DE112021002442T5

DE112021002442T5 - Ventilaktuator, System und Verfahren für Dampfeinspritzventile

Info

Publication number: DE112021002442T5
Application number: DE112021002442.6T
Authority: DE
Inventors: Brandley W. Engstrand
Original assignee: Phaedrus LLC
Current assignee: Phaedrus LLC
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2023-02-16
Also published as: WO2021216774A1; US20210324968A1

Abstract

Ein Ventilaktuator-System umfasst eine Ventilaktuator-Baugruppe mit einem Körper, der einen inneren Hohlraum definiert, und einem Kolben, der mit einer Kolbenstange gekoppelt und innerhalb eines Kolbenzylinders beweglich ist, der innerhalb des inneren Hohlraums vorgesehen ist. Der Kolbenzylinder hat eine erste Kammer auf einer ersten Seite des Kolbens und eine zweite Kammer auf einer zweiten Stangenseite des Kolbens. Eine oder mehrere elektronische Komponenten sind in dem inneren Hohlraum angeordnet und umfassen mindestens einen Prozessor. Die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten sind so konfiguriert, dass sie den Kolben durch kontrollierten Luftdruck bewegen und eine Position der Kolbenstange relativ zum Kolbenzylinder kontinuierlich überwachen und/oder festlegen. Ein ausfallsicheres Reservoir ist mit einer Luftquelle gekoppelt und sowohl mit der ersten als auch mit der zweiten Kammer verbunden, um diese mit Betriebsluft zu versorgen. Eine Steuerung ist so konfiguriert, dass sie mit dem Prozessor der einen oder mehreren elektronischen Komponenten, die vom Körper entfernt sind, kommuniziert und die Funktionen der Ventilaktuator-Systeme von dem Steuergerät aus selektiv überwacht und steuert. Die erste Kammer wird auf einem im Wesentlichen konstanten Druck gehalten, und der Druck in der zweiten Kammer wird verändert, um die Position des Kolbens zu bewegen und/oder zu halten, um die Kolbenstange in eine gewünschte Position relativ zum Kolbenzylinder zu bringen.

Description

Daten verwandter Anmeldungen
Dieses Patent genießt die Vorteile und beansprucht die Priorität der ebenfalls anhängigen provisorischen US-Anmeldung mit der Seriennummer 63/013,312 vom 21. April 2020 und dem Titel „Steam Injection Valve Actuator, System, and Method“. Der gesamte Inhalt dieser früher eingereichten Anmeldung wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
Hintergrund
1. Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf die Einspritzung von Dampf in eine Rohrleitung für hergestellte Produkte und insbesondere auf einen Ventilaktuator, ein System und ein Verfahren zur präzisen Steuerung der Einspritzung von Dampf in eine solche Rohrleitung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In der verarbeitenden Industrie, z. B. in der petrochemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie, ist es allgemein bekannt, dass die verarbeiteten Materialien während der Herstellung durch ein Rohr oder eine Pipeline geleitet werden. Die verarbeiteten Materialien liegen während der Verarbeitung in der Regel in flüssiger oder aufgeschlämmter Form vor, enthalten aber oft auch feste Bestandteile. Auch die Viskosität der Materialien kann von einem Material oder Prozess zum anderen stark variieren. Es ist auch bekannt, dass Dampf mit einer gewünschten Temperatur, einem gewünschten Druck und/oder einer gewünschten Durchflussmenge zu verschiedenen Zwecken in solche Rohre eingeleitet wird. Zu den verarbeiteten Materialien gehören unter anderem Getreide, Öl, Suppe, SPAM^® und dergleichen. Die Dampfinjektion kann dazu dienen, das zu verarbeitende Material durch das Rohr zu bewegen. Die Dampfinjektion kann auch dazu dienen, die Temperatur des verarbeiteten Materials im Rohr zu kontrollieren oder zu erhöhen. Die Dampfinjektion kann auch zur Verbesserung des Prozesses oder zur Beeinflussung des verarbeiteten Materials auf andere Weise erfolgen.
Für die Dampfeinspritzung wird ein variables Dampfventil mit einer Einspritzdüse verwendet, das durch einen mechanischen Membranantrieb gesteuert wird, um den Dampfstrom an der Einspritzstelle in das Rohr und in Kontakt mit dem verarbeiteten Material zu messen. Durch einen großen Druckabfall vom vollen Dampfdruck auf den Druck des verarbeiteten Materials wird eine hohe Geschwindigkeit, ein gedrosselter Dampfstrom und eine sofortige Vermischung des Dampfstroms mit dem Strom des verarbeiteten Materials erreicht. Die Funktion des Dampfventils ist jedoch nur so gut wie die Funktionsfähigkeit des mechanischen Membranantriebs.
1 zeigt eine allgemeine Grundansicht eines solchen Systems 10. Ein Dampfregelventil 12 wird in einer Dampfzufuhrleitung 14 eingesetzt, die mit einer Dampfquelle oder -versorgung 15 verbunden ist. Das Dampfsteuerventil 12 wird verwendet, um den Druck des Dampfes S an der Einspritzstelle in ein Rohr 16 und den Fluss des verarbeiteten Materials in dem Rohr zu variieren. Durch die Veränderung des Drucks werden die Dampfdichte und die Geschwindigkeit beim Durchströmen der Düse des Dampfsteuerventils 12 verändert, wodurch die Heizleistung gesteuert werden kann. Die Regelung des Dampfdrucks zur Steuerung der Heizung kann zu instabilem Betrieb, Hämmern und Vibrationen führen, wenn für einen bestimmten Prozess hohe oder niedrige Dampfdurchsätze erforderlich sind. Bei einem niedrigen Dampfdurchsatz, z. B. beim Trimm-Heizen, kann der Unterschied zwischen dem Dampfdruck und dem Druck des verarbeiteten Materials gering sein. Daher kann eine geringfügige Druckschwankung entweder des Dampfes oder des verarbeiteten Materials eine Störung im Rohr verursachen. Alternativ kann bei einem hohen Dampfdurchsatz, z. B. beim maximalen Aufheizen beim Anfahren, die Größe der Dampfdurchflussdüse des Dampfregelventils 12 mehr Dampf durchlassen, als kondensiert werden kann, was zu Dampfschlägen führen kann.
In einem herkömmlichen System wird ein mechanischer Membranaktuator 18 zur Betätigung oder Steuerung des Dampfeinspritzventils 12 verwendet. Solche Membranantriebe sind bekannt und werden seit fast 100 Jahren für den Dampfeinspritzprozess verwendet, mit geringen oder keinen konstruktiven Änderungen oder Verbesserungen. Der typische Membranantrieb besteht aus einer zwischen zwei pneumatischen Kammern angeordneten Membran, einem über die Membran beweglichen Linearantrieb und einer Feder, die die Membran in eine Richtung vorspannt. Die Vorspannung wird durch die Federkraft gegen eine Luftsäule erzeugt, um die Luft zu versteifen und sie besser steuerbar zu machen. Leider führt dies zu einer Änderung der angewandten Kraft, wenn die Feder zusammengedrückt wird. Typischerweise entspricht die Luftsäule bei vollem Hub im Wesentlichen der Federkraft und bietet daher nur wenig zusätzliche Kraft, um die vom Dampf im Dampfeinspritzventil 12 erzeugten Kräfte zu steuern. Die rudimentäre Konstruktion des mechanischen Membranantriebs 18 schränkt die Leistungsfähigkeit des Antriebs und damit den Betrieb des Dampfeinspritzventils ein.
Beim Einspritzvorgang kann der typische Membranaktuator das Dampfeinspritzventil bis zu einem Grad steuern, der zu Temperaturschwankungen innerhalb eines Bereichs von drei bis vier Grad Fahrenheit (3-4 °F) führt. Die Eigenschaften eines typischen Membranantriebs können auch dazu führen, dass es 45 Sekunden oder länger dauert, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Darüber hinaus erfüllen Membranaktuatoren nicht die strengen 3A-Reinraumstandards, die für viele der heutigen Prozessindustrien erforderlich sind. Daher muss die Rohrleitung einiger Systeme in einen separaten Raum verlegt werden, in dem sich die Dampfventile und die Membranantriebe befinden. Die Reinraumumgebung kann dann nach Bedarf gereinigt, d. h. druckgewaschen werden, während der separate Raum mit den Ventilen und Aktuatoren nicht nach den gleichen Standards gereinigt werden kann, ohne die Membranantriebe zu beschädigen.
Die in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Informationen sollen helfen, den Hintergrund des erfinderischen Konzepts zu verstehen. Der Hintergrundabschnitt kann daher ein oder mehrere technische Konzepte enthalten, die nicht als Stand der Technik angesehen werden, der den Fachleuten bereits bekannt ist.
Zusammenfassung
In einem Beispiel gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Ventilbetätigungsanordnung einen Körper, der eine abgedichtete Außenseite und einen inneren Hohlraum definiert, und einen Kolben, der mit einer Kolbenstange gekoppelt und in einem Kolbenzylinder beweglich ist, der in dem inneren Hohlraum des Körpers vorgesehen ist. Ein erster QVLA-Emitter ist einer ersten Kolbenkammer innerhalb des Kolbenzylinders zugeordnet. Ein erster QVLA-Sensor ist so angeordnet, dass er die von dem ersten QVLA-Emitter erzeugte Beleuchtung erfasst. Eine oder mehrere elektronische Komponenten sind in dem inneren Hohlraum angeordnet und umfassen mindestens einen Prozessor. Die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten sind so konfiguriert, dass sie den Kolben durch einen gesteuerten Luftdruck bewegen und die Position der Kolbenstange relativ zum Kolbenzylinder entsprechend den vom ersten QVLA-Sensor erzeugten Signalen kontinuierlich überwachen und/oder festlegen. Der erste QVLA-Sensor ist über eine Faseroptik mit dem ersten QVLA-Emitter verbunden.
In einem Beispiel kann der innere Hohlraum auf einem Überdruck gehalten werden.
In einem Beispiel kann der innere Hohlraum auf einem Überdruck von etwa 1 bis 2 psi über dem Druck gehalten werden, der an der abgedichteten Außenseite des Körpers anliegt.
In einem Beispiel kann ein ausfallsicheres Reservoir mit der ersten und zweiten Kolbenkammer verbunden sein. Das ausfallsichere Reservoir kann so konfiguriert sein, dass es einen Druck aufweist, der höher ist als der Betriebsdruck der ersten und zweiten Kolbenkammern.
In einem Beispiel kann ein ausfallsicheres Reservoir die erste und zweite Kolbenkammer mit Betriebsluft versorgen und die Betriebsluft von einer Luftquelle erhalten.
In einem Beispiel kann ein ausfallsicheres Reservoir im inneren Hohlraum des Körpers angeordnet ist.
In einem Beispiel kann ein ausfallsicheres Reservoir im inneren Hohlraum angeordnet sein und den Kolbenzylinder umgeben.
In einem Beispiel kann der Körper aus rostfreiem Stahl bestehen.
In einem Beispiel kann der Körper mit einem abnehmbaren Abschnitt ausgebildet sein, der von einem zweiten Abschnitt, der den Kolbenzylinder und die elektronischen Komponenten trägt, entfernt werden kann, um sie freizulegen.
In einem Beispiel kann der Körper einen abnehmbaren Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweisen, die entlang einer abgedichteten Verbindung abnehmbar miteinander verbunden werden können. Der zusammengebaute Körper kann so konfiguriert werden, dass er die 3A-Normen für reinraumartige Umgebungen erfüllt.
In einem Beispiel gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Ventilbetätigungssystem eine Ventilbetätigungsanordnung mit einem Körper, der einen inneren Hohlraum definiert, und einem Kolben, der mit einer Kolbenstange gekoppelt und in einem Kolbenzylinder beweglich ist, der in dem inneren Hohlraum vorgesehen ist. Der Kolbenzylinder hat eine erste Kammer auf einer ersten Seite des Kolbens und eine zweite Kammer auf einer zweiten Stangenseite des Kolbens. Eine oder mehrere elektronische Komponenten sind in dem inneren Hohlraum angeordnet und umfassen mindestens einen Prozessor. Die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten sind so konfiguriert, dass sie den Kolben durch kontrollierten Luftdruck bewegen und eine Position der Kolbenstange relativ zum Kolbenzylinder kontinuierlich überwachen und/oder bestimmen. Ein ausfallsicherer Behälter ist mit einer Luftquelle gekoppelt und sowohl mit der ersten als auch mit der zweiten Kammer verbunden, um diese mit Betriebsluft zu versorgen. Ein Steuergerät ist so konfiguriert, dass es mit dem Prozessor der einen oder mehreren elektronischen Komponenten kommuniziert, und ist vom Gehäuse entfernt. Die erste Kammer wird innerhalb der Grenzen des Systems auf einem konstanten Druck gehalten. Der Druck in der zweiten Kammer wird variiert, um die Position des Kolbens zu bewegen und/oder zu halten, um die Kolbenstange in eine gewünschte Position relativ zum Kolbenzylinder zu bringen.
In einem Beispiel kann das Ventilbetätigungssystem einen ersten QVLA-Emitter, der mit der ersten Kammer innerhalb des Kolbenzylinders verbunden ist, und einen ersten QVLA-Sensor umfassen, der so positioniert ist, dass er die von dem ersten QVLA-Sensor erzeugte Beleuchtung erfasst. Der erste QVLA-Sensor kann über eine Faseroptik mit dem ersten QVLA-Emitter gekoppelt sein.
In einem Beispiel können die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten so konfiguriert sein, dass sie den Kolben bewegen und die Position der Kolbenstange relativ zum Kolbenzylinder gemäß den vom ersten QVLA-Sensor erzeugten Signalen kontinuierlich überwachen und/oder bestimmen.
In einem Beispiel kann das Ventilbetätigungssystem ein Dampfsteuerventil umfassen, das mit einer Dampfquelle verbunden ist. Die Kolbenstange kann mit dem Dampfsteuerventil gekoppelt sein, wodurch die Bewegung der Kolbenstange das Dampfsteuerventil betätigen kann.
In einem Beispiel kann eine Dampfzufuhrleitung stromabwärts des Dampfsteuerventils vorgesehen und mit einem Rohr verbunden sein, das einen Strom von hergestelltem Produkt führt, wodurch Dampf in den Strom injiziert wird.
In einem Beispiel kann das Steuergerät ein Smartphone oder Tablet sein, das drahtlos mit der einen oder mehreren elektronischen Komponenten kommunizieren kann.
In einem Beispiel kann die Steuerung einen Computer und ein Display umfassen, und die Steuerung kann mit der einen oder den mehreren elektronischen Komponenten kommunizieren.
In einem Beispiel wird gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zur Steuerung eines Dampfsteuerventils eines industriellen Prozesses offenbart. Der industrielle Prozess umfasst eine Ventilaktuator-Baugruppe mit einem Körper, der einen inneren Hohlraum definiert, und einem Kolben, der mit einer Kolbenstange gekoppelt und in einem Kolbenzylinder beweglich ist, der in dem inneren Hohlraum vorgesehen ist. Der Kolbenzylinder hat eine erste Kammer auf einer ersten Seite des Kolbens und eine zweite Kammer auf einer zweiten Stangenseite des Kolbens, und die Kolbenstange ist mit einem Stellglied des Dampfsteuerventils verbunden. Das Verfahren umfasst das Bewegen des Kolbens über eine oder mehrere elektronische Komponenten innerhalb des inneren Hohlraums durch gesteuerten Luftdruck, wobei die eine oder mehreren elektronischen Komponenten mindestens einen Prozessor umfassen, der zur Steuerung des Luftdrucks konfiguriert ist. Das Verfahren umfasst auch das kontinuierliche Überwachen und/oder Bestimmen einer Position der Kolbenstange relativ zum Kolbenzylinder über die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten, um den Betrieb des Dampfsteuerventils zu steuern. Das Verfahren umfasst ferner das selektive Überwachen und/oder Steuern von Funktionen des Ventilbetätigungssystems über eine Steuerung, die entfernt von der Ventilbetätigungsanordnung angeordnet und so konfiguriert ist, dass sie mit dem Prozessor der einen oder mehreren elektronischen Komponenten kommuniziert. Das Verfahren umfasst auch die Bereitstellung von Betriebsluft aus einer externen Luftquelle sowohl für die erste Kammer als auch für die zweite Kammer über ein ausfallsicheres Reservoir, das in dem inneren Hohlraum des Gehäuses angeordnet ist.
Figurenliste
Die Zeichnungen illustrieren ein oder mehrere Beispiele oder Ausführungsformen der Offenbarung und sollten daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Offenbarung angesehen werden. Es kann andere Beispiele und Ausführungsformen geben, die ebenso wirksam sind, um die Ziele zu erreichen, und die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen können. Die Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sollten beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den gezeichneten Figuren deutlich werden, in denen:

1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Beispiels eines bekannten Dampfeinspritzsystems und eines industriellen Prozesses, bei dem ein Dampfeinspritzventilantrieb nach dem Stand der Technik verwendet wird.
2 zeigt ein Dampfeinspritzsystem und ein industrielles Verfahren unter Verwendung einer Dampfeinspritzventilaktuator-Baugruppe gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt eine perspektivische Seiten- und Draufsicht auf eine Ventilbetätigungsanordnung, die gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist.
4 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen unteren Halbteil der Ventilbetätigungsanordnung von 3, die gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist.
5 zeigt einen Querschnitt der Ventilbetätigungsanordnung entlang der Linie 5-5 von 3.
6 zeigt ein Beispiel eines Ventilbetätigungssystems, das gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist und die Ventilbetätigungsanordnung der 3-5 verwendet.
7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Beispiels einer Ventilbetätigungsanordnung, die gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist.
8 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Ventilbetätigungsanordnung, die gemäß der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist.

Die Verwendung der gleichen Referenznummern oder -zeichen in der gesamten Beschreibung und den Zeichnungen weist auf ähnliche oder identische Komponenten, Aspekte und Merkmale der Offenbarung hin.
Detaillierte Beschreibung der Offenlegung
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen werden durchgängig dieselben Bezugsziffern oder -zeichen verwendet, um gleiche oder gleichwertige Elemente der Offenbarung zu bezeichnen. Darüber hinaus wurde auf eine detaillierte Beschreibung bekannter Elemente, Aspekte, Komponenten, Techniken, Methoden, Systeme und dergleichen, die mit der vorliegenden Offenbarung in Zusammenhang stehen, verzichtet, um den Kern der vorliegenden Offenbarung nicht unnötig zu verwischen.
Begriffe wie erste, zweite, A, B, (a), (b) und dergleichen können hier verwendet werden, um Elemente in Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. Die inneren Merkmale, die Reihenfolge oder Ordnung und dergleichen der entsprechenden Elemente werden durch die Verwendung dieser Begriffe nicht eingeschränkt. Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten Begriffe, einschließlich technischer oder wissenschaftlicher Begriffe, die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von Personen verstanden wird, die über gewöhnliche Kenntnisse auf dem Gebiet der Kunst verfügen, zu dem die vorliegende Offenbarung gehört. Solche Begriffe, wie sie in einem allgemein gebräuchlichen Wörterbuch definiert sind, sind so auszulegen, dass sie eine Bedeutung haben, die mit den kontextuellen Bedeutungen auf dem betreffenden Gebiet der Technik übereinstimmt. Solche Begriffe sind nicht so zu interpretieren, als hätten sie eine ideale oder übermäßig formale Bedeutung, es sei denn, sie sind in der vorliegenden Offenbarung eindeutig als solche definiert.
Spezifische strukturelle und funktionelle Beschreibungen der in der vorliegenden Offenbarung dargelegten Ausführungsformen werden nur zum Zweck der Beschreibung der Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung illustriert. Die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung können in verschiedenen Formen verkörpert werden. Die vorliegende Offenbarung ist nicht so auszulegen, dass sie nur auf die spezifische Form der hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Da die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung auf verschiedene Weise geändert werden und verschiedene Formen haben können, sind bestimmte Ausführungsformen in den Zeichnungen dargestellt und in der vorliegenden Beschreibung oder Anmeldung ausführlich beschrieben. Die Ausführungsformen und Beispiele sollten so verstanden werden, dass sie alle Änderungen, Äquivalente und Substitute einschließen, die im Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung enthalten sind. Jede Ausführungsform wird hier als eine bestimmte Menge, Anzahl, Gruppierung, Anordnung und/oder dergleichen verschiedener Aspekte der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die vorliegende Offenbarung und die Ansprüche sind nicht so beschränkt gedacht, sondern können stattdessen Ausführungsformen umfassen, die verschiedene Sätze, Anzahlen, Gruppierungen und Anordnungen der verschiedenen Aspekte der Offenbarung umfassen, die gegenwärtig beansprucht oder nicht beansprucht werden können.
Verschiedene Komponenten, d.h. Vorrichtungen, Einheiten, Elemente und dergleichen der vorliegenden Offenbarung können hierin so beschrieben sein, dass sie einen bestimmten Zweck haben oder eine Funktion, einen Schritt, einen Satz von Anweisungen, einen Prozess oder dergleichen ausführen. Solche Komponenten können so ausgelegt werden, dass sie „konfiguriert“ sind, um den spezifischen Zweck zu erreichen oder zu erfüllen oder um die Funktion, den Schritt, die Reihe von Anweisungen oder den Prozess durchzuführen.
Der hier offenbarte und beschriebene Dampfeinspritzventil-Aktuator, das System und das Verfahren lösen oder verbessern eines oder mehrere der oben genannten und/oder andere Probleme und Nachteile mit vorher bekannten Aktuatoren, Systemen und Verfahren. In einem Beispiel können die offenbarte Ventilaktuatorbaugruppe, das System und das Verfahren die angewandte Kraft des Aktuators genauer steuern und sich nahezu sofort an Dampfdruckänderungen anpassen, da die bisher bekannte Druckfeder überflüssig ist. In einem Beispiel können die offenbarte Ventilaktuator-Baugruppe, das System und das Verfahren das Dampfeinspritzventil genauer steuern, was zu Temperaturschwankungen innerhalb eines viel kleineren Bereichs im Vergleich zu den bekannten Membranaktuatoren führt. In einem Beispiel können die Ventilaktuator-Baugruppe, das System und das Verfahren das Dampfeinspritzventil in einem Maße steuern, das dazu führt, dass im Vergleich zu den bekannten Membranaktuatoren viel weniger Zeit benötigt wird, um eine gewünschte Temperatur zu erreichen. In einem Beispiel sind die offenbarte Ventilantriebsbaugruppe, das System und das Verfahren so konfiguriert, dass sie die strengen 3A-Reinraumstandards erfüllen, die für viele der heutigen Prozessindustrien erforderlich sind. So muss die Rohrleitung industrieller Prozesse nicht in einen separaten Raum verlegt werden, sondern kann in einer Reinraumumgebung verbleiben und bei Bedarf gereinigt, d. h. druckgewaschen werden. Diese und andere Zwecke, Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden für diejenigen, die über gewöhnliche Fachkenntnisse verfügen, beim Lesen dieser Offenbarung offensichtlich.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Ventilaktuator-Baugruppe, ein System und ein Verfahren, die die herkömmlichen Membranaktuatoren zur Steuerung von Dampfeinspritzventilen, die in vielen Prozessindustrien üblich sind, ersetzen sollen. 2 zeigt ein solches System 20 mit einem Rohr 22, das einen Strom von verarbeitetem Material in einer durch den Pfeil FLUSS angezeigten Strömungsrichtung enthält. Das Rohr 22 kann eine unterschiedliche Größe (Durchmesser) haben, z. B. zwischen einem (1) Zoll und zehn (10) Zoll oder mehr, abhängig von der Art, dem Volumen und dergleichen des zu verarbeitenden Materials. Auch die Art des zu verarbeitenden Materials kann, wie oben erwähnt, stark variieren. Das System 20 umfasst eine Dampfquelle 24, die mit einer Dampfzufuhrleitung 26 verbunden ist, die durch ein Dampfsteuerventil 28 dosiert wird. Die Dampfquellenleitung 24 ist mit dem Rohr 22 verbunden und injiziert Dampf S in das durch das Rohr fließende Verarbeitungsmaterial. Im Stand der Technik steuert der Membranantrieb 18 (1) den Betrieb des Dampfsteuerventils. Gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung wird der Membranaktuator durch eine Ventilaktuator-Baugruppe, d. h. im Folgenden einen Aktuator 30, ersetzt, der in dem offenbarten System 20 verkörpert ist und gemäß dem offenbarten Verfahren verwendet wird.
Wie oben erwähnt, können der offenbarte Aktuator 30, das System 20 und das Verfahren den Betrieb des Dampfsteuerventils 28 genauer steuern. Der offenbarten Aktuator 30, das System 20 und das Verfahren können auch die Temperatur des in das verarbeitete Material eingespritzten Dampfes S genauer steuern. Der offenbarte Aktuator 30 und das System 20 sind auch wesentlich langlebiger als der herkömmliche Membranaktuator, da keine Membran verwendet wird. Der offenbarte Aktuator 30 und das System 20 sind auch wesentlich präziser, da im Aktor keine Druckfeder verwendet wird.
Die bis zeigen den Aktuator 30, der einen geschlossenen Körper 32, d. h. ein Gehäuse, eine Schale, einen Kasten oder dergleichen, umfasst und gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist. Der Körper 32 kann aus jedem geeigneten Material bestehen, in einem Beispiel kann er jedoch aus rostfreiem Stahl sein. Der Körper 32 kann auch eine im Wesentlichen vollständig abgedichtete Einheit sein, die einen inneren Hohlraum C definiert. Der Körper 32 kann einen abnehmbaren ersten Abschnitt, d.h. eine obere Hälfte 34, und einen zweiten Abschnitt, d.h. eine untere Hälfte 36, aufweisen, die voneinander getrennt werden können (siehe 4). Die beiden Abschnitte oder Hälften 34, 36 können eine Dichtung 38 (siehe 4 und 5) entlang einer Verbindung 40 zwischen den beiden Hälften aufweisen, wenn sie zusammengebaut sind. Auf diese Weise kann der abgedichtete Körper 32 so konfiguriert und zusammengebaut werden, dass das Eindringen von Wasser oder anderen Verunreinigungen verhindert wird, die andernfalls die internen Komponenten des Aktuators 30 beeinträchtigen oder beschädigen könnten. Ferner kann der abgedichtete Körper 32 so konfiguriert werden, dass er das Entweichen jeglicher Substanz aus dem Körper verhindert und eine Verunreinigung der umgebenden Prozessanlage durch den Aktuator 30 verhindert.
Folglich kann der Aktuator 30 in Reinraumumgebungen, wie z. B. in der Lebensmittelindustrie, eingesetzt werden und die 3A-Reinraumstandards erfüllen. Der Körper 32 kann regelmäßig einer Druckreinigung unterzogen werden, ohne dass die Umgebung oder die internen Komponenten des Aktuators 30 Schaden nehmen. Der Körper 32 des Aktuators ist als Zylinder dargestellt, kann jedoch verschiedene äußere Gehäuseformen sowie eine Vielzahl von Größen aufweisen. Wie jedoch weiter unten erläutert wird, beherbergt der innere Hohlraum C des Körpers 32 einen Kolben (siehe unten) und bildet daher wahrscheinlich eine zylindrisch geformte Kolbenkammer, d. h. einen Zylinder, wie ebenfalls unten erläutert wird. Der Körper 32 kann daher ein Oberteil, ein Unterteil und eine zylinderförmige Seitenwand aufweisen, die sich zwischen dem Ober- und Unterteil erstreckt. Die Oberseite des Aktuators 30 kann verschiedene Anschlüsse aufweisen, wie z. B. einen ersten Anschluss, d. h. einen elektrischen Anschluss 42 zum Anschluss der Verdrahtung an den Aktuator, wie weiter unten beschrieben. Die Oberseite des Aktuators 30 kann auch einen zweiten Anschluss aufweisen, d. h. einen Fluidauslassanschluss 44 zum Anschluss einer Abgasleitung an ein Abgasventil im Aktuator, wie weiter unten beschrieben. Die Oberseite des Aktuators 30 kann auch ein drittes Verbindungsstück, d.h. ein Fluideinlass-Verbindungsstück 46 zum Anschließen eines Lufteinlasses oder einer Versorgungsleitung an den Aktuator umfassen, wie ebenfalls weiter unten beschrieben.
In anderen Beispielen können einer oder mehrere der Anschlüsse 42, 44 und 46 auf einer anderen Oberfläche des Körpers 32, wie gewünscht, statt auf der Oberseite des Aktuators 30 vorgesehen sein. Auch kann eines oder mehrere der Verbindungsstücke ein Ventil anstelle eines mit einem Ventil verbundenen Verbindungsstücks sein. Darüber hinaus können einer oder mehrere der Verbinder 42, 44 und 46 ein Schnellverbinder sein, der leicht mit einem Verbinder einer Abgas- oder Versorgungsleitung oder mit einem elektrischen Draht, Kabel, Kabelbaum oder Gegenverbinder verbunden werden kann. Darüber hinaus können am Körper 32 des Aktuators 30 weitere Anschlüsse und andere Komponenten vorgesehen sein, um andere Geräte oder Elemente mit dem Aktuator zu verbinden, wie gewünscht.
4 stellt den Aktuator 30 dar, bei dem die obere Hälfte 34 des Körpers 32 abgenommen und das obere Ende der unteren Hälfte 36 mit verschiedenen Komponenten versehen ist, die im Folgenden näher erläutert werden und die an der unteren Hälfte angebracht sind, um im inneren Hohlraum C angeordnet zu werden. Wie die Verbindungsstücke 42, 44 und 46 können diese Komponenten in Anzahl, Art, Konfiguration und Konstruktion je nach den Bedürfnissen einer bestimmten verfahrenstechnischen Anwendung variieren. Außerdem können diese Komponenten je nach Größe des Rohrs 22 des Prozesssystems 20 und des verarbeiteten Materials, das durch das Rohr fließt, variieren. Zu den Komponenten können Elektronik, Sensoren, Verbindungsstücke, Kupplungen, Durchflusskanäle und -verbindungen, Befestigungselemente und dergleichen gehören.
In einem Beispiel wie in 4 und 5 gezeigt können diese Komponenten in oder an dem Aktuator 30 mehrere Komponenten, Elemente und Merkmale umfassen, die als Teil des Aktuators vorgesehen sind oder die damit verbunden sind, entweder direkt, indirekt, mechanisch, elektrisch, verdrahtet oder drahtlos. Diese Komponenten, Elemente und Merkmale, d. h. Aspekte, können eine elektronische Schnittstelle in Form eines Computerprogramms umfassen, das in einem Speicher gespeichert ist und von einem Prozessor bedient werden kann. Ein solches Programm oder eine solche Schnittstelle kann mit einer elektronischen Anwendung, d. h. einer Telefon-App, kommunizieren, wie weiter unten beschrieben. Diese Komponenten, Merkmale, Aspekte oder ähnliches können auch eine elektronische Platine, wie z. B. eine Leiterplatte (PCB) 50, innerhalb des inneren Hohlraums C des Aktuator-Körpers 32 umfassen. Die Leiterplatte 50 kann so konfiguriert sein, dass sie einen Sender und Empfänger, einen Transceiver, einen Prozessor, einen Speicher und/oder Ähnliches enthält.
Diese Komponenten, Merkmale und Aspekte können auch verschiedene mechanische Elemente und/oder elektromechanische Komponenten enthalten. Wie in den 4 und 5 gezeigt, umfasst der Aktuator 30 einen oder mehrere Zufuhr-/Entlüftungsverteiler 52 mit Zufuhr-/Entlüftungsventilen, wie z. B. Magnetventilen, die über die elektronischen Komponenten betätigt werden können. Die Verteiler 52 können Fluidanschlüsse 54 zum Verbinden des Verteilers 52 und seiner Einspeise-/Ablassventile mit anderen Aspekten des Aktuators 30, wie z. B. mit einer Luftversorgung und mit Kammern oder Räumen innerhalb des Aktuators, aufweisen, wie unten beschrieben. Die zwei oder mehr Verteiler 52 können, wie in den und dargestellt, in einem Bauteil und nicht in zwei separaten Teilen ausgeführt werden. Die Komponenten, Merkmale und Aspekte können auch ein oder mehrere Ventile und/oder Anschlüsse 56 zur Verbindung einer Aktuator-Kammer oder eines Aktuator-Raums mit einer anderen umfassen, wie ebenfalls unten beschrieben. Der Aktuator 30 umfasst in diesem Beispiel auch einen Kolben 58, der in einem Kolbenzylinder 60 im inneren Hohlraum C untergebracht und beweglich ist. Der Kolben hat in diesem Beispiel eine Kolbenstange 62 oder Aktuatorstange, die sich von einer Seite des Kolbens 58 erstreckt und aus dem Boden des Körpers 32 herausragt. Die Magnetventile des/der Verteiler(s) 52 können so konfiguriert werden, dass sie Luft zum Kolbenzylinder bewegen oder leiten, wie unten beschrieben, um den Kolben und damit die Kolbenstange zu bewegen. Der Kolben 58 und die Kolbenstange 62 können, wie in der Technik bekannt, Deckeldichtungen enthalten.
Diese Komponenten, Merkmale und Aspekte können auch einen Betriebsalgorithmus umfassen, der programmiert ist, d. h. auf eine bestimmte Prozessindustrie und ein bestimmtes Material zugeschnitten ist, und der als Teil der Telefon-App, des Prozessors der Leiterplatte oder beider programmiert und angewendet werden kann. Diese Komponenten, Merkmale und Aspekte können auch QVLA®-Sensoren umfassen, die als Teil des Aktuators 30 integriert sind, um eine extrem genaue Funktionalität zu gewährleisten. Die QVLA-Sensortechnologie ist beispielsweise im US-Patent Nr. 7.388.188 mit dem Titel „Apparatus, System and Method for Detecting a Position of a Movable Element in a Compartment“ und in den US-Patenten Nr. 8.436.287 , 8.115.185 , 7.935.916 und 7.626.153 mit dem Titel „System and/or Method for Reading, Measuring and/or Controlling Intensity of Light Emitted from an LED“ offenbart und beschrieben, die alle durch diesen Verweis in vollem Umfang in dieses Dokument aufgenommen sind. So kann der Aktuator 30 einen oder mehrere ultrastabile LED-Lichtemitter 64, d.h. QVLA-Emitter, und einen oder mehrere entsprechende Lichtsensoren 66 umfassen. Die Emitter 64 können innerhalb des Kolbenzylinders 60 montiert werden. Die Sensoren 66 können an der Leiterplatte 50 oder an einem anderen Bauteil des Aktuators 30 angebracht und mit Glasfaserkabeln (nicht abgebildet) verbunden sein, die in das Innere des Kolbenzylinders 60 führen. Die Emitter 64 strahlen Licht in den Kolbenzylinder 60 ab. Die Intensität des Lichts ändert sich, wenn sich der Kolben 58 im Kolbenzylinder 62 bewegt. Die Sensoren 66 erfassen die Lichtintensität über die Lichtwellenleiter. Die Lichtintensität und das Delta oder die Änderung der Lichtintensität können umgewandelt und zur Bestimmung der momentanen Position des Kolbens 58, der Kolbenstange 62 oder beider verwendet werden. Die Abtastfrequenz kann in der Größenordnung von 1.000 Hz, 1.500 HZ, 4.000 HZ, 10.000 HZ oder sogar mehr als 15.000 Hz liegen, je nach den Anforderungen des jeweiligen industriellen Prozesses. Die QVLA-Sensortechnologie kann Empfindlichkeitsgeschwindigkeiten von mehr als 15.000 Hz bewältigen. Der Aktuator 30 in diesem Beispiel umfasst auch ein abgedichtetes ausfallsicheres Reservoir 68, das die Außenseite des Kolbenzylinders 60 innerhalb des inneren Hohlraums C des Körpers 32 umgibt. Der Zweck des ausfallsicheren Reservoirs 68 wird ebenfalls im Folgenden beschrieben.
Wie oben erwähnt und in 6 gezeigt, können der Aktuator 30 und das Ventilbetätigungssystem 20 mit einem oder mehreren Steuergeräten verbunden sein, wie z. B. einem oder mehreren Computern, einem oder mehreren Smartphones, einem oder mehreren Tablets oder dergleichen. 6 zeigt den Aktuator, der mit einem Steuergerät 70 in Form einer Workstation verbunden ist, die einen Computer 72 enthalten kann. Ein Kabel 74 verbindet das Steuergerät 70 mit dem elektrischen Anschluss 42 des Aktuators 30 und versorgt den Aktuator mit Strom. Das Kabel 74 kann auch eine fest verdrahtete Kommunikation zwischen dem Aktuator 30 und dem Steuergerät 70 ermöglichen, falls gewünscht. 6 zeigt auch den Aktuator 30, der drahtlos mit einem Smartphone 76, einem Tablet oder dergleichen verbunden ist. Die Kommunikationsverbindung zwischen dem Aktuator 30 und dem Steuergerät 70 kann je nach Wunsch drahtgebunden, drahtlos oder beides sein. Die Kommunikation zwischen dem Smartphone 76 oder dem Tablett kann drahtlos durch jede bekannte oder noch zu erforschende Methode oder Technologie erfolgen.
Wie in 6 dargestellt, ist der Aktuator 30 mit einer Luftversorgung oder -quelle (nicht dargestellt) verbunden. Die Luft wird in diesem Beispiel über eine Luftzufuhrleitung 78 durch einen Filter 80 und über den dritten Fluidanschluss 46, d. h. LUFT EIN, am Aktuator-Körper zum Aktuator 30 geleitet. Der Aktuator 30 hat in diesem Beispiel auch ein Ablassventil, d.h. ein Rückschlag- oder Regelventil, das mit dem zweiten Fluidanschluss 44, d.h. LUFT AUS, gekoppelt ist, und der zweite Anschluss kann mit einer Abluftleitung 82 verbunden sein, die zu einer gewünschten Stelle geführt werden kann, um die aus dem Aktuator 30 ausgestoßene Luft zu verteilen.
Wie in 2 dargestellt, kann der Aktuator 30 an einer Halterung 84 befestigt sein, die dann mit einem Wasser- oder Dampferhitzer, d. h. dem Dampfsteuerventil 28, verbunden werden kann. Das freiliegende oder freie Ende der Kolbenstange 62 kann mit dem Dampfsteuerventil so gekoppelt sein, dass das Ventil zwischen einem offenen oder vollständig geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand betrieben werden kann. Das Dampfsteuerventil 28 wird in Abhängigkeit von der Bewegung der Kolbenstange 62 betätigt, die durch die Bewegung des Kolbens 58 gesteuert wird, der wiederum durch den Luftdruck gesteuert wird, wie unten beschrieben. 7 und 8 zeigen zwei schematische Darstellungen vieler möglicher Beispiele für die Anordnung der Komponenten des Aktuators 30 gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung. Die Funktionsweise des Aktuators 30 und des Systems 20 (z. B. dargestellt durch die 2 und 6) sowie das Betriebsverfahren werden unter Bezugnahme auf 7 für ein Beispiel und unter Bezugnahme auf 8 für ein alternatives Beispiel beschrieben.
Elektronik und Elektronikplatine
Wie in 7 gezeigt, kann das System Elektronik enthalten, einschließlich der PCB 50 (PCB = Printed Circuit Board, dt. Leiterplatte), die eine Hauptplatine sein kann und als Teil des Systems 20 vorgesehen ist. In einem Beispiel kann die PCB 50 als Teil des Aktuators 30 bereitgestellt werden und kann einen Prozessor und einen geeigneten Speicher enthalten. In einem Beispiel kann die Elektronik so konfiguriert sein, dass sie mit dem Smartphone oder einem anderen Gerät des Benutzers, wie oben erwähnt, über die oben erwähnte App kommuniziert, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird. Die PCB 50, d.h. die Hauptplatine oder eine Tochterplatine, wie unten erwähnt, kann eine Bluetooth-Kommunikationsfähigkeit aufweisen. Das System 20 und der Aktuator 30 können durch eine direkte Verbindung mit einer lokalen Stromversorgung über feste Kabelverbindungen, wie das oben erwähnte Kabel 74, mit Strom versorgt werden. Die Elektronik kann auch ein Batterie-Backup-System umfassen (nicht dargestellt). Die Elektronik kann auch eine Echtzeituhr (nicht abgebildet) enthalten, die mit den Komponenten des Systems 20 synchronisiert ist. Auf diese Weise können gesammelte Daten, Ausfälle, Systemoperationen, Inbetriebnahme, Abschaltung und Ähnliches genau überwacht und gesteuert werden.
Die Elektronik kann auch eine Druckmessfunktion für den Aktuator des Ventils und andere Teile des Systems umfassen. In einem Beispiel kann die Druckmessfunktion Drucksensoren (nicht dargestellt) umfassen, die mit der PCB 50 oder der Hauptplatine und dem Prozessor verbunden sind. Die Drucksensoren können verwendet werden, um den Druck im Kolbenzylinder 60 auf beiden Seiten des Kolbens 58 in Echtzeit zu bestimmen. Das System 20 kann auch Drucksensoren zur Messung des Luftdrucks oder des Dampfdrucks an anderen Stellen des Systems 20 enthalten, wie gewünscht.
Wie unten erwähnt, kann die Elektronik oder PCB 50 auch einen Steckplatz (nicht dargestellt) für eine Speicherkarte, wie z. B. eine SD-Karte, enthalten, die dem System 20 hinzugefügt wird. Die Elektronik kann auch einen Spannungsregler (nicht dargestellt) enthalten, um die an den Komponenten des Systems 20 anliegende Spannung zu steuern. Wie bereits erwähnt, kann die Elektronik auch eine oder mehrere Tochterplatinen (nicht dargestellt) umfassen, die mit der Hauptplatine oder PCB 50 verbunden sind, um dem Aktuator 30 und dem System 20 je nach Bedarf zusätzliche Funktionen hinzuzufügen. In einem Beispiel können die Tochterplatinen oder zusätzlichen Leiterplatten Wi-Fi-Fähigkeit und/oder IO-Link-Fähigkeit bieten, die je nach Wunsch verschiedene Aktuatoren, Magnete und Sensoren des Systems 20 verbinden können. Außerdem kann die Hauptplatine oder PCB 50 einen Anschluss für ein USB- oder ein anderes elektronisches Kabel enthalten, wie oben erwähnt. Ferner kann die Elektronik einen Programmieranschluss (nicht dargestellt) enthalten, der entweder von der Außenseite des Körpers 32 zugänglich ist oder wenn die Elektronik durch Zerlegen des Körpers 32 wie in 4 freigelegt wird. Der Programmieranschluss kann verwendet werden, um den Prozessor oder Mikrochip der Elektronik je nach Bedarf oder Wunsch anzuschließen und zu programmieren.
Die Elektronik kann einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) verwenden (nicht dargestellt), um analoge Signale, wie Schall und Vibration, die von Teilen oder Komponenten des Systems 20 erhalten werden, in digitale Signale für die Datenerfassung umzuwandeln. Ebenso kann die Elektronik einen Digital-Analog-Wandler (DAC) (nicht dargestellt) zur Umwandlung von digitalen Signalen in analoge Audiosignale zur Verstärkung oder zu einem anderen Zweck verwenden.
Die Elektronik kann auch die QVLA-Leuchtdiode (LED) des Anmelders, d.h. die Emitter 64, und die QVLA-Sensortechnologie, d.h. die Sensoren 66, enthalten. Die QVLA-Technologie, einschließlich eines oder mehrerer Emitter 64 und Sensoren 66, kann auf den Kolben 58 angewendet werden, um die Position des Kolbens und der Kolbenstange 62 präzise und konstant zu bestimmen und die Position des Dampfsteuerventils 28 äußerst genau zu steuern. Im Vergleich zur bestehenden Technologie des Membranaktuators 18 von 1 kann die QVLA-Technologie, die auf den offenbarten Aktuator 30 und das System 20 angewandt wird, kontrollierte Temperaturschwankungen von 1 °F oder weniger erzeugen und kann dazu führen, dass das verarbeitete Material in der Rohrleitung in nur 15 Sekunden auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird.
Die QVLA-Komponenten (LEDs oder Emitter 64 und Detektoren oder Sensoren 66) können innerhalb des Systems und im gesamten System mit einer Faseroptik (nicht dargestellt) verbunden werden. Lichtwellenleiterhalter aus Kunststoff können zwischen zwei Elektronikplatinen oder PCBs eingeklemmt werden, die dann mit Schrauben fixiert werden. Der Abstand zwischen den Enden der Glasfaserelemente und den Detektoren oder Sensoren 66 und den LEDs oder Emittern 64 ist entscheidend. Dies kann im Vergleich zu einer Standardverbindung mit Metallsteckern, wie z. B. ST-Steckern, einen wesentlich kostengünstigeren Aufbau ermöglichen. Außerdem sind faseroptische Komponenten aus Kunststoff viel einfacher zu verwenden als Glasfasern, wobei die Performance kaum oder gar nicht abnimmt.
Die Elektronik kann Schwingungssensoren (nicht abgebildet) enthalten, z. B. auf der Hauptplatine oder PCB 50 oder auf dem Körper 32 des Aktuators 30 selbst, um Schwingungen in allen drei Achsen, d. h. einer X-, Y- und Z-Achse des Aktuators, zu erfassen. Die Elektronik kann auch Wire Trap-Anschlüsse (nicht abgebildet) für das Hinzufügen von Transistoren zum Betrieb der verschiedenen Magnetventile, Regelventile und dergleichen enthalten. Die Elektronik kann mit hochwertigeren Transistoren ausgestattet sein, die schnell genug schalten können, um eine Pulsweitenmodulation (PWM) zu ermöglichen. Die Elektronik kann unter normalen Umständen mit etwa 4-20 mA sowohl für die Eingangs- als auch für die Ausgangsmeldung arbeiten. Die Elektronik kann auch so konfiguriert sein, dass sie Spannungsdaten überwacht und speichert und eine Meldefunktion für die Systemspannung enthält.
Die Elektronik kann auch so konfiguriert sein, dass sie eine digitale Ausgabe der Position des Kolbens 58 und damit der Kolbenstange 62 entweder drahtlos, über eine USB-Verbindung oder vorsorglich über beides liefert. Darüber hinaus können alle Daten bezüglich der Betriebsparameter des Aktuators 30 und des Systems 20 drahtlos, über eine USB-Verbindung oder vorsorglich über beides gemeldet werden. Das System 20 kann auch mit einem Verpolungsschutz ausgestattet sein, der den Stromfluss unterbricht, wenn ein Teil des Systems unsachgemäß angeschlossen wird. Dies kann die Integrität der Komponenten des Systems 20 vor Schäden oder Ausfällen im Falle einer falschen Verbindung, eines Kurzschlusses oder Ähnlichem schützen.
Wie bereits erwähnt, kann das System 20 eine Sicherheitstechnologie verwenden, um den Zugriff auf die Systemsteuerungen, Daten und/oder Ähnliches zu begrenzen. In einem Beispiel kann ein Gauß-Sensor verwendet werden, um Sicherheit herzustellen. Beispielsweise kann der Aktuator 30 oder das System 20 so konfiguriert werden, dass es nur dann in den Kommunikationsmodus, z. B. über Bluetooth, eintritt, wenn ein Magnetfeld erfasst wird. Das Magnetfeld kann erzeugt werden, wenn ein Benutzer mit dem entsprechenden magnetischen Element das Element in der Nähe eines entsprechenden Sensors des Systems positioniert. Die Art und Ausprägung des Magnetfelds kann ebenfalls festgelegt werden, um den gewünschten Sicherheitsgrad zu erreichen.
Mechanik
Der Aktuator 30 der vorliegenden Offenbarung umfasst den oben beschriebenen Körper 32 sowie die oben beschriebenen elektronischen Komponenten. Der Aktuator 30 kann auch kleine Magnetventile mit hoher Taktrate in einem oder mehreren Verteilern 52 verwenden, um pneumatische Luft durch das System 20 zu leiten, wie weiter unten genauer beschrieben. Solche Magnetventile können auch so ausgewählt oder konfiguriert werden, dass sie längere Betriebszeiten bei höheren Temperaturen ermöglichen. Niedrigere Temperaturanforderungen können jedoch die Verwendung von Proportionalventilen erlauben, je nach Verwendung.
Ferner können Deckeldichtungen (nicht abgebildet) für den Kolben 58 und die Kolbenstange 62 verwendet werden, um ein Verkleben und ruckartige Bewegungen zu verhindern, die Lebensdauer des Kolbens zu erhöhen und den Kolben für höhere Temperaturgrenzen geeignet zu machen. Die Verwendung einer solchen Konstruktion des Kolbens 58 und der Kolbenstange 62, die kompakter und leichter ist, kann das Gewicht und die Größenanforderungen im Vergleich zu den bekannten Membranaktuatoren 18 mit vergleichbarer Leistung reduzieren.
Der Körper 32 des offenbarten Aktuators 30 kann so konfiguriert werden, dass er hohe Hygienestandards erfüllt und verschiedene hygienische Einschränkungen einhält, wie z. B. die Einhaltung der oben genannten 3A-Reinheitsstandards. Ein Aktuator 30, der den 3A-Standard erfüllt, muss in der Lage sein, unabhängig vom Montagewinkel oder der Ausrichtung des Aktuators während des Gebrauchs Wasser abzuleiten. Der Körper 32 kann spezielle Dichtungen an der Verbindung zwischen den beiden Körperabschnitten oder - hälften 34, 36 und an den verschiedenen Anschlussöffnungen verwenden, um die 3A-Normen zu erfüllen.
Für einige Umgebungen in der Prozessindustrie muss der Aktuator 30 nicht solch strengen Leistungsstandards, wie den 3A-Anforderungen, entsprechen. In solchen Fällen kann der Körper 32 stattdessen aus Aluminium oder Verbundwerkstoffen hergestellt sein, konventionelle oder Standarddichtungen und -techniken verwenden und minderwertige Stecker und Anschlüsse enthalten. Die oben erwähnten Kolbendeckeldichtungen können für einen reibungslosen Betrieb verwendet werden. In einigen Prozessindustrien sind solche Dichtungen jedoch nicht unbedingt erforderlich. Das Kolbenstangenlager (nicht abgebildet), das durch den Boden des Körpers 32 verläuft, kann eine hochwertige Sonderanfertigung aus hochwertigen Materialien sein, z. B. aus hochfesten Verbundwerkstoffen, oder aus anderen Standardmaterialien bestehen. Ebenso können der Kolben 58 und/oder die Kolbenstange 62 aus hochwertigen, hochbeständigen, leichten Materialien, wie z. B. einem Verbundwerkstoff, hergestellt werden, wenn dies gewünscht oder erforderlich ist, oder sie können aus weniger teuren Standardmaterialien hergestellt werden.
Die Kolbenstange 62 kann auch mit einer thermischen Unterbrechung (nicht dargestellt) entlang ihrer Länge versehen sein, die einen Punkt mit geringer Wärmeleitfähigkeit bildet. Die Unterbrechung kann verhindern, dass überschüssige Wärme vom aktiven oder Arbeitsende der Kolbenstange durch empfindliche Dichtungen oder andere Teile der Kolbenbaugruppe übertragen wird. Das Kolbenstangenlager kann ein abnehmbares, austauschbares und/oder reparierbares Bauteil sein, was die Lebensdauer des restlichen Aktuators 30 und/oder der Kolbenkomponenten verlängern kann. Der Aktuator 30 kann Hochtemperaturdichtungen enthalten, wenn dies gewünscht oder notwendig ist, oder er kann mit weniger teuren Dichtungen hergestellt werden, wenn diese geeignet sind. Der Kolben 58 kann einen Ring oder ein Lager enthalten, bei dem es sich ebenfalls um ein höherwertiges, sehr haltbares Bauteil handelt, wie z. B. ein Verbundlager, oder es kann ein konventionelleres oder Standardbauteil verwendet werden, wenn es geeignet ist.
Das System 20 und der Aktuator 30 können ein Entlüftungsventil 90 enthalten, das das Entweichen von Luft aus dem ausfallsicheren Luftreservoir 68 ermöglicht, wie im Folgenden näher beschrieben. Das Entlüftungsventil 90 oder Klunk-Ventil kann ein Schwerkraft-„Klunk“-Gewicht verwenden, um sicherzustellen, dass sich der Ventilkörper immer am Boden befindet, um ordnungsgemäß zu funktionieren, unabhängig von der Einbaulage oder Ausrichtung des Aktuators 30 und des ausfallsicheren Reservoirs 68.
Der Aktuator 30 und das System 20 können manipulationssichere Verschlüsse aufweisen, um ein unerwünschtes Entfernen der Verschlüsse zu verhindern und den Körper im montierten Zustand zu sichern. Der Aktuator 30 kann Durchgangslöcher für pneumatische Ein- und Ausgänge, d.h. die Anschlüsse 44 und 46, und elektrische Anschlüsse, d.h. den Anschluss 42, aufweisen, die alle die 3A-Reinheitsanforderungen erfüllen. Der Aktuator 30 und das System 20 können stattdessen standardmäßigere, weniger kostspielige elektrische Verbindungen enthalten, wo und wenn sie geeignet sind, wie oben erwähnt.
Der innere Hohlraum C des Aktuators 30 innerhalb der abnehmbaren oberen Hälfte 34 des Körpers kann mit Druck beaufschlagt werden, um einen gewünschten Druck aufrechtzuerhalten, z. B. 2 psi. Das unter Druck stehende Volumen kann die Elektronik und die Ventile aufnehmen und so dazu beitragen, dass Umweltbedingungen oder Verunreinigungen aus der Druckwäsche nicht in den inneren Hohlraum C des Körpers eindringen.
Der Aktuator 30 kann auch mit Montagelöchern unterschiedlicher Größe und Anordnung auf einer Bodenkappe oder auf einer Adapterplatte (nicht dargestellt) versehen sein, die mit dem Körper 32 verbunden ist. Der Aktuator 30 kann mit verschiedenen Bohrungsgrößen des Kolbenzylinders 60, verschiedenen Hublängen, verschiedenen Kolbenkammervolumina oder ähnlichem versehen sein. Der Kolben 58 und die Kolbenstange 62 können mit verschiedenen Kolbenstangendurchmessern, Stangenlängen, Kolbendurchmessern, Kolbenhöhen oder axialen Längen und dergleichen versehen sein. Diese Parameter können so ausgelegt werden, dass der Aktuator 30 die gewünschten Leistungsmerkmale aufweist, um die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.
Betriebsalgorithmus
Der Betriebsalgorithmus des offenbarten Aktuators 30 und des Systems 20 kann um ein standardmäßiges Zufuhr- und Entlüftungskonzept herum aufgebaut sein, mit Ausnahmen, die während abnormaler Vorgänge implementiert werden. Wie nachstehend ausführlicher erläutert und in den 5-7 dargestellt, kann ein separater Zufuhr- und Ablassverteiler 52 mit jeder Seite des Kolbens 58 verbunden sein. Eine Seite des Kolbens 58, d. h. eine erste Seite oder eine erste Kammer 92 von zwei Kolbenkammern innerhalb des Kolbenzylinders 60, kann auf einem konstanten Druck gehalten werden. Die andere Seite des Kolbens 58, d. h. eine zweite Seite oder eine zweite Kammer 94 der beiden Kolbenkammern, kann moduliert werden, um die gewünschte Position des Kolbens und damit der Kolbenstange 62, die mit dem Dampfsteuerventil 28 verbunden ist, zu halten oder zu erreichen. Wenn die Kolbenstange 62 bewegt werden soll, wird der Luftdruck auf der zweiten Seite des Kolbens 58 in der zweiten Kammer 94 höher oder niedriger moduliert als der statische Druck auf der ersten Seite des Kolbens in der ersten Kammer 92. Der Algorithmus kann so programmiert werden, dass er die notwendige Korrelation zwischen Druck und Stangenbewegung bestimmt.
Wie in 7 gezeigt, kann das ausfallsichere Reservoir 68 mit der Luftzufuhrleitung oder Zuleitung 78 verbunden werden. Die Verteiler 52 können jeweils mit dem ausfallsicheren Reservoir 68 gekoppelt werden, um über eine Zufuhrleitung 96 Druckluft aus dem Reservoir zu erhalten. Luftdrucksensoren 98 können an den gewünschten Stellen mit der Zuführleitung 96 verbunden werden, um den Druck in den Leitungen und/oder in den jeweiligen Kolbenkammern 92, 94 zu erfassen. Jeder Drucksensor 98 kann mit der PCB 50 oder der Hauptplatine gekoppelt werden, so dass der Druck in Echtzeit vom System überwacht wird, um den gewünschten Betrieb des Kolbens 58 und der Kolbenstange 62 und damit des Dampfsteuerventils 28 aufrechtzuerhalten. Jedes der Magnetentlüftungsventile der Verteiler 52 kann so konfiguriert werden, dass es Luft entweder in den inneren Hohlraum C ablässt, die über das Regelventil und die Abluftleitung 82 abgeleitet wird, oder so konfiguriert werden, dass es Luft direkt in die Abluftleitung oder an die Außenseite des Körpers 32 ableitet. Die Verteiler 52 werden von der Elektronik gesteuert, um während des Betriebs einen gewünschten Druck in jeder der Kolbenkammern 92, 94 zu erreichen.
In manchen Fällen kann es zu einer abnormalen Verzögerung der Stangenbewegung kommen, z. B. wenn der Kolben 58 „festsitzt“. Bei einer zu langen Verzögerung der Stangenbewegung kann der Druck auf einer oder beiden Seiten des Kolbens 58 in einer oder beiden Kammern 92, 94 unter Verwendung der Zufuhr- und Ablassventile der beiden Verteiler 52 variiert werden, um die festgefahrene Situation zu überwinden. In einem Beispiel kann der Betriebsalgorithmus so programmiert werden, dass er automatisch die Drücke ändert, um die Situation des festsitzenden Kolbens zu entschärfen. Der Algorithmus kann auch so programmiert werden, dass er Daten wie Datum, Uhrzeit, Drücke und andere einschlägige Informationen in einer Tabelle mit anormalen Werten notiert. Diese Daten können im Speicher, z. B. auf der oben erwähnten SD-Karte, gespeichert oder aufgezeichnet und für die nächste Bluetooth-Kommunikation vorgemerkt werden.
QVLA-Sensorik
Wie oben erwähnt, hat der Anmelder QVLA-Sensorvorrichtungen und -techniken entwickelt, patentiert und implementiert. Eine solche QVLA-Sensorik kann in dem offenbarten Aktuator 30 und System 20 verwendet werden, um die Leistung gegenüber den bestehenden, vergleichbaren Membranaktuatoren erheblich zu verbessern. Der QVLA-Lichtsensor ist schneller, präziser und immun gegen Vibrationen. Außerdem sind für den Betrieb keine Magnete erforderlich. Die QVLA-Sensorvorrichtungen und -Techniken können verbessert oder verändert werden, um die offenbarten Aktuatoren, Systeme und Methoden zu unterstützen.
In einem Beispiel kann eine rückkopplungsstabilisierte Lichtquelle, d. h. ein Emitter 64, in Software moduliert werden, um mehrere wiederholbare Verstärkungen der Lichtleistung zu erzeugen, die stabil bleiben und die Reichweite der QVLA-Technologie erweitern.
Das QVLA-System verwendet eine stabilisierte Lichtquelle oder einen Emitter 64, um die Entfernung oder das Volumen zu bestimmen. Je heller die Lichtquelle ist, desto größer ist die Entfernung oder das Volumen, das genau gemessen werden kann. Eine derzeitige Einschränkung der bestehenden QVLA-Systeme ist die Helligkeit, wenn sie sich in der Nähe eines Objekts befinden. Wenn das Licht zu hell ist, kann der Lichtsensor gesättigt werden, was zu mehrfachen Doppelmessungen führen kann, während sich ein Objekt vom Sensor entfernt, bis die Lichthelligkeit mit der Entfernung abnimmt und der Lichtsensor nicht mehr gesättigt ist. Das offenbarte Verfahren überwindet diese Einschränkung in der QVLA-Technologie, indem es einen Software-Algorithmus einbezieht, der das QVLA-Licht moduliert.
In dem offenbarten Beispiel verwendet der Betriebsalgorithmus zwei oder mehr Werte von QVLA-geregeltem Licht, das durch Modulation eines digitalen Potentiometers auf eine bestimmte Frequenz erzeugt wird. Der Algorithmus verwendet diese spezifische Frequenz als Wartezeit, um dem QVLA-Lichtemitter 64 Zeit zu geben, sich zu stabilisieren, bevor ein Lichtpegel vom Lichtsensor 66 gemessen wird. Bei der Einstellung der modulierten QVLA-Lichtwerte kann der erste QVLA-Wert auf einen Wert knapp unter dem Sättigungspunkt des Lichtsensors 66 eingestellt werden, wenn sich ein Objekt, z. B. der Kolben 58, so nahe wie möglich an der Lichtquelle oder dem Emitter 64 befindet. Dieser Pegel stellt sicher, dass keine Lichtpegelwerte dupliziert werden.
Die nächsten QVLA-Lichtpegel werden dann auf einen Wert eingestellt, bei dem das Objekt, z. B. der Kolben 58, zu einem Punkt bewegt wird, an dem der vorherige Lichtpegel an Auflösung oder Helligkeit zu verlieren beginnt. Der Lichtsensor 66 fällt knapp unter die Sättigung für den neuen QVLA-Lichtwert. Der Betriebsalgorithmus ist so konfiguriert, dass er diese Werte in einer Schleife durchläuft, und nach jedem Durchlauf des Ablesens der Lichtwerte bei den verschiedenen Intensitäten addiert der Algorithmus gemäß der nachstehenden Gleichung alle Messwerte und liefert einen QVLA-Wert für den Abstand des Objekts, d. h. des Kolbens 58, von der Lichtquelle oder dem Emitter 64. $QVLA - Zahl = QVLA [1] + QVLA [2] + QVLA [\dots] + QVLA [n]$
Die Verwendung des oben beschriebenen Ansatzes zur Erweiterung des QVLA-Abstands hat sich als erfolgreich erwiesen und ist einzigartig für die regulierte QVLA-Lichtsensortechnologie.
In einem anderen Beispiel können mehrere Lichtsensoren oder Emitter 64 verwendet und auf unterschiedliche Verstärkungen eingestellt werden, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen, allerdings zu höheren Hardwarekosten. So kann beispielsweise ein erster QVLA-Emitter mit der ersten Kolbenkammer im Kolbenzylinder und ein zweiter QVLA-Emitter mit der zweiten Kolbenkammer im Kolbenzylinder verbunden sein. Ebenso kann ein erster QVLA-Sensor mit der ersten Kolbenkammer positioniert oder gekoppelt sein, um die vom ersten QVLA-Emitter erzeugte Beleuchtung zu erfassen oder zu detektieren, und ein zweiter QVLA-Sensor kann positioniert sein, um die vom zweiten QVLA-Emitter erzeugte Beleuchtung zu erfassen oder zu detektieren. Darüber hinaus kann jede Kolbenkammer zwei oder mehr QVLA-Emitter und -Sensoren enthalten, falls gewünscht. Außerdem muss die QVLA-Sensortechnologie nicht mit dem hier offenbarten und beschriebenen Aktuator und System verwendet werden. Stattdessen können auch andere Arten von Sensoren und Positionserfassung und -überwachung verwendet werden, obwohl die durch die QVLA-Technologie erzielten Vorteile verloren gehen würden.
Betrieb
Mit weiterem Bezug auf 7 wird der Betrieb eines Beispiels des Aktuators 30 und des Systems 20, einschließlich des ausfallsicheren Reservoirs 68, beschrieben. In diesem Beispiel ist das freie Ende der Kolbenstange 62 mit dem Dampfsteuerventil verbunden (2). Der Kolben 58 und der Kolbenzylinder 60 sind als Teil des Aktuator-Körpers 32 der 3-5 vorgesehen. Jede Seite des Kolbens umfasst eine der Kolbenkammern 92, 94 innerhalb des Kolbenzylinders 60. Jede Kammer steht in pneumatischer Fluid- (Luft-) Verbindung mit einem der Zufuhr-/Ablassverteiler 52, von denen jeder die Magnetventile zur Steuerung des Fluid-/Luftstroms durch die Ventile und damit zu und von den Kolbenkammern 92 und 94 enthält. Jedes der Magnetventile der Verteiler 52 kann von einem Controller oder Prozessor (nicht dargestellt) auf der Hauptplatine oder dem PCB 50 der Elektronik gesteuert werden. Auch hier können die Drucksensoren 98 an den gewünschten Stellen entlang des Systems 20 angebracht werden, um den Druck zu überwachen und zu steuern. In 7 ist ein Drucksensor 96 auf jeder Seite des Zufuhr-/Entlüftungsverteilers 52 in Verbindung mit der ersten Kolbenkammer 92 vorgesehen, die die Kammer mit konstantem oder statischem Druck sein kann.
Das Aktuatorsystem 20 umfasst auch das ausfallsichere Luftreservoir 68, aus dem das System 20 die pneumatische Flüssigkeit/Luft bezieht. Das Reservoir 68 ist über die beiden Zufuhr-/Entlüftungsrohre 52 mit dem Kolben 58 verbunden. Die Lufteinlass- oder -versorgungsleitung 78 ist mit dem ausfallsicheren Reservoir 68 über ein Einweg-Rückschlagventil 100 verbunden, so dass dem Reservoir bei Bedarf Luft zugeführt werden kann, die jedoch nicht über den Einlass entweicht. Das ausfallsichere Reservoir 68 hat auch eine Auslassleitung 102, die mit einem Magnetventil 104 verbunden ist, um den Druck innerhalb des Reservoirs und des Systems 20 zu regeln und um das Reservoir und das System bei Bedarf in die Atmosphäre zu entlüften.
Das System umfasst auch ein Öffnungsventil oder Rückschlagventil am Körper 32 des Aktuators 30, das mit der Auslassleitung 82 verbunden ist. Das Öffnungsventil ist ein Niederdruckventil, d.h. in der Größenordnung von 1-2 psi. Das Öffnungsventil entlüftet in die Atmosphäre und dient zur Aufrechterhaltung des Überdrucks im inneren Hohlraum C des Körpers, in dem sich die Komponenten und die Elektronik des Aktuators 30 befinden. Die Entlüftungsventile der Verteiler 52 können kontinuierlich oder sporadisch Luft in den inneren Hohlraum C des Körpers 32 ablassen, um den Körper unter Druck zu setzen. Diese Abzapfluft trägt dazu bei, die Komponenten und die Elektronik im Körper 32 zu kühlen und gleichzeitig den inneren Überdruck zu erzeugen.
In diesem Beispiel kann das ausfallsichere Reservoir 68 dem AktuatorSystem 20 Versorgungsluft mit einem gewünschten Mindestdruck, wie z. B. 70 PSI, zuführen. Die Versorgungsluft kann dem Aktuator 30 unten (nicht dargestellt) oder oben zugeführt werden, wie dargestellt. Die Elektronik kann so konfiguriert sein, dass sie den Luftdruck erfasst und beide Zufuhr-/Entlüftungsventile der beiden Verteiler 52 aktiviert. Luft aus dem ausfallsicheren Reservoir 68 wird zu beiden Einspeise-/Entnahmeverteilern 52 geleitet. Die Elektronik kann so konfiguriert sein, dass der Druck auf der ersten Seite, d. h. in der ersten Kolbenkammer 92 (oberhalb des Kolbens in 7), auf einem vorgegebenen konstanten Druck gehalten wird. In einem Beispiel kann der konstante Druck 30 psi betragen. Die Position des Kolbens 58 und damit der Kolbenstange 62 wird gesteuert und beibehalten, indem entweder Luft in die zweite Seite, d. h. in die zweite Kolbenkammer 94 auf der Stangenseite des Kolbens 58, eingespeist oder aus ihr abgelassen wird. Durch die Zufuhr von Luft in die zweite Kolbenkammer 94 erhöht sich der Druck gegenüber dem konstanten Druck der ersten Seite oder der ersten Kammer 92 und drückt den Kolben 58 nach oben, wodurch die Kolbenstange 62 nach oben bewegt wird (siehe 7). Durch Entlüften der zweiten Kolbenkammer 94 sinkt der Druck unter den konstanten Druck der ersten Kolbenkammer 92, was den Kolben 58 und damit die Kolbenstange 94 nach unten drückt. Auf diese Weise betätigt der Kolben 58 das Dampfsteuerventil 28 von 2.
Das ausfallsichere Reservoir 68, das auf einem höheren Druck als die gewünschten Kolbenkammerdrücke gehalten wird, dient dazu, den Systemdruck innerhalb der gewünschten Parameter zu halten. Ein Verlust des Luftdrucks kann von der Elektronik über einen der Drucksensoren 98 entlang der Rohrleitung 22 oder des Dampfsystems 26 oder des Aktuatorsystems 20 erfasst werden. Die Elektronik kann so konfiguriert sein, dass sie das entsprechende magnetische Einlassventil des entsprechenden Verteilers 52 öffnet, um den Kolben 58 nach unten zu drücken und das Dampfsteuerventil 28 vollständig zu schließen.
Die Elektronik kann auch so konfiguriert sein, dass sie einen Verlust der elektrischen Energie erkennt und eine entsprechende Maßnahme erzwingt. So kann beispielsweise ein Stromausfall im System automatisch das Zufuhrventil des Verteilers 52 zur Oberseite des Kolbens, d. h. zur ersten Seite oder zur ersten Kolbenkammer 92, schließen. Dieses Ventil kann so konfiguriert sein, dass es zum ÖFFNEN elektrische Energie benötigt. Das Entlüftungsventil des Verteilers 52 für die zweite Seite oder die zweite Kolbenkammer 94 kann so konfiguriert sein, dass es sich gleichzeitig öffnet (um wie ein Schließventil zu funktionieren).
Die Elektronik kann so konfiguriert sein, dass ein Verlust eines 4-20-mA-Signals an die Elektronik dazu führen kann, dass das Zufuhrventil des Verteilers 52 für die erste Kolbenkammer 92 geschlossen und das Entlüftungsventil des anderen Verteilers 52 für die zweite Kolbenkammer 94 geöffnet wird. Dadurch werden der Kolben 58 und die Kolbenstange 62 gezwungen, sich bei einem von oben geregelten Druck von 35 psi nach unten zu bewegen (siehe 7).
Auf diese Weise kann das ausfallsichere Reservoir 68 dazu beitragen, das Dampfsteuerventil bei einem Druckverlust im System, einem Energieverlust im System oder einem Signalverlust im System zu schließen. Darüber hinaus kann das System so konfiguriert sein, dass der Kolben 58 im ausfallsicheren Modus nach oben bewegt wird, falls gewünscht, indem einfach der Druck in den verschiedenen Leitungen und Kammern von den Verteilern aus neu konfiguriert wird.
Telefon-App
Der offenbarte Aktuator, das System und das Verfahren können unter Verwendung eines herkömmlichen Computers 72 mit einem separaten, zugehörigen Controller 70 und einem Display 106 zur Einrichtung und Steuerung des Aktuators, des Systems und des Verfahrens verwendet werden, wie in 6 dargestellt. Die Verwendung einer App, die auf ein Smartphone 76, ein Tablet oder ein anderes persönliches elektronisches Gerät des Benutzers heruntergeladen wird, ergänzt jedoch die Systemfunktionalität oder macht diese separaten Komponenten des Systems überflüssig und vereinfacht die Funktion und den Betrieb des Systems. Smartphones und andere persönliche elektronische Geräte sind heute so weit verbreitet, dass fast jeder in dieser Art von Unternehmen mindestens eines besitzt. Die Verwendung der App ersetzt die Komplexität und die Kosten der Herstellung eines separaten Gehäuses für ein Steuergerät 70 und/oder die Bereitstellung eines zusätzlichen Bildschirms oder Displays 106 für die Einrichtung und Steuerung des Systems 20. Die App kann eine integrierte Software enthalten, die die Kommunikation zwischen der App und dem System 20 ermöglicht. Die App kann zur Steuerung und Überwachung des Systems 20 und der Systemfunktionen verwendet werden.
Die App-Anzeige kann verschiedene Logos zur Identifizierung der App und, falls gewünscht, spezifische App-Funktionen enthalten. Die App kann eine Echtzeitanzeige verschiedener Leistungsmerkmale des Systems 20 bereitstellen. In nur einem von vielen möglichen Beispielen kann die App Informationen über die im Aktuator 30 und/oder in den Systemkomponenten auftretenden Vibrationen anzeigen. Die angezeigten Informationen können die Schwingungseigenschaften für alle drei Achsen, den Grad der Schwingung und die aus der Schwingung resultierende Kraft oder Last umfassen. Die App kann auch die Position des Kolbens 58 des Aktuators 30 in Echtzeit anzeigen. Die App kann auch den Druck in jeder Kammer 92, 94 des Kolbenzylinders 60 sowie die Kraft anzeigen, die auf die Kolbenstange 62 oder durch die Kolbenstange auf das Dampfsteuerventil 28 ausgeübt wird.
Die App kann so konfiguriert sein, dass sie eine Datenprotokollierungsfunktion bereitstellt. In einem Beispiel kann die Datenprotokollierung über eine Speicherkarte, wie z. B. eine SD-Karte, für Datenanalysezwecke zur Verfügung gestellt werden, falls benötigt. Die Daten können direkt über die App auf dem Smartphone 76 oder einem elektronischen Gerät des Benutzers von der PCB 50 des Aktuators 30 aus zugänglich sein.
Die App kann so konfiguriert, d. h. kalibriert sein, dass sie auf unterschiedlich großen Aktuatoren 30 mit unterschiedlich großen Kolben 58 installiert werden kann. Die App sowie ein bestimmter Aktuator 30 können auch so konfiguriert sein, dass sie auf Dampfsteuerventilen 28 unterschiedlicher Größe mit unterschiedlichen Aktuator-Hublängen installiert werden können. Die Rohdaten können im Speicher der App gespeichert werden, wenn die Rohdaten auf die Hublänge kalibriert werden. Die Rohdaten ändern sich nie und können auf unbestimmte Zeit gespeichert werden, um eine Datenbank aufzubauen. Es kann jedoch sein, dass für ein Dampfsteuerventil 28, das nur die Hälfte der verfügbaren Hublänge des Aktuators 30 benötigt, die volle eingefahrene und die volle ausgefahrene Position durch ein Einrichtungs- und Kalibrierungsverfahren in der Telefon-App ermittelt werden muss.Die App kann so programmiert werden, dass sie die Leistung des Systems 20 in Echtzeit überwacht und ein Warnsignal an den Benutzer über das Smartphone 76 oder das persönliche elektronische Gerät ausgibt. Das Warnsignal kann ein bestimmter Ton sein, der aus den Audiooptionen des Telefons oder Geräts ausgewählt wird, oder sogar ein anderer Ton für jede Art von Warnung. Das Warnsignal kann auch eine Vibration, eine Kombination aus Ton und Vibration oder Ähnliches sein. Die Warnsignale können ausgegeben werden, um vor übermäßigen Ausschlägen einer Vibration in einer beliebigen Achse, einer übermäßigen Hublänge nach oben oder unten, einer Kolben- oder Stangenbewegung, die langsamer ist als erwartet, oder Ähnlichem zu warnen. Die App kann auch so konfiguriert werden, dass sie den Benutzer vor einem Druckverlust im System, einem Stromausfall im System oder einem Signalverlust im System warnt.
Die App kann so programmiert sein, dass sie die Leistung des Systems 20 in Echtzeit überwacht und ein Warnsignal an den Benutzer über das Smartphone 76 oder das persönliche elektronische Gerät ausgibt. Das Warnsignal kann ein bestimmter Ton sein, der aus den Audiooptionen des Telefons oder Geräts ausgewählt wird, oder sogar ein unterschiedlicher Ton für jede Art von Warnung. Das Warnsignal kann auch eine Vibration, eine Kombination aus Ton und Vibration oder Ähnliches sein. Die Warnsignale können ausgegeben werden, um vor übermäßigen Ausschlägen einer Vibration in einer beliebigen Achse, einer übermäßigen Hublänge nach oben oder unten, einer Kolben- oder Stangenbewegung, die langsamer ist als erwartet, oder Ähnlichem zu warnen. Die App kann auch so konfiguriert sein, dass sie einen Benutzer vor einem Druckverlust im System, einem Stromausfall im System oder einem Signalverlust im System warnt.
Die App auf dem Smartphone 76, Tablet oder persönlichen elektronischen Gerät kann so konfiguriert sein, dass sie mit dem Aktuator 30 und dem System 20 auf verschiedene Weise kommuniziert. In einem Beispiel kann die Kommunikation über eine drahtlose Kommunikationsmethode, wie z. B. Bluetooth-Kommunikation oder ähnliches, erfolgen. Alternativ kann das Smartphone 76 oder das persönliche elektronische Gerät mit dem Aktuator oder einem anderen Teil des Systems über ein USB-Kabel oder dergleichen verbunden werden.
In einem Beispiel kann die App eine Anmeldefunktion enthalten, die es nur einem autorisierten Benutzer erlaubt, sich bei der App anzumelden und Zugang zum System zu erhalten. Die Anmeldefunktion kann einen Passcode, eine Fingerabdruck-ID, eine Retina-ID erfordern oder durch einen Magneten aktiviert werden.
In einem Beispiel kann der Aktuator 30 einen oder mehrere Steckplätze für Tochterplatinen auf der PCB 50 oder der Mutterplatine aufweisen, um den Installationszugang zu zusätzlichen PCBs, d.h. Tochterplatinen, zu ermöglichen. In einem Beispiel kann ein Steckplatz für eine Tochterplatine verwendet werden, um eine Platine aufzunehmen, die Zugang zu Wi-Fi und der App auf dem Smartphone 76, dem Tablet oder einem persönlichen elektronischen Gerät bietet.
In einem Beispiel kann die App so konfiguriert sein, dass sie eine vollständige und abschließende Einrichtung des Aktuators 30 und des gesamten Systems 20 auf dem Smartphone 76, dem Tablet oder einem persönlichen elektronischen Gerät ermöglicht, das vom System entfernt ist. Darüber hinaus kann die App so konfiguriert werden, dass ein Benutzer das System 20 und den Aktuator 30 für eine bestimmte Anwendung, für Reparaturen oder für Neustarts kalibrieren kann, je nach Bedarf. Die App kann auch so konfiguriert sein, dass sie den Betrieb anderer Aspekte des Systems 20 als des Aktuators 30 steuert, überwacht und einstellt, beispielsweise den Betrieb des Klunk-Ventils 90. Die App kann auch so konfiguriert sein, dass sie eine manuelle Aktivierung oder Abschaltung des gesamten Systems 20 oder von Teilen des Systems ermöglicht und steuert.
Luft wird aus dem Fail-Safe-Behälter 68 sowohl dem Entlastungsregelventil 142 als auch dem Zufuhr-/Entlüftungs-Verteiler 52 zugeführt. In diesem Beispiel wird der Oberseite des Kolbens, d. h. der ersten Seite oder der ersten Kolbenkammer 92, ständig Luft mit einem Druck von 35 psi zugeführt, wodurch eine gleichmäßige Abwärtskraft auf den Kolben 58 und damit auf die Kolbenstange 62 ausgeübt wird. Die Position des Kolbens 58 wird gesteuert und beibehalten durch: Zuführen von Luft in die zweite Seite oder zweite Kolbenkammer 94 des Kolbenzylinders, die den Kolben und damit die Kolbenstange 62 nach oben drückt, oder Ablassen von Luft aus der zweiten Seite oder zweiten Kolbenkammer des Kolbenzylinders, wodurch die 35 psi-Luft den Kolben und die Kolbenstange nach unten drücken kann.
Der Betrieb des Fail-Safe-Behälters 68 steuert wiederum die Sicherheitsaspekte des Systems. Bei einem Luftdruckverlust am 3-Wege-Ventil 140 wird die zweite Kammer 94 oder die Stangenseite zur Atmosphäre entlüftet. Dies ermöglicht es der geregelten Luft von 35 psi, den Kolben 58 und die Kolbenstange 62 nach unten zu drücken, indem Luft aus dem Fail-Safe-Volumen verwendet wird, was ansonsten dem Beispiel von 7 entspricht.
Bei einem Stromausfall wird das Zufuhrventil des Verteilers 52 zur zweiten Seite oder zur zweiten Kolbenkammer 94 automatisch geschlossen. Zum Öffnen dieses Ventils ist elektrische Energie erforderlich. Ein Ausfall eines 4-20-mA-Signals an die Elektronik kann dazu führen, dass das gleiche Zufuhrventil geschlossen und das Entlüftungsventil geöffnet wird, wodurch der Kolben 58 und die Kolbenstange 62 über die geregelte Luft von 35 psi von der gegenüberliegenden ersten Seite oder der ersten Kolbenkammer 92 nach unten gedrückt werden.
In jedem der oben genannten Beispiele stellt der ausfallsichere Behälter Luftdruck bereit, um die gewünschte Kolbenbewegung auszulösen, sollte das System aus irgendeinem Grund ausfallen. Der ausfallsichere Behälter bietet auch eine im Wesentlichen konstante, geregelte Quelle für den Luftdruck, zumindest für eine gewisse Zeit, selbst wenn die Hauptluftversorgung des Behälters ausfallen sollte.
Obwohl hierin bestimmte Beispiele für Ventilbetätigungsbaugruppen, - systeme und -verfahren in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung beschrieben werden, ist der Geltungsbereich dieses Patents nicht darauf beschränkt. Im Gegenteil, dieses Patent deckt alle Ausführungsformen der Lehren der Offenbarung ab, die in den Bereich der zulässigen Äquivalente fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63/013312 [0001]
US 7388188 B [0042]
US 8436287 B [0042]
US 8115185 B [0042]
US 7935916 B [0042]
US 7626153 B [0042]

Claims

Eine Ventilaktuator-Baugruppe, die Folgendes umfasst: einen Körper, der ein abgedichtetes Äußeres und einen inneren Hohlraum definiert, einen Kolben, der mit einer Kolbenstange gekoppelt und in einem Kolbenzylinder beweglich ist, der in dem inneren Hohlraum des Körpers vorgesehen ist; einen ersten QVLA-Emitter, der einer ersten Kolbenkammer innerhalb des Kolbenzylinders zugeordnet ist; einen ersten QVLA-Sensor, der so positioniert ist, dass er die von dem ersten QVLA-Emitter erzeugte Beleuchtung erfasst; und eine oder mehrere elektronische Komponenten innerhalb des inneren Hohlraums, die mindestens einen Prozessor umfassen, wobei die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten so konfiguriert sind, dass sie den Kolben durch einen gesteuerten Luftdruck bewegen und eine Position der Kolbenstange relativ zu dem Kolbenzylinder gemäß den von dem ersten QVLA-Sensor erzeugten Signalen kontinuierlich überwachen und/oder festlegen, wobei der erste QVLA-Sensor über eine Faseroptik mit dem ersten QVLA-Emitter gekoppelt ist.
Die Aktuator-Baugruppe gemäß Anspruch 1, wobei ein Teil des inneren Hohlraums auf einem Überdruck gehalten wird.
Die Ventilaktuator-Baugruppe nach Anspruch 2, wobei der Überdruck 1 bis 2 psi über dem Druck an der abgedichteten Außenseite des Körpers liegt.
Die Ventilaktuator-Baugruppe gemäß Anspruch 1, wobei ein ausfallsicheres Reservoir mit der ersten und der zweiten Kolbenkammer verbunden ist und wobei das ausfallsichere Reservoir so konfiguriert ist, dass es einen Druck aufweist, der höher ist als ein Betriebsdruck der ersten oder der zweiten Kolbenkammer.
Die Ventilaktuator-Baugruppe nach Anspruch 4, wobei das ausfallsichere Reservoir die erste und die zweite Kolbenkammer mit Betriebsluft versorgt.
Die Ventilaktuator-Baugruppe nach Anspruch 4, wobei das ausfallsichere Reservoir im inneren Hohlraum des Körpers angeordnet ist.
Die Ventilaktuator-Baugruppe nach Anspruch 4, wobei das ausfallsichere Reservoir innerhalb des inneren Hohlraums vorgesehen ist und den Kolbenzylinder umgibt.
Die Ventilaktuator-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Körper aus rostfreiem Stahl besteht.
Die Ventilaktuator-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Körper einen abnehmbaren Abschnitt aufweist, der von einem zweiten Abschnitt, der den Kolbenzylinder und die elektronischen Komponenten trägt, entfernt werden kann, um sie freizulegen.
Die Ventilaktuator-Baugruppe nach Anspruch 9, wobei der abnehmbare Abschnitt und der zweite Abschnitt entlang einer abgedichteten Verbindung lösbar miteinander verbunden sind und wobei der Körper im zusammengebauten Zustand so konfiguriert ist, dass er den 3A-Standards für reinraumartige Umgebungen entspricht.
Ein Ventilaktuator-System, umfassend eine Ventilaktuator-Baugruppe mit einem Körper, der einen inneren Hohlraum definiert, und einem Kolben, der mit einer Kolbenstange gekoppelt und innerhalb eines Kolbenzylinders beweglich ist, der innerhalb des inneren Hohlraums vorgesehen ist, wobei der Kolbenzylinder eine erste Kammer auf einer ersten Seite des Kolbens und eine zweite Kammer auf einer zweiten Stangenseite des Kolbens aufweist; eine oder mehrere elektronische Komponenten innerhalb des inneren Hohlraums, die mindestens einen Prozessor umfassen, wobei die eine oder mehreren elektronischen Komponenten so konfiguriert sind, dass sie den Kolben über einen kontrollierten Luftdruck bewegen und eine Position der Kolbenstange relativ zum Kolbenzylinder kontinuierlich überwachen und/oder festlegen; ein ausfallsicheres Reservoir, das mit einer Luftquelle gekoppelt ist, wobei das ausfallsichere Reservoir sowohl mit der ersten Kammer als auch mit der zweiten Kammer verbunden ist, um diese mit Betriebsluft zu versorgen; und eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie mit dem Prozessor der einen oder mehreren elektronischen Komponenten, die vom Körper entfernt sind, kommuniziert und die Funktionen des Ventilaktuator-Systems selektiv überwacht und steuert, wobei die erste Kammer auf einem konstanten Druck innerhalb der Grenzen des Systems gehalten wird und der Druck in der zweiten Kammer wird verändert, um die Position des Kolbens zu bewegen und/oder zu halten, um die Kolbenstange in eine gewünschte Position relativ zum Kolbenzylinder zu bringen.
Das Ventilaktuator-System nach Anspruch 9, das ferner umfasst: einen ersten QVLA-Emitter, der mit der ersten Kammer innerhalb des Kolbenzylinders verbunden ist; und einen ersten QVLA-Sensor, der so angeordnet ist, dass er die von dem ersten QVLA-Sensor erzeugte Beleuchtung erfasst; und wobei der erste QVLA-Sensor über eine Faseroptik mit dem ersten QVLA-Emitter gekoppelt ist.
Das Ventilaktuator-System nach Anspruch 10, wobei die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten so konfiguriert sind, dass sie den Kolben bewegen und die Position der Kolbenstange relativ zum Kolbenzylinder gemäß den von dem ersten QVLA-Sensor erzeugten Signalen kontinuierlich überwachen und/oder festlegen.
Das Ventilaktuator-System nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Dampfsteuerventil, das mit einer Dampfquelle verbunden ist, wobei die Kolbenstange mit dem Dampfsteuerventil gekoppelt ist, wodurch die Bewegung der Kolbenstange das Dampfsteuerventil betätigt.
Das Ventilsteuer-System nach Anspruch 12, wobei die Dampfzufuhrleitung stromabwärts des Dampfsteuerventils mit einem Rohr verbunden ist, das einen Strom von hergestelltem Produkt führt, wodurch Dampf in den Strom injiziert wird.
Das Ventilsteuer-System nach Anspruch 11, wobei die Steuerung ein Smartphone oder Tablet ist, das drahtlos mit der einen oder mehreren elektronischen Komponenten kommuniziert.
Das Ventilsteuer-System nach Anspruch 11, wobei die Steuerung einen Computer und ein Display umfasst, wobei die Steuerung mit der einen oder den mehreren elektronischen Komponenten kommuniziert.
Verfahren zum Steuern eines Dampfsteuerventils eines industriellen Prozesses, wobei der industrielle Prozess eine Ventilaktuator-Baugruppe mit einem Körper, der einen inneren Hohlraum definiert, und einem Kolben, der mit einer Kolbenstange gekoppelt und innerhalb eines Kolbenzylinders, der in dem inneren Hohlraum vorgesehen ist, beweglich ist, wobei der Kolbenzylinder eine erste Kammer auf einer ersten Seite des Kolbens und eine zweite Kammer auf einer zweiten Stangenseite des Kolbens aufweist, und die Kolbenstange mit einem Aktuator des Dampfsteuerventils gekoppelt ist, umfasst; Bewegen des Kolbens über eine oder mehrere elektronische Komponenten innerhalb des inneren Hohlraums durch gesteuerten Luftdruck, wobei die eine oder mehreren elektronischen Komponenten mindestens einen Prozessor umfassen, der zur Steuerung des Luftdrucks konfiguriert ist; kontinuierliches Überwachen und/oder Steuern einer Position der Kolbenstange relativ zu dem Kolbenzylinder über die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten, um den Betrieb des Dampfsteuerventils zu steuern; selektives Überwachen und/oder Steuern von Funktionen des Ventilaktuator-Systems über eine Steuerung, die entfernt von der Ventilaktuator-Baugruppe angeordnet und so konfiguriert ist, dass sie mit dem Prozessor der einen oder mehreren elektronischen Komponenten kommuniziert; und Bereitstellen von Betriebsluft aus einer externen Luftquelle sowohl für die erste Kammer als auch für die zweite Kammer über ein ausfallsicheres Reservoir, das in dem inneren Hohlraum des Körpers angeordnet ist.