CN111396621B

CN111396621B - 用于阀系统的传感器、包括传感器的阀系统及相关方法

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Publication number: CN111396621B
Application number: CN202010104691.5A
Authority: CN
Inventors: W.T.多伦蒂
Original assignee: Flowserve Management Co
Current assignee: Furo Services Private Ltd
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2034-09-15
Also published as: US20170292629A1; US20210285566A1; AU2014406531B2; US11060633B2; AU2014406531A1; EP3194820A4; EP3194820B1; US10385991B2; CN106922166A; CN111396621A; US20200049276A1; CN106922166B; EP3194820A1; US11953118B2; HUE045184T2; WO2016043710A1

Abstract

本发明公开了一种阀系统，包括：至少一个部件，该部件包括导电材料件；以及至少一个电感数字转换器（LDC），该电感数字转换器被构造成无线地感测导电材料件的至少一部分的位置。该阀系统被构造成：至少部分地基于该导电材料件的至少一部分的位置来确定施加至阀系统的一部分的至少一个力。用于确定与阀系统相关联的力的方法包括：利用至少一个电感数字转换器（LDC）传感器来无线地感测导电材料件的至少一部分的位置，并且至少部分地基于该导电材料件的至少一部分的位置来确定施加至该阀系统的一部分的力。

Description

用于阀系统的传感器、包括传感器的阀系统及相关方法

技术领域

本公开内容一般涉及用于与包括阀和阀动器中的一个或多个的阀系统一起使用的传感器，并且更具体地涉及用于检测施加至阀系统的一个或多个部件的至少一个力的传感器以及相关系统、组件和方法。

背景技术

阀包括用于液体和气体的装置。用于使阀元件在阀内移动的阀动器可以被机械地操作。阀动器被用于操作阀并且被制造成多种形状、大小、形式并具有多种用途。阀动器可以被手动驱动、电驱动、通过流体压力进行操作，其中，轴直接地或者间接地连接至流体操作活塞或其它液压系统。例如，阀动器可以被手动地驱动、通过流体压力进行操作，其中，轴直接地或间接地连接至流体操作活塞，或者由电液压构件或电流体机构驱动。常规的阀动器包括电驱动的输入轴，该电驱动的输入轴能够在相对低转矩的情况下以相对高的速度旋转。通过减少诸如蜗轮或螺旋螺纹和螺母等齿轮，该输入轴可以使相对高转矩、低速度的输出轴旋转。

致动器的大小通常被设置为使其能够提供比需要的更多的转矩以便使给定阀完全固定。可以期望的是确定由阀动器的输出轴或者驱动套筒产生的转矩。例如，当阀完全关闭和固定时，打开阀所需的转矩可能相当高。连续地监测转矩可以指示出阀是否磨损或粘住。转矩测量中的趋势模式可以使得能够进行预见性维护。

致动器需要按照适于给定应用中的各种操作模式的方式来控制或者限制可以被施加至负载的转矩量。较旧的机械技术通常使用复杂的机械系统来监测施加至被致动的阀的一部分（诸如，阀轴）的转矩。如果超过转矩阈值，则停止致动阀。

其它机械和非机械转矩传感器可以与旋转部件一起使用；然而，转矩传感器将需要被放置在阀动器的传动系中的扭力元件上。传动系在操作期间将转动。因此，可能难以从转动的传感器取得转矩信息。

发明内容

在一些实施例中，本公开内容包括阀系统，该阀系统包括：至少一个部件，该至少一个部件包括至少一个导电材料件；以及至少一个电感数字转换器（LDC）传感器，该至少一个电感数字转换器（LDC）传感器与至少一个部件的至少一个导电材料件隔开。电感数字转换器（LDC）传感器包括电感器并且被构造成无线地感测导电材料件的至少一部分的位置。阀系统被构造成至少部分地基于利用至少一个电感数字转换器（LDC）传感器感测的导电材料件的至少一部分的位置来确定施加至阀系统的一部分的至少一个力。

在另一额外实施例中，本公开内容包括阀动器，该阀动器包括：蜗杆轴，该蜗杆轴包括蜗杆和至少一个导电材料件；偏压元件，该偏压元件将蜗杆轴偏压在第一位置中；马达，该马达用于使蜗杆轴旋转；蜗轮，该蜗轮被构造成与阀的阀杆结合并且驱动该阀杆以便使阀的阀元件在打开位置与关闭位置之间移动；以及至少一个电感数字转换器（LDC）传感器，该至少一个电感数字转换器（LDC）传感器与蜗杆轴的至少一个导电材料件隔开。电感数字转换器（LDC）传感器包括电感器并且被构造成无线地感测导电材料件的位移。阀系统被构造成基于利用至少一个电感数字转换器（LDC）传感器感测的导电材料件的位移以及偏压元件的已知刚度来确定与阀动器相关联的输出转矩。

在另一额外实施例中，本公开内容包括用于确定与阀系统相关联的力的方法。该方法包括：将至少一个电感数字转换器（LDC）传感器定位成靠近阀系统的部件的导电材料件；利用至少一个电感数字转换器（LDC）传感器来无线地感测导电材料件的至少一部分的位置；以及至少部分地基于利用至少一个电感数字转换器（LDC）传感器感测的导电材料件的至少一部分的位置来确定与阀系统的一部分相关联的力。

对于本领域的技术人员而言，通过考虑结合附图进行的下列详细描述，本公开内容的特征、优点及各种方面将是明显的。

附图说明

尽管本说明书以特别指出并且清楚地要求保护的被视为本公开内容的权利要求书为结论，但是当结合附图阅读时，能够从本公开内容的下列描述中更加容易地确定本公开内容的优点。

图1是电驱动的阀动器的剖视图。

图2是气驱动的阀动器的横截面视图。

图3是根据本公开内容的实施例的包括一个或多个电感数字转换器（LDC）传感器的阀系统的示意图，该一个或多个电感数字转换器（LDC）传感器用于感测阀组件的一个或多个部件的一个或多个特性。

图4是根据本公开内容的实施例的包括一个或多个LDC传感器的阀系统的部分横截面透视示意图，该一个或多个LDC传感器用于感测阀系统的部件的一个或多个特性。

图5至图7分别示出了根据本公开内容的实施例的用于与包括一个或多个LDC传感器的阀系统一起使用的导电材料件。

图8至图10分别示出了根据本公开内容的实施例的包括LDC传感器的阀系统的部分横截面透视示意图，该LDC传感器用于感测阀系统的部件的一个或多个特性。

图11是根据本公开内容的实施例的包括一个或多个LDC传感器的阀系统的部分横截面视图，该一个或多个LDC传感器用于感测阀系统的部件的一个或多个特性。

图12是被示出为处于位移位置中的图11的阀系统的部分横截面视图。

图13是根据本公开内容的实施例的包括一个或多个LDC传感器的阀系统的部分横截面视图，该一个或多个LDC传感器用于感测阀系统的部件的一个或多个特性。

图14至图19分别示出了根据本公开内容的实施例的包括LDC传感器的阀系统的部分视图，该LDC传感器用于感测阀系统的部件的一个或多个特性。

具体实施方式

本公开内容的方法、装置、设备和系统包括用于与包括阀和阀动器中的一个或多个的阀系统一起使用的传感器。例如，这样的传感器可以用于检测施加至阀系统的一个或多个部件的至少一个力。

图1图示了电驱动的阀动器100。图1仅图示了电驱动的阀动器的一种类型并且不旨在限制本公开内容对任意电驱动的阀动器或其它阀动器（例如，气动致动器、液压致动器等）的适用性。阀动器100包括联接至蜗杆轴103的电动马达104。操纵轮101连接至操纵轮适配器111。操纵轮适配器111连接至驱动套筒102。驱动套筒102连接至阀杆螺母（未示出）。蜗轮110与蜗杆轴103相配。蜗轮110还联接至阀杆螺母，从而能够驱动阀的阀杆。在图1中，阀动器100没有被示出为附接至阀。电动马达104或者操纵轮101的操作使阀杆升高或降低。阀杆能够上下行进通过操纵轮101的中心。阀杆也可以旋转，并且可以操作能够使阀打开或关闭的阀中的螺母或者能够直接将阀旋转至打开或关闭位置（例如，如在蝶形阀、叶片阀或球阀中）。

阀动器100可以包括用于操作阀的任意传动系、硬件、装置、电子器件和/或软件。阀动器100可以被设计用于阀内的任意类型的阀元件，包括：例如，线性阀元件、直角转弯旋转(quarter-turn rotary)阀元件，多圈旋转阀元件，球阀元件，旋塞阀元件，闸式阀元件，蝶形阀元件和隔膜阀元件。阀动器100的部件可以以任意方式设置。如本领域中已知的，操纵轮101可以被定向至阀动器100的侧部。

该传动系包括任意原动机、任意手动操作机构、任何脱离或隔离机构、制动机构、任意速度调节机构以及用于附接至阀的机构。传动系还可以排除任意上述元件或者还包括附加元件。仅为了图示的目的，图1示出了作为原动机的电动马达104以及作为手动操作机构的操纵轮101。通常，离合器机构被包括以使得电动马达104或操纵轮101的操作均不会引起另一个的操作。举例来说，杠杆105和离合器分离机构113能够被提供作为脱离或隔离机构。本领域中已知多种离合器和接合机构。离合器分离机构113可以被设计成与阀动器100的传动系的任意部分接合或脱离。

在图1中，制动机构和速度调节机构均被结合在蜗杆轴103和蜗轮110中。用于代替蜗轮110和蜗杆轴103或者除此之外，也可以在阀动器100中使用其它齿轮类型或不使用齿轮。通常基于电动马达104与阀杆螺母之间的速度减小量（如果存在的话）来选择用于阀动器的齿轮类型。在下文中，当提到阀动器的传动系的齿轮时，主要使用蜗轮和蜗杆轴的示例。然而，应该理解的是，本讨论可以适用于任意齿轮。如果阀动器中不存在齿轮，则任意适用的原动机的输出机构也能满足需求。

在图1的示例中，用于附接至阀的机构可以是阀杆螺母和相关联的支撑结构，如在本领域中已知的。然而，可以使用在本领域中已知的用于附接的任意机构。如在本文中使用时，术语“阀”包括该术语在本领域中使用的最通用的用法，包括对至少部分地控制液体、气体和/或固体的流动的装置的定义。电动马达104可以是能够操作阀动器的任意电驱动的原动机。

图1还图示了用于阀动器100的示例性控制系统106。例如，控制系统106可以包括用于控制电动马达104的控制模块108，并且描绘了用于从人机界面（例如，控制面板107）接收输入以及用于将输出发送至指示器112的电路板115。控制面板107可以包括一个或多个输入装置116（例如，旋钮和/或开关），用户可以使用该一个或多个输入装置116以用于操作阀动器100的控制系统106。

在该特定示例中，指示器112被图示为液晶显示器（LCD）。可以存在一个或多个指示器112。指示器的几个非限制性示例包括：发光二极管灯（LED）和显示器、丝灯以及刻度盘。

控制系统106还可以包括编码器109，该编码器109在图1中被描绘为多轮绝对编码器。该编码器可以包括一个或多个轮117（例如，旋转齿轮）。在其它实施例中，编码器109可以包括不同类型的编码器，诸如例如，单轮绝对编码器、增量编码器等。

在一些实施例中，人机界面可以是控制系统106的一部分。在其它实施例中，人机界面可以与控制系统106分开形成并且与控制系统106远程通信。

本公开内容不限于任意特定的阀动器并且可以适用于任意阀动器。图2图示了气驱动的阀动器，阀动器140。阀动器140被示出为与阀136相配并且致动器杆122联接至阀杆129和塞入物130。致动器杆122的移动导致阀杆129和塞入物130的对应移动，从而控制阀136的操作。阀136可以能够由致动器操作的截止阀、闸式阀、球阀、蝶形阀、旋塞阀、隔膜阀或任意其它类型的阀。致动器杆122和塞入物130被图示用于代表性的截止阀。然而，应该理解的是，任一部件均可以取决于所存在的阀的类型进行修改。此外，当在下文中使用短语“传动系”时，该短语包括阀动器140的驱动部件，诸如，致动器杆122。

阀动器140还可以包括类似于如上文参照图1示出和描述的控制系统106的控制系统。

本公开内容的实施例包括传感器，该传感器使用电感式感测（例如，无磁电感式感测，诸如，在不使用磁体的情况下操作的电感数字转换器传感器（LDC传感器），尽管该传感器仍可能产生磁场），以用于与阀系统的一个或多个部件一起使用，诸如例如，阀动器、用于阀系统的编码器（例如，旋转编码器）、用于阀动器的控制系统（例如，阀动器的内部或者外部（例如，远程）控制系统）。这样的LDC感测可以提供非接触式（例如，无线）无磁传感器，该传感器在恶劣环境中可以相对地更有适应力，在恶劣环境下，这样的LDC感测可以更不易收到传感器与被感测的对象之间的干扰（例如，外来污染物）。另外，这样的LDC感测使得能够通过一个或多个静止的LDC传感器来感测可移动部件（例如，平移部件和/或旋转部件）上的一个或多个导电目标。

这样的LDC传感器通过使用电感器（例如，线圈、绕线、印刷电路板（PBC）上的线圈、弹簧等）进行操作以便检测导电材料件（例如，金属、箔片、导电油墨等）。通过测量导电材料件的性质（例如，导电材料件的电感和/或涡流），可以确定导电材料件的各种特性。例如，流过线圈的交流（AC）电流将生成AC磁场。当将导电材料件带到线圈附近时，该磁场将在导电材料件的表面上引发环状电流（例如，涡流）。这些涡流根据导电材料件的距离、大小和形状（例如，面积、体积）以及成分而变化，并且生成它们自己的磁场，该磁场与线圈产生的原始磁场相反。线圈与导电材料件的涡流之间的电感耦合取决于距离和形状。因此，导电材料件的涡流的电阻和电感出现作为线圈上的取决于距离的电阻式和电感式部件。

这样的LDC传感器能够检测导电材料件的移动或者其它特性（例如，旋转、平移、线性位置、角位置、流体流、速度、角速度、线速度、压缩、伸长、转矩、振动、成分、应力、张力、缺陷或其组合）和/或导电材料件的变化（例如，导电材料件的尺寸，诸如，长度、宽度、厚度等）。LDC传感器将从导电材料件上检测到的这些值转送至电感数字转换器（例如，能够从德克萨斯州的Texas Instruments Incorporated of Dallas公司获得）以便输出从导电材料件上检测到的与阀相对应的信号（例如，感测的位置）。

图3是阀系统200的示意图，该阀系统200包括一个或多个LDC传感器202，该一个或多个LDC传感器202用于感测阀组件208的一个或多个部件206的一个或多个特性（例如，位置）。阀系统200然后可以使用被感测的值来确定阀组件208的一个或多个部件206的另一特性（例如，与阀组件208的一个或多个部件206相关联的力）。

在一些实施例中，阀组件208可以包括阀动器，诸如例如，上面分别参照图1和图2示出并描述的阀动器100和140，和/或可以包括阀组件（例如，阀136）。

在一些实施例中，阀组件208的一个或多个部件206可以包括轴（例如，旋转和/或线性位移轴，诸如例如，蜗杆轴103（图1）、致动器杆122（图2）或阀杆129（图2））。在一些实施例中，阀组件208的一个或多个部件206可以包括输入装置，诸如，控制系统106的输入装置116（图2）。在一些实施例中，阀组件208的一个或多个部件206可以包括编码器的轮，诸如例如，编码器109的旋转齿轮117（图1）。

如在图3中所示，LDC传感器202被定位成靠近于阀组件208的部件206以便感测阀组件208的部件206的一个或多个特性（例如，位置）。在一些实施例中，阀组件208的部件206可以由导电材料件（例如，含铁金属）形成，该导电材料件可以由线圈204检测，该线圈204由电子器件205（例如，控制系统）驱动，该电子器件205可以给线圈204供电并且响应于阀组件208的部件206的位置来感测线圈204的值（例如，电阻和/或电感）。阀组件208的部件206可以包括可以由线圈204检测的导电材料件210（例如，导电箔、导电油墨、导电材料件薄片等）。在一些实施例中，导电材料件210可以被施加（例如，粘附）至阀组件208的部件206的一部分（例如，外表面）。在一些实施例中，其中，阀组件208的部件206也是由导电材料件形成，绝缘材料212可以定位在导电材料件210与阀组件208的部件206之间。在其它实施例中，阀组件208的导电部分可以形成导电材料件210。

导电材料件210可以以任意数量的合适形状和/或厚度形成以便识别阀组件208的部件206的一个或多个特性。例如，导电材料件210可以被形成为线形条，其中，阀组件208的下层部件206的变形（例如，张紧、压缩、扭曲）将存在于线形条中并且能够由LDC传感器202检测（例如，线形条的缩颈或者扭曲）。在一些实施例中，导电材料件210的形状和/或厚度的各种已知值（例如，初始值）可以被储存以使得可以将LDC传感器202检测到的值与已知或者预期值（例如，储存值和/或利用相同或不同的LDC传感器202使用相同或不同的导电材料件检测到和/或确定出的值）相比较以便检测导电材料件210的偏差（例如，变形）。

进一步举例来说，导电材料件210可以以任意数量的特定形状和/或厚度（例如，变化的厚度）形成以便检测阀组件208的部件206的一个或多个目标特性（例如，线性位置和/或角位置及相关值），诸如，下面参照图4至图10以及图14至图19讨论的那些形状。

图4是阀系统300的部分横截面透视示意图，包括阀系统300的部件（例如，轴302的一部分）以及用于感测轴302的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202。在一些实施例中，轴302可以是旋转和/或线性位移轴，诸如例如，蜗杆轴103（图1）、致动器杆122（图2）或阀杆129（图2）。如所描绘的，轴302可以包括一种或多种导电材料件304。例如，导电材料件304可以被施加至轴302的外表面（例如，外圆周）以便检测轴302的至少一个特性（例如，角位置、线性位置、角速度、扭力等）。如上面所讨论的，其中，轴302也由导电材料件形成，绝缘材料306可以用于将轴302的导电材料件304与施加至轴302的导电材料件304隔开以便使轴的导电材料件304与LDC传感器202至少部分地隔离。在其它实施例中，阀系统的一个或多个部件的至少导电部分可以被形成为展现类似于导电材料件300的形状。

为了确定轴302的角位置（或者为了至少部分地基于轴302的位置而进一步确定轴302或阀系统的另一部分的特性），导电材料件304可以被设计为沿着轴302的圆周变化。例如，如所描绘的，导电材料件304可以被形成为沿着轴302的圆周变化的一个或多个三角形形状。在其它实施例中，可以实施任意其它合适的形状。导电材料件304的形状的这种变化使得被定位成靠近LDC传感器202并且由LDC传感器202感测的导电材料件304的部分（例如，面积、体积）发生变化，以便利用LDC传感器202使由LDC传感器202感测到的数据与轴302和导电材料件304的已知或者预期位置相关。

在一些实施例中，两个或者更多个LDC传感器202可以被用于确定轴302的位置。例如，靠近于每个LDC传感器202的导电材料件304可以以交替的方式（例如，反向地、颠倒地、镜像地）施加至轴302，以使得每个LDC传感器202可以被用于确定轴302的位置并且针对来自其它LDC传感器202的数据验证感测到的数据。在一些实施例中，两个或者更多个LDC传感器202可以被用于补偿或检测轴302的已知或者预期位置的变化或偏差（例如，检测例如由扭力引起的阀系统的部件的变形）。例如，一个LDC传感器202可以用于感测轴302的已知位置，然后将该已知位置与第二LDC传感器202的预期位置进行比较。因此，如果第二LDC传感器202的感测到的值偏离预期值，则LDC传感器可以指示这种偏差（例如，由轴302的变形引起）或感测系统的误差。在一些实施例中，两个或更多个LDC传感器202以及两种或更多种导电材料件304可以用于补偿导电材料件304的目标位置的可变性。例如，如果两种导电材料件304均在共同旋转轴上，该轴具有共同的半径变化（例如，该轴围绕转动轴线不是同心的，即，跳动），则能够将来自导电材料件304的信号平均化以便从信号上消除轴的变化。

虽然图4中示出的导电材料件304被主要地构造用于测量角位置和其它相关值（例如，角速度），但导电材料件的类似或者其它构造也可以用于测量轴302的其它特性（例如，线性位置和相关值）。

图5示出了用于与阀系统（例如，上面参照图1至图4示出并描述的阀动器100和140和/或阀系统200和300）一起使用的导电材料件400。导电材料件400可以被施加至阀系统的一个或多个部件（例如，在适用的情况下具有插入的绝缘材料）。在其它实施例中，阀系统的一个或多个部件的至少导电部分可以被形成为展现出类似于导电材料件400的形状。

如所描绘的，导电材料件400在与LDC传感器202（图3）一起监测旋转部件的角位置和/或相关值（例如，角速度）方面可以是有效的。例如，导电材料件400可以被施加或者以其他方式定位在靠近一个或多个LDC传感器202（图3）的旋转部件的轴向端上以便监测具有导电材料件400的部件的旋转定位。在一些实施例中，导电材料件400可以被定位在（例如，被施加至、形成在）蜗杆轴103上（图1）、致动器杆122上（图2）、阀杆129上（图2）、控制系统106的输入装置116（例如，旋钮）上（图2）和/或编码器109的旋转轮117上（图1）。

图6示出了用于与阀系统（例如，上面参照图1至图4示出并描述的阀动器100和140和/或阀系统200和300）一起使用的另一导电材料件（例如，导电轮500）。该导电材料件可以被施加至阀系统的一个或多个部件（例如，在适用的情况下具有插入的绝缘材料）。如所描绘的，阀系统本身的部件（例如，被形成为例如旋转齿轮的导电轮500）可以形成导电材料件。换言之，导电材料件形成有导电轮500（例如，齿轮）。在其它实施例中，导电材料件可以被施加至旋转齿轮以便实现相同或者类似形状。

LDC传感器202（图3）可以监测导电轮500的至少一部分的位置（例如，角位置）和/或相关值（例如，角速度、齿频率、齿定位等）。例如，导电轮500的至少一部分可以被定位成靠近一个或多个LDC传感器202（图3）以便监测导电轮500的定位。在一些实施例中，LDC传感器202可以用于检测导电轮500的每个齿轮齿的位置（例如，靠近程度）以便监测导电轮500的一个或多个部分的位置。在其它实施例中，导电材料件的各种形状可以从导电轮500的齿轮齿径向向内地施加以便监测导电轮500的位置。

在一些实施例中，导电轮500可以包括编码器109（图1）的编码器轮和/或用在阀系统中的齿轮的各种其它轮。

图7示出了用于与阀系统（例如，上面参照图1至图4示出并描述的阀动器100和140和/或阀系统200和300）一起使用的导电材料件600。导电材料件600可以被施加至阀系统的一个或多个部件（例如，在适用的情况下具有插入的绝缘材料）。在其它实施例中，阀系统的一个或多个部件的至少导电部分可以被形成为展现出类似于导电材料件600的形状。

如所描绘的，导电材料件600在与LDC传感器202（图3）一起监测线性移动部件（例如，平移部件）的线性位置和/或角位置和/或相关值（例如，速度）方面可以是有效的。例如，导电材料件600可以沿着靠近一个或多个LDC传感器202（图3）的线性移动部件被施加或以其他方式定位（例如，沿着部件定位的方向平行于部件的移动的预期方向）以便监测具有导电材料件600的部件的线性定位（例如，平移）。在一些实施例中，导电材料件600可以被定为成围绕旋转部件（例如，围绕部件的中心线径向地定位）以便监测部件的角度定位。

在一些实施例中，导电材料件600可以被定为成沿着蜗杆轴103（图1）、致动器杆122（图2）、阀杆129（图2）、控制系统106的输入装置116（例如，开关或者其它线性移动输入装置）（图2）和/或编码器109的旋转轮117（图1）（例如，被施加至这些部件或形成在这些部件上）。

图8是阀系统700的部分横截面透视示意图，包括阀系统700的部件（例如，轴302的一部分）以及用于感测轴302的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202。在一些实施例中，轴302可以是旋转位移轴和/或线性位移轴，诸如例如，蜗杆轴103（图1）、致动器杆122（图2）或阀杆129（图2）。如所描绘的，轴302可以包括一种或多种导电材料件704。例如，导电材料件704可以被施加至轴302的外表面（例如，外圆周）以便检测轴302的至少一个特性（例如，线性位置、线性或平移速度等）。如上面讨论的，其中，轴302也由导电材料件形成，绝缘材料706可以用于将轴302的导电材料件304与施加至轴302的导电材料件704隔开以便使轴的导电材料件704与LDC传感器202至少部分地隔离。

为了确定轴302的线性位置（或者为了至少部分地基于轴302的位置而进一步确定轴302或阀系统的另一部分的特性），导电材料件704可以被设计成沿着轴302的长度发生厚度变化（例如，沿着轴302的纵向轴线或者中心线）。例如，导电材料件704可以被形成为展现出具有一个或多个尖端708的渐变厚度，该一个或多个尖端708在轴302的径向方向上具有增加的厚度，该一个或多个尖端708由在轴302的径向方向上具有减小的厚度的谷部710隔开（例如，两个尖端708由单个谷部710隔开）。换言之，导电材料件704的一个或多个部分被形成为其厚度大于导电材料件704的一个或多个相邻部分的厚度，其中，渐变厚度在该部分之间延伸。这样的构造可以使得传感器202能够检测轴302的线性位置（例如，平移），因为导电材料件704的形状（例如，厚度）使得被定位成靠近LDC传感器202并且由LDC传感器202感测的导电材料件704的部分（例如，面积、体积）发生变化，从而利用LDC传感器202使由LDC传感器202感测到的数据与轴302和导电材料件704的已知或者预期位置相关。

图9是阀系统800的部分横截面透视示意图，包括阀系统800的部件（例如，轴302的一部分）以及用于感测轴302的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202。如所描绘的，轴302可以包括一种或多种导电材料件804。例如，导电材料件804可以被施加至轴302的外表面（例如，外圆周）以检测轴302的至少一个特性（例如，线性位置、线性或者平移速度等）。如上面讨论的，其中，轴302也由导电材料件形成，绝缘材料806可以用于将轴302的导电材料件304与施加至轴302的导电材料件804隔开以便使轴302的导电材料件804与LDC传感器202至少部分地隔离。

为了确定轴302的线性位置（或者为了至少部分地基于轴302的位置而进一步确定轴302或阀系统的另一部分的特性），导电材料件804可以被设计成沿着轴302的长度发生厚度变化（例如，沿着轴302的纵向轴线或者中心线）。例如，导电材料件804可以被形成为展现出具有一个或多个尖端808的渐变厚度，该一个或多个尖端808在轴302的径向方向上具有增加的厚度，该一个或多个尖端808与在轴302的径向方向上具有减小的厚度的谷部810交替（例如，一个尖端808在尖端810的任一侧上具有谷部810）。换言之，导电材料件804的一个或多个部分被形成为其厚度大于导电材料件804的一个或多个相邻部分的厚度，其中，渐变厚度在该部分之间延伸。这样的构造可以使得传感器202能够检测轴302的线性位置（例如，平移），因为导电材料件804的形状（例如，厚度）使得被定位成靠近LDC传感器202并且由LDC传感器202感测的导电材料件804的部分（例如，面积、体积）发生变化，以便利用LDC传感器202使由LDC传感器202感测到的数据与轴302和导电材料件804的部分的已知或者预期位置相关。

图10是阀系统900的部分横截面透视示意图，包括阀系统900的部件（例如，轴302的一部分）以及用于感测轴302的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202。如所描绘的，轴302可以包括一种或多种导电材料件904。例如，导电材料件304可以被施加至轴302的外表面（例如，外圆周）以便检测轴302的至少一个特性（例如，线性位置、线性或者平移速度等）。如上面所讨论的，其中，轴302也由导电材料件形成，绝缘材料906可以用于将轴302的导电材料件304与施加至轴302的导电材料件904隔开以便使轴的导电材料件904与LDC传感器202至少部分地隔离。

为了确定轴302的线性位置（或者为了至少部分地基于轴302的位置而进一步确定轴302或者阀系统的另一部分的特性），导电材料件904可以被设计成沿着轴302的长度发生厚度变化（例如，沿着轴302的纵向轴线或者中心线）。例如，导电材料件904可以被形成为展现出具有一个或多个尖端908的渐变厚度，该一个或多个尖端908在轴302的径向方向上具有增加的厚度，该一个或多个尖端908与在轴302的径向方向上具有减小的厚度的谷部910交替（例如，渐变厚度在一个尖端908与一个谷部910之间延伸）。换言之，导电材料件904的一个或多个部分被形成为其厚度大于导电材料件904的一个或多个相邻部分的厚度，其中，渐变厚度在该部分之间延伸。这样的构造可以使得传感器202能够检测轴302的线性位置（例如，平移），因为导电材料件904的形状（例如，厚度）使得被定位成靠近LDC传感器202并且由LDC传感器202感测的导电材料件904的部分（例如，面积、体积）发生变化，以便利用LDC传感器202使由LDC传感器202感测到的数据与轴302和导电材料件904的部分的已知或者预期位置相关。

图11是阀系统（例如，阀动器1000的一部分）的部分横截面视图，该阀动器1000可以大概类似于上面分别参照图1和图2示出并描述的阀动器100和140。如在图11中所示，阀动器1000可以包括一个或多个LDC传感器202，该一个或多个LDC传感器202被构造成感测阀动器1000的部件（例如，轴1002）的一个或多个部分的特性（例如，位置）。感测到的特性然后可以用于确定与阀动器1000相关联或者施加至阀动器1000的（例如，与轴1002和/或阀动器1000的一个或多个其它部件相关联的或者施加至轴1002和/或阀动器1000的一个或多个其它部件的）至少一个力（例如，轴向力、输出转矩）。尽管参照阀动器1000的轴1002示出并描述了图11的实施例，但在其它实施例中，一个或多个LDC传感器可以用于测量阀系统的其它部件中的一个或多个力。

如在图11中描绘的，LDC传感器202可以用于通过例如监测轴1002的位置来确定被施加至阀系统的部件的或者从该部件输出的力。例如，LDC传感器202可以监测沿着轴1002的轴线（例如，轴1002的纵向轴线L₁₀₀₂）的轴的位置。为了监测轴1002的位置，LDC传感器202可以感测轴1002上的导电材料件或者部分1014（例如，轴1002的集成部分），该部分1014可以与轴1002隔开或者与轴1002形成整体并且可以以上文中或者下面讨论的各种构造中的任一种形成。例如，如所描绘的，轴1002的导电材料件1014可以以类似于参照图8示出并描述的谷部构造形成。然而，如所描绘的，这样的谷部形状可以形成在靠近LDC传感器202的轴1002的直径内，而不是形成在如图8中所示的轴的外径上。

LDC传感器202可以用于确定施加至阀杆（例如，阀杆129（图2））的力（例如，转矩），该阀杆联接至蜗轮并且通过蜗轮移动（例如，阀组件1000的蜗轮1010、阀动器100的蜗轮110）。轴1002包括与蜗轮1010相配的蜗杆1006，类似于上面参照图1所讨论的。同样如上面所讨论的，轴1002可以由马达（例如，马达104（图1））驱动。

轴1002可以被安装（例如，安装在一个或多个轴承1008上）以便沿着轴1002的纵向轴线L₁₀₀₂移动。轴1002可以（例如，通过弹簧或者其它可变形构件）被偏压在初始位置中。例如，轴1002可以通过可变形（例如，主要地可弹性变形）板1012被偏压在初始位置中。例如，轴1002可以延伸通过板1012，并且轴承1008可以被定位在板1012的相对侧上并且可以在轴1002沿着其纵向轴线L₁₀₀₂在任一方向上移动时与板1012接合。

图12是被示出为处于位移位置中的图11的阀系统的轴1002的部分横截面视图。如在图12中所示，当通过马达104（图1）使轴1002旋转时，轴1002将沿着纵向轴线L₁₀₀₂移动直到产生足够的力开始使蜗轮1010（以及附接至蜗轮1010的阀杆129（图2））移动。例如，可能需要这样的足够的力以便克服趋于使阀杆129（图2）保持在初始静止位置中的任意摩擦力或者其它力。轴1002沿着纵向轴线L₁₀₀₂的移动将迫使轴1002的一部分（例如，可滑动地安装在阀动器1000的壳体1001内的轴承1008）与板1012接触并且可以用于使板1012变形，从而使得轴1002沿着纵向轴线L₁₀₀₂在相反方向上被偏压。应该意识到的是，轴1002也可以基于由电机104（图1）产生的轴1002的旋转的方向而以类似的方式沿着纵向轴线L₁₀₀₂在相反的方向上移动。

为了确定（例如，计算）置于阀杆129（图2）上的力（例如，转矩）的量，可以由LDC传感器202通过下述方式来检测轴1002沿着纵向轴线L1002从初始位置开始进行的位移（例如，平移）的量：感测靠近LDC传感器202的导电材料件1014并且使感测到的值与导电材料件1014和轴1002的已知或者预期位置相关。然后用相对于轴1002的初始位置的位移量（x）乘以板1012的已知刚度或者弹簧常数（k）以确定施加至轴1002的轴向力（F）（即，F=k*x）。然后可以用轴向力（F）乘以蜗轮1010的中心与其在轴1002上（例如，在蜗杆1006处）的接触点之间的距离或半径（r）以计算转矩（τ）（例如，输出转矩）（即，τ=F*r）。

在一些实施例中，轴1002上的导电材料件或者部分1014可以包括平坦部分1016（例如，位于谷部的底部处的容纳部（dwell））。这样的平坦部分1016可以使得能够在阀动器1000的各种部件之间进行补偿（例如，游隙、侧隙（backlash）、公差）。例如，平坦部分1016可以被定位成使得侧隙（例如，在蜗杆1006与蜗轮1010之间）可以使导电材料件或部分1014在平坦部分1016中移动以便基本上不会使LDC传感器202记录导电材料件1014的移动。换言之，平坦部分1016被构造成基本上不由LDC传感器202感测，从而使得由侧隙引起的移动基本上不会被LDC传感器202记录为位置变化。在一些实施例中，一个或多个间隙1018（例如，具有在沿着纵向轴线L₁₀₀₂的方向上的宽度，类似于轴1002的导电材料件或者部分1014的平坦部分1016的宽度）可以形成在轴承1008与板1012之间以便在不使板1012变形的情况下允许轴102中的一些移动或者侧隙。

图13是阀系统（例如，阀动器1100的一部分）的部分横截面视图，该阀动器1100可以有些类似于上面分别参照图1和图2示出并描述的阀动器100和140。在一些实施例中，阀动器1100可以基本上类似于上面关于图11和图12讨论的阀动器1000。然而，如在图13中所示，阀动器1100可以被形成为基本上（例如，完全地）抑制在轴1102的纵向轴线L₁₁₀₂上的游隙（例如，在不使板1012变形的情况下）。如所描绘的，轴1102的导电材料件或者部分1114也可以不包括平坦部分。这样的实施例可以包括一个或多个固定轴承1108（例如，固定地联接至轴1102的推力轴承），该一个或多个固定轴承1108被构造成支撑轴向力或者负载。

图14是阀系统1200的部分视图，包括阀系统1200的部件（例如，轴1202的一部分）以及用于感测轴1202的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202（例如，以便确定与轴1202和/或阀系统1200的另一部件相关联的力）。在一些实施例中，轴1202可以是旋转位移轴和/或线性位移轴，诸如例如，蜗杆轴103、1002、1102（图1、图11、图12和图13）、致动器杆122（图2）或阀杆129（图2）。如所描绘的，轴1202可以包括一种或多种导电材料件或者部分1204（例如，至少部分地形成在轴1204的直径内）。

为了确定轴1202的线性位置（或者为了至少部分地基于轴1202的位置而进一步确定轴1202或阀系统的另一部分的特性（例如，力）），导电材料件1204可以被设计成沿着轴1202的长度发生厚度变化（例如，沿着轴1202的纵向轴线或者中心线）。例如，导电材料件1204可以被形成为展现出具有一个或多个尖端的渐变厚度，该一个或多个尖端在轴1202的径向方向上具有增加的厚度，该一个或多个尖端由在轴1202的径向方向上具有减小的厚度的谷部隔开（例如，两个尖端由单个谷部隔开）。这样的构造可以使得传感器202能够检测轴1202的线性位置（例如，平移），因为导电材料件1204的形状（例如，厚度）使得被定位成靠近LDC传感器202并且由LDC传感器202感测的导电材料件1204的部分（例如，面积、体积）发生变化，以便利用LDC传感器202使由LDC传感器202感测到的数据与轴1202和导电材料件1204的已知或者预期位置相关。

图15是阀系统1300的部分视图，包括阀系统1300的部件（例如，轴1302的一部分）以及用于感测轴1302的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202（例如，以便确定与轴1302和/或阀系统1300的另一部件相关联的力）。在一些实施例中，轴1302可以是旋转位移轴和/或线性位移轴，诸如例如，蜗杆轴103、1002、1102（图1、图11、图12和图13）、致动器杆122（图2）或阀杆129（图2）。如所描绘的，轴1302可以包括一种或多种导电材料件或者部分1304（例如，至少部分地形成在轴1204的直径内）。

为了确定轴1302的线性位置（或者为了至少部分地基于轴1302的位置而进一步确定轴1302或阀系统的另一部分的特性（例如，力）），导电材料件1304可以被设计成沿着轴1302的长度发生厚度变化（例如，沿着轴1302的纵向轴线或者中心线）。例如，导电材料件1304可以被形成为展现出具有一个或多个尖端的渐变厚度，该一个或多个尖端在轴1302的径向方向上具有增加的厚度，该一个或多个尖端由在轴1302的径向方向上具有减小的厚度的谷部隔开（例如，两个谷部由单个尖端隔开）。这样的构造可以使传感器1302能够检测轴1302的线性位置（例如，平移），因为导电材料件1304的形状（例如，厚度）使得被定位成靠近LDC传感器202并且由LDC传感器202感测的导电材料件1304的部分（例如，面积、体积）发生变化，以便利用LDC传感器202使由LDC传感器202感测到的数据与轴1302和导电材料件1304的已知或者预期位置相关。

图16是阀系统1400的部分视图，包括阀系统1400的部件（例如，轴1402的一部分）以及用于感测轴1402的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202（例如，以便确定与轴1402和/或阀系统1400的另一部件相关联的力）。在一些实施例中，轴1402可以是旋转位移轴和/或线性位移轴，诸如例如，蜗杆轴103、1002、1102（图1、图11、图12和图14）、致动器杆122（图2）、或者阀杆129（图2）。如所描绘的，轴1402可以包括一种或多种导电材料件或者部分1404（例如，至少部分地形成在轴1204的直径内）。

为了确定轴1402的线性位置（或者为了至少部分地基于轴1402的位置而进一步确定轴1402或阀系统的另一部分的特性（例如，力）），导电材料件1404可以被设计成沿着轴1402的长度发生厚度变化（例如，沿着轴1402的纵向轴线或者中心线）。例如，导电材料件1404可以被形成为展现出具有一个或多个尖端的渐变厚度，该一个或多个尖端在轴1402的径向方向上具有增加的厚度，该一个或多个尖端由在轴1402的径向方向上具有减小的厚度的谷部隔开（例如，渐变厚度在一个尖端与一个谷部之间延伸）。这样的构造可以使得传感器1402能够检测轴1402的线性位置（例如，平移），因为导电材料件1404的形状（例如，厚度）使得被定位成靠近LDC传感器202并且由LDC传感器202感测的导电材料件1404的部分（例如，面积、体积）发生变化，以便利用LDC传感器202使由LDC传感器202感测到的数据与轴1402和导电材料件1404的已知或者预期位置相关。

图17是阀系统1500的部分视图，包括阀系统1500的部件（例如，轴1502的一部分）以及用于感测轴1502的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202（例如，以便确定与轴1502和/或阀系统1500的另一部件相关联的力）。阀系统1500可以基本上类似于上面参照图14所讨论的阀系统1200。例如，轴1502的导电材料件1504可以被形成为展现出具有一个或多个尖端的渐变厚度，该一个或多个尖端在轴1502的径向方向上具有增加的厚度，该一个或多个尖端由在轴1502的径向方向上具有减小的厚度的谷部隔开（例如，两个尖端由单个谷部隔开）。导电材料件1504可以进一步包括至少一个平坦部（例如，形成在谷部的底部处）以便能够实现在阀系统1500的各种部件之间的补偿（例如，游隙、侧隙），而LDC传感器202按照类似于上面讨论的方式基本上不会检测这样的补偿（例如，轴1502的移动）。

图18是阀系统1600的部分视图，包括阀系统1600的部件（例如，轴1602的一部分）以及用于感测轴1602的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202（例如，以便确定与轴1602和/或阀系统1600的另一部件相关联的力）。阀系统1600可以基本上类似于上面参照图15讨论的阀系统1300。例如，轴1602的导电材料件1604可以被形成为展现出具有一个或多个尖端的渐变厚度，该一个或多个尖端在轴1602的径向方向上具有增加的厚度，该一个或多个尖端由在轴1602的径向方向上具有减小的厚度的谷部隔开（例如，两个谷部由单个尖端隔开）。导电材料件1604可以进一步包括至少一个平坦部（例如，形成在尖端的顶点处）以便能够实现在阀系统1600的各种部件之间的补偿（例如，游隙、侧隙），而LDC传感器202按照类似于上面讨论的方式基本上不会检测这样的补偿。

图19是阀系统1700的部分视图，包括阀系统1700的部件（例如，轴1702的一部分）以及用于感测轴1702的一个或多个特性的一个或多个LDC传感器202（例如，以便确定与轴1702和/或阀系统1700的另一部件相关联的力）。阀系统1700可以基本上类似于上面参照图16讨论的阀系统1400。例如，轴1702的导电材料件1704可以被形成为展现出具有一个或多个尖端的渐变厚度，该一个或多个尖端在轴1702的径向方向上具有增加的厚度，该一个或多个尖端由在轴1702的径向方向上具有减小的厚度的谷部隔开（例如，渐变厚度在一个尖端与一个谷部之间延伸）。导电材料件1704可以进一步包括至少一个平坦部（例如，形成在尖端的顶点处）以便能够实现在阀系统1700的各种部件之间的补偿，而LDC传感器202按照类似于上面讨论的方式基本上不会检测这样的补偿。

尽管上文主要地关于感测轴上的轴向力以及基于该轴向力确定所产生的输出转矩来讨论了用LDC传感器感测和/或确定与阀系统的一个或多个部件相关联的力，但应该理解的是，本公开内容不限于此。例如，LDC传感器和对应导电材料件可以用于感测与阀系统的任意合适部件相关联的多种力。进一步举例来说，可以通过一个或多个LDC传感器来监测一种或多种导电材料件（例如，导电材料件的线形条、沿着预定路径定位的单独的导电材料件）的位置以确定导电材料件的位移和/或变形，从而可以用于确定部件中的内力、应力和/或张力，和/或部件的变形。例如，可以使用缩颈、扭曲、膨胀、其它变形、频率和/或与导电材料件的已知或预期路径和/或位置的偏差来确定关于与阀系统的部件相关联的力的值。

本公开内容的实施例在提供相对低成本的传感器上可以的特别有效的，该传感器不需要使用磁体或其它相对更昂贵的感测技术。与使用被供应至马达的电压或者电流量的常规间接方法相比或者与用于直接测量这样的力的相对更复杂的机械系统相比，这样的LDC传感器可以使得能够基于通过LDC传感器对导电材料件的特性（例如，位置）的直接测量来直接地感测与阀系统相关联的力。

尽管附图中已经描述并示出了某些实施例，但这样的实施例仅是说明性的并且不限制本公开内容的范围，并且本公开内容不限于所示出并描述的特定构造和结构，因为对于本领域的技术人员而言，对所描述的实施例的各种其它添加和修改以及删减都将是明显的。因此，本公开内容的范围仅由下列权利要求书的字面语言及其法定等同物限制。

Claims

1.一种阀致动器，包括：

蜗杆轴，所述蜗杆轴包括蜗杆和至少一个导电材料件；

将所述蜗杆轴偏压在第一位置中的偏压元件；

用于旋转所述蜗杆轴的马达；

蜗轮，所述蜗轮被构造成与阀的阀杆接合并且驱动所述阀杆以便使所述阀的阀元件在打开位置和关闭位置之间移动；以及

至少一个电感数字转换器（LDC）传感器，所述至少一个电感数字转换器（LDC）传感器与所述蜗杆轴的所述至少一个导电材料件隔开，所述电感数字转换器（LDC）传感器包括电感器并且被构造成无线地感测所述导电材料件的位移，所述阀致动器被构造成至少部分地基于利用所述至少一个电感数字转换器（LDC）传感器感测的所述导电材料件的位移和偏压元件的已知刚度来确定与所述阀致动器相关联的输出转矩。

2.根据权利要求1所述的阀致动器，其中，所述偏压元件包括板，其中，所述轴延伸通过所述板并且被构造成在所述板的相对侧上与所述板接合并且使所述板变形，其中，联接至所述轴的轴承被构造成在所述板的相对侧上与所述板接合并且使所述板变形。

3.根据权利要求2所述的阀致动器，还包括：

形成在所述板和位于所述板的至少一侧上的对应轴承之间的至少一个间隙；

位于所述导电材料件上的平坦部分，所述平坦部分的尺寸基本上等于形成在所述板和位于所述板的至少一侧上的对应轴承之间的所述至少一个间隙的尺寸。

4.根据权利要求1所述的阀致动器，其中，所述电感数字转换器（LDC）传感器被构造成无线地感测所述导电材料件的位移。

5.根据权利要求1所述的阀致动器，其中，所述至少一个电感数字转换器（LDC）传感器被构造成监测所述蜗杆轴的位置。

6.根据权利要求1所述的阀致动器，其中，所述至少一个导电材料件位于所述蜗杆轴的外径上且从所述蜗杆轴隔开。

7.根据权利要求1所述的阀致动器，其中，所述至少一个导电材料件是所述蜗杆轴的整体部分。

8.根据权利要求7所述的阀致动器，其中，所述至少一个导电材料件以在所述蜗杆轴的直径内形成的谷部构造形成。

9.根据权利要求1所述的阀致动器，还包括在所述至少一个导电材料件中的容纳部分以便至少部分地补偿所述蜗杆轴的侧隙。

10.根据权利要求1所述的阀致动器，还包括在所述至少一个导电材料件中的容纳部分以便补偿在所述阀致动器的各部件之间的至少一个公差。

11.一种用于确定与阀致动器相关联的力的方法，所述方法包括：

将至少一个电感数字转换器（LDC）传感器定位成靠近所述阀致动器的轴的导电材料件，所述阀致动器包括：

所述轴，联接到至少一个阀元件且用于使至少一个阀元件在打开位置和关闭位置之间移动，所述轴利用偏压元件偏压在第一位置中；和

用于移动轴的马达；

利用所述至少一个电感数字转换器（LDC）传感器无线地感测所述导电材料件的至少一部分的位置；以及

至少部分地基于利用所述至少一个电感数字转换器（LDC）传感器感测的所述导电材料件的所述至少一部分的位置来确定与所述阀致动器的一部分相关联的力。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，将至少一个电感数字转换器（LDC）传感器定位成靠近所述阀致动器的轴的导电材料件包括：将蜗杆轴的导电材料件定位成靠近所述至少一个电感数字转换器（LDC）传感器。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，至少部分地基于所述导电材料件的所述至少一部分的位置来确定与所述阀致动器的一部分相关联的力包括：至少部分地基于利用所述至少一个电感数字转换器（LDC）传感器感测的所述导电材料件的所述至少一部分的位置以及所述偏压元件的已知刚度来确定与所述阀致动器相关联的输出转矩。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述导电材料件中提供容纳部分以便至少部分地补偿所述蜗杆轴的侧隙。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括在所述导电材料件中提供容纳部分以便补偿在所述阀致动器的各部件之间的至少一个公差。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括：将所述导电材料件的所述至少一部分的位置与所述导电材料件的已知位置进行比较以便确定所述导电材料件的所述至少一部分的位置与所述已知位置的偏差。

17.根据权利要求11所述的方法，至少部分地基于所述导电材料件的所述至少一部分的位置来确定施加至所述阀致动器的一部分的力包括：至少部分地基于利用所述至少一个电感数字转换器（LDC）传感器感测的所述导电材料件的所述至少一部分的位置以及所述偏压元件的已知刚度来确定与所述轴相关联的力。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，确定力包括基于利用所述至少一个电感数字转换器（LDC）传感器感测的所述导电材料件的位移来确定与所述阀致动器相关联的输出转矩。