用於電子調節的複合加載元件的製作方法

2023-04-25 02:07:41

概括地，本公開內容涉及用於閥或調節器的致動器，更具體而言，涉及用於在閥的或調節器的控制構件上產生力的系統。

背景技術：

通常，閥(譬如，控制閥或壓力調節器)由氣動致動器打開和關閉。例如，在壓力下的控制流體被引入致動器的殼體中，並且控制流體作用在耦合到控制閥的閥構件的隔膜上。致動器的殼體中的壓力的增加可以導致閥構件朝向控制閥的閥座移位，從而關閉控制閥。致動器的殼體中的壓力的降低可以導致閥構件移動離開控制閥的閥座，從而打開控制閥。

通常，氣動致動器內的彈簧和空氣壓力用於產生控制閥的加載力。在一些應用中，電子壓力調節器可以與氣動致動器結合使用以例如調節控制閥的設定點。電子壓力調節器可以使用小的可變的氣動信號來壓力加載致動器或放大器以增大由信號產生的力。相應地，小的氣動信號(通常為0-100psig)控制大的壓力(0-10,000psig)。然而，與電子壓力調節器、用於感測設定點的壓力變送器以及調諧精度相關聯的誤差也被放大，從而導致設定點的大的波動。

技術實現要素：

一種用於在主閥構件上提供力的系統，包括適用於直接地或間接耦合到所述主閥構件的一部分的第一感測元件。第一加載元件可以直接地或間接地耦合到所述第一感測元件，使得所述第一加載元件在所述第一感測元件上提供第一力。所述第一加載元件適用於將所述第一力傳遞到所述第一感測元件和所述主閥構件。所述系統還包括直接地或間接耦合到所述第一感測元件的第二感測元件。第二加載元件直接地或間接耦合到所述第二感測元件和所述第一感測元件。所述第二加載元件適用於在第二感測元件上提供第二力以將所述第二感測元件和所述第一感測元件移位第二距離並將所述第二力傳遞到所述主閥構件。

一種在主致動器或主閥的主閥構件上施加合力的方法，包括通過第一加載元件在第一感測元件上施加第一力，所述第一感測元件直接地或間接地耦合到所述主閥構件。所述方法還包括通過第二加載元件在第二感測元件上施加第二力，所述第二感測元件耦合到所述第一感測元件，使得所述第二力傳遞到所述第一感測元件和所述主閥構件，其中，所述第一力和所述第二力結合用於所述主閥構件上的所述合力。

附圖說明

圖1是用於在主致動器的或控制閥的主閥構件上提供力的系統的實施例的示意圖；

圖2是圖1的實施例的卡圈、活塞和插入構件的實施例的詳細視圖；

圖3是第二加載元件的實施例的示意圖；

圖4是用於在主致動器或控制閥的主閥構件上提供力的系統的另一實施例的示意圖；以及

圖5是圖4的實施例的詳細視圖。

具體實施方式

如圖1中所例示，公開了一種用於在主致動器14的和/或控制閥的主閥構件12上提供力的系統10(即，複合加載元件)，控制閥在13處被示意性地示出。主閥構件12可以是直接地或間接致動控制閥13的閉合構件的主致動器14的任何部分(譬如，主致動器的致動器軸)。主閥構件12還可以是耦合到控制閥13的閉合構件的閥軸。本領域技術人員將認識到，控制閥13的閉合構件可以相對於閥座向上或向下移位來以已知的方式打開和關閉控制閥13。

仍然參考圖1，系統10包括適用於直接地或間接地耦合到主閥構件12的一部分的第一感測元件16(例如，活塞17)。第一加載元件18(例如，電子可調節的彈簧19)可以直接地或間接地耦合到第一感測元件16，使得第一加載元件18適用於在第一感測元件16上提供第一力或者使得第一加載元件18在第一感測元件16上提供第一力(並且可以使第一感測元件16移動第一距離)，並且第一力從第一感測元件16傳遞到主閥構件12。

系統10還可以包括壓力放大器25，該壓力放大器25可以包括直接地或間接耦合到第一感測元件16的第二感測元件20(例如，隔膜21)。壓力放大器25還可以包括直接地或間接地耦合到第二感測元件20和第一感測元件16的第二加載元件22(例如，電子調節器23)。第二加載元件22適用於在第二感測元件20上提供第二力或者第二加載元件22在第二感測元件20上提供第二力(除了由第一加載元件18在第一感測元件16上提供的第一力)，該第二力傳遞到第一感測元件16並傳遞到主閥構件12。第二加載元件22還可以使第二感測元件20和第一感測元件16移位第二距離。第二力可以顯著地小於第一力。例如，第二力可以處於第一力的0.05％至10％之間。

如此配置，兩個加載元件結合以形成複合加載元件，以增加提供給主閥構件12的力的精度。具體地，調節由第一加載元件18在第一感測元件16上提供的第一力允許對提供給主閥構件12的總體力的「粗略」(或大範圍)調節。調節由第二加載元件22在第二感測元件20上提供的力允許微調節整體力(或小範圍的力調節)傳遞到主閥構件。這種大尺度和小尺度調節允許在高系統壓力下改善精度調節，以及增加系統整體的調節比。例如，如果需要9000psig的設定點，則第一加載元件18(例如，電子可調節的彈簧19)可以與1:1壓力放大器25一起使用。電子可調節的彈簧19可以被調節到8950psig，並且電子調節器23將保持額外的50psig。因此，設定點的小波動將由第二加載元件22(電子調節器23)處理，並且大的設定點波動將由第一加載元件18(能夠電子地調節的彈簧19)處理。

更詳細地轉向系統10，第一感測元件16可以具有任何適當的尺寸或形狀，該適當的尺寸或形狀允許第一加載元件18將第一力傳遞到第一感測元件16，並且在一些實施例中，使第一感測元件16平移第一距離。例如，如圖2中所例示，第一感測元件16可以是活塞17，其可以沿著可以與縱向組件軸線28共線的縱軸從第一端24延伸到第二端26。當沿著縱向組件軸線28觀察時，活塞17可以具有任何適當的橫截面形狀或形狀的組合，並且活塞17可以可滑動地接收在控制閥13的或主致動器14的導管部32的相應的孔31中。導管部32的孔31可以具有與活塞17的橫截面形狀相對應的橫截面形狀。例如，活塞17(或活塞的一部分)和導管部32的孔31可以具有圓形橫截面形狀。更具體而言，活塞17可以具有第一部分30和第二部分40，第一部分30從第一端24延伸到中間點38，第二部分40從中間點38延伸到第二端26，並且第二部分40可以具有與導管部32的孔31的橫截面形狀相對應的圓形橫截面形狀。活塞17還可以具有接合表面34，接合表面34可以適用於以下述將更詳細描述的方式接合卡圈36的一部分。接合表面34可以是第二部分40的頂部表面42的周向部分。第一部分30也可以具有圓形橫截面形狀，並且第一部分30的直徑可以小於第二部分40的直徑以形成包括接合表面34的肩部。

如圖1和圖2中所例示，系統10還可以包括插入構件44，並且插入構件44的至少一部分可以設置(例如，可滑動地設置)在卡圈36的孔46內。如圖2中所例示，插入構件44可以沿著與縱向組件軸線28共線的縱軸從第一端47延伸到第二端48。當沿著縱向組件軸線28觀察時，插入構件44可以具有任何適當的橫截面形狀或形狀的組合，並且孔46可以具有與插入構件44的橫截面形狀相對應的橫截面形狀。例如，插入構件44和孔46可以具有圓形橫截面形狀，並且插入構件44的直徑可以略小於孔46的直徑(例如，比孔46的直徑小2％至10％)。密封件50可以圍繞插入構件44的周向部分設置，並且密封件50可以密封地並且滑動地接合卡圈孔表面52，該卡圈孔表面52沿著可以與縱向組件軸線28共線的縱軸延伸。

如圖1和圖2中所示，系統10還可以包括卡圈36，該卡圈36可以耦合到第一感測元件16和/或第二感測元件20。如圖2中所例示，卡圈36可以沿著可以與縱向組件軸線28共線的縱軸從第一端54延伸到第二端56。孔46可以沿著縱向組件軸線28從第一端54延伸到第二端56。如前所述，孔46的橫截面形狀可以與柱塞44的橫截面形狀相對應。當沿著縱向組件軸線28觀察時，卡圈36的外表面58可以具有任何適當的橫截面形狀或形狀的組合，並且孔46可以具有與插入構件44的橫截面形狀相對應的橫截面形狀。例如，插入構件44和孔46可以具有圓形橫截面形狀，並且插入構件44的直徑可以略小於孔46的直徑(例如，比孔46的直徑小2％至10％)。卡圈36的外表面58也可以具有與導管部32的孔31的橫截面形狀相對應的橫截面形狀。例如，外表面58可以具有圓形橫截面形狀，並且外表面58的直徑可以略小於導管部32的孔31的直徑(例如，比孔31的直徑小2％至10％)，以允許卡圈36的第二端56的一部分可滑動地接收在導管部32的孔31中。外表面58的直徑也可以略小於致動器殼體62的延伸部60的內表面59的直徑(例如，比內表面59的直徑小2％至10％)，以允許卡圈36的第一端54的一部分可滑動地接收在致動器殼體62的延伸部60中。

卡圈36可以通過施加到第二感測元件20的壓力來沿著縱向組件軸線28從第一位置平移到第二位置。卡圈36的一部分可以適用於接合活塞17的一部分以使活塞17移位和/或向活塞17施加力。例如，卡圈36的第二端56可以適用於接合活塞17的接合表面34，以使活塞17沿縱向組件軸線28移位(例如，使活塞17向下移位)和/或向活塞17施加力。卡圈36還可以具有適用於將第二感測元件20的一部分固定到卡圈36的配合部64。例如，配合部64可以是從卡圈36的外表面58徑向向外延伸的圓周突出部65，並且突出部65可以具有接收隔膜21的內周向部分的間隙，以將隔膜固定到卡圈36。突出部65可設置在卡圈36的第一端54和第二端56之間。在一些實施例中，諸如圖4和圖5中所例示的，突出部65可以設置在或鄰近卡圈36的第一端54處。

參考圖1和圖2，系統10還可以包括直接地或間接地耦合到第一傳感元件16的第一加載元件18，使得第一加載元件18在第一感測元件16上提供力(例如，第一力)並且還可以使第一感測元件16移位第一距離。例如，第一加載元件18可以是可調節的彈簧19。可調節的彈簧19可以是能夠在第一感測元件16上提供期望的力的任何適當的機構(例如，電子可調節的彈簧或電動致動器)，例如tescomtm70-2000系列電動執行器。可調節的彈簧19可以具有安裝到致動器殼體62的延伸部60的第一部分，並且第二部分可以延伸穿過延伸部60。如圖2中所例示，可調節的彈簧19的端部51可以耦合到插入構件44的第一端47，使得由可調節的彈簧19產生的力傳遞到插入構件44，並傳遞到與插入構件44相接觸的活塞17。在一些實施例中，可調節的彈簧19可以經由氣動管線83與加壓流體源82連通，如圖1中所例示。

第一加載元件18(例如，可調節的彈簧19)還可以與具有微處理器85和存儲器86的計算機84通信，存儲器86可以位於遠離第一加載元件18處。如圖1中所例示的，該連接可以是無線的或者可以是有線連接。用戶可以經由計算機84向第一加載元件18發出命令和/或計算機84可以基於系統反饋自動向第一加載元件18發出命令。

系統10還可以包括壓力放大器25，該壓力放大器25可以包括直接地或間接地耦合到第一感測元件16的第二感測元件20。如圖1中所例示，第二感測元件20可以是隔膜21，並且隔膜21可以設置在致動器殼體62內。如前所述的，並且如圖1中所例示，隔膜21的內周向部分可以固定卡圈36的配合部64。參考圖1，隔膜21的外周向部分可以固定在第一致動器殼體部分67a的底部66a與第二致動器殼體部分67b的頂部66b之間。第一致動器殼體部分67a可以固定到第二致動器殼體部分67b以形成致動器殼體62。致動器容體68可以至少部分地由第一致動器殼體部分67a的內表面69和隔膜21的頂部表面70限定。

參考圖1和圖2，系統10(和壓力放大器25)還可以包括直接地或間接地耦合到第二感測元件20和第一感測元件16的第二加載元件22。第二加載元件22可以是能夠在第二感測元件20(和第一感測元件16)上提供力(例如，第二力)並且使第二感測元件20(和第一感測元件16)移位第二距離(例如，相對於致動器殼體62)的任何適當的機構。例如，如圖3中所例示，第二加載元件22可以是電子致動器72(譬如，tescomtmer5000系列電動氣動控制器)，並且電子致動器72可以包括基部74、蓋部76、第一電磁閥78和第二電磁閥80。蓋部76可以耦合到基部73，並且第一電磁閥78和第二電磁閥80可以固定到基部74，以及設置在蓋部76的內部77中。入口通道88可以形成在基部74中，並且入口通道88的第一端可以連接到氣動管線89，該氣動管線89連接到加壓流體源(例如，源82)，並且第二端可以與第一電磁閥78的入口90連通。中間通道92可以形成在基部74中，並且中間通道92的第一端可以與第一電磁閥78的出口94連通，以及中間通道92的第二端可以與致動器殼體62的致動器容體68連通。

當閉合構件96處於打開位置(如圖3中所例示)時，來自源82的流體流動通過氣動管線89，通過入口通道88，通過第一電磁閥78的入口90和出口94，並進入致動器容體68中。當閉合構件96處於關閉位置(即，圖3中所例示的第二電磁閥80的閉合構件89的位置)時，來自源82的流體被防止流進致動器容體68中。第二電磁閥80可以與第一電磁閥72相同，並且當閉合構件98處於關閉位置(如圖3中所例示)時，來自致動器容體68的流體被防止排放到大氣中。當閉合構件98處於打開位置(即，圖3中所例示的閉合構件96的位置)時，來自致動器容體68的流體流動通過中間通道92，通過第二電磁閥80的入口100和出口102，並且通過出口通道104以向大氣排放。當向大氣排放時，第一電磁閥78的閉合構件96可以處於關閉位置。

在使用中，來自計算機84的信號可以使第一加載元件18(例如，可調節的彈簧19)在插入構件44上提供期望的第一力，這轉而又將該第一力傳遞到第一感測元件16(例如，活塞17)。該第一力可以相對於致動器殼體62的一部分(例如，致動器殼體62的延伸部60的頂部)或相對於主致動器14或控制閥13的一部分沿著縱向組件軸線28使活塞17移位(例如，沿朝向主致動器14的方向向下移動)第一距離。如前所述的，第一力是提供系統10所需的大部分力的「粗略的」力，並且該粗略的力將由第二加載元件微調以通過系統提供準確的合力。

為了微調由第一感測元件16傳輸的合力，第二加載元件22(例如，電子調節器23)可以向第二感測元件20(例如，隔膜21)提供第二力，該第二力可以除了第一力之外(並且與第一力同時)而施加。例如，來自計算機84(無線通信或通過有線連接)的信號可以使電子調節器23調節致動器殼體62的致動器容體68中的壓力，並且與該壓力相關聯的力(即，第二力)通過卡圈36直接傳遞到活塞17。例如，電子調節器23可以增加致動器殼體62的致動器容體68中的壓力，並且卡圈36的第二端56可以接合活塞17的接合表面34以將第二力傳遞到活塞17，並且使活塞17相對於致動器殼體62的一部分(例如致動器殼體62的延伸部60的頂部)或相對於主致動器14的或控制閥(未示出)的一部分沿著縱向組件軸線28移位第二距離(除了第一距離之外或在第一距離之上)。因為插入構件44上的力由可調節的彈簧19提供，所以插入構件44向下移位並且保持與活塞17接合，而卡圈36將第二力施加到活塞17(並且可以伴隨活塞17一起向下移位)。然後，活塞17可以將第一力和第二力相結合的加載施加到控制閥的一部分(例如，主閥構件12，其選擇性地接合和脫離控制閥的閥座以打開和關閉控制閥)或使控制閥的主閥構件12移位的主致動器14。在一些實施例中，系統10可以替換在主致動器14中使用的彈簧或彈簧組件。

本領域普通技術人員將認識到，第一感測元件16和第一加載元件18和/或第二感測元件20和第二加載元件22可以包括能夠向主閥構件12提供粗調和微調力的任何機構或組件。例如，稀土磁體、重物、電磁體和/或液壓裝置可以用來在主閥構件12上提供粗調和/或微調力。本領域普通技術人員將認識到，除了第一感測元件16和第一加載元件18以及第二感測元件20和第二加載元件22之外，第三感測元件(未示出)和第三加載元件(未示出)也可以用於提高系統精度。另外的感測元件和加載元件也是可以設想的。

在圖4中例示出了用於在主閥構件12上提供力的系統200的另一實施例。系統200在幾個方面類似於圖1中所例示的系統10，並且相同的元件將具有相同的附圖標記。然而，替換是電子可調節的彈簧19的第一加載元件18，第一加載元件18可以在功能上與第二加載元件22相同，該第二加載元件22可以是電子致動器272，該電子致動器272可以與先前描述並在圖3中例示的電子致動器72相同。電子致動器272可以適用於在設置於次級致動器殼體262內的次級隔膜221上提供壓力。次級隔膜221可以具有比致動器殼體62的隔膜21的外徑更小的外徑，並且該較小的直徑適用於提供比由隔膜21提供的力更小的力。例如，次級隔膜221可以具有為隔膜21的外徑的90％至25％的外徑。如圖5中所例示，次級隔膜221的內周向部分可以固定到次級卡圈236的突出部265，該次級卡圈236可以類似於先前描述的卡圈36。次級卡圈236可以沿著與縱向組件軸線28共線的縱軸從第一端254延伸到第二端256。次級孔246可以沿縱向組件軸線28從第一端254延伸到第二端256。次級卡圈236的突出部265可以設置在或鄰近次級卡圈236的第一端254處。頂部285可以固定到第一端254，並且密封件(未示出)可設置在頂部285與次級卡圈236的第一端254之間，以防止流體在頂部285與第一端254之間流動。

次級卡圈236的一部分可以可滑動地接收在卡圈36的孔46內，並且次級卡圈236的外表面258可以在形狀上與卡圈36的卡圈孔表面52相對應。例如，次級卡圈236的表面258和卡圈36的卡圈孔表面52都可以是圓柱形的，並且次級卡圈236的外表面258的直徑可以稍微小於卡圈36的卡圈孔表面52的直徑(例如，比卡圈孔表面52的直徑小3％至15％)。

如圖4中所例示，次級隔膜221的外周部分可以固定在第一致動器殼體部分267a的底部與第二致動器殼體部分267b的頂部之間。第一致動器殼體部分267a可以固定到第二致動器殼體部分267b以形成次級致動器殼體262。次級致動器容體268可以至少部分地由第一致動器殼體部分67a的內表面269和次級隔膜221的頂部表面270限定。通道部分287可以將第一致動器殼體62的第一致動器殼體部分67a連接到次級致動器殼體262的第二致動器殼體部分267b，並且通道部分287的內表面289可以在形狀上與次級卡圈236的外表面258相對應。例如，次級卡圈236的外表面258和通道部分287的內表面289都可以是圓柱形的，並且次級卡圈236的外表面258的直徑可以略小於通道部分287的內表面289的直徑(例如，比內表面289的直徑小3％至15％)。次級卡圈236的一部分可以可滑動地接收在通道部分287中，使得次級卡圈236相對於通道部分287移位。密封件(未示出)可以設置在通道部分287和次級卡圈236之間，以防止致動器容體68內的流體從位於通道部分287的內表面289與次級卡圈236的外表面258之間的間隙中流出。

如圖4中所例示，活塞17的實施例可以可滑動地設置在導管部32內，並且卡圈36的第二端56和次級卡圈236的第二端256也均可以設置在導管部32內，並且均可以設置成與活塞17的頂部表面42接觸或相鄰。

在使用過程中，流體源82(或任何其它加壓流體源)可以與電子致動器272的入口通道88連通，並且當電子致動器272的第一電磁閥78處於打開位置時，流體流入次級致動器殼體262的致動器容體268中並且在次級隔膜221上施加期望的力。這種力以與卡圈36通過所述的隔膜21向下移動相同的方式向下移動次級卡圈236。次級卡圈236的第二端256可以作用在活塞17的頂部表面42上，以使活塞17沿縱向組件軸線28相對於致動器殼體62的一部分或相對於主致動器14或控制閥(未示出)的一部分移動第一距離。第一力是提供系統20所需的大部分力的「粗略的」力，並且該粗略力將由第二加載元件22微調，以通過系統提供準確的合力。

為了微調由活塞17傳遞的合力，第二加載元件22(例如，電子調節器23)可以為第二感測元件20(例如，隔膜21)提供第二力，該第二力可以是除了第一力之外施加的。例如，來自計算機84的信號可以使電子調節器23調節致動器殼體62的致動器容體68中的壓力，並且與該壓力相關聯的力(即，第二力)通過卡圈36直接傳遞到活塞17。例如，電子調節器23可以增加致動器殼體62的致動器容體68中的壓力，並且卡圈36的第二端56可以接合活塞17的頂部表面42的接合表面34以將第二力傳遞到活塞17並且使活塞17相對於致動器殼體62的一部分或相對於主致動器14或控制閥(未示出)的一部分沿縱向組件軸線28移位第二距離(除了第一距離之外或在第一距離之上)。在該位移期間，致動器容體268中的壓力保持次級卡圈236的第二端256與活塞17的頂部表面42接合。然後，活塞17可以將第一力和第二力相結合的加載施加到控制閥的一部分(例如，主閥構件12，其選擇性地接合和脫離控制閥的閥座以打開和關閉控制閥)或使控制閥的主閥構件12移位的主致動器14。在一些實施例中，系統10可以替換在主致動器14中使用的彈簧或彈簧組件。

可以向系統200添加額外的複合元件以進一步提高精度。例如，第一加載元件18可以是可以在設置在次級致動器殼體262內的次級隔膜221上提供壓力的電子致動器272。然而，第三電子致動器(未示出)可以為第三致動器殼體(未示出)中的第三隔膜(未示出)提供壓力，以在耦合到第一感測元件16的第三卡圈(未示出)上提供第三力。

第三隔膜可以具有比次級隔膜221的外徑更小的外徑，並且該更小的外徑適用於提供比由次級隔膜221提供的力更小的力。例如，第三隔膜221可以具有為次級隔膜221的外徑的90％至25％的外徑。第三卡圈(未示出)可以設置在次級卡圈236的卡圈孔內，並且第三卡圈的移動可以在活塞17上提供第三力(除了由卡圈36和次級卡圈236提供的第一力和第二力之外)。

雖然以上已經描述了各種實施例，但是本公開內容並不旨在局限於此。可以對仍在所附權利要求的範圍內的所公開的實施例進行變化。