CN101617204A - 用于阀致动器的非接触式转矩传感 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了用于感测阀致动器或阀的转矩、推力、应变和其它数据的非接触式传感装置。传感器可包括表面声波装置。

Description

用于阀致动器的非接触式转矩传感
优先权要求
本申请要求于2007年2月16日提交的序号为No.60/902,029的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的题目为“用于阀致动器的非接触式转矩传感”。
技术领域
本发明主要涉及测量转矩的方法、系统和装置，且更特别地，本发明涉及阀致动器的非接触式转矩传感。
背景技术
阀包括用于液体的装置和用于气体的装置。用于阀的阀致动器是已公知的且可以机械方式操作所述阀致动器。例如，阀致动器可以手动方式受到驱动、在流体压力作用下操作，其中轴被直接或间接地连接至由在流体作用下操作的活塞、或者受到电动液压器件或电流体器件的驱动。常规的阀致动器包括电动输入轴，所述电动输入轴可以相对较高的速度在转矩相对较低的情况下进行旋转。输入轴可通过减速齿轮如蜗轮或螺丝和螺母而使转矩相对较高的低速输出轴进行旋转。
致动器通常被制成一定尺寸，以使得它们能够提供多于必需的转矩，从而完全地固定给定的阀。确定由阀致动器的输出轴或传动套筒所产生的转矩是所希望的。例如，当阀被完全关闭和固定时，打开该阀所需的转矩会相当高。始终如一地监控转矩就会发现阀是否已经发生磨损或者被卡住。转矩测量结果的趋势曲线使得能够进行预测性维护。
致动器需要以适用于给定应用场合中的多种运行模式下的方式对可被施加到载荷上的转矩大小进行控制或限制。更老旧的机械技术通常通过以下两种模式中的任一种模式运行：主动模式或旁路模式。如果超过了转矩阈值，则机械转矩传感器将致动器切换至旁路模式。使得在两种模式之间切换的转矩阈值是由使用者在启动阶段固定下来的，且在使用者以物理方式改变该值之前，该转矩阈值都会保持固定。
非机械转矩传感器可结合旋转部件使用；然而，这种转矩传感器需要被置于阀致动器的传动系中的扭力元件上。该传动系在运行过程中将会产生旋转。因此，从旋转的传感器中取回转矩信息是困难的。
开发一种不需要与阀致动器的旋转构件接触就能测量由阀致动器产生的转矩的技术将是有利的。
附图说明
图1示出了本发明的实施例所可以使用的表面声波的一个实施例；和
图2是可使用本发明的实施例的阀致动器的一个实例的剖切视图。
具体实施方式
尽管前面的描述包含多个特定细节，但这些细节不应被视为限制了本发明的范围，而仅应被视为对一些代表性实施例进行了说明。相似地，可在不偏离本发明的精神或范围的情况下设想出本发明的其它实施例。不同实施例中的特征可组合在一起使用。
本发明的一个实施例涉及将用于测量转矩或推力的非接触传感器安装在电动阀致动器的旋转部件上。
在一个特定实施例中，非接触式传感器包括表面声波(SAW)装置。SAW装置可包括被沉积在压电基板上的微观结构。该微观结构可由至少一对交错的梳状电极形成，所述至少一对交错的梳状电极作为薄的金属导电层被沉积在该基板上。图1示出了SAW装置100的基本示例性模型，所述SAW装置具有与输出电极120交错设置的输入电极110。电极110和120(被称作输入电极110和输出电极120)可包括位于压电基板130的上表面140上的铝沉积物或其它导体。在一个特定实施例中，电极110和120的厚度级别可以为1000埃级别。许多压电材料都适用作基板，包括柔性塑料聚合物和硬质材料，如陶瓷和石英。可使用多种压电晶体形式。适当材料的非限制性实例包括铌酸锂、钽酸锂、一种铋的化合物(bismuth germanlure oxide)和氧化镓。
在SAW装置100中，将电信号施加到输入电极110上导致电极起到换能器的作用，该换能器将输入电信号转换成压电基板130上的输出声波。输出电极120则实施了相反的过程，即在声波到达压电基板130上的情况下提供输出电信号。
可在较宽的频率范围内选择任何频率作为SAW装置100的运行频率，该较宽的频率范围从几兆赫到几千兆赫。所使用的频率越高，则换能器(电极110和120)所需的包封装置越小，这对于可用空间有限的情况而言是有利的。所使用的共振频率取决于多种因素，这包括电极110和120的几何形状以及压电基板130的性质。电极110和120可具有任何几何形状且它们之间需要保持必要的距离。表面波的速度随着压电基板130的温度产生变化。SAW装置100可被制成极小的尺寸，这有利于其用作阀致动器的应变测量装置。
可通过表面声波(也被称作瑞利波)实现电极110与120之间的耦合。可用于耦合电极110和120的另一种声波传播模式包括掠面体波(surface skimming bulk wave)。这些波比表面声波更深地延伸进入压电基板130内，且因此掠面体波所具有的损耗比表面声波模式所产生的损耗更高。然而，体波对上表面140中的缺陷不那么敏感。耦合波的选择可产生变化且可取决于将要实施的应变测量。
SAW装置100可用于这样的系统中，其中通过非接触耦合(例如通过电感方式、电容方式或无线电波方式)将输入换能器(电极110)的输入信号和来自换能器(电极120)的输出信号传送至外部控制系统。在电极110与120并不直接电连接的情况下提供非接触耦合带来了多个优点，特别是当需要内在安全性或者当物理连接会影响待测共振的情况下更是如此。这种非接触系统对于阀致动器的旋转部件而言特别适宜。SAW装置100可用来替代电阻式应变仪。SAW装置100能够实现比常规的电阻式应变仪高得多的精确度。电极110和120可呈现出多种形式，且电极110和120的尺寸和几何形状能够产生变化以便影响运行频率。
SAW装置100可具有单个端口、两个端口或多个端口。两端口型SAW装置100具有比相应的单端口型SAW装置更低的损耗且可被制成以多模式的方式运行。此外，两端口型SAW装置可具有移相方面的优点，由此提供更高的运行精度。此外，可使用放大器以便增强由输出电极120产生的信号。
可通过改变电极120输出频率的方式测量转矩(径向应变)，该电极输出频率的改变是由于压电基板130形状的变化且由此由于电极110与120的相对位置的变化造成的。待测量构件上的应力可诱发该径向应变。电极120输出频率的变化与所施加的转矩成比例关系。
SAW装置100可因此用来测量阀致动器的旋转部件上的转矩或轴向推力。SAW装置100可被置于旋转部件上且相对于其旋转轴线成一定角度，从而使得沿一个方向的转矩导致产生压缩且沿另一方向的转矩导致产生拉伸。两个SAW装置100可被放置在彼此成相对角度的位置处(二者交叠或以其它方式被放置)，从而使得当一个SAW装置100经历压缩时，另一SAW装置则经历拉伸，且反之亦然。另一种可选方式是，一个SAW装置100可被设置以便测量轴向推力且第二SAW装置100被放置以便测量转矩。在旋转部件的给定位置处可使用任何数量的SAW装置100。此外，可使用旋转部件的轴向推力来计算转矩。
SAW装置100还可被置于旋转部件上，从而使得仅当旋转部件相对于旋转轴线产生弯曲时，该装置才会经历变形。获知这种弯曲使得可由部件上的其它SAW装置上产生的应变计算出更准确的转矩。SAW装置100还可用于测量阀致动器的固定部件上的推力。
图2示出了电动阀致动器中的可能安装SAW装置100的位置的一些实施例。SAW装置100可被安装在蜗杆轴3上、马达传动轴9上、传动套筒2上和手轮适配器11上。SAW装置100还可被安装在蜗轮10的齿和蜗杆轴9上。SAW装置100可被安装在分离机构13或分离柄(declutch handle)5上。如果存在编码器6，则SAW装置100可被安装在编码器6的输入轴上。SAW装置100可被安装在阀致动器20的固定部件上，该固定部件包括壳体4。
本文所使用的术语“被安装在......上(mounted on)”包括任何形式的附接SAW装置、放置SAW装置、整合SAW装置、埋置SAW装置、罩住SAW装置或插入SAW装置。在一个这种典型实施例中，SAW装置100可被置于部件的表面上。这可例如借助于焊接或粘结剂来实现。在另一实施例中，SAW装置100可被置于护套或鞘套上或与该护套或鞘套整合在一起且被置于该表面上。在进一步的实施例中，SAW装置可与另一装置整合在一起，且该装置被安装在该表面上。在特定的实施例中，SAW装置100可被埋置在部件中。在又一实施例中，SAW装置可被制造在部件中。例如，可在制造部件时就将压电材料整合在该部件内，且稍后将用于电极的导体沉积在该压电材料上。
SAW装置100可位于阀致动器20的所有范围内。在一个实施例中，可利用多个部件的转矩之间的差别表示部件磨损并就维护问题提供早期预警。
阀致动器20是可使用SAW装置100的阀致动器的一个非限制性实例。阀致动器20可以是任何类型的电动阀致动器。例如，代替使用传动套筒2地，阀致动器20可具有输出轴。
阀致动器20并不一定是电动的。手轮1代表了如何以手动方式操作阀致动器20的一个典型实施例。此外，阀致动器20还可部分地由气动方式致动和/或由液压方式致动。
SAW装置100还可被安装在阀的可旋转的部件上或固定部件上。在特定实施例中，SAW装置100被安装在阀杆上。SAW装置100可用于监控旋转阀杆所经历的转矩或者线性移动阀杆所经历的轴向推力。在阀的任何部件，例如蝶形阀的闸板(paddle)，上都可安装SAW装置100。
可将任何需要的电子器件附接到SAW装置100上或者位于与该SAW装置邻近的位置处。在利用电感或电容为SAW装置100提供动力的情况下，激励源可需要位于相对较为接近SAW装置100的位置处。无线激励器可利用射频对输入电极110进行激励。无线接收器可被设计以便接收来自输出电极120的射频输出。无线激励器/接收器可被设计以便实现连续或间歇的运行。本文所使用的短语“无线激励器/接收器(wireless exciters/receivers)”既包括激励器与接收器分开的实施例又包括由单个装置实现这两种功能的实施例。无线激励器/接收器可被内置在阀致动器20内或者位于该阀致动器外部。在特定实施例中，无线激励器/接收器被内置在控制模块8或电路板15内。在无线激励器/接收器被内置在阀致动器内的情况下，可使用控制面板7或由远程控制站对SAW装置100进行启动。转矩、推力或应变值可被表示在显示器12上和/或被传送至远程站。
在其它实施例中，无线激励器/接收器可被内置在PDA、膝上型电脑或其它便携装置内。可引入适当的软件以便基于SAW装置100输出的信号来计算转矩、推力或应变。在另一实施例中，无线激励器/接收器节点可位于多个阀致动器和阀附近的位置处。无线激励器/接收器节点可将用于多个阀致动器和阀的转矩和其它数据传送至中心控制站。无线激励器/接收器节点可被设计以便也可传送并非由SAW装置100处获得的数据。
当在阀致动器20中的多个位置处设置SAW装置100的情况下，可根据位置对转矩数据进行唯一地识别。相似地，当在外部以无线方式激励多个阀致动器20或阀时，转矩数据可与特定的阀致动器20和/或致动器内的位置产生唯一地关联。可通过多种方式实现这种唯一的识别。
在一个特定实施例中，由SAW装置100传送的信号可以是唯一的。因此，经历相同应变的两个SAW装置100会传送不同的输出。在一个实施例中，不同的SAW装置100则可使用不同的输入频率。输入频率的不同可足以使得：无论经历任何应变，每个SAW装置100的输出频率范围都不会交叠。在第二实施例中，可将反射器置于压电基板130中以便改变输出频率。每个SAW装置100可具有唯一的一组反射器。反射器可被放置，从而使得可获得转矩数据并随后通过该转矩数据确定是哪个特定的SAW装置100正在进行传送。
在另一特定实施例中，与SAW装置100相关联的任何电子器件都可提供对SAW装置100或位于一个位置处的一组SAW装置100的唯一识别。在一个实施例中，用于每个SAW装置100的放大器可提供唯一的放大水平，由此将SAW装置100区别开来。在第二实施例中，可使每个SAW装置100与唯一的转换器相关联。该唯一的转换器可改变由输出电极120产生的信号类型。因此，可通过该新的唯一的信号类型来识别源头的SAW装置100。在第三实施例中，可将唯一的无线标签添加到输出电极120所产生的输出上以便以唯一方式识别该源头。
在又一实施例中，无线激励器/接收器可用来对SAW装置100进行唯一的识别。在本发明的一种变型中，每次仅有一个阀致动器20会经历无线激励器/接收器所进行的传送。例如，可使仅具有低功率激励器的PDA指向特定的阀致动器20。在第二实施例中，可利用SAW装置100的传送强度识别其位置。例如，假设所有的放大器都是等同的，则从SAW装置100至无线激励器/接收器的距离将决定由无线激励器/接收器接收到的信号的强度程度(strength)或强度。每个信号的强度都可被测量。如果每个SAW装置100与无线激励器/接收器的距离达到足够不同的程度，则可利用信号的不同强度识别源头。可使用所属领域中的用于识别射频源头的任何其它器件。
SAW装置100可用于产生转矩、推力、应变、温度、压力、速度、位置和其它数据。
上文已经结合SAW装置对多个实施例进行了描述。应该理解：可使用任何非接触式的传感装置来代替SAW装置。例如，非接触传感器的其它实施例可利用磁致弹性、磁致伸缩性、应力钢丝(stress wire)、“吉他弦(guitar string)”元件、应变仪、声、光、光学、电容、电感、电阻、磁阻、无线电遥测、应变构件、电荷耦合器件或微型机加工从而以非接触的方式确定旋转部件的转矩。
在非接触转矩传感器的一个实施例中，可通过被附接到旋转部件上的蓄电池对附接到旋转部件上的应变仪进行供电，并以无线方式传送应变仪(或等效部件)的输出。
非接触式光学传感器的一个实施例使用了相对于旋转部件的旋转轴线而成一直线地被布置在该部件上的两个光学传感器。当旋转部件在转矩下产生扭曲时，两个光学传感器将不再处于一条直线上。两个传感器之间的位移可用来确定所经历的转矩。
非接触式传感器可以是无源的且不需要蓄电池或其它一些外部功率源。在其它实施例中，非接触式传感器可以是有源的且需要外部功率源。
尽管前面的描述包含多个特定细节，但这些细节不应被视为限制了本发明的范围，而仅应被视为提供了特定的代表性实施例。相似地，可在不偏离本发明的精神或范围的情况下设想出本发明的其它实施方式。

Claims (20)

1、一种电动阀致动器，所述电动阀致动器包括：
旋转构件；和
转矩或推力传感器，所述转矩或推力传感器包括至少一个表面声波装置，所述至少一个表面声波装置被附接到所述旋转构件上。
2、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述至少一个表面声波装置在约3兆赫至约3千兆赫的频率范围内运行。
3、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述至少一个表面声波装置包括在所述旋转构件上被放置在彼此成相对角度的位置处的两个表面声波装置。
4、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述至少一个表面声波装置测量轴向推力。
5、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述至少一个表面声波装置测量转矩。
6、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述旋转构件选自蜗杆轴、马达传动轴、传动套筒、手轮适配器、蜗轮的齿、分离机构、分离柄、和编码器的输入轴。
7、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述旋转构件是阀杆。
8、根据权利要求7所述的阀致动器，其中所述旋转构件是旋转阀杆。
9、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述旋转构件是线性移动的阀杆。
10、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述至少一个表面声波装置包括至少一对交错的电极。
11、根据权利要求1所述的阀致动器，进一步包括与特定的表面声波装置相关联的电子器件。
12、根据权利要求11所述的阀致动器，其中所述电子器件包括用于每个表面声波装置的放大器、与每个表面声波装置相关联的转换器或者与由输出电极产生的输出相关联的无线标签。
13、一种感测由马达操作的阀致动器中的转矩的方法，所述方法包括：
在张紧状态下对一个或多个声波装置的至少一部分进行压缩或放置，所述一个或多个声波装置被安装在阀致动器的部件的表面上；
对所述一个或多个声波装置进行无线激励；
接收来自所述一个或多个声波装置的无线输出；并且
利用所述无线输出确定所述部件上的转矩。
14、根据权利要求13所述的方法，其中所述阀致动器的所述部件是旋转部件。
15、根据权利要求13所述的方法，其中所述阀致动器的所述部件是固定部件。
16、一种电动阀系统，所述电动阀系统包括：
电动阀致动器；
阀；
所述电动阀致动器或所述阀的可旋转的部件；和
被可操作地安装在所述可旋转的部件上的至少一个非接触传感器，所述至少一个非接触传感器被构造以便产生转矩或推力数据。
17、根据权利要求16所述的电动阀系统，其中所述至少一个非接触传感器包括被附接到所述可旋转的部件上的应变仪。
18、根据权利要求16所述的电动阀系统，其中所述至少一个非接触传感器包括两个光传感器，所述两个光传感器相对于旋转部件的旋转轴线成直线地被放置在所述旋转部件上。
19、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述至少一个表面声波装置测量轴向推力。
20、根据权利要求1所述的阀致动器，其中所述至少一个表面声波装置测量转矩。
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