JPS5998217A - 流量制御装置 - 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】 発明の背景 この発明は、コンピュータを用いた流量制御装置に関す
る。

従来の流量制御装置の１つのタイプのものは、流体論理
素子を組合せるものである。これは多くのパラメ六夕を
取扱うことができないので必ずしも高精度の流量制御は
期待できない、流体の物性に応じて論理素子の配列組合
せ変更しなければならないので汎用性に之しいという欠
点があった。

他のタイプの流量制御装置は、流量検出器によって流量
を検出し、この検出信号にもとづいて流量調整弁を制御
するものである。流量検出器には種々のタイプのものが
知られているが、比較的簡単なものにオリフィスまたは
ノズルを利用した流量検出器がある。これは、オリフィ
スの前後における圧力ＰＬ　、Ｐ２を測定し、流量Ｑを
求めるものである。流量Ｑは近似式を用いて計算されて
いた。

たとえば液体の場合には、 の関係を利用し、あらかじめ比例定数を定めておいて流
量Ｑを算出する。

しかしながら気体の場合には、液体の場合と異なる演算
式を用いなければならず、しかも流量に応じて次の２つ
から選択しなければならない。

（ａ）　　流量が少ない場合 （ｂ）　　流量が多い場合 ＱばＰｌ いずれにしても、上記の演算式は近似式であり、精度の
高い流量制御は期待できない。

発明の要点 この発明の目的は、精度の高い流量制御を行なうことに
ある。

この発明による流量制御装置は、被制御流体が流れる主
管に設けられた流量調整弁、流量調整弁よりも上流側に
おいて主管内に設けられたオリフィスの１次側および２
次側圧力を検出する圧力検出器、圧力検出箇所付近にお
ける流体の温度を測定する温度検出器、圧力検出器の上
流側と下流側との間を結ぶ主管に設けられたバイパス管
、バイパス管の流路を開閉するバイパス弁、検出された
１次側および２次側圧力ならびに温度にもとづいて流量
を算出する手段、バイパス弁の開閉を制御する手段、バ
イパス弁が閉じている場合には算出された流量を測定流
量とし、バイパス弁が開いている場合には算出された流
量からさらに総流量を算出しこれを測定流量とする手段
、ならびに測定流量と設定流量との偏差および極性に応
じて、偏差が減少する方向に流量調整弁の開度を制御す
る手段、からなることを特徴とする。

主管に設けられたオリフィスの１次側および２次側圧力
のみならず、その付近における流体の温度を測定して、
これらの測定データにもとづいて流量を算出しているか
ら、きわめて正確に流体流量を測定することができる。

そして、この測定流量と設定流量との偏差にもとづいて
流量調整弁を制御しているので、精度の高い流量制御が
可能となる。

またこの発明においては、主管にバイパス管を設けてい
るので、主管にオリフィスが設けられているとしても、
バイパス管を通しても流体を流すことができるので多量
の流体を輸送する場合にも適用可能である。しかも、バ
イパス管に設けられたバイパス弁の開閉によって、バイ
パス管への流体の流れを制御できる。そして、バイパス
弁が開いている場合には、算出された流量にもとづいて
さらに総流量を算出し、この総流量と設定流量との偏差
に応じて調整弁を制御しているから、バイパス管に流体
を流した場合にも高精度の流量制御が可能である。

実施例の説明 この実施例においては、オリフィスを利用した法要検出
器が用いられている。管路内に設けられたオリフィスを
通過する流体の流ＭＷ（重量）は、厳密には次式で与え
られる。

・・・（１） ここて、 Ｐｌ　；　１次側圧力 Ｐ２　；　２次側圧力 Ｆ　　；　管路断面積 ＦＯ；　絞り部（オリフィス板の孔）の断面積 β　　；　絞り面積比（Ｆ　ｏ　／　Ｆ　）ｇ　　；　
重力の加速度（９，８ｒｒｂ／　５ｅｅ２）Ｃｖ　；　
速度係数 Ｃｏ　；　縮流係数 χ　　；　流体の比熱比 γ　　；　流体の密度 第（１）式は、気体のような圧縮性流体に適用され、ま
た流体がオリフィスを通過するさいの密度および圧力の
変化が断熱的であると仮定している。

上記の断面積ＦおよびＦｏ、面積比β、ｇｓならびに係
数Ｃｖ、Ｃｅは定数であり、後述するようにメモリ内に
あらかじめストアされている。

比熱比χは気体の種類によって異なり、かつ湿度によっ
ても変化する。したがって、比熱比χは各種の気体につ
いて、温度Ｔに応じたその値があらかじめ実験によって
求められ、比熱比データ・テーブルとしてあらかじめメ
モリにストアされる。

密度γは次式によって求められる。

ここで、 ＰＯ：　標準状態の圧力 ＴＯ；　標準状態の絶対温度 γ０　；　標準状態における密度 Ｋ　　：　圧縮係数 上記の定数ＰＯ１０、γ０およびＫはあらかしめ求めら
れメモリにストアされる。そして、圧力Ｐ１および温度
Ｔを測定することにより、第（２）式にしたがって密度
γが算出される。比較的低圧で理想気体の条件が成立す
る範囲では、圧縮係数に−１とみなすことができる。Ｋ
＝１が成立しない場合には、実験値として測定されてい
る圧縮係数をあらかじめメモリにストアしておく必要が
ある。

以上によって、１次側および２次側圧力Ｐ１およびＰ２
、ならびに絶対温度Ｔを測定することにより、流量Ｗが
算出できることが理解できよう。

流体が液体の場合には、第（１）式は成立しないが、液
体の流量もまた１次、２次圧力および温度の関数として
表わすことができる。液体の場合には、比熱比ではなく
粘度がパラメータとして現われ、この粘度が温度の関数
となる。

第１図は流量制御装置の構成を示している。

気体が流れる主管（１）に流量調整弁（２１）が設けら
れており、この調整弁（２１）よりも上流側に圧力検出
器（３）および温度検出器（４）が設けられている。圧
力検出器（３）は、主管（１）内に設けられたオリフィ
ス板（図示略）の１次側圧力Ｐ１および２次側圧力Ｐ２
を検出するものである。温度検出器（４）は、主管（１
）内を流れる気体の温度Ｔを検出するもので、たとえば
熱電対などが用いられる。これらの検出器（３１ｔ４１
で検出された圧力Ｐ１およびＰ２、ならびに温度Ｔの各
信号は、増巾回路／リニアライザ（５）およびＡ　／　
Ｄ変換回路（６）を経てそれぞれ中央処理装置（ＣＰ　
Ｕ　）　ｆＩＯ＋に入力する。

ｃ　ｐ　Ｕ　（１０）はたとえばマイクロプロセッサで
ある。

主管（１）にはバイパス管（２）が設けられており、こ
のバイパス管（２）は検出器（３）および（４］の上流
側で主管（１）から分岐し、それらの下流側で主管（１
）に合流している。このバイパス管（２）にはノくイノ
くス弁■が設けられている。ノくイノ々ス弁（資）は、
ドライバ例によって開放または閉鎖される。主管（１）
において、圧力検出器（３）が設けられてむする箇所に
はオリフィス板があるので、そこを流れる気体の流量は
このオリフィス板によって制限される。気体の流量が多
い場合には／イイ、ｅス弁哨が開かれ、その一部はバイ
パス管（２）を通って流れる。主管（１）からバイ／−
，１１ス管（２）に分流する流体の割合は、流量にかか
わらず、主管（１）に設けられたオリフィス板の孔、パ
イ、Ｎｌｌス弁額の全開時の開口の横断面積などによっ
て規定され、は番ヨ′一定値を示す。バイパス管（２）
に分流する流量の残りの流量（分流しないでそのまま主
管（１）を流れる流量）に対する割合（倍率）をバイパ
ス補正係数もとする。バイパス弁（５）が開いている場
合には、検出圧力Ｐ１およびＰ２．ならびに検出温度Ｔ
を用いて第（１）式により算出された流量Ｗにこの補正
係数ｔを乗じた値が、実際に流れる気体の総流量となる
。補正係数もは実験によりあらかじめ求められる。補正
係数もが流量や温度等により若干変化する場合にはその
テーブルをあらかじめ作成しておけばよい。

主管（１）に流すべき所望の流量（設定流量）Ｗｓは設
定器＋１２１に設定される。ＣＰ　Ｕ　（１０）は、測
定流量が設定流量Ｗ８に一致するように調整弁（２１）
の開度を制御する。調整弁（２１）としては、ニードル
弁、板弁、スリーブ弁、ボール弁など任意のタイプのも
のを採用することができ一制御すべき流体の種類、主管
（１）の管径などに応じて選択される。この実施例にお
いては、調整弁（２ＹＪの、弁座（図示略）との間で流
路を閉鎖する部材（たとえば弁棒）＠はパルス・モータ
Ｃ２３）によって変位させられる。パルス・モ〒り（２
３）はそのドライバ（２４１によって駆動される。ドラ
イバ（財）にはＣＰＵ　（１０１によってシフトパルス
数と極性とが与えられる。シフトパルス数はパルス・モ
ータ（２３）の回転角すなわち閉鎖部材（ハ）の変位量
を示し、極性はパルス・モータ＠の回転方向すなわち閉
鎖部材（支）の変位方向を示す。

パルス・モータ（ハ）の回転は適当なねじ機構などによ
って閉鎖部材（２）の直線変位に変換される。

閉鎖部材にか弁座に当接すると調整弁の開度は零すなわ
ち弁が閉じたことになる。こののちもなお、ドライバ例
に閉鎖指令が与えられていればパルス・モ山夕２３］は
閉鎖方向に回転し続ける。

そうするとパルス−モータの焼損や、閉鎖部材（２２）
の弁座へのかじり付きなどの損傷が生じる。

このような事態の発生を防止するために、閉鎖部材２２
１の弁座への接触圧を検出する圧力検出器（７）が設け
られ２ている。圧力検出器（７）はたとえば歪ゲージで
あり、閉鎖部材（２渇またはそれに接続された部材の所
要箇所に取付けられており、上記のねじ機構と弁座とに
よって加えられる圧縮力を検出する。検出された圧力は
増巾回路（８）を経て比較回路（９）に入力する。比較
回路（９）には、基準値Ｅｏがあらかじめ設定され、ま
たは入力している。基準値Ｅｏは、閉鎖部材（２２）と
弁座との接触圧力の上限値を与えるものである。検出圧
力がこの基準値Ｅｏに達すると、比較回−路（９）から
強制停止信号がドライバ（支）に送られ、パルス・％　
−タ（２３）の駆動が停止される。

パルス・モータ（社）の回転数は回転トランスデユーサ
価）によって検出される。このトランスデユーサ（２５
）は回転方向に応じて回転数を加減算する。したがって
トランスデユーサ（ハ）の出方は閉鎖部材（社）の位置
を表わし、これは表示器■において弁開度として表示さ
れる。

ＣＰ　Ｕ　（１０）は、そのプログラムをストアするメ
モリ（図示略）と各種データをストアするメモリ（１１
）とを備えている。メモリ（１１）には、圧力Ｐ１、Ｐ
２および温度Ｔについて今回の測定値と前回の測定値と
をストアするエリヤ、設定Ｈ０２１から読込んだ設定流
量Ｗ　ｓをストアするエリヤ、基準パルス数ＮＰ、Ｊｊ
常変動係数Ａｃ、高低速切替係数Ｓ、減速定数ｄ、バイ
パス・フラグＦ（これらの意味については後述する）お
よびバイパス補正係数もをストアするエリヤ、ならびに
上述の第（１）式および第（２１式を算出するのに必要
な定数やパラメータをストアするエリヤが設けられてい
る。

第２図は、流量制御のためのＣＰ　Ｕ　（１０）の制御
手順を示している。まず初期化処理が行なわれる（ステ
ップ＋３１１　）。この処理においては、上述ｔＺ １数やパラメータの読込み、メモＩＪ　（１１＋のスト
アが行なわれる。また、設定流ＭＷｓが読込まれ、この
流量Ｗｓに対応する開度が求められ、調整弁（２１）の
閉鎖部材＠がその開度位置まで一挙に開かれる。この調
整弁１２１）の開放処理においては、開度は概略的でよ
い。というのは、気体が流れはじまると以下に述べるフ
ィードバック制御において高精度の流量制御が行なわれ
るからである。

設定流量Ｗｓが読込まれ（ステップ（３２）　）　、メ
モリ（１１１にストアされているものと比較することに
より設定流量Ｗ　ｓの変更があったかどうかがチェック
される（ステップ（３３））。設定流量Ｗｓに変更があ
れば、バイパス弁制御に進む（ステップ０４））。

設定流量Ｗｓが大きい値の場合には、多量の気体が流れ
るからバイパス管（２）を汚用する必要がある。設定流
量Ｗ８があらかじめ定められた所定値（図示はされてい
ないがメモリａ１１にストアされている）と比較され、
流量Ｗｓがこの所定値以上の場合には開弁指令ＳＢが出
力される。

この指令ＳＢにもとづいてドライバ（至）によってバイ
パス弁曽が開かれる。開弁指令ＳＲが出力された場合に
は、バイパス・フラグＦが１にセットされる。設定流量
Ｗｓが上記所定値未満の場合には閉弁指令が出力され、
バイパス弁啼が閉じられる。またバイパス拳フラグＦが
０にリセットされる。バイパス弁（イ）の開閉は、設定
流量Ｗ８に関係なく、他の外部からの指令に応じて行な
うようにしてもよい。

初期化処理ののち最初の設定流量ｗ８の読込みにおいて
は、ステップ（３３）で必ずＹＥＳとなりバイパス弁制
御が行なわれる。

以上の処理ののち、メモリα１）内においテ、前回の測
定値Ｐｘｂを今回の測定値Ｐ１で置きかえることにより
前回の測定値が更新されるＣステップ（至））。そして
１次側圧力Ｐ１が読込まれこれが今回の測定値としてメ
モリ（１１）内にストアされる（ステップＣ１６１）。

同様に、２次側圧力および温度についても、前回の測定
値の更新処理と今回の測定値の読込み処理とが行なわれ
る（ステップ−〜（４０）　）。

次に前回の１次側圧力Ｆｉｂと今回のそれＰｌとの差が
算出され、この差にもとづいて急激な圧力変動があった
かどうかがチェックされる（ステップｆ４１１　）。何
らかの原因で１次側圧力が２倍とか３倍とかに急激に増
大または１　／　２．１／３に急激に減少することがあ
りうる。異常変動係数Ａ６は、異常変動がどうかを判定
するための基準となる変動の倍率を定めるもので、たと
えば２程度に設定されている。偏差ＩＰｌ−Ｐｌｂｌが
前回の１次側圧力Ｐ１ｂに係数Ａｃを乗じた値以内であ
れば１次側圧力変動は正常であり、それ以上であれば異
常と判断される。

その判断の基準となる値ＡｃＰ１ｂは、この実施例では
常に前回の測定値Ｐｘｂに依存しているが、あらかじめ
一定値に定めてもよい。

同じようにして、２次側圧力および温度の異常変動の有
無がチェックされる（ステップ＋４２）　＋４３＋　）
。

１次側および２次側圧力ならびに温度の変動がいずれも
正常な範囲内にあれば、今回の測定値ＰＩ、Ｐ２および
Ｔ、ならびにメモリαＤにストアされている定数やパラ
メータを用いて、第は）式および第（２）式により流量
Ｗが算出される（ステップ（伯）。そしてバイパス・フ
ラグＦが１かどうかがチェックされる（ステップ（４ω
）。このフラグＦが０の場合にはバイパス弁（５）は閉
じておりバイパス管（２）には気体は流れないから、算
出された流量Ｗが調整弁に）を流れる流量を表わすこと
になる。

バイパス・フラグＦが１の場合には、バイパス弁筒が開
いており、バイパス管（２）にも気体が分流している。

そこで、算出された流」Ｗにバイパス補正係数ｔを乗じ
て総流量（調整弁（２１１を流れる流量）が算出される
（ステップ（４６１）。この総流量もとくに支障のない
限り符号Ｗで表わされる。

続いて、設定流量Ｗｓと測定流量Ｗとの大小関係が判定
され、この結果に応じてドライバ（至）に極性信号が出
力される（ステップ（４７１）。設定流ｉ　Ｗ　ｓの方
が大きい場合には調整弁（２１）を開く方向にステップ
・モータ（２３）を回転させる極性であり、逆の場合に
は逆極性となる。

さらに偏差ＩＷ８−Ｗ１をＷ８で除した値が高低速切替
係数Ｓよりも大きいかどうかがチェックされる（ステッ
プ＋４８１　）。偏差ＩＷ−−Ｗ１が大きい場合には調
整弁ｆ２１１は高速制御され、小さい場合には低速制御
される。切替係数Ｓは高、低速制御のいず些を選択する
かを決定するためのものであり、１〜数係に設定されて
いる。

高速制御の場合には、基準パルス数ＮＰに偏してＣＰ　
Ｕ　（１０＋からドライバＱ４１に送られる（ステップ
（４９））。基準パルス数Ｎｐは、調整弁（２１）の閉
鎖部材（２ｚをある単位量だけ変位させるた吟に、パル
ス・干−夕□）に与えるべきシフトパルス数比例した回
転角だけパルス・モータ幻）が駆動され、調整弁（２１
）の閉鎖部材（ハ）が偏差に比例した量だけ開または閉
方向に動かされる。

減速制御においては、高速制御におけるシフトパルス数
を減速定数ｄで除した数のシフトパルスがドライバ（２
）に与えられる（ステップ（５０）　）。

定数ｄは２〜３程度に設定されている。

ステップ（４１）において、１次側圧力に異常変動があ
ると判断された場合には、異常処理が行なわれる（ステ
ップ（５１１）。ステップ＋４２）　＋４３１で異常変
動と判定された場合も同様である。異常処理は、糸の安
全を図るとともに係員にその旨を報知する処理を含む。

系の安全を図るためには、たとえば調整弁２１＋を急速
に閉じる（必ずしも全閉状態にする必要はない）処理が
行なわれる。この処理においては、ドライバ■に弁を閉
じる方向の極性信号が与えられるとともに、シフトパル
ス数として基準パルス数Ｎｐに適当な定数ｂ　（〉１）
を乗じた値がドライバ（至）に与えられる。

異常発生を係員に報知するために、ブザーが鳴らされた
り、表示器にその旨が表示されたりする。

１次、２次側圧力および温度のいずれもが正常な範囲内
に戻ったときに、異常処理を終え、ステップ（３２１に
戻る。なお、初期化処理ののちの最初のルーチンにおい
ては、前回の各データＰ　ｌｂ、　Ｐ　２　ｂ、　Ｔ　
ｂはいずれも０であるから、ステップ（４Ｉ）〜（４３
）の判定は行なわないようにする。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すブロック図、第２図は
ＣＰＵによる流量制御処理を示すフロー・チャートであ
る。 （１）・・・主管、（２）・・・バイパス管、（３）・
・・圧力検出器、＋４１−、、温度検出器、（１ｏ）　
−６−ＣＰ　Ｕ　、　（１１）・・・メモＩＪ　、＋１
２）・・・流量設定器、（２１）・−・流量調ａ弁、ｎ
・・・パルス・モータ、＋２４１・・・パルス・モータ
・ドライバ、（２）・・拳バイパス弁、■・・・特許出
願人　株式会社フジキン 手続補正書 昭和４７年７２月２ｆ）日 特許庁長官　若杉和夫　　　殿 １事件の表示　　昭和５７年特、１′１願第２０８２５
９号２、発明の名称　　流量制御装置 ３、補正をする者 事件との関係　　　　特１：′１出願人住　　所　大阪
市西区立売堀２丁目３番４号氏名・名称　　株式会社フ
ジキン ４、代　Ｊｌｌ　　人 外４名 ５、補正命令の［ヨＣ１昭和　　（■“　　月　　　口
６　補正により増加する発明の数 ７、補正の対象　　明細書の特許請求の範囲および発明
の詳細な８、　　？、ｌｉ工。、６　　説明の各欄・特
許請求の範囲 被制御流体か流れる主管に設けられた流量調整弁、 主管内に設けられたオリフィスの１次側および２次側圧
力を検出する圧力検出器、 圧力検出箇所付近における流体の温度を測定すする湿度
検出器、 圧力検出器の上流側と下流側との間を結ぶ、主管に設け
られたバイパス管、 バイパス管の流路を開閉するバイパス弁、検出された１
次側および２次側圧力ならびに温度にもとついて流量を
算出する手段、 バイパス弁の開閉を制御する手段、 バイパス弁が閉じている場合には算出された流量を測定
流量とし、バイパス弁が開いている場合には算出された
流量からさらに総流量を算出しこれを測定流量とする手
段、ならびに 測定流量と設定流量との偏差および極性に応じて、偏差
が減少する方向に流量調整弁の開度を制御する手段、 からなる流量制御装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被制御流体が流れる主管に設けられた流量調整弁、 流量調整弁よりも上流側において主管内に設けられたオ
   リフィスの１次側および２次側圧力を検出する圧力検出
   器、 圧力検出箇所付近における流体の温度を測定する湿度検
   出器、 圧力検出器の上流側と下流側との間を結ぶ、主管に設け
   られたバイパス管′、 バイパス管の流路を開閉するバイパス弁、検出された１
   次側および２次側圧力ならびに温度にもとづいて流量を
   算出する手段、バイパス弁の開閉を制御する手段、 バイパス弁が閉じている場合には算出された流量を測定
   流量とし、バイパス弁が開いて（Ａる場合には算出され
   た流量からさらに総流量を算出しこれを測定流量とする
   手段、ならびに測定流量と設定流量との偏差および極性
   に応じて、偏差が減少する方向に流量調整弁の開度を制
   御する手段、 からなる流量制御装置。