Соединитель штока клапана со встроенным устройством измерения усилия штока - RU2673022C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к устройствам измерения усилия штока клапана и, более конкретно, к соединителю штока клапана, имеющему встроенное устройство измерения усилия штока.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Датчики нагрузки или тензометрические измерительные преобразователи являются примером устройств измерения усилия, обычно используемых в различных отраслях промышленности. Конструкцию или конфигурацию работающего на срез датчика нагрузки или тензодатчика, как правило, используют в датчиках нагрузки с высоким уровнем усилия. Важным компонентом в датчике нагрузки или тензометрическом измерительном преобразователе, как правило, является упругий элемент. В широком смысле функция упругого элемента заключается в том, чтобы служить в качестве реакции на приложенную нагрузку. Подразумеваемым в данном определении является предположение о том, что уровень напряжения в измеряемой области упругого элемента реагирует на приложенную нагрузку в линейно-упругом режиме. Иначе говоря, идеальный измерительный преобразователь будет характеризоваться неизменной пропорциональной связью между деформацией и нагрузкой. См. Strain Gage Based Transducers, Chapter 2, "Load Cells" by Measurements Group, Inc. (1998).

[0003] Более конкретно, как показано на фиг. 1А, работающий на срез упругий элемент датчика нагрузки или тензодатчика может принимать форму консольной балки, которая сконструирована с завышенным поперечным сечением для сведения деформации к минимуму. В разрезе А-А балки, с помощью механической обработки на стороне выполнено углубление, с оставлением сравнительно тонкой перегородки в центре. В большинстве случаев усилие сдвига, прилагаемое нагрузкой, выдерживает перегородка, тогда как изгибающий момент встречает сопротивление фланцев.

[0004] На фиг. 1В изображено поперечное сечение А-А, вместе с распределением в поперечном сечении напряжения сдвига и изгиба. На нейтральной оси, где напряжение изгиба равно нулю, состояние напряжения на перегородке является исключительно напряжением сдвига, действующим в вертикальном и горизонтальном направлении.

[0005] Работающие на срез упругие элементы не ограничиваются конфигурациями консольной балки. Например, на фиг. 1С показана простая опертая балка, в результате сгибов или вырезанных участков на обоих концах. Иначе говоря, на фиг. 1С изображены двойные работающие на срез перегородки в конфигурации балки, которые рассчитаны на то, чтобы нейтрализовать влияние внеосевых и боковых нагрузок.

[0006] Ко всем упругим элементам датчика нагрузки, в общем, применимы несколько конструктивных соображений, в том числе: (1) соответствующий уровень деформации в измеряемой области при расчетной нагрузке; (2) однородное распределение деформации в области измерения деформации; (3) пониженные уровни деформации в остальном упругом элементе; (4) монолитная (цельная) конструкция; (5) конструкция для упрощения обработки и установки датчика; (6) деформация упругого элемента и (7) учет тепловых условий. См. Strain Gage Based Transducers, Chapter 2, "Load Cells" by Measurements Group, Inc. (1998).

[0007] На атомных электростанциях и других объектах, где используются клапаны, для обеспечения более точной диагностики желательно иметь независимое подтверждение усилия или нагрузки, прилагаемой приводом к штоку клапана. Имеется несколько решений. Одно заключается в установке известного тензодатчика или датчика нагрузки непосредственно на штоке клапана. Однако данная операция является трудоемкой и требует специальных химических реагентов и технологий для достижения согласованной, точной установки датчика. Измеренные значения усилия должны быть выведены из свойств материала штока клапана, и никакие предосторожности не выполняются для коррекции в связи с температурой окружающей среды или ползучестью.

[0008] Второй способ включает приобретение штока клапана, который уже содержит установленный внутри тензодатчик. Данный способ позволяет выполнять калибровку и многие из функций компенсации, которые являются общими в конфигурациях датчиков нагрузки, но не эффективны для штоков, которые приварены к запорному элементу клапана. Кроме того, затраты на нестандартные конфигурации штока могут быть высокими.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] В соответствии с первым аспектом, приводимым в качестве примера, соединитель штока клапана содержит первую половину и вторую половину, прикрепленную к первой половине, каждая из которых включает верхний участок, выполненный с возможностью вмещать часть привода, и нижний участок, выполненный с возможностью вмещать часть штока клапана. Пара вырезанных участков расположена в каждом верхнем участке первой и второй половин, при этом каждая пара вырезанных участков имеет первый вырезанный участок, расположенный слева от центра первой и второй половин, и второй вырезанный участок, расположенный справа от центра первой и второй половин и напротив первого вырезанного участка. Третий вырезанный участок расположен в каждом нижнем участке первой и второй половин, и пара монтажных площадок работающих на срез перегородок расположена на каждой из первой и второй половин. Каждая пара монтажных площадок работающих на срез перегородок содержит первую площадку, расположенную между первым и третьим вырезанными участками каждой из первой и второй половин, и вторую площадку, расположенную между вторым и третьим вырезанными участками первой и второй половин. Устройство измерения усилия расположено в каждом гнезде каждой пары монтажных площадок работающей на срез перегородки, при этом каждая монтажная площадка работающей на срез перегородки имеет измеряемую с помощью устройства измерения усилия деформацию сдвига, и по меньшей мере один из первого, второго и третьего вырезанных участков образует изгибаемую балку вблизи каждого гнезда для сведения к минимуму деформации.

[0010] В соответствии со вторым аспектом, приводимым в качестве примера, устройство управления потоком текучей среды содержит привод, узел клапана, имеющий шток клапана и соединитель штока клапана, расположенный с возможностью снятия между приводом и штоком клапана, и соединяющий привод с узлом клапана. Соединитель штока клапана содержит корпус, имеющий первую половину и вторую половину, прикрепленную к первой половине, каждая из которых включает верхний участок, вмещающий часть привода, и нижний участок, вмещающий часть штока клапана, и множество вырезанных участков. Среди множества вырезанных участков расположена пара гнезд. Соединитель штока клапана, кроме того, содержит устройство измерения усилия, расположенное в каждом гнезде из пары гнезд на первой и второй половинах корпуса клапана, при этом множество вырезанных участков образует изгибаемую балку вблизи каждого гнезда, чтобы свести к минимуму деформацию, и каждое гнездо создает монтажную площадку работающей на срез перегородки, имеющую деформацию сдвига, измеряемую с помощью периферийного измерительного устройства.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] На фиг. 1А приведен схематический вид в перспективе обычного упругого элемента работающей на срез перегородки устройства, измеряющего усилие, имеющего форму консольной балки;

[0012] На фиг. 1В приведен вид поперечного разреза обычного упругого элемента работающей на срез перегородки по фиг. 1А, выполненного по линии А-А по фиг. 1А, и графические представления распределения сдвигающего и изгибающего напряжений на данном участке;

[0013] На фиг. 1С приведен схематический вид в перспективе другого обычного упругого элемента работающей на срез перегородки устройства, измеряющего усилие, имеющего двойные работающие на срез перегородки в конфигурации балки;

[0014] На фиг. 2 приведен вид в перспективе соединителя штока клапана согласно настоящему изобретению, соединенного с приводом и штоком клапана;

[0015] На фиг. 3 показан вид спереди в перспективе соединителя штока клапана по фиг. 2;

[0016] На фиг. 4 приведен вид поперечного сечения соединителя штока клапана согласно настоящему изобретению, выполненного по линиям А-А по фиг. 3; и

[0017] На фиг. 5 приведено графическое представление анализа модели соединителя штока клапана согласно настоящему изобретению методом конечных элементов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018] В общем случае, раскрыт соединитель штока клапана, имеющий встроенное устройство измерения усилия, такое как тензодатчик или датчик нагрузки. Такая конструкция заменяет: (1) периферийные связанные тензодатчики и (2) штоки клапанов со смонтированными внутри тензодатчиками, что упрощает, например, замену и установку тензодатчика или устройства измерения усилия. Кроме того, данная конструкция значительно снижает затраты и сложность установки устройства измерения усилия на штоке клапана для измерения нагрузки штока клапана, например, в частности, при выполнении установки внутри защитной оболочки на атомной электростанции.

[0019] Более конкретно, на фиг. 2 изображено устройство 100 управления текучей средой, имеющее привод 110 и узел 112 клапана, имеющий шток 114 клапана. Соединитель 116 штока клапана расположен с возможностью снятия между приводом 110 и штоком 114 клапана, и соединяет привод 110 с узлом 112 клапана. Соединитель 116 штока клапана содержит по меньшей мере один встроенный тензодатчик для измерения усилия нагрузки от привода 110 на штоке 114 клапана, как подробно поясняется ниже.

[0020] Как показано на фиг. 3, соединитель 116 штока клапана содержит корпус 118, имеющий первую половину 120 и вторую половину 122. Каждая из первой и второй половин 120, 122 включает верхний участок 124, имеющий первое углубление 126 (фиг. 4), выполненное с возможностью вмещать часть привода 110, и нижний участок 128, имеющий второе углубление 130 (фиг. 4), выполненное с возможностью вмещать часть штока 114 клапана узла 112 клапана. В одном примере каждый из верхнего и нижнего участков 124, 128 первой и второй половин 120, 122 корпуса 118 может содержать участок с резьбой, который обеспечивает соединение привода 110 и штока 114 клапана, соответственно.

[0021] Первая пара отверстий 132 расположена на верхних участках 124 каждой из первой и второй половин 120, 122. Аналогичным образом, вторая пара отверстий 134 расположена на нижних участках 128 первой и второй половин 120, 122 корпуса 118. Каждое отверстие из первой и второй пар отверстий 132, 134 выполнено с возможностью вмещать крепежный элемент (не показано) для крепления первой половины 120 ко второй половине 122, чтобы образовывать корпус 118. Хотя в одном примере крепежный элемент представляет собой болт, он также может представлять собой винт, гвоздь, шпильку или любой другой элемент, выполненный с возможностью крепить элементы друг к другу.

[0022] Более конкретно, первая пара отверстий 132 каждой из первой и второй половин 120, 122 содержит первое отверстие 132а, расположенное слева от центра первой и второй половин 120, 122, и второе отверстие 132b, расположенное справа от центра первой и второй половин 120, 122. Иначе говоря, первое отверстие 132а и второе отверстие 132b расположены по обе стороны от центра первой и второй половин 120, 122 на верхнем участке 124 первой и второй половин 120, 122. Расстояние между центром каждой из первой и второй половин 120, 122 и центром каждого из первого и второго отверстий 132а, 132b первой пары отверстий 132, соответственно, является одинаковым. Иначе говоря, первое отверстие 132а и второе отверстие 132b являются выровненными по горизонтали на верхнем участке 124 каждой из первой и второй половин 120, 122 и расположенными на одинаковом расстоянии от центра первой и второй половин 120, 122.

[0023] Аналогично, и как дополнительно показано на фиг. 3, вторая пара отверстий 134 расположена непосредственно под первой парой отверстий 132 на нижнем участке 128 первой и второй половин 120, 122, и также содержит первое отверстие 134а, расположенное слева от центра первой и второй половин 120, 122, и второе отверстие 134b, расположенное справа от центра первой и второй половин 120, 122. Иначе говоря, вторая пара отверстий 134 выровнена по вертикали с первой парой отверстий 132 на каждой из первой и второй половин 120, 122. Аналогично первой паре отверстий 132, расстояние между центром каждой из первой и второй половин 120, 122 и центром каждого из первого и второго отверстий 134а, 134b второй пары отверстий 134 является одинаковым. Иначе говоря, первое отверстие 134а и второе отверстие 134b второй пары отверстий 134 являются выровненными по горизонтали на нижнем участке 128 каждой из первой и второй половин 120, 122 и расположенными на равном расстоянии от центра первой и второй половин 120,122.

[0024] Как дополнительно показано на фиг. 3, корпус 118 соединителя 116 штока клапана включает множество вырезанных участков или сгибов 136 на каждой из первой и второй половин 120, 122. Более конкретно, пара вырезанных участков или сгибов 136 расположена на каждом верхнем участке 124 первой и второй половин 120, 122 под первой парой отверстий 132. Каждая пара вырезанных участков 136 включает первый вырезанный участок 138, расположенный слева от центра первой и второй половин 120, 122, и второй вырезанный участок 140, расположенный справа от центра первой и второй половин 120, 122 корпуса 118, так что первый и второй вырезанные участки 138, 140 выровнены по горизонтали друг с другом на верхнем участке 124 первой и второй половин 120, 122. В одном примере первый и второй вырезанные участки 138, 140 представляют собой щелевые отверстия в наружных левом и правом или боковых краях 141, 143 каждой из первой и второй половин 120,122 соответственно.

[0025] Кроме того, третий вырезанный участок 142 расположен на каждом нижнем участке 128 первой и второй половин 120, 122. Как показано на фиг. 4, третий вырезанный участок 142 проходит через вторую половину 122 между нижним участком первого углубления 126, выполненного с возможностью вмещать часть привода 110, и верхним участком второго углубления 130, выполненного с возможностью вмещать часть штока 114 клапана. Иначе говоря, третий вырезанный участок 142 сконструирован для прохода по всей глубине второй половины 122, а по вертикали - между первым углублением 126 и вторым углублением 130.

[0026] В одном примере третий вырезанный участок 142 представляет собой щелевое отверстие, расположенное на нижнем участке 128 каждой из первой и второй половин 120, 122 выше второй пары отверстий 134. Третий вырезанный участок или щелевое отверстие 142 включает первый конец 142а, расположенный слева от центра первой и второй половин 120, 122, и второй конец 142b, расположенный справа от центра первой и второй половин 120, 122. Как показано на фиг. 3, первый вырезанный участок или щелевое отверстие 138 расположено непосредственно над первым концом 142а третьего вырезанного участка, а второй вырезанный участок или щелевое отверстие 140 расположено непосредственно над вторым концом 142b третьего вырезанного участка 142. Иначе говоря, первый и второй вырезанные участки 138, 140 расположены выше и на противоположных концах 142а, 142b, соответственно, третьего вырезанного участка 142.

[0027] Каждый из первого, второго и третьего вырезанных участков 138, 140 и 142 образуют схему изгибаемой балки. Иными словами, конструкция вырезанных участков 138, 140, 142 образует изгибаемую балку 137 между первым вырезанным участком 138 и третьим вырезанным участком 142, а также между вторым вырезанным участком 140 и третьим вырезанным участком 142, как дополнительно поясняется далее.

[0028] Как показано на фиг. 3, пара гнезд или монтажных площадок работающей на срез перегородки 144 также расположена на каждой из первой и второй половин 120, 122. Каждая пара гнезд или монтажных площадок работающей на срез перегородки 144 содержит первое гнездо или первую площадку 146, расположенную между первым и третьим вырезанными участками 138, 142 каждой из первой и второй половин 120, 122, и второе гнездо или вторую площадку 148, расположенную между вторым и третьим вырезанными участками 140, 142 каждой из первой и второй половин 120, 122. Каждое из первого или второго гнезд или первой и второй монтажных площадок 146, 148 создает или имеет измеримую деформацию сдвига и выполнено с возможностью вмещать устройство 150 измерения усилия, такое как тензодатчик или датчик нагрузки, для измерения усилия или деформации на штоке 114 клапана. Конструкция работающей на срез перегородки на каждом из первого и второго гнезд или первой и второй площадок 146, 148 создает высокую деформацию сдвига, не создавая значительной стрелы прогиба, как подробно поясняется ниже.

[0029] В одном примере каждое из первого и второго гнезд 146, 148 или монтажных площадок работающей на срез перегородки представляет собой углубление или приемное устройство, расположенное на плоской поверхности первой и второй половин 120, 122. Как показано на фиг. 3 и 5, первое и второе гнезда 146, 148 могут иметь квадратное поперечное сечение. В других примерах первое и второе гнезда 146, 148 могут включать другие формы и поперечные сечения, такие как прямоугольник и круг, и также находятся в пределах объема настоящего изобретения. В другом примере каждое из первого и второго гнезд 146, 148 может представлять собой приемное устройство охватывающего типа, расположенное в плоской поверхности первой и второй половин 120, 122. Как должно быть понятно специалисту в данной области, гнезда 146, 148 или монтажные площадки работающей на срез перегородки могут включать любую конструкцию или схему, выполненную с возможностью вмещать и удерживать устройство 150 измерения усилия, и создавать высокую деформацию сдвига, измеряемую с помощью устройства 150 измерения усилия, например, во время действия узла 112 клапана. Конструктивные соображения включают увеличение напряжения, вызванное изменением геометрии и общей механической прочности конструкции.

[0030] Также, как показано на фиг. 3, устройство 150 измерения усилия, такое как тензодатчик или датчик нагрузки, расположено или установлено в каждом из гнезд 146, 148 или монтажных площадок работающей на срез перегородки под углом, который примерно равен 45 градусам относительно направления В усилия штока, например, для максимальной чувствительности. Каждое устройство 150 измерения усилия способно измерять усилие или деформацию на штоке клапана 114 от привода 116 с учетом монтажных площадок работающей на срез перегородки каждого из гнезд 146, 148, которые создают измеримые деформации сдвига. Погрешности в угле установки тензодатчика будут распространяться на погрешности в измеряемой нагрузке. Некоторые из этих погрешностей могут быть откорректированы путем калибровки, но другие погрешности будут оставаться. В одном примере погрешность в 1 градус будет приводить к погрешности неоткалиброванного датчика нагрузки около 2%. Погрешность после калибровки будет меньше, но не так невосприимчива к другим влияниям нагрузки.

[0031] Каждая изгибаемая балка 137 и гнездо 146, 148 расположены вдали от отверстий 132а, 132b, 134а, 134b, каждой из первой и второй половин 120, 122 корпуса 118 соединителя штока клапана. В результате первая и вторая половины 120, 122 могут быть скреплены друг с другом посредством крепежных элементов, введенных через первую пару отверстий 132 как первых, так и вторых половин 120, 122, без изменения какого-либо напряжения или деформации на гнездах 146, 148. Аналогичным образом, крепежные элементы также могут быть введены через вторую пару отверстий 143 как первых, так и вторых половин 120, 122, также без изменения какого-либо напряжения на гнездах 146, 148 во время действия, например, устройства 100 управления текучей средой.

[0032] Иначе говоря, монтажные площадки тензодатчика типа работающей на срез перегородки каждого гнезда 146, 148 создают высокую измеримую деформацию сдвига в каждом гнезде 146, 148, не создавая значительной стрелы прогиба. Это позволяет устройствам 150 измерения усилия, например, тензодатчикам, установленным в гнездах 146, 148, имеющим такую конфигурацию работающей на срез перегородки, точно измерять деформацию на штоке 114 клапана.

[0033] Как показано на фиг. 4, изображен вид внутреннего поперечного разреза соединителя 116 штока клапана, выполненного по линиям А-А на фиг. 3. Как показано здесь, третий вырезанный участок 142, расположенный на нижнем участке 128 каждой из первой и второй половин, расположен между первым углублением 126 для приема части привода 110 и вторым углублением 130 для приема части штока 114 клапана узла 112 клапана.

[0034] Соединитель 116 штока клапана по меньшей мере с одним встроенным устройством 150 измерения усилия, расположенным в нем, включает обеспечение компенсации собственной температуры и компенсацию ползучести. Более конкретно, поскольку материал и схема устройства измерения нагрузки или датчика нагрузки, или тензодатчика должны быть известны, такие известные факторы могут быть учтены в конструкции соединителя 116 штока клапана. Это является основным преимуществом съемного соединителя 116 штока клапана, имеющего по меньшей мере одно встроенное устройство 150 измерения усилия, расположенное в нем, и не установленное, например, непосредственно на самом штоке 114 клапана. Иначе говоря, согласно настоящему изобретению может быть разработан соединитель 116 штока клапана для надежной работы датчика нагрузки или тензодатчика 150, без ограничений для материала и эксплуатационных характеристик, обычно устанавливаемых для конструкций штока клапана, имеющего вмонтированный датчик нагрузки или тензодатчик.

[0035] Как показано на фиг. 5, приведено графическое представление анализа соединителя 116 штока клапана согласно настоящему изобретению методом конечных элементов. Анализ иллюстрирует, что очевидны высокие значения деформации сдвига, например, в гнездах 146. Таким образом, анализ показывает, что монтажные площадки работающей на срез перегородки гнезда 146 могут создавать необходимую деформацию, требуемую для измерения с помощью тензодатчиков или датчиков 150 нагрузки, установленных в них. Кроме того, анализ также иллюстрирует, что по длине 152 каждого гнезда 146, 148 имеется равномерное распределение деформации.

[0036] Из вышесказанного должно быть понятно, что соединитель 116 штока клапана, раскрытый в настоящем документе, может рассматриваться как средство для соединения привода 110 со штоком 114 клапана и измерения деформации сдвига штока 114 клапана. На основании приведенного выше описания должно быть понятно, что конструкция, связанная с соединителем 116 штока клапана, включая, например, корпус 118, содержащий первую и вторую половины 120, 122, один или больше из первого, второго и третьего вырезанных участков 138, 140, 142, каждую пару гнезд 144 или монтажных площадок работающей на срез перегородки и одно или больше устройств 150 измерения усилия, может совместно рассматриваться, как средство для соединения привода 10 со штоком 114 клапана и измерения деформации сдвига штока 114 клапана в соответствии с настоящим изобретением.

[0037] Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные примеры, которые предназначены только для иллюстрации, а не для ограничения объема изобретения, специалистам в данной области должно быть понятно, что для раскрытых вариантов осуществления могут быть выполнены изменения, дополнения или исключения без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. В общем, хотя в настоящем документе раскрыт определенный вариант устройства, объем защиты данного патента не ограничивается им. Напротив, данный патент охватывает все способы, устройства и изделия, явно подпадающие под объем действия прилагаемой формулы изобретения, либо буквально, либо по доктрине эквивалентов.

Реферат

Изобретение относится к соединителям штока клапана. Новизной изобретения является то, что соединитель штока клапана содержит множество вырезанных участков, расположенных в каждой из первой и второй половин, и пару монтажных площадок, работающих на срез перегородок. Монтажные площадки расположены между множеством вырезанных участков на каждой из первой и второй половин. В каждой монтажной площадке расположено устройство измерения деформации штока клапана. Каждая монтажная площадка имеет деформацию сдвига, измеряемую посредством устройства измерения усилия. Множество вырезанных участков образует изгибаемую балку вблизи каждого гнезда для минимизации деформации. Технический результат заключается в повышении точности управления клапаном. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула