CN111344497B - 用于控制和监测致动阀的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在监测用于阀的流体驱动的致动器的性能的示例性方法中，在第一时间段期间通过致动器供应管线将加压流体供应到所述致动器的入口端口以操作所述致动器。在所述第一时间段期间测量与所述致动器供应管线中的流体流动状况相对应的变化，并且分析所测量变化以识别所述阀和所述致动器中至少一者的不符合要求的状况。然后生成传达所识别的不符合要求的状况的输出。

Description

用于控制和监测致动阀的系统和方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2017年12月21日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODS FORMONITORING ACTUATED VALVES”的美国临时专利申请序列号62/608,771、于2017年12月21日提交的标题为“ACTUATED VALVE SYSTEMS WITH REDUCED ACTUATOR RETURN FORCE”的美国临时专利申请序列号62/608,777以及于2018年7月2日提交的标题为“SYSTEMS ANDMETHODS FOR CONTROL AND MONITORING OF ACTUATED VALVES”的美国临时专利申请序列号62/693,009的优先权和全部权益，所述申请中的每一者的全部公开内容以引用方式并入本文。
背景技术
致动器通常用于控制阀和其他流体系统部件的操作。致动器可以具有任何数量的不同设计，包括气动、液压、电动等。流体驱动的致动器使用诸如空气的加压流体来移动一个或多个流体驱动的致动器构件(例如，活塞、隔膜、波纹管等)，以便移动阀元件(例如，旋转阀杆、塞子、隔膜和/或波纹管)以控制(例如，关闭、计量、方向控制)穿过阀的系统流体。
常规的致动阀组件使用弹簧偏置的气动致动器，以便在致动位置(响应于致动器入口端口的加压以克服偏置弹簧并移动致动器活塞和连接的阀构件)与正常或返回位置(响应于致动器入口压力的排放以及致动器活塞和阀构件的弹簧移动)之间进行两位置操作。
由活塞式致动器致动的阀的循环寿命通常受到致动器活塞密封件(例如，O型环或垫圈)的限制，所述密封件可能经受频繁的循环移动(和对应的磨损)、极端温度以及恶劣的大气状况。这些状况的结果是，活塞密封件的磨损或润滑剂的损失会导致通过致动器密封件的泄漏和/或活塞在致动器壳体内的摩擦增大。随时间推移，这种增加的泄漏或摩擦可能会导致阀致动不完全或受阻，并最终导致阀故障，从而导致流体供应受损、系统意外停机和修理费用。
在其他应用中，阀中的不良状况(例如，增大的摩擦、阀座损坏、系统污染)可能导致阀内致动的阻力增大，这可能导致致动阀处于除潜在的阀泄漏和/或流体系统污染之外的受阻或卡住状况。在又其他应用中，阀中的不良状况(例如，填料载荷的损失、致动器弹簧或阀元件断裂)可能导致阀内致动的阻力减小，这可能导致阀泄漏。
在又其他应用中，致动器加压力和/或弹簧复位行程力可能会产生不良状况，包括阀构件与阀座之间的过大闭合力(这可能导致阀座/密封件磨损、变形和/或颗粒产生)或比期望的更快或更慢的阀致动。为了在截止状况下对阀元件提供足够的密封，阀通常设置有软的(例如，塑料、弹性体)阀座，阀元件在阀闭合时抵靠所述阀座密封。在涉及高循环频率、高致动器压力(在“常开”流体驱动的致动器的情况下)和/或阀座畸变状况(诸如高温、高流量或化学反应性)的应用中，阀元件与阀座之间的闭合力可能会产生磨损颗粒，这些颗粒可能污染流体系统和/或导致阀座泄漏。
发明内容
在本公开的示例性实施方案中，设想了一种监测用于阀的流体驱动的致动器的性能的方法。在示例性方法中，在第一时间段期间通过致动器供应管线将加压流体供应到所述致动器的入口端口以操作所述致动器。在所述第一时间段期间测量与所述致动器供应管线中的流体流动状况相对应的变化，并且分析所测量变化以识别所述阀和所述致动器中至少一者的不符合要求的状况。然后生成传达所识别的不符合要求的状况的输出。
在本公开的另一示例性实施方案中，一种致动阀系统包括：阀，所述阀包括流量控制阀元件；以及致动器，所述致动器与所述阀组装在一起，并且包括流体驱动的致动器构件，所述流体驱动的致动器构件与所述阀元件操作性地连接，并且响应于所述致动器的入口端口的加压而能够从正常位置移动到致动位置。导向阀通过致动器供应管线与所述致动器入口端口连接，所述导向阀可操作以在第一位置将加压流体供应到所述致动器供应管线，并且在第二位置从所述致动器供应管线排出加压流体。压力容纳设备与所述致动器供应管线连接，以在所述导向阀处于所述第一位置和所述第二位置中的至少一者时保持所述致动器供应管线中的设定压力。传感器与所述致动器供应管线连接，所述传感器被配置为测量所述致动器供应管线中对应于所述致动器构件在所述正常位置与所述致动位置之间的移动以及加压流体通过所述致动器构件的泄漏中的至少一者的流体流动状况。
在本公开的另一示例性实施方案中，一种致动阀系统包括具有流量控制阀元件的阀、与所述阀组装在一起的致动器、阀控制模块、传感器以及控制器。所述致动器包括流体驱动的致动器构件，所述流体驱动的致动器构件与所述阀元件操作性地连接，并且响应于所述致动器的入口端口的加压而能够从正常位置移动到致动位置。所述阀控制模块包括与所述致动器入口端口连接的致动端口、用于与加压流体源连接的加压端口和排出端口。所述阀控制模块还包括导向阀装置，所述导向阀装置能够在第一状况、第二状况以及第三状况之间操作，所述第一状况允许在所述加压端口与所述致动端口之间的流动并阻止在所述致动端口与所述排出端口之间的流动以对所述致动器入口端口进行加压，所述第二状况阻止在所述加压端口与所述致动端口之间的流动并阻止在所述致动端口与所述排出端口之间的流动以将加压流体捕获在所述致动器入口端口中，所述第三状况阻止在所述加压端口与所述致动端口之间的流动并允许在所述致动端口与所述排出端口之间的流动以使所述致动器入口端口排放。所述传感器与所述致动器入口端口流体连通以测量所述致动器入口端口的流体状况。所述控制器与所述传感器以及与所述导向阀装置电路连通，以使所述导向阀装置操作到所述第一状况、所述第二状况和所述第三状况，其中所述控制器被配置为响应于从所述传感器传达到所述控制器的所测量流体状况来自动地调整所述导向阀装置的操作。
在本公开的另一示例性实施方案中，一种致动阀系统包括具有流量控制阀元件的阀和与所述阀组装在一起的致动器。所述致动器包括流体驱动的致动器构件，所述流体驱动的致动器构件与所述阀元件操作性地连接，并且响应于所述致动器的入口端口的加压而能够与所述阀元件一起从正常位置移动到致动位置；以及偏置弹簧，所述偏置弹簧被配置为响应于所述加压致动器的排放而使所述致动器构件和阀元件从所述致动位置返回到所述正常位置。所述偏置弹簧装置具有弹簧刚度，所述弹簧刚度被配置成使得将所述致动器构件和阀元件从所述正常位置移动到所述致动位置所需的所述致动器压力比从所述正常位置开始致动器行程所需的所述致动器压力大至少50％。
在本公开的另一示例性实施方案中，一种致动阀系统包括阀、致动器、导向阀和背压装置。所述致动器包括与流体驱动的致动器构件流体连通的入口端口，所述流体驱动的致动器构件与阀元件操作性地连接，并且响应于所述入口端口加压到至少最小致动压力而能够从正常位置移动到致动位置。所述致动器被配置为在所述入口端口的减压时施加偏置力以将所述致动器构件返回到所述正常位置。所述导向阀具有与导向阀致动器入口端口连接的供应端口，并且可操作以在第一位置将加压流体供应到所述致动器入口端口，并在第二位置通过所述导向阀中的排出端口从所述致动器入口端口排出加压流体。所述背压装置与所述致动器入口端口流体连通，以在所述导向阀移动到所述第二位置时保持小于对所述致动器构件的所述最小致动压力的正压。
在本申请的另一示例性实施方案中，一种背压设备包括主体，所述主体限定从入口端口延伸到出口端口的通道；阀座，所述阀座设置在所述通道中；设置在所述主体中的密封构件；以及与所述入口端口流体连通的设计的泄漏路径。所述密封构件在施加到所述入口端口的设定的气动压力下被偏置成与所述阀座密封接合，所述密封构件与所述阀座分离，以通过所述出口端口释放大于施加到所述入口端口的所述设定的气动压力的任何过量的气动压力。所述设计的泄漏路径被配置为在等于所述设定的气动压力的入口压力下提供约0.25sccm至2.5sccm的泄漏率。
附图说明
图1是根据本公开的示例性实施方案的致动阀系统的示意图；
图2是根据本公开的另一示例性实施方案的致动阀系统的示意图；
图3示出图2的致动阀系统的示例性阀循环压力曲线，其指示全阀操作；
图4示出图2的致动阀系统的示例性阀循环压力曲线，其指示不完全或失败的致动；
图5是图2的致动阀系统的示例性阀循环压力曲线，其指示通过致动器活塞的泄漏；
图6是根据本公开的另一示例性实施方案的致动阀系统的示意图；
图7是图6的致动阀系统的示例性阀循环压力曲线；
图8是根据本公开的另一示例性实施方案的致动阀系统的示意图；
图9是图8的致动阀系统的示例性阀循环压力曲线；
图10是根据本公开的另一示例性实施方案的致动阀系统的示意图；
图11是根据本公开的另一示例性实施方案的致动阀系统的示意图；
图12是根据本公开的另一示例性实施方案的致动阀系统的示意图；
图12A是根据本公开的另一示例性实施方案的导向阀装置的示意图；
图12B是根据本公开的另一示例性实施方案的另一导向阀装置的示意图；
图13是根据本申请的示例性实施方案的致动阀系统的示意图；
图14是根据本申请的另一示例性实施方案的背压设备的示意性剖视图；
图15是根据本申请的另一示例性实施方案的背压设备的示意性剖视图；并且
图16是根据本申请的另一示例性实施方案的阀致动器的剖视图。
具体实施方式
虽然本发明的各种发明性方面、概念和特征在本文中描述并示出为在各种示例性实施方案以组合的方式体现，但是这些各种方面、概念和特征可单独地或以各种组合及其子组合的方式在许多替代实施方案中使用。除非本文明确排除，否则所有此类组合和子组合都意图在本发明的范围内。更进一步，尽管本文可能描述了关于本发明的各种方面、概念和特征的各种替代性实施方案——诸如替代性材料、结构、配置、方法、电路、设备和部件、关于形式、装配和功能的替代性方案等等，但是此类描述不旨在完整或详尽地列出(无论是现在已知的或是稍后开发的)可用的替代性实施方案。本领域的技术人员可容易在另外的实施方案中采用一个或多个发明性方面、概念或特征并且在本发明的范围内使用，即使此类实施方案未在本文中明确公开。另外，虽然本文可将本发明的一些特征、概念或方面描述为优选的布置或方法，但除非明确如此陈述，否则这样的描述并不意图表明此类特征是必需的或必要的。更进一步，可以包括示例性或代表性的值和范围以帮助理解本公开；然而，此类值和范围不应被理解为具有限制意义并且只在明确如此陈述的情况下才意图是关键的值或范围。除非另外明确陈述，否则识别为“大约”或“约”指定值的参数意图包括指定值和指定值的10％以内的值两者。此外，应当理解，伴随本公开的附图可能但不必是按比例绘制的，并且因此可被理解为教导了附图中明显的各种比率和比例。此外，虽然在本文中可将各种方面、特征和概念明确识别为发明性的或形成发明的一部分，但这样的识别并不意图具有排他性，而是可存在已在本文中完整描述而未被明确这样识别或识别为特定发明的一部分的发明性方面、概念和特征，作为替代，在所附权利要求中对本发明进行阐述。除非明确如此陈述，否则对示例性方法或过程的描述不限于包括在所有情况下需要的所有步骤，也不应将呈现所述步骤的顺序理解为是必需或必要的。
本公开设想了用于监测和/或控制流体驱动的(例如，气动)致动器的性能的系统和方法。例如，可以监测流体驱动的致动器的性能以识别致动器故障、阀故障或指示致动器故障或阀故障即将发生的状况(例如，通过流体驱动的致动器构件的泄漏、所需致动力的变化)。尽管本公开中的示例性实施方案涉及与线性致动阀(例如，隔膜阀)组装在一起的弹簧偏置的气动致动器，但是本公开中所描述的特征和方面可以另外地或替代地应用于其他类型的致动器(例如，液压或其他流体驱动的致动器、非弹簧偏置的致动器、双作用致动器)、其他类型的阀(例如，旋转阀、闸阀等)以及其他类型的加压流体应用。
虽然安装在阀中或与阀组装在一起的传感器(例如流量计、机电开关)可以监测阀状况和阀的性能特征，但是极端或苛刻的系统流体状况(例如压力、温度、侵蚀性/腐蚀性流体)可能限制可使用的传感器类型和/或此类传感器的使用寿命。
根据本公开的示例性方面，可以通过测量致动器流体流动状况来监测阀和致动器性能，所述状况可以但不必提供用于在远离致动器流体回路中的阀致动器的位置(例如，在导向阀处或附近)处测量或感测此类状况，所述导向阀选择性地将加压致动器流体供应到与致动器的入口端口连接的致动器供应管线。在该远程位置处，可以实现与任何极端或苛刻的系统流体或环境状况的隔离。
可以提供与阀致动器流体连通的不同类型的传感器。作为一个示例，与致动器直接或间接连接的流量传感器可用于检测与流体压力或致动器活塞的弹簧复位移动相关联的流量(例如，以确认阀的致动、致动正时、致动持续时间、致动所需的压力等)或与通过致动器活塞的泄漏相关联的流量(例如，以识别渐进的致动器磨损或即将发生的由于总泄漏而导致的致动器故障)。作为另一示例，与致动器直接或间接连接的压力传感器还可用于检测与流体压力或致动器活塞的弹簧复位移动相关联的致动器供应管线压力的变化(例如，以确认阀的致动、致动正时、致动持续时间、致动所需的压力等)或与通过致动器活塞的泄漏相关联的致动器供应管线压力的变化(例如，以识别渐进的致动器磨损或即将发生的由于总泄漏而导致的致动器故障)。
图1示意性地示出致动阀系统100，所述致动阀系统包括具有流体操作(例如，气动)的致动器120的致动阀110，所述致动器具有通过致动器供应管线129和导向阀140(例如，螺线管操作的切换阀)或其他供应阀连接到致动器流体源150的致动器端口121。致动器供应管线129可以由多种部件和布置形成，包括例如单独的导管部件(例如，管、管道、软管)以及集成到致动器和导向阀中的一者或两者中的端口或通道，使得导向阀可以直接组装到致动器端口。
为了致动阀110，操作导向阀140以使致动器流体源150向致动器端口121开放，以将加压致动器流体供应到致动器入口端口以便移动致动器活塞123，从而移动阀元件115。这导致流体流过致动器供应管线，并且致动器供应管线中的压力增加。压力和/或流量可以由与致动器供应管线129流体连通的传感器135(例如，压力转换器、流量计)来监测。传感器135可以设置有控制电路139，所述控制电路可以与在传感器135附近或远离所述传感器的系统控制器160(例如，计算机)连接(例如，通过有线或无线连接)。系统控制器160可以包括用于分析流体流动状况的测量变化以验证正常操作状况或识别不符合要求的系统状况的电路(例如，微处理器)。
在上述布置中，例如基于在致动期间致动器流体流量与预期流量的偏差(例如，存储的预定或先前生成的参数)对致动阀110的故障或其他不符合要求的状况的检测可以用于向使用者提供故障状况的警报(例如，通过与系统控制器160的通信)，例如，以提示系统关闭和阀维护或更换。
另外，对仍然起作用的阀中的致动阀性能偏差的检测可以用于向使用者提供可能发展为阀故障的状况的警报。作为一个示例，当致动器120被加压但未被致动时加压致动器供应管线内的压力的可测量降低或通过致动器供应管线129的可测量流量可指示通过流体驱动的致动器构件123(例如，致动器活塞)的泄漏。在高循环阀中，致动器活塞密封件的磨损和/或润滑剂的损失会导致致动器活塞在致动器的使用寿命中的泄漏增加，直到泄漏变得严重到足以限制或阻止阀致动为止。通过在泄漏水平达到致动阻碍水平之前识别致动器活塞泄漏，可以在安排的停机时间期间对致动器执行计划的维护，从而避免紧急关闭和/或产生损失。
作为另一示例，在大于预期致动器入口压力的情况下阀致动的发生的识别(通过测量与致动相对应的致动器入口压力的变化或拐点，或者通过测量与致动器活塞移动相对应的入口压力或流速发生变化的时间延迟或持续时间)可指示阀对致动的阻力增大，例如，由于阀元件磨损或擦伤、润滑损失、系统污染或其他因素。尽早识别这些潜在状况可能有助于及时进行阀维护。
作为又一示例，在低于预期致动器入口压力的情况下阀致动的发生的识别(通过测量与致动相对应的致动器入口压力的变化或拐点，或者通过测量与致动器活塞移动相对应的入口压力或流速发生变化的时间延迟或持续时间)可指示阀对致动的阻力减小，例如，由于填料载荷损失、隔膜/波纹管偏置力的减弱或其他此类因素。尽早识别这些潜在状况可能有助于及时进行阀维护。
通过将这些测得的性能状况传达给被编程为诊断和解决有问题的阀性能状况的系统控制器，可以在检测到阀故障时或在预期到即将发生的阀故障时自动发起阀维护。可以对系统控制器进行编程，以自动安排维护程序，从库存中订购零件或针对更换系统部件和组件下订单。
在本公开的示例性实施方案中，通过在阀致动之前、期间和之后使用压力转换器(或其他这样的压力传感器)测量活塞式致动器的压力曲线来确定致动阀的性能状况，所述压力转换器测量致动器上游的致动器流体(例如，空气、氮气)的加压体积或腔室的压力。压力容纳设备(例如，加压缸或其他这样的腔室或背压设备)可以与致动器供应管线流体连通地连接，以保持致动器供应管线中的设定压力，根据所述设定压力可以测量设定压力的偏差。在示例性布置中，如图2中示意性地示出，致动阀系统200包括具有气动操作的致动器220的致动阀210，所述致动器具有致动器端口221，所述致动器端口通过致动器供应管线229和导向阀240(例如，螺线管操作的切换阀)或其他供应阀连接到加压腔室230(例如，样本缸)，其中加压腔室230与致动器流体源250连接。为了致动阀210，导向阀240被操作以使加压腔室230向致动器端口221开放，以将加压致动器流体从腔室供应到致动器入口端口。这导致腔室230内的压力暂时减小，直到腔室被致动器流体源250重新填充并且压力得以恢复。腔室230内的压力由压力转换器235监测，所述压力转换器可以与在压力传感器235附近或远离所述压力传感器的系统控制器260(例如，计算机)连接(例如，通过有线或无线连接)。
如图3的阀循环压力曲线P所示，并且参照图2的示意性实施方案，当最初在时间t1(对应于将导向阀致动到打开位置)处将加压致动器流体供应到正常起作用的致动器220时(例如，通过打开加压体积与致动器之间的导向阀)，当所供应的流体压力在致动器活塞223上累积到足以移动活塞(例如，抵抗偏置弹簧222和/或阀元件215的阻力)的压力时，由压力转换器测量的加压腔室230内的压力从设定压力p0减小到第一减小压力p1。当致动器活塞223移动到致动位置并且加压流体填充致动器中的在活塞后面的空腔224时，腔室230内的压力以比从设定压力p0至第一减小压力p1的压力变化更小或缓和的斜率从第一减小压力p1进一步减小到第二减小压力p2。
为了恢复加压腔室230中的压力，致动器流体源250将加压致动器流体供应到加压腔室。尽管致动器流体源250可以选择性地向加压腔室230打开(例如，通过使用者启动或通过编程来打开供应阀)，但是在另一实施方案中，致动器流体源与加压腔室之间的流量使用减小的孔口或其他流量限制设备255来限制，以延迟腔室230内的压力增大，使得可以更容易地测量由于阀致动而导致的腔室压力的变化。在第二减小压力p2与致动后恢复压力p3之间的压力曲线的斜率上可以明显看出这种受限流动状况的结果，所述斜率表明在完成阀致动之后加压腔室内的压力逐渐增大。
偏离图3的典型压力曲线P可提供阀或致动器已磨损、损坏或有缺陷状况的指示。例如，如阀循环压力曲线PA所示，低于预期的第一减小压力p1a可指示对致动的阻力增大(需要由加压腔室提供更高的流体压力)，例如，由于致动器活塞与壳体之间或阀杆(或其他阀元件)与阀座之间的摩擦增加。作为另一示例，如阀循环压力曲线PB所示，高于预期的第一减小压力p1b可指示对致动的阻力减小(需要由加压腔室提供更低的流体压力)，例如，由于阀填料或阀座密封载荷、阀隔膜或波纹管破裂或减弱，或者致动器弹簧破裂或减弱。
作为又一示例，如图4的阀循环压力曲线PC所示，高于预期和/或在比预期更早的时间T处的第二减小压力p2c(与图3中的压力点p2b相比)可指示致动器行程不完整，而基本上没有第二减小压力点(如阀循环压力曲线PD中所示)，其中压力曲线从第一减小压力p1增加到致动后恢复压力p3可指示阀或致动器被卡住。
作为又一示例，如图5的阀循环压力曲线PE所示，低于设定压力p0的致动后恢复压力p3e可指示通过致动活塞的泄漏足以阻止加压腔室中的压力完全恢复，直到导向阀闭合。在许多应用中，例如，由于磨损的活塞密封件、干燥的润滑剂或以其他方式损失的润滑剂，加压致动器流体通过致动器的泄漏是完全致动器故障(例如，由于致动器总泄漏)的先兆，从而导致阀被卡住(例如，在弹簧偏置的闭合位置)。因此，较小泄漏量的初始检测可以允许诊断即将发生的总泄漏和致动器故障。可以依赖此初始泄漏检测来进行安排维护，诸如致动器修理或更换。
当系统控制器260分析阀循环压力曲线中的所测量变化并识别出此类偏离压力状况时，系统控制器可以生成传达不符合要求状况的输出，所述输出可以以可听或视觉警报或警报消息(例如，文本或电子邮件消息)的形式提供。
在压力传感器设置在导向阀上游的应用中，如图2的实施方案所示，当导向阀处于闭合或致动器排气状况时，传感器无法测量阀/致动器性能的特性。在另一布置中，可以在导向阀的下游和致动器的上游提供压力传感器或压力转换器，以允许检测致动器入口压力的变化，而不管导向阀处于致动器加压状况还是致动器排气状况中。在示例性实施方案中，如图6中示意性地示出，致动阀系统300包括具有气动操作的致动器320的阀310，所述致动器具有通过致动器供应管线329和导向阀340(例如，螺线管操作的切换阀)或其他供应阀连接到致动器流体源350的致动器端口321，其中压力转换器335或其他此类压力传感器设置在导向阀340与致动器端口321之间的致动器供应管线329中，并与在压力转换器335附近或远离所述压力转换器的系统控制器360(例如，计算机)连接(例如，通过有线或无线连接)。
为了致动阀310，导向阀340被操作以使致动器流体源350向致动器端口321开放，以将加压致动器流体供应到致动器入口端口。这导致致动器供应管线329中压力的初始增大，如压力转换器335所测量的。当致动器供应管线中的压力足以克服致动器弹簧322的偏置力和任何由阀元件315致动的阻力(例如，阀杆操作扭矩或隔膜/波纹管偏置力)时，致动器活塞323抵靠致动器弹簧322移动到致动位置，从而由于致动器活塞下方(上游)的体积增大而导致致动器入口压力短暂下降。为了将阀310返回到正常(例如，偏置闭合)位置，导向阀340被操作以在致动器供应管线329中并且在致动器活塞323下方排放或排出加压致动器流体。当致动器供应管线中的压力减小足以允许压缩致动器弹簧322使致动器活塞323抵抗致动器流体和抵抗任何由阀元件315致动的阻力(例如，阀杆操作扭矩或隔膜/波纹管偏置力)移动的量时，致动器活塞323移动到弹簧偏置的位置，从而由于致动器活塞下方(上游)的体积减小而导致致动器入口压力短暂增大。
如图7的阀循环压力曲线所示，并参照图6的示意性实施方案，当最初在时间t1处基于正常起作用的阀将加压致动器流体供应到正常起作用的致动器320时(例如，通过打开加压体积与致动器之间的导向阀)，加压期间的压力曲线的拐点或压力增大速率(px处)的短暂降低指示影响致动器操作(抵抗致动器弹簧偏置力和阀元件阻力)的入口压力。该压力拐点px可以识别致动器性能和/或阀元件阻力(例如，操作扭矩)的变化或偏差，例如，以识别诸如阀元件擦伤、润滑剂损失或阀座夹住(如通过压力拐点px增大识别)或填料扭矩不足、致动器弹簧损坏或隔膜/波纹管损坏(如通过压力拐点px减小表示)的状况。降低的压力增大速率的持续时间可以指示阀循环时间，这可以进一步指示致动困难(例如，由于增加的阀致动扭矩或总的致动器泄漏)。此外，在致动器加压期间不存在拐点px可提供阀不能致动的指示。
如图7的阀循环压力曲线中进一步示出的，当加压致动器流体在时间t2处通过致动器供应管线329从阀致动器320排放或排出时(例如，通过将导向阀切换至排出/排放切换位置)，减压期间的压力曲线的拐点或压力降低速率(py处)的短暂降低指示入口压力，在所述压力下，致动器弹簧力克服了入口压力和阀元件对致动的阻力，以实现致动器操作到正常位置或偏置位置。该压力拐点py可以识别致动器性能和/或阀元件阻力(例如，操作扭矩)的变化或偏差，例如，以识别诸如致动器弹簧损坏、阀元件擦伤、润滑剂损失或阀座夹住(如通过压力拐点py减小识别)或填料扭矩不足或隔膜/波纹管损坏(如通过压力拐点py增大表示)的状况。降低的压力下降速率的持续时间可以指示阀循环时间，这可以进一步指示致动困难(例如，由于增加的阀致动扭矩或总的致动器泄漏)。此外，在致动器减压期间不存在拐点py可提供阀不能致动的指示。
根据本公开的另一方面，压力转换器或其他这样的压力传感器可以被配置为测量在导向阀上游的致动器流体的加压体积或腔室与导向阀和致动器入口之间的致动器供应管线之间的压差。在示例性布置中，如图8中示意性地示出，致动阀系统400包括具有气动操作的致动器420的阀410，所述致动器具有致动器端口421，所述致动器端口通过致动器供应管线429和导向阀440(例如，螺旋管操作的切换阀)或其他供应阀连接到加压腔室430(例如，样本缸)，其中加压腔室430与致动器流体源450连接。致动器流体源450与加压腔室430之间的流量可使用减小的孔口或其他流量限制设备455来限制，以延迟腔室430内的压力增大，使得可以更容易地测量由于阀致动而导致的腔室压力的变化。为了致动阀410，导向阀440被操作以使加压腔室430向致动器端口421开放，以将加压致动器流体从腔室供应到致动器入口端口。这导致腔室430内的压力暂时减小，直到腔室被致动器流体源450重新填充并且压力得以恢复。
腔室压力P入口、供应管线压力P管线以及腔室430与致动器供应管线429之间的压差P压差由压力转换器435监测，所述压力转换器可与在压力转换器435附近或远离所述压力转换器的系统控制器460(例如，计算机)连接(例如，通过有线或无线连接)。如图9的阀循环压力曲线所示，并且参照图8的示意性实施方案，当最初在时间t1处将加压致动器流体供应到正常起作用的致动器420时(例如，通过打开导向阀440)，当所供应的流体压力在致动器活塞423上累积到足以移动活塞(例如，抵抗偏置弹簧422和/或阀元件的阻力)的压力时，由压力转换器435测量的压差P压差从设定压差pd0减小到第一减小压差pd1。当致动器活塞423移动到致动位置并且加压流体填充致动器420中的在活塞后面的空腔424时，压差以比从设定压差pd0至第一减小压差pd1的压差变化更小或更缓和的斜率从第一减小压差pd1进一步减小到第二减小压力pd2，直到压差pd2接近零(其中致动器供应管线压力基本上等于腔室压力)为止。为了恢复加压腔室430中的压力，致动器流体源450将加压致动器流体供应到加压腔室，例如，如以上参照图2的实施方案所述。
当在时间t2处闭合导向阀以将致动阀返回到正常位置时，由于致动器420和致动器供应管线429通过导向阀440排放或排出以将致动器入口压力降低至足够低以克服致动器偏置弹簧420(结合任何阀元件阻力)的压力，因此压差pd从第二减小压差pd2增大到第三压差pd3。在该第三压差pd3下，致动器活塞423朝向正常或返回位置的弹簧偏置移动导致压差向第四压差pd4的缓慢、逐渐增大，在所述第四压差下，活塞已完成其复位行程，并且致动器入口压力的其余部分被排放，从而导致压差pd返回到设定压差pd0。
与以上示例一样，可以通过识别与识别出的压差pd1、pd2、pd3、pd4相对应的压差曲线中的拐点来确定关于致动所需的正时、持续时间和压力的信息。此外，如替代的压差曲线P压差’中所示，不存在拐点提供了致动器420未能致动的指示。另外，如果在导向阀440打开时存在通过致动器活塞423的泄漏，则导向阀440的闭合将导致上游压力增大(如P入口’处所示)。如果在导向阀闭合时存在通过导向阀的泄漏，则设定压差将减小(如pd0’处所示)。
根据本公开的另一方面，致动阀可以设置有致动器流体供应/排放导向阀，所述致动器流体供应/排放导向阀具有与导向阀的排出端口连接(例如，与之直接或间接地组装或集成)的压力保持背压设备(例如，止回阀、溢流阀)，以在致动器处于正常(例如，弹簧偏置的)位置时在致动器入口上保持标称的非致动正压，以通过设置在致动器入口端口与背压设备之间的压力转换器或其他这样的压力传感器来识别通过致动器的泄漏。
在示例性布置中，如图10示意性示出，致动阀系统500包括具有气动操作的致动器520的阀510，所述致动器具有致动器端口521，所述致动器端口通过致动器供应管线529连接到致动器流体源550下游的导向阀540，其中压力转换器535与致动器供应管线529连接并且背压设备570与导向阀540的排出端口543连接(例如，与之直接或间接地组装或集成)。当致动阀510返回到正常(例如，偏置闭合)位置时，通过操作导向阀540以排放或排出致动器供应管线529中和致动器活塞523下方的加压致动器流体，背压设备570保持致动器供应管线529中并抵抗弹簧偏置的致动器活塞523的标称的非致动正压(例如5-10psi)。在这样的布置中，当导向阀540处于闭合/排出位置时，致动器流体通过致动器活塞523的泄漏可由压力转换器535通过所测量压力减小低于背压设备570的压力设置低于背压设备570的压力设置来检测。在示例性实施方案中，导向阀540、压力转换器535和背压设备570可以作为集成组件505一起提供，例如，以便于安装、减少系统占地面积等。还可以在集成组件中提供其他系统管理和/或监测部件，包括例如，循环计数器、流量计、处理器/控制器和/或输出显示器(例如，LED、LCD)。
图10的布置可通过在致动器520的加压和减压期间识别致动压力曲线中的拐点来另外提供阀致动器的操作的正时、持续时间和压力状况的指示，如参照图6的实施方案所示和所述。
在图10的致动阀装置中，除通过致动器520的泄漏之外，由压力转换器535检测到的压力减小可另外地或替代地对应于通过导向阀540的泄漏和/或通过背压设备570的泄漏。在另一实施方案中，压力保持背压设备可以与导向阀的供应端口连接(例如，与之直接或间接地组装或集成)，从而从转换器压力检测中排除通过导向阀的任何泄漏的影响。在这样的布置中，背压设备可以被配置为允许双向或双通流动——在致动器加压(即，导向阀打开)期间，致动器流体从导向阀向前流动到致动器入口，以及在致动器减压(即，导向阀闭合)期间，背压保持从致动器供应管线反向流动到导向阀。
在示例性布置中，如图11示意性示出，致动阀系统600包括具有气动操作的致动器620的阀610，所述致动器具有致动器端口621，所述致动器端口通过致动器供应管线629连接到致动器流体源650下游的导向阀640，其中压力转换器635和双向背压设备670与导向阀640的供应端口642连接(例如，与之直接或间接地组装或集成)。示例性背压设备670包括：供应通道671，所述供应通道允许向致动器供应管线629的向前或供应流，但是密封以防止来自致动器供应管线的反向流(例如，使用第一止回阀672)；以及与供应通道671并联的排出通道673，所述排出通道在致动阀610返回到正常(例如，偏置闭合)位置时允许来自致动器供应管线629的反向/排出流，同时保持在致动器供应管线中并抵抗弹簧偏置的致动器活塞623的标称的非致动背压(例如，5-10psi)(例如，使用第二止回阀674)。在这样的布置中，当导向阀640处于闭合/排出位置时，致动器流体通过致动器活塞623的泄漏可由压力转换器635通过所测量压力减小低于背压设备670的压力设置来检测。在示例性实施方案中，导向阀640、压力转换器635和背压设备670中的任两者或更多者可以作为集成组件605一起提供，例如，以便于安装、减少系统占地面积等。还可以在集成组件中提供其他系统管理和/或监测部件，包括例如，循环计数器、流量计、处理器/控制器和/或输出显示器(例如，LED、LCD)。
图11的布置可通过在致动器420的加压和减压期间识别致动压力曲线中的拐点来另外提供阀致动器的操作的正时、持续时间和压力状况的指示，如参照图6的实施方案所示和所述。
在一些致动阀系统中，如本文所述，背压设备可以执行另外的功能。另外地或替代地，例如，背压设备可以在致动器复位行程期间将非致动正压保持在致动器入口上，以施加阻尼力，从而在正常的弹簧复位状况下减小致动器输出力。这种减小的回弹力可以例如减少常闭致动阀中的阀座磨损。对于这样的布置，背压设置可以大于上述的5-10psi的标称设置，并且可以被选择以将回弹力减小到期望量。然而，通过将加压流体保持在致动器供应管线中以便于感测在阀致动期间或之后的压力变化，这样的布置仍可以与上述传感器系统和方法结合使用。在同时提交的标题为“ACTUATED VALVE SYSTEMS WITH REDUCED ACTUATORRETURN FORCE”的美国临时申请中描述了用于减小致动器回弹力的示例性背压装置，所述申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
根据本公开的另一方面，致动阀系统可以设置有阀控制模块，所述阀控制模块被配置为在监测致动器供应管线中的压力时控制向阀致动器的致动流体供应和从阀致动器排出的致动流体。在一个这样的示例性布置中，如图12中示意性地示出，致动阀系统700包括具有气动致动器720的阀710以及阀控制模块740，所述阀控制模块具有与致动器720的致动器入口端口721连接的致动端口741、与致动器流体源750连接的加压端口742以及用于排放加压致动流体的排出端口743。阀控制模块740包括将致动端口741与加压端口742和排出端口743连接的导向阀装置745、测量导向阀装置745与致动器入口端口721之间的流体状况(例如，压力)的流体传感器748以及与传感器748和导向阀装置745电路连通以用于将导向阀装置操作到第一状况、第二状况和第三状况的控制器749。
示例性的导向阀装置745可通过控制器749的操作在第一状况、第二状况和第三状况之间操作。在第一状况下，导向阀装置745允许在加压端口742与致动端口741之间的流动，并且阻挡在致动端口与排出端口743之间的流动以对致动器入口端口721加压，以便例如操作致动器720和使阀元件715移动到致动(例如，打开)位置。在第二状况下，导向阀装置745阻挡在加压端口742与致动端口741之间的流动，并且允许在致动端口与排出端口743之间的流动以使致动器入口端口721排放。在致动器720是单作用(例如，弹簧偏置的)致动器的情况下，加压致动器入口端口721的这种排放允许致动器将阀元件715移动到返回(例如，闭合)位置。在第三状况下，导向阀装置745阻挡在加压端口742与致动端口741之间的流动，并且阻挡在致动端口与排出端口743之间的流动以将加压流体捕获在致动器入口端口721中。
可以利用许多不同的导向阀装置来提供上述的第一状况、第二状况和第三状况。在一个示例性实施方案中，如图12A中所示，导向阀装置745a包括将加压端口742与致动端口741连接的第一截止阀746a以及将排出端口743与致动端口741连接的第二截止阀748a。在第一状况下，第一截止阀746a打开，并且第二截止阀748a闭合以对致动器入口端口721加压。在第二状况下，第一截止阀746a和第二截止阀748a两者均闭合，以将加压流体捕获在导向阀装置745a与致动器入口端口721之间。在第三状况下，第一截止阀746a闭合，并且第二截止阀748a打开以使致动器入口端口721排放。在一个这样的实施方案中，第一截止阀746a是常闭电磁阀，并且第二截止阀748a是常开电磁阀，使得在断电的情况下，第一截止阀返回到闭合位置，并且第二截止阀返回到打开位置，从而允许常闭致动器720将阀元件715返回到闭合位置。
在另一示例性实施方案中，如图12B所示，导向阀装置745b包括三位三通切换阀747b，所述切换阀具有对应于第一状况的第一切换位置，其使加压端口742b向致动端口741b开放并阻止流向排出端口743b；对应于第二状况的截止位置，其阻挡在致动端口741b与加压端口742b和排出端口743b两者之间的流动；以及对应于第三状况的第二切换位置，其使致动端口741b向排出端口743b开放并阻挡来自加压端口742b的流动。在一个这样的实施方案中，切换阀747b被配置为对于第二切换位置(图12B所示的位置)是失效的，使得在断电的情况下，常闭致动器720将阀元件715返回到闭合位置。
根据本公开的一方面，导向阀装置745可以在第一状况、第二状况和第三状况之间选择性地操作以增大(使用第一状况)、减小(使用第二状况)和/或保持(使用第三状况)致动器入口压力，其中传感器748实时监测压力以控制此类压力调整。在示例性应用中，可以快速地致动或用脉冲调节导向阀以增大或减小致动器入口压力，其中压力传感器748提供由控制器749使用的瞬时反馈，以进一步用脉冲调节导向阀以便进一步调整致动器入口压力。在一个这样的示例性实施方案中，导向阀装置745a、745b被配置为在大约200ms与大约10,000ms之间的循环时间下提供在大约2ms与大约10ms之间的填充或加压脉冲持续时间以开始致动循环，以及在大约3ms与大约10ms之间的排出脉冲持续时间，其中导向阀装置745a、745b保持在第三(压力保持)状况，并且压力传感器748监测脉冲之间的致动器入口压力。基于到控制器749的反馈(例如，来自压力传感器748)，以增大或减小调整所捕获压力的速率，控制器可以调整第一(加压)状况和第二(排出)状况的脉冲持续时间和脉冲频率。
在示例性应用中，可以捕获非致动正压，使得阀控制模块740用作背压设备，类似于上文更详细地描述的图10和图11的实施方案。可以提供该非致动正压，例如，用于监测所捕获压力，以检测和/或量化通过致动器的泄漏，如上文更详细地描述的。
作为另一示例，非致动正压可用于对致动器入口端口施加阻尼力，以在弹簧复位状况下减小致动器输出力，例如，以最小化在阀的闭合致动期间阀座的变形和/或磨损(和导致颗粒产生)。该减小的闭合力可通过最小化由于重复致动引起的密封损坏来有效地延长阀的循环性能。在截止(例如，非循环)状况期间需要频繁循环和高完整性密封两者的应用中，可以选择性地或自动地去除或排出阻尼致动器入口压力，以根据需要提供增大的致动器闭合力。
作为又一示例，非致动正压可另外地或替代地用于促进阀的更快的向前行程致动，因为与从大气压增大致动器入口端口压力相比，正的非致动的致动器入口压力可更快速地增大到致动压力。
另外地或替代地，在各种应用中可以使用对导向阀装置与致动器入口端口之间的所捕获致动压力(即，足以至少部分地致动阀的压力)的控制和/或监测。例如，对所捕获致动器入口端口压力的传感器监测可用于识别阀致动的正时和/或持续时间、或阀致动的压力，如上文更详细地描述的。对致动器入口压力曲线随时间推移的这种监测可以识别潜在问题，诸如所需致动力的增大或减小(例如，对应于旋转阀或轴向移动波纹管或隔膜阀元件的致动扭矩的变化)、致动器泄漏、致动器粘附或其他状况。控制器749可以被编程为补偿在可接受范围内的偏差(例如，通过增大或减小所捕获致动器入口端口压力)，和/或在所测量致动器入口压力曲线指示需要阀系统维护时提供警报。
作为另一示例，可以控制所捕获致动器入口压力以将期望的致动器入口压力施加到致动器，所述期望的致动器入口压力小于致动器流体源750的全流体压力，但是仍然足以至少部分地致动阀。该减小的致动压力可以例如提供阀的更慢致动(即，“软启动”)，例如以在对常闭阀中的流量涌增敏感的应用中进行受控打开，或者以在常开阀中减小阀的闭合力。作为另一示例，减小的致动压力可提供阀的更快的复位行程致动，因为减小的致动器入口端口压力比完全加压的致动器入口端口排出更快(并且被弹簧力更快地克服)。作为又一示例，可以精确地控制致动器入口压力以提供致动器的不完全或部分致动，例如以限制或调节通过阀的流量。
根据本公开的另一方面，致动器可以进一步适于通过所捕获致动压力来促进对致动阀系统的监测和控制。作为一个示例，致动器720可设置有高流量容量致动器端口，以在致动器的加压和/或减压/排出期间增大流速，例如，以促进快速向前行程和/或复位行程致动，和/或减少加压和/或减压/排出时间(例如，减少脉冲持续时间)，以便有更多时间进行压力感测和反馈以及控制器分析和脉冲之间的致动调整。
作为另一示例，弹簧复位致动器720可以设置有偏置弹簧装置，所述偏置弹簧装置具有增加的弹簧刚度(例如，通过提供更硬的弹簧722和/或并联和/或串联的另外的弹簧)，使得一个或多个部分流动位置可以更可预测地与一个或多个预定施加的致动器入口压力相对应。作为一个示例，与小于在闭合位置的弹簧力的三倍的常规的阀致动器弹簧刚度相比，弹簧复位致动器720可以设置有比在闭合位置的弹簧力(例如，lbs)大约五倍的弹簧刚度(例如，lbs/in)。这种增加的弹簧刚度可以提供将致动器活塞722和阀元件715移动到阀的正常位置和致动(例如，打开)位置之间的一个或多个增量位置所需的致动器压力的显著、可测量且可预测的差异。在具有闭合致动器的偏置弹簧的示例性实施方案中，弹簧刚度是这样的：使得将致动器活塞和阀元件从闭合位置移动到打开位置所需的致动器压力比从闭合位置开始致动器行程所需的致动器压力(“基本致动压力”)大至少50％。因此，在基本致动压力为X(例如，50psi)的情况下，可以在X(50psi)与至少1.5X(75psi)之间的致动压力范围内，校准完全闭合阀位置与完全打开阀位置之间的增量致动位置。在一个这样的示例中，将致动器构件和阀元件移动到阀元件在正常位置(闭合位置)与致动位置(打开位置)之间的中点位置所需的致动器压力比从正常位置(例如，在以上示例中为至少约65psi)开始致动器行程所需的致动器压力大至少约30％。在利用具有增加的弹簧刚度的偏置弹簧装置的实施方案中，可以在复位行程期间将非致动背压(如本文所述)施加到致动器以阻尼复位行程，从而防止偏置弹簧装置对阀座施加过大的闭合力。
根据本公开的示例性方面，可使用阀控制模块740内的单个压力传感器748来监测和控制致动阀系统700。可以利用许多已知的系统参数(例如，致动器行程、致动器体积位移、流体压力、流体温度、弹簧刚度)来对控制器749进行编程，使得到控制器749的压力传感器748的反馈与该编程的系统信息相结合地可以用于计算致动压力、致动速度、闭合力和其他此类操作状况，并且对导向阀装置745的用脉冲调节或其他这样的操作进行适当的调整，以实现期望的流量控制性能。
在其他实施方案中，另外的系统传感器可以向控制器提供关于一个或多个系统参数的数据，以进一步促进对流量控制和系统性能的期望调整。例如，流体温度传感器可以向控制器749提供反馈以识别高流体温度状况，并且控制器可以调整阀的操作以减小阀闭合力(例如，通过增大抵抗致动器复位行程的背压，如上所述)。该布置可以允许致动阀系统在较大的温度范围内使用。作为另一示例，流体压力传感器或流量计可以向控制器749提供关于流体流动状况的反馈，并且控制器可以调整阀的操作以相应地增加或减少流体流动(例如，通过调整阀的部分打开状况，调整阀打开的持续时间等)。
控制器749可以与在阀控制模块740附近或远离所述阀控制模块的系统控制器760(例如，计算机)连接(例如，通过有线或无线连接)。系统控制器760可以包括用于分析流体流动状况的测量变化以验证正常操作状况或识别不符合要求的系统状况并且生成通知使用者此类状况的通信(例如，电子邮件、文本消息等)的电路(例如，微处理器)。
除其中控制致动器入口压力以限制致动阀的闭合力的布置之外，本申请还设想了用于为致动阀组件提供减小的力复位行程的其他系统和方法，例如以减小阀元件(例如，隔膜、提升阀)与阀座密封件之间的闭合力。尽管本申请中的示例性实施方案涉及与线性致动阀(例如，隔膜阀)组装在一起的弹簧偏置的气动致动器，但是本申请中所描述的特征和方面可以另外地或替代地应用于其他类型的致动器(例如，液压或其他流体驱动的致动器、非弹簧偏置的致动器、双作用致动器)、其他类型的阀(例如，旋转阀、闸阀等)以及其他类型的加压流体应用。
图13示意性地示出致动阀系统800，所述致动阀系统包括具有流体流量控制阀元件815(例如，阀杆、隔膜)的阀810，所述阀元件与流体操作(例如，气动)的致动器820的操作性地连接，所述致动器具有通过致动器供应管线829和导向阀840(例如，螺线管操作的切换阀)或其他供应阀连接到致动器流体源850的致动器端口821。在其他实施方案中，导向阀可以直接组装到致动器端口，而无需使用单独的供应管线。为了移动阀元件815，导向阀840被移动到第一切换位置以使致动器流体源850向致动器端口821开放。这导致流体流过致动器供应管线，并且致动器端口821中的压力增大，并且抵抗致动器内的流体驱动的致动器构件823(例如，一个或多个活塞)。当将最小的致动压力供应给致动器端口时，致动器构件823上的所得致动力克服了由致动器内的偏置构件822(例如，一个或多个弹簧)所施加的偏置力，并且克服了对阀元件815的致动的任何阻力(例如，摩擦、阀填料载荷、阀流体压力等)，以将致动器构件823从第一正常或返回位置移动到第二致动位置。致动器构件823直接或间接地与阀元件815连接，以相应地将阀元件从正常位置(例如，阀闭合或截止位置)移动到致动位置(例如，阀打开或流体流动位置)。
为了使阀元件815返回到正常位置，导向阀840移动到第二切换位置，以排放或排出致动器供应管线829中和致动器构件823上游的加压致动器流体。由偏置构件822施加到致动器构件823的偏置力使致动器构件823抵抗排放致动器流体并抵抗由阀元件815致动的任何阻力而移动到正常或返回位置，从而将阀元件815移动到对应的正常位置。
根据本申请的示例性方面，为了减小由致动器820施加的复位行程力，致动阀系统800可以设置有与致动器入口端口821流体连通的背压装置870(例如，弹簧加载或以其他方式偏置的止回阀，或溢流阀)，以在导向阀840移动到第二位置时保持抵抗致动器构件823的非致动正压(即，小于最小致动压力)。非致动正压施加抵抗致动器构件823并且与偏置构件的偏置力相反的阻尼力以产生小于偏置力的净回弹力，但是仍然足以使阀元件815从致动位置返回到正常位置。例如，可以选择非致动正压和对应的净回弹力，以便为特定应用提供所需的致动速度和闭合力。在示例性实施方案中，非致动正压可以是最小致动压力的约10％-90％、或约40％-60％、或约50％，并且净回弹力可以是弹簧偏置力的约10％-90％、或约40％-60％、或约50％。在致动器构件上保持基本的非致动正压的这样的布置可以另外提供对阀致动器的更快的加压致动，因为致动器供应管线、致动器入口和致动器活塞腔室中的压力将从非致动正压，而不是完全通风的大气压进行加压。
在图13所示的实施方案中，背压装置包括与导向阀排出端口843组装的背压设备870。如图14所示，示例性背压设备870包括止回阀或溢流阀类型的装置，其主体871具有从第一端口872延伸到第二端口874的通道873，其中阀座875设置在通道中。密封构件876(例如，球或塞子)设置在通道873中，并且被偏置(例如，通过弹簧877)成与阀座875密封接合。密封构件在设定的入口端口压力(或“开启压力”)下与阀座分离，以通过第二端口874释放大于设定压力的任何过大压力，从而在背压装置870上游、在致动器入口端口处保持所需的非致动正压。
在其他实施方案中，可以在致动阀系统800中的多个其他位置中提供背压装置，包括例如与导向阀供应端口842组装在一起(示意性地在图13中的870a处)、安装在致动器供应管线829中(示意性地在870b处)、与阀致动器入口端口821组装在一起(示意性地在870c处)、与阀致动器820集成(示意性地在870d处)以及与导向阀840集成(示意性地在870e处)。
在一些布置中，如在870a、870b、870c和870d所示，背压装置既接收加压致动器流体(在致动器加压期间)又排放致动器流体(在致动器减压期间)。在这样的布置中，如图15所示，背压设备870’可以包括第一供应通道883’，所述第一供应通道允许向致动器供应管线的向前或供应流，但密封以防止来自致动器供应管线的反向流；以及与供应通道883’并联的第二排出通道873’，所述第二排出通道允许来自致动器供应管线的反向/排出流，同时保持标称的非致动背压，如上所述。尽管可以利用许多不同的配置，但是在一个实施方案中，背压设备870’可以包括如图14所示且如上所述的排出流止回/溢流阀装置，其与具有供应密封构件886’(例如，球或塞子)的供应流止回/溢流阀并联，所述供应密封构件设置在供应通道883’中并且被偏置(例如，通过弹簧887’)成与供应阀座885’密封接合，以阻止通过供应通道的反向流，同时允许通过供应通道的向前加压流。
根据本申请的另一示例性方面，用于将非致动正压保持在致动器入口上的背压装置可以设置有减压机构，以减小或消除所保持的非致动正压，使得使致动器的净回弹力增大。在“常闭”致动阀实施方案中，这样的布置可以在快速或频繁的阀循环期间允许更软或更轻的复位行程阀截止，同时允许在可能需要高完整性阀截止的延长的截止时段期间增大阀密封力(例如，系统关闭/维护)。在一个实施方案中，如图13示意性示出，背压装置可以包括排放/抽取阀890，所述排放/抽取阀直接或间接地与致动器供应管线829连接并且可选择性地操作以释放致动器供应管线中的保持压力，从而增大致动器的净回弹力。
在另一实施方案中，背压装置可以包括受控的或设计的泄漏路径，所述泄漏路径被配置为允许正压随时间推移泄放或减小，使得当致动器在阀循环期间保持在正常的非致动位置达大于标准阀循环时段的时间段时，致动器的净回弹力自动增大。例如，在致动阀通常每0.5至10秒循环一次的情况下，设计的泄漏路径可提供足以在约30-60秒内基本上消除非致动正压的泄漏率。在示例性实施方案中，设计的泄漏路径的大小或配置可被设定成在约25psi至40psi的气动压力下提供约0.25sccm至2.5sccm之间的泄漏率。
可以在致动阀系统中的多个位置中提供设计的泄漏路径，包括例如导向阀、致动器供应管线、致动器和背压设备中的任一者或多者。在图14的示例性背压设备870中，设计的泄漏路径可以例如设置在主体871(例如，在809a处与通道873相交的针孔泄漏端口)、阀座875(例如，在809b处的凹槽、凹口或其他这样的特征)和密封构件876(例如，在809c处的凹槽、凹口或其他这样的特征)中的一者或多者中。在图15的示例性背压设备870a中，设计的泄漏路径可以例如设置在主体871’(例如，在809a’处与排出通道873’相交的针孔泄漏端口，或在809b’处与供应通道883’相交的针孔泄漏端口)、排出阀座875’(例如，在809c’处的凹槽、凹口或其他这样的特征)、供应阀座885’(例如，在809d’处的凹槽、凹口或其他这样的特征)、排出阀密封构件876’(例如，在809e’处的凹槽、凹口或其他这样的特征)以及供应阀密封构件886’(例如，在809f’处的凹槽、凹口或其他这样的特征)中的一者或多者中。
图16示出另一示例性实施方案，其中背压装置被集成到致动器组件900中。致动器组件900包括限定入口端口911的壳体910以及接收第一力传递活塞920和第二力传递活塞940的第一活塞腔室912和第二活塞腔室914。第二活塞940与输出轴945集成在一起，以用于将输出力施加到与致动器900组装在一起的阀(未示出)中的阀元件。第一活塞腔室912还保持偏置弹簧950，所述偏置弹簧接合第一活塞920以迫使第一活塞920和第二活塞940向下。为了操作致动器900，施加到入口端口911的加压致动器流体(例如，空气)穿过第一活塞920和第二活塞940中的通道923、943以对活塞腔室912、914的下部部分加压，从而迫使活塞向上抵抗偏置弹簧950，以使输出轴945向上移动。
在示例性实施方案中，背压装置970集成到第二活塞940中，所述背压装置包括密封构件976，所述密封构件(通过弹簧977)被偏置成与设置在第二活塞通道943中的阀座975密封接合。当致动器入口端口911被加压时，加压流体使密封构件976抵抗弹簧977移动，以允许流体流入第二活塞腔室914的下部部分中并对其加压。当致动器900被减压时，密封构件976与阀座975的密封接合将加压流体保持在第二活塞腔室914中，以施加抵抗第二活塞940并与弹簧977的偏置力相反的阻尼力。如上所述，设计的泄漏路径可以设置在例如致动器壳体、第二活塞940、阀座975和密封构件976中的任一者或多者中，使得随时间推移，第二活塞腔室914中的流体压力减小或消除，并且偏置弹簧977的全部回弹力被施加到第二活塞940。
根据本申请的另一示例性方面，致动阀系统可以设置有背压装置，所述背压装置被配置为限制施加到阀致动器的压力和所产生的“向前行程”致动器输出力，例如，以限制“常开”阀致动器的闭合力(例如，以限制阀座磨损/损坏)。在这样的布置中，背压设备可以与导向阀入口或供应端口、致动器入口端口或致动器供应管线组装在一起，以在比入口或源压力低达背压设备的所选择的密封压差的期望致动压力下阻隔入口压力。尽管可以利用许多合适的背压设备，但是在一个实施方案中，图14的背压设备870可以与导向阀入口端口以相对于图13的实施方案相反的取向组装在一起，使得止回/溢流阀装置允许从致动阀系统压力源到导向阀的完全加压流，直到致动器入口端口处的压力达到由额定压差限定的选定压力，在所述压力下，密封构件876抵靠阀座875进行密封，从而保持致动器构件上的减小的致动压力。例如，如果将80psi的源压力施加到包括具有30psi的坐定压差的背压设备的致动阀系统，则施加到导向阀的压力将在50psi时被阻隔，从而有效地减小了致动器的向前行程力输出。
在另一实施方案中，图15的背压设备870’可以与导向阀供应端口、致动器入口端口或致动器供应管线以相对于图13的实施方案相反的取向组装在一起，使得第一通道883’的止回阀装置允许在直接排放/排出直接时流动不受限制，而第二通道873’的止回阀装置允许从致动阀系统压力源到导向阀的完全加压流，直到致动器入口端口处的压力达到由额定压差限定的选定压力，在所述压力下，密封构件876’抵靠阀座875’进行密封，从而保持致动器构件上的减小的致动压力。
本文所述的致动阀系统可以另外地或替代地设置有其他发明特征和部件。作为一个示例，如本文所述，包括用于保持致动器820上的非致动正压的背压设备870的致动阀系统800可以设置有与致动器供应管线829流体连通的传感器(例如，流量传感器或压力传感器，示意性地在图13中的835处示出)，其中传感器835被配置为测量加压致动器供应管线中对应于致动器构件在正常位置与致动位置之间的移动以及加压流体通过致动器构件的泄漏中的至少一者的流体流动状况。传感器835可以与在压力转换器835附近或远离所述压力转换器的系统控制器860(例如，计算机)连接(例如，通过有线或无线连接)，并且可以类似于图1、图2、图6、图8和图10至图12的实施方案。在这样的布置中，当导向阀处于闭合/排出位置时，致动器流体通过致动器构件的泄漏可由传感器(例如，压力转换器)通过所测量压力减小低于背压设备的压力设置来检测。
尽管已相对于某些示例性实施方案公开并描述了本发明，但在阅读了说明书的情况下，本领域技术人员可想到某些变型和修改。尽管有所附权利要求及其等同物的限定限制，但任何此类变化和修改都在本发明的范围内。因此，在不脱离申请人的总体本发明概念的精神或范围的情况下，可以与这些细节有所偏差。

Claims (31)

1.一种致动阀系统，其包括：
阀，所述阀包括流量控制阀元件；
致动器，所述致动器与所述阀组装在一起，并且包括流体驱动的致动器构件，所述流体驱动的致动器构件与所述阀元件操作性地连接，并且响应于所述致动器的入口端口的加压而能够与所述阀元件一起从正常位置移动到致动位置；
阀控制模块，所述阀控制模块包括与所述致动器入口端口连接的致动端口、用于与加压流体源连接的加压端口以及排出端口，所述阀控制模块包括导向阀装置，所述导向阀装置能够在第一状况、第二状况以及第三状况之间操作，所述第一状况允许在所述加压端口与所述致动端口之间的流动并阻止在所述致动端口与所述排出端口之间的流动以对所述致动器入口端口进行加压，所述第二状况阻止在所述加压端口与所述致动端口之间的流动并阻止在所述致动端口与所述排出端口之间的流动以将加压流体捕获在所述致动器入口端口中，所述第三状况阻止在所述加压端口与所述致动端口之间的流动并允许在所述致动端口与所述排出端口之间的流动以使所述致动器入口端口排放；
传感器，所述传感器与所述致动器入口端口流体连通以测量所述致动器入口端口中的流体状况；以及
控制器，所述控制器与所述传感器以及与所述导向阀装置电路连通，以使所述导向阀装置操作到所述第一状况、所述第二状况和所述第三状况，其中所述控制器被配置为响应于从所述传感器传达到所述控制器的所测量流体状况来自动地调整所述导向阀装置的操作；
其中所述致动器包括偏置弹簧装置，所述偏置弹簧装置具有弹簧刚度，所述弹簧刚度被配置成使得将所述致动器构件和阀元件从所述正常位置移动到所述致动位置所需的所述致动器压力比从所述正常位置开始致动器行程所需的所述致动器压力大至少50％。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述导向阀装置包括将所述加压端口与所述致动端口连接的第一截止阀，以及将所述排出端口与所述致动端口连接的第二截止阀。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述导向阀装置包括将所述致动端口与所述加压端口和所述排出端口中的每一者连接的切换阀，所述切换阀能够在对应于所述第一状况的第一位置、对应于所述第二状况的第二位置以及对应于所述第三状况的第三位置之间移动。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述传感器包括压力传感器。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述传感器设置在所述阀控制模块中。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述控制器设置在所述阀控制模块中。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述偏置弹簧装置的所述弹簧刚度被配置成使得将所述致动器构件和阀元件从所述正常位置移动到所述正常位置与所述致动位置之间的中点位置所需的所述致动器压力比从所述正常位置开始所述致动器行程所需的所述致动器压力大至少30％。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中当所述阀元件处于所述正常位置时，所述偏置弹簧装置的弹簧刚度比所述偏置弹簧装置的弹簧力大五倍。
9.一种致动阀系统，其包括：
阀，所述阀包括流量控制阀元件；以及
致动器，所述致动器与所述阀组装在一起，并且包括流体驱动的致动器构件，所述流体驱动的致动器构件与所述阀元件操作性地连接，并且响应于所述致动器的入口端口的加压而能够与所述阀元件一起从正常位置移动到致动位置；以及偏置弹簧，所述偏置弹簧被配置为响应于所述加压致动器的排放而使所述致动器构件和阀元件从所述致动位置返回到所述正常位置；
其中所述偏置弹簧装置具有弹簧刚度，所述弹簧刚度被配置成使得将所述致动器构件和阀元件从所述正常位置移动到所述致动位置所需的所述致动器压力比从所述正常位置开始致动器行程所需的所述致动器压力大至少50％。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述偏置弹簧装置的所述弹簧刚度被配置成使得将所述致动器构件和阀元件从所述正常位置移动到所述正常位置与所述致动位置之间的中点位置所需的所述致动器压力比从所述正常位置开始所述致动器行程所需的所述致动器压力大至少30％。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的系统，其中当所述阀元件处于所述正常位置时，所述偏置弹簧装置的弹簧刚度比所述偏置弹簧装置的弹簧力大五倍。
12.一种致动阀系统，其包括：
阀，所述阀包括流量控制阀元件；
致动器，所述致动器与所述阀组装在一起，并且包括与流体驱动的致动器构件流体连通的入口端口，所述流体驱动的致动器构件与所述阀元件操作性地连接，并且响应于所述入口端口的加压到至少最小致动压力而能够从正常位置移动到致动位置，所述致动器被配置为在所述入口端口减压时施加偏置力以将所述致动器构件返回到所述正常位置；
导向阀，所述导向阀具有与致动器入口端口连接的供应端口，所述导向阀可操作以在第一位置将加压流体供应到所述致动器入口端口，并在第二位置通过所述导向阀中的排出端口从所述致动器入口端口排出加压流体；
背压装置，所述背压装置与所述致动器入口端口流体连通，以在所述导向阀移动到所述第二位置时保持小于对所述致动器构件的所述最小致动压力的正压；以及
设计的泄漏路径，所述设计的泄漏路径与所述致动器入口端口流体连通，所述设计的泄漏路径被配置为在所述导向阀保持在所述第二位置时减小对所述致动器构件的非致动正压。
13.根据权利要求12所述的致动阀系统，其中所述背压装置包括背压设备，所述背压设备具有至少第一端部连接部，所述至少第一端部连接部用于与所述致动器入口端口、所述导向阀以及将所述导向阀连接到所述致动器入口端口的致动器供应管线中的至少一者连接。
14.根据权利要求13所述的致动阀系统，其中所述背压设备包括止回阀和溢流阀中的至少一者。
15.根据权利要求13所述的致动阀系统，其中所述背压设备与所述导向阀的所述排出端口组装在一起。
16.根据权利要求13所述的致动阀系统，其中所述背压设备与所述导向阀的所述供应端口组装在一起。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的致动阀系统，其中所述设计的泄漏路径被配置为在不到60秒内消除对所述致动器构件的所述非致动正压。
18.根据权利要求12-16中任一项所述的致动阀系统，其中所述设计的泄漏路径与所述背压装置集成在一起。
19.根据权利要求12所述的致动阀系统，其中所述背压装置设置在所述致动器中。
20.根据权利要求12-16中任一项所述的致动阀系统，其中所述致动构件从所述正常位置到所述致动位置的移动使所述阀元件从截止位置移动到流体流动位置。
21.根据权利要求12-16中任一项所述的致动阀系统，其中所述非致动正压施加抵抗所述致动器构件并且与所述偏置力相反的阻尼力以产生小于所述偏置力的净回弹力。
22.根据权利要求21所述的致动阀系统，其中所述净回弹力小于所述偏置力的一半。
23.根据权利要求12-16中任一项所述的致动阀系统，其中所述致动器构件包括活塞。
24.根据权利要求12-16中任一项所述的致动阀系统，其中所述非致动正压为所述最小致动压力的10％至90％。
25.根据权利要求12-16中任一项所述的致动阀系统，其还包括与所述致动器供应管线连接的传感器，所述传感器被配置为测量所述致动器供应管线中对应于所述致动器构件在所述正常位置与所述致动位置之间的移动以及加压流体通过所述致动器构件的泄漏中的至少一者的流体流动状况。
26.根据权利要求25所述的致动阀系统，其中所述传感器包括流量传感器。
27.根据权利要求25所述的致动阀系统，其中所述传感器包括压力传感器。
28.根据权利要求12-16中任一项所述的致动阀系统，其还包括将所述导向阀供应端口与所述致动器入口端口连接的致动器供应管线。
29.一种背压设备，其包括：
主体，所述主体限定从入口端口延伸到出口端口的通道；
阀座，所述阀座设置在所述通道中；
密封构件，所述密封构件设置在所述主体中并偏置成与所述阀座密封接合，所述密封构件在设定的气动入口压力下与所述阀座分离，以通过所述出口端口释放大于所述设定的气动压力的任何过量的气动压力；以及
与所述入口端口流体连通的设计的泄漏路径，所述设计的泄漏路径被配置为在等于所述设定的气动压力的入口压力下提供0.25sccm至2.5sccm的泄漏率。
30.根据权利要求29所述的背压设备，其中所述设定的气动压力在10psi与60psi之间。
31.根据权利要求30所述的背压设备，其中所述设计的泄漏路径由所述主体、所述阀座和所述密封构件中的至少一者限定。
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