JP3580353B2 - 圧力発生器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気などの気体を用いた圧力発生器に関し、特に発生する圧力を簡便に制御できる改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧力発生器は、空気を供給源とし、出力に設定された圧力を発生するものである。図3は、従来の圧力発生器の構成ブロック図である。図において、圧力供給源1には圧力ポンプや高圧容器に収容された圧縮空気を用いる。制御バルブ2は、制御回路5から送られる操作信号に従って弁の開度を調節するもので、供給源1から出力タンク3に送られる空気の流量を調整している。
【0003】
出力タンク3は、負荷の空気消費量によらず一定圧力の空気を負荷側に供給するための、容量である。圧力センサ4は、出力タンク3の内部圧力や負荷への供給圧力を測定するために使用する。制御回路5は、圧力センサ4の測定値と設定値とを比較して、出力タンク3の圧力が目標値となるように制御バルブ2に操作信号を送る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法では、圧力センサ4の測定値を監視しなければ、出力タンク3の出力値を知ることができず、圧力発生時の制御方式が常にフィードバック制御になるという課題があった。また、出力タンク3の出力値は制御回路5と制御バルブ2を用いたフィードバック制御により安定化していたので、圧力発生器そのものの出力精度は圧力センサ4の確度や応答時間により制約されるという課題があった。
【0005】
本発明はこのような課題を解決したもので、モニタ用のセンサの動特性に依存せず、予測制御により正確な圧力を発生する圧力発生器を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する圧力発生器に関する本発明は、
所定の初期圧力の入力タンクと、
所定容積の負荷が接続された出力タンクと、
前記入力タンクと前記出力タンクとを接続する連結バルブと、
前記出力タンクを大気圧に開放する開放バルブと、
を有する圧力発生器において、
前記連結バルブおよび前記開放バルブの開閉を制御するバルブ制御手段と、
前記連結バルブが閉じた状態での前記入力タンクの初期圧力を測定する圧力センサと、
前記開放バルブの開閉により大気圧に開放された後に前記開放バルブが閉じた状態の前記出力タンクおよび前記負荷が、前記初期圧力の入力タンクと連通した場合の内部圧力の変化と時間の関数に基づいて、前記出力タンクおよび前記負荷の内部圧力が予め設定された目標圧力値に到達するまでの到達時間を演算する演算手段と、
を備え、
前記バルブ制御手段は、前記開放バルブを閉じると共に、前記到達時間だけ前記連結バルブを開放し、前記入力タンクから前記出力タンクおよび前記負荷に気体の供給を行うことを特徴としている。
【0007】
このような構成によれば、到達時間演算手段を用いて、入力タンクから任意の圧力を加えた場合に、出力タンクと負荷が目標圧力値に達するまでの時間が演算できる。そこで、バルブ制御手段によって、入力タンクと出力タンクとを接続する連結バルブを到達時間演算手段の演算した時間だけ開放/遮断の操作を行うことで、圧力発生制御が可能になる。
【0008】
ここで、請求項2のように、前記入力タンクは、入力バルブB1を介して気体の供給源と接続される構成とすると、供給圧が変動しても、発生制御系への影響を低減させることができる。
【0009】
また、請求項3のように、前記関数のパラメータは、入力タンクの容積Vsと初期圧力Ps、入力タンクと出力タンクを連結する配管の径Dと長さL、出力タンクと負荷の合計容積Voと初期圧力Poを有する構成とすると、到達時間演算手段が、入力タンクから任意の圧力を加えた場合に、出力タンクと負荷が目標圧力値に達するまでの時間の演算に必要とするパラメータが得られる。
【0010】
また、前記関数のパラメータは、入力タンクに充填された供給空気の粘性抵抗(η)を有する構成とすると、入力タンクと出力タンクを連結する配管における気体の流量特性が正確に得られる。好ましくは、請求項4のように、前記供給空気の粘性抵抗は、入力タンクに充填された供給空気の温度から求める構成とすると、測定が簡単に行える。
【0011】
さらに、請求項5のように、前記バルブ制御手段は、
前記開放バルブを開放して前記出力タンクと前記負荷を大気圧にした後、前記開放バルブを閉じると共に連結バルブを開放して前記入力タンクと前記出力タンク並びに前記負荷を共通の圧力にし、
前記圧力センサは、この共通の圧力を測定し、
前記演算手段は、ボイル・シャルルの式を用いて前記負荷の容積を演算し、前記関数のパラメータに用いることを特徴としている。
【0012】
このような構成によると、圧力発生器に接続される負荷容量が自動計測される。このとき、圧力の測定は密閉された容積内部の測定となるので、時間的には安定しており、圧力センサの応答速度は測定誤差とならない。負荷容量は、圧力発生中は一定と考えられるので、この負荷容量の測定は最初に一度だけ行えば良い。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を説明する。図1は本発明の一実施例を示す構成ブロック図で、圧力発生器の負荷容量測定過程を示している。図において、供給源T0は所定圧力の気体を供給するもので、圧力ポンプや圧縮空気ボンベ等が用いられる。入力タンクT1は、所定の初期圧力P1の気体を収容している。出力タンクT2は、所定容積の負荷T3と接続される圧力容器である。
【0014】
入力バルブB1は、供給源T0と入力タンクT1とを接続するバルブである。連結バルブB2は、入力タンクT1と出力タンクT2とを接続するバルブである。開放バルブB3は、出力タンクT3を大気圧Poに開放する際に使用するバルブである。圧力センサS1は、入力タンクT1の内部圧力を測定するセンサで、応答速度は数秒程度の遅いものであって差し支えない。バルブ制御部CTLは、入力バルブB1、連結バルブB2、並に開放バルブB3の開閉を制御するコントローラである。
【0015】
このように構成された装置において、負荷T3の容量測定は次のようにして行う。第1の工程では、連結バルブB2を閉じておき、入力バルブB1を開放して入力タンクT1に供給源T0からの空気を供給する。一方、出力タンクT2と負荷T3を接続した状態で、開放バルブB3を開放して出力タンクT2と負荷T3の内部圧力を大気圧にする。
【0016】
第2工程では、入力タンクT1では、入力バルブB1を閉じて、供給源T0からの外乱をなくした安定した圧力が発生しているので、内部圧力P1を圧力センサS1で測定する。第3の工程では、開放バルブB3を閉じると共に、連結バルブB2を開放して入力タンクT1と出力タンクT2並びに負荷T3を共通の圧力P2にする。その後、安定した内部圧力P2を圧力センサS1で測定する。
【0017】
第4の工程では、入力タンクT1と出力タンクT2の既知容積と、大気開放されていた出力タンクT2と負荷T3のゲージ換算圧ゼロ0を用い、ボイル・シャルルの式を用いて負荷T3の容量を演算する。即ち、
T1*P1=(T1+T2+T3)*P2 (1)
が成立するから、
T3={(T1*P1)−(T1+T2)*P2}/P2 (2)
となり、負荷容量が得られる。
【0018】
続いて、目標圧力の発生について説明する。図2は本発明の一実施例を示す構成ブロック図で、目標圧力の発生過程を示している。なお、図2において前記図1と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。ここでは、供給源T0と、入力バルブB1を省略している。入力タンクT1は、所定の初期圧力Psとなっている。図示しないバルブ制御部CTLは、連結バルブB2と開放バルブB3の開閉を制御する。
【0019】
このように構成された装置において、負荷T3で目標圧力が得られるように、バルブ制御部CTLが連結バルブB2と開放バルブB3の制御を行う。この際に、供給側から任意の圧力を加えた場合に、出力側で目標圧力値に到達する迄の時間が算出できるので、この算出した時間だけ途中のバルブを開閉することで、圧力発生制御が行える。
【0020】
続いて、具体的な説例をもとに説明する。ここでは、入力タンクT1の容量が、出力タンクT2と負荷T3の合計容量に比較して無限大とみなせるほど充分に大きいものとする。また、連結バルブB2は閉じた状態にあり、供給圧が既に入力タンクT1に充填されているものとする。
【0021】
第1の工程では、入力タンクT1の初期圧力値Psを圧力センサS1で測定する。入力タンクT1の初期圧力値Psは安定しているので、圧力センサS1の応答時間は遅いものでも良い。第2の工程では、開放バルブB3を開放する。すると、出力タンクT2と負荷T3が接続された状態では、内部圧力Poは大気圧となり、ゲージ換算圧力ではゼロとなる。
【0022】
第3の工程では、入力タンクT1に充填された供給空気の温度Taを測定する。この温度Taは、供給空気の粘性抵抗ηを求めるのに使用する。温度Taと粘性抵抗ηとの関係は、予めデータベースで保有しているものとする。このようにして、初期圧力値Ps、内部圧力Poが得られているので、既に求めてある負荷T3の容量と、入力タンクT1と出力タンクT2の容量を用いて、供給源が無限の場合の時間算出関数Tに代入して、目標圧力値Potに到達する時間Tを演算する。
T=−R/2CPsc (3)
【0023】
ここで、各変数は次のように定められる。
R=ln[{(Po(T)−Psc)/(Po(T)+Psc)}/Wo] (4)
Wo=(Po(0)−Psc)/(Po(0)+Psc) (5)
C=A/2Vo (6)
A=(π/128η)*(D4/L) (7)
ここで、Dは入力タンクT1と出力タンクT2を接続する配管の内径、Lは長さである。Voは出力タンクT2と負荷T3の容量である。Pscは供給空気の圧力で、ここでは初期圧力値Psと等しくなっている。
【0024】
第4の工程では、開放バルブB3を閉じると共に、連結バルブB2を開放する。そして、入力タンクT1から供給空気の供給を開始し、(3)式で算出された時間Tだけ経過した後、連結バルブB2を閉じて供給空気の供給を停止する。このようにして、出力タンクT2と負荷T3には設定された目標圧力値Potが得られる。
【0025】
なお、上記実施例においては、圧力を上昇させる場合を念頭において説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧力を減少させる場合にも適用できる。即ち、出力タンクT2と負荷T3には加圧された空気を貯え、入力タンクT1を大気開放しておくことで、連結バルブB2の時間制御により、出力タンクT2と負荷T3には設定された目標圧力値Potが得られる。
【0026】
さらに、連結バルブB2の応答の遅れを加味したい場合には、時間入力に対する圧力値を算出する関数を使用して予測可能である。また、配管系を何種類か用意した構成の場合には、圧力勾配と圧力の関数を使用して、最適な配管系を選択しながらの制御が可能になる。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧力発生器によれば、到達時間演算手段により圧力の応答を時間関数で算出しているので、連結バルブの開放時間が圧力を用いて算出でき、圧力制御が容易に行える。また、圧力制御は連結バルブの開放時間により制御するので、モニタ用に用意されている圧力センサは応答時間の遅いものでも差し支えなく、さらにこのモニタ用の圧力センサを使用したダイナミックなフィードバック制御をする必要もない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す構成ブロック図で、圧力発生器の負荷容量測定過程を示している。
【図2】本発明の一実施例を示す構成ブロック図で、目標圧力の発生過程を示している。
【図3】従来の圧力発生器の構成ブロック図である。
【符号の説明】
B1 入力バルブ
B2 連結バルブ
B3 開放バルブ
S1 圧力センサ
T0 供給源
T1 入力タンク
T2 出力タンク
T3 負荷
Claims (5)
- 所定の初期圧力の入力タンクと、
所定容積の負荷が接続された出力タンクと、
前記入力タンクと前記出力タンクとを接続する連結バルブと、
前記出力タンクを大気圧に開放する開放バルブと、
を有する圧力発生器において、
前記連結バルブおよび前記開放バルブの開閉を制御するバルブ制御手段と、
前記連結バルブが閉じた状態での前記入力タンクの初期圧力を測定する圧力センサと、
前記開放バルブの開閉により大気圧に開放された後に前記開放バルブが閉じた状態の前記出力タンクおよび前記負荷が、前記初期圧力の入力タンクと連通した場合の内部圧力の変化と時間の関数に基づいて、前記出力タンクおよび前記負荷の内部圧力が予め設定された目標圧力値に到達するまでの到達時間を演算する演算手段と、
を備え、
前記バルブ制御手段は、前記開放バルブを閉じると共に、前記到達時間だけ前記連結バルブを開放し、前記入力タンクから前記出力タンクおよび前記負荷に気体の供給を行うことを特徴とする圧力発生器。 - 前記入力タンクは、入力バルブを介して気体の供給源と接続されることを特徴とする請求項1に記載の圧力発生器。
- 前記関数のパラメータは、前記入力タンクの容積と初期圧力、前記入力タンクと前記出力タンクを連結する配管の径と長さ、前記出力タンクと前記負荷の合計容積と初期圧力、前記入力タンクに充填された供給気体の粘性抵抗を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧力発生器。
- 前記供給気体の粘性抵抗は、前記入力タンクに充填された供給気体の温度から求められたことを特徴とする請求項3記載の圧力発生器。
- 前記バルブ制御手段は、前記開放バルブを開放して前記出力タンクと前記負荷を大気圧にした後、前記開放バルブを閉じると共に連結バルブを開放して前記入力タンクと前記出力タンク並びに前記負荷を共通の圧力にし、
前記圧力センサは、この共通の圧力を測定し、
前記演算手段は、ボイル・シャルルの式を用いて前記負荷の容積を演算し、前記関数のパラメータに用いることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の圧力発生器。
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