NO341231B1 - Forbedringer av ventilaktuator - Google Patents

Description

Område for oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse gjelder forbedringer i og vedrører ventilaktuatorer og er særlig, men ikke nødvendigvis utelukkende anvendelige for å styre ventilaktuatorer som er aktuatorer for styringen av ventiler, som justerer strømningen av fluider i et ledningsrør - vanligvis for eksempel i reaksjon på et signal fra en prosessmåling. Slike aktuatorer trenger generelt høy nøyaktighet og virker for å levere kontinuerlig grov og fin justering av fluidstrømningsrater i ledningsrøret snarere enn ved veksling av strømningen med fullstendig åpning og avstengning av ledningsrøret.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Ventilaktuatorer finner bred anvendelse for eksempel innen de termiske og hydrauliske kraftgenereringsindustriene, innen olje- og gassutvinnende, marine, vannverks og kjemiske prosesseringsindustrier. For størstedelen av disse formålene er aktuatorene nødvendigvis kraftige og avpasset for å gi ytelsesnivåer på fra omtrent 3Nm til i størrelsesordenen på 1200Nm for rotasjonsytelser eller 100N til 30000N for lineærytelser. Ventilaktuatorene kan være pneumatisk, hydraulisk, elektrisk og elektro-hydraulisk drevne, men er hovedsakelig pneumatisk drevne, ettersom disse er mindre kostbare å bygge til det nødvendige nivået av driftsnøyaktighet og - pålitelighet. Ventilaktuatorene har generelt alle prosessorstyring for innstilling, overvåking og styring av aktuatoren. Avgjørende styrefaktorer aktuatorposisjon, dvs. ventilposisjon, og aktuatordreiemoment (primært for rotasjonsytende aktuatorer) og drivkraft (primært for lineærytende aktuatorer). I en rotasjonsytende aktuator er ventilposisjonen typisk for eksempel bestemt ved telling av omdreiningene eller en del av en omdreining til den drevne rotasjonsytende akselen med en rotasjonskodeinnretning. Belastningen utviklet ved aktuatorutgangsakselen i en slik aktuator er typisk bestemt av mekaniske midler, så som med en strekklapp eller med en trykkgjver. Belastning kunne likeså fastlegges fra et dreiemoment knyttet til strøm i motoren. Eksempler på sistnevnte av slike mekanismer er omtalt i US 4,288,665 og GB 2,101,355.

I tillegg til innslagene over har ventilaktuatorene generelt likeså utstyr for avbruddssikring, dersom det er for eksempel en elektrisk kraftsvikt. I dette henseendet inkluderer størstedelen av aktuatorer videre en trykkfjærreturmekanisme for å tilbakeføre aktuatoren til den ønskede avbruddssikringsposisjonen. Dette krever imidlertid bruk av en forholdsvis stor mengde kraft nettopp for å overvinne kraften fra returfjæren for normal drift.

En alternativ tilnærming er bruken av lagret elektrisk energi for å tilføre nok kraft for å drive en ventil til en avbruddssikringsposisjon under kraftsvikttilstander. Eksempler på denne tilnærmingen er avdekket i US-A-5278454, US-A-5744923 og GB-A-2192504.

Flere faktorer undergraver virkningsfull og effektiv drift av ventilaktuatoren i normal bruk og disse innbefatter gjrslitasje, regulatormetning, spinn og oversving. De sistnevnte faktorene som kan betegnes som "luggings"-faktorer, er vanligvis påtruffet med ventilaktuatorer og kan vise seg som en hovedhindring for opprettholdelse av virkningsgrad i de lukkede sløyfeprosessene iverksatt ved styring av ventilaktuatorer, der det er nødvendig at hurtige og ofte svært små justeringer skal gjøres for ventilposisjonen for å opprettholde prosesstyring. Regulatoren må først utvikle betydelig kraft for å frembringe den nødvendige løsrivende drivkraften eller dreiemomentet og må deretter hurtig forsøke å styre ventilen til posisjon. For å overvinne en innledningsvis tung belastning vil regulatoren ofte drives til metning og derfor spinnvirkning (der regulatoren gir full kraft, men belastningen forsvinner samtidig og regulatoren er enda fullt kraftpåført), noe som vil gi opphav til at ventilen oversvinger dens ønskede posisjon og forårsaker styresløyfeustabilitet.

Pneumatisk drevne ventilaktuatorer er felles med de andre ventilaktuatorene for det meste fjærreturnerte for avbruddssikring ved tap av kraft og følgelig er de kraftbalanserte systemer, der lufttrykket er avstemt for å balansere fjærkraften, ventilskaftfriksjonen og ventilskaftkraften. Dette kan føre til luggingsproblemer, ettersom når lufttrykket er hevet eller senket for å bevege ventilen med en liten størrelse, kan en brå endring i friksjon forårsake at aktuatoren hopper med flere enn den ønskede bevegelsen. De kan likeså utsettes for uønskede bevegelser på grunn av endringer i ventilskaftkraft, ettersom dette setter kreftene i ubalanse og aktuatoren trenger å endre lufttrykket for å utligne.

Elektrisk motordrevne ventilaktuatorer er stivere systemer enn pneumatikk og lider ikke så meget av endringer for skaftkrefter som beveger disse bort fra deres posisjon. Elektrisk motordrevne ventilaktuatorer lider likeså av luggingsproblemer, selv om mindre således enn pneumatikk. De kan imidlertid lide av dårlig styring på grunn av dødgang i drivverket. Motoren trenger å oppta dødgangen når retning reverseres før utgangen starter å bevege seg. Med et tradisjonelt system med én føler ved utgangen vil regulatoren øke motorhastigheten, ettersom den ikke ser noen bevegelse ved utgangen, og deretter når dødgangen er opptatt vil utgangen brått oversvinge, spesielt dersom alt som var påkrevet, var en liten bevegelse. På strømelektriske aktuatorer er hovedtilnærmingen for å overvinne dette å holde dødgangen på et minimum ved hjelp av høykvalitetsgir og lite gjrforhold, ofte med en meget sterk, høykostnads trinnmotor (synkron). Dette og langtidsfordringene på grunn av kontinuerlig drift gjør drivverket meget dyrt.

Det er blant formål for den foreliggende oppfinnelse å skaffe tilveie en styreventil-aktuator som skiller seg fra og passende forbedrer på slike kjente aktuatorer og avbøter én eller flere av driftsvanskelighetene som er nevnt foran eller drøftet i det etter-følgende.

Sammenfatning av oppfinnelsen

I samsvar med det første aspekt av den foreliggende oppfinnelse er det tildannet en ventilaktuator som har en elektrisk drivmotor med en motoraksel, og som har en utgangsaksel sammenføyd med motorakselen for å drive bevegelse av en ventil, idet aktuatoren videre har et styresystem anordnet for å tildanne en første lukket sløyfestyring av aktuatorutgangsakselen, og som innbefatter en regulator, koblet til en første posisjonsføler for å avføle posisjonen til aktuatorutgangsakselen og til en andre posisjonsføler for å avføle posisjonen til motorakselen og for å muliggjøre bestemmelse av hastigheten til motorakselen, idet styresystemet er konfigurert for å reagere på avfølede signaler fra den første og andre føleren og justere motorhastigheten/posisjonen tilsvarende. Passende løper regulatoren syklisk ved en rate som er minst fem ganger større enn båndbredden til den elektriske motoren og fortrinnsvis er regulatoren anordnet for å avsøke den første og/eller andre føleren med en periode mindre enn en tidel av den mekaniske tidskonstanten til aktuatoren.

Ved bruk av de to følerne for tilbakemeldingsstyring og derved overvinning av sluringsproblemene er en høy grad av styrenøyaktighet og - pålitelighet oppnådd mens behovet for kostbare gir med høy kvalitet og liten dødgang unngås. Med omhyggelig utvelgelse av materialer og utforming for å få den ønskede levetiden er det nå følgelig mulig å tilvirke et drivverk til lav kostnad med et utmerket nivå av nøyaktighet. Sensiviteten (dvs. følertellinger per omfang av arbeidsbevegelse til motorakselen) til den andre (motor) føleren er fortrinnsvis høy, så som for å styre utgangsakselhastig-heten til innenfor minst to og fortrinnsvis minst én prosent av den fullstendige driftshastigheten til utgangsakselen.

Regulatoren er konfigurert for syklisk å løpe ved en rate som er minst fem ganger større enn båndbredden til den elektriske motoren. Slik som vil forstås, er båndbredden til den elektriske motoren knyttet til raten, ved hvilken motoren bygger seg opp til dens stasjonære hastighet forutsatt en transient inngangs- eller belastningstilstand. Denne er ofte skildret med en første ordenstilnærmelse av en endring i hastighet i reaksjon på en enhetstrinninngang. I et førsteordenssystem er den stabile tilstanden (99% av endelig verdi) nådd innenfor fem tidskonstanter og i en tidskonstant når et slikt system 63% av stasjonær verdi (hastighet).

Utgangsfølersensiviteten er passende i størrelsen på 0,025% av en fullstendig reise av utgangsakselen, dvs. 4000 tellinger på en full reise av utgangsakselen. Motorføler-sensi vi teten er passende minst 100 ganger større enn utgangsfølersensiviteten og genererer for eksempel 323 tellinger som svarer til hver eneste telling på utgangs-føleren.

Fortrinnsvis inkluderer regulatoren en posisjonsstyresløyfe utformet for å opprettholde aktuatorutgangsposisjonen ved en ønsket innstillingsverdi. Innenfor posisjonsstyre-sløyfen er en andre sløyfe med en proporsjonal - integral - derivativ - regulator (PID-regulator) som opprettholder motorhastighet ved en intern avledet ønsket verdi. En posisjonsfeil forekommer når den krevede posisjonen endrer seg eller en belastnings-forstyrrelse endrer utgangsposisjonen. Regulatoren mottar signaler fra både utgangsaksel- og motorposisjonsføleren og beregner korrigerende aktivitet til motordrivsignalet fra en beregning basert på feilen (proporsjonalt), summen av alle tidligere feil (integral) og raten av endring til feilen (derivativ).

I samsvar med et andre aspekt av den foreliggende oppfinnelse er det skaffet tilveie en lineærytende ventilaktuator som omfatter en elektrisk motordrift koblet passende til en lineært bevegelig utgangsaksel fra aktuatoren, idet utgangsakselen slutter i en drivkraftgiver som har et generelt sentralt parti av en første bøssing koblet til utgangsakselen, og idet den første bøssingen, har et ytre ringrom koblbart direkte eller indirekte til en ventil som skal aktiveres, idet den første bøssingen videre innbefatter et steg med redusert tykkelsesmaterial som sammenføyer det sentrale partiet til det ytre ringrommet, og som er anordnet for å bøye seg i reaksjon på kraft påført mellom det sentrale partiet og det ytre ringrommet, idet giveren innbefatter minst én strekklapp montert på steget og anordnet for å avføle strekk i steget, etter hvert som den bøyer seg og derved i bruk gi en indikasjon på drivkraft påført av utgangsakselen til en ventil som skal aktiveres.

Den første bøssingen rommer typisk elektroniske komponenter for forkondisjonering av signaler mottatt av den ene eller hver strekklapp og signalet fra den ene eller hver strekklapp kan bæres langs en signalleder som passerer gjennom det innvendige av utgangsakselen. Dette gir fordeler, fordi kabler ikke må dirigeres utenfor aktuatoren via tetningsbokser eller lignende og er således innenfor beskyttelsen av mantelen.

Et ytterligere aspekt av oppfinnelsen fremskaffer en ventilaktuator som har en elektrisk drivmotor med en drivaksel, og som har en utgangsaksel sammenføyd med motorakselen for å drive bevegelse av en ventil, idet aktuatoren videre har et styresystem som omfatter en regulator for å bevirke lukket sløyfestyring av ventilen, idet aktuatoren er rommet i et hus med et brukergrensesnitt som har en ikke-forstyrrende oppsettingssekvens og hvor aktuatorhuset rommer en bryter som kan utløses for å starte en oppsettingsrutine for styresløyfen ved tilnærmelse til en utvendig del av huset for en enkel ikke-forstyrrende udrevet innretning, så som for eksempel en magnet.

Bryteren kan for eksempel være en Hall- eller Reed-bryter. Dette forenkler oppsettingsoppgaven for brukeren mens risikoen for gnistring unngås fra bruk av en forstyrrende mekanisk innretning, og unngåelse av behovet for at brukeren må ha adgang til en stor PDA eller en annen trådløs styreinnretning forenkler å initiere oppsettingen. Fortrinnsvis for sikkerhet er brukergrensesnittet slik konfigurert at ved fjerning av innretningen fra nærhet av bryteren er oppstartingsrutinen stanset.

I enda et ytterligere aspekt av den foreliggende oppfinnelse er det skaffet tilveie en ventilaktuator som har en elektrisk motordrift og et gjrdriwerk samt en utgangsaksel som beveger seg for å drive en styreventil mellom varierende tilstander av åpning for styring av en rate av strømming av fluid i en rørledning, idet aktuatoren har en låsesperre for å låse et eller flere gir i girdriwerket i en posisjon og derved gi et innslag med "støtteslagved tap av kraft", idet sperren er holdt i inngrep med et gir i drivverket av et elastisk spennmiddel og er beveget bort med en elektrisk solenoid, av hvilken solenoidarmaturen trekker sperren ut av inngrep med giret mot kraften fra det elastiske spennmiddelet.

Låsesperren omfatter fortrinnsvis minst et første hjul som har en eller flere aksialt forløpende låsetapper som er koblbare med én eller flere radialt forløpende slisser i et permanent drevet andre hjul, idet det første og andre hjulet er roterbare i parallelle plan, og i det planet til det første hjulet er bevegelig mot planet til det andre hjulet til en låseposisjon under virkning fra spennmiddelet, når solenoiden er utkoblet, noe som dermed bevirker inngang av en låsetapp i en sliss.

Det første hjulet kan videre innbefatte drivmidler, så som en riflet aksel, som tillater manuell rotasjon av det første hjulet, idet rotasjonen er overført via den ene eller hver låsetapp til det andre hjulet, når det første hjulet er i låseposisjonen og derved til utgangsakselen.

Aktuatoren kan innbefatte et sideveis understøttelsesarrangement for den lineærytende akselen, i hvilken en understøttelsesarm eller avstivning er justerbar utstrekkbar mot aksen til akselen nær den delen av akselen som er påvirket av pinjongen/tannhjuls-overføringen til drivverket for å opprettholde orienteringen av aksen til akselen og forhindre dødgang. Passende virker denne armen eller avstivningen mot tannstanglegemet.

I samsvar med et ytterligere aspekt av oppfinnelsen er det tildannet en ventilaktuator som har en elektrisk drivmotor med en motoraksel og en utgangsaksel sammenføyd til motorakselen for å drive bevegelse av en ventil, idet aktuatoren videre har et styresystem som omfatter en regulator og en dreiemoment- eller drivkraftføler for å avføle dreiemomentet eller drivkraften til utgangsakselen for å bevirke lukket sløyfestyring av dreiemomentet eller drivkraften påført mot ventilen; og som ytterligere har et avbruddssikringsutstyr for å bevege ventilen til en sikker posisjon i tilfellet av nettkrafttilførselssvikt, idet avbruddsikringsmidlene omfatter minst én super/ultrakondensator konfigurert for å levere kraft til den elektriske motoren og styresystemet samt bevege ventilen på en dreiemoment/drivkraftstyrt måte til den sikre posisjonen.

Dette arrangementet gir brukeren et lavkraftforbrukende, kostnadseffektivt og fullstendig dreiemoment/drivkraftstyrt arrangement for returnering av aktuatoren til den ønskede avbruddssikringstilstanden og effektivt tillater at brukeren spesialtilpasser avbruddssikringsstrekket til det nødvendige nivået for hver installasjon, slik at ventilen vil gjenplasseres sikkert uten utilstrekkelig eller urimelig kraft.

Fortrinnsvis er avbruddssikringskraften tilført fra en eller flere ultrakondensatorer av verdi 30F eller større via en ladeomformer. Ladeomformeren bør levere tilstrekkelig spenning for å kjøre motoren ved den ønskede avbruddssikringshastigheten og tilstrekkelig strøm for å kjøre under fullstendige belastningstilstander. Fortrinnsvis bør ultrakondensatoren lades ved bruk av en strømbegrenset motretningsomformer til en spenning som vil levere tilstrekkelig energi for å utføre et fullstendig avbruddssikringsslag ved full belastning samtidig som levetiden til kondensatorene opprettholdes.

I et annet aspekt fremskaffer oppfinnelsen en ventilaktuator som har en elektrisk drivmotor med en motoraksel og en utgangsaksel sammenføyd til motorakselen for å drive bevegelse av en ventil, idet aktuatoren videre har et styresystem som omfatter en regulator og en dreiekraft- eller drivkraftsføler for å avføle dreiekraften eller drivkraften til utgangsakselen for å bevirke en lukket sløyfestyring av dreiekraften eller drivkraften påført mot ventilregulatoren og idet regulatoren eller en ytterligere prosessor som er virksomt sammenføyd til regulatoren, periodisk logget faktisk drivkraft/dreiekraft og disse dataene er tilgjengelige for sammenligning med historiske data/profiler.

Kortfattet omtale av tegningene

En foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse vil nå omtales som eksempel med henvisning til de medføyde tegningene, i hvilke: Fig. 1 er i perspektiv et generelt sammenstillingsdiagram av ventilaktuatoren; Fig. 2 er i perspektiv et generelt sammenstillingsdiagram av ventilaktuatoren fra en avvikende betraktningsvinkel til fig. 1; Fig. 3 er et systemkretsdiagram; Fig. 4 er et skjematisk diagram av styresløyfene til aktuatorstyresystemet; Fig. 5 er et riss av utgangsakselen og tannstangen samt som videre viser et understøttelseselement tilliggende akselen for å stabilisere denne; Fig. 6 er et utsnittsriss av en aktuator som innbefatter en drivkraftgiver i samsvar med oppfinnelsen; Fig. 7 er et forstørret snitt av en drivkraftgiver i samsvar med oppfinnelsen; Fig. 8 er et perspektivriss av en genferlåsemekanisme i samsvar med oppfinnelsen;

Fig. 9 er et alternativt perspektivriss av mekanismen fra fig. 8; og

Fig. 10 er et planriss av mekanisme fra fig. 8 og 9.

Omtale av de foretrukne utførelsene

Med henvisning til fig. 1 til 4 innbefatter systemet typisk en likestrøms (DC-"direct current") krafttilførsel 1 utstyrt med en automatmoduskrafttilførsel 2 som genererer

spenningene påkrevet for den elektriske drivmotoren 3 og elektronikken. Drivmotoren 3 til aktuatoren omfatter passende en permanentmagnet-DC-motor som drives gjennom et tanndrevdriwerk 4a-d til en tannstang 5 og en pinjong 6. Tannstangen 5 er koblet til en utgangsaksel 7 fra aktuatoren og som leverer lineærytelsen påkrevet for å variere omfanget av åpning av styreventilen. Styreventilen er ikke vist på figurene.

Den elektriske motoren 3 er permanent koblet til dens krafttilførsel 1 med spenningen variert av en motorregulator 48 og en motordrift 49 for å bevege motoren 3 og variere dens hastighet og/eller dreiekraft.

En første uberørende digital posisjonsføler 11 som passende er en rotasjons/aksel-kodeinnretning er tilstede tilliggende enden av pinjongen 6, som driver aktuatorutgangsakselen 7, for å påvise posisjonen til utgangsakselen 7. Posisjonsføleren 11 tilliggende enden av pinjongen 6 samvirker med en sekundær tannstang 5a montert på siden av tannstangen 5, slik at når tannstangen 5 beveger seg frem og tilbake i bruk, beveger den sekundære tannstangen 5a seg tilsvarende frem og tilbake og vender et pinjonggir 5b som bærer en magnet. Magnetposisjonen er overvåket ved bruk av posisjonsføleren 11. En torsjonsfjær 5c sikrer at det ikke finnes noen dødgang mellom de drevne pinjonggirtennene og tennene på den drivende tannstangen 5 a. Føleren 11 avføler den absoluttet rotasjonsposisjonen til pinjongen 5b, dvs. hvor mange dreiningstellinger pinjongen 5b er borte fra en referanseposisjon, så som fra posisjonen ekvivalent med en ytterpunktsende av arbeidsbevegelsen til utgangsakselen 7. Denne rotasjonsposisjonføleren 11 er passende en absolutt rotasjons/akselkodeinnretning som angir akselvinkelposisjon fra et utpekt datum med unikkodede signaler.

I en alternativ utførelse kan posisjonen til utgangsakselen 7 langs det lineære omfanget av bevegelse til utgangsakselen 7 avføles med en uberørende lineær posisjonsføler snarere enn en rotasjonskodeinnretning. Slike føler kan baseres på magnetisk, induktiv eller optisk teknologi.

En andre uberørende digital posisjonsføler 10 er lokalisert tilliggende enden av drivakselen 3a til motoren 3 for å avføle rotasjonsposisjonen til drivakselen 3a og derved bestemme hastigheten for rotasjon av drivakselen 3a.

Bruken av de to posisjonsfølerne 10,11 for å posisjonere enheten og forhindre oversving er svært viktig. Slik som påpekt over, er det oppfattet at luggingsscenariene påtruffet i styreventiler er en hovedmangel ved opprettholding av virkningsgrad i prosesser med lukket sløyfe. Ofte er påkrevet at mindre justeringer gjøres for ventil posisjonen for å opprettholde prosesstyring. For det første må regulatoren 9 diktere en betydelig kraftnivå for å frembringe den påkrevede løsrivende drivkraften/dreiekraften og deretter hurtig forsøke å styre ventilen til posisjon. Ofte er regulatoren 9 drevet til metning (derfor spinnvirkning) for å overvinne de tunge belastningene og deretter oversvinger ventilen den ønskede posisjonen, noe som forårsaker styresløyfeustabilitet. For å avbøte denne situasjonen benytter styresystemet de følgende tilbakemeldingstilstandene:

Absolutt utgangsakselposisjon til aktuatoren

Motorakselposisjon

De to følerne 10,11 kombineres effektivt for å lage en "superføler" som ikke kun påviser mindre endringer i utgangsakselen 7, men likeså hvilken som helst bevegelse i motorakselen 3 a.

Systemutformingen er slik at motorakselføleren 10 oppviser et høyt nivå av følsomhet for endog en svært liten bevegelse/awik for utgangsakselen 7. Den digitale styresløyfen brukt for motorhastigheten er en PID-regulator 9 som kjører ved en hastighet, som typisk er en størrelsesorden for eksempel 5 ganger båndbredden (5 ganger raskere enn den mekaniske tidskonstanten) til motoren/DC-motoren 3. På grunn av hastigheten til styresløyfen og følsomheten til motorakselføleren 10 kan motorhastigheten måles og styres uten merkbar endring ved utgangsføleren 11. For å forsterke egenskapene til regulatoren 9 er de følgende iverksettelser benyttet: To styresløyfer er tildannet - en ventilposisjonerende styresløyfe lia basert på utgangsføleren 11 og en høytomdreiende motorhastighets styresløyfe 10a basert på motorføleren 10.

En referansehastighetsfordring er generert av den ventilposisjonerende sløyfen lia. For en kort strekning av bevegelse er fordringshastigheten mindre og en stor verdi for lengre bevegelser. Derfor, når nødvendig å bevege seg en svært kort strekning under løsrivende tilstander påtreffer hastighetsregulatoren en stor negativ hastighetsfeil på grunn av den høye følsomheten til hastighetsmålingen, noe som driver regulatoren ut av metning. Dette systemet lider således ikke av ventilluggjngsproblemer, noe som effektivt frembringer en regulator uten oppsving.

Styresystemet kan forsterkes ved utvikling av fordringhastighetsverdien med henvisning til en kjent mekanisk dødgang i utvekslingen og hvilke som helst andre komponenter som kobler motoren 3 til utgangsakselen 7. Slik som omtalt under, kan denne dødgangen overvåkes og beregnes ved bruk av de to følerne 10 og 12. Så snart en verdi er kjent, kan fordringshastigheten tilsiktet økes, når det er kjent at motorretningen er reversert (en situasjon i hvilken det vil forstås at dødgang vil utgjøre en faktor). Således kan dødgangen hurtig opptas og fordringshastigheten deretter reduseres (for eksempel når en kjent strekning er blitt beveget av motorutgangsakselen 3a), ettersom drift er opptatt på ventilen via utvekslingen og utgangsakselen 7.

Dette gir en svært øket stabiliseringstid for utgangsakselstyresløyfen, ettersom virkningen fra mekanisk dødgang i utgangsaksel sløyfen kan nøytraliseres med passende beregninger og justeringer av motorfordringshastighet i motorhastighetssløyfen. Således innbefatter styresystemet angitt på fig. 4 en dødgangberegningsenhet 12 som mater en dødgangsverdi inn i motorhastighetsprofilkalkulatoren 14, som i sin tur utvikler fordringsmotorhastighetsverdien.

Ettersom arrangementet har en posisjonsføler 10 ved begynnelsen av utvekslingen 4a-e, 5,6 og en posisjonsføler 11 ved slutten vil det her være et forhold mellom utgangsposisjonen til følerne 10,11. Denne kan brukes for å måle dødgangen inne i drivverket ved betraktning ved omfanget av endring i posisjon til motorføleren 10 for å starte å bevege utgangsføleren 11 når retningen reverseres. En økning i dødgang ville antyde at slitasje forekommer i drivverket 4a-d, 5,6.1 systemer der drivverket alltid var forbelastet i en retning og dødgang således ikke var tilstede, ville det fortsatt være mulig å måle økning i slitasje. Dette kunne oppnås ved betraktning ved ytelsen fra motorkodeinnretningen 10 ved en spesifikk posisjon av utgangskodeinnretningen 11. Dersom dette forholdet endrer seg, da ville dette skyldes slitasje i drivverket.

Sammenstillingen av tannstangen 5 og utgangsakselen 7 er (slik som vist på fig. 5) understøttet i et hus 14 og likeså av en justerbar/utstrekkbar understøttelsesarm/ avstivning 15 motsatt berøringspunktet mellom pinjonggiret 6 og tannstangen 5. Understøttelsen er justerbar for å fjerne dødgang ved inngrepet mellom tannstangen 5 og pinjongen 6. Understøttelse ved dette punktet fjerner likeså behovet for at akselen 7 stikker ut fra toppen av tannstangen 5, noe som ville gjøre sammenstillingen større.

Med henvisning til fig. 6 og 7 kan målingen av drivkraft frembragt av aktuatoren oppnås ved hjelp av en transducer 16 montert på enden av aktuatorutgangsakselen 7. Med spesiell henvisning til snittrisset fra fig. 6 og det forstørrede risset fra fig. 7 er akselen 7 drevet lineært via tannstangs- og pinjongarrangementet 5 og 6. Drift av ventilen overføres via en ytre bøssing 50 som slutter i et ventilkoblingsboss 51. Drift av motoren (ikke vist på fig. 6 og 7) er overført til den ytre bøssingen 50 via en indre bøssing 52.

Den indre bøssingen 52 innbefatter et utvendig ringrom 54 som er gjenget og danner inngrep med den innvendige gjengede overflaten av den ytre bøssingen 50 og er forseglet til bøssingen 50 med en O-ring 55, et generelt sentralt koblingspunkt 56 som er fastgjort til en hovedsakelig stiv utgangsaksel 7 drevet av tannstangs-og pinjongarrangementet 5 og 6 samt et bøyelig, ringformet tynnvegget steg 60 som sammenføyer koblingspunktet 56 med det utvendige ringrommet 54.

Etter hvert som akselen 7 beveger seg frem og tilbake under motordrift, bøyer steget 60 seg. Bøyningen er målt med strekklapper 62 montert på steget, noe som således tillater en måling av kraft ved punktet som aktuatoren er koblet til ventilen.

En forsterker-PCB 64 i koblingen forsterker strekklappeffektene og utgangssignalene fra forsterkeren er matet opp til aktuatoren langs en kabel 65 ført gjennom en passasje tilformet inne i utgangsakselen 7.

Dette besørger en svært nøyaktig måling av kraften påkrevet for å bevege ventilen.

Effekten til strekklappen 16 tilformer den primære tilbakemeldingen i en drivkraftstyresløyfe 16a (fig. 4). Først prosesserer en analog krets drivkraftsignalet for å eliminere støy i målingen. Det filtrerte signalet er slik at det har større båndbredde enn aktuatoren og er matet inn i regulatoren. Når den bearbeidede drivkraftmålingen fra strekklappen 16 er mindre enn en referanseverdi 18, er motoren 3 tillatt å utvikle maksimal kraft. Når drivkraften frembragt av aktuatoren når innstillingsverdien 18, er deretter motorstrømmen begrenset til en verdi, slik at strømmen er akkurat tilstrekkelig (og således dreiekraften frembragt av motoren) for å holde seg større enn fullstendig belastningsdrivkraft som benytter den omvendte virkningsgraden til girene og likeså den iboende forsyningsdreiekraften fra motoren. Derfor er kraften påkrevet for å holde en belastning en fraksjon av det påkrevede for å bevege belastningen. Drivkraftstyre-strategien er derfor programerbar, nøyaktig og optimert for virkningsgraden. Drivkraftstyringen er viktig likeså implementert ved avbruddssikringsdrift.

I arrangementet vist på fig. 6 og 7, er strekklappene, kablingen og elektronikken integrert og innenfor den forseglede mantelen til aktuatoren. Dette integrerte aspektet er viktig, ettersom ventiler kan brukes i farlige miljøer og således kan aktuatorer kreve for eksempel eksplosjonssikre klassifiseringer. Holding av følere og forbindelseskabling innenfor aktuatoren unngår behovet for tetningspakkbokser eller lignende, noe som er kjent å gjøre hensiktsmessige sikkerhetsklassifiseringer vanskeligere å skaffe og kan likeså føre til spørsmål om kabelskade.

I denne utførelsen passerer signalet og krafttrådledningen opp gjennom akselen 7 til en avslutningsblokk 66. Signaler er deretter båret innvendig via en bøyelig kabel 67 til en ytterligere PCB 68 i den øvre delen av aktuatoren. Bevegelse frem og tilbake av akselen 7 er således opptatt av den bøyelige kabelen 67.

Andre transducere kan plasseres i følersammenstillingen tilformet inne i bøssingene 50 og 52, så som en temperaturføler, en "snuser", for å påvise flyktige materialer og/eller en akseleromåler for å måle vibrasjon.

I en ytterligere forbedring for arrangementet av styreventilaktuatoren kan aktuatoren ha en ikke-forstyrrende oppsettsekvens. Aktuatorlegemet 38 rommer en trådløs RF-mottager og - sender med kort rekkevidde. Dette tillater ikke-forstyrrende formidling til og fra aktuatoren. Aktuatoren kan konfigureres (for å justere hastighet, retning for bevegelse etc.) ved bruk av en trådløs håndinnretning. Den trådløse Bluetooth-forbindelsesstandarden kan brukes for dette formålet. Arrangementene omtalt i GB2196494B kan likeså brukes og redegjørelsen i dette patentet i forbindelse med ikke-forstyrrende innstilling er herved innlemmet med henvisning.

Aktuatoren kan utløses for å starte en oppsetsrutine ved utløsing av en magnetisk føler inne i mantel/aktuatorlelemet ved bruk av en magnetisk innretning utenfor mantelen. Aktuatoren kan deretter kjøre i hver retning i sin tur, inntil den treffer enden av ventilbevegelsen, der den vil sette en begrensningsposisjon. Aktuatoren er i stand til å skjelne mellom slutten av ventilbevegelse og dens egen internestoppinnretning, ettersom når dens egen interne ende av bevegelse stopper, er ingen ytelse av drivkraft utviklet i transduceren 16. Dette ville tillate at en angivelse gjøres, dersom for eksempel aktuatorslaget ikke var tilstrekkelig for ventilslaget, muligens på grunn av ukorrekt tilpasning av aktuatoren til ventilen.

Elektrisk energi er lagret i super/ultrakondensatorer 20 for å bevege ventilen til en sikker posisjon i tilfellet av nettkrafttilførselssvikt. Hele mekanismen og den tilknyttede elektronikken er opptatt i en vannsikker mantel. Et forråd av ultrakondensatorer 20 (serieforbindelse) er ladet ved bruk av brytemoduskrafttilførselen 20. Den totale kondensatorforrådsspenningen er meget mindre enn spenningen påkrevet av motoren for normal drift. Dersom den maksimale motorspenningen påkrevet for normal drift er 24V, ville kondensatorforrådsspenningen være for eksempel omtrent 7V.

For å opprettholde konstant hastighet under krafttapsdrift (dvs.

avbruddssikringsvirkning) er det påkrevet at kondensatorspenningen heves og holdes konstant. En fast frekvens 300 eller 500 kHz strømmodusladeregulator eller avtrappingsomformer 21 er brukt for dette formål. Under avbruddssikringsvirkningen der forrådskondensatorer leverer nødvendig kraft, opprettholder lade/avtrappings-omformeren 21 en stabil utgangsspenning for motoren 3, selv etter hvert som kondensatorspenningen reduseres. Derfor kan over 70% av den lagrede energien uttrekkes mens en styrt avbruddssikringsvirkning oppnås. Utgangsladespenningen er

slik at den er mindre enn den normalt tilførte spenningen, men over det som er nødvendig for ønsket avbruddssikringshastighet.

Aktuatorgjrboksen er et høyvirkningstanndrevdriwerk som tar driften fra motoren 3 til aktuatorutgangen 7, koblet til ventilen. Denne høye virkningen innebærer at den ikke er selvlåsende og kan drives tilbake.

Under vanlige forhold er motoren 3 oppdrevet og beveger aktuatoren samt ventilen til den ønskede posisjonen. Det holder likeså der det nås til hvilken som helst krefter utviklet av ventilen og som kan forsøke å drive tilbake aktuatoren og bevege den fra denne posisjonen. Således bevirker motoren selvlåsingen påkrevet av aktuatoren.

Under udrevede tilstander kan imidlertid ustyrt bevegelse av ventilen finne sted, noe som generelt er uønsket. Følgelig er låsemekanismer tildannet.

Med henvisning til fig. 8 til 10 inbefatter aktuatortannhjulsoverføringen en komponent 4c som har en malteserkorskonfigurasjon som samvirker med tapper 72, slik som omtalt i detalj under.

De funksjonelle kravene er å fremskaffe en måte for manuell drift av aktuatoren, når det ikke finnes noen krafttilførsel til motoren og likeså nødvendig for å sikre at aktuatoren er selvlåsende, når det ikke er noen kraft og således ville opprettholde dens posisjon. Selv om en brems kan oppnå det andre kravet, gir det problemet med overvinning av bremsen for manuelt å drive aktuatoren.

Malteserkors-(genfer)-mekanismen omtalt under er brukt for å besørge en periodisk bevegelse som er låst i posisjon mellom bevegelser.

Driften til genfermekanismen 4c er permanent i inngrep med en av girene 74 i drivverket. Inngrep av låsetapper 72 er selektivt oppnådd ved hjelp av et fjærspennmiddel 76 som vanligvis er holdt ute av inngrep med en solenoid (ikke vist).

Under vanlig drevne tilstander holder solenoiden og solenoiddriften 75 (fig. 3) genfermekanismen 4c/72 i den løsnede tilstanden mot fjæren 76. Dersom kraften til aktuatoren er fjernet, mister solenoiden dens holdekraft og fjæren 76 beveger genferdriften aksialt til inngrep. Ettersom genfermekanismen ikke kan drives tilbake, låser den aktuatoren i posisjon. Imidlertid kan genferdriften drives via drivakselen (fra utsiden av aktuatoren) ved hjelp av hvilespor 78 for å bevege aktuatoren til en ny posisjon. Når krafttilførselen til aktuatoren er gjenopprettet, utvikler solenoiden dens kraft for å løsne genferdriften før motoren tillates å bevege aktuatoren.

Genfermekanismen kan ikke danne fullstendig inngrep, når aktuatorkrafttilførselen er fjernet, ettersom tappene 72 ikke kan innrettes med korset 4c. Når enten den manuelle driften er rotert eller aktuatordriwerket er drevet tilbake, vil imidlertid driften nå en posisjon der genferen vil danne inngrep, ettersom tappene 72 vil stille seg opp på linje og fjæren vil danne inngrep med mekanismen. Det maksimale omfanget med hvilket aktuatoren vil bevege seg før låsing, er utformet for å være et lite og akseptabelt omfang.

Noen ganger kan det kreves manuelt å bevege aktuatoren, når krafttilførselen til aktuatoren er tilstede. Dette er oppnådd ved tildannelse av en ikke-forstyrrende bryter på utsiden av aktuatoren og som løsner solenoidkraften, slik at dette kan oppnås. Når denne bryteren er aktivert og den manuelle driften er i inngrep, er motoren elektrisk forhindret fra kjøring. Når bryteren er deaktivert, vil solenoiden drives opp og løsne den manuelle driften samt tillate at motoren tar over styringen.

Noen ganger kan det kreves manuelt å bevege aktuatoren, når krafttilførselen til aktuatoren, når krafttilførselen til aktuatoren er tilstede. Dette er oppnådd ved tildannelse av en ikke-forstyrrende bryter på utsiden av aktuatoren og som løsner solenoidkraften, slik at dette kan oppnås. Når bryteren er aktivert og den manuelle driften er i inngrep, er motoren elektrisk forhindret fra kjøring. Når bryteren er deaktivert drives solenoiden opp for å løsne den manuelle driften og tillate at motoren tar over styringen. For å holde kraften påkrevet for å skille tappene 72 og korset 4c til et minimum, kan motoren automatisk roteres bakover og forover med en liten størrelse, når solenoiden er drevet opp. Dette bidrar til å frigi hvilken som helst innlåst belastning på tappene 72 og korset 4c samt tillate bruken av en mindre solenoid med mindre krafttilførsel.

Denne utførelsen tildanner en aktuator som automatisk danner inngrep med en manuell drift, når hovedkrafttilførselen er tapt og låser ilkeså aktuatoren i posisjon, men tillater fremdeles manuell drift.

I tillegg til eller alternativt til de mange oppfinneriske innslagene omtalt over er ventilaktuatoren passende forsterket ved å ha en elektrisk regulator 46 som tildanner et innslagsrikt diagnostisk sett for å underlette rutine- og forutsigelsevedlikeholds-strategier. Regulatoren 46 er her vist som fortrinnsvis opptatt innenfor aktuatorlegemet/ huset 39 og kommuniserer passende med en utvendig prosessor/computer med det trådløse grensesnittet drøftet tidligere.

En viktig variabel som er nøyaktig overvåket av regulatoren 46, er den faktiske utgangssdrivkraften/dreiekraften. I ekvivalente pneumatiske regulatorer er verdien til dreiekraften/drivkraften kun påvirket gjennom inngangstrykk og fjærkraft, og i noen elektriske aktuatorer er en tilnærmelse av drivkraften/dreiekraften bestemt av motorstrømmen. Begge av disse fører til unøyaktig drivkraft/dreiekraftsmåling. Regulatoren 46 logger periodisk den faktiske drivkraften/dreiekraften og disse dataene er tilgjengelige for sammenligning med historiske data/profiler. Dette gir en nyttig diagnose, så som ventilseteslitasje, og friksjonen øker på grunn av ventiltetning. Dette er forklart i større detalj under.

En annen forutsigende vedlikeholdsbistand er den kontinuerlige virkningsgradparameteren. Aktuatorvirkningsgrad er avledet av inngangskraft-og utgangskraftbereg-ninger. Inngangskraft er gitt av strøm- og spenningsmålinger og utgangskraft av drivkraft/dreiekraft, hastighet og akselerasjon. Hvilken som helst slitasje i utvekslingen og motoren på grunn av høye arbeidsbelastninger/fordringer fører til et fall i virkningsgrad ved kraftoverføring. Således gir overvåkning av virkningsgradparameteren en tidlig påvisning av mekanisk slitasje.

Styrestatistikker, så som kumulativ tid brukt i hver ventilposisjon, antallet av retningsendringer og gjennomsnittlige styrefeil, er passende likeså logget. Disse statistikkene bidrar til ytelsesovervåkning av prosessen under styring.

Avbruddssikringsenergilagring er likeså overvåket. Dette er oppnådd ved utlading av ultrakondensatorene i en kort tidsperiode gjennom en kjent belastningsstrøm og beregning av cellekapasitansen. Følgelig er hvilken som helst nedbrytning av kapasitansen og derfor av avbruddssikringsenergilagringen diagnostisert.

Slik som påpekt over, er de to utgangsmålingene som aktuatoren logger, posisjon og drivkraft. Diagnose- eller tilstandsovervåking er gjennomført ved bruk av disse to målingene.

Ved måling av krefter ved ventilkoblingen sammen med nøyaktig posisjonsmåling er en overlegen diagnostisk evne bevirket.

Eksempler på overvåkning av ventilen ville være at kraften påkrevet for å bevege ventilen er summen av skaftkraften utviklet av trykket i ventilen og friksjonskraften fra skaftpakningen som tetter ventil skaftet. Skaftkraften vil alltid virke i den samme retningen, men friksjonskraften derimot vil virke i begge retninger. Derfor øker frisjonskraften skaftkraften i en retning og trekker fra i den andre. Således med nøyaktig måling av totalkraften i begge retninger er det mulig å beregne skaftkraften og friksjonskraften som adskilte krefter.

Erosjon på ventil setet kan overvåkes ved sammenligning av posisjon mot oppbygning av drivkraft, når ventilen er beveget til avstengningsposisjnen.

Antallet av bevegelser og hvor de forekommer, kan overvåkes. Dette gir en antydning om hvor godt ventilen styrer prosessen. Den kan likeså angi når det er nødvendig med utbytting av ventil skafttetninger.

Akselerometeret kan angj vibrasjon forårsaket av kavitasjon i ventilen.

Temperaturfølere kan angj lekkasje av ventil segl.

Med 2 posi sjonsfølere, en på motoren og en på utgangen, er det likeså mulig å overvåke dødgangen i drivverket. Dette er typisk en slitasjeindikator.

Det er likeså mulig å overvåke utgangsposisjon mot drivkraft og antallet av prosedyrer og oppbygning av et "arbeid utført"-diagram. Dette gir en antydning på slitasje inne i aktuatoren.

Det er likeså mulig å sammenligne anstrengelsen satt inn av motoren mot utgangsdrivkraften frembragt av aktuatoren og følgelig overvåke virkningsgraden til drivverket, noe som kan, slik som påpekt over, være en indikator på slitasje. Utformingen til den elektroniske regulatoren følger en modulært fordelt arkitektur. Dette tillater at hver modul inne i regulatoren kommuniserer med den egen status/ helseinformasjon. For eksempel sender posisjonsfølerne informasjon med hensyn til signalstyrke og gyldighet av en måling. Kraftmodulen (motordriften) antyder kontinuerlig termisk nedstengningsstatus, aktuell tur etc. Statusindikasjon fra hver modul kan brukes for å isolere feil og således redusere nedstengnings/reparasjonstid.

Det vil forstås at aktuatoren ikke er begrenset til styring av fluidventiler, men kan for eksempel brukes for å styre luftdempere eller lignende.

Claims (15)

1. Ventilaktuator innbetfatter: en elektrisk drevet motor (3) med en motoraksel (3a); en utgangsaksel (7) sammenføyd til motorakselen (3a) for å drive bevegelse av en ventil; mekanisk drivverk som kobler motoren (3) til utgangsakselen (7);karakterisert vedet styresystem anordnet for å tildanne en første lukket skøyfestyring av aktuatorutgangsakselen og innbefatter en første posisjonsføler (11) operativt koblet for å avføle posisjonen til utgangsakselen (7), en andre posisjonsføler (10) operativt koblet for å avføle posisjonen til motorakselen (3a), og en regulator koblet til den første og andre posisjonsfølere (11, 10) og i respons til den andre posisjonsføler (10) muliggjøre bestemmelse av hastigheten til motorakselen (3a), idet styresystemet er konfigurert for å reagere på avfølede signaler fra den første og andre føleren ved å justere minst en av hastigheten og posisjonen av motorakselen (3a) og hvor når den elektriske drevet motor (3) reverserer retning, regulatoren er konfigurert for å måle en dødgang inne i mekaniske drivverket med henvisning til omfanget av endring i posisjon indikert av den andre føleren (10) som oppstår før en endring i posisjon er indikert av den første føleren (11).

2. Ventilaktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat følsomheten til den første føleren (11) er høy, så som for å styre utgangsaksel (7) hastigheten til innenfor minst to prosent av den fullstendige driftshastigheten til utgangsakselen (7).

3. Ventilaktuator ifølge krav 1 ,karakterisert vedat regulatoren er anordnet for å avsøke den første og/eller andre føleren (11, 10) med en periode mindre enn en femdel av den mekaniske tidskonstanten til motoren (3).

4. Ventilaktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat en andre styresløyfe bruker den andre posisjonsføleren (10) og er anordnet for å styre motorhastigheten, og at fordringshastigheten til den andre styresløyfen er utviklet med henvisning til en dødgangsverdi representativ for dødgang i den mekaniske koblingen mellom motoren (3) og utgangsakselen (7).

5. Ventilaktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat aktuatoren innbefatter en giver, så som en drivkraftgiver, lokalisert ved den distale enden av utgangsakselen (7), og at utangsakselen (7) innbefatter en intern passasje for å tillate intern føring av kommunikasjonskabling mellom giveren og hovedlegemet til aktuatoren.

6. Ventilaktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat regulatoren eller en prosessor for eller koblet til aktuatoren i bruk er konfigurert for å måle slitasjen inne i drivverket med henvisning til ytelsen fra den andre føleren med en spesifikk posisjon av den første føleren.

7. Ventilaktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat det videre innbefatter utgangsakselen (7) slutter i en drivkraftgiver som har et generelt sentralt parti av en første hylse koblet til utgangsakselen (7), og at den første hylsen har et ytre ringrom koblbart direkte eller indirekte til en ventil som skal aktueres, at den første hylsen videre innbefatter et steg av redusert tykkelsesmateriale som sammenføyer det sentrale partiet til det ytre ringrommet, og som er anordnet for å bøye seg i reaksjon på kraft påført mellom det sentrale partiet og det ytre ringrommet, og at giveren innbefatter minst én strekklapp montert på steget og anordnet for å avføle strekk i steget, etter hvert som det bøyer seg og derved i bruk gi en indikasjon av drivkraft påført med utgangsakselen (7) til en ventil som skal aktueres.

8. Ventilaktuator ifølge krav 7,karakterisert vedat den første bøssingen rommer ektroniske komponenter for forkondisjonering av signaler mottatt fra den ene eller hver strekklapp.

9. Ventilaktuator ifølge krav 7,karakterisert vedat signalet fra den ene eller hver strekklapp er båret langs en signalleder som passerer gjennom innsiden av utgangsakselen (7).

10. Ventilaktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat mekaniske drivverket innbefatter et flerhet av gir koblet til motoren (3) koblet til utgangsakselen (7), til en tannstang og pinjong, idet tannstangen til tannstangen og pinjongen er koblet til eller integrert med utgangsakselen (7).

11. Ventilaktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat mekaniske drivverket innbefatter et flerhet av gjr; og aktuatoren vider innbeffater en låsesperre for å låse et eller flere av girene i en posisjon og derved gi et "støtteslag ved tap av kraft"- innslag, og at sperren er holdt i inngrep med et gjr i drivverket av et elastisk spennmiddel og en elektrisk solenoid trekker sperren ut av inngrep med girene mot kraften fra det elastiske spennmiddelet.

12. Ventilaktuator ifølge krav 11,karakterisertv e d at låsesperren omfatter et første hjul som har en eller flere aksialt forløpende låsetapper, som er koblbare med én eller flere radialt forløpende slisser i et permanent drevet andre hjul, idet det første og andre hjulet er roterbare i parallelle plan og planet til det første hjulet er bevegelig mot planet til det andre hjulet til en låseposisjon og under virkning fra spennmiddelet, når solenoiden er utkoblet, for derved å bevirke inngang av en låsetapp i en sliss.

13. Ventilaktuator ifølge krav 12,karakterisertved at det første hjulet videre innbefatter driver, som tillater manuell rotasjon av det første hjulet, idet rotasjonen er overført via den ene eller hver låsetapp til det andre hjulet, når det første hjulet er i låseposisjonen og derved til utgangsakselen (7).

14. Ventilaktuator ifølge krav 13,karakterisert vedat driver innbefatter en riflet aksel.

15. Ventilaktuator ifølge krav 11,karakterisertved at aktuatoren innbefatter et tannstangs-og pinjongarrangement, idet tannstangen er koblet til utgangsakselen (7) og pinjongen er drevet av motoren (3) for å bevirke styrt aksial bevegelse frem og tilbake av utgangsakselen i bruk, og at aktuatoren videre innbefatter en understøttelsesarm eller avstivning som er justerbart utstrekkbar mot aksen for akselen nær en del av akselen som er påvirket av pinjongen/utvekslingen til drivverket for å opprettholde orienteringen av aksen for akselen og minske dødgang i tannstangs- og pinjongsarrangementet.