JPH05150839A - バルブ制御装置及びバルブ制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ガス流路２４中のガス流量を正確に制御する
ためのバルブ制御装置であって、ガス流路２４に設けら
れガス流量に対応する流量信号を生成する流量計３０
と、ガス流路２４に設けられた流量設定板付バルブ２２
と、流量信号に応答してガス流路２４中のガス流量を変
化させるために流量設定板付バルブ２２を制御するコン
ピュータ３２とを備えたものである。 【効果】 正確で所望の流量が得られるという効果があ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガス制御バルブを制
御して正確に測定された流量のガスを供給するためのバ
ルブ制御装置及びバルブ制御方法に関するものである。
特に、所望のガス流量を得るために、測定されたガス流
量に従ってガス制御バルブを開閉制御することにより、
特定のガス流量を正確に得たりガス流量を特定範囲に維
持したりするようにガス制御バルブを制御するバルブ制
御装置及びバルブ制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガス流量を素早く正確に制御し制限する
ことが、しばしば必要となる。例えば、ガス流路には、
ガス流量を監視するために流量計が設けられている場合
がある。流量計は壊れやすく高価な装置である。もし、
ガス流路中のガス流量がある値（供給量）を越えると、
流量計はダメージを受けまたは破壊される。

【０００３】例えば、ウエスティングハウス・エレクト
リック・コーポレーション（Westinghouse Electric Co
rp.）製のエアー・インリーケイジ・モニタ（Air Inlea
kageMonitor；AIM）においては、蒸気タービンへの空気
の漏れを測定するために、流量計が用いられている。図
１に示すように、流量が１．４２立方メートル／分（５
０ｃｆｍ（立方フィート／分））を越えない限り、空気
は、パイプ２からバイパス６を介して流量計４を通る。
しかし、バイパス６の空気流量が１．４立方メートル／
分に達したときには、空気がパイプ２を通って流れるよ
うに、バルブ制御装置１０によって袋（bladder）８か
ら空気が抜かれ、従ってバイパス６を通る空気流量は著
しく減少する。バイパス６は、パイプジョイント１１に
おいて流量計４に接続され、パイプジョイント１２にお
いてパイプ２の延長部に接続されている。タービンの正
常運転中は、流量計４の空気流量が１．４立方メートル
／分を越えないように袋８から空気が十分に抜かれる。
この結果、流量計４のダメージが避けられ、流量計４に
よる空気流量の測定は少し不正確になるが続行される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ある状態にお
いては、エアー・インリーケイジ・モニタを流れる正味
の空気流量が、正常運転の場合よりかなり高くなる。例
えば、ポンプが故障している間は、正味の流量は１７０
立方メートル／分（６０００ｃｆｍ）に到達し、これを
越えることがあり得る。このような状態では、たとえ袋
８から空気が抜かれても、流量計４を流れる空気流量は
１．４立方メートル／分を越えることがあり得る。従っ
て、袋８によっては、流量計４のダメージや破壊を防ぐ
ことはできない。

【０００５】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、その目的は、高い精度でガス流量
を制御することである。この発明の別の目的は、予めプ
ログラムされた所望の流量に従ってガス流量を制御する
ことである。この発明のさらに別の目的は、測定された
現在の流量に従ってガス流量を制御することである。ま
た、この発明の目的は、流量が所定の値に達した場合に
ガスの流出を防止することである。この発明のさらに別
の目的は、流量が非常に早く増加した場合にガスの流出
を減少させまたは防止することである。

【０００６】この発明の目的は、過剰な流量による流量
計等の装置へのダメージを防止することである。この発
明のさらに別の目的は、可能なときには、流量計の動作
の続行を犠牲にすることなく、流量計を流れるガス流量
を制御することによって、流量計へのダメージを防止す
ることである。この発明の別の目的は、動作を確認し得
るバルブ制御装置を提供することである。この発明の別
の目的は、電力損失が生じた際にガスの流出を自動的に
防止するバルブ制御装置を提供することである。この発
明の別の目的は、ガス流量が突然大きく増加するのが検
出されたときに、ガスの流出を素早く自動的に防止する
バルブ制御装置を提供することである。この発明のさら
に別の目的は、動作環境に過度の圧力が検出されたとき
に、ガスの流出を素早く簡潔に防止するバルブ制御装置
を提供することにある。最後に、この発明の目的は、圧
力及び温度とは無関係にガスの質量流量（massflow）を
一定にするバルブ制御装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係るバルブ制
御装置は、ガス流路中のガス流量を正確に制御するため
のバルブ制御装置であって、ガス流路に設けられガス流
量に対応する流量信号を生成する流量測定手段と、ガス
流路に設けられたバルブと、流量信号に応答してガス流
路中のガス流量を変化させるためにバルブを制御する制
御手段とを備えたものである。

【０００８】

【作用】この発明は、所望のガス流量を供給するように
プログラムされ得るバルブ制御装置を提供することによ
って、上記の目的を達成する。バルブは、ステッピング
モータに接続されている。このステッピングモータはコ
ンピュータによって制御されてガス流路内の上記バルブ
を開閉し、これにより所望のガス流量を供給させる。流
量計はガス流路に沿って設けられて流量信号を供給し、
この流量信号はコンピュータのような制御装置に入力さ
れる。コンピュータは、流量計による入力から流量を決
定し、この流量に応じてかつコンピュータに予めプログ
ラムされた所望の流量に従ってステッピングモータを制
御することにより、必要なときにバルブを開閉させる。
このようにして、正確で所望の流量が得られる。

【０００９】

【実施例】これらは、後に明らかにされる他の目的及び
長所とともに、後にもっと完全に記述されクレームされ
るように、構成及び動作の詳細並びに添付図面によって
説明される。添付図面においては、同一符号は類似の部
品を示す。

【００１０】図２はこの発明のバルブ制御装置を示す構
成図である。通常の流量設定板付バルブ（throttle pla
te valve）２２が、ガス流路２４のガス流量を制御する
ために、ガス流路２４に設けられている。流量設定板付
バルブ２２は、好ましくはパイプジョイント１２（図
１）の位置にあるパイプ（図示しない）の間に挿入さ
れ、同じ厚さのスペーサ（図示しない）がパイプジョイ
ント１１に設けられる。しかし、バイパス６に沿った他
の位置でも可能である。流量設定板付バルブ２２は、ウ
エスティングハウス社製である。ウエスティングハウス
社への供給者は、エレクトリカル・デザイン・アンド・
ディベロップメント社（Electrical Designand Develop
ment）である。流量設定板付バルブ２２は、ガス流路２
４内に配置された流量設定板２６を有している。流量設
定板２６は、可変量のガスを流量設定板付バルブ２２に
流させるため、通常のステッピングモータ２８によって
ガス流路２４内で動かされる。ステッピングモータ２８
は、全開から全閉までの広い範囲内のどのにでもとれる
正確な開度を与えるために、流量設定板２６を少しずつ
調整する。

【００１１】流量計３０が、従来技術における流量計４
と同様に、ガス流路２４中に、流量設定板付バルブ２２
の下流の位置に設けられている。流量計３０は、その回
転量を示す回転速度パルスをコンピュータ３２に出力す
ることにより、ガス流路２４に沿ったガス流量を示す。
適当なコンピュータ３２としては、シグネティックス社
（SYGNETICS）の SC87C451CCA68 がある。

【００１２】コンピュータ３２は、回転速度パルスから
ガス流量を計算してこれをディスプレイ３３に表示し、
また最も新しく計算されたガス流量の平均値を比較する
ことによって、ガス流量の変化率を計算する。コンピュ
ータ３２は、ステッピングモータ２８にも接続されてい
る。コンピュータ３２は、予めプログラムされたガス流
量の目標値、現在のガス流量、及びガス流量の変化率に
従って、ステッピングモータ２８の動作を制御する。こ
のプロセスの詳細を、図３及び図４について説明する。

【００１３】例えば、この発明の実施例１において、コ
ンピュータ３２は、ガス流量をコンピュータ３２に予め
プログラムされた特定量よりも少しだけ小さく維持する
ようにプログラムされている。ガス流量がその特定量を
越えておりかつ流量が増加しているとコンピュータ３２
が判断したときには、コンピュータ３２は、ステッピン
グモータ２８を動作させて流量設定板２６を１ステップ
だけ閉じる。一方、ガス流量が特定量を越えておらずか
つ流量が増加していないとコンピュータ３２が判断した
ときには、コンピュータ３２は、ステッピングモータ２
８を動作させて流量設定板２６を１ステップだけ開く。
コンピュータ３２は、流量計３０から回転速度パルスを
絶えず読み取り、流量設定板付バルブ２２が正確で素早
く制御され得るように、各回転速度パルス毎にガス流量
を計算する。このプロセスは、図３及び図４並びにそれ
らの説明で詳細に述べられる。

【００１４】既に述べたように、従来の技術すなわち図
１に示したエアー・インリーケイジ・モニタは、このエ
アー・インリーケイジ・モニタを通る正味の空気流量が
異常に大きいと袋８がしぼんでいてもバイパス６を通る
空気流量が１．４立方メートル／分を越える場合や空気
の波（air surge）が生じる場合には、流量計４へのダ
メージを防止できない。しかし、コンピュータ制御のガ
ス制御バルブすなわち流量設定板付バルブ２２を、図１
のバイパス６に沿ったパイプジョイント１２の位置に設
けることにより、バイパス６を通る空気流量は正確に制
御され、この結果、ガス流量が１．４立方メートル／分
に近付いているとコンピュータ３２が計算したときに
は、流量設定板付バルブ２２は流量計４への空気流量を
制限する。結果として、流量計４へのダメージは避けら
れ、流量計４への空気流量が流量計４にダメージを与え
るほどに大きくないときには、流量計４の動作はできる
限り効果的に続けられる。

【００１５】この発明の実施例２においては、流量設定
板付バルブ２２が位置指示器３４と共に設けられる。コ
ンピュータ３２は位置指示器３４から位置データを読み
取り、流量設定板２６がガス流路２４内で完全に開いて
いるか完全に閉じているかを判定する。コンピュータ３
２は、この情報を使用して流量設定板付バルブ２２の動
作を確認する。例えば、ガス流路２４内の流量設定板２
６が完全に開く状態を維持するようにもしコンピュータ
３２が流量設定板付バルブ２２に指令を出すなら、位置
指示器３４はこの位置をコンピュータ３２に知らせなけ
ればならない。もし、位置指示器３４から提供された位
置データが流量設定板付バルブ２２への指令と一致しな
いなら、コンピュータ３２は誤動作が生じたと判定し、
ディスプレイ３３に誤動作を表示させる。

【００１６】この発明の実施例３では、流量設定板付バ
ルブ２２に、電力損失の場合に流量設定板付バルブ２２
を自動的に閉じさせる戻りバネ３６が設けられている。
この戻りバネ３６は、流量設定板２６を閉じる程強い
が、ステッピングモータ２８に過負荷をかけない程度に
弱くなければならない。これらの要求に合ったバネは、
サーボ・メータ会社（Servo Meter Corp.）が作ること
ができる。このバネは閉じたときに１８００グラム・セ
ンチメートル（２５オンス・インチ）であり、開いたと
きに２２００グラム・センチメートル（３０オンス・イ
ンチ）である。

【００１７】この発明の実施例４においては、コンピュ
ータ３２は、回転速度パルスの繰返数が増加したときに
は流量計３０を通るガス流量の増加を検出し、ガス流量
の増加率が著しい（回転速度パルスあたり０．０２２立
方メートル／分（０．８ｃｆｍ））ときには、突発的な
流量の大きな増加を予想してステッピングモータ２８を
動作させて流量設定板付バルブ２２を閉じ始める。詳し
く言えば、コンピュータ３２はガス流量を連続的に計算
するので、一定時間の間コンピュータ３２によって決定
されたガス流量は平均化され、ガス流量の変化率を計算
するために前回の平均値と比較される。もし、変化率が
予めプログラムされた量を越えるほど増加しているな
ら、コンピュータ３２はステッピングモータ２８を動作
させて流量設定板付バルブ２２を閉じ始める。コンピュ
ータ３２は、流量の突然の減少に応答するように、同様
にプログラムされ得る。

【００１８】この発明の実施例５においては、ガス流路
２４に沿って圧力スイッチ３８が設けられ、コンピュー
タ３２に接続されている。ガス流路２４に沿って過剰な
ガス流量が生じたときには、過剰な流量が圧力スイッチ
３８によって検出されかつコンピュータ３２に知らされ
る。これに応答して、流量計３０やガス流路２４に沿っ
て設けられた他の敏感な装置にダメージを与える可能性
のあるガス流量がこれらの装置を通らないように、コン
ピュータ３２は流量設定板付バルブ２２を素早く閉じ
る。その後、流量設定板付バルブ２２が完全に閉じられ
た状態で、ガス流量の制御と分析が続けられる。

【００１９】この発明の実施例６においては、温度セン
サ４０及び圧力センサ４２がガス流路２４に沿って設け
られ、コンピュータ３２に接続されている。コンピュー
タ３２は、これらのセンサから温度データ及び圧力デー
タを読み取り、これらのデータを使用してガス温度とガ
ス圧力に依存しないガスの所望の質量流量を計算する。
詳しく言えば、上述のようにコンピュータ３２によって
計算された流量Ｖ（リッター／秒）は、 圧力（気圧）／温度（ケルビン）×１／Ｒ を掛けられる。ここにＲは理想気体のガス定数 Ｒ＝０．０８２（リッター・気圧／（モル・ケルビン）） である。

【００２０】図３及び図４は、この発明においてガス制
御バルブを制御するために、コンピュータ３２によって
なされる制御プロセスのフローチャートである。このプ
ロセスはＣ言語及び８５１プロダクトラインアッセンブ
リ言語（851product line assembly language）のよう
な言語で実行されることが望ましい。コンピュータ３２
は、流量計３０から出力された回転速度パルスを読み取
り（５０）、図３に示されたレベル１のプロセスが実行
されるべきであることを示すレベル１の割り込みフラグ
がセットされているか否かを判定する（５２）。流量計
３０からの回転速度パルスが受け取られた場合または
４．０秒が経過した場合には、レベル１の割り込みフラ
グがセットされる。レベル１の割り込みフラグがセット
されている場合には、コンピュータ３２は、回転速度パ
ルスの間に蓄積されたカウント値を読み取る（５４）。
もし、カウント値が４４，４４４，４６０のようなカウ
ント最大値を越えていると判定されたなら（５６）、こ
れは長い時間が経過したことを示しているので流量計３
０が回転していないことになり、流量は０．００２８立
方メートル／分（０．１ｃｆｍ）のような流量最小値に
セットされる（５８）。しかし、もし、カウント値がカ
ウント最大値を越えないなら、コンピュータ３２は、 流量＝（４，４４４，４４４／（カウント値−１６））×１０ のようなカウント値の逆関数によって流量を計算する
（６０）。

【００２１】次に、コンピュータ３２は、最近決定され
た複数の流量を平均することによって、平均流量（Ａ）
を計算する（６２）。例えば、最近の３つの流量から平
均値を計算する。コンピュータ３２は、最近計算された
複数の平均流量を用いて、流量の通常の変化率（Ｒ）を
計算する（６４）。例えば、もし流量が０．２８立方メ
ートル／分（１０ｃｆｍ）なら、最近計算された平均値
は変化率を計算するために用いられる。もし流量が０．
２８〜０．５７立方メートル／分（１０〜２０ｃｆｍ）
なら、最近の３つの平均値の平均値が用いられる。もし
流量が０．５７立方メートル／分より大きいなら、最近
の４つの平均値が用いられる。平均流量が１．４立方メ
ートル／分より小さく、流量の変化率が増加していない
ともしコンピュータ３２が判定したなら（６６）、コン
ピュータ３２は、流量設定板付バルブ２２に信号を送る
ことによって流量設定板付バルブ２２を１ステップだけ
開く（６８）。平均流量が１．４立方メートル／分より
大きいか、または流量変化率が増加しているとコンピュ
ータ３２が判定したなら（７０）、コンピュータ３２
は、流量設定板付バルブ２２に信号を送ることによって
流量設定板付バルブ２２を１ステップだけ閉じる（７
２）。それ以外の場合には、流量設定板付バルブ２２は
現在の状態のままにされる。

【００２２】流量計３０から回転速度パルスを受け取る
毎にレベル１のプロセスを実行することにより、コンピ
ュータ３２は、ガスを制御する流量設定板付バルブ２２
の正確で即座の制御を維持する。ガス流量の値の素早い
変化は、それゆえ、すぐに応答される。

【００２３】コンピュータ３２は、流量設定板付バルブ
２２を過制御することなく、ガス流量を高い精度で制御
するために、図４に示されたようなレベル２のプロセス
を０．１秒毎に実行する。その結果として、もしレベル
２のプロセスの最近の実行から０．１秒経過したときに
は、レベル１のプロセスの最後にレベル２のプロセスが
実行される。このように、コンピュータ３２は、０．１
秒が経過したことを示すレベル２の割り込みフラグがセ
ットされているか否かを判定する（７４）。もしセット
されているなら、コンピュータ３２は、平均流量が１．
６立方メートル／分（５８ｃｆｍ）を越えており、かつ
流量の変化率が減少していないかどうかを判定する（７
６）。これらの条件がともにみたされるなら、コンピュ
ータ３２は流量設定板付バルブ２２に信号を送ることに
より流量設定板付バルブ２２を１ステップだけ閉じる
（７８）。ガスを制御する流量設定板付バルブ２２の精
密な制御が、もし必要なら０．１秒毎に流量設定板２６
の位置を変えることによって、このように維持される。
結果として、流量計３０がダメージを受けるほど流量が
大きくなったときだけ流量計３０を通るガス流量を妨げ
または制限するために、コンピュータ制御の流量設定板
付バルブ２２は、エアー・インリーケイジ・モニタに用
いられるのが好ましい。他のすべての場合には、ガスは
流れ続け、ガス流量を測定するために流量計４を用いる
ことができる。

【００２４】図３〜図５に記載されたプロセスは、レベ
ル１及びレベル２のプロセスが実行されるべきか否かを
判定するための、レベル１及びレベル２の割り込みフラ
グをコンピュータ３２が連続的にチェックするように、
コンピュータ３２内の連続的なループで実行される。従
って、ガスを制御する流量設定板付バルブ２２は実時間
で制御され、ガス流量は素早く正確に制御される。

【００２５】図５は実施例４においてコンピュータ３２
によって実行される制御のフローチャートである。上述
のように、実施例４においては、コンピュータ３２は、
ガス流量が顕著に増加するときにステッピングモータ２
８を動作させて流量設定板付バルブ２２を閉じ始める。
図５においては、ステップ９０が、図３に示した制御に
加えられている。コンピュータ３２は、回転速度パルス
あたりの変化率が０．０２３立方メートル／分（０．８
ｃｆｍ）を越えているかを判定する（９０）。もしそう
なら、コンピュータ３２は、流量設定板付バルブ２２に
信号を送ることにより流量設定板付バルブ２２を１ステ
ップだけ閉じる。

【００２６】図６は、実施例５において実行される制御
のフローチャートである。実施例５で述べたように、コ
ンピュータ３２は、圧力スイッチ３８によって検出され
た過剰なガス流量に、流量設定板付バルブ２２を素早く
閉じることによって応答する。図６において、コンピュ
ータ３２は、圧力信号Ｐを圧力スイッチ３８から読み取
る（８０）。もし圧力がしきい値を越えているなら、圧
力信号Ｐは、例えば０から１に変化する。コンピュータ
３２は、圧力信号Ｐが過剰な圧力を示しているかを判定
する（８２）。もしそうなら、コンピュータ３２は流量
設定板付バルブ２２に信号を送ることにより流量設定板
付バルブ２２を閉じ（８４）、制御は図３に示したステ
ップ５０に進む。

【００２７】この発明の多くの特徴及び長所は詳細な説
明から明らかであり、従って、特許請求の範囲は、この
発明の精神と範囲に属する発明のすべてのこのような特
徴及び長所をカバーするように意図されている。さら
に、数多くの変形例及び変更は当業者には容易であるか
ら、この発明を図示されて説明されたとおりの構成及び
動作に限定することは望ましいことではない。従って、
この発明の精神及び範囲に属するすべての適当な変形例
及び均等物は、この発明に属する。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、この発明のバルブ制御装
置によれば、ガス流路中のガス流量を正確に制御するた
めのバルブ制御装置であって、ガス流路に設けられガス
流量に対応する流量信号を生成する流量測定手段と、ガ
ス流路に設けられたバルブと、流量信号に応答してガス
流路中のガス流量を変化させるためにバルブを制御する
制御手段とを備えたので、正確で所望の流量が得られる
という効果がある。

【００２９】また、この発明のバルブ制御方法によれ
ば、ガス流路中のガス流量を正確に制御するためのバル
ブ制御方法であって、ガス流路中のガス流量を測定する
ステップ(ａ)と、ガス流量の測定に応答してバルブを動
かすことによりガス流路内の開度を変えるステップ(ｂ)
とを含むので、ガス流路のガス流量を正確に制御できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるコンピュータ制御のガス制御バ
ルブを備えていない、従来の技術であるエアー・インリ
ーケイジ・モニタを示す構成図である。

【図２】この発明のコンピュータ制御のガス制御バルブ
を示す構成図である。

【図３】この発明において、ガス制御バルブを制御する
ためにコンピュータによってなされる制御プロセスのフ
ローチャートの前半部である。

【図４】この発明において、ガス制御バルブを制御する
ためにコンピュータによってなされる制御プロセスのフ
ローチャートの後半部である。

【図５】この発明の実施例４においてなされる制御のフ
ローチャートである。

【図６】この発明の実施例５においてなされる制御のフ
ローチャートである。

【符号の説明】

２２ 流量設定板付バルブ ２４ ガス流路 ２６ 流路設定板 ２８ ステッピングモータ ３０ 流量計 ３２ コンピュータ ３４ 位置指示器 ３６ 戻りバネ ３８ 圧力スイッチ ４０ 温度センサ ４２ 圧力センサ ５０ 流量計パルスの読み取り ５４ パルス間のカウント値の読み取り ５６ カウント値＞カウント最大値の判定 ６０ 流量の計算 ６２ 平均流量の計算 ６４ 流量の変化率の計算 ６８ 流量設定板付バルブを１ステップ開くステップ ７２、７８ 流量設定板付バルブを１ステップ閉じるス
テップ

フロントページの続き (72)発明者 デイビツド・エドワード・ベイトマン アメリカ合衆国、フロリダ州、ジニーバ、 ピー・オー・ボツクス 168、プリバツ ト・ロード 4318

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス流路中のガス流量を正確に制御する
   ためのバルブ制御装置であって、 前記ガス流路に設けられ、前記ガス流量に対応する流量
   信号を生成する流量測定手段と、 前記ガス流路に設けられたバルブと、 前記流量信号に応答して前記ガス流路中のガス流量を変
   化させるために、前記バルブを制御する制御手段と、を
   備えたバルブ制御装置。
2. 【請求項２】 ガス流路中のガス流量を正確に制御する
   ためのバルブ制御方法であって、 前記ガス流路中のガス流量を測定するステップ(ａ)と、 前記ガス流量の測定に応答してバルブを動かすことによ
   り前記ガス流路内の開度を変えるステップ(ｂ)と、を含
   むバルブ制御方法。