Узел клапана для текучей среды, механизм позиционирования прямоточного клапана и применение узла клапана для текучей среды для управления прямоточным клапаном
Группа изобретений относится к узлу клапана для текучей среды, а также к механизму позиционирования прямоточного клапана и к применению узла клапана для текучей среды для управления прямоточным клапаном. Узел клапана для текучей среды содержит корпус клапана с центральным отверстием, содержащим внутреннюю камеру входного давления, внешнюю камеру входного давления, соединенную с входной линией входного давления, камеру привода и выпускную камеру. Узел содержит шток, выполненный с возможностью осевого перемещения в центральном отверстии и приводимый в движение осевой управляющей силой и осевой контрсилой, действующими на шток. Узел содержит дозирующую кромку и противодействующую дозирующую кромку, расположенные соосно со штоком и управляемые штоком и выполненные с возможностью управлять потоком текучей среды из внешней камеры входного давления в камеру привода и из камеры привода в выпускную камеру соответственно. Узел содержит уплотняющий элемент, расположенный соосно со штоком между внешней камерой входного давления и внутренней камерой входного давления. При этом внутренняя камера входного давления выполнена с возможностью удерживать входное давление, создающее осевую контрсилу, действующую на шток во внутренней камере входного давления; и средство для ограничения быстрых изменений входного давления во внутренней камере для предотвращения тем самым неуправляемых перемещений штока. Техническим результатом является создание узла клапана для текучей среды новой конструкции. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 22 ил.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к управлению приводами, в частности, пневматическими и гидравлическими приводами
Предпосылки к созданию изобретения
Привода часто используют в качестве механизмов для создания движения или управления движением. Они приводятся в действие источником энергии, типично, электрическим током, давлением гидравлической текучей среды или давлением пневматической текучей среды, и преобразуют эту энергию в движение целевого механизма, например, в движение закрывающего элемента управляющего клапана.
Управляющий клапан обычно используют для непрерывного управления потоком жидкости или газа в различных трубопроводах или процессах. В перерабатывающей промышленности, например, в целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической, применяют разные типы управляющих клапанов, установленных в трубопроводной системе завода для управления потоком материала в технологическом процессе. Поток материала может содержать любой текучий материал, такой как флюиды, щелочные растворы, жидкости, газы и пар. Управляющий клапан обычно соединен с приводом, который перемещает закрывающий элемент клапана в требуемое положение между полностью открытым и полностью закрытым положениями. Привод может быть, например, устройством, содержащим пневматический цилиндр и поршень. Привод, в свою очередь, обычно управляется механизмом позиционирования, также именуемым контроллером клапана, который управляет положением закрывающего элемента управляющего клапана и, таким образом, потоком материала в технологическом процесса в соответствии с управляющим сигналом от контроллера технологического процесса.
Клапаны, применяемые в промышленности, часто приводятся в действие пневматическими приводами. Эти привода преобразуют пневматическое давление в движение штока клапана за счет воздействия давления на диафрагму или поршень, соединенный со штоком. Приводы могут быть приводами одностороннего действия или двухстороннего действия. В устройствах одностороннего действия движение в противоположном направлении осуществляется пружиной, которая сжимается сжатым воздухом. Когда давление воздуха закрывает клапан и воздействие пружины открывает клапан, такой привод называют приводом прямого действия. Когда давление воздуха открывает клапан, а пружина закрывает клапан, такой привод называют приводом обратного действия. В приводах двухстороннего действия воздух подается на обе стороны диафрагмы или поршня. Перепад давления на диафрагме или поршне позиционирует шток клапана. Когда пневматические сигналы автоматически управляются схемами, осуществляется автоматическая работа. Полуавтоматический режим работы реализуется ручными переключателями в схемах, управляющими пневматическими управляющими клапанами. Для позиционирования клапана можно применять и гидравлические приводы, подобные пневматическим, но в которых вместо воздуха или пневматической среды используется гидравлическая среда.
Механизм позиционирования типично может получать управляющие команды по цифровой промышленной сети или как аналоговые управляющие сигналы 4…20 мА. Протоколы магистрального адресуемого дистанционного преобразователя (HART) позволяют передавать цифровые данные вместе с обычным аналоговым сигналом 4…20 мА. К другим примерам промышленной сети относятся Fieldbus и Profibus. Типично, вся электроэнергия для механизма позиционирования отбирается из промышленной сети или от управляющего сигнала 4…20 мА. Отдельный источник питания для механизма позиционирования нежелателен, поскольку он потребует применения отдельных проводов. Механизм позиционирования может содержать электронный блок, имеющий электрический управляющий вывод, и пневматический или гидравлический блок, принимающий электрический управляющий сигнал и преобразующий его в соответствующее выходное давление текучей среды, подаваемое на привод. Это часто называют преобразование тока в давление (I/P). Пневматический или гидравлический блок может содержать предварительную ступень и выходную ступень. Поскольку электроэнергия, имеющаяся в промышленной сети или в аналоговом токовом контуре, весьма ограничена, предварительная ступень может сначала преобразовывать электрический управляющий сигнал в небольшое управляющее давление текучей среды, достаточное для управления выходной ступенью. Выходная ступень соединена с источником давления текучей среды и усиливает небольшое управляющее давление сигнала в более высокое давление текучей среды выходного сигнала, используемое в приводе. Выходную ступень часто называют усилителем давления, бустером давления или реле давления.
Пневматические выходные ступени, используемые в механизмах позиционирования, грубо можно сгруппировать на узлы золотниковых клапанов и узлы тарельчатых клапанов. Упрощенный пример конструкции золотникового клапана 5/3 (5 клапанных окон/3 состояния) для управления привода двухстороннего действия показан на фиг. 1А, а соответствующий ему схемный символ - на фиг. 1В. В выходной ступени, относящейся к типу золотникового клапана, единственной движущейся частью является золотник 6, который движется в центральном отверстии в корпусе 7 клапана и управляет потоком воздуха от окна 1 входного давления на окна 2, 4 привода и от окон 2, 4 привода на выпускные окна 3 и 5. Из-за структуры золотникового клапана всегда имеется утечка воздуха через клапан. Жесткие допуски требуют применения очень сложных технологий производства. По существу, выходная ступень, относящаяся к типу золотникового клапана, является чувствительной к изменениям условий эксплуатации и производства.
Выходная ступень, имеющая конструкцию тарельчатого клапана, имеет большее количество движущихся частей, чем золотниковый клапан. Однако увеличенные допуски и зазоры, допустимые для деталей тарельчатых клапанов, позволяют наладить экономичное массовое производство и применять современные технологии производства. Упрощенный пример конструкции известного тарельчатого клапана 4/2 (4 окна/2 состояния) для управления приводом двухстороннего действия показан на фиг. 1С, а соответствующий схемный символ показан на фиг. 1D. Как показано на чертежах, в известном узле тарельчатого клапана для управления потоком воздуха от окна 1 входного давления на окна 2, 4 привода и от окон 2, 4 привода на выпускное окно 3 нужны два отдельных тарельчатых клапана 8 и 9. В известной выходной ступени, показанной на фиг. 1С управляемость с помощью единственного управляющего давления неудовлетворительно, поскольку движения тарельчатых клапанов 9 и 9 механически не соединены друг с другом. в US6276385 раскрывается выходная ступень, в которой движение тарельчатых клапанов осуществляется с помощью приводного стержня в унисон, но в противоположных направлениях. Приводным стержнем является качающийся рычаг, вращающийся вокруг центрального шарнира. В этом случае движения тарельчатых клапанов синхронизировано.
И в выходной ступени, показанной на фиг. 1С, и в выходной ступени по US 6276385, управление тарельчатыми клапанами требует очень больших сил, чтобы преодолеть силы, создаваемые давлением. Пороговая сила, необходимая для открывания тарельчатого клапана становится большой и вносит точку разрыва в зону управления. Эта характеристик известных выходных ступеней, относящихся к типу тарельчатых клапанов, значительно затрудняет управление выходной ступенью.
Примеры выходных ступеней 3/2 (3 окна/2 состояния), относящихся к типу тарельчатого клапана для одностороннего действия приведены в US6276384, US6957127, US8522818, US7458310 и US5261458.
Краткое описание изобретения
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается узел клапана для текучей среды или выходная ступень новой конструкции.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается узел клапана для текучей среды и механизм позиционирования, определенные в независимых пунктах формулы изобретения. Варианты изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается узел клапана для текучей среды для соединения с источником текучей среды под давлением для подачи на привод, в частности, на гидравлический или пневматический привод, давления текучей среды, содержащий:
корпус клапана с центральным отверстием, при этом центральное отверстие содержит внутреннюю камеры входного давления, внешнюю камеру входного давления, соединенную с входной линией входного давления, камеру привода и выпускную камеру;
шток, выполненный с возможностью осевого перемещения в центральном отверстии и приводимый в движение осевой управляющей силой и осевой контрсилой, воздействующей на шток;
дозирующую кромку и противодействующую дозирующую кромку, расположенные соосно со штоком и управляемые им и предназначенные для управления потоком текучей среды от внешней камеры входного давления в камеру привода и их камеры привода в выпускную камеру, соответственно;
уплотняющий элемент, расположенный соосно со штоком между внешней камерой входного давления и внутренней камерой входного давления;
внутренняя камера входного давления расположена для сохранения стабилизированной подачи входного давления, создавая осевую контрсилу, воздействующую на шток внутри внутренней камеры входного давления; и
средство для стабилизации входного давления о внутренней камере.
В одном варианте средство для стабилизации входного давления во внутренней камере содержит канал ограниченного потока между внутренней камерой входного давления и внешней камерой входного давления.
В одном варианте канал ограниченного потока предназначен для снижения стабилизированного входного давления во внутренней камере входного давления до входного давления во внешней камере входного давления с заранее определенной скоростью.
В одном варианте канал ограниченного потока предназначен для подъема стабилизированного входного давления во внутренней камере входного давления с заранее определенной скоростью, если входное давление во внешней камере входного давления выше, чем стабилизированное входное давление во внутренней камере входного давления.
В одном варианте канал ограниченного потока содержит ограничитель потока.
В одном варианте ограничителем потока является дросселирующее отверстие, предпочтительно диаметром от прибл. 0,1 мм до прибл. 0,5 мм, более предпочтительно, от прибл. 0,2 мм до прибл. 0,3 мм.
В одном варианте средство для стабилизации входного давления во внутренней камере содержит обратный клапан или подобное устройство управления потоком, выполненное с возможностью блокировать канал входного давления между внутренней входной камерой и внешней входной камерой, если давление во внешней входной камере падает ниже стабилизированного входного давления, сохраняющегося во внутренней входной камере, и выполненное с возможностью открывать канал входного давления в обратном случае.
В одном варианте уплотняющий элемент содержит манжетное уплотнение, уплотнительное кольцо, уплотняющую диафрагму или сильфонное уплотнение.
В одном варианте уплотняющий элемент является кольцевым манжетным уплотнением предназначенным для уплотнения внутренней камеры входного давления относительно внешней камеры входного давления, если давление во внешней камере входного давления падает ниже стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней камере входного давления, и предназначенным для пропускания входного давления их внешней камеры входного давления во внутреннюю камеру входного давления для повышения стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней камере входного давления если входное давление во внешней камере входного давления выше, чем стабилизированное входное давление, удерживаемое во внутренней камере входного давления.
В одном варианте узел клапана для текучей среды содержит канал, дополнительно ограничивающий потока от впуска для входного давления внешней камеры входного давления на предварительную ступень, которая управляет управляющим давлением и, тем самым, осевой управляющей силой.
В одном варианте канал ограниченного потока и канал дополнительно ограниченного потока имеют такие размеры, чтобы скорость изменения осевой контрсилы и скорость изменения управляющей силы, вызванного изменением входного давления во внешней камере входного давления, были приблизительно равны.
В одном варианте средство стабилизации входного давления во внутренней камере содержит обратный клапан или подобное устройство управления потоком, выполненное с возможностью блокировать канал входного давления между внутренней камерой входного давления и внешней камерой входного давления, если давление во внешней камере входного давления падает ниже стабилизированного входного давления во внутренней камере входного давления, и открывать канал входного давления в обратном случае.
В одном варианте средство стабилизации входного давления во внутренней камере содержит обратный клапан или подобное устройство управления потоком, выполненное с возможностью блокировать канал входного давления между внутренней камерой входного давления и внешней камерой входного давления, если давление во внешней камере входного давления падает ниже стабилизированного входного давления во внутренней камере входного давления, и выполненное с возможностью открывать канал входного давления и обратном случае, и содержит канал ограниченного потока от внутренней камеры входного давления на предварительную ступень, которая управляет управляющим давлением и, следовательно, осевой управляющей силой.
В одном варианте дозирующая кромка или противодействующая дозирующая кромка содержит тарельчатое кольцо, поддерживаемое гибким элементом на штоке и соответствующую сопрягаемую уплотняющую поверхность на корпусе клапана а другой элемент из дозирующей кромки и противодействующей дозирующей кромки содержит тарельчатое кольцо, поддерживаемое гибком элементом на корпусе клапана, и соответствующую сопрягаемую поверхность на штоке, при этом поддерживающая конструкция допускает относительное осевое перемещение тарельчатого кольца и поддерживающего корпуса клапана или штока также и в закрытом состоянии соответствующей дозирующей кромки.
В одном варианте каждый гибкий элемент содержит соответствующий уплотняющий элемент, предпочтительно уплотняющую диафрагму или уплотняющий сильфон.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается позиционирующее устройство прямоточного клапана, содержащее электронный блок с электрическим управляющим выходом и пневматический или гидравлический блок, выполненный с возможностью преобразования электрического управляющего выхода в соответствующее давление текучей среды, выводимое на привод, при этом такой пневматический или гидравлический блок содержит узел клапана для текучей среды по одному из п.п. 1-15 формулы изобретения.
В одном варианте пневматический или гидравлический блок содержит предварительную ступень и выходную ступень, при этом предварительная ступень предназначена для преобразования электрического управляющего сигнала в управляющее давление, достаточное для управления выходной ступенью, а выходная ступень содержит клапан для текучей среды по вариантам настоящего изобретения.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается использование узла клапана для текучей среды по вариантам настоящего изобретения для управления проточным клапаном.
Краткое описание чертежей
Дале следует описание иллюстративных вариантов настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг. 1А и 1В - упрощенный пример известного золотникового клапана 5/3 и соответствующий символ, соответственно.
Фиг. 1C и 1D - упрощенный пример известного тарельчатого клапана 4/2 и соответствующий символ, соответственно.
Фиг 2А, 2В и 2С - схематическая иллюстрация узла клапана для текучей среды по иллюстративным вариантам изобретения со штоком в трех положениях.
Фиг. 3 - схематическая иллюстрация узла клапана для текучей среды по другим иллюстративным вариантам.
Фиг. 4А, 4В, 4С - схематическая иллюстрация примера гибкой опоры тарельчатого кольца на штоке в трех положениях штока.
Фиг. 5А и 5В - схематическая иллюстрация примеров балансируемых давлением тарельчатых колец по вариантам настоящего изобретения.
Фиг. 6, 7 и 8 - схематическая иллюстрация узла клапана для текучей среды по другим иллюстративным вариантам.
Фиг. 9 - схематическая иллюстрация ограничителя потока.
Фиг 10А и 10В - схематическая иллюстрация узла клапана для текучей среды по другим иллюстративным вариантам со стабилизацией управляющего давления.
Фиг. 11 - блок-схема иллюстративной системы автоматизации процесса.
Фиг. 12 - иллюстративная конструкция, в котором пневматический привод управляет прямоточным клапаном под управлением устройства позиционирования клапана, и
Фиг. 13 - схема иллюстративного интеллектуального контроллера клапана, в котором может применяться узел клапана для текучей среды по вариантам настоящего изобретения.
Иллюстративные варианты изобретения
В параллельно рассматриваемой заявке на патент Финляндии FI20155177, того же правопреемника раскрывается узел клапана для текучей среды или выходная ступень, которая обладает различными улучшенными признаками. Содержание FI20155177 включено в настоящее описание путем отсылки для более подробного описания структур узла клапана для текучей среды, к которым могут применяться принципы и варианты настоящего изобретения. Узел клапана для текучей среды, относящийся к типу, описанному в FI20155177, также может быть реализован с тарельчатыми клапанами. В узле клапана тарельчатого типа, в отличие от золотникового клапана, можно практически устранить утечки без применения мягких уплотнений, которые подвержены износу. Требуемые производственные технологии не столь требовательны, как применяемые для производства золотниковых клапанов, требующих небольших допусков. Несмотря на большее количество компонентов, производственные расходы конкурентоспособны. Дозирующие кромки узла клапана могут механически соединяться друг с другом штоком и поддерживаться гибкими элементами. Осевое относительное движение дозирующих кромок и штока или корпуса клапана может быть разрешено в направлении закрывания также и после того, как они достигнут положений закрывания. В известном тарельчатом клапане, когда клапан закрыт, движение тарелки в направлении закрывания продолжаться не может. Это позволяет точно управлять тарельчатым клапаном с помощью оной управляющей силы, например, одним управляющим давлением.
На фиг. 2А, 2В и 2С схематически показан узел 20 клапана для текучей среды, который может быть соединен с источником текучей среды под давлением для подачи на привод управляющего давления текучей среды, согласно иллюстративному варианту настоящего изобретения.
На фиг. 3 схематически и более подробно показан узел 20 клапана для текучей среды по другому варианту настоящего изобретения. Одни и те же позиции на фиг. 2А, 2В, 2С и 3 обозначают одни и те же или соответствующие элементы, структуры, функциональности и признаки.
В этих иллюстративных вариантах показан узел клапана 3/3 м тремя окнами и тремя положениями или состояниями для управления однонаправленного привода или соответствующего устройства. Однако эти же принципы можно применить и к узлам клапанов с другим количеством окон и/или позиций или состояний.
Узел 20 клапана содержит удлиненную раму или корпус 201, имеющий осевое центральное отверстие или камеру 202 с входным окном S или входную камеру 202С для приема входной текучей среды под давлением, окно С привода или камеру привода 202D для подачи управляющего давления текучей среды на однонаправленный привод, и выпускное окно ЕХ или выпускную камеру 202С для сброса (например, в окружающую среду) давления текучей среды из окна С привода.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, в корпусе 201 клапана имеется шток 203 для перемещения в осевом направлении в центральном отверстии 202. Шток 203 может содержать две или более детали, расположенные для формирования единого жесткого штока, когда они установлены в узел клапана. Шток 203 проходит сквозь множество тарельчатых колец PR3 и PR4, расположенных в разнесенных по оси положениях в центральном отверстии 202. Каждое тарельчатое кольцо PR3 и PR4 расположено соосно со штоком 203 для взаимодействия с соответствующей сопрягаемой поверхностью PS3 и PS4 седла для образования соответствующей дозирующей кромки (которую альтернативно можно назвать управляющей кромкой) PR3/PS3 и PR4/PS4, которые образуют управляющие отверстия (показанные стрелками на фиг. 2В, 2С) для управления потоком текучей среды между окном С (камера 202С привода) и одним из окон S (входная камера 202D) и ЕХ (выпускная камера 202В). В закрытом положении дозирующей кромки, когда тарельчатое кольцо прижато к соответствующей сопрягаемой поверхности седла, через эту дозирующую кромку по существу нет потока текучей среды. Следует понимать, что в некоторых вариантах может быть допустим некоторый поток текучей среды или утечка текучей среды, хотя дозирующая кромка считается закрытой. В открытом положении дозирующей кромки, когда тарельчатое кольцо отведено от соответствующей сопрягаемой поверхности седла и между ними открывается отверстие, поток текучей среды между ними разрешен.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, дозирующие кромки PR3/PS3 и PR4/PS4 узла 20 клапана механически стянуты друг с другом штоком 203 и поддерживаются шибкими элементами SD3 и SD4. Осевое относительное перемещение дозирующих кромок и штока 203 или корпуса 201 допускается в направлении закрывания также и после того, как они достигнут своих закрытых положений. В известном тарельчатом клапане движения тарелки не может продолжаться в направлении закрывания. Это позволяет точно управлять тарельчатым клапаном.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, для окна С привода имеется пара противодействующих дозирующих кромок так, что обе дозирующие кромки противодействующей пары закрыты в центральном положении штока, одна дозирующая кромка закрывается, а другая дозирующая кромка противодействующей пары открывается при движении штока 203 в первом осевом направлении, и одна дозирующая кромка открывается, а другая дозирующая кромка закрывается при движении штока 203 в противоположном втором осевом направлении.
В узле тарельчатого клапана, в отличие от золотникового клапана, можно практически устранить утечки, не используя мягкие уплотнения, которые подвержены износу. Требуемая технология производства не столь требовательна, как технология изготовления золотникового клапана с малыми зазорами. Несмотря на большее количество компонентов, стоимость производства конкурентоспособна.
В одном варианте каждое тарельчатое кольцо PR3 и PR4, расположенное соосно со штоком 203, поддерживается соответствующим гибким элементом SD3 и SD4 на корпусе 201 или штоке 203 так, чтобы осевое относительное движение тарельчатых колец PR3 и PR4 и штока 203 или корпуса 201 в направлении закрывания разрешалось также и после достижения тарельчатыми кольцами их закрытого положения.
В одном варианте гибкие элементы SD3 и SD4 являются кольцевыми уплотняющими диафрагмами или кольцевыми уплотняющими сильфонами, например, как показано на примерах на фиг. 3 и фиг. 4А, 4В и 4С.
В одном варианте каждое тарельчатое кольцо PR3 и PR4 имеет соответствующую сопрягаемую поверхность PS3 и PS4 седла, сформированную участком большего диаметра штока 203 например, бортиком или фланцем, или сформированную участком корпуса, выступающим радиально в центральное отверстие 202, тем самым создавая участок меньшего диаметра в центральном отверстии 202, например, направленный внутрь бортик или фланец корпуса 201.
В одном варианте изобретения тарельчатое кольцо PR4 удерживается на корпусе 201 клапана гибким элементом SD4 на его внешней окружности, а его внутренняя окружность свободна. Тарельчатое кольцо PR4 может выступать радиально внутрь в центральное отверстие 202 и имеет соответствующую сопрягаемую поверхность PS4, сформированную соответствующей концевой частью 203В штока 203, имеющей больший диаметр. Тарельчатое кольцо PR3 поддерживается на штоке 203 соответствующим гибким элементом SD3 на его внутренней окружности, а его внешняя окружность остается свободной. Тарельчатое кольцо PR3 имеет соответствующую сопрягаемую поверхность PS3 седла, сформированную на корпусе 201 клапана.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, для окна С привода имеется пара противодействующих дозирующих кромок PR3/PS3 и PR4/PS4 так, чтобы обе дозирующие кромки противодействующей пары были закрыты в центральном положении штока, одна дозирующая кромка открывалась, а другая дозирующая кромка противодействующей пары закрывалась при движении штока 203 в первом осевом направлении, и одна дозирующая кромка открывалась, а другая дозирующая кромка противодействующей пары закрывалась при движении штока 203 в противоположном втором осевом направлении.
В одном варианте дозирующая кромка PR3/PS3 управляет потоком текучей среды между окном С привода (камерой 202D привода) и впускным окном S (входной камерой 202C), а дозирующая кромка PR4/PS4 управляет потоком среды между окном С привода (камерой 202D привода) и выпускным окном ЕХ (выпускной камерой 202С).
В альтернативных вариантах все тарельчатые кольца могут поддерживаться соответствующими гибкими уплотняющими элементами на штоке 203 также, как и тарельчатое кольцо PR3, а все сопрягаемые поверхности седел могут быть расположены на корпусе 201 клапана также, как и сопрягаемая поверхность PS3 седла. В других альтернативных вариантах все тарельчатые кольца могут поддерживаться соответствующими гибкими уплотняющими элементами на корпусе 201, также, как и тарельчатое кольцо PER4, а все сопрягаемые поверхности седел могут быть расположены на штоке 203 также, как и сопрягаемая поверхность PS4 седла. Однако, в этом случае некоторые из тарельчатых колец будут находиться не на стороне более высокого давления соответствующей дозирующей кромки, что может привести к проблемам при управлении потоком и затруднять балансировку давления.
В одном варианте имеются предварительно нагруженные упругие элементы, такие как пружины, создающие закрывающие силы для дозирующих кромок. Например, одна или более предварительно нагруженная пружина 213 может быть надета на шток 203 между вершиной корпуса 201 и тарельчатым кольцом PR3 для приложения осевой закрывающей силы к тарельчатому кольцу PR3 и прижимания его к сопрягаемой поверхности PS3 седла. Аналогично, на шток 203 могут быть надеты одна или более предварительно нагруженных пружин в центральном отверстии 202 у окна С привода (камера 202D привода), упирающиеся одним концом в тарельчатое кольцо PR4, а другим концом в соответствующие поддерживающий элемент, например, выступ на корпусе 201 или штоке 203. Однако, следует понимать, что для настоящего изобретения не существенен конкретным способ, которым создаются закрывающие силы.
В закрытом центральном положении штока 203, показанном на фиг. 2А, отсутствует результирующая осевая сила F_tot, которая смещала бы шток 203 из центрального положения в осевом направлении. Все дозирующие кромки PR3/PS3 и PR4/PS4 закрыты, т.е. каждое тарельчатое кольцо PR3 и PR4 прижаты к их соответствующим сопрягаемым поверхностям PS3 и PS4 седел. Между окнами ЕХ, С и S (т.е. камерами 202В, 202С и 202D) поток текучей среды отсутствует. На фиг. 4А, 4В и 4С схематически показан пример реализации гибкого элемента SD3 для поддержки тарельчатого кольца PR3 на штоке 203. Гибкий элемент SD3 может иметь форму сложенной кольцевой уплотняющей диафрагмы, внутренняя окружность прикреплена к внешней периферии штока 203, а внешняя окружность прикреплена к внутренней окружности тарельчатого кольца PR3. Сопрягаемая поверхность PS3 седла является фиксированной поверхностью на корпусе 201 клапана. На фиг. 4А U-образная складка уплотняющей диафрагмы SD3 приблизительно или почти не деформирована и тарельчатое кольцо PR3 лежит на сопрягаемой поверхности PS3 седла. Следует понимать, что закрытое положение дозирующей кромки может содержать поддиапазон полного движения, например, 10 процентов полного движения и, поэтому, уплотняющая диафрагма может быть немного деформирована, т.е., приблизительно или почти не деформирована.
Осевая результирующая сила F_tot может создаваться осевой управляющей силой F_pil, воздействующей на один конец штока 203, и осевой контрсилой F_sup, воздействующей на противоположный конец штока 203. В одном иллюстративном варианте управляющая сила F_pil может создаваться управляющим давлением текучей среды, которое в камере 210 управляющего давления воздействует на управляющую диафрагму 206 и поршень 207, расположенные на одном конце штока 203, как показано на фиг. 3.
Осевая результирующая сила F_tot равна нулю, когда осевая управляющая сила F_pil и осевая контрсила F_sup равны друг другу, и узел клапана находится в закрытом центральном положении, показанном на фиг. 2А. Привод не движется (например, управляющий клапан поддерживает имеющееся отверстие). Когда осевая управляющая сила F_pil увеличивается и превышает осевую контрсилу F_sup, возникает положительная осевая результирующая сила F_tot, и шток 203 движется вверх (в положительном направлении), как показано на фиг. 2В, 3 и 4В. Зацепляющий элемент 205, например, фланец, на штоке 203 входит в зацепление с тарельчатым кольцом PR3 и сдвигает его вверх, тем самым открывая третью дозирующую кромку PR3|PS3, и текучая среда течет из входного окна S в окно С привода. В примерах, показанных на фиг. 3А и 4В, U-образная складка на уплотняющей диафрагме SD3 принимает или поддерживает приблизительно недеформированную форму, поскольку тарельчатое кольцо PR3 может свободно двигаться со штоком 203. В то же время, противодействующая дозирующая кромка PR4/PS4 остается закрытой, поскольку движущаяся вверх поверхность PS4 седла штока 203 зацепляет и сдвигает вверх тарельчатое кольцо PR4, которое гибко поддерживается на корпусе 201. В пример, показанном на фиг. 3А, U-образная форма уплотняющей диафрагмы SD4 деформируется в результате перемещения тарельчатого кольца PR4 относительно корпуса 201. Кроме того, поверхность PS1 седла штока 203 движется вверх и отходит от тарельчатого кольца PR1, тем самым открывая первую дозирующую кромку PR1/PS1, и текучая среда течет из окна С1 привода в выпускное окно ЕХ. В примерах, показанных на фиг. 3А, U-образная складка уплотняющей диафрагмы SD1 остается приблизительно недеформированной. В то же время, тарельчатое кольцо PR2, поскольку оно гибко прикреплено к штоку 203, остается неподвижным на сопрягаемой поверхности PS2 на корпусе 201 когда шток 203 движется вверх сквозь тарельчатое кольцо PR2. Таким образом, дозирующая кромка PR2/PS2 остается закрытой. В примере, показанном на фиг. 3А, U-образная форма уплотняющей диафрагмы SD2 деформирована в результате движения тарельчатого кольца PR2 относительно штока 203. Привод движется в первом направлении (напр. в направлении 100% открыванию управляющего клапана).
Начиная с положения, показанного на фиг. 2В и 4В, когда осевая управляющая сила F_pil уменьшается, чтобы уравняться, а затем стать меньше, чем осевая контрсила F_sup, положительная осевая результирующая сила F_tot сначала уменьшается, а затем возникает отрицательная осевая результирующая сила А_tot, и шток 203 движется вниз (в отрицательном направлении), как показано на фиг. 2С, 3 и 4С, при этом поверхность PS4 седла штока 203 движется вниз и отходит от тарельчатого кольца PR4, тем самым открывая дозирующую кромку PR4|PS4, и текучая среда течет из окна С привода в выпускное окно ЕХ. В примере, показанном на фиг. 3, U-образная форма уплотняющей диафрагмы SD4 восстанавливается до первоначальной, приблизительно или почти недеформированной формы по мере движения тарельчатого кольца PR4 вниз относительно корпуса 201. В то же время тарельчатое кольцо PR3, поскольку оно гибко прикреплено к штоку 203, движется к сопрягаемой поверхности PS3 седла на корпусе 201 и останавливается на ней, когда шток 203 движется вниз. Таким образом, дозирующая кромка PR3/PS3 закрывается. В примерах, показанных на фиг. 3 и 4С, U-образная форма уплотняющей диафрагмы SD3 деформируется в результате движения вверх тарельчатого кольца PR3 относительно штока 203. Привод движется во втором направлении (напр., в направлении 0% открывания управляющего клапана).
Согласно одному аспекту настоящего изобретения тарельчатые кольца PR3 и PR4 могут быть уравновешенными давлением. Уравновешенное давлением тарельчатое кольцо может иметь такие размеры и форму, чтобы силы, создаваемые давлением текучей среды, воздействующие на тарельчатое кольцо, компенсировались, чтобы результирующая сила давления текучей среды, воздействующая на соответствующую дозирующую кромку, была очень мала или равнялась нулю. В результате, управляющие силы, требуемые для перемещения штока, составляют лишь долю от управляющих сил, требуемых в узлах неуравновешенных тарельчатых клапанов. Это дает возможностью управлять штоком 203 быстрее, чем в известных тарельчатых клапанах (что дает улучшенное управление) или с меньшим управляющим давлением (что снижает потребность контроллера в энергии). Компенсация сил, создаваемых давлением текучей среды, также приводит к линейной работе штока 203 во всем диапазоне управления. В известных решениях некомпенсированные силы высокого давления текучей среды создают существенную точку прерывания (большую мертвую зону) точно в центре диапазона управления. Следовательно, уравновешенные давлением тарельчатые кольца существенно улучшают управляемость узла тарельчатого клапана по иллюстративному варианту изобретения по сравнению с узлами тарельчатых клапанов по предшествующему уровню техники. Это позволяет применять высокопроизводительную выходную ступень также и для управления небольших приводов без потери точности управления прямоточного клапана.
Тарельчатые кольца PR3 и PR4 являются примерами уравновешенных давлением тарельчатых колец. Другой пример уравновешенного давлением тарельчатого кольца показан на фиг. 5А. Иллюстративное тарельчатое кольцо показано, когда оно используется вместо уравновешенного давлением тарельчатого кольца PR3, но подобное тарельчатое кольцо можно использовать вместо любого из тарельчатых колец, показанных на фиг. 2А, 2В, 2С, 3, 4А, 4В и 4С. На фиг. 5А дозирующая кромка PR3/PS4 показана в закрытом положении. Тарельчатое кольцо PR3 находится на стороне высокого давления (входного давления SP) в камере 2-2С входного давления. Гибкая уплотняющая диафрагма SD3 может создавать непроницаемое для воздуха уплотнение между тарельчатым кольцом PR3 и штоком 203, в то же время допуская осевое относительное движение тарельчатого кольца PR3 и штока 203. Геометрия тарельчатого кольца PR3 может быть такой, чтобы сформировать эффективную дозирующую кромку PR3/PS3 на кольцевом выступе 501, который имеет относительно малую ширину в радиальном направлении. Средняя точка складки уплотняющей диафрагмы SD3 может быть приблизительно выровнена с выступом 501 кольца (на фиг. 5А - по вертикали), как показано линией 200 симметрии на фиг. 5А. На противоположном конце тарельчатого кольца PR3 (на верхнем конце на фиг. 5А) радиальная ширина от средней точки складки уплотняющей диафрагмы SD3 наружу может определять заранее определенную площадь верхней поверхности, которая определяет осевую (направленную вниз) силу давления, воздействующую на тарельчатое кольцо PR3, на которое воздействует осевая (направленная вниз) сила входного давления SP. Геометрия тарельчатого кольца может выбираться так, чтобы сторона высокого давления проходила под тарельчатым кольцом до выступа 501, как показано камерой высокого давления 202G. Нижняя поверхность 5-3, обращенная к камере 202G может иметь такой размер, чтобы входное давление SP, воздействующее на нижнюю поверхность тарельчатого кольца PR3, создавало компенсирующую осевую (направленную вверх) силу, которая приблизительно равна направленной вниз силе давления. Таким образом, результирующая сила давления, действующая на тарельчатое кольцо PR3 очень мала или равна нулю с одной стороны (слева) от линии 200 симметрии. На стороне низкого давления низкое давление может присутствовать в пространстве 202F под гибкой диафрагмой SD3 и над выступающим радиально внутрь фланцем 504 тарельчатого кольца PR3. Размеры фланца 504 могут быть такими, чтобы направленная вниз сила, прилагаемая текучей средой низкого давления к верхней поверхности фланца 504 приблизительно компенсировала направленную вверх силу, создаваемую текучей средой низкого давления под тарельчатым кольцом PR3. Элемент 502 является примером средства крепления гибкой уплотняющей диафрагмы SD3 к тарельчатому кольцу PR3. Подобное тарельчатое кольцо можно использовать вместо тарельчатого кольца PR4, которое гибко соединено с корпусом 201. Профиль тарельчатого кольца PR4 может быть зеркальным отображением профиля, показанного на фиг. 5А. На фиг. 5В показан еще один иллюстративный профиль тарельчатого кольца (в качестве примера приведено кольцо PR3).
В одном иллюстративном варианте управляющая сила P_pil может создаваться управляющим давлением текучей среды, воздействующим на управляющую диафрагму 206 и поршень 207, расположенный на одном конце штока 203. Упругий предварительно нагруженный элемент 212, например, пружина, расположенная на противоположном конце штока 203, может быть установлена для перевода клапана в безопасное положение в случае отказа, например, в случае отсутствия входного давления SP или электроэнергии.
В одном иллюстративном варианте контрсила F_sup может создаваться входным давлением SP, воздействующим на контрпоршень 203А, расположенный на конце штока 203, как показано на фиг. 3. Давление текучей среды в камере 202С может быть входным давлением SP, а размеры контрпоршня 203А и/или тарельчатого кольца PR3 можно использовать для масштабирования контрсилы F_sup, чтобы она была равной управляющей силе F_pil, создаваемой управляющим давлением в камере 210, чтобы осевая результирующая сила F_tot равнялась приблизительно нулю в центральном положении. Вывод контрсилы F_sup из входного давления SP позволяет масштабировать и контрсилу F_sup, и управляющую силу F_pil по входному давлению SP, которое может меняться, тем самым получая конструкцию, уравновешенную по входному давлению.
Ниже будет рассмотрен пример сил в уравновешенном узле клапана тарельчатого типа согласно иллюстративным вариантам настоящего изобретения со ссылками на фиг. 3 и 5А. Шток приводится в движение управляющей силой F_pil и контрсилой F_sup.
Входное давление SP воздействует на шток 203 через область, определенную линией 200 симметрии и имеющей диаметр D, тем самым создавая контрсилу F_sup.
Входное давление также воздействует на область тарельчатого кольца PR3, находящуюся снаружи от линии 200 симметрии, но в статических ситуациях эта область начинается и заканчивается на том же диаметре (что и линия 200 симметрии), поэтому суммарная сила от области, находящейся снаружи от линии 200 симметрии, составляет прибл. 0 Ньютонов.
Однако, изобретатели обнаружили, что в динамических ситуациях, когда текучая среда под входным давлением течет в камеру 202D привода из входной камеры 202С через отверстие дозирующей кромки PR3/PS3, входное давление SP может внезапно упасть, что приводит к падению осевой контрсилы F_sup, и увеличению осевой результирующей силы F_tot. Увеличение результирующей силы F_tot сместит шток 203 вверх, тем самым еще больше открывая измерительную кромку и дополнительно снижая входное давление SP. Эта цепочка событий повторяется до тех пор, пока не будет найдено новое равновесие. Движение штока 203, таким образом, становится в некоторой степени неуправляемым. В некоторых обстоятельствах эта цепочка событий может повторяться до тех пор, пока шток 203 не окажется в полностью открытом положении. Контроллер, такой как механизм позиционирования клапана, может "вернуть на место" сток (уменьшая F_pil, управляя управляющим давлением), когда он замети прохождение слишком большого количества воздуха. Однако, обычно контроллер не способен сделать это достаточно быстро и точно.
Один аспект настоящего изобретения направлен на недопущение неуправляемого или нестабильного движения штока в узле клапана для текучей среды.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения входная камера уплотняющим элементом разделена на две разных камеры - внешнюю входную камеру и внутреннюю входную камеру. Внутренняя камера используется для приведения в действие штока, а внешняя камера соединена с линией входного давления и используется для подачи его в камеру привода. Также имеется средство для стабилизации флуктуаций входного давления во внутренней камере.
На фиг. 6, 7 и 8 схематически и более подробно показаны узлы 60 клапана для текучей среды по другим иллюстративным вариантам настоящего изобретения. В основном узел 60 клапана может содержать все признаки узла 20 клапана, описанного выше. На фиг. 6 показан узел 60 клапана, который по существу идентичен узлу 20 клапана по фиг. 3, за исключением наличия некоторых дополнительных признаков. На фиг. 7 упрощенно и более схематически показан иллюстративный узел 60 клапана, в котором некоторые детали опущены. На фиг. 8 показан еще один узел 60 клапана с другим средством стабилизации флуктуаций входного давления во внутренней камере. Одни и те же позиции на фиг. 6, 7 и 8, а также на фиг. 2А, 2В, 2С, 3, 4А, 4В, 4С, 5А и 5В обозначают одни и те же соответствующие элементы, структуры, функциональности и признаки и к ним могут применяться те же принципы, которые описаны выше в связи с узлом 20 клапана для текучей среды.
В иллюстративных вариантах, показанных на фиг. 6, 7 и 8, входная камера разделена на две разные камеры - внешнюю входную камеру 202С и внутреннюю входную камеру 202Е разделительным или уплотняющим элементом 603. Внутренняя камера 202Е используется для приведения в действие штока 203, а внешняя камера 202С соединена с линией входного давления (не показана) и используется для подачи текучей среды в камеры 202D привода. Может иметься разделительная или уплотняющая стенка, например, держатель 602 уплотнения, окружающая концевой участок штока 203, например, участок 203А контрпоршня. Держатель 602 уплотнения может определять камеру с закрытым верхним концом, а шток 203 входит в эту камеру с нижнего конца камеры и выполнен с возможностью осевого перемещения внутри этой камеры. По меньшей мере часть радиального внутреннего профиля держателя 602 уплотнения может быть расположена для плотного или свободного прилегания к радиально внешнему профилю контрпоршня 203А, и это прилегание уплотнено кольцевым уплотняющим элементом 603. В иллюстративных вариантах, показанных на фиг. 6 и 7 во внутренней поверхности держателя 602 уплотнения может быть выполнена кольцевая канавка или кольцевой фланец, или любая другая структура, которая удерживает уплотняющий элемент 603. Таким образом уплотняющий элемент 603 остается стационарным относительно перемещающегося в осевом направлении штока 203. В иллюстративных вариантах, показанных на фиг. 6 и 7, уплотняющий элемент 603 является манжетным уплотнением, манжета которого прижата к внешней поверхности контрпоршня 203А. Однако в качестве уплотняющего элемента 603 можно использовать любой другой тип уплотняющего или разделяющего элемента, такой как уплотняющее кольцо, уплотняющая диафрагма, уплотняющий сильфон, плотную посадку и т.п. Может допускаться некоторая утечка воздуха через уплотняющий или разделяющий элемент 603.
Верхний конец контрпоршня 203А, по существу конец штока 203, который расположен для осевого перемещения внутри держателя 602 уплотнения и уплотняющего элемента 603, имеет внешнюю поверхность, сопрягаемую с уплотняющим элементом. Длина сопрягаемой внешней поверхности в осевом направлении предпочтительно по меньшей мере равна длине осевого перемещения или хода поршня 203А. В иллюстративных вариантах изобретения на верхней поверхности поршня 203А может иметься углубление для упругого предварительно нагруженного элемента 212, например, пружины, расположенной на противоположном конце штока 203, которая может быть выполнена с возможностью переводить клапан в безопасное положение в случае отказа, например, при отсутствии входного давления SP или электроэнергии. Расположение упругого элемента 212 частично внутри штока позволяет применять достаточно сильный упругий элемент 212 и достаточно длинную сопрягаемую поверхность штока без необходимости в существенном увеличении осевого размера корпуса 210 клапана. В примере, показанном на фиг. 6, на верхнем конце поршня 203А имеется кольцевой цилиндрический фланец 604 так, чтобы определять углубление для упругого элемента 212. Внешняя радиальная поверхность фланца 604 создает по меньшей мере часть сопрягаемой поверхности поршня 203А в осевом направлении. В иллюстративном варианте, по фиг. 7, показан контрпоршень 203А без углубления или фланца 604.
Альтернативно в штоке 203 или, более конкретно, в контрпоршне 203А, может иметься структура, например, канавка, для удержания уплотняющего элемента, аналогичного уплотняющему элементу 603. В таком случае уплотняющий элемент будет двигаться в осевом направлении вместе с контрпоршнем 203А в камере, определенной разделительной стенкой 602. Уплотняющий элемент, например, манжета манжетного уплотнения, будет прижата к сопрягаемой внутренней поверхности разделительной стенки 602.
Согласно одному аспекту изобретения, флуктуации входного давления SP во внутренней камере 202Е стабилизируются. В иллюстративных вариантах изобретения между внутренней входной камерой 202Е и внешней входной камерой 202С (включая секцию канала S входного давления рядом собственно внешней камерой 202С) может иметься канал ограниченного потока, например, канал 605 ограниченного потока, показанный на фиг. 6 и 7. Через канал 605 ограниченного потока внезапные флуктуации входного давления во внешней камере 202С устраняются из внутренней камеры 202Е, когда более медленные или постоянные изменения входного давления во внешней камере 202С проходят во внутреннюю камеру 202Е. Таким образом, стабилизированное входное давление во внутренней камере 202Е может управляемо и стабильно повторять любые флуктуации входного давления во внешней камере 202С так, чтобы можно было избежать быстрых неуправляемых движений или перебегов штока 2023 клапана.
Например, канал 605 ограниченного потока может быть предназначен для понижения стабилизированного входного давления SP во внутренней камере 202Е входного давления до входного давления SP во внешней камере входного давления с заранее определенной скоростью, например, если входное давление во внешней камере 202С внезапно упадет, когда текучая среда под входным давлением течет в камеру 202D привода из внешней входной камеры 202C через открывающуюся дозирующую кромку PR3/PS3. Аналогично, канал 605 ограниченного потока может быть предназначен для повышения стабилизированного входного давления SP во внутренней входной камере 202Е с заранее определенной скоростью, если входное давление во внешней камере 202С превысит стабилизированное входное давление во внутренней камере входного давления. Кроме того, в первый момент подачи входного давления SP на узел 60 клапана, канал 605 ограниченного потока позволяет входному давлению попасть во внутреннюю входную камеру 202Е. Кроме того, если пользователь в некоторый момент времени поднимет входное давление, канал 605 ограниченного потока позволит повышенному входному давлению попасть во внутреннюю входную камеру. Кроме того, если пользователь со временем снизит входное давление, канал 605 ограниченного потока позволит воздуху выйти из внутренней входной камеры для снижения давления также и во внутренней входной камере.
На фиг. 6 и 7 показаны силы, действующие в узле уравновешенного тарельчатого клапана с внешней камерой входного давления и внутренней камерой входного давления согласно иллюстративным вариантам изобретения. Шток 203 приводится в движение управляющей силой F_pil и контрсилой F_sup.
В отличие от вариантов с одной входной камерой, водное давление, воздействующее на шток 203, теперь является стабилизированным входным давлением, удерживаемым во внутренней камере 202Е. И вновь, стабилизированное входное давление SP воздействует на шток 203 через область, определенную линией 200 симметрии и имеющей диаметр D, тем самым создающим контрсилу F_sup
И вновь, стабилизированное входное давление также воздействует на область тарельчатого кольца PR3 снаружи от линии 200 симметрии, но в статических ситуациях эта область начинается и заканчивается на одном и том же диаметре (на линии 200 симметрии), поэтому суммарная сила от области снаружи от линии 200 симметрии приблизительно равно 0 Ньютонов.
Однако в динамических ситуациях, когда текучая среда под входным давлением течет в камеру 202D привода из входной камеры 202 через открытую дозирующую кромку PR3/PS3, и входное давление SP во внешней камере 202С внезапно падает, стабилизированное входное давление сохраняется во внутренней камере по существу неизменным или постоянным. Поэтому сила F_sup, действующая на шток 203 остается по существу неизменной или постоянной, а это означает, что шток 203 и дозирующая кромка PR3/PS3 также остаются на месте, пока управляющая сила F_pil не изменится. Контроллеру нет необходимости время от времени "отводить назад" шток и поэтому контроллер должен иметь возможность выполнять более агрессивную стратегию управления, чем в вариантах, имеющих одну камеру входного давления.
В некоторых вариантах канал 605 ограниченного потока может содержать секцию 605А более узкую или уменьшенного диаметра, которая называется ограничитель потока, например ограничивающее отверстие (RO), как показано на фиг. 9. Площадь (т.е., диаметр) ограничивающего отверстия определяет скорость потока на выходе данной технологической текучей среды при заданных температуре и давлении. Ограничивающее отверстие в основном применяется для получения управляемого или ограниченного потока технологической среды. Отверстие ограничивает технологический поток и давление напора падает от входа к выходу. В иллюстративных вариантах ограничивающее отверстие 605А предпочтительно моет иметь диаметр от прибл. 0,1 мм до прибл. 0,5 мм, более предпочтительно от прибл. 0,2 мм до прибл. 0,4 мм. В своей простейшей форме канал 605 ограниченного потока или ограничивающее отверстие может содержать небольшое отверстие в разделительной стенке или в держателе 603 уплотняющего элемента, небольшое отверстие или зазор между структурами, например, между корпусом 201 клапана и разделительной стенкой 602, конструктивную точку утечки на уплотняющем элементе 603 и т.д. Ограничитель может быть отдельным элементом, который вставляется в корпус 201 клапана или разделительную стенку 602. Это позволяет создать отверстия очень малого диаметра с помощью специальных инструментов и технологии и, затем, вставлять готовый ограничитель в отверстие или канал большего размера, например, в корпусе 201 клапана или в разделительной стенке 602. Часть канале 605 ограниченного потока и/или ограничитель также могут быть расположены снаружи корпуса 201 клапана.
В некоторых вариантах уплотняющий элемент 603 может быть кольцевым манжетным уплотнением, сконфигурированным для удержания давления только в одном направлении, как обратный клапан. Манжетное уплотнение 603 может быть предназначено для уплотнения внутренней входной камеры 202Е относительно внешней входной камеры 202С, если давление во внешней входной камере 203С падает ниже стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней входной камере 202Е (манжета прижимается к сопрягаемой поверхности за счет перепада давления), и выполнена с возможностью пропускать входное давление из внешней входной камеры 202С во внутреннюю входную камеру 202Е, чтобы поднять стабилизированное входное давление, удерживаемое во внутренней входной камере 202Е, если входное давление во внешней входной камере 202С станет выше, чем стабилизированное входное давление во внутренней входной камере 202Е (манжета отводится от сопрягаемой поверхности перепадом давления). При такой конструкции поток ограничивается в направлении от внутренней камеры к внешней камере. Такая конструкция может быть создана независимо от варианта реализации канала 605 ограниченного потока.
В одном варианте параллельно ограничителю 605 может быть создан входной канал 805А с обратным клапаном 805 для создания такого же эффекта, который создает манжетное уплотнение, как показано на фиг. 8. Альтернативно, можно использовать устройство управления потоком любого другого типа, которое сконфигурировано для удержания давления только в одном направлении. Однако, такое однонаправленное ограничение потока также может привести к быстрым нежелательным перемещениям штока особенно если управляющая сила F_pil, и контрсила F_sup создаются одним и тем же входным давлением. Поэтому для многих случаев такая конструкция не является предпочтительной.
В одном варианте может иметься предварительная ступень PR, которая управляет управляющим давлением в камере 210 управляющего давления и, тем самым, осевой управляющей силой, как схематически показано на фиг. 10А и 10В. Эта предварительная ступень PR может управлять управляющим давлением в камере 210 управляющего давления, например, с помощью клапана или задвижки, которые сбрасывают некоторое количество воздуха под входным давлением в атмосферу, а некоторое количество воздуха направляют в камеру 210 управляющего давления через вход 906 управляющего давления. Самое низкое управляющее давление можно получить, когда эта задвижка или клапан находится в открытом положении, что может соответствовать заранее определенному ограничивающему отверстию диаметром, например, 0,5 мм. Когда задвижка или клапан перемещаются в закрытое положение, ограничивающее отверстие становится меньше и управляющее давление увеличивается и, наконец, задвижка или клапан переходят в закрытое положение с наименьшим или нулевым ограничивающим отверстием и наивысшим управляющим давлением. Типично входное давление, подаваемое на предварительную ступень PR, может быть ограничено, чтобы предварительно масштабировать это входное давление для требуемого диапазона управления управляющего давления. Ограничение потока для задания диапазона управления может соответствовать отверстию ограничителя, например, 0,2 мм.
В одном варианте, например, в иллюстративном варианте, показанном на фиг. 10А, канал 905 ограниченного поток может проходить от внешней входной камеры 202С (включая впуск S для входного давления, расположенный рядом с внешней впускной камерой 202С) к предварительной ступени PR. Канал 905 ограниченного потока также может выполнять функцию ограничения впускного давления для задания диапазона управления управляющим давлением. Канал 905 ограниченного потока может содержать более узкую или имеющую меньший диаметр секцию 905А, которая может быть выполнена так же, как и ограничитель 605. С помощью канала 905 ограниченного потока стабилизируются флуктуации входного давления SP на предварительной ступени PR. С помощью канала 905 ограниченного потока внезапные флуктуации входного давления во внешней камере 202С не передаются впускному давлению на предварительной ступени PR и впускному давлению, поддерживаемому в камере 210 управляющего давления, хотя более медленные или постоянные изменения входного давления во внешней камере 202С проходят через камеру 210 управляющего давления. Канал 605 ограниченного потока и дополнительный канал 905 ограниченного потока могут иметь такие размеры, чтобы изменение входного давления SP во внешней камере 202С влияло с такой е скоростью на контрсилу F_sup через внутреннюю входную камеру 202Е и на управляющую силу F_pil через камеру управляющего давления, чтобы изменение результирующей силы F_tot равнялось нулю или было невелико. Если возникла разница в скоростях, с которыми изменяются контрсила F_sup и управляющая сила F_pil, возникнут пики результирующей силы F_tot и нежелательные перемещения штока 203. В одном варианте, например, в иллюстративном варианте, показанном на фиг. 10В, может иметься впускной канал 1005 с обратным клапаном 1005А, ведущий от внешней впускной камеры 202С (включая впуск S для входного давления, расположенный рядом с внешней входной камерой 202С) во внутреннюю входную камеру 202Е. Альтернативно можно использовать любое другое устройство 1005А управления потоком, выполненное с возможностью удерживать давление только в одном направлении. Обратный клапан 1005А может быть выполнен с возможностью блокировать поток из внутренней входной камеры 202Е во внешнюю входную камеру 202С, если давление во внешней входной камере 202С падает ниже стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней входной камере 202Е, и выполнен с возможностью пропускать входное давление из внешней входной камеры 202С во внутреннюю входную камеру 202Е для подъема стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней входной камере 202Е, если входное давление вол внешней входной камере 202С выше, чем стабилизированное входное давление, удерживаемое во внутренней входной камере 202Е. При такой конструкции поток ограничивается в направлении от внутренней камеры к внешней камере. Далее, канал 905 ограниченного потока может проходить от внутренней входной камеры 202Е (включая секцию 1005 входного канала между обратным клапаном 1005А и внутренней входной камерой 202Е) на предварительную ступень PR. Канал 905 ограниченного потока также может выполнять функцию ограничения потока входного давления для задания диапазона управления управляющего давления. Канал 905 ограниченного потока может содержать секцию 905А более узкую или меньшего диаметра, которая может быть выполнена как ограничитель, например, показанный на фиг. 9. При канале 905, соединенном с внутренней впускной камерой 202Е, входное давление SP на предварительной ступени PR повторяет стабилизированное входное давление во внутренней входной камере, а на осевую результирующую силу F_tot не влияют флуктуации входного давления. Внезапные падения давления во внешней входной камере 202С не пропускаются не только во внутреннюю входную камеру 202Е, но и во входное давление в предварительной ступени PR и в управляющее давление, сохраняющееся в камере 210 управляющего давления. По мере того как предварительная ступень PR постепенно стравливает давление в атмосферу, стабилизированное входное давление во внутренней входной камере 202Е постепенно падает до уровня ниже входного давления во внешней входной камере 202С, и обратный клапан 1005А вновь пропускает входное давление из внешней входной камеры 202С во внутреннюю входную камеру 202Е. Таким образом, любой другой канал ограниченного потока, такой как канал 605 на фиг. 10А, может не понадобиться.
Варианты настоящего изобретения могут применяться для управления любыми приводами, приводимыми в действие текучей средой под давлением. Варианты настоящего изобретения особенно применимы для управления приводами технологических устройств, таких как управляющие клапаны, отсекающие клапаны, грохоты и т.п., в любой системе автоматизации технологических процессов и т.п.
На фиг. 11 показана схематическая блок-схема иллюстративной системы автоматизации технологического процесса, в которой в механизме позиционирования клапана могут быть применены принципы настоящего изобретения. Блок 75 системы управления представляет в целом любые и все компьютеры/программы поста управления и компьютеры/программы управления процессом, а также базы данных, которые могут быть соединены друг с другом заводской сетью LAN74 в систему автоматизации. Существует множество архитектур системы управления. Например, система управления может быть системой прямого цифрового управления (DDC) или распределенной системой управления (DCS), обе из которых хорошо известны.
В примере по фиг. 11, показан только один управляемый прямоточный клапан, однако система автоматизации может содержать любое количество полевых устройств, таких как регулирующие клапана, часто сотни таких устройств. Существуют разные альтернативные способы организации соединений между системой управления и полевыми устройствами, такими как регулирующие клапаны, на предприятии. На фиг. 10 полевая/технологическая шина 73 по существу представляет любое такое соединение. Традиционно, полевые устройства соединяются с системой управления витыми парами проводов и каждое устройство соединено с системой управления одной витой парой, пропускающей аналоговый сигнал 4…20 мА. В последнее время появились новые решения, такие как протокол HART (магистральный адресуемый дистанционный преобразователь), который позволяет передавать цифровые данные вместе с обычным аналоговым сигналом 4…20 мА по витой паре. Протокол HART более подробно описан в публикации HART Field Communication Protocol: An Introduction for Users and Manufacturers, HART Communication Foundation, 1995. Протокол HART также стал промышленным стандартом. Примерами других промышленных сетей являются Foundation Fieldbus и Profibus PA. Однако следует понимать, что тип или реализация промышленной/технологической сети 73 не являются релевантными для настоящего изобретения. Промышленная/технологическая сеть 73 может быть основана на любой из описанных выше альтернатив или на любой их комбинации, или на любом другом решении.
Прямоточный клапан 71 и позиционирующий механизм/привод 72 могут быть соединены с процессом для управления потоком вещества в технологическом трубопроводе 76. моток материала может содержать любой текучий материала, такой как флюиды, щелок, жидкость, газы и пар.
На фиг. 12 показано иллюстративное устройство, в котором пневматический привод 72В управляет прямоточным клапаном 71 под управлением механизма 72А позиционирования клапана. Примером прямоточного клапана является регулирующий клапан Neles® RotaryGlobe, производимый Melso Corp. Примером привода 72А является пневматический привод Quadra-Powr X series, выпускаемый Metso Corp.
Работа интеллектуального контроллера клапана, какого как контроллер 72А, может быть основана на микроконтроллере, например, микропроцессоре (μP), который управляет положением клапана на основе управляющей информации, полученной по полевой соединительной линии или промышленной сети 73. Контроллер клапана предпочтительно получает данные измерений положения клапан в дополнение к которым можно измерять различные другие переменные, такие как входное давление сжатого воздуха, перепад давления на поршне привода или температура, что может быть необходимо для самодиагностики клапана или которые контроллер клапана передает по промышленной сети как необработанные данные или как обработанную диагностическую информацию на компьютер пульта управления, технологический контроллер, компьютер мониторинга состояния или подобное устройство более высокого уровня системы автоматизации.
На фиг. 13 приведена иллюстративная схема интеллектуального контроллера клапана, такого как контроллер 72А, основанного на микроконтроллере. Этот иллюстративный контроллер клапана описывается для двунаправленного привода, но, аналогично, можно реализовать контроллер клапана для однонаправленного привода с использованием узла 60 клапана 3/2 по вариантам настоящего изобретения, вместо узла 20 клапана 5/3 и удалив ненужные структуры и функциональности.
Контроллер может содержать электронный блок 91, имеющий электрический управляющий выход 90, и пневматический блок 20, 93, который принимает электрический управляющий сигнал 90 и преобразует его в соответствующее выходное давление Р1, Р2 текучей среды на окнах С1, С2 привода, соединенных с приводом 72В. Пневматический блок может содержать предварительную ступень 93 и выходную ступень 20. Выходная ступень 20 может быть любым узлом 20 клапана для текучей среды для двунаправленного привода по вариантам настоящего изобретения. Предварительная ступень 93 выполняет преобразование (I/P) электрического управляющего сигнала 90 в небольшой управляющий пневматический выходной сигнал 95, который достаточен для управления выходной ступенью 20. Входное окно S выходной ступени 20 соединена с источником давления воздуха. Выходная ступень 20 усиливает выходные сигналы 95, 97 на окнах С1, С2 привода. Устройство может содержать локальный пользовательский интерфейс, позволяющий проводить локальную конфигурацию. Микроконтроллер 11 управляет положением клапана. Для этого микроконтроллер 91 может принимать входной сигнал (уставку) по технологической/промышленной сети 93, например, по витой паре 4…20 мА HART и может выполнять различные измерения. Устройство может получать питание от витой пары 4…20 мА или от промышленной сети. Микроконтроллер 91 может считывать входной сигнал от датчика 92 положения клапана. Микроконтроллер также может считывать сигналы от одного или более датчика Ps входного давления, первого датчика P1 давления привода второго датчика P2 давления привода и датчика SPS положения выходной ступени. Разница между уставкой, определенной входным сигналом и положением, измеренным датчиком 92 положения может определяться с помощью управляющего алгоритма внутри микроконтроллера 91. Микроконтроллер 91 рассчитывает новую величину для тока 90 катушки предварительной ступени (PR) на основе информации от входного сигнала и сигналов датчика (датчиков). Измененный ток 90 на предварительной ступени меняет управляющее давление 95 выходной ступени 20. Управляющее давление 95 перемещает шток 203 выходной ступени и давления привода на окнах С1, С2 привода изменяются соответственно, как описано выше для вариантов настоящего изобретения. Когда управляющее давление 95 достигает заранее определенной величины, шток 203 перемещается в центр и все каналы через дозирующие кромки (тарельчатые кольца) закрываются и привод 72В остается на месте. Когда управляющее давление 95 поднимается выше заранее определенной величины, шток 203 движется в положительном направлении и воздух течет из впускного окна S на окно С2 привода и, далее, из него на одну сторону (нижнюю сторону) привода 72В с двойной диафрагмой, а противоположная сторона привода 72В с двойной диафрагмой вентилируется через окно С1 привода и выпускное окно Х1. Привод движется в направлении полного (100%) открывания. Более конкретно, увеличение давления смещает диафрагменный поршень 98 вверх. Привод и вал 99 обратной связи вращаются. Датчик 92 положения измеряет вращение для микроконтроллера 91. Микроконтроллер 91 модулирует PR-ток 90 относительно величины уравновешенного состояния пока на будет достигнуто новое положение привода 90 согласно входному сигналы, за счет движения штока 203 в противоположном направлении (вниз, в направлении 0%), уменьшая управляющее давление 95 так, чтобы окно С2 привода было соединено с выпускных окном ЕХ2, а окно С1 привода было соединено с пневматическим впускным окном Sю Следует понимать, что показанный контроллер клапана является лишь примером и изобретение не ограничивается какой-либо конкретной реализацией контроллера клапана.
Описание и приложенные чертежи предназначены только для иллюстрации принципов настоящего изобретения на примерах. Специалистам на основе настоящего описания будут понятны различные альтернативные варианты, изменения и замены. Настоящее изобретение не ограничивается описанными примерами, и в него могут вносится изменения, не выходящие за пределы объема приложенной формулы и изобретательской идеи.
1. Узел клапана для текучей среды для соединения с источником текучей среды под давлением для подачи на привод, в частности гидравлический или пневматический привод, давления текучей среды, содержащий:
корпус клапана с центральным отверстием, содержащим внутреннюю камеру входного давления, внешнюю камеру входного давления, соединенную с входной линией входного давления, камеру привода и выпускную камеру;
шток, выполненный с возможностью осевого перемещения в центральном отверстии и приводимый в движение осевой управляющей силой и осевой контрсилой, действующими на шток;
дозирующую кромку и противодействующую дозирующую кромку, расположенные соосно со штоком и управляемые штоком и выполненные с возможностью управлять потоком текучей среды из внешней камеры входного давления в камеру привода и из камеры привода в выпускную камеру соответственно;
уплотняющий элемент, расположенный соосно со штоком между внешней камерой входного давления и внутренней камерой входного давления;
при этом внутренняя камера входного давления выполнена с возможностью удерживать входное давление, создающее осевую контрсилу, действующую на шток во внутренней камере входного давления; и
средство для ограничения быстрых изменений входного давления во внутренней камере для предотвращения тем самым неуправляемых перемещений штока.
2. Узел по п. 1, в котором средство для ограничения быстрых изменений входного давления во внутренней камере входного давления содержит канал ограниченного потока между внутренней камерой входного давления и внешней камерой входного давления.
3. Узел по п. 2, в котором канал ограниченного потока выполнен с возможностью понижения стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней камере входного давления до входного давления во внешней камере входного давления с заранее определенной скоростью.
4. Узел по п. 2, в котором канал ограниченного потока выполнен с возможностью повышения стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней камере входного давления с заранее определенной скоростью, если входное давление во внешней камере входного давления выше, чем стабилизированное входное давление, удерживаемое во внутренней камере входного давления.
5. Узел по любому из пп. 2-4, в котором канал ограниченного потока содержит ограничитель потока.
6. Узел по п. 5, в котором ограничитель потока является диафрагменным дросселем, предпочтительно с диаметром отверстия от приблизительно 0,1 мм до приблизительно 0,5 мм, более предпочтительно от приблизительно 0,2 мм до приблизительно 0,3 мм.
7. Узел по п. 1, в котором средство для ограничения быстрых изменений входного давления во внутренней камере содержит обратный клапан или подобное устройство регулирования потока, выполненное с возможностью блокировать канал входного давления между внутренней камерой входного давления и внешней камерой входного давления, если давление во внешней камере входного давления падает ниже стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней камере, и выполненное с возможностью открывать канал входного давления в обратном случае.
8. Узел по любому из пп. 1-5, в котором уплотняющий элемент содержит манжетное уплотнение, кольцевое уплотнение, уплотняющую диафрагму или уплотняющий сильфон.
9. Узел по п. 2, в котором уплотняющий элемент является кольцевым манжетным уплотнением, выполненным с возможностью уплотнять внутреннюю камеру входного давления от внешней камеры входного давления, если давление во внешней камере входного давления падает ниже стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней камере входного давления, и выполненным с возможностью пропускать входное давление из внешней камеры входного давления во внутреннюю камеру входного давления для повышения стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней камере входного давления, если входное давление во внешней камере входного давления выше, чем стабилизированное входное давление, удерживаемое во внутренней камере входного давления.
10. Узел по п. 2, содержащий дополнительный канал ограниченного потока от впуска входного давления внешней камеры входного давления к предварительной ступени, которая регулирует управляющее давление и, тем самым, осевую управляющую силу.
11. Узел по п. 10, в котором канал ограниченного потока и дополнительный канал ограниченного потока имеют такие размеры, чтобы скорость изменения осевой контрсилы и скорость изменения управляющей силы из-за изменения входного давления во внешней камере входного давления были приблизительно равны.
12. Узел по п. 1, в котором средство для ограничения быстрых изменений входного давления во внутренней камере входного давления содержит обратный клапан или подобное устройство регулирования потока, выполненное с возможностью блокировать канал входного давления между внутренней камерой входного давления и внешней камерой входного давления, если давление во внешней камере входного давления падает ниже стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней камере входного давления, и выполненное с возможностью открывать канал входного давления в обратном случае.
13. Узел по п. 1, в котором средство для ограничения быстрых изменений входного давления во внутренней камере содержит обратный клапан или подобное устройство регулирования потока, выполненное с возможностью блокировать канал входного давления между внутренней камерой входного давления и внешней камерой входного давления, если давление во внешней камере входного давления падает ниже стабилизированного входного давления, удерживаемого во внутренней камере входного давления, и выполненное с возможностью открывать канал входного давления в обратном случае, и содержащее канал ограниченного потока от внутренней камеры входного давления на предварительную ступень, которая регулирует управляющее давление и, тем самым, осевую управляющую силу.
14. Узел по п. 1, в котором одна из дозирующей кромки и противодействующей дозирующей кромки содержит тарельчатое кольцо, удерживаемое гибким элементом на штоке, и соответствующую сопрягаемую поверхность на корпусе клапана, а другая из дозирующей кромки и противодействующей дозирующей кромки содержит тарельчатое кольцо, удерживаемое гибким элементом на корпусе клапана, и соответствующую сопрягаемую поверхность на штоке, при этом поддерживающее устройство допускает относительное осевое перемещение тарельчатого кольца и поддерживающего корпуса клапана или штока также и в закрытом состоянии соответствующей дозирующей кромки.
15. Узел по п. 1, в котором каждый из гибких элементов содержит соответствующий уплотняющий элемент, предпочтительно уплотняющую диафрагму или уплотняющий сильфон.
16. Механизм позиционирования прямоточного клапана, содержащий электронный блок с электрическим управляющим выходом, и пневматический или гидравлический блок, выполненный с возможностью преобразования электрического управляющего выходного сигнала в соответствующее выходное давление текучей среды, подаваемое на привод, при этом пневматический или гидравлический блок дополнительно содержит узел клапана для текучей среды по любому из пп. 1-15.
17. Механизм по п. 16, в котором пневматический или гидравлический блок содержит предварительную ступень и выходную ступень, при этом предварительная ступень выполнена с возможностью преобразования электрического управляющего выходного сигнала в управляющее давление, достаточное для управления выходной ступенью, а выходная ступень содержит узел клапана для текучей среды по любому из пп. 1-15.
18. Применение узла клапана для текучей среды по любому из пп. 1-15 для управления прямоточным клапаном.
