JPH07174596A

JPH07174596A - 流量測定機能を有するバタフライ弁及びバタフライ弁において流量を測定する方法

Info

Publication number: JPH07174596A
Application number: JP32083694A
Authority: JP
Inventors: Koji Kawai; 康治河合
Original assignee: Tomoe Technical Research Co Ltd
Current assignee: Tomoe Technical Research Co Ltd
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1995-07-14

Abstract

(57)【要約】【目的】バタフライ弁において弁体自体に流体の絞り
としての機能に加えて流量測定用のセンサとしての機能
を持たせることであり、即ち、弁体及び弁棒をセンサと
して流量測定機能を有するバタフライ弁を提供すること
であり、又、バタフライ弁において弁体及び弁棒をセン
サとして流量を測定する方法を提供することにある。【構成】弁開度を検出する弁開度検出手段１７と、流
体の流れにより弁棒３を軸として弁体２に作用するダイ
ナミックトルクを検出するトルク検出手段１４とを有し
ており、又、バタフライ弁において弁開度を検出すると
共に流体の流れにより弁棒３を軸として弁体２に作用す
るダイナミックトルクを検出し、前記検出された弁開度
と前記検出されたダイナミックトルクとの関数として前
記流体の流量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバタフライ弁に関し、よ
り具体的には流量測定機能を有するバタフライ弁に関す
る。

【０００２】本発明は又、バタフライ弁において流量を
測定する方法及びバタフライ弁において流量を制御する
方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】従来、バタフライ弁においては弁棒を軸
として回動できるように本体に内蔵された弁体が、弁棒
を介して本体の外部から例えば手動によりあるいは空気
圧式又は電動式のアクチュエータなどにより回動操作さ
れる。

【０００４】バタフライ弁を通過する流体の流量の制御
に関しては、流量を測定する手段により流量が測定さ
れ、この測定された流量をもとにしてバタフライ弁の弁
開度が調節されることによって流量が制御される。

【０００５】例えば、バタフライ弁とは別に、バタフラ
イ弁の付近に流量計が設置され、この流量計における測
定流量がバタフライ弁を通過する流量であるとしてバタ
フライ弁の弁開度が制御される。

【０００６】このような流量計としては、例えば、配管
に設けられたオリフィスと、オリフィスの上流側の圧力
及び下流側の圧力を検出する圧力センサとを有してお
り、あらかじめ実験などによりこのオリフィスに固有の
容量係数（Ｃｖ値：一定）を設定しておき、これらの検
出された圧力の差圧（ΔＰ）と容量係数とから流量を算
出するオリフィスと圧力センサとを組合せた差圧流量計
が一般的である。

【０００７】このようなオリフィスと圧力センサとを組
合せた差圧流量計をよりコンパクトに改良した例として
は、バタフライ弁に該オリフィスの機能をもたせ、バタ
フライ弁の上流側の圧力及び下流側の圧力を検出する圧
力センサとバタフライ弁の弁開度を検出する手段とを有
しており、あらかじめ実験などによりこのバタフライ弁
に固有の容量係数（Ｃｖ値：弁開度の関数）を設定して
おき、これらの検出された圧力の差圧（ΔＰ）と検出さ
れた弁開度とこの弁開度に対応する容量係数とから流量
を算出するバタフライ弁と圧力センサとを組合わせた差
圧流量計が本願出願人らにより特開昭６２−２７０８７
３号の明細書中に提案されている。

【０００８】又、このようなバタフライ弁と圧力センサ
とを組合わせた差圧流量計に類似した流量計の例として
は、ゲート弁において、ゲート弁に前述のオリフィスの
機能をもたせ、ゲート弁の上流側の圧力及び下流側の圧
力を検出する圧力センサとゲート弁の弁リフトを検出す
る手段とを有しており、あらかじめ実験などによりこの
ゲート弁に固有の容量係数（Ｃｖ値：弁リフトの関数）
を設定しておき、これらの検出された圧力の差圧（Δ
Ｐ）と検出された弁リフトとこの弁リフトに対応する容
量係数とから流量を算出するゲート弁と圧力センサとを
組合わせた差圧流量計が、実開昭６２−１１１７号の明
細書中に提案されている。

【０００９】又、従来、前述の差圧流量計ではなく、例
えば導電性の流体に対しては電磁流量計をバタフライ弁
の付近に設置して、流量を測定しバタフライ弁の弁開度
が制御される場合もある。

【００１０】従来、バタフライ弁において、弁体を回動
し固定するために必要なトルク、例えばアクチュエータ
に要求される外部からの操作トルクが小さい程、小さな
アクチュエータで済み、操作性が良いなどの点でも有利
であり好ましいものとされて来た。従って流体により弁
棒を軸として弁体に作用するダイナミックトルクをより
小さくするための研究、開発が続けられて来た。例え
ば、本願出願人らは特開昭５５−１４２１６９号及び特
開昭５６−２８３５５号の明細書中に外部からの操作ト
ルクを減少せしめる効果を有するシートリングを備えた
バタフライ弁を提案した。

【００１１】前述したバタフライ弁を含めて従来のバタ
フライ弁は、流体の絞り機構として機能する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
如く従来のバタフライ弁は流体の絞り機構としての機能
のみを有し、流量を制御するためには弁体以外に流路内
に何らかのセンサを含む流量を測定する機構を設置する
必要があり、流量を測定する機構を含むバタフライ弁装
置は流路の構成を複雑化し、コンパクトにまとまらな
い。

【００１３】又従来の場合、バタフライ弁を通過する流
体の流量は間接的に、あるいはバタフライ弁からある距
離をおいて測定されるが故に、この測定された流量と実
際にバタフライ弁を通過する流量との間には、量的及び
時間的にずれがあり、従って正確な流量の測定及び流量
の制御を困難にしている。

【００１４】本発明の目的は、バタフライ弁において弁
体自体に流体の絞りとしての機能に加えて流量測定用の
センサとしての機能を持たせることであり、即ち、本発
明の第１の目的は、弁体及び弁棒をセンサとして流量測
定機能を有するバタフライ弁を提供することであり、本
発明の第２の目的は、バタフライ弁において弁体及び弁
棒をセンサとして流量を測定する方法を提供することに
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、前記第
１の目的は、弁開度を検出する弁開度検出手段と、流体
の流れにより弁棒を軸として弁体に作用するダイナミッ
クトルクを検出するトルク検出手段とを有する前記流体
の流量測定用のバタフライ弁によって達成される。

【００１６】本発明によれば、前記第２の目的はバタフ
ライ弁において弁開度を検出すると共に流体の流れによ
り弁棒を軸として弁体に作用するダイナミックトルクを
検出し、前記検出された弁開度と前記検出されたダイナ
ミックトルクとの関数として前記流体の流量を求める方
法により達成される。

【００１７】

【作用】本願発明者の実験によると、同一の流体に対し
て同一の条件の下では、バタフライ弁を通過する流体の
流量は、弁開度と流体により弁棒を軸に弁体に作用する
ダイナミックトルクと個々のバタフライ弁に固有の特性
とにより実質的に一義的に決定される。

【００１８】従って、本発明のバタフライ弁によれば、
弁開度検出手段により弁開度が検出されると共にトルク
検出手段により流体により弁棒を軸として弁体に作用す
るダイナミックトルクが検出されるが故に、あらかじめ
当該バタフライ弁に固有の流量と弁開度及びダイナミッ
クトルクとの関係式を設定しておけば、検出された弁開
度及び検出されたダイナミックトルクから流量が求めら
れる。

【００１９】一般に、同一の流体に対して同一の条件の
下では、バタフライ弁を通過する流体の流量は弁開度と
弁体の上流側及び下流側の差圧と個々のバタフライ弁に
固有の特性とに支配される。即ち流量Ｑは弁開度θ及び
差圧ΔＰを変数とする個々のバタフライ弁に固有の関数
Ｆとして式１のように表わすことができる。

【００２０】Ｑ＝Ｆ（θ，ΔＰ）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（１）関数Ｆは、バタフライ弁の本体の径や、弁体の形状など
により決まるが、関数Ｆが弁開度θの増加に伴ない増加
する関数であり、且つ差圧ΔＰの増加に伴ない増加する
関数であることは直感的にも理解されよう。従って、各
々のバタフライ弁における固有の関数Ｆを実験解析や理
論解析により求めておけば、そのバタフライ弁の使用に
際しては流量Ｑを求める為には、弁開度θと差圧ΔＰと
を測定し、これらを関数Ｆに代入すれば流量Ｑが得られ
る。

【００２１】本願発明者は、流体により弁棒を軸として
弁体に作用するダイナミックトルクが、流体の流量によ
り変化する点に着目する。即ち、前述の関数Ｆの代わり
に、弁開度θと該ダイナミックトルクＴとを変数とする
流量Ｑを表わす式２のような関数Ｇについて検討する。

【００２２】Ｑ＝Ｇ（θ，Ｔ）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（２）この関数Ｇについての検討の為、本願発明者は、以下
ｉ）からｖｉｉ）実験を行なう。

【００２３】ｉ）バタフライ弁に対して所望の差圧Δ
Ｐを作用させる。

【００２４】ｉｉ）バタフライ弁の弁開度θとトルク
Ｔとバタフライ弁を通過する流体の流量Ｑとを夫々測定
する。

【００２５】ｉｉｉ）弁開度θを固定し、差圧ΔＰを
変化させ、その際のトルクＴの変化及び流量Ｑの変化を
記録する。

【００２６】ｉｖ）弁開度θを適当な角度Δθだけ変
化させてｉｉｉ）の測定／記録を行なう。

【００２７】ｖ）弁開度θ＝０°から９０°まで間隔
Δθで全てについて、ｉｉｉ）及びｉｖ）を繰り回して
測定／記録を行なう。

【００２８】ｖｉ）必要とあらば、様々な流体につい
てｉ）〜ｖ）を行なう。

【００２９】ｖｉｉ）様々なバタフライ弁について
ｉ）〜ｖｉ）を行なう。

【００３０】以上の実験ｉ）からｖｉｉ)の結果から、
実践的には関数Ｇが成立することが分かる。従って、次
に、この実験データを用いて適当な補間法により実験デ
ータの間隔を埋めることにより、あるいは適当な近似式
を用いることによりこのバタフライ弁に固有の関数Ｇが
実験式として得られる。

【００３１】従って、このバタフライ弁の実際の使用に
際しては、この固有の関数Ｇを用いることにより、弁開
度θ及びトルクＴの測定により、差圧ΔＰを測定するこ
となく、流量Ｑを一義的に算出することが可能となる。

【００３２】実験により実践的に関数Ｇが成り立ち、且
つ具体的に関数Ｇが求められることの理論的裏付を以下
に示す。

【００３３】一般にバタフライ弁の容量係数であるＣｖ
値（流量Ｑと差圧ΔＰとを変数に持つ関数値）と弁開度
θとの間には関数が成り立つ事が知られている。

【００３４】一方で、バタフライ弁の実用トルク係数で
あるＣｕ値（トルクＴと差圧ΔＰとを変数に持つ関数
値）と弁開度θの間には関数が成り立つ。

【００３５】従って、今、Ｃｖ値及びＣｕ値を夫々式で
表わすと式３及び式４となる。Ｃｖ＝ｆ（Ｑ，ΔＰ）‥‥‥‥‥‥‥‥（３）Ｃｕ＝ｇ（Ｔ，ΔＰ）‥‥‥‥‥‥‥‥（４）ここで、次に示す式５及び式６が成立すると仮定する
と、Ｃｖ＝ｆｆ（θ）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（５）Ｃｕ＝ｇｇ（θ）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（６）式３及び式５からＱ＝ｆ’（Ｃｖ，ΔＰ）＝ｆ’（ｆｆ（θ），ΔＰ）‥‥‥‥‥（７）が成り立つ。式４及び式６から、 ΔＰ＝ｇ’（Ｃｕ，Ｔ）＝ｇ’（ｇｇ（θ），Ｔ）‥‥‥‥‥‥（８）が成り立つ。従って式７及び式８から、Ｑ＝ｈ（ｆｆ（θ），ｇ’（ｇｇ（θ），Ｔ））＝ｋ（Ｔ，θ）‥‥（９）が成り立つ。ここで、式９は、式２と等しく、従って関
数ｋと関数Ｇとは等しい。即ち、本願発明者による実験
は、式５及び式６が成立するという仮定が実践的な意味
で正しい事を確認すると共に実験式により式５及び式６
におけるｆｆ（θ）及びｇｇ（θ）を求める事と実質的
に同一である。

【００３６】

【実施例】以下、本発明を図面に示す好ましい実施例に
よって説明する。

【００３７】図１は本発明の一実施例であるバタフライ
弁を示す。本体１には本体１の内径よりも僅かに小さい
外径を有する弁体２が内蔵されており、弁体２は弁棒３
によって本体１に回動自在に固定されている。弁体２の
弁棒３に対する配置の仕方は、本実施例では中心型であ
るが、偏心型でも良い。弁棒３と本体１に設けられた軸
受け穴との間の密封性を保つためにグランドパッキン７
及びシールリング８が設置されている。弁棒３の回動を
円滑にするためにシャフトベアリング６が設置されてい
る。このように構成された本体１は周知の方法で図２の
ごとく管１００に接続される。

【００３８】管１００については金属又は樹脂などから
なり、その内径は数ｍｍから数ｍの間にあるものが好ま
しいが、十数ｍｍから数ｍのものがより好ましく、数十
ｍｍから数ｍのものが更に好ましい。様々な内径をもつ
管１００に対して管１００の内径と同程度の内径をもつ
本体１が適用される。管１００及び本体１の内径が大き
い程、即ち、弁体２が大きい程、信号としての流体の流
れにより弁棒３を軸として弁体２に作用するダイナミッ
クトルクは大きくなり、測定の精度を高めることがより
容易となる。逆に弁体２が小さい程、信号としての該ダ
イナミックトルクは小さくなり、精度の高い測定を可能
とする為には電気的雑音などの雑音をより小さくするこ
とが好ましい。尚、管１００の内径と本体１の内径とは
より一致している程管１００と本体１とのつなぎ目にお
いて発生し得る流れの乱れを阻止し、従ってより層流に
近い流れが本体１に流れ込むことになり、流量のより大
きい流れの測定に対して有利となる。

【００３９】本実施例においては、弁体２の外径は本体
１の内径よりも僅かに小さいが故に弁開度０°において
も完全密封状態は保たれないが、ゴム，テフロン又は金
属などからなるシートリング又は０−リングなどを本体
１の内周面に沿って配置し、弁開度０°においてのバタ
フライ弁の密封性を確保するように構成してもよい。
又、完全密封可能な他のバタフライ弁又は他の種類の弁
を管１００に対してバタフライ弁と直列に配置すること
もできる。

【００４０】弁棒３の一端９には、図２に示されたアク
チュエータ１１が周知の方法で接続されている。アクチ
ュエータ１１により、弁体２は弁棒３を軸に回動され、
且つ、ある角度に固定されることにより弁開度が決定さ
れる。アクチュエータ１１としては電動式アクチュエー
タ、空気圧式アクチュエータ、ダイアフラム式アクチュ
エータ及び電磁式アクチュエータなどのアクチュエータ
の使用が可能である。又、手動により弁棒３を回動して
も良い。

【００４１】弁棒３には、弁棒３の微小なねじれを検出
すべく歪計１２が設置されている。歪計１２としては公
知の歪ゲージが好ましい。トルク変換器１３は歪計１２
により検出されるねじれを弁棒３を軸として弁体２にか
かるダイナミックトルクに換算して出力する。即ち、歪
計１２とトルク変換器１３とが、弁棒３を軸として弁体
２に作用するダイナミックトルクを検出するトルク検出
手段１４を構成する。

【００４２】弁棒３を軸として弁体２にかかるダイナミ
ックトルクを検出する手段としては、上記の他、周知の
数々のトルク検出機器を使用することが出来るが、要求
される精度とコストの面から最適のものが選択されるべ
きである。又、弁棒３に発生する曲げ歪が雑音として歪
計１２の測定信号に混入するのを阻止すべく、シャフト
ベアリング６は歪計１２の両側に２列づつ配置されてお
り、歪計１２にこの曲げ歪が伝わるのを防いでいる。更
に、歪計１２は弁棒３において、弁体３に作用するダイ
ナミックトルクがより直接的に伝わる部分に設置される
ことが望ましく、本実施例ではシャフトベアリング６及
びグランドパッキン７を介して弁体２の比較的近くに位
置する弁棒３の部分に設置されている。このようにする
ことにより、弁体２に作用するダイナミックトルクの検
出の精度を向上させることができる。

【００４３】弁棒３の回転量は弁棒３の周上に設けられ
た歯車１０及び歯車１０とかみ合う歯車４を介して角度
センサとしてのポテンショメータ１５により検出され、
弁開度変換器１６は、ポテンショメータ１５からの信号
をバタフライ弁の弁開度に換算して出力する。本実施例
では歯車４及び歯車１０の歯車比により、弁棒３の回転
角を２倍に増幅し、より精度の高い弁開度の検出を可能
とする。即ち歯車１０、歯車４、ポテンショメータ１５
及び弁開度変換器１６が弁開度検出手段１７を構成す
る。ポテンショメータ１５はアクチュエータ１１に内蔵
されても良く更にアクチュエータ１１を構成する他の歯
車を介して弁棒３の回転を検出してもよい。

【００４４】弁開度検出手段１７としては、歯車４又は
１０の歯数を直接的に又は間接的に数えるロータリエン
コーダを歯車４又は１０に接続してもよく、歯車４又は
１０の歯数を弁棒３の回転角度、即ち、弁開度に換算し
て出力するように構成してもよい。又、弁開度検出手段
１７は弁体２に対してトルク検出手段１４と反対の側の
弁棒３の部分に設けてもよい。弁開度の測定手段として
は、その他にも様々な周知手段が適用されよう。尚、図
２に管１００に設置された本実施例のバタフライ弁の概
略図を示した。

【００４５】本発明によれば、トルク検出手段１４から
出力される測定されたダイナミックトルクＴｍ及び弁開
度検出手段１７から出力される測定された弁開度θｍか
らバタフライ弁を通過する流体の流量を間接的に求める
ことができる。

【００４６】最も基本的な方法としては、電卓などを用
いた手作業として、トルクＴｍ及び弁開度θｍを、当該
バタフライ弁に特有であり予め設定し得るダイナミック
トルクＴと弁開度θとの関数として流量を表わした式
２；Ｑ＝Ｇ（θ，Ｔ）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（２）に代入すれば、トルクＴｍ及び弁開度θｍに対応する流
量Ｑｍが一義的に求められる。又は、予め設定し得るト
ルクＴと弁開度θと流量Ｑとの関係を示すチャートによ
ってトルクＴｍと弁開度θｍとから対応する流量Ｑｍを
求めることもできる。即ち、トルク検出手段１４と弁開
度検出手段１７とにより本発明の第１の目的は達成され
る。

【００４７】しかしながら、本実施例では、トルク検出
手段１４から出力されるトルクＴｍ及び弁開度検出手段
１７から出力される弁開度θｍは、流量計算手段１８に
入力される。流量計算手段１８は、予め設定し得る各バ
タフライ弁に特有な式２に表わされる関数Ｇを記憶する
記憶装置１９と、関数ＧにトルクＴｍ及び弁開度θｍを
代入して演算する演算器２０とからなり、入力されるト
ルクＴｍ及び弁開度θｍに対応した流量Ｑｍを迅速に計
算し出力する。

【００４８】尚、この際、式２による演算結果に対し
て、温度による補正や、流体の粘度や比重などについて
の補正を行なうようにしてもよく、この場合、必要な補
正量は、あらかじめ記憶装置１９に記憶しておくとよ
い。

【００４９】又、流量測定時の温度ｔ、粘度ξ及び比重
ｇｒなどは、外部から設定するパラメータとして流量計
算手段１８に入力してもよいし、又は、バタフライ弁の
付近における流体流路に温度計、粘度計及び比重計など
を別途に設けて、これらの測定出力データを自動的に流
量計算手段１８に入力してもよい。

【００５０】又、前述の温度ｔ、粘度ξ、及び比重ｇｒ
などを補正のパラメータとしてではなく、予め設定し得
る流量を表わす関数Ｇ’の変数とすることもできる。こ
の場合は、即ち、式１０に示す関数Ｇ’；Ｑ＝Ｇ’（Ｔ，θ，ｔ，ξ，ｇｒ）‥‥‥‥‥（１０）を設定する必要があり、この関数Ｇ’を実験により設定
するのは、関数Ｇを設定するのに比べて多くの実験をす
る必要があるが可能である。

【００５１】このような関数Ｇ’を設定し、流量計算手
段１８に記憶させておけば、多種多様の状況に適用でき
る流量測定機能を有するバタフライ弁が得られる。従っ
て、本実施例における流体は水、アルコール、潤滑油、
燃料油、石油など液体であれば種類を問わず適応され
得、トルク検出手段の精度の向上などにより、空気、燃
焼ガス、燃料ガス、蒸気などのあらゆる気体にも応用さ
れ得る。

【００５２】流量計算手段１８から出力された流量Ｑｍ
は本実施例においては調節手段２１に入力される。調節
手段２１には、外部から所望の設定流量Ｑｄが設定され
る。外部からの流量Ｑｄの設定は、周知の遠隔操作手段
を用いることにより通信機器を介して遠隔地から設定可
能にしても良いし、機側において設定してもよい。調節
手段２１は、流量Ｑｍと流量Ｑｄとの差を計算し、この
差に応じてアクチュエータ１１がこの差を小さくする方
向に回動するように、アクチュエータ１１に指示する。

【００５３】次に本実施例の作動について説明する。本
体１がバタフライ弁により流量制御をすべき管１００の
部分に直列に配置されると、管１００内を流れる水、油
などの流体が、バタフライ弁の上流側と下流側との流体
の圧力差と、弁開度とに応じて流れる。

【００５４】本実施例においては弁開度は０°から９０
°の間を取り得、弁開度０°とは、弁を閉めた状態であ
り、流体は弁体２と本体１との間の僅かな隙き間を通過
して流れるのみである。弁開度９０°とは弁を完全に開
いた状態であり、バタフライ弁の上流側と下流側との流
体の圧力差は最小となる。

【００５５】今、任意の弁開度に対して、流体がバタフ
ライ弁を通過して流れているとする。弁開度検出手段１
７は、弁開度を検出して弁開度θｍとして出力する。他
方、トルク検出手段１４は、流体により弁棒３を軸とし
て弁体２に作用するダイナミックトルクを検出してトル
クＴｍとして出力する。弁開度ＱｍとトルクＴｍとを受
けた流量計算手段１８は式２又は式１０に示された関数
Ｇ又はＧ’により対応する流量Ｑｍを計算し、調節手段
２１に出力する。流量Ｑｍをうけた調節手段２１は、外
部から設定された所望の流量Ｑｄと測定された流量Ｑｍ
との間に差があれば、アクチュエータ１１に対して、こ
の差が小さくなるように指示する。即ち、調節手段２１
は、アクチュエータ１１に対して、イ）Ｑｄ＞Ｑｍであれば、弁開度を大きくするように
回動の指示をし、ロ）Ｑｄ＜Ｑｍであれば、弁開度を小さくするように
回動の指示をし、ハ）Ｑｄ＝Ｑｍであれば、回動の指示をしない。

【００５６】従って、流量Ｑｍが流量Ｑｄに限りなく近
づくようにアクチュエータ１１が回動する一つのフィー
ドバックループが、本実施例により構成される。アクチ
ュエータ１１の回動により流量Ｑｍと流量Ｑｄとが一致
すると調節手段２１がアクチュエータ１１に対し回動指
示を出さなくなるので、アクチュエータ１１は回動せず
弁開度は固定され、従って流量Ｑｍは維持される。

【００５７】更に流量Ｑｍと流量Ｑｄとが一致している
時にバタフライ弁の上流側又は／及び下流側の圧力が変
化すると流量Ｑｍは変化するが、本実施例によれば前述
のフィードバック機能により、流量Ｑｄに迅速に一致さ
せることが出来る。

【００５８】本実施例においては、流量を測定するため
のセンサとして弁体２を機能させ、且つセンサとしての
弁体２から得られた流量情報を基に絞りとして再び弁体
２を機能させるが故により直接的であり、空間的及び時
間的により正確な流量制御をすることが可能である。

【００５９】次に本実施例における関数Ｇの設定につい
て述べる。式１に表わされる関数Ｆについては周知であ
り、実践的には、式１１が一般に用いられる。

【００６０】Ｑ＝Ｆ（θ，ΔＰ）＝αＣｖ√ΔＰ‥‥‥‥‥（１１）ただし、Ｃｖ＝ｆｆ（θ）‥‥‥‥‥（５）ここで、αは、流体の比重や粘性や温度などに基く補正
係数である。式１１の意味するところは、弁開度θを固
定すれば、流量Ｑと差圧ΔＰの平行根とは比例関係にあ
り、その比例定数は、α×Ｃｖであるということであ
る。図３に式１１の関係の一例を、図４に式５の関係の
一例を夫々示す。本実施例においては、式１１を仮定す
る。

【００６１】一方、トルクＴと弁開度θと差圧ΔＰの関
係については、本実施例では次に示す式１２を仮定す
る。

【００６２】Ｔ＝Ｈ（θ，ΔＰ）＝βＣｕ√ΔＰ‥‥‥‥‥（１２）ただし、Ｃｕ＝ｇｇ（θ）‥‥‥‥‥（６）ここで、βは流体の比重や粘性や温度などに基く補正係
数である。式１２の意味するところは、弁開度θを固定
すれば、トルクＴと差圧ΔＰの平行根とは比例関係にあ
り、その比例定数はβ×Ｃｕであるということである。
図５に式１２の関係の一例を、図６に式６の関係の一例
を夫々示す。

【００６３】以上の式１１及び式１２から差圧ΔＰを消
去すれば、式１３が得られる。

【００６４】Ｑ＝Ｇ（θ，Ｔ）＝（α／β）（Ｃｖ／Ｃｕ）Ｔ‥‥‥‥‥（１３）ただし、Ｃｖ＝ｆｆ（θ），Ｃｕ＝ｇｇ（θ）式１３の意味するところは、弁開度θを固定すれば、流
量ＱとトルクＴとは比例関係にあり、その比例定数は
（α／β）×（Ｃｖ／Ｃｕ）であるという事である。従
って実験によりθを変化させたときのｆｆ（θ）及びｇ
ｇ（θ）を求めれば、関数Ｇ（θ，Ｔ）を設定し得る。

【００６５】ｆｆ（θ）及びｇｇ（θ）を求める実験の
一つの例を以下に示す。

【００６６】イ．使用機器実験における使用機器としては表に示すものを使用す
る。弁棒３の支持にはベアリング６を使用し本体１の内
径は弁体２の外径＋２ｍｍとする。図７に実験装置の概
要を示す。圧力計２２は、バタフライ弁２７の上流側の
圧力Ｐ₁を測定し、差圧計２３はバタフライ弁２７の上
流側と下流側の差圧ΔＰを測定する。電磁流量計２４に
より、バタフライ弁２７を通過する流量Ｑが測定され
る。流体供給器２５により、流体はバタフライ弁２７及
びバイパス弁２６に供給される。バイパス弁２６は、そ
の弁開度の変更によりバタフライ弁２７に供給される流
量を設定するために使用される。

【００６７】

【表１】

【００６８】ロ．測定方法測定方法としては、Ｄ／Ａ変換器を用いてバイパス弁２
６及びバタフライ弁２７の開度を制御しつつ、バタフラ
イ弁２７の各弁開度θ毎のトルクＴ、差圧ΔＰ、圧力Ｐ
₁及び流量Ｑについて行なう。測定条件としては、サン
プリング周波数２００Ｈｚ、サンプリング点数２００点
／秒、弁開度θの設定間隔０.２ｍＡ、弁開度θの設定
範囲２０ｍＡ〜４ｍＡ、バイパス弁２６の設定間隔１ｍ
Ａ、バイパス弁２６の設定範囲２０ｍＡ〜１０ｍＡとす
る。

【００６９】又、流体としては水を用い、温度を常温に
保つ。測定の具体的な手順は次の（ａ）から（ｇ）に示
す通りである。

【００７０】（ａ）バイパス弁２６の弁開度を設定す
る。

【００７１】（ｂ）バタフライ弁２７の弁開度θを設定
する。

【００７２】（ｃ）トルクＴ、差圧ΔＰ、流量Ｑ、圧力
Ｐ₁及び弁開度θを測定する。

【００７３】（ｄ）測定データを記録する。

【００７４】（ｅ）８０回（ｂ）から（ｄ）を繰り返
す。

【００７５】（ｆ）８０回測定終了すると（ａ）から繰
返す。

【００７６】（ｇ）指定回数（ａ）を繰返すと終了す
る。

【００７７】ハ．実験の結果実験から得られる測定弁開度θｍに対するＣｖ値及びＣ
ｕ値を夫々図８及び図９に示す。図上に得られた点が実
験により得られる離散的な値であるが、本実施例では、
これらの点に対して、４次の近似式を用いて式１４に示
す関数ｆｆ（θ）及び５次の近似式を用いて式１５に示
す関数ｇｇ（θ）を求める。

【００７８】ｆｆ（θ）＝θ⁴Ａ₄＋θ³×Ａ₃＋θ²×Ａ₂＋θ×Ａ₁＋Ａ₀‥‥（１４）ただしＡ₄：−９.１４６×１０^-5 Ａ₃：１.５３１×１０^-2 Ａ₂：−４.７４６×１０^-1 Ａ₁：１.２４２×１０Ａ₀：０.０００ｇｇ（θ）＝θ⁵Ｂ₅＋θ⁴Ｂ₄＋θ³×Ｂ₃＋θ²×Ｂ₂＋θ×Ｂ₁＋Ｂ₀‥‥（１５）ただしＢ₅：８.５４０×１０^-10 Ｂ₄：− １.６７２×１０^-7 Ｂ₃：１.１２５×１０^-5 Ｂ₂：− ３.５７２×１０^-4 Ｂ₁：４.９１９×１０^-3 Ｂ₀：−２.５８８×１０^-2 関数ｆｆ（θ）及び関数ｇｇ（θ）を図１０及び図１１
に示す。よって、本実施例によれば、任意の弁開度θに
対してＣｖ＝ｆｆ（θ）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（５）Ｃｕ＝ｇｇ（θ）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（６）として、Ｃｖ値及びＣｕ値を設定する。

【００７９】よって、このバタフライ弁２７又は、これ
と同型のバタフライ弁を実際に使用する際には、その弁
開度θ及びトルクＴを測定すれば、差圧ΔＰを測定する
ことなく式１３を用いて流量Ｑを計算し得る。

【００８０】尚本実施例では、４次及び５次の近似式を
用いたが他の近似式を用いても良く、例えば、ｎ次の近
似式として式１６及び１７式を用いることが出来る。

【００８１】ただしＡ_j はｊ次の係数。

【００８２】ただしＢ_jはｊ次の係数。

【００８３】又、式１６及び式１７とは異なる周知の近
似式を用いても良い。本実施例の実験における種々の条
件、例えばサンプリング周波数、弁開度の設定間隔、又
は／及びバイパス弁の設定間隔は、要求される流量の測
定精度に応じて変えるのが望ましい。

【００８４】又、本実施例においては、式１１及び式１
２を仮定したが、この仮定は必要ではなく、実験におい
て測定される流量Ｑ、弁開度θ、差圧ΔＰ、及びトルク
Ｔから実験式により関数Ｆ（θ，ΔＰ）及び関数Ｈ
（θ，ΔＰ）を設定してもよい。

【００８５】又、本実施例においては、関数ｆｆ（θ）
と関数ｇｇ（θ）をまず設定してから関数Ｇ（θ，Ｔ）
を設定したが、実験結果から、Ｇ（θ，Ｔ）を直接的に
実験式として設定しても良い。

【００８６】更に実験データから流量Ｑと弁開度θとト
ルクＴとの関係をチャートとしてまとめ、実験データの
示す離散的な点の間を適当な補間関数を用いて適度に埋
め、計算の代わりに該チャートを使って、弁開度θとト
ルクＴとから流量Ｑを求めても良い。

【００８７】尚、以上に述べた流量Ｑの求め方は、コン
ピュータを使う事により、迅速に行なうことが可能であ
る。

【００８８】

【発明の効果】本発明のバタフライ弁によれば、弁開度
検出手段により弁開度が検出されると共にトルク検出手
段により流体により弁棒を軸とし弁体に作用するダイナ
ミックトルクが検出されるが故に、あらかじめ当該バタ
フライ弁に固有の流量と弁開度及びダイナミックトルク
との関係式を設定しておけば、検出された弁開度及び検
出されたダイナミックトルクから流量が求められ得、弁
体に絞りとしての機能の他に流量センサとしての機能を
もたせたが故に空間的及び時間的により直接的に従って
より正確にバタフライ弁を通過する流体の流量を測定し
得、従って、又、この測定された流量を使いより正確で
迅速な流量制御が可能となり、油などの不導電性の流体
にも適用し得、又、所定の流量に制御するのに流体流路
内にバタフライ弁以外には特に流量センサを設置する必
要をなくし得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の一部を示す破断斜視図で
ある。

【図２】本発明の一実施例の概念図である。

【図３】本発明の一実施例を説明するための流量と差
圧の関係を示す図である。

【図４】本発明の一実施例を説明するための容量係数
と弁開度の関係を示す図である。

【図５】本発明の一実施例を説明するためのトルクと
差圧の関係を示す図である。

【図６】本発明の一実施例を説明するための実用トル
ク係数と弁開度の関係を示す図である。

【図７】本発明の一実施例における一実験装置を示す
概念図である。

【図８】本発明の一実施例における一実験の結果とし
ての測定弁開度に対する容量係数値を示す図である。

【図９】本発明における一実施例における一実験の結
果としての測定弁開度に対する実用トルク係数値を示す
図である。

【図１０】本発明の一実施例における一実験の結果か
ら得られた関数ｆｆを示す図である。

【図１１】本発明の一実施例における一実験の結果か
ら得られた関数ｇｇを示す図である。

【符号の説明】

１本体２弁体３弁棒４歯車６シャフトベアリング７グランドパッキン１０歯車１１アクチュエータ１２歪計１４トルク検出手段１５ポテンショメータ１７弁開度検出手段１８流量計算手段２１調節手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弁開度を検出する弁開度検出手段と、流体の流れにより弁棒を軸として弁体に作用するダイナ
ミックトルクを検出するトルク検出手段とを有する前記
流体の流量測定用のバタフライ弁。
【請求項２】請求項第１項に記載のバタフライ弁にお
いて、更に、前記弁体を回動させるアクチュエータを有
するバタフライ弁。
【請求項３】請求項第１項に記載のバタフライ弁にお
いて、更に、予め設定された前記弁開度と前記ダイナミ
ックトルクとの関数として流体の流量を計算する流量計
算手段を有するバタフライ弁。
【請求項４】請求項第３項に記載のバタフライ弁にお
いて、更に、前記弁体を回動させるアクチュエータを有
するバタフライ弁。
【請求項５】請求項第４項に記載のバタフライ弁にお
いて、更に、外部から所望の設定流量が設定可能である
と共に前記計算された流量が前記設定流量に近くなるよ
うに前記アクチュエータに回動すべく指示をする調節手
段を有するバタフライ弁。
【請求項６】前記調節手段は、遠隔操作手段により通
信機器を介して遠隔地から前記設定流量を設定し得るよ
うに構成されていることを特徴とする請求項第５項に記
載のバタフライ弁。
【請求項７】前記アクチュエータが電動式アクチュエ
ータ、空気圧式アクチュエータ、ダイアフラム式アクチ
ュエータ、又は電磁式アクチュエータである請求項第２
項、第４項、第５項又は第６項に記載のバタフライ弁。
【請求項８】前記トルク検出手段が前記弁棒に設置さ
れた歪計を含むことを特徴とする請求項第１項から第７
項のいずれか一項に記載のバタフライ弁。
【請求項９】前記弁開度検出手段が前記弁棒に接続さ
れた角度センサを含むことを特徴とする請求項第１項か
ら第８項のいずれか一項に記載のバタフライ弁。
【請求項１０】前記角度センサが前記弁棒に接続され
たポテンショメータ又はロータリエンコーダを含むこと
を特徴とする請求項第９項に記載のバタフライ弁。
【請求項１１】前記弁体が中心型又は偏心型であるこ
とを特徴とする請求項第１項から第１０項のいずれか一
項に記載のバタフライ弁。
【請求項１２】バタフライ弁において弁開度を検出す
ると共に流体の流れにより弁棒を軸として弁体に作用す
るダイナミックトルクを検出し、前記検出された弁開度
と前記検出されたダイナミックトルクとの関数として前
記流体の流量を求める方法。
【請求項１３】実験により、前記弁開度と前記ダイナ
ミックトルクと前記流量との関係を求め前記関数を推定
することを特徴とする請求項第１２項に記載の方法。
【請求項１４】弁開度を固定した場合、前記ダイナミ
ックトルクと前記流量とが比例関係にあるものとして前
記関数を推定することを特徴とする請求項第１３項に記
載の方法。
【請求項１５】前記弁開度と前記ダイナミックトルク
と前記流量との関係を示すチャートを用いて前記流量を
求める請求項第１２項に記載の方法。
【請求項１６】実験により、前記弁開度と前記ダイナ
ミックトルクと前記流量との関係を求め前記チャートを
得る請求項第１５項に記載の方法。
【請求項１７】コンピュータにより前記流量を求める
請求項第１２項から第１６項のいずれか一項に記載の方
法。
【請求項１８】請求項第１２項に記載の方法により得
られた測定流量が、所望の設定流量に近くなるように前
記弁開度を変化させることを特徴とするバタフライ弁に
おいて流量を制御する方法。