JPH09210858A

JPH09210858A - 評価方法

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Publication number: JPH09210858A
Application number: JP8013974A
Authority: JP
Inventors: Akira Otsuka; 亮大塚
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1997-08-15
Anticipated expiration: 2016-01-30
Also published as: JP3182713B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電空ポジショナなど、圧力などを調節して気
体を供給する気体供給装置の動作を評価診断することを
目的とする。【解決手段】信号空気圧力検出手段６が検出する信号
空気の圧力と、フィードバックセンサ５が検出する駆動
空気の圧力と、空気流量計測手段８が計測した駆動空気
の流量との関係の特徴を特性式として表現し、特性演算
部９においてその特性式における係数を最小二乗推定に
よって推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、調節弁の駆動空
気を発生する調節弁ポジショナなど、気体を供給する装
置の増幅性能などを評価する評価方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気で駆動する調節弁には、調節弁へ空
気を供給するポジショナが用いられる。従来より、この
種のポジショナとして、図４に示すように構成されてい
る電空ポジショナが知られている。図４は電空ポジショ
ナの動作原理を示すブロック図で、１はＣＰＵ等を備え
た演算部、２は調節弁駆動信号空気発生手段（電空変換
部）、３は電空変換部２からの信号空気圧Ｐ_Nを増幅し
駆動空気圧Ｐ_outとする調節弁駆動空気発生手段（パイ
ロットリレー）、４はパイロットリレー３からの出力空
気により駆動する調節弁、５はパイロットリレー３から
の駆動空気圧Ｐ_outを検出する調節弁駆動空気圧力検出
手段（フィードバックセンサ）である。

【０００３】このような構成の電空ポジショナ１００に
おいて、入力電気信号Ｉ_IN（４〜２０ｍＡ）がコントロ
ーラ（図示せず）から供与されると、まず、演算部１
は、内蔵されている特性カーブＣに従って、入力電気信
号Ｉ_INの値に応ずる調節弁４の制御するプロセス流量の
目標値を求める。そして、この目標値を電気信号Ｉ_out
として電空変換部２へ与える。この電気信号Ｉ_out によ
り、電空変換部２では、供給されている空気圧Ｐ_s を信
号空気圧Ｐ_N へと変化させて出力する。

【０００４】そして、この信号空気圧Ｐ_N は、パイロッ
トリレー３によって増幅された後、調節弁４のダイヤフ
ラム室４ａに駆動空気圧Ｐ_out として供給され、弁軸４
ｂを動作させる。これによって、調節弁４の開度、すな
わちプロセス流量が制御される。また、駆動空気圧Ｐ
_out はフィードバックセンサ５によって検出され、フィ
ードバック信号Ｉ_FBとして演算部１へ戻され、駆動空気
圧Ｐ_out はＩ_out とＩ_FBとの偏差が零になるところで安
定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな、調節弁の診断においては、電空ポジショナにおけ
る供給空気の増幅性能を評価診断することが、調節弁動
作の異常を検出することにおいて重要となる。すなわ
ち、調節弁の開閉動作を行う部分に異常が発生している
のか、それとも、開閉動作を行うための駆動空気の供給
に異常があるのかを区別しないと、調節弁に発生した異
常を正確に把握することができない。

【０００６】従来では、ダイヤフラム室に供給する空気
（駆動空気）圧力と、調節弁の開度（弁軸変位）とが、
予め設定されている関係の範囲を逸脱したときに異常と
するようにしていた。このため、それらの区別がなく、
電空ポジショナにおける供給空気の増幅性能を、評価診
断することができないと言う問題があった。

【０００７】これに対して、従来でも、駆動空気に流量
が発生していない状態での駆動空気圧と信号空気圧との
関係を求め、これにより診断評価をする手法もあった。
これは、駆動空気圧力の変化がほとんどないときの、パ
イロットリレーの信号空気圧力と駆動空気圧力の関係を
求めており、流量がほぼ０であるという制限がある。

【０００８】ところで、パイロットリレーにおいては、
信号空気の圧力と駆動空気の圧力は、空気の流量が０の
状態においては、図５に示すように静的に平衡な状態が
存在している。しかし、このように静的に平衡な状態か
ら、静的に平衡でない状態となった場合、図６に示すよ
うに、その静的な状態からの差に応じて空気流量を発生
し、駆動空気圧と信号空気圧とが再び平衡な状態へと復
元するようにしている。このように、パイロットリレー
においては、空気流量が発生している動的な状態もある
が、上述した評価診断では、静的な状態のみを評価の対
象としているため、空気の流れが発生している状態での
評価を行うことができない。

【０００９】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、電空ポジショナなど、圧
力などを調節して気体を供給する気体供給装置の動作を
評価診断することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の評価方法は、
入力気体の圧力と出力気体の圧力と出力気体の流量との
関係の特徴を特性式として表現し、その特性式における
係数を最小二乗推定によって推定することで、入力気体
の状態に応じて供給気体を出力気体として供給する気体
供給装置の状態を評価するようにした。そして、入力気
体の圧力と出力気体の圧力と出力気体の流量との関係の
特徴を示す特性式は、出力気体の流量を発生する機構を
表現している。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１におけ
る、評価方法を用いる調節弁の構成を示す構成図であ
る。同図において、６は評価する対象である調節弁駆動
空気発生手段（パイロットリレー）３の入力側の空気
（信号空気：入力気体）の圧力を検出する信号空気圧力
検出手段、７は弁軸４ｂの移動位置を検出する弁軸変位
検出手段である。

【００１２】また、８はフィードバックセンサ５が検出
したパイロットリレー３の出力側の空気（駆動空気：出
力気体）の圧力と、弁軸変位検出手段７が検出した弁軸
変位とによりダイヤフラム４ａに送り込まれる駆動空気
の流量を計測する空気流量計測手段、９はフィードバッ
クセンサ５が検出したパイロットリレー３の出力側の圧
力と、信号空気圧検出手段６が検出したパイロットリレ
ー３への信号空気の圧力と、空気流量計測手段８が計測
した空気流量との関係を特性式として表現し、その関係
を特徴付ける量，すなわち特性式の係数を最小二乗推定
する特性演算部である。

【００１３】また、図１（ｂ）は、パイロットリレー３
の詳細構成を示す断面図であり、３１は信号空気導入
部、３２は制御弁４を駆動するための駆動空気が排出さ
れる空気出力部、３３は駆動空気を出力するための駆動
空気が入る空気導入部、３４は吸気弁３４ａと排気弁３
４ｂとから構成された弁体、３５は弁体３４を上に押上
げる板バネ、３６はパイロットリレー３のダイヤフラ
ム、３７はダイヤフラム３６に取り付けられているダイ
ヤフラム押さえ、３７ａはダイヤフラム押さえ３７に取
り付けられているピストン、３７ｂはピストン３７ａ部
からのリークを防止するシールリング、３８はダイヤフ
ラム３６上部のダイヤフラム室である。

【００１４】信号空気導入部３１より導入された信号空
気は、ダイヤフラム室３８に導かれ、ここの圧力を上昇
させる。このことにより、ダイヤフラム３６は下に押し
下げられ、ダイヤフラム押さえ３７，ピストン３７ａを
押し下げる。ピストン３７ａが下がることで、弁体３４
は押し下げられることになり、排気弁３４ｂが開放とな
り、空気導入部３３より導入される供給空気が、駆動空
気として空気出力部３２より排出されることになる。以
上のように動作するパイロットリレー３においては、シ
ールリング３７ｂなどの劣化により、弁体３４の動作に
支障が出ると、所望とする駆動空気（出力空気）量が得
られなくなる。そのため、このパイロットリレー３の状
態を把握しておくことは、重要なこととなる。

【００１５】ここで、パイロットリレー３の入力側の空
気（信号空気）圧力Ｐ_N と，出力側の空気（駆動空気）
圧力Ｐ_out と，空気流量との関係は、以下の式（１）に
示すとおりである。

【００１６】空気流量＝定数３’×ｄ／ｄｔ｛調節弁駆動空気圧力×（弁軸変位−弁軸変位初期値）｝空気流量／空気の流れの上流側の圧力＝定数１’＋定数２’×駆動空気圧力＋定数０×信号空気圧力・・・（１）

【００１７】この式（１）は、パイロットリレー３の空
気量を発生する機構を表現している。空気量は、調節弁
４のダイヤフラム室４ａの質量の変化で表すことがで
き、これは、ダイヤフラム室空気圧力にダイヤフラム室
容積を乗じた値を、ダイヤフラム室温度に空気定数を乗
じた値で除したものとなる。ここで、ダイヤフラム室空
気圧力と駆動空気圧力がほぼ等しい、ダイヤフラム室容
積とダイヤフラム室断面積×弁軸変位−弁軸変位初期値
がほぼ等しい、ダイヤフラム室温度がほぼ恒温とする。
そして、定数３’は、ダイヤフラム室断面積をダイヤフ
ラム室温度に空気定数を乗じた値で除したものとおく
と、上記（１）式の上段の式を得ることができる。

【００１８】ここで、弁体３４を駆動する力は、バネ力
×バネ延び縮み長さ−（入力圧力×入力側断面積−出力
圧力×出力側断面積）である。なお、バネ力は板バネ３
５のものである。このとき、信号空気導入部３１からの
信号空気圧力が、出力する駆動空気圧力より十分に大き
いと、信号空気が導入されるダイヤフラム室３８の圧力
が空気導入部３３側の圧力より大きくなる。この結果、
ダイヤフラム押さえ３７，ピストン３７ａが押し下げら
れ、弁体３４が押し下げられ、吸気弁３４ａの解放量が
増加する。そして、空気導入部３３より取り入れられ、
吸気弁３４ａを通過して空気出力部３２より放出される
駆動空気の圧力が増加する。

【００１９】一方、空気出力部３２側の圧力が増加し
て、信号空気導入部３１から導入される信号空気の圧力
よりも大きくなると、ピストン３７ａが押上げられてい
く。このピストン３７ａの上昇にともない、弁体３４も
上昇するが、この弁体３４は吸気弁３４ａが閉じたとこ
ろ以上には上昇しない。このため、この状態以上にピス
トン３７ａが上昇すると、ピストン３７ａ下部と排気弁
３４ｂとの間に隙間ができ、すなわち排気弁３４ｂが解
放される。そして、ここより駆動空気として空気出力部
３２に放出されている空気が大気側に解放され、駆動空
気の圧力が減少する。この大気側への解放は、ダイヤフ
ラム室３８への信号空気の圧力と、空気出力部３２から
放出される駆動空気の圧力とが平衡に達したときに終了
する。

【００２０】このように、空気供給側，大気放出側の両
方のゲートが閉ざされた状態、すなわち、吸気弁３４
ａ，排気弁３４ｂともに閉じているときが、図５に示
す、信号空気圧力と駆動空気圧力が静的に平衡した状態
となる。このときに、信号空気圧力が変化すると、平行
な状態から異なった量に比例して、いずれかのゲート
（吸気弁３４ａ，排気弁３４ｂ）が開く。ゲートの開き
具合は、定数１’＋定数２’×駆動空気圧力＋定数０×
信号空気圧力で表すことができる。ゲートを通過する空
気量はゲートの開き具合×上流側空気圧力に比例するの
で、（１）式の下段の式が導かれる。

【００２１】なお上記（１）式において、空気の流れの
上流側の圧力は、電空ポジショナから調節弁へ駆動空気
が供給される場合と、調節弁から空気が排気される場合
とで異なる。図１において、調節弁４のダイヤフラム室
４ａから排気される空気は、パイロットリレー３の空気
出力部３２を通り、排気弁３４ｂを通過して大気側に排
出される。供給される場合は、パイロットリレー３の空
気導入部３３側の供給空気圧力が上流側圧力となり、そ
れは一定であるとみなして大きな支障はない。排気され
る場合は、調節弁４のダイヤフラム室４ａにおける圧力
が上流側の圧力であり、それは駆動空気圧力である。

【００２２】また、上記（１）式において、微分値は、
弁軸変位を検出した時間間隔における検出値の変化率に
よって代用する。すなわち、今回の検出時刻をｔ、前回
の検出時刻をｔ−ｔ１とし、時刻ｔにおける駆動空気圧
力を駆動空気圧力ｔとし、同じく弁軸変位を弁軸変位ｔ
とすると、上の式の微分値は、以下の（２）式により求
める。

【００２３】ｄ／ｄｔ｛駆動空気圧力×（弁軸変位−弁軸変位初期値）｝ ≒｛駆動空気圧力_t×（弁軸変位_t−弁軸変位初期値）−駆動空気圧力_t-t1×（弁軸変位_t-t1−弁軸変位初期値）｝／ｔ１・・・（２）

【００２４】すなわち、（１）式は、図１の構成によっ
て実現可能である手段である。以上のことを整理する
と、以下の特性式（３）を得る。

【００２５】信号空気圧力＝定数１＋定数２×駆動空気圧力＋定数３×｛駆動空気圧力_t×（弁軸変位_t−弁軸変位初期値）−駆動空気圧力_t-t1×（弁軸変位_t-t1−弁軸変位初期値）｝／（ｔ１×空気の流れの上流側の圧力）・・・（３）ただし、定数１＝定数１’÷定数０，定数２＝定数２’
÷定数０，定数３＝定数３’÷定数０である。

【００２６】上記の式では、既知の定数である弁軸変位
初期値と，駆動空気圧力，信号空気圧力，及び，弁軸変
位の検出値を用いると、定数１，定数２，定数３を最小
二乗推定することができる。そして、このことにより、
パイロットリレー３の駆動空気を発生する性能を評価す
ることが可能となる。

【００２７】また、式（３）は、電空ポジショナの負荷
を、容量が変化する調節弁の駆動に用いるようにしてい
るが、この負荷の対象が容量一定の圧力容器であって
も、それは空気流量を求めるための手段に影響を及ぼす
のみであって、上述の構成になんら関わりはない。ただ
しこの場合、図１における弁軸変位検出手段７は、必要
なくなる。すなわち、その場合、空気の流量を求める流
量検出手段８においては、以下の（４）式により流量を
求める。

【００２８】空気流量＝定数３’×ｄ／ｄｔ調節弁駆動空気圧力空気流量／空気の流れの上流側の圧力＝定数１’＋定数２’×駆動空気圧力＋定数０×信号空気圧力・・・（４）

【００２９】その結果、係数の最小二乗推定を行うため
の特性式の表現は以下の数５に示すものとなる。

【００３０】信号空気圧力＝定数１＋定数２×駆動空気圧力＋定数３×（駆動空気圧力_t−駆動空気圧力_t-t1）／（ｔ１×空気の流れの上流側の圧力）・・・（５）

【００３１】この（５）式は、（３）式より用いる変数
が少ない。このため、最小二乗推定の精度を改善するこ
とができる。なお、空気量を直接計測するようにしても
良い。

【００３２】実施の形態２．上述した実施の形態１にお
いては、給気の時の空気流量を求める場合の、空気の流
れの上流側の圧力を一定として与えているが、これに限
るものではない。図２に示すように、パイロットリレー
３の空気導入部側に圧力検出手段１０を設け、ここで供
給空気圧力を検出するようにし、その検出した値を用い
るようにすれば、空気流量をより正しく求められるよう
になる。すなわち、上記実施の形態１で用いる式の係数
を推定する精度を改善できる。なお、図２において、他
の符号は図１と同様である。

【００３３】実施の形態３．ところで、上記実施の形態
１，２においては、パイロットリレーの駆動空気を発生
する性能を評価するようにしたが、（３）式の定数をあ
らかじめ求めておき、これよって動作状態の良否を判定
するようにしてもよい。図３は、この実施の形態３にお
ける調節弁の構成を示す構成図であり、１１はパイロッ
トリレー３の特性として、上記（３）式の定数が格納さ
れている特性記憶部であり、他は図１と同様である。こ
の調節弁４を動作させることにより、（３）式における
定数１〜３の正常時の値を求め、これを特性記憶部１１
に格納しておく。そして、実際の稼働時に、そのあらか
じめ用意しておいた定数１〜３を用いて、（３）式によ
り信号空気圧を算出する。この算出した信号空気圧と、
信号空気圧力検出手段６が検出した圧力値とを、特性演
算部９で比較し、一定の値以上異なっている場合、パイ
ロットリレー３が異常をきたしていると判断する。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、入力気体の圧力と出力気体の圧力と出力気体の流量
との関係の特徴を特性式として表現し、その特性式にお
ける係数を最小二乗推定によって推定することで、入力
気体の状態に応じて供給気体を出力気体として供給する
気体供給装置の状態を評価するようにした。このため、
電空ポジショナなど、圧力などを調節して気体を供給す
る気体供給装置の動作を評価診断できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１における調節弁およ
び電空ポジショナの構成を示す構成図である。

【図２】この発明の実施の形態２における調節弁およ
び電空ポジショナの構成を示す構成図である。

【図３】この発明の実施の形態３における調節弁およ
び電空ポジショナの構成を示す構成図である。

【図４】従来の調節弁および電空ポジショナの構成を
示すブロック図である。

【図５】信号空気圧力と駆動空気圧力が静的に平衡し
た状態を示す説明図である。

【図６】信号空気圧力と駆動空気圧力の静的に平衡な
状態からの変化と空気流量の関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１…演算部、２…電空変換部、３…パイロットリレー、
４…調節弁、４ａ…ダイヤフラム室、４ｂ…弁軸、５…
フィードバックセンサ、６…信号空気圧力検出手段、７
…弁軸変位検出手段、８…空気流量計測手段、９…特性
演算部、３１…信号空気導入部、３２…空気出力部、３
３…空気導入部、３４…弁体、３４ａ…吸気弁、３４ｂ
…排気弁、３５…板バネ、３６…ダイヤフラム、３７…
ダイヤフラム押さえ、３７ａ…ピストン、３７ｂ…シー
ルリング、３８…ダイヤフラム室、１００…電空ポジシ
ョナ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排出口に導通している第１の部屋と、入力気体が導入され前記第１の部屋と隔壁を介して連設
する第２の部屋と、前記隔壁と連動する吸気弁を介して導入した供給気体を
出力気体として導出し、前記隔壁と連動する排気弁を介
して前記第１の部屋に導通する第３の部屋とから構成さ
れ、前記入力気体の圧力により変動した隔壁に連動して前記
吸気弁が解放することで、前記供給気体を導入して出力
気体を導出し、前記入力気体の圧力低下に伴う前記隔壁の動作に連動し
て前記吸気弁が閉じ、前記排気弁が解放することで、前
記出力気体が前記第１の部屋を介して排出口より排出さ
れる気体供給装置の評価方法において、前記入力気体の圧力と出力気体の圧力と出力気体の流量
との関係の特徴を特性式として表現し、前記特性式における係数を最小二乗推定によって推定す
ることで、前記気体供給装置の状態を評価することを特
徴とする評価方法。
【請求項２】排出口に導通している第１の部屋と、入力気体が導入され前記第１の部屋と隔壁を介して連設
する第２の部屋と、前記隔壁と連動する吸気弁を介して導入した供給気体を
出力気体として導出し、前記隔壁と連動する排気弁を介
して前記第１の部屋に導通する第３の部屋とから構成さ
れ、前記入力気体の圧力により変動した隔壁に連動して前記
吸気弁が解放することで、前記供給気体を導入して出力
気体を導出し、前記入力気体の圧力低下に伴う前記隔壁の動作に連動し
て前記吸気弁が閉じ、前記排気弁が解放することで、前
記出力気体が前記第１の部屋を介して排出口より排出さ
れる気体供給装置の評価方法において、前記入力気体の圧力と出力気体の圧力と出力気体の流量
との関係の特徴を特性式として表現し、前記気体供給装置を動作させて、正常動作時の前記特性
式における係数をあらかじめ求め、前記係数を用いた前記特性式により求められる入力気体
の圧力と、実際に測定された入力気体の圧力とを比較す
ることで、前記気体供給装置の状態を評価することを特
徴とする評価方法。
【請求項３】請求項１または２において、前記特性式は、出力気体の流量／出力気体の流れの上流側の圧力＝第１
の係数×入力気体の圧力＋第２の係数＋第３の係数×出
力気体の圧力で示される第１の関係と、出力気体の流量＝第４の係数×ｄ／ｄｔ（出力気体圧力
×前記供給先の動作量）で示される第２の関係とから構
成されていることを特徴とする評価方法。
【請求項４】請求項１〜３いずれか１項記載の評価方
法において、前記供給気体の圧力を測定し、この結果を前記特性式に
反映させることを特徴とする評価方法。