JPH04232514A - 一体型プロセス制御弁 - Google Patents

一体型プロセス制御弁

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JPH04232514A
JPH04232514A JP3129433A JP12943391A JPH04232514A JP H04232514 A JPH04232514 A JP H04232514A JP 3129433 A JP3129433 A JP 3129433A JP 12943391 A JP12943391 A JP 12943391A JP H04232514 A JPH04232514 A JP H04232514A
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pressure
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ロバート イー.グック
H Glenn Alan
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E Ohara Dennis
デニス イー.オハラ
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は弁を流れる流体のさまざ
まな物理的パラメータを感知する複数個のセンサ及び弁
の動作を制御し且つ/もしくはパラメータの表示を与え
る利用装置が一体化されている、自動もしくは手動のプ
ロセス制御弁に関する。
【0002】
【従来の技術】(液体もしくはガス等の)流体の流れを
制御するだけでなく流体処理システム内の流体の圧力及
び温度を調整するためにさまざまな環境において使用さ
れる制御弁は、外部から与えられる信号に応答して弁胴
内に配置されたスロットルすなわち閉鎖機構を作動(移
動)させる動力位置決めアクチュエータを有する特殊タ
イプの弁である。このような弁の代表的なものは回転弁
(ボール、プラグ、円板、等)及び往復弁(玉形、ゲー
ト等)である。代表的な玉形制御弁は流体を受け入れる
入口開口と、流体を放出する出口開口と、弁胴内で入口
及び出口開口間に配置され弁座を形成する中央開口が形
成された内部径路を有する弁胴を含んでいる。一端に弁
体が配置されている弁棒は弁胴中へ延在するように配置
されており、弁体を弁座に対して接離させて中央開口を
閉鎖し流体流を停止させるか、もしくは中央開口を開放
して流体流を通すように選択的に移動することができる
。弁体が配置されている方とは反対側の、弁棒の他端は
代表的に弁胴頂部に載置されているアクチュエータに連
結されている。アクチュエータはシリンダ及び、シリン
ダ内に配置され弁棒の他端に連結されている可動ピスト
ン(もしくは弁棒を作動させるダイアフラム)を含んで
いる。アクチュエータ側に配置されることが多いポジシ
ョナに加圧空気源が供給され、ポジショナは制御信号に
応答してピストンの上下でシリンダへ加圧空気を送り、
ピストンをシリンダ内の選定位置へ移動させて弁体を弁
胴内の所望位置へ移動させる。
【0003】弁胴内の弁体の位置を制御することにより
、(システムに接続された槽内の流体の圧力や体積、シ
ステム内の流体のpH、等の外部変数だけでなく)、弁
を流れる流体の上流圧、下流圧及び温度を制御すること
ができる。流体の上下流圧及び温度を決定する従来の代
表的方法は上流及び下流で弁に連結された配管内にセン
サを配置することであった。また、従来技術のシステム
では、弁の流量も弁に出入りする配管に流量計を挿入し
て測定されている。また、弁の流量特性及び流体の流量
特性から流量を計算することにより、マイクロプロセッ
サ制御弁内で流量を決定することも提案されている。次
に、この感知された情報を遠隔配置された制御プロセッ
サへ送って処理し、それが次にポジショナへ信号を返送
してアクチュエータのシリンダへ加圧空気を供給させ、
所望の流量パラメータを得ることができるような弁胴内
の位置へ弁棒を移動させる。もちろん、センサが弁の外
側に配置されているため、実施されるプロセスの精度は
完全には正確ではない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】弁を通る流体の流量を
制御し且つ流体のさまざまなパラメータを監視すること
ができる一体型プロセス制御弁を提供することが本発明
の目的である。
【0005】単に流体の流量を制御するだけでなく、高
い安全度で実施することができるような制御弁を提供す
ることが本発明のもう一つの目的である。
【0006】被制御弁、流体及びプロセスに関する診断
情報を実質的に即座に与えることができるような制御弁
を提供することも本発明の目的である。
【0007】プロセスシステムに使用すればシステムの
設置及び保守コストを低減できるような制御弁を提供す
ることが本発明のもう一つの目的である。
【0008】外部の流量計を使用することなく弁の流量
を測定するようにすることができる一体型プロセス制御
弁を提供することが本発明のさらにもう一つの目的であ
る。
【0009】弁の内部動作及び流体の流量を特徴ずける
可視“サイン”を発生することができるような制御弁を
提供することが本発明のさらにもう一つの目的である。
【0010】弁を通る流体のあるパラメータを所定値に
維持することができる制御弁を提供することが本発明の
さらにもう一つの目的である。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の前記及びその他
の目的は、流体を受け入れる入口と流体を放出する出口
と入口及び出口を連結する流路を有する弁胴、及び流路
を通る流体の流量を選択的に変化させるように移動可能
なスロットル要素を含む一体型プロセス制御弁により実
現される。アクチュエータが弁胴に連結されていて、制
御信号に応答してスロットル要素を選択的に移動させる
。第1の圧力センサが弁胴の入口に配置されていて入口
における流体圧を表わす第1の信号を発生し、第2の圧
力センサが弁胴の出口に配置されていて出口における流
体圧を表わす第2の信号を発生する。利用装置が第1及
び第2の信号を受信して処理し、制御信号を発生してア
クチュエータに加え第1及び第2の信号の値に従ってス
ロットル要素を移動させる。
【0012】本発明の一側面に従って、利用装置は第1
及び第2の信号の表示を与えるビデオディスプレイスク
リーンを含んでいる。このような表示にはスロットル要
素のさまざまな位置に対する第1及び第2の信号のさま
ざまな測定値を示すグラフィック“サイン”が表われる
。これらの“測定された”サインは予め記憶された所定
の“正確な”サインと共にディスプレイスクリーン上に
表示することができ、それによりユーザは弁が適切に作
動しているかどうかを決定することができる。また、弁
のさまざまな測定パラメータ及び弁コマンド信号を表わ
すサインを発生して表示することもできる。例えば、空
気圧制御信号を使用してアクチュエータにスロットル要
素を移動させたり、スロットル要素のさまざまな位置に
対する空気圧制御信号の値を発生して表示することがで
きる。
【0013】本発明のもう一つの側面に従って、流路内
の流体の温度を表わす第3の信号を発生する温度センサ
が弁胴内に配置され、スロットル要素の位置を表わす第
4の信号を発生するスロットル要素位置センサがスロッ
トル要素に連結されている。これらの信号はまた利用装
置に与えて表示及び処理され、制御信号を発生してアク
チュエータに与えられる。
【0014】本発明のさらにもう一つの側面に従って、
第1、第2、第3及び第4の信号は使用される弁胴の、
形状やサイズ等を特徴ずける所定のパラメータと共に、
処理されて流路を通る流体の流量測定値を発生する。
【0015】
【実施例】図1を参照しつつ、本発明に従って製作され
る一体型プロセス制御弁の一実施例を示す。弁は入口1
8、出口12、及び入口と出口を連結する流路16を有
する弁胴4を含んでいる。弁4の中央には弁体28を受
容する弁座24に囲まれた中央開口20が形成されてい
る。弁体28は弁胴4から上向きに、弁胴頂部に配置さ
れたアクチュエータ40の一部であるシリンダ36内の
位置まで延在する弁棒32の下端に連結されている。
【0016】アクチュエータ40はシリンダ36が配置
されるヨーク44も含んでおり、それは弁胴4頂部の開
口52内に配置されたボンネット48に嵌合される。ボ
ンネットフランジ56及びボルト60がボンネット48
を開口52内に正しく保持する。弁棒32はボンネット
48中を上向きに延び、ボンネットにより囲まれた上部
案内62及び下部案内63により滑動可能に保持される
。弁棒はまたヨーク44を貫通してシリンダ36中へ延
在し、そこでは弁棒の上端にはピストン68が配置され
ている。
【0017】シリンダ36は、ピストン68の上部及び
下部が、シリンダの内部へ加圧空気を通し、シリンダ内
でのピストン68の位置、従って弁体28の位置を制御
する、開口72,76を含んでいる。すなわち、開口7
2へ供給される空気が開口76に供給される空気よりも
圧力が高い場合には、ピスント68は強制的に下向きと
され、その逆も言える。
【0018】ヨーク44の側面には弁ポジショナ80が
載置されており、それは給気源84から加圧空気を受け
入れ、コントローラ120から導線88を介して与えら
れる電気制御信号に応答して、制御圧を発生しそれによ
りシリンダ36の開口72もしくは76へ加圧空気が選
択的に供給される。
【0019】ポジショナ80はステムクランプ94に連
結されたアーム92を含み、次にそれは弁棒32に連結
されていて弁体28従って弁棒32の各位置変化をポジ
ショナにより検出することができる。アーム92により
検出される弁棒32の位置は、(例えば、スプリングの
歪みで表わされる)力へ機械的に変換され、次に結線8
8を介して与えられるコントローラ120からの入力信
号を表わす力と比較されて、力の値の差が確認される。 次に、信号値が一致してピストン従って弁体28が正し
い位置へ移動していることが表示されるまで、ポジショ
ナ80はピストン68を移動させる。コントローラに枢
着され且つステムクランプ94に連結されている位置感
知アーム96を介して、コントローラ120により弁棒
32、従って弁体28、の位置が検出される。コントロ
ーラ120内に配置された角位置センサがアーム96の
角位置、従って弁棒32の位置、を検出する。この情報
をコンピュータ120は利用することができる。
【0020】前記説明は一般的に、例えばユタ州、スプ
リングビルのバルテク社から入手できる従来のプロセス
制御弁に関するものである。もちろん、本発明を使用で
きる他種のプロセス制御弁もあるが、図1に示す弁は本
発明を利用できるプロセス制御弁の公知の部品及び動作
を適切に示すものである。
【0021】弁胴4内にはいくつかのセンサが配置され
ており、それには流路16の側壁内で、入口8に近く、
且つ流路の軸方向側壁が一般的に直線状で彎曲していな
い位置に配置されている圧力センサ104が含まれる。 その目的は流量の問題に影響されることなく繰返し連続
的に圧力測定を行うことができるような弁胴4内の位置
にセンサ104を配置することである。これは流路16
の軸方向直線部で最も良く達成される。弁胴4の出口1
2の、やはり側壁上で、流体流の軸が実質的に繰返し可
能な連続圧を発生する位置に第2の圧力センサ108が
配置されている。底部に沿って流れる破片やスケールも
しくは頂部に沿って流れる気泡による汚染や干渉を回避
するために、センサ104,108は底部や頂部ではな
く側部に配置される。圧力センサ104,108は従来
のダイアフラム歪計等のさまざまな流体圧センサの中の
任意のセンサとすることができる。
【0022】圧力センサ104,108は信号を発生し
、それはそれぞれ結線112及び116を介してヨーク
44の側部に載置されたコントローラ120へ与える。 圧力信号は初期記憶及び最終処理のためにコントローラ
120へ与えられる電圧値で構成するのが有利である。 コントローラ120はインテル8032マイクロコント
ローラもしくはモトローラ68332マイクロプロセッ
サ等のマイクロプロセッサとするのが有利である。
【0023】弁胴4の流路16内には流路を流れる流体
の温度を感知するための温度センサ124も配置されて
いる。説明の都合上、センサ124は広範な温度測定に
適した熱電対センサとすることができる。温度センサ1
24は信号を発生し、それは結線128を介してコント
ローラ120へも送られる。
【0024】流路16内の弁座24の下流側にはキャビ
テーションセンサ32が配置されている。このセンサは
このようなキャビテーションが問題となる流路16の最
狭部(くびれ)で生じるキャビテーションすなわち乱流
を表わす信号を発生する。こうして発生される信号も、
結線136を介してコントローラ120へ与えられる。 キャビテーションセンサ128は加速度計や音響トラン
スジューサ等の従来の感知装置である。
【0025】2個の空気圧センサがアクチュエータ40
のシリンダ36内に設けられており、それはピストン6
8の上側の空気圧を感知するセンサ140及びピストン
の下側の圧力を感知するセンサ144である。検出され
た空気圧を表わすセンサ140,144から発生される
信号は、それぞれ結線142,144を介してコントロ
ーラ120へ与えられる。
【0026】コントローラ120が感知して利用するこ
とができる他のパラメータは(結線148を介してコン
トローラへ与えられる信号を特徴ずける)給気源84か
らの空気の圧力、(結線152を介して与えられる信号
を特徴ずける)アーム92により決定されるピストン6
8従って弁棒32の位置、及び(結線156を介してポ
ジショナ80から与えられる信号を特徴ずける)結線8
8を介して与えられる電気信号に応答してポジショナ8
0により生成される制御圧である。
【0027】図1に示す弁に対して感知されるいくつか
のパラメータはそこに示す特定弁構造に特有のものであ
る。他の弁構造を使用する場合には、組込感知装置によ
り他のさまざまなパラメータも同様に感知もしくは検出
されることをお判り願いたい。所望により、これらのパ
ラメータを表わす信号はコントローラ120へ与えるこ
ともできる。
【0028】次に、図2には、図1の一体型プロセス制
御弁の概略線図を示し、弁胴は番号4で線図形式に示さ
れ、弁棒は32、アクチュエータのシリンダは36、ピ
ストンは68、ポジショナは80、ポジショナアームは
92に示されている。図1の装置に対応する図2の他の
部品は(図1のようにヨークの側部には載置されていな
い)コントローラ120、ピストン168の位置を表わ
す信号をコントローラへ運ぶ位置センサ線152、ポジ
ショナ80が発生する制御圧を表わす信号を伝える制御
圧信号線156、コントローラからポジショナへ電気制
御信号を伝える制御信号線88、給気源84から供給さ
れる空気圧を表わす信号を伝える給気圧信号線148、
弁胴4の入口及び出口における流体圧を表わす信号をそ
れぞれ伝える弁入口及び出口圧信号線112,116、
弁胴4内の流体の温度を表わす信号を伝える温度感知信
号線128、及び弁胴4のくびれに生じるキャビテーシ
ョンを表わす信号を伝えるキャビテーション感知信号線
136である。最後に、シリンダ36内のピストン68
上部の空気圧は(図1のシリンダ36の側壁内ではなく
)入力空気圧信号線204内に配置された圧力センサ1
40により決定され、シリンダ36内のピストン68下
部の空気圧は入力圧信号線208内に配置された圧力セ
ンサ144により決定される。
【0029】コントローラ120は、ユーザが所望する
、さまざまなセンサから与えられる信号を読み取り、記
憶し且つ処理するようにプログラムされており、弁をあ
る所定の特性に合致させるようにピストン68の位置従
って弁体28(図1)の位置を変えるようポジショナ8
0に信号を与えることができる。例えば、所定の入口圧
P1 、及び出口圧Pz 、もしくは所定の温度Tを入
力装置212上のコントローラ120へキーインして記
憶することができる。次に、コントローラ120は入口
及び出口圧及び弁胴4内の流体の温度を連続的に監視す
るようにプログラムすることができ、ピストン68の位
置を調整して選定された測定パラメータを対応する所定
の記憶されたパラメータと合致させることができる。
【0030】コントローラ120はまたさまざまなデー
タ、グラフ及び“サイン”を発生してビデオディスプレ
イスクリーン216上に表示しユーザが見るようにプロ
グラムすることもできる。さらに、使用する前に弁のサ
インを発生することができ、このサインをコントローラ
120に記憶して弁の使用時にさまざまな時間に発生さ
れるサインと比較することができる。例えば、弁体28
のさまざまな位置に対する正確な圧力、温度及び流量(
従って、さまざまな流量係数CV )からなるサインを
決定してコントローラ内に記憶し、後に対応する測定さ
れたサインと比較して弁が作動していてプロセスが正し
く進行しているかどうかを決定することができる。
【0031】シリンダ内のピストン上部の空気圧Pu 
、シリンダ内のピストン下部の空気圧Pd 、ポジショ
ナが発生する圧力Pc の制御、給気圧Ps 及びピス
トンと弁棒の位置等の弁の内部パラメータも測定し、記
憶してディスプレイスクリーン216(図2)上に表示
することができる。これらのパラメータの所定のアクセ
ス可能範囲もコントローラ120内に記憶することがで
き、次に(例えばディスプレイスクリーン216上の)
パラメータに対する対応する測定値と周期的に比較して
測定されたパラメータが許容範囲内であるかどうかをユ
ーザが決定することができる。
【0032】図3及び図4は、弁が徐々に開放される場
合(図3)及び弁が徐々に閉鎖される場合(図4)の、
図1のプロセス制御弁のさまざまな測定値の代表的グラ
フを示す。このようなグラフはディスプレイスクリーン
216(図2)上に表示して弁の作動状態をユーザに示
すことができる。図3及び図4のグラフ上のさまざまな
線は前記パラメータ識別に対応するように明示されてい
る。
【0033】弁を流れる流体及び弁の内部動作の測定パ
ラメータを他に使用することもでき、例えばある時点で
測定値を取って記憶し後の時点で新しい測定値を取って
記憶し、これらを予め記憶された測定値と比較して最初
の測定時点から第2の測定時点までの期間中に有意な変
化恐らくは欠陥を示す変化が起ったかどうかを決定する
ことができる。もちろん、前記いずれかの診断手順にお
いて問題点が表示されれば、即座に修正動作を実施する
ことができる。
【0034】図1及び図2に示す一体型プロセス制御弁
はまた弁が設置されるシステムの他の要素内で行われる
プロセス及び動作の“サイン”を与えるのに使用するこ
ともできる。例えば、ポンプ、他の弁、保持槽等は代表
的に圧力、温度等に関してある仕様内で作動するように
設計されており、本発明の弁により圧力及び温度測定を
行って弁が接続された他の要素に対し予め与えられてい
る仕様値と比較し測定パラメータが仕様値に匹敵するか
どうかを決定することができる。
【0035】図5は弁胴4内の流体の流量を計算するた
めにコントローラ120で実施することができるプログ
ラムのフロー図を示す。開始に続く第1のステップは弁
体(ピストン)位置、弁入口圧、弁出口圧、及び弁体の
所与の位置に対して弁内へ流れる流体の温度を測定する
ことである(ボックス304)。これらの測定値は弁コ
ントローラへ与えられ、そこに記憶されて後に処理され
る。次に、さまざまな弁体位置に対する弁胴両端間の圧
力降下ΔPV がボックス308の式に従って計算され
る。この圧力降下はISA標準に対して修正され、それ
は流量に達する後の計算が全てこれらのISA標準にキ
ーインされるためである。修正式をボックス312に示
し、ここでa及びbは問題とする特定弁の弁体のさまざ
まな位置に対して経験的に定められる定数であり、通常
は圧力読取値の変化を補償するためのものである。
【0036】次に、ボックス316に示す式に従って液
体の蒸気圧PV が計算され、ここでA,B,Cは問題
とする液体のアントワン係数である。次に、ボックス3
20に示す式に従って液体圧比係数Ff が計算され、
ここでPc は弁を流れる特定液体の臨界圧である。弁
の流量係数CV 及び液体圧回復係数FL が特定弁及
び弁体のさまざまな位置に対する所定の記憶されたテー
ブルから決定される。
【0037】次に、弁をチェックしてチョーク(キャビ
テーション)しているかどうかが決定され、これは最初
にボックス328に示す式に従ってチョーク状態に対す
る弁両端間の圧力降下ΔP(閉塞)を計算して行われる
。次に、ボックス332の式に従って液体の比重Gf 
が計算され、ここでGFB、TC 及びTB は問題と
する特定液体の公知の定数である。ボックス336にお
いて、ボックス312で計算された圧力降下がボックス
328で計算されたチョークを生じた弁に対する圧力降
下よりも大きいかどうかが決定され、大きければプロセ
スはボックス340へ行き、さもなくばボックス344
へ行く。いずれの場合にもボックス内に示す式を使用し
て流量qが計算され、所望する現在の流量測定値が与え
られる。
【0038】計算された流量を使用して弁内の流体の現
在の流量を可視ディスプレイによりユーザに知らせるか
、もしくはどの方向に弁体を移動させて流量を変え所定
の所望流量値に近ずけるための表示をコントローラへ与
えることができる。コントローラは適切な信号を発生し
て弁ポジショナへ与えて弁体の位置を変えさせ、その後
流量を得るための測定及び計算が再び行われる。このプ
ロセスは所望の流量に達するまで繰り返される。
【0039】図6は図1及び図2の弁内のガス流量を計
算するフロー図である。液体の場合と同様に、開始の後
の第1のステップはボックス404に示すように弁体位
置、弁入口圧、弁出口圧及び弁流体温度を測定すること
である。次に、前記した式を使用してガスの蒸気圧PV
 が計算される(ボックス408)。次に、ボックス4
12に示すように、測定温度Tが(弁内を流れる特定ガ
スに対する)臨界絶対温度Tc よりも高いかどうかが
決定される。高ければ、プロセスはボックス416へ行
き、さもなくばボックス420へ行く。ボックス420
において、弁入口圧Pi が蒸気圧PV 以上であるか
どうかが決定され、そうであれば弁内を流れる流体はガ
スではなく液体であるためプロセスは停止される。
【0040】弁内の流体はガスでありプロセスはボック
ス412もしくはボックス420からボックス416へ
移ったものと仮定すれば、前に経験的テストにより決定
されコントローラ内に記憶されている探索表により、I
SA標準に校正された弁入口圧及びやはりISA標準に
校正された弁出口圧が決定される。
【0041】プロセスの次のステップはPr 及びTr
 を計算することであり(ボックス420)、それらは
記憶されたテーブルと共にガスの圧縮係数Zを決定する
のに使用され(ボックス424)、ここでPc はガス
の臨界圧である。ボックス428において、所定の予め
記憶されたテーブルからさまざまな弁位置に対する流量
係数CV 及びガス圧回復係数Xt が決定される。
【0042】次に、ボックス432において弁両端間の
圧力降下と弁入力圧との比が計算され、続いてXがXt
 よりも大きいかどうかが決定される(ボックス436
)。大きければ(チョーク状態の存在を意味する)、X
はXt に等しく設定され(ボックス440)、プロセ
スはボックス444へ行き、大きくなければプロセスは
直接444へ行く。ボックス444に示す式に従って膨
張係数Yが計算され、ここでFk はk/1.40に等
しくkは問題とするガスに対する比熱の比である。次に
、式に示すようにボックス448で流量qが計算される
【0043】ガスの流量計算に続いて、コントローラは
計算された流量を表示するか、それを使用して弁体位置
を調整し流量を変えるか、その両方を液体流量の計算に
ついて前記したように行うことができる。
【0044】前記した構成は単に本発明の原理の応用を
示すものにすぎない。同業者ならば本発明の精神及び範
囲内でさまざな修正及び別の構成を案出できるものと思
われ、特許請求の範囲はこのような修正や別の構成を全
て包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理に従って製作されたプロセス制御
弁の部分断面側面図。
【図2】後で使用もしくは表示するために感知すること
ができる、弁及び弁を通る流体のさまざまなパラメータ
を示す、図1のプロセス制御弁の概略線図。
【図3】弁がそれぞれ開放及び閉鎖した場合の、図1の
弁のさまざまなパラメータ値のグラフ表示。
【図4】弁がそれぞれ開放及び閉鎖した場合の、図1の
弁のさまざまなパラメータ値のグラフ表示。
【図5】図1の弁を通る流体の流量を計算するのに適し
たフロー図。
【図6】図1の弁を通るガスの流量を計算するのに適し
たフロー図。
【符号の説明】
4  弁 8  入口 12  出口 16  流路 18  入口 20  中央開口 24  弁座 28  弁体 32  弁棒 36  シリンダ 40  アクチュエータ 44  ヨーク 48  ボンネット 52  開口 56  ボンネットフランジ 60  ボルト 62  上部案内 63  下部案内 68  ピストン 72  開口 76  開口 80  弁ポジショナ 84  給気源 88  導線 92  アーム 94  ステムクランプ 96  位置感知アーム 104  圧力センサ 108  圧力センサ 112  弁入口圧線 116  弁出口圧線 120  コントローラ 124  温度センサ 128  キャビテーションセンサ 136  キャビテーション感知線 140  空気圧センサ 144  空気圧センサ 148  給気圧線 156  制御圧線 168  ピストン 204  入力空気圧線 216  ディスプレイスクリーン

Claims (43)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  流体を受け入れる入口と、流体を放出
    する出口と、入口及び出口を接続する流路と、流路の少
    くとも一部の流れの断面積を選択的に変化させるように
    移動可能な可制御スロットル要素を有する流体弁胴と、
    弁胴に連結され制御信号に応答してスロットル要素を選
    択的に移動させるアクチュエータ手段と、弁胴内に配置
    され弁胴及び/もしくは弁胴内に存在する流体の一つ以
    上の物理的にパラメータを表わす一つ以上の特徴づけ信
    号を発生する1個以上のセンサと、前記特徴づけ信号を
    受信して受信した特徴づけ信号に依存する出力を発生す
    る利用手段を具備する、プロセス制御弁。
  2. 【請求項2】  請求項1記載のプロセス制御弁におい
    て、前記センサは、弁胴入口に配置され入口における流
    体圧P1 を表わす第1の信号を発生する第1の圧力セ
    ンサと、弁胴出口に配置され出口における流体圧P2 
    を表わす第2の信号を発生する第2の圧力センサを具備
    する、プロセス制御弁。
  3. 【請求項3】  請求項2記載のプロセス制御弁におい
    て、前記センサはさらに流路内の流体の温度T1 を表
    わす第3の信号を発生する温度センサを具備する、プロ
    セス制御弁。
  4. 【請求項4】  請求項3記載のプロセス制御弁におい
    て、前記利用手段は処理手段を具備し、該処理手段は所
    定の温度値を記憶する手段と、流体温度T1 を表わす
    信号を記憶された温度値と比較してその大きさが比較値
    間の差を表わす差信号を発生する手段と、制御信号を発
    生してアクチュエータ手段に加えスロットル要素を移動
    させ流路を流れる流体の温度を変化させて記憶された温
    度値に一層近ずけて差信号の大きさを低減する手段を具
    備する、プロセス制御弁。
  5. 【請求項5】  請求項2記載のプロセス制御弁におい
    て、前記センサはさらに弁胴内のスロットル要素の下流
    に配置され流路内に生じる流体のキャビテーションを表
    わす第4の信号を発生するキャビテーションセンサを具
    備する、プロセス制御弁。
  6. 【請求項6】  請求項2記載のプロセス制御弁におい
    て、前記利用手段は第1及び第2の信号から弁胴両端間
    の流体圧力降下を決定する処理手段を具備する、プロセ
    ス制御弁。
  7. 【請求項7】  請求項6記載のプロセス制御弁におい
    て、前記処理手段は所定の流体圧力降下値を記憶する手
    段と、所定の流体圧力降下を記憶された流体圧力降下値
    と比較してその大きさが比較値間の差を表わす差信号を
    発生する手段と、制御信号を発生しアクチュエータ手段
    に加えてスロットル要素を移動させ弁胴両端間の流体圧
    力降下を変化させて記憶された流体圧力降下値に一層近
    ずけ差信号の大きさを低減する手段を具備する、プロセ
    ス制御弁。
  8. 【請求項8】  請求項3記載のプロセス制御弁におい
    て、前記センサはさらに弁胴の流量CV を表わす第4
    の信号を発生するスロットル要素位置センサを具備し、
    前記利用手段は第1、第2及び第4信号から流路内の流
    体の流量を決定する処理手段を具備する、プロセス制御
    弁。
  9. 【請求項9】  請求項8記載のプロセス制御弁におい
    て、前記流体はGP の比重を有する液体であり、前記
    処理手段は次式に従って流量Qを決定する記憶されたプ
    ログラム制御手段を具備し、 【数1】 ここに、kは弁胴に対して決定される校正係数であり、
    CV は弁胴の流量である、プロセス制御弁。
  10. 【請求項10】  請求項8記載のプロセス制御弁にお
    いて、前記流体は分子量がMで比熱比がkであるガスで
    あり、前記処理手段は次式に従って流量Qを決定する記
    憶されたプログラム制御手段を具備し、 【数2】 ここに、gは弁胴に対して決定される校正係数であり、
    CV は弁胴の流量であり、 Yは1−ΔP/P1 3FK XT に等しい膨張係数
    であり、ここで FK =k/1.40、XT は弁胴に対する端末圧力
    降下、 Zは特定のT1 及びP1 に対して決定される問題と
    するガスの圧縮率である、プロセス制御弁。
  11. 【請求項11】  請求項8記載のプロセス制御弁にお
    いて、前記処理手段は所定の流量値を記憶する手段と、
    所定の流量を記憶された流量値と比較してその大きさが
    比較値間の差を表わす差信号を発生する手段と、制御信
    号を発生しアクチュエータ手段に与えてスロットル要素
    を移動させ流量を変化させて記憶された流量値へ一層近
    ずけ差信号の大きさを低減する手段を具備する、プロセ
    ス制御弁。
  12. 【請求項12】  請求項2記載のプロセス制御弁にお
    いて、前記第1及び第2の圧力センサは弁胴のそれぞれ
    入口側の側面及び出口側の側面に配置されている、プロ
    セス制御弁。
  13. 【請求項13】  請求項12記載のプロセス制御弁に
    おいて、前記弁胴は入口における一般的に直線状の軸と
    出口における一般的に直線状の軸と入口及び出口間の彎
    曲軸を有する流路を画定し、第1及び第2の圧力センサ
    はそれぞれその入口における径路の直線部及びその出口
    における径路の直線部に配置されている、プロセス制御
    弁。
  14. 【請求項14】  請求項1記載のプロセス制御弁にお
    いて、前記利用手段は制御信号を発生してアクチュエー
    タ手段に与え特徴づけ信号により決定される方法でスロ
    ットル要素を移動させる、プロセス制御弁。
  15. 【請求項15】  請求項14記載のプロセス制御弁に
    おいて、前記利用手段は弁上に配置され前記特徴づけ信
    号を受信し制御信号を発生してアクチュエータ手段へ与
    え、特徴づけ信号の値に依存する方法でスロットル要素
    を移動させる、プロセス制御弁。
  16. 【請求項16】  請求項1記載のプロセス制御弁にお
    いて、前記利用手段は特徴づけ信号の可視ディスプレイ
    を発生する手段を具備する、プロセス制御弁。
  17. 【請求項17】  請求項16記載のプロセス制御弁に
    おいて、前記センサは弁胴入口に配置され入口における
    流体圧を表わす第1の信号を発生する第1の圧力センサ
    と、弁胴出口に配置され出口における流体圧を表わす第
    2の信号を発生する第2の圧力センサと、弁胴内のスロ
    ットル要素の位置を表わす位置信号を発生する位置感知
    手段と、アクチュエータ手段に送られる制御信号の大き
    さを表わす状態信号を発生する制御信号測定手段を具備
    し、ここで前記可視ディスプレイ発生手段はディスプレ
    イスクリーンと、第1の信号、第2の信号、位置信号及
    び状態信号の各々を表わす可視サインを発生してディス
    プレイスクリーン上に選択的に表示する手段を具備する
    、プロセス制御弁。
  18. 【請求項18】  入口、出口及び入口から出口へ流体
    を運ぶ弁路を有する弁胴と、流体が通る弁路のサイズを
    選択的に変化させるように移動して弁を通る流体の流量
    を変化させる弁体と、空気圧信号に応答して圧力を発生
    し弁体を選択的に移動させる弁アクチュエータと、コマ
    ンド信号に応答して給気源から空気圧制御信号を発生し
    弁アクチュエータに加える弁ポジショナとの組合せにお
    いて、一連の弁体位置の各々に対する制御弁の一つ以上
    の状態の測定値を表わすサインデータを発生し弁体の選
    定位置に対する前記一つ以上の状態を測定するセンサ手
    段と、サインデータを記憶する手段と、記憶されたサイ
    ンデータ及び弁体の選定位置に対する測定値を表示する
    手段を具備する、弁診断方式。
  19. 【請求項19】  請求項18記載の方式において、前
    記センサ手段は、弁体位置を示す信号を発生する手段と
    、弁胴内に配置され弁胴入口における流体圧を示す信号
    を発生する第1の手段と、弁胴内に配置され弁胴出口に
    おける流体圧を示す信号を発生する第2の手段を含み、
    前記記憶手段は前記位置信号及び入口、出口圧信号を記
    憶する手段を含み、前記表示手段は弁体の選定位置に対
    する入口及び出口圧信号を表わす表示を行う手段を含む
    、弁診断方式。
  20. 【請求項20】  請求項19記載の方式において、前
    記第1の手段は弁胴の入口の側壁内に配置され、前記第
    2の手段は弁胴の出口の側壁内に配置される、弁診断方
    式。
  21. 【請求項21】  請求項19記載の方式において、前
    記センサ手段はさらに弁胴壁内に弁路に隣接配置され弁
    路内の流体の温度を示す信号を発生する手段を含み、こ
    こで前記記憶手段は前記温度表示信号を記憶する手段を
    含み、前記表示手段はさらに弁体の選定位置に対する温
    度表示信号を表わす表示を与える手段を含む弁診断方式
  22. 【請求項22】  請求項21記載の方式において、さ
    らに前記入口及び出口圧力信号と前記位置信号に応答し
    て弁胴を通る流体の流量を計算する処理手段を含み、前
    記記憶手段はさらに流量計算を記憶する手段を含み、前
    記表示手段はさらに弁体の選定位置に対する流量計算を
    表わす表示を与える手段を含む、弁診断方式。
  23. 【請求項23】  請求項18記載の方式において、前
    記センサ手段は弁アクチュエータ内の圧力を示す信号P
    a を発生する手段と、給気源の圧力を示す信号Ps 
    を発生する手段と、空気圧制御信号の圧力を示す信号P
    c を発生する手段と、弁体位置を示す信号Pを発生す
    る手段を具備し、ここで前記記憶手段は前記信号Pa 
    、Ps 、Pc 及びPを記憶する手段を含み、前記表
    示手段は弁体の選定位置に対する信号Pa 、Ps 及
    びPc を表わす表示を与える手段を含む、弁診断方式
  24. 【請求項24】  請求項23記載の方式において、さ
    らに弁体を移動させる位置を定めるコマンド信号を発生
    する信号発生手段を含み、ここで前記センサ手段はさら
    にコマンド信号の値を示す信号Ic を発生する手段を
    含み、前記記憶手段はさらに前記信号Ic を記憶する
    手段を含み、前記表示手段はさらに弁体の選定位置に対
    する信号Ic を表わす表示を与える手段を含む、弁診
    断方式。
  25. 【請求項25】  請求項24記載の方式において、さ
    らに信号発生手段へ入力信号を与えて弁体を移動させる
    位置を定めるコマンド信号を発生させる入力手段を含む
    、弁診断方式。
  26. 【請求項26】  請求項23記載の方式において、前
    記弁アクチュエータは凾体と、凾体内を上下に移動可能
    で弁体に連結されて弁体を移動させるピストンと、上部
    空気圧制御信号を受信してピストンを下向きに移動させ
    る上部圧を発生する上部入口手段と、下部空気圧制御信
    号を受信してピストンを上向きに移動させる下部圧を発
    生する下部入口手段を具備し、ここで前記弁ポジショナ
    は前記コマンド信号に応答してアクチュエータの上部入
    口手段へ上部電気圧制御信号を与え且つ下部入口手段へ
    下部空気圧制御信号を与えて弁体位置を制御し、前記P
    a信号発生手段は上部圧の大きさを示す信号Pa 及び
    下部圧の大きさを示す信号Pd を発生する手段を具備
    する、弁診断方式。
  27. 【請求項27】  起動信号に応答してアクチュエータ
    により作動され、その中を流体が流れる流体制御弁の診
    断テスト法において、該方法は、(a) 前記弁のアク
    チュエータに所定の起動信号を与え、(b) 所定の起
    動信号に応答して作動する時に前記弁内に発生する第1
    組の弁パラメータ値を検出して記憶し、(c) 弁の後
    続動作により選定時に発生する弁パラメータ値の後続組
    を検出して記憶し、(d) 前記第1組の弁パラメータ
    値及び前記後続組の弁パラメータ値の中の選定組を表示
    することからなる、弁診断テスト法。
  28. 【請求項28】  請求項27記載の方法において、前
    記検出ステップは前記弁上に載置され前記弁パラメータ
    の値を示す信号を発生するようにされた1個以上のセン
    サにより弁パラメータ値を検出することからなる、弁診
    断テスト法。
  29. 【請求項29】  請求項28記載の方法において、検
    出された弁パラメータ値はデジタル化され弁に搭載され
    た電子メモリ内に記憶される、弁診断テスト法。
  30. 【請求項30】  請求項29記載の方法において、さ
    らに(e) 弁の所望動作を識別する弁動作入力信号を
    弁に搭載されたマイクロプロセッサへ与え、(f) マ
    イクロプロセッサはアクチュエータへ起動信号を与えて
    前記入力信号により指定されるように弁を作動させるこ
    とからなる、弁診断テスト法。
  31. 【請求項31】  請求項30記載の方法において、前
    記検出ステップは弁入口圧及び弁出口圧の弁パラメータ
    値を検出することからなり、前記方法はさらに次のステ
    ップ、(g) 検出された弁入口及び出口圧から弁を通
    る流体の流量をマイクロプロセッサが計算し、(h) 
    弁の異なる動作に対して計算された流量を表わす表示を
    与えるを含む、弁診断テスト法。
  32. 【請求項32】  請求項27記載の方法において、流
    体制御弁はコマンド信号に応答してアクチュエータによ
    り選定位置へ移動して弁を通る流体の流量を制御するス
    ロットル要素を含み、起動信号はスロットル要素を移動
    させる位置を定めるコマンド信号を含み、前記方法はさ
    らに、(i) アクチュエータにコマンド信号を与えて
    コマンド信号により定められる位置へスロットル要素を
    移動させ、(j) スロットル要素の実際の位置を周期
    的に感知し、(k) 感知される実際位置とこのような
    実際位置にアクチュエータを介してスロットル要素を移
    動させたコマンド信号が定める対応位置とに差があると
    きは、その差の表示を発生する、ことからなる診断テス
    ト法。
  33. 【請求項33】  起動信号に応答してアクチュエータ
    により作動する流体制御弁の組合せにおける、弁のテス
    ト及び分析を行うテスタ装置において、制御された起動
    信号をアクチュエータへ送って弁を作動させる手段と、
    弁内に配置され弁の作動時に特定弁パラメータを満足す
    るセンサ手段と、測定された弁パラメータを記憶する手
    段と、記憶された弁パラメータを表示する手段を具備す
    る、テスタ装置。
  34. 【請求項34】  請求項33記載のテスタ装置におい
    て、前記センサ手段は前記特定弁パラメータを示すデー
    タ信号を発生して前記記憶手段に記憶する手段を含む、
    テスタ装置。
  35. 【請求項35】  請求項34記載のテスタ装置におい
    て、さらに弁の適切な動作により生じる弁パラメータを
    表わす所定のデータを記憶する手段と、所定のデータを
    データ信号と比較する手段と、所定のデータとデータ信
    号との比較結果の表示を発生してディスプレイ手段に表
    示する手段と、データ信号がある選定範囲内の所定のデ
    ータと一致しない場合に警報信号を発生する手段を具備
    する、テスタ装置。
  36. 【請求項36】  入口、出口及び流体を運ぶ両者間の
    径路を有する弁胴と、径路内に配置されさまざまな位置
    へ選択的に移動して弁胴を通る流体の流量を変えること
    ができる弁スロットル手段と、コマンド信号に応答しそ
    れに従ってスロットル手段を移動させるアクチュエータ
    と、弁胴内に配置され入口における流体圧Pi 、出口
    における流体圧PO および径路内の流体の温度Tを測
    定するセンサ手段と、0〜100%の範囲のスロットル
    手段の開放度P%を測定する位置感知手段と、測定値P
    i 、Po 、T及びPを記憶して弁の動作を制御する
    コマンド信号を発生するマイクロプロセッサ手段を有す
    る流量制御弁の動作制御法において、該方法は(a) 
    Pの選定値に対するPi 、Po 及びTを測定して前
    記測定値及び測定を行った時のPの値を記憶し、(b)
     記憶された測定値を使用してPの選定値に対して弁を
    通る流体流量Qc を計算して計算されたQc を記憶
    し、(c) 所定の流量値Qs を記憶し、(d) Q
    c をQs と比較してQc がQs よりも小さい場
    合にはアクチュエータにコマンド信号を与えてスロット
    ル手段を所定%だけさらに開放し、Qc がQs より
    も大きい場合にはスロットル手段を所定%だけさらに閉
    鎖することからなる、流量制御弁の動作制御法。
  37. 【請求項37】  請求項35記載の寸法において、さ
    らに(e) ビデオディスプレイスクリーン上に記憶さ
    れたQc 及びQs の表示を与えることからなる、流
    量制御弁の動作制御法。
  38. 【請求項38】  請求項36もしくは37記載の方法
    において流体は液体であり、且つステップ(b) は、
    (f) Pの選択値に対する入口から出口までの圧力降
    下ΔPV =Pi −Po を計算して計算結果を記憶
    し、(g) ΔP(isa)=a+bΔPV を計算し
    て計算結果を記憶し、ここにΔP(isa)はISA標
    準で校正した入口から出口までの圧力降下であり、a及
    びbはPの選定値に対する経験的に決定された定数であ
    り、(h) Pの選定値に対して流体の蒸気圧を計算し
    て 【数3】 計算結果を記憶し、ここにA,B,Cは液体のアントワ
    ン係数であり、(i)液体圧力比係数を計算して【数4
    】 計算結果を記憶し、ここにPc は弁を流れる特定液体
    に対する定数であり、(j) Pの選定値に対して、所
    定の記憶されたテーブルから弁に対する流量係数CV 
    及び液体圧回復係数FL を決定し、(k)  【数5】ΔP(choked)=FL 2 (Pi −
    Ff PV )を計算して、計算結果を記憶し、(l)
     液体の比重を計算して、 【数6】 計算結果を記憶し、ここにGFB、TC 及びTB は
    弁を流れる特定液体に対する公知の定数であり、(m)
     ΔP(isa)をΔP(choked)と比較してΔ
    P(isa)がΔP(choked)よりも小さい場合
    にはステップ(n) へ進みΔP(isa)がΔP(c
    hoked)よりも大きい場合にはステップ(o) へ
    進み、(n) 【数7】 を計算して、計算結果を記憶し、(o) 【数8】 を計算して、計算結果を記憶する、ことからなる流量制
    御弁の動作制御法。
  39. 【請求項39】  請求項36もしくは37記載の方法
    において、流体はガスであり、且つステップ(b) は
    (f) 、Pの選定値に対してガスの蒸気圧を計算して
    【数9】 計算結果を記憶し、ここにA,B,Cはガスに対するア
    ントワン係数であり、(g) TをTc と比較し、こ
    こにTc は弁を流れる特定ガスの臨界絶対温度であり
    、TがTc よりも小さければステップ(h) へ進み
    さもなくばステップ(i) へ進み、(h) Pv を
    Pi と比較し、Pv がPi よりも小さければ終止
    しさもなくばステップ(i) へ進み、(i) それぞ
    れISA標準に校正された弁胴の入口及び出口における
    流体圧を表わすPi (isa)及びPo (isa)
    を決定して、決定された結果を記憶し、(j) 【数1
    0】 及び 【数11】Tr =T/Tc を計算し、ここにPc 
    はガスの臨界圧、psia、であり、次にPr 及びT
    r を使用して所定の記憶されたテーブルからガスの圧
    縮係数Zを決定し、決定された結果を記憶し、(k) 
    Pの選定値に対して所定の記憶されたテーブルから弁の
    流量係数CV 及びガス圧回復係数Xt を決定し、(
    l) 【数12】 を計算して、計算結果を記憶し、(m) 【数13】 を計算し、ここにFk =k/1.40でありkは問題
    とするガスの比熱比であり、計算結果を記憶し、(n)
     【数14】 を計算し、ここにMはガスの分子量であり、計算結果を
    記憶する、ことからなる流量制御弁の動作制御法。
  40. 【請求項40】  流体源と流体シンクを有する流体系
    における流量制御弁装置において、該装置は流体源と流
    体シンクとの間に連結されて流体を運ぶ弁胴であって弁
    胴を通る流体の流速を変化させるように移動可能な制御
    要素を有する弁胴と、弁胴に連結され制御信号に応答し
    て制御要素を選択的に移動させるアクチュエータ手段と
    、弁胴内に配置され弁胴内の流体の一つ以上のパラメー
    タを表わす第1の信号を発生する1個以上のセンサと、
    流体系内で弁胴の外側に配置され弁胴外側の流体の一つ
    以上のパラメータを表わす第2の信号を発生する1個以
    上のセンサと、前記第1及び第2の信号を受信しそれに
    応答して出力アクションを発生する処理手段を具備する
    、流量制御弁装置。
  41. 【請求項41】  請求項40記載の装置において、前
    記処理手段は前記弁胴上に配置されている、流量制御弁
    装置。
  42. 【請求項42】  請求項40記載の装置において、前
    記処理手段は第1及び第2の信号を表わす表示を与える
    可視ディスプレイ手段を含む、流量制御弁装置。
  43. 【請求項43】  請求項40記載の装置において、前
    記処理手段は制御信号を発生してアクチュエータ手段に
    加え第1及び第2の信号に従って制御要素を移動させる
    手段を含む、流量制御弁装置。
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