度と瞬時流量値を常時監視し、積算流量値が下記〈式〉で定義される事前閉止流量値に到達した時点で前記流量調節弁の閉止動作を開始する積算値予測機能と、を有することを特徴とする。
〈式〉
事前閉止流量値＝設定された積算流量値－積算オーバー流量値
積算オーバー流量値＝現在の開度から算出される全閉完了時間×瞬時流量値から算出される単位時間当たりの吐出流量
又は
積算オーバー流量値＝瞬時流量値から算出される単位面積当たりの流速×現在の開度から全閉が完了するまでの開口断面積の積分値

全閉完了時間については、圧力条件及び瞬時流量値によりバルブ開度が異なる。現在のバルブ開度を位置検出センサ等にて監視することで全閉までの時間を算出でき、これに瞬時流量値の単位時間当たりの吐出流量を当てはめることで現在のバルブ開度から積算オーバー流量値が求められるため、常に積算流量値と比較することで現在の状態に合った事前閉止動作が可能となる。このことにより、圧力条件変化及び瞬時流量値変化による積算オーバー流量値のバラツキをバルブ開度に応じた事前閉止動作で解消することができる。

また、本発明に係る流量制御装置は、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、を有することを特徴とする。

本発明に係る流量制御装置によれば、圧力変化及び瞬時制御流量値の違いによる積算オーバー流量値のバラツキについて流量調節弁の閉止動作を開始する際の積算流量値を、現在の開度と瞬時流量値に応じて早めに予測したタイミング（事前閉止流量値に到達した時点）で強制的に閉止動作を開始することにより、設定された積算流量値に対して誤差の少ない正確な積算流量値で閉止動作を完了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。 同装置において、設定された積算流量値が１０Ｌの時、（Ａ）は瞬時流量値１Ｌ／ｍｉｎで流量制御した場合の開度と積算流量値の関係を示すグラフ図、（Ｂ）は瞬時流量値５Ｌ／ｍｉｎで流量制御した場合の開度と積算流量値の関係を示すグラフ図である。 同装置において、設定された積算流量値が１０Ｌの時、０Ｌから瞬時流量値１Ｌ／ｍｉｎで流量制御した場合の開度と積算流量値の関係を示すグラフ図である。 同装置において、現在の開度と瞬時流量値に基づいて遅延流量値と事前閉止流量値を求めたデータテーブルである。 同装置の流量調節弁におけるニードルと弁座の模式図である。 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動作について、図３～９を参照しながら説明する。

本実施形態の流量制御装置１は、流量調節弁４の開度を瞬時流量値でフィードバック制御（ＰＩＤ制御）し、外部制御機器５０で設定された積算流量値で閉止する閉止機能を有している。ここで、例えば流路８に流体が流れている状態から、制御基板（制御部）７において積算を開始した場合について考えてみる。図３において、設定された積算流量値が１０Ｌの時、（Ａ）は瞬時流量値１Ｌ／ｍｉｎで流量制御した場合の開度と積算流量値の関係を示すグラフ図、（Ｂ）は瞬時流量値５Ｌ／ｍｉｎで流量制御した場合の開度と積算流量値の関係を示すグラフ図である。

通常の流量制御の場合、瞬時流量制御を行いながら、測定された積算流量値が予め設定された積算流量値に到達した時点で強制閉止動作を開始するが、図３から明らかなように、強制閉止させる直前の開度によって、閉止遅れ時間が変動し、開度が高いと積算流量値の誤差が大きくなる傾向がある。また、流量制御時の瞬時流量値（１Ｌ／ｍｉｎ、５Ｌ／ｍｉｎ）の違いによって、閉止遅れによる流量誤差も異なることが分かる。

図３では瞬時流量値による流量制御中に、流体が流れている状態で積算を開始した場合について説明したが、一般的には流体が流れていない０Ｌから積算を開始する使用例が多い。図４は、設定された積算流量値が１０Ｌの時、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の状態から、瞬時流量値１Ｌ／ｍｉｎで流量制御した場合の開度と積算流量値の関係を示すグラフ図である。

図４に示すように、従来は測定された積算流量値が予め設定された積算流量値に到達した時点で閉止動作を開始するが（図４のＡ点）、本発明では到達する積算流量値を予測して早めに強制閉止動作を開始することにより（図４のＢ点）、積算流量値がオーバーし難く、高精度に積算流量値を制御することができる。本発明の強制閉止開始流量値によれば、閉止動作を開始する際の積算流量値を、開度と瞬時流量値に応じて早めに予測したタイミングで強制的に閉止動作を開始するため、設定された積算流量値に対して誤差の少ない正確な積算流量値で閉止動作を完了することが可能になる。

すなわち、本実施形態の流量制御装置１は、流量調節弁４の現在の開度と瞬時流量値を常時監視し、測定された積算流量値が強制閉止開始流量値、換言すれば、事前閉止流量値に到達した時点で流量調節弁４の閉止動作を開始する機能を有している。これが積算値予測機能である。

事前閉止流量値は、下記〈式〉で定義される。
〈式〉
事前閉止流量値＝設定された積算流量値－積算オーバー流量値
積算オーバー流量値＝現在の開度から算出される全閉完了時間×瞬時流量値から算出される単位時間当たりの吐出流量（×第１の閉止補正係数）
なお、第１の閉止補正係数とは、バルブ閉止開始から全閉までに開口面積が変わるニードルバルブやボールバルブなど絞りながら閉止するものを補正する係数であり、実機評価又はバルブとオリフィスの体積比より算出するものとする。
又は、上記の〈式〉に代えて、下記の〈式〉を採用してもよい。
〈式〉
事前閉止流量値＝設定された積算流量値－積算オーバー流量値
積算オーバー流量値＝瞬時流量値から算出される単位面積当たりの流速×現在の開度から全閉が完了するまでの開口断面積の積分値（×第２の閉止補正係数）
なお、第２の閉止補正係数とは、閉止動作による差圧変化や粘性影響による平均流速変化の補正、及び絞り部形状により開口断面積の変化量が計算と異なる場合に補正する係数であり、実機評価などにより算出するものとする。

図５は、流量調節弁４の現在の開度（％）から算出される全閉完了時間［ｍｓ］と、瞬時流量値から算出される単位時間［１ｍｓ］当たりの吐出流量（ｍＬ／ｍｓ）に基づいて、積算オーバー流量値＝遅延流量値（ｍＬ）（図５）と事前閉止流量値（ｍＬ）を求めたデータテーブルである。現在の開度は１０％刻みであるが、その中間は比率で算出する。また、スケーリング値によって積算単位は異なる。

一例を挙げれば、設定された積算流量値が１０００ｍＬで瞬時流量値３００ｍＬ／ｍｉｎで流量制御する場合、現在の開度が７０％であれば、開度から算出される全閉完了時間は１８０ｍｓである。また、瞬時流量値３００ｍＬ／ｍｉｎから算出される１ｍｓ間の吐出流量が０．００５ｍＬであるから、遅延流量値は１８０ｍｓ×０．００５ｍＬ＝０．９０ｍＬとなる。したがって、事前閉止流量値は、１０００ｍＬ－０．９０ｍＬ＝９９９．１０ｍＬとなる。制御基板（制御部）７は、流量計２で測定された積算流量値がこの事前閉止流量値に到達した時点で流量調節弁４の閉止動作を開始するようにモータアクチュエータ１８の駆動を制御する。このデータテーブルに示すように、制御基板（制御部）７では、現在の開度と流速がリアルタイムに計算される。

本実施形態の流量調節弁４は電動式ニードルバルブであり、図６のように、ニードル１７と弁座２２を模式的に表すと、積算値予測機能における事前閉止流量値を求める計算式は以下のとおりとなる。

・現在の開度から閉止動作開始t秒後の半径rを算出
r＝a×（最大リフト量－最大リフト量×K＋vt）
a＝ニードル底面半径／ニードル長さ
v＝ニードルリフトスピード
K＝閉止動作開始時の開度（％）

・t秒後の開口断面積Dtを算出
Dt＝πR²－πr²
R＝バルブオリフィス半径

・t秒後の瞬時流量値を算出
Qt＝V×Dt
V＝閉止開始時の流速＝閉止開始時の瞬時流量／断面積Dt（t＝0で算出）

・現在の開度から全閉完了までの時間（t1）を算出
t1＝最大リフト量×K/v

・遅延流量値（Q’）を算出
t0（閉止開始時間）からt1（閉止完了時間）までQtを積分

事前閉止流量値＝設定積算流量値－遅延流量値（Q’）

なお、図４で説明したような流体が流れていない０Ｌから積算を開始する場合には、流量制御開始時のオーバーシュートが発生し易いため、以下のような低流量域の応答性を高めつつ、オーバーシュートを抑制する機能を併用するのが好ましい。

図７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８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８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８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８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８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９に示す制御方法を採用することも可能である。図９に示すステップ２０１～２０６までの動作は、図７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 (2)

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、
   前記流量調節弁の開度位置を検出する位置検出センサと、を備え、
   前記流量調節弁の開度を瞬時流量値で制御し、設定された積算流量値で閉止する閉止機能と、
   前記流量調節弁の現在の開度と瞬時流量値を常時監視し、積算流量値が下記〈式〉で定義される事前閉止流量値に到達した時点で前記流量調節弁の閉止動作を開始する積算値予測機能と、を有する
   ことを特徴とする流量制御装置。
   〈式〉
   事前閉止流量値＝設定された積算流量値－積算オーバー流量値
   積算オーバー流量値＝現在の開度から算出される全閉完了時間×瞬時流量値から算出される単位時間当たりの吐出流量
   又は
   積算オーバー流量値＝瞬時流量値から算出される単位面積当たりの流速×現在の開度から全閉が完了するまでの開口断面積の積分値
2. 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
   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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