DE202014011333U1

DE202014011333U1 - Kraftgesteuertes Steuerventil

Info

Publication number: DE202014011333U1
Application number: DE202014011333.5U
Authority: DE
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2024-01-08
Also published as: EP2943705A4; KR20150103028A; CN104995443B; JP6585505B2; KR102226629B1; US9777862B2; US20150345654A1; CN104995443A; JP2016509167A; WO2014110044A1; EP2943705A1

Abstract

Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil, aufweisend einen Ventilsitz mit einem reduzierten Durchmesser stromabwärts einer Messstelle, um den Kontakt mit einem Hochgeschwindigkeitsstrom während des Betriebs zu reduzieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Durchflussregelung, insbesondere ein kraftbetätigtes modulierendes Regelventil.
Diskussion des Standes der Technik
Ein Ventil ist eine Vorrichtung, welche den Durchfluss eines Fluids (Gase, Flüssigkeiten, fluidisierte Feststoffe oder Schlämme) reguliert, steuert oder regelt, durch Öffnen, Schließen oder teilweises Blockieren von verschiedenen Durchgängen. Eine Art von Ventil ist ein Magnetventil. Magnetventile sind die am häufigsten verwendeten Regelelemente in der Fluidtechnik. Magnetventile werden durch einen elektrischen Strom über einen Magneten geregelt, der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, die wiederum das Ventil mechanisch öffnet oder schließt. Magnetventile bieten schnelles und sicheres Schalten, eine hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, gute Medienverträglichkeit der verwendeten Materialien, geringe Regelleistung und eine kompakte Bauweise.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten ein kraftbetätigtes modulierendes Regelventil, welches einen Ventilsitz mit einem reduzierten Durchmesser stromabwärts einer Messstelle aufweist, um den Kontakt mit einem Hochgeschwindigkeitsstrom während des Betriebs zu reduzieren. In einer Ausführungsform tritt der reduzierte Durchmesser nur bei einem unteren Bereich des Ventilsitzes auf. In anderen Ausführungsformen tritt der reduzierte Durchmesser stromabwärts der Messstelle bei einem vollständigen Bereich des Ventilsitzes auf. In bestimmten Ausführungsformen weist der Ventilsitz einen Messerkantensitz auf, so dass sich die Messstelle an einem Außendurchmesser des Ventilsitzes befindet. Dennoch beinhaltet das kraftbetätigte modulierende Regelventil in bestimmten Ausführungsformen ein Strömungsschild, welches direkt außerhalb einer Messstelle des Ventilsitzes angeordnet ist, um zu verhindern, dass ein Hochgeschwindigkeitsfluid zu Teilen einer Kolbenanordnung zirkuliert. In einer Ausführungsform ist der Strömungsschild an einem Körper eines Instruments befestigt, so dass Fluidkräfte auf einen Körper des Instruments übertragen werden. Beispielhafte Ausführungsformen des offenbarten kraftbetätigten modulierenden Regelventils gelten für direkt wirkende Magnetventile und vorgesteuerte Balgventile. Darüber hinaus sind die Ausführungsformen des offenbarten kraftbetätigten modulierenden Regelventils sowohl für druckausgeglichene als auch für nicht druckausgeglichene Ventile anwendbar.
Darüber hinaus können Ausführungsformen des kraftbetätigten modulierenden Regelventils in einem Massendurchflussregler zum Regeln des Fluidstroms eingesetzt werden. So umfasst der Massendurchflussregler in einer Ausführungsform beispielsweise einen Einlass zur Aufnahme des Fluids; einen Strömungspfad, in dem das Fluid durch den Massendurchflussregler strömt; einen Massendurchflussmesser zum Bereitstellen eines Signals, das dem Massendurchfluss des Fluids durch den Strömungspfad entspricht; ein kraftbetätigtes modulierendes Regelventil zum Regeln des Fluidstroms aus einem Auslass des Massendurchflussreglers, wobei das kraftbetätigte modulierende Regelventil einen Ventilsitz mit einem reduzierten Durchmesser stromabwärts einer Messstelle aufweist, um den Kontakt mit einem Hochgeschwindigkeitsstrom während des Betriebs zu reduzieren; und eine Regelung, die dazu ausgebildet ist, ein Ventilregelsignal anzulegen, um das kraftbetätigte modulierende Regelventil auf eine gewünschte Ventilstellung einzustellen, um den Fluidstrom aus einem Auslass des Massendurchflussreglers zu regeln.
Weitere Ausführungsformen, Vorteile und Neuerungen sind in der detaillierten Beschreibung aufgeführt.
Figurenliste
Illustrative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, welche durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden und wobei:

1 ist eine Abbildung, welche ein typisches kraftbetätigtes Ventil eines druckausgeglichenen Typs gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
2A und 2B sind Abbildungen, welche ein Beispiel für eine Änderung des Strömungsprofils infolge einer geringfügigen Änderung der Ventilstellung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellen;
3A-3C sind Abbildungen, welche Beispiele für ein Ventil mit einem Messerkantensitz gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellen;
4A-4C sind Abbildungen, welche Beispiele für ein Ventil mit Messerkantensitz gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellen;
5A-5B sind Abbildungen, welche Beispiele für ein Ventil mit einem Messerkantensitz mit abgenommenem Flansch gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellen;
6A ist eine Abbildung, welche ein Beispiel für ein Ventil mit einem Messerkantensitz bei abgenommenem Flansch und mit einem Strömungsschild gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
6B ist eine Abbildung, welche ein Beispiel für ein Ventil mit einem Messerkantensitz mit nicht entferntem Flansch und mit einem Strömungsschild gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
7 ist eine Abbildung, welche die berechnete Kraft auf den Kolben bei verschiedenen Betriebspositionen und Auslassdrücken für eine standardmäßige Flachsitzanordnung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
8 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Standard-Flachsitzventil mit atmosphärischer Entladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
9 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Standard-Flachsitzventil mit Vakuumentladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
10 ist ein Diagramm, welches die berechnete Kraft auf den Kolben bei verschiedenen Betriebspositionen und Auslassdrücken für ein Messerkantensitzventil gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
11 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Messerkantensitzventil mit atmosphärischer Entladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
12 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Messerkantensitzventil mit Vakuumentladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
13 ist ein Diagramm, welches einen zweiten Satz von Testdaten für ein Messerkantensitzventil mit Vakuumentladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
14 ist ein Diagramm, welches die berechnete Kraft für ein Ventil mit Messerkantensitz und Strömungsschild gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
15 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Ventil mit einem Messerkantensitz mit Strömungsschild und atmosphärischem Auslassdruck gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
16 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Ventil mit einem Messerkantensitz mit Strömungsschild und Vakuumauslassdruck gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
17 ist eine Abbildung, welche einen zweiten Satz von Testdaten für ein Ventil mit einem Messerkantensitz mit Strömungsschild und Vakuumauslassdruck gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
18 ist eine Abbildung, welche ein Beispiel für ein herkömmliches nicht ausgeglichenes Ventil mit flachem Sitz gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt;
19 ist eine Abbildung, welche ein Beispiel für ein herkömmliches nicht ausgeglichenes Ventil mit Messerkantensitz und Strömungsschild gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt; und
20 ist eine Abbildung, welche ein Beispiel für einen Massendurchflussregler darstellt, in dem die offenbarten Ventilausführungen zum Regeln des Durchflusses verwendet werden können.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die offenbarten Ausführungsformen und deren Vorteile lassen sich am besten unter Bezugnahme auf die 1-20 der Zeichnungen verstehen, wobei gleiche Ziffern für gleiche und entsprechende Teile der verschiedenen Zeichnungen verwendet werden. Andere Merkmale und Vorteile der offenbarten Ausführungsformen werden nach Prüfung der folgenden Figuren und der detaillierten Beschreibung einem Fachmann offensichtlich sein oder werden. Es ist vorgesehen, dass alle diese zusätzlichen Merkmale und Vorteile in den Umfang der offenbarten Ausführungsformen einbezogen werden. Darüber hinaus sind die dargestellten Figuren nur exemplarisch und sollen keine Einschränkungen in Bezug auf Umgebung, Architektur, Design oder Prozess, in denen unterschiedliche Ausführungsformen realisiert werden können, geltend machen oder implizieren.
Ein direktwirkendes Magnetventil wird häufig für die präzise Durchflussregelung eingesetzt, da es praktisch unbegrenzte Auflösung bietet, schnell reagiert und praktisch keine Hysterese aufweist. Diese Art von Ventil stellt seine Position ein, indem es das Gleichgewicht zwischen der Kraft des Magneten und der Rückstellkraft der Feder(n) aufrechterhält. Darüber hinaus hat dieser Ventiltyp auch keine beweglichen Dichtungen und erzeugt durch seinen Betrieb keinen Verschleiß.
Als Beispiel zeigt 1 die Hauptkomponenten in einem typischen direkt wirkenden Magnetventil 100. Das Magnetventil 100 beinhaltet eine Kolbenanordnung 110 und eine Messblende 120. Die Kolbenanordnung 110 beinhaltet einen magnetischen Kolben 112, eine Feder 114, einen verjüngten Kolben 116 und einen Ventilsitz 118. Ein Nachteil der Konstruktion des Magnetventils 100 ist, dass, wenn es etwas gibt, das eine zusätzliche Kraft auf die Kolbenanordnung 110 ausübt, es die Gleichgewichtsposition stört. Wenn die Gleichgewichtsposition gestört ist, ändert sich der gemessene Durchfluss. Wenn die Durchflussänderung eine Kraftänderung an der Kolbenanordnung 110 des Ventils bewirkt, besteht die Möglichkeit eines instabilen Feedbacks, welches zu Instabilität oder Schwingungen führen kann.
Gemäß den offenbarten Ausführungsformen stellten die Erfinder der beanspruchten Erfindungen fest, dass das Strömungsgeschwindigkeitsfeld in Bezug auf die Ventilverschiebung beim Verlassen des Messbereichs des Ventils instabil ist. Die 2A und 2B stellen beispielsweise die Änderung des Strömungsprofils durch eine kleine (0,001") Änderung der Ventilstellung dar. 2A zeigt beispielsweise das Strömungsprofil bei 0,015" Ventilverschiebung. Wie in der Abbildung dargestellt, ist der Hochgeschwindigkeitsstrom 210 am Boden eines Ventilsitzes 118 anliegend. Im Gegensatz dazu stellt 2B das Strömungsprofil bei 0,065" Ventilverschiebung dar, bei dem der Hochgeschwindigkeitsstrom 210 vom Ventilsitz 118 gelöst wird. Dies führt zu einer Instabilität der Druckkräfte auf die Ventilkolbenanordnung 110, welche zu einer Bewegung der Kolbenanordnung 110 führt, wodurch der gemessene Durchfluss instabil wird. Dieses Problem ist bei kleineren Messblenden 120 noch schwieriger, wenn der Ventilsitz 118 wesentlich größer als die Blende 120 ist und ein niedriger Auslassdruck herrscht. Insbesondere das Magnetventil 100 ist besonders schwingungsanfällig, wenn das Gerät mit hohen Einlassdrücken und niedrigen Auslassdrücken betrieben wird. Darüber hinaus ist der Betrieb im Vakuum sehr anfällig für Schwingungen.
Gemäß einer offenbarten Ausführungsform stellten die Erfinder fest, dass eine Lösung darin besteht, der Kolbenanordnung 110 einen Dämpfer zur Verbesserung der Stabilität hinzuzufügen. Ein Dämpfer kann jedoch das Ansprechverhalten verlangsamen, die Hysterese erhöhen und möglicherweise Elemente aufweisen, die sich im Betrieb abnutzen. Eine weitere mögliche Lösung ist die Erhöhung der Eigenfrequenz der Kolbenanordnung 110 durch Erhöhung der Steifigkeit der Federn. Diese Modifikation kann nur geringfügig wirksam sein, da die Eigenfrequenz eine schwache Funktion der Steifigkeit ist und die Erhöhung der Steifigkeit die Leistung erhöht, die zum Halten der Ventilstellung erforderlich ist.
So stellten die Erfinder fest, dass ein besserer Weg, das Problem zu reduzieren, darin besteht, die Konstruktion des Ventils zu ändern. Insbesondere wird in einer Ausführungsform, wie in den verschiedenen in den 3A-3C dargestellten Beispielen dargestellt, ein Abschnitt 118R des Ventilsitzes 118 stromabwärts der Messblende 120 entfernt. Dabei nimmt die offenbarte Ausführungsform den Ventilsitz 118 während des Betriebs vom Hochgeschwindigkeitsstrom weg. Mit dem Ventilsitz 118 aus dem Strömungsstrom entfernt wird die Kraftänderung mit der Position stark reduziert. So wird beispielsweise in einer Ausführungsform der Durchmesser des Ventilsitzes 118 am Strömungsaustrittsbereich reduziert, wie in 3D dargestellt.
In einer weiteren Ausführungsform besteht eine weitere Verbesserung des Ventilsitzes 118 darin, den Kontakt auf einen Punkt zu reduzieren, indem eine Messerkante 122 verwendet wird und die Komponenten des Ventilkolbens vom Strömungsaustritt des Messspalts entfernt werden, wie in den verschiedenen Ausführungsformen in den 4A und 4B dargestellt. Die Messerkante 122 fördert die Strömungsablösung vom Ventilsitz 118 zum frühestmöglichen Zeitpunkt. In einer bevorzugten Ausführungsform sollte die Messerkante 122 so dünn wie möglich sein, damit Druckschwankungen unter dem Ventilsitz 118-bereich keinen wesentlichen Einfluss auf die Kraft auf das Ventil haben.
4C ermöglicht einen Vergleich einer aktuellen Ventilausführung 400A mit einem aktuellen Ventilsitz 1180 und einer Ventilausführung 400B mit einem Ventilsitz 118N gemäß einer offenbarten Ausführungsform. Wie in 4C dargestellt, wurde ein äußerer unterer Bereich des Ventilsitzes 118N entfernt, um den Kontakt mit dem Hochgeschwindigkeitsstrom während des Betriebs zu vermeiden oder zu reduzieren, wie in den zuvor offenbarten Ausführungsformen beschrieben. Darüber hinaus beinhaltet der Ventilsitz 118N eine Messerkante 122, um den Kontakt auf einen Punkt zu reduzieren, um die Strömungsablösung vom Ventilsitz 118N zu fördern.
In einer weiteren Ausführungsform kann jedoch ein beträchtlicher Teil des Außenflansches des Ventilsitzes 118 entfernt werden. So kann beispielsweise in 5A ein äußerer Flanschabschnitt 126 eines Ventilsitzes 118, welcher eine Messerkante 122 aufweist, entfernt werden, um den Kontakt mit dem Hochgeschwindigkeitsstrom während des Betriebs zu minimieren. Die Größe des äußeren Flanschabschnitts 126, welcher entfernt wird, kann in verschiedenen Ausführungsformen variieren. Alternativ kann in einer anderen Ausführungsform, wie in 5B dargestellt, ein ganzer Außenabschnitt 128 des Ventilsitzes 118 vollständig entfernt werden. Diese Ausführungsformen reduzieren den Planbereich, auf den Strömungsgeschwindigkeitskräfte einwirken können, weiter.
Unter Bezugnahme auf die 6A und 6B kann in einer weiteren Ausführungsform unmittelbar stromabwärts des Ventilsitzes 118 eine Strömungsschild 130 hinzugefügt werden, um die Rückführung der Strömung im Sitzbereich zu eliminieren oder zu reduzieren, was zu Kräften führen kann, die eine Schwingung auslösen. 6A veranschaulicht beispielsweise das Strömungsschild 130, welches dem Ventilsitz 118 mit der Messerkante 122 und dem äußeren Flanschabschnitt 126 hinzugefügt wird, wie in 5A dargestellt. Die Länge, Breite und Höhe des Strömungsschildes 130 kann in verschiedenen Ausführungsformen variieren. Als weiteres Beispiel veranschaulicht 6B beispielsweise ein dickeres Strömungsschild 130, welches dem Ventilsitz 118 mit der Messerkante 122 hinzugefügt wird und wobei der äußere Flanschabschnitt 126, wie in 5A dargestellt, nicht vom Ventilsitz 118 entfernt wird. In bestimmten Ausführungsformen ist das Strömungsschild 130 jedoch am Gehäuse des Ventils befestigt, um Auswirkungen von Kraftänderungen auf die Ventilstellung zu vermeiden.
7 ist ein Diagramm, welches die berechnete Kraft auf den Kolben bei verschiedenen Betriebspositionen und Auslassdrücken für eine Standard-Flachsitzkonfiguration gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt. Wie in 7 dargestellt, ist die Kraft auf die Ventilkolbenanordnung eine Funktion von Druck und Position. Die Kraft ändert die Richtung in Abhängigkeit vom Druck bei hohen Verschiebungen und niedrigen Auslassdrücken.
8 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Standard-Flachsitzventil mit atmosphärischer Entladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt. Insbesondere zeigt 8 das Schwingungsverhalten eines Standard-Flachsitzventils über den Betriebsbereich der Sollwerte bei einem Einlassdruck von 45 psia und einem atmosphärischen Auslassdruck. Die Diagramme des Schwingungsverhaltens stellen zwei Teile von Daten dar: 1) die diamantform-Linie ist die relative Amplitude der Vibration, gemessen mit einem Beschleunigungssensor; und 2) die quadratform-Linie ist die Frequenz der Schwingung. Die Erfinder der offenbarten Ausführungsformen haben basierend auf experimentellen Daten bestimmt, dass es ausreicht, eine Verschiebung der Genauigkeit des Durchflussreglers zu bewirken, wenn die relative Amplitude der Vibration über -60 dB liegt. So wird zur Veranschaulichung und zum Vergleich eine Referenzlinie bei -60 dB auf alle in den 8, 9, 11-13 und 15-17 dargestellten Testdatendiagramme gezogen. In Bezug auf die 8, 9, 11-13 und 15-17, wenn sich die diamantform-Linie oberhalb der Referenzslinie befindet, dann schwingt das Ventil auf einem Niveau, welches die Leistung beeinträchtigt. Basierend auf den Daten in 8 gibt es beispielsweise keine Schwingungen des Ventils, da die diamantform-Linie nie über der Referenzlinie liegt.
9 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Standard-Flachsitzventil mit Vakuumentladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt. Insbesondere zeigt 9 die Leistung desselben Flachsitzventils, wie in 8 beschrieben, mit einem Einlassdruck von 45 psia und einem Vakuumauslassdruck.
Unter diesen Betriebsbedingungen schwingt das Ventil bei Sollwerten zwischen 15 und 50%, wie in 9 dargestellt.
10 ist ein Diagramm, welches die berechnete Kraft auf den Kolben bei verschiedenen Betriebspositionen und Auslassdrücken für ein Messerkantensitzventil gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt. Beispielhafte Ausführungsformen eines Messerkantensitzventils sind in den 4A-4C dargestellt. Im Gegensatz zu 7 wurde der größte Teil der Auswirkung des Auslassdrucks beseitigt und alle Kurven liegen übereinander, wie in 10 dargestellt. Es gibt jedoch noch eine Kraftänderung bei der Position für niedrige Auslassdrücke.
11 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Messerkantensitzventil mit atmosphärischer Entladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt. Insbesondere stellt 11 die Prüfdaten für ein Messerkantensitzventil mit 45 psia Einlassdruck und atmosphärischem Auslassdruck dar. Wie aus den Daten ersichtlich, gibt es bei dieser Art von Ventilsitz unter diesen Parametern keine Schwingungen über den Betriebsbereich.
12 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Messerkantensitzventil mit Vakuumentladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt. Insbesondere veranschaulicht 12 die Testdaten für ein Messerkantensitzventil mit 45 psia Einlassdruck- und Vakuumentladedruck. Unter diesen Bedingungen zeigen die Daten keine Schwingungen oberhalb der Grenze von -60dB an. Wie in dem Diagramm dargestellt, liegt der Punkt bei 50% Sollwert allerdings sehr nahe am Grenzwert.
13 ist ein Diagramm, welches einen zweiten Satz von Testdaten für ein Messerkantensitzventil mit Vakuumentladung gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt. Die Daten von 13 wurden mit dem gleichen Ventil bestimmt, welches in 12 getestet wurde, mit der Ausnahme, dass der Einlassdruck auf 65 psia erhöht und der Auslassdruck im Vakuum gelassen wurde. Unter diesen schwerwiegenderen Bedingungen schwingt das Ventil unerwünschter Weise bei den meisten Sollwerten frei, wie in dem Diagramm dargestellt.
Gemäß einer weiteren offenbarten Ausführungsform stellt 14 den Kraftverlauf für ein Ventil mit Messerkantensitz und Strömungsschild bei 45 psia-Einlassdruck und verschiedenen Auslassdrücken dar. Nicht einschränkende Beispiele für diese Ventilkonfiguration sind in den 6A-6B dargestellt. Ähnlich wie bei den in 10 dargestellten Prüfdaten liegen die Kurven für alle Auslassdrücke übereinander. Darüber hinaus wurden die Kraftschwankungen bei hohen Ventilhüben mit diesem Ventiltyp unter den gegebenen Bedingungen verhindert.
15 ist ein Diagramm, welches die Prüfdaten für ein Ventil mit einem Messerkantensitz mit Strömungsschild und atmosphärischem Aulassdruck gemäß den offenbarten Ausführungsformen darstellt. Insbesondere stellt 15 die Schwingungsgrafik für ein Ventil mit einem Messerkantensitz mit Strömungsschild, 45 psia Einlassdruck und atmosphärischem Auslassdruck dar. Wie aus den Prüfdaten hervorgeht, wird bei diesem Ventiltyp unter diesen Bedingungen bei keinem Sollwert eine Schwingung beobachtet.
Im Gegensatz zu 15 ist 16 ein Oszillationsdiagramm, welches die Testdaten für ein Ventil mit einem Messerkantensitz mit Strömungsschild bei 45 psia Einlassdruck und einem Vakuumauslassdruck veranschaulicht. Ähnlich wie in 15 wird jedoch bei keinem Sollwert für diesen Ventiltyp unter diesen Bedingungen eine Schwingung beobachtet.
Um die Wirksamkeit dieser speziellen Ausführungsform weiter zu testen, stellt 17 das Schwingungsdiagramm für ein Ventil mit einem Messerkantensitz und einem Strömungsschild bei 65 psia Einlassdruck und atmosphärischem Auslassdruck dar. Selbst bei einem Anstieg des Einlassdrucks um 20 psia gegenüber den in 15 dargestellten Testdaten wird die Schwingung bei keinem Sollwert beobachtet.
Entsprechend bieten die offenbarten Ausführungsformen einen Ventilsitz, welcher das Schwingungsproblem, welches bei herkömmlichen Ventilsitzkonstruktionen auftritt, reduziert oder beseitigt. Obwohl sich die Diagramme und Abbildungen in dieser Offenbarung hauptsächlich auf eine kraftausgeglichene Ventilkonstruktion beziehen, würden die offenbarten Ausführungsformen ebenso gut mit einem herkömmlichen kraftbetätigten Ventil funktionieren, welches nicht über die Druckausgleichsfunktion verfügt. 18 zeigt beispielsweise ein herkömmliches, nicht druckausgeglichenes Ventil mit flachem Sitz, in dem die offenbarten Ausführungsformen eingesetzt werden können. 19 zeigt beispielsweise ein herkömmliches nicht ausgeglichenes Ventil mit den hierin offenbarten Merkmalen Messerkantensitz 122 und Strömungsschild 130.
20 ist eine Abbildung, welche ein Beispiel für einen Massendurchflussregler (MFC) 800 darstellt, bei dem die offenbarten Ventilausführungen zum Regeln des Durchflusses verwendet werden können. Der Massenflussregler 800 beinhaltet einen Block 810, welcher eine Plattform ist, auf der Komponenten des MFC montiert sind. So sind beispielsweise in einer Ausführungsform ein thermischer Massendurchflussmesser 840 und eine Ventilanordnung 850 am Block 810 zwischen einem Fluideinlass 820 und einem Fluidauslass 830 montiert. Die Ventilanordnung 850 beinhaltet ein Ventil 870, das jeder der hierin offenbarten Ventiltypen sein kann. Der thermische Massendurchflussmesser 840 beinhaltet einen Bypass 842, durch den typischerweise ein Großteil des Fluids fließt, und einen thermischen Durchflusssensor 846, durch den ein kleinerer Teil des Fluids fließt.
Der thermische Durchflusssensor 846 ist in einem Sensorgehäuse 802 enthalten, welches auf einer Montageplatte oder einer Basis 808 montiert ist. Der Sensor 846 ist ein Rohr mit kleinem Durchmesser, typischerweise als Kapillarrohr bezeichnet, mit einem Sensoreinlassbereich 846A, einem Sensorauslassbereich 846B und einem Sensormessbereich 846C, um den herum zwei Widerstandsspulen oder Wicklungen 847 und 848 angeordnet sind. Im Betrieb wird den beiden Widerstandswicklungen 847 und 848, welche in thermischem Kontakt mit dem Sensormessbereich 846C stehen, elektrischer Strom zugeführt. Der Strom in den Widerstandswicklungen 847, 848 erwärmt das im Messbereich 846 strömende Fluid auf eine Temperatur über der des durch den Bypass 842 strömenden Fluids. Der Widerstand der Wicklungen 847 und 848 variiert mit der Temperatur. Wenn Fluid durch die Sensorleitung strömt, wird Wärme vom stromaufwärts gerichteten Widerstand 847 zum stromabwärts gerichteten Widerstand 848 geleitet, wobei die Temperaturdifferenz proportional zum Massendurchfluss durch den Sensor ist.
Ein elektrisches Signal, welches sich auf den Fluidstrom durch den Sensor bezieht, wird von den beiden Widerstandswicklungen 847 und 848 abgeleitet. Das elektrische Signal kann auf verschiedene Weise abgeleitet werden, z.B. aus der Differenz im Widerstand der Widerstandswicklungen oder aus einer Differenz in der Energiemenge, welche jeder Widerstandswicklung zugeführt wird, um jede Wicklung auf einer bestimmten Temperatur zu halten. Beispiele für verschiedene Möglichkeiten, wie ein elektrisches Signal, das mit der Durchflussmenge eines Fluids in einem thermischen Massendurchflussmesser korreliert, bestimmt werden kann, sind beispielsweise in dem gemeinsamen US-Patent Nr. 6,845,659 , welches hiermit durch Verweis aufgenommen wird. Die von den Widerstandswicklungen 847 und 848 nach der Signalverarbeitung abgeleiteten elektrischen Signale weisen ein Sensorausgangssignal auf.
Das Sensorausgangssignal wird dem Massendurchfluss im Massendurchflussmesser zugeordnet, so dass der Fluidstrom bei der Messung des elektrischen Signals bestimmt werden kann. Das Sensorausgangssignal wird typischerweise zunächst mit dem Durchfluss im Sensor 846 korreliert, welcher dann mit dem Massendurchfluss im Bypass 842 korreliert wird, so dass der Gesamtdurchfluss durch den Durchflussmesser bestimmt und das Ventil 870 entsprechend geregelt werden kann. Die Korrelation zwischen dem Sensorausgangssignal und dem Fluidstrom ist komplex und hängt von einer Reihe von Betriebsbedingungen ab, darunter Flüssigkeitsspezies, Durchfluss, Ein- und/oder Auslassdruck, Temperatur usw.
Der Prozess der Korrelation des Rohsensorausgangs mit dem Fluidstrom beinhaltet die Abstimmung und/oder Kalibrierung des Massendurchflussreglers. So kann beispielsweise der Massendurchflusssensor abgestimmt werden, indem bekannte Mengen eines bekannten Fluids durch den Sensorbereich geleitet werden und bestimmte Signalverarbeitungsparameter so eingestellt werden, dass eine Reaktion entsteht, welche den Fluidstrom genau wiedergibt. So kann beispielsweise der Ausgang normiert werden, so dass ein vorgegebener Spannungsbereich, wie beispielsweise 0 V bis 5 V des Sensorausgangs, einem Durchflussbereich von Null bis zum Ende des Bereichs für den Sensor entspricht. Der Ausgang kann auch linearisiert werden, so dass eine Änderung des Sensorausgangs linear einer Änderung der Durchflussmenge entspricht. So führt beispielsweise die Verdoppelung der Fluidleistung zu einer Verdoppelung der elektrischen Leistung, wenn der Ausgang linearisiert wird.
Ein Bypass kann dann am Sensor montiert werden, und der Bypass ist mit dem bekannten Fluid gekennzeichnet, um eine geeignete Beziehung zwischen dem im Massendurchflusssensor strömenden Fluid und dem im Bypass strömenden Fluid bei verschiedenen bekannten Durchflussraten zu bestimmen, so dass der Gesamtdurchfluss durch den Durchflussmesser aus dem Sensorausgangssignal bestimmt werden kann. In bestimmten Ausführungsformen wird kein Bypass verwendet, und der gesamte Durchfluss durchläuft den Sensor. Der Massendurchflusssensorabschnitt und der Bypass können dann mit dem Ventil 870 und den Teilen der Regelelektronik verbunden und unter bekannten Bedingungen erneut abgestimmt werden. Die Reaktionen der Regelelektronik und des Ventils 870 werden dann so gekennzeichnet, dass die Gesamtreaktion des Systems auf eine Änderung des Sollwerts oder des Einlassdrucks bekannt ist, und die Reaktion kann zum Regeln des Systems verwendet werden, um die gewünschte Reaktion bereitzustellen.
Die Regelelektronik 860 regelt die Position des Ventils 870 gemäß einem Sollwert, welcher den gewünschten Massendurchfluss anzeigt, und einem elektrischen Strömungssignal des Massendurchflusssensors, welches den tatsächlichen Massendurchfluss des in der Sensorleitung strömenden Fluids anzeigt. Herkömmliche Regelungsverfahren wie Proportionalregelung, Integralregelung, Proportional-Integralregelung (PI), Differenzialregelung, Proportional-Differenzialregelung (PD), Integral-Differenzialregelung (ID) und Proportional-Integral-Differenzialregelung (PID) werden dann zum Regeln des Fluidstroms im Massendurchflussregler verwendet. Ein Regelsignal (z.B. ein Ventilregelsignal) wird basierend auf einem Fehlersignal erzeugt, welches die Differenz zwischen einem Sollwertsignal, welches den gewünschten Massendurchfluss des Fluids anzeigt, und einem Rückmeldesignal ist, welches sich auf den tatsächlichen Massendurchfluss bezieht, welcher vom Massendurchflusssensor erfasst wird. Das Ventil 870 befindet sich im Hauptströmungspfad des Fluids (typischerweise stromabwärts des Bypass- und Massendurchflusssensors) und kann geregelt (z.B. geöffnet oder geschlossen) werden, um den Massendurchfluss des Fluids zu variieren, welches durch den Hauptströmungspfad strömt, wobei die Regelung durch den Massendurchflussregler erfolgt.
Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „a“, „an“ und „the“ auch die Pluralformen beinhalten, sofern der Kontext nichts anderes anzeigt. Es wird weiter verstanden, dass die Begriffe „umfassen“ und/oder „umfassend“, wenn sie in dieser Beschreibung und/oder den Ansprüchen verwendet werden, das Vorhandensein angegebener Merkmale, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen. Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder Schritte plus Funktionselemente in den folgenden Ansprüchen sollen jede Struktur, jedes Material oder jede Handlung zur Erfüllung der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen, als ausdrücklich beansprucht, beinhalten.
Während spezifische Details zu den oben genannten Ausführungsformen beschrieben wurden, sind die oben genannten Beschreibungen lediglich als exemplarische Ausführungsformen gedacht und sollen die Struktur oder Umsetzung der offenbarten Ausführungsformen nicht einschränken. Viele Modifikationen und Variationen werden für einen Fachmann offensichtlich sein, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Die veranschaulichten Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der beanspruchten Erfindungen und die praktische Anwendung zu erläutern und es anderen mit gewöhnlichen Fachkenntnissen zu ermöglichen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, welche für die jeweilige vorgesehene Verwendung geeignet sind. Der Umfang der Ansprüche soll die offenbarten Ausführungsformen und deren Modifikationen weitgehend abdecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6845659 [0032]

Claims

Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil, aufweisend einen Ventilsitz mit einem reduzierten Durchmesser stromabwärts einer Messstelle, um den Kontakt mit einem Hochgeschwindigkeitsstrom während des Betriebs zu reduzieren.
Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil nach Anspruch 1, wobei der Ventilsitz den reduzierten Durchmesser stromabwärts der Messstelle für nur einen unteren Bereich des Ventilsitzes aufweist.
Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil nach Anspruch 1, wobei der Ventilsitz den reduzierten Durchmesser stromabwärts der Messstelle für einen vollständigen Bereich des Ventilsitzes aufweist.
Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil nach Anspruch 2, wobei der Ventilsitz einen Messerkantensitz aufweist derart, dass die Messstelle an einem Außendurchmesser des Ventilsitzes liegt.
Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil nach Anspruch 3, wobei der Ventilsitz einen Messerkantensitz aufweist derart, dass die Messstelle an einem Außendurchmesser des Ventilsitzes liegt.
Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil nach Anspruch 4, ferner aufweisend ein Strömungsschild, welches unmittelbar außerhalb einer Messstelle des Ventilsitzes angeordnet ist, um zu verhindern, dass ein Hochgeschwindigkeitsfluid zu Teilen einer Kolbenanordnung zirkuliert.
Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil nach Anspruch 6, wobei das Strömungsschild an einem Körper eines Instruments befestigt ist derart, dass Fluidkräfte auf einen Körper des Instruments übertragen werden.
Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil nach Anspruch 6, wobei das kraftbetätigte modulierende Regelventil ein direktwirkendes Magnetventil ist.
Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil nach Anspruch 6, wobei das kraftbetätigte modulierende Regelventil ein vorgesteuertes Balgventil ist.
Kraftbetätigtes modulierendes Regelventil nach Anspruch 6, wobei das kraftbetätigte modulierende Regelventil kein druckausgeglichenes Ventil ist.
Massendurchflussregler zum Regeln eines Fluidstroms, wobei der Massendurchflussregler Folgendes aufweist: - einen Einlass zum Aufnehmen des Fluids; - einen Strömungspfad, in welchem das Fluid durch die Massendurchflussregler strömt; einen Massendurchflussmesser zum Bereitstellen eines Signals, welches dem Massendurchfluss des Fluids durch den Strömungspfad entspricht; - ein kraftbetätigtes modulierendes Regelventil zum Regeln des Fluidstroms aus einem Auslass des Massendurchflussreglers, wobei das kraftbetätigte modulierende Regelventil einen Ventilsitz mit einem reduzierten Durchmesser stromabwärts einer Messstelle aufweist, um den Kontakt mit einem Hochgeschwindigkeitsstrom während des Betriebs zu reduzieren; und - eine Regelung derart ausgebildet ein Ventilregelsignal anzulegen, um das kraftbetätigte modulierende Regelventil auf eine gewünschte Ventilposition einzustellen, um den Durchfluss des Fluids aus einem Auslass des Massendurchflussreglers zu regeln.
Massendurchflussregler nach Anspruch 11, wobei der Ventilsitz den reduzierten Durchmesser stromabwärts der Messstelle für nur einen unteren Bereich des Ventilsitzes aufweist.
Massendurchflussregler nach Anspruch 11, wobei der Ventilsitz den reduzierten Durchmesser stromabwärts der Messstelle für einen vollständigen Bereich des Ventilsitzes aufweist.
Massendurchflussregler nach Anspruch 12, wobei der Ventilsitz einen Messerkantensitz aufweist derart, dass die Messstelle an einem Außendurchmesser des Ventilsitzes liegt.
Massendurchflussregler nach Anspruch 13, wobei der Ventilsitz einen Messerkantensitz aufweist derart, dass die Messstelle an einem Außendurchmesser des Ventilsitzes liegt.
Massendurchflussregler nach Anspruch 14, ferner aufweisend ein Strömungsschild, welches unmittelbar außerhalb einer Messstelle des Ventilsitzes angeordnet ist, um zu verhindern, dass ein Hochgeschwindigkeitsfluid zu Teilen einer Kolbenanordnung zirkuliert.
Massendurchflussregler nach Anspruch 16, wobei das Strömungsschild an einem Körper eines Instruments befestigt ist derart, dass Fluidkräfte auf einen Körper des Instruments übertragen werden.
Massendurchflussregler nach Anspruch 16, wobei das kraftbetätigte modulierende Regelventil ein direktwirkendes Magnetventil ist.
Massendurchflussregler nach Anspruch 16, wobei das kraftbetätigte modulierende Regelventil ein vorgesteuertes Balgventil ist.
Massendurchflussregler nach Anspruch 16, wobei das kraftbetätigte modulierende Regelventil kein druckausgeglichenes Ventil ist.