CN109307096A - 生成两个气动信号以操作阀组件上的致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生成两个气动信号以操作阀组件上的致动器，具体而言，一种控制器构造成改善阀组件上的响应时间。控制器可具有流动改变结构，其与一对气动输出联接，两个气动输出与阀组件上的致动器气动地联接。流动改变结构可构造成将到来的仪表空气转换成一对独立的气动输出信号，其中至少一者直接地流至致动器。在一个实施方式中，体积增压器可用于增大致动器上游的其它气动输出信号的压力。

Description

生成两个气动信号以操作阀组件上的致动器
背景技术
流动控制(flow control)在许多行业中都很重要。无论是在生产线、气体分配网络、或传送流动材料的任何系统上发现的流动装置如阀组件，都对将材料流调节在设置参数内是至关重要的。或者，在出现问题的情况下，阀组件可完全切断流动。
阀组件可利用机械机构来调节此流动。对于阀组件，这些机构可包括致动器(actuator)，如，气动的，其经由杆与闭合部件(closure member)联接。闭合部件可体现为旋塞阀、球阀、蝶阀和/或可接触座来防止流动的类似实施方式。感测机构可用于监测闭合部件关于座的位置。该感测机构可具有位置传感器和机械连杆机构，其使位置传感器与杆或与闭合部件一齐移动的其它结构联接。在一些实例中，致动器包括气动致动器，其将能量(例如，压缩空气)转换成机械运动，以引起闭合部件在开启位置、部分开启位置与闭合位置之间移动。
阀组件还可包括使装置的操作自动化的计算构件。这些计算构件可整体结合为控制器或“阀定位器”的一部分。在操作期间，控制器接收和处理来自处理控制系统(同样，“分布式控制系统”或“DCS系统”)的控制信号。控制信号可限定阀组件的操作参数。这些操作参数可设置通过阀组件且进入生产线的适合的材料流。控制器通常可与来自位置传感器的输出组合来转换操作参数，以调节进入致动器的仪表气体。仪表气体可以以一种方式加压(或减压)致动器，使得移动阀杆，且继而又将封闭部件定位在相对于座的位置中，以与操作参数重合。
发明内容
本文公开的主题涉及增强阀组件的性能的改进。特别感兴趣的是控制器的实施例，其可装配阀组件，以便致动器操作成更快或以更好的响应时间开启和关闭阀。值得注意的是，该实施例可使用单个气动信号来将仪表空气(instrument air)转换成一对气动输出信号，其中至少一个直接地流至致动器，这使致动器加压。另一个可流至位于致动器上游的体积增压器。该提出的“双端口”设计可提供独立的压力控制，以提供具有不同参数(例如，流动、压力等)的不同气动信号，以操作阀组件上的致动器。
实施方案1. 一种阀组件，包括：
阀，其具有相对于座可移动的闭合部件；
致动器，其与所述阀联接来移动所述闭合部件；以及
控制器，其经由第一气动输出和第二气动输出与所述致动器气动地联接，所述第一气动输出和所述第二气动输出中的至少一个与所述致动器直接地联接。
实施方案2. 根据实施方案1所述的阀组件，其特征在于，所述阀组件还包括：
联接在所述第一气动输出和所述第二气动输出中的一个下游且在所述致动器上游的体积增压器。
实施方案3. 根据实施方案1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括气动放大器，其构造成将单个气动输入转换成第一气动输出信号和第二气动输出信号，所述第一气动输出信号和所述第二气动输出信号每个分别引导至所述第一气动输出和所述第二气动输出。
实施方案4. 根据实施方案1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括一对气动继电器，所述气动继电器每个分别与所述第一气动输出和所述第二气动输出联接。
实施方案5. 根据实施方案1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括流动改变结构，所述流动改变结构构造成从到来的仪表空气独立地生成第一气动信号和第二气动信号，所述第一气动信号和所述第二气动信号每个分别从所述控制器经由所述第一气动输出和所述第二气动输出流动。
实施方案6. 根据实施方案5所述的阀组件，其特征在于，所述第一气动信号和所述第二气动信号在相同压力下。
实施方案7. 根据实施方案1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括流动改变结构，所述流动改变结构构造成使用第一压力下的气动输入信号来将到来的仪表空气转换成高于所述第一压力的第二压力下的一对气动输出信号。
实施方案8. 根据实施方案7所述的阀组件，其特征在于，所述第二压力对于所述气动输出信号两者是相同。
实施方案9. 根据实施方案1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括流动改变结构，所述流动改变结构构造成使用第一压力下的气动输入信号来将到来的仪表空气转换成与所述第一压力成比例的第二压力下的一对气动输出信号。
实施方案10. 根据实施方案9所述的阀组件，其特征在于，所述第二压力对于所述气动输出信号两者是相同。
实施方案11. 一种阀定位器，包括：
信号转换器；
流动改变结构，其与所述信号转换器气动地联接；以及
一对输出端口，其与所述流动改变结构联接，
其中所述流动改变结构构造成使用来自所述信号转换器的气动输入信号来将到来的仪表空气转换成一对独立的气动输出信号，所述气动输出信号每个流至所述一对输出端口。
实施方案12. 根据实施方案11所述的阀定位器，其特征在于，所述流动改变结构包括一对气动继电器，所述一对气动继电器接收所述气动输入信号和所述到来的仪表空气。
实施方案13. 根据实施方案11所述的阀定位器，其特征在于，所述阀定位器还包括：
联接在所述流动改变结构下游以接收所述一对独立的气动输出信号中的一个的体积增压器。
实施方案14. 根据实施方案11所述的阀定位器，其特征在于，所述阀定位器还包括：
与所述信号转换器联接的主板，其中所述主板构造成响应于控制信号生成电流来操作所述信号转换器。
实施方案15. 根据实施方案11所述的阀定位器，其特征在于，所述一对独立的气动输出信号在成比例地高于所述气动输入信号的压力的压力下离开所述一对输出端口。
实施方案16. 根据实施方案11所述的阀定位器，其特征在于，所述一对独立的气动输出信号在相同的压力下离开所述一对输出端口。
实施方案17. 一种方法，包括：
接收电子控制信号；
响应于所述电子控制信号生成气动输入信号；
使用所述气动输入信号以将仪表空气转换成一对气动输出信号；以及
使用所述一对气动输出信号来操作致动器以移动阀。
实施方案18. 根据实施方案17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
增大所述致动器上游的所述一对气动输出信号中的一个的压力。
实施方案19. 根据实施方案17所述的方法，其特征在于，所述气动输入信号在第一压力下，以及所述一对气动输出信号在成比例地高于所述第一压力的第二压力下。
实施方案20. 根据实施方案17所述的方法，其特征在于，所述一对气动输出信号在相同压力下。
附图说明
现在简要参照附图，在附图中：
图1绘出了用于操作流动装置如阀组件的控制器的一种示例性实施例的示意性框图；
图2绘出了对于图1的控制器的结构的一种实例的示意性框图；
图3绘出了作为用于控制阀组件的系统的一部分的图2的控制器的示意性框图；
图4以分解形式绘出了对于图1的控制器1的结构的一种实例的透视图；以及
图5绘出了对于包括图4的控制器的阀组件的结构的一种实例的透视图。
在适合的情况下，相似的标号表示若干视图各处的相同或对应的构件和单元，附图并未按比例绘制，除非另外指出。本文公开的实施例可包括出现在若干视图中的一个或多个中或若干视图的组合中的元件。此外，方法仅为示例性的，且例如可通过重排、添加、移除和/或改变独立的阶段来修改。
零件列表
100 控制器
102 流动装置
104 致动器
106 阀
108 致动元件
110 闭合部件
112 座
114 生产线
116 导管
118 材料
120 处理系统
122 主控制回路
124 控制信号
126 功率信号
128 流体供应源
130 流体输入
132 气动输出装置
134 第一气动信号
136 第二气动信号
138 补充气动控制
140 第三气动信号
142 信号转换器
144 放大器
146 第一输出端口
148 第二输出端口
150 流动改变结构(flow modifying structure)
152 体积增压器
154 旁路
156 主板
158 按钮输入装置
160 显示器
162 电源
164 信号接口
166 导管
168 总线
170 歧管
172 歧管本体
174 支架装置
176 中心壳体
178 盖
180 盖
182 第一量规
184 第二量规
186 流体联接件
188 本体
190 流动通路
192 第一开口端
194 第二开口端
196 球状壳体。
具体实施方式
下文的论述描述了用于结合流动装置和流体控制使用的控制器的实施例。控制器示为与阀组件一起操作，但是概念可以渗透到其它流体调节装置(例如，压力调节器)，特别是那些利用流体用于致动的流体调节装置。实施例可构造成连同体积增压器或类似压力增强装置工作。如下面更多地指出的，这些构造可消除手动调节体积增压器的需要。“双端口”设计还可校正体积增压器可引入的异常，包括一些延迟和性能不确定性，这可阻止控制器可经由校准软件实施的自动调节特征的使用或甚至故障。
图1示意性地绘出了实施这些改进的控制器100的一种示例性实施例。控制器100示为流动装置的一部分，大体上以数字102表示，且在此论述为“阀组件”。在此方面，阀组件102可包括致动器104，其经由致动元件108(或，对于阀组件，“阀杆108”)与阀106联接。阀106可包括可相对于座112移动的闭合部件110。阀组件102可整体结合到生产线114中，该生产线114包括用于传递材料118的导管116。处理控制系统120可与生产线114上的流动装置联接，包括阀组件102。处理控制系统120可构造成具有主控制回路122，其提供一个或多个信号(例如，控制信号124和功率信号126)。该构造还可包括流体供应源128，其提供流体输入130，通常是仪表空气。还如所示，控制器100可包括气动输出装置132，其可构造成将仪表气体130调制成一对气动信号(例如，第一气动信号134和第二气动信号136)。气动输出装置132可以可能在致动器104上游的位置中与补充气动控制138联接。补充气动控制138可调制仪表气体130来生成第三气动信号140(或“增压信号140”)。
广泛地，气动输出装置132的使用配备控制器100来改善阀组件102的性能。利用气动输出装置126的“双端口”设计的装置可有效地提供信号134,136中的一个，以操作补充气动控制138，且将信号134,136中的一个独立地提供到致动器104。该构造给予了致动器104的独立压力控制。该特征可避免可能由操作“死区(deadband，有时也称为不工作区域)”引起的控制和响应时间的中断，该操作“死区”与控制器138产生增压信号140所需的压差的建立相关。该设计还可减少对需要经验和时间来调节这些死区的手动调整的依赖。此外，该设计可掩盖由于补充气动控制138引起的延迟和其它操作不确定性，以允许正确使用校准软件来自动调节阀组件102的操作以容许生产线114上的过程特性的变化。
图2绘出了用于控制器100实施双端口设计的示例性结构的示意图。气动输出装置132可包括信号转换器142，其与放大器144联接。在一种实施方式中，放大器144可包括一对输出端口(例如，第一输出端口146和第二输出端口148)。端口146,148可与可生成信号134,136的放大器144内的流动改变结构150对应。补充气动控制138可构造成包括体积增压器152和旁路154。体积增压器152可类似于恒压流动放大器，其增大至致动器104的空气流，同时保持线控制压力(line control pressure)。旁路154用于操作为针对稳定性的增益调整。还如所示，控制器100可包括中心或主板156，其与信号转换器146联接。主板156还可如期望那样与某些外围控制器(例如，按钮输入装置158和显示器160)联接。电源162可提供电信号(例如，电流、电压等)来激励主板156或控制器100的其它部分。控制器100还可受益于信号接口164，其可将控制器100与主控制回路122和仪表空气供应源128联接。在内部，气动总线166和电总线168可用于在控制器100的构件之间传导气动信号和电信号。气动总线166可包括导管或管路，尽管也可使用集成的歧管。电总线168的实例可使用标准或专有通信总线，包括SPI、I2C、UNI/O、1-Wire、或在本撰写时已知的或在以后开发的一个或多个类似串行计算机总线。
图3绘出了用于与图2的控制器100的操作重合的电信号和气动信号两者的信号模式(signal pattern)。从左移向右，电总线168可分别将信号124,126引导至主板156和电源162。主控制回路122可构造成用于工业自动环境中。这些构造可使用协议，如4-20毫安(4-20 milliamp)、基金会现场总线(Foundation Fieldbus)或过程现场总线(Profibus)，例如，其可用于提供控制(经由控制信号124)和功率(经由功率信号126)，且提供至阀组件102。可从主控制回路功率122获得的功率可为大约40毫瓦。在一种实施方式中，电源162可对于控制器100的所有电气构件生成(多个)适合的DC电压轨(voltage rail)。
主板156可构造成管理控制器100上的功能和操作特征。这些构造可包括计算电路，其具有可包括一个或多个处理器和存储器(通常位于基底(例如，印刷电路板)上)的布局(topology)。计算电路可包括与处理完全集成的微控制器，以及执行操作所需的存储器。可执行的指令可以以计算机程序(例如，固件、软件等)的形式位于存储器上，该计算机程序构造处理器来执行某些功能。在使用中，主板156可处理控制信号124，以生成输入信号Is、通常是电流，其与对于闭合部件110的适合位置对应。信号转换器146、如电流到气动(I/P)转换器可将输入信号Is转换成比例气动压力输出Ps(同样，“信号压力Ps”或“先导压力Ps”)。然而，通常，信号压力Ps呈现出不足以正确激励致动器104的流动参数(例如，流动、压力等)。
放大器142的流动改变结构150可构造成弥补该缺陷。这些构造可将构件(例如，隔板、阀等)整体结合到单个或整体封装中，例如，其具有用于仪表空气130的输入、用于信号压力Ps的输入、以及双端口146,148。共同地，构件可类似于气动继电器和类似装置，当组合在一起时，可独立地生成单独的气动信号134,136，以显示不同的参数(例如，不同的流动，不同的压力等)。在一个实施方式中，该结构可利用一个或多个隔板，该隔板响应于信号压力Ps而移动。该隔板可操作(多个)内部阀来调制仪表空气130，以生成离开端口146,148的气动信号134,136。气动信号134,136可具有在平衡状态下与信号压力Ps成比例的参数。用于流动改变结构150的内部构件和流动系数(CV)的大小可影响用于气动信号134,136的参数。例如，流动改变结构150可转换相对小的信号压力Ps，使得第一气动信号134的压力和流动大于第二气动信号136的压力和流动。以此方式，第一端口146可提供更大容量的流动(例如，第一气动信号134)，以满足对于闭合部件110的较快响应的要求。第二端口148可提供低容量流动(例如，第二气动信号136)，以用于致动器102的精细控制，例如，在需要很小移动或闭合部件110的相对较慢的响应时。
体积增压器152可构造成满足阀组件102的性能要求。优选地，增压信号140在大于第一气动信号134的压力和流动(并且还大于第二气动信号136的压力和流动)的压力和流动下。该特征对于解决阀组件102的操作是有用的，该阀组件102可能需要更高的压力流动或更快的闭合部件110响应(例如紧急关闭)，其可能仅仅超过放大器144和流量改变结构150的能力。在一个实施方式中，流动改变结构150可包括小的封闭容积，以很快发展第一气动信号134的压力。一致地，体积增压器152可根据需要快速加压并向致动器104供应大量空气(例如，增压信号140)。流动改变结构150继而又可例如与致动器104的移动一齐更慢地发展第二气动信号136的压力。
结合体积增压器152的使用，旁路154可构造成作为针对稳定性的增益调整来操作。这些构造可包括流动通路(例如，管道、导管、管等)，其具有分别位于体积增压器152上游和下游的入口和出口。旁路154可包括调整装置(例如，螺杆、阀等)，以改变从入口行进到出口的少量空气，而不触动体积增压器152的体积增压功能。该特征可调节体积增压器152的灵敏度，以防止可能由于多余容量导致的阀位置过调量(overshoot)。如本文所述，流量改变结构150可减少对旁路154的依赖，以避免可能普遍(在启动或初始化时)的“死区”问题，直到流动足以操作体积增压器152。一些实施方式可以以一种方式构造流动改变结构150，以完全放弃对旁路154的需要，且因此消除这些死区问题。例如，可能有用的是将第一气动信号134构造成以便体积增压器152满足对于很大体积的需要，且使用第二气动信号136用于精细控制。通过以此方式消除死区，体积增压器152可提供可能最快的响应。
图4以分解形式示出了对于控制器100的示例性结构的透视图。控制器100可包括歧管170，其具有歧管本体172，通常是机加工或成形的金属、塑料或复合物。歧管本体172可包括流动特征(例如，开口、流动通路等)，以在歧管170的构件之间引导流体。支架装置174可操作成安装信号转换器146和放大器148到歧管本体172。控制器100还可具有封壳，大体上示为中心壳体176和盖(例如，第一盖178和第二盖180)。盖178,180可与中心壳体176固定来保护控制构件免受阀组件102周围的环境中普遍的条件。按钮输入装置158和显示器160可位于第一盖178上。按钮装置158可操作为主要本地用户接口，以允许终端用户(例如，技术人员)与控制器100交互。此特征对于常规维护、构造和设置可能很重要，例如，允许终端用户从阀操作模式退出并逐步调试(step through)菜单结构以手动执行诸如校准、构造和监测的功能。显示器160可体现为LCD显示器，通常是字母数字，或类似装置，以用于读取控制信号、阀位置或致动器压力的值。在一种实施方式中，控制器100还可包括一个或多个量规(gauge)(例如，第一量规182和第二量规184)，其可提供流体的流动状态(例如，压力、流速等)的指示，控制器100使用其来操作阀组件102中的阀。
图5绘出了用于阀组件102的示例性结构的透视图。该结构可用于调节聚焦于化学生产、精炼生产和资源开采的行业中典型的工业生产线中的过程流体(process fluid，有时也称为工艺流体)。如所示，阀组件102可包括带有本体188的流体联接件186，其形成带有开口端(例如，第一开口端192和第二开口端194)的流动通路190。阀构件如封闭部件110和座112可位于本体188内，且在当前视图中隐藏。致动器104可包括球状壳体196，通常具有两件，其围绕边缘夹紧来围绕外周捕获隔板(未示出)。如本文所述，致动器通常将加压空气转变成机械运动，这引起闭合部件110相对于座112例如在开启位置、部分开启位置与闭合位置之间移动。尽管图5中未绘出，但感测机构可用于监测闭合部件110的位置。该感测机构可具有位置传感器和机械连杆机构，其使位置传感器与阀杆108或与闭合部件110一齐移动的其它结构联接。
本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。以单数叙述且冠以词语“一个”或“一种”的元件或功能应当理解为未排除多个所述元件或功能，除非明确叙述此类排除。提到要求保护的本发明的“一个实施例”不应解释为排除也并入所叙述特征的附加实施例的存在。此外，权利要求仅是限定本发明的可取得专利范围的一些实例。该范围可包括并考虑本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。
以下出现的实例包括某些要素或条款，其中一个或多个可以与其它要素组合，并且条款描述了在本公开内容的范围和精神内考虑的实施例。

Claims (10)

1.一种阀组件，包括：
阀，其具有相对于座可移动的闭合部件；
致动器，其与所述阀联接来移动所述闭合部件；以及
控制器，其经由第一气动输出和第二气动输出与所述致动器气动地联接，所述第一气动输出和所述第二气动输出中的至少一个与所述致动器直接地联接。
2.根据权利要求1所述的阀组件，其特征在于，所述阀组件还包括：
联接在所述第一气动输出和所述第二气动输出中的一个下游且在所述致动器上游的体积增压器。
3.根据权利要求1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括气动放大器，其构造成将单个气动输入转换成第一气动输出信号和第二气动输出信号，所述第一气动输出信号和所述第二气动输出信号每个分别引导至所述第一气动输出和所述第二气动输出。
4.根据权利要求1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括一对气动继电器，所述气动继电器每个分别与所述第一气动输出和所述第二气动输出联接。
5.根据权利要求1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括流动改变结构，所述流动改变结构构造成从到来的仪表空气独立地生成第一气动信号和第二气动信号，所述第一气动信号和所述第二气动信号每个分别从所述控制器经由所述第一气动输出和所述第二气动输出流动。
6.根据权利要求5所述的阀组件，其特征在于，所述第一气动信号和所述第二气动信号在相同压力下。
7.根据权利要求1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括流动改变结构，所述流动改变结构构造成使用第一压力下的气动输入信号来将到来的仪表空气转换成高于所述第一压力的第二压力下的一对气动输出信号。
8.根据权利要求7所述的阀组件，其特征在于，所述第二压力对于所述气动输出信号两者是相同。
9.根据权利要求1所述的阀组件，其特征在于，所述控制器包括流动改变结构，所述流动改变结构构造成使用第一压力下的气动输入信号来将到来的仪表空气转换成与所述第一压力成比例的第二压力下的一对气动输出信号。
10.根据权利要求9所述的阀组件，其特征在于，所述第二压力对于所述气动输出信号两者是相同。
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