旋轉閥位置指示器的製造方法

2024-04-08 17:43:05

旋轉閥位置指示器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種旋轉閥位置指示器。一種示例性裝置包括限定防爆外殼邊界的致動器殼體。致動器輸出軸具有第一軸部和第二軸部。第一軸部部分地設置在防爆外殼邊界內，並且第二軸部設置在防爆外殼邊界外。可視位置指示器設置在致動器輸出軸的第二軸部上並且指示致動器輸出軸相對於致動器殼體的旋轉位置。
【專利說明】旋轉閥位置指示器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及流體閥，更具體地，涉及一種旋轉流體閥的位置指示器。

【背景技術】
[0002] 過程控制廠或系統經常採用旋轉流體閥，例如球閥、蝶閥、偏心盤閥、偏心塞閥等， 以控制過程流體的流動。通常旋轉閥包括通過軸設置在流體路徑中並且可旋轉地耦接至該 旋轉閥的主體的流體流動控制部件。通常，軸從旋轉閥伸出的部分可操作地耦接至該旋轉 閥的致動器（例如氣動致動器、電動致動器、液壓致動器等）的軸。
[0003] 某些旋轉流體閥包括可視位置指示器以顯示致動器輸出軸或閥軸的角位置，從而 指示該閥體中的流體流動控制部件的位置。可視位置指示器允許過程工程師或儀器技術員 觀察閥位置和操作，而無需使任何其它設備，諸如筆記本電腦或者測量儀表，與閥的閥控制 器相連接。
[0004] 可視位置指示器能夠是電氣的或機械的。電氣可視位置指示器利用電子可視顯示 器，如LED或IXD顯示器，來顯示由電子位置傳感器指示的閥位置，該電子位置傳感器配置 用於產生響應於閥軸的角位置的變化的電信號。因為它們需要額外的功率來運行且可能非 常昂貴，在某些應用中這種電子可視位置指示器可能是不可取的。此外，電子可視位置指示 器可能要求操作員輸入或交互以顯示位置，這對安裝在難以夠著的區域中的閥來說可能是 不可取的。
[0005] 機械可視位置指示器直接或間接地耦接至致動器輸出軸或閥軸，並且因此不需要 額外的功率來運行。因此，雖有功率損耗，機械可視位置指示器允許過程工程師和儀表技術 人員觀察閥位置。相反，電子可視位置指示器僅顯示電子位置傳感器的輸出。因此，如果該 電子傳感器失效，軸位置是不能夠容易確定的。然而，機械可視位置指示器直接或間接地耦 接至致動器輸出軸或閥軸且獨立於任何電子位置傳感器運行。因此，即使電子傳感器失效， 機械可視位置指示器繼續顯示軸位置。此外，機械可視位置指示器提供除了來自電子位置 傳感器的位置信號以外的第二位置指示。該第二位置指示對在設置和校準階段驗證該位置 傳感器操作準確可能會有所幫助。
[0006] 在許多應用中，理想的是減小流體閥構件的功耗。許多閥被安裝在例如油田的遠 程位置，其中外部電源可能不可用。因此，某些閥可以使用由光伏電池捕獲的能量運行。光 伏電池的成本通常與其能量輸出成比例。因此，流體閥被設計用於減小功率需求以減小驅 動閥所需太陽能系統的尺寸。因此，機械可視位置指示器通常是可取的，因為它們不需要任 何額外的功率地運行。
[0007] 許多流體閥被用在惡劣和/或危險環境中，且與這樣的環境有關的行業標準相一 致地推動具體設計要求。在某些應用中，流體閥被用在操作環境中可能包括可燃氣體、蒸汽 或者其他化合物的設施中。例如，流體閥通常用在使用氫氣的天然氣加工廠或設施中。美 國的國家電氣規範（NEC)和加拿大電氣規範（CEC)要求在危險場所使用的電氣裝置獲得公 認的審批機構的相應的審批。北美的三個主要的審批機構為工廠互助保險協會（FM)和美 國的保險商實驗室（UL)以及加拿大的加拿大標準協會（CSA)。審批包括保護的類型和等 級、分工、分組和運行環境的溫度。在北美常用的認證包括，例如防爆、本質安全、非易燃和 粉塵防燃。
[0008] 例如，致動器內的電子器件可能會產生火花，該火花具有點燃致動器殼體內或周 圍的可燃氣體或蒸氣的可能性。防爆閥致動器利用外殼，該外殼能夠承受其內部的氣體或 蒸汽的爆炸以及防止點燃可能圍繞其的可燃氣體或蒸汽。除了具有足夠的強度以遏制爆 炸，將防爆外殼的內部連接到外部環境的所有通道還必須提供火焰通路，以允許燃燒氣體 在其在內部爆炸期間膨脹時，但僅僅在其已被充分冷卻以防止點燃外部環境中的氣體或蒸 汽之後從裝置中逸出。限定火焰路徑的接口必須被製造成具有非常嚴格的公差，這可能需 要專門的製造技術。此外，附加的部件，如密封件，可能需要從外部環境的密封火焰路徑。因 此，理想的是降低限定通過外殼的火焰路徑接口的總數以減少成本和複雜性。
[0009] -種已知的可視位置指示器包括安裝在閥門致動器外殼外部的、在閥軸對面的旋 轉定位輪。旋轉定位輪通常通過附加軸、齒輪、凸輪和/或其他類型的耦接部件間接地耦接 至致動器輸出軸以顯示軸位置。指示器通常包括聚碳酸酯的殼或蓋，以從外部環境保護該 旋轉定位輪。雖然這種類型的位置指示器提供了可視位置顯示，而不需要電力，但是它在閥 門致動器的外殼外部的位置需要外殼中的附加開口。對於防爆外殼，這需要嚴格公差的加 工孔和製造零件並且需要額外的密封件以從外部環境密封該接口。


【發明內容】

[0010] 一種示例性裝置包括限定防爆外殼邊界的致動器殼體。致動器輸出軸具有第一軸 部和第二軸部，該第一軸部部分地設置在防爆外殼邊界內，並且該第二軸部設置在防爆外 殼邊界之外。可視位置指示器設置在致動器輸出軸的第二軸部上並且用於指示該致動器輸 出軸相對於致動器殼體的旋轉位置。
[0011] 另一種示例性裝置包括具有頸部的旋轉閥致動器殼體，並且該頸部具有指示器窗 口。安裝支架耦接至頸部以支承旋轉流體閥。致動器輸出軸至少部分地設置在頸部內並設 置用於支承旋轉流體閥的軸。可視位置指示器耦接至致動器輸出軸，以指示致動器輸出軸 的旋轉位置。可視位置指示器通過指示器窗口是可見的。
[0012] 另一種示例性裝置包括具有由通道連接的第一隔室和第二隔室的致動器殼體。致 動器輸出軸具有第一部分和第二部分。該第一部分至少部分地設置在該第一隔室和該通道 內，並且該第二部分至少部分地設置在該第二隔室內和設置用於支承旋轉流體閥的軸。可 視位置指示器設置在致動器輸出軸的第二部分上以指示致動器輸出軸的旋轉位置。可視位 置指示器從外部是可見的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是一種已知的流體控制閥的分解圖；
[0014] 圖2是一種示例性的流體控制閥的剖視圖；
[0015] 圖3是一種示例性的致動器輸出軸的視圖，其包括示例性的可視位置指示器；
[0016] 圖4是一種示例性的致動器殼體的剖視圖，其表明防爆邊界；
[0017] 圖5是圖4的示例的性致動器殼體的剖視圖，其包括示例性的致動器輸出軸；
[0018] 圖6是一種示例性的控制閥致動器的視圖，其包括示例性的可視位置指示器； [0019] 圖7A是一種示例性的控制閥致動器的視圖，其包括示例性的可視位置指示器；以 及
[0020] 圖7B是圖7A的示例性的控制閥致動器的致動器輸出軸。

【具體實施方式】
[0021] 流體控制閥可包括可視位置指示器以顯示閥軸的位置。這允許過程工程師或儀器 技術員觀察閥位置和操作，而無需將任何附加的設備，諸如筆記本電腦或測量儀表與電子 位置傳感器相連接。已知的可視位置指示器可能需要額外的功率來運行和/或可能需要進 入防爆致動器殼體中的附加開口。
[0022] 通常，根據本發明的示例性旋轉閥位置指示器提供了一種旋轉閥的位置的可視指 示，而不需要外部電源、操作員輸入、專用裝備或進入防爆致動器殼體中的附加開口。
[0023] 在描述上述示例性旋轉閥位置指示器之前，結合圖1提供一種已知的可視位置指 示器的簡要說明。
[0024] 轉向圖1，示出了已知的流體控制閥100。流體控制閥100包括閥體102和在閥體 102內的流體控制部件104,該流體控制部件104控制其中的流體流動。流體控制部件104 耦接至閥軸106,其穿過閥體102並耦接至致動器110的致動器輸出軸108。安裝支架114 將致動器110與閥體102耦接。致動器110控制流體控制部件104經由致動器輸出軸108 和閥軸106的旋轉運動，從而控制通過閥體102的流體流動。
[0025] 該致動器輸出軸108具有第一端116和第二端118。該第一端116耦接至閥軸106。 該第二端118與第一端116相對並穿過致動器110。致動器輸出軸108可以是單一的，使 得第一端116和第二端118直接耦接，或致動器輸出軸108可以包括分離的部分，使得第一 端116和第二端118間接耦接。在任一情況下，第一端116和第二端118與閥軸106同步 轉動。
[0026] 閥控制器120通過安裝支架122耦接至致動器110。閥控制器120產生控制致動 器輸出軸108的旋轉位置的控制信號。編碼器軸124伸出閥控制器120的殼體126並耦接 至致動器輸出軸108,使得編碼器軸124和致動器輸出軸108同步轉動。殼體126內的編碼 器（未示出）產生對應於編碼器軸124的旋轉位置的電輸出信號。這提供了閉環反饋，通 過該閉環反饋閥控制器120可以產生旋轉致動器輸出軸108的控制信號，而通過編碼器軸 124同時監測致動器輸出軸108的實際位置。閥控制器120可以改變控制信號來實現致動 器輸出軸108的所需角位置。
[0027] 可視位置指示器128從與編碼器軸124相對的閥控制器120的殼體126中伸出。 可視位置指示器128包括固定於殼體126的透明的聚碳酸酯蓋130,和在蓋130內的指示 滾筒132。滾筒132直接或間接地耦接至編碼器軸124並且與編碼器軸124、致動器輸出軸 108、和閥軸106同步旋轉。滾筒132包括標記134以指示閥軸106的位置並且，因此指示 該流體控制部件104的位置。例如，滾筒132可以包括表示"開"或"關"的標記134以指示 流體控制部件104是處於打開還是關閉位置。替換地或附加地，滾筒132上的標記134可 以包括各種顏色或顏色梯度，如綠色和紅色，以指示流體控制部件104處於打開、關閉、還 是中間位置。
[0028] 在如圖1所示的該示例性流體閥100中，致動器110和控制器120是分開的構件。 在其它已知的流體閥中，致動器110和控制器120可以集成在單個構件內。這樣的流體閥 可以具有設置在與閥端相反的且可通過在致動器殼體中的開口操作的致動器殼體的外表 面上的可視位置指示器。
[0029] 現在轉向圖2,根據本發明的教導示出了示例性流體控制閥200的剖視圖。雖然結 合示例性流體控制閥200描述下面的裝置和方法，該示例性流體控制閥200是旋轉蝶閥，但 是該示例性的裝置和方法也可以與任何其它類型的旋轉閥一起使用，例如，全徑球閥（full bore ball valve)、分段式球閥、V切口球閥、蝶閥、偏心盤閥、偏心塞閥或其它類型的旋轉 閥。另外，雖然下面的裝置和方法是結合電致動器（例如，Fisher l;_ easy-Drive? 電致動 器）來描述，但是該示例性裝置和方法也可以與任何類型的旋轉致動器一起使用，例如，氣 動致動器、液壓致動器、電動液壓致動器、手動致動器等。
[0030] 該示例性流體控制閥200包括閥體202和在該閥體202內的流體控制部件204,其 控制流過其中的流體流動。流體控制部件204耦接至閥軸206,其穿過閥體202並耦接至致 動器210的致動器輸出軸208。安裝支架212將致動器210與閥體202耦接。致動器210 通過致動器輸出軸208和閥軸206來控制流體控制部件204的旋轉運動，從而控制流過閥 體202的流體流動。
[0031] 致動器210包括致動器殼體214,其包圍電子控制器216、電動機218和齒輪箱 220。電子控制器216電耦接至電動機218,電動機218可為無刷直流電動機。電動機218 可操作地耦接至齒輪箱220,齒輪箱220可操作地耦接至致動器輸出軸208。在操作過程中， 電子控制器216發送控制信號給電動機218以控制其操作。相應地，電動機218旋轉齒輪 箱220內的齒輪組222,以產生致動器輸出軸208期望的輸出速度和扭矩。致動器輸出軸 208和閥軸206同步旋轉，使得致動器210運行以控制流體控制部件204的旋轉位置，從而 控制流過閥體202的流體流動。耦接至致動器殼體214的行程限位部件224可接合致動器 輸出軸208的切口部226以限制其旋轉行程。行程限位部件可以包括，例如，螺栓或銷。
[0032] 現在轉向圖3,示出了示例性致動器輸出軸208的視圖。致動器輸出軸208具有第 一軸部228和第二軸部230,第二軸部230具有大於第一軸部228的直徑。可視位置指示 器232固定地布置在第二軸部230上並具有記號234以提供參考致動器輸出軸208的固定 點。通過在致動器輸出軸208具有較大直徑的部分上設置可視位置指示器232,可視位置指 示器232更大且更易於目視觀察。
[0033] 現在轉向圖4,示出了示例性致動器殼體214的剖視圖。致動器殼體214包括底 座236和蓋238,蓋238接合底座236以包圍致動器殼體214的第一內部隔室240。更具體 地說，底座236具有唇242,蓋238配合在其上直至蓋238的法蘭244接合底座236的法蘭 246,從而壓縮密封件248。底座236和蓋238的這種耦接限定了它們之間的第一火焰路徑 250。底座236和蓋238被製造使得第一火焰路徑250保持非常嚴格的公差，以滿足上面所 討論的嚴格的認證標準，如防爆、本質安全、非易燃和粉塵防燃標準。為求清楚和簡潔，在此 致動器殼體被描述為"防爆"。但是，如本文所用的"防爆"一詞意在包括與運行在惡劣和/ 或危險的環境相關的，包括但不限於防爆、本質安全、非易燃和粉塵防燃的所有行業標準。
[0034] 致動器殼體214的底座236限定了將第一內部隔室240與第二內部隔室254流動 地耦接的通道252。結合圖5進一步描述通道252和第二內部隔室254,圖5示出了與圖4 的致動器殼體214連接的致動器輸出軸208。如圖5中所示，致動器輸出軸208的第一部分 228從致動器殼體214的第一內部隔室240伸出，穿過通道252,並且部分地進入第二內部 隔室254中。致動器輸出軸208的第二部分230從第二內部隔室254內的第一部分228中 伸出。通路252稍微大於致動器輸出軸208的第一部分228,使得第一部分228和通路252 之間的間隙限定了延伸到O型環密封件257的第二火焰路徑256。
[0035] 第一和第二火焰路徑250, 256限定防爆邊界258,該防爆邊界258包括第一內部 隔室240和致動器殼體214延伸至0型環密封件257的通道252。如果在致動器殼體214 的防爆邊界258內發生了爆炸，第一和第二火焰路徑250、256允許在防爆邊界258內的燃 燒氣體從致動器殼體214溢出，但僅僅在其已經充分冷卻以防止點燃可能圍繞在防爆邊界 258周圍的氣體或蒸汽之後。防爆邊界258還密封了內部隔室240和從外部環境到0形密 封件257的通道252。此外，防爆邊界258以外的構件的尺寸公差不必像限定第一和第二火 焰路徑250, 256的構件的尺寸公差一樣嚴格。
[0036] 現在轉向圖6,示出了包括示例性可視位置指示器232的致動器210的視圖。致動 器殼體214的第二內部隔室254布置在致動器殼體214的頸部260內。包括第二內部隔室 254的頸部260的部分位於防爆邊界258以外並且包括窗口 262,通過該窗口 262可以看見 該可視位置指示器232。窗口 262可包括透明材料如透明的聚碳酸酯、玻璃、或其他材料， 通過這些材料可以看見可視位置指示器232。通過將窗口 262設置在防爆邊界258之外， 該窗口 262的材料和窗口 262與頸部260的耦接不需要設計為符合防爆標準。因此，窗口 262和與之相關的構件的設計、製造、材料顯然比起如果其被設計為符合防爆標準來說更便 宜和簡單。窗口 262可以通過緊固件264(例如螺釘、螺栓或銷）耦接至致動器殼體214的 頸部260。可替換地，窗口 262可以通過粘合劑耦接至頸部260。墊圈（未示出）可以布置 在窗口 262和頸部260之間以密封第二內部隔室254來防止異物進入其中。
[0037] 標尺266固定於與可視位置指示器232相鄰的頸部260並且可以通過窗口 262看 見。在一個示例中，標尺266設置在頸部260的凹表面上，其尺寸容納標尺266。標尺266 包括表示致動器輸出軸208的角位置的標記，其可包括，例如，角度測量、行程的百分比和/ 或不同顏色或顏色梯度。在操作過程中，標尺266對齊可視位置指示器232的記號234的 標記表示致動器輸出軸208的旋轉位置，並且因此表示流體控制部件204的位置。
[0038] 圖7A是包括示例性可視位置指示器270的另一個示例性致動器268的視圖。如 圖7B所示，可視位置指示器270的標尺272設置在致動器輸出軸274上。返回參考圖7A， 記號276可以設置在頸部278或致動器268的窗口 280上。在操作過程中，記號276維持 靜止且可視位置指示器270的標尺272與致動器輸出軸274 -起旋轉。因此，如在前面的 不例中一樣，標尺272對齊記號276的標記表不致動器輸出軸274的旋轉位置，並且因此表 示流體流動控制部件204的位置。在這個示例中，較小的窗口 280可以用作比較圖6的窗 口 262,因為整個標尺272不需要一直顯示。可視位置指示器270的標尺272與致動器輸出 軸274 -起旋轉，因此僅需要觀察標尺272與記號276對齊的部分。在由於窗口 280的更 小的尺寸要求需要致動器殼體268的更大的結構強度的應用中，該結構能夠是最好的。 [0039] 雖然某些方法、裝置和製造物品已在本發明中描述，本專利的保護範圍不限於此。 相反，本專利涵蓋落入所附權利要求書要麼字面上要麼等同原則下的範圍內的所有裝置、 方法和製造物品。
【權利要求】
1. 一種裝置，其包括： 致動器殼體，其限定防爆外殼邊界； 致動器輸出軸，其具有第一軸部和第二軸部，所述第一軸部部分地設置在所述防爆外 殼邊界內，並且所述第二軸部設置在所述防爆外殼邊界外；以及 可視位置指示器，其用於指示所述致動器輸出軸相對於所述致動器殼體的旋轉位置， 所述可視位置指示器設置在所述致動器輸出軸的所述第二軸部上。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述可視位置指示器通過所述致動器殼體上的 窗口是可見的。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其進一步包括連接所述致動器殼體的標尺，所述標尺 對齊所述可視位置指示器以指示所述致動器輸出軸的所述旋轉位置。
4. 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述可視位置指示器包括標尺，並且進一步包括 設置在所述致動器殼體上的記號，所述標尺對齊所述記號以指示所述致動器輸出軸的所述 旋轉位置。
5. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述致動器殼體包括防爆外殼。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述防爆外殼具有不超過兩個火焰路徑。
7. -種裝置，包括： 旋轉控制閥致動器殼體，其具有頸部，所述頸部具有指示器窗口； 安裝支架，其耦接至所述頸部以支承旋轉控制閥； 致動器輸出軸，其至少部分地設置在所述頸部內，所述致動器輸出軸設置用於支承所 述旋轉控制閥的軸；以及 可視位置指示器，其耦接至所述致動器輸出軸以指示所述致動器輸出軸的旋轉位置， 所述可視位置指示器通過所述指示窗口是可見的。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其中，所述致動器殼體包括防爆外殼。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其中，所述頸部至少部分地處於所述防爆外殼之外。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其中，所述可視位置指示器設置在所述頸部處於所述 防爆外殼以外的部分中。
11. 根據權利要求8所述的裝置，其中所述防爆外殼具有不超過兩個火焰路徑。
12. 根據權利要求7所述的裝置，其進一步包括設置在所述致動器殼體上並且通過所 述致動器殼體上的窗口可見的標尺，所述標尺對齊所述可視位置指示器以指示所述致動器 輸出軸的所述旋轉位置。
13. -種裝置，包括： 致動器殼體，其具有由通道連接的第一隔室和第二隔室； 致動器輸出軸，其具有第一部分和第二部分，所述第一部分至少部分地設置在所述第 一隔室和所述通道內，並且所述第二部分至少部分地設置在所述第二隔室內和設置用於支 承旋轉控制閥的軸；以及 可視位置指示器，其設置在所述致動器輸出軸的所述第二部分上以指示所述致動器輸 出軸的旋轉位置，所述可視位置指示器從外部是可見的。
14. 根據權利要求13所述的裝置，其中，所述第一隔室限定設置用於承受所述第一隔 室內的氣體或蒸汽的爆炸以及用於防止點燃所述第一隔室周圍的爆炸性氣體或蒸汽的防 爆外殼。
15. 根據權利要求14所述的裝置，其中，所述第一隔室包括耦接至耦接接口處的基座 的蓋，所述耦接至接口限定足夠長度的第二火焰路徑以冷卻在所述第一隔室內點燃的所述 燃氣或蒸汽，從而所述第二火焰路徑防止點燃所述第一隔室周圍的爆炸性氣體和蒸汽。
16. 根據權利要求13所述的裝置，其中，所述致動器輸出軸的所述第一部分和所述通 道之間的間隙限定足夠長度的第一火焰路徑以冷卻在所述第一隔室內點燃的氣體和蒸汽， 從而所述第一火焰路徑防止點燃所述第一隔室周圍的爆炸性氣體和蒸汽。
17. 根據權利要求16所述的裝置，其中，所述第一隔室具有不超過兩個火焰路徑。
18. 根據權利要求13所述的裝置，其中，所述致動器輸出軸的所述第二部分具有大於 所述第一部分的直徑。
19. 根據權利要求13所述的裝置，其中，所述致動器輸出軸的所述第二部分包括行程 限位器以限制所述致動器輸出軸的角旋轉。
20. 根據權利要求19所述的裝置，其進一步包括耦接至所述第二隔室的凸起以以所述 致動器輸出軸的角旋轉的預定限制接合所述行程限位器。
【文檔編號】F16K37/00GK104455691SQ201410469436
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】B·W·貝爾 申請人:費希爾控制國際公司