JPS585813A - 流量制御器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流量制御器に係り、特に内燃機関ボイラ等の
燃焼器に使用するに好適な比例型の流量制御器に関する
。

２つの流体の流量比を制御する方法として、それぞれの
流量を測定し、フィードバッグ制御することが行われて
いる。流量測定には、熱式の流量計、例えば、熱線式、
トーマス式、サーミスタ式等が使用されているが、これ
らはいづれも広範囲の流量を測定するには、複雑なりニ
アライザを必要としくかつ、２つの流量計のドリフトを
完全には防止することができず、正確な流量比が得られ
ない欠点がある。第１図において、流量計１，２で流量
を測定し、この信号を制御器５に入力し、流量比が一定
になるよう、調節弁４をフィード・バックするのが、一
般的な流量制御器である。また、第１図において流量計
２を除いた閉ループ制御も用いられているが、これは調
節弁４のヒステリシスによって、大幅に精度が低下する
。

内燃機関の場合には、管路６に燃焼用空気が、管路７に
燃料がそれぞれ流れる。また、ボイラ等の燃焼器におい
ては、管路６に燃焼用空気が、管路７に燃料がそれぞれ
流れる。また、給湯機の場合は、管路６に給水が、管路
７に、燃料がそれぞれ流れる。

調節弁４のヒステリシスを防止するため、流量計１と調
節弁４を一対一で結合する方法がある。

第２図に示したように、可変面積流量計８と調節弁４を
機械的に結合することによって、ヒステリシスの影響を
防止できる。しかし、第２図の公知例では、流量計８の
流体抵抗が大きい欠点がある。

これを回避するため、第３図に示すように、分流路９に
流量計１を設け、調節弁１０と調節弁４を機械的に結合
し、調節弁１０をフィード・バック制御することが提案
されている。流量計１の出力信号が一定になるように、
調節弁１０をフィード・バック制御すれば、調節弁１０
のリフトは、管路６の流量に反比例し、調節弁４の位置
は、管路６の流量に応じて正確に定まり、ヒステリシス
は完全に防止される。

また、上記の技術を展開すれば、第４図に示したような
システムが構成される。このシスでムをボイラに展開す
るときは、管路７に燃料を流し、管路６に空気を流す。

いま、調節弁４を加減して、ボイ２に供給する燃料を加
減する際、流量計１の出力信号が一定になるように、フ
ァン１１の回転をフィード・バック制御すれば、燃料と
空気の流量比を一定にすることができる。ファン１１の
かわりに、絞シ弁を用いれば内燃機関にも適用でき机 入口１４から入り、出口１５から排出される。いま人口
１４から供給される空気量は、 ｑ＝＝ａ２τπ　　・・・・・・（１）ここに、　ｇ；
重力の加速度 △Ｐ：分流路の差圧 γ、：空気の密度 ａ；調節弁ｌＯの開口面積 一般に、ΔＰは、管路６の空気量Ｇ、に対し、Ｇａ” ΔＰ二に□　　　　・・・・・・Ｃ） γ纏 ここに、Ｋ：定数 となる。したがって、（１）式は ｑ　＝＝　ａ％　−’　Ｇ、　　　　・・・・・・（３
）となる。一方、入口１２から供給される燃料量はＧｔ
”ｂｍｒ　、　　　−・−（４） ここに、　ｂ：調節弁４の開ロ面積 ΔＰｆ：入口１２と出口１３の差圧 ｒｆ　：燃料の比重量 となる。したがって、 が成立する。ここで、ａｂ＝一定、ΔＰ！　一定、ｑ＝
一定にすれば、Ｇ、／Ｇｔが一定になる。

ａｂニ一定になるように、調節弁１０．４のプロフィル
を選定することができる。ΔＰｔは、圧力レギュレータ
で一定にすることができる。ここでは、ｑ一定になるた
めのｑの信号を得るために、サーミスタ１８を用いてい
る。

サーミスタＩＢを空気の温度以上に加熱し、流速による
放熱量の変化を利用して、流量を測定するのは、工業界
で広く用いられている。回路１７の一例を第６図に示し
た。第６図において、定電流回路１９、補償サーミスタ
２０、割算回路２１、サーミスタ１８を図のごとく配置
する。ことによって、端子２２に流速、及び流量の変化
に応じた電圧変化を得ることができる。一般には流速が
増すと、サーミスタ１８の温度が低下し、電圧が増大す
る。この端子２２の電圧をフブード・ノ（ツク信号とし
て用いる。いま、この電圧を比較器２３に入力し、設定
値出力回路２４の出力電圧ｅ０と比較する。ｅ＞ｅｏの
場合はｑが大きいので、アクチュエータ１６を、調節弁
１０が閉じるように動作させ、ｑを一定に戻す。ｅ　（
ｅ、の場合は、逆の動作を行う。出力回路２４は、基準
電圧発生回路で、可変抵抗によって、任意の電圧を発生
させることができる。ａｂ＝一定の場合、ｑの値、ΔＰ
ｆＯ値を変化させることによって、ｏ、／Ｇｔの値を変
化することができる。いま、アクチュエータ１６を電磁
ソレノイドとすると、第６図の増幅器１５で第７図に示
した電流を発生させる。この電流で電磁ソレノイドであ
るアクチュエータ１６を動作させ、ｅ＞ｅｏの場合は、
調節弁１゜を第５図において引き上げる。アクチュエー
タ１６にヒステリシスがある場合でも、誤差信号（ｅ−
ｅｏ）によって、設定値になる。比例、積分、比例積分
、微分等の動作でフィード・バック制御することができ
る。

このようにして、広い範囲にわたって、流量比を正確に
制御することができ、ボイラ、内燃機関、ガスバーナ等
の効率向上が図れる。、、第５図において、アクチュエ
ータ１６を手動操作し、前述のフィード・バック信号で
第４図のファンを制御することができる。

上記の構成の最大の利点は、広い範囲の流量を制御する
にもかかわらず、流量計１の使用範囲がせまい範囲にか
ぎられ、従来のサーミスタ流速計のリニアライザー等が
不用で、電気回路の抵抗の経時変化を防止できる点にあ
る。このような組み合わせで実験を行った結果、ファン
１１が運転され、管路６の空気が脈動する場合は、計量
誤差が生じることが判明した。本発明は、上記の構成に
おいて、計量誤差を解消する手段を提供するものである
。

管路６内の空気が時間的に変動する響合、第５図のサー
ミスタ１８の空気流速も変動する。前述の（３）式のご
とき変化をする。このような変動分に対してはａを固定
とすると、第６図のサーミスタ流速計の出力がｑの変化
に応じて変化する。当然ｑと出力の変化は、非線型であ
るので、出力の平均値とｑは合致゛しなくなる。これが
誤差の要因となることがわかった。まず、比較器２３の
入力端に第８図に示したごとき、フィルタ２６を設け、
出力ｅを平滑化する。

第９図は従来のサーミスタ風速計のｑ　−ｅ特性の一例
を示したものである。上に凸の特性であるので、ｅの平
均値はｂ点になる。この場合の平均流量はａ点であるの
で、脈動した場合の出力ｅの平均値は低くなる。この分
だけ誤差を生じる。またサーミスタ１８の熱応答遅れに
よって、ｂ点はさらに低下する。この場合、空気量が管
路６を通つて供給されていても、検出される流量は少な
いので、第５図において、調節弁１０がより開けられ、
燃料流量が小さくなる。これは、燃焼器の場合、燃焼不
安定を招く。本発明ではこれを回避するため、次の構成
をとる。いま、第６図に示した構成において、サーミス
タ１８の電流を一定にすると、αをサーミスタの温度係
数とし、＝＝ａ、＋ａ、　ａ’ｆ−８’ｌ’＋Ｓ’ｌ’
０−・・−（６）ここに、　Ｃ：サーミスタの熱容量 ａ１１ａ！ｙａ３：定数 ５＝（１＋ａ、ｑｌ／２　）ａ。

Ｔｏ：廟Ｖ聰度 Ｔ：サーミスタの温度 が成立する。いま、ｄ’ｌ’／ｄｔとするととなる。す
なわち、ｑが増大するほど、Ｓが、増大し、Ｔが低下す
る。いま、 Ｒ＝ａ、　　（１＋αＴ） が成立し、Ｔｏのサーミスタの抵抗をＲ８とすると が成立する。この場合、Ｒとｑの関係は第１０図のどと
くなる。サーミスタの場合は一般にα〈０であるので、
Ｓ＝　の場合はＲ／Ｒｏ＝１、Ｓ＝Ｏの場合はＲ＝Ｏと
なる。この場合のＲとｑの関係は、前述の第９図の場合
と同じく、上に凸の関係になり、凡の平均値は、ｑが変
動する場合は誤差を生しる。しかし、サーミスター８に
は一般に熱容量があ、９、（６）式かられかるように、
となり、Ｓ、すなわち、ｑが大きいほど時定数が小さく
なり、平均値を引き上げる作用をする。したがって、脈
動が大きくなっても、平均値は正しい流量を示すことが
わかった。第６図において、Ｒ／Ｒｏ＝ｅとなるので、
ｅで凡の変化を検知できる。上記の効果をあげるために
は、サーミスタ１８には１ｍｓ以上の時定数が必要であ
ることも実験的に明らかになった。このような構成をと
ることによって、リニアライザを用いることなく、脈動
時、管路の流量が時間的に変動する時でも、正確な流量
制御が可能になった。第１１図に示したごとく、サーミ
スタ１８の時定数が１ｍｓ以下の場合は、Ｒ／Ｒｏの平
均値が低下し、誤差を生じる。

第°１２図は、内燃機関の排気還流量制御の実施例を示
したものである。エンジン２７の排気管３４の排ガスの
一部が排気還流管２８を通って、吸気管２９に供給され
る。燃料タンク３２の燃料は、調節弁４を通って、エン
ジン２７に供給、される。調節弁４は例えば、ディーゼ
ル・エンジンでは噴射ポンプである。いま調節弁１０と
調節弁４を機械的に結合する。噴射ポンプの場合は、噴
射量制御用の制御ラックである。第１２図の構成におい
て、調節弁４の位置の変化に応１て、調節弁１０の位置
が変化する。このとき、流量計１の出力が一定になるよ
うに、アクチュエータ３１で絞り弁３３を自動制御する
。したがって、調節弁の４の位置、すなわち燃料量に応
じた吸入空気量になるように絞り弁３３が制御され、適
切な排気の還流が行われる。燃料量／空気量の比が、エ
ンジンのスモーク限界を越えないように、空気量を自動
制御することができる。

示したものである。燃料タンク３２の燃料は、燃料ポン
プ３６で吸上げられ、調節弁４を通って、エンジンに供
給される。分流路９に設けられている調節弁１０と調節
弁４は機械的に結合しているので、エア・クリーナ３０
からエンジンに吸入される空気量に応じた燃料が調節弁
４を通ってエンジンに供給される。圧力レギュレータ３
５は調節弁４の前後の差圧を一定にする。

第１４図はボイラの燃料量制御の実施例を示したもので
ある。熱交換器３７の中に、給水パイプ３８から水が供
給され、給湯パイプ３９から加熱された水が排出される
。調節弁４２を開くと、水量が増し、水温が低下する。

いま、この温度を温度検出器４１で検出し、アクチュエ
ータ４３に信”号を送り、調節弁４を開き、燃゛料量を
増大する。

調節弁１０は調節弁４と機械的に結合されているので、
第４図の場合と同じように、バーナ４０に供給される空
気量が燃料量に応じて変化し、適正に自動制御される。

第１５図は、油圧リフトの制御への一実施例を示したも
のである。流量計１の信号をアクチュエータ４８に送り
、調節弁４５を制御する。油は油タンク４４から吸引さ
れ、ポンプ４３を通り、シリンダ４６に供給され、ピス
トン４７を持ち上げる。シリンダ４６に供給される油量
が正確に制御される。このような単純な流量制御の場合
部サーミスタ１８を通路４９内におくこともできる。

第１６図は、第１２図に示した内燃機関の排気還流制御
の他の実施例を示したものである。調節弁４の上流に圧
力レギュレータ５０を、下流に圧力レギュレータ５１を
設け、調節弁４の前後の排ガスの圧力差を一定に維持し
、絞り弁３３を通る空気量に応じて、還流排ガス着を一
定に維持することができる。

以上、本発萌の要件は、流体中に加熱抵抗体、例えば、
サーミスタ、熱線を設け、かつ、その抵抗体に一定電流
を流し、その両端の電圧を出力して、設定電圧と比較し
、その差に応じて電気機械変換器、例えば電磁ソレノイ
ドを駆動する際、両端の電圧を電気的フィルタ、すなわ
ち積分回路を介して比較手段に入力することにより、さ
らに電気機械変換器に流量を加減する手段、例えば弁が
接続されている点にある。比較手段としては、アナログ
動作の差動増幅器、あるいはディジタル動作のマイクロ
・プロセッサを用いることができる。流量調節手段とし
ては、調節弁、ファン、絞り弁を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は従来の技術を示す制御系統図、第５図
、第６図は本発明による制御系統図、第７図は第６図の
電圧、電流特性図、第８図は本発明の出力平滑化のため
のフィルタの系統図、第９図は従来のサーミスタ風速計
のｑ　−、＝　ｅ特性図、第１０．１１図は流量と時定
数に対するＲ　／　Ｒｏ特性図、第１２図は内燃機関の
排気還流量制御の系統図、第１３図は内燃機関の燃料量
制御の系統図、第１４図はボイラの燃料量制御の系統図
、第１５図は油圧リフトの制御の系統図、第１６図は第
１２図の内燃機関の排気還流量制御の系統図である。 １６・・・アクチュエータ、１７・・・回路、１８・・
・サーミスタ、１９・・・定電流回路、２１・・・演算
回路、２３・・・比較回路。 代理人　弁理士　高橋明夫 第１０ ′￥−３０ に ４ 第５の 第乙口 第７目 ｅρ　　ｅ 第３目 ６ Ｖ−タロ ｂａ　　　　　メ 第１０　　口 メ 茅ｌｌ　口 茅ｌｚ囚 ３ ！１１４−図 ＄１５　目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体中に設けられた電気加熱抵抗体、抵抗体に一定
   の電流を供給する回路、抵抗体の両端の電圧を平均化す
   るフィルタ回路、フィルタ回路の出力を設定値と比較す
   る比較手段、比較手段の出力で動作する流量調節手段を
   備えたことを特徴とする流量制御器。 ２、時定数１ｍｓ以上の抵抗体を具備したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の流量制御器。 ３、上記抵抗体を分流路に設け、分流路に流量調節手段
   を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第一項記載の
   流量制御器。 ４、上記流量調節手段と機械的に結合されている第２の
   流量調節手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲
   第３項記載の流量制御器。