JP2008539071A - 噴射装置の性能を監視するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

流体の混合物を噴射する噴射装置は、その噴射装置が適切に機能しているかどうかを決定するため監視される。噴射装置は、水と空気のような少なくとも２種の流体の注入口と、流体が混合される混合室を有する。混合圧センサが混合物の圧力を検出するため噴射装置に取り付けられる。噴射装置に入る流体の入力圧力もまた測定される。測定された流体の入力圧力は、噴射装置が動作位置に設置されたときに導き出されるパラメータを有する実験式に基づいて予想混合圧力を計算するため使用される。計算された圧力値及び測定された実際の混合圧力は、次に、噴射装置が適切に機能しているかどうかを決定するため比較プロセスにおいて使用される。
【選択図】 図１

Description

発明の分野

[0001]本発明は、ノズルのような噴射装置に関し、より詳細には噴射装置の性能を監視するシステム及び方法に関する。

発明の背景

[0002]ノズルのような噴射装置は、種々の産業上のアプリケーションで広く用いられている。多くのアプリケーションにおいて、噴射装置の適切な性能は、スプレーが使用される処理に極めて重要である。噴射装置の故障は不良品を生み出し、潜在的な重大な経済的損失を引き起こす。

[0003]例えば、鉄鋼業では、内部混合タイプのスプレーノズルが連続鋳造プロセスにおけるスチール冷却のため使用される。このような鋳造アプリケーションで使用される内部混合ノズルは、水と空気の混合物のスプレー、すなわち、霧を供給する。そのため、スプレーノズルは、内部混合室と、較正されたオリフィスを伴う水及び空気の注入口とを有する。水と空気は、注入口オリフィスを介して、水と空気が混合される内部混合室へ供給される。混合物は、管を介してノズル、フラットパターンのような所望のスプレーパターンで混合物を放出する開口部へ輸送される。ノズルによって発生されるスプレーは、アプリケーションの特有の要件に依存する様々のアプリケーションのための異なる値に設定される入力された水と空気の圧力によって決まる。ノズルを適切に機能させるため、入力される空気と圧力は緊密に制御されるべきである。しかしながら、空気及び水の注入口オリフィスとノズル先端が使用と目詰まりのため消耗し、ノズルが所望のスプレー出力を発生することを妨げるので、入力された空気と圧力を緊密に制御することは、ノズルの適切な動作を保証するために不十分である。内部混合スプレーノズルのこのような性能低下又は故障は、長い間に徐々に現れることがあるので、監視又は検出することが困難であった。

発明の概要

[0004]上記の点に鑑みて、本発明の目的は、使用期間中に適切に機能することを保証するため、噴射装置、特に、内部混合スプレーノズルの性能を効果的に監視する確実な方法を提供することである。

[0005]関連した目的は、噴射装置が何らかの潜在的な経済的損失を最小限に抑えるため適切に修理又は交換され得るように、内部混合スプレーノズルのような噴射装置の何らかの重大な性能低下又は故障を検出することである。

[0006]これらの目的は、噴射装置の性能を監視する本発明のシステム及び方法によって効果的に解決される。噴射装置は、少なくとも、第１の流体を受け入れる第１の注入口と、第２の流体を受け入れる第２の注入口とを有する。噴射装置は、第１の流体と第２の流体が混合される内部混合室をさらに含む。混合物は混合室からノズル開口部へ運ばれ、ノズル開口部がスプレーを形成するため混合物を放出する。

[0007]本発明によれば、混合圧力センサが、混合物の圧力を検出するため混合室の下流側で噴射装置に配置される。噴射装置に入る第１の流体及び第２の流体の入力圧力もまた測定される。第１の流体及び第２の流体の測定された圧力は実験式に基づいて予想測定圧力を計算するため使用される。混合圧力の計算された値及び測定された値は、次に、噴射装置が適切に機能しているかどうかを決定するため比較プロセスにおいて使用される。

[0008]さらなる特徴及び利点は、図面に示された好ましい実施形態を用いて以下で詳細に説明される。

実施形態の詳細な説明

[0013]本発明は、異なる流体を受け入れ、所与のスプレーパターンで流体の混合物のスプレーを発生する噴射装置の性能を監視するシステム及び方法を提供する。図１は、噴射装置１０と、以下で詳述される方法で噴射装置の性能を監視するコントローラ２０とを含む、このような噴射システムの実施形態を示す。

[0014]図１に示されているような噴射装置１０は、第１の流体を噴射装置に入れる第１の注入口１１と、第２の流体を装置へ入れる第２の注入口１２とを有する。２種の流体が噴射装置の内部で混合物に形成され、混合物が所望のスプレーパターンを持つスプレー１５の形で噴射装置の出力ノズル端１４から放出される。噴射装置１０は、例えば、鋳造品を冷却するため、金属鋳造工程で使用され、このようなアプリケーションでは、第１の流体及び第２の流体は、それぞれ、水及び空気である。図示された実施形態の噴射装置は２個の流体注入口を有するが、付加的なタイプの流体が混合物に含有されるべきアプリケーションではもっと多くの注入口を追加してもよく、本発明は３個以上の流体注入口を伴う噴射装置の動作を監視するため使用されることが理解される。

[0015]図２を参照すると、注入口１１、１２には、流体を運ぶパイプを収容する取付具すなわちコネクタ１７、１８が設けられる。噴射装置１０の内部には混合室２２がある。第１の注入口１１は、第１のオリフィス２３を介して混合室２２と流体連通し、同様に、第２の注入口１２は、第２のオリフィス２４を介して混合室２２に連結される。第１のオリフィス及び第２のオリフィスは、混合室内への流体の流れを測定するため使用され、好ましくは、噴射装置への各流体の流速と流体圧力との間の関係が十分に理解されるように較正される。注入口１１、１２に入る第１の流体及び第２の流体は、それぞれのオリフィス２３、２４を流れ、混合室２２で合流し、第１及び第２の流体は混合室で混合物を形成し、混合物中の流体の割合はノズルへの流体の流速によって決定される。混合物は管３１によって混合室２２からノズル端１４へ運ばれ、ノズル端で混合物はスプレーを形成するようにノズル開口部３２を通って放出される。

[0016]本発明の特徴によれば、噴射装置１０内で形成された混合物の圧力を感知する圧力センサ３０は、圧力の正確な測定を可能にするため噴射装置１０に直接的に配置される。そのため、図２に示された実施形態では、ポート３４が混合室２２をノズル開口部へ連結する管３１に設けられる。ポート３４は、図３に示されているように、圧力センサ３０を収容するように構成される。代替的に、圧力センサ３０は、圧力センサが混合室２２と直接的に流体連通するように、噴射装置１０の本体に取り付けられる。圧力センサ３０は、噴射装置内の混合物の圧力を引き出すことができ、混合圧力の正確な読み出しを可能にするため十分な感度を持つように選択される。適当な圧力センサは、例えば、ドイツ、Ｋｌｉｎｇｅｎｂｅｒｇ所在のＷＩＫＡ Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｗｉｅｇａｎｄ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．ＫＧによって製造されたＭｏｄｅｌ ＯＴ−１圧力トランスミッタである。

[0017]図１を再び参照すると、噴射装置１０へ流れ込む第１の流体及び第２の流体の圧力を読み出すため、圧力センサ３７、３８が流体を噴射装置１０へ供給するパイプライン３９、４０に設けられる。圧力センサ３７、３８は、好ましくは、圧力センサの読みが噴射装置に入る流体の圧力値を正確に反映するように、注入口１１、１２の近くに位置する。３個の圧力センサ３７、３８、３０がコントローラ２０に連結されるので、コントローラは第１の流体及び第２の流体と噴射装置内の混合物の測定された圧力をそれぞれ表す圧力センサの出力信号を受信する。

[0018]本発明の特徴によれば、噴射装置１０の性能は、混合物の測定された実際の圧力値を、入力として流体の測定された圧力を使用して計算された予想混合圧力と比較することにより、コントローラ２０によって監視される。予想される混合圧力は、期待される混合圧力と流体の入力圧力との間の関係を記述する実験式を使用して計算される。この式の正確な形式すなわち形は、関係した流体力学の理解に基づき、測定されたデータと式の最良適合を見つけることにより、決定／選択される。

[0019]一例として、一実施形態では、複数個の線形パラメータを伴う次の式が混合圧力を予想するため使用される。

式中、Ｐ_ａｉｒは空気の測定圧力であり、Ｐ_{ｗａｔｅｒ}は水の測定圧力であり、Ｐ_ｍｉｘは噴射装置中の混合物の測定圧力である。この式は、実験的に決定される４個の線形パラメータｂ１、ｂ２、ｂ３及びｂ４を含む。指数ｘは、０．５のような定数である。この式は、所与の入力流体圧力に基づいて混合圧力を予想するかなり優れたモデルを与えることがわかった。しかしながら、この式は、使用される式の様々の形式のうちのたった一つであり、本発明はこの式の特別な形式に制限されないことが認められる。さらに、線形方程式の使用は計算の効率の点で有利であるが、非線形方程式もまた、このような方程式が混合圧力をより正確に予測し、コントローラが非線形式を取り扱う際に関連する計算を実行するために十分な計算能力を有するならば、噴射装置の混合物挙動をモデル化するため使用される。

[0020]本発明の態様によれば、混合圧力を計算する方程式１の式中のパラメータは、噴射装置が「オンライン」であるとき、すなわち、予定された動作位置に設置されているときに、コントローラ２０によって学習される。学習プロセスでは、流体の入力圧力が変えられ、第１の流体及び第２の流体の測定された圧力の値がパラメータを決定するための入力として使用される。この学習動作は、好ましくは、ノズルがこのフェーズ中に設計通りに正確に機能しているという仮定の下で、噴射装置が最初に運転開始されたときに行われる。混合圧力を予想する式のパラメータがこの学習フェーズで決定されると、これらのパラメータは、流体の測定された入力圧力に基づいて期待される混合圧力を計算するために、噴射装置１０の引き続く動作でコントローラ２０によって使用される。期待される混合圧力値は、その後、噴射装置が適切に動作しているかどうかを決定するため比較プロセスにおいて、測定された実際の圧力値と共に使用される。

[0021]一実施形態では、実験式のパラメータの学習は、以下の式で与えられるような再帰的最小二乗パラメータ推定アルゴリズムによって行われる。

ここで、ｙ（ｔ）＝時点ｔで測定された混合圧力

Ｐ（ｔ）＝逆共分散行列
Ψ（ｔ）＝入力値（入力測定量、空気と水の圧力）
θ（ｔ）＝パラメータベクトル（ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４）
λ（ｔ）＝忘却係数（＝１）

[0022]混合圧力式中のパラメータが再帰的最小二乗アルゴリズムを使用して決定された後、この式は、噴射装置の性能を監視するコントローラ２０によって使用される準備ができている。コントローラ２０が、噴射装置内の測定された混合圧力は予想又は期待される混合圧力から著しい偏差があることを検出し、この偏差が十分長時間に亘って持続するならば、考えられる偏差の原因が調査され、噴射装置が、必要に応じて、修理又は交換されるように、コントローラはプロセシングラインの操作者の注意を喚起するため故障信号を発生する。

[0023]一実施形態では、故障信号が発生されるべきであるかどうかを決定するために、静的な技術と動的な技術の組み合わせが使用される。この故障決定プロセスでは、測定が規則的な間隔で周期的に行われる。測定間隔毎に、ある時点（ｔ_ｉ）での静的な誤差状態Ｓ_ｉが次式のように計算される。
Ｐ_ｍｍｉ：時点ｉにおける測定された混合圧
Ｐ_ａｂｓ：最大絶対誤差
Ｅ_ｒｅｌ：最大相対誤差（％表示）
絶対故障：Ｐ_ｅｒｒｉ＝Ｐ_ｍｉｘｉ−Ｐ_ｍｍｉ
相対故障１：Ｐ_ｒ１ｉ＝Ｐ_ｍｉｘｉ・Ｅ_ｒｅｌ
相対故障２：Ｐ_ｒ２ｉ＝Ｐ_ｍｍｉ・Ｅ_ｒｅｌ
時点ｔにおける誤差状態は：Ｓ_ｉ＝（｜Ｐ_ｅｒｒｉ｜＞Ｐ_ａｂｓ）＋（｜Ｐ_ｅｒｒｉ｜＞Ｐ_ｒ１ｉ）＋（｜Ｐ_ｅｒｒｉ｜＞Ｐ_ｒ２ｉ）
である。

[0024]よって、静的誤差状態Ｓ_ｉは、３個のスレッショルドレベル：予め選択された固定レベルＰ_ａｂｓと、測定された入力流動圧力の値に依存する２個の可変レベルＰ_ｒ１ｉ及びＰ_ｒ２ｉとに基づいて決定される。Ｐ_ａｂｓとＥ_ｒｅｌの値は、センサの精度と信号の安定性とに依存して選ばれる。Ｐ_ａｂｓの好ましい選択は、例えば、ノズルの通常の動作範囲における多数の点（例えば、１０００点）で測定されたＰ_ｅｒｒに関する標準偏差の３倍である。その場合、Ｐ_ａｂｓは以下の式に基づいて計算される。

[0025]圧力偏差の原因となる誤差のタイプはＰ_ｅｒｒの符号に依存する。符号が正であるならば、測定された実際の圧力は予想された圧力より低い。この状況は、較正されたオリフィスが遮られているか、又は、先端が摩滅している場合に起こる。逆に、符号が負であるならば、測定された圧力は予想された圧力より高く、これは、較正されたオリフィスが摩耗しているか、又は、先端が遮られている場合に起こる。よって、Ｐ_ｅｒｒの符号に基づいて、圧力偏差の考えられる原因が決定される。

[0026]動的誤差状態（Ｄ_ｉ）は、次に、以下のアルゴリズムを使用して計算される。
（Ｐ_ｅｒｒｉ）の符号≠（Ｐ_{ｅｒｒｉ−１}）であるならば、Ｄ_ｉは偽（有効状況）。
Ｓ_ｉが少なくともＴ_ｇｏｏｄに対し偽であるならば、Ｄ_ｉは偽（有効状況）。
Ｓ_ｉが少なくともＴ_ｂａｄに対し真であるならば、Ｄ_ｉは真（故障検出）。
この決定の際に、Ｄ_ｉは、静的誤差状態Ｓ_ｉが予め決定された時間Ｔ_ｂａｄに亘って真であるときに限り真にセットされる。これは、測定された圧力偏差が流動圧力又は感知された圧力信号のノイズ又は変動によって引き起こされる可能性を低下させるため行われる。動的誤差状態Ｄ_ｉが真であるならば、コントローラ２０は、故障状況が見つけられたことを決定し、噴射装置が適切に機能していないということを知らせるため故障信号を発生する。

[0027]上記の決定で使用される以下の係数は選択される必要があり、システムのダイナミクスに依存する。
Ｔ_ｇｏｏｄ：状況が有効であると評価される前に優良サンプルの状態が必要とされる時間
Ｔ_ｂａｄ：状況が不良であると評価される前に不良サンプルの状態が必要とされる時間

[0028]噴射装置１０及びコントローラ２０をセットアップするプロセスと、その後に続く監視動作は図４のフローチャートに要約されている。最初に、噴射装置はその予定された動作位置でセットアップされる（ステップ４０）。学習プロセスが次に、混合圧力を予想するため使用されるべき実験式中のパラメータを決定するためにコントローラの制御下で実行される（ステップ４１）。次に、噴射装置の通常動作中に、コントローラが性能を連続的に監視する。検出サイクル毎に、コントローラは、入力液体と混合物とについて測定された圧力信号を圧力センサから受信する（ステップ４２）。コントローラは、予想混合圧力を計算するため、実験式に対する入力として、測定された入力液体圧力を使用する（ステップ４３）。検出サイクルの静的誤差状態Ｓ_ｉが測定された圧力値及び計算された圧力値に基づいて決定される（ステップ４４）。動的誤差状態Ｄ_ｉが次に、静的誤差状態変数の現在値及び過去値に基づいて計算される（ステップ４５）。動的誤差状態Ｄ_ｉが真であるならば（ステップ４６）、コントローラは、噴射装置が適切に動作していないことを知らせる故障信号を発生する（ステップ４７）。

[0029]本発明の原理が適用される多数の可能性のある実施形態を考慮して、図面に関して明細書に記載された実施形態は単なる例示とするように意図され、発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきでないことが認識されるはずである。したがって、明細書に記載されているような発明は、特許請求の範囲及びその均等の範囲に入るすべての実施形態について考慮している。

内部混合噴射装置の性能がコントローラによって監視される噴射システムの実施形態の概略図である。 図１における噴射装置の断面平面図である。 混合圧力センサが取り付けられた噴射装置の断面側面図である。 噴射装置の性能を監視するシステムをセットアップし操作するプロセスを示すフローチャートである。

Claims (15)

1. 少なくとも第１の流体と第２の流体を受け入れ、前記少なくとも第１の流体と第２の流体の混合物のスプレーを発生する噴射装置の性能を監視する方法であって、
   前記噴射装置中に形成された前記第１の流体と第２の流体の混合物の実際の圧力を測定するステップと、
   前記噴射装置に入る前記第１の液体の第１の入力圧力と前記第２の液体の第２の入力圧力を測定するステップと、
   実験式に基づいて前記第１の入力圧力及び第２の入力圧力から前記混合物の予想される圧力を計算するステップと、
   前記混合物の前記予測された圧力及び実際の圧力を使用する比較プロセスに基づいて、前記噴射装置が適切に機能しているかどうかを決定するステップと、
   を備える方法。
2. 前記第１の流体が空気であり、前記第２の流体が水である、請求項１に記載の方法。
3. 前記混合物の前記実際の圧力を測定するステップが、前記噴射装置に取り付けられた圧力センサからの読みを取得する工程を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記実験式が実験的に導出されたパラメータを含む線形方程式である、請求項１に記載の方法。
5. 前記決定するステップが、前記混合物の前記予測された圧力からの前記実際の圧力の偏差に基づいて静的誤差状態を導出する工程と、予め選択された時間に亘る前記静的誤差状態の値に基づいて動的誤差状態を導出する工程とを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の入力圧力及び第２の入力圧力の測定された値と前記混合物の実際の圧力の測定された値とから前記実験式のパラメータを導出するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記導出するステップが、前記第１の入力圧力及び第２の入力圧力の測定された値と前記混合物の実際の圧力の測定された値とを前記実験式に当てはめるため、再帰的最小二乗解析を実行する工程を含む、請求項６に記載の方法。
8. 噴射システムであって、
   少なくとも第１の流体のための第１の注入口及び第２の流体のための第２の注入口、噴射装置内で混合物を形成するため前記第１の流体と前記第２の流体を混合する内部混合室、ならびに、スプレーを形成するため前記混合物を放出する開口部を含むノズル端を有する噴射装置と、
   前記噴射装置に結合され、前記噴射装置中の前記混合物の実際の混合圧力を測定する混合物センサと、
   前記噴射装置に入る前記第１の流体の圧力を測定する第１の入力センサと、
   前記噴射装置に入る前記第２の流体の圧力を測定する第２の入力センサと、
   前記混合物センサと前記第１の入力センサ及び前記第２の入力センサに接続され、前記混合物の前記測定された圧力を示す読みと前記第１の流体及び前記第２の流体との前記測定された圧力を示す読みを受信し、実験式に基づいて前記第１の流体及び前記第２の流体の前記測定された圧力から予想される混合圧力を計算し、前記噴射装置が適切に機能しているかどうかを決定するため前記予測された混合圧力と前記実際の混合圧力とを使用して比較プロセスを実行するようにプログラムされた、前記噴射装置の性能を監視するコントローラと、
   を備える噴射システム。
9. 前記混合物センサが前記噴射装置に取り付けられる、請求項８に記載の噴射システム。
10. 前記第１の流体が空気であり、前記第２の流体が水である、請求項８に記載の噴射システム。
11. 前記実験式が実験的に導出されたパラメータを含む線形方程式である、請求項８に記載の噴射システム。
12. 前記コントローラが、前記第１の入力圧力及び前記第２の入力圧力の前記測定された値と前記実際の混合圧力の前記測定された値とから前記実験式の前記パラメータを導出するようにさらにプログラムされる、請求項１１に記載の噴射システム。
13. 前記コントローラによって実行される前記比較プロセスが、前記予測された混合圧力からの前記実際の混合圧力の偏差に基づいて静的誤差状態を導出し、予め選択された時間に亘る前記静的誤差状態の値に基づいて動的誤差状態を導出するステップを含む、請求項１２に記載の噴射システム。
14. 噴射装置であって、
    第１の流体を受け入れる第１の注入口と、
    第２の流体を受け入れる第２の注入口と、
    混合物を形成するため前記第１の流体と前記第２の流体が混合される混合室と、
    スプレーを形成するため前記混合物を放出する開口部を有するノズル端と、
    噴射装置に取り付けられ、前記混合物の圧力を感知するため配置された圧力センサと、
    を備える噴射装置。
15. 前記混合室を前記ノズル端に接続する管を含み、前記圧力センサが前記チューブに取り付けられる、請求項１４に記載の噴射装置。

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