JP6715290B2 - 弁開度計 - Google Patents

Description

本発明は、弁の開閉状態又は開度を表示するための弁開度計に関する。

例えば発電プラント等の各種プラントには、多くの弁が設置されている。これらの弁のうち、電動モータで開閉駆動される電動弁、及び、大口径の手動弁では、その多くが、弁開度を表示するための開度計を備えている。しかし、小口径の手動弁では、開度計が設置されていないものが多い。これら小口径の手動弁では、その外観から開閉の状態を判別するのが困難である場合が多い。

このような小口径弁には、その開閉操作後に、開弁又は閉弁を示す表示プレートをぶら下げるような対応がなされている。しかし、この方法では、表示プレートの変更を忘れたり、弁の開閉状態の誤認識の問題がある。さらに、開閉弁の誤操作に起因する弁の開閉状態の変化に気づかないというおそれもある。

弁の開度表示装置としては、特開２０１３−０２４４０２号公報、特開２０１３−２１００３８号公報等に提案されているものが知られている。しかし、例えば、これら従来の開度表示装置を既設の弁に設置しようとすれば、取り付け対象の弁の改造を要したり、開閉表示装置自体が大がかりな装置になったりする。

特開２０１３−０２４４０２号公報 特開２０１３−２１００３８号公報

本発明は、上記した現況に鑑みてなされたものである。本発明は、新規に製造される弁に対してはもちろんのこと、既設の弁に対しても容易に設置することが可能であり、構造が簡素で安価な弁開度計を提供することを目的としている。

本発明に係る弁開度計は、
開閉用のハンドルを有する弁の開度又は開閉状態を表示する弁開度計であって、
上記ハンドル又はこのハンドルと一体で回転する部分に取り付けられる本体と、
上記ハンドルの回転角度に相当する情報を取得する回転角センサと、
上記ハンドルの回転操作に伴って上記回転角センサが検出したハンドルの回転角度に相当する情報に基づき、弁の開度データを出力する開度出力部と、
この開度出力部の出力に基づいて、弁の開度又は開閉状態を表示する開度表示部とを備えており、
上記回転角センサ、開度出力部及び開度表示部が、上記本体に取り付けられており、
上記回転角センサが、磁気センサ及び加速度センサの少なくとも一方から構成されている。

好ましくは、上記開度出力部が、ハンドルの回転角度に応じた弁開度を演算するマイクロコンピュータを有している。また、上記開度表示部が、ハンドルの回転角度に応じて発光しうる、発光色の異なる複数の発光器を有しているのも好ましい。

好ましくは、上記本体に取り付けられたトリガー部を備えており、
このトリガー部が照度センサを有しており、
この照度センサが外部からの光照射を受けることにより、上記回転角センサ、上記開度出力部及び上記開度表示部が起動するように構成されている。

好ましくは、上記本体に取り付けられたデータ通信部を備えており、
このデータ通信部が、開度出力部が出力した弁開度のデータを、外部の受信部に送信しうるように構成されている。

好ましくは、上記本体が、取付用ナット部を有しており、
この取付用ナット部が、手動弁のハンドルを弁棒に固定するための固定ナットの代わりに、上記弁棒に螺着されうるように構成されている。

本発明に係る弁は、開閉用のハンドルと、このハンドル又はこのハンドルと一体で回転する部分に取り付けられた弁開度計とを備えており、この弁開度計が、前述したうちのいずれかの弁開度計から構成されている。

本発明によれば、弁開度計が簡素な構造となり、しかも、既存の弁に対しても容易に取り付けることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る弁開度計が取り付けられた小口径の手動弁の一例を示す一部断面正面図である。 図２は、図１の弁をＩＩ−ＩＩ線に沿って見た一部切り欠き側面図である。 図３は、図１の弁に取り付けられる開度計を示す一部断面正面図である。 図４（ａ）は、磁気センサを用いた弁の開度を検出する方法を説明するためのグラフであり、図４（ｂ）は、加速度センサを用いた弁の開度を検出する方法を説明するためのグラフである。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１及び図２には、本発明の一実施形態に係る開度計１が設置されうる手動弁（単に弁ともいう）２が示されている。図１は、弁２の一部断面正面図であり、図２はこの弁２の一部切り欠き側面図である。図１には、上端に開度計１が取り付けられた弁２が示されている。この弁２は、弁箱３、弁箱３に固定された円筒状のボンネット（蓋部材）４、ボンネット４に螺着されたヨーク５、ボンネット４内に挿通された弁棒６、弁棒６に外嵌され且つボンネット４内に順に装着された弁棒ガイド７、グランドパッキン８及びパッキン押さえ９、アイボルト２２及びナット２４（図２）によってパッキン押さえ９を下方に押圧するためのパッキン押さえ板１０、並びに、弁棒６の上端近傍に装着された操作用のハンドル１１を備えている。上記ボンネット４は、弁箱３の雌ねじ３ａに螺着された上で、溶接によって弁箱３に固着されている。上記弁棒６の下端近傍は弁体１２を構成している。

弁箱３の内部には、流体の入口１３から弁座１４の部分を経由して出口１５に至る流路１６が形成されている。弁座１４の内径は、弁体１２の外径より小さくされている。上記弁座１４に弁体１２が圧接されることにより、流路１６が閉止される。図１には、全閉状態の弁２が示されている。

図２に示されるように、ヨーク５の下部の外周には、１８０°間隔に一対のボルト支持部２１が突設されている。このボルト支持部２１にはそれぞれ、アイボルト２２がピン２３によって回動自在に枢支されている。上記パッキン押さえ板１０のＵ字状の切り欠き開口１０ａには、このアイボルト２２が挿通されている。アイボルト２２にはナット２４が螺着されている。このナット２４を締め付けることにより、パッキン押さえ板１０を介してパッキン押さえ９が下方に押し下げられる。これにより、グランドパッキン８が押圧され、弁２の内部と外部とが液密且つ気密にシールされうる。

上記弁棒ガイド７は、ボンネット４の雌ねじ４ａに螺着されている。ヨーク５の上端には、スリーブ１７が固定されている。弁棒６の上部に形成された雄ねじ６ａが、このスリーブ１７の雌ねじ１７ａに螺合されている。従って、ハンドル１１が回転させられると、弁棒６がハンドル１１と一体で回転しながら上下動する。弁棒ガイド７の内径側には段差７ａが形成されている。弁棒６の下端近傍にも段差６ｂが形成されている。弁棒６が上昇すると、これら段差６ｂ、７ａ同士が当接し、弁２は全開状態（図示せず）となる。逆に、弁棒６が下降すると、弁体１２が弁座１４に当接し、弁２は全閉状態となる。全閉から全開までは、弁２のリフト（図１中の符号Ｌ）と呼ばれる。

弁棒６の上端近傍には、四角形断面の係合部１８が形成されている。ハンドル１１の中央のボス部１９には四角形の貫通孔１９ａが形成されている。このハンドル１１の貫通孔１９ａに弁棒６の係合部１８が挿通されることにより、両者６、１１が一体で回転可能となる。図２に示されるように、弁棒６の上端には雄ねじ６ｃが形成されており、この雄ねじ６ｃにナット２０が螺着されることにより、ハンドル１１が弁棒６に固定される。図示のごとく、このナット２０を外して、弁棒６の雄ねじ６ｃに上記開度計１を取り付けることができる（図１）。この雄ねじ６ｃに取り付けられた開度計１は、ハンドル１１及び弁棒６と一体で回転しうる。開度計１を設置するために、弁２にわずかな改造すら加える必要はない。

図３には開度計１が示されている。この開度計１は、本体２８と取付用ナット２９とを備えている。取付用ナット２９は、本体２８を装着対象の弁２の弁棒６の雄ねじ６ｃに取り付けるためのものである。取付用ナット２９には、前述した弁棒６の上端の雄ねじに螺合しうる雌ねじ２９ａが形成されている。本体２８は、後述の機能部品を収容するための本体容器３０を備えている。本体容器３０は、その底部を構成するとともに上記取付用ナット２９に接続する台座部３１を備えている。

本体容器３０は、実質的に有底円筒状を呈している。本体容器３０は、液密にシールされた防水構造を有している。本体容器３０は、透明又は半透明の材料から形成されている。台座部３１の下面には、雄ねじ３２ａが形成された接続用凸部３２が突設されている。この接続用凸部３２は、前述した取付用ナット２９の雌ねじ２９ａに螺合しうる。この螺合により、本体容器３０が取付用ナット２９と一体化される。

本実施形態では、取付用ナット２９の雌ねじ２９ａ、及び、接続用凸部３２の雄ねじ３２ａは、対象弁２の弁棒６の上端の雄ねじ６ｃと同一サイズにされている。しかし、接続用凸部３２の雄ねじ３２ａのサイズは、対象弁２の弁棒６の雄ねじ６ｃのサイズに関わらず、一定にしてもよい。この場合は、取付用ナット２９の雌ねじ２９ａは、同軸上の上下で異なるサイズにする必要が生じうる。例えば、接続用凸部３２の雄ねじ３２ａのサイズをＭ８で一定にし、Ｍ１２の雄ねじを有する弁棒に取り付ける場合、取付用ナット２９の雌ねじ２９ａを、上部４０％程度の範囲をＭ８とし、下部６０％程度をＭ１２とすることができる。

上記機能部品は、回転角センサ３４、開度出力部３５、開度表示部３６、データ通信部３７、トリガー部３８及び電源３９である。回転角センサ３４は、上記ハンドル１１の回転角度に相当する情報を検出する。開度出力部３５は、回転角センサ３４が検出したこの情報に基づいて、ハンドル１１の回転角度及び弁の開度を演算してこれを出力する。開度出力部３５による弁開度の出力に基づいて、開度表示部３６による弁２の開閉状態の本体容器３０への表示がなされる。また、データ通信部３７により、開度出力部３５が出力した開度データが、外部の受信部であるパソコン等に無線送信される。トリガー部３８は、外部信号により、上記機能部品を起動させる。これは、常時は、節電を目的として、各機能部品に対する電源３９がオフにされていることによるものである。この電源３９は、機能部品に対し、必要な電力を供給する駆動電源である。

回転角センサ３４として、磁気センサ４０及び加速度センサ４１の少なくとも一方が採用されうる。これらのセンサ４０、４１としては、例えば、市販の電子コンパス、３軸磁気センサ、３軸加速度センサ等が採用されうる。磁気センサ４０は磁気強度を時系列に検出することができる。加速度センサ４１は重力加速度を時系列に検出することができる。地磁気の強度及び方向、並びに、重力加速度の大きさ及び方向は、いずれも一定している。地磁気の方向と重力加速度の方向とは、互いに異なっている。重力加速度の方向は鉛直方向であり、地磁気の方向は鉛直に対して傾斜した方向である。磁気センサ４０の検出部がホール素子から構成されている場合、ホール素子は、そこを通過する磁束の大きさに応じた電気（素量）を生じる。磁気センサ４０の検出面が、その回転に伴って地磁気を連続して横切る。これにより、地磁気を横切る検出面の傾きの変化に応じて、測定される地磁気の大きさは一定サイクルで変化する。加速度センサ４１の検出部が圧電素子及び錘から構成されている場合、圧電素子は、そこに加わった錘の重力に比例した電気（素量）を生じる。加速度センサ４１は、その検出面が回転に伴って重力を連続して横切る。これにより、重力を横切る検出面の傾きの変化に応じて、測定される重力加速度の大きさは一定サイクルで変化する。

磁気センサ４０及び加速度センサ４１のうちの一方を採用する場合、磁気センサ４０を選択するのが好ましい。なぜなら、加速度センサ４１では、弁棒の軸が鉛直を向くように設置された弁では、その機能を発揮することが困難だからである。重力は鉛直方向に作用しているが、弁は、その弁棒が鉛直を向くように設置されることが多いからである。従って、鉛直軸回りに回転する加速度センサ４１では、重力加速度の検出値に変化が生じない。一方、磁気センサ４０であれば、弁棒の軸が鉛直を向くように設置された弁であっても、回転に伴って検出する地磁気の検出値に変化が生じる。

一方、弁棒の軸が地磁気の方向を向くように設置された弁の場合、磁気センサ４０ではその機能を発揮することが困難である。しかし、弁がこのような姿勢で設置されることは希有である。このような姿勢の弁であっても、加速度センサ４１であれば、回転に伴って検出する加速度の大きさに変化が生じる。以上のとおり、磁気センサ４０及び加速度センサ４１は、互いの不感帯域を補完し合っているといえる。弁の設置姿勢が決定されている場合は、この姿勢に応じて採用するセンサを決定すればよい。この場合は、いずれか一方のセンサで事足りる。本実施形態の開度計１では、安全を期して、磁気センサ４０及び加速度センサ４１の両方が設置されている。

図４に示されるように、ハンドル１１の回転に伴い、開度計１が弁棒６の軸回りに回転すると、磁気センサ４０による地磁気の検出値は、３６０°回転毎に正弦波状に周期的に変化する（図４（ａ））。また、加速度センサ４１による重力加速度の検出値も、３６０°回転毎に周期的に変化する（図４（ｂ））。図４のグラフの横軸は回転角度を表し、縦軸は地磁気の検出値（図４（ａ））及び重力加速度の検出値（図４（ｂ））を表す。この検出値の周期的な変化により、ハンドル１１の回転角度及び回転数が求められる。このハンドル１１の回転角度及び回転数から、弁棒６の移動距離、すなわち弁２の開度が求められうる。予め、ハンドルを全閉から全開へ回転させることにより、ハンドルの回転角度と地磁気又は加速度の検出値との関係、全閉位置と全開位置との回転角度差、全閉位置及び全開位置それぞれにおける地磁気又は加速度の検出値等を記録しておく。この地磁気の検出値又は加速度の検出値と弁開度との関係の求め方の詳細は、以下のとおりである。

図４に示されるように、例えば弁２の全閉時点を基準にし、この全閉時の回転角度を０°と決定する。全閉時点から、ハンドル１１を開弁方向（反時計方向）に回転させつつ、磁気強度を測定する。弁２の全閉位置から全開位置まで、磁気強度の測定値がハンドル１１の回転角度と対応させられて時系列に記録される。全閉時点における地磁気の検出値（初期値）Ｔ０が、回転角度＝０°に対応付けられている。

以上の予備測定結果の記録により、以下のことが判る。全閉時点から任意の回転角度θ１における地磁気の検出値はＴ１である。この検出値Ｔ１から、開弁方向への回転角θ１が特定できる。この回転角度θ１の位置からハンドル１１を回転させて、検出値がＴ１より増加すれば、ハンドル１１は開弁方向に回転されていることが判る。逆に、検出値がＴ１より減少すれば、ハンドル１１は閉弁方向に回転されていることが判る。全閉から全開までの如何なる位置においても、地磁気の検出値の変化によってハンドル１１の回転方向が識別できる。そして、検出値Ｔ１の位置から開弁方向に任意の角度だけハンドルを回転させたときの検出値Ｔ２から、全閉時からの回転角θ２を特定することができる。全閉から全開までの回転角と地磁気との時系列の対応データによれば、検出された地磁気の大きさから弁開度、すなわち全開リフトＬに対する開度の割合（１／４Ｌ、１／１６Ｌ等）、が把握されうる。加えて、弁棒６の雄ねじ６ａのねじピッチも既知であるから、このデータからも、ハンドル１１の回転角度と弁棒６の移動距離（例えばｍｍ単位）とを対応づけることができる。加速度センサ４１による場合も、上記と同じ結果が得られる。従って、加速度センサ４１による検出値Ｇ０、Ｇ１、Ｇ２に基づいた開度検出の説明は省略される。

開度出力部３５としては、ＣＰＵ、メモリ等を含んだマイクロコンピュータ４２を採用しうる。マイクロコンピュータ４２は、磁気センサ４０及び／又は加速度センサ４１が検出した時系列の地磁気及び／又は重力加速度の各大きさに基づき、前述したとおり弁２の開度を演算する。マイクロコンピュータ４２では、弁２の全閉から全開に至るまでの、地磁気及び／又は重力加速度の各大きさと弁開度との関係が得られている。従って、全閉から全開に至るまでの定量的な開度情報を出力することが可能である。

開度出力部３５の出力に基づいて出力表示を行う前述の開度表示部３６としては、発光色の異なる複数の発光器（ＬＥＤ）４３を採用してもよい。この複数のＬＥＤ４３は、マイクロコンピュータ４２から出力された弁開度情報に応じて、異なる色彩及び／または異なる輝度の光を発しうる。例えば、全開時は青色ＬＥＤが点灯し、全閉時は赤色ＬＥＤが点灯し、中間開度（全開および全閉以外）時は白色ＬＥＤが点灯するようにしてもよい。また、全開、中間開度、全閉それぞれを、輝度の異なる同一色によって表示してもよい。または、光の輝度と色彩との組み合わせにより、全開、中間開度、全閉のそれぞれを表示してもよい。開度表示部３６として、このＬＥＤに代えて、開度を定量的に示す電光表示板が用いられてもよい。

データ通信部３７としては、例えば、市販の無線通信モジュールが採用されうる。このデータ通信部３７は、開度出力部３５による弁開度情報を、図示しない外部のパソコン等に送信する。この場合の弁開度情報としては、マイクロコンピュータ４２で演算された全閉から全開に至るまでの定量的な開度データである。外部のパソコンでは、この開度データから、開度のパーセント、全閉時から全開方向への弁棒６の移動距離等が演算され、また、全開、中間開度、全閉の３種類の状態が区別され得る。又は、マイクロコンピュータ４２から、全開、中間開度、全閉の各状態を示す３種類の信号、開度のパーセント表示、全閉時から全開方向への弁棒６の移動距離等を示す信号を出力することも可能である。

電源３９としては、市販の小型のいわゆるボタン型のアルカリ電池、リチウム電池、酸化銀電池等が採用されうる。この電池に対して半導体部品を活用することにより、省電力効果が期待できる。さらなる節電のために、常時は、この電源３９をオフの状態にしておくことも可能である。この場合、ハンドル操作に先立って開度計１を起動するために、下記のトリガー部３８を必要とする。

上記トリガー部３８としては、光ダイオード等の半導体を含んだ照度センサ４４が採用されうる。この照度センサ４４は、外部からの信号である所定値以上の照度を検知したときに通電して検知信号を発する。この検知信号により、磁気センサ４０、加速度センサ４１、マイクロコンピュータ４２、ＬＥＤ４３が起動する。上記所定の照度（基準照度）を調節することは可能である。外部からの信号としては、レーザーポインター、ＬＥＤランプ等からの照射光が該当する。使用者が、レーザーポインター、ＬＥＤランプ等によって開度計１に光を照射する起動アクションをとることにより、開度計１が起動する。

この開度計１は、アラーム機能を有しているのが好ましい。前述のとおり、ハンドル１１の回転操作を行う際には、開度計１が起動されていることが重要である。常に、マイクロコンピュータ４２が、回転に伴う現時点での開度情報を記憶しておく必要があるからである。従って、もし、レーザーポインター、ＬＥＤランプ等による起動アクションをとることなくハンドル操作をした場合は、開度計１がアラーム表示をする。具体的には、この開度計１には、加速度センサの一種からなるモーションセンサ４５が装備されている。このモーションセンサ４５が、ハンドル１１の回転を検知する。このモーションセンサ４５の検知信号により、マイクロコンピュータ４２からＬＥＤ４３に対して、前述の３段階の開度（全開、全閉、中間開度）を示す光とは異なる光の発光を指示する。例えば、赤色光の点滅、３色の光の点滅等である。このモーションセンサ４５は極低消費電力という特徴を有しており、常時通電されてはいるが、上記ボタン型電池３９を消耗させるおそれはない。

この開度計１は、データ通信部３７により、外部のパソコン等とデータの送受信を可能としてもよい。ＩＣタグ機能により、各弁２のＩＤ管理が可能となり、外部のパソコンや情報端末において構築されている弁開度監視システムとの連携が可能となる。この結果、プラントの運転の信頼性向上、運転員のプラント管理業務の労力軽減に寄与しうる。

本実施形態では、開度計１が弁２の弁棒６に装着される。しかし、開度計の装着対象は弁棒６には限定されない。開度計は、ハンドル１１に装着されてもよい。このような開度計は、前述の取付用ナット２９に代えて、ハンドル１１をしっかりと把持するクランプを備えるのが好ましい。ハンドル装着式の開度計は、弁棒がハンドルと一体に回転することのない弁に好適である。このような弁としては、スリーブが、ハンドルと一体で回転し、ヨークに対して上下動不能にされている弁である。このような弁では、ハンドルの回転操作により、弁棒が回転することなく上下動する。

以上説明された弁開度計は、手動弁の開閉状態の確認に有用である。

１・・・開度計
２・・・手動弁
３・・・弁箱
４・・・ボンネット
５・・・ヨーク
６・・・弁棒
７・・・弁棒ガイド
８・・・グランドパッキン
９・・・パッキン押さえ
１０・・・パッキン押さえ板
１１・・・ハンドル
１２・・・弁体
１３・・・流体入口
１４・・・弁座
１５・・・流体出口
１６・・・流路
１７・・・スリーブ
１８・・・（弁棒の）係合部
１９・・・（ハンドルの）ボス部
２０・・・ナット
２１・・・ボルト支持部
２２・・・アイボルト
２３・・・ピン
２４・・・ナット
２８・・・本体
２９・・・取付用ナット
３０・・・本体容器
３１・・・台座部
３２・・・接続用凸部
３４・・・回転角センサ
３５・・・開度出力部
３６・・・開度表示部
３７・・・データ通信装置
３８・・・トリガー部
３９・・・電源
４０・・・磁気センサ
４１・・・加速度センサ
４２・・・マイクロコンピュータ
４３・・・ＬＥＤ
４４・・・照度センサ
４５・・・モーションセンサ
Ｌ・・・（弁の）リフト

Claims (2)

1. 開閉用のハンドルを有する弁の開度又は開閉状態を表示する弁開度計であって、
   前記ハンドル又は前記ハンドルと一体で回転する部分に取り付けられる本体と、
   前記ハンドルの回転角度に相当する情報を取得する回転角センサと、
   前記ハンドルの回転操作に伴って前記回転角センサが検出した前記ハンドルの回転角度に相当する情報に基づき、前記弁の開度データを出力する開度出力部と、
   外部信号により、電源がオフにされている前記回転角センサ及び前記開度出力部を起動させるトリガー部と、
   前記開度出力部の出力に基づいて前記弁の開度又は開閉状態を表示する開度表示部と
   を備えており、
   前記回転角センサ、前記開度出力部、前記トリガー部及び前記開度表示部が、前記本体に取り付けられている、弁開度計。
2. 前記本体に取り付けられたデータ通信部を備えており、
   前記データ通信部が、前記開度出力部が出力した弁開度のデータを、外部の受信部に送信しうるように構成されている、請求項１に記載の弁開度計。
   
   

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