JP3668169B2 - 制御弁の作動診断装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば流体の流れを制御するのに好適に用いられる制御弁の作動診断装置に関し、特に、運転途中においても制御弁の故障診断を行い得るようにした制御弁の作動診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、火力発電所、原子力発電所等においては、複数の制御弁を用いて作動流体（例えば、蒸気または高温の水等）の流量制御を行うと共に、その圧力制御等も行う構成としている。
【０００３】
そして、この種の従来技術による制御弁は、制御対象となった作動流体の流入口、流出口を有し該流入口、流出口間には弁座が設けられた弁ハウジングと、該弁ハウジング内に摺動可能に設けられ前記弁座に離，着座することにより前記流入口、流出口間を連通，遮断する弁体と、該弁体から離間して前記弁ハウジングに設けられ指令信号に従って該弁体を開，閉弁方向に駆動する弁駆動手段と、該弁駆動手段と弁体との間に設けられ該弁駆動手段による駆動力を前記弁体に伝達する駆動力伝達手段と、前記弁体の開度を指令する指令信号を前記弁駆動手段に対して出力する指令手段と、前記弁体の開度を検出する開度検出手段等とを備えている。
【０００４】
この場合、前記弁駆動手段は、例えば弁体を常時閉弁方向に向けて付勢するスプリングと、外部から供給される空気等の気体圧により前記弁体を該スプリングの付勢力に抗して開弁方向に駆動するアクチュエータとからなり、このアクチュエータは、指令手段から出力される指令信号に対応した空気圧等が供給されることにより、この空気圧に応じて増減される駆動力を発生する。
【０００５】
そして、前記弁体を全閉するための指令信号が出力されるときには、アクチュエータに供給される空気圧は最小の圧力となるために、弁体はスプリングによって閉弁位置へと付勢され、全閉状態に保持される。また、弁体を全開するための指令信号が出力されるときには、アクチュエータに供給される空気圧は最大の圧力となるため、アクチュエータはスプリングの付勢力に抗して弁体を開弁方向に駆動し、これによって弁体は全開位置まで移動される。
【０００６】
一方、前記弁体の開度を中間開度に設定するための指令信号が出力されるときには、アクチュエータに供給される空気圧は指令信号に対応した中間の圧力となるために、このときの空気圧に応じた駆動力でアクチュエータは弁体をスプリングに抗して駆動し、これによって弁体は、前記空気圧による開弁方向の力とスプリングの付勢力（閉弁方向の力）とがバランスした中間の開度位置へと移動されるものである。
【０００７】
また、開度検出手段は、前記弁体の開度（全閉状態を含む）を逐次検出し、前記指令手段による指令信号に対応した開度をもって弁体の開，閉弁制御が行われているか否かを判別できるようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術にあっては、弁体の開度が指令手段による指令信号に対応した開度となっているか否かを、例えば弁ハウジング等に設けた開度検出手段により検出しているに過ぎないため、制御弁の作動診断（故障診断）を運転途中で行うのが難しいという問題がある。
【０００９】
即ち、弁ハウジング内に摺動可能に設けた弁体は、制御弁の作動に従って開，閉を繰返すうちに弁体の摺動面等が徐々に摩耗、損傷され、カジリ等が発生することがある。しかし、このような状態でも損傷箇所が小さい間は、指令信号に従って弁体の開，閉弁制御が行われるため、開度検出手段を用いただけでは弁体のカジリ等を早期に検出できないという問題がある。
【００１０】
また、弁体の閉弁時に弁座との間に微小な異物等を噛込んだ場合にも、開度検出手段からの開度信号だけでは異物の噛込みを検出することが難しく、弁体の締切り（閉弁状態）不良を早期に発見できないという問題がある。
【００１１】
また、弁ハウジングと弁軸との間に設けるシール部材についてもシール不良が発生すると、弁ハウジング内を流れる流体が外部に漏洩する等の虞れがある。しかし、このようなシール不良も開度検出手段を用いるだけでは発見することができないという問題がある。
【００１２】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、弁体や弁軸に働く軸方向の荷重等を検出することにより、制御弁の監視診断等を運転途中で行うことができ、弁体のカジリ、異物噛込み、シール不良等を早期に判別できるようにした制御弁の作動診断装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明が採用する構成は、流体の流入口と流出口を有し、該流入口と流出口との間には弁座が設けられた弁ハウジングと、該弁ハウジング内に摺動可能に設けられ、前記弁座に離，着座することにより前記流入口と流出口との間を連通，遮断する弁体と、該弁体から離間して前記弁ハウジングに設けられ、指令信号に従って該弁体を開，閉弁方向に駆動する弁駆動手段と、該弁駆動手段と弁体との間に設けられ、該弁駆動手段による駆動力を前記弁体に伝達する駆動力伝達手段と、前記弁体の開度を指令する指令信号を前記弁駆動手段に対して出力する指令手段と、前記駆動力伝達手段に設けられ、前記駆動力伝達手段に付加される荷重を検出する荷重検出手段とを備え、前記指令手段による指令信号および前記荷重検出手段による荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを診断する構成とし、かつ前記荷重検出手段は、前記弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の流れが正常であるか否かを判別するため、前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で前記弁ハウジング内を流れる流体の圧力変動を検出する構成としている。
【００１４】
このように構成することにより、指令手段からの指令信号に従って弁体の開度を可変に制御している間に、駆動力伝達手段に付加される荷重を荷重検出手段によって検出でき、このときの荷重検出信号を指令信号、開度検出信号と比較することにより弁体の動きが正常であるか異常であるかを早期に判別することができる。また、弁体を予め決められた開度に保持した状態で弁ハウジングの流入口から流出口に向けて流れる流体の圧力変動を、荷重検出手段を用いて検出する構成としているので、荷重検出手段から出力される荷重検出信号の波形により、弁ハウジング内を流れる流体の流れが円滑であるか、圧力変動等が生じているか否かを判別することができる。
【００１５】
また、請求項２の発明が採用する構成は、流体の流入口と流出口を有し、該流入口と流出口との間には弁座が設けられた弁ハウジングと、該弁ハウジング内に変位可能に設けられ、前記弁座に離，着座することにより前記流入口と流出口との間を連通，遮断する弁体と、該弁体から離間して前記弁ハウジングに設けられ、指令信号に従って該弁体を開，閉弁方向に駆動する弁駆動手段と、該弁駆動手段と弁体との間に設けられ、該弁駆動手段による駆動力を前記弁体に伝達する駆動力伝達手段と、前記弁体の開度を指令する指令信号を前記弁駆動手段に対して出力する指令手段と、前記駆動力伝達手段に設けられ、前記駆動力伝達手段に付加される荷重を検出する荷重検出手段と、前記弁体の開度を検出する開度検出手段と、該開度検出手段から出力される開度検出信号、前記荷重検出手段からの荷重検出信号および前記指令手段からの指令信号がそれぞれ入力されるコントロールユニットとを備え、該コントロールユニットは、前記指令手段による指令信号、前記開度検出手段による開度検出信号および前記荷重検出手段による荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを判別し、かつ前記コントロールユニットは、前記開度検出手段からの開度検出信号により前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で、前記弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の圧力変動を前記荷重検出手段で検出することにより、前記弁ハウジング内を流れる流体の流れが正常であるか否かを判別する構成としたことにある。
【００１６】
このように構成することにより、コントロールユニットは荷重検出信号と指令信号、開度検出信号とを比較しつつ、弁体の動きが正常であるか異常であるかを自動的に判別することができる。また、コントロールユニットは、弁体を予め決められた開度に保持した状態で弁ハウジングの流入口から流出口に向けて流れる流体の圧力変動を、荷重検出手段から出力される荷重検出信号の波形により検出でき、弁ハウジング内を流れる流体の流れが円滑であるか、圧力変動等が生じているか否かを判別することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による制御弁の作動診断装置を添付図面の図１ないし図１１に従って詳細に説明する。
【００２６】
図中、１は本実施の形態で採用した制御弁を示し、該制御弁１は、後述の弁ハウジング２、弁体７、駆動機構８、弁軸２２およびグランドパッキン２３等により構成されている。
【００２７】
２は制御弁１の外殻を構成する弁ハウジングで、該弁ハウジング２は、制御対象となる流体の流路途中に配設される弁箱３と、後述の弁体ガイド４および支持フレーム５とから大略構成され、弁箱３内には制御対象の流体として高温の給水等が流通するものである。
【００２８】
そして、弁箱３は、前記給水の流入口３Ａおよび流出口３Ｂと、該流入口３Ａと流出口３Ｂとの間に位置し後述の弁体ガイド４が嵌合される貫通穴３Ｃが穿設された仕切壁部３Ｄと、該仕切壁部３Ｄの貫通穴３Ｃと上，下で対向し貫通穴３Ｃよりも大径に形成された筒状開口部３Ｅとを有している。
【００２９】
４は弁箱３内に設けられた筒状の弁体ガイドで、該弁体ガイド４は、筒状開口部３Ｅ側から弁箱３内に挿入される。そして、弁体ガイド４は、その一端側が貫通穴３Ｃに嵌合され、他端側が後述の蓋部５Ａに嵌合することにより弁箱３内に位置決めされている。また、弁体ガイド４の内周面は後述する弁体７用の摺動面４Ａとなり、該摺動面４Ａの下端側には弁体７が離着座する環状の弁座４Ｂが一体形成されている。
【００３０】
また、弁体ガイド４には、弁座４Ｂよりも僅かに上側となる位置に径方向の流通穴４Ｃ，４Ｃが穿設されている。そして、これらの流通穴４Ｃは弁体７により開，閉され、これによって弁箱３は流入口３Ａと流出口３Ｂとの間が連通，遮断されるものである。
【００３１】
５は弁箱３の筒状開口部３Ｅに設けられた支持フレームで、該支持フレーム５の一端側は、筒状開口部３Ｅを上側から閉塞する蓋部５Ａとなり、該蓋部５Ａの中心側には後述の弁軸２２が挿通される挿通穴５Ｂが穿設されている。また、支持フレーム５の他端側には、後述のダイヤフラム１３を下側から支持する支持板６がボルト等の手段を用いて取付けられている。
【００３２】
また、支持フレーム５の他端側には、支持板６よりも下側に位置してガイド部５Ｃ，５Ｃ，…が設けられ、該各ガイド部５Ｃは、後述の可動シェル１２を矢示Ａ，Ｂ方向に移動可能（上，下動可能）にガイドするものである。
【００３３】
７は弁体ガイド４内に摺動可能に挿嵌された弁体で、該弁体７は、図２に示すように有蓋筒状体として形成され、その一端側は前記弁座４Ｂに離着座することにより弁体ガイド４の各流通穴４Ｃを介して弁箱３の流入口３Ａと流出口３Ｂとの間を連通，遮断するものである。
【００３４】
また、弁体７には圧力逃がし穴７Ａ，７Ａ，…が穿設され、これらの圧力逃がし穴７Ａは、弁体ガイド４と弁体７との間で圧力差が発生するのを防止し、弁体７が滑らかに開，閉弁動作するのを補償するものである。
【００３５】
８は弁体７から離間して支持フレーム５の他端側に設けられた弁駆動手段としての駆動機構で、該駆動機構８は、後述のばね受１８と支持板６との間に配設され、弁体７を常時閉弁方向に付勢したスプリング９と、後述する空気圧作動式のアクチュエータ１０と、図３に示す後述のポジショナ２７等とにより構成されている。
【００３６】
１０は弁体７をスプリング９に抗して開弁方向に駆動する空気圧作動式のアクチュエータで、該アクチュエータ１０は、上，下の可動シェル１１，１２と、外周側が該可動シェル１１，１２間に挟持して設けられた可動隔壁としてのダイヤフラム１３とからなり、該ダイヤフラム１３は上側の可動シェル１１との間に圧力室１４を画成している。
【００３７】
ここで、可動シェル１１，１２は、支持フレーム５上の支持板６をダイヤフラム１３と共に上，下方向から取囲むように配設されている。そして、ダイヤフラム１３は、その中央部側が支持板６に固着され、該支持板６によって背面側から補強（バックアップ）されている。
【００３８】
また、下側の可動シェル１２には、支持フレーム５の各ガイド部５Ｃが挿通される複数の挿通穴１２Ａ，１２Ａ，…が設けられ、これらの挿通穴１２Ａにより可動シェル１２は、支持フレーム５に対し各ガイド部５Ｃに沿って上，下動可能に取付けられている。そして、可動シェル１２は、その内周側端部が後述するヨーク１６の外周側に固着され、このヨーク１６と一体に矢示Ａ，Ｂ方向に移動（上，下動）するものである。
【００３９】
１５は上側の可動シェル１１に設けられた気体圧の給排口で、該給排口１５には後述の操作空気圧配管３８が接続され、これによってアクチュエータ１０の圧力室１４内には気体圧としての空気圧が給排される。そして、圧力室１４内の空気圧が最小の圧力になっている間は、スプリング９により可動シェル１１，１２およびヨーク１６等が矢示Ａ方向に付勢され、これによって弁体７は図１に示す如く閉弁状態に保持される。
【００４０】
一方、アクチュエータ１０は、給排口１５から圧力室１４内に操作空気圧が供給され、この空気圧が増加するに応じて圧力室１４内の容積を増大させる。そして、この圧力室１４内の空気圧により、可動シェル１１，１２はヨーク１６等と共にスプリング９の付勢力に抗して矢示Ｂ方向に押動され、これによって弁体７は図２に示す如く弁開度が増大されるものである。
【００４１】
１６は支持フレーム５内に上，下動可能に設けられた可動枠としてのヨークを示し、該ヨーク１６は有底枠状体として形成され、スプリング９を径方向外側から覆う構成となっている。また、ヨーク１６の底部１６Ａ側には、後述の軸力センサ２５が弁軸２２と共に取付けられ、ヨーク１６は弁軸２２と共に駆動力伝達手段を構成するものである。
【００４２】
１７はヨーク１６の底部１６Ａに設けられた固定ボルト、１８は該固定ボルト１７に緩止めナット１９と一緒に螺合されたばね受で、該ばね受１８は、固定ボルト１７に対する螺合位置を緩止めナット１９と共に変えることにより、スプリング９の付勢力を可変に調節するものである。
【００４３】
２０，２１は支持フレーム５，ヨーク１６に設けられた工具挿入穴で、該工具挿入穴２０，２１には、固定ボルト１７に対するばね受１８および緩止めナット１９の螺合位置を変えるときに、例えばスパナ、レンチ等の工具が挿入されるものである。
【００４４】
２２はヨーク１６と共に駆動力伝達手段を構成する弁軸で、該弁軸２２は、図２に示すように支持フレーム５（蓋部５Ａ）の挿通穴５Ｂ内に上，下動（軸方向に摺動可能）に挿嵌され、その下端側は弁体ガイド４内で弁体７に連結されている。また、弁軸２２の上端側は後述の軸力センサ２５を介してヨーク１６の底部１６Ａに連結されている。そして、弁軸２２はヨーク１６の動きを弁体７に伝達し、弁体７を上，下に開，閉弁させるものである。
【００４５】
２３は支持フレーム５の蓋部５Ａと弁軸２２との間を封止するシール部材としてのグランドパッキンで、該グランドパッキン２３は、蓋部５Ａの挿通穴５Ｂ内に装着され、弁軸２２の外周面に締め代をもって摺接している。また、支持フレーム５の蓋部５Ａには、グランドパッキン２３を抜止め状態に保持するグランド押え２４が着脱可能に取付けられている。
【００４６】
２５はヨーク１６の底部１６Ａと弁軸２２との間に設けられた荷重検出手段としての軸力センサで、該軸力センサ２５は、例えばロードセル、歪みゲージ等を用いて構成され、弁軸２２に付加される荷重（例えば、軸方向の引張り力と圧縮力）を図６ないし図１１に示すように検出するものである。
【００４７】
２６は弁体７の開度を検出する開度検出手段としての開度センサで、該開度センサ２６は、例えば光学式変位センサ等を用いて構成され、弁体７と一体に変位するヨーク１６または可動シェル１１，１２の動きを、支持フレーム５または支持板６（ダイヤフラム１３）に対する相対変位量として検出するものである。なお、図１中では開度センサ２６を可動シェル１１に設けた場合を例示しているものである。
【００４８】
２７は制御弁１用のポジショナで、該ポジショナ２７は、図３に示すように弁ハウジング２の外側に設けられ、例えばパイロット配管２８、入力側の空気圧配管２９および出力側の空気圧配管３０が接続されている。そして、ポジショナ２７は、例えば空気圧縮機、空気タンク等の圧気源３１から減圧弁３２、入力側の空気圧配管２９を介して供給される圧縮空気の空気量を、パイロット配管２８からのパイロット圧に対応して増減させるように制御し、制御した空気圧を出力側の空気圧配管３０側に供給する。
【００４９】
これにより、ポジショナ２７は、弁体７の開度を後述する指令装置３４からの指令信号（パイロット配管２８からのパイロット圧）に従って図５に示す特性線３３の如く、例えば比例制御するものである。即ち、制御弁１の弁体７は、ポジショナ２７による空気圧の制御により図５に示す特性線３３の如く指令信号にほぼ比例して弁開度が可変に制御されるものである。
【００５０】
３４は弁体７の開度を指令する指令信号を出力する指令手段としての指令装置で、該指令装置３４は、例えば４〜２０ｍＡ（ミリアンペア）程度の範囲で電流値が可変に設定される指令信号を後述の電空変換器３５およびコントロールユニット４３等に出力するものである。
【００５１】
３５は指令装置３４からの指令信号をパイロット圧に変換する電空変換器を示し、該電空変換器３５は、圧気源３１から減圧弁３６を介して供給される低圧の空気圧をパイロット配管２８側にパイロット圧として供給し、このときのパイロット圧を指令信号の電流値等に比例して可変に調整するものである。なお、減圧弁３６の設定圧は、減圧弁３２によりも十分に低い（例えば、１／１０以下）圧力に設定されている。
【００５２】
３７は空気圧配管３０からの空気圧を増倍して操作空気圧配管３８側に供給するブースタリレーで、該ブースタリレー３７は、空気圧配管３０からの空気圧を増倍するために分岐配管３９に接続され、該分岐配管３９は空気圧配管２９からの空気圧をブースタリレー３７に補給するものである。
【００５３】
そして、制御弁１の駆動機構８は、操作空気圧配管３８、給排口１５を介してブースタリレー３７側からの増倍された操作空気圧が、図１に示す圧力室１４内へと供給され、圧力室１４が拡縮されることによりヨーク１６、弁軸２２および弁体７を矢示Ａ，Ｂ方向に駆動するものである。
【００５４】
４０，４１，４２はそれぞれ圧力センサを示し、該圧力センサ４０〜４２のうち圧力センサ４０は操作空気圧配管３８内の圧力を検出し、圧力センサ４１は空気圧配管３０内の圧力を検出し、圧力センサ４２はパイロット配管２８内のパイロット圧を検出するものである。
【００５５】
４３はマイクロコンピュータ等によって構成されたコントロールユニットで、該コントロールユニット４３は、図４に示す如く入力側に軸力センサ２５、開度センサ２６、圧力センサ４０，４１，４２および指令装置３４等が接続され、出力側には、ディスプレイ等の表示器４４、印字機としてのプリンタ４５および報知装置４６等が接続されている。
【００５６】
ここで、コントロールユニット４３は、指令装置３４から出力される指令信号と、開度センサ２６から出力される弁体７の開度信号と、軸力センサ２５から出力される軸力信号とを図６ないし図１１に示すように表示器４４を用いて表示させると共に、これらを必要に応じてプリンタ４５により印字させる。
【００５７】
また、コントロールユニット４３は、後述の如く軸力センサ２５、開度センサ２６および圧力センサ４０，４１，４２からの検出信号により制御弁１の作動状態が正常であるか、異常であるかを判定（故障診断）し、異常と判定したときには、これを警報ランプ、警報ブザーまたは音声合成装置等からなる報知装置４６を用いて報知するものである。なお、このときの診断結果は、表示器４４の画面上でも表示できるものである。
【００５８】
本実施の形態による制御弁１の作動診断装置は上述の如き構成を有するもので、次に、その作動について説明する。
【００５９】
まず、指令装置３４から出力される指令信号が、図５に示す信号値Ｓa 以下のときには、図３に示す電空変換器３５からパイロット配管２８に出力されるパイロット圧は、例えば大気圧程度の低圧状態におかれる。
【００６０】
そして、制御弁１のポジショナ２７は、このときのパイロット圧に対応して空気圧配管３０内を大気圧に近い低い圧力状態に設定し、ブースタリレー３７を介した操作空気圧配管３８内の圧力もほぼ大気圧状態に設定される。これにより、駆動機構８のアクチュエータ１０は、圧力室１４内の空気圧が大気圧に近い最小の圧力状態に保持される。
【００６１】
このため、駆動機構８はスプリング９により可動シェル１１，１２およびヨーク１６等が矢示Ａ方向に付勢され、このときの付勢力が軸力センサ２５、弁軸２２を介して弁体７へと伝達されることにより、弁体７は図１に示す如く弁体ガイド４の弁座４Ｂに着座して閉弁状態に保持される。
【００６２】
次に、指令装置３４から出力される指令信号が、図５に示す信号値Ｓa より大きくなると、図３に示す電空変換器３５からパイロット配管２８に出力されるパイロット圧は、指令信号に従って比例的に増大し、例えば大気圧よりも高い圧力状態に設定される。
【００６３】
そして、制御弁１のポジショナ２７は、このときのパイロット圧に対応して空気圧配管３０内を大気圧よりも高い圧力状態に設定し、ブースタリレー３７は空気圧配管３０内の圧力に基づいて空気量を増倍させつつ、倍増した操作空気圧を操作空気圧配管３８、給排口１５を介してアクチュエータ１０の圧力室１４内に供給する。
【００６４】
この結果、アクチュエータ１０は、給排口１５から供給される空気圧に応じて圧力室１４内の容積を増大させ、この圧力室１４内の空気圧により、可動シェル１１，１２をヨーク１６等と共にスプリング９の付勢力に抗して矢示Ｂ方向に押動する。そして、この矢示Ｂ方向の駆動力（押動力）は軸力センサ２５、弁軸２２を介して弁体７へと伝達される。
【００６５】
これによって、弁体７は図２に示す如く弁体ガイド４の弁座４Ｂから離座して開度が増大される。そして、弁体７が開弁した状態では、弁箱３の流入口３Ａから流出口３Ｂに向けて矢示Ｃ方向へと給水が流れ、弁体７の開度に応じて給水の流量が制御される。
【００６６】
また、弁体７の開度は、図５に示す特性線３３に沿って増減するように制御され、指令信号の信号値がＳm まで増大したときには、弁体７が全開状態におかれるものである。
【００６７】
この場合、制御弁１には開度センサ２６が設けられ、該開度センサ２６により弁体７の開度が、指令装置３４からの指令信号にほぼ比例して制御されているか否かを判別することはできる。
【００６８】
また、パイロット配管２８内のパイロット圧が指令信号にほぼ比例して制御されているか否かについても、パイロット配管２８の途中に設けた圧力センサ４２により検出することができる。
【００６９】
さらに、空気圧配管３０内の圧力についても圧力センサ４１で検出でき、操作空気圧配管３８内の圧力についても同様に圧力センサ４０で検出できるので、空気圧配管３０、操作空気圧配管３８内の圧力が前記指令信号およびパイロット圧に対応して制御されているか否かを判別することはできる。
【００７０】
しかし、このような開度センサ２６、圧力センサ４０〜４２による検出信号だけでは、例えば制御弁１の作動診断（故障診断）を運転途中で行い、故障箇所等を早期に発見するのは難しいのが実状である。
【００７１】
即ち、筒状の弁体ガイド４内に摺動可能に設けた弁体７は、制御弁１の作動に従って開，閉を繰返すうちに、弁体ガイド４の摺動面４Ａと弁体７との間が徐々に摩耗、損傷され、カジリ等が発生することがある。しかし、このような状態でも損傷箇所が小さい間は、前記指令信号に従って弁体７の開，閉弁制御が行われるため、弁体７のカジリ等を早期に検出できない。
【００７２】
そこで、本実施の形態では、ヨーク１６の底部１６Ａと弁軸２２との間に荷重検出手段としての軸力センサ２５を設け、該軸力センサ２５により弁軸２２の軸方向に付加される引張り力または圧縮力を、図６ないし図１１に示すように検出する構成としている。
【００７３】
そして、図６に示す特性線５１のように、指令装置３４から出力される指令信号を最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間でゆっくりと漸次増大させた場合に、開度センサ２６から出力される開度検出信号は、図６中の特性線５２の如くゆっくりと指令信号にほぼ対応して増大し、弁体７の開度が漸次大きくなっていることが確認された。
【００７４】
また、このときに弁体７は、弁軸２２およびヨーク１６共に図２に示す如く矢示Ｂ方向に持上げられ、軸力センサ２５には、弁体ガイド４の摺動面４Ａと弁体７との間に働く摺動抵抗により引張り方向の軸力（スラスト力）が作用する。このため、軸力センサ２５から出力される軸力検出信号は、図６中の特性線５３の如く引張り方向（正の方向）でほぼ一定の出力値となって検出される。
【００７５】
しかし、弁体７の摺動面に摩耗、損傷等によるカジリが発生した場合には、図６中に例示した時間ｔx の如く軸力検出信号が一時的に増大し、弁体ガイド４と弁体７との間に働く摺動抵抗が部分的に大きくなっていることを検出できる。
【００７６】
また、カジリ等が発生していない場合には、図６中に一点鎖線で示す特性線５４のように軸力検出信号は、特性線５３と同様にほぼ一定の出力値を保つことになる。このように、軸力センサ２５を用いることにより、弁体７と弁体ガイド４との間に摩耗、損傷等によるカジリが発生しているか否かを早期に検出することができる。
【００７７】
次に、図７に示す特性線６１のように、指令装置３４から出力される指令信号を時間ｔa1で、最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間の任意の信号値Ｓi （Ｓa ＜Ｓi ＜Ｓm ）から最小の信号値Ｓa まで低下させた場合に、弁体７は僅かな時間遅れをもって全閉側へとスプリング９により駆動される。
【００７８】
このため、開度センサ２６から出力される開度検出信号は、図７中の特性線６２の如く時間ｔa1から僅かに遅れて時間ｔa2〜ｔa3で全閉方向に変化する。この場合、弁体７が閉弁時に弁座４Ｂとの間で異物を噛込んだりしないときには、図７中に一点鎖線で示す特性線６３のように、開度検出信号は全閉位置まで完全に動くことになる。
【００７９】
しかし、このときの異物が非常に小さい場合には、特性線６２，６３間にほとんど差が生じないために、開度センサ２６から出力される開度検出信号によって異物噛込みの有無を判別することは難しいことが多い。
【００８０】
これに対し、軸力センサ２５から出力される軸力検出信号は、図７中の特性線６４の如く弁体７が閉弁方向に動き始める時間ｔa2〜ｔa3で、弁体ガイド４の摺動面４Ａと弁体７との間に働く静摩擦力ｆ1 の影響を受けて引張り方向（正の方向）から圧縮方向（負の方向）へと大きく変化し、その後は動摩擦力ｆ2 の影響を受けて圧縮方向の軸力を出力する。
【００８１】
そして、時間ｔa3に達すると、弁体７は弁座４Ｂとの間で異物を噛込むことにより、圧縮方向の力ｆ3 （異物噛込み力）を出力することになる。これにより、弁体７が閉弁時に弁座４Ｂとの間で異物等を噛込んでいるか否かを、例えば圧縮方向の力ｆ3 として検出でき、弁体７の締切り（閉弁状態）不良を早期に判別することができる。
【００８２】
この場合、開度センサ２６からの開度検出信号（特性線６２）が、時間ｔa3以降はほぼ一定の値となって弁体７の閉弁を検出しているのに、軸力センサ２５からの軸力検出信号は、圧縮方向の力ｆ3 を検出しているので、小さな異物であっても、異物噛込みの有無を確実に判別することができる。
【００８３】
次に、図８に示す特性線７１のように、指令装置３４から出力される指令信号を時間ｔb1で、最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間の任意の信号値Ｓj （Ｓa ＜Ｓj ＜Ｓm ）から最小の信号値Ｓa まで低下させた場合にも、弁体７は僅かな時間遅れをもって全閉側へとスプリング９により駆動される。
【００８４】
そして、弁体７と一体に閉弁方向（図２中の矢示Ａ方向）に変位する弁軸２２には、グランドパッキン２３によって摺動抵抗が付加され、グランドパッキン２３の締め代（摩擦力）の大，小により弁体７が全閉するまでの時間Ｔ1 ，Ｔ2 (Ｔ1 ＜Ｔ2 ）に時間差が生じることになる。
【００８５】
このため、開度センサ２６から出力される開度検出信号は、図８中に実線で示す特性線７２の如くグランドパッキン２３の摩擦力が小さい場合には、全閉するまでの時間Ｔ1 が短く、グランドパッキン２３の摩擦力が大きくなると、図８中に一点鎖線で示す特性線７３のように全閉するまでの時間Ｔ2 が長くなる。
【００８６】
しかし、このような開度検出信号による時間Ｔ1 ，Ｔ2 を比較するだけでは、グランドパッキン２３によるシール性（漏洩の有無）を判別することは難しく、弁体７の閉止力（弁座４Ｂに対する締切り力）が規定範囲に設定されているか否かを判別することは難しい。
【００８７】
これに対し、軸力センサ２５から出力される軸力検出信号は、図８中に実線で示す特性線７４の如く時間ｔb1を過ぎて弁体７が閉弁方向に動き始めたときに、グランドパッキン２３による動摩擦抵抗としての摩擦力Ｆ1 を直接的に検出して出力することができ、弁体７が全閉位置に達したときには、弁閉止力Ｆ2 を直接的に出力することができる。
【００８８】
また、グランドパッキン２３が硬化した等の理由で締め代が過大となったときには、図８中に一点鎖線で示す特性線７５のようにグランドパッキン２３の摩擦力Ｆ3 を軸力検出信号により出力することができ、弁閉止力Ｆ4 も直接的に検出することができる。
【００８９】
そして、摩擦力Ｆ1 が基準値よりも小さくなった場合には、グランドパッキン２３の締め代が小さくなってシール性が低下し、弁軸２２とグランドパッキン２３との間から流体漏れ（弁箱３内を流れる給水の漏洩）が生じる可能性があるので、漏洩の発生を早期に診断してグランドパッキン２３の交換時期を、例えば報知装置４６等を用いて報知することができる。
【００９０】
また、弁閉止力Ｆ2 が予め決められた閉止力の範囲にあるか否かを判別することにより、スプリング９の付勢力が正規のばね力に設定されているか否かを判定できる。
【００９１】
そして、スプリング９の付勢力を調節する場合には、図１に示す工具挿入穴２０，２１から工具を挿入し、固定ボルト１７に対するばね受１８および緩止めナット１９の螺合位置を変えることにより、付勢力の調節作業を容易に行うことができる。
【００９２】
一方、特性線７５による摩擦力Ｆ3 が過大であると判別した場合にも、グランドパッキン２３が経時劣化等の理由で硬化している場合であるので、例えば図４に示す表示器４４、報知装置４６等を用いてグランドパッキン２３の交換時期を報知することができる。
【００９３】
また、弁閉止力Ｆ4 が過小になっていると判別されたときには、閉弁状態にある弁体７と弁座４Ｂとの間で流体の漏洩が発生する虞れがあり、弁座４Ｂに対する弁体７の締切り力が小さくなっているので、この場合にも前述の如くスプリング９の付勢力を調節する作業を早期に行うべきことを報知することができる。
【００９４】
次に、図９に示す特性線８１のように、指令装置３４から出力される指令信号を時間ｔc1で、最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間の任意の信号値Ｓk2から信号値Ｓk1（Ｓa ＜Ｓk1＜Ｓk2＜Ｓm ）まで低下させた場合には、弁体７が僅かな時間遅れをもって閉弁方向に駆動され、スプリング９の付勢力と圧力室１４内の空気圧とがバランスした中間の開度位置で弁体７は停止する。
【００９５】
そして、開度センサ２６から出力される開度検出信号は、図９中に一点鎖線で示す特性線８２のように本来は中間の開度位置でほぼ一定に保たれるはずである。しかし、グランドパッキン２３が硬化して弁軸２２に付加される摺動抵抗（摩擦力）が過大になったときには、図９中に実線で示す特性線８３の如く開度検出信号が長い周期で振動し、弁体７は中間の開度付近でゆっくりと上，下動を続けることがある。
【００９６】
また、図３に示すポジショナ２７、ブースタリレー３７等の異常で、駆動機構８の圧力室１４内に給排される空気圧が過剰（鋭敏）に反転されるような場合には、図９中に二点鎖線で示す特性線８４の如く開度検出信号が短い周期で振動し、弁体７は中間の開度付近で頻繁に上，下動を繰返すことになる。
【００９７】
そして、このような場合に開度センサ２６からの軸力検出信号は、図９中に実線で示す特性線８５に沿って長い周期で振動するときに、グランドパッキン２３の硬化によって摺動抵抗が過大になっていることを検出して出力できる。また、軸力検出信号が二点鎖線で示す特性線８６のように短い周囲で振動するときには、図３に示すポジショナ２７、ブースタリレー３７等が正常に動作していないことを早期に判別できる。
【００９８】
次に、図１０に示す特性線９１のように、指令装置３４から出力される指令信号を、サインカーブ（正弦波）を描くように変動させた場合には、開度検出信号も特性線９２のように中間の開度を上，下動するように変化し、指令信号にほぼ追従して変動する。
【００９９】
そして、このときに軸力検出信号も図１０中の特性線９３のように指令信号に追従して変動する。しかし、指令信号の変曲点に相当する時間ｔd1，ｔd2，ｔd3，ｔd4の近辺では、軸力検出信号に揺らぎ（山形状の小さな振動）が発生することがあった。
【０１００】
そこで、このような場合の操作空気圧（操作空気圧配管３８内の空気圧）の状態を調べてみると、ブースタリレー３７から操作空気圧配管３８側に供給する空気圧に供給不足が発生したり、例えば操作空気圧配管３８等に失陥が生じている場合であることが確認された。
【０１０１】
これにより、軸力検出信号を用いて操作空気圧配管３８側の操作空気圧不足等を早期に検出でき、このような場合にも軸力センサ２５からの検出信号により、操作空気圧の不足等に対する迅速な対策を施すことができる。
【０１０２】
次に、図１１に示す特性線１０１のように、指令装置３４から出力される指令信号を、最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間の任意の信号値Ｓl （Ｓa ＜Ｓl ＜Ｓm ）に保った状態では、弁体７の開度も信号値Ｓl に対応する中間の開度に保持され、開度検出信号は特性線１０２の如くほぼ一定に保たれる。
【０１０３】
そして、この場合に軸力検出信号も特性線１０３の如く出力される。しかし、例えば時間ｔe1，ｔe2等で軸力検出信号がピーク状に変化する場合には、弁体７が中間の開度にあるときに弁箱３内を流れる給水に衝撃的な圧力変動等が発生しているとして検出でき、例えば原子力発電所の主給水制御弁１を流れる給水の流れ状態が、正常であるか否かを判別することができる。
【０１０４】
即ち、図２に示すように弁体７が開弁したした状態で、弁箱３の流入口３Ａから流出口３Ｂに向けて給水が矢示Ｃ方向へと連続的に流れている場合に、給水の流れが円滑である間は弁体７、弁軸２２等に働く軸力は一定に保たれる。しかし、給水の流れが何らかの原因で変動し衝撃圧等が発生した場合には、弁体７、弁軸２２等に働く軸力が瞬間的に変化し、例えば特性線１０３で示すように、時間ｔe1，ｔe2等で軸力検出信号がピーク状に変化したものと推察することができる。
【０１０５】
従って、本実施の形態によれば、軸力センサ２５を用いて弁体７や弁軸２２に働く軸方向の引張り力、圧縮力等を検出することにより、制御弁１の監視、作動診断等を運転途中で行うことができ、弁体７のカジリ、異物噛込み、シール不良等を早期に判別することができる。
【０１０６】
また、弁軸２２に対するグランドパッキン２３の摺動抵抗を、図８に示す摩擦力Ｆ1 ，Ｆ3 等として検出でき、グランドパッキン２３が摩耗してシール性が低下しているか否か、またはグランドパッキン２３が硬化して摺動抵抗が増加し、スプリング９による弁体７の閉止力が低下しているか否か等を、制御弁１の作動途中で診断することができる。
【０１０７】
さらに、ポジショナ２７、ブースタリレー３７による操作空気圧の制御が正常であるか否か、弁箱３内を流れる給水の状態が正常であるか否か等を、早期に検出でき、異常発生時に速やか対処することができる。
【０１０８】
なお、前記実施の形態では、原子力発電所等で用いる制御弁１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば石油化学コンビナート、化学プラントまたは精油所で用いる制御弁等、種々の流体の流れを制御する制御弁に対しても適用でき、その作動途中で故障診断を早期に行うことができるものである。
【０１０９】
また、前記実施の形態では、スプリング９により弁体７を閉弁方向に付勢する形式の制御弁１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば空気圧等の気体圧を用いて弁体を閉弁方向に駆動し、弁体を開弁させるときには気体圧を下げてスプリングにより弁体を開弁方向に付勢する形式の制御弁に適用してもよい。
【０１１０】
また、前記実施の形態では、弁箱３の流入口３Ａから流出口３Ｂに向けて矢示Ｃ方向へと給水が流れる制御弁１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図２に示す矢示Ｃ方向とは逆向きに流体が流れる構成としてもよいものである。
【０１１１】
さらに、前記実施の形態では、ばね受１８および緩止めナット１９等を用いてスプリング９の付勢力を可変に調節するものとして述べたが、必ずしもスプリングの付勢力を調節可能な構成とする必要はないものである。
【０１１２】
【発明の効果】
以上詳述した如く、請求項１に記載の発明によれば、弁体の開度を指令する指令信号を弁駆動手段に対して出力する指令手段と、駆動力伝達手段に付加される荷重を検出する荷重検出手段等とを備え、前記指令手段による指令信号および前記荷重検出手段による荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを診断する構成とし、かつ前記荷重検出手段は、弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の流れが正常であるか否かを判別するため、前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で前記弁ハウジング内を流れる流体の圧力変動を検出する構成としたので、指令手段からの指令信号に従って弁体の開度を可変に制御している間に、駆動力伝達手段に付加される荷重を荷重検出手段で検出でき、荷重検出信号を指令信号と比較することにより弁体の動きが正常であるか異常であるかを早期に診断して判別することができる。従って、弁体や弁軸等に働く軸方向の荷重等を検出することにより、制御弁の監視、作動診断等を運転途中で行うことができ、弁体のカジリ、異物噛込み、シール不良等を早期に判別することができる。しかも、弁体を予め決められた開度に保持した状態で荷重検出手段により弁ハウジング内を流れる流体の圧力変動を検出する構成としているので、荷重検出手段から出力される荷重検出信号の波形により、弁ハウジング内を流れる流体の流れが円滑であるか、圧力変動等が生じているか否かを判別でき、制御弁を作動したままで外部から流体の流れを監視し続けることができる。
【０１１３】
また、請求項２に記載の発明は、弁体の開度を検出する開度検出手段と、コントロールユニットとを備え、該コントロールユニットは、指令信号、開度検出信号および荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを判別する構成としているので、コントロールユニットを用いることにより、荷重検出信号と指令信号、開度検出信号とを比較しつつ、弁体の動きが正常であるか異常であるかを自動的に判別することができる。しかも、前記コントロールユニットは、前記開度検出手段からの開度検出信号により前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で、前記弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の圧力変動を前記荷重検出手段で検出することにより、前記弁ハウジング内を流れる流体の流れが正常であるか否かを判別する構成としているので、荷重検出手段から出力される荷重検出信号の波形により、弁ハウジング内を流れる流体の流れが円滑であるか、圧力変動等が生じているか否かを判別でき、制御弁を作動したままで外部から流体の流れを監視し続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による作動診断装置が設けられた制御弁の閉弁状態を示す縦断面図である。
【図２】図１の制御弁を開弁状態で示す要部拡大断面図である。
【図３】図１に示す制御弁の制御回路図である。
【図４】制御弁の作動診断装置を示す制御ブロック図である。
【図５】指令信号と制御弁の弁開度との関係を示す特性線図である。
【図６】弁体にカジリが発生した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図７】異物の噛込みが発生した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図８】グランドパッキンによる摩擦力が変化した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図９】グランドパッキンの硬化または操作空気圧が変動する状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図１０】操作空気圧が不足した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図１１】制御弁内を流れる給水の圧力が変動した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【符号の説明】
１ 制御弁
２ 弁ハウジング
３ 弁箱
４ 弁体ガイド
４Ａ 摺動面
４Ｂ 弁座
５ 支持フレーム
６ 支持板
７ 弁体
８ 駆動機構（弁駆動手段）
９ スプリング
１０ アクチュエータ
１１，１２ 可動シェル
１３ ダイヤフラム
１４ 圧力室
１６ ヨーク
２２ 弁軸（駆動力伝達手段）
２３ グランドパッキン（シール部材）
２５ 軸力センサ（荷重検出手段）
２６ 開度センサ（開度検出手段）
２７ ポジショナ
２８ パイロット配管
２９，３０ 空気圧配管
３１ 圧気源
３２，３６ 減圧弁
３４ 指令装置（指令手段）
３５ 電空変換器
３７ ブースタリレー
３８ 操作空気圧配管
４０，４１，４２ 圧力センサ
４３ コントロールユニット
４４ 表示器
４６ 報知装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば流体の流れを制御するのに好適に用いられる制御弁の作動診断装置に関し、特に、運転途中においても制御弁の故障診断を行い得るようにした制御弁の作動診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、火力発電所、原子力発電所等においては、複数の制御弁を用いて作動流体（例えば、蒸気または高温の水等）の流量制御を行うと共に、その圧力制御等も行う構成としている。
【０００３】
そして、この種の従来技術による制御弁は、制御対象となった作動流体の流入口、流出口を有し該流入口、流出口間には弁座が設けられた弁ハウジングと、該弁ハウジング内に摺動可能に設けられ前記弁座に離，着座することにより前記流入口、流出口間を連通，遮断する弁体と、該弁体から離間して前記弁ハウジングに設けられ指令信号に従って該弁体を開，閉弁方向に駆動する弁駆動手段と、該弁駆動手段と弁体との間に設けられ該弁駆動手段による駆動力を前記弁体に伝達する駆動力伝達手段と、前記弁体の開度を指令する指令信号を前記弁駆動手段に対して出力する指令手段と、前記弁体の開度を検出する開度検出手段等とを備えている。
【０００４】
この場合、前記弁駆動手段は、例えば弁体を常時閉弁方向に向けて付勢するスプリングと、外部から供給される空気等の気体圧により前記弁体を該スプリングの付勢力に抗して開弁方向に駆動するアクチュエータとからなり、このアクチュエータは、指令手段から出力される指令信号に対応した空気圧等が供給されることにより、この空気圧に応じて増減される駆動力を発生する。
【０００５】
そして、前記弁体を全閉するための指令信号が出力されるときには、アクチュエータに供給される空気圧は最小の圧力となるために、弁体はスプリングによって閉弁位置へと付勢され、全閉状態に保持される。また、弁体を全開するための指令信号が出力されるときには、アクチュエータに供給される空気圧は最大の圧力となるため、アクチュエータはスプリングの付勢力に抗して弁体を開弁方向に駆動し、これによって弁体は全開位置まで移動される。
【０００６】
一方、前記弁体の開度を中間開度に設定するための指令信号が出力されるときには、アクチュエータに供給される空気圧は指令信号に対応した中間の圧力となるために、このときの空気圧に応じた駆動力でアクチュエータは弁体をスプリングに抗して駆動し、これによって弁体は、前記空気圧による開弁方向の力とスプリングの付勢力（閉弁方向の力）とがバランスした中間の開度位置へと移動されるものである。
【０００７】
また、開度検出手段は、前記弁体の開度（全閉状態を含む）を逐次検出し、前記指令手段による指令信号に対応した開度をもって弁体の開，閉弁制御が行われているか否かを判別できるようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術にあっては、弁体の開度が指令手段による指令信号に対応した開度となっているか否かを、例えば弁ハウジング等に設けた開度検出手段により検出しているに過ぎないため、制御弁の作動診断（故障診断）を運転途中で行うのが難しいという問題がある。
【０００９】
即ち、弁ハウジング内に摺動可能に設けた弁体は、制御弁の作動に従って開，閉を繰返すうちに弁体の摺動面等が徐々に摩耗、損傷され、カジリ等が発生することがある。しかし、このような状態でも損傷箇所が小さい間は、指令信号に従って弁体の開，閉弁制御が行われるため、開度検出手段を用いただけでは弁体のカジリ等を早期に検出できないという問題がある。
【００１０】
また、弁体の閉弁時に弁座との間に微小な異物等を噛込んだ場合にも、開度検出手段からの開度信号だけでは異物の噛込みを検出することが難しく、弁体の締切り（閉弁状態）不良を早期に発見できないという問題がある。
【００１１】
また、弁ハウジングと弁軸との間に設けるシール部材についてもシール不良が発生すると、弁ハウジング内を流れる流体が外部に漏洩する等の虞れがある。しかし、このようなシール不良も開度検出手段を用いるだけでは発見することができないという問題がある。
【００１２】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、弁体や弁軸に働く軸方向の荷重等を検出することにより、制御弁の監視診断等を運転途中で行うことができ、弁体のカジリ、異物噛込み、シール不良等を早期に判別できるようにした制御弁の作動診断装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明が採用する構成は、流体の流入口と流出口を有し、該流入口と流出口との間には弁座が設けられた弁ハウジングと、該弁ハウジング内に摺動可能に設けられ、前記弁座に離，着座することにより前記流入口と流出口との間を連通，遮断する弁体と、該弁体から離間して前記弁ハウジングに設けられ、指令信号に従って該弁体を開，閉弁方向に駆動する弁駆動手段と、該弁駆動手段と弁体との間に設けられ、該弁駆動手段による駆動力を前記弁体に伝達する駆動力伝達手段と、前記弁体の開度を指令する指令信号を前記弁駆動手段に対して出力する指令手段と、前記駆動力伝達手段に設けられ、前記駆動力伝達手段に付加される荷重を検出する荷重検出手段とを備え、前記指令手段による指令信号および前記荷重検出手段による荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを診断する構成とし、かつ前記荷重検出手段は、前記弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の流れが正常であるか否かを判別するため、前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で前記弁ハウジング内を流れる流体の圧力変動を検出する構成としている。
【００１４】
このように構成することにより、指令手段からの指令信号に従って弁体の開度を可変に制御している間に、駆動力伝達手段に付加される荷重を荷重検出手段によって検出でき、このときの荷重検出信号を指令信号、開度検出信号と比較することにより弁体の動きが正常であるか異常であるかを早期に判別することができる。また、弁体を予め決められた開度に保持した状態で弁ハウジングの流入口から流出口に向けて流れる流体の圧力変動を、荷重検出手段を用いて検出する構成としているので、荷重検出手段から出力される荷重検出信号の波形により、弁ハウジング内を流れる流体の流れが円滑であるか、圧力変動等が生じているか否かを判別することができる。
【００１５】
また、請求項２の発明が採用する構成は、流体の流入口と流出口を有し、該流入口と流出口との間には弁座が設けられた弁ハウジングと、該弁ハウジング内に変位可能に設けられ、前記弁座に離，着座することにより前記流入口と流出口との間を連通，遮断する弁体と、該弁体から離間して前記弁ハウジングに設けられ、指令信号に従って該弁体を開，閉弁方向に駆動する弁駆動手段と、該弁駆動手段と弁体との間に設けられ、該弁駆動手段による駆動力を前記弁体に伝達する駆動力伝達手段と、前記弁体の開度を指令する指令信号を前記弁駆動手段に対して出力する指令手段と、前記駆動力伝達手段に設けられ、前記駆動力伝達手段に付加される荷重を検出する荷重検出手段と、前記弁体の開度を検出する開度検出手段と、該開度検出手段から出力される開度検出信号、前記荷重検出手段からの荷重検出信号および前記指令手段からの指令信号がそれぞれ入力されるコントロールユニットとを備え、該コントロールユニットは、前記指令手段による指令信号、前記開度検出手段による開度検出信号および前記荷重検出手段による荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを判別し、かつ前記コントロールユニットは、前記開度検出手段からの開度検出信号により前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で、前記弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の圧力変動を前記荷重検出手段で検出することにより、前記弁ハウジング内を流れる流体の流れが正常であるか否かを判別する構成としたことにある。
【００１６】
このように構成することにより、コントロールユニットは荷重検出信号と指令信号、開度検出信号とを比較しつつ、弁体の動きが正常であるか異常であるかを自動的に判別することができる。また、コントロールユニットは、弁体を予め決められた開度に保持した状態で弁ハウジングの流入口から流出口に向けて流れる流体の圧力変動を、荷重検出手段から出力される荷重検出信号の波形により検出でき、弁ハウジング内を流れる流体の流れが円滑であるか、圧力変動等が生じているか否かを判別することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による制御弁の作動診断装置を添付図面の図１ないし図１１に従って詳細に説明する。
【００２６】
図中、１は本実施の形態で採用した制御弁を示し、該制御弁１は、後述の弁ハウジング２、弁体７、駆動機構８、弁軸２２およびグランドパッキン２３等により構成されている。
【００２７】
２は制御弁１の外殻を構成する弁ハウジングで、該弁ハウジング２は、制御対象となる流体の流路途中に配設される弁箱３と、後述の弁体ガイド４および支持フレーム５とから大略構成され、弁箱３内には制御対象の流体として高温の給水等が流通するものである。
【００２８】
そして、弁箱３は、前記給水の流入口３Ａおよび流出口３Ｂと、該流入口３Ａと流出口３Ｂとの間に位置し後述の弁体ガイド４が嵌合される貫通穴３Ｃが穿設された仕切壁部３Ｄと、該仕切壁部３Ｄの貫通穴３Ｃと上，下で対向し貫通穴３Ｃよりも大径に形成された筒状開口部３Ｅとを有している。
【００２９】
４は弁箱３内に設けられた筒状の弁体ガイドで、該弁体ガイド４は、筒状開口部３Ｅ側から弁箱３内に挿入される。そして、弁体ガイド４は、その一端側が貫通穴３Ｃに嵌合され、他端側が後述の蓋部５Ａに嵌合することにより弁箱３内に位置決めされている。また、弁体ガイド４の内周面は後述する弁体７用の摺動面４Ａとなり、該摺動面４Ａの下端側には弁体７が離着座する環状の弁座４Ｂが一体形成されている。
【００３０】
また、弁体ガイド４には、弁座４Ｂよりも僅かに上側となる位置に径方向の流通穴４Ｃ，４Ｃが穿設されている。そして、これらの流通穴４Ｃは弁体７により開，閉され、これによって弁箱３は流入口３Ａと流出口３Ｂとの間が連通，遮断されるものである。
【００３１】
５は弁箱３の筒状開口部３Ｅに設けられた支持フレームで、該支持フレーム５の一端側は、筒状開口部３Ｅを上側から閉塞する蓋部５Ａとなり、該蓋部５Ａの中心側には後述の弁軸２２が挿通される挿通穴５Ｂが穿設されている。また、支持フレーム５の他端側には、後述のダイヤフラム１３を下側から支持する支持板６がボルト等の手段を用いて取付けられている。
【００３２】
また、支持フレーム５の他端側には、支持板６よりも下側に位置してガイド部５Ｃ，５Ｃ，…が設けられ、該各ガイド部５Ｃは、後述の可動シェル１２を矢示Ａ，Ｂ方向に移動可能（上，下動可能）にガイドするものである。
【００３３】
７は弁体ガイド４内に摺動可能に挿嵌された弁体で、該弁体７は、図２に示すように有蓋筒状体として形成され、その一端側は前記弁座４Ｂに離着座することにより弁体ガイド４の各流通穴４Ｃを介して弁箱３の流入口３Ａと流出口３Ｂとの間を連通，遮断するものである。
【００３４】
また、弁体７には圧力逃がし穴７Ａ，７Ａ，…が穿設され、これらの圧力逃がし穴７Ａは、弁体ガイド４と弁体７との間で圧力差が発生するのを防止し、弁体７が滑らかに開，閉弁動作するのを補償するものである。
【００３５】
８は弁体７から離間して支持フレーム５の他端側に設けられた弁駆動手段としての駆動機構で、該駆動機構８は、後述のばね受１８と支持板６との間に配設され、弁体７を常時閉弁方向に付勢したスプリング９と、後述する空気圧作動式のアクチュエータ１０と、図３に示す後述のポジショナ２７等とにより構成されている。
【００３６】
１０は弁体７をスプリング９に抗して開弁方向に駆動する空気圧作動式のアクチュエータで、該アクチュエータ１０は、上，下の可動シェル１１，１２と、外周側が該可動シェル１１，１２間に挟持して設けられた可動隔壁としてのダイヤフラム１３とからなり、該ダイヤフラム１３は上側の可動シェル１１との間に圧力室１４を画成している。
【００３７】
ここで、可動シェル１１，１２は、支持フレーム５上の支持板６をダイヤフラム１３と共に上，下方向から取囲むように配設されている。そして、ダイヤフラム１３は、その中央部側が支持板６に固着され、該支持板６によって背面側から補強（バックアップ）されている。
【００３８】
また、下側の可動シェル１２には、支持フレーム５の各ガイド部５Ｃが挿通される複数の挿通穴１２Ａ，１２Ａ，…が設けられ、これらの挿通穴１２Ａにより可動シェル１２は、支持フレーム５に対し各ガイド部５Ｃに沿って上，下動可能に取付けられている。そして、可動シェル１２は、その内周側端部が後述するヨーク１６の外周側に固着され、このヨーク１６と一体に矢示Ａ，Ｂ方向に移動（上，下動）するものである。
【００３９】
１５は上側の可動シェル１１に設けられた気体圧の給排口で、該給排口１５には後述の操作空気圧配管３８が接続され、これによってアクチュエータ１０の圧力室１４内には気体圧としての空気圧が給排される。そして、圧力室１４内の空気圧が最小の圧力になっている間は、スプリング９により可動シェル１１，１２およびヨーク１６等が矢示Ａ方向に付勢され、これによって弁体７は図１に示す如く閉弁状態に保持される。
【００４０】
一方、アクチュエータ１０は、給排口１５から圧力室１４内に操作空気圧が供給され、この空気圧が増加するに応じて圧力室１４内の容積を増大させる。そして、この圧力室１４内の空気圧により、可動シェル１１，１２はヨーク１６等と共にスプリング９の付勢力に抗して矢示Ｂ方向に押動され、これによって弁体７は図２に示す如く弁開度が増大されるものである。
【００４１】
１６は支持フレーム５内に上，下動可能に設けられた可動枠としてのヨークを示し、該ヨーク１６は有底枠状体として形成され、スプリング９を径方向外側から覆う構成となっている。また、ヨーク１６の底部１６Ａ側には、後述の軸力センサ２５が弁軸２２と共に取付けられ、ヨーク１６は弁軸２２と共に駆動力伝達手段を構成するものである。
【００４２】
１７はヨーク１６の底部１６Ａに設けられた固定ボルト、１８は該固定ボルト１７に緩止めナット１９と一緒に螺合されたばね受で、該ばね受１８は、固定ボルト１７に対する螺合位置を緩止めナット１９と共に変えることにより、スプリング９の付勢力を可変に調節するものである。
【００４３】
２０，２１は支持フレーム５，ヨーク１６に設けられた工具挿入穴で、該工具挿入穴２０，２１には、固定ボルト１７に対するばね受１８および緩止めナット１９の螺合位置を変えるときに、例えばスパナ、レンチ等の工具が挿入されるものである。
【００４４】
２２はヨーク１６と共に駆動力伝達手段を構成する弁軸で、該弁軸２２は、図２に示すように支持フレーム５（蓋部５Ａ）の挿通穴５Ｂ内に上，下動（軸方向に摺動可能）に挿嵌され、その下端側は弁体ガイド４内で弁体７に連結されている。また、弁軸２２の上端側は後述の軸力センサ２５を介してヨーク１６の底部１６Ａに連結されている。そして、弁軸２２はヨーク１６の動きを弁体７に伝達し、弁体７を上，下に開，閉弁させるものである。
【００４５】
２３は支持フレーム５の蓋部５Ａと弁軸２２との間を封止するシール部材としてのグランドパッキンで、該グランドパッキン２３は、蓋部５Ａの挿通穴５Ｂ内に装着され、弁軸２２の外周面に締め代をもって摺接している。また、支持フレーム５の蓋部５Ａには、グランドパッキン２３を抜止め状態に保持するグランド押え２４が着脱可能に取付けられている。
【００４６】
２５はヨーク１６の底部１６Ａと弁軸２２との間に設けられた荷重検出手段としての軸力センサで、該軸力センサ２５は、例えばロードセル、歪みゲージ等を用いて構成され、弁軸２２に付加される荷重（例えば、軸方向の引張り力と圧縮力）を図６ないし図１１に示すように検出するものである。
【００４７】
２６は弁体７の開度を検出する開度検出手段としての開度センサで、該開度センサ２６は、例えば光学式変位センサ等を用いて構成され、弁体７と一体に変位するヨーク１６または可動シェル１１，１２の動きを、支持フレーム５または支持板６（ダイヤフラム１３）に対する相対変位量として検出するものである。なお、図１中では開度センサ２６を可動シェル１１に設けた場合を例示しているものである。
【００４８】
２７は制御弁１用のポジショナで、該ポジショナ２７は、図３に示すように弁ハウジング２の外側に設けられ、例えばパイロット配管２８、入力側の空気圧配管２９および出力側の空気圧配管３０が接続されている。そして、ポジショナ２７は、例えば空気圧縮機、空気タンク等の圧気源３１から減圧弁３２、入力側の空気圧配管２９を介して供給される圧縮空気の空気量を、パイロット配管２８からのパイロット圧に対応して増減させるように制御し、制御した空気圧を出力側の空気圧配管３０側に供給する。
【００４９】
これにより、ポジショナ２７は、弁体７の開度を後述する指令装置３４からの指令信号（パイロット配管２８からのパイロット圧）に従って図５に示す特性線３３の如く、例えば比例制御するものである。即ち、制御弁１の弁体７は、ポジショナ２７による空気圧の制御により図５に示す特性線３３の如く指令信号にほぼ比例して弁開度が可変に制御されるものである。
【００５０】
３４は弁体７の開度を指令する指令信号を出力する指令手段としての指令装置で、該指令装置３４は、例えば４〜２０ｍＡ（ミリアンペア）程度の範囲で電流値が可変に設定される指令信号を後述の電空変換器３５およびコントロールユニット４３等に出力するものである。
【００５１】
３５は指令装置３４からの指令信号をパイロット圧に変換する電空変換器を示し、該電空変換器３５は、圧気源３１から減圧弁３６を介して供給される低圧の空気圧をパイロット配管２８側にパイロット圧として供給し、このときのパイロット圧を指令信号の電流値等に比例して可変に調整するものである。なお、減圧弁３６の設定圧は、減圧弁３２によりも十分に低い（例えば、１／１０以下）圧力に設定されている。
【００５２】
３７は空気圧配管３０からの空気圧を増倍して操作空気圧配管３８側に供給するブースタリレーで、該ブースタリレー３７は、空気圧配管３０からの空気圧を増倍するために分岐配管３９に接続され、該分岐配管３９は空気圧配管２９からの空気圧をブースタリレー３７に補給するものである。
【００５３】
そして、制御弁１の駆動機構８は、操作空気圧配管３８、給排口１５を介してブースタリレー３７側からの増倍された操作空気圧が、図１に示す圧力室１４内へと供給され、圧力室１４が拡縮されることによりヨーク１６、弁軸２２および弁体７を矢示Ａ，Ｂ方向に駆動するものである。
【００５４】
４０，４１，４２はそれぞれ圧力センサを示し、該圧力センサ４０〜４２のうち圧力センサ４０は操作空気圧配管３８内の圧力を検出し、圧力センサ４１は空気圧配管３０内の圧力を検出し、圧力センサ４２はパイロット配管２８内のパイロット圧を検出するものである。
【００５５】
４３はマイクロコンピュータ等によって構成されたコントロールユニットで、該コントロールユニット４３は、図４に示す如く入力側に軸力センサ２５、開度センサ２６、圧力センサ４０，４１，４２および指令装置３４等が接続され、出力側には、ディスプレイ等の表示器４４、印字機としてのプリンタ４５および報知装置４６等が接続されている。
【００５６】
ここで、コントロールユニット４３は、指令装置３４から出力される指令信号と、開度センサ２６から出力される弁体７の開度信号と、軸力センサ２５から出力される軸力信号とを図６ないし図１１に示すように表示器４４を用いて表示させると共に、これらを必要に応じてプリンタ４５により印字させる。
【００５７】
また、コントロールユニット４３は、後述の如く軸力センサ２５、開度センサ２６および圧力センサ４０，４１，４２からの検出信号により制御弁１の作動状態が正常であるか、異常であるかを判定（故障診断）し、異常と判定したときには、これを警報ランプ、警報ブザーまたは音声合成装置等からなる報知装置４６を用いて報知するものである。なお、このときの診断結果は、表示器４４の画面上でも表示できるものである。
【００５８】
本実施の形態による制御弁１の作動診断装置は上述の如き構成を有するもので、次に、その作動について説明する。
【００５９】
まず、指令装置３４から出力される指令信号が、図５に示す信号値Ｓa 以下のときには、図３に示す電空変換器３５からパイロット配管２８に出力されるパイロット圧は、例えば大気圧程度の低圧状態におかれる。
【００６０】
そして、制御弁１のポジショナ２７は、このときのパイロット圧に対応して空気圧配管３０内を大気圧に近い低い圧力状態に設定し、ブースタリレー３７を介した操作空気圧配管３８内の圧力もほぼ大気圧状態に設定される。これにより、駆動機構８のアクチュエータ１０は、圧力室１４内の空気圧が大気圧に近い最小の圧力状態に保持される。
【００６１】
このため、駆動機構８はスプリング９により可動シェル１１，１２およびヨーク１６等が矢示Ａ方向に付勢され、このときの付勢力が軸力センサ２５、弁軸２２を介して弁体７へと伝達されることにより、弁体７は図１に示す如く弁体ガイド４の弁座４Ｂに着座して閉弁状態に保持される。
【００６２】
次に、指令装置３４から出力される指令信号が、図５に示す信号値Ｓa より大きくなると、図３に示す電空変換器３５からパイロット配管２８に出力されるパイロット圧は、指令信号に従って比例的に増大し、例えば大気圧よりも高い圧力状態に設定される。
【００６３】
そして、制御弁１のポジショナ２７は、このときのパイロット圧に対応して空気圧配管３０内を大気圧よりも高い圧力状態に設定し、ブースタリレー３７は空気圧配管３０内の圧力に基づいて空気量を増倍させつつ、倍増した操作空気圧を操作空気圧配管３８、給排口１５を介してアクチュエータ１０の圧力室１４内に供給する。
【００６４】
この結果、アクチュエータ１０は、給排口１５から供給される空気圧に応じて圧力室１４内の容積を増大させ、この圧力室１４内の空気圧により、可動シェル１１，１２をヨーク１６等と共にスプリング９の付勢力に抗して矢示Ｂ方向に押動する。そして、この矢示Ｂ方向の駆動力（押動力）は軸力センサ２５、弁軸２２を介して弁体７へと伝達される。
【００６５】
これによって、弁体７は図２に示す如く弁体ガイド４の弁座４Ｂから離座して開度が増大される。そして、弁体７が開弁した状態では、弁箱３の流入口３Ａから流出口３Ｂに向けて矢示Ｃ方向へと給水が流れ、弁体７の開度に応じて給水の流量が制御される。
【００６６】
また、弁体７の開度は、図５に示す特性線３３に沿って増減するように制御され、指令信号の信号値がＳm まで増大したときには、弁体７が全開状態におかれるものである。
【００６７】
この場合、制御弁１には開度センサ２６が設けられ、該開度センサ２６により弁体７の開度が、指令装置３４からの指令信号にほぼ比例して制御されているか否かを判別することはできる。
【００６８】
また、パイロット配管２８内のパイロット圧が指令信号にほぼ比例して制御されているか否かについても、パイロット配管２８の途中に設けた圧力センサ４２により検出することができる。
【００６９】
さらに、空気圧配管３０内の圧力についても圧力センサ４１で検出でき、操作空気圧配管３８内の圧力についても同様に圧力センサ４０で検出できるので、空気圧配管３０、操作空気圧配管３８内の圧力が前記指令信号およびパイロット圧に対応して制御されているか否かを判別することはできる。
【００７０】
しかし、このような開度センサ２６、圧力センサ４０〜４２による検出信号だけでは、例えば制御弁１の作動診断（故障診断）を運転途中で行い、故障箇所等を早期に発見するのは難しいのが実状である。
【００７１】
即ち、筒状の弁体ガイド４内に摺動可能に設けた弁体７は、制御弁１の作動に従って開，閉を繰返すうちに、弁体ガイド４の摺動面４Ａと弁体７との間が徐々に摩耗、損傷され、カジリ等が発生することがある。しかし、このような状態でも損傷箇所が小さい間は、前記指令信号に従って弁体７の開，閉弁制御が行われるため、弁体７のカジリ等を早期に検出できない。
【００７２】
そこで、本実施の形態では、ヨーク１６の底部１６Ａと弁軸２２との間に荷重検出手段としての軸力センサ２５を設け、該軸力センサ２５により弁軸２２の軸方向に付加される引張り力または圧縮力を、図６ないし図１１に示すように検出する構成としている。
【００７３】
そして、図６に示す特性線５１のように、指令装置３４から出力される指令信号を最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間でゆっくりと漸次増大させた場合に、開度センサ２６から出力される開度検出信号は、図６中の特性線５２の如くゆっくりと指令信号にほぼ対応して増大し、弁体７の開度が漸次大きくなっていることが確認された。
【００７４】
また、このときに弁体７は、弁軸２２およびヨーク１６共に図２に示す如く矢示Ｂ方向に持上げられ、軸力センサ２５には、弁体ガイド４の摺動面４Ａと弁体７との間に働く摺動抵抗により引張り方向の軸力（スラスト力）が作用する。このため、軸力センサ２５から出力される軸力検出信号は、図６中の特性線５３の如く引張り方向（正の方向）でほぼ一定の出力値となって検出される。
【００７５】
しかし、弁体７の摺動面に摩耗、損傷等によるカジリが発生した場合には、図６中に例示した時間ｔx の如く軸力検出信号が一時的に増大し、弁体ガイド４と弁体７との間に働く摺動抵抗が部分的に大きくなっていることを検出できる。
【００７６】
また、カジリ等が発生していない場合には、図６中に一点鎖線で示す特性線５４のように軸力検出信号は、特性線５３と同様にほぼ一定の出力値を保つことになる。このように、軸力センサ２５を用いることにより、弁体７と弁体ガイド４との間に摩耗、損傷等によるカジリが発生しているか否かを早期に検出することができる。
【００７７】
次に、図７に示す特性線６１のように、指令装置３４から出力される指令信号を時間ｔa1で、最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間の任意の信号値Ｓi （Ｓa ＜Ｓi ＜Ｓm ）から最小の信号値Ｓa まで低下させた場合に、弁体７は僅かな時間遅れをもって全閉側へとスプリング９により駆動される。
【００７８】
このため、開度センサ２６から出力される開度検出信号は、図７中の特性線６２の如く時間ｔa1から僅かに遅れて時間ｔa2〜ｔa3で全閉方向に変化する。この場合、弁体７が閉弁時に弁座４Ｂとの間で異物を噛込んだりしないときには、図７中に一点鎖線で示す特性線６３のように、開度検出信号は全閉位置まで完全に動くことになる。
【００７９】
しかし、このときの異物が非常に小さい場合には、特性線６２，６３間にほとんど差が生じないために、開度センサ２６から出力される開度検出信号によって異物噛込みの有無を判別することは難しいことが多い。
【００８０】
これに対し、軸力センサ２５から出力される軸力検出信号は、図７中の特性線６４の如く弁体７が閉弁方向に動き始める時間ｔa2〜ｔa3で、弁体ガイド４の摺動面４Ａと弁体７との間に働く静摩擦力ｆ1 の影響を受けて引張り方向（正の方向）から圧縮方向（負の方向）へと大きく変化し、その後は動摩擦力ｆ2 の影響を受けて圧縮方向の軸力を出力する。
【００８１】
そして、時間ｔa3に達すると、弁体７は弁座４Ｂとの間で異物を噛込むことにより、圧縮方向の力ｆ3 （異物噛込み力）を出力することになる。これにより、弁体７が閉弁時に弁座４Ｂとの間で異物等を噛込んでいるか否かを、例えば圧縮方向の力ｆ3 として検出でき、弁体７の締切り（閉弁状態）不良を早期に判別することができる。
【００８２】
この場合、開度センサ２６からの開度検出信号（特性線６２）が、時間ｔa3以降はほぼ一定の値となって弁体７の閉弁を検出しているのに、軸力センサ２５からの軸力検出信号は、圧縮方向の力ｆ3 を検出しているので、小さな異物であっても、異物噛込みの有無を確実に判別することができる。
【００８３】
次に、図８に示す特性線７１のように、指令装置３４から出力される指令信号を時間ｔb1で、最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間の任意の信号値Ｓj （Ｓa ＜Ｓj ＜Ｓm ）から最小の信号値Ｓa まで低下させた場合にも、弁体７は僅かな時間遅れをもって全閉側へとスプリング９により駆動される。
【００８４】
そして、弁体７と一体に閉弁方向（図２中の矢示Ａ方向）に変位する弁軸２２には、グランドパッキン２３によって摺動抵抗が付加され、グランドパッキン２３の締め代（摩擦力）の大，小により弁体７が全閉するまでの時間Ｔ1 ，Ｔ2 (Ｔ1 ＜Ｔ2 ）に時間差が生じることになる。
【００８５】
このため、開度センサ２６から出力される開度検出信号は、図８中に実線で示す特性線７２の如くグランドパッキン２３の摩擦力が小さい場合には、全閉するまでの時間Ｔ1 が短く、グランドパッキン２３の摩擦力が大きくなると、図８中に一点鎖線で示す特性線７３のように全閉するまでの時間Ｔ2 が長くなる。
【００８６】
しかし、このような開度検出信号による時間Ｔ1 ，Ｔ2 を比較するだけでは、グランドパッキン２３によるシール性（漏洩の有無）を判別することは難しく、弁体７の閉止力（弁座４Ｂに対する締切り力）が規定範囲に設定されているか否かを判別することは難しい。
【００８７】
これに対し、軸力センサ２５から出力される軸力検出信号は、図８中に実線で示す特性線７４の如く時間ｔb1を過ぎて弁体７が閉弁方向に動き始めたときに、グランドパッキン２３による動摩擦抵抗としての摩擦力Ｆ1 を直接的に検出して出力することができ、弁体７が全閉位置に達したときには、弁閉止力Ｆ2 を直接的に出力することができる。
【００８８】
また、グランドパッキン２３が硬化した等の理由で締め代が過大となったときには、図８中に一点鎖線で示す特性線７５のようにグランドパッキン２３の摩擦力Ｆ3 を軸力検出信号により出力することができ、弁閉止力Ｆ4 も直接的に検出することができる。
【００８９】
そして、摩擦力Ｆ1 が基準値よりも小さくなった場合には、グランドパッキン２３の締め代が小さくなってシール性が低下し、弁軸２２とグランドパッキン２３との間から流体漏れ（弁箱３内を流れる給水の漏洩）が生じる可能性があるので、漏洩の発生を早期に診断してグランドパッキン２３の交換時期を、例えば報知装置４６等を用いて報知することができる。
【００９０】
また、弁閉止力Ｆ2 が予め決められた閉止力の範囲にあるか否かを判別することにより、スプリング９の付勢力が正規のばね力に設定されているか否かを判定できる。
【００９１】
そして、スプリング９の付勢力を調節する場合には、図１に示す工具挿入穴２０，２１から工具を挿入し、固定ボルト１７に対するばね受１８および緩止めナット１９の螺合位置を変えることにより、付勢力の調節作業を容易に行うことができる。
【００９２】
一方、特性線７５による摩擦力Ｆ3 が過大であると判別した場合にも、グランドパッキン２３が経時劣化等の理由で硬化している場合であるので、例えば図４に示す表示器４４、報知装置４６等を用いてグランドパッキン２３の交換時期を報知することができる。
【００９３】
また、弁閉止力Ｆ4 が過小になっていると判別されたときには、閉弁状態にある弁体７と弁座４Ｂとの間で流体の漏洩が発生する虞れがあり、弁座４Ｂに対する弁体７の締切り力が小さくなっているので、この場合にも前述の如くスプリング９の付勢力を調節する作業を早期に行うべきことを報知することができる。
【００９４】
次に、図９に示す特性線８１のように、指令装置３４から出力される指令信号を時間ｔc1で、最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間の任意の信号値Ｓk2から信号値Ｓk1（Ｓa ＜Ｓk1＜Ｓk2＜Ｓm ）まで低下させた場合には、弁体７が僅かな時間遅れをもって閉弁方向に駆動され、スプリング９の付勢力と圧力室１４内の空気圧とがバランスした中間の開度位置で弁体７は停止する。
【００９５】
そして、開度センサ２６から出力される開度検出信号は、図９中に一点鎖線で示す特性線８２のように本来は中間の開度位置でほぼ一定に保たれるはずである。しかし、グランドパッキン２３が硬化して弁軸２２に付加される摺動抵抗（摩擦力）が過大になったときには、図９中に実線で示す特性線８３の如く開度検出信号が長い周期で振動し、弁体７は中間の開度付近でゆっくりと上，下動を続けることがある。
【００９６】
また、図３に示すポジショナ２７、ブースタリレー３７等の異常で、駆動機構８の圧力室１４内に給排される空気圧が過剰（鋭敏）に反転されるような場合には、図９中に二点鎖線で示す特性線８４の如く開度検出信号が短い周期で振動し、弁体７は中間の開度付近で頻繁に上，下動を繰返すことになる。
【００９７】
そして、このような場合に開度センサ２６からの軸力検出信号は、図９中に実線で示す特性線８５に沿って長い周期で振動するときに、グランドパッキン２３の硬化によって摺動抵抗が過大になっていることを検出して出力できる。また、軸力検出信号が二点鎖線で示す特性線８６のように短い周囲で振動するときには、図３に示すポジショナ２７、ブースタリレー３７等が正常に動作していないことを早期に判別できる。
【００９８】
次に、図１０に示す特性線９１のように、指令装置３４から出力される指令信号を、サインカーブ（正弦波）を描くように変動させた場合には、開度検出信号も特性線９２のように中間の開度を上，下動するように変化し、指令信号にほぼ追従して変動する。
【００９９】
そして、このときに軸力検出信号も図１０中の特性線９３のように指令信号に追従して変動する。しかし、指令信号の変曲点に相当する時間ｔd1，ｔd2，ｔd3，ｔd4の近辺では、軸力検出信号に揺らぎ（山形状の小さな振動）が発生することがあった。
【０１００】
そこで、このような場合の操作空気圧（操作空気圧配管３８内の空気圧）の状態を調べてみると、ブースタリレー３７から操作空気圧配管３８側に供給する空気圧に供給不足が発生したり、例えば操作空気圧配管３８等に失陥が生じている場合であることが確認された。
【０１０１】
これにより、軸力検出信号を用いて操作空気圧配管３８側の操作空気圧不足等を早期に検出でき、このような場合にも軸力センサ２５からの検出信号により、操作空気圧の不足等に対する迅速な対策を施すことができる。
【０１０２】
次に、図１１に示す特性線１０１のように、指令装置３４から出力される指令信号を、最小の信号値Ｓa と最大の信号値Ｓm との間の任意の信号値Ｓl （Ｓa ＜Ｓl ＜Ｓm ）に保った状態では、弁体７の開度も信号値Ｓl に対応する中間の開度に保持され、開度検出信号は特性線１０２の如くほぼ一定に保たれる。
【０１０３】
そして、この場合に軸力検出信号も特性線１０３の如く出力される。しかし、例えば時間ｔe1，ｔe2等で軸力検出信号がピーク状に変化する場合には、弁体７が中間の開度にあるときに弁箱３内を流れる給水に衝撃的な圧力変動等が発生しているとして検出でき、例えば原子力発電所の主給水制御弁１を流れる給水の流れ状態が、正常であるか否かを判別することができる。
【０１０４】
即ち、図２に示すように弁体７が開弁したした状態で、弁箱３の流入口３Ａから流出口３Ｂに向けて給水が矢示Ｃ方向へと連続的に流れている場合に、給水の流れが円滑である間は弁体７、弁軸２２等に働く軸力は一定に保たれる。しかし、給水の流れが何らかの原因で変動し衝撃圧等が発生した場合には、弁体７、弁軸２２等に働く軸力が瞬間的に変化し、例えば特性線１０３で示すように、時間ｔe1，ｔe2等で軸力検出信号がピーク状に変化したものと推察することができる。
【０１０５】
従って、本実施の形態によれば、軸力センサ２５を用いて弁体７や弁軸２２に働く軸方向の引張り力、圧縮力等を検出することにより、制御弁１の監視、作動診断等を運転途中で行うことができ、弁体７のカジリ、異物噛込み、シール不良等を早期に判別することができる。
【０１０６】
また、弁軸２２に対するグランドパッキン２３の摺動抵抗を、図８に示す摩擦力Ｆ1 ，Ｆ3 等として検出でき、グランドパッキン２３が摩耗してシール性が低下しているか否か、またはグランドパッキン２３が硬化して摺動抵抗が増加し、スプリング９による弁体７の閉止力が低下しているか否か等を、制御弁１の作動途中で診断することができる。
【０１０７】
さらに、ポジショナ２７、ブースタリレー３７による操作空気圧の制御が正常であるか否か、弁箱３内を流れる給水の状態が正常であるか否か等を、早期に検出でき、異常発生時に速やか対処することができる。
【０１０８】
なお、前記実施の形態では、原子力発電所等で用いる制御弁１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば石油化学コンビナート、化学プラントまたは精油所で用いる制御弁等、種々の流体の流れを制御する制御弁に対しても適用でき、その作動途中で故障診断を早期に行うことができるものである。
【０１０９】
また、前記実施の形態では、スプリング９により弁体７を閉弁方向に付勢する形式の制御弁１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば空気圧等の気体圧を用いて弁体を閉弁方向に駆動し、弁体を開弁させるときには気体圧を下げてスプリングにより弁体を開弁方向に付勢する形式の制御弁に適用してもよい。
【０１１０】
また、前記実施の形態では、弁箱３の流入口３Ａから流出口３Ｂに向けて矢示Ｃ方向へと給水が流れる制御弁１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図２に示す矢示Ｃ方向とは逆向きに流体が流れる構成としてもよいものである。
【０１１１】
さらに、前記実施の形態では、ばね受１８および緩止めナット１９等を用いてスプリング９の付勢力を可変に調節するものとして述べたが、必ずしもスプリングの付勢力を調節可能な構成とする必要はないものである。
【０１１２】
【発明の効果】
以上詳述した如く、請求項１に記載の発明によれば、弁体の開度を指令する指令信号を弁駆動手段に対して出力する指令手段と、駆動力伝達手段に付加される荷重を検出する荷重検出手段等とを備え、前記指令手段による指令信号および前記荷重検出手段による荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを診断する構成とし、かつ前記荷重検出手段は、弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の流れが正常であるか否かを判別するため、前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で前記弁ハウジング内を流れる流体の圧力変動を検出する構成としたので、指令手段からの指令信号に従って弁体の開度を可変に制御している間に、駆動力伝達手段に付加される荷重を荷重検出手段で検出でき、荷重検出信号を指令信号と比較することにより弁体の動きが正常であるか異常であるかを早期に診断して判別することができる。従って、弁体や弁軸等に働く軸方向の荷重等を検出することにより、制御弁の監視、作動診断等を運転途中で行うことができ、弁体のカジリ、異物噛込み、シール不良等を早期に判別することができる。しかも、弁体を予め決められた開度に保持した状態で荷重検出手段により弁ハウジング内を流れる流体の圧力変動を検出する構成としているので、荷重検出手段から出力される荷重検出信号の波形により、弁ハウジング内を流れる流体の流れが円滑であるか、圧力変動等が生じているか否かを判別でき、制御弁を作動したままで外部から流体の流れを監視し続けることができる。
【０１１３】
また、請求項２に記載の発明は、弁体の開度を検出する開度検出手段と、コントロールユニットとを備え、該コントロールユニットは、指令信号、開度検出信号および荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを判別する構成としているので、コントロールユニットを用いることにより、荷重検出信号と指令信号、開度検出信号とを比較しつつ、弁体の動きが正常であるか異常であるかを自動的に判別することができる。しかも、前記コントロールユニットは、前記開度検出手段からの開度検出信号により前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で、前記弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の圧力変動を前記荷重検出手段で検出することにより、前記弁ハウジング内を流れる流体の流れが正常であるか否かを判別する構成としているので、荷重検出手段から出力される荷重検出信号の波形により、弁ハウジング内を流れる流体の流れが円滑であるか、圧力変動等が生じているか否かを判別でき、制御弁を作動したままで外部から流体の流れを監視し続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による作動診断装置が設けられた制御弁の閉弁状態を示す縦断面図である。
【図２】図１の制御弁を開弁状態で示す要部拡大断面図である。
【図３】図１に示す制御弁の制御回路図である。
【図４】制御弁の作動診断装置を示す制御ブロック図である。
【図５】指令信号と制御弁の弁開度との関係を示す特性線図である。
【図６】弁体にカジリが発生した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図７】異物の噛込みが発生した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図８】グランドパッキンによる摩擦力が変化した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図９】グランドパッキンの硬化または操作空気圧が変動する状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図１０】操作空気圧が不足した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【図１１】制御弁内を流れる給水の圧力が変動した状態での指令信号、開度検出信号および軸力検出信号をそれぞれ示す特性線図である。
【符号の説明】
１ 制御弁
２ 弁ハウジング
３ 弁箱
４ 弁体ガイド
４Ａ 摺動面
４Ｂ 弁座
５ 支持フレーム
６ 支持板
７ 弁体
８ 駆動機構（弁駆動手段）
９ スプリング
１０ アクチュエータ
１１，１２ 可動シェル
１３ ダイヤフラム
１４ 圧力室
１６ ヨーク
２２ 弁軸（駆動力伝達手段）
２３ グランドパッキン（シール部材）
２５ 軸力センサ（荷重検出手段）
２６ 開度センサ（開度検出手段）
２７ ポジショナ
２８ パイロット配管
２９，３０ 空気圧配管
３１ 圧気源
３２，３６ 減圧弁
３４ 指令装置（指令手段）
３５ 電空変換器
３７ ブースタリレー
３８ 操作空気圧配管
４０，４１，４２ 圧力センサ
４３ コントロールユニット
４４ 表示器
４６ 報知装置
Claims (2)
- 流体の流入口と流出口を有し、該流入口と流出口との間には弁座が設けられた弁ハウジングと、
該弁ハウジング内に変位可能に設けられ、前記弁座に離，着座することにより前記流入口と流出口との間を連通，遮断する弁体と、
該弁体から離間して前記弁ハウジングに設けられ、指令信号に従って該弁体を開，閉弁方向に駆動する弁駆動手段と、
該弁駆動手段と弁体との間に設けられ、該弁駆動手段による駆動力を前記弁体に伝達する駆動力伝達手段と、
前記弁体の開度を指令する指令信号を前記弁駆動手段に対して出力する指令手段と、
前記駆動力伝達手段に設けられ、前記駆動力伝達手段に付加される荷重を検出する荷重検出手段とを備え、
前記指令手段による指令信号および前記荷重検出手段による荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを診断する構成とし、
かつ前記荷重検出手段は、前記弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の流れが正常であるか否かを判別するため、前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で前記弁ハウジング内を流れる流体の圧力変動を検出する構成としてなる制御弁の作動診断装置。 - 流体の流入口と流出口を有し、該流入口と流出口との間には弁座が設けられた弁ハウジングと、
該弁ハウジング内に変位可能に設けられ、前記弁座に離，着座することにより前記流入口と流出口との間を連通，遮断する弁体と、
該弁体から離間して前記弁ハウジングに設けられ、指令信号に従って該弁体を開，閉弁方向に駆動する弁駆動手段と、
該弁駆動手段と弁体との間に設けられ、該弁駆動手段による駆動力を前記弁体に伝達する駆動力伝達手段と、
前記弁体の開度を指令する指令信号を前記弁駆動手段に対して出力する指令手段と、
前記駆動力伝達手段に設けられ、前記駆動力伝達手段に付加される荷重を検出する荷重検出手段と、
前記弁体の開度を検出する開度検出手段と、
該開度検出手段から出力される開度検出信号、前記荷重検出手段からの荷重検出信号および前記指令手段からの指令信号がそれぞれ入力されるコントロールユニットとを備え、
該コントロールユニットは、前記指令手段による指令信号、前記開度検出手段による開度検出信号および前記荷重検出手段による荷重検出信号に従って前記弁体の動きが正常であるか否かを判別し、
かつ前記コントロールユニットは、前記開度検出手段からの開度検出信号により前記弁体を予め決められた開度に保持した状態で、前記弁ハウジングの流入口から流出口に流れる流体の圧力変動を前記荷重検出手段で検出することにより、前記弁ハウジング内を流れる流体の流れが正常であるか否かを判別する構成としてなる制御弁の作動診断装置。
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