(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体調整システムであって、
流体調整器を制御するための圧力信号を発生させるために圧力供給を受け入れ動作可能な圧力キャビティと、
制御信号に従って励磁されるべく動作可能なワイヤ・コイルと、
前記ワイヤ・コイル中のエネルギーに応答して前記ワイヤ・コイルに対して可動である磁化可能要素であって、前記圧力信号を発生させるために前記要素の位置が前記圧力キャビティ内の圧力に影響を及ぼす磁化可能要素と、
前記圧力キャビティに結合され、前記流体調整システムの第１感知パラメータである前記磁化可能要素の前記位置によって前記圧力キャビティ内の前記圧力を感知動作可能であり、前記圧力を表す信号を発生動作可能な圧力センサと、
受信された命令信号に応答して前記制御信号を発生動作可能であり、前記圧力センサ信号と前記受信された命令信号とに基づいて前記制御信号を調節動作可能である、前記ワイヤ・コイルと前記圧力センサとに結合されたコントローラと、
を備えた電気−圧力変換器と、
前記流体調整システムの第２パラメータを感知動作可能であり、前記第２パラメータを表す信号を発生動作可能な第２センサと、
前記命令信号を発生動作可能であり、前記第２センサ信号に基づいて前記命令信号を調節動作可能である、前記電気−圧力変換器と前記第２センサとに結合されたプロセッサと
を備えた流体調整システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記圧力センサ信号と前記受信された命令信号とに基づいて前記制御信号を調節するために、前記圧力センサ信号と前記受信された命令信号との間の差を増幅動作可能である請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コントローラは高周波数ゲインを抑制することがさらに動作可能である請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記電気−圧力変換器は、前記圧力センサ信号を前記命令信号フォーマットに変換動作可能なシグナル・コンディショナをさらに備えた請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記圧力キャビティは、前記磁化可能要素の上に圧力を排出するオリフィスを有する圧力導管を備え、前記電気−圧力変換器はその周囲に前記ワイヤ・コイルが配置された磁気コアをさらに備え、前記磁化可能要素は前記ワイヤ・コイルの端部に近接して在り、前記圧力センサはピエゾ型センサを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記圧力センサは部分的に補正されている請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第２センサは、流体調整器構成要素の位置の決定動作可能な位置センサを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記流体調整システムの第３パラメータの感知動作可能であり該パラメータを表す信号の発生動作可能な第３センサをさらに備え、前記プロセッサは、前記第３センサに結合され、前記第２センサ信号と前記第３センサ信号とに基づいて前記命令信号を調節動作可能である請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記プロセッサは、前記流体調整システムを調整するためのインストラクションの受信動作可能である請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記インストラクションは設定点を備える請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記プロセッサによってもたらされる制御の周波数応答よりもほぼ１０倍速い制御の周波数応答をもたらすように構成された請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記圧力信号は流体調整器要素を制御するように構成された請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記圧力信号は流体調整器要素の移動距離に対応する請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記プロセッサおよびコントローラは別々のデバイスである請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記制御信号を発生させ且つ調節するために基本的にアナログ回路からなる請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
受信された命令信号に基づいて制御信号を発生させるステップと、
流体調整器を制御する圧力信号を発生させるために、その位置が圧力キャビティ内の圧力に影響を及ぼす磁化可能要素を前記制御信号に従ってワイヤ・コイルに対して移動させるステップと、
前記圧力キャビティ内の前記圧力であって前記流体調整システムの第１感知パラメータである前記磁化可能要素の前記位置によって前記圧力キャビティ内の前記圧力を感知するステップと、
前記感知された圧力と前記命令信号とに基づいて前記制御信号を調節するステップと、
前記流体調整システムの第２パラメータを感知するステップと、
前記第２パラメータに基づいて前記命令信号を調節するステップと
を含む流体調整システムにおける流体調整のための方法。
【請求項１７】
前記感知された圧力と前記命令信号とに基づいて前記制御信号を調節するステップは、
前記感知された圧力を前記命令信号フォーマットに変換するステップと、
前記圧力信号と前記命令信号とを比較するステップと
前記信号間の差異を増幅するステップと、
を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記増幅された差異の高周波数ゲインを減少させるステップをさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記圧力信号と前記命令信号とを比較するステップは、前記命令信号から前記圧力信号を減ずるステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記流体調整システムの第３パラメータを感知するステップと、
前記第２パラメータと前記第３パラメータに基づいて前記命令信号を調節するステップと、
をさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記流体調整システムを調整するためにインストラクションを受信するステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記感知された圧力と前記命令信号とに基づいて前記制御信号を調節するステップは、前記第２パラメータに基づいて前記命令信号を調節することによってもたらされる制御の周波数応答よりも、ほぼ１０倍速い周波数応答で行なわれる請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
圧力制御信号を発生させるために空気圧供給を受け入れ動作可能なオリフィスを有する空気式供給ラインと、
制御信号に従って励磁動作可能であるワイヤ・コイルと、
前記オリフィスに近接した前記ワイヤ・コイルに対して可動であるニッケル−鉄合金要素であって、前記磁化可能要素は前記ワイヤ・コイル中のエネルギーに応答して可動であり、前記圧力制御信号を発生させるために前記要素の位置が圧力キャビティ内の空気圧に影響を及ぼす要素と、
前記圧力キャビティに結合された部分的に補正された圧力センサであって、前記圧力センサは、前記磁化可能要素の前記位置によって前記圧力キャビティの前記圧力を感知動作可能でありその圧力を表す信号を発生動作可能である圧力センサと、
前記圧力信号を命令信号フォーマットに変換動作可能であるシグナル・コンディショナと、
受信された命令信号に応答して前記制御信号を発生動作可能であり、
前記変換された圧力センサ信号と前記命令信号とに基づいて、前記変換された圧力センサ信号と前記受信された命令信号との間の差異を増幅し高周波数ゲインを抑制することによって前記制御信号を調節動作可能である、
前記ワイヤ・コイルと前記シグナル・コンディショナとに結合されたコントローラと、
を備えた電気−圧力変換器と、
流体調整器構成要素の位置の感知動作可能でありそれを表す信号を発生動作可能である位置センサと、
前記流体調整システムを調整するためにインストラクションを受信動作可能であり、
前記命令信号の発生動作可能であり、
前記位置センサ信号に基づいて前記命令信号を調節動作が可能である、
前記電気−圧力変換器と前記位置センサとに結合されたプロセッサであって、
前記コントローラは、前記プロセッサによってもたらされる制御の周波数応答よりもほぼ１０倍速い制御の周波数応答をもたらすように構成されたプロセッサと、
を備えた流体調整のためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、共に「流体調整制御」という名称の２００５年５月２０日に出願された米国特許仮出願第６０／７１４５５３号、および２００６年５月１８日に出願された米国ユーティリティ出願の利益を主張する。
【０００２】
本開示は調整に関し、より詳細には流体調整に関する。
【背景技術】
【０００３】
流体調整器は商業と産業の双方の用途のために広く多様な環境の下で使用されている。例えば、流体調整器は、パイプラインシステム、化学プラント、およびビル環境システムに使途を見出している。環境または用途に関わらず、大部分の最近の流体調整器は、その流体調整器と共に配置されているにせよ離れて配置されているにせよ、あるタイプのロジック駆動コントローラによって制御される。コントローラは、１つまたは複数の所望の効果（例えば、流量、圧力、温度、レベル、エネルギー効率など）を達成するために調整器をインテリジェントな対応で制御されることを可能とする。
【０００４】
普通のタイプの流体調整器コントローラは空気式技法によって動作する。しばしば、このタイプのコントローラは、外部の給気を受け取り、流体調整器を適切に作動させるために電子的命令に応答して給気を操作する。従って、しばしば、空気コントローラは電気−圧力変換器を含むといわれる。作動されるべき流体調整器に応じて、また、空気式流体調整器コントローラは第２の空気式構成要素も含むことができる。コントローラのこの第２段階は、電気−圧力変換器の圧力および／または体積流量出力を増幅することができる。これを達成するための普通の装置はスプール弁および空気式リレーを含む。
【０００５】
１つのタイプの電気−圧力変換器は互いに対して移動する電気コイルと磁気コアとを含む。この移動は、コイル内の電流を変化させ磁気コアを励磁させる命令信号に応答して生じ、出力圧力を調節する。１つの構成では、磁気コアは、出力圧力を調節するためにコアの本体および電気コイルに対して移動するヒンジ式フラッパと電気コイルとを含む。しかし、この構成は、正確な制御を困難にする著しいヒステリシスと、不動帯と、非線形性とを有する可能性がある。他の構成では、電気コイルが磁気コアに対して移動し、これは変換器に低いヒステリシスと良好な線形性とをもたらす。不幸にしてこの第２の構成は、必要とされる許容範囲のために構築することが高価であり、必要とされる細いワイヤの露出のために信頼性が乏しいことがある。
【発明の要約】
【０００６】
流体調整を制御する能力は、さまざまな商業環境および産業環境ための必要条件である。流体調整の制御を向上させることが効率と信頼性を高めることができる。
【０００７】
１つの全般的な態様において、流体調整システムは圧力キャビティと、電気−圧力変換器と、センサと、プロセッサとを含むことができる。圧力キャビティは圧力供給を受け入れ動作可能であることができ、電気−圧力変換器はワイヤ・コイルと、ワイヤ・コイルに対して可動である磁化可能要素と、圧力センサと、コントローラとを含むことができる。磁化可能要素は、コイルが制御信号に従って励磁されるとワイヤ・コイルに対して移動することができ、この要素の位置は圧力キャビティの圧力に影響を及ぼす。圧力センサは圧力キャビティに結合されることができ、磁化可能要素の位置によって圧力キャビティの圧力を感知動作可能であり、その圧力を表す信号を発生動作可能である。コントローラは、ワイヤ・コイルと圧力センサとに結合されることができ、命令信号に応答して制御信号を発生動作可能であり、圧力センサ信号と命令信号とに基づいて制御信号の調節動作可能である。センサは、流体調整システムの第２パラメータを感知し第２パラメータを表す信号を発生動作可能であり、プロセッサは、電気−圧力変換器と第２センサとに結合されることができる。プロセッサは命令信号を発生し第２センサ信号に基づいて命令信号を調節動作可能であることができる。
【０００８】
コントローラは、圧力センサ信号と命令信号とに基づいて制御信号を調節するために、圧力センサ信号と命令信号との間の差の増幅動作可能であることができる。また、コントローラは、高周波数ゲインの抑制動作可能であることもできる。電気−圧力変換器は、圧力信号を命令信号フォーマットに変換動作可能なシグナル・コンディショナをさらに備えることができる。
【０００９】
ある実装において、圧力キャビティは、磁化可能要素の上に圧力を排出するオリフィスを有する圧力導管を含むことができる。また、電気−圧力変換器はその周囲にワイヤ・コイルが配置された磁気コアを含むこともでき、磁化可能要素はワイヤ・コイルの端部に近接されている。例えば、圧力センサはピエゾ型センサであることができる。また、圧力センサは部分的に補正される（例えばゼロに対して）こともできる。
【００１０】
特定の実装は、流体調整システムの第３パラメータを感知動作可能でありそのパラメータを表す信号を発生動作可能であるセンサを含むことができる。プロセッサは、第３センサに結合されることができ、第３パラメータを表す信号を受信動作可能であり、第２パラメータと第３パラメータとに基づいて命令信号の調節動作可能であることができる。例えば、第２パラメータは流体調整器構成要素（例えばステム）の位置であることができ、例えば、第３パラメータは環境の温度であることができる。
【００１１】
また、プロセッサは、流体調整システムを調整するためのインストラクションを受信動作可能であることもできる。例えば、インストラクションは設定点を含む。コントローラによってもたらされる制御の周波数応答は、プロセッサによってもたらされる制御の周波数応答よりもほぼ１０倍速いことが可能である。
【００１２】
他の全般的な態様において、流体調整システムにおける流体調整のためのプロセスは、命令信号に基づいて制御信号を発生させるステップと、その位置が圧力キャビティの圧力に影響を及ぼす磁化可能要素を制御信号に従ってワイヤ・コイルに対して移動させるステップとを含むことができる。また、このプロセスは、磁化可能要素の位置によって圧力キャビティ内の圧力を感知するステップと、感知された圧力と命令信号とに基づいて制御信号を調節するステップとを含むことができる。このプロセスは、流体調整システムの第２パラメータを感知するステップと、第２パラメータに基づいて命令信号を調節するステップとをさらに含むことができる。
【００１３】
感知された圧力と命令信号とに基づいて制御信号を調節するステップは、感知された圧力を命令信号フォーマットに変換するステップと、圧力信号と命令信号とを比較するステップと、信号間の差異を増幅するステップとを含む。例えば、圧力信号と命令信号とを比較するステップは、命令信号から圧力信号を減ずるステップを含むことができる。制御信号を調節するステップは、増幅された差異の高周波数ゲインを減少させるステップをさらに含むことができる。
【００１４】
ある実装において、本プロセスは、流体調整システムの第３パラメータを感知するステップと、第２パラメータおよび第３パラメータに基づいて命令信号を調節するステップとを含むことができる。また、本プロセスは流体調整システムを調整するためにインストラクションを受信するステップも含むこともできる。
【００１５】
感知された圧力と命令信号とに基づいて制御信号を調節することによってもたらされる制御の周波数応答は、第２パラメータに基づいて命令信号を調節することによってもたらされる制御の周波数応答よりもほぼ１０倍速いことが可能である。
【００１６】
特定の態様において、流体調整のためのシステムは、空気供給ラインと、電気−圧力変換器と、位置センサと、プロセッサとを含む。供給ラインは空気圧供給を受け入れ動作可能であり、オリフィスを含む。電気−圧力変換器は、ワイヤ・コイルと、オリフィスに近接したワイヤ・コイルに対して可動であるニッケル−鉄合金要素と、部分的に補正された圧力センサと、シグナル・コンディショナと、コントローラとを含む。ワイヤ・コイルは、その位置が圧力キャビティ内の空気圧に影響を及ぼす磁化可能要素を移動させるために、制御信号に従って励磁される動作が可能である。圧力センサは、圧力キャビティに結合され、磁化可能要素の位置によって圧力キャビティの圧力を感知動作可能であり、その圧力を表す信号の発生動作可能である。シグナル・コンディショナは圧力信号を命令信号フォーマットに変換動作可能であり、コントローラはワイヤ・コイルとシグナル・コンディショナとに結合される。コントローラは、受信された命令信号に応答して制御信号を発生動作可能であり、変換された圧力センサ信号と前記命令信号とに基づいて、変換された圧力センサ信号と命令信号間の差を増幅し高周波数ゲインを抑制することによって、制御信号を調節動作可能である。位置センサは、流体調整器構成要素の位置を感知しそれを表す信号を発生動作可能である。プロセッサは電気−圧力変換器と位置センサとに結合され、流体調整システムを調整するためのインストラクションを受信し、命令信号を発生させ、位置センサ信号に基づいて命令信号を調節する動作が可能である。コントローラによってもたらされる制御の周波数応答は、プロセッサによってもたらされる制御の周波数応答よりもほぼ１０倍速い。
【００１７】
様々な実装は１つまたは複数の特徴を含むことができる。例えば、特定の実装において、可動な磁化可能要素を有する電気−圧力変換器の１つまたは複数の望ましくない影響（例えば、ヒステリシス、不動帯、および／または非線形性）が軽減されることができる。また、このタイプの変換器のために１つまたは複数の望ましくない影響を軽減することは、製造可能性と信頼性とを高めることが可能なワイヤ・コイルのためにより大きなワイヤ・サイズを使用する能力、ばね上質量を減少させ振動の影響に対してより耐性のある機械システムを可能とすることができるワイヤ・コイルを静止させる能力、堅牢さを高めることが可能な環境からワイヤ・コイルを保護する能力などの、他の特徴を実現させることも可能にする。
【００１８】
１つまたは複数の実装の詳細は添付の図面および以下の説明の中で明記される。他の特徴は詳細な説明と図面から、および特許請求の範囲から明らかになろう。
【００１９】
様々な図面中の類似の参照記号は類似の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
流体調整は、流体調整器コントローラ（例えば弁ポジショナ）によって制御される流体調整器（例えば弁）によって達成されることができる。通常、流体調整器コントローラの性能の予測可能性を改良することは、流体調整器の性能を改良する。特定の実装において、この構成は著しいヒステリシスと、不動帯と、非線形性能とを有しがちであるけれどもこの構成の問題の少なくともいくつかを是正するためにフィードバック制御ループを提供することによって、電気コイルに対して可動である磁化可能要素を含む流体調整コントローラが使用されることができる。
【００２１】
図１は流体調整システム１００の１つの実装を示す。流体調整システム１００は、流体調整器１１０と、アクチュエータ１１６と、流体調整器コントローラ１２０とを含む。流体調整器１１０は、流体（液体および／または気体）に物理的に相互作用してそれに影響を及ぼし、アクチュエータ１１６は流体調整器１１０を制御する。順に、流体調整器コントローラ１２０はアクチュエータ１１６を制御し、それゆえ流体を調整する。
【００２２】
より詳細には、流体調整器１１０はプラグ１１２とステム１１４とを含む。プラグ１１２は、流体の特性（例えば流量および／または圧力）を変えるために、調整されるべき流体と相互作用する役割を担う。通常、流体特性を変えるために、プラグ１１２は、流体がその中に存在し流体調整器の部分であることができまたはできない容積の内部で移動する。プラグ１１２は、樹脂、金属、ゴム、複合材料、および／または任意の他の適切な材料から構成されることができる。ステム１１４は、プラグ１１２に結合され、調整される流体に対してプラグ１１２を移動させるために並進運動を伝達する役割を担う。例えば、ステム１１４は金属または他の適切な材料から構成されたロッド、シャフト、またはストラットであることができる。特定の実装において、流体調整器１１０は弁（例えば球形弁）であることができる。しかし他の実装において流体調整器１１０は流体に影響を及ぼすための任意の他の適切な装置であることができる。
【００２３】
アクチュエータ１１６はステム１１４に結合され、ステムを、および従ってプラグ１１２を移動させる役割を担う。この実装においては、アクチュエータ１１６は、流体調整器コントローラ１２０から圧力を受ける空気式アクチュエータである。例えば、アクチュエータ１１６は差圧を受けるピストンまたは圧力で活性化されるばねを含むことができる。ある実装においては、アクチュエータ１１６は流体調整器１１０または流体調整器コントローラ１２０の部分であることができる。
【００２４】
例えば弁位置決め装置であることができる流体調整器コントローラ１２０は、フィードバック制御電気−圧力変換器１２４およびプロセッサ１２６を含む。電気−圧力変換器１２４はアクチュエータ１１６に結合され、電気的命令信号（電流および／または電圧）をアクチュエータ１１６のための圧力制御信号に変換する役割を担う。これを達成するために、電気−圧力変換器１２４は空気式にパワーが与えられ、供給ライン１３０から圧力を受け取る。例えば、電気−圧力変換器１２４は、電気的ループ（例えば銅線のコイル）に対して可動である磁化可能要素（例えばニッケル鉄合金から構成された、たわみ）を含む。磁化可能要素の移動は、アクチュエータ１１６に伝えられる圧力に影響を及ぼし、従ってプラグ１１２の位置に影響を与える。また、電気−圧力変換器は、こうした構成に広く認められる問題（例えばヒステリシスおよび／または非線形性）の多くを軽減するためにフィードバック制御も含むことができる。
【００２５】
プロセッサ１２６は電気−圧力変換器１２４に結合され、プラグ１１２をいかに制御するかを決定し、電気−圧力変換器１２４のための電気的命令信号を発生させる役割を担う。例えば、電気的命令信号は圧力設定点を表すことができる。プロセッサ１２６は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、またはロジカルな対応で情報を操作するための任意の他の適切なデバイスであることができる。通常、プロセッサ１２６は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、コンパクトディス・クリードオンリーメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、レジスタ、および／または情報を格納するための任意の他の適切なデバイスであることが可能なメモリを含む。メモリは、プロセッサのためのインストラクション、流体調整システム１００に関するデータ、および／または任意の他の適切な情報を格納することができる。また、プロセッサ１２６は電気−圧力変換器１２４からのデータを受信することもできる。例えば、プロセッサ１２６は、命令信号に応答して電気−圧力変換器によって発生された圧力に関するデータを受信することもできる。例えば、プロセッサ１２６は、このデータを診断の目的のために使用することができる。
【００２６】
また、流体調整システム１００は、位置センサ１４０と、圧力センサ１５０と、温度センサ１６０も含む。位置センサ１４０は、プラグ１１２の位置に相関するステム１１４の位置を決定し、この情報をプロセッサ１２６に提供する役割を担う。位置センサ１４０は、電気的、電磁気的、光学的、および／または機械的技法によって動作することができ、ステム１１４に実際に連結されてもよく、または連結されなくてもよい。特定の実装において、位置センサ１４０は電磁的センサ（例えばホール効果センサ）であることができる。圧力センサ１５０は、電気−圧力変換器１２４とアクチュエータ１１６との間の圧力ラインに結合され、電気−圧力変換器１２４によってアクチュエータ１１６に供給さる圧力を決定しこの情報をプロセッサ１２６に提供する役割を担う。例えば圧力センサ１５０はピエゾ型センサであることができる。温度センサ１６０は、流体調整システム１００の中および／または周りの温度を決定しこの情報をプロセッサ１２６に提供する役割を担う。例えば、温度センサ１６０は抵抗型温度デバイスまたはサーモカップルであることができる。
【００２７】
加えて、流体調整システム１００は通信インターフェイス１７０を含む。通信インターフェイス１７０はプロセッサ１２６に接続され、プロセッサが流体調整システム１００の外部に情報を送信し受信することを可能とする。例えば、送信情報は調整された流体および／または流体調整システムの１つまたは複数の状態を含む。例えば、受信される情報は、流体を調整するための命令および／またはインストラクション、および／またはステータス照会を含む。通信インターフェイス１７０は、モデム、ネットワークインターフェイス・カード、無線トランシーバ、または情報を送受信するための任意の他の適切なデバイスであることができる。通信インターフェイスは有線（例えばＩＥＥＥ８０２．３、ファウンディション・フィールドバス（Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）、ＨＡＲＴ、または４〜２０ｍＡ）、または無線（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１、ＩＳ−９５、ＩＳ−１３６）技法によって動作されることができる。特定の実装において、流体調整器コントローラ１２０は、通信インターフェイスを通じて受信された情報から電力を取り出すことができる。
【００２８】
動作の１つのモードにおいて、プロセッサ１２６は、通信インターフェイス１７０を通じて受信したインストラクションにおそらく基づいてプラグ１１２のための適切な位置を決定し、電気−圧力変換器１２４のための位置を表す命令信号を発生させる。特定の実装において、信号は構造化されたメッセージ（例えばパケット）を形成し、またはその部分であることができる。電気−圧力変換器１２４は命令信号を圧力に変換し、その圧力はアクチュエータ１１６に送られる。電気−圧力変換器の中の制御ループは、電気−圧力変換器が命令信号に対して反応を示す対応で応答することを可能とする。アクチュエータ１１６は、加えられた圧力に従ってステム１１４を、従ってプラグ１１２を移動させようとする。
【００２９】
同様に動作中に、位置センサ１４０はステム１１４の位置を確定し、その位置を表す信号をプロセッサ１２６に提供する。プロセッサ１２６は、ステム１１４のために決定された位置を位置センサ１４０によって感知された位置と比較し、適切な位置を達成するために電気−圧力変換器１２４への命令信号を調節する。
【００３０】
ステム位置に加えて、プロセッサ１２６は、電気−圧力変換器１２４からアクチュエータ１１６への（圧力センサからの）圧力信号と、環境温度（温度センサ１６０からの）とに関する情報を受信する。従って、プロセッサ１２６は、決定された位置に関して任意の調整が行なわれるべきであるかどうか、および／または流体調整システムが適切に動作しているかどうかを（例えば位置反応時間を調べることによって）決定することができ、また、これは調整を呼び出すことができる。特に、プロセッサ１２６は圧力が適正なレベルに設定されていることを確実にすることができる。
【００３１】
もし調節が行なわれるべきであるなら、プロセッサ１２６は電気−圧力変換器１２４に対して他の命令信号を発生させることができる。加えて、プロセッサ１２６は、流体調整システム１００のステータスを表すメッセージ（パラメータ値および／または状態）を発生させ、このメッセージを通信インターフェイス１７０を通じて送ることができる。例えば、ステータス・メッセージは、通信インターフェイスを通じて受信されたクエリーに応答して送信されることができる。また、警報メッセージも、できる限り適正なレベルで、状況が正当な理由であれば発生されることができる。ある実装において、警報メッセージは流体調整システムの調子を表す色に対応させることができる。
【００３２】
電気−圧力変換器１２４に閉ループ制御を加えることによって、流体調整器コントローラ１２０の動作は改良されることができる。これは、プロセッサ１２６は電気−圧力変換器の出力が電気−圧力変換器への命令信号に相関すると考えることができるという事実に、少なくとも部分的に基づいている。また、プロセッサは電気−圧力変換器の出力が繰り返し可能であると考えることもできる。その上、電気−圧力変換器の時定数は（例えば２００ｍｓから１００ｍｓまで）減少されることができ、これはより早い応答時間とより良好な調整を可能にする。プロセッサ１２６によって制御されるループの時定数はほぼ１５ｍｓであることができる。
【００３３】
特定の実装において、電気−圧力変換器１２４のための制御ループの周波数応答と電気−圧力変換器１２４周りの制御ループ（例えばプロセッサ制御ループ）の周波数応答との間の適切な分離を維持することが重要であり得る。例えば、内部の制御ループは、外部の制御ループよりもほぼ１桁早い周波数応答を有することができる。このループの周波数応答の間の比率が小さくなりすぎると、望ましくない発振が起こる可能性がある。このループの周波数応答の間の比率が大きくなりすぎると、ノイズがシステムに不利に影響を与え始める可能性がある。
【００３４】
ある実装において、電気−圧力変換器１２４を適切に制御するために必要とされる命令信号は、相対的に大きなダイナミックレンジを有することができる。ダイナミックレンジをデジタル命令信号に調節させるために、デジタル信号をアナログ信号に変換するために相対的に高速な変換スキームが必要とされる可能性があり、さもなければ、著しい発振または遅い立ち上がり時間を伴ったアナログ信号が電気−圧力変換器に持ち込まれる可能性があり、これは変換器性能に有害な影響を及ぼす可能性がある。
【００３５】
デジタル信号からアナログ信号を生成する１つの方法はパルス幅変調器を使用することである。この技法において、デジタル値に比例したデューティーサイクルを備えた矩形波が生成される。次いで、この矩形波は、デジタル信号に比例したアナログ信号を発生させるためにある時間、平滑化（例えば遅延フィルタによって）される。
【００３６】
パルス幅変調器を使用してデジタル信号より速いアナログ信号を発生させるために、パルス幅変調器のクロック速度が増加されることができる。例えば、クロック速度は、１４ビット信号を発生させるために９ビット信号が発生される時間の中で速められることができる（すなわち、３２倍に）。パルス幅変調器技法を使用してより高速な信号発生を達成する他のやり方は、２つのパルス幅変調器と信号コンバイナとを使用することであり、第１パルス幅変調器はデジタル信号値の第１部分に対応した長さを有する第１信号を発生動作可能であり、第２パルス幅変調器はデジタル信号値の第２部分に対応した長さを有する第２信号を発生動作可能である。信号コンバイナは、第１パルス発生器と第２パルス発生器に結合されており、第１信号と第２信号とを重み付の対応によって結合動作可能である。この技法は、第１の技法よりもより少ない電力を消費することができる。
【００３７】
図２は、フィードバック制御式電気−圧力変換器２００を示す。電気−圧力変換器２００は、システム１００などの流体調整システムのためのフィードバック制御式電気−圧力変換器の１つの例であることができる。
【００３８】
フィードバック制御式電気−圧力変換器２００は、電気−圧力変換器２１０とリレー２２０とを含む。変換器２１０は、コイルに供給される電気エネルギーに応じてワイヤ・コイルに対して可動な要素を含むことができる。この要素は、磁化可能材料（例えばニッケル−鉄合金、他の軟磁性材料、または任意の他の適切な材料）から構成されることによって可動であることができる。この要素の移動は、流体のための任意の適切な筐体であることができる圧力キャビティ中の圧力に対して影響を及ぼす。
【００３９】
電気−圧力変換器２００の１つの例は、図３の電気−圧力変換器３００によって示される。この実装において、変換器３００は、カップコア３１１と、コア３１１の中央ポスト・アーマチャ３１２を取囲むワイヤのコイル３１３と、ヒンジ式フラッパであることができる可動式の磁化可能なたわみ３１４とを含む。圧力を調節するために、たわみ３１４は、ここを通じて供給圧力が圧力キャビティ３１７に通気される通路３１５のオリフィス３１６に対して移動する。オリフィス３１６に対するたわみ３１４の上への力を調節することによって、圧力キャビティ３１７の中の圧力が調節されることができる。次いで、調節された供給圧力は、空気流の圧力および／または容積を押し上げる役割を担うリレー２２０に与えられる。この変換器構成は、高い電力変換効率（例えば、（ＶｏｌｔｓＩｎ×ＡｍｐｓＩｎ）／（ＰｒｅｓｓｕｒｅＯｕｔ×ＦｌｏｗＯｕｔ））をもたらすことができる。
【００４０】
磁気コアおよび可動たわみを備えたワイヤのコイルを使用するときは、著しい量のヒステリシスおよび／または不動帯に遭遇する可能性がある。不動帯は、入力信号の変化がデバイスの出力に変化を起こさせなかった場合に生じる。しばしば、反応の欠落は可動要素と静止要素との間の摩擦の結果である。ヒステリシスは、要素に力を加えた後で要素がその初めの状態に戻らないときに起き、これは、通常、入力信号に対して同一の反応を発生させない要素になる。しばしば、反応の差異は行程の電流方向に依存する。たまに、不動帯およびヒステリシスは、可動たわみの行く手をふさぐ干渉のために、および可動たわみの上に作用するコア内に吸収されたエネルギーのために、可動式磁化可能要素変換器において経験される。
【００４１】
また、図２の電気−圧力変換器２００は、圧力センサ２３０と、シグナル・コンディショナ２４０と、コントローラ２５０も含む。圧力センサ２３０は、変換器２１０によって発生された圧力を感知しそれを表す信号を発生動作可能である。例えば、圧力センサ２３０はピエゾ型センサであることができる。シグナル・コンディショナ２４０は、圧力センサ信号を命令信号と互換性のあるフォーマットに変換する役割を担う。例えば、変換器の最大動作のために命令信号が０Ｖから１０Ｖまで及ぶときは、シグナル・コンディショナ２４０は圧力センサ信号を互換性のある尺度に変換することができる。また、圧力センサ信号はシステム・プロセッサに供給されることもできる。
【００４２】
コントローラ２５０は命令信号の表現と調整された圧力信号とを受信し、変換器２１０のための制御信号を発生する。例えば、信号の表現は、信号（例えばエラー信号）の値の間の差異であることができる。また、コントローラ２５０は、任意の適切な技法（例えば増幅およびフィルタリング）を使用して信号の表現を調節することもできる。例えば、コントローラ２５０は、比例積分および微分（ＰＩＤ）制御を提供するアナログ・プロセッサであることができる。
【００４３】
特定の実装において、コントローラ２５０は、信号表現に対してほぼ１０倍のゲインを生じさせることができ、発振を防ぐために制御された周波数応答（例えばロールオフ高周波数ゲイン）をもたらすことができる。例えば、コントローラ２５０は、所望の設定点と感知された圧力とを比較する差動増幅器を含むことができる。差動増幅器がゲイン１０を有するならば、設定点の１ｍＶの変化は１０ｍＶの変化を発生させよう。
【００４４】
ループ設定の１つの例として、順方向ループはＫ１のゲインＫ１を有し、フィードバック・ループはＫ２のゲインＫ２を有し、ヒステリシスＨがプラントに導入されると仮定する。したがって、出力Ｙは以降の式によって入力Ｘに関係づけられる。
Ｙ＝（Ｘ−Ｋ２＊Ｙ）＊Ｋ１＋Ｈ
【００４５】
ＸおよびＨからＹを分離するために項の位置を変えると、以下になる。
Ｙ＊（１＋Ｋ１＊Ｋ２）＝Ｘ＊Ｋ１＋Ｈ、および、
Ｙ＝（Ｘ＊Ｋ１＋Ｈ）／（１＋Ｋ１＊Ｋ２）
【００４６】
Ｋ１を１０に等しく、Ｋ２を０．９に等しいとすると以下になる。
Ｙ＝（１０＊Ｘ＋Ｈ）／（（１＋０．９＊１０）、および、
Ｙ＝Ｘ＋Ｈ／１０
【００４７】
このように、出力へのヒステリシスの影響が１０倍だけ減少されることができる。
【００４８】
ある実装において、圧力センサ２３０は非補正のものであることができる。通常、非補正の圧力センサは補正されたセンサよりもよりしばしば１桁の大きさで正確でないが、非補正の圧力センサと補正された圧力センサの再現性は概して似ている。特定の実装において、圧力センサ２３０は、範囲ではなくゼロに対して、または温度に対して補正されることができ、これは誤差を約２分の１だけ減少させることができる。また、通常、温度は緩やかに変動する変数であるので、外部の制御ループが直接的にせよ間接的にせよこうした変動を補正することもできる。
【００４９】
電気−圧力変換器２００に圧力センサ２３０と、シグナル・コンディショナ２４０と、コントローラ２５０とを導入することは、変換器２１０のヒステリシス、不動帯、および／または非線形性を減少させることができる。例えば、命令信号に大きなゲイン（例えば１０）を導入することにより、不動帯、ヒステリシスおよび非線形性が緩和されまたは除去されることができる。これらの障害の除去により、また、コイルに大きなワイヤのサイズを使用でき能力および環境からワイヤ・コイルを保護する能力などの他の特徴も実現されることができる。また、変換器の動的性能、始動動作および異常状態（例えば空気の減少）への反応が改良されることができる。
【００５０】
図２は、電気−圧力変換器のための制御システムの１つの実装を示しているが、電気−圧力変換器のための他の制御システムも可能である。また、例えば、制御システムはフィードフォワード技法を実施することもできる。その他の例として、制御システムはデジタル技法で実施されることができる。
【００５１】
図４は、電気−圧力変換器のための制御回路４００の１つの例を示す。制御回路４００は、圧力センサ４１０と、シグナル・コンディショナ４２０と、コントローラ４３０とを含む。圧力センサ４１０は、関連した変換器によって発生された圧力を感知しそれを表す信号を発生させる動作が可能であり、シグナル・コンディショナ４２０は、圧力を表す信号を命令信号フォーマットに変換する動作が可能であり、コントローラ４３０は、調整済み圧力表現信号および命令信号に基づいて変換器のための制御信号を発生させる動作が可能である。
【００５２】
より詳細には、圧力センサ４１０はピエゾ抵抗型圧力センサＩＣ３１０を含む。圧力センサＩＣ３１０は、関連した変換器によって発生された圧力を感知し、部分的に正および負としての出力である圧力を表す信号を発生させる動作が可能である。圧力センサ４１０の抵抗器３１９〜３２１は本質的安全部品である。
【００５３】
シグナル・コンディショナ４２０は、圧力信号増幅および信号調整を提供する。示されているように、シグナル・コンディショナ４２０は、電圧フォロワ構成の演算増幅器３０７Ａと演算増幅器３０７Ｂとを含み、一方は正の成分のためのものであり、他方は負の成分のためのものである。演算増幅器３０７は、信号成分を残りの回路４００からバッファの役割を果たすことができる。演算増幅器３０７の出力は、２つの信号成分間の差動増幅器として動作する演算増幅器ＩＣ３０８：Ａに供給される。演算増幅器ＩＣ３０８：Ａの出力は、コントローラ４３０および関連する流体調整器コントローラのためのプロセッサにカップラＰ１３０を通じて送られる。
【００５４】
コントローラ４３０は、電圧フォロワ構成の演算増幅器ＩＣ３０６：Ａと差動増幅器として動作する演算増幅器ＩＣ３０６：Ｂとを含む。演算増幅器ＩＣ３０６：Ａの入力は、関連する変換器への命令信号である。演算増幅器ＩＣ３０６：Ｂへの入力は、演算増幅器ＩＣ３０６：Ａの出力と演算増幅器ＩＣ３０８：Ａの出力とを含む。従って、演算増幅器ＩＣ３０６：Ｂは命令信号を調整済み圧力表現信号と比較し、その差を増幅する。ＩＣ３０６：Ｂの出力は、またＩＣ３０６：Ａの出力も受信する制御セレクタ４４０に与えられる。
【００５５】
制御セレクタ４４０は、制御回路４００を開ループ・モードまたは閉ループ・モードで動作させることを可能とするスイッチＩＣ３０９：Ａを含む。開ループ・モードにあるときは、スイッチは出力として命令信号をもたらす。閉ループ・モードにあるときは、スイッチは、出力として調整済み圧力表現信号と命令信号との増幅された差異をもたらす。スイッチＩＣ３０９：Ａの動作のモードは、カップラＰ１００を通じて受信される信号によって制御される。例えば、この信号は、関連する流体調整器コントローラのためのプロセッサによって制御されることができる。このことは、関連する流体調整器を適切な位置（例えば閉の）に移動させることを困難にさせる可能性のある、圧力センサ４１０が故障した場合のフェイルセ−フをもたらす。例えば、スイッチＩＣ３０９：Ａは単極双投式スイッチであることができる。
【００５６】
また、制御回路４００は制御信号発生器４５０を含むこともできる。制御信号発生器４５０は、変換器へのループ電流の電圧表現を命令信号と調整済み圧力表現信号との間の増幅された電圧差異と比較する差動増幅器として動作する演算増幅器ＩＣ３０８：Ｂを含む。変換器ループ信号はカップラＰ１１０を通じて変換器に送られ、カップラＰ１２０を通じて戻される。変換器ループの電圧は抵抗器３３５の両端間で感知される。また、制御信号発生器４５０は、トランジスタＰ３０３：Ｂも含み、このトランジスタは変換器への電流を演算増幅器ＩＣ３０８：Ｂの電圧差に基づいて制御する。演算増幅器ＩＣ３０８：Ｂとトランジスタ３０３：Ｂとは共に、抵抗器Ｒ３３５の両端間の電圧に基づく帰還を備えた回路を形成する。
【００５７】
図５は流体調整のためのプロセス５００を示す。プロセス５００は、システム１００のフィードバック制御式電気−圧力変換器１２４のための動作のモードの１つの例であることができる。
【００５８】
プロセス５００は命令信号を受信するために待機するステップから始める（動作５０４）。命令信号は直接的または間接的に位置に関連することができる（例えば、達成されるべき圧力を指定する）。いったん命令信号が受信されてしまうと、プロセス５００は、命令信号に基づいて電気圧力変換器のための制御信号を発生させステップを呼び出す（動作５０８）。例えば、変換器は、ワイヤ・コイルで囲まれその１端に鉄合金たわみを備えた帯磁コアを含むことができる。また、プロセス５００は、制御信号に従って圧力を発生させるステップも呼び出す（動作５１２）。例えば、圧力を発生させるステップは、空気式オリフィスに対してたわみを移動させるステップを含むことができる。
【００５９】
プロセス５００は発生された圧力を感知するステップを継続する（動作５１６）。例えば、圧力はピエゾ抵抗型センサで感知されることができる。次いで、圧力信号が調整される（動作５２０）。例えば、圧力信号は命令信号フォーマットに変換される。
【００６０】
プロセス５００は、新しい位置命令信号が受信されたか否かを決定するステップを継続する（動作５２４）。新しい位置命令信号が受信されていないならば、プロセス５００は、調整された圧力信号と命令信号とに基づいて制御信号を調節するステップを呼び出す（動作５２８）。調整された圧力信号と命令信号とに基づいて制御信号を調節するステップは、命令信号を調整された圧力信号と比較するステップと、信号間の差異を増幅するステップとを含むことができる。プロセス５００は調整された制御信号に従って圧力を発生させステップを継続する（動作５１２）。プロセス５００は、発生された圧力を感知するステップ（動作５１６）と、調整された圧力信号と命令信号とに基づいて制御信号を調節するステップ（動作５２８）と、調整された制御信号に従って圧力を発生させるステップ（動作５１２）とを、任意適切な数のサイクルまたは期間について継続することができる。
【００６１】
しかし、新しい命令信号が受信されたときは、プロセス５００は調整された圧力信号と新しい命令信号とに基づいて制御信号を調整するステップを呼び出す（動作５３２）。調整された圧力信号と新しい命令信号とに基づいて制御信号を調整するステップは、新しい命令信号を調整された圧力信号と比較するステップを含むことができる。プロセス５００は調節された制御信号に従って圧力を発生させるステップ（動作５１２）を継続する。プロセス５００は、発生された圧力を感知するステップ（動作５１６）と、調整された圧力信号と新しい命令信号とに基づいて制御信号を調節するステップ（動作５３２）と、調整された制御信号に従って圧力を発生させるステップ（動作５１２）とを、任意適切な数のサイクルまたは期間について継続することができる。
【００６２】
図５は流体調整のためのプロセスを示しているが、流体調整のための他のプロセスが、より少ない、追加の，および／または異なる構成の動作を含むことができる。例えば、流体調整プロセスは、変換器のための制御信号を発生させるステップを含まないことが可能である。例えば、命令信号は既に適切なフォーマットの状態にあることができる。他の例として、流体調整プロセスは、調整された圧力信号と命令信号との間の差異を増幅するステップを含むことができる。さらなる例として、流体調整プロセスは、調整された圧力信号を命令信号と比較する前にそれを修正するステップを含むことができる。さらなる例として、流体調整プロセスは、１つまたは複数の信号を調整するステップ（例えば増幅しフィルタリングするステップ）を含むことができる。その上、様々な動作が同時期にまたは同時に起こることができる。
【００６３】
図６は流体調整のためのプロセス６００を示す。プロセス６００は、システム１００のプロセッサ１２６のための動作のモードの１つの例であることができる。
【００６４】
プロセス６００は、ステムのための適切な位置を決定するステップ（動作６０４）を開始する。例えば、ステムのための適切な位置を決定するステップは、達成されるべき流れのパラメータ（例えば流量）に関するインストラクションを評価するステップによって達成される。また、プロセス６００はステム位置を達成するために命令を発生させるステップも呼び出す（動作６０８）。命令は、ある実装においてはメッセージの部分であることが可能な信号の形式であることができ、ステム位置に直接的または間接的に関係する（例えば、ステム位置を達成するための圧力）ことができる。
【００６５】
プロセス６００は、環境温度の指示を受信するステップ（動作６１２）を継続する。環境温度は、流体調整器コントローラの内部の温度、流体調整器コントローラの外部の温度、または任意の他の適切な温度であることができる。また、プロセス６００はステム位置の指示を受信するステップも呼び出す（動作６１６）。温度およびステム位置は任意適切なセンサで検出されることができる。
【００６６】
加えて、プロセス６００は、システム状態決定を実行する時機であるかどうかを決定するステップを呼び出す（動作６２０）。システム状態決定を実行するための時機は、前回の決定を行なった以降の経過時間と、システム・パラメータの重大な変更の検出と、ステータス照会の受信と、または任意の他の適切な事象とに基づくことができる。特定の実装において、感知されるシステム・パラメータは、システム状態決定が行なわれるよりもはるかに早く受信される。
【００６７】
システム状態決定を行なう時機でないときは、プロセスは、決定されたステム位置がなお適切であるかどうかを決定するステップを呼び出す（動作６２４）。例えば、新しい調整インストラクションが受信されているときは、決定されたステム位置が適切でない可能性がある。決定されたステム位置がなお適切でないときは、プロセスは他の適切なステム位置を決定するステップを継続する（動作６０４）。
【００６８】
しかし、ステム位置がなお適切であるならば、プロセスはステム位置が受け入れ可能かどうかを決定するステップを継続する（動作６２８）。例えば、もしもステム位置が決定されたステム位置のあるパーセンテージ（例えば１％）の範囲内にないならば、ステム位置は受け入れ可能ではない。ステム位置が受け入れ可能でないときは、プロセスはステム位置を達成するための他の命令を発生させるステップを呼び出す（動作６０８）。しかし、ステム位置が受け入れ可能であるなら、プロセスはシステム・パラメータの更新を受信するステップを呼び出す（動作６１２〜６１６）。
【００６９】
もしもシステム状態決定を行なう時機であるなら（動作６２０）、プロセス６００は流体調整システムの少なくとも１つの状態を決定するステップを呼び出す（動作６３２）。状態の例は、供給圧力の変化、変換器の性能、および流体調整器の調子を含む。次いで、この状態は記録され（動作６３６）、それらが受け入れ可能であるかどうかを決定するために分析される（動作６４０）。例えば、もし状態が流体調整システム構成要素の故障を指示するときは、またはもし状態が範囲を超えているときは、その状態は受け入れ可能ではない。状態が受け入れ可能でないときは、警報メッセージが発生される（動作６４４）。このメッセージはローカルに提示されることができ、および／または遠隔装置（例えばサーバーまたは携帯情報端末）に送信されることができる。このメッセージが発生された後で、またはもし状態が受け入れ可能であるときは、プロセスは決定されたステム位置がなお適切であるかどうかを決定するステップを継続する（動作６２８）。
【００７０】
図６は流体調整のためのプロセスの１つの実装を示しているが、流体調整のための他のプロセスが、より少ない、追加の、および／または異なる構成の動作を含むことができる。例えば、温度およびステム位置などのシステム・パラメータに関する指示を受信するステップは任意の順序で起こることができる。他の例として、指示は１つまたは複数のシステム・パラメータに関して受信されなくても良い。さらなる例として、他のシステム・パラメータ（例えば供給圧力または変換器の出力圧力）の指示が受信されても良い。さらなる例として、システム状態を決定するステップは、システム・パラメータが受信された場合および／またはそのときに起こってもよい。他の例として、システム状態は記録されなくてもよい。例えば、このことは、システム状態が決定された後でそれが伝達された場合に起こってよい。さらなる例として、１つまたは複数のシステム状態を表すメッセージは、ことによるとステータス照会に応答して発生されてよい。他の例として、プロセスはプラグのための適切な位置を決定するステップを含んでもよい。加えて、様々な動作が同時期的または同時に生じてもよい。
【００７１】
いくつかの実装が議論され、いくらかの他の実装が述べられまたは示唆されてきた。その上、流体調整制御をなお達成すると同時にこれらの実装に対する様々な追加、削除、代用、および／または修正が当業者には容易に示唆されよう。従って、本発明は、以降の特許請求の範囲の範囲によって評価されるべきであり、これは１つまたは複数の実装の１つまたは複数の態様を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】流体調整システムの１つの実装を示す構成図である。
【図２】流体調整システムのためのフィードバック制御式電気−圧力変換器の１つの実装を示す構成図である。
【図３】可動式磁化可能要素変換器の１つの実装を示す単純化された断面図である。
【図４】電気−圧力変換器のための制御回路の１つの実装を示す概略図である。
【図５】流体調整のためのプロセスの１つの実装を示す流れ図である。
【図６】流体調整のためのプロセスの他の実装を示す流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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