JPH03137416A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば加熱炉に供給する燃料、或は空気の管
路に適用する流量制御装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、この種の流量制御装置は第４図に示すうに、計測
機構と制御機構とがそれぞれ独立しており、計測機構に
はオリフィスやベンチュリ等の固定絞り機構と、この絞
り機構前後の圧力差を測定する差圧計や差圧変換器等の
差圧センサとを組合せて用い、制御機構には調節弁を用
いるのが通常である。

第４図に示す例では、制御対象である管路１１に設けた
オリフィス等の固定絞り機構１２．差圧センサ■３から
なる計測機構と、制御器１４．弁駆動機構１５．調節弁
１６からなる制御機構とが設けられており、制御器１４
にて流量に対応した、即ち流量の自乗に比例した差圧セ
ンサ１３がらの出力信号と別途入力された流量設定信号
とから偏差を出し、これをなくすように出力する調節弁
開度を指定した制御信号に基づいて弁駆動機構１５を介
して調節弁１６の開度を調節することにより流量制御す
るようになっている。

（発明が解決しようとする課題） 上述のように、固定絞り機構１２における差圧は流量の
自乗に比例するので、流量の低下につれてこの差圧は急
激に低下する。

一方、差圧センサ１３の誤差は、予め補正が可能な器差
を除けば、一般に測定値に比例して増大する、いわゆる
比例誤差と、全測定範囲にわたって一定の差圧値が加わ
るか、減するいわゆるゼロドリフトとに大別でき、これ
らは周囲温度等の環境条件変化や、構成部材の疲労、摩
耗等による経時変化等によって変化する。

第５図は、差圧センサ１３の比例誤差の最大値およびゼ
ロドリフトが、共に最大流量時の差圧、即ち最大差圧の
±１％である場合の固定絞り機構１２における流量計測
誤差を示している。

差圧センサ１３の比例誤差による流量計測誤差曲線ａと
ゼロドリフトによる流量計測誤差曲線すはいずれも流量
の低下につれて急激に増大するが、曲線すの方が曲線ａ
よりも増大が激しい。また、大半の差圧センサでは、比
例誤差の最大値よりもゼロドリフトの方が大きいので、
この種の装置での流量計測誤差を小さくするには、差圧
センサのゼロドリフトによる流量計測誤差を小さくする
ことがまず求められる。

そこで、第６図に固定絞り機構における差圧センサのゼ
ロドリフトによる流量計測誤差を示し、これについて以
下詳説する。

第６図中の曲線すは第５図中の曲線すと同じもので、最
大流量時の流量計測誤差はその流量（最大流ｍ）の約±
０．５％であるのに対し、たとえば流量が最大流量の３
０％程度に低下すると流量計測誤差はその流量（最大流
量の３０％）の±５％以上、つまり最大流量時の流量計
測誤差の１０倍以上にもなる。

一方通常要求される最少流量は、たとえば加熱炉の燃焼
制御においては炉の熱負荷の無い保熱時における流量で
あり、最大流量のｌθ％程度であることが多く、このよ
うな最低流量においても燃料と燃焼空気との流量比率を
所定の範囲に維持する必要があるため、当然所定の流量
計測制御精度を確保することが望まれる。

これに対して、第６図中の曲線Ｃは差圧センサのゼロド
リフトが最大差圧の±Ｏ１％の場合の流量計測誤差を示
したものであり、これは固定絞り機構において最大流量
のｌＯ％程度の最低流量時に流量計測誤差を±５％以下
にするには差圧センサのゼロドリフトを最大差圧の１０
．１％以下にする必要があることを示すものである。

このように固定絞り機構により流量計測を行う場合、差
圧センサに要求される精度は通常所要最少流量において
要求される流量精度によって定まり、−膜内な汎用差圧
センサの精度が±１％程度であるのに対し大変な高精度
が要求されることになる。

高精度の差圧センサは高価格であるだけでなく、周囲温
度や据付の機械的精度あるいは振動の防止等の高度の設
置環境条件の整備が必要であり、さらには高精度を維持
するための校正・調整作業等のメンテナンスに多大な労
力を要する。

したがって従来多くの場合、低流量領域における計測制
御精度の低下による燃料原単位の悪化や製品品質の低下
等による損失と高精度差圧センサの導入・維持コストと
の経済的妥協点で差圧センサの精度が選択されていると
いう問題があった。

本発明は、斯る従来の問題点を課題としてなされたもの
で、汎用圧力センサを用いても、機械的機構を複雑化す
ることなく、低流量領域においても、流量制御の精度を
向上させることを可能とした流量制御装置を提供しよう
とするものである。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために、本発明は、流量制御対象で
ある管路に設けられ、流量調節可能で、かつ開度と流量
係数との間の関係が既知である可変絞り機構と、この可
変絞り機構の前後の圧力差を検出する差圧センサと、上
記可変絞り機構の開度を検出する開度センサと、予め上
記関係を記憶させ、上記差圧センナ、開度センサからの
信号に基づいて上記管路における流量値を算出するとと
もに、この算出流量値と設定値との間の偏差を算出し、
これをなくすように上記可変絞り機構の操作信号を出力
する演算制御器と、この操作信号を受けて上記可変絞り
機構を作動させて開度を変える可変絞り駆動機構とから
形成した。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。

第１図は、本発明に係る流量制御装置を示し、制御対象
である管路ｌに流量調節可能で、かつ開度と流量係数と
の間の関数が既知である可変絞り機構２を設けて、この
可変絞り機構２の萌後の圧力差を検出する差圧センサ３
、および可変絞り機構２の開度を検出する開度センサ４
が設けである。

さらに、マイクロプロセッサ等を利用した演算制御器５
および可変絞り機構駆動機構６を設けて、差圧センサ３
および開度センサ４からの信号を演算制御器５に入力し
て、この演算制御器５により可変絞り機構駆動機構６を
介して可変絞り機構２を制御するようにしたフィードバ
ック制御ループを形成しである。

即ち、演算制御器５には、予め可変絞り機構２の開度と
流量係数との間の関係を数式、或はテーブルの形式で記
憶させておき、この関係と上記各センサ信号とに茫づい
て管路１における流量値を時時刻刻と演算制御器５内で
算出するようになっている。さらに、演算制御器５は上
記流量値と、別途定められ、演算制御器５に入力される
所要流量設定値との間の偏差を算出するとともに、この
偏差をなくすように、可変絞り機構２を開閉操作する制
御信号を可変絞り機構駆動機構６に入力し、これによっ
て可変絞り機構２を開閉し、流量制御を行うように形成
しである。

ここで、上記制御系における流量計測誤差について説明
する。

この流量計測誤差の主要要因は、差圧センサ３の誤差、
可変絞り機構に関する誤差ならびに演算誤差にあるが、
このうち演算誤差はマイクロプロセッサ等によるディジ
タル演算によれば設計、製作ミス等がない限り無視でき
、問題は他の二種類の誤差である。

そこで、まず差圧センサ３の誤差についてみれば、上述
の通り比例誤差とゼロドリフトとがあり、ゼロドリフト
による流量計測誤差が最も重要となる。

可変絞り機構の差圧は固定絞り機構のように流量によっ
て一義的に決まるものではなく、計測制御対象流体の供
給圧力および可変絞り機構の特性と負荷側の流量特性と
の関係によって定まる。

通常供給圧力はほぼ一定であり、負荷特性は負荷前圧力
が流量の自乗にほぼ比例するのでこれらを前提とする。

絞り機構特性と負荷特性との関係は次式のように最大流
量時における絞り機構の差圧Ｐ＋ｍと負荷前圧力Ｐ、ｍ
との比率Ｋにより規定できる。

Ｋ　＝　Ｐ　ｔｍ／　Ｐ　１　ｍ 第２図にに＝４の場合つまり最大流量時の可変絞り機構
の差圧Ｐ、ｍが計測制御対象流体の供給圧力の１１５で
あり、負荷前圧力Ｐｔｍが供給圧力の４１５の場合で、
かつ差圧センサのゼロドリフトが最大差圧の±１％の場
合の流量計測誤差を示す。

図から明らかなように、固定絞り機構による場合は低流
量領域で誤差が増大したのに対し、この可変絞り機構に
よる場合には逆に高流量領域で誤差が増大する。

これは可変絞り機構の差圧が流量の増加につれて減少し
、最大流量において最小となることによるものであり、
前記にの値を小さくすれば差圧の減少量は小さくなり、
流量計測誤差が小さくなるので、本発明に係る装置の場
合は要求条件に合わせて選定すればよい。

次に、可変絞り機構の開度に関する誤差について詳述す
る。

開度センサの誤差に、開度検出位置から可変絞り機構の
終端までの機械的誤差たとえば部材の熱膨張や機構のバ
ックラッシュ等を、加えたものが開度誤差となる。

開度誤差についても差圧センサと同様に比例誤差とゼロ
ドリフトとがあるが、通常比例誤差よりもゼロドリフト
の方が大きく、まだゼロドリフトによる流量計測誤差の
方が低流量領域で大きくなるため、以下にゼロドリフト
による流量計測誤差について検討する。

可変絞り機構の開度誤差のゼロドリフトによる流量計測
誤差は第３図に示すように開度に対する流量係数の関係
特性によって異なる。

第３図は可変絞り機構の開度のゼロドリフトが±０．５
％の場合であり、曲線ｄは流量係数が開度に比例する場
合、曲線ｅは流量係数が開度の自乗に比例する場合、曲
線ｒは開度に対する流量係数が指数関数特性の場合の可
変絞り機構の開度のゼロドリフトによる流量計測誤差を
示す。

低流量領域においては開度に対する流量係数が指数関数
特性のものが最も精度か良いので、−膜内にはこの特性
、いわゆるイコールパーセント特性に近い可変絞り機構
を用いるのが最も有用である。

高流量領域においては流量係数が開度に比例するものが
比較的精度が良く、流量係数が開度の自乗に比例するも
のは両者の中間であるので、要求される誤差特性等によ
り幕数を選択したり、逆に可変絞り機構の構造から幕数
か決まれば所要最低流量や要求精度等に基づいて必要な
開度精度が求められる。

なお差圧センサの誤差と可変絞り機構の誤差とが同時に
生じた場合の流量計測誤差は誤差の波及の一般式として
周知の通り、近似的にそれぞれ単独に生じた場合の誤差
を加えたものとなるので、第２図および第３図から容易
に推測できる。

ところで現実に得られる可変絞り機構の開度に対する流
量係数の特性は上記のような簡単な数式に一致するもの
は稀であり、複雑な曲線をなすのが通常であるが、第３
図と第６図とを比較すれば明らかなように低流量域から
高流量域にわたって流量計測誤差をみた場合、全体とし
て可変絞り機構を用いた本発明による場合の方が誤差を
小さく抑え得ることが分かる。

この流量係数の特性を正確に演算制御器に記憶させてお
かなければ流量計測誤差の原因となるので、厳密な校正
が必要であり相当な手数を要する。

この校正作業の省力化と人的な誤差の混入を避けるため
に、次のような自動的な校正データ読込み・処理・記憶
機能つまり自動校正機能を備えてもよい。

まず本装置の可変絞り機構２と直列に高精度の標準流量
計を接続し、計測制御対象と同一または換算可能な性状
既知の校正用流体をながし、本装置の演算制御器５に与
える流量設定値を所定の範囲増減することによって校正
用流体を増減する。

この標準流量計の信号を演算制御器５に取り入れて、所
定の流量値になる毎に本装置の可変絞り機構２の開度お
よび差圧を読込み、開度に対応する流量係数をその都度
算出し逐次記憶していく。

なお流量係数Ｖは次式で定義する。

Ｖ＝Ｑ／ｆＴＴ Ｑ：流量 Ｐ、；差圧 また温度および／または圧力補正が必要な場合は上記の
式に周知の通りの流量（体ｆａ）および密度の補正を加
える。

より高精度の開度に対する流量係数のデータが必要な場
合には、校正流体の増減を複数回行い、データの統計的
処理を行う。

開度に対する流量係数の関係の演算制御器への記憶形聾
としては数式化方式の方が高精度を得られる可能性があ
り好ましいが、テーブル方式とし補間しながら使用する
ものでもよい。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明によれば、流量
制御対象である管路に設けられ、流量調節可能で、かつ
開度と流量係数との間の関係か既知である可変絞り機構
と、この可変絞り機構の前後の圧力差を検出する差圧セ
ンサと、上記可変絞り機構の開度を検出する開度センサ
と、予め上記関係を記憶させ、上記差圧センサ、開度セ
ンサからの信号に基づいて上記管路における流量値を算
出するとともに、この算出流量値と設定値との間の偏差
を算出し、これをなくすように上記可変絞り機構の操作
信号を出力する演算制御器と、この操作信号を受けて上
記可変絞り機構を作動させて開度を変える可変絞り駆動
機構とから形成してあこのように、本発明は開度に対す
る流量係数の関係が既知でかつ開度センサを備えた可変
絞り機構の活用により、差圧センサの誤差による流量計
測誤差を軽減することができるため、−船釣な汎用差圧
センサを用いても高精度の流量計測ができるとと乙に、
流量計測のための可変絞り機構と流量制御のための調節
弁機構とを兼用することによって高信頼度化でき、計測
制御対象流量を所要の精度で計測制御する装置を容易に
得ることかできるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流量制御装置を示す系統図、第２
図は第１図における差圧センサのゼロドリフトによる流
量計測誤差の一例を示す特性図、第３図は第１図におけ
る開度に関するゼロドリフトによる流量計測誤差の一例
を示す特性図、第４図は従来の固定絞り機構を利用した
流量制御装置例を示す系統図、第５図は第４図における
差圧センサの比例誤差およびゼロドリフトによる流量計
測誤差の一例を示す特性図、第６図は第４図における差
圧センサのゼロドリフト量の差異による流量計測誤差の
差異の一例を示す特性図である。 １・・・管路、２・・・可変絞り機構、３・・・差圧セ
ンサ、４・・開度センサ、５・・・演算制御器、６・・
・可変絞り機構駆動機構。 特　許　出　願　人　中外炉工業株式会社同　　上　　
　　中外ブロックス株式会社代　理　人　弁理士 青　山　葆　はか１名 菓４図 第５閏 第３図 ２０　　　４０　　　６０　　　８０ ；荒量（％） ００ ２０　　４０ 流　量 第６図 ６０　　８０ （％） ｏ０ ２０　　　４０　　　６０　　　８０ 流量（％） ２０　　　４０　　　６０　　　　θ０流量（％） ００

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）流量制御対象である管路に設けられ、流量調節可
   能で、かつ開度と流量係数との間の関係が既知である可
   変絞り機構と、この可変絞り機構の前後の圧力差を検出
   する差圧センサと、上記可変絞り機構の開度を検出する
   開度センサと、予め上記関係を記憶させ、上記差圧セン
   サ、開度センサからの信号に基づいて上記管路における
   流量値を算出するとともに、この算出流量値と設定値と
   の間の偏差を算出し、これをなくすように上記可変絞り
   機構の操作信号を出力する演算制御器と、この操作信号
   を受けて上記可変絞り機構を作動させて開度を変える可
   変絞り駆動機構とからなることを特徴とする流量制御装
   置。