MX2011005947A - Aparato para controlar el flujo de fluido. - Google Patents

Abstract

Se describe un aparato para controlar un flujo de fluido. El aparato para controlar el flujo de fluido ejemplar descrito aquí incluye una etapa de señal que comprende un relevador de etapa de señal que tiene una toma de alimentación que está operativamente conectada a un asiento de válvula en un primer extremo y un asiento de escape en un segundo extremo, y un sello operativamente acoplado a la toma de alimentación de modo que el sello proporcione un área de retroalimentación para la aplicación de una fuerza de retroalimentación de presión de fluido sobre el asiento de escape.

Description

APARATO PARA CONTROLAR EL FLUJO DE FLUIDO Campo de la Invención Esta descripción generalmente se refiere a aparatos para el control del flujo de fluido y, más en particular, a un aparato para controlar el flujo de fluido.

Antecedentes de la Invención Las plantas de procesamiento industrial utilizan aparatos de control en una gran variedad de aplicaciones. Por ejemplo, se puede utilizar un controlador de nivel para manejar un mecanismo de control final (es decir, un ensamble de válvula y actuador) para controlar el nivel de un fluido en un tanque de almacenamiento. Muchas de las plantas de procesamiento utilizan un gas comprimido, como aire comprimido, como fuente de alimentación para el funcionamiento de dichos dispositivos de control. En ciertas instalaciones de producción de hidrocarburos, en general, no hay gran disponibilidad de aire comprimido para el funcionamiento de los dispositivos de control. Frecuentemente, el gas natural se utiliza como gas de suministro para operar estos dispositivos de control. Sin embargo, muchos dispositivos de control pueden purgar gas natural a la atmósfera, lo que es costoso debido al valor del gas natural, y los controles y las disposiciones ambientales asociadas con dichos gases de escape. Entonces, minimizar o eliminar la purga de gas natural a la atmósfera a través de dispositivos de control es una prioridad.

Generalmente, se entiende que los controladores de nivel típicos utilizados en la industria de producción de hidrocarburos pueden ser los dispositivos neumáticos de baja purga de una sola etapa que funcionan con gas natural. Para minimizar el consumo de gas natural durante el funcionamiento, dichos controladores de nivel están diseñados para incluir una banda muerta para reducir las cantidades de gas purgado. Sin embargo, dichos diseños generalmente tienen una baja sensibilidad o ganancia operativas lo que se traduce en recipientes muy espaciosos o sensores de gran tamaño.

También es común mejorar ia ganancia de dichos dispositivos de una sola etapa a través de la fabricación de dispositivos de control neumáticos de dos etapas para producir la característica de respuesta deseada con una mayor respuesta de salida. La primera etapa, normalmente denominada etapa de señal, transforma una señal de entrada de presión de fluido o mecánica en una salida de presión. La etapa de señal tiene un caudal de bajo volumen y una salida de baja presión que proporcionan las características de respuesta y de control para la aplicación de control de procesos deseada. Una segunda etapa, normalmente denominada etapa de amplificación, proporciona una alta capacidad neumática y responde a la salida de la etapa de señal para alcanzar las características de respuesta deseadas y simultáneamente proporcionar un caudal de salida más alto y/o la presión necesaria para el funcionamiento del mecanismo de control final. Muchos de estos dispositivos no proporcionan una acción de control proporcional a una señal de entrada y/o sufren una pérdida excesiva del gas de suministro, como el gas natural, durante el funcionamiento.

La figura 1 y la figura 2 ilustran un dispositivo de control neumático de dos etapas de acción directa 1 que incluye una etapa de señal de acción inversa A que comprende una válvula de etapa de señal 110 acoplada a una etapa amplificadora de acción inversa B que tiene un relevador de etapa amplificadora 10 (según se explica más detalladamente abajo). Durante el funcionamiento, se puede aplicar una señal de entrada (como un movimiento o un desplazamiento) desde un dispositivo mecánico, como una articulación conectada a un flotador en un tanque de fluidos (no mostrado), a la punta del vástago de la válvula 135 de la válvula de etapa de señal 110 para dar inicio a una señal de control neumático en el relevador de etapa amplificadora 10. Sin embargo, el experto en la técnica entenderá que la señal de entrada también puede derivar de cualquier cantidad de entradas conocidas, inclusive las señales de presión y otras fuerzas mecánicas directas.

El relevador de etapa amplificadora 10 de la etapa amplificadora B es el relevador neumático de cuatro modos descrito en la patente de Estados Unidos N.° 4.974.625 que se incorpora a la presente por referencia en su totalidad. Se refiere a toda persona que desee información detallada a la Patente de Estados Unidos N.° 4.974.625. Este relevador le proporciona al usuario modos operativos de funcionamiento seleccionares directo o inverso y proporcional o de acción instantánea. El entendido en la técnica apreciará que un modo de acción directa o inversa se refiere a la relación de la señal de salida con respecto a una señal de entrada de modo que, por ejemplo, el modo directo significa que la señal de salida aumenta con una señal de entrada creciente. Así, un modo proporcional o de acción instantánea se refiere a la respuesta de la señal de salida de modo que, por ejemplo, proporcional significa que los cambios en la señal de salida son sustancialmente lineales con respecto a un cambio en la señal de entrada, y de acción instantánea significa que los cambios en la señal de salida son biestables y no lineales con respecto a un cambio en la señal de entrada.

Aunque el relevador neumático descrito en la patente de Estados Unidos N.° 4.974.625 puede proporcionar cuatro modos, el dispositivo de control neumático de dos etapas 1 ilustrado en la figura 1 y la figura 2 desventajosamente puede utilizar únicamente dos modos de operación, los modos directo e inverso/de acción instantánea. Esto se debe a que el dispositivo de control neumático de dos etapas 1 proporciona muy poca retroalimentación o fuerza proporcional entre el relevador de etapa amplificadora 10 y la válvula de etapa de señal 110. Esto es, no hay un mecanismo específico para retroalimentar la presión de salida desde un diafragma de señal 90 del relevador de etapa amplificadora 10 para compensar la fuerza de entrada en la punta del vástago de la válvula 135 de la válvula de etapa de señal 110.

En general, el relevador de etapa amplificadora 10 del dispositivo de control 1 incluye una serie de puertos de entrada y salida que se comunican con las cámaras respectivas formadas dentro del relevador de etapa amplificadora 10. Mediante el control selectivo de la comunicación de fluidos entre los distintos puertos de entrada y de salida a través de los interruptores seleccionables por el usuario, el relevador de etapa amplificadora 10 puede proporcionar los múltiples modos operativos descritos previamente para su interconexión con los distintos elementos de control .

Con referencia a la figura 2, para dar cabida a los modos operativos en el relevador de etapa amplificadora 10, un puerto de entrada 11 se comunica con una cámara 15 y un puerto de salida 12. Una salida de presión 17 se comunica con una cámara 16; un puerto de entrada 13 se comunica con una cámara 18, un puerto de salida 14 se comunica con una cámara 20 y la salida de presión 17 puede conectarse con un mecanismo de control final como un ensamble de válvula y actuador (no mostrado).

La figura 1 muestra una ilustración seccional de los interruptores de puerto de la etapa amplificadora B del dispositivo de control 1 utilizado para seleccionar los distintos modos operativos. El primer y el segundo interruptor de puerto de forma generalmente triangular 70 y 72 están montados pivotalmente en el relevador de etapa amplificadora 10 con los pasadores 71 y 73, respectivamente. Los interruptores de puerto 70 y 72 se seccionan para revelar los canales de serpentina 74 y 76, respectivamente, que acoplan neumáticamente los distintos puertos de entrada y salida del relevador de etapa amplificadora 10 desde una entrada de presión 78 y la salida de presión 17 para proporcionar modos alternativos de operación. Según se ilustra en la figura 1, el primer interruptor de puerto 70 se ubica de modo tal que el puerto de entrada 13 se comunica con el puerto de entrada de presión 78, y el puerto de entrada 11 ventila a la atmósfera. El segundo interruptor de puerto 72 ventila a través del puerto de salida 14. Se desprende de la patente de Estados Unidos N.° 4.974.625 que esta configuración de interruptor coloca la etapa de relevador amplificador 10 en un modo inverso/de acción instantánea que, cuando se combina con la válvula de actuación inversa de la etapa de señal 110, proporciona un dispositivo de control neumático directo/de acción instantánea 1.

Así, una disminución en la presión en una cámara 88 provoca un movimiento de un ensamble de caja 59 a la izquierda con respecto a la figura 2 que proporciona una presión de salida creciente en la salida de presión 17. Así, durante el funcionamiento, cuando una señal de entrada creciente mueve la punta del vástago 135 de la válvula de etapa de señal 110, el modo de actuación inversa de la válvula de etapa de señal 110 proporciona una disminución en su presión de salida en el corredor 82 y, consecuentemente, una disminución en la presión en la cámara 88 para proporcionar un dispositivo de control neumático de acción directa 1. La configuración alternativa de interruptor para el dispositivo de control 1 acopla el puerto de entrada 11 al puerto de entrada de presión 78, y el puerto de entrada 13 ventila a la atmósfera con un segundo interruptor de puerto 72 configurado para acoplar el puerto 14 con el puerto de salida 12. Esta configuración alternativa coloca el relevador de etapa amplificadora 10 en un modo directo /de acción instantánea y, por lo tanto, el dispositivo de control neumático 1 funciona en un modo inverso /de acción instantánea. Las posibles configuraciones de interruptor restantes para el relevador de etapa amplificadora 10 imposibilitan el funcionamiento del relevador porque no hay ningún mecanismo de retroalimentación presente en la realización descrita del dispositivo de control 1.

Según se muestra en la figura 2, la válvula de etapa de señal 110 incluye un único conector 130, un primer asiento de válvula 120 y un segundo asiento de válvula 122. En un primer estado, un primer extremo de tapón 132 no se conecta con el primer asiento de válvula 120, y un segundo extremo de tapón 134 se conecta con el segundo asiento de válvula 122. En un segundo estado, el primer extremo de tapón 132 se conecta con el primer asiento de válvula 120, y el segundo extremo de tapón 134 no se conecta con el segundo asiento de válvula 122. En un estado intermedio, ninguno de los extremos de tapón 132 y 134 se conectan con ninguno de los asientos de válvulas 120 y 122 respectivos.

Durante el funcionamiento, una articulación puede aplicar una fuerza en la punta del vástago de la válvula 135 para desplazarla hacia el relevador amplificador 10 o a la derecha (con referencia a la figura 1 y la figura 2). El movimiento hacia la derecha de la punta del vástago de la válvula 135 provoca el movimiento del vástago 130 de la válvula de etapa de señal 110 que hace que el primer extremo de tapón 132 y el segundo extremo de tapón 134 se separen simultáneamente de su primer y segundo asientos de válvula respectivos 120 y 122 en el estado intermedio. Durante esta separación, el gas de suministro, como el gas natural, desde un puerto de suministro 85, se ventila o purga a través del segundo asiento de válvula 122 a la atmósfera a través de la punta del vástago de la válvula 135. Esta ventilación a la atmósfera del gas de suministro se denomina comúnmente purga de transición, que puede causar una pérdida excesiva del gas de suministro, como el gas natural, en la atmósfera. Cuando el movimiento hacia la derecha del vástago 130 continúa, el vástago 130 en última instancia se conecta con el primer extremo de tapón 132 con el primer asiento de válvula 120 y la purga de transición se detiene, y la presión del fluido dentro del pasaje directo de retroalimentación 114 de la válvula de etapa de señal 110 y la cámara 88 del relevador de etapa amplificadora 10 se encuentra a presión atmosférica.

El cambio de la presión del gas de suministro a la presión atmosférica dentro de la cámara 88 hace que el ensamble en la caja del diafragma 59 se mueva hacia la izquierda en la figura 2 a través de un resorte 48 en la cámara 16. El ensamble de caja 59 incluye un asiento de válvula 30 y un conector de válvula 40. El movimiento hacia la izquierda del asiento de válvula 30 y de un conector de válvula 40 hace que un conector de válvula 38 se conecte con un asiento de válvula 42 y finalice la transmisión del gas de suministro al puerto de salida 12. El asiento de válvula 30 entonces se aleja de un conector de válvula 40 a medida que el ensamble en la caja del diafragma 59 se desplaza hacia la izquierda de modo que la presión del fluido en la cámara 16 fluya a través la abertura en forma de T hacia la cámara 18 para ventilar la presión del fluido de las cámaras 16 y 18.

Mientras que el uso de la válvula de etapa de señal 110 con el relevador de etapa amplificadora 10 le proporciona sensibilidad a la señal de entrada de la articulación, también le proporciona un purga de transición significativa de gas natural durante el funcionamiento del dispositivo de control neumático de dos etapas 1. También se apreciará que una forma para reducir la purga de transición y mantener la mayor parte de la ganancia del dispositivo de control neumático de dos etapas 1 consiste en acoplar dos relevadores de la etapa amplificadora 10 para la operación en serie. Sin embargo, el acoplamiento de los dos relevadores de la etapa amplificadora 10 juntos para crear un dispositivo en tándem aumenta el costo y crea un dispositivo de control neumático de dos etapas 1 relativamente de mayor tamaño.

Además, aunque ciertos diseños pueden proporcionar una fuerza de retroalimentación al dispositivo descrito anteriormente, esto puede resultar menos deseable. Un enfoque consiste en proporcionar un diafragma entre el vástago 130 y el cuerpo de la válvula 112 en la válvula de etapa de señal 110. Sin embargo, el diafragma tiene que sujetarse o retenerse a nivel de sus diámetros interno y externo, lo que produce una etapa de señal que subsiguientemente exige cambios indeseables en la articulación y el flotador.

Breve Descripción de la Invención El aparato de control del flujo de fluido ejemplar descrito aquí incluye una etapa de señal que comprende un relevador de la etapa de señal que tiene una toma de alimentación que está operativamente conectada a un asiento de válvula en un primer extremo y un asiento de escape en un segundo extremo y un sello operativamente acoplado a la toma de alimentación de modo que el sello proporciona un área de retroalimentación para aplicar una fuerza de retroalimentación de presión del fluido al asiento de escape.

En otro ejemplo aún, el aparato de control de flujo de fluido de dos etapas descrito aquí incluye una etapa de señal que tiene una salida proporcional, la cual etapa de señal comprende un relevador de la etapa de señal que incluye una toma de alimentación que tiene un primer extremo adyacente a un asiento de válvula y un segundo extremo adyacente a un-asiento de escape, un poste de entrada de la etapa de señal que se adapta para acoplar la etapa de señal a un dispositivo de control, y un medio para aplicar una carga de asiento a través del conector de suministro hacia el asiento de válvula o el asiento de escape. Una etapa amplificadora que comprende un relevador de etapa amplificadora que está operativamente conectado a la etapa de señal vía un pasaje de señal, la cual etapa amplificadora tiene un miembro que responde al suministro de fluido adaptado para mover un miembro relevador para proporcionar una salida de suministro de fluido amplificada de modo que un cambio en la carga de asiento en el asiento de válvula y el asiento de escape proporcione un acople predeterminado del asiento de válvula con el primer extremo del conector de suministro o el asiento de escape con el segundo extremo del conector de suministro para proporcionar una salida de la etapa amplificadora proporcional o de acción instantánea y de acción directa o inversa relativa a una señal de entrada en el poste de entrada de la etapa de señal.

En otro ejemplo aún, un aparato de control de flujo de fluido descrito aquí incluye una etapa de señal que tiene una salida proporcional. La etapa de señal comprende un relevador de la etapa de señal, inclusive un puerto de suministro, una toma de alimentación que tiene un primer extremo adyacente a un asiento de válvula y un segundo extremo adyacente a un asiento de escape, un poste de entrada de la etapa de señal adaptado para acoplar la etapa de señal a un dispositivo de control y un medio para aplicar una carga de asiento a través del conector de suministro hacia el asiento de válvula o el asiento de escape. Una etapa amplificadora que comprende un relevador de etapa amplificadora que está operativamente conectado a la etapa de señal vía un pasaje de señal. El relevador de etapa amplificadora tiene un miembro que responde al suministro de fluidos adaptado para mover un miembro relevador para proporcionar una salida de suministro de fluido amplificada de modo que un cambio en la carga de asiento a través del conector de suministro de la etapa de señal cierre el asiento de escape de la etapa de señal antes de abrir el asiento de válvula de etapa de señal para eliminar sustancialmente la purga de transición en la etapa de señal.

Breve Descripción de las Figuras La figura 1 es una ilustración seccional de los interruptores de puerto de la etapa amplificadora del dispositivo de control neumático de dos etapas de la figura 2.

La figura 2 es una ilustración seccional de un conocido dispositivo de control neumático de acción directa de dos etapas.

La figura 3 es una ilustración seccional de un dispositivo de control neumático de acción directa de dos etapas ejemplar en un punto operativo en reposo.

La figura 4 es una ilustración seccional de un dispositivo de control neumático de dos etapas ejemplar con reguladores de presión estabilizadores.

La figura 5 es una ilustración seccional de una etapa de señal ejemplar.

Descripción Detallada de la Invención En general, el aparato y los métodos ejemplares descritos aquí pueden utilizarse para controlar el flujo de fluido en varios tipos de procesos de flujo de fluido. Un aparato de control de flujo de fluido ejemplar incluye un dispositivo de control de fluido de dos etapas que tiene una etapa de señal de baja purga compacta con salida proporcional para mejorar el control de flujo de fluido. Adicionalmente, aunque los ejemplos descritos aquí se describen en conexión con el control de flujo de producto para la industria de procesamiento industrial, los ejemplos descritos se aplican más generalmente a distintas operaciones de control de procesos para distintos fines.

La figura 3 es una ilustración seccional del dispositivo de control neumático de dos etapas de acción directa ejemplar 200 que comprende una etapa de señal que tiene un relevador de la etapa de señal 300 y una etapa amplificadora que además comprende un relevador de etapa amplificadora 210. El relevador de la etapa de señal de acción directa 300 proporciona una etapa de señal C y el relevador de acción directa de la etapa amplificadora 210 proporciona una etapa amplificadora D del dispositivo de control neumático de dos etapas ejemplar 200. El relevador de etapa amplificadora 210 de la etapa amplificadora D es similar a la válvula de relevador neumático de cuatro modos descrita en la patente de Estados Unidos 4.974.625 y el relevador de etapa amplificadora 10 descrito en la figura 2, inclusive los interruptores de puerto 70 y 72 ilustrados en la figura 1. Estos componentes en el relevador de etapa amplificadora 210 de la figura 3 que son idénticos o similares a los componentes en el relevador de etapa amplificadora 10 de la figura 2 tienen los mismos numerales de referencia incrementados en 200.

Según se describe detalladamente a continuación, el entendido en la técnica entenderá que un relevador de la etapa de señal 300 mejora el funcionamiento del relevador de dos etapas previamente descrito ilustrado en la figura 1 y la figura 2 proporcionando una acción de estrangulamiento o dosificación, permitiendo así la utilización de los cuatro modos disponibles en el relevador de etapa amplificadora 210 mientras que reduce sustancialmente la purga de transición asociada con la válvula de etapa de señal 110. Se describe abajo un modo operativo de estrangulamiento o proporcional/directo como un funcionamiento ejemplar del dispositivo de control 200. Los que deseen más detalles o una descripción más detallada deberán remitirse a la patente de Estados Unidos 4.974.625 que describe los otros tres modos operativos de una válvula de relevador neumático de cuatro modos similar al amplificador 210 de la figura 3.

Con relación a la figura 3, un relevador de la etapa de señal 300 de la etapa de señal C incluye a cuerpo de relevador 312 que tiene un pasaje de retroalimentación 314, un puerto transversal 316, una entrada 318, un primer asiento de válvula 320 y un segundo asiento de válvula 322. El segundo asiento de válvula 322 se ubica en un asiento de escape 325 que tiene un sello o un aro tórico 326 que se acopla y sella contra una superficie interna 317 del pasaje directo de retroalimentación 314. Según se describe más detalladamente a continuación, el aro tórico 326 proporciona un área efectiva sobre la cual la presión del fluido en el pasaje de retroalimentación 314 de un relevador de la etapa de señal 300 puede actuar para crear una fuerza de retroalimentación para proporcionar: la acción de estrangulamiento o dosificación en el dispositivo de control 200.

Se apreciará que en un punto en reposo en el modo de estrangulamiento o proporcional, los conectores de válvulas 330, 240 y 238 están en una posición "cerrada". Es decir, la posición cerrada significa que la válvula está "sustancialmente en contacto con" el asiento de válvula. Sin embargo, el entendido en la técnica apreciará que para dicha superficie de asiento de válvula, por ejemplo, se sabe que una disposición de asiento de válvula metal a metal, en una posición cerrada con la carga limitada de asientos disponibles, como las disposiciones válvula-asiento, filtran pequeñas cantidades de fluido (es decir, no a prueba de burbujas). Esta fuga en los asientos produce un flujo de fluido para proporcionar una acción de estrangulamiento del dispositivo de control neumático durante el funcionamiento. Esto es, a diferencia del funcionamiento de acción instantánea en el que las válvulas sustancialmente se desplazan desde y hacia el asiento de válvulas, un modo de estrangulamiento o proporcional se define, parcialmente, por los cambios en la carga de asiento correspondiente para modificar un equilibrio de presión a través de los componentes del relevador. Las cargas de asiento cambiantes proporcionan una modificación en la fuga de asiento durante el funcionamiento en reposo para cambiar el equilibrio de presión a través de la etapa de señal C y la etapa amplificadora D en proporción con la entrada de suministro y la retroalimentacion del sensor. También se apreciará que los otros materiales de construcción que tienen la dureza suficiente producirán flujos de fuga similares durante el funcionamiento.

Según se muestra en la figura 3, el asiento de escape 325 tiene un poste de entrada 327 y es retenido dentro del pasaje directo de retroalimentacion 314 mediante un tapón terminal 329. Un conector de válvula de suministro 330 se ubica en el pasaje directo de retroalimentacion 314 e incluye un primer extremo de tapón 332 adyacente (por ejemplo, ubicado inmediatamente adyacente) al primer asiento de válvula 320 y un segundo extremo de tapón 334 adyacente (por ejemplo, ubicado inmediatamente adyacente) al segundo asiento de válvula 322. El asiento de escape 325 incluye un hombro 336 que recibe un resorte 340. El resorte 340 también se conecta con un hombro 313 para forzar el asiento de escape 325 a acoplarse con el tapón terminal 329 y apartarse del segundo extremo de tapón 334. Un segundo resorte 344 se conecta con un hombro del cuerpo de válvula 315 y el primer extremo de tapón 332 para forzar el primer extremo de tapón 332 a acoplarse con el primer asiento de válvula 320.

El relevador de la etapa de señal 300 se ubica dentro de una abertura 280 en una tapa lateral 236 del relevador de etapa amplificadora 210. Una tapa lateral 236 incluye un pasaje de señal 282 que se acopla fluidamente al puerto 316 de un relevador de la etapa de señal 300 con una cámara de señal 288 definida parcialmente por un diafragma de señal 290 ubicado entre la tapa lateral 236 y una pieza intermedia 239. La tapa lateral 236 también incluye un puerto de suministro 285 que proporciona gas de suministro a la entrada 318 de un relevador de la etapa de señal 300.

En el modo de funcionamiento en reposo, el primer extremo de tapón 332 está en contacto con el primer asiento de válvula 320 y el segundo extremo de tapón 334 está en contacto con el segundo asiento de válvula 322. Se proporciona gas de suministro a un relevador de la etapa de señal 300 a través del puerto de suministro 285 y la entrada 318. El primer conector 332 se asienta sobre el primer asiento de válvula 320 con la carga de asiento suficiente para que el gas de suministro se vea sustancialmente impedido de atravesar el primer asiento de válvula 320 y la carga de asiento del segundo extremo de tapón 334 se asienta en el segundo asiento de válvula 322 del asiento de escape 325 de modo que el gas de suministro se vea sustancialmente impedido de salir del asiento de escape 325. Sin embargo, según se explica previamente, en el modo de estrangulamiento o proporcional, en un punto operativo en reposo, el primero y el segundo extremos de tapón 332 y 334, al acoplarse con los asientos de válvula respectivos 320 y 322, prohiben sustancialmente el flujo de fluido, con sólo un flujo de fuga presente. La pequeña fuga crea un equilibrio de presión cambiante a través de las etapas de señal y amplificación C y D para modificar la carga de asientos respectiva en proporción con el fluido de suministro donde se acopla una fuerza de retroalimentación a través de una articulación conectada a un flotador en un tanque de fluidos (no mostrado). La señal de entrada puede derivar de una cantidad de entradas conocidas, incluso las señales de presión y las fuerzas mecánicas directas.

Por ejemplo, se muestra el conector de suministro 330 en su posición más a la izquierda, con respecto a la figura 3, en contacto con el primer asiento de válvula 320. Durante el funcionamiento, como una aplicación de control de nivel, se aplica una fuerza de flotación a un flotador mediante un fluido en el tanque de fluido, una entrada o una articulación mecánico proporciona una fuerza de entrada al poste de entrada 327 del asiento de escape 325. La fuerza de entrada o la señal aumenta el flujo de fuga a través del primer asiento de válvula 320. Esta acción también hace que la carga de asiento del segundo asiento de válvula 322 se acople herméticamente al segundo extremo de tapón 334 y disminuya el flujo de fuga a través del pasaje de retroalimentación 314 a la atmósfera, y entonces el primer extremo de tapón 332 aumenta el flujo de fuga del primer asiento de válvula 320 para permitir que una cantidad limitada de gas de suministro ingrese al pasaje de retroalimentación 314.

Subsiguientemente, el gas de suministro del puerto de suministro 285 circula a través de la entrada 318, el primer asiento de válvula 320, a través del pasaje de retroalimentación 314 hacia el puerto transversal 316, el pasaje de señal 282 y la cámara de señal 288 para actuar sobre el diafragma de señal 290. La presión del gas de suministro aumenta una fuerza suministrada por el diafragma de señal 290 y un ensamble en la caja del diafragma 259, aumentando así una carga de asiento sobre un asiento de válvula 230 de un conector de válvula 240 para disminuir un flujo de fuga entre éstos. Esta presión también actúa sobre la superficie interna 317 del aro tórico 326 para aplicar una fuerza de retroalimentación negativa en la articulación para proporcionar una salida proporcional del dispositivo de control 200. Esto es, se aplica una fuerza equivalente al producto de la presión dentro del pasaje de señal 282 y el área de sellado efectiva del aro tórico 326 (es decir, al área transversal del aro tórico definida por la superficie interna 317) en oposición a la fuerza de la articulación.

A medida que la articulación aplica la señal de entrada al poste de entrada 327, las fuerzas de asentamiento entre el primer extremo de tapón 332 y el primer asiento de válvula 320 disminuyen o se reducen, aumentando la presión del gas de suministro a la cámara de señal 288. El relevador de etapa amplificadora 200 de la etapa amplificadora D tiene interruptores de puerto (no mostrados) colocados para el funcionamiento proporcional/directo. Así, se aplica el gas de suministro a un puerto de entrada 211 y una cámara 215. Una cámara 216 y un puerto de salida 217 se acoplan a un dispositivo de control final. El gas de suministro está contenido dentro de la cámara 215 mientras que un flujo de fuga a lo largo de un asiento de válvula 242 se ve sustancialmente reducido por un conector de válvula 238 para evitar un aumento de presión en la cámara 216 y el puerto de salida 217. A medida que la presión aumenta en la cámara de señal 288, la fuerza generada por el diafragma de señal 290 y el ensamble en la caja del diafragma 259 aumenta la carga de asiento a través del asiento de válvula 230. A medida que la carga de asiento aumenta a través del asiento de válvula 230 y el conector de válvula 240 de un ensamble de conectores 237, la carga de asiento a través del asiento de válvula 242 y el conector 238 disminuye. La disminución en la carga de asiento a través del asiento de válvula 242 y el conector 238 aumenta un flujo de fuga de la cámara 215 y, subsiguientemente, de la cámara 216. El aumento en el flujo y la presión se comunican a través de la salida de presión 217 y en el dispositivo de control final.

Durante el funcionamiento, a medida que la carga de asiento del primer extremo de tapón 332 y el primer asiento de válvula 320 disminuye, el gas de suministro en el pasaje de retroalimentación 314 actúa sobre el asiento de escape 325 para compensar la señal de entrada aplicada al poste de entrada 327 por la articulación y para proporcionar una cantidad proporcional de presión de gas de suministro a la cámara de señal 288. En el punto de equilibrio, el asiento de válvula 230 del relevador de etapa amplificadora 210 está en contacto con el conector de válvula 240 y el asiento de válvula 242 está en contacto con el conector de válvula 238 con la carga de asientos en equilibrio de modo que la presión de salida en la salida de presión 217 y el dispositivo de control final sea proporcional a la señal de entrada en el poste de entrada 327.

Si la señal de entrada en el poste de entrada 327 disminuye, la fuerza proporcionada por el ensamble en la caja del diafragma 259 disminuye de modo que la carga de asiento entre un conector de válvula 238 y el asiento de válvula 242 aumente y la carga de asiento entre el asiento de válvula 230 y el conector de válvula 240 disminuya. En este estado, el flujo de fuga entre el asiento de válvula 230 y un conector de válvula 240 permite que el gas de suministro en la cámara 216 circule a través de una abertura en forma de T 232 hacia la cámara 218 y ventile a través de un puerto de entrada 213 que está expuesto a la atmósfera. Los cambios en la señal de entrada en el poste de entrada 327 crean un nuevo estado equilibrado para el relevador de etapa amplificadora 210, siendo la presión de salida en la salida de presión 217 directamente proporcional a la señal de entrada.

Durante el funcionamiento, cuando la fuerza de entrada en el poste de entrada 327 disminuye, la carga de asiento en el segundo asiento de válvula 322 disminuye y el conector de suministro 330 se carga ligeramente. Esto es, la carga de asiento en el primer extremo de tapón 332 del conector de suministro 330 y el primer asiento de válvula 320 aumenta para disminuir el flujo de fuga de gas de suministro a través del primer asiento de válvula 320. La carga de asiento en el segundo asiento de válvula 322 del asiento de escape 325 y el segundo extremo de tapón 334 del conector de suministro 330 disminuye. La disminución en la carga de asiento permite que el gas de suministro en la cámara de señal 288, el pasaje de señal 282, el puerto transversal 316 y el pasaje de retroalimentación 314 ventile a través del segundo asiento de válvula 322 a la atmósfera.

El relevador de la etapa de señal 300 le permite al dispositivo de control neumático de dos etapas ejemplar 200 tener una alta ganancia, una baja purga de transición y cuatro modos de funcionamiento que le brindan numerosas ventajas. Por ejemplo, se utiliza el resorte 340 para contrarrestar una fuerza de fricción creada por el sello o el aro tórico 326 y para conservar o mantener el poste de entrada 327 en contacto con la articulación de entrada, asegurando así que una banda muerta del funcionamiento no se produzca durante el funcionamiento de la articulación. En otras palabras, el poste de entrada 327 está en contacto con la articulación de entrada de modo que una fuerza de empuje al resorte 340 sustancialmente mantenga el contacto entre la articulación de entrada y el poste de entrada 327 para eliminar sustancialmente una banda muerta entre el movimiento de la articulación de entrada y el movimiento del asiento de escape 325. Los cuatro modos de alta ganancia de funcionamiento proporcionados por el dispositivo de control neumático de dos etapas ejemplar 200 eliminan la necesidad de utilizar cualquiera de los dos relevadores de la etapa amplificadora alineados en serie 210 para proporcionar una alta ganancia o un diafragma entre el asiento de escape 325 y el cuerpo de la válvula 312 para proporcionar una fuerza de retroalimentación . El uso del sello o aro tórico 326 (es decir, en contraposición con el uso de un diafragma) para proporcionar una fuerza de retroalimentación de presión de gas de suministro al asiento de escape 325 permite que el relevador de la etapa de señal 300 tenga un diámetro pequeño y, por tanto, un tamaño pequeño y compacto. Esto también hace que dispositivo de control neumático de dos etapas ejemplar 200 pueda utilizarse con un flotador más pequeño y fluidos más ligeros en un recipiente de fluido, minimizando así el costo del recipiente de fluido.

El dispositivo de control neumático de dos etapas ejemplar 200 utiliza los resortes 244 y 248 del relevador de etapa amplificadora 210 y los resortes 344 y 340 del relevador de la etapa de señal 300 para auxiliar en el control del flujo del gas de suministro a través de los asientos de válvula respectivos 242, 230 y 320 y 322 o de un lado a otro de éstos. Consecuentemente, el dispositivo de control neumático de dos etapas ejemplar 200 puede funcionar en cualquier orientación, inclusive horizontal y vertical, e inclinarse sin que sea necesario compensar los efectos de la gravedad.

El entendido en la técnica también apreciará que el área de retroalimentación, presentada por el área efectiva del aro tórico 326 también puede ajustarse cambiando el diámetro interno del pasaje de retroalimentación 314 de un relevador de la etapa de señal 300 y el diámetro externo del sello o aro tórico 326. Esto es, se puede cambiar o reemplazar fácilmente una caja de relevador de la etapa de señal 312 y el sello o aro tórico 326 como un módulo reemplazable en una sola etapa que proporciona un área de retroalimentación predeterminada para alojar distintos tipos de servicios como agua, condensado o interfaz, que puede proporcionar o ejercer distintas fuerzas de varillaje. Por ejemplo, se prefiere un área de retroalimentación relativamente amplia (por ejemplo, 0,1080 pulgadas) para aplicaciones que proporcionan una gran fuerza de flotación (es decir, correspondiente al fluido que tiene una gravedad específica aproximada de 1,0), como el agua. Un área de retroalimentación relativamente menor (por ejemplo, 0,0625 pulgadas cuadradas) podría alojar aplicaciones que proporcionen una fuerza de flotación moderada (es decir, correspondiente a un fluido que tiene una gravedad específica aproximada de 0,8) como aceite, y un área de retroalimentación muy pequeña (p. ej. 0,036 pulgadas cuadradas) podría preferentemente alojar una aplicación de interfaz aceite a agua con una pequeña fuerza de flotación (es decir, correspondiente a los fluidos que tienen una gravedad específica diferencial aproximada de 0,1). Específicamente, el entendido en la técnica reconocerá que esta característica le proporciona al usuario un escenario mejorado de configuración y calibración para las aplicaciones de control de nivel puesto que no es necesario modificar o reemplazar la palanca y el flotador para estas diferentes aplicaciones.

El dispositivo de control neumático de dos etapas ejemplar 200 descrito en la figura 3 puede proporcionar una ganancia muy alta (es decir, una capacidad de respuesta aumentada) y un consumo de gas muy bajo durante el funcionamiento normal. Sin embargo, en ciertas aplicaciones, dicha alta ganancia o capacidad de respuesta puede crear susceptibilidad a las vibraciones mecánicas que puede provocar inestabilidad en el control. La fuente de esta inestabilidad es generalmente la rápida aplicación de una fuerza de retroalimentación en una articulación de control por parte de la etapa de señal del dispositivo de control neumático. El dispositivo de control neumático ejemplar 401 de la figura 4 puede reducir sustancialmente dicha susceptibilidad mediante: 1) el control independiente de la presión del relevador de la etapa de señal; y 2) la reducción del área de retroalimentación del relevador de la etapa de señal.

Con relación a la figura 4, se trata de una ilustración seccional de un dispositivo de control neumático de dos etapas ejemplar 401 que tiene una etapa de señal E y una etapa amplificadora F e incluye los reguladores de presión estabilizadores 500 y 510. Los reguladores de presión estabilizadores 500 y 510 proporcionan independientemente aire de suministro a un relevador de la etapa de señal 410 y un relevador de etapa amplificadora 420 a través de una entrada de presión de suministro de señal 485 y entrada de presión de suministro de amplificación 411. Se apreciará que dichos reguladores de presión estabilizadores 500 y 510 podrían estar integrados dentro de la etapa de señal E y la etapa amplificadora F, o dichos reguladores podrían ser externos a las etapas de señal y de amplificación E y F. Alternativamente, se apreciará que un regulador de estabilización 500 puede ubicarse aguas abajo del regulador de presión de estabilización 510. El relevador de la etapa de señal 410 y el relevador de etapa amplificadora 420 del dispositivo ejemplar generalmente funcionan como el dispositivo de control neumático de dos etapas 200 ejemplar anteriormente descrito que se muestra en la figura 3, excepto que los reguladores de presión estabilizadores 500 y 510 proporcionan un suministro de presión independiente en cada etapa, la etapa de señal E y la etapa de amplificación F, para aumentar la estabilidad del dispositivo y para mejorar el rendimiento general del dispositivo de control neumático. Por ejemplo, el regulador de presión de la etapa de señal 500 puede configurarse a 8 psig, mientras que el regulador de presión de la etapa amplificadora 510 puede configurarse a 35 psig. En general, la etapa de señal E se configura a una presión menor que la etapa amplificadora F. Es decir, la presión de la etapa de señal puede configurarse a un punto operativo mínimo para el funcionamiento de la etapa amplificadora F. La presión de la etapa de señal más baja mejora la estabilidad y el rendimiento del dispositivo de control neumático de la siguiente forma: 1) la presión de suministro más baja de la etapa de señal directamente reduce la fuerza de retroalimentación generada por un relevador de la etapa de señal 410 (es decir, Fuerza = Presión x Área); y 2) la presión más baja directamente reduce el gas consumido por el relevador de la etapa de señal 410.

Adicionalmente, la figura 5 ilustra una etapa de señal 610 para mejorar adicionalmente el rendimiento del dispositivo de control neumático. Es decir, en combinación con la presión más baja de la etapa de señal del dispositivo de control neumático ejemplar de la figura 4, la presente etapa de señal ejemplar 610 tiene un área de retroalimentación reducida para reducir adicionalmente las fuerzas de retroalimentación en un sensor. El relevador de la etapa de señal ejemplar 610 incluye un cuerpo de relevador 612 que tiene un diámetro interno menor con relación al pasaje de retroalimentación 614 y/o el cuerpo de relevador 312 previamente descrito del dispositivo de control neumático ejemplar 200 ilustrado en la figura 3. El pasaje de retroalimentación correspondiente 614 también tiene un diámetro reducido para proporcionar un acoplamiento de sellado con un sello o aro tórico 626. Según se describe previamente, la presión del fluido en el pasaje de retroalimentación 614 actúa sobre la superficie interna 617 y el sello o el aro tórico 626 para aplicar una fuerza de retroalimentación negativa en la articulación para proporcionar una salida proporcional desde un dispositivo de control. Como resultado, el área de retroalimentación proporciona una fuerza de retroalimentación reducida a un sensor acoplado a un dispositivo de control neumático.

La combinación de la etapa de señal de baja presión y la etapa de señal de área de retroalimentación reducida puede mejorar la estabilidad del dispositivo en cuanto a los sensores de retroalimentación con alta ganancia. Al controlar el área de retroalimentación de forma predeterminada y configurar la presión de la etapa de señal con independencia de la presión de la etapa de amplificación, se puede adaptar un dispositivo de control neumático para estabilizar una gran variedad de controladores de nivel de tipo desplazamiento.

En resumen, se apreciará que el dispositivo ejemplar descrito aquí sustancialmente elimina la purga de transición del dispositivo de control que crea un relevador neumático de dos etapas que cierra positivamente un puerto de escape del relevador antes de la apertura de un puerto de suministro. Adicionalmente, un sello o un aro tórico de un relevador de la etapa de señal proporciona un área de retroalimentación negativa significativa para contrarrestar o compensar la fuerza de la palanca sobre un relevador de la etapa de señal en un modo de estrangulamiento o dosificación mientras proporciona una ganancia aumentada para mejorar el rendimiento sistemático global.

Aunque se ha descrito aquí cierto aparato ejemplar, el espectro de cobertura de esta patente no se limita a éste. Por el contrario, esta patente cubre todos los métodos, aparatos y artículos de fabricación comprendidos razonablemente dentro del espectro de las reivindicaciones anexas literalmente o dentro de la doctrina de equivalentes.

Claims (21)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato de control de flujo de fluido que comprende: una etapa de señal que comprende un relevador de la etapa de señal que tiene una toma de alimentación operativamente asociada a un asiento de válvula en un primer extremo y un asiento de escape en un segundo extremo; y un sello operativamente acoplado a la toma de alimentación de modo que el sello proporcione un área de retroalimentación para aplicar una fuerza de retroalimentación de presión de fluido al asiento de escape.

2. El aparato de la reivindicación 1, que además comprende un medio para impulsar una carga de asiento a través del conector de suministro hacia el asiento de válvula o el asiento de escape.

3. El aparato de la reivindicación 1 en el cual un resorte está operativamente acoplado a la toma de alimentación para vencer la fuerza de fricción creada por el sello.

4. El aparato de la reivindicación 3 en el cual el asiento de escape incluye un poste de entrada para poner en contacto una articulación de entrada de modo que una fuerza de empuje al resorte mantenga el contacto entre la articulación de entrada y el poste de entrada para reducir sustancialmente una banda muerta entre el movimiento de la articulación de entrada y el movimiento del asiento de escape.

5. El aparato de la reivindicación 1en el cual la presión de la fuerza de retroalimentación de fluido es proporcional a la presión de salida de la etapa de señal.

6. El aparato de la reivindicación 1 que además comprende una caja de relevador de la etapa de señal de modo que una caja del relevador de la etapa de señal y el sello definan un módulo de la etapa de señal que proporciona un área de retroalimentación determinada adaptada para operar con una fuerza de la articulación predeterminada.

7. El aparato de la reivindicación 1 en el cual la etapa de señal proporciona un modo de estrangulamíento.

8. El aparato de la reivindicación 7 en el cual un primer extremo del conector de suministro está sustancialmente en contacto con el asiento de válvula y un segundo extremo del conector de suministro está sustancialmente en contacto con el asiento de escape en un punto en reposo en el modo de estrangulamíento.

9. Un aparato de control de flujo de fluidos de dos etapas que comprende: una etapa de señal que tiene una salida proporcional, la cual etapa de señal comprende un relevador de la etapa de señal que incluye una toma de alimentación que tiene un primer extremo adyacente a un asiento de válvula y un segundo extremo adyacente a un asiento de escape, un poste de entrada de la etapa de señal adaptado para acoplar la etapa de señal al dispositivo de control y un medio para impulsar una carga de asiento a través del conector de suministro hacia el asiento de válvula o el asiento de escape; y una etapa amplificadora que comprende un relevador de etapa amplificadora operativamente conectado a la etapa de señal a través de un pasaje de señal, la cual etapa amplificadora tiene un miembro sensible al suministro de fluidos adaptado para mover un miembro relevador para proporcionar una salida de suministro de fluido amplificada de modo que un cambio en la carga de asiento a través del asiento de válvula y el asiento de escape proporcione un acople predeterminado de cualquier asiento de válvula al primer extremo del conector de suministro o del asiento de escape al segundo extremo del conector de suministro para proporcionar una salida proporcional o de acción instantánea y directa o de acción inversa de la etapa amplificadora con relación a una señal de entrada en el poste de entrada de la etapa de señal.

10. El aparato de la reivindicación 9 en el cual el cambio en la carga de asiento proporciona un ajuste en la fuga del asiento de válvula o la fuga del asiento de escape durante el funcionamiento en reposo de la etapa de señal para ajustar un equilibrio de presión a través de la etapa de señal y la etapa amplificadora proporcionalmente con una señal de sensor en el poste de entrada de la etapa de señal.

11. El aparato de la reivindicación 9 en el cual una presión de fluido en el pasaje de señal actúa sobre una superficie interna del aro tórico de una etapa de señal para aplicar una fuerza de retroalimentación negativa para proporcionar la salida proporcional de la etapa amplificadora.

12. El aparato de la reivindicación 11 en el cual se aplica una fuerza equivalente al producto de la presión dentro del pasaje de señal y un área de sellado efectiva definida por la superficie interna del aro tórico de la etapa de señal en contraposición a una fuerza de entrada en un poste de entrada de la etapa de señal.

13. El aparato de la rei indicación 9 en el cual un primer regulador de presión estabilizador proporciona un suministro de fluido a la etapa de señal y un segundo regulador de presión estabilizador proporciona un suministro de fluido a la etapa amplificadora.

14. El aparato de la reivindicación 9 en el cual la etapa de señal proporciona un modo de estrangulamiento.

15. El aparato de la reivindicación 14 en el cual el primer extremo del conector de suministro está sustancialmente en contacto con el asiento de válvula y el segundo extremo del conector de suministro está sustancialmente en contacto con el asiento de escape en un punto en reposo en el modo de estrangulamiento.

16. Un aparato de control de flujo de fluido de dos etapas que comprende: una etapa de señal que tiene una salida proporcional, la cual etapa de señal comprende un relevador de la etapa de señal que incluye un puerto de suministro, una toma de alimentación que tiene un primer extremo adyacente a un asiento de válvula y un segundo extremo adyacente a un asiento de escape, un poste de entrada de la etapa de señal adaptado para acoplar la etapa de señal a un dispositivo de control y un medio para impulsar una carga de asiento a través del conector de suministro hacia el asiento de válvula o el asiento de escape; y una etapa amplificadora que comprende un relevador de etapa amplificadora operativamente conectado a la etapa de señal a través de un pasaje de señal; el relevador de etapa amplificadora tiene un miembro que responde al suministro de fluido adaptado para mover un miembro relevador para proporcionar una salida de suministro de fluido amplificada, donde un cambio en la carga de asiento a través del conector de suministro de la etapa de señal cierra el asiento de escape de la etapa de señal antes de la apertura del asiento de válvula de etapa de señal para sustancialmente eliminar una purga de transición en la etapa de señal.

17. El aparato de la reivindicación 16 en el cual el primer extremo del conector de suministro está sustancialmente en contacto con el asiento de válvula y el segundo extremo del conector de suministro está sustancialmente en contacto con el asiento de escape en un punto en reposo en el modo de estrangulamiento.

18. El aparato de la reivindicación 16 en el cual un sello está operativamente acoplado a la toma de alimentación de modo que el sello al menos parcialmente defina un área de retroalimentacion que produzca una presión de fuerza de retroalimentacion de fluido en el asiento de escape.

19. El aparato de la reivindicación 18 en el cual un resorte está operativamente acoplado a la toma de alimentación para superar una fuerza de fricción creada por el sello.

20. El aparato de la reivindicación 18 en el cual la presión de la fuerza de retroalimentacion de fluido es proporcional a la presión de salida de la etapa de señal.

21. El aparato de la reivindicación 19 en el cual el asiento de escape incluye un poste de entrada para contactar con una articulación de entrada de modo que una fuerza de empuje al resorte sirva para mantener el contacto entre la articulación de entrada y el poste de entrada para eliminar sustancialmente una banda muerta entre el movimiento de la articulación de entrada y el movimiento del asiento de escape.