JP2011258226A - インテリジェント圧力レギュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】既存の圧力レギュレータに付随する「降圧」および「昇圧」の問題と、保守性の問題を解決した自己調整圧力レギュレータを提供する。
【解決手段】あらかじめ定められた圧力にプロセスにおける流量を維持するためのインテリジェント圧力レギュレータ１０であって、レギュレータの性能を向上させ、自己診断および通信能力を与える電子制御器を含む。電子制御器は、制御されている流体の圧力を示す信号を与える圧力センサと、絞り要素の位置を調整する調整圧力と、制御されている流体の圧力を示す信号を受信し、この信号に応答にしてアクチュエータに調整圧力を与えるＰＩＤ制御器３４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は流体圧力レギュレータに関し、より特定的には、性能を向上させるためにインテリジェント電子機器およびソフトウェアを有する改善された流体圧力レギュレータに関する。

一般に、プロセス制御ループの４つの基本要素は、制御されるべきプロセス変数と、プロセス変数の状態のプロセスセンサまたは測定器と、制御器と、制御要素とを含む。センサはプロセス変数の状態の指示を制御器に与え、制御器は、所望のプロセス変数の状態の指示または「設定点」を格納している。制御器はプロセス変数の状態を設定点と比較して、補正信号を計算し、この信号を制御要素に送ってプロセスに影響を与えて、それを設定点状態にする。制御要素はループの最後の部分であり、もっともありふれた種類の最終の制御要素は弁であるが、例えば、可変速度駆動装置またはポンプを含んでいてもよい。

圧力レギュレータは、プロセスセンサ、制御器および弁を組み合わせて単一のユニットにする、単式の自立制御システムである。圧力レギュレータは、可変性の下流の要求を満たすべく必要な流体の流量を与えながら、例えば、所望の低減された出口圧力を維持するために流体分配アプリケーションおよびプロセス産業において圧力制御のために広く用いられている。圧力レギュレータは一般に２つの主な区分、即ち、直接動作レギュレータとパイロット動作レギュレータとに分類される。

典型的な従来技術の直接動作レギュレータ１１が図１に示されている。直接動作レギュレータのための典型的なアプリケーションは、産業、商業、およびガスサービス（計器用空気またはガス供給、バーナーへの燃料ガス、水圧制御、蒸気サービス、およびタンクブランケッティング）を含む。直接動作レギュレータ１１は、入口１３と出口１４とを有するレギュレータ本体１２を含む。制限エリア１６を有する流体流路エリア１５は、入口１３と出口１４とを連通させる。制限エリア１６は、弁体、膜部材、羽根、スリーブまたは同様の制限装置のような絞り要素１７を有し、これは、動かされたときに流体（気体または液体）の流れを制限する。２つの側を有する検出要素を含むアクチュエータは、制御されている流体圧力の変動に応答する。検出要素の例は、膜部材、ダイアフラムまたはピストンを含む。図１に示される実施例は、検出要素としてダイアフラム１８を用いる。制御圧力が、レギュレータ本体１２の内部の制御用通路即ち流路２０によって、検出要素の第１の側即ち制御側１９に負荷される。制御用通路がこの目的のために用いられるならば、それは、レギュレータ本体１２と一体化しても、隣接した配管内に位置していてもよい。検出要素の第２の側即ち基準側は、典型的には大気に関係づけられている。ばね２２の付加的な荷重がアクチュエータに加えられて良く、この付加的な荷重が、設定点を表す予め定められた位置に絞り要素を移動させるように付勢する。

図１に示される直接動作レギュレータ１１は「減圧」レギュレータと考えられる。なぜなら検出要素（ダイアフラム１８）は、内部流路２０によってレギュレータ１１の下流側（流体出口側）の圧力を受けるからである。下流の圧力の増大分が内部流路２０を通って制御側１９に負荷され、ダイアフラム１８に圧力を負荷し、ばね２２の荷重に抗してそれを上に押し上げる。これは、絞り要素を流量制限エリア１６内に移動させ、レギュレータの出口２０に対する圧力を低減させる。

減圧レギュレータは、レギュレータの下流側の圧力を検出することにより流量を調整する。減圧レギュレータの典型的なアプリケーションはオンスチームボイラであり、ここでは減圧レギュレータは初期圧を調整する。もしダイアフラム１８に上流側の圧力が負荷され、絞り要素１７が制限エリア１６のもう一方の側に移動させられたとすると、直接動作レギュレータ１１は「背圧」レギュレータと考えられるだろう。背圧レギュレータは、例えば、確実にコンプレッサが真空状態に達しないようにするためにコンプレッサと関連して適用される。

パイロット動作レギュレータは、構成において直接動作レギュレータに似ている。典型的な従来技術の減圧パイロット動作レギュレータ２３が図２Ａに概略的に示され、従来技術の背圧パイロット動作レギュレータが図２Ｂに示される。パイロット動作レギュレータは、直接動作レギュレータの構造的要素すべてにパイロット（中継器、増幅器、または乗算器とも称される）２４を付加してなる。パイロットは、レギュレータアクチュエータ上に負荷される圧力を増幅させて圧力を調整する補助装置である。パイロットは構成において自動レギュレータに似ており、本質的には自動レギュレータと同じ要素を有する。

図２Ａおよび図２Ｂに示されるパイロット動作レギュレータ２３において、入口圧力はレギュレータ２３の上流側の配管における圧力タップ２７を通して供給される。図２Ｂにおける背圧パイロット動作レギュレータ２３においては、圧力タップ２７はさらに絞り２６を含んでよい。パイロットに対する入口圧力は、一体化圧力タップを介してレギュレータ本体に供給されて良い。出口圧力はレギュレータ２３の下流側で接続された配管２０を通ってフィードバックされる。下流側の圧力はパイロット２４と主レギュレータ１０とに負荷される。パイロット２４は、上流の（背圧）または下流の（減圧）流体圧力を制御するために、主レギュレータダイアフラム１８にわたって圧力差を増幅する。

圧力レギュレータは、他の制御装置に対して多くの利点を有する。レギュレータは比較的安価である。それらは、圧力制御機能を実行するために外部電源を必要としない。むしろ、レギュレータは、電力のために制御されているプロセスからの圧力を用いる。さらに、プロセスセンサ、制御器、および制御弁は組み合わされて、比較的小型の自立型パッケージになる。他の利点としては、良好な周波数応答、良好な流量範囲、小サイズ、および一般にほとんどまたは全く弁棒からの漏れがないということが含まれる。

公知のレギュレータに関連する不利点もある。既存の圧力レギュレータに付随する重大な問題として、「降圧」および「昇圧」があり、これらはオフセットまたは比例帯とも称される。降圧は減圧レギュレータ内の制御された圧力の減少と定義され、昇圧は、低負荷から全負荷流量状態に変わるときに生じる、背圧レギュレータに対する制御圧力の増大と定義される。それらは通常パーセントで表現される。降圧および昇圧は直接動作レギュレータで特によく見られるが、公知のパイロット動作レギュレータではその度合いは低い。

レギュレータはしばしば無流量状態になる必要があり、これは、「ロックアップ」または「再着座」と称される。図１の自動のレギュレータ１１または図２Ａのパイロット動作レギュレータ２３のような減圧レギュレータにおいては、下流の圧力は、レギュレータ１１が流体の流れを完全に停止することが望ましいような点に達してよい。この下流の圧力では、ダイアフラム１８にフィードバックされた制御圧力は、絞り要素１７を完全に流れ制限エリア１６内に移動させ、これにより流れを遮る。この状態は「ロックアップ」と知られている。図２Ｂに示されるパイロット動作レギュレータ２３のような背圧レギュレータにおいては、レギュレータの上流側の圧力は、レギュレータが流れを遮断する必要があるレベルまで落ちて良い。この場合、上流の制御圧力は、ばね荷重および／またはパイロット圧力が絞り要素１７を完全に流体の流れを遮る位置にまで移動させるレベルまで下がる。内部部品の問題、汚染物質、または内部部品の動きの拘束は、全てロックアップ能力の喪失に寄与するおそれがある。

レギュレータは自立型制御システムであるので、既存のレギュレータは典型的には、プロセス制御システムの他の部分と通信する能力を有していない。これには幾つか欠点がある。設定点を遠隔的に与えるかまたはレギュレータを同調する手段はないので、それらは一般に手動で調整されねばならない。レギュレータ上の調整ノブを回すことにより調整が行なわれ、アクチュエータ上で所望の荷重を得る。これは、遠隔的アプリケーションにおいてまたは危険な物質の圧力を制御するプロセスにおいては特に望ましくない。レギュレータの性能について制御室の指示はなく、操作員が他のプロセス指示を読取ることでレギュレータの誤動作を推論により決定する。

通信および処理能力が欠けていると、保守性の問題にもつながる。時間をかけてレギュレータの性能を念入りに監視することは不可能であり、その結果、レギュレータを修理または取り替えする必要性について前もって警告することはほとんどない。今にも発生しそうな故障に対して前もって警告することもない。これは既存の圧力レギュレータが有する特に困った点である。それらはプロセスにおいて動力が与えられているので、典型的には故障モード動作を含まない。ばね負荷減圧レギュレータの動作ダイアフラムが故障すると、レギュレータは完全に開く。もし下流の配管が上流の圧力状態に耐えることができないか、またはレギュレータの最大流量を扱うことが出来る安全弁が存在していなければ、これは問題になる。背圧レギュレータは、ダイアフラムが故障するやいなや完全に閉じ、プロセスの上流の部分に対して同様の問題を引き起こす。

圧力レギュレータが適用される多くの場合において、制御弁が代わりに用いられることは周知である。制御弁は動力アクチュエータを含み、このアクチュエータは、外部から供給された信号に応答して絞り要素を移動させて流量を制御する。正しく利用されると、レギュレータは、制御弁を用いるアプリケーションの２５％において制御弁にとって代わることが出来ると推定されてきた。制御弁のかわりにレギュレータを用いることにためらいがあるのは、大部分は公知の圧力レギュレータに付随する欠点に依るものである。主な関心は、降圧特性と遠隔動作性が欠けていることである。しかしながら、プロセス機器ユーザは、もっと費用競争力のあるものを期待し続けている。既存のプロセス機器を用いた場合のプロセス効率および稼働時間の改善を求めるだけでなく、プロセス機器のユーザは、プロセス制御に対する低コストの解決策を求めている。レギュレータの上で述べた制限がなくなれば、多くの制御弁アプリケーションのために低コストの選択肢を与えることができる。

米国産業は、毎年、プラント機器の保守にほぼ２０００億ドルを費やしている。これは、1年で販売される商品の費用の１５−４０％の保守費用を生じさせる。さらに、保守に費やされるドルの３分の１は、不必要なまたは非効率的な保守によって無駄に使われている。例えば、公知のレギュレータは、外部のシステムと情報を交換する診断または通信能力を有していないので、それらは故障を検査しにくい。しばしば、特定されていないプロセス問題を補正しようとして、レギュレータが置換されるが、レギュレータが正しく機能していたとわかるだけである。レギュレータを置換するには、プロセス全体を止めることが必要となり、かなりの生産時間が喪失される。処理能力および通信によって保守性を改善するだけでなく圧力レギュレータのようなプロセス計器の性能を向上させれば、製造費用を多いに減らすことになるだろう。

このように、降圧特性を補償しかつ向上した性能を示すような、改善された圧力レギュレータが求められていることは明らかである。さらに、改善されたレギュレータは、保守性を向上させるために遠隔動作およびデータの交換を可能とする通信および診断能力を有することが望ましいだろう。さらに、これらの付加的な特徴は、圧力調整に対して経済的な解決策が求められていることと併行して必要である。

本発明は、処理および通信能力を有することによりレギュレータ性能を向上させるインテリジェント圧力レギュレータを提供することで従来技術の上記の欠点に対処するものである。これは、圧力レギュレータの簡潔性および経済の既存の便益を維持しながら達成される。

広い態様において、本発明の好適な実施例は、流体入口と、流体出口と、入口および出口を接続する流体の流路と、流路を通る流体の流れを選択的に制限するために流路内で移動可能な絞り要素とを備える、予め定められた圧力にプロセスの流体を維持するインテリジェントレギュレータを提供する。絞り要素にアクチュエータが取り付けられ、アクチュエータは絞り要素を選択的に移動させる。アクチュエータは、制御側と基準側とを備えている。この基準側に加えられた基準負荷は、絞り要素を予め定められた圧力を表す予め定められた基準位置に移動するように付勢する。フィードバック通路によって、制御されている流体の圧力を制御側に負荷し、基準負荷に抗してアクチュエータを動かし、絞り要素を流路内で移動させて流体の流れを調整し、それによってプロセスにおける流体圧力を制御する。本発明はさらに、制御されている流体の圧力を示す信号を与える圧力センサと、絞り要素の位置を調整するための調整圧力と、制御されている流体の圧力を示す信号を受信し、この信号に応答してアクチュエータに調整圧力を与える制御器とを備える。さらなる実施例は、比例、積分、および微分（ＰＩＤ）制御、診断処理、および外部装置との通信のための能力を与える。

本発明の別実施例に従えば、制御されている流体の圧力を用いて絞り要素を位置決めして自動圧力レギュレータを通る流体の流量を制限する、予め定められたレベルにおおよそ流体圧力を維持する圧力レギュレータのための電子制御器が提供される。これは、制御されている流体の圧力を示す信号を与える圧力センサと、制御されている流体の圧力を示す信号を受信し、絞り要素に調整値を表す信号を出力するプロセッサと、プロセッサにより出力される信号に応答して、絞り要素に、制御されている流体の圧力に加えて負荷される調整圧力とを含む。

別の広い態様において、制御されている流体の圧力を用いて絞り要素を位置決めし、自動圧力レギュレータを通る流体の流れを制限する、予め定められたレベルに流体圧力をおおよそ維持する圧力レギュレータにおいて降圧を補償するための本発明に従った方法が提供される。この方法は、制御されている流体の圧力を決定する動作と、制御されている流体の圧力を予め定められたレベルと比較することにより誤差値を計算する動作と、誤差値を調整圧力に変換する動作と、制御されている流体の圧力に加えて調整圧力を絞り要素に負荷することにより絞り要素を再位置決めする動作とを含む。

典型的な従来技術の直接動作圧力レギュレータを示す概略図である。 典型的な従来技術のパイロット動作減圧レギュレータを示す概略図である。 典型的な従来技術のパイロット動作背圧レギュレータを示す概略図である。 本発明に従った背圧制御インテリジェントレギュレータの例示の実施例を示す概略図である。 本発明に従った減圧インテリジェントレギュレータの例示の実施例を示す概略図である。 本発明の実施例のために電子制御器の降圧補償関数を図形を用いて示す図である。 本発明の実施例のために電子制御器の昇圧補償関数を図形を用いて示す図である。 インテリジェントレギュレータのブロック図であり、自動レギュレータおよび電子制御器の機能的エリアを強調表示している。 本発明の実施例の電子制御器を概略的に示す図である。 設定点圧力値および減圧レギュレータの流れに抗した制御圧力をプロットするレギュレータオフセットチャートである。 設定点圧力値および背圧力レギュレータの流れに抗した制御圧力をプロットするレギュレータオフセットチャートである。 減圧レギュレータの様々な入口圧力の制御圧力曲線を示すレギュレータ入口感度チャートである。 背圧レギュレータの様々な入口圧力の制御圧力曲線を示すレギュレータ入口感度チャートである。 圧力レギュレータのヒステレシス誤差の測定を示すチャートである。 減圧レギュレータにおける「ロックアップ」を示すチャートである。 背圧レギュレータにおける「再着座」を示すチャートである。 Ｆｉｅｌｄｂｕｓの単一のツイストペアを用いた、本発明に従ったインテリジェントレギュレータと外部制御室との間の通信リンクを示す図である。 ＨＡＲＴの単一のツイストペアを用いた、本発明に従ったインテリジェントレギュレータと外部制御室との間の通信リンクを示す図である。 ４線式デュアルツイストペア構成を用いた、本発明に従ったインテリジェントレギュレータと外部制御室との間の通信リンクを示す図である。 無線リンクを用いた、本発明に従ったインテリジェントレギュレータと外部制御室との間の通信リンクを示す図である。 モデムまたは光ファイバのような代替的な通信手段を用いた、本発明に従ったインテリジェントレギュレータと外部制御室との間の通信リンクを示す図である。

図面、特に、図３および図４には、本発明に従ったインテリジェント圧力レギュレータの２つの実施例が概略的に示されている。各実施例に係るインテリジェント圧力レギュレータは参照符号１０で包括的に示されており、インテリジェント圧力レギュレータは自動レギュレータと電子制御器（図３および図４で破線で囲まれて示される）とを備える。図３は、一般に背圧制御アプリケーションにおいて用いられるものとして本発明に従ったインテリジェントレギュレータを示している。一方、図４は、減圧アプリケーションにおいて本発明に従ったインテリジェントレギュレータを示している。図３において、流体の流れは右から左である。図４において、流体の流れは左から右である。図３および図４に示される具体的な実施例は、自動レギュレータを含むが、この開示の恩恵を有する当業者は、パイロット動作レギュレータを用いて本発明を実施することができる。

図を参照して、自動レギュレータ１１は、流体入口１３と、流体出口１４と、入口１３と出口１４とを連通する流路１５とを含む本体１２を備える。流量制限エリア１６は流路１５内に位置し、絞り要素１７は制限エリア１６を通る流体の流量を制限するように機能する。絞り要素１７は、弁体、膜部材、羽根、スリーブまたは他の好適な部材を備えてよく、これは、制限エリア１６内で動かされると流体の流れを押さえる。レギュレータ１０は、検出要素を含むアクチュエータをさらに備え、これは図３および図４に示される特定の実施例においては、レギュレータ本体１２に取りつけられたダイアフラム１８を含む。検出要素は代替的には膜部材またはピストンの形であってよい。摺動弁棒２９は絞り要素１７をダイアフラム１８に接続する。ダイアフラム１８は、制御圧力３０が負荷される制御側１９を含む。制御圧力３０は、本体１２内で制御用通路（図示せず）または流路（図示せず）によりダイアフラム１８に負荷されるか、または外部からそこに負荷される。

図３に示されるレギュレータ１０の実施例は背圧レギュレータである。なぜなら制御圧力３０はレギュレータ１０の上流側でダイアフラム１８に負荷されるからである。減圧レギュレータが図４に示され、ダイアフラム１８には、レギュレータ１０の下流側で制御圧力３０が負荷される。ダイアフラム１８はさらに制御側１９に対向する基準側２１を含み、これは大気に関係付けられている。公知のレギュレータにおいては、基準側は典型的には、ばね２２または基準側２１に付加的な荷重を加える重りのような別の好適な手段を含む。付け加えると、設定ねじ３１がばね２２の初期位置を設定するように配置される。

図３の背圧レギュレータ１０においては、プロセス流体がパイプ３２を通って流れるのが示される。ばね２２は、絞り要素１７を本質的に閉位置に維持するように付勢される。流体は入口１３内に流れこみ、制限エリア１６を通って流れ、出口１４を通って出て行く。システムの圧力が上流の位置から制御側１９に負荷され、ダイアフラム１８をばね２２に抗して動かせ、これにより弁棒および絞り要素１７を必要に応じて移動させて制限エリア１６を通る流体の流量を変化させることによって流体圧力を調整するような態様で、制御圧力３０はダイアフラム１８の制御側１９に負荷される。

図４の減圧レギュレータ１０は、制御圧力３０がレギュレータ１０の下流側で検出され、絞り要素１７が制限エリア１６の反対側にあることを除いては、図３に関連して述べられた背圧レギュレータと同様の方法で動作する。図４の減圧レギュレータ１０においては、ばね２２は、絞り要素１７を本質的に開位置に移動させるようにまたは流量制限エリア１６から出るように付勢してダイアフラム１８の基準側２１に荷重を加える。制御圧力３０は下流位置からダイアフラム１８の制御側１９に負荷され、このようにして絞り要素１７をさらに制限エリア１６内に向けて、またはそこから出るように移動させ、制限エリア１６を通る流体の流量を調整することで下流の圧力を制御する。

典型的な自動レギュレータのばね負荷システムを用いると、流量が最小流量から最大流量に変化するにつれて制御された圧力は減少する傾向にある。これは減圧レギュレータにおける降圧および背圧レギュレータにおける昇圧（比例帯またはオフセットとも称される）として知られている。本発明は、降圧および昇圧を補償し、設定点および制御圧力の指示を受け取る電子制御器２８を付加することによりレギュレータの正確度を向上させる。制御器は設定点および制御圧力を比較し、次いで調整圧力をダイアフラムの基準側に負荷してレギュレータのばねシステムの限界を補償する。

電子制御器の降圧調整関数が図５Ａに示され、ｙ軸が制御圧力で、ｘ軸が流量を示す。図５Ａにおいては、「ａ」で示される曲線は典型的な自動減圧レギュレータの降圧即ちオフセットを示し、ここでは制御圧力は、流量が増大するにつれて減少する。「ｂ」で示される曲線は、図５Ａの曲線に示される降圧を補償するための電子制御器の出力を示す。摩擦の影響を無視すれば、これらの曲線は本質的には互いを反映している（mirror each other)。曲線「ｃ」は、曲線「ａ」および「ｂ」を組み合わせた結果を示しており、これは設定点と等しい。

同様に、昇圧調整関数が図５Ｂに図形を用いて示される。図５Ａの場合と同様に、図５Ｂに「ａ」で示される曲線は背圧レギュレータの昇圧即ちオフセットを示し、ここでは、制御圧力は、流量が増大するにつれて増大する。「ｂ」で示される曲線は、図５Ｂの曲線「ａ」に示される昇圧を補償する電子制御器の出力を示す。摩擦の影響を無視すると、これらの曲線は、図５Ａの曲線に示される降圧曲線と同様に、本質的には互いを反映している。曲線「ｃ」は、曲線「ａ」および「ｂ」を組み合わせた結果を示しており、これは設定点と等しい。

図３および図４を参照して、電子制御器２８は、圧力対電流（Ｐ／Ｉ）コンバータ３３と、比例、積分および微分（ＰＩＤ）制御器３４として機能するプロセッサと、電流対圧力（Ｉ／Ｐ）コンバータ３５とを含む。ＰＩＤ制御器３４はマイクロプロセッサとして具現化されてよい。電子制御器２８は、外部電源３６により電力を与えられ、これは、図３および図４においては２４ボルト電源として示される。電力は、分散制御システムからの変圧器またはループ電源のような外部電源、エネルギー源のために制御されているプロセスからの圧力を用いる自動レギュレータ内部の電力発生器、太陽熱、または電池を含め、多くの好適な電源により与えられてよい。圧力３７がＩ／Ｐコンバータ３５に供給され、コンバータ３５はダイアフラム１８の基準側に空圧を負荷し、流量状態に依って必要に応じて降圧または昇圧補償を行う。圧力源３７を用いて空圧を与える代替例は電気モータでアクチュエータを駆動することであり、この場合、Ｉ／Ｐコンバータ３５は含まれないだろう。むしろ、モータはＰＩＤ制御器３４から直接に信号を受信するだろう。

インテリジェントレギュレータ１０の好ましい実施例の機能的エリアは図６に示される。粗設定点ブロック３８は所望の圧力または設定点を表し、これは、本発明の実施例においては、加算接合点３９として示される、ダイアフラムの基準側に荷重を加えるレギュレータ負荷ばねの形をとっている。設定点３８は「粗設定点」である。なぜなら自動レギュレータ１１により行なわれる圧力調整は降圧となるからである。粗設定点３８は、レギュレータばねの負荷を設定する設定ねじを調整することにより自動動作レギュレータ１１に入力される。ダイアフラムに対してレギュレータ負荷ばねにより加えられた荷重は、加算接合点３９で正の（＋）荷重として示される。

レギュレータのばね荷重とともに、加算接合点３９からの荷重は、制限エリアにおいてレギュレータの絞り要素の位置を規定する。ゲイン係数４０が位置情報に与えられ、レギュレータの出力流量Ｗを規定する。出力流量Ｗは、加算接合点４１で所望流量即ち負荷流量ＷＬと比較される。出力流量Ｗが負荷流量ＷＬと等しければ、システムは定常状態にあり、制御圧力Ｐｃは一定のままである。システムが定常状態でなければ、ダイアフラムにフィードバックされるＰｃ、これは、加算接合点３９で負の（−）荷重として示されるが、加算接合点３９ではつりあっていないだろう。これにより、加算接合点３９の出力がゼロになるまで絞り要素は制限エリアに対して相対的に移動する。言いかえると、Ｐｃは、負荷ばねにより加えられた荷重に対向するような荷重をダイアフラム上に加えて絞り要素の位置を変化させ、これにより流量を調節し、このようにして圧力を調整する。

オフセットを補償しかつ自動レギュレータの性能を向上させるために、制御圧力の指示も電子制御器２８に向けられる。Ｐ／Ｉコンバータ３３は、レギュレータに一体化されるかまたはレギュレータの外部の隣接する配管に装着される圧力トランスデューサであってよく、これは、Ｐｃを、典型的なアナログ圧力トランスデューサにより与えられるような４−２０ｍＡ信号のような信号に変換する。Ｐｃ信号は次いで電子制御器のＰＩＤ制御器３４に与えられる。Ｐｃは、微分定数４２で乗算され、次いでＰｃ信号と一緒に加算接合点４３に与えられる。加算接合点４３の出力は、加算接合点４５で、ホストコンピュータまたは分散制御システムのような外部源からの精設定点４４と比較され、ここで誤差信号が生成される。誤差信号は、比例定数４６と積分定数４７とに与えられ、次いで加算接合点４８に与えられ、ここで出力信号が生成される。出力信号はＩ／Ｐコンバータ３５に入力され、コンバータ３５は、加算接合点３９で正の（＋）荷重として示されるような空圧をダイアフラムに与える。

降圧を補償しかつ制御を向上させるために上で述べた処理能力を付加すれば、遠隔動作および通信、改善したプロセス動作、診断能力、高められた保守性、傾向、警報能力などを含め、圧力レギュレータの他の性能局面を向上させる手段も提供する。これらの付加された改善点は、電子制御器がさらに述べられるに従って明らかになるだろう。

インテリジェントレギュレータ１０の実施例が図７に概略的に示される。自動レギュレータ１１は概略図で示される。上で述べたＰＩＤ制御器部分３４に加えて、電子制御器２８はさらに、診断セクション４９と、検出セクション５０と、通信セクション５１と、電力セクション５２と、代替入力セクション５３とを含む。電子制御器のこれらの機能的セクションは、全てマイクロプロセッサ内で具現化される。

検出セクション５０は、入口圧力Ｐ１、下流の圧力Ｐ２、およびアクチュエータ負荷圧力ＰＬを示す信号に基づいて、誤差信号をＰＩＤ制御器３４に与え、この誤差信号はＰＩＤ定数に従って処理される。これらの信号はレギュレータ本体に一体化されたセンサによりまたは外部センサから与えられてよい。他のプロセス変数が代替入力セクション５３により受け取られる。これらの入力は、レギュレータと一体化したまたはレギュレータの外部に装着された温度センサからの温度信号６５を含んでよい。音響または振動トランスデューサ６６は、例えば、流量制限エリアにおける漏れおよび／またはキャビテーションもしくはフラッシングを示し得る入力を与える。弁棒行程６７およびアクチュエータ行程６８情報は、動きトランスデューサによって代替入力セクション５３に供給され、これらの要素の状態を監視する。上で述べた入力のような情報は、電子制御器２８の代替入力セクション５３に供給されて良いプロセス要素の例である。ＰＨまたは流量のような他の適切なプロセスデータは、レギュレータと一体化されたセンサまたはその外部のセンサによって与えられてよい。上記のセンサ信号のいずれかまたは全ては、アナログ信号であってよく、これは電子制御器によってディジタル値に変換される。

ベースライン診断データは、特定のレギュレータのための「シグネチュア（signature)」を生じさせるのに用いられ、この「シグネチュア」は制御器のメモリ内に記憶されても、外部システムのメモリ内に記憶されても良い。検出セクション５０および代替入力セクション５３から診断セクション４９に与えられた性能情報は次いで処理され、ベースラインデータまたはシグネチュアと比較され、そして、もしレギュレータ特性および性能が予想されるシグネチュア性能からある予め定められた量だけ外れているならば、診断セクション４９は、警報情報と、実際のおよび予測される故障情報と、他の診断情報とをシステム操作員に与えることが出来る。警報状態は、レギュレータからホストコンピュータに任意通信によって、またはホストコンピュータからのポーリングによって自発的に報告可能である。ポーリングは予め定められた時間間隔で生じてもよい。代替的には、音声または視覚警報を与える警報装置が、シグネチュアの偏差を信号で送ってもよい。この情報は次いで、保守予想、システム性能向上、使用年数蓄積などのために用いられてよい。本発明の実施例の診断セクション４９により処理され得る具体的な情報の例が以下に述べられる。

オフセット：上で述べたように、公知のレギュレータは降圧または昇圧のようなオフセットを示す。図８Ａおよび図８Ｂは、ｘ軸の流量に対してプロットされた自動レギュレータの設定点圧力値および制御圧力を表すグラフを示している。設定点値は流量範囲にわたって一定である。図８Ａにおいて「レギュレータ」と示されている曲線により示されるように、減圧レギュレータの制御圧力は、流量が増大するにつれて減少し、一方、図８Ｂに示されるように、背圧レギュレータの制御圧力は、流量が増大するにつれて増大する（電子制御器による降圧または昇圧補償を無視すると）。パイロット動作レギュレータならば、オフセットはもっと小量であろうが、同様の曲線を示すだろう。降圧曲線（図８Ａ）または昇圧曲線（図８Ｂ）と所与の流量での設定点曲線との間の距離がレギュレータのオフセットである。オフセットは、
Ｏｆｆｓｅｔ = ΔＰ ×Ｋ L
によって局所的に決定可能である。この式において、ΔＰは、制御圧力と入口圧力との間の差であり、Ｋ Lは局所的流量係数である。インテリジェントレギュレータのプロセッサは、オフセットを監視し、それをベースライン値と比較することができる。オフセットの変化は、例えば、レギュレータの負荷荷重（ばね）に付随する問題を示す。操作員はこの状態を通知される。

入口圧力感度：図９Ａおよび図９Ｂは各々、様々な入口圧力での制御圧力対流量の３つのプロットを示し、これらはそれぞれａ、ｂ、ｃで示される。これは、入口圧力を変化させることに対するレギュレータの感度を示す。所与の流量のために、異なる入口圧力の制御圧力間の差は入口感度を規定する。図９Ａの曲線は減圧レギュレータの入口感度を示し、図９Ｂは背圧レギュレータの入口感度曲線を示す。オフセットと同様に、入口感度はベースライン情報と比較され、電子制御器からの診断および故障予測情報を与えることが出来る。

ヒステリシスおよび不感帯：ヒステリシスは、入力が前の値から増大したものなのか減少したものなのかに依って、所与の入力に対して異なる出力を与えようとする計器の傾向と定義される。図１０は、ヒステリシスおよび不感帯を含むヒステリシス誤差の測定値を示す。「ａ」で示される曲線は、必要流量が減少する場合において流量に対してプロットされる制御圧力を示す。「ｂ」で示される曲線は、必要流量が増大する場合の同様の曲線を示す。言いかえると、曲線「ａ」は、絞り要素が第１の方向に移動しているときの所与の流量の制御圧力をプロットし、曲線「ｂ」は、絞り要素が反対方向に動いているときの対応する流量の制御圧力をプロットする。２つの曲線間の差は、「不感帯」と称される。ヒステリシス曲線の勾配を監視すれば、例えばばね定数に関する情報を与えることが可能である。「不感帯」またはヒステリシス曲線の勾配の変化は、ばね、アクチュエータ、絞り要素、またはレギュレータの他の構成部品に付随する問題を示してもよいし、問題を予測するのに用いられてもよい。

ロックアップおよび再着座：図１１Ａおよび図１１Ｂは、ロックアップおよび再着座状態を図形を用いて示す。減圧レギュレータ（図１１Ａ）においては、下流の圧力が、設定点値を上回る予め定められた点に達すると、制御圧力によって、絞り要素を完全に閉位置に移動させ、それにより流体が流れるのを防ぐ。ロックアップ点は図１１Ａでは「ａ」で示される。図１１Ｂは再着座を示し、これは、背圧レギュレータのロックアップの同等物である。再着座状態は、絞り要素が図１１Ｂに「ｂ」で示される閉位置にまで移動するように上流の圧力が設定点以下のレベルにまで落ちるときに生じる。ロックアップ／再着座制御圧力値と、設定点値とロックアップ点即ち再着座点との間のレギュレータ圧力曲線のある区分の勾配とは、インテリジェントレギュレータ診断セクションまたは外部コンピュータ内で決定され、記憶されてもよい。代替的には、音声または震動トランスデューサのような漏れトランスデューサは、ロックアップまたは再着座状態と公知の流量状態を相関させるのに用いられてよい。レギュレータのロックアップ／再着座性能はこれらのベースライン値と比較されてレギュレータの動作を診断する。ロックアップ／再着座性能の変化は、例えば、内部部品の問題または内部部品の拘束を示すかもしれない。

予想されるＰＩＤ制御：全体のレギュレータ性能は、制御圧力、オフセット、流量および／またはヒステリシス誤差を見て、これらの変数を予想されるＰＩＤ制御と比較することで達成可能である。流量は、液体流量、気体流量および蒸気流量に関係してレギュレータの本体の流量係数のパラメータを用いて電子制御器内部で計算されてもよい。内部流量は次いで、アクチュエータ行程およびレギュレータ本体補正係数と比較されて主なレギュレータ流量を計算する。これらの計算は、電子レギュレータのプロセッサ内で行われてもよいし、その情報は、通信セクションによって計算のためにホストコンピュータに伝えられてもよい。

自動チューニング：上記の係数はＰ、Ｉ、およびＤチューニング定数を生じさせるために使用可能である。ステップ変更が電子制御機によって設定点に入力され、次いで、システム動力に関する診断を行うために出力応答が測定される。

行程： アクチュエータ行程は重要な診断係数である。とりわけ、アクチュエータ行程は、絞り要素の負荷および位置を計算するために用いられる。診断目的のために行程を用いる例は、ダイアフラムの両側の荷重を計算し比較することである。プロセッサの診断セクションは、ダイアフラムの基準側でレギュレータ負荷ばねにより加えられる荷重を以下の式にしたがって計算してよい。

（Ｔ1＋Ｉs）×Ｋ1
ここでＴ1はアクチュエータ行程であり、Ｉsは設定ねじにより設定される初期のばね調整値であり、Ｋ1はばね定数である。これはダイアフラムの制御側に加えられた荷重と比較される。

Ｐｃ×Ａ
ここでＰｃは制御圧力であり、Ａはダイアフラム面積である。パイロット動作レギュレータにおいては、パイロットアクチュエータ行程は同様に診断のために用いる事が出来る。さらに、電気モータを用いて絞り要素を調節するレギュレータにおいては、モータ電圧および電流を、診断目的のために行程に関して見ることが出来る。入口および制御圧力、入口感度、ヒステリシス誤差、および流量の指示だけでなくこれらの比較は、レギュレータの状態および性能に関する診断情報を与えるのに用いられる。

フラッシングおよびキャビテーション：これらはレギュレータにノイズおよび振動を導入するような、液体の流れが遭遇する現象であり、レギュレータの寿命を制限するおそれがある。フラッシングおよびキャビテーションの両方は、流体内の蒸気泡の形成に関連している。流体が制限エリアを通って流れるとき、速度は増大し、圧力は減少し、これによって蒸気泡が形成される。流体が制限エリアを通り過ぎてしまえば、流体は減速し、圧力は回復し、これにより蒸気泡は激しく崩壊する。音響または振動センサは、検出されたノイズ／振動特性を直接比較すること、およびそれらをベースライン特性と比較することによりキャビテーションまたはフラッシングの存在を検出するのに用いられてよく、代替プロセス変数ΔＰＡは、
ΔＰＡ＝Ｋｃ（Ｐ１−ｒｃＰｖ）
に従って計算可能であり、ここでＫｃはキャビテーションまたはフラッシング指数、Ｐ１は入口圧力、ｒｃは臨界圧比定数であり、Ｐｖは蒸気圧である。この値は流体ストリーム蒸気圧の入力定数と比較され、それにより間接的にフラッシングまたはキャビテーションの存在を間接的に確かめ、警報を送信する。

レギュレータに付加された新規の診断能力を用いて、いまや、オンライン診断は上で述べた様々な範疇において、また他のエリアにおいて行なわれて良い。電子「バンプ（bump）」、すなわち、設定点値への突然のステップ変更は、システムに導入されてもよい。これはプロセス制御ループに混乱を引き起こし、この混乱をインテリジェントレギュレータは補正しようとする。レギュレータが電子バンプに反応するとき、上で述べた様々な係数（および他の係数）に関するレギュレータの性能は測定され、電子制御器の診断セクションによりレギュレータのシグネチュアと比較される。これは、あまりプロセスを混乱させたり妨害したりすることなく、オンライン診断をする基礎を与える。

例示のインテリジェントレギュレータからの設定点、機器構成、診断、および他の情報は、様々な通信手段によって外部システムおよび装置と交換されて良い。これはレギュレータを遠隔制御するための能力を与え、この能力は公知の機械圧力レギュレータに欠けている重要な特徴である。オペレータは、動作パラメータを変更するレギュレータにコマンドを送り、パラメータを報告して良い。さらに、診断情報は、レギュレータ内でこのデータを処理するのではなく、処理のために外部システムに送られてもよい。例示のインテリジェントレギュレータの通信能力は、保守および動作が困難な遠隔のおよび危険な環境において特に有用である。

通信データが電力上にオーバーレイされたまたは電力で変調された単一のツイストペア、データ通信のみ用の単一のツイストペア、無線、モデム、光ファイバ、同軸ケーブル、および複数の他の通信技術のような、多種多様の通信媒体をインテリジェントレギュレータとともに用いることが出来る。本発明の例示の実施例の通信能力によって、機器構成および制御情報を他のプロセス計器とまたは外部制御システムもしくはホストコンピュータと交換することも可能となる。

図１２はディジタルフィールドバス（Fieldbus）通信プロトコルを用いて本発明のインテリジェントレギュレータの実施例で実現可能な２線式通信方式を示し、ここではディジタルデータが、単一のツイストペア上でインテリジェントレギュレータの電子制御器のための電力と組み合わされている。制御室５４から送られた信号は、ローパスフィルタ５５を通過し、システム電力をデータから分離する。電力は次いで電力調整回路５６を通過し、本発明に従ったインテリジェントレギュレータおよび他の装置に与えられてもよい。受信されたフィールドバス信号はハイパスフィルタ５７を通過して通信データをシステム電力から分離し、この通信データは次いで電子制御器の通信セクション５１に渡される。ホストシステムに送信し戻された情報は変調器５８を通過し、このデータをシステム電力信号と組み合わせる。

図１３は、ＨＡＲＴプロトコルを用いて本発明の実施例で実現される代替的な通信方式を示し、ここではディジタル通信データは４−２０ｍＡのアナログ信号上に重ねられている。制御室５４からの信号は、インピーダンス制御およびフィルタ回路５９を通過する。４−２０ｍＡ信号は次いでインテリジェントレギュレータおよび他の装置に適切な電力を与えるように調整される。受信された信号はフィルタ５７でフィルタ処理され、４−２０ｍＡＨＡＲＴ信号から通信データを取り除き、この通信データは電子制御器通信セクション５１に渡される。送信データは変調器５８を通過し、このデータを４−２０ｍＡ信号と組み合わされる。

図１４はデュアルツイストペアを用いる通信システムの例を示す。電力は調整回路５６で調整され、２線式ペアの一方の上でインテリジェントレギュレータおよび他の装置に与えられる。データは、制御室５４から送信および受信回路６０を介して他方の２線式ペアによって電子制御器の通信セクション５１に渡される。

図１５において、無線通信を用いる例示の通信装置が示される。データを含む無線信号は、制御室からインテリジェントレギュレータに関連する無線６１に送られる。信号は電力制御装置６２（レギュレータの無線がデータ送信準備制御を備えていない場合）および適切なデータ通信ハードウェア６３を通過し、次いでこの情報はレギュレータの通信セクション５１に与えられる。同様に、図１６は、モデムまたは光ファイバを用いて制御室５４と本発明に従ったインテリジェントレギュレータとの間の通信を行なうための構成を示す。図１６に示されるような構成とともに他の通信媒体も用いられてもよい。データは制御室５４から適切なトランシーバ６４に送られ、トランシーバ６４は、データを処理して、通信ハードウェア６３を通過させて電子制御器の通信セクション５１に渡す。

上記の複数の実施例の説明はあくまで例示であり、限定の目的のためになされたのではない。本発明の範囲および精神から逸脱することなく、ここでなされた実施例および方法には多くの変更を加えることが可能である。本発明は前掲の特許請求の範囲の範囲および精神によってのみ限定される。

Claims (20)

1. 所望の圧力に流体を維持するための自己調整圧力レギュレータであって、 流体の流路を規定する本体と、
   流路を通る流体の流量を選択的に制限するために流路内で移動可能な絞り要素と、
   前記絞り要素に連結され、前記絞り要素に予め設定された荷重を加える予め設定されたアクチュエータであって、前記予め設定された荷重が、所望の圧力を達成すべく前記絞り要素を位置決めするのに必要な推定された荷重に対応している、予め設定されたアクチュエータと、
   所望の圧力に維持されるべき流体の検出された圧力の指示を与える圧力センサと、
   前記圧力センサに連結され、前記絞り要素に荷重を加えるように適合される調整可能なアクチュエータであって、前記絞り要素が、検出された圧力と所望の圧力との間の差を低減すべく移動させられるように、検出された圧力と所望の圧力との間の差に従って変動する荷重を前記絞り要素に加える調整可能なアクチュエータとを備えてなる、自己調整圧力レギュレータ。
2. 前記予め設定されたアクチュエータはばねを備える、請求項１に記載の自己調整圧力レギュレータ。
3. 前記調整可能なアクチュエータは、検出された圧力と所望の圧力との間の差に対応する電気信号を受信し、空圧を出力する電流対圧力コンバータを含み、
   前記絞り要素は、出力された空圧が絞り要素に荷重を加えるように構成される、請求項１に記載の自己調整圧力レギュレータ。
4. 通信信号を外部通信装置に与える通信回路をさらに備え、
   前記通信信号は、検出された圧力と所望の圧力との間の差に対応する、請求項１に記載の自己調整圧力レギュレータ。
5. 予め定められた圧力にプロセスの流体を維持するための圧力レギュレータであって、
   流体入口と、流体出口と、流体入口および流体出口を流体で連通させた流路とを規定する本体と、
   流路を通る流体の流量を選択的に制限するために流路内で移動可能な絞り要素と、
   前記絞り要素に連結され、前記絞り要素を選択的に移動させるための、制御側と基準側とを有するアクチュエータと、
   前記アクチュエータの基準側に加えられ、前記絞り要素を予め定められた基準位置に移動するように付勢する基準負荷と、
   前記アクチュエータの制御側にプロセスにおける流体の圧力を負荷することにより、前記アクチュエータを前記基準負荷に抗して移動させて流路内で前記絞り要素を位置するフィードバック用通路と、
   プロセスにおける流体の圧力を示す信号を与える圧力センサと、 流体の圧力を示す信号を受信し、検出された圧力と予め定められたレベルとの間の差に応答して前記絞り要素に調整値を表す調整信号を出力する制御器と、
   前記制御器により出力される調整信号に応答して前記絞り要素をさらに位置決めする調整機構とを備えてなる、圧力レギュレータ。
6. 前記フィードバック用通路は、これによって前記レギュレータの下流側でプロセスにおける流体の圧力を加える、請求項５に記載の圧力レギュレータ。
7. 前記アクチュエータはダイアフラムを含む、請求項５に記載の圧力レギュレータ。
8. 前記調整機構は、前記制御器に応答して前記アクチュエータの基準側に空圧を与える電流対圧力コンバータを含む、請求項７に記載の圧力レギュレータ。
9. 前記基準負荷はばねを含む、請求項５に記載の圧力レギュレータ。
10. プロセスにおける流体の圧力を用いて絞り要素を位置決めすることにより圧力レギュレータを通る流体の流量を制限する圧力レギュレータ用の電子制御器であって、
    制御されている流体の圧力を示す信号を与える圧力センサと、
    制御されている流体の圧力を示す信号を受信し、検出された圧力と予め定められたレベルとの間の差に応答して前記絞り要素に調整値を表す信号を出力するプロセッサと、
    前記プロセッサに連結され、前記プロセッサにより出力される信号に応答して、前記絞り要素に荷重を加えて前記絞り要素の位置を調整する調整機構とを備えてなる、電子制御器。
11. 前記調整機構は、前記圧力レギュレータに空圧を出力する電流対圧力コンバータを含み、前記制御器からの空圧は、前記絞り要素の位置を調整する、請求項１０に記載の電子制御器。
12. 前記プロセッサに電力を与えるための電源をさらに含み、前記電源は、プロセスにおける流体をエネルギー源として用いる発生器を含む、請求項１０に記載の電子制御器。
13. 前記電子制御器はさらにメモリ構造を有し、前記制御器は前記メモリ構造内に前記圧力レギュレータの動作に関するディジタルデータを記憶するように適合され、前記制御器は、電子制御器の外部の装置に、記憶されたディジタルデータの少なくとも幾分かを伝えるための通信回路を含む、請求項１０に記載の電子制御器。
14. 流体の圧力を用いて絞り要素を位置決めし、圧力レギュレータを通る流体の流量を制限する圧力レギュレータにおいてオフセットを補償する方法であって、
    制御されている流体の圧力を決定するステップと、
    制御されている流体の圧力を所望の予め定められた圧力レベルと比較することにより誤差値を計算するステップと、
    前記誤差値を調整圧力に変換するステップと、
    前記絞り要素に、制御されている流体の圧力に加えて調整圧力を負荷することにより前記絞り要素を再位置決めするステップとを含む、方法。
15. 制御されている流体の圧力を用いて絞り要素を位置決めし、これにより圧力レギュレータを通る流体の流量を制限する圧力レギュレータ用の電子制御器であって、
    制御されている流体の圧力を検出する手段と、
    制御されている流体の圧力と予め定められた圧力レベルとの間の差を決定する手段と、
    前記絞り要素の位置を調整して、制御されている流体の圧力と予め定められたレベルとの間の差をなくす手段とを含む、電子制御器。
16. 流路を規定する本体と、
    流路を通る流体の流量を選択的に制限するために流路内で移動可能な絞り要素と、
    前記絞り要素に連結され、前記絞り要素を選択的に移動させるための、制御側および規準側を有するダイアフラムと、
    前記ダイアフラムの基準側に加えられ、前記ダイアフラムを、したがって前記絞り要素を予め定められた付勢位置に付勢するばね負荷と、
    前記ダイアフラムの制御側にプロセスにおける流体の圧力を負荷することにより、前記ダイアフラムを、したがって前記絞り要素を移動させて前記流体の圧力の対応する位置に前記絞り要素を位置決めするフィードバック用通路と、
    流体の検出された圧力を示す電気信号を与える圧力センサと、
    流体の検出された圧力を示す電気信号を受信し、その信号を、所望の流体圧力を示す電気信号と比較する電子制御器であって、検出された圧力を示す電気信号と所望の流体圧力を示す電気信号との間の差に従って変化する電気誤差信号を生成する電子制御器と、
    電気誤差信号を受信するように適合される入力と、前記ダイアフラムの基準側に可変性の空圧を与えるように適合される出力とを有する電流対圧力トランスデューサとを備えており、
    前記電流対圧力トランスデューサにより与えられる可変性の空圧は、電気信号に従って変化する、自己調整圧力レギュレータ。
17. 前記電子制御器は、通信回路およびメモリを含み、
    前記制御器は、前記通信回路を介して所望の流体圧力を表す電気信号を受信し、前記メモリ内にその電気信号のディジタル表現を記憶するように適合される、請求項１６に記載の自己調整圧力レギュレータ。
18. 電力を前記電子制御器と前記電流対圧力トランスデューサとに供給するための電源をさらに備える、請求項１６に記載の自己調整圧力レギュレータ。
19. 前記電源は、太陽電池板によりエネルギーを与えられる太陽電池板および電池システムを含む、請求項１８に記載の自己調整圧力レギュレータ。
20. 前記圧力レギュレータはさらに、流路と流体でつながる入口と、流路と流体でつながる出口とを規定し、
    前記入口は、前記出口での流体の圧力よりも大きな圧力で流体を受け入れるように適合され、前期フィードバック用通路によって、前記ダイアフラムの制御側に前記出口からの圧力を加える、請求項１６に記載の自己調整圧力レギュレータ。

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