CN109210258B - 具有故障保护的集成换能器 - Google Patents

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Abstract

具有下部壳体组件和上部壳体组件的换能器用于连接到流体压力源，该流体压力源具有用于经由电输入信号来设置气动输出的机制。下部壳体组件包括被配置成接纳供应喷嘴的下部壳体，该供应喷嘴通过内部流体通道与供应端口流体连通，并且与下部壳体的输出端口间歇流体连通。下部壳体进一步包括排出喷嘴，该排出喷嘴与排出端口流体连通，并通过内部流体通道与下部壳体的输出端口间歇流体连通。上部壳体组件包括被配置成接纳线圈和电枢的上部壳体，使得该上部壳体、线圈和电枢定义闭锁电磁回路，该闭锁电磁回路提供电枢与供应喷嘴以及下壳体组件的排出喷嘴的交替接触。

Description

具有故障保护的集成换能器
技术领域
本公开涉及过程控制系统中的现场装备，并且更具体地涉及用于控制过程控制系统中的阀的电控气动转换器。
背景技术
工业加工工厂在各种各样的应用(从控制炼油厂中的过程流到维护油罐区中的液位)中使用控制阀。通常为自动化的控制阀用于通过像可变孔或通道那样运作来管理这样的流体流动。通过控制诸如阀塞之类的内部阀组件，可准确地调节通过阀主体的产品量。通常使用由远程操作现场装备控制的压力操作致动器来使控制阀自动化。现场装备与过程控制计算机进行通信以指挥阀内的流体流动改变，以便经由压力操作致动器来实现工厂操作者的期望控制策略。电控气动转换器(诸如电流到压力换能器)在现场装备中常用于将电信号转换到体积流量或压力输出，以控制致动器，并因此控制控制阀。
当前的电控致动转换器要么提供连续的比例电流到电压的转换，要么提供间歇性或脉冲模式的电流到压力的转换。现有的连续转换电控气动转换器在操作期间不断地消耗或排出空气。在某些应用中(诸如当到现场装备和电控气动转换器的流体供应是如天然气之类的过程介质时)，高空气消耗不是合乎需要的。例如，与在流体供应系统中提供附加能力相关联的成本可能是显著的。另外，这样的过程介质的持续流出既昂贵又浪费环境。替换地，当前的脉冲模式电控气动转换器通常基于压电技术或多重螺线管配置。压电设计(诸如由德国阿尔滕斯塔特的Hoerbiger Gmbh公司提供的已知设计)可能极其耗电，并且实现起来相对昂贵。此外，归因于压电效果在约-20摄氏度以下开始降级的事实，压电设计有温度限制。另外，归因于电池电路的重复，多重螺线管设计是复杂的，并且可能制造起来是昂贵的。
发明内容
本公开的第一方面提供下部壳体组件和上部壳体组件。下部壳体组件包括下部壳体，该下部壳体被配置成接纳供应喷嘴。供应喷嘴与供应端口流体连通，并通过内部流体通道与下部壳体的输出端口间歇流体连通。下部壳体进一步包括排出喷嘴，该排出喷嘴与排出端口流体连通，并通过内部流体通道与下部壳体的输出端口间歇流体连通。上部壳体组件包括上部壳体，该上部壳体被配置成接纳线圈和电枢，以使得上部壳体、线圈和电枢定义闭锁电磁回路，该闭锁电磁回路提供电枢与供应喷嘴和下部壳体组件的排出喷嘴的交替接触。
本公开的第二方面提供气动回路和电磁回路。气动回路包括下部壳体和压力室，该下部壳体具有通过内部流体通道和压力腔室流体连通的供应端口、排出端口和输出端口。电磁回路包括上部壳体，该上部壳体被配置成接纳线圈和电枢，以使得电枢可响应于电输入信号而移动，并且电磁回路定义弹力矩和磁力矩。弹力矩和磁力矩相配合以交替地将电枢闭锁为紧邻上部壳体和非毗邻上部壳体。
在本公开的第三方面，电控气动开关阀包括气动回路、电磁回路和控制模块。气动回路耦合到承压流体源，且电磁回路耦合到气动回路。控制回路连接到电磁回路，并提供引起气动回路的第一状态的第一控制信号、引起气动回路的第二状态的第二控制信号、引起气动回路的第三状态的第三控制信号以及引起气动回路的第四状态的第四控制信号。
附图说明
图1是根据本公开的原理构造的示例换能器的分解透视图；
图2是根据本公开的原理构造的示例换能器的截面图；
图3是根据本公开的原理构造的示例换能器的上部壳体的平面视图；
图4是具有根据本公开的原理构造的示例换能器的下部块的截面的平面视图；
图5是根据本公开的原理构造的示例换能器的供应喷嘴和排除喷嘴的截面图；
图6是根据本公开的原理构造的示例换能器的偏置调节螺钉的截面图；
图7是根据本公开的原理构造的示例换能器的电枢的平面视图；
图8是根据本公开的原理构造的示例换能器的操作特性的状态图；
图9A是根据本公开的原理构造的示例换能器的激励曲线的图示；
图9B是根据本公开的原理构造的示例换能器的激励曲线的图示；
图9C是根据本公开的原理构造的示例换能器的激励曲线的图示；
图10是操作根据本公开的原理构造的示例换能器的示例控制模块的图示；
图11A和11B是针对根据本公开的原理构造的示例换能器的控制模块的控制逻辑的示例流程图。
具体实施方式
出于提升对本公开的原理的理解的目的，将对附图中例示的示例实施例及其变体以及用于对其进行描述的特定语言作出参考。然而，将理解，并无意由此作出本公开的范围上的限制，并且包括诸如本公开所涉及的领域中的技术人员通常会想到的所例示的设备中的变更和进一步修改以及所例示的本公开的原理的进一步应用。
电控气动现场装备提供电信号到体积流量或压力输出的转换，以经由压力换能器将独立的电气命令信号耦合到从属的气动压力信号。因此，提供了一种气动前置级(即换能器)，并且更具体地，提供了一种供连接到流体压力源的闭锁气动换能器(LPT)，该闭锁气动换能器(LPT)包括用于通过电输入信号来设置气动输出的机制。示例LPT的气动输出(即，流体压力)可在被供应给致动器的工作室之前被供应给气动主要级(即，气动放大器)，例如，继电器或短管阀。根据该示例LPT，换能器的机制被设计成根据单个电输入信号来生成非连续闭锁气动输出信号；从而用作电控气动开关阀。
现在参考图1、2、3和4，闭锁气动换能器(LPT)10包括上部块组件100和下部块组件200。上部块组件包括上部壳体或上部壳体110、线圈 130、偏置弹簧和包含电枢紧固件310的电枢300，以定义示例LPT 10的电磁回路。优选地，上部壳体110是包括被配置成容纳线圈130的环形线圈凹部111的直角长方体，该环形线圈凹部111由具有同轴圆柱性芯体114 的第一筒形腔112形成。上部壳体110的第一远端120包括用于接纳线圈 130的一对电导线(未示出)的电馈通121。上部壳体110进一步包括形成用于接纳偏置弹簧150的弹簧凹部的第二筒形腔122。凸起的电枢安装凸耳 151为电枢300提供安装面，该安装面包括限制环形线圈凹部111的环形止动部152。线圈密封件135可紧邻线圈130的第一端138放置以形成用于防止供应流体与线圈130接触的流体密封。在上部壳体110的诸角处提供多个紧固件孔139a-d以容纳将上部块组件100耦合到下部块组件200的紧固件140a-d。
作为示例，上部壳体110的优选长度、宽度和高度分别为1.000英寸、 1.060英寸、和0.385英寸，其中上部块100优选地由低磁滞材料(诸如卡喷特49镍铁合金(Carpenter HiPerm 49))以及腐蚀钝化层(诸如，来自美国南卡罗来纳州克希尔的阿托科技公司(Atotech)的无电镀镍)制成，该腐蚀钝化层具有范围在4-6微米且优选为5微米的层。此外，上部壳体110 可优选地使用已知的机加工技术用条料制成，或使用金属注射成型技术制造而成。另外，替换钝化层可包括来自德克萨斯州凯蒂的聚对二甲苯涂层服务公司(ParyleneCoating Service)的聚对二甲苯C涂层，或来自伊利诺伊州绍姆堡的欧瑞康巴尔查斯涂层公司(Oerlikon Balzers Coating)的
Figure BDA0001714088660000041
涂层。环形线圈凹部111的外径优选为0.555英寸，并且由圆柱形芯体114形成的内径(优选为0.291英寸)沿中心轴A被定位在与第二远端136相距0.193英寸处，其中电馈通121接近线圈环形凹部111并且优选地沿轴A具有0.053英寸的直径并位于与第一远端120相距0.310英寸处。优选地，偏置弹簧凹部124的直径为0.094英寸且深度为0.180英寸，其被定位在与第二远端136相距0.246英寸处。如图3所描绘的，凸起的环形止动部152优选为平面环形凸起面，该平面环形凸起面具有为0.625英寸的外部尺寸和为0.555英寸的内部尺寸，还包括两个凸起的电枢安装凸耳151 相配合容纳0-80个紧固件以将电枢固定到上部壳体110。本文中针对示例 LPT 10列出的尺寸仅仅是示例，并且根据本公开的原理构造的其他设备可用不同的尺寸来构造并具有不同尺寸比。
如以下详细描述的，使得电枢在示例LPT 10的操作期间移动的动力由在上部壳体110的线圈130内形成的电磁体所引起的引力和斥力引起。示例LPT 10的线圈130优选地通过采用热空气粘合来制造，并且是空芯的，优选地长度为0.239英寸，并具有为0.625英寸的外径以及为0.555英寸的内径。用于构造该线圈的电磁线优选为42AWG并且包括3100匝，从而提供优选600欧姆的线圈电阻。
继续参照图1和2，下部块组件200包括：下部块或下部壳体210；供应喷嘴220；排出喷嘴230；以及偏置弹簧调节螺钉240。下部块210优选为包括凹部的直角长方体，该凹部形成“跑道形”或长圆形的腔室211，该腔室211受下部块210的内面213的大致平坦的表面上形成的长圆形密封凹部212限制。诸如O形圈密封件之类的长圆形密封件214可以被放置在长圆形密封凹部212中以防止上部块100和下部块200之间的供应流体损失。下部块200进一步限定内部流体管道或通道以实现示例LPT 10内的流体连通，由此描述示例LPT 10的气动回路。
现在参考图2和4，下部块210内的内部管道被配置成容纳压力供应连接(未示出)、供应喷嘴220、排出喷嘴230和偏置弹簧调节螺钉240。更具体地，提供供应端口215以便以螺纹方式接纳用于将示例LPT 10耦合到供应压力源(未示出)的连接器，供应压力源为诸如处于约20psig(磅/ 平方英寸)到150psig的范围中(如优选为20psig)的过程工厂装备供气。供应端口215连接到与供应喷嘴220流体连通的供应端口孔216。供应喷嘴接纳部221被配置成以螺纹方式接纳供应喷嘴220。下部块210进一步包括与供应端口215横向定位的排出端口235(图1)，并被配置成以螺纹方式接纳可将示例LPT 10耦合到排出导管(未示出)的连接器(未示出)。排出端口235连接到与排出喷嘴230流体连通的排出端口孔236。排出喷嘴接纳部231被配置成以螺纹方式接纳排出喷嘴230。下部块210还包括输出端口245(图1)，该输出端口245与供应端口215横向定位，并经由长圆形腔室211通过输出孔246和腔室输出端口247与供应端口215和排出端口235流体连通。
下部块的优选长度和宽度分别为1.000英寸和1.060英寸，并具有为 0.440英寸的高度或厚度，且下部块210优选由316不锈钢制成。此外，下部块210可优选地使用已知的机加工技术用条料制成，或使用金属注射成型技术制成。长圆形腔室211和长圆形密封凹部212通过在内面203上加工三个同心椭圆217a-c(这三个同心椭圆217a-c在中心线轴线A上具有为 0.375英寸、0.425英寸和0.475英寸的半径)形成，且长圆形腔室211和长圆形密封凹部212分别具有优选为0.045英寸和0.028英寸的深度。在下部壳体的诸角处提供多个紧固件孔141a-d以按螺纹方式接纳将上部块组件 100耦合到下部块组件200的紧固件。供应喷嘴接纳部221和排处喷嘴接纳部231具有阶式圆柱形构造，其优选地在深度0.095英寸处的截面a中直径为0.114英寸；在深度0.300英寸处的截面b中直径为0.134英寸；在深度0.157英寸处的截面c中直径为0.142英寸。此外，在截面a和b之间以及截面b和c之间存在优选为60度的倒角，并且在截面c的末端232处存在终止供应喷嘴接纳部221和排出喷嘴接纳部231的90度的倒角。
继续参考图5，虽然如下所述的示例LPT 10的供应喷嘴220和排出喷嘴230具有实质上类似的构造，但本领域的普通技术人员将领会，这样的喷嘴可偏离随后的尺寸或构造，而不背离示例LPT 10的思想和范围。此外，在该描述性章节中，对喷嘴的引用意指供应喷嘴220和/或排出喷嘴230。喷嘴220、230的第一远端250、260终止于具有喷嘴孔252、262的截头圆锥表面251、261，喷嘴孔252、262终止于在喷嘴孔口253、263，喷嘴孔 252、262与喷嘴220、230的横向孔254、264流体连通。上和下喷嘴密封件270、280和271、281可被放置在上和下密封件凹部272、282和273、 283中以分别密封和引导来自供应端口孔216和排出端口孔236的流体供应通过横向孔254、264并进入喷嘴孔252、262。第二远端256、266可包括螺纹部分257a、267a，以分别啮合供应喷嘴接纳部221和排出喷嘴接纳部 231的对应螺纹部分257b、267b。供应喷嘴220用于将来自供应源的流体供应引导到示例LPT 10中的长圆形腔室211中并通过输出端口245出去，而排出喷嘴230用于将来自长圆形腔室211的流体供应引导至排出端口 235，如下面更详细描述的。
如图2和6中所描绘的，下部块组件200还包括用于通过螺纹方式接纳偏置弹簧调节螺钉240的偏置弹簧调节螺钉接纳部290。偏置弹簧调节螺钉240的第一远端291终止于圆锥形表面292。此外，上调节螺钉密封件 293可被放置在上调节螺钉密封件凹部294中以防止长圆形腔室211中的流体损失。第二远端295可包括螺纹部分295a以啮合调节螺钉接纳部290的对应螺纹部分296a。
供应喷嘴220和排出喷嘴230具有阶式圆柱形构造，其优选地在长度0.179英寸处的第一截面a中直径为0.110英寸；在长度0.120英寸处的第二截面即截面b中直径为0.130英寸；在深度0.081英寸处的第三截面c 中直径为0.142英寸，截面c优选包括长度为0.081英寸的M4×0.35螺纹。供应喷嘴220和排出喷嘴230可优选地由316不锈钢制成。此外，供应喷嘴220和排出喷嘴230可优选地使用已知的机加工技术用条料制成，或使用金属注射成型技术制造而成。在喷嘴220、230的远端250、260处优选地存在30度的倒角。上喷嘴密封件凹部270、280的高度优选为0.039英寸并且具有为0.075英寸的内径，包括距喷嘴的远端250、260优选为0.032 英寸的上喷嘴密封件表面272a、282a。下喷嘴密封件凹部273、283的高度优选为0.039英寸并且具有为0.095英寸的内径，包括距喷嘴220、230的远端250、260优选为0190英寸的下喷嘴密封件表面274a、284a。喷嘴孔 252、262的直径优选为0.0135英寸，并且沿着喷嘴220、230的纵轴B延伸，以与横向喷嘴孔254、264相交，横向喷嘴孔254、264具有为0.030英寸的优选孔径并被定位成与远端252、262相距0.107英寸。此外，如以下更详细描述的，喷嘴220、230的对接部(landing)将接触电枢300，并且其直径优选为0.020英寸，其沿着纵轴定位并且相对于由供应和排出喷嘴 220、230的截面a的直径(如在图5中被描绘为A)沿着纵轴B定义的圆柱体具有优选为0.0005英寸的垂直偏移。
偏置调节螺钉240的优选尺寸如下。偏置调节螺钉240具有阶式圆柱形构造，其优选地在长度0.238英寸处的截面a中直径为0.104英寸；在长度0.122英寸处的截面b中直径为0.142英寸；其中截面b优选地包括长度为0.081英寸的M4×0.35螺纹。此外，优选地在远端291处存在30度的倒角，并且上密封件凹部294的高度优选为0.039英寸并且具有为0.075英寸的内径，包括距远端291优选为0.051英寸的上密封件表面292a。
现在参考图7，示例LPT 10的电枢300由集成以下的单一连续金属片制成：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。当在图7的平面图中观察时，电枢300优选地大致呈椭圆形，并且(当在横截面中观察时)优选地包括结构上的浮凸(relief)以形成枢轴或铰链以及上面列出的各部分。也就是说，牵引部分320被形成在电枢300具有大致呈圆形的截面322的第一端321处，包括与该呈圆形的截面322分开的不规则六边形形式的扇区 323。扇区323通过应力释放铰链382被铰链连接到牵引部分320。如在图 7中进一步描绘的，封盖部分340一般由附接到呈锁眼形的截面341的扇区 323形成，该封盖部分340包括结构上的浮凸以形成偏置铰链384和封盖铰链386，偏置铰链384和封盖铰链386将封盖部分340可操作地耦合到E 形夹部分380，如在下面进一步详细描述的。E形夹部分380提供电枢300 的创建示例LPT 10的双稳态或闭锁动作所必需的主偏向力。也就是说，电枢300包括限定电枢300的水平旋转轴R的凹部。由这些凹部(例如枢轴) 创建的挠曲部形成角弹簧，该角弹簧与偏置弹簧150相配合以提供操作返回力，如以下更详细描述的。替换设计可仅利用电枢弹簧，而无需另外的偏置弹簧150。
继续参考图7，牵引部分320通过应力释放铰链382来附接到封盖部分340。在操作上，应力释放铰链382经由向线圈130的电导线施加DC电流来引入在牵引部分320中生成的力向量。通过在线圈130内施加DC电流而生成的磁场创建围绕圆柱形芯体114的电磁。该电磁形成对应的磁力，并因此在旋转轴R处形成对应的力矩，该力矩将电枢300的牵引部分320朝向圆柱形芯体114吸引；从而接触环形止动部152。
具体地，由DC电流引起的致动力矩克服了由E形夹部分380呈现的偏置力矩，这导致牵引部分320和封盖部分340绕旋转轴R朝向线圈130 移动-从而接触环形止动部152。只要致动力矩具有比尝试将牵引部分320 提离线圈130和环形止动部152的偏置力矩更大的幅度，牵引部分320和封盖部分340就将保持与环形止动部152接触(即，闭锁电枢的位置)。在这样的操作期间，到线圈的DC电流被持续供应以维持磁力，该磁力保持磁路闭合并且电枢300被吸向圆柱形芯体114，这将在以下更详细地解释。
替换地，线圈电流的缺失或移除将导致磁牵引力和相应的磁矩减小到向牵引部分320和封盖部分340施加的偏置力矩以下，此时牵引部分320 将从环形止动部152释放，并且封盖部分340和牵引部分320将切换到远离线圈130的位置。电枢300的这种切换运动提供与供应喷嘴孔口253和排出喷嘴孔口263的交替接触以调节通过示例LPT 10的流动。除了出于传送力的目的而提供牵引部分320与封盖部分340之间的连接之外，应力释放铰链382还在存在线圈面132和电枢牵引部分320之间的小对准误差的情况下用作允许牵引部分320区域与线圈的面对齐的装置。这种误差可由长圆形腔室211中的机加工容差或者由电枢300中的不合需的变形或扭曲造成。封盖部分340是由封盖部分铰链386悬置的刚性区域，并且是电枢 300中提供位移以在操作期间交替地接触供应喷嘴220和排出喷嘴230的部分。封盖部分铰链386将封盖部分340约束为围绕旋转轴R进行角运动。如上所述，供应喷嘴220和排出喷嘴230具有为0.0005英寸的优选垂直偏移。这样的偏移在由喷嘴孔口253、263限定的接触区域处提供明显减小的泄漏。
为了提供用于实现从一个设备到另一设备一致的操作阈值的调节手段，通过E形夹部分380提供可调节的偏置力矩。该偏置力矩在旋转轴R 处被施加在封盖部分上，并且与磁力矩相反地作用以影响牵引部分320从线圈130和环形止动部152的释放。偏置调节螺钉240提供使得电枢的切换或双稳态操作在期望的线圈电流水平处发生的静态调节。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生成。为了将偏置力矩设置在正确的水平上，当在各线圈电流操作点之间操作电枢300时，将偏置弹簧调节螺钉240旋转到其中发生电枢300的切换操作的点。偏置弹簧调节螺钉240的旋转引起偏置弹簧调节螺钉240的尖端处的位移，从而在E形夹部分380绕旋转轴R旋转时导致 E形夹部分380角位移方面的改变，该角位移方面的改变由上述四个铰链部分确定。
所导致的E形夹部分380的角度方面的变化引起向封盖部分铰链386 呈现的偏置角方面的相应变化。该角度对应于围绕旋转轴R向封盖部分340 施加的预加载或卷绕力矩。通过这种方式，对偏置弹簧调节螺钉240的调节引起对向封盖部分320施加的偏置力矩的调节，并提供使封盖部分320“归零”或偏移以实现期望操作的手段。预加载偏置弹簧150用于在电枢300的第二表面上提供足以保持E形夹部分380与偏置弹簧调节螺钉240的远端 291持续接触的负载。在替换示例LPT 10中，可以从设计中消除预加载偏置弹簧150，因为由E形夹部分380提供的预加载可足以维持与偏置弹簧调节螺钉240的端部的接触。同样，随后可从示例LPT 10消除偏置弹簧调节螺钉240，并用高度受控的固定突起部代替该偏置弹簧调节螺钉240以提供均匀的E形夹部分角度。
电枢300可由拥有低磁滞属性的材料制成，其厚度优选为0.020英寸厚，并且形成偏置铰链384、封盖铰链386和应力消除铰链382的浮凸优选为0.0063英寸厚。电枢300可以优选地由低磁滞或软磁金属(诸如来自卡喷特技术公司(Carpenter TechnologyCorporation)的ASTM 753A合金2) 以及腐蚀钝化层(例如来自美国南卡罗来纳州克希尔的阿托科技公司 (Atotech)的无电镀镍)制成，该腐蚀钝化层具有范围在1至3微米并且优选为2微米的层。另外，替换钝化层可包括来自德克萨斯州凯蒂的聚对二甲苯涂层服务公司(Parylene Coating Service)的聚对二甲苯C涂层，或来自伊利诺伊州绍姆堡的欧瑞康巴尔查斯涂层公司(Oerlikon Balzers Coating)的
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涂层，或来自布鲁姆菲尔德技术联合公司(Sundew Technologies of Broomfield,CO)的ALD涂层。通过匹配电枢300、上部块组件100和下部块组件200的结构材料，示例LPT可归因于匹配的热膨胀系数(例如，优选的热膨胀系数12.2μm/m℃)而在约大约+85摄氏度至-60 摄氏度处操作。
牵引部分320优选具有半径为0.344英寸的圆形横截面，包括相隔 0.018英寸的呈84度角α的扇区322。E形夹部分380优选具有0.344英寸的外径和0.284英寸的内径。E形夹部分380的接头部分具有为0.064英寸的半径，该接头部分优选地沿着电枢300的中心轴C被定位在0.280英寸的半径上。封盖部分340的外周相应地匹配E形夹部分380的内周，该封盖部分340优选地与对应的E形夹部分具有0.018英寸的间隔距离，且安装部分360具有与中心轴C等距并间隔0.584英寸的0.061英寸的通孔。E形夹部分380的成角度的部分383优选呈18度角β。形成偏置铰链384的浮凸的优选为0.030英寸乘0.020英寸，且相关联的应力消除铰链382优选为 0.100英寸乘0.020英寸。形成封盖铰链386的浮凸优选为0.060英寸乘0.035 英寸。另外，图7所示的电枢300中的两个孔361a-b形成电枢300的集成安装表面。在组装期间，电枢紧固件310通过电枢安装孔，从而以螺纹方式啮合下部块200。
0040参考图1-4中的先前描述的示例LPT 10作出后续操作描述。如现在在图8和9A中描绘的，示例LPT具有定义其以下操作状态的四个条件：状态1；状态2；状态3和状态4。如下面更详细解释的，状态1和状态3是示例LPT 10的静止(即休眠)条件，且状态2和状态4是非静止(即，非休眠)条件。在状态1，穿过电导线的输入信号为零(0)mA(即零功率)，并且示例性LPT 10的电枢300绕旋转轴R略微逆时针旋转(查看图2时)，以使得在线圈130的平坦表面113和电枢300之间产生小气隙(即，电枢不与平坦表面113相邻)。在所公开的示例中，该气隙大约为0.0055英寸。逆时针旋转由偏置弹簧力所产生的力矩引起的，并且该气隙通过调节供应喷嘴220来限制，供应喷嘴220用作电枢300的附加逆时针旋转的止动部。在状态1中，供应喷嘴220的孔口由电枢的封盖部分340接触或封盖，并且排出喷嘴230的孔口262通过排出喷嘴230和电枢300的封盖部分340 之间的间隙打开。在示例LPT 10的输出端口245处的压力在状态1与排出端口235流体连通，并且由此将下降至排出压力水平(诸如大气压力)，从而导致如由图2和4中描绘的流动箭头所例示的通过将为零(0)或基本为零(0)的示例LPT 10的静态(quiescent)流体流。输出端口245的压力在该操作状态1中将必须处于排出压力水平，并且将归因于由E形夹部分38 创建的闭锁力而保持被闭锁在该压力下，直到非零电输入信号被供应给电导线。由于没有施加电功率，示例LPT 10在状态1的电功耗为零(0)mW 或“零功率”状况。也就是说，与连续的比例换能器相比，示例LPT 10以相反或交替的方式调制供应喷嘴220和排出喷嘴230两者，该方式实质上消除了通过示例LPT 10的静态排出流(即，恒定的供应空气排出)。
为了影响输出压力的变化，示例LPT 10必须从状态1转变到状态2。也就是说，示例LPT 10的状态2是过渡状态，并且通过向线圈130的电导线施加非零直流(DC)信号或非零功率由此激励或激活示例LPT 10来产生。随着诸如+4毫安(mA)的DC电流被施加到线圈130，因此磁场被建立，由此使芯体114以及示例LPT 10的由环形止动部152形成的套筒磁化，这紧邻电枢300产生磁力(即，吸引力)。随着DC电流被施加，磁力可能变得足以克服或超过由上述E形夹部分380形成的电枢300的弹簧力矩与供应喷嘴220的接触力矩的总和，这使得电枢300相对于旋转轴R旋转。相对于图2，电枢300将以顺时针方向旋转。电枢旋转将继续，直到电枢 300与环形止动部152接触(即紧邻平坦表面113)。状态2由供应喷嘴220 的孔口的全开位置和排出喷嘴230的孔口的闭合来限定，在之前所述的足以移动电枢300的电功率下，将输出端口245置为与供应端口21流体连通，并在输出端口245处设置供应压力。应当理解的是，供应喷嘴220或排出喷嘴230的闭合不是“气密的”。也就是说，在供应喷嘴孔口252或排出喷嘴孔口262的闭合时，在孔口252、262和电枢300之间可能存在轻微的或可忽略的泄漏路径。然而，在状态2中，来自供应喷嘴220的体积流量(即，由来自从打开的供应端口和封闭的排出端口起的流体连通的正压力梯度引起的流量)大大超过排出喷嘴230处可忽略的泄漏，由此将在腔室中和在输出端口245中的流体压力增加为实质上等于输入端口215的供应压力，诸如二十(20)磅/每平方英寸(psig)。归因于施加4mA激活电流，状态2 中的电力消耗为非零。
在施加状态2激活信号并且导致转变到新的输出压力状态时，示例 LPT 10转变到操作状态3。示例LPT 10的状态3利用芯体和套筒组件以及电枢的磁性材料特性来闭锁或保持状态2激活的最终位置。也就是说，在状态3中，由激活电流创建并维持的磁力结合示例LPT 10的磁特性形成状态3中对于该装置的双稳态操作而言很重要的剩磁。具体而言，电磁回路的吸引力克服E形夹部分380的弹簧力矩以及弹簧的初始力，以使电枢在状态2激活之后保持到位。该磁力绕旋转轴R产生顺时针力矩，该力矩超过由弹簧产生的逆时针力矩和所有其他操作力矩，并将电枢保持在芯体114 和由环形止动部152形成的套筒的表面中。在状态3，电枢被认为是闭锁的。状态3将输出端口245的输出压力实质上维持供应压力下。示例LPT 10的电枢并且因此输出压力可以保持处于所限定的条件，直到电导线处的输入信号变化被施加或者没有输入信号(即功率丢失)。
最终操作条件是状态4，其对应于将气动输出从供应压力改变为排出压力(例如大气压力)。为了发起从状态3到状态4的转变，必须改变DC 电流的幅值和“方向”。也就是说，该DC电流与针对在状态2施加的DC 电流的方向感是相反的。一般来说，随着经由电导线向线圈施加诸如0mA 的DC电流，在该线圈周围建立与状态2的磁化力不相称的磁场，该磁场会克服或挫败在状态2中建立的剩磁，由此断开或停用示例LPT 10。随着电磁回路中的剩磁被克服，上述弹簧力矩在相对于旋转轴R逆时针的方向上驱动电枢300。电枢300在该相对方向上移动，直到接触由供应喷嘴220的远端250形成的止动部，从而有效地为供应端口脱盖或使其关闭。在状态4，输出腔室中的压力以及因此输出端口245中的压力衰减至排出压力(即由来自到打开的排出端口和关闭的供应端口的流体连通的负压力梯度引起的流量)。例如，通过使直流电流降低至0mA，输出压力将在大约30mS内衰减至排出压力。在该状态4中示例LPT 10的输出端口压力必定处于排出压力水平，并且归因于0mA去激活电流的施加，示例LPT 10在状态4中的电力消耗为零。在激活状态4时，当解锁动作完成并且去激活信号被“移除”或变为零(0)mA时，示例LPT 10可以直接转变到状态1，该激活信号实质上等效于示例LPT 10的状态1处的激活信号。
在另一实施例中，参考先前描述的示例LPT 10进行较低功率的操作描述。如在图9B和9C中描绘的，在状态1，通过电导线的输入信号为零 (0)mA(即零功率)，并且当查看图2时，示例性LPT 10的电枢300绕旋转轴R略微逆时针旋转，以使得在线圈130的平坦表面113和电枢300 之间产生小气隙(即，电枢不与平坦表面113相邻)。在所公开的示例中，该气隙大约为0.0055英寸。该逆时针旋转由偏置弹簧力所产生的力矩引起，并且该气隙通过调节供应喷嘴220来限制，供应喷嘴220用作电枢300的附加逆时针旋转的止动部。在状态1，供应喷嘴220的孔口由电枢的封盖部分340接触或封盖，并且排出喷嘴230的孔口262由排出喷嘴230和电枢 300的封盖部分340之间的间隙打开。示例LPT 10的输出端口245处的压力在状态1与排出端口235流体连通，并且由此将降低到排出压力水平(诸如大气压力)，从而导致如由图2和4中描绘的流动箭头所例示的通过将为零(0)或基本为零(0)的示例LPT 10的静态流体流。输出端口245的压力在该操作状态1中将必须处于排出压力水平，并且将归因于由E形夹部分38创建的闭锁力而保持被闭锁在该压力下，直到非零电输入信号被供应给电导线。示例LPT 10在状态1的电功耗为零(0)mW或“零功率”状况，因为没有施加电功率。也就是说，与连续的比例换能器相比，示例LPT 10以相反或交替的方式调制供应喷嘴220和排出喷嘴230两者，该方式实质上消除了通过示例LPT 10的静态排出流(即，恒定的供应空气排出)。
如之前所解释的，为了影响输出压力的变化，示例LPT 10必须从状态1转变到状态2。也就是说，示例LPT 10的状态2是过渡状态，并且通过向线圈130的电导线施加非零直流(DC)信号或非零功率由此激励或激活示例LPT 10来产生。随着诸如+6毫安(mA)的DC电流作为15mS的脉冲波形被施加到线圈130，磁场被建立，由此使芯体114以及示例LPT 10 的由环形止动部152形成的套筒磁化，这紧邻电枢300产生磁力(即，吸引力)。随着DC电流被施加，磁力可能变得足以克服或超过由上述E形夹部分380形成的电枢300的弹簧力矩与供应喷嘴220的接触力矩的总和，这使得电枢300相对于旋转轴R旋转。相对于图2，电枢300将以顺时针方向旋转。电枢旋转将继续，直到电枢300与环形止动部152接触(即紧邻平坦表面113)。归因于6mA激活电流的施加，状态2中的电力消耗不为零。
在施加状态2激活信号并且导致转变到新的输出压力状态之际，示例LPT 10转变到操作状态3。与图9A中例示的实施例相比，在该实施例中，以更低的输入信号维持状态3。也就是说，大约1.00mA的经降低的保持电流足以保持电枢300被闭锁，并且状态3将输出端口245的输出压力实质上维持在供应压力。
最终操作条件是状态4，其对应于将气动输出从供应压力改变为排出压力(例如大气压力)。为了发起从状态3到状态4的转变，必须改变DC 电流的幅值和“方向”。也就是说，该DC电流相对于在状态2和3施加的 DC电流降低了。一般来说，随着经由电导线向线圈施加诸如0mA的DC 电流，在该线圈周围建立的磁场被移除，并且电枢弹簧和偏置弹簧克服在状态2建立的剩磁，由此断开或停用示例LPT 10。随着在电磁回路中剩磁被克服，上述弹簧力矩在相对于旋转轴R逆时针的方向上驱动电枢300。电枢300在该相对方向上移动，直到接触由供应喷嘴220的远端250形成的止动部，从而有效地为供应端口脱盖或使其关闭。在状态4，输出腔室中的压力以及因此输出端口245中的压力衰减至排出压力(即由来自到打开的排出端口和关闭的供应端口的流体连通的负压力梯度引起的流量)。例如，通过使DC电流降低至0毫安(mA)，电枢将在大约30毫秒(mS) 内移动到解锁位置。
在该状态4中示例LPT 10的输出端口压力将必定处于排出压力水平，并且归因于0mA去激活电流的施加，示例LPT 10在状态4中的电力消耗为零。在激活状态4之际，当解锁动作完成并且去激活信号被“移除”或变为零(0)mA时，示例LPT 10可以直接转变到状态1，该激活信号实质上等效于示例LPT 10的状态1处的激活信号。
0049在又一实施例中，通过提供负极性的输入信号脉冲，从状态3 转变到状态1(即，状态4)的时间可被降低，且重复性大大提高。例如，如图9C所示，-1.0mA且历时5ms的脉冲将在大约3ms内(具有与先前实施例中利用0mA信号预测到的相比少的多的时间变化)将电枢移动到解锁位置。
图10、11A和11B描绘了用于为示例LPT 10创建控制信号的示例控制模块和逻辑图。现在参考图10，将描述控制模块400。示例LPT 10通过常规的电子手段来操作。控制模块400被提供来处理来自控制回路(诸如，在耦合到控制阀(未示出)的传统压力致动器上接收位置反馈的位置控制回路)的输入信号。如本领域普通技术人员所理解的，输入信号可根据伺服算法导出，以命令示例LPT 10的压力输出以实现通过该伺服命令的期望位置或设定点。示例控制模块400包括以下组件：微控制器410，诸如16 位DAC的数模转换器(DAC)420以及电压至电流线路调节器430。在操作中，输入命令信号可被提供给微控制器410，微控制器410修改或解释该命令以激活(激励)或停用(断开)示例LPT 10。基于之前的描述和示例致动简档，用于激励示例LPT10的激活简档在图10的表A和图11A的逻辑流程中被示出。也就是说，为了激活示例LPT 10，该输入命令由微控制器410解释。微控制器410生成到DAC 420的数字命令，该DAC 420将该数字命令转换为表示该信号的模拟信号。DAC 420的模拟输出耦合到电压到电流线路调节器430，电压到电流线路调节器430将代表性电压信号变换成驱动示例LPT 10的代表性DC电流信号。
0051例如，如图11A中针对图9A中描绘的操作模式所描绘的，微控制器410中的子例程在命令信号请求发生时被发起。为了生成示例LPT 10 的激活脉冲或信号，微控制器410生成代表0mA的数字信号(即，表A中的命令800016)(步骤5101)，其保持示例LPT 10的当前状态，诸如状态 1。为了生成+6mA的激活信号，微控制器410生成代表+6mA的数字信号(即，表A中的命令A66616)(步骤5102)，并且有条件地维持该输出达与输出压力被期望保持在供应压力一样长的时间(步骤5104)，从而引起示例 LPT 10的状态2。当LPT 10的输出压力被期望返回到排出压力时，微控制器410生成代表0mA的数字信号(即，表A中的命令800016)(步骤5105)，这保持示例LPT 10的当前状态(诸如状态3)(步骤5106)。
继续来讲，如图11B所描绘的，示出了来自图9B和9C的低功率操作场景。从状态1开始，微控制器410生成代表0mA的数字信号(即，表格A中的命令800016)(步骤5201)。如果压力被期望处于供应压力，则在步骤5202，微控制器410生成代表6mA的数字信号(即，表A中的命令 66616)(步骤5203)，并有条件地维持该输出达15ms(步骤5204)，从而引起示例LPT 10的状态2。在15ms的激活时间期满之际，微控制器410生成代表1.00mA的数字信号(即，表A中的命令893716)(步骤5205)，这保持示例LPT 10的当前状态(诸如，状态3)(步骤5206)。较低的保持电流使LPT 10的功耗降低17倍。也就是说，图11A中描绘的操作模式的功耗为I2R＝6mA2*600欧姆或21.6mW，而图11B中描绘的操作模式的功耗为I2R-1.00mA2*600欧姆或1.24mW。
最后，图11B中描绘的操作模式还例示通过减小输出压力衰减时间来改善LPT 10的响应的命令。当不再期望输出压力处于供应压力时(5206)，微控制器410生成代表-1.00mA的数字信号(即，表A中的命令76C916) 以转变到状态4并有条件地维持该输出达15mS。在15ms的激活时间期满时(5208)，微控制器410生成代表0mA的数字信号(即，表A中的命令 800016)以使LPT 10返回状态1。
示例LPT的制造成本比压电阀更低，并且具有相比于与某些压电双晶片设计相关联的温度限制更低的温度限制。归因于上部壳体、下部壳体、供应喷嘴、排出喷嘴和电枢的匹配的热膨胀系数，示例LPT可在大约+85 摄氏度至-60摄氏度下操作。同样，归因于所暴露的表面的钝化，示例LPT 在工业环境中实质上更可靠，包括耐湿性。
另外，示例LPT可以在处于约20磅/平方英寸(psig)至150psig 范围内的气动供应压力下操作。作为全供应压力范围能力的结果，不需要附加的供应压力调节器来调节向示例LPT施加的压力源。此外，传统的换能器设计使用气动回路，该气动回路包括与固定直径供应孔口流体连通的单个调节排出阀。这样的结构对照与固定直径孔口连通的供应流来对排出流进行调节。这种节流需要通过调节和固定限制两者的特定静态(即非零稳态)流，这增加了空气消耗。示例LPT交替地调节通过供应喷嘴和排出喷嘴的流体流，以显著地消除通过换能器的恒定静态流。
如前所述，将示例LPT的气动回路保持在低输出状态所需的电力消耗为零(0)mW，并且取决于在状态3时所利用的保持电流，最后，供应和排出端口连接可能被反转以为示例LPT提供反作用模式。这种能力提供了仪表设计方面的附加的灵活性，其中通过反转压力连接来减少对附加流体导管或管路的需求，由此为直接作用操作或反作用操作提供可配置性。
虽然本文已描述了某些示例方法、装置和制品，但是本专利的覆盖范围不限于此。相反，本专利覆盖在字面上或在等同原则下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，绕线轴形成的线圈可提供上部块组件的电磁体。此外，诸如卡喷特49软磁合金之类的附加的磁性刚或合金可被用于提供电磁回路，而不背离示例LPT的思想和范围。

Claims (20)

1.一种电控气动换能器，包括：
下部块组件，所述下部块组件包括下部壳体和供应喷嘴，所述供应喷嘴通过内部流体通道与供应端口流体连通，并与所述下部壳体的输出端口间歇地流体连通，所述下部壳体进一步包括排出喷嘴，所述排出喷嘴通过所述内部流体通道与排出端口流体连通，并与所述下部壳体的所述输出端口间歇地流体连通；以及
上部块组件，所述上部块组件包括上部壳体、线圈和电枢，所述上部壳体、线圈和电枢限定电磁回路，所述电磁回路提供所述电枢与所述下部块组件的所述供应喷嘴的交替接触，所述电磁回路被布置为接收电输入信号以将所述输出端口闭锁在高输出状态，并在缺失所述电输入信号的情况下将所述输出端口解锁为故障保护、低输出状态，所述电枢进一步包括多个铰链，所述铰链提供与磁力矩相反的弹簧力矩，以交替地将所述电枢闭锁为紧邻所述上部壳体以及将所述电枢解锁为不与所述上部壳体相邻。
2.如权利要求1所述的电控气动换能器，其特征在于，所述换能器被布置成交替地调节通过所述供应喷嘴和所述排出喷嘴的流体流动。
3.如权利要求1所述的电控气动换能器，其特征在于，所述下部壳体被进一步配置成容纳偏置弹簧调节螺钉，并且所述上部壳体被进一步配置成容纳偏置弹簧。
4.如权利要求3所述的电控气动换能器，其特征在于，所述偏置弹簧和所述偏置弹簧调节螺钉相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。
5.如权利要求1所述的电控气动换能器，其特征在于，所述电磁回路的所述电枢由低磁滞材料制成。
6.如权利要求1所述的电控气动换能器，其特征在于，缺失所述电输入信号是功率丢失或零电流电输入信号中的至少一者。
7.如权利要求1所述的电控气动换能器，其特征在于，内部流体通道进一步包括压力腔室、供应端口孔、排出端口孔和输出孔。
8.一种闭锁电控气动换能器，包括：
气动回路，所述气动回路包括下部壳体，所述下部壳体具有通过内部流体通道和压力腔室流体连通的供应端口、排出端口和输出端口；
电磁回路，所述电磁回路包括上部壳体、线圈和电枢，所述电磁回路被布置为接收电输入信号以将所述输出端口闭锁在高输出状态，并在缺失所述电输入信号的情况下将所述输出端口解锁为故障保护、低输出状态，所述电枢包括多个铰链，所述铰链提供弹簧力矩，并且所述电枢能响应于电输入信号移动，所述电磁回路限定磁力矩，所述弹簧力矩和磁力矩共同作用，以便将所述电枢交替地闭锁为紧邻所述上部壳体以及不与所述上部壳体相邻，所述电枢的响应速度通过施加负电流电输入信号来增加。
9.如权利要求8所述的闭锁电控气动换能器，其特征在于，供应喷嘴通过内部流体通道与供应端口流体连通，并且与输出端口间歇地流体连通。
10.如权利要求8所述的闭锁电控气动换能器，其特征在于，所述换能器能在处于20psig到150psig的范围中的气动供应压力下操作。
11.如权利要求8所述的闭锁电控气动换能器，其特征在于，所述上部壳体和所述下部壳体的预定热膨胀系数相配合，以提供+85摄氏度到-60摄氏度的操作温度范围。
12.如权利要求8所述的闭锁电控气动换能器，其特征在于，所述内部流体通道进一步包括压力腔室、供应端口孔、排出端口孔和输出端口。
13.一种电控气动开关阀，包括：
气动回路，所述气动回路耦合到加压流体源，其中，所述气动回路包括下部壳体，所述下部壳体具有通过内部流体通道和压力腔室流体连通的供应端口、排出端口和输出端口；
电磁回路，所述电磁回路耦合到所述气动回路，并且所述电磁回路被布置为接收电输入信号以将所述输出端口闭锁在高输出状态，并在缺失所述电输入信号的情况下将所述输出端口解锁为故障保护、低输出状态；以及
控制模块，所述控制模块连接到所述电磁回路，所述电磁回路提供引起所述气动回路的第一状态的第一控制信号、引起所述气动回路的第二状态的第二控制信号、引起所述气动回路的第三状态的第三控制信号以及引起所述气动回路的第四状态的第四控制信号，所述第三控制信号大于所述第一控制信号，并且使所述电控气动开关阀维持在所述第三状态。
14.如权利要求13所述的电控气动开关阀，其特征在于，所述第二控制信号将所述电控气动开关阀从所述第一状态激励到所述第三状态。
15.如权利要求13所述的电控气动开关阀，其特征在于，所述第四控制信号将所述电控气动开关阀从所述第三状态激励到所述第一状态。
16.如权利要求15所述的电控气动开关阀，其特征在于，所述第四控制信号小于所述第一控制信号，并且减小从所述第三状态到所述第一状态的转变时间。
17.如权利要求13所述的电控气动开关阀，其特征在于，所述气动回路的所述第一状态对应于所述气动回路的第一静态条件，所述气动回路的所述第二状态对应于所述气动回路的第一非静态条件，所述气动回路的所述第三状态对应于第二静态条件，并且所述第四状态对应于第二非静态条件。
18.如权利要求17所述的电控气动开关阀，其特征在于，所述气动回路的所述第一静态条件处于实质上等于排出端口处的流体压力的压力下，所述气动回路的所述第二静态条件处于实质上等于供应端口处的流体压力的压力下。
19.如权利要求17所述的电控气动开关阀，其特征在于，所述气动回路的所述第一非静态条件由所述气动回路内的正压力梯度表征，并且所述气动回路的所述第二非静态条件由负压力梯度气动回路表征。
20.如权利要求17所述的电控气动开关阀，其特征在于，所述气动回路的所述第一非静态条件由所述气动回路内的负压力梯度表征，并且所述气动回路的所述第二非静态条件由所述气动回路内的正压力梯度表征。
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