CN104930243A - 集成式变换器 - Google Patents

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Abstract

一种变换器，其用于连接到流体压力源，该流体压力源具有用于通过电输入信号的方式设定气动输出的机构。该变换器提供了下壳体组件和上壳体组件。该下壳体组件包括被配置用以容纳供应嘴的下壳体。供应嘴流体连通供应口并且通过内流体通道间歇性地流体连通下壳体的输出口。下壳体还包括与排出口流体连通并且通过内流体通道间歇性地流体连通下壳体的输出口的排出嘴。上壳体组件包括被配置用以容纳线圈和电枢的上壳体以使得上壳体、线圈和电枢限定闭锁电磁回路，该闭锁电磁回路提供电枢与供应嘴和下壳体组件的排出嘴的交替接触。

Description

集成式变换器
技术领域
本发明涉及过程控制系统之中的现场仪器，并且更具体地涉及用于在过程控制系统之中控制阀的电动气动转换器。
背景技术
工业加工工厂，从在炼油厂中控制过程流量到在油罐场保持液面，在各种各样的应用中使用控制阀。典型地为自动的控制阀通过功能类似于可变的孔口或通道以用于控制该流体流量。通过控制内部的阀元件，诸如阀塞，通过阀体的产品的量能够被精确调节。控制阀典型地是自动的，其使用压力操纵的致动器，该致动器由远程操纵的现场仪器控制。现场仪器与过程控制计算机通信以控制阀内的流体流量变化从而经由压力操纵的致动器达到了车间操作者希望的控制策略。电动气动的转换器，诸如电流-压力变换器，在现场仪器中被普遍使用以提供电信号到体积流量或压力输出的转换从而控制致动器并且因而控制控制阀。
当前的电动气动转换器或者提供连续的成比例的电流-压力转换或者提供间歇性或脉冲式电流-压力转换。现存连续转换的电动气动转换器在操作期间持续地消耗或排出空气。在某些应用中，诸如当供应到现场仪器以及电动气动转换器的流体为如天然气的工艺介质时，高空气消耗是不希望的。例如，与在流体供应系统中提供附加处理能力相关的费用可以是巨大的。此外，这种工艺介质的持续排出是昂贵并对环境浪费的。可选择地，当前的脉冲式电动气动转换器典型地是基于压电技术或多螺线管构造。压电设计，诸如由阿尔滕斯卡特的赫尔比格公司提供的已知设计，是非常高电力消耗的且实施是相当昂贵的。进一步地，由于压电效应在大约-20摄氏度以下开始降低的事实，故压电设计是限制温度的。此外，由于重复的电磁电路，多螺线管设计是复杂的且对于制造而言也是昂贵的。
发明内容
本发明的第一个方面在于提供下壳体组件和上壳体组件。该下壳体组件包括被配置以容纳供应嘴的下壳体。该供应嘴流体地连通供应口以及通过内流体通道间歇性地流体连通下壳体的输出口。下壳体还包括排出嘴，其流体连通排出口且通过内流体通道间歇性地流体连通下壳体的输出口。上壳体组件包括上壳体，该上壳体被配置以容纳线圈和电枢以使得上壳体、线圈和电枢限定闭锁电磁电路，该闭锁电磁电路提供电枢与供应嘴和下壳体组件的排出嘴的交替式接触。
本发明的第二个方面在于提供气动回路和电磁回路。该气动回路包括下壳体，该下壳体具有通过内流体通道和压力腔流体连通的输出口、供应口和排出口。该电磁回路包括上壳体，该上壳体被配置以容纳线圈和电枢以使得电枢响应电输入信号是可移动的，并且电磁回路限定了弹簧力矩以及磁力矩，该弹簧力矩和磁力矩配合以交替地闭锁紧邻或非邻近上壳体的电枢。
在本发明的第三个方面，电动气动开关阀包括气动回路、电磁回路以及控制模块。气动回路耦接到加压流体源且电磁回路耦接到气动回路。该控制模块连接到电磁回路并且提供引发气动回路的第一状态的第一控制信号、引发气动回路的第二状态的第二控制信号、引发气动回路的第三状态的第三控制信号以及引发气动回路的第四状态的第四控制信号。
进一步地根据前述的第一、第二或第三个方面，一种装置或如上所述的装置可以进一步地包括任何一个或多个下面的优选形式。
可以布置线圈来接收电输入信号以激活或解除激活电磁回路从而在高输出状态和低输出状态下使输出口闭锁。
可以布置变换器以交替地调节通过供应嘴和排出嘴的流体流量从而实质上消除通过变换器的恒定流量。
下壳体可以被进一步配置以容纳偏置弹簧调节螺钉，并且上壳体被进一步配置以容纳偏置弹簧。
偏置弹簧和偏置弹簧调节螺钉可以配合以提供偏置弹簧力从而偏置电磁回路的电枢。
电动气动变换器可以被布置用于连接到气动供应源。
可以布置变换器以在大约20磅每平方英寸(psig)到150磅每平方英寸的范围的气动供应压力上操作。
预定热膨胀系数的上壳体组件和下壳体组件可以配合以提供大约+85摄氏度到-60摄氏度的操作温度范围.
内流体通道可以进一步包括压力腔、供应孔口、排出孔口以及输出孔口。
供应嘴和排出嘴可以相对沿着排出嘴和供应嘴的纵向轴线由排出嘴和供应嘴的第一部分限定的圆筒(cylinder)具有预定的垂直度。
电枢可以包括多个铰链，这些铰链提供了与磁力矩反向的弹簧力矩以交替地使马上邻近或非邻近上壳体的电枢闭锁。
当电枢在马上邻近或非邻近上壳体而被闭锁时，电信号的电力可以实质上为零。
供应嘴可以流体连通供应口并通过内流体通道间歇性地流体连通输出口，并且排出嘴可以流体连通排出口并通过内流体通道间歇性地流体连通输出口。
为了直接作用式的操作或者反作用式操作，闭锁电动气动变换器能够可交替地配置的。
第一控制信号和第三控制信号可以是实质等同的。
第二控制信号可以激励电动气动开关阀从第一状态到第三状态。
第四控制信号可以激励电动气动开关阀从第三状态到第一状态。
该气动回路的第一状态可以对应于气动回路的第一静态，该气动回路的第二状态可以对应于气动回路的第一非静态，该气动回路的第三状态可以对应于第二静态并且第四状态可以对应于第二非静态。
气动回路的第一静态可以处于与排出口处的流体压力实质上相等的压力下，并且气动回路的第二静态可以处于与供应口处的流体压力实质上相等的压力下。
气动回路的第一非静态可以以气动回路内的正压力阶差为特征，气动回路的第二非静态可以以气动回路内的负压力阶差为特征。
气动回路的第一非静态可以以气动回路内的负压力阶差为特征，并且气动回路的第二非静态可以以气动回路内的正压力阶差为特征。
附图说明
图1为根据本发明的原理而构造的示例性变换器的分解透视图；
图2为根据本发明的原理而构造的示例性变换器的横截面图；
图3为根据本发明的原理而构造的示例性变换器的上块的平面图；
图4为根据本发明的原理而构造的示例性变换器的下块的横截面的平面图；
图5为根据本发明的原理而构造的示例性变换器的供应嘴和排出嘴的横截面图；
图6为根据本发明的原理而构造的示例性变换器的偏置调节螺钉的横截面图；
图7为根据本发明的原理而构造的示例性变换器的电枢的平面图；
图8为根据本发明的原理而构造的示例性变换器的操作特性的状态图；
图9示出了根据本发明的原理而构造的示例性变换器的执行概况；
图10为操作根据本发明的原理而构造的示例性变换器的示例性控制模块的示意图；
图11A和图11B为用于根据本发明的原理而构造的示例性变换器的控制模块的控制逻辑的示例性流程图。
具体实施方式
为了促进对本发明原理的理解，现在参照图中示出的示例性实施方式和其变化实施例以及用来描述它们的具体语言。然而，应当理解其并不旨在对本发明的范围作出限制，并且应当理解为本发明的范围包括本发明所涉及的对本领域普通技术人员而言通常会发生的对示出装置的这些改变以及进一步的变形和对本发明的原理进一步的应用。
电气动的现场仪器提供用于电信号到体积流量或压力输出的转换从而通过压力变换器将独立的电指令信号耦合到所属的气动压力信号。相应地，提供了气动的前级，即变换器，并且更具体地，闭锁式气动变换器(LPT)用于连接到包括用于通过电输入信号的方式设定气动输出的机构的流体压力源。示例的LPT的气动输出(即流体压力)在被供应到致动器的工作腔之前能够被供给到气动主级，即气动放大器(例如继电器或滑阀)。根据示例性LPT所示，设计变换器的机理以从单一的电输入信号产生闭锁式非连续气动输出信号；其被用作电动气动开关阀。
现在参见图1、图2、图3和图4，闭锁式气动变换器(LPT)10包括上块组件100和下块组件200。上块组件包括上块或壳体110、线圈130、偏置弹簧150和电枢300，该电枢300包括电枢紧固件310以限定示例性LPT 10的电磁回路。上块110优选地为矩形的长方体，其包括由具有同心圆筒状孔口114的第一圆筒状空腔112形成的环形线圈凹座111，其中，该圆筒状孔口114被配置以容纳线圈130。上块110的第一末端120包括电馈入通孔121以容纳线圈130的一对电引线(未示出)。上块110还包括第二圆筒状空腔122，其形成弹簧凹座以容纳偏置弹簧150。凸出的电枢安装凸台151为电枢300提供了安装表面，该安装表面包括限制环形线圈凹座111的环形行程挡块152。线圈密封件135可以紧邻线圈130的第一端138放置从而形成流体密封以阻止供应流体与线圈130的接触。多个紧固件孔139a-d设置在上块110的角部以容纳紧固件140a-d，这些紧固件将上块100组件耦接到下块组件200上。
如示例所示，上块110的优选长度、宽度和高度分别为1.440英寸、1.060英寸和0.385英寸，上块110优选地由UNS G10100碳钢经腐蚀钝化，诸如美国南卡罗拉纳州洛克希尔的安美特的化学镀的镀镍而制成，其具有4-6微米范围内且优选为5微米的层。进一步地，上块110可以优选地利用已知的机加工技术以棒料制成或者利用金属粉末注射成型技术制造。此外，替代性的钝化可以包括聚氯代对二甲苯涂膜，其来自伊利诺斯州绍姆堡的欧瑞康-巴尔查斯涂层(OerlikonBalzers Coating)的涂料公司或者德克萨斯州凯蒂的真空镀膜服务(Parylene Coating Service)公司。环形线圈凹座111的外径优选地为0.555英寸，且由圆筒状孔口114形成的优选地为0.291英寸的内径沿着中心轴线A被定位距第二末端136 0.913英寸，电馈入通孔121靠近线圈环形凹座111且优选地沿着轴线A具有0.053英寸的直径并距第一末端120 0.310英寸。优选地，偏置弹簧凹座124的直径为0.094英寸，且其深度优选地为0.180英寸，该凹座被定位距第二末端136 0.246英寸。如图3所示，凸出的环形行程挡块152优选地为平面的环状凸出表面，其具有0.625英寸的外部尺寸以及0.555英寸的内部尺寸，它还包含两个凸起的电枢安装凸台151以共同容纳0-80个紧固件从而将电枢固定到上块110上。此处为示例性LPT 10罗列的尺寸仅仅为示例性的并且根据本发明的原理而构造的其他装置可以以不同的尺寸构造并可具有不同的尺寸比例。
如下更详细地所述，使电枢在示例性LPT 10运行期间移动的动力由形成在上块110的线圈130内的电磁铁感应的引力或斥力引起的。示例性LPT 10的线圈130优选地为通过采用热空气粘合的制品并且是空芯的，优选地为0.239英寸的长度，其具有0.625英寸的外径以及0.555英寸的内径。用于构造线圈的电磁线优选地为42AWG并且包括3100圈，其提供了优选地为600欧姆的线圈电阻。
继续参见图1和图2，下块组件200包括下块或壳体210、供应嘴220、排出嘴230以及偏置弹簧调节螺钉240。下块210优选地为矩形的长方体，其包括形成“赛车道形”的凹座或者由形成在下块210的内表面213的大致平坦的表面上的椭圆形密封凹座212限制的椭圆形的腔211。椭圆形密封件214，诸如O型密封环，可以放置在椭圆形密封凹座212内以阻止上块100和下块200之间的供应流体损失。下块200还限定了内流体歧管或通道用于在示例性LPT 10内流体连通，因而描述了示例性LPT 10的气动回路。
现在参见图2和图4，下块210中的内歧管被配置以容纳压力供应接头(未示出)、供应嘴220、排出嘴230以及偏置弹簧调节螺钉240。更具体地，设置供应口215以螺纹接收连接器从而将示例性LPT10耦接到供应压力源(未示出)，诸如过程车间仪器，供给空气处于大约20磅每平方英寸到150磅每平方英寸的范围，优选地为20磅每平方英寸。供应口215连接到与供应嘴220流体连通的供应孔口216。供应嘴接收器221被配置以螺纹接收供应嘴220。下块210还包括相对供应口215横向坐落的排出口235(图1)并且该下块被配置以螺纹接收连接器(未示出)，该连接器可以将示例性LPT 10耦接到排出管(未示出)。排出口235连接到与排出嘴230流体连通的排出孔口236。排出嘴接收器231被配置以螺纹接收排出嘴230。该下块210还包括输出口245(图1)，该输出口相对供应口215横向地坐落且经由通过输出孔口246和腔输出孔口247的椭圆形腔211与供应口215和排出口235流体连通。
下块的优选长度和宽度分别为1.440英寸和1.060英寸，并且具有0.440英寸的高度或厚度，下块210优选地由UNS G10100碳钢通过诸如美国南卡罗拉纳州洛克希尔的安美特的化学镀的镀镍的腐蚀钝化处理制成，其具有4-6微米范围内且优选为5微米的层。进一步地，下块210可优选地利用已知的机加工技术由棒料制成，或者利用金属粉末注射成型技术制造。此外，替代性的钝化处理可以包括聚氯代对二甲苯涂膜，其来自伊利诺斯州绍姆堡的欧瑞康-巴尔查斯涂层的涂料公司或者德克萨斯州凯蒂的真空镀膜服务公司。椭圆形腔211和椭圆形密封凹座212通过将三个同心椭圆217a-c精加工在内表面203上而形成，该三个同心椭圆在中心轴线A上具有0.375英寸、0.425英寸和0.475英寸的半径，椭圆形腔211和椭圆形密封凹座212分别具有优选0.045英寸和0.028英寸的深度。多个紧固件孔141a-d被设置在下块的角部处以螺纹接收紧固件，这些紧固件将上块组件100耦接到下块组件200上。供应嘴接收器221和排出嘴接收器231具有阶梯的、圆筒形构造，优选地，在截面a中其深度为0.095英寸对应直径为0.114英寸，在截面b中深度0.300英寸且直径为0.134英寸，在截面c中0.157英寸的深度对应的直径为0.142英寸。进一步地，在截面a和b之间优选地具有60度的倒角，以及在截面b和c之间优选地具有90度的倒角，该倒角使供应嘴接收器221和排出嘴接收器231在截面c的终端232处终止。
继续参见图5，尽管示例性LPT 10的供应嘴220和排出嘴230基本上与如下所述的构造类似，然而本领域的普通技术人员可以理解在不脱离示例性LPT 10的精神和范围下这种喷嘴可以不必确保其尺寸或构造。进一步地，在描述部分，提及的喷嘴装置或者指供应嘴220或者指排出嘴230。喷嘴220、230的第一末端250、260终止于具有喷嘴孔口252、262的截头圆锥形表面251、261，该喷嘴孔口终止于与喷嘴220、230的横向孔口254、264流体连通的喷嘴孔253、263。上和下喷嘴座270、280和271、281可以放置在上和下密封凹座272、282和273、283中以分别密封和引导来自供应孔口216和排出孔口236的流体供给，通过横向孔口254、264，进入喷嘴孔口252、262。第二末端256、266可以包括螺纹部分257a、267a以分别接合供应嘴接收器221和排出嘴接收器231的对应螺纹部分257b、267b。供应嘴220用来引导来自供应源的流体供应到示例性LPT 10内的椭圆形腔211中并且向外通过输出口245，排出嘴230用来引导来自椭圆形腔211的流体供应到排出口235，如下更详细予以描述。
如图2和图6所示，下块组件200还包括偏置弹簧调节螺钉接收器290以螺纹接收偏置弹簧调节螺钉240。偏置弹簧调节螺钉240的第一末端291终止于锥形表面292。进一步地，上调节螺钉密封件293可以放置在上调节螺钉密封凹座294内以防止椭圆形腔211的流体损失。第二末端295可以包括螺纹部分295a以接合调节螺钉接收器290的对应螺纹部分296a。
供应嘴220和排出嘴230具有台阶状、圆筒形构造，其优选地，在第一截面a，0.179英寸的长度对应0.110英寸的直径；在第二截面，截面b，0.120英寸的长度对应0.130英寸的直径；在第三截面c，0.081英寸的深度对应0.142英寸的直径，其中截面c优选地在0.081英寸长度上包括M4×0.35的螺纹。供应嘴220和排出嘴230优选地可以由UNS G10100碳钢以诸如美国南卡罗拉纳州洛克希尔的安美特的化学镀的镀镍的腐蚀钝化处理制成，其具有4-6微米范围内且优选为5微米的层。进一步地，供应嘴220和排出嘴230可以优选地利用已知的机加工技术由棒料制成或者利用金属粉末注射成型技术制造。此外，替代性的钝化处理可以包括聚氯代对二甲苯涂膜，其来自伊利诺斯州绍姆堡的欧瑞康-巴尔查斯涂层的涂料公司或者德克萨斯州凯蒂的真空镀膜服务公司，前述涂膜优选地具有5微米厚度的层。优选地，在喷嘴220、230的末端250、260处有30度的倒角。上喷嘴密封凹座270、280优选地高度为0.039英寸并具有0.075英寸的内径，其包括优选地距喷嘴的末端250、260 0.032英寸的上喷嘴密封表面272a、282a。下喷嘴密封凹座273、283优选地其高度为0.039英寸并具有0.095英寸的内径，其包括优选地距喷嘴220、230的末端250、260 0.190英寸的下喷嘴密封表面274a、284a。喷嘴孔口252、262优选地其直径为0.0135英寸并且沿着喷嘴220、230的纵向轴线B延伸以与横向的喷嘴孔口254、264相交，其中喷嘴孔口优选具有0.030英寸的孔口直径并距末端252、262 0.107英寸。进一步地，喷嘴220、230的平台(landing)会接触电枢300，如下面更详细地予以描述，并且优选地其具有0.020英寸的直径，其沿着纵向轴线定位并相对由沿着纵向轴线B的供应和排出嘴220、230的直径截面a限定的圆筒具有0.0005英寸的垂直偏移度，如图5所示的φA所示。
偏置调节螺钉240的优选尺寸如下。偏置调节螺钉240具有阶梯状的、圆筒形配置，其优选地在截面a，0.238英寸的长度对应0.104英寸的直径；在截面b，0.122英寸的长度对应0.142英寸的直径；其中截面b优选地在0.081英寸的长度上包括M4×0.35的螺纹。进一步地，在末端291处具有30度的倒角，并且上密封凹座294优选地其高度为0.039英寸并具有0.075英寸的内径，该上密封凹座包括上密封表面292a，该上密封表面优选地距末端291 0.051英寸。
现在参见图7，示例性LPT 10的电枢300由单一的连续金属片制成，该金属片使牵引部分320、封盖部分340、安装部分360、E形夹部分380、应力释放铰链382、偏置铰链384、封盖铰链386成为一体。当从图7的平面图的方向看时，该电枢优选地为大致椭圆形的，并且优选地包括结构中的凸出(reliefs)(当从横截面方向看时)以形成枢轴或铰链以及上面所列出的部分。也就是说，牵引部分320形成在电枢300的第一端321，该第一端具有大致圆形的部分322，该部分322包括与圆形部分322分开的不规则六角形的部分323。该部分323通过应力释放铰链382铰接到牵引部分320。如图7进一步地示出，该封盖部分340大致由被附加到锁孔形部分341的部分323形成，该部分341包括结构内的凸出以形成偏置铰链384以及封盖铰链386，其中该偏置铰链和封盖铰链将封盖部分340可操作地耦接到E形夹部分380上，在下面会进一步地予以详细描述。E形夹部分380提供了电枢300的主偏置力，该主偏置力对于形成示例性LPT 10的双稳态或闭锁的动作是必要的。也就是说，电枢300包括凹座，其限定了电枢300的水平转动轴线R。由凹座形成的弯曲部分(例如，枢轴)形成角度弹簧，该角度弹簧与偏置弹簧150共同作用以提供可操作的回复力，如下面进一步地予以详细描述。
继续参见图7，牵引部分320通过应力释放铰链382连接到封盖部分340。操作中，应力释放铰链382经由将直流电流施加在线圈130的电引线中引入在牵引部分320中产生的力向量。通过将直流电路施加在线圈130中产生的磁场形成了关于圆筒状孔口114的电磁铁。电磁铁形成了相应的磁力，并且因此在转动轴线R处形成了相应的力矩，其朝着圆筒状孔口114的方向吸引电枢300的牵引部分320；接触环状行程挡块152。一旦电枢300的牵引部分320接触环状行程挡块152，磁性回路被“闭合”并且存在于磁性回路的剩余磁通量或剩磁保持电枢300朝着圆筒状孔口114的方向被吸引，即使电流不再施加在线圈130上。
具体地，由直流电流引起的驱动力矩克服由E形夹部分380提供的偏置力矩，这使牵引部分320和封盖部分340关于转动轴线R朝着线圈130接触环形行程挡块152的方向移动。只要驱动力矩的大小比试图抬升牵引部分320远离线圈130和环形行程挡块152的偏置力矩大，牵引部分320和盖帽部分340会停止与环形行程挡块152接触(即，使电枢的位置闭锁)。
可选择地，应用反向极性和一定幅度的线圈电流会使磁性牵引力和相应的磁力矩降低到被施加到牵引部分320和封盖部分340的偏置力矩之下，此时，牵引部分320会从环形行程挡块152松开并且封盖部分340和牵引部分320会切换(toggle)到远离线圈130的位置。电枢300的切换动作提供了与供应嘴孔253和排出嘴孔263的交替接触以调节经过示例性LPT 10的流量。除为了力传递的目的在牵引部分320和封盖部分340之间的连接外，应力释放铰链382还用作一种允许牵引部分320区域当在线圈表面132和电枢牵引部分320之间存在较小的对准误差的情况下与线圈的表面对准的装置。这种误差可能源自椭圆形腔211的机加工公差误差或源于电枢300的不希望变形或歪曲。该封盖部分340为刚性区域，其由封盖部分铰链386悬吊并且为电枢300的提供位移以在操作期间交替接触供应嘴220和排出嘴230的部分。封盖部分铰链386约束封盖部分340以关于转动轴线R成角度运动。如上所述，供应嘴220和排出嘴230具有优选的0.0005英寸的垂直偏移度。这种偏移在由喷嘴孔253、263限定的接触区域处提供了实质上被减少的泄漏。
为了提供调节装置以实现各装置之间一致的操作阈值，通过E形夹部分380提供了可调节的偏置力矩。该偏置力矩在转动轴线R处施加到封盖部分上，并且与磁力矩反向作用以对牵引部分320从线圈130和环形行程挡块152释放起作用。偏置调节螺钉240提供了静态调节，其使得电枢的切换或双稳态操作在希望大小的线圈电流下发生。偏置力矩由E形夹部分380、偏置调节螺钉240、偏置弹簧150、偏置铰链384和封盖部分铰链386产生。为了设定标准水准下的偏置力矩，偏置弹簧调节螺钉240转动到当电枢300在线圈电流操作点之间操作时电枢300的切换操作发生的位置点处。偏置弹簧调节螺钉240的转动使得当E形夹部分380关于转动轴线R转动时偏置弹簧调节螺钉240的顶部的位移导致E形夹部分380的角度位移的变化，其由如上所述的四个铰链部分确定。
E形夹部分380的角度产生的变化使得相应变化的偏置角度提供给封盖部分铰链386。该角度对应于关于转动轴线R施加给封盖部分340的预加载或转动力矩(wind-up moment)。这样，偏置弹簧调节螺钉240的调节导致施加给封盖部分320的偏置力矩的调节并且提供了用于希望操作的使封盖部分320偏移的或“归零校正”的装置。偏置预加载弹簧150用于在电枢300的第二表面上提供足以使E形夹部分380与偏置弹簧调节螺钉240的末端291保持稳定接触的载荷。在可选择的示例性LPT 10中，当由E形夹部分380提供的预加载荷可以足以保持与偏置弹簧调节螺钉240的端部接触时，可以在设计中不用预加载偏置弹簧150。而且，随后，示例性LPT 10可以避免使用偏置弹簧调节螺钉240并且该螺钉可以被受控高度的固定突起替代以提供相同的E形夹部分角度。
电枢300可以以具有导磁性质的材料制成，该材料具有优选0.020英寸的厚度以及形成优选地为0.0063英寸厚度的应力释放铰链382、偏置铰链384和封盖铰链386的凸出。该电枢300优选地可以用诸如UNS G10100碳钢的磁性金属以诸如美国南卡罗拉纳州洛克希尔的安美特的化学镀的镀镍的腐蚀钝化处理制成，其具有4-6微米范围内且优选为5微米的层。此外，替代性的钝化处理可以包括聚氯代对二甲苯涂膜，其来自伊利诺斯州绍姆堡的欧瑞康-巴尔查斯涂层的涂料公司或者德克萨斯州凯蒂的真空镀膜服务公司。通过匹配构成电枢300、上块组件100和下块组件200的材料，归因于匹配的热膨胀系数(例如，优选的热膨胀系数12.2μm/m℃)，示例性LPT能够在大约+85摄氏度到-60摄氏度下操作。
牵引部分320优选地具有0.344英寸半径的圆形横截面，其包括间隔0.018英寸的84度，(α)的区域322。E形夹部分380优选地分别具有0.344英寸的外径以及0.284英寸的内径。E形夹部分380的片部具有0.064英寸的半径，其优选地在0.280英寸半径上沿着电枢300的中心轴线C定位。封盖部分340外周边相应地与E形夹部分380的内周边匹配，E形夹部分优选地具有与配对E形夹部分3800.018英寸的间隔，其中安装部分360具有0.061英寸的通孔，这些通孔与中心轴线C等距离的且以0.584英寸间隔开。E形夹部分380的角度部分383优选地为18度(β)。形成偏置铰链384的凸出优选地为0.030英寸×0.020英寸，相关联的应力释放铰链382优选地为0.100英寸×0.020英寸。形成封盖铰链386的凸出优选地为0.060英寸×0.035英寸。此外，电枢300的两个孔361a-b，如图7所示，形成电枢300的一体安装表面。在组装期间，电枢固定件310穿过螺纹接合下块200的电枢安装孔。
随后的操作性描述参考之前叙述的示例性LPT 10、图1到图4。现在如图8和图9所示，示例性LPT具有四种(4)状态，其限定了它的操作状态：状态1；状态2；状态3和状态4。如下面更详细地予以叙述，状态1和状态为示例性LPT 10的静止(即，休眠)状态且状态2和状态4为非静止(即，非休眠)状态。在状态1，通过电引线的输入信号为零(0)mA(即，零功率)且当此观察图2时示例性LPT 10的电枢300逆时针绕着转动轴线R轻轻转动从而在线圈130的平坦表面113和电枢300(即，非邻近平坦表面113)之间产生很小的空气间隙。在公开的示例中，空气间隙大约为0.0055英寸。逆时针转动由偏置弹簧力产生的力矩引起并且该间隙由调节供应嘴220而限制，其用作电枢300的额外逆时针转动的行程挡块。在状态1，供应嘴220的孔被电枢封盖部分340接触或封盖且排出嘴230的孔262被电枢300的封盖部分340和排出嘴230之间的间隙开启。在状态1，示例性LPT 10在输出口245的压力与排出口235流体连通，并且结果，将会降低到排出压力水平，诸如大气压力，该大气压力导致静止的流体流动，如图2和图4所示的流动箭头所示出的，通过将会为零(0)或实质上为零(0)的示例性LPT 10。在该操作状态1中，输出口245的压力将必然处于排出压力水平并且归因于由E形夹部分380形成的闭锁力将会保持闭锁在该压力直到非零电输入信号被供给到电引线。因为没有施加电功率，所以示例性LPT 10在状态1的电力消耗为零(0)mW或“零功率”状态。也就是说，与连续的、成比例的变换器相比，示例性LPT 10以实质上消除通过示例性LPT 10的静止排出流(即，供应空气的持续排出)的相反的或交替的方式来调节供应嘴220和排出嘴230。
为了对输出压力的变化产生影响，示例性LPT 10必须从状态1过渡到状态2。也就是说，示例性LPT 10的状态2为临时过渡状态并且由施加非零直流电流(DC)信号或非零功率到线圈130的电引线上因而激励或激活示例性LPT 10而产生。当DC电流，诸如+6毫安(mA)，被施加于线圈130，形成磁场因而使示例性LPT 10的套筒和线圈114磁化，产生了紧靠电枢300的磁力(即，引力)，其中，前述套筒由环形行程挡块152形成。当施加DC电流时，磁力可以变得足以克服或超过供应嘴220的接触力矩以及由上述的E形夹部分380形成的电枢300的弹簧力矩的和，这使电枢300关于转动轴线R转动。相对图2，电枢300将以顺时针方向转动。电枢转动会继续，直到电枢300与环形行程挡块152接触(即，紧靠平坦表面113)。在电功率足以使电枢300移动到如前所述的将输出口245与使输出口245处于供应压力的供应口215流体连通情况下，状态2由完全打开位置的供应嘴220孔以及封闭的排出嘴230孔限定。应当可以理解供应嘴220的封闭或者排出嘴230的封闭并非“气密”的。也就是说，根据供应嘴孔252或排出嘴孔262的封闭，在孔252、262和电枢300之间存在轻微的或可忽略的泄漏路径。然而，在状态2中，来自供应嘴220的体积流量(即，由来自开启的供应口以及闭合的排出口的流体连通的正压力阶差引发的流动)在排出嘴230处大大超过可忽略的泄漏，因此使腔内和输出口245的流体压力增加从而使输入口215供应压力实质上等于诸如二十(20)磅每平方英寸。由于应用了6mA的激活电流，故状态2中的电力消耗是非零的。
基于施加状态2激活信号以及产生的到新输出压力状态的过渡，示例性LPT 10可以回到“无功率”状态，有效地将输出口压力闭锁在供应压力。该“无功率”状态限定了操作状态3。示例性LPT 10的状态3利用线圈、套筒组件以及电枢的磁性材料特性，从而闭锁或保持状态2激活的最终位置。也就是说，在状态3中，由激活电流形成的磁力，结合示例性LPT 10的磁性特性，形成了状态3中对装置的双稳态操作基础的剩磁。具体地，在状态2激活之后磁性回路的引力克服了弹簧的初始力以及E形夹部分380的弹簧力矩从而将电枢保持就位而不需额外的电力。磁力产生了关于转动轴线R的顺时针力矩，其超过由弹簧产生的逆时针力矩和所有其他作用力矩并将电枢保持到由环形行程挡块152形成的套筒和线圈114的表面。在状态3中，由于没有电力用来保持这种状态，故电枢被闭锁。状态3将输出口245的输出压力保持在实质的供应压力。示例性LPT 10的电枢以及输出压力，可以保持在被限定的状态，直到在电引线处施加输入信号。电在状态3中，电力消耗为零(0)或者处于“零功率”状态。
最终的操作状态为状态4，其对应于从供应压力到排出压力(例如，大气压力)的气动输出的改变。为了激活从状态3到状态4的转换，DC电流的大小和“方向”必须改变。也就是说，DC电流相对于在状态2中施加的DC电流的方向(sense of direction)是逆向的。基本上，当DC电流，诸如-2mA，经由电引线被施加到线圈上，形成围绕线圈的对于状态2的磁力不合适的磁场，其克服或defeats状态2中形成的剩磁因而去激励或去激活示例性LPT 10。当在电磁回路中剩磁被克服，如上所述的弹簧力矩相对于转动轴线R在逆时针的方向上驱动电枢300。电枢300在相对方向上移动直到接触由供应嘴220的末端250形成的行程挡块，其中该末端有效地覆盖或封闭供应口。在状态4中，输出腔的压力以及因此输出口245的压力迅速地衰减到排出压力(即，由来自开启的排出口以及闭合的供应口的流体连通的负压力阶差引发的流动)。在状态4中，示例性LPT 10的输出口压力会必然地处于排出压力水平，并且由于应用-2mA的去激活电流，故状态4中的示例性LPT 10的电力消耗为非零的。基于状态4的激活，当闭锁动作完成并且去激活信号被“移除”或为零(0)mA时，示例性LPT 10可以直接地转换到状态1，这与示例性LPT 10在状态1时的激活信号基本相同。
示例性LPT 10所需的激活信号和控制模块在图9和图10中示出。示例性LPT 10非常适用于需要最低电力消耗的应用中。因为状态1和状态3不需要为了保持压力输出而应用任何电力，所以该设计的双稳态、闭锁的特性显著地降低了电力消耗。进一步地，在状态2和状态4即使在激活或去激活期间，电流脉冲(即，+6mA以及-2mA)均为最小的持续期间，示例性LPT 10的电力需求与常规变换器相比是实质降低的。如所示出的，激活和去激活的电流持续期间优选地为15毫秒(ms)。
图9进一步地示出了在示例性LPT 10状态转换期间输出压力曲线。例如，图示A示出了从状态1→状态2→状态3的转换。也就是说，示例性LPT 10的输出压力基本上处于状态1中的排出压力(即，大气压力或低输出状态)。持续时间为15ms的+6mA的激活信号施加到示例性的LPT上。如上所述，示例性LPT 10从状态1转换到状态2，使示例性LPT 10的输出闭锁至供应压力；随后移除激活信号且示例性LPT 10转换到状态3，其中输出压力保持在输入或供应压力(即，高输出状态)。可选择地，图示B示出了输出压力曲线以及用于将示例性LPT 10从状态3→状态4→状态1转换的输入或激活信号。也就是说，图示B中的示例性LPT 10的输出压力被闭锁于状态3的供应压力。如前所述，-2mA的激活信号施加15ms的持续时间。结果，示例性LPT 10从状态3转换到状态4，将示例性LPT 10的输出闭锁于排出压力；随后移除激活信号且示例性LPT 10转换到状态1。
图10、图11A和图11B示出了示例性控制模块和逻辑图以形成用于示例性LPT 10的控制信号。现在参见图10，将描述控制模块400。示例性LPT 10通过常规的电子装置操纵。设置控制模块400以处理来自控制回路，诸如接收被耦接到控制阀(未示出)的常规压力致动器上的位置反馈的定位控制回路，的输入信号。本领域普通技术人员可以理解，输入信号可以来自伺服算法以指令示例性LPT 10的压力输出以达到由伺服系统指令的设定点或希望的位置。示例性控制模块400包括下述元件：微控制器410、诸如16位DAC的数模转换器(DAC)420以及电压-电流线路调节器430。操作中，输入指令信号可以提供给微处理器410，该微处理器修改或解释该指令以激活(激励)或去激活(去激励)示例性LPT 10。基于前面的描述和示例性激活配置文件，为激励示例性LPT 10的激活配置文件示出于图10的表A以及图11的逻辑流程中。也就是说，为了激活示例性LPT 10，输入指令由微控制器410解释。微处理器410产生数字指令给DAC 420，该DAC 420将数字指令转换为代表这种信号的模拟信号。DAC 420的模拟输出被耦合到电压-电流线路调节器430，该线路调节器430将代表性电压信号转换为代表性DC电流信号，该DC电流信号驱动示例性LPT 10。
例如，如图11A所示，当指令信号请求发生时，微处理器410的子程序激活，步骤S100。为了产生用于示例性LPT 10的激活脉冲或信号，微处理器410产生代表0mA的数字信号(即，表A中的命令800016)，步骤S101，该信号保持示例性LPT 10的当前状态，诸如状态1，步骤S102。为了产生+6mA激活信号，微处理器410产生表示+6mA的数字信号(即，表A的命令A66616)，步骤S102，并且有条件地保持输出达到15ms，步骤S104，引发示例性LPT 10的状态2。当15ms激活时间截止，微处理器410产生表示0mA的数字信号(即，表A的命令800016)，步骤S105，该信号保持示例性LPT 10的当前状态，诸如状态3，步骤S106。
接着，如图11B所示，为了产生用于示例性LPT 10的去激活脉冲或信号，微处理器410产生表示0mA的数字信号(即，表A的命令800016)，步骤S201，该数字信号保持示例性LPT 10的当前状态，诸如状态3，步骤202。为了产生-2mA的激活信号，微处理器410产生表示-2mA的数字信号(即，表A的命令666616)，步骤S202，并且有条件地保持输出15ms，步骤S204引发示例性LPT 10的状态4。当15ms激活时间截止时，微处理器410产生表示0mA的数字信号(即，表A的命令800016)，步骤S205，该数字信号保持示例性LPT10的当前状态，诸如状态4，步骤S206。
示例性LPT在制造上比压电阀花费更少并且比与某些压电双晶片设计相关温度限制具有更低的温度限制。归因于上壳体、下壳体、供应嘴、排出嘴和电枢的匹配热膨胀系数，示例性LPT能够在大约+85摄氏度到-60摄氏度运行。而且，归因于露出表面的钝化处理，示例性LPT在工业环境中实质上更可靠的，包括耐湿性。
此外，示例性LPT能够运行在大约20-150磅每平方英寸范围内的气动供应压力下。作为全供应压力范围能力的结果，不需要额外的供应压力调节器来调节施加到示例性LPT的压力源。而且，传统的变换器设计利用气动电路，所述气动电路由流体连接到固定直径的供应孔的单一的调节排出阀组成。这种配置相对通过固定的直径孔连通的供应流调节排出流。这种节流需要通过被调节和被固定的约束的特定静态(即非零稳态)流动，这使空气消耗增加。示例性LPT可选择地调节通过供应嘴以及排出嘴的流体流量从而实质上避免通过变换器的持续的、静态流动。
如前所述，用以将示例性LPT的气动回路保持在高输出状态或低输出状态所需的电力消耗为零(0)mW并且，最后，供应和排出口接头可以是反向的从而为示例性LPT提供反作用模式。在通过将压力管接头反向而减少对额外的流体管或管道系统需求的场合，这种能力在仪器设计中提供了额外的适应性，因此这为直接作用式操作或反作用式操作提供了可配置性。
尽管已经在此描述了某些示例性方法、装置和制品，然而本专利的覆盖范围并不限制于此。相反地，本专利在字义或者等同理论下覆盖完全落入所附权利要求的范围内的所有方法、装置和制品。例如，关于线筒形成的线圈可以提供上块组件的电磁铁。进一步地，额外的磁铁或诸如卡朋特49(Carpenter 49)的合金在不脱落示例性LPT的精神和范围下可以用来提供电磁回路。

Claims (26)

1.一种电动气动变换器，包括：
下块组件，所述下块组件包括被构造用以容纳供应嘴的下壳体，所述供应嘴与供应口流体连通并且通过内流体通道与所述下壳体的输出口间歇性地流体连通，所述下壳体还包括排出嘴，所述排出嘴与排出口流体连通并且通过所述内流体通道与所述下壳体的所述输出口间歇性地流体连通；以及
上块组件，所述上块组件包括被配置以容纳线圈和电枢的上壳体，所述上壳体、线圈和电枢限定了闭锁电磁回路，所述闭锁电磁回路提供了所述电枢与所述下壳体组件的所述供应嘴和所述排出嘴的交替接触。
2.根据权利要求1所述的电动气动变换器，其中，所述线圈被布置以接收电输入信号来激活和去激活所述电磁回路从而将所述输出口闭锁于高输出状态和低输出状态。
3.根据权利要求2所述的电动气动变换器，其中，所述变换器被布置以选择地调节通过所述供应嘴和所述排出嘴的流体流量从而实质上避免通过所述变换器的恒流定量消耗。
4.根据权利要求1所述的电动气动变换器，其中，所述下壳体还被配置以容纳偏置弹簧调节螺钉，并且所述上壳体还被配置以容纳偏置弹簧。
5.根据权利要求4所述的电动气动变换器，其中，所述偏置弹簧和偏置弹簧调节螺钉配合以提供偏置弹簧力从而偏置所述电磁回路的所述电枢。
6.根据权利要求5所述的电动气动变换器，其中，所述电动气动变换器被布置以连接到气动供应源，并且所述变换器还被布置以在大约20磅每平方英寸到150磅每平方英寸范围内的气动供应压力上操作。
7.根据权利要求1所述的电动气动变换器，其中，预定的热膨胀系数的所述上壳体组件和所述下壳体组件配合以提供大约+85摄氏度到-60摄氏度的操作温度范围。
8.根据权利要求1所述的电动气动变换器，其中，所述内流体通道还包括压力腔、供应孔口、排出孔口和输出孔口。
9.根据权利要求7所述的电动气动变换器，其中，所述供应嘴和所述排出嘴相对圆筒具有预定的垂直度，所述圆筒由沿着所述供应嘴和所述排出嘴的纵向轴线的所述供应嘴和所述排出嘴的第一截面来限定。
10.根据权利要求2所述的电动气动变换器，其中，所述电枢包括多个铰链，所述铰链提供了与磁力矩反向的弹簧力矩从而选择性地紧邻或非邻近所述上壳体地闭锁所述电枢。
11.一种闭锁式电动气动变换器，包括：
气动回路，所述气动回路包括下壳体，所述下壳体具有通过内流体通道和压力腔流体连通的供应口、排出口和输出口；
电磁回路，所述电磁回路包括被配置以容纳线圈和电枢的上壳体，所述电枢响应电输入信号是可移动的，所述电磁回路限定了弹簧力矩和磁力矩，所述弹簧力矩和所述磁力矩配合以选择性地紧邻或非邻近所述上壳体地闭锁所述电枢。
12.根据权利要求11所述的闭锁式电动气动变换器，其中，当所述电枢被紧邻或非邻近所述上壳体闭锁时，所述电信号的功率实质上为零。
13.根据权利要求11所述的闭锁式电动气动变换器，其中，供应嘴与供应口流体连通并且通过内流体通道与输出口间歇性地流体连通，并且所述排出嘴与排出口流体连通并且通过所述内流体通道与所述输出口间歇性地流体连通。
14.根据权利要求11所述的闭锁式电动气动变换器，其中，所述闭锁式电动气动变换器为直接作用式操作或反作用式操作是可选择性地配置的。
15.根据权利要求11所述的闭锁式电动气动变换器，其中，所述变换器能够在大约20磅每平方英寸到150磅每平方英寸范围的气动供应压力上操作。
16.根据权利要求11所述的闭锁式电动气动变换器，其中，预定的热膨胀系数的所述上壳体组件和所述下壳体组件配合以提供大约+85摄氏度到-60摄氏度范围的操作温度范围。
17.根据权利要求11所述的闭锁式电动气动变换器，其中，所述内流体通道还包括压力腔、供应孔口、排出孔口和输出孔口。
18.根据权利要求13所述的闭锁式电动气动变换器，其中，所述供应嘴和所述排出嘴相对圆筒具有预定的垂直度，所述圆筒由沿着所述供应嘴和所述排出嘴的纵向轴线的所述供应嘴和所述排出嘴的第一截面来限定。
19.一种电动气动开关阀，其包括：
气动回路，其耦接到加压流体源；
电磁回路，其耦接到所述气动回路；以及
控制模块，其连接到所述电磁回路，所述电磁回路提供了引发所述气动回路的第一状态的第一控制信号、引发所述气动回路的第二状态的第二控制信号、引发所述气动回路的第三状态的第三控制信号以及引发所述气动回路的第四状态的第四控制信号。
20.根据权利要求19所述的电动气动开关阀，其中，所述第一控制信号和所述第三控制信号实质上是等同的。
21.根据权利要求19所述的电动气动开关阀，其中，所述第二控制信号激励所述电动气动开关阀从所述第一状态到所述第三状态。
22.根据权利要求19所述的电动气动开关阀，其中，所述第四控制信号激励所述电动气动开关阀从所述第三状态到所述第一状态。
23.根据权利要求19所述的电动气动开关阀，其中，所述气动回路的所述第一状态对应所述气动回路的第一静态，所述气动回路的所述第二状态对应所述气动回路的第一非静态，所述气动回路的所述第三状态对应第二静态并且所述第四状态对应第二非静态。
24.根据权利要求23所述的电动气动开关阀，其中，所述气动回路的所述第一静态处于实质上与处于排出口的流体压力相等的压力，并且所述气动回路的所述第二静态处于实质上与处于供应口的流体压力相等的压力。
25.根据权利要求23所述的电动气动开关阀，其中，所述气动回路的所述第一非静态以所述气动回路内的正压力阶差为特征，并且所述气动回路的所述第二非静态以负压力阶差气动回路为特征。
26.根据权利要求23所述的电动气动开关阀，其中，所述气动回路的所述第一非静态以所述气动回路内的负压力阶差为特征并且所述气动回路的所述第二非静态以正压力阶差气动回路为特征。
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