Узел клапана текучей среды и позиционер технологического клапана - RU2686653C2
Код документа: RU2686653C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к управлению струйными исполнительными механизмами, в частности - пневматическими и гидравлическими исполнительными механизмами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Исполнительные механизмы часто используются в качестве механизмов для приведения в движение или управления движением. Подобный механизм приводится в действие с помощью источника энергии, в типичном случае - электрического тока, давления текучей среды для гидравлических систем, или давления текучей среды для пневматических систем, и преобразует такую энергию в движение целевого механизма, например - в движение запорного элемента управляющего клапана.
Управляющий клапан в общем случае используют для непрерывного управления потоком жидкости или газа в разных трубопроводах и процессах. В перерабатывающей промышленности, такой, как целлюлозно-бумажная, нефтеперерабатывающая и химическая промышленности, управляющие клапаны разных типов, установленные в трубопроводной системе предприятия, управляют потоками материалов в процессе. Поток материала может содержать любой текучий материал, такой, как текучие среды, растворы, жидкости, газы и водяной пар. Управляющий клапан обычно соединен с некоторым исполнительным механизмом, который перемещает запорный элемент клапана в некоторое желательное положение между полностью открытым и полностью закрытым положениями. Исполнительный механизм может быть, например, пневматическим цилиндропоршневым устройством. Исполнительным механизмом, в свою очередь, обычно управляет позиционер клапана, называемый также контроллером клапана, который управляет положением запорного элемента управляющего клапана, а значит - и потоком материала в процессе в соответствии с управляющим сигналом из технологического контроллера.
Как правило, клапаны, применяемые в промышленности, зачастую приводятся в действие посредством пневматических исполнительных механизмов. Эти исполнительные механизмы преобразуют пневматическое воздействие в движение штока клапана посредством давления, действующего на диафрагму или поршень, соединенную или соединенный со штоком. Исполнительные механизмы могут быть либо простого действия, либо двойного действия. В случае устройств простого действия, движение в противоположном направлении осуществляется с помощью пружины, при этом сжатый воздух оказывает противодействие пружине. Когда давление воздуха закрывает клапан, а действие пружины открывает клапан, исполнительный механизм называют исполнительным механизмом прямого действия. Когда давление воздуха открывает клапан, а действие пружины закрывает клапан, исполнительный механизм называют исполнительным механизмом обратного действия. В исполнительных механизмах двойного действия подача воздуха происходит к обеим сторонам диафрагмы или поршня. Разность давлений на диафрагме или поршне обуславливает позиционирование штока клапана. Когда соответствующие схемы автоматически управляют сигналами пневматики, обеспечивается автоматическая работа. Полуавтоматическая работа обеспечивается ручными переключателями в соответствующих схемах для воздухораспределителей. Гидравлические исполнительные механизмы применимы для позиционирования клапана аналогично пневматическим исполнительным механизмам, но теперь вместо воздуха или пневматической текучей среды используется гидравлическими текучая среда.
Позиционер клапана в типичном случае может принимать команды управления по цифровой полевой шине или в виде аналогового управляющего сигнала 4…20 мА. Протоколы магистрально адресуемых дистанционных датчиков (HART) обеспечивают передачу цифровых данных вместе с обычным аналоговым сигналом 4-20 мА. Другими примерами полевых шин являются Fieldbus и Profibus. В типичном случае, всю электрическую энергию для позиционера берут из полевой шины или аналогового управляющего сигнала 4…20 мА. Отдельный источник электрической энергии для позиционера нежелателен, потому что это потребовало бы прокладки отдельного кабеля. Позиционер может включать в себя электронный блок, имеющий электрический управляющий выход, и пневматический или гидравлический блок, который принимает электрический управляющий сигнал и преобразует его в соответствующее давление текучей среды на выходе для исполнительного механизма. Это зачастую называют преобразованием тока в давление (I/P). Пневматический или гидравлический блок может содержать предварительную ступень и выходную ступень. Поскольку электрическая энергия, получаемая из полевой шины или аналоговой токовой петли, весьма ограничена, предварительная ступень может сначала преобразовывать электрический управляющий сигнал в малое начальное давление текучей среды, которое достаточно для управления выходной ступенью. Выходная ступень подключена к давлению подаваемой текучей среды и усиливает сигнал малого начального давления с получением большего выходного сигнала давления текучей среды, используемого исполнительным механизмом. Выходную ступень часто называют усилителем давления, мультипликатором давления, или реле давления.
Пневматические выходные ступени, используемые в позиционерах, можно - весьма условно - разделить на группы узлов золотниковых клапанов и узлов тарельчатых клапанов. Упрощенный пример конструкции золотникового клапана 5/3 (5 отверстий/3 состояния) для управления исполнительным механизмом двойного действия изображен на фиг.1A и представлен соответствующим условным обозначением на фиг. 1B. В выходной ступени типа золотникового клапана единственной подвижной деталью является золотник 6, который движется внутри центрального отверстия в корпусе 7 клапана и управляет потоком воздуха из подающего напорного отверстия 1 в отверстия 2, 4 исполнительного механизма и из отверстий 2, 4 исполнительного механизма в выпускные отверстия 3 и 5. Из-за конструкции золотникового клапана, всегда существует утечка подаваемого воздуха через клапан. Жесткие допуски делают методы изготовления золотниковых клапанов весьма непростыми. В общем случае, выходная ступень типа золотникового клапана не является стойкой к воздействию изменений в рабочей среде в изготовлении.
Выходная ступень с конструкцией тарельчатого клапана имеет большее количество подвижных деталей, чем золотниковый клапан. Вместе с тем, увеличенные допуски и зазоры, предусматриваемые для деталей золотникового клапана, делают возможным экономичное массовое производство и использование современных методов изготовления. Упрощенный пример конструкции обычного тарельчатого клапана 4/2 (4 отверстия/2 состояния) для управления исполнительным механизмом двойного действия изображен на фиг.1C и представлен соответствующим условным обозначением на фиг. 1D. Как можно заметить, в обычном узле тарельчатого клапана требуются два отдельных тарельчатых клапана 8 и 9 для управления потоком воздуха из подающего напорного отверстия 1 в отверстия 2, 4 исполнительного механизма и из отверстий 2, 4 исполнительного механизма в выпускное отверстие 3. В обычной выходной ступени, изображенной на фиг.1C, управляемость посредством одного начального давления неудовлетворительна, поскольку движения тарельчатых клапанов 8 и 9 механически не связаны друг с другом. В документе US 6276385 раскрыта выходная ступень, в которой движение тарельчатых клапанов объединяется штангой силового привода, становясь согласованным, но - в противоположных направлениях. Штанга силового привода - это коромысло, поворачивающееся на центральной оси поворота. Теперь движение тарельчатых клапанов синхронизировано.
Как в обычной выходной ступени, изображенной на фиг.1C, так и в выходной ступени согласно документу US6276385, управление тарельчатыми клапанами требует очень больших сил, чтобы преодолеть силы давления. Пороговая сила, необходимая для открывания тарельчатого клапана, становится большой и вносит важную особенность прерывания в пределах области управления. Эта характеристика известных выходных ступеней типа тарельчатого клапана значительно затрудняет управление выходной ступенью.
Примеры выходных ступеней типа тарельчатого клапана 3/2 (3 отверстий/2 состояния) для исполнительного механизма простого действия раскрыты в документах US6276385, US6957127, US8522818, US7458310 и US5261458.
Краткое описание (сущность) изобретения
Один аспект данного изобретения состоит в том, чтобы разработать узел клапана текучей среды или выходную ступень с конструкцией тарельчатого клапана.
В одном аспекте изобретения предложены узел клапана текучей среды и позиционер клапана, охарактеризованные в независимых пунктах формулы изобретения. Варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном аспекте изобретения предложен узел клапана текучей среды для соединения с источником текучей среды под давлением для приложения к исполнительному механизму, в частности, гидравлическому или пневматическому исполнительному механизму, давления текучей среды исполнительного механизма, содержащий:
корпус клапана, имеющий центральное отверстие, по меньшей мере, с одним подающим отверстием для приема порции текучей среды под давлением, по меньшей мере, одним отверстием исполнительного механизма для приложения управляющего давления текучей среды к исполнительному механизму и, по меньшей мере, одним выпускным отверстием;
шток, движимый внутри упомянутого центрального отверстия в осевом направлении начальной силой;
по меньшей мере, одну пару встречно действующих дозирующих кромок, оперативно связанных друг с другом посредством штока, причем каждая дозирующая кромка каждой пары встречного действия содержит сопрягаемую посадочную поверхность на корпусе клапана или штоке и кольцевую тарелку, опирающуюся посредством гибкого элемента на корпус клапана или шток таким образом, что обеспечивает относительное осевое движение кольцевой тарелки и поддерживающего корпуса клапана или штока также в закрытом состоянии соответственной дозирующей кромки.
В одном варианте осуществления, упомянутая, по меньшей мере, одна пара встречно действующих дозирующих кромок механически связаны друг с другом посредством штока, так что обе дозирующие кромки каждой пары встречного действия закрываются в некотором промежуточном положении штока, при этом одна дозирующая кромка закрывается, а другая дозирующая кромка каждой пары встречного действия открывается по мере движения штока в первое осевое положение, и упомянутая одна дозирующая кромка открывается, а другая дозирующая кромка каждой пары встречного действия закрывается по мере движения штока в противоположное второе осевое положение.
В одном варианте осуществления, одна дозирующая кромка каждой пары встречного действия выполнена с возможностью управления потоком текучей среды между соответственным отверстием исполнительного механизма и источником текучей среды, а другая управляющая кромка каждой пары встречного действия выполнена с возможностью управления потоком текучей среды между соответственным отверстием исполнительного механизма и выпускным отверстием.
В одном варианте осуществления, одна управляющая кромка каждой пары встречного действия содержит кольцевую тарелку, опирающуюся посредством гибкого элемента на шток и соответственную сопрягаемую посадочную поверхность на корпусе клапана, а другая управляющая кромка каждой пары встречного действия содержит кольцевую тарелку, опирающуюся посредством гибкого элемента на корпус клапана и соответственную сопрягаемую посадочную поверхность на штоке.
В одном варианте осуществления, кольцевые тарелки расположены соосно со штоком, а гибкий элемент каждой кольцевой тарелки содержит соответственный кольцевой уплотнительный элемент, предпочтительно - кольцевую уплотнительную диафрагму или кольцевой уплотнительный сильфон.
В одном варианте осуществления, на одной управляющей кромке каждой пары встречного действия кольцевая тарелка опирается на своей внутренней окружности посредством соответственного кольцевого гибкого уплотнительного элемента на внешнюю окружность штока, а на другой управляющей кромке каждой пары встречного действия кольцевая тарелка опирается на своей внешней окружности посредством соответственного кольцевого гибкого уплотнительного элемента на корпус клапана.
В одном варианте осуществления, каждая кольцевая тарелка сбалансирована по давлению, чтобы приблизительно скомпенсировать силы давления текучей среды, прикладываемые к соответственной кольцевой тарелке.
В одном варианте осуществления, упомянутая, по меньшей мере, одна пара встречно действующих дозирующих кромок содержит одну пару встречно действующих дозирующих кромок для каждого отверстия исполнительного механизма узла клапана текучей среды, при этом отверстие исполнительного механизма предпочтительно находится между встречно действующими дозирующими кромками соответственной пары.
В одном варианте осуществления, упомянутое, по меньшей мере, одно отверстие исполнительного механизма содержит первое отверстие исполнительного механизма и второе отверстие исполнительного механизма, а упомянутая, по меньшей мере, одна пара встречного действия содержит первую пару встречно действующих первой и второй дозирующих кромок для первого отверстия исполнительного механизма и вторую пару встречно действующих третьей и четвертой дозирующих кромок для второго отверстия исполнительного механизма.
В одном варианте осуществления, первое отверстие исполнительного механизма находится между первой дозирующей кромкой и второй дозирующей кромкой первой пары встречного действия, а второе отверстие исполнительного механизма находится между третьей дозирующей кромкой и четвертой дозирующей кромкой второй пары встречного действия.
В одном варианте осуществления,
первая дозирующая кромка содержит первую кольцевую тарелку, расположенную соосно вокруг штока внутри упомянутого центрального отверстия и прикрепленную к корпусу клапана посредством первого гибкого уплотнительного элемента, обеспечивающего движение первой кольцевой тарелки в осевом направлении, причем первая кольцевая тарелка взаимодействует с первой сопрягаемой посадочной поверхностью на штоке для управления потоком текучей среды между первым отверстием исполнительного механизма и одним из подающего отверстия и выпускного отверстия;
вторая дозирующая кромка содержит вторую кольцевую тарелку, расположенную соосно вокруг штока внутри упомянутого центрального отверстия и соединенную с устройством штока посредством второго гибкого уплотнительного элемента, обеспечивающего движение второй кольцевой тарелки в осевом направлении, причем вторая кольцевая тарелка взаимодействует со второй сопрягаемой посадочной поверхностью на корпусе клапана для управления потоком текучей среды между первым отверстием исполнительного механизма и другим из подающего и выпускного отверстий;
третья дозирующая кромка содержит третью кольцевую тарелку, расположенную соосно вокруг штока внутри упомянутого центрального отверстия и прикрепленную к штоку посредством третьего гибкого уплотнительного элемента, обеспечивающего движение третьей кольцевой тарелки в осевом направлении, причем третья кольцевая тарелка взаимодействует с третьей сопрягаемой посадочной поверхностью на корпусе клапана для управления потоком текучей среды между вторым отверстием исполнительного механизма и одним из подающего отверстия и выпускного отверстия; а
четвертая дозирующая кромка содержит четвертую кольцевую тарелку, расположенную соосно вокруг штока внутри упомянутого центрального отверстия и соединенную с устройством корпуса клапана посредством четвертого гибкого уплотнительного элемента, обеспечивающего движение четвертой кольцевой тарелки в осевом направлении, причем четвертая кольцевая тарелка взаимодействует с четвертой сопрягаемой посадочной поверхностью на штоке для управления потоком текучей среды между вторым отверстием исполнительного механизма и другим из подающего и выпускного отверстий.
В одном варианте осуществления, упомянутое, по меньшей мере, одно подающее отверстие содержит общее подающее отверстие, находящееся на среднем участке центрального отверстия, ограниченном между второй и третьей парами дозирующих кромок, а упомянутое, по меньшей мере, одно выпускное отверстие содержит первое выпускное отверстие, находящееся на первом концевом участке центрального отверстия, ограниченном между первой дозирующей кромкой и первым концом центрального отверстия, и второе выпускное отверстие, находящееся на противоположном втором концевом участке центрального отверстия, ограниченном между четвертой дозирующей кромкой и противоположным вторым концом центрального отверстия.
Вариант осуществления изобретения предусматривает наличие средства для обеспечения осевой начальной силы, влияющей на один конец штока, и средства для обеспечения осевой противодействующей силы, влияющей на противоположный конец штока.
Вариант осуществления изобретения предусматривает наличие управляющей диафрагмы начального воздействия и поршня, расположенных на одном конце штока, обеспечивая осевую начальную силу, которая зависит от начального давления текучей среды.
Вариант осуществления изобретения содержит противодействующую диафрагму и противодействующий поршень, расположенные на одном конце штока, обеспечивая противодействующую силу, противоположную осевой начальной силе и соответствующую противодавлению текучей среды, влияющему на противодействующую диафрагму.
В одном варианте осуществления, противодействующая диафрагма выполнена с возможностью масштабирования противодействующей силы, обуславливаемой силой подаваемой текучей среды, влияющей на противодействующую диафрагму.
В одном варианте осуществления, противодействующая диафрагма содержит уплотнительную диафрагму одной из управляющих кромок.
В одном варианте осуществления, все дозирующие кромки выровнены в осевом направлении.
В одном варианте осуществления, упомянутое средство для обеспечения осевой начальной силы содержит средство для обеспечения управляющей диафрагмы начального воздействия и поршня, расположенных на другом конце штока для приложения осевой начальной силы, которая зависит от начального давления текучей среды в камере начального давления, и путь дополнительно ограниченного потока от входа подаваемого давления узла клапана к предварительной ступени, которой управляет начальное давление в камере начального давления и тем самым - осевая начальная сила, а упомянутое средство для обеспечения осевой противодействующей силы содержит противодействующую диафрагму и противодействующий поршень, расположенные на одном конце штока для приложения осевой противодействующей силы, соответствующей противодавлению, влияющему на противодействующую диафрагму в камере противодавления, и путь дополнительно ограниченного потока от входа подаваемого давления узла клапана к камере противодавления.
В одном варианте осуществления, пути ограниченного потока и пути дополнительно ограниченного потока приданы такие размеры, что скорость изменения осевой противодействующей силы и скорость изменения начальной силы из-за изменения подаваемого давления на входе подаваемого давления приблизительно одинаковы.
В одном варианте осуществления, путь ограниченного потока и/или путь дополнительно ограниченного потока содержит ограничитель потока, такой, как дроссель потока, предпочтительно - с диаметром дросселя от примерно 0,1 мм до примерно 0,5 мм, предпочтительнее - от примерно 0,2 мм до примерно 0,3 мм.
В еще одном аспекте изобретения предложен позиционер технологического клапана содержащий электронный блок, имеющий электрический управляющий выход, и пневматический или гидравлический блок, выполненный с возможностью преобразования электрического управляющего выходного сигнала в соответствующее давление текучей среды на выходе для исполнительного механизма, причем упомянутый блок текучей среды содержит узел клапана текучей среды, соответствующий вариантам осуществления изобретения.
В одном варианте осуществления, пневматический или гидравлический блок содержит предварительную ступень и выходную ступень, причем предварительная ступень выполнена с возможностью преобразования электрического управляющего выходного сигнала в начальное давление текучей среды, которое достаточно для управления выходной ступенью, при этом выходная ступень содержит узел клапана текучей среды, соответствующий вариантам осуществления изобретения.
В одном варианте осуществления, пневматический или гидравлический блок содержит дополнительную предварительную ступень, выполненную с возможностью преобразования электрического управляющего выходного сигнала в противодавление текучей среды.
В еще одном аспекте изобретения предложено применение узла клапана текучей среды, соответствующего вариантам осуществления изобретения, при управлении технологическим клапаном.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже будет приведено описание изобретения посредством возможных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:
на фиг.1A и 1B соответственно изображены упрощенный пример известного золотникового клапана 5/3 и соответствующее условное обозначение;
на фиг.1 C и 1D соответственно изображены упрощенный пример известного тарельчатого клапана 4/2 и соответствующее условное обозначение;
на фиг.2A, 2B и 2C схематически изображен узел клапана текучей среды, соответствующий возможным вариантам осуществления изобретения, в трех положениях штока;
на фиг.3A и 3B схематически изображен узел клапана текучей среды, соответствующий дополнительным возможным вариантам осуществления изобретения, в двух положениях штока, а на фиг.3C схематически изображен узел клапана текучей среды, в котором начальная сила и a противодействующая сила, обуславливаются подаваемым давлением;
на фиг.4A, 4B и 4C схематически изображен пример гибкой опоры кольцевой тарелки для штока в трех положениях штока;
на фиг.5A, 5B, 5C и 5D схематически изображены примеры сбалансированных по давлению кольцевых тарелок, соответствующих вариантам осуществления изобретения;
на фиг.6 схематически изображен узел клапана текучей среды, соответствующий дополнительным возможным вариантам осуществления изобретения, для управления исполнительным механизмом простого действия;
на фиг.7 изображена условная блок-схема возможной системы автоматизации процесса;
на фиг.8 изображена возможная компоновка, в которой пневматическими исполнительный механизм приводит в действие технологический клапан под управлением позиционера клапана; и
на фиг.9 показана условная блок-схема возможного интеллектуального контроллера клапана, в котором применим узел клапана текучей среды, соответствующий вариантам осуществления изобретения может.
ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.2A, 2B и 2C схематически изображен узел 20 клапана текучей среды, который соответствует возможному варианту осуществления и может быть соединен с источником текучей среды под давлением для приложения управляющего давления текучей среды к исполнительному механизму.
На фиг.3A и 3B узел 20 клапана текучей среды, соответствующий дополнительным возможным вариантам осуществления изобретения, схематически изображен более подробно. Те же позиции на фиг.2A, 2B, 2C, 3A и 3B обозначают те же или соответствующие элементы, конструкции, функциональные возможности и признаки.
В возможных вариантах осуществления изобретения, узел клапана - это клапан 5/3 с пятью отверстиями и тремя положениями или состояниями для управления исполнительным механизмом двойного действия или соответствующим устройством. Вместе с тем, те же принципы применимы также к узлам клапанов с другим количеством отверстий и/или положений или состояний.
Узел 20 клапана содержит продолговатую раму или продолговатый корпус 201, имеющий осевое центральное отверстие или камеру 202 с подающим отверстием S для приема подаваемой текучей среды под давлением, первое отверстие C1 исполнительного механизма для приложения первого управляющего давления текучей среды к исполнительному механизму двойного действия, первое выпускное отверстие EX1 для сброса (например, в окружающую среду) давления текучей среды из отверстия C1 исполнительного механизма, второе отверстие C2 исполнительного механизма для приложения второго управляющего давления текучей среды к исполнительному механизму двойного действия и второе выпускное отверстие EX2 для сброса (например, в окружающую среду) давления текучей среды из отверстием C2 исполнительного механизма.
В соответствии с одним аспектом изобретения, внутри корпуса 201 клапана предусмотрен шток 203 для движения в осевом направлении в центральном отверстии 202. Шток 203 может содержать две или более деталей, выполненных с возможностью образования одиночного жесткого штока, когда их устанавливают в узле клапана. Шток 203 проходит через множество кольцевых тарелок PR1, PR2, PR3 и PR4, расположенных в местах, отстоящих друг от друга вдоль оси, внутри центрального отверстия 202. Каждая кольцевая тарелка PR1, PR2, PR3 и PR4 расположена соосно со штоком 203, взаимодействуя с соответственной сопрягаемой посадочной поверхностью PS1, PS2, PS3 и PS4 и формируя соответственную дозирующую кромку (которой можно дать альтернативное название - «управляющая кромка») PR1/PS1, PR2/PS2, PR3/PS3 и PR4/PS4, образующую управляющие сопла (изображенные стрелками на фиг.2B, 2C) для управления потоком текучей среды между соответственным отверстием C1, C2 исполнительного механизма и одним из подающего отверстия и выпускного отверстия. В закрытом положении дозирующей кромки, когда кольцевая тарелка прижата к соответственной сопрягаемой посадочной поверхности, поток текучей среды через дозирующую кромку, по существу, отсутствует. Следует понять, что в некоторых вариантах осуществления некоторый поток текучей среды или некоторая утечка текучей среды может допускаться, хотя дозирующая кромка считается закрытой. В открытом положении дозирующих кромок, когда кольцевая тарелка отделена от соответственной сопрягаемой посадочной поверхности, а сопло между ними открыто, поток текучей среды через дозирующую кромку допустим.
В соответствии с одним аспектом изобретения, дозирующие кромки PR1/PS1, PR2/PS2, PR3/PS3 и PR4/PS4 узла 20 клапана механически связаны друг с другом посредством штока 203 и опираются на гибкие элементы SD1, SD2, SD3 и SD4. Осевое относительное движение дозирующих кромок и штока 203 или корпуса 201 допускается в направлении закрывания также при достижении ими закрытых положений. В обычном тарельчатом клапане, когда клапан закрывается, движение тарелки в направлении закрывания продолжаться не может. Это дает возможность точного управления тарельчатым клапаном 5/3 с помощью одной начальной силы, например - с помощью начального давления. Это невозможно в известной тарельчатой конструкции, показанной на фиг.1C. В известной тарельчатой конструкции, раскрытой в документе US 6276385, механическое соединение между тарельчатыми клапанами воплощено с помощью коромысла.
В соответствии с одним аспектом изобретения, для каждого из отверстий C1 и C2 исполнительного механизма предусмотрена пара встречно действующих дозирующих кромок, так что обе дозирующие кромки этой пары встречного действия закрываются в центральном положении штока, одна дозирующая кромка закрывается, другая дозирующая кромка пары встречного действия открывается по мере движения штока 203 в первом осевом направлении, при этом упомянутая одна дозирующая кромка открывается, а другая дозирующая кромка пары встречного действия закрывается по мере движения штока 203 в противоположном втором осевом направлении.
В отличие от золотникового клапана, узел клапана тарельчатого типа может быть выполнен практически не допускающим утечек без использования мягких уплотнений, которые подвержены износу. Необходимый метод изготовления не предъявляет столь же высокие требования, как метод изготовления золотникового клапана с малым зазором. Несмотря на большее количество отверстий компонентов, затраты на изготовление обеспечивают конкурентоспособность.
В одном варианте осуществления, каждая кольцевая тарелка PR1, PR2, PR3 и PR4, расположенная соосно со штоком 203, опирается на соответственный гибкий элемент SD1, SD2, SD3 и SD4 для корпуса 201 или штока 203, так что осевое относительное движение кольцевых тарелок PR1, PR2, PR3 и PR4 и штока 203 или корпуса 201 в направлении закрывания допускается также при достижении кольцевыми тарелками своих закрытых положений.
В одном варианте осуществления, гибкий элемент SD1, SD2, SD3 и SD4 представляет собой кольцевую уплотнительную диафрагму или кольцевой уплотнительный сильфон, такой, как, изображенный в примерах согласно фиг.3A и 3B, а также фиг.4A, 4B и 4C.
В одном варианте осуществления, каждая кольцевая тарелка PR1, PR2, PR3 имеет соответственную сопрягаемую посадочную поверхность PS1, PS2, PS3 и PS4, образованную участком большего диаметра штока 203, таким, как буртик или фланец, или образованную участком корпуса, выступающим радиально в центральном отверстии 202, тем самым обеспечивая участок меньшего диаметра центрального отверстия 202, такой, как обращенный внутрь заплечик или фланец корпуса 201.
В одном варианте осуществления, кольцевые тарелки PR1 и PR4 опираются на корпус 201 клапана посредством соответственных гибких элементов SD1 и SD4 на их внешних окружностях, тогда как их внутренние окружности свободны. Кольцевые тарелки PR1 и PR4 могут выступать радиально внутрь к центральному отверстию 202 и иметь соответственные сопрягаемые посадочные поверхности PS1 и PS4, образованные соответственными концевыми участками 203A и 203B большего диаметра штока 203. Кольцевые тарелки PR2 и PR3 опираются на шток 203 соответственными гибкими элементами SD2 and SD3 на их внутренних окружностях, тогда как их внешние окружности свободны. Кольцевые тарелки PR2 и PR3 имеют соответственные сопрягаемые посадочные поверхности PS2 и PS3, образованные на корпусе 201 клапана.
В соответствии с одним аспектом изобретения, для каждого из отверстий C1 и C2 исполнительного механизма предусмотрена пара встречно действующих дозирующих кромок, так что обе дозирующие кромки пары встречного действия закрыты в центральном положении штока, причем одна дозирующая кромка закрывается, а другая дозирующая кромка пары встречного действия открывается по мере движения штока 203 в первом осевом направлении, и упомянутая одна дозирующая кромка открывается, а другая дозирующая кромка пары встречного действия закрывается по мере движения штока 203 в противоположном втором осевом направлении.
В одном варианте осуществления, первая пара встречно действующих дозирующих кромок для первого отверстия C1 исполнительного механизма содержит первую дозирующую кромку PR1/PS1 и вторую дозирующую кромку PR2/PS2. Вторая пара встречно действующих дозирующих кромок для второго отверстия C2 исполнительного механизма содержит третью дозирующую кромку PR3/PS3 и четвертую дозирующую кромку PR4/PS4.
В одном варианте осуществления, первая дозирующая кромка PR1/PS1 управляет потоком текучей среды между первым отверстием C1 исполнительного механизма и первым выпускным отверстием EX1, вторая дозирующая кромка PR2/PS2 управляет потоком текучей среды между первым исполнительным отверстием C1 и подающим отверстием S, третья дозирующая кромка PR3/PS3 управляет потоком текучей среды между вторым отверстием C2 исполнительного механизма и подающим отверстием S, а четвертая дозирующая кромка PR4/PS4 управляет потоком текучей среды между вторым отверстием C2 исполнительного механизма и вторым выпускным отверстием EX2.
В одном варианте осуществления, первое отверстием C1 исполнительного механизма находится на участке (или в средней камере) 202B центрального отверстия 202, ограниченном (ограниченной) между первой и второй парами дозирующих кромок PR1/PS1 и PR2/PS2, а второе отверстие C2 исполнительного механизма находится на участке (или в средней камере) 202D центрального отверстия 202, ограниченном (ограниченной) между третьей и четвертой парами дозирующих кромок PR3/PS4.
В одном варианте осуществления, подающее отверстие S находится на среднем участке (или в средней камере) 202C центрального отверстия 202, ограниченном между второй и третьей парами дозирующих кромок PR2/PS2 и PR3/PS3. Первое выпускное отверстие EX1 находится на концевом участке (или в концевой камере) 202A центрального отверстия 202, ограниченном (ограниченной) между первой дозирующей кромкой PR1/PS1 и одним концом центрального отверстия 202, а второе выпускное отверстие EX2 находится на противоположном концевом участке (или в концевой камере) 202E центрального отверстия 202, ограниченном (ограниченной) между четвертой дозирующей кромкой PR4/PS4 и противоположным концом центрального отверстия 202. Эта конфигурация эффективна с точки зрения габаритов и изготовления. Вместе с тем, можно использовать отличающиеся конфигурации. Например, в альтернативном варианте осуществления изобретения подающему отверстию S можно придать конфигурацию выпускного отверстия, а выпускным отверстиям EX1 и EX2 можно придать конфигурации подающих отверстий S1 и S2. В качестве дополнительного примера, отметим, что единственное подающее отверстие S можно заменить двумя отдельными подающими отверстиями S1 и S2.
В альтернативных вариантах осуществления изобретения, все кольцевые тарелки могут опираться посредством соответственных гибких уплотнительных элементов на шток 202 аналогично кольцевым тарелкам PR2 и PR2, а все сопрягаемые посадочные поверхности могут быть расположено на корпусе 201 клапана аналогично сопрягаемым посадочным поверхностям PS2 и PS3. В дополнительных альтернативных вариантах осуществления изобретения, все кольцевые тарелки могут опираться посредством соответственных гибких уплотнительных элементов на корпус 201 клапана аналогично кольцевым тарелкам PR1 и PR4, а все сопрягаемые посадочные поверхности могут быть расположены на штоке 203 аналогично сопрягаемым посадочным поверхностям PS1 и PS4. Вместе с тем, в этом случае некоторые кольцевые тарелки не должны находиться на стороне более высокого давления, соответственная дозирующая кромка которой может вызывать проблемы при управлении потоком и при балансировке давления.
В одном варианте осуществления, для приложения закрывающих сил к дозирующим кромкам предусмотрены предварительно нагруженные упругие элементы, такие, как пружины. Например, можно предусмотреть одну или несколько предварительно нагруженных пружин вокруг штока 203 в центральном отверстия 202 у отверстия C1 исполнительного механизма, чтобы те упирались в кольцевую тарелку PR1 на другом конце и упирались в подходящий опорный элемент, такой, как заплечик на корпусе 201 или буртик на штоке 203 на другом конце. Вследствие этого, к кольцевой тарелке PR1 прикладывается осевая закрывающая сила, прижимая его к сопрягаемой посадочной поверхности PS1. Аналогичным образом, в центральном отверстии 202 у отверстия C2 исполнительного механизма можно расположить одну или несколько предварительно нагруженных пружин вокруг штока 203, чтобы те упирались в кольцевую тарелку PR4 другом конце и в подходящий опорный элемент, такой, как как заплечик на корпусе 201 или буртик на штоке 203 на другом конце. В качестве дополнительного примера, отметим, что вокруг штока 203 между кольцевыми тарелками PR2 и PR3 можно расположить одну или несколько предварительно нагруженных пружин для приложения осевой закрывающей силы к кольцевой тарелке PR2 на одном и к кольцевой тарелке PR3 - на другом конце. Вместе с тем, следует понять, конкретный метод, посредством которого создают закрывающие силы, не существенен для основного изобретения.
В закрытом центральном положении штока 203, изображенном на фиг.2A, равнодействующей осевой силы F, которая могла бы переместить шток 203 из центрального положения в осевом направлении, нет. Все дозирующие кромки PR1/PS1, PR2/PS2, PR3/PS3 и PR4/PS4 закрыты, т.е., каждая кольцевая тарелка PR1, PR2, PR3 и PR4 прижата к соответственной ей сопрягаемой посадочной поверхности PS1, PS2, PS3 и PS4. Между отверстиями EX1, C1, S, C2 и EX2 потока текучей среды нет. На фиг.4A, 4B и 4C схематически изображен пример воплощения гибкой опоры SD3 для кольцевой тарелки PR3 на шток 203. Гибкая опорная мембрана SD3 может быть в виде складной кольцевой уплотнительной диафрагмы, имеющей внутреннюю окружность, по которой происходит крепление к внешней периферии штока 203, и имеющей внешнюю окружность по которой происходит крепление к внутренней окружности кольцевой тарелки PR3. Сопрягаемая посадочная поверхность PS3 представляет собой поверхность крепления на корпусе 201 клапана. На фиг.4A, U-образная складка уплотнительный диафрагмы SD1 является приблизительно или почти недеформируемой, а кольцевая тарелка PR3 покоится у сопрягаемой уплотнительной поверхности PS3. Следует понять, что закрытое положение дозирующей кромки может предусматривать поддиапазон суммарного перемещения, составляющий, например, 10 процентов суммарного перемещения, и потому оказывается возможной небольшая деформация уплотнительной диафрагмы, т.е., та оказывается приблизительно или почти недеформированной.
Осевая равнодействующая сила F может быть образована посредством осевой начальной силы, действующей на один конец штока 203, и осевой противодействующей силы, действующей на противоположный конец штока 203. В возможном варианте осуществления изобретения, начальную силу можно прикладывать посредством начального давления текучей среды, действующей на управляющую диафрагму 206 начального воздействия и поршень 207, расположенные на одном конце штока 203, как изображено на фиг.3A и 3B. В возможном варианте осуществления изобретения, противодействующую силу можно обеспечить посредством противодавления текучей среды, действующего на противодействующую диафрагму 208 и противодействующий поршень 209, расположенные на противоположном конце штока 203, как изображено на фиг.3A и 3B. Противодавление в камере 211 может быть подаваемым давлением, а противодействующую диафрагму можно применять для масштабирования противодействующей силы, чтобы та стала равной силе, прикладываемой посредством начального давления в камере 210, так что осевая равнодействующая сила F оказывается почти равной нулю. Площадь противодействующей диафрагмы 208 будет меньше, чем площадь управляющей диафрагмы 206 начального воздействия. Отношение площадей диафрагм может составлять, например, где-то от 0,5 до 0,95, в зависимости от приложения. Получение также противодействующей силы на основе прикладываемого давления делает и противодействующую силу, и начальную силу масштабируемыми прикладываемым давлением, которое можно изменять, тем самым обеспечивая конструкцию, сбалансированную по подаваемому давлению.
В одном варианте осуществления, можно предусмотреть предварительную ступень PR, которая управляет начальным давлением в камере 210 начального давления, а значит - и осевой начальной силой, как схематически изображено на фиг.3C. Предварительная ступень PR может управлять начальным давлением в камере 210 начального давления, например, за счет управления с помощью клапана или затвора, посредством которого подаваемое давление воздуха стравливают в окружающую среду, и посредством которого некоторое количество воздуха направляют в камеру 210 начального давления через вход 303 начального давления. Тогда наименьшее начальное давление может быть получено, когда затвор или клапан находится в своем открытом положении, что может соответствовать заранее определенному ограничительному соплу, такому, как составляющее 0,5 мм в диаметре. Затем затвор или клапан перемещают в направлении закрывания, ограничительное сопло становится меньше, а начальное давление растет, и в конце концов затвор или клапан оказывается в его закрытом положении, в котором ограничительное сопло оказывается наименьшим или нулевым, а начальное давление - наибольшим. Как правило, подаваемое давление, прикладываемое к предварительной ступени PR, может быть ограничено для предварительного масштабирования подаваемого давления на протяжении желаемого диапазона управления, в котором находится начальное давление. Ограничение потока для задания диапазона управления может соответствовать, например, ограничительному соплу диаметром 0,2 мм.
В динамических ситуациях, где текучая среда под подаваемым давлением течет в камеру 202B или 202D исполнительного механизма из камеры 202C подачи через открытую дозирующую кромку PR3/PS3 или PR3/PS3, соответственно, подаваемое давление может внезапно упасть, что приводит к соответствующему падению осевой противодействующей силы и осевой начальной силы с разными задержками. Падение давления может быть настолько внезапным и коротким, что сможет повлиять только на осевую противодействующую силу, тем самым приводя, например, к увеличению осевой равнодействующей силы (к пику равнодействующей силы). Увеличение равнодействующей силы вызывало бы движение штока 203 вверх, вследствие чего происходило бы большее открывание дозирующей кромки и дальнейшее падение подаваемого давления SP. Кроме того если пользователь поднимает подаваемое давление в некоторый момент времени, каждая из осевой противодействующей силы и осевой начальной силы может достигать своих новых значений с разными задержками, вызывая также нежелательный пик равнодействующей силы. Аналогично, если пользователь уменьшает подаваемое давление со временем, возможно создание аналогичного пика равнодействующей силы.
В соответствии с одним аспектом изобретения, влияние флуктуации подаваемого давления на осевую противодействующую силу и осевую начальную силу стабилизируется и делается одинаковым. В возможных вариантах осуществления изобретения, путь ограниченного потока, такой, как путь 301 ограниченного потока, изображенный на фиг.3C, может быть предусмотрен между камерой 211 противодавления и камеры 202C подачи (включая участок канала подаваемого давления вблизи реальной внешней камеры 202C). Посредством пути 301 ограниченного потока, внезапные флуктуации подаваемого давления в камере 202C подачи или самого подаваемого давления устраняются из камеры 211 противодавления, тогда как более медленные или постоянные изменения подаваемого давления в камере 202C подачи перейдут в камеру 211 противодавления.
В одном варианте осуществления, можно предусмотреть путь 302 ограниченного потока из камеры 202C подачи (включая вход подаваемого давления вблизи внешней камеры 202C подачи) к предварительной ступени PR. Путь 302 ограниченного потока может также воплощать ограничение подаваемого давления потока с целью задания диапазона управления для начального давления. Посредством пути 302 ограниченного потока, соединенного с камерой 202C подачи, стабилизируют флуктуацию подаваемого давления на предварительной ступени PR. Посредством пути 203 ограниченного потока демпфируют или исключают внезапные флуктуации подаваемого давления в камере 202C подачи из подаваемого давления на предварительной ступени PR и из начального давления, которое при этом сохраняется в камере 210 начального давления, тогда как более медленные иди постоянные изменения подаваемого давления в камеры 202C подачи будут проходить в камеру 210 начального давления. Пути 301 ограниченного потока и пути 302 ограниченного потока можно придать такие размеры, что изменение подаваемого давления в камере 202C подачи будет оказывать влияние, по существу, при аналогичных скоростях на осевую противодействующую силу посредством камеры начального давления 21l и на начальную силу посредством камеры 210 начального давления, так что изменение равнодействующей силы оказывается нулевым или весьма малым. Таким образом, противодавление в камере 211 противодавления и начальное давление в камере начального давления могут управляемо и стабильно отслеживать любую флуктуацию подаваемого давления в камере 202C подачи, вследствие чего можно избежать быстрых неуправляемых движений или проскоков штока 203 клапана.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, пути 301 и 302 ограниченного потока могут содержать участок 301A и 302A, более узкий или имеющий меньший диаметр, соответственно, называемый ограничителем потока, такой, как ограничительное сопло (RO), как изображено на фиг.3C. Площадь (т.е., диаметр) ограничительного сопла определяет скорость потока на выходе для некоторой заданной технологической текучей среды при конкретных давлении и температуре. Ограничительное сопло используют главным образом для достижения управляемого или ограниченного потока технологической среды. Сопло позволяет ограничить технологический поток, и напор падает от точки выше по течению к точке ниже по течению. В возможных вариантах осуществления изобретения, ограничительное сопло 301A и 302A предпочтительно может иметь диаметр дросселя of от примерно 0,1 мм до примерно 0,5 мм, предпочтительнее - от примерно 0,2 мм до примерно 0,3 мм. Следует понять, что ограничительные сопла 301A и 302A в типичном случае не могут иметь одинаковый размер, но их относительные размеры можно выбрать такими, что упомянутое изменение подаваемого давления в камере 202C подачи будет влиять, по существу, при одинаковых скоростях на осевую противодействующую силу посредством камеры 211 противодавления и на начальную силу посредством камеры 210 начального давления, так что изменение равнодействующей силы окажется нулевым или очень малым. В типичном случае, пути 302 ограниченного потока можно придать размеры, позволяющие, прежде всего, получить желаемый диапазон начального давления, а пути 301 ограничения потока можно придать размеры, позволяющие стабилизировать осевую равнодействующую силу.
В качестве еще одного примере, отметим, что осевую противодействующую силу можно обеспечить посредством упругого предварительно нагруженного элемента, такого, как пружина, располагаемая на противоположный конец штока 203. Вместе с тем, составляющая силы этой альтернативной пружины представляет собой механическую силу, которая изменяется вместе с подаваемым давлением, тогда как начальное давление является результатом подаваемого давления и зависит от него. Это ограничивает диапазон подаваемого давления, который можно использовать. В варианте осуществления изобретения, чтобы нивелировать эту проблему, начальное давление текучей среды можно получать в результате регулирования подаваемого давления текучей среды посредством регулятора давления.
В одном варианте осуществления, площадь противодействующей диафрагмы 208 и площадь управляющей диафрагмы 206 начального воздействия могут быть приблизительно равными друг другу, а противодавление текучей среды может быть заранее масштабированным.
В одном варианте осуществления, площадь противодействующей диафрагмы 208 и площадь управляющей диафрагмы 206 начального воздействия могут быть приблизительно равными друг другу, а противодавление текучей среды может представлять собой второе начальное давление текучей среды, управляемое предварительной ступенью аналогично ранее упомянутому управлению начальным давлением текучей среды. В таком варианте осуществления изобретения, в случае исчезновения, например, подаваемого давления, подачи электропитания, начального давления и/или управляющего сигнала, узел клапана текучей среды перейдет в закрытое промежуточное положение, а исполнительный механизм останется в текущем положении (функция остановки в последнем положении (ʺFail Freezeʺ)).
Осевая равнодействующая сила F оказывается нулевой, когда осевая направляющей сила и осевая противодействующая сила равны, а узел клапана находится в закрытом центральном положении, изображенном на фиг.2A. Исполнительный механизм не движется (например, управляющий клапан сохраняет свое текущее отверстие). Когда осевая начальная сила, увеличиваясь, становится большей, чем осевая противодействующая сила, создается положительная осевая равнодействующая сила F, и шток 203 движется вверх (в положительном направлении), как изображено на фиг.2B, 3A и 4B. C кольцевой тарелкой PR3 вводится в зацепление вводимый в зацепление элемент 205, такой, как буртик на штоке 203, и движет ее вверх, тем самым открывая третью дозирующую кромку PR3/PS3, а текучая среда течет из подающего отверстия S в отверстие C2 исполнительного механизма. В примерах, показанных на фиг.3A и 4B, U-образная складка уплотнительный диафрагмы SD3 принимает или сохраняет приблизительно недеформированную форму, потому что кольцевая тарелка PR3 может свободно двигаться со штоком 203. При этом встречно действующая дозирующая кромка PR4/PS4 поддерживается закрытой, когда движущаяся вверх посадочная поверхность PS4 штока 203 введена в зацепление, и движет вверх кольцевую тарелку PR4, которая гибко опирается на корпус 20. В примере, показанном на фиг.3A, U-образная форма уплотнительный диафрагмы SD4 деформируется, обеспечивая движение кольцевой тарелки PR4 относительно корпуса 201. Посадочная поверхность PS1 штока 203 тоже движется вверх и отделяется от кольцевой тарелки PR1, тем самым открывая первую дозирующую кромку PR1/PS1, а текучая среда течет из отверстия C1 исполнительного механизма в выпускное отверстие EX1. В примерах, показанных на фиг.3A, U-образная складка уплотнительный диафрагмы SD1, грубо говоря, не деформирована. При этом, поскольку кольцевая тарелка PR2 гибко опирается на шток 203, она сохраняет неподвижность у сопрягаемой посадочной поверхности PS2 на корпусе 201, тогда как шток 203 движется вверх через кольцевая тарелка PR2. Таким образом, дозирующая кромка PR2/PS2 поддерживается закрытой. В примере, показанном на фиг.3A, U-образная форма уплотнительный диафрагмы SD2 деформируется, обеспечивая движение кольцевой тарелки PR2 относительно штока 203. Исполнительный механизм движется в первом направлении (например, к положению 100%-ного открывания управляющего клапана).
Начиная с положения, изображенного на фиг.2B, 3A и 4B, когда осевая начальная сила уменьшается, становясь равной осевой противодействующей силе, а потом - и меньшей чем она, сначала уменьшается положительная осевая равнодействующая сила F, а потом создается отрицательная осевая равнодействующая сила F, и шток 203 движется вниз (в отрицательном направлении), как изображено на фиг.2C, 3B и 4C. Вводимый в зацепление элемент 204, такой, как буртик на штоке 203, вводится в зацепление с кольцевой тарелкой PR2 и движет ее вниз, тем самым открывая вторую дозирующую кромку PR2/PS2, а текучая среда течет из подающего отверстия S в отверстие C1 исполнительного механизма. В примере, показанном на фиг.3B, U-образная форма уплотнительный диафрагмы SD2 восстанавливает свое исходное состояние, грубо говоря - недеформированную форму, а кольцевая тарелка PR2 движется вверх относительное штока 203. При этом встречно действующая дозирующая кромка PR1/PS1 закрывается, когда кольцевая тарелка PR1, поскольку она гибко опирается на корпус 201, вводится в зацепление с движущейся вниз посадочной поверхностью PS1 штока 203 и движется вниз. В примере, показанном на фиг.3B, U-образная форма уплотнительный диафрагмы SD1 деформируется, обеспечивая движение кольцевой тарелки PR1 вниз относительно корпуса 201. Посадочная поверхность PS4 штока 203 тоже движется вниз и отделяется от кольцевой тарелки PR4, тем самым открывая четвертую дозирующую кромку PR4/PS4, а текучая среда течет из отверстия C2 исполнительного механизма в выпускное отверстие EX2. В примере, показанном на фиг.3B, U-образная форма уплотнительной диафрагмы SD4 восстанавливает свое исходное состояние, грубо говоря - недеформированную или почти недеформированную форму, а кольцевая тарелка PR4 движется вниз относительно корпуса 201. При этом, кольцевая тарелка PR3, поскольку она гибко опирается на шток 203, движется к сопрягаемой посадочной поверхности PS3 на корпусе 201 и останавливается там, тогда как шток 203 движется вниз. Таким образом, дозирующая кромка PR3/PS3 закрывается. В примерах, показанных на фиг.3B и 4C, U-образная форма уплотнительный диафрагмы SD3 деформируется, обеспечивая движение кольцевой тарелки PR3 вверх относительное штока 203. Исполнительный механизм движется во втором направлении (например, к положению 0%-ного открывания управляющего клапана).
В соответствии с одним аспектом изобретения, кольцевые тарелки PR1, PR2, PR3 и PR4 могут быть сбалансированными по давлению. Сбалансированной по давлению кольцевой тарелке можно придать такие размеры и форму, что силы давления текучей среды, прикладываемые к кольцевой тарелке, компенсируются, в результате чего результирующая сила давления текучей среды, воздействующая на соответственную дозирующую кромку 501, оказывается очень малой или нулевой. В результате, силы управления, необходимые для движения штока, являются лишь долей силы управления, необходимой в несбалансированных узлах тарельчатых клапанов. Это обеспечивает возможность управлять штоком 203 быстрее, чем в известном тарельчатом клапане (а это приводит к лучшему управлению) или с меньшим начальным давлением (что приводит к меньшей потребности контроллера в энергии). Компенсация сил давления текучей среды приводит также к линейной работе штока 203 на протяжении диапазона управления. В известных технических решениях, не скомпенсированные силы давления текучей среды вносят значимое явление разрыва (большую мертвую зону) точно в середине диапазона управления. Поэтому, сбалансированные по давлению кольцевые тарелки приводят к значительно лучшей управляемости узла тарельчатого клапана, соответствующего возможному варианту осуществления изобретения, по сравнению с известными узлами тарельчатых клапанов. Это обеспечивает применение высокопроизводительной выходной ступени также для управления малыми исполнительными механизмами без потери точности управления технологического клапана.
Кольцевые тарелки PR1, PR2, PR3 и PR4 представляют собой примеры сбалансированных по давлению кольцевых тарелок. Еще один пример сбалансированной по давлению кольцевой тарелки изображен на фиг.5A. Возможная кольцевая тарелка изображена в случае ее использования вместо сбалансированной по давлению кольцевой тарелки PR3, но аналогичную кольцевую тарелку можно использовать вместо любой из кольцевых тарелок, показанных на фиг.2A, 2B, 2C, 3A, 3B, 4A, 4B и 4C. На фиг.5A дозирующая кромка PR3/PS3 показана в закрытом положении. Кольцевая тарелка PR3 находится на стороне высокого давления (подаваемого давления) в средней камере 202C. Гибкая уплотнительная диафрагма SD3 может обеспечивать воздухонепроницаемое уплотнение между кольцевой тарелкой PR3 и штоком 203, а также крепит кольцевую тарелку PR3 к штоку 203, обеспечивая при этом осевое относительное движение кольцевой тарелки PR3 и штока 203. Геометрия кольцевой тарелки PR3 может быть такой, что эффективная дозирующая кромка PR3/PS3 образуется на косячке 501, который является относительно узким в радиальном направлении. Средняя точка складки в уплотнительной диафрагме SD3 может быть приблизительно выровнена с косячком 501 в осевом направлении (вертикальном направлении на фиг.5A). На противоположном конце кольцевой тарелки PR3 (верхнем конце на фиг.5A) радиальная ширина от средней точки складки уплотнительной диафрагмы SD3 в направлении наружу может ограничивать заранее определенную площадь верхней поверхности, которая определяет осевую силу давления (направленную вниз), прикладываемую к кольцевой тарелке PR3, подвергающуюся действию осевой силы давления (направленной вниз) благодаря подаваемому давлению. Геометрию кольцевой тарелки PR3 можно выбрать так, что ниже кольцевой тарелки вплоть до косячка 501 прикладывается высокое давление, что иллюстрируется посредством камеры 202G высокого давления. Нижней поверхности 503, обращенной к камере 202, можно придать такие размеры, что подаваемое давление, действующее на нижнюю поверхность кольцевой тарелки PR3, обеспечит компенсирующую силу осевого давления (направленную вверх), которая приблизительно равна силе направленного вниз давления. Вследствие этого, равнодействующая сила давления, влияющая на кольцевую тарелку PR3, оказывается очень малой или нулевой. На стороне низкого давления - в пространстве 202F под гибкой диафрагмой SD4 и над простирающимся радиально внутрь буртиком 504 кольцевой тарелки PR3 - может присутствовать низкое давление. Размеры буртика 504 могут быть такими, что направленная вниз сила давления, обуславливаемая низким давлением текучей среды на верхней поверхности буртика 504 будет приблизительно компенсировать направленную вниз силу давления, обуславливаемую низким давление текучей среды под кольцевой тарелкой PR3. Элемент 502 представляет собой пример крепления гибкой уплотнительной диафрагмы SD3 к кольцевой тарелке PR3. На фиг.5B изображен пример использования аналогичной кольцевой тарелки вместо кольцевой тарелки PR1, которая гибко соединена с корпусом 201. Профиль кольцевой тарелки PR1 может быть зеркальным отражением профиля, показанного на фиг.5A. Кроме того, установка кольцевой тарелки PR1 предусматривает поворот вертикально аналогично на фиг.3A и 3B. На фиг.5C изображен дополнительный возможный профиль кольцевой тарелки (в этом примере показана кольцевая тарелка PR3). На фиг.5D изображен дополнительный возможный профиль кольцевой тарелки (в этом примере показана кольцевая тарелка PR1). Каждый из профилей кольцевых тарелок может быть повернут вертикально или горизонтально вместо других кольцевых тарелок PR1, PR2, PR3 и PR4, показанных на фиг.2A, 2B, 2C, 3A, 3B, 4A, 4B и 4C. Возможны также два или несколько разных профилей кольцевых тарелок в одном и том же узле 20 клапана. Например, кольцевые тарелки PR1 и PR4 могут иметь профиль, соответствующий фиг.5D, а кольцевые тарелки PR2 и PR3 могут иметь профиль, соответствующий фиг.5C.
Для исполнительного механизма простого действия требуется только одно отверстие исполнительного механизма, и необходимы лишь две дозирующие кромки: одна - для управления потоком текучей среды из подающего отверстия S, обеспечивающего давление текучей среды, в отверстие исполнительного механизма, а еще одна - для управления потоком текучей среды из отверстия исполнительного механизма в выпускное отверстие. Узел 20 клапана текучей среды для исполнительного механизма двойного действия можно использовать также для исполнительного механизма простого действия, пользуясь лишь одним из отверстий C1 и C2 исполнительного механизма и блокируя другое из них.
На фиг.6 схематически изображен узел 60 клапана текучей среды, соответствующий дополнительным возможным вариантам осуществления изобретения для управления исполнительным механизмом простого действия или соответствующим устройством. Узел 60 клапана может быть упрощенной версией узла 20 клапана, и к нему применимы те же принципы, что и описанные здесь в связи с узлом 20 клапана текучей среды для исполнительного механизма двойного действия. Те же позиции на фиг.6 и на фиг.2A-2C, 3A-3B, 4A-4C, 5A-5D относятся к тем же или соответствующим элементам, конструкциям, функциональным возможностям и признакам.
В возможном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.6, узел 60 клапана представляет собой клапан 3/3 с тремя отверстиями и тремя положениями или состояниями. Узел 60 клапана является упрощенной версией вышеописанного узла 20 клапана; он представляет собой в основном нижнюю половину узла 20 клапана. Вместе с тем, дозирующие кромки, находящиеся в верхней половине или на среднем участке узла 20 клапана можно было бы аналогичным образом использовать и для обеспечения узла 60 клапана. В качестве дополнительной альтернативы, можно использовать верхние и нижние дозирующие кромки, тогда как дозирующие кромки на среднем участке можно исключить. Узел 60 клапана содержит продолговатую раму или продолговатый корпус 201, имеющий осевое центральное отверстие или камеру 202 с подающим отверстием S для приема подаваемой текучей среды под давлением, отверстие C2 исполнительного механизма для приложения управляющего давления текучей среды к исполнительному механизму простого действия и выпускное отверстие EX2 для сброса (например, в окружающую среду) давления текучей среды из отверстия C2 исполнительного механизма. Узел 60 клапана может содержать одну пару встречно действующих дозирующих кромок PR3/PS3 и PR4/PS4, механически связанных друг с другом посредством штока 203, так что обе дозирующие кромки пары встречного действия закрыты в центральном положении штока 203, причем одна дозирующая кромка закрывается, а другая дозирующая кромка пары встречного действия открывается по мере движения штока 203 в первом осевом направлении, при этом упомянутая одна дозирующая кромка открывается, а другая дозирующая кромка пары встречного действия закрывается по мере движения штока 203 в противоположном втором осевом направлении. В соответствии с одним аспектом изобретения, дозирующие кромки PR3/PS3 и PR4/PS4 узла 60 клапана механически связаны друг с другом посредством штока 203 и опираются на гибкие элементы SD3 и SD4, так что дозирующие кромки может продолжать движение в направлении штока 203 также при достижении ими своих закрытых положений. В варианте осуществления изобретения, кольцевые тарелки PR3 и PR4 сбалансированы по давлению. В возможном варианте осуществления изобретения, начальная сила может быть обеспечена начальным давлением текучей среды, действующим на управляющую диафрагму 206 начального воздействия и поршень 207, расположенные на одном конце штока 203. В возможном варианте осуществления изобретения, уплотнительная диафрагма SD3 может также функционировать в качестве диафрагмы, прикладывающей противодействующую силу, обеспечивая осевую противодействующую силу для начальной силы. Для привода клапана в безопасное положение в случае отказа, например, когда подаваемое давление или электрическая энергия утрачивается, можно предусмотреть упругий предварительно нагруженный элемент 212, такой, как пружина, расположенная на противоположном конце штока 203. Кроме того, между верхом корпуса 201 и кольцевой тарелкой PR3 можно расположить одну или несколько предварительно нагруженных пружин 213, расположенных вокруг штока 203 для приложения осевой закрывающей силы к кольцевой тарелке PR3. В качестве дополнительного примера, отметим, что в центральном отверстии 202 у отверстия C2 исполнительного механизма можно предусмотреть одну или несколько предварительно нагруженных пружин вокруг штока 203, упирающихся в кольцевую тарелку PR4 на другом конце и упирающихся в подходящий опорный элемент, такой, как заплечик, на корпусе 201 или буртик штоке 203 на другом конце. В примере, показанном на фиг.6, корпус 201 может содержать множество отдельных деталей, таких, как 201A, 201B и 201C, в сборе образующих корпус 201. Такой подход может упростить изготовление и сборку клапана текучей среды.
Следует также признать, что все варианты осуществления изобретения, рассмотренные в связи с узлом 20 клапана текучей среды для исполнительного механизма двойного действия, применимы также в узле 60 клапана текучей среды для исполнительного механизма простого действия, и наоборот.
Варианты осуществления изобретения применимы при управлении любыми исполнительными механизмами, приводимыми в действие давлением текучей среды. Варианты осуществления изобретения пригодны, в частности, при управлении исполнительными механизмами технологических устройств, таких, как управляющие клапаны, запорные клапаны, сита, и т.д., в любой системе автоматизации для любого промышленного процесса и т.п.
На фиг.7 показана условная блок-схема возможной системы автоматизации процесса, в которой принципы изобретения применимы к позиционеру клапана. В системном блоке 75 управления в общем случае представлены всевозможные компьютер(ы) и/или программы для диспетчерских и компьютер(ы) и/или программы для управления процессами, а также базы данных, которые в системе автоматизации могут быть взаимосвязаны локальной сетью 74 предприятия. Для системы управления существуют различные архитектуры. Например, система управления может быть системой прямого цифрового управления (ПЦУ) или распределенной системой управления (РСУ), причем обе они известны в данной области техники.
В примере согласно фиг.7 показан только один управляемый технологический клапан, но система автоматизации, вместе с тем, может включать в себя любое количество полевых устройств, таких, как управляющие клапаны, причем оно зачастую достигает сотен. Существуют альтернативные способы компоновки взаимосвязи между системой управления и полевыми устройствами, такими, как управляющие клапаны, в пределах площади агрегата. Показанная на фиг.7 полевая или предназначенная для обработки данных шина 73 в общем случае отображает любую такую взаимосвязь. Полевые устройства традиционно соединяли с системой управления посредством двухпроводных контуров с витыми парами, при этом каждое устройство соединено с системой управления посредством одиночной витой пары, обеспечивающей аналоговый входной сигнал 4-20 мА. В последнее время, в системах управления использовали новые решения, такие, как протоколы магистрально адресуемых дистанционных датчиков (HART), которые обеспечивают передачу цифровых данных вместе с обычным аналоговым сигналом 4-20 мА в контуре с витой парой. Протокол HART подробнее описан, например в публикации ʺHART Field Communication Protocol: An Introduction for Users and Manufacturers, HART Communication Foundationʺ («Протокол HART связи в полевых условиях: Введение для пользователей и производителей», Учебный центр HART-связи), 1995. Протокол HART также переработан в промышленный стандарт. Примеры других полевых шин включают в себя Foundation Fieldbus и Profibus PA. Вместе с тем, должно быть понятно, что тип или воплощение полевой или предназначенной для обработки данных шины 73 не является предметом данного изобретения. Полевая или предназначенная для обработки данных шина 73 может быть основана на любой из вышеописанных альтернатив, или на любой их совокупности, или представлена в любом другом воплощении.
Технологический клапан 71 и позиционер/исполнительный механизм 72 могут быть связаны с процессом управления потоком вещества в технологическом трубопроводе 76. Поток материала может содержать любой текучий материал, такой, как текучие среды, растворы, жидкости, газы и водяной пар.
На фиг.8 изображена возможная компоновка, в которой пневматический исполнительный механизм 72B приводит в действие технологический клапан 71 под управлением позиционера 72A клапана. Пример технологического клапана 71 представляет собой управляющий клапан Neles® RotaryGlobe от Metso Corp. Примером позиционера 72A клапана, в котором применимы варианты осуществления изобретения, является контроллер интеллектуального клапана Neles® ND9000 от Metso Corp. Примером исполнительного механизма 72B является пневматический исполнительный механизм серии Quadra-Powr X от Metso Corp.
Работа интеллектуального контроллера клапана, такого, как контроллер 72A клапана, может быть основана на микроконтроллере, таком, как микропроцессор (μC), который управляет положением клапана на основе управляющей информации, получаемой из линии монтажного соединения или полевой шины 73. Контроллер клапана предпочтительно оснащен средством измерения положения клапана, причем в дополнение к этому измерению он может проводить измерение любых других переменных, таких, как подаваемое давление сжатого воздуха, разность давлений на поршне исполнительного механизма или температура, которые могут понадобиться при самодиагностике клапана или которые контроллер клапана передает в качестве результатов таковой или в качестве обработанной диагностической информации, в компьютер диспетчерской, технологический контроллер, компьютер оперативного контроля условий или аналогичный блок более высокого уровня системы автоматизации через полевую шину.
Возможная блок-схема интеллектуального контроллера клапана на основе микроконтроллера, такого, как контроллер 72A клапана, изображена на фиг.9. Контроллер может включать в себя электронный блок 91, имеющий электрический управляющий выход 90, и пневматический блок 20, 93, который берет электрический управляющий сигнал с выхода 90 и преобразует его соответствующий выходной сигнал P1, P2 давления текучей среды в отверстиях C1, C2 исполнительного механизма, подключаемый к исполнительный механизму 72B. Пневматический блок может содержать предварительную ступень 93 и выходную ступень 20. Выходной ступенью 20 может быть любой узел 20 клапана текучей среды для исполнительного механизма двойного действия, соответствующий вариантам осуществления изобретения. Предварительная ступень 93 осуществляет преобразование электрического тока в давление (I/P), т.е., электрического управляющего сигнала с выхода 90 в малый начальный сигнал 95 управления пневматикой, которого достаточно для управления выходной ступенью 20. Подающее отверстие S выходной ступени 20 связано с подаваемым давлением воздуха. Выходная ступень 20 усиливает малый пневматический сигнал управления пневматикой, превращая его в выходные сигналы 96, 97 пневматического давления большего уровня в отверстиях C1, C2 исполнительного механизма. Устройство может содержать локальный интерфейс пользователя (LUI), гарантирующий локальную конфигурацию. Положением клапана управляет микроконтроллер 11. С этой целью, микроконтроллер 91 может принимать по технологической или полевой шине 93 входной сигнал (уставку), такой, как предусматривающая пару с током 4-20 мА и HART и могущая обеспечивать различные измерения. Устройство может питаться от источника тока 4-20 мА или полевой шины. Микроконтроллер 91 может считывать входной сигнал и показания датчика 92 положения клапана. Микроконтроллер может также считывать показания одного или нескольких датчиков Ps подаваемого давления, первого датчика P1 давления исполнительного механизма, второго датчика P2 давления исполнительного механизма и датчика SPS положения выходной ступени. Разность между уставкой, ограниченной выходным сигналом, и положением, измеренным посредством датчика 92 положения, можно обнаружить посредством алгоритма управления внутри микроконтроллера 91. Микроконтроллер 91 вычисляет новое значение для тока 90 катушки предварительной ступени на основе информации из входного сигнала и из датчика (датчиков). Измененный ток 90, поступающий в предварительную ступень PR, изменяет начальное давление 95 для выходной ступени 20. Начальное давление 95 движет шток 203 выходной ступени, а давления исполнительного механизма в отверстиях C1 и C2 исполнительного механизма соответственно изменяются так, как описано выше в связи с вариантами осуществления изобретения. Когда начальное давление 95 оказывается на уровне некоторого заранее определенного значения, шток 203 центрируется, а все проточные каналы через дозирующие кромки (кольцевые тарелки) закрываются, исполнительный механизм 72B остается неподвижным. Когда начальное давление 95 поднимается от упомянутого заранее определенного значения, шток 202 движется в положительном направлении, а воздух течет из подающего отверстия S в отверстие C2 исполнительного механизма и далее из него к одной стороне (нижней стороне) диафрагменного исполнительного механизма 72B двойного действия, причем с противоположной стороны диафрагменного исполнительного механизма 72B двойного действия происходит сброс давления через отверстие C1 исполнительного механизма в выпускное отверстие X1. Исполнительный механизм движется в направлении полного (100 %) открывания. Конкретнее, увеличение давления приведет к движению поршня 98 диафрагмы вверх. Исполнительный механизм и вал 99 обратной связи вращаются. Датчик 92 положения измеряет это вращение для микроконтроллера 91. Микроконтроллер 91 модулирует ток 90 предварительной ступени PR, изменяя его от значения, соответствующего установившемуся состоянию, до тех пор, пока не достигается новое положение исполнительного механизма 90, соответствующее выходному сигналу. Движение (перемещение) управляющего клапана в противоположном направлении получается за счет того, что вызывается движение штока 203 в противоположном направлении (вниз, в направлении 0%-го открывания) путем уменьшения начального давления 95, вследствие чего отверстие C2 исполнительного механизма оказываются соединенным с выпускным отверстием EX2, а отверстие C1 исполнительного механизма оказывается соединенным с подающим воздух отверстием S. Следует понять, что изображенный контроллер клапана представляет собой лишь пример, а изобретение не ограничивается каким-либо конкретным воплощением контроллера клапана.
Аналогично, контроллер клапана для исполнительного механизма простого действия можно воплотить путем использования узла 60 клапана 3/2, соответствующего вариантам осуществления изобретения, вместо узла 20 клапана 5/3 и устранения необязательных конструкций и функциональных возможностей.
Описание и связанные с ними чертежи предназначены лишь для иллюстрации принципов данного изобретения посредством примеров. Специалистам в данной области техники будут очевидны различные альтернативные варианты осуществления изобретения, разновидности и изменения на основе этого описания. Данное изобретение следует считать не ограничиваемым описанными здесь примерами, а не исключающим изменения в рамках объема и существа притязаний прилагаемой формулы изобретения.
Реферат
Предложен позиционер технологического клапана, содержащий электронный блок, имеющий электрический управляющий выход, и пневматический или гидравлический блок, содержащий предварительную ступень и выходную ступень, причем предварительная ступень выполнена с возможностью преобразования электрического управляющего сигнала с упомянутого выхода в начальное давление текучей среды, которое достаточно для управления выходной ступенью, при этом выходная ступень содержит узел клапана текучей среды для соединения с источником текучей среды под давлением для приложения к гидравлическому или пневматическому исполнительному механизму давления текучей среды исполнительного механизма, при этом узел клапана текучей среды содержит: корпус клапана, имеющий центральное отверстие по меньшей мере с одним подающим отверстием для приема порции текучей среды под давлением, по меньшей мере одно отверстие исполнительного механизма для приложения давления текучей среды исполнительного механизма к гидравлическому или пневматическому исполнительному механизму и по меньшей мере одно выпускное отверстие; шток, перемещаемый внутри упомянутого центрального отверстия в осевом направлении осевой начальной силой; диафрагму начального воздействия и поршень, расположенные на одном конце штока, обеспечивая осевую начальную силу в соответствии с начальным давлением текучей среды, воздействующим на диафрагму начального воздействия и поршень в камере начального давления; противодействующую диафрагму и противодействующий поршень, расположенные на противоположном конце штока, обеспечивая противодействующую силу, противоположную осевой начальной силе и соответствующую противодавлению текучей среды, воздействующему на противодействующую диафрагму в камере противодавления; по меньшей мере одну пару встречно действующих дозирующих кромок, функционально связанных друг с другом посредством штока, причем каждая дозирующая кромка каждой пары встречного действия содержит сопрягаемую посадочную поверхность на корпусе клапана или штока и кольцевую тарелку, опирающуюся посредством гибкого элемента на корпус клапана или шток таким образом, чтобы обеспечить относительное осевое движение кольцевой тарелки и поддерживающего корпуса клапана или штока также в закрытом состоянии соответственной дозирующей кромки, при этом каждая кольцевая тарелка сбалансирована по давлению, чтобы компенсировать силы давления текучей среды, прикладываемые к соответствующей кольцевой тарелке, и чтобы, таким образом, получить очень малую или нулевую результирующую силу давления текучей среды, воздействующую на соответствующую дозирующую кромку; путь ограниченного потока от входа подаваемого давления узла клапана к предварительной ступени для управления начальным давлением в камере начального давления и тем самым осевой начальной силой и дополнительный путь ограниченного потока от входа подаваемого давления узла клапана к камере противодавления. 10 з.п. ф-лы, 21 ил.
