JPH0816248A

JPH0816248A - デジタル電空ポジショナ

Info

Publication number: JPH0816248A
Application number: JP14322394A
Authority: JP
Inventors: Masato Kuroda; 正人黒田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1994-06-24
Publication date: 1996-01-19
Anticipated expiration: 2015-03-06
Also published as: CN1144329A; JP3015995B2; US5590677A; KR0155085B1

Abstract

(57)【要約】【目的】使用時における磁気的バランスを確保し、磁
気ヒステリシスの発生や長時間使用によるゼロ点シフト
を防止し、安定した動作を得る。【構成】Ｅ字型のヨーク３８の両側脚部３８ａ，３８
ｃにコイル３９ａ，３９ｂをそれぞれ配設すると共にこ
れら脚部の先端面にフラッパ２０に対向するノズル３１
およびストッパ４１を設ける。一方、中央脚部３８ｂの
先端面には永久磁石４０を配設すると共に、この付近に
前記フラッパ２０の支点３０を位置させる。ノズル３１
とストッパ４１の高さを等しく設定すると共に、偏差ｅ
が零の時フラッパ２０を略水平に設定保持し、フラッパ
２０とノズル３１の間隔ｄ1 およびフラッパ２０とスト
ッパ４１との間隔ｄ2 を同一に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は石油化学、化学工業等の
種々のプラントに用いられる自動調節弁の作動軸を入力
信号に応じた位置に制御するために用いられるデジタル
電空ポジショナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動調節弁のバルブポジショナとして用
いられるこの種のデジタル電空ポジショナは、図２に示
すように、電気信号ＩO （例えば４ｍＡ〜２０ｍＡ）と
フィードバック信号の偏差ｅをデューティに変換したデ
ューティ信号（パルス信号）を空気圧信号に変換して所
要の出力圧Ｐn を得るような構成とされている。ここ
で、図２はバルブポジショナの動作原理を示すブロック
図であり、１は入力信号Ｉ0 が入力されるＣＰＵ等を備
えた演算部（ＰＩＤ）、２はノズル・フラッパ機構を備
えた電空変換器（ＥＰＭ）、３はノズル・フラッパ機構
のノズル背圧ＰN を増幅し、自動調節弁４の操作器４Ａ
に出力空気圧Ｐn として出力する高ゲインのパイロット
リレー、５は調節弁４の実動作量を検出し、演算部１に
フィードバックするセンサである。演算部１は、入力信
号Ｉ0 とセンサ５からの検出信号の偏差ｅを求め、デュ
ーティに変換したデューティ信号（パルス信号）を電空
変換器２に入力することにより、ノズル・フラッパ機構
のフラッパを入力信号による力と平衡させるようにして
いる。なお、図３は偏差ｅとデューティの関係を示す図
である。偏差ｅが零（信号０％）の時、デューティは５
０％とされる。

【０００３】図４はこのようなバルブポジショナの具体
的構成を示す図である。同図に基づいて概略説明する
と、１０は自動調節弁４の作動軸、１１は筐体１２が自
動調節弁１に取り付けられたヨーク（図示せず）の一側
にブラケット等を介してねじ止め固定されたデジタル電
空ポジショナである。筐体１２の内部には前記作動軸１
０の動きを電空変換器２にフィードバックするフィード
バック機構１３が配設されており、このフィードバック
機構１３のフィードバックレバー１４は内端が軸１５に
よって回動自在に軸支されて前記筐体１２より作動軸１
０に向かって揺動自在に差し出され、外端が長孔１６と
ピン１７によって前記作動軸１０に連結されている。ま
た、フィードバック機構１３は、一端が回動軸１８によ
って回動自在に軸支され、フィードバックスプリング１
９を介してフラッパ２０に連結されたスパンアーム２１
と、これに取り付けられたスパン調整ねじ２２と、フィ
ードバックレバー１４の回動軸１５に取り付けられたフ
ィードバックプレート２３と、スパン調整ねじ２２に上
下動自在に取り付けられ、先端がフィードバックプレー
ト２３に当接されるスパン調整用のプレート当接部材２
４等によって構成されている。スパン調整ねじ２２を回
転操作してプレート当接部材２４をねじ２２に沿って移
動させると、ばね１９の力が変化し、スパンが調整され
る。

【０００４】また、前記筐体１２はノズル・フラッパ機
構２７とマグネットユニット２８とからなる前記電空変
換器２を内蔵している。電空変換器２は、マグネットユ
ニット２８がデューティ信号に応じて前記フラッパ２０
をその支点部３０を中心として揺動させると、フラッパ
２０に近接対向して配置されたノズル３１との間隔が変
化、言い換えればノズルの背圧ＰN が変化し、このノズ
ル背圧ＰN をパイロットリレー３で増幅してバルブ駆動
力として出力するもので、この出力空気圧Ｐnを操作器
４Ａに伝送すると、操作器４Ａが自動調節弁４の作動軸
１０を上下方向に変位させ、これによって自動調節弁４
の弁開度が調節される。また、作動軸１０の動きは、前
記フィードバックレバー１４が受けてノズル・フラッパ
機構２７にフィードバックすることにより、フラッパ２
０の動きを安定化させるようにしている。

【０００５】前記ノズル・フラッパ機構２７は、中間部
が前記支点３０によって揺動自在に支持された前記フラ
ッパ２０と、このフラッパ２０の一端に近接対向する前
記ノズル３１とを備え、反ノズル側にゼロ点調整機構３
２を形成するゼロ点調整用ばね３３の一端が連結されて
いる。前記ノズル３１は供給空気用配管３４を介して不
図示の空気供給源に接続されており、一定（通常１．４
Ｋｇｆ／ｃｍ² ）の供給空気圧Ｐsup が供給される。こ
の供給空気用配管３４の途中には前記パイロットリレー
３、絞り３５、減圧弁３６、供給空気用圧力計（図示せ
ず）等が設けられている。

【０００６】前記マグネットユニット２８は、ベース３
７に設置固定されたヨーク３８、一対のコイル３９ａ，
３９ｂ、永久磁石４０等を備えている。ヨーク３８は、
正面視略Ｅ字状に形成されることにより、三本の脚部３
８ａ，３８ｂ，３８ｃを有し、その外側に位置する一方
の脚部３８ａの先端に前記ノズル３１がフラッパ２０に
近接対向して形成され、他方の脚部３８ｃの先端にはス
トッパ４１が、そして中央の脚部３８ｂの先端には前記
永久磁石４０が配設されている。永久磁石４０として
は、たとえばフラッパ２０側がＮ極、反対側がＳ極とな
るよう着磁、形成されている。ここで、図５中実線で示
す矢印ｂは永久磁石４０による磁界の方向、破線で示す
矢印ａはＮ極とＳ極とが図示したように得られるコイル
３９ａ，３９ｂによる磁界の方向を示す。また、両コイ
ル３９ａ，３９ｂの極性は逆になるように設定される。

【０００７】ノズル３１に一定圧力（例えば、１．２〜
１．４Ｋｇｆ／ｃｍ² ）の供給空気圧Ｐsup が供給され
る一方、上記した演算部１より偏差ｅをデューティに変
換したデューティ信号がコイル３９ａ，３９ｂに与えら
れると、ヨーク３８の図５左方の脚部３８ａ側では永久
磁石４０による磁界の方向と同方向の磁界が発生し、反
対に右方の脚部３８ｃ側では永久磁石４０の磁界の強さ
を打ち消す向きに磁界が発生する。このため、左側では
フラッパ２０を引き付ける力Ｆが強まり、右側では反対
に弱まるので、フラッパ２０には支点３０を中心として
デューティ信号に比例した反時計方向回りの回転トルク
Ｔが発生する。したがって、フラッパ２０は、支点３０
を中心として反時計方向に揺動変位してノズルギャップ
を減少、言い換えればノズル噴出抵抗を増大させる。こ
のため、ノズル背圧ＰN が増大し、このノズル背圧ＰN
がパイロットリレー３によって増幅され、デューティ信
号に比例した空気圧信号を出力圧Ｐn として発生させ
る。

【０００８】図６はデューティとノズル背圧ＰN の関係
を示す図である。この図から明らかにようにノズル背圧
ＰN はデューティに比例して単調増加する。電空変換器
２のコイル電流は０％、１００％のオン，オフとなる。
この信号を受けたフラッパ２０は、フラッパの質量、ば
ねの支持構造、摩擦等により完全には追従せす、１００
％の振幅で動作せず、偏差０、すなわちデューティ５０
％の時、コイル電流５０％前後で振動する。

【０００９】なお、フラッパ２０はヨーク３８と略同一
長さを有し、その支点３０がヨーク３８の中央脚部３８
ｂ付近に設けられている。４３はフラッパ２０をノズル
３１に対して近接するように付勢するバイアス用のばね
手段、４４は支点３０を形成する十字状のばね、４５は
ブラケットである。

【００１０】前記パイロットリレー３は、正常な動作中
において供給空気圧ＰSUP の一部が常時大気放出される
ことから機種としてはブリード型に属するもので、内部
が２つのダイヤフラム４７ａ，４７ｂ、隔壁４８等によ
って５つの室、すなわち空気供給室４９、出力室５０、
大気開放室５１、バイアス室５２およびノズル背圧室５
３に仕切られたハウジング５４と、ポペット弁５５およ
びダイヤフラム４７ａ，４７ｂによって保持されたピス
トン５６等を備えている。空気供給室４９は前記供給空
気用配管２６を介して空気供給源（図示せず）に接続さ
れると共に前記ノズル３１に接続されている。出力室５
０は前記隔壁４８に設けられた連通孔５８によって前記
空気供給室４９と連通すると共に、前記ピストン５６に
設けられた孔５９により前記大気開放室５１に連通可能
とされ、また配管６０によって前記自動調節弁４に接続
されている。前記大気開放室５１は排気室を形成するも
ので、ハウジング５４の外部と連通している。前記バイ
アス室５２には前記供給空気圧Ｐsup が配管６２を介し
て、背圧室５３にはノズル背圧ＰN が配管６３を介して
それぞれ供給される。ポペット弁５５は、前記連通孔５
８を進退自在に貫通し、連通孔５８および前記ピストン
５６の孔５９を開閉制御するもので、スプリング６４に
よって閉方向、すなわち上下に設けられた弁体が前記連
通孔５８および前記孔５９を閉鎖する方向に付勢されて
いる。なお、前記スプリング６４のばね圧を前記ノズル
背圧ＰN に対抗させている。

【００１１】このようなパイロットリレー３において、
入力増加に伴い出力が増加する正作動型として使用する
場合、配管６３から背圧室５３に流入するノズル背圧Ｐ
N が増加すると、ダイアフラム４７ａ，４７ｂが下方へ
変位する。このため、ピストン５６はバイアススプリン
グ６４に抗して下降し、これによりポペット弁５５もス
プリング６４に抗して下降する。この結果、ポペット弁
５５の下側弁体が隔壁４８の連通孔５８から離間して空
気供給室４９と出力室５０とを連通させる。このため、
供給空気用配管２６から空気供給室４９に供給される供
給空気圧Ｐsupは連通孔５８を通って出力室５０に流入
し、出力室５０内の圧力が自動調節弁４の駆動圧力Ｐou
t として配管６０を通って操作器４Ａへと供給される。
一方、この状態からノズル背圧ＰN が減少すると、バイ
アススプリング６４によってピストン５６が上昇復帰
し、ポペット弁５５がスプリング６４の付勢力により上
昇する。この時、ポペット弁５５の上側弁体がピストン
５６の孔５９の下端開口部から離間して出力室５０と大
気開放室５１とを連通させるため、出力室５０内の圧力
は前記大気開放室５１を経てハウジング５４の外部に排
出される。

【００１２】図７はノズル背圧ＰN と出力空気圧Ｐn と
の関係を示す図である。この図から明らかなように、パ
イロットリレー３に導入されるノズル背圧ＰN の範囲は
非常に狭くなっているので（高ゲインパイロットリレ
ー）、バルブ開度の全範囲でＰN はＰN50 の前後の狭い
範囲で空気圧信号（出力圧Ｐn ）を出力する。そして、
図６に示すように、このＰN50 の前後の狭い範囲に対応
するデューティは５０％前後の狭い範囲である。すなわ
ち、デジタルポジショナではアナログポジショナと異な
り、調節弁の全開度にわたりデューティが５０％付近で
制御される。したがって、フラッパ２０は上記したよう
にコイル電流５０％上下の狭い範囲でしか動作しない。
このため、パイロットリレー３は高ゲインであることが
要求される。

【００１３】ところで、上述した図４および図５等に示
したような電空変換器２において、コイル３９ａ，３９
ｂに演算部１より偏差ｅをデューティに変換したデュー
ティ信号が与えられると、フラッパ２０は、支点３０を
介して所要の方向に揺動し、図８における０％Ｆ．Ｓ、
５０％Ｆ．Ｓ、１００％Ｆ．Ｓ等の位置を適宜変位され
ることになる。

【００１４】このような電空変換器２において、フラッ
パ２０とコイル３９ａ，３９ｂや永久磁石４０による各
変位位置での磁気的バランスは、磁束密度、磁界の強
さ、残留磁束密度、保磁力、ヒステリシス等によって得
られる磁気履歴曲線特性から検討すると、フラッパ２０
が支点３０によって略水平状態の位置で、左右の磁気回
路のギャップが等しくなり、磁気的にバランスした状態
とされる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
電空変換器２においては、使用時に図８に示すようにフ
ラッパ２０が右に傾いて磁気バランスが崩れた状態（偏
差０％）で常時使用し、フラッパ２０がノズル３を閉じ
た時水平となるよう設計されていた。しかしながら、こ
のような使用状態では、フラッパ２０等での磁気的バラ
ンスが崩れており、磁気的なヒステリシスが大きいこと
から、この状態で長時間使用していると、ゼロ点シフト
を生じるという問題があった。

【００１６】そして、このようなゼロ点シフトが生じる
と、ゼロ点調整を再度調整しなければならず、しかもこ
のゼロ点調整は、筐体１２を開け、出力圧計を見ながら
ばね３３の付勢力を調整手段７０で調整することで行な
う必要があり、しかもコイル３９ａ，３９ｂに任意のデ
ューティ信号（たとえば０％、５０％、１００％）を与
え、その位置での出力圧を正規の数値に合わせる方法が
取られており、その操作が面倒かつ煩雑であるという不
具合があり、このようなゼロ点シフトが生じないような
何らかの対策を講じることが望まれている。

【００１７】したがって、本発明は上記したような従来
の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、ヨークに対し揺動自在に配設されたフラッパの常
時使用状態であるデューティ５０％付近で磁気的バラン
スを確保し、磁気ヒステリシスの発生や長時間使用によ
るゼロ点シフトを防止し、安定した動作を得ると共に、
面倒なゼロ点調整等を必要としないようにした電空変換
器を得ることを目的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、ノズル・フラッパ機構を有
し、入力信号とフィードバック信号の偏差をデューティ
に変換したデューティ信号が入力される電空変換器と、
前記ノズル・フラッパ機構のノズル背圧が導入される高
ゲインのパイロットリレーとを備えたデジタル電空ポジ
ショナにおいて、前記電空変換器は永久磁石およびコイ
ルを配設した断面Ｅ字状のヨークと、このヨークの一方
の外側脚部に埋設されたノズルと、他方の外側脚部に設
けられたストッパと、前記ヨークの中央脚部付近に支点
を有して前記ノズルに対向し、前記ヨークと略同一長さ
を有する揺動自在なフラッパとからなり、偏差が零の
時、前記フラッパをヨーク上面と平行に配置したことを
特徴とする。

【００１９】

【作用】本発明において、フラッパは偏差が零の時ヨー
ク上面と平行で、磁気的バランスを確保する。したがっ
て、使用時に磁気ヒステリシスの発生や長時間使用によ
るゼロ点シフトが発生しない。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１（ａ），（ｂ）は本発明に係るデ
ジタル電空ポジショナに用いられる電空変換器の構成を
示す断面図および使用状態を示す図である。なお、図中
図４および図５と同一構成部材のものに対しては同一符
号をもって示し、その説明を省略する。本実施例は３つ
の脚部３８ａ〜３８ｃを有するＥ字型のヨーク３８の両
側脚部３８ａ，３８ｃにコイル３９ａ，３９ｂをそれぞ
れ配設すると共にこれら脚部の先端面にフラッパ２０に
対向するノズル３１およびストッパ４１を設け、中央脚
部３８ｂの先端面に永久磁石４０を配設すると共に、こ
の付近に前記フラッパ２０の支点３０を位置させ、ノズ
ル３１とストッパ４１の高さを等しく設定すると共に、
偏差ｅが零の時フラッパ２０をヨーク上面と平行になる
ように略水平に設定保持し、フラッパ２０とノズル３１
の間隔ｄ1 およびフラッパ２０とストッパ４１との間隔
ｄ2 を同一に設定（θ3 ＝θ4 ）したものである。フラ
ッパ２０の長さとしてはヨーク３８の長さと略同一であ
ることが望ましい。ノズル３１とストッパ４１は、支点
３０からみて等距離にある。このため、フラッパ２０の
左右方向の最大回転角は等しく、０％Ｆ．Ｓのときフラ
ッパ２０がストッパ４１に当接する。また、本発明にお
いては上記した通り偏差ｅが零と時フラッパ２０を水平
に設定保持したので、０％Ｆ．Ｓ時のばね４３の伸張量
が少なく、そのフック部に生じる応力を小さくする利点
を有する。その他の構成は上記した従来装置と同様であ
る。

【００２１】このように本発明においては、偏差ｅが零
（デューティ５０％）のとき、フラッパ２０が略水平に
なるように構成したので、フラッパ２０とノズル３１の
間隔ｄ1 およびフラッパ２０とストッパ４１との間隔ｄ
2 を同一に設定することができる。したがって、磁気的
にバランスした状態常用使用することができる。それ
故、長期使用しても、磁気ヒステリシスの発生やこれに
よるゼロ点シフトが発生せず、面倒な再調整を不要にし
得る。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るデジタ
ル電空ポジショナによれば、永久磁石およびコイルを配
設した断面Ｅ字状のヨークと、このヨークの一方の外側
脚部に埋設されたノズルと、他方の外側脚部に設けられ
たストッパと、前記ヨークの中央脚部付近に支点を有し
て前記ノズルに対向し、前記ヨークと略同一長さを有す
る揺動自在なフラッパとで電空変換器を構成し、偏差が
零の時、前記フラッパをヨーク上面と平行に配置したの
で、使用時においてフラッパを磁気的バランスのとれた
水平状態に保持することができ、その結果として、長期
にわたって使用しても磁気ヒステリシスの発生やこれに
よるゼロ点シフトが発生せず、安定した動作が得られ、
面倒な再調整を不要にし得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は本発明に係るデジタル電空
ポジショナの一実施例を示す電空変換器の断面図、およ
び使用状態を示す図である。

【図２】デジタル電空ポジショナの動作原理を示す図
である。

【図３】偏差とデューティの関係を示す図である。

【図４】デジタル電空ポジショナの従来例を示す断面
図である。

【図５】電空変換器の動作原理を示す図である。

【図６】デューティとノズル背圧の関係を示す図であ
る。

【図７】ノズル背圧と出力空気圧の関係を示す図であ
る。

【図８】ノズル・フラッパの動作関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

２…電空変換器、３…パイロットリレー、４…調節弁、
２０…フラッパ、３０…支点、３１…ノズル、２７…ノ
ズル・フラッパ機構、３８…ヨーク、３８ａ,３８ｂ，
３８ｃ…脚部、３９ａ，３９ｂ…コイル、４０…永久磁
石、４１…ストッパ、４９…供給空気室、５０…出力
室、５１…大気開放室、５２…バイアス室、５３…背圧
室。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ノズル・フラッパ機構を有し、入力信号
とフィードバック信号の偏差をデューティに変換したデ
ューティ信号が入力される電空変換器と、前記ノズル・
フラッパ機構のノズル背圧が導入される高ゲインのパイ
ロットリレーとを備えたデジタル電空ポジショナにおい
て、前記電空変換器は永久磁石およびコイルを配設した断面
Ｅ字状のヨークと、このヨークの一方の外側脚部に埋設
されたノズルと、他方の外側脚部に設けられたストッパ
と、前記ヨークの中央脚部付近に支点を有して前記ノズ
ルに対向し、前記ヨークと略同一長さを有する揺動自在
なフラッパとからなり、偏差が零の時、前記フラッパをヨーク上面に平行に配置
したことを特徴とするデジタル電空ポジショナ。