JP7478177B2 - 弁駆動診断装置及びその弁駆動診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、弁駆動診断装置及びその弁駆動診断方法に関する。

仕切り弁や球型弁等の弁体がステムと共に進退する弁駆動装置は、ステムに噛み合ったステムブッシュがモータの回転力を与えられて回転し、ステム及び弁体を進退させる。ステムがステンレス鋼等の硬質金属により形成されるのに対し、ステムブッシュは真鍮等の軟質金属により形成されることから、摩耗は実質的にステムではなくステムブッシュに生じる。ステムブッシュの摩耗が進むと、モータの作動開始から弁体が移動を開始するまでの時間が長くなるだけではなく、ステムブッシュからステムが脱落する等の問題が招来するため、ステムブッシュの摩耗量は定期的に計測される。

ステムブッシュの摩耗量の計測には、螺子ゲージを用いる方法がある。螺子ゲージは、ステムブッシュに対応した設計になっている必要があり、ステムブッシュの機種（規格）ごとに対応する螺子ゲージを用意しなければならない。
螺子ゲージを用いない方法として、特許文献１には、ステムブッシュ（ステムナット）と共に回転するドライブスリーブの回転角度、ドライブスリーブの軸方向のガタ成分、及び、ステムの動きだしをそれぞれ検出して、ステムブッシュの摩耗量を検出する方法が開示されている。

特開２０１０－２６１５８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法は、ドライブスリーブの軸方向のガタ成分の検出のために螺旋状の特殊な治具を必要とし、しかも、その治具を弁駆動装置の機種ごとに設計しなければならないという問題がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、弁駆動装置のステムブッシュの摩耗量を求めることができる値を、特殊な治具を用いることなく導出可能な弁駆動診断装置及びその弁駆動診断方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る弁駆動診断装置は、ステムに螺合したステムブッシュを交流電流の通電によるモータの作動によって回転させて、弁体を前記ステムと共に該ステムの軸方向に移動させる弁駆動装置の弁駆動を診断する装置において、前記モータに与えられる電流値を連続的又は間欠的に計測する電流検出手段と、前記電流検出手段が所定の時間長内に計測した電流値の絶対値の平均値又は該絶対値に対応する値の平均値の時間軸に対する変化を表す平均値推移線を微分演算して診断線を導出し、該診断線の増減を基に前記モータの作動開始から前記弁体及び前記ステムが移動を始めるまでのギャップ時間を導出する演算手段とを備える。

前記目的に沿う第２の発明に係る弁駆動診断方法は、ステムに螺合したステムブッシュを交流電流の通電によるモータの作動によって回転させて、弁体を前記ステムと共に該ステムの軸方向に移動させる弁駆動装置の弁駆動を診断する方法において、前記モータに与えられる電流値を連続的又は間欠的に計測する工程と、所定の時間長内に計測した電流値の絶対値の平均値又は該絶対値に対応する値の平均値の時間軸に対する変化を表す平均値推移線を微分演算して診断線を導出する工程と、前記診断線の増減を基に前記モータの作動開始から前記弁体及び前記ステムが移動を始めるまでのギャップ時間を導出する工程とを有する。

第１の発明に係る弁駆動診断装置及び第２の発明に係る弁駆動診断方法は、モータに与えられる交流電流の電流値を連続的又は間欠的に計測し、所定の時間長内に計測した電流値の絶対値の平均値又は絶対値に対応する値の平均値の時間軸に対する変化を表す平均値推移線を微分演算して診断線を導出し、診断線の増減を基に増減を基にモータの作動開始から弁体及びステムが移動を始めるまでのギャップ時間を導出するので、ギャップ時間の導出に特殊な治具を要さない。また、ギャップ時間はステムブッシュの摩耗量の増加に伴って長くなることから、ギャップ時間を基に弁駆動装置のステムブッシュの摩耗量を求めることができる。従って、第１の発明に係る弁駆動診断装置及び第２の発明に係る弁駆動診断方法によれば、ステムブッシュの摩耗量を求めることができるギャップ時間を、特殊な治具を用いることなく導出可能である。

本発明の一実施の形態に係る弁駆動診断装置が使用される弁駆動装置の説明図である。 モータに通電される電流、ギャップ時間、及び、ステムブッシュの摩耗の関係を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、モータに通電される交流電流、波形信号、電流値推移線、及び、診断線の説明図である。 調整波形信号を基にした平均電流値の算出の説明図である。 調整波形信号を基に電流推移線を導出する様子を示す説明図である。 ギャップ時間の導出可否の実験結果を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る弁駆動診断装置１０は、ステム１１に螺合したステムブッシュ１２を交流電流の通電によるモータ１３の作動によって回転させて、弁体１４をステム１１と共にステム１１の軸方向（軸心方向）に移動させる弁駆動装置１５におけるステムブッシュ１２の摩耗量を求めるための装置である。以下、詳細に説明する。

弁駆動診断装置１０が適用される弁駆動装置１５は、図１に示すように、モータ１３と、ケーシング１６内に収容されたウォーム１７と、ウォーム１７に噛み合ったウォームホイル１８と、ウォームホイル１８が取り付けられた筒状のスリーブ１９と、スリーブ１９内に固定されたステムブッシュ１２とを有している。ウォームホイル１８、スリーブ１９及びステムブッシュ１２もケーシング１６内に収められている。

ステムブッシュ１２は、円筒状の部材であり、内側に雌螺子構造が形成され、軸心を中心に回転する。棒状のステム１１は、雄螺子領域を具備し、ステムブッシュ１２の軸心と軸心が一致した状態で、雄螺子領域がステムブッシュ１２の雌螺子構造に噛み合って、鉛直に配置されている。ケーシング１６には、ステム１１が挿通した貫通孔２０が下部に形成され、上部にスピンドルカバー２１によって閉じられた貫通孔２２が形成されている。ステム１１の上端部は貫通孔２２より低い位置にあって、貫通孔２２はステム１１の延長線上に設けられている。

スピンドルカバー２１は、複数の螺子部材２４によって、ケーシング１６の上部に固定されている。
弁駆動装置１５は、外部電源２５からの交流電圧の印加により作動するモータ１３の回転力が、ギア等を介してウォーム１７に伝えられてウォーム１７を回転させる。ウォーム１７の回転によって、ウォームホイル１８、スリーブ１９及びステムブッシュ１２は一体的に回転して、ステム１１の下端部に連結された弁体１４及びステム１１を上昇あるいは下降させる。
本実施の形態では、ステムブッシュ１２が真鍮を素材として形成され、ステム１１がステンレス鋼によって形成されている。

モータ１３は、図２に示すように、モータ１３への交流電流の通電により作動を開始する。モータ１３からモータ１３の回転力がステム１１まで伝わる経路上に設けられたギア等の部材にはバックラッシュがあることから、モータ１３が作動を開始してからステム１１が弁体１４と共に移動を開始するまでにはタイムラグがある。以下、モータ１３の作動開始から弁体１４及びステム１１が移動を始めるまでの時間を、「ギャップ時間」とする。

ギャップ時間は、弁駆動装置１５の使用によるステムブッシュ１２の雌螺子構造の螺子山の摩耗（以下、単に「ステムブッシュ１２の摩耗」と言う）が進むほど長くなる。そのため、未使用（新品）の弁駆動装置１５のギャップ時間に対する弁駆動装置１５の使用により長くなったギャップ時間の差分（以下、この差分を「使用による延長時間」と言う）は、ステムブッシュ１２の摩耗量に応じた長さとなる。よって、使用による延長時間を変数とした演算式により（使用による延長時間を基にして）ステムブッシュ１２の摩耗量を算出できる。

弁駆動診断装置１０は、モータ１３に与えられる電流値を連続的又は間欠的に計測する電流検出手段２６と、電流検出手段２６の計測値を用いて、ギャップ時間を導出する演算手段２７を備えている。
本実施の形態において、電流検出手段２６は、図１に示すように、外部電源２５とモータ１３を接続する電源供給回路２８を流れる電流の値を計測するクランプメータである。

演算手段２７は、電流検出手段２６の計測値が入力される整流ユニット２９及び整流ユニット２９から出力される信号を基にしてギャップ時間を求める算出機３０を備えている。
モータ１３には外部電源２５から交流電流が通電されることから、電流検出手段２６により計測されるのは、図３（Ａ）に示すように、交流波信号Ｗ１となる。ここで、モータ１３へ通電を開始したタイミングをＴ０とし、Ｔ０直後の交流電流の振幅が最大となるタイミングをＴ１とし、弁体１４及びステム１１が移動を開始するタイミングをＴ２として、交流電流の振幅は、Ｔ１の直後からＴ２まで大きく増減せず、Ｔ２となっても、Ｔ２を過ぎても大きく増減しないことを実験的検証によって確認している。

従って、交流波信号Ｗ１から直接的にＴ２を検知してギャップ時間を検出することは実質的にできない。
また、電流検出手段２６が計測する交流電流の実効値からＴ２を安定的に検出できないことも実験的検証により確認している。
そこで、本実施の形態では、交流電流の実効値を用いない以下に示す１）から６）までの処理によりギャップ時間を導出するようにしている。

１）電流検出手段２６に接続されている整流ユニット２９は、電流検出手段２６が計測している電流値を電流検出手段２６から取得して、図３（Ａ）に示す、周波数が一定の交流波信号Ｗ１を得る。なお、図３（Ａ）において、横軸は時間軸であり（図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、図４、図５についても同じ）、縦軸は電流検出手段２６が計測した電流値である（図３（Ｂ）、図４についても同じ）。

２）そして、整流ユニット２９は、交流波信号Ｗ１を全波整流して、交流波信号Ｗ１を絶対値化した（負の成分を正の成分にした）図３（Ｂ）に示す正波形信号Ｗ２に変換し、次に、正波形信号Ｗ２全体を縦に拡大して図４に示す調整波形信号Ｗ３を得、調整波形信号Ｗ３を電圧信号として出力し算出機３０に入力する。なお、本実施の形態では、算出機３０に、入力信号が電圧信号のメモリハイコーダを採用しているため、算出機３０に電圧信号を入力するように設計しているが、算出機への入力信号は採用する算出機に応じて調整される。

３）調整波形信号Ｗ３が入力された算出機３０は、図４に示すように、調整波形信号Ｗ３において時間長Ｌの領域Ｒを対象に時間間隔ｔごとの縦の値（以下、この値をＰｎとする）を選択し、選択した合計Ｌ／ｔ個のＰｎの平均を算出して平均値Ｑを求める。但し、ｎは１からＬ／ｔまでの自然数である（以下同様）。なお、図４では、Ｐ１からＰ１０までの１０個のＰｎのみを記載し、Ｐ１１以降のＰｎの記載を省略している。本実施の形態では、時間長Ｌが、モータ１３に通電される交流電流の周期の自然数倍で、１００ｍｓ以上５００ｍｓ以下であり、時間間隔ｔは１０μｓ以上１００μｓである。

ここで、調整波形信号Ｗ３のＰｎは、電流検出手段２６が計測した電流値の絶対値Ｍ（正波形信号Ｗ２の値）に対応することから、平均値Ｑは、電流検出手段２６が所定の時間長Ｌ内に計測した電流値の絶対値Ｍに対応する値の平均である。
算出機３０は、図５に示すように、一の平均値Ｑを求めた後、領域Ｒ（調整波形信号Ｗ３において平均値Ｑを算出する領域）を時間軸に沿って時間が経過する方向にｔ移動させ、移動後の領域Ｒを対象に新たに平均値Ｑを求めるという処理を繰り返して、多数の平均値Ｑを得る。

４）その後、算出機３０は、得られた多数の平均値Ｑから平均値Ｑの時間軸に対する変化を表す平均値推移線Ｓ１（図３（Ｃ）参照）を導出する。なお、本実施の形態では、モータ１３への通電開始時点に対応する平均値推移線Ｓ１の値を、モータ１３への通電開始時点を基準に時間長Ｌ分遡った時点からモータ１３への通電開始時点までの範囲を領域Ｒとして、Ｐ１（１番目のＰｎ）を求めるようにしている。

５）次に、算出機３０は、平均値推移線Ｓ１を微分演算して、平均値推移線Ｓ１の時間軸に対する増減を表す診断線Ｓ２（図３（Ｄ）参照）を得る。

６）ここで、（ａ）診断線Ｓ２には、図３（Ｄ）に示すように、時間軸に沿って、最初に大きな山（以下、「第１の山」と言う）が出現した後、間隔を空けて、一定以上の大きさの山（以下、「第２の山」と言う）が出現すること、（ｂ）第１の山の立ち上り時点がモータ１３への通電の開始時点に対応し、第２の山の出現が弁体１４及びステム１１の移動開始に対応することが種々の検証によって確認された。

よって、診断線Ｓ２における第１の山の立ち上り時点から第２の山の出現までの時間間隔が、Ｔ０からＴ２までの時間、即ち、ギャップ時間に等しいと言える。
そこで、診断線Ｓ２を得た算出機３０は、診断線Ｓ２における第１の山の立ち上り時点から第２の山の出現までの時間間隔をギャップ時間として導出する。従って、算出機３０は、電流検出手段２６が時間長Ｌ内に計測した電流値の絶対値Ｍの平均値Ｑの時間軸に対する増減を基にギャップ時間を導出することとなる。

本実施の形態では、算出機３０が調整波形信号Ｗ３から平均値Ｑを求めるようにしているが、調整波形信号Ｗ３からではなく、正波形信号Ｗ２から平均値Ｑ’を求めるように算出機３０を設計してもよい。算出機３０が正波形信号Ｗ２から平均値Ｑ’を求める場合、算出機３０は、電流検出手段２６が時間長Ｌ内に計測した電流値の絶対値Ｍの平均値Ｑ’の時間軸に対する増減を基にギャップ時間を導出する。

本実施の形態において、時間長Ｌをモータ１３に通電される交流電流の周期の自然数倍としているのは、正確なギャップ時間を導出するための第１、第２の山を診断線Ｓ２に安定的に出現させるためである。時間長Ｌの長さや時間間隔ｔの大きさ等によっては、時間長Ｌをモータ１３に通電される交流電流の周期の自然数倍にせずとも、正確なギャップ時間を導出することができる。

ここまでの説明から、弁駆動装置１５の弁駆動を診断する方法（弁駆動診断方法）は、モータ１３に与えられる電流値を連続的又は間欠的に計測する工程と、所定の時間長Ｌ内に計測した電流値の絶対値Ｍの平均値Ｑ又は絶対値Ｍに対応する値の平均値Ｑ’の時間軸に対する増減である平均値経時変化を検出する工程と、平均値経時変化を基にギャップ時間を導出する工程とを有すると言える。

また、算出機３０には、ギャップ時間からステムブッシュ１２の摩耗量を算出可能な摩耗量算出式、及び、ステムブッシュ１２を新しいステムブッシュに取り替えるべきステムブッシュ１２の摩耗量（以下、「交換摩耗量」と言う）が記憶されている。算出機３０は、ギャップ時間を導出した後、記憶している摩耗量算出式及び交換摩耗量を基にして、ギャップ時間が予め定めた長さ未満であれば、ステムブッシュ１２を取り替える必要はなしと判定し、ギャップ時間が予め定めた長さ以上であれば、ステムブッシュ１２を新しいステムブッシュに取り替えるべきと判定し、その判定結果を算出機３０に接続された図示しないデバイス（例えば、モニタ）に出力する。

次に、弁駆動診断装置を用いて導出した診断線からギャップ時間を検出可能かを検証するために行った実験について説明する。
本実験では、時間長Ｌを２００ｍｓとし、ｔ＝０．０５ｍｓとした。モータに通電される交流電流の周期は２０ｍｓであった。実験結果を図６に示す。

図６において、（Ｆ）はモータに通電された交流電流を全波整流した正波形信号であり、（Ｊ）は平均値推移線であり、（Ｋ）は診断線であり、（α）はモータに通電された交流電流の実効値であり、（β）はリニアセンサにより計測したステムの変位である。
ステムの変位から約１．６ｓ時点でステム及び弁体が移動し始めていたことから、モータへの通電からステム及び弁体が移動するまでのギャップ時間は約１．６ｓであった。

この点、診断線の第２の山は、約１．５５ｓ時点から２ｓ時点までの１．６ｓ時点を含む時間帯に出現したことから、第２の山の出現からギャップ時間を導出できる（例えば、第２の山の立ち上り時点の５０ｍｓ後をギャップ時間に対応する時点と設定することによって、ギャップ時間を導出できる）ことが確認できた。これに対し、モータに通電された交流電流の実効値には約１．７ｓ時点で極僅かな上昇が表れたものの、１．６ｓ時点の近傍で明確な上昇は存在せず、当該実効値からギャップ時間の算出はできないことも確認できた。
なお、第１の山の立ち上り時点から第２の山のどの時点までをギャップ時間とするかは、弁駆動装置の設計や時間長Ｌ等の弁駆動診断装置の設定内容に応じて適宜決められる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、演算手段は、ギャップ時間からステムブッシュの取り替えを判定しなくてもよい。ギャップ時間を基にステムブッシュの摩耗量を算出するように演算手段を設計してもよい。あるいは、ギャップ時間の導出までを演算手段が行い、利用者がギャップ時間からステムブッシュを取り替えるべきか否かを判断するようにしてもよい。

１０：弁駆動診断装置、１１：ステム、１２：ステムブッシュ、１３：モータ、１４：弁体、１５：弁駆動装置、１６：ケーシング、１７：ウォーム、１８：ウォームホイル、１９：スリーブ、２０：貫通孔、２１：スピンドルカバー、２２：貫通孔、２４：螺子部材、２５：外部電源、２６：電流検出手段、２７：演算手段、２８：電源供給回路、２９：整流ユニット、３０：算出機、Ｌ：時間長、Ｒ：領域、Ｓ１：平均値推移線、Ｓ２：診断線、Ｗ１：交流波信号、Ｗ２：正波形信号、Ｗ３：調整波形信号

Claims (4)

1. ステムに螺合したステムブッシュを交流電流の通電によるモータの作動によって回転させて、弁体を前記ステムと共に該ステムの軸方向に移動させる弁駆動装置の弁駆動を診断する装置において、
   前記モータに与えられる電流値を連続的又は間欠的に計測する電流検出手段と、
   前記電流検出手段が所定の時間長内に計測した電流値の絶対値の平均値又は該絶対値に対応する値の平均値の時間軸に対する変化を表す平均値推移線を微分演算して診断線を導出し、該診断線の増減を基に前記モータの作動開始から前記弁体及び前記ステムが移動を始めるまでのギャップ時間を導出する演算手段とを備えることを特徴とする弁駆動診断装置。
2. 請求項１記載の弁駆動診断装置において、前記時間長は、前記モータに通電される交流電流の周期の自然数倍であることを特徴とする弁駆動診断装置。
3. ステムに螺合したステムブッシュを交流電流の通電によるモータの作動によって回転させて、弁体を前記ステムと共に該ステムの軸方向に移動させる弁駆動装置の弁駆動を診断する方法において、
   前記モータに与えられる電流値を連続的又は間欠的に計測する工程と、
   所定の時間長内に計測した電流値の絶対値の平均値又は該絶対値に対応する値の平均値の時間軸に対する変化を表す平均値推移線を微分演算して診断線を導出する工程と、
   前記診断線の増減を基に前記モータの作動開始から前記弁体及び前記ステムが移動を始めるまでのギャップ時間を導出する工程とを有することを特徴とする弁駆動診断方法。
4. 請求項３記載の弁駆動診断方法において、前記時間長は、前記モータに通電される交流電流の周期の自然数倍であることを特徴とする弁駆動診断方法。

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