IT202000004444A1 - Metodo di taratura di una valvola limitatrice di pressione - Google Patents

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pressure
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calibration
chamber
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Leonardo Magnifico
Francesco Carbone
Giancarlo Ambruosi
Corrado Caruso
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Masmec S P A
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
?METODO DI TARATURA DI UNA VALVOLA LIMITATRICE DI PRESSIONE?
La presente invenzione ? relativa ad un metodo di taratura di una valvola limitatrice di pressione.
La figura 3 illustra un metodo di taratura secondo l?arte nota di una valvola limitatrice di pressione 1 (di seguito anche indicata come valvola 1) di tipo noto. In particolare, verranno descritte le componenti principali della valvola 1 al fine di illustrare il metodo di taratura noto.
In dettaglio, la valvola 1 comprende un corpo valvola 2, provvisto di un foro centrale 3 che si estende lungo un asse 4. Il foro centrale 3 definisce, ad una sua prima estremit?, un?apertura 5 e, ad una seconda estremit?, una sede valvola 6; inoltre, la sede valvola 6 alloggia un elemento mobile 7, il quale comprende una porzione allungata coassiale all?asse 4 (spillo) ed ? provvisto, ad una sua estremit? allargata, rivolta verso l?apertura 5, di un incavo, atto a contenere una sfera 8 (ad esempio, di acciaio). La sede valvola 6 alloggia inoltre una molla 9, disposta coassiale all?asse 4 e provvista di una prima estremit?, disposta a contatto su una parete di fondo della sede valvola 6, e di una seconda estremit?, disposta a contatto della porzione allargata dell?elemento mobile 7.
La valvola 1 comprende inoltre una sede cilindrica di riscontro 10, la quale viene disposta nel foro centrale 3 e presenta una porzione centrale definente un canale 11 coassiale all?asse 4.
In particolare, secondo i metodi noti, la sede cilindrica 10 viene impiantata ad una quota prefissata all?interno del foro centrale 3, in modo tale che la molla 9 assuma un valore prefissato di compressione e spinga la sfera 8 contro la sede cilindrica di riscontro 10 chiudendo il canale 11 con una forza di spinta F pari ad un valore di taratura Ft.
Tale operazione viene realizzata mediante un attrezzo di taratura 12, il quale ? provvisto di un punzone 13 che penetra nell?apertura 5 e va in battuta sulla sede cilindrica di riscontro 10 sposandola assialmente.
In questo modo, la molla 9 viene compressa per effetto di una forza di spinta FS, applicata dalla sede cilindrica di riscontro 10 fino a raggiungere una quota tale per cui la forza F corrisponde al valore obiettivo di forza desiderata di taratura Ft per cui la valvola 1 si apre.
Al fine di controllare il valore della forza di taratura Ft questa deve essere misurata in maniera diretta; solitamente, la misura avviene utilizzando un puntalino 14a, montato coassialmente nel punzone 13, che preme sulla sfera 8.
Tuttavia, in metodi di controllo noti, non vengono considerate tutte le condizioni al contorno, ovvero le variabili interposte tra la forza di taratura Ft della molla e la pressione effettiva di apertura, quali ad esempio la tolleranza sull?angolo di sede della tenuta, finiture superficiali delle superfici di tenuta. Questa variabilit? non consente di raggiungere una sufficiente tolleranza sulla pressione di effettiva apertura, in quanto una percentuale della forza di taratura Ft viene riservata all?incertezza sulle condizioni al contorno.
Alternativamente la misura della pressione di apertura pu? essere realizzata in modo diretto alimentando un fluido in pressione alla valvola.
Anche in tale caso la misura della forza ? critica in quanto la dinamica della valvola stessa ? fortemente influenzata dalla portata di fluido che la attraversa; inoltre la portata di fluido non pu? essere determinata utilizzando un semplice orifizio fisso, in quanto la portata ? funzione della stessa pressione di apertura. Un orifizio definito per generare una portata alla pressione di apertura target generer? una portata molto pi? alta nelle prime misure di pressione, quando la valvola non ? ancora tarata.
Valori di portata superiori ad un certo valore limite determinano una dinamica incontrollata sulla valvola che rendono impossibile la misura statica e precisa della pressione di apertura e che ha conseguenze stressanti sui componenti che la costituiscono. Infatti si verificano aperture e chiusure incontrollate e la sfera interna comincia a rimbalzare e ad urtare sulla sede, danneggiandosi.
Per riassumere, allo stato dell?arte non esistono metodi affidabili per effettuare la calibrazione della valvola in condizioni stabili.
Il problema tecnico quindi ? calibrare la valvola con il metodo diretto cio? alimentando fluido in pressione e, garantendo un processo stabile, consentendo alla valvola di aprirsi in regime stazionario, in modo da garantire un?elevata precisione, accuratezza e ripetibilit? nel raggiungimento del target di pressione di apertura ed in modo da preservare l?integrit? della valvola stessa.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un metodo di taratura di una valvola, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra una sezione trasversale di una valvola limitatrice di pressione sottoposta al metodo secondo la presente invenzione;
- la figura 2 mostra un diagramma di flusso del presente metodo di taratura;
- la figura 3 illustra l?arte nota (prior art); e - la figura 4 illustra una variante al metodo secondo la presente invenzione.
La figura 2 mostra schematicamente il presente metodo di taratura applicato alla valvola 1 di figura 1. In particolare, il metodo si basa su un algoritmo iterativo ed adattativo, in cui ? possibile ottimizzare il numero di fasi necessarie per completare la taratura della valvola 1.
In dettaglio, la valvola limitatrice di pressione 1, illustrata schematicamente in figura 1, comprende un corpo valvola 2, provvisto di un foro centrale cilindrico 3, estendentesi lungo un asse 4. Il foro centrale cilindrico 3 definisce, ad una sua prima estremit?, un?apertura 5 e, ad una seconda estremit?, una sede valvola 6; in particolare, la sede valvola 6 alloggia un elemento mobile 7, il quale comprende una porzione allungata 7a (spillo) che ? coassiale all?asse 4 ed ? provvista ad una sua estremit? allargata 7b trasversale all?asse 4 e rivolta verso l?apertura 5, di un incavo, atto a contenere una sfera 8 (ad esempio, di acciaio).
La sede valvola 6 alloggia inoltre una molla 9, disposta coassialmente all?asse 4 e provvista di una prima estremit?, disposta a contato su una parete di fondo della sede valvola 6, e di una seconda estremit?, disposta a contatto della porzione allargata 7b dell?elemento mobile 7.
La valvola 1 comprende inoltre una sede cilindrica di riscontro 10, la quale disposta nel foro centrale 3. La sede cilindrica di riscontro 10 presenta una porzione centrale definente un canale 11 coassiale all?asse 4 e comunicante ad una sua prima estremit? con un ingresso 22 della valvola 1.
In uso, nella posizione di chiusura (figura 1) della valvola, la sfera 8 va in battuta sulla sede 10 e chiude una seconda estremit? del canale 11. La molla 9 esercita una forza elastica che mantiene, nella condizione di chiusura sopra detta della valvola, la sfera 8 premuta contro la sede cilindrica 10 chiudendo cos? la seconda estremit? del canale 11. La forza esercitata dalla molla 9 ? funzione della posizione della sede cilindrica di riscontro 10 lungo l?asse 4 all?interno del foro 3. Con la diminuzione della distanza tra la sede 10 e la parete di fondo della sede valvola 6 la molla viene maggiormente compressa e la forza aumenta secondo la nota relazione F = k*x.
Quando la pressione del fluido alimentato dall?ingresso valvola 22 al canale 11 supera un valore di soglia, viene applicata alla sfera 8 una forza che supera quella esercitata dalla molla 9 che si comprime; in questo modo sfera 8 si sposta e si allontana dalla sede valvola 10 e creando uno spazio anulare (non rappresentato in figura 1) per il passaggio del fluido in pressione che attraversa la valvola 1.
La sfera 8 separa il canale 11 da una camera 20 alloggiante la molla 9, l?elemento mobile 7 e la sfera 8. La camera 20 comunica con una uscita 23 della valvola ed il canale 11, come sopra illustrato, comunica con un ingresso della valvola 22.
Per realizzare le operazioni di taratura, secondo la presente invenzione l?uscita della valvola 23 viene collegata con un dispositivo di strozzatura 40 (di tipo noto) che realizza una resistenza allo scarico del fluido che fuoriescono dalla uscita 23. Viene inoltre utilizzato un sensore 24 che misura la pressione nella camera 20.
Viene utilizzato un attrezzo di taratura 25 di tipo servo-controllato e provvisto cio? di un elemento spintore 30, mobile lungo l?asse 4 sotto la spinta di mezzi motori (non rappresentati di tipo noto), i quali sono controllati da una centralina elettronica di controllo 35 operante secondo le istruzioni della figura 2 e comunicante con il sensore 24.
All?inizio del processo di taratura (la figura 1 illustra una situazione iniziale della presente valvola 1), l?attrezzo di taratura 25 ? disposto al di sopra della valvola 1 con l?elemento spintore 30 immobile; la sede cilindrica di riscontro 10 ? alloggiata nella sede valvola 6 ed ? spaziata rispetto alla sfera 8. La porzione allargata dell?elemento mobile 7 ? appoggiata sulla molla 9, la quale ? in posizione di riposo. Alternativamente la sede cilindrica di riscontro 10 pu? essere stata precedentemente prepiantata ad una quota tale da caricare ad un valore intermedio la molla 9 e bloccare la sfera 8 tra la sede cilindrica di riscontro 10 e l?elemento mobile 7.
Con riferimento alla figura 2, la quale illustra le operazioni svolte sotto il controllo dell?unit? elettronica 15, operante secondo il presente metodo, viene realizzato un ciclo di taratura, in cui ? previsto un iniziale blocco 20 che realizza lo spostamento dell?elemento spintore 30 rispetto alla posizione iniziale; in particolare, l?elemento spintore 30 si muove assialmente verso il basso, avanzando verso il fondo della sede valvola 6 di una distanza predeterminata (blocco 30) al fine di raggiungere una quota di pre-piantaggio. L?elemento spintore 30 va in battuta sulla sede cilindrica di riscontro 10 (blocco 30) e la muove per una distanza determinata finche? la sede di riscontro 10 va in battuta sulla sfera 8 che si dispone in una posizione di chiusura valvola chiudendo la seconda estremit? del canale 11. Nella figura 1, l?elemento spintore 30 ? realizzato da un elemento a T provvisto di un canale per l?alimentazione di fluido in pressione all?ingresso 22 della valvola. Pu? essere alimentato un gas oppure un liquido. L?elemento spintore 30 svolge pertanto la funzione di movimentazione della sede 10 e di alimentazione di fluido in pressione all?ingresso 22 della valvola. Il moto dell?elemento spintore 30 ha termine. In questa posizione ? necessario verificare che la sede cilindrica di riscontro 10 abbia interferenza sufficiente rispetto al foro 5 in modo da garantire che, eliminando la spinta esercitata dall?elemento a T, essa rimanga bloccata in posizione. A questo scopo viene verificato che la forza applicata dall?elemento spintore 30 sia superiore ad una soglia prestabilita (blocco ?Verifica forza minima di contatto?, blocco 35). Qualora il controllo del blocco 35 abbia esito negativo viene segnalato un errore (blocco 37) e la procedura ha termine.
Successivamente alle operazioni descritte nei blocchi 30 e 35 viene attivata (blocco 50) l?alimentazione del fluido in pressione con un?apertura a valore prefissato di una valvola V6 (figura 1) che alimenta fluido in pressione allo ingresso 22 della valvola 1 al fine di ottenere il distacco della sfera 8 dalla sede 10 rispetto alla posizione di chiusura, lo spostamento dell?elemento mobile 7 contro l?azione della molla 9 e quindi la apertura della valvola 1.
Tipicamente la pressione del fluido cresce a rampa (blocco 70).
La sfera 8 inizia cos? a muoversi ed il fluido in pressione viene alimentato nella camera 20. Non appena viene rivelata (blocco 80) la formazione di una contropressione nella camera 20 causata dal fluido alimentato in ingresso alla valvola in taratura (la contropressione viene ottenuta strozzando l?uscita 23 della valvola attraverso la strozzatura 40 limitando cos? la fuoriuscita del fluido) viene attivata una prima fase di regolazione.
Nella prima fase di regolazione (blocchi 90 e 95) viene operato un ciclo di controllo della contropressione rilevata dal trasduttore 24 agendo sul grado di apertura della valvola V6 al fine di mantenere la pressione nella camera pari ad un valore obiettivo POUT1 (ad esempio 1 bar).
Durante la fase di regolazione viene acquisita la pressione Pmisurata di alimentazione della valvola (blocco 100), tale pressione viene confrontata con una pressione target Ptarget di impostazione della valvola calcolando la differenza di pressione ?P (blocco 110) e successivamente viene calcolato lo spostamento ?X da applicare alla sede 10 al fine di ridurre ad un valore minimo la differenza di pressione ?P (blocco 120). Con questo calcolo termina la prima fase di regolazione (blocco 130) e viene operato lo spostamento dell?elemento spintore 30 per operare fisicamente il movimento ?X della sede 10 (blocco 140).
Termina cos? una prima fase di taratura in anello aperto.
Successivamente (seconda fase di taratura in anello chiuso) viene nuovamente alimentato fluido in pressione allo ingresso della valvola (blocco 200 apertura valvola V6) fino a quando (blocco 210) nella camera 20 ? presente una pressione causata dal fluido alimentato in ingresso alla valvola in taratura e non completamente scaricati dalla camera 20 grazie al dispositivo di strozzatura 40.
In seguito ad una verifica positiva nel blocco 210 viene nuovamente operato (blocchi 220 e 230) un ciclo di controllo con retroazione della valvola V6 al fine di mantenere la pressione nella camera 20 pari al valore obiettivo POUT1 (ad esempio 1 bar). Viene cos? avviata una ulteriore fase di regolazione.
In tale ulteriore fase di regolazione:
viene acquisita la pressione Pmisurata di alimentazione della valvola (blocco 240),
lo spintore 30 si muove in modo continuo spostando la sede di riscontro 10;
la pressione Pmisurata viene confrontata (blocco 250) con la pressione target Ptarget di impostazione della valvola e qualora la pressione misurata sia uguale o maggiore al target la fase di taratura ha fine (il blocco 260 comanda l?arresto dello spintore 30 ed il blocco 270 comanda la disposizione dello spintore 30 in una posizione di riposo).
Qualora, invece, la pressione misurata Pmisurata sia inferiore al target la fase di taratura continua (blocco 280) con l?avanzamento continuo a bassa velocit? dello spintore finche? la condizione del blocco 250 non ? soddisfatta.
I vantaggi della presente invenzione sono quelli insiti nella taratura diretta, ovvero di avere la possibilit? di tarare in processo la valvola spostando progressivamente la sede di riscontro 10 che determina il carico della molla di reazione 9 e leggendo direttamente la pressione di apertura della valvola, ovvero della grandezza che caratterizza la valvola stessa. La capacit? di questo metodo di realizzare e mantenere una condizione di equilibrio stabile in condizioni di valvola aperta, permette di misurare la pressione di apertura in regime stazionario.
In questo modo ? possibile tarare la valvola ?in continua? e non per approssimazioni successive.
Altro vantaggio ? quello di eliminare gli urti violenti che si generano tra la sfera e la sede di riscontro al momento dell?apertura della valvola, dato che si riesce ad evitare l?instabilit? della sfera tipica di questo tipo di valvole grazie alla pressione presente nella camera 20.
Il metodo sopra descritto permette di tarare in maniera diretta (controllando la pressione di apertura e non la forza della molla) della valvola in apertura.
Il metodo della presente invenzione ? inoltre applicabile anche nella configurazione alternativa di figura 4 in cui il canale 11 ? realizzato nel corpo valvola 2 con la sfera 8 disposta in battuta su una porzione di estremit? del canale 11, la sede di riscontro 10 ? priva del canale 11 ed ? disposta da parte opposta all?elemento mobile 7 rispetto a quanto rappresentato nella figura 1 e cio? in battuta su una porzione terminale della molla 9.
L?ingresso del canale 11 realizza anche lo ingresso della valvola.
Il questo caso, l?elemento spintore 30 preme sulla sede di riscontro 10 piantandola all?interno della sede valvola 6 e comprime la molla da un lato opposto rispetto a quanto illustrato in figura 1.
L?uscita della camera 20 ? realizzata da un canale 50 che si estende radialmente dalla camera 20 e che comunica con la strozzatura 40.
Questo tipo di configurazione valvola non pu? essere tarata con il metodo indiretto della taratura della forza di precarico molla in quanto questa non ? accessibile.

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di taratura di una valvola (1), in cui una sede valvola (6) alloggia un elemento mobile (7) che si estende lungo un asse (4), una molla (9) associata all?elemento mobile (7) ed una sfera (8) portata dall?elemento mobile (7) e disposta, in uso in una posizione di chiusura, in battuta contro una sede di riscontro (10) alloggiata nella sede valvola (6) e provvista di un canale (11) presentante una prima estremit? configurata per essere chiusa dalla sfera ed una seconda estremit? comunicante con un ingresso (22) della valvola; la sfera separa (8), il canale da una camera (20) che alloggia la molla (9), l?elemento mobile (7) e la sfera e comunica con un?uscita (23) della valvola; il detto metodo impiegando un attrezzo di taratura (12), provvisto di un elemento spintore (30) mobile, in uso, lungo il detto asse (4), il metodo comprendendo la realizzazione di una fase di taratura in cui sono svolte le seguenti fasi: - muovere assialmente l?elemento spintore (30) in modo tale che l?elemento spintore (30) vada in battuta sulla sede di riscontro (10) e la sposti rispetto alla sede valvola (6) e successivamente arrestare il moto dell?elemento spintore (30); - alimentare fluido in pressione all?ingresso (22) della valvola in taratura; - realizzare una strozzatura (40) in corrispondenza della uscita (23) della valvola e misurare la pressione all?interno della camera (20) rilevando una pressione causata dal fluido alimentato in ingresso alla valvola in taratura; - svolgere una fase di regolazione del flusso di fluido in ingresso alla valvola in cui la pressione all?interno della detta camera (20) viene controllata in modo che questa sia prossima ad un valore fisso impostato; - acquisire la pressione Pmis di alimentazione della valvola (100) durante la fase di regolazione, - confrontare la pressione Pmis con una pressione target Ptarget di impostazione della valvola calcolando la differenza di pressione ?P (110); e calcolare lo spostamento ?X da applicare alla sede (10) al fine di ridurre ad un valore minimo la differenza di pressione ?P la differenza di pressione ?P (120); - comandare lo spostamento dell?elemento spintore (30) per operare fisicamente lo spostamento ?X della sede 10 (140) terminando la fase di regolazione.
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di alimentare fluido in pressione all?ingresso (22) della valvola in taratura comprende la fase di aprire una valvola di alimentazione fluido (V6) comunicante con il detto ingresso (22) in modo tale che detta valvola di alimentazione fluido (V6) abbia un valore di apertura prefissato; la detta fase di regolazione della pressione all?interno della detta camera comprende la fase di agire sul grado di apertura della valvola di alimentazione fluido (V6) al fine di mantenere la pressione nella camera pari al valore fisso impostato.
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui, dopo la detta fase di taratura realizzata in anello aperto, si esegue una ulteriore fase di taratura realizzata in anello chiuso.
  4. 4.- Metodo secondo la rivendicazione 3, in nella ulteriore fase di taratura in anello chiuso viene nuovamente alimentato fluido in pressione allo ingresso della valvola (200) fino a quando si rileva che la pressione presente nella camera (20) raggiunge il valore fisso impostato; detta ulteriore fase di regolazione comprendendo: acquisire la pressione Pmisurata di alimentazione della valvola (240); comandare in continuo il movimento dello spintore (30) per modificare la posizione della sede di riscontro (10) rispetto alla sede valvola (6); confrontare (250) la pressione Pmisurata con la pressione target Ptarget di impostazione della valvola e terminare la taratura della valvola qualora la pressione misurata sia uguale o maggiore al target; continuare la fase di taratura qualora la pressione misurata Pmisurata sia inferiore al target attuando l?avanzamento continuo a bassa velocit? dello spintore finche? il detto confronto ha esito positivo.
  5. 5. Metodo di taratura di una valvola (1), in cui una sede valvola (6) alloggia un elemento mobile (7) che si estende lungo un asse (4), una molla (9) associata all?elemento mobile (7) ed una sfera (8) portata dall?elemento mobile (7) e disposta, in uso in una posizione di chiusura, in battuta su una prima estremit? di un canale avente una seconda estremit? comunicante con un ingresso (22) della valvola; la sfera separa (8), il canale da una camera (20) che alloggia la molla (9), l?elemento mobile (7) e la sfera e comunica con un?uscita (23) della valvola; il detto metodo impiegando un attrezzo di taratura (12), provvisto di un elemento spintore (30) mobile, in uso, lungo il detto asse (4), il metodo comprendendo la realizzazione di una fase di taratura in cui sono svolte le seguenti fasi: - muovere assialmente l?elemento spintore (30) in modo tale che l?elemento spintore (30) vada in battuta su una sede di riscontro (10) alloggiata nella sede valvola (6) e la sposti rispetto alla sede valvola (6) comprimendo la molla (9) e successivamente arrestare il moto dell?elemento spintore (30); - alimentare fluido in pressione all?ingresso (22) della valvola in taratura; - realizzare una strozzatura (40) in corrispondenza della uscita (23) della valvola e misurare la pressione all?interno della camera (20) rilevando una pressione causata dal fluido alimentato in ingresso alla valvola in taratura; - svolgere una fase di regolazione del flusso di fluido in ingresso alla valvola in cui la pressione all?interno della detta camera (20) viene controllata in modo che questa sia prossima ad un valore fisso impostato; - acquisire la pressione Pmis di alimentazione della valvola (100) durante la fase di regolazione, - confrontare la pressione Pmis con una pressione target Ptarget di impostazione della valvola calcolando la differenza di pressione ?P (110); e calcolare lo spostamento ?X da applicare alla sede (10) al fine di ridurre ad un valore minimo la differenza di pressione ?P la differenza di pressione ?P (120); - comandare lo spostamento dell?elemento spintore (30) per operare fisicamente lo spostamento ?X della sede (10) (140) terminando la fase di regolazione.
  6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui la fase di alimentare fluido in pressione all?ingresso (22) della valvola in taratura comprende la fase di aprire una valvola di alimentazione fluido (V6) comunicante con il detto ingresso (22) in modo tale che detta valvola di alimentazione fluido (V6) abbia un valore di apertura prefissato; la detta fase di regolazione della pressione all?interno della detta camera comprende la fase di agire sul grado di apertura della valvola di alimentazione fluido (V6) al fine di mantenere la pressione nella camera pari al valore fisso impostato.
  7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui, dopo la detta fase di taratura realizzata in anello aperto, si esegue una ulteriore fase di taratura realizzata in anello chiuso. 8.- Metodo secondo la rivendicazione 7, in nella ulteriore fase di taratura in anello chiuso viene nuovamente alimentato fluido in pressione allo ingresso della valvola (200) fino a quando si rileva che la pressione presente nella camera (20) raggiunge il valore fisso impostato; detta ulteriore fase di regolazione comprendendo: acquisire la pressione Pmisurata di alimentazione della valvola (240); comandare in continuo il movimento dello spintore (30) per modificare la posizione della sede di riscontro (10) rispetto alla sede valvola (6); confrontare (250) la pressione Pmisurata con la pressione target Ptarget di impostazione della valvola e terminare la taratura della valvola qualora la pressione misurata sia uguale o maggiore al target; - continuare la fase di taratura qualora la pressione misurata Pmisurata sia inferiore al target attuando l?avanzamento continuo a bassa velocit? dello spintore finche? il detto confronto ha esito positivo
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