JP5113771B2 - 調節弁の漏洩診断装置 - Google Patents

Description

この発明は、弁軸の外周面とこの弁軸が挿通される挿通孔の内周面との間に設けられたシール部材からの流体の漏洩を診断する調節弁の漏洩診断装置に関するものである。

従来より、空調制御システムなどでは、冷温水などの流体の流量を制御するために、調節弁が用いられている。調節弁は、流体の流量を規制する弁体と、この弁体に連結された弁軸とを備え、弁軸の外周面とこの弁軸が挿通される挿通孔（軸挿通孔）の内周面との間には、その隙間から流体が外部に漏洩することを防止するために、グランドパッキンと呼ばれるシール部材が設けられている。

この調節弁において、クランドパッキンには、軸挿通孔の開口端側からパッキン締付具を用いて、弁軸の軸方向への締付力が付与される。これにより、軸挿通孔内でグランドパッキンに弁軸の径方向の面圧（側面圧）が付与され、グランドパッキンによるシール性が確保される。なお、グランドパッキンは複数のリング状のパッキンから構成され、これらパッキンが弁軸の軸方向に密着して設けられている。

このような調節弁を駆動していると、グランドパッキンの締付力が弱まったり、グランドパッキン自体が劣化したりして、やがては流体の漏洩を許すことになってしまう。そこで、グランドパッキンから流体が漏洩しているか否かを診断する装置が求められており、その一例として特許文献１にグランドパッキンの性能診断装置が開示されている。

この特許文献１に示されたグランドパッキンの性能診断装置では、弁軸の軸方向に加えられる荷重を軸方向荷重として検出し、この検出した軸方向荷重よりグランドパッキンと弁軸との間に働く摺動抵抗値を求め、この摺動抵抗値から弁軸に対するグランドパッキンの側面圧を演算し、この演算したグランドパッキンの側面圧に基づいて、グランドパッキンのシール性能を定量的に判別するようにしている。

特開２００４−１００７４０号公報 特開２００６−２７５３０３号公報 特開２００６−２７５４１１号公報 「マハラノビスの平方距離」、〔平成２０年１２月５日検索〕、インターネット＜URL:http://aoki2.si.gunma-u.ac.jp/lecture/Discriminant/mahalanobis.html＞

しかしながら、特許文献１に示されたグランドパッキンの性能診断装置によると、グランドパッキンの側面圧を求めるためには、断面形状が正方形又は長方形であって、全てのパッキンが同じ面圧伝達係数、同じ側面圧係数を満たす必要があり、それらを満たす特殊な場合のみに適用できるものであって、グランドパッキンの断面がＶ字形状のＶリングパッキンである場合など、ほとんどのケースには適用することができない。また、各パッキンの側面圧を個別に演算して求め、その側面圧からそれぞれのシール性能を判別するようにしており、簡単に調節弁の漏洩診断を行うことができない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、グランドパッキンの種類に拘わらず、簡単に、かつ定量的に、調節弁の漏洩診断を行うことが可能な調節弁の漏洩診断装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、弁本体と、この弁本体内を通過する流体の流量を規制する弁体と、この弁体に連結された弁軸と、この弁軸の外周面とこの弁軸が挿通される弁本体内の挿通孔の内周面との間に設けられたシール部材と、挿通孔に沿って弁軸を摺動移動させる弁駆動手段とを備えた調節弁に付設され、シール部材からの流体の漏洩を診断する調節弁の漏洩診断装置において、シール部材と弁軸の外周面および挿通孔の内周面との間の密着力を示す力をシール力として検出するシール力検出手段と、シール部材からの流体の漏洩を診断する際に使用する閾値の作成を指示する閾値作成指令に応えて、弁駆動手段へ駆動指令を送って弁軸を摺動移動させ、この弁軸の摺動移動中に検出されるシール力の時間変化に基づいて、予め定められた摺動移動時間を１周期とする所定数の周期の各々についてその１周期中のシール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出し、この抽出した全ての特徴量のデータ群の重心からの各周期の特徴量のデータ群の乖離を示すマハラノビス距離を参照値として求め、この参照値から閾値を作成する閾値作成手段と、シール部材からの流体の漏洩診断の開始を指示する漏洩診断開始指令に応えて、弁駆動手段へ駆動指令を送って弁軸を摺動移動させ、この弁軸の摺動移動中に検出されるシール力の時間変化に基づいて、予め定められた摺動移動時間を１周期とする所定数の周期の各々についてその１周期中のシール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出し、この抽出した各周期の特徴量のデータ群の閾値作成手段での閾値の作成時に使用した全ての特徴量のデータ群の重心からの乖離を示すマハラノビス距離を求め、この距離と閾値作成手段によって作成された閾値とに基づいてシール部材から流体が漏洩しているか否かを判断する流体漏洩判断手段とを設けたものである。

この発明において、流体漏洩判断手段で使用する閾値は、例えば次のようにして作成する。シール部材から流体の漏洩が発生していない正常時に、閾値の作成を指示する閾値作成指令を送る。この閾値作成指令に応えて、弁軸を摺動移動させ、この弁軸の摺動移動中に検出されるシール力の時間変化に基づいて、予め定められた摺動移動時間（ｔｓ）を１周期とする所定数の周期（ｍ個の周期）の各々についてその１周期中のシール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出し、この抽出した全ての特徴量のデータ群の重心からの各周期の特徴量のデータ群の乖離を示すマハラノビス距離Ｄｉ（Ｄ１〜Ｄｍ）を参照値として求め、この参照値Ｄ１〜Ｄｍから閾値Ｄｔｈを作成する。例えば、参照値Ｄ１〜Ｄｍの平均値Ｄａｖを求め、５・Ｄａｖを閾値Ｄｔｈとしたり、Ｄａｖ＋α（正の値）を閾値Ｄｔｈとしたりする。

そして、流体漏洩判断手段は、シール部材からの流体の漏洩診断の開始を指示する漏洩診断開始指令に応えて、弁軸を摺動移動させ、この弁軸の摺動移動中に検出されるシール力の時間変化に基づいて、予め定められた摺動移動時間（ｔｓ）を１周期とする所定数の周期（ｍ個の周期）の各々についてその１周期中のシール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出し、この抽出した各周期の特徴量のデータ群の「閾値Ｄｔｈの作成時に使用した全ての特徴量のデータ群の重心（正常状態の全ての特徴量のデータ群の重心）」からの乖離を示すマハラノビス距離Ｄｉ’（Ｄ１’〜Ｄｍ’）を求め、このマハラノビス距離Ｄ１’〜Ｄｍ’と作成されている閾値Ｄｔｈとに基づいてシール部材から流体が漏洩しているか否かを判断する。例えば、マハラノビス距離Ｄ１’〜Ｄｍ’の平均値Ｄａｖ’を求め、このマハラノビス距離の平均値Ｄａｖ’と閾値Ｄｔｈとを比較し、マハラノビス距離の平均値Ｄａｖ’が閾値Ｄｔｈを超えていれば、シール部材から流体が漏洩していると判断する。

本発明において、１周期中のシール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量は、例えば、その１周期中のシール力の時間変化の波形の微分特性および積分特性から得るようにする。この場合、微分特性と積分特性の両方から複数の特徴量を得るようにしてもよいし、微分特性および積分特性の何れか一方から複数の特徴量を得るようにしてもよい。

本発明において、１周期中のシール力の時間変化の波形の微分特性から特徴量を得るものとする場合、例えば、シール力の大きさを示す軸を第１軸、この第１軸と直交する時間を示す軸を第２軸、第１軸に対して定められるシール力の大きさを所定区間で分ける境界線を特徴量検出ラインとし、１周期中のシール力の時間変化の波形と特徴量検出ラインとが交差する点の数を微分特性の特徴量として求める。

本発明において、１周期中のシール力の時間変化の波形の積分特性から特徴量を得るものとする場合、例えば、シール力の大きさを示す軸を第１軸、この第１軸と直交する時間を示す軸を第２軸、第１軸に対して定められるシール力の大きさを所定区間で分ける境界線を特徴量検出ラインとし、１周期中のシール力の時間変化の波形が特徴量検出ラインよりも上回っている第２軸方向の積算時間を積分特性の特徴量として求める。

本発明において、シール力検出手段は、シール部材と弁軸の外周面および挿通孔の内周面との間の密着力を示す力をシール力として検出する。例えば、「弁軸の軸方向に加わる荷重」をシール力として検出したり、「シール部材に弁軸の軸方向への締付力を与えるボルトの歪み値から求められる力」をシール力として検出する。

本発明によれば、弁軸を摺動移動させ、この弁軸の摺動移動中に検出されるシール力の時間変化に基づいて、予め定められた摺動移動時間を１周期とする所定数の周期の各々についてその１周期中のシール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出し、この抽出した各周期の特徴量のデータ群の閾値の作成時に使用した全ての特徴量のデータ群の重心（正常状態の全ての特徴量のデータ群の重心）からの乖離を示すマハラノビス距離を求め、このマハラノビス距離と閾値とに基づいてシール部材（グランドパッキン）から流体が漏洩しているか否かを判断するようにしたので、各パッキンの側面圧を個別に演算する必要がなく、グランドパッキンの種類に拘わらず、簡単に、かつ定量的に、調節弁の漏洩診断を行うことが可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る調節弁の漏洩診断装置を含む調節弁制御システムの概略を示す図である。同図において、１は調節弁、２は調節弁１に付設されたポジショナ、３はブースタリレー、４は空気源、５は上流側配管、６は下流側配管である。

調節弁１は、その弁ハウジング（弁本体）１−１に、上流側配管５を通って冷温水などの流体が流入する流入口１ａと下流側配管６へ流体が流出する流出口１ｂとを有し、流入口１ａと流出口１ｂとをつなぐ流路１ｃ内には弁座１ｄが設けられている。弁座１ｄに対しては、この弁座１ｄに離・着座して流路１ｃを流れる流体の流量を規制する弁体１−２が設けられており、弁体１−２には弁軸（ステム）１−３が連結されている。すなわち、弁軸１−３の先端に弁体１−２が設けられており、弁軸１−３の摺動移動により弁体１−２が上下動するようになっている。なお、弁体１−２と弁軸１−３は一体であっても良い。

弁軸１−３は、弁ハウジング１−１内に形成された挿通孔（軸挿通孔）１ｅに挿通されており、弁軸１−３の外周面と軸挿通孔１ｅの内周面との間にはグランドパッキン１−４が設けられている。グランドパッキン１−４は弁軸１−３の軸方向に密着して設けられた複数のリング状のパッキンから構成されている。

グランドパッキン１−４は、流路１ａから軸挿通孔１ｅに流れ込む流体の外部への流出を阻止するために設けられている。

グランドパッキン１−４には、軸挿通孔１ｅの開口端側からパッキン締付具１−５を用いて、弁軸１−３の軸方向への締付力が付与されている。すなわち、ボルト（グランドボルト）１ｆとナット（グランドナット）１ｇとによってパッキンホロア１ｈをグランドパッキン１−４の上端部に締め付けることによって、グランドパッキン１−４に弁軸１−３の軸方向への締付力を付与している。これにより、軸挿通孔１ｅ内でグランドパッキン１−４に弁軸１−３の径方向の面圧（側面圧）が付与され、グランドパッキン１−４によるシール性が確保される。

弁軸１−３の上端はロードセル１−６を介して操作器１−７内の駆動軸１ｉに連結されている。また、弁軸１−３と駆動軸１ｉの連結部には弁体１−２の弁開度θを検出する弁開度センサＳ１が取り付けられている。操作器１−７は、ダイアフラム１ｊを備えており、空気源４からのブースタリレー３を介する空気圧に応じて駆動軸１ｉを上下動させ、軸挿通孔１ｅに沿って弁軸１−３を摺動移動させることにより、弁体１−２の弁座１ｄに対する移動位置（弁開度）を調整する。

このように構成された調節弁１において、ロードセル１−６には、弁軸１−３の軸方向に加わる荷重（軸方向荷重）Ｗを検出する軸力センサＳ２が設けられている。

ポジショナ２は、開度制御部２−１と、電空変換部２−２と、流体漏洩診断部２−３と、診断結果表示部２−４と、閾値作成指示スイッチ２−５と、漏洩診断開始指示スイッチ２−６とを備えている。

開度制御部２−１は、上位装置から送られてくる開度制御指令に応じて、弁開度センサＳ１が検出する弁体１−２の弁開度θと指令値とを比較し、両者が一致するように、空気源４からのブースタリレー３を介する操作器１−７への空気圧を電空変換部２−２を介して制御する。

本実施の形態において、閾値作成指示スイッチ２−５をオンとすると、流体漏洩診断部２−３に対して閾値作成指令が送られ、漏洩診断開始指示スイッチ２−６をオンとすると、流体漏洩診断部２−３に対して漏洩診断開始指令が送られる。

流体漏洩診断部２−３は、軸力センサＳ２が検出する弁軸１−３の軸方向荷重Ｗを入力とし、閾値作成指示スイッチ２−５からの閾値作成指令に応じて、漏洩診断に際して使用する閾値を作成し、漏洩診断開始指示スイッチ２−６からの漏洩診断開始指令に応じて、グランドパッキン１−４から流体が漏洩しているか否かを判断する。

この流体漏洩診断部２−３での処理機能は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働するプログラムとによって実現される。また、このプログラムは媒体に記憶された形で提供され、ハードウェアシステムに組み込まれている記憶装置にインストールされることによって実行される。

以下、図２および図３に示すフローチャートに従って、流体漏洩診断部２−３が有する閾値作成処理機能および流体漏洩判断処理機能について説明する。

〔閾値作成処理機能〕
操作員は、調節弁１の運用開始時など、グランドパッキン１−４から流体の漏洩が発生していない正常時に、閾値作成指示スイッチ２−５をオンとし、流体漏洩診断部２−３に対して閾値作成指令を送る。

流体漏洩診断部２−３は、閾値作成指示スイッチ２−５から閾値作成指令が送られてくると（図２：ステップＳ１０１のＹＥＳ）、弁駆動指令を開度制御部２−１へ送る（ステップＳ１０２）。

開度制御部２−１は、流体漏洩診断部２−３からの弁駆動指令を受けて、現在の弁開度θを０％にしたうえ、弁軸１−３を弁開度θ＝１００％の方向へ連続的に摺動移動させる。この弁軸１−３の摺動移動中、流体漏洩診断部２−３は、軸方向加重Ｗをシール力（グランドパッキン１−４と弁軸１−３の外周面および軸挿通孔１ｅの内周面との間の密着力を示す力）Ｆとして所定時間間隔でサンプリングし、そのサンプリングしたシール力Ｆをサンプリング時刻と対応づけてメモリＭ１に記憶する（ステップＳ１０３）。

なお、この弁軸１−３の摺動移動中、弁開度θが１００％に達した場合には、そこを折返し点として０％の方向への摺動移動を続ける。また、弁開度θが０％に達した場合には、そこを折返し点として１００％の方向への摺動移動を続ける。

そして、流体漏洩診断部２−３は、弁軸１−３の摺動移動を開始してから所定時間ＴＷが経過すると（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、弁軸１−３の摺動移動を停止させる（ステップＳ１０５）。本実施の形態において、弁軸１−３の連続的な摺動移動を開始してから停止させるまでの所定時間ＴＷは、ｔｓを摺動移動時間の１単位とした場合、ＴＷ＝ｍ・ｔｓとする。なお、この例では、ｍ＝１４とする。

そして、流体漏洩診断部２−３は、弁軸１−３の摺動移動中にサンプリングされたシール力Ｆの時間変化に基づいて、摺動移動時間ｔｓを１単位（１周期）とするｍ（ｍ＝１４）個の周期の各々について、その１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出する（ステップＳ１０６）。

この例において、流体漏洩診断部２−３は、１周期中のシール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を、その１周期中のシール力の時間変化の波形の微分特性および積分特性から求める。

この場合、図４に示すようにシール力Ｆの大きさを示す軸（縦軸）を第１軸、この第１軸と直交する時間を示す軸（横軸）を第２軸、第１軸に対して定められるシール力Ｆの大きさを所定区間（この例では、等間隔）で分ける境界線Ｌ（Ｌ１〜Ｌ７）を特徴量検出ラインとし、１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形ＦＷと特徴量検出ラインＬ（Ｌ１〜Ｌ７）とが交差する点の数を微分特性の特徴量（特徴量１〜７）として求める。また、１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形ＦＷが特徴量検出ラインＬ（Ｌ１〜Ｌ７）よりも上回っている第２軸方向の積算時間を積分特性の特徴量（特徴量８〜１４）として求める。

これにより、図４に示した例では、微分特性の特徴量１が特徴量検出ラインＬ１と交差するシール力Ｆの時間変化の波形ＦＷの数「０」として求められ、微分特性の特徴量２が特徴量検出ラインＬ２と交差するシール力Ｆの時間変化の波形ＦＷの数「２」として求められる。

同様にして、微分特性の特徴量３が特徴量検出ラインＬ３との交差数「２」、微分特性の特徴量４が特徴量検出ラインＬ４との交差数「２」、微分特性の特徴量５が特徴量検出ラインＬ５との交差数「２」、微分特性の特徴量６が特徴量検出ラインＬ６との交差数「２」、微分特性の特徴量７が特徴量検出ラインＬ７との交差数「０」として求められる。

また、図４に示した例では、積分特性の特徴量８が１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形ＦＷが特徴量検出ラインＬ１よりも上回っている第２軸方向の積算時間として求められ、積分特性の特徴量９が１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形ＦＷが特徴量検出ラインＬ２よりも上回っている第２軸方向の積算時間として求められる。この場合、特徴量検出ラインＬ１，Ｌ２について、図示示斜線で示される時間を足し合わせた時間が積算時間として求められる。

同様にして、積分特性の特徴量１０が特徴量検出ラインＬ３よりも上回っている第２軸方向の積算時間として求められ、積分特性の特徴量１１が特徴量検出ラインＬ４よりも上回っている第２軸方向の積算時間として求められ、積分特性の特徴量１２が特徴量検出ラインＬ５よりも上回っている第２軸方向の積算時間として求められ、積分特性の特徴量１３が特徴量検出ラインＬ６よりも上回っている第２軸方向の積算時間として求められ、積分特性の特徴量１４が特徴量検出ラインＬ７よりも上回っている第２軸方向の積算時間として求められる。

流体漏洩診断部２−３は、このようにしてｍ個の周期の各々について、その１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形の特徴を示す特徴量１〜１４を抽出した後（ステップＳ１０６）、この求めたｍ個の周期の特徴量１〜１４のデータ群を下記に示す表１のように行列化し、特徴量１〜１４のそれぞれのデータ群について平均値および標準偏差を求める（ステップＳ１０７）。

そして、この行列化された特徴量１〜１４のデータ群から、その平均値を「０」、標準偏差を「１」とする基準化行列を作成する（表２参照）。この場合、対象となる１周期中の特徴量をｙｊ（ｊ＝１〜１４）、その特徴量ｙｊの平均値をｍｊ、標準偏差をσｊとし、１周期中の特徴量をＹ＝（ｙｊ−ｍｊ）／σｊ（ｊ＝１〜１４）として、特徴量１〜１４のデータ群を基準化する。この基準化行列において、平均値「０」、標準偏差「１」は、全ての特徴量のデータ群の重心を示す。

そして、流体漏洩診断部２−３は、ｉ＝１とし（ステップＳ１０９）、ｉ＞ｍ（ｍ＝１４）となるまで（ステップＳ１１０のＹＥＳ）、ｉ＝ｉ＋１としながら（ステップＳ１１１）、全ての特徴量のデータ群の重心からの各周期の特徴量のデータ群の乖離を示すマハラノビス距離Ｄ（Ｄｉ）を参照値として算出する（ステップＳ１１１）。

この場合、マハラノビス距離Ｄｉは、下記（１）式に従って求める。なお、この式において、Ｙ^TはＹの転置行列、Ｒは相関行列を示す。また、ｋは、ｋ＝１４とする。
Ｄｉ²＝ＹＲ^-1Ｙ^T／ｋ ・・・・(１)

なお、マハラノビス距離Ｄについては、例えば特許文献２，特許文献３，非特許文献１などに開示されているので、ここでの詳しい説明は省略する。

このステップＳ１１０〜Ｓ１１２の繰り返しにより、各周期の特徴量のデータ群について、グランドパッキン１−４から流体の漏洩が発生していない正常時のマハラノビス距離Ｄｉ（Ｄ１〜Ｄｍ）が参照値として求められることになる。

次に、流体漏洩診断部２−３は、参照値として求めたマハラノビス距離Ｄｉ（Ｄ１〜Ｄｍ）の平均値Ｄａｖを算出する（ステップＳ１１３）。そして、この平均値Ｄａｖの５倍を閾値Ｄｔｈ（Ｄｔｈ＝５・Ｄａｖ）とし（ステップＳ１１４）、メモリＭ２に格納する（ステップＳ１１５）。

〔流体漏洩判断処理機能〕
操作員は、調節弁１の運用中、調節弁１の漏洩診断を行いたい場合、漏洩診断開始指示スイッチ２−６をオンとし、流体漏洩診断部２−３に対して漏洩診断開始指令を送る。

流体漏洩診断部２−３は、漏洩診断開始指示スイッチ２−６から漏洩診断開始指令が送られてくると（図３：ステップＳ２０１のＹＥＳ）、弁駆動指令を開度制御部２−１へ送る（ステップＳ２０２）。

開度制御部２−１は、流体漏洩診断部２−３からの弁駆動指令を受けて、現在の弁開度θの位置から、弁軸１−３を弁開度θ＝１００％の方向へ連続的に摺動移動させる。この弁軸１−３の摺動移動中、流体漏洩診断部２−３は、軸方向加重Ｗをシール力（グランドパッキン１−４と弁軸１−３の外周面および軸挿通孔１ｅの内周面との間の密着力を示す力）Ｆとして所定時間間隔でサンプリングし、そのサンプリングしたシール力Ｆをサンプリング時刻と対応づけてメモリＭ１に記憶する（ステップＳ２０３）。

なお、この弁軸１−３の摺動移動中、弁開度θが１００％に達した場合には、そこを折返し点として０％の方向への摺動移動を続ける。また、弁開度θが０％に達した場合には、そこを折返し点として１００％の方向への摺動移動を続ける。

そして、流体漏洩診断部２−３は、弁軸１−３の摺動移動を開始してから所定時間ＴＷが経過すると（ステップＳ２０４のＹＥＳ）、弁軸１−３の摺動移動を停止させる（ステップＳ２０５）。本実施の形態において、弁軸１−３の連続的な摺動移動を開始してから停止させるまでの所定時間ＴＷは、ステップＳ１０４での処理と同様、ＴＷ＝ｍ・ｔｓとする（ｍ＝１４）。

そして、流体漏洩診断部２−３は、弁軸１−３の摺動移動中にサンプリングされたシール力Ｆの時間変化に基づいて、摺動移動時間ｔｓを１周期とするｍ（ｍ＝１４）個の周期の各々について、ステップＳ１０６での処理と同様にして、その１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形の特徴を示す特徴量１〜１４を抽出する（ステップＳ２０６）。

そして、流体漏洩診断部２−３は、この求めたｍ個の周期の特徴量１〜１４のデータ群について、ステップＳ１０７での処理と同様にして行列化する（ステップＳ２０７）。この際、特徴量１〜１４のそれぞれのデータ群については、その平均値および標準偏差を求めるのではなく、閾値Ｄｔｈの作成時に求めた平均値および標準偏差（ステップＳ１０７で求めた平均値および標準偏差）をその平均値および標準偏差とする。

そして、この行列化された特徴量１〜１４のデータ群から、その平均値を「０」、標準偏差を「１」とする基準化行列を作成する。この場合、対象となる１周期中の特徴量をｙｊ（ｊ＝１〜１４）、その特徴量ｙｊの閾値Ｄｔｈの作成時に求めた平均値をｍｊ、閾値Ｄｔｈの作成時に求めた標準偏差をσｊとし、１周期中の特徴量をＹ＝（ｙｊ−ｍｊ）／σｊ（ｊ＝１〜１４）として、特徴量１〜１４のデータ群を基準化する。この基準化行列において、平均値「０」、標準偏差「１」は、閾値Ｄｔｈの作成時に使用した全ての特徴量のデータ群の重心を示す。

そして、流体漏洩診断部２−３は、ｉ＝１とし（ステップＳ２０９）、ｉ＞ｍ（ｍ＝１４）となるまで（ステップＳ２１０のＹＥＳ）、ｉ＝ｉ＋１としながら（ステップＳ２１１）、閾値Ｄｔｈの作成時に使用した全ての特徴量のデータ群の重心からの各周期の特徴量のデータ群の乖離を示すマハラノビス距離Ｄ（Ｄｉ’）を算出する（ステップＳ２１１）。

この場合、マハラノビス距離Ｄｉ’は、下記（２）式に従って求める。なお、この式において、Ｙ^TはＹの転置行列、Ｒは相関行列を示す。また、ｋは、ｋ＝１４とする。
Ｄｉ’²＝ＹＲ^-1Ｙ^T／ｋ ・・・・(２)

このステップＳ２１０〜Ｓ２１２の繰り返しにより、各周期の特徴量のデータ群について、グランドパッキン１−４から流体の現在の漏洩の度合いに応じた大きさのマハラノビス距離Ｄｉ’（Ｄ１’〜Ｄｍ’）が求められることになる。

すなわち、グランドパッキン１−４からの流体の漏洩が生じていなければ、正常時とほゞ同じ大きさのマハラノビス距離Ｄｉ’が求められるものとなり、グランドパッキン１−４からの流体の漏洩が生じていれば、正常時よりも大きなマハラノビス距離Ｄｉ’が求められるものとなる。

図５および図６に調節弁１のランニング回数（弁の往復動の回数）とシール力Ｆおよびグランドパッキン１−４からの流体の漏れの変化を示す。グランドパッキン１−４が新しい時は、流体の漏洩は少なく、シール力Ｆは大きい。この場合、マハラノビス距離Ｄｉ’は小さい。調節弁１のランニング回数が増して、グランドパッキン１−４からの流体の漏れが大きくなると、シール力Ｆは小さくなる。この場合、マハラノビス距離Ｄｉ’は大きくなる。なお、図７は弁開度θの変化を示し、図８はグランドボルト１ｆの引張力の変化を示す。グランドパッキン１−４からの流体の漏れが大きくなると、グランドボルト１ｆの引張力も小さくなる。

次に、流体漏洩診断部２−３は、ステップＳ２１１で求めたマハラノビス距離Ｄｉ’（Ｄ１’〜Ｄｍ’）の平均値Ｄａｖ’を算出し（ステップＳ２１３）、この平均値Ｄａｖ’とメモリＭ２に格納されている閾値Ｄｔｈとを比較する（ステップＳ２１４）。

ここで、マハラノビス距離Ｄｉ’の平均値Ｄａｖ’が閾値Ｄｔｈを超えていれば（ステップＳ２１４のＹＥＳ）、グランドパッキン１−４から流体が漏洩していると判断し（ステップＳ２１５）、その判断結果を診断結果表示部２−４に出力する（ステップＳ２１７）。

マハラノビス距離の平均値Ｄａｖ’が閾値Ｄｔｈ以下であれば（ステップＳ２１４のＮＯ）、グランドパッキン１−４からの流体の漏洩が生じていないと判断し（ステップＳ２１６）、その判断結果を診断結果表示部２−４に出力する（ステップＳ２１７）。

図９に調節弁１のランニング回数とマハラノビス距離の平均値Ｄａｖ’の変化を示す。グランドパッキン１−４が新しい時は、グランドパッキン１−４からの流体の漏れは少なく、マハラノビス距離の平均値Ｄａｖ’は閾値Ｄｔｈ以下である。調節弁１のランニング回数が増して、グランドパッキン１−４からの流体の漏れが大きくなると、マハラノビス距離の平均値Ｄａｖ’が大きくなり、閾値Ｄｔｈを超えるようになる。

以上の説明から分かるように、本実施の形態によれば、弁軸１−３を摺動移動させ、この弁軸１−３の摺動移動中に検出されるシール力Ｆの時間変化に基づいて、予め定められた摺動移動時間ｔｓを１周期とするｍ個の周期の各々についてその１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形の特徴を示す特徴量１〜１４を抽出し、この抽出した各周期の特徴量１〜１４のデータ群の「閾値Ｄｔｈの作成時に使用した全ての特徴量のデータ群の重心（正常状態の全ての特徴量のデータ群の重心）」からの乖離を示すマハラノビス距離Ｄを求め、このマハラノビス距離Ｄに基づいてグランドパッキン１−４から流体が漏洩しているか否かを判断するようにしているので、各パッキンの側面圧を個別に演算する必要がなく、グランドパッキン１−４の種類に拘わらず、簡単に、かつ定量的に、調節弁１の漏洩診断を行うことができる。

また、本実施の形態によれば、流体漏洩診断部２−３へ軸力センサＳ２が検出する軸方向荷重Ｗをシール力Ｆとして与えるのでみでよく、流体の圧力を計測する圧力センサなどは不要であり、その構成が簡素化される。また、弁軸１−３を連続的に摺動移動させればよく、弁開度θの刻々の計測は不要であるので、処理が簡単となる。また、１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形の特徴を示す特徴量をその１周期中のシール力の時間波形の微分特性および積分特性に分けて抽出するようにしているので、正常な状態との差を明確とし、より精度の高い漏洩診断を行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、所定時間ＴＷの間、弁軸１−３を連続的に摺動移動させるようにしたが、弁軸１−３を摺動移動時間ｔｓで間欠的にｍ回摺動移動させるようにしてもよい。また、弁軸１−３を離散的に、摺動移動時間ｔｓでｍ回摺動移動させるようにしてもよい。また、必ずしも０％〜１００％の弁開度の範囲を摺動移動させるようにしなくてもよく、例えば４０％〜６０％の弁開度の範囲を摺動移動させるなどとしてもよい。

また、上述した実施の形態では、軸方向荷重Ｗをシール力Ｆとして検出するようにしたが、グランドボルト１ｆの歪み値から求められる引張力をシール力Ｆとして検出するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、閾値ＤｔｈをＤｔｈ＝５・Ｄａｖとするようにしたが、閾値ＤｔｈをＤｔｈ＝Ｄａｖ＋α（正の値）とするなどしてもよい。また、マハラノビス距離Ｄ１’〜Ｄｍ’毎に閾値Ｄｔｈを定めるようにしてもよい。マハラノビス距離Ｄ１’〜Ｄｍ’毎に閾値Ｄｔｈを定める場合、例えば、閾値を超えたマハラノビス距離Ｄｉ’の個数をカウントし、その個数より流体が漏洩しているか否かを判断するようにしたり、１つでも閾値を超えたマハラノビス距離Ｄｉ’があれば流体が漏洩していると判断したりすることが考えられる。

また、上述した実施の形態では、操作員が漏洩診断開始指示スイッチ２−６をオンとすることにより、流体漏洩診断部２−３に漏洩診断開始指令が送られるものとしたが、調節弁１の運用中、自動的に流体漏洩診断部２−３に漏洩診断開始指令が送られるようにしてもよい。同様に、調節弁１の運用開始時、自動的に、流体漏洩診断部２−３に閾値作成指令が送られるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形の特徴を示す特徴量１〜１４を抽出する際、シール力Ｆの大きさを示す第１軸（図４に示す縦軸）に対して等間隔の境界線Ｌを特徴量検出ラインとして定めたが、この特徴量検出ラインＬは必ずしも等間隔でなくてもよい。また、特徴量検出ラインＬの個数も７つに限られるものではなく、任意の個数に設定することが可能である。

図１０に、上述した実施の形態における流体漏洩診断部２−３の要部の機能ブロック図を示す。流体漏洩診断部２−３は、図２に示したステップＳ１０１〜Ｓ１１５の処理を実行する閾値作成部２−３１と、図３に示したステップＳ２０１〜Ｓ２１７の処理を実行する流体漏洩判断部２−３２と、メモリＭ１，Ｍ２とを備えている。

閾値作成部２−３１は、外部からの閾値作成指令に応えて、開度制御部２−１（弁駆動手段）へ駆動指令を送って弁軸１−３を摺動移動させ、この弁軸１−３の摺動移動中に検出されるシール力Ｆ（軸力センサＳ２が検出する軸方向荷重Ｗ）の時間変化に基づいて、摺動移動時間ｔｓを１周期とするｍ個の周期の各々についてその１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出し、この抽出した全ての特徴量のデータ群の重心からの各周期の特徴量のデータ群の乖離を示すマハラノビス距離Ｄｉ（Ｄ１〜Ｄｍ）を参照値とし、この参照値Ｄ１〜Ｄｍの平均値Ｄａｖを求め、この平均値Ｄａｖから閾値Ｄｔｈ（Ｄｔｈ＝５・Ｄａｖ）を作成し、メモリＭ２に記憶する。

流体漏洩判断部２−３２は、外部からの漏洩診断開始指令に応えて、開度制御部２−１へ駆動指令を送って弁軸１−３を摺動移動させ、この弁軸１−３の摺動移動中に検出されるシール力Ｆ（軸力センサＳ２が検出する軸方向荷重Ｗ）の時間変化に基づいて、摺動移動時間ｔｓを１周期とするｍ個の周期の各々についてその１周期中のシール力Ｆの時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出し、この抽出した各周期の特徴量のデータ群の「閾値Ｄｔｈの作成時に使用した全ての特徴量のデータ群の重心（正常状態の全ての特徴量のデータ群の重心）」からの乖離を示すマハラノビス距離Ｄｉ’（Ｄ１’〜Ｄｍ’）を求め、このマハラノビス距離Ｄ１’〜Ｄｍ’の平均値Ｄａｖ’とメモリＭ２に記憶されている閾値Ｄｔｈとを比較し、マハラノビス距離の平均値Ｄａｖ’が閾値Ｄｔｈを超えていれば、グランドパッキン１−４から流体が漏洩していると判断する。

本発明に係る調節弁の漏洩診断装置を含む調節弁制御システムの概略を示す図である。 この調節弁制御システムにおけるポジショナ内の流体漏洩診断部が有する閾値作成処理機能を説明するためのフローチャートである。 この調節弁制御システムにおけるポジショナ内の流体漏洩診断部が有する流体漏洩判断処理機能を説明するためのフローチャートである。 １周期中のシール力の時間変化の波形の微分特性および積分特性からの特徴量の抽出を説明する図である。 調節弁のランニング回数とシール力の変化を示す図である。 調節弁のランニング回数とグランドパッキンからの流体の漏れの変化を示す図である。 調節弁のランニング回数と弁開度の変化を示す図である。 調節弁のランニング回数とボルト引張力の変化を示す図である。 調節弁のランニング回数とマハラノビス距離の平均値Ｄａｖ’の変化を示す図である。 流体漏洩診断部の要部の機能ブロック図である。

１…調節弁、１−１…弁ハウジング、１−２…弁体、１−３…弁軸（ステム）、１−４…グランドパッキン、１−５…パッキン締付具、１−６…ロードセル、１−７…操作器、１ａ…流入口、１ｂ…流出口、１ｃ…流路、１ｄ…弁座、１ｅ…挿通孔（軸挿通孔）、１ｆ…ボルト（クランドボルト）、１ｇ…ナット（グランドナット）、１ｈ…パッキンホロア、１ｉ…駆動軸、１ｊ…ダイアフラム、２…ポジショナ、２−１…開度制御部、２−２…電空変換部、２−３…流体漏洩診断部、２−４…診断結果表示部、２−５…閾値作成指示スイッチ、２−６…漏洩診断指示スイッチ、Ｍ１，Ｍ２…メモリ、２−３１…閾値作成部、２−３２…流体漏洩判断部、Ｓ１…弁開度センサ、Ｓ２…軸力センサ。

Claims (7)

1. 弁本体と、この弁本体内を通過する流体の流量を規制する弁体と、この弁体に連結された弁軸と、この弁軸の外周面とこの弁軸が挿通される前記弁本体内の挿通孔の内周面との間に設けられたシール部材と、前記挿通孔に沿って前記弁軸を摺動移動させる弁駆動手段とを備えた調節弁に付設され、前記シール部材からの流体の漏洩を診断する調節弁の漏洩診断装置において、
   前記シール部材と前記弁軸の外周面および前記挿通孔の内周面との間の密着力を示す力をシール力として検出するシール力検出手段と、
   前記シール部材からの流体の漏洩を診断する際に使用する閾値の作成を指示する閾値作成指令に応えて、前記弁駆動手段へ駆動指令を送って前記弁軸を摺動移動させ、この弁軸の摺動移動中に検出される前記シール力の時間変化に基づいて、予め定められた摺動移動時間を１周期とする所定数の周期の各々についてその１周期中の前記シール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出し、この抽出した全ての特徴量のデータ群の重心からの各周期の特徴量のデータ群の乖離を示すマハラノビス距離を参照値として求め、この参照値から前記閾値を作成する閾値作成手段と、
   前記シール部材からの流体の漏洩診断の開始を指示する漏洩診断開始指令に応えて、前記弁駆動手段へ駆動指令を送って前記弁軸を摺動移動させ、この弁軸の摺動移動中に検出される前記シール力の時間変化に基づいて、予め定められた摺動移動時間を１周期とする所定数の周期の各々についてその１周期中の前記シール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量を抽出し、この抽出した各周期の特徴量のデータ群の前記閾値作成手段での閾値の作成時に使用した全ての特徴量のデータ群の重心からの乖離を示すマハラノビス距離を求め、この距離と前記閾値作成手段によって作成された閾値とに基づいて前記シール部材から流体が漏洩しているか否かを判断する流体漏洩判断手段と
   を備えることを特徴とする調節弁の漏洩診断装置。
2. 請求項１に記載された調節弁の漏洩診断装置において、
   前記１周期中のシール力の時間変化の波形の特徴を示す複数の特徴量は、その１周期中のシール力の時間変化の波形の微分特性および積分特性の少なくとも一方から得られる
   ことを特徴とする調節弁の漏洩診断装置。
3. 請求項２に記載された調節弁の漏洩診断装置において、
   前記１周期中のシール力の時間変化の波形の微分特性から得られる特徴量は、
   前記シール力の大きさを示す軸を第１軸、この第１軸と直交する時間を示す軸を第２軸、前記第１軸に対して定められる前記シール力の大きさを所定区間で分ける境界線を特徴量検出ラインとした時、前記１周期中のシール力の時間変化の波形と前記特徴量検出ラインとが交差する点の数である
   ことを特徴とする調節弁の漏洩診断装置。
4. 請求項２に記載された調節弁の漏洩診断装置において、
   前記１周期中のシール力の時間変化の波形の積分特性から得られる特徴量は、
   前記シール力の大きさを示す軸を第１軸、この第１軸と直交する時間を示す軸を第２軸、前記第１軸に対して定められる前記シール力の大きさを所定区間で分ける境界線を特徴量検出ラインとした時、前記１周期中のシール力の時間変化の波形が前記特徴量検出ラインよりも上回っている前記第２軸方向の積算時間である
   ことを特徴とする調節弁の漏洩診断装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載された調節弁の漏洩診断装置において、
   前記シール力検出手段は、前記弁軸の軸方向に加わる荷重を前記シール力として検出する
   ことを特徴とする調節弁の漏洩診断装置。
6. 請求項１〜４の何れか１項に記載された調節弁の漏洩診断装置において、
   前記シール力検出手段は、前記シール部材に前記弁軸の軸方向への締付力を与えるボルトの歪み値から求められる力を前記シール力として検出する
   ことを特徴とする調節弁の漏洩診断装置。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載された調節弁の漏洩診断装置において、
   前記閾値作成手段によって作成された前記流体漏洩判断手段で使用される閾値を記憶するメモリ
   を備えることを特徴とする調節弁の漏洩診断装置。

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