JP2007525622A - 流れ制御デバイスのためのダイヤフラムモニタリング - Google Patents

Abstract

ダイヤフラムバルブのためのダイヤフラムの位置検知および運動検知が、１つ以上のセンサー（５０）を用いて実現される。このセンサー（５０）は、ダイヤフラム（２０）上に直接配置されるか、または他の関連部分よりはむしろダイヤフラムそれ自体を直接検出する。本発明は、多くの異なるタイプのセンサーを企図し、そして温度補償をも企図する。本発明は、実に様々な産業における用途を見出し、そして高温（例えば、２００℃）、高サイクルおよび高偏向ダイヤフラムバルブ用途に適している。

Description

（関連出願）
本願は、以下の係属中の、ＤＩＡＰＨＲＡＧＭ ＶＡＬＶＥ ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧについての２００４年３月１日出願の米国仮特許出願第６０／５４９，００５号、およびＤＩＡＰＨＲＡＧＭ ＶＡＬＶＥ ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧについての２００３年１０月３日出願の同６０／４８１，４６３号の利益を主張し、これらの開示の全体が本明細書中に参考として援用される。

（技術分野）
本発明は、ダイヤフラムを使用し、そしてこのようなシステムにおいて使用される流体取扱いシステムおよびダイヤフラムを使用し、そしてこのようなシステムにおいて使用される流れ制御デバイスに関する。本発明は、特に、そのダイヤフラムの状態の正確なフィードバックが望ましい任意の用途において、半導体加工、分析機器、生物学的製剤などにおいて使用されるバルブおよび調節器に適用可能である。

（発明の背景）
流体取扱いシステムは、多くの場合、システム内の流体流れを調節し、そして制御するためのダイヤフラムを含む。本発明の教示から恩恵を受け得るシステムのタイプのいくつかの例を挙げれば、いくつかの流体取扱いシステムは、高純度の物質または毒性物質または非常に高価な生物学的製剤製品の流れを制御する。例えば、半導体加工、分析機器、生物学的製剤などにおいては、そのバルブの状態の正確なフィードバックが望ましい。

ダイヤフラムバルブの状態についての適切なフィードバックは、正確な流れ制御およびプロセス制御のために重要である。バルブ状態としては、ダイヤフラムが使用されて開閉するオリフィスに対するダイヤフラムの位置に言及する場合、開、閉または中間（遷移または別様）が挙げられ得る。ダイヤフラム位置は、アクチュエーターにより制御される。公知のアクチュエーターは、手動で、または空気式デバイス、油圧式デバイスもしくは電動式デバイスにより作動され得る。代表的には、アクチュエーターは、そのダイヤフラムの非湿潤表面に接触する心棒またはプランジャーを含み、その結果、その心棒の運動が、バルブを開閉するためのダイヤフラムの所望の偏向または運動を引き起こす。この心棒は、そのダイヤフラムに「接合され得る」かもしくは機械的に結合され得るか、または単純にそのダイヤフラムの一方の側面に接触され得る。空気式ピストンまたは油圧式ピストンまたは電気機械的プランジャーは、代表的には、上記心棒の運動を引き起こすために使用される。手動バルブに対しては、ハンドルの回転が、アクチュエーター心棒の運動を引き起こす。回転式のアクチュエーターはまた、空気式動力、油圧式動力または電気的動力を用いて作動され得る。

公知のダイヤフラムバルブにおいて、このダイヤフラムの一方の側は、そのアクチュエーター機構に面し、そしてプロセス流体には曝露されていない。ダイヤフラムのこの側は、一般に「非湿潤（ｎｏｎ−ｗｅｔｔｅｄ）」側または「非プロセス」側として公知である。そのダイヤフラムの反対側は、流れオリフィスのまわりの弁座に物理的に接触し、っ従って一般に「湿潤（ｗｅｔｔｅｄ）」側または「プロセス」側と称される。接合ダイヤフラム設計において、ダイヤフラムの湿潤側のバルブ空洞中に延びる心棒は、代表的には、その弁座に接触しそれをシールする。

このプロセス流体を損ねるという危険を最小にするために、公知のダイヤフラムバルブ状態の表示器は、上記アクチュエーターの１つ以上の構成要素の位置または位置変化を検出することに基づいている。しかし、ダイヤフラムの屈曲および運動ならびに垂直公差スタックアップに起因して、そのアクチュエーター位置は、必ずしも、ダイヤフラム位置の正確な指標ではない。特に、接合ダイヤフラムを使用しないダイヤフラムバルブにおいては、アクチュエーター心棒は、ダイヤフラムが閉位置に重ねられ得るとしても、運動し得、そして垂直に働いているように見え得る。このような異常は、製品の遺失をもたらし得る。

圧力トランスデューサーはまた、上記の産業において一般に使用される。公知の圧力トランスデューサーは、プロセス流体バリア（いくつかの設計においては、ダイヤフラムを含む）に取り付けられたひずみ計を使用し得る。代表的には、このひずみ計は、接着剤結合のような適切な技術により取付けられる。圧力トランスデューサーダイヤフラムは、代表的には、ダイヤフラムの上下での圧力差に応答して、１インチの千分の２、３以下を偏向することを必要とするだけである。

（発明の要旨）
本発明は、ダイヤフラムバルブにおけるダイヤフラムの位置および／または運動を検出するための方法および装置に関する。本発明は、実に様々な産業における用途を見出し、そして高温（例えば、２００℃）、高サイクルおよび高偏向ダイヤフラムバルブ用途に適している。しかし、本発明は、このような性能範囲に限定されず、そしてより低温またはより高温、より低サイクルまたはより高サイクルおよびより低偏向またはより高偏向の範囲の用途を見出し得る。本発明の１つの局面によれば、バルブ内のアクチュエーターまたは他の構造体を介して間接的にダイヤフラムの位置または運動を検出することとは明確に対照的に、ダイヤフラムそれ自体を直接検出することにより、ダイヤフラムの位置または運動を測定または検出するための装置および方法が提供される。このダイヤフラムは、単層または多層であり得る。１つの実施形態において、ひずみ計センサーが、そのダイヤフラムの表面上に、直接堆積されるか、または別な様に付与されるかもしくは配置される。好ましくは、必ずというわけではないが、上記センサーは、上記ダイヤフラムの非湿潤側に配置される。このセンサーはまた、多層ダイヤフラムの層間に配置され得る。

ひずみ計は、ダイヤフラムの位置および／または運動を直接かつ正確に検出するように、ダイヤフラム表面上に、密接に堆積されるかまたは配置される。このダイヤフラムバルブは、開位置および閉位置で使用され得るか、あるいは開位置と閉位置との間の中間位置でダイヤフラムを用いて計量機能を提供するために使用され得る。

本発明の別の局面によれば、例えば抵抗ひずみ計のようなひずみ計が、任意の適切な技術により、ダイヤフラムの表面上に堆積または配置される。本発明の１つの実施形態において、抵抗ひずみ計は、気相成長により上記ダイヤフラムの表面に付与される。商業的に利用可能でかつ本発明に適している気相成長の例としては、物理的気相成長（ＰＶＤまたはスパッタリング）および化学的気相成長（ＣＶＤ）が挙げられるが、これらに限定されない。ひずみ計または他のセンサーが、代替的に、ダイヤフラムに隣接して結合され得るかまたは別な様式で取付けられ得るか、あるいは保持され得る。

本発明の別の実施形態において、複数のひずみ計が使用される。これらのひずみ計は、ダイヤフラムの中心軸に対して異なる配向で上記ダイヤフラムの表面上に配置される。結果として、このダイヤフラムが閉位置に向かって偏向される場合、上記センサーは、圧縮かつ緊張状態に置かれ、そして従って異なる符号の出力信号を提供する。このことは、上記システムの感度を上昇させるのに役立つ。

静電容量型センサーおよび誘導型センサーがまた、位置感知および圧力感知のために適切として開示される。

本発明のさらなる実施形態によれば、温度センサーが、任意の適切な技術で上記ダイヤフラムの表面上に堆積または配置される。その温度感知機能は、ひずみ計により提供される機能と補完的であり得るか、またはそれとは独立であり得る。具体的には、感知された温度は、このひずみ計センサーにより提供される圧力信号または位置信号の電子的補償を提供するために使用され得、ダイヤフラムの位置または運動のより正確な表示を提供する。あるいは、このひずみ計センサーの出力とは独立の温度読み取りを提供するために使用され得、プロセス温度のみを測定する。温度センサーは、バルブに対する加熱機構または冷却機構にフィードバックを提供するために使用され得る。

本発明のセンサーは、ダイヤフラムの位置以外の因子をモニタリングするために使用され得る。例えば、これらのセンサーは、圧力を検出するためおよび／または状況が問題になる前の、差し迫ったかもしくは初期のダイヤフラムの破壊（ひび割れ）の検出を可能にするために使用され得る。

本発明のこれらの局面および利点ならびに他の局面および利点は、添付の図面を参酌して、以下の好ましい実施形態の記載から当業者に明らかである。

（例示的な実施形態および最良の様式の説明）
図１を参照して、本発明の１つの実施形態を組込む例示的なダイヤフラムバルブが、縦断面図で図示される。本発明を取り入れるための改変を除き、このバルブは、Ｓｗａｇｅｌｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｏｌｏｎ，Ｏｈｉｏから市販されているＤＰ Ｓｅｒｉｅｓダイヤフラムバルブのような市販の設計である。適切なダイヤフラムバルブの設計はまた、以下の米国特許第６，３９４，４１７号；同６，１８９，８６１号；同６，１２３，３２０号；および同４，６７１，４９０号に教示され、これらの開示の全体が、完全に本明細書中に参考として援用される。しかし、本発明は、センサーがダイヤフラムの表面または他の部分に付与され得るかまたはそれらと作動可能に結合され得る任意のダイヤフラムバルブ設計における用途を見出す。本発明は、接合ダイヤフラムバルブ設計および非接合ダイヤフラムバルブ設計とともに使用され得る。

本発明の種々の局面が、例示的な実施形態において組合せて具現化されるように、本明細書中に記載され図示されるが、これらの種々の局面は、多くの代替の実施形態において、個々にかまたはその種々の組合せおよび部分組合せかのいずれかにおいて、実現され得る。明示的に本明細書中で排除されない限り、すべてのこのような組合せおよび部分組合せは、本発明の範囲内であると意図される。なおさらに、本発明の種々の局面および特徴（例えば、代替の材料、構造、配置、方法、デバイス、ソフトウェア、ハードウェア、制御論理など）に関する種々の代替の実施形態が本明細書中に記載され得るが、このような記載は、現在公知であるか後に開発されるかにかかわらず、利用可能な代替の実施形態の完全かつ網羅的な一覧表であることを意図していない。当業者は、本発明の局面、思想、または特徴の１つ以上を、たとえそのような実施形態が本明細書中に明示的に記載されていなくとも、本発明の範囲内のさらなる実施形態に採用し得る。さらに、本発明のいくつかの特徴、思想または局面が、本明細書中に好ましい構造または方法であるとして記載され得るとしても、このような記載は、このような特徴が必要とされるかまたは必要であると明示的に述べられていない限り、そのようなことを示唆することを意図されていない。なおさらに、例示的または代表的な値および範囲が、本発明を理解する際の補助とするために含まれ得るが、このような値および範囲は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、臨界値または臨界範囲であると明示的に記される場合にのみ、そのように意図される。

次いで図１の例示的なバルブにおいて、バルブアセンブリＡは、入口または第１の流路１２および出口または第２の流路１４を有するバルブ本体１０を含む。流路１２、１４は、バルブアセンブリＡをプロセスフロー中に設置するための適切な継手または他の構造物（示さず）を含む。このバルブ本体１０において、第１のオリフィス１６は、バルブ本体１０のバルブ空洞表面１８中に機械加工される。第１のオリフィス１６は、ダイヤフラム２０の作動により流体流れへ開けられるかまたは閉じられる。図１において、バルブＡは、開位置にある。開いている場合、第１のオリフィス１６は、第２のオリフィス２２と流体連通している。いずれかのオリフィス１６、２２および連結している流路１２、１４は、バルブアセンブリＡについての入口流れ通路または出口流れ通路として機能する。

バルブアセンブリＡは、ダイヤフラム２０の運動および位置を制御してこのバルブを開閉し、そして／またはそれを通る流れを調節するためのアクチュエーターアセンブリ３０を含む。この例において、アクチュエーター３０は、空気式であり、アクチュエーターピストン３４を滑動可能に保持するアクチュエーターハウジング３２を含む。ピストン３４は、必要な場合には、適切なシール３４ａを含み得る。供給源３６からの空気圧が、適切な継手（示さず）を使用して、キャップ３３を通して、ピストン３４の一方の側の環状ピストンチャンバ３５に提供される。代表的には、ばねのような付勢デバイス３８が、上記バルブアクチュエーターを第１の位置に付勢するために使用される。上記空気圧は、アクチュエーターピストン３４を、付勢力に対して第２の位置（示さず）に運動させるために使用される。図１のバルブは、通常は開いたバルブとして示されているが、しかし通常は閉じたバルブは、当該分野で周知のように、使用され得る。図２は、通常は閉じたバルブ配置を図示するが、本発明のすべての他の局面は、図２の実施形態に適用可能である。さらに、アクチュエーター３０は、必要な場合は、空気式、油圧式、電気式などであり得、そして当該分野で周知である。本発明はまた、手動で作動するバルブとともに使用され得る。

バルブボンネット４０は、バルブ本体に対して、ダイヤフラム２０の周辺部をシールするようにクランプ止めするために使用される。ボンネット４０は、ボンネットナット４２により上記バルブ本体１０に固定される。ボンネットナット４２は、バルブ本体１０とねじにより組み合わされる。アクチュエーターハウジング３２はまた、ボンネットナット４２にねじにより結合され得る。ボルトまたは溶接のような他の機構が、当該分野で周知のように、バルブアセンブリＡを一緒に固定するために使用され得る。

バルブピストン３４は、アクチューエーター心棒またはプランジャー４４を含むか、またはそれと作動可能に結合される。心棒４４が、ダイヤフラムの非湿潤側２０ａ（湿潤側２０ｂの反対側である）に接触するか、または多くの場合ボタン４６が使用され得るかのいずれかである。あるいは、アクチュエーター心棒４４は、公知のように、ダイヤフラム２０に接合され得る。

これまで記載されるようなバルブアセンブリＡは、古くからあり、そしてそれがどのように機能するかについて、当業者に周知である。そのバルブを閉じるために、付勢３８に打ち勝つに十分な量の空気圧が、アクチュエーターハウジング３２に導入される。これは、ピストン３４、そして従って心棒４４およびボタン４６の直線的な運動または並進を引き起こす。心棒４４のこのような並進（図１の視野では下向き）は、ダイヤフラム２０がオリフィス１６の周りで空洞表面１８に載る場合は、バルブを閉じる。あるいは、上記ダイヤフラムは、バルブ本体に設置される弁座の一部である表面をシールし得る。空気圧が解放されて付勢部材３８の付勢力未満になった場合、そのバルブは開く。中間バルブへの空気圧を制御することにより、バルブはまた流れ調整器として使用され得る。

種々のバルブ構成要素は、例えば、金属（ステンレス鋼が挙げられるがこれに限定されない）および非金属（例えば、プラスチック）のような、用途に適しかつプロセス流体と適合性の材料から作製され得る。

本発明の１つの局面によれば、センサー５０は、ダイヤフラム２０の表面上に配置される。例示的な実施形態では、センサー５０は、非湿潤側２０ａ上に配置されているが、あるいは湿潤側２０ｂ上または多層ダイヤフラム（示さず）の層の間、あるいは多層構造（示さず）の任意のダイヤフラム表面にあり得る。

そのセンサーは、好ましくは、抵抗ひずみ計であるが、そうである必要はない。あるいは、センサー５０は、特定の用途に依存して、ピエゾ抵抗性、圧電性、光学的などであり得る。センサー５０をダイヤフラム上に配置することによって、センサー５０は、例えば信号のような出力を生成するか、または上記ダイヤフラムの屈曲または変位に起因するダイヤフラム２０の運動および／または位置に関して変化する（この場合は抵抗率のような）特徴を示す。ワイヤ５２は、外部からセンサー５０の出力にアクセスするか、または上記特徴を検出するために使用され得る。センサーの電子回路５４は、センサー出力を受け取るかまたはダイヤフラムの運動とともに変化するセンサー特徴を検出するように、信号ワイヤ５２に接続される。抵抗ひずみ計タイプセンサー、ホイートストンブリッジ回路が、センサー出力を検出するために、従来の様式で使用され得る。あるいは、無線または光学的接続が、使用され得る。あるいは、回路５４は、バルブＡ内に組込まれ得る。回路５４は、任意の適切な形態の出力（視覚的読みとりおよび／または無線出力信号を含むがこれらに限定されない）を提供し得る。

図１に図示されるように、センサー５０は、任意の適切な技術（ワイヤ５２のようなハードワイヤの接続、光学的接続または無線接続を含むがこれらに限定されない）により、センサー回路５４に結合される。図示される実施形態において、ワイヤ５２は、バルブＡ構造体を通る適切な通路を経由して、（回路５４が、バルブの外部にある用途に対して）センサー５０から出て回路５４へ経路決定される。例えば、ワイヤ５２は、ボンネット４０中の穴６０を通り、ボンネットナット４２ねじを貫通するスロット６４を通り（またはあるいはボンネットナット４２中の穴を通って）、ボンネットナット４２またはアクチュエーターハウジング３２中に形成されるスロットまたは穴６６の外へ延び得る。センサー５０へリンクするために回路５４を経路決定するための他の代替的な技術が、特定のバルブ構造に依存して、利用可能である。

図２は、本発明とともに使用される、通常は閉じたバルブ構造を図示する。この場合、キャップ３３は、ばね３８をピストン３４の上側に保持し、従ってピストン３４を付勢し、従ってダイヤフラム４０を、ばね付勢に打ち勝つに十分な空気圧の不存在下でバルブを閉じるような位置へ付勢するように改変されている。ピストンの加圧側の環状ピストンチャンバ３５に空気を導入するために、通路６８がピストン３４を通って形成される。適切なシール７０、７２および３４ａがピストン３４の流体密な作動を維持するために使用される。

従って、センサー５０は、ひずみとともに変化する特徴（この場合は、抵抗率）を示す。開位置と閉位置との間のような、ダイヤフラムの運動は、センサーを横切るひずみを変化させ、従ってそのセンサーの測定可能な抵抗率の対応する変化を生成する。この抵抗率は、ダイヤフラムの運動および／または位置を確認するための公知の様式で検出され得る。本明細書中上記に記されたように、他のセンサーがまた使用され得、そのようなセンサーとしては、そのように必要とされる場合には、静電ひずみ計または光学的ひずみ計が挙げられるが、これらに限定されない。それゆえに、センサーが直接にダイヤフラム２０の表面または他の部分上に配置され得るか、それらに別な様式で取付けられ得るか、あるいは結合され得る限り、本発明は、任意の特定のタイプのセンサーに限定されない。

ダイヤフラムの位置および／または運動を感知することに加えて、センサー５０は、例えば、ダイヤフラム作動の数を数えるためおよびセンサー５０からの信号を遮断する全体のダイヤフラムの異常を検出するために使用され得る。このセンサーはまた、圧力を感知するために使用され得る。なぜなら、センサー５０の出力は、圧力信号が信号を基礎として／の基礎の上に重ね合わされるからである。圧力変動に起因するセンサー５０の出力におけるより小さい変動は、従って、電子的に抽出され、流体の圧力が定量され得る。なおさらに、ダイヤフラムの作動の間のセンサー５０の出力におけるこれらの変動は、メモリ中に保存されるかまたは別な様式で保存され得る初期ひずみプロフィールを確立するために使用され得る。ダイヤフラムの引き続く作動の間、現在のひずみプロフィールがこの初期ひずみプロフィールと比較され得、ダイヤフラムの摩滅または劣化を示す変化を検出する。従って、このひずみプロフィールは、寿命予測器の端末として使用され得る。

適切なセンサーとしては、スパッタリングによるようにステンレス鋼ダイヤフラム上に堆積される、封入されたコンスタンタンホイル計のような薄膜ひずみ計が挙げられるが、これらに限定されない。このようなセンサーをダイヤフラムの表面上に取付けるためのこのような技術は、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｕｓｔｏｍ Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｉｎｃ．，Ｉｒｖｉｎｅ，ＣＡから商業的に利用可能である。商業的に利用可能でありかつ本発明に適している気相成長としては、物理的気相成長（ＰＶＤまたはスパッタリング）および化学的気相成長（ＣＶＤ）が挙げられるが、これらに限定されない。注記されるように、結合されたセンサーおよび他の技術によりバルブダイヤフラムに取り付けられたセンサーが、代替的に使用され得る。あるいは、ひずみ計または他のセンサーが、ダイヤフラムに隣接して結合され得るかまたは別な様式で取付けられ得、あるいは保持され得る。

図３は、上で議論されたような位置感知のために使用されるひずみ計の出力（図３の下側のグラフ）を、上記心棒の直線的な運動を感知するＬＶＤＴの出力から検出される場合の現実のダイヤフラムのストローク（図３の上側のグラフ）と比較する、図式による図示である。これら２つの間の密接な相関が存在し、従って上記ひずみ計がダイヤフラム位置ならびに位置または運動の変化の正確な表示を提供することが理解され得る。

図４は、本発明の別の局面を図示し、そこでは温度センサー８０がダイヤフラム２０の表面上に配置される。例示的な実施形態において、この温度センサー８０は、非湿潤側２０ａ上に配置されるが、あるいは湿潤面２０ｂ上または多層ダイヤフラム（示さず）の層の間、あるいは多層配置（示さず）の任意のダイヤフラム表面にあり得る。

温度センサー８０は、このダイヤフラム上に直接堆積される白金ホイル温度センサーであり得る。あるいは、センサー８０は、特定の用途に依存して、別のタイプのものであり得る。センサー８０は、センサー５０の堆積のために使用されるプロセスと同じプロセス、またはそれと類似のプロセスを使用して堆積され得る。

ダイヤフラム２０上に直接配置されることにより、センサー８０は、例えば、バルブＡ中のプロセス流体の温度の変化によるかまたは上記バルブに付与されている加熱または冷却における変化により引き起こされるダイヤフラムの温度とともに変化する、信号のような出力を生成するか、または特徴を示す。

センサー８０は、センサー５０（図４には示されていない）の近くまたはそれに隣接する位置に、センサー５０と同時にダイヤフラム２０上に堆積され得る。あるいは、センサー８０は、センサー５０とは別個の操作またはそれとは異なる位置に堆積され得る。さらなる代替として、センサー８０の構造は、センサー５０の構造の中へ、それらが、２つの異なる構造物が上記ダイヤフラム上に一緒に堆積されている１つの一体化センサーとして形成される程度まで、組込まれ得る。同じワイヤ５２が使用され得、外部からセンサー８０の出力にアクセスするかまたはその特徴を検出する；あるいは、別個のワイヤが使用され得る。センサーの電子回路８２は、信号ワイヤ５２（または別個のワイヤ）に接続され、その結果、センサー８０からの出力を受容するか、またはダイヤフラムの温度とともに変化するセンサーの特徴を検出する。無線接続または光学的接続が、代替的に使用され得る。回路８２は、あるいは、バルブＡ内に組込まれ得る。回路８２は、任意の適切な形態の出力（視覚的読み取りおよび／または無線出力信号が挙げられるがこれらに限定されない）を提供し得る。

センサー８０により提供される温度感知機能は、センサー５０により提供される機能と補完的であってもよく、またはそれとは独立であってもよい。具体的には、感知された温度は、センサー５０により提供される圧力信号または位置信号の電子的補償を提供するために使用され得る。このことは、ダイヤフラム２０の位置または運動のより正確な表示を提供するのに役立つ。あるいは、感知された温度は、センサー５０の出力とは独立の温度読み取りを提供するために使用され得る。例として、温度センサー８０は、センサー５０の存在がない場合でさえも、プロセス温度のみを測定するために、提供され得、そして作動し得る。温度センサー８０は、バルブに対する加熱機構または冷却機構にフィードバックを提供するために使用され得る。

図５は、本発明の別の局面を図示し、そこでは、静電容量型センサーが、２つの導電性プレートの間の距離の変化により引き起こされるキャパシタンスの変化を測定することによりダイヤフラムの位置を感知するために、使用される。図５は、ダイヤフラムバルブ９０において使用される静電容量型センサーを示す。バルブ９０は、図１〜４に示されるバルブと同じであり得、それゆえに図５に部分的にのみかつ概略的にのみ示される。

図５に示される実施形態において、上記ダイヤフラム（その一部が９２で概略的に示されている）は、金属から作製されるか、またはそうでない場合は導電性である。ダイヤフラム９２は、可変コンデンサー９４の１つのプレートを形成する。他のプレート９６は、バルブ９０の固定部分に、ダイヤフラム９２に隣接して形成される。例えば、図５に示されるように、第２のプレート９６は、上記バルブボンネット上に形成され得、その一部が９８で概略的に示されている。絶縁層１００は、第２のプレート９６とバルブボンネット９８との間に形成される。これら２つのプレート９２および９６は、これらプレート間の距離を示す出力信号を提供するために、適切な電子回路１０２と連結される。

ダイヤフラム９２は、それがバルブの開閉の間にバルブ９０内で運動する場合、バルブボンネット９８に対して運動する。この運動が起こる場合、ダイヤフラム９２と第２のプレート９６との間の距離は変化し、そしてキャパシタンスもまた変化する。センサー９４の出力信号は、従って、プレート９２とプレート９６との間の距離を示す。第２のプレート９６は、バルブ９０中の適所に固定されているので、プレート９２とプレート９６との間の距離の値は、既知の位置に対する既知の値と比較して、バルブ９０内部のダイヤフラム９２の位置を示す。結果として、センサー９４の出力は、ダイヤフラムの位置を示す。第２のプレート９６の位置決めは、上記バルブの開状態、閉状態および遷移状態を最も効果的に決定するように最適化される。

図６は、本発明の別の局面を図示し、そこではダイヤフラムの位置は、静電容量型近接センサー内のキャパシタンスの変化を測定することにより感知または決定される。図６は、ダイヤフラムバルブ１１２中で使用される静電容量型近接センサー１００を示す。バルブ１１２は、図１〜４に示されるバルブと同じバルブであり得、それ故に図６に部分的にのみかつ概略的にのみ示される。

静電容量型近接センサー１１０は、ＮＡＳＡにより設計されたタイプのものであり得、その技術は、Ｃａｐａｃｉｆｌｅｃｔｏｒの名前で頒布されている。このタイプのセンサーは、２つ以上の電気的プレートを一緒に提供することにより作用し、それらの間の電圧差が存在し、それらのプレートのまわりの電場を生成する。この電場は、そのセンサーから出てかつそれのまわりに延びる。物体（金属または非金属）がその場に入ると、その場は乱れ、発振器回路のキャパシタンスを変化させる。発振器の振幅は、そのセンサーとその物体との間の距離を示す。

図６は、１１４で概略的かつ部分的に示されるバルブボンネット上に取付けられる静電容量型近接センサー１１０を図示する。この静電容量型近接センサー１１０は、複数の絶縁層１１８に挟まれた複数の導電プレートまたは導電層１１６を含む。バルブボンネット１１４の近くに、バルブダイヤフラム１２０が存在し、それは金属製であっても非金属製であってもよい。静電容量型近接センサー１１０およびダイヤフラム１０２は、適切な電子回路１２２により電気的に接続される。

静電容量型近接センサー１１０は、その静電結合場がダイヤフラム１２０の方向に延びるように、電気的に駆動される。ダイヤフラム１２０の運動は、静電結合の比例した変化を引き起こし、それが、測定されるキャパシタンスの変化をもたらす。キャパシタンスの変化は、ダイヤフラム１２０とセンサー１１０との間の距離を示す。センサー１１０は、バルブ１１２に対して位置が固定されているので、そのセンサーとダイヤフラム１２０との間の距離の値は、既知の位置に対する既知の値と比較して、バルブ内部のダイヤフラムの位置を示す。結果として、センサー１１０の出力は、ダイヤフラム位置を示す。センサー１１０におけるプレートの位置決めおよび数は、上記バルブの開状態、閉状態および遷移状態を最も効果的に決定するように最適化され得る。

図７〜９は、本発明の別の実施形態を図示する。この実施形態において、図１〜３を参照して上で議論されたタイプの複数のひずみ計が、単一のダイヤフラム上で使用される。具体的には、図７は、図１〜３を参照して上で議論されたタイプのダイヤフラムバルブの一部を形成するダイヤフラム１３０の平面図である。ダイヤフラム１３０は、平面図では、軸１３２に中心をおく円形配置を有する。図７は、多数のひずみ計が単一のダイヤフラム上で使用される方法のただ一つの例を図示する。

ひずみ計１３４は、任意の適切な技術により、ダイヤフラム１３０の非湿潤表面１３６上に堆積または配置される。ひずみ計１３４は、その軸をそのダイヤフラムの半径１３８に直交して配向して配置される。別のひずみ計１４０は、任意の適切な技術によりダイヤフラム１３０の非湿潤表面１３６上に堆積または配置される。ひずみ計１４０は、その軸をそのダイヤフラムの半径１４２に平行に配向して堆積または配置される。さらなるひずみ計１４４は、選択された配向でダイヤフラムのまわりに分配される。

図８は、非偏向状態で示される、図７のダイヤフラム１３０の概略的断面図である。そのバルブ中の流体圧力は、ダイヤフラム１３０の凹（湿潤）面１４６上で作用し、このダイヤフラムを図８に示される非偏向状態に配置する。この流体圧力は、ダイヤフラム上のすべての点でダイヤフラム１３０上の引張りひずみを付与する。結果として、その軸が半径１３８に直交して配向しているひずみ計１３４とその軸が半径１４２に平行に配向しているひずみ計１４０との両方は、ひずみのレベルを記録する。

ダイヤフラム１３０が、図９に示されるように偏向している場合、そのバルブを閉状態に運動させるために、上記ダイヤフラムの中央部分１４８は、外部周辺部分１５０に対して（図９に見られるように）下向きに運動される。ダイヤフラム１３０のこの偏向は、軸が半径１４２と整列しているひずみ計１４０中に引張りひずみを生成し、そして同時に、軸を半径１３８と直交して整列させているひずみ計１３４中に圧縮ひずみを生成する。

ダイヤフラム１３０のこの偏向は、従って、ダイヤフラム上の異なる配向とともにひずみ計中に反対の符号のひずみ信号を生成し、他方、このダイヤフラムが（図８におけるような）非偏向状態の場合は、すべての信号は、同符号を有する。この特徴は、いくつかの様式で有利に使用され得る。

第１に、このひずみ信号は、ダイヤフラム位置の検出の感度を改良するためにさらに精密にされ得る。そのダイヤフラムが異なる偏向状態にある場合、異なる信号の組合せが生成される。具体的には、図８に示されるように、ダイヤフラム１３０が加圧され、かつ非偏向状態にある場合の、２つのセンサー１３４および１４０からの信号の比較は、それら２つのセンサーの信号の間の比較的小さい差を示す。対照的に、ダイヤフラムが偏向している場合、２つのセンサー１３４および１４０が反対符号の信号を生成するので、これらの信号の間の差は比較的大きい。この差の変化の大きさは、いずれか１つのセンサーのみの信号における変化の大きさよりも有意に大きい。従って、偏向の存在またはその大きさを決定する場合、このシステムは、１つ〜いくつかのひずみ計からの信号の大きさのみに頼る必要はない。

第２に、複数のひずみ計の使用は、ダイヤフラムが結合しているバルブにおける流体圧力の量のような（ダイヤフラム位置以外の）さらなる情報を抽出する能力を改良し得る。ダイヤフラムの偏向およびひずみは、圧力の量とともに変化し、そして複数のひずみ計の使用は、より正確な測定能力を提供するのに役立ち得る。別の例として、ダイヤフラム上のひずみの量および方向を、その表面上の異なる位置で、読み取ることは、ひび割れの存在またはダイヤフラムの局在化した偏向のような診断的情報を提供する能力を高め得る。また、複数のひずみ計の使用は、単一のひずみ計の故障の事象における上記システムに冗長度を付与し得る。

図１０〜１２は、バルブ１０のようなダイヤフラムバルブにおけるダイヤフラムの位置および／または他の局面を感知するための誘導型近接センサーの使用を図示する。誘導型センサーは、磁場における金属の存在または運動に起因して、磁場において誘導される変化を感知することにより、金属物体を検出する。誘導型近接センサーは、磁場を発生するために、電磁コイルまたは永久磁石を組み込む。金属物体がその場に入ると、その場は乱される。検出素子は、この乱れを感知し、その物体の存在を示す適切な信号を生成する。このセンサーを含むシステムは、そのセンサー特定の距離内へのその物体の運動に応答して反応するように配置され得る。多くの異なるタイプのこのようなセンサーが、一般に利用可能であり、そして、例えば誘導型近接センサーとして公知である。

図１０および１１は、構成においてバルブ１０と類似しているバルブと関連した、本発明に従う誘導型近接センサーの使用の１つの実施形態を概略的に示す。誘導型近接センサー１６０は、ボンネット１６２の下側に、ダイヤフラム１６４に面して取付けられる。このセンサーは、電磁コイルのような磁場供給源１６６と感知コイルまたはホール効果センサーのような検出素子１６８との両方を含む。磁場供給源１６６は、金属から作製されているかまたは少なくとも一部は金属製であるダイヤフラム１６４上に磁場を放出する。ダイヤフラム１６４および検出素子１６８は、適切な発振器電子機器（示さず）に、ボンネット１６２およびボンネットナット１７４を通るワイヤ１７２を通して、電気接続される。あるいは、センサー１６０の出力は、ＲＦ信号を介してバルブの外に向けられ得る。

ダイヤフラム１６４が磁場供給源１６６から近くへまたは遠くへ運動するにつれて、検出素子１６８における磁場の強さは変化する。センサー１６０は、検出素子１６８における磁場の強さの変化を直接に感知することによるか、または磁場供給源１６６の測定可能な電気的パラメータの変化として間接的にか、この変化を感知する。従って、センサー１６０の出力は、ダイヤフラムの運動または位置を示す。

図１２は、本発明に従う誘導型近接センサーの使用の代替の実施形態を概略的に図示する。図１２に示される誘導型近接センサー１８０は、１つのユニットではなく互いから隔てられている磁場供給源１８２および検出素子１８４を含む。センサー１８０の作動は、図１１および１２を参照して上に記載されたセンサー１６０の作動と類似である。

複数の誘導型センサーは、１つのダイヤフラムに集められ得る。それらのセンサーの数および位置は、ダイヤフラムの位置または偏向に反映されるような、上記バルブの開状態、閉状態および遷移状態を最も効果的に決定するように最適化される。バルブの状態をモニタリングすることに加えて、誘導型センサーは、圧力を検出するため、そして／または差し迫ったかもしくは初期のダイヤフラムの劣化の検出を可能にするために使用され得る。

本発明が、好ましい実施形態を参照して記載された。改変および変更は、本明細書および図面を読んで理解する際に他の人に思い浮かぶ。本発明は、それらが添付の特許請求の範囲またはその等価物の範囲内にある限り、すべてのそのような改変および変更を含むことが意図される。

図１は、通常開のバルブにおいて使用される本発明の実施形態である。 図２は、通常閉のバルブ（開位置で示されている）において使用される本発明の実施形態である。 図３は、センサー出力対ダイヤフラムのストロークの代表的な図解である。 図４は、温度センサーを組込む本発明の別の実施形態を図示する。 図５は、静電容量型センサーを使用する本発明の別の実施形態を図示する。 図６は、静電容量型近接センサーを使用する本発明の別の実施形態を図示する。 図７は、複数のセンサーを使用する本発明の別の実施形態を図示する。 図８は、複数のセンサーを使用する本発明の別の実施形態を図示する。 図９は、複数のセンサーを使用する本発明の別の実施形態を図示する。 図１０は、誘導型センサーを使用するさらなる代替の実施形態を図示する。 図１１は、誘導型センサーを使用するさらなる代替の実施形態を図示する。 図１２は、誘導型センサーを使用するさらなる代替の実施形態を図示する。

Claims (42)

1. 流れ制御デバイスであって、以下：
   該流れ制御デバイスを通る流れを制御するために移動可能であるダイヤフラム；および
   該ダイヤフラム上に配置されるセンサーであって、該ダイヤフラムの運動を検出するセンサー、
   を備える、デバイス。
2. 前記センサーが、ひずみ計を備える、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記デバイスが、前記ダイヤフラムを運動させるためのアクチュエーターを備える、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記ダイヤフラム上に配置される温度センサーを備える、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記センサーが、前記ダイヤフラムの表面に配置される、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記センサーが、前記ダイヤフラムの表面上に堆積される、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記センサーが、前記ダイヤフラムの非湿潤側に配置される、請求項５に記載のデバイス。
8. 前記デバイスが、バルブを備える、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記デバイスが、流れ調節器を備える、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記ダイヤフラムが、多層ダイヤフラムである、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記センサーが、前記ダイヤフラムの位置に対応する出力を生成する、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記センサーが、ダイヤフラムのひずみを示す出力を生成し、そして初期ひずみプロフィールと比較される場合に、前記ダイヤフラムの寿命の終わりを予測するために使用され得る、請求項１に記載のデバイス。
13. 前記ダイヤフラム上に配置される少なくとも２つのセンサーを備え、各センサーが参照物に対してそれぞれの角度で配置される、請求項１に記載のデバイス。
14. デバイスを通る流体の流れ制御のためにダイヤフラムを使用するタイプの流れ制御デバイスにおけるダイヤフラム性能を検出するための方法であって、以下：
    該ダイヤフラム上にセンサーを配置する工程；
    該ダイヤフラムの運動または位置に対応するセンサー出力を生成する工程、
    を包含する、方法。
15. 前記センサーを使用して、ひずみを検出する工程を包含する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記センサーを使用して、前記ダイヤフラムの初期ひずみプロフィールを生成する工程；
    該センサーを使用して、該ダイヤフラムの引き続くひずみプロフィールを生成する工程；および
    引き続くひずみプロフィールを該初期プロフィールまたは前プロフィールと比較して、ダイヤフラムの状態を分析する工程、
    を包含する、請求項１５に記載の方法。
17. 組合せにおける、流れ制御デバイスを通る流体の流れを制御するために該デバイス中に設置され得るダイヤフラム、および該ダイヤフラム中に配置されるセンサー。
18. 前記センサーが、ひずみ計を備える、請求項１７に記載のアセンブリ。
19. 前記センサーが、前記ダイヤフラムの表面に配置される、請求項１７に記載のアセンブリ。
20. 前記センサーが、流れ制御デバイスにおいて使用される場合に、前記ダイヤフラムの運動または位置に対応する出力を生成する、請求項１７に記載のアセンブリ。
21. 前記ダイヤフラム上に配置される温度センサーを備える、請求項１７に記載のアセンブリ。
22. 前記センサーが、ひずみ計を備え、そして温度センサーがまた、前記ダイヤフラム上に配置される、請求項１７に記載のアセンブリ。
23. 流れ制御デバイスであって、以下：
    該流れ制御デバイスを通る流れを制御するために移動可能であるダイヤフラム；および
    該流れ制御デバイスの部分であって、コンデンサーを形成するために、該ダイヤフラムに対して固定されている、該流れ制御デバイスの部分、
    を備える、デバイス。
24. 前記ダイヤフラムおよび該ダイヤフラムに対して固定されている前記部分が、該ダイヤフラムと該ダイヤフラムに対して固定されている該部分との間の距離を示す出力シグナルを提供するために、適切な電子回路で接続されている、請求項２３に記載のデバイス。
25. 前記ダイヤフラムに対して固定されている前記部分が、前記デバイスの固定部分上に配置される、請求項２３に記載のデバイス。
26. 前記デバイスが、前記ダイヤフラムを運動させるためのアクチュエーターを備える、請求項２３に記載のデバイス。
27. 前記デバイスが、バルブを備える、請求項２３に記載のデバイス。
28. 前記ダイヤフラムに対して固定されている前記部分が、バルブボンネット上に形成される、請求項２７に記載のデバイス。
29. 前記ダイヤフラムに対して固定されている前記部分に隣接する絶縁層をさらに備える、請求項２３に記載のデバイス。
30. 前記デバイスが、流れ調節器を備える、請求項２３に記載のデバイス。
31. 前記ダイヤフラムが、多層ダイヤフラムである、請求項２３に記載のデバイス。
32. デバイスを通る流体の流れ制御のためにダイヤフラムを使用するタイプの流れ制御デバイスにおけるダイヤフラム性能を検出するための方法であって、以下：
    該ダイヤフラムと該流れ制御デバイス上の部分との間のキャパシタンスを生成する工程；
    該ダイヤフラムの運動に対応するキャパシタンスの変化を検出する工程、
    を包含する、方法。
33. 流れ制御デバイスであって、以下：
    該流れ制御デバイスを通る流れを制御するために移動可能であるダイヤフラム；および
    静電結合場を生成するセンサーであって、該ダイヤフラムの運動が、該静電結合場を乱す、センサー、
    を備える、流れ制御デバイス。
34. 前記静電結合場の乱れが、前記ダイヤフラムと前記センサーとの間の距離を示すキャパシタンスの変化をもたらす、請求項３３に記載のデバイス。
35. 前記デバイスが、前記ダイヤフラムを運動させるためのアクチュエーターを備える、請求項３３に記載のデバイス。
36. 前記デバイスが、バルブを備える、請求項３３に記載のデバイス。
37. 前記センサーが、前記バルブ中の適所に固定されている、請求項３６に記載のデバイス。
38. 前記センサーが、複数の絶縁層に挟まれた複数の導電層を含む、請求項３３に記載のデバイス。
39. 前記デバイスが、流れ調節器を備える、請求項３３に記載のデバイス。
40. 前記ダイヤフラムが、多層ダイヤフラムである、請求項３３に記載のデバイス。
41. 前記ダイヤフラムが、非金属製である、請求項３３に記載のデバイス。
42. デバイスを通る流体の流れ制御のためにダイヤフラムを使用するタイプの流れ制御デバイスにおけるダイヤフラム性能を検出するための方法であって、以下：
    該ダイヤフラムの運動が乱す静電結合場を生成する工程；
    該静電結合場における乱れに対応するセンサー出力を生成する工程、
    を包含する、方法。

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