JPS5919365B2 - 流量制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、コンピュータを利用した流量制御装置に関
する。

気体や液体の流量を精度良く制御するには、流量調整弁
と、流量検出器と、両者をつなぐ制御機構とを組合わせ
れば良い。

流量検出器からの、実流量信号罵と、設定流量信号Ｗｓ
とを制御機構に於て比較し、この差ＩＷｏ−Ｗｓｌを減
する方向へ、バルブの開度を変化させる。

従来、制御機構は、流体論理素子等で構成される事が多
かつた。

それゆえ、多くのパラメータを取扱うことができなかつ
た。また対象流体の物体の物性の相違により、素子の配
列組合わせを変更しなければならず、汎用性に乏し（・
という欠点があつた。流量検出器として、様々な方式の
ものが既知である。

最も簡単なものは、オリフィス（又はノズル）を用いる
ものであろう。すなわち、オリフィスの前後に於ける圧
力Ｐ０、Ｐ２を測定し、流量Ｑを知るものである。流量
Ｑは、従来、近似式に従つて計算された。

例えば、液体の場合、Ｑ（ｘ−−ＩＰ、−Ｐ、 として、予め比例定数を定めて置き、Ｑを算出する。

しかし、気体の場合は、違つた式を用（・なければなら
な（・。

すなわち、（ａ）流量が小さ（・場合 Ｑ（ＸＶ／Ｐ２Ｐ０−Ｐ２ （ｂ）流量が大き（・場合 ＱｏｃＰ、 で与える。

しかし、これらは、（・ずれも近似式に過ぎな（゛。

厳密には、かなり複雑な式を使わなければならな（、。

本発明は、コンピユータを用（゛、厳密な算式に従つて
、できるだけ正確な流量ＷＯを算出し、これによつて、
精度の高い流量制限を行うものである。

まず、オリフイスを通過する流体の流量算式を与える。
管路断面積をＦ，、二次側の絞り部の断面積をＦＯ）一
次側、二次側の圧力を夫々Ｐ１、Ｐ２とすると、流量（
重量）Ｗはに等し（・。

ここで、Ｃｖは速度係数、Ｃｃは縮流係数、βは絞り面
積比（ＦＯ／Ｆ１）、ｘは比熱比、γは密度である。こ
の式は、圧縮流体に適用される。

オリフイスを通過する際、密度、圧力変化が断熱的であ
ると仮定されて（゛る。この仮定は妥当であろう。この
式で分るように、気体のような圧縮性流体を扱う場合、
変数は、一次、二次側圧力Ｐ，、Ｐ，および密度γ１で
ある。この内、一次側密度γ，は、一次側の圧力Ｐ１温
度Ｔによつて決まる。つまり、変数は、３つあつて、一
次、二次側圧力Ｐ１、Ｐ２と、一次側温度Ｔである。圧
力は、例えば歪みゲージ、差動トランス等を用（・て測
定できる。

温度Ｔは適当な温度測定手段を用（・れば良（・。次に
、本発明の構成を簡単に述べる。

温度、圧力等の変数は、各センサーから、電圧信号とし
て取り出される。

この信号は、増幅され、アナログデジタル変換されて、
計算機に入力される。先述の式に従つて、実流量ＷＯｂ
’−、ここで、計算される。続（・て、設定値ＷｓとＷ
Ｏを比較し、（ＷＯ−Ｗｓ）が正、零、負の各場合に応
じ、流量調整弁の弁体を変位させるモータの回転方向を
切り換える。その方向は、差１Ｗ０−Ｗｓｌを減する方
向へ取らなければならな（・ｏ何度かこの修正を繰り返
すと、ＷＯはＷｓに収束する。

こうして、設定値Ｗｓに、極めて近（・流量を常に実現
できる。以下、図面によつて詳しく説明する。

図に於て、１０は流体が通過する配管、２は温度圧力検
出器、１は流量調整弁、３はコンピユータ、４は比較回
路、５はアップタンストップ選択回路、６はパルスモー
タドライバー、Ｔはパルスモータである。

温度圧力検出器２は、配管１０の途中に介装する。

この内部に、オリフイスがあつて（ノズルでも良〜・
）、その前後に於て、一次側圧力Ｐ，、二次側圧力Ｐ２
、および温度Ｔを測定し、電圧信号として取り出される
。流量調整弁１も、配管１０の途中に設ける。

これによつて、流量を増減する。ニードル弁、板弁、ス
リーブ弁その他、任意の型式、規模の弁が使用されうる
。一般に、弁棒１４の変位と、流量との間にヒステリシ
スの無（・方が望まし（・。弁棒１４の変位と、流量は
線型関係にあれば理想的である。しかし、敢えて線型性
に拘泥する必要はな（・。流量調整弁１の開度は、目盛
１８及び指針１３によりアナログ量として示される。ま
た同じ開度は、バルブ開度表示９によりデジタル量とし
て直読できる。弁棒１４を変位させるのは、パルスモー
タＴである。

これは、パルスモータドライバー６により、正転成は逆
転駆動される。ローパスフイルタ一３０，３１，３２は
、センサーからの電圧信号から、ノイズを除去する。

これは、例えばＩＯＨＺ以上の周波数のノイズを遮断す
る。流量に脈動があつたり、商用周波がノイズとして入
つても、ここでカツトできる。増幅回路４０，４１，４
２は、ローパスフイルタ一を経た信号を増幅する。

Ａ／Ｄ変換回路５０，５１，５２はアナログ量をデジタ
ル値に変換し、変数Ｐ，、Ｐ２、Ｔの値をコンピユータ
３へ入力する゜コンピユータ３には、定数ＣＶ．．ＣＣ
）β、ｘを予め与えておく。

コンピユータ３は、諸データから、実流量ＷＯを算出す
る。比較回路４は、流量設定値Ｗｓと、実流量ＷＯとを
比較し、正、負、零の３つのケースを判別する。

アツプダウンストツプ選択回路５は比較回路４で明らか
になつた（ＷＯ−Ｗｓ）の値により、正転パルス、或は
逆転パルスを出し、又はパルスを出さな（・ように、パ
ルスモータドライバー６へ指示する。

パルスモータ７は、ドライバー６からのパルスを受け、
一定角度ずつ正転成は逆転する。

これに応じ、流量調整弁１の弁体（図示せず）及び弁棒
１４が変位する。回転数検出器８は、基点からの、モー
タの正転、或は逆転数をアツプダウン計数記憶し、バル
ブ開度表示９に、開度信号を与える。

次に、急激な圧力、温度変動が生じた場合の保護系統を
説明する。

圧力、温度変動が急であれば、コンピユータ３の動作が
追随できな（・惧がある。

この時、圧力Ｐ１、Ｐ２温度Ｔの異常変動を０Ｒ回路１
６で検知する。そして、コンピユータ３を経由せず、直
接アツプダウンストツプ選択回路５へ緊急信号を与える
。微分回路１５は、二次圧力Ｐ２の急峻な変動の方向を
弁別する。例えば、二次圧力Ｐ２が急増すれば、アツプ
ダウンストツプ選択回路５は流量調整弁１を閉じるよう
、パルスモータドライバー６に指示を与える。０Ｒ回路
１６、微分回路１５と、アップダウンストツプ選択回路
５との結合には、任意性がある。

予想し得る緊急事態の性質によつて、予め指示内容を規
定してお？かなければならな（・ｏこれら緊急保護系統
は、コンピユータ３の演算速度が速ければ不要になる。

配管１０には、バイパス路１１を設けることができる。

これは、温度圧力検出器２のオリフイスを通過する際の
損失が過多である場合、バイパス弁１２を開（・て分流
させるものである。もしも、バイパス弁１２を開（・た
とすると、変数Ｐ１、Ｐ２、Ｔの他に、バイパス弁１２
の開度Ｅも、流量ＷＯの算出の際、考慮に入れなければ
ならな℃・。

以上の構成に於て、作用を説明する。

まず、比較回路４に、所望の流量設定値Ｗｓを与える。

一方、温度圧力検出器２に於て、オリフイスを通過する
流体の、一次、二次圧力Ｐ１、Ｐ２および、温度Ｔが電
圧信号として取出される。

この信号は、口一２ゞスフイルタ一３０，３１，３２で
ノイズを除かれ、増幅回路４０，４１，４２で増幅され
る。次（゛で、Ａ／Ｄ変換回路で、デジタル量に変換さ
れる。マイクロコンピユータ３はこれらデータから、実
際の流量ＷＯを算出する。比較回路４では、設定値Ｗｓ
と実流量ＷＯとを比較する。例えば（ＷＯ−Ｗｓ）が正
なら、正方向にパルスモータ７が回転し、これが負なら
、逆方向に回転するよう駆動パルスを与える。（ＷＯ一
Ｗｓ）＝０なら、モータ７にはパルスを供給しな（・。
この例の場合、パルスモータ７が正回転すると、調整弁
１の弁体（図示せず）は下降する。

（ＷＯＷｓ）が正だと、弁体は下降し、実流量は減少し
てＷｄとなる。（ＷＯ′−Ｗｓ）は前記の値より小さ℃
・。このようなフイードパツク動作が繰り返されると、
ＷＯはＷｓに収束する。収束に要する時間は、実際極め
て短〜゛。コンピユータ３として、現実には、マイクロ
コンピユータを用Ｌ・る。

サンプリング時間Ｔｓは、マイクロコンピユータの処理
速度より、むしろ、パルスモータ７の起動時間、弁棒の
慣性、ローパスフイルタ一の時定数等によつて適当に定
められる。なお、図面では、比較回路４、アツプダウン
ストツブ選択回路５はコンピユータ３の外にあるが、こ
れらはコンピユータ３の中へ含める事もできる。

マイクロコンピユータであつても、適当なプログラムを
与えれば、設定値Ｗｓの記憶、ＷＯの算定、両者の比較
を行うことは容易である。この場合、コンピュータ３の
指令が、直接パルスモータドライバー６に伝わる。本発
明によれば、流量を算出するのにコンピユータを用（・
るから、変数が多くても、厳密にしかも迅速に実流量Ｗ
Ｏを知ることができる。

又、パルスモータ駆動型の流量調整弁を用℃・るため、
弁体変位を厳格に規定することができる。

更に圧力・温度の異常急変を０Ｒ回路で検出し、これを
アツプダウンストツプ選択回路へ直接入力する構成とし
て（・るため、コンピユータによる演算が追随できない
ような温度・圧力の異常な急変動があつても、流量調整
弁を迅速に作動することができる。ローパスフイルタ一
、増幅回路はＩＣを用（・ることができ、Ａ／Ｄ変換も
ＬＳＴを用いることができる。

マイクロコンピユータも安価、軽量小型である。したが
つて制御回路の全体の構成はむしろ簡単で、しかも安価
に作ることができる。それにも拘わらず、本発明は、気
体にも液体にも適用でき、その汎用性は優れて広〜・。
コンピユータ３のプログラムのみを差し換えれば良いか
ら、その他の調整作業を必要とせず、変更も容易である
。このように本発明は、頗る実り豊かな効果を齋すこと
ができ、有用な発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の構成を示す系統図である。 １は流量調整弁、２は温度圧力検出器、３はコンピユー
タ、４は比較回路、５はアツブダウンストツプ選択回路
、６はパルスモータドライバー、７はパルスモータ、Ｗ
ｓは流量設定値、ＷＯは実流量、Ｐ１、Ｐ２は一次、二
次側圧力、Ｔは温度。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体が通過する配管１０中に設けたパルスモータ７
   駆動形流量調節弁１と；前記配管１０に配設した温度・
   圧力検出器２と；温度・圧力検出器２からの温度Ｔ＿１
   、１次圧力Ｐ＿１、２次圧力Ｐ＿２の各信号を入力とす
   るローパスフィルター３０、３１、３２と；前記各フィ
   ルター３０、３１、３２の出力信号を増幅する増幅回路
   ４０、４１、４２と；各増幅回路４０、４１、４２の出
   力信号を変換するＡ／Ｄ変換器５０、５１、５２と；前
   記各Ａ／Ｄ変換器５０、５１、５２からの入力により流
   体流量Ｗ＿ｏを計算するマイクロコンピュータ３と；前
   記流体流量Ｗ＿ｏと流量設定値Ｗ＿ｓを比較する比較回
   路４と；前記各増幅器４０、４１、４２の出力を入力信
   号とし、温度・圧力の異常変動を検出するＯＲ回路１６
   と；前記温度・圧力検出器２からの二次圧力信号Ｐ＿２
   を微分し、弁の開閉方向を決定する信号を出力する微分
   回路１５と；前記比較回路４、ＯＲ回路１６及び微分回
   路１５の各出力を入力信号として弁の開・閉・停止を決
   定するアップダウン選択回路５と；該選択回路５からの
   信号により前記パルスモータ７を駆動するパルスモータ
   ドライバー６とより構成した流量制御装置。