使用電子閥致動器診斷閥的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開一般地涉及致動器，更具體地，涉及使用電子閥致動器診斷閥的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]控制閥(例如，滑動閥桿閥)通常被用于過程控制系統(tǒng)中以控制過程流體的流動。控制閥典型地包括使該控制閥的操作自動化的致動器(例如，電子致動器，液壓致動器等)。電子致動器經(jīng)常使用經(jīng)由驅(qū)動系統(tǒng)(例如，一個或多個傳動裝置)可操作地耦接至流體控制元件的電動機(jī)。在操作期間，當(dāng)電功率被提供給電動機(jī)時，電子致動器在關(guān)閉位置和打開位置之間移動流體控制元件，以調(diào)節(jié)流過閥的流體。當(dāng)閥被關(guān)閉時，流體控制元件典型地被配置為密封地接合布置在流動路徑內(nèi)的環(huán)形的或圓周形的密封件(例如，閥座)，以阻止在閥的入口和出口之間的流體流動。隨著時間的推移以及重復(fù)的使用，閥元件和/或致動器元件可能磨損，導(dǎo)致各種形式的故障(例如，閥內(nèi)件故障、填料故障、傳動結(jié)構(gòu)磨損等)，這可能減少致動器控制閥和/或閥達(dá)到緊密密封以阻止泄露的可靠性。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的隨著時間的推移以及重復(fù)的使用，閥元件和/或致動器元件可能磨損，導(dǎo)致各種形式的故障，從而減少致動器控制閥和/或閥達(dá)到緊密密封以阻止泄露的可靠性的問題，本實(shí)用新型公開了使用電子閥致動器診斷閥的裝置。示例性裝置包括:電動機(jī)，用于致動閥；旋轉(zhuǎn)傳感器，用于監(jiān)測與所述電動機(jī)相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動，以確定所述驅(qū)動軸移動的距離；以及閥位置傳感器，用于監(jiān)測所述閥的流體控制元件的位置。示例性電子閥致動器還包括處理器，用于基于來自所述旋轉(zhuǎn)傳感器和所述閥位置傳感器的反饋生成警報，所述警報與所述閥的故障相關(guān)聯(lián)。
[0004]在一個實(shí)施例中，所述處理器用于計算當(dāng)所述閥完全關(guān)閉時測量到的所述流體控制元件的位置與參考位置之間的差值，并且基于所述差值，生成所述警報以指示閥內(nèi)件的故障。
[0005]在另一個實(shí)施例中，當(dāng)所述閥完全關(guān)閉時測量到的所述流體控制元件的所述位置基于所述閥位置傳感器檢測所述流體控制元件何時停止運(yùn)動來確定。
[0006]在另一個實(shí)施例中，當(dāng)所述閥完全關(guān)閉時測量到的所述流體控制元件的所述位置基于當(dāng)關(guān)閉所述閥時在所述電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動之前所述旋轉(zhuǎn)傳感器檢測所述驅(qū)動軸移動的所述距離來確定。
[0007]在另一個實(shí)施例中，還包括電流傳感器，用于當(dāng)所述電動機(jī)正移動所述流體控制元件時，監(jiān)測所述電動機(jī)引出的電流，所述處理器用于將所述電動機(jī)引出的所述電流與參考電流進(jìn)行比較，并且基于所述比較生成所述警報。
[0008]在另一個實(shí)施例中，當(dāng)所述電動機(jī)引出的所述電流高于所述參考電流至少第一閾值時，所述警報用于指示填料磨損、填料失調(diào)或過度閥內(nèi)件摩擦中的至少一種，并且其中當(dāng)所述電動機(jī)引出的所述電流低于所述參考電流至少第二閾值時，所述警報用于指示低填料負(fù)載。
[0009]在另一個實(shí)施例中，當(dāng)所述電動機(jī)引出的所述電流的峰值與所述參考電流的峰值之間的差值超過一個閾值時，所述警報用于指示閥內(nèi)件故障。
[0010]在另一個實(shí)施例中，還包括內(nèi)部負(fù)載彈簧，用于當(dāng)至所述電子閥致動器的電功率被移除時，偏置所述閥，當(dāng)所述驅(qū)動軸移過對應(yīng)于當(dāng)所述閥關(guān)閉時所述閥的所述位置的位置時，所述內(nèi)部負(fù)載彈簧被加載。
[0011]在另一個實(shí)施例中，所述處理器用于當(dāng)所述電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，經(jīng)由所述旋轉(zhuǎn)傳感器確定所述驅(qū)動軸移動的所述距離，并且當(dāng)所述電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動時所述驅(qū)動軸移動的所述距離與參考距離之間的距離超過一個閾值時，所述警報用于指示彈簧故障或閥內(nèi)件故障中的至少一種。
[0012]在另一個實(shí)施例中，所述處理器用于:在所述閥的一系列連續(xù)的沖程期間，監(jiān)測所述驅(qū)動軸移動的所述距離與所述參考距離之間的差值；基于所述差值的變化率，生成所述警報，以指示所述彈簧故障或所述閥內(nèi)件故障中的一種。
[0013]在另一個實(shí)施例中，還包括電流傳感器，用于當(dāng)所述電動機(jī)正加載所述內(nèi)部負(fù)載彈簧時，監(jiān)測所述電動機(jī)引出的電流，所述處理器用于如果所述電動機(jī)引出的所述電流與參考電流之間的差值超過一個閾值，則生成所述警報以指示彈簧故障。
[0014]本實(shí)用新型的各實(shí)施例的裝置能夠增加致動器控制閥和/或閥達(dá)到緊密密封以阻止泄露的可靠性。
【附圖說明】
[0015]圖1為根據(jù)此處公開的教導(dǎo)構(gòu)建的示例性電子閥致動器的示意圖；
[0016]圖2為表示圖1的操作閥的示例性致動器的驅(qū)動軸的示例性移動跨度的圖；
[0017]圖3為未加壓的閥被打開和關(guān)閉時的示例性參考電流輪廓；
[0018]圖4為加壓的閥被打開和關(guān)閉時的示例性參考電流輪廓；
[0019]圖5為與圖3和圖4的示例性參考輪廓進(jìn)行比較的、顯示潛在故障的閥的示例性測量到的電流輪廓；
[0020]圖6-7為表示用于實(shí)現(xiàn)圖1的示例性致動器的示例性過程的流程圖；
[0021]圖8為示例性處理器平臺的示意圖，該處理器平臺可以被用于和/或編程為執(zhí)行圖6-7的示例性過程，和/或更一般地，實(shí)現(xiàn)圖1的示例性致動器。
【具體實(shí)施方式】
[0022]電子閥致動器是關(guān)閉閥的有效方式。然而，當(dāng)電動機(jī)停止時(例如，不再施加電功率)，閥可能打開，特別地，當(dāng)閥堵塞高壓流體時，由于過程流體推加在閥上的力，閥可能打開。在一些實(shí)例中，提供給電子閥致動器的功率從不被關(guān)掉，從而使得致動器內(nèi)的電動機(jī)能夠維持閥內(nèi)的緊密密封。但是，這種方式低效且昂貴，因?yàn)槠湎拇罅抗β省Ｗ鳛橐粋€替代，一些電子閥致動器甚至在電動機(jī)停止之后，使用彈簧，例如貝式彈簧(Belleville spring)或貝式墊圈(Belleville washer)，來幫助在閥座上施加壓力以確保閥被適當(dāng)?shù)仃P(guān)閉，如2013年4月2日授權(quán)的Schade等人的美國專利8，408，518中所描述的，在此作為一個整體并入作為參考。當(dāng)使用這種內(nèi)部偏置的致動器關(guān)閉閥時，一旦閥桿被定位至0%的位置(例如，完全關(guān)閉的位置)，電動機(jī)繼續(xù)驅(qū)動閥桿。然而，在該點(diǎn)，閥的位置不再變化(因?yàn)殚y塞已經(jīng)接合閥座)，但是電動機(jī)繼續(xù)促使彈簧至完全壓縮，由此在功率被從致動器移除之前，加載彈簧。
[0023]盡管如上所描述的，以內(nèi)部負(fù)載彈簧偏置的電子閥致動器能夠使得提供至致動器的功率被關(guān)斷，但是電子閥致動器仍舊出現(xiàn)診斷閥本身及其對應(yīng)的致動器的潛在故障的挑戰(zhàn)。進(jìn)一步地，使用內(nèi)部負(fù)載彈簧提供了潛在的故障的額外來源，其可能混淆對閥內(nèi)故障的適當(dāng)診斷。特別地，閥內(nèi)的故障可以包括:(1)由閥塞和閥座的密封表面的腐蝕和磨損引起的閥內(nèi)件故障，這導(dǎo)致閥不能達(dá)到其預(yù)期的關(guān)斷能力；(2)過度閥內(nèi)件摩擦，這降低了閥的反應(yīng)靈敏度并且可能增加致動器上的壓力；(3)導(dǎo)致閥內(nèi)增加的摩擦的填料故障，來自于填料的磨損、不兼容的材料或填料的失調(diào)；(4)導(dǎo)致泄漏(以及減少的摩擦)的填料故障，來自于低填料負(fù)載或來自于填料被擠壓出。如上所指出的，除了閥故障之外，有可能致動器的內(nèi)部負(fù)載彈簧要么由于失去其彈性和/或要么由于被破壞也發(fā)生故障。進(jìn)一步地，致動器的傳動機(jī)構(gòu)可能隨著時間的推移而磨損，導(dǎo)致對閥的運(yùn)動的控制精確度降低。
[0024]此處描述的教導(dǎo)提供了通過識別此處描述的一個或多個潛在故障模式的可能性來克服上述挑戰(zhàn)的方式。此外，此處描述的裝置和方法提供了辨別各種故障模式的方式，以識別故障最可能的原因從而更好地輔助維護(hù)人員解決該故障。
[0025]圖1為根據(jù)此處公開的教導(dǎo)構(gòu)建的示例性電子閥致動器100的示意圖。在示出的實(shí)施例中，示例性致動器100從外部功率源102處接收功率，以操作和監(jiān)測控制閥104。在不出的實(shí)施例中，致動器100包括處理器或微控制器106，電動機(jī)驅(qū)動器108，電動機(jī)110，一個或多個旋轉(zhuǎn)傳感器112，方向傳感器114，閥位置傳感器116，電流傳感器118，電壓傳感器120，溫度傳感器122和通信接口 124。
[0026]在示出的實(shí)施例中，微控制器106接收來自傳感器112，114，116，118，120，122中的一個或多個傳感器的信息和/或經(jīng)由通信接口 124接收外部信息，以監(jiān)測和/或控制閥104。在一些實(shí)施例中，基于接收到的信息，微控制器106經(jīng)由電動機(jī)驅(qū)動器108控制電動機(jī)110以在閥104內(nèi)移動流體控制元件。在一些實(shí)施例中，閥104是滑動閥桿閥。在一些實(shí)施例中，電動機(jī)110經(jīng)由將電動機(jī)110的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成驅(qū)動軸的直線運(yùn)動的傳動裝置可操作地耦接至驅(qū)動軸。在該些實(shí)施例中，驅(qū)動軸耦接至閥104的閥桿，從而使得電動機(jī)110的運(yùn)動轉(zhuǎn)化成流體控制元件的運(yùn)動。在其他實(shí)施例中，閥104是旋轉(zhuǎn)閥，從而傳動裝置將電動機(jī)110的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，用于相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)親接至閥盤或其他閥元件的閥軸以打開和關(guān)閉閥。因此，盡管此處公開的教導(dǎo)主要結(jié)合滑動閥桿閥進(jìn)行描述，但是這些教導(dǎo)也可以應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)閥。
[0027]在一些實(shí)施例中，傳動裝置和電動機(jī)110的驅(qū)動軸以嚴(yán)格的公差水平進(jìn)行制造，以精確地控制驅(qū)動軸在線性方向移動驅(qū)動軸相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)數(shù)目的距離。在一些實(shí)施例中，致動器100包括旋轉(zhuǎn)傳感器112，用于監(jiān)測驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)傳感器112實(shí)現(xiàn)為非接觸傳感器，例如，譬如霍爾效應(yīng)傳感器，光學(xué)編碼器等。特別地，在旋轉(zhuǎn)傳感器112包括霍爾效應(yīng)傳感器的一些實(shí)施例中，電動機(jī)110的驅(qū)動軸包括圍繞軸的圓周分布的一個或多個磁體。當(dāng)每個磁體經(jīng)過旋轉(zhuǎn)傳感器112時，產(chǎn)生一個指示驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)的信號或脈沖。旋轉(zhuǎn)傳感器112的數(shù)目以及圍繞驅(qū)動軸分布的磁體的數(shù)目確定監(jiān)測驅(qū)動軸的運(yùn)動(以及閥104內(nèi)相應(yīng)的流體控制元件)的分辨率。例如，在一些實(shí)施例中，致動器100包括3個旋轉(zhuǎn)傳感器，以及驅(qū)動軸包括10個磁體。在該些實(shí)施例中，軸的一個全程旋轉(zhuǎn)對應(yīng)于從旋轉(zhuǎn)傳感器112處接收到30(3X10)個脈沖。假設(shè)驅(qū)動軸的一個全程旋轉(zhuǎn)對應(yīng)于驅(qū)動軸線性運(yùn)動0.3英寸，示例性致動器100能夠控制或監(jiān)測閥104內(nèi)的流體控制元件在0.01英寸(0.3英寸/旋轉(zhuǎn)+30脈沖/旋轉(zhuǎn))內(nèi)的運(yùn)動。進(jìn)一步地，電動機(jī)110的速度也能夠基于脈沖被接收到的速率(基于磁體經(jīng)過旋轉(zhuǎn)傳感器112)來監(jiān)測。附加地或替換地，在一些實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)傳感器112可以被定位為在電動機(jī)110的傳動裝置內(nèi)的其他位置檢測相應(yīng)的磁體。在該些實(shí)施例中，驅(qū)動軸移動的相應(yīng)距離以上述描述的相同方式來確定，除了要考慮任何齒輪齒數(shù)比。進(jìn)一步地，示例性致動器100包括方向傳感器114，用于檢測驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)的方向，由此指示驅(qū)動軸移動的方向并且因此指示閥104內(nèi)的流體控制元件正在運(yùn)動的方向。
[0028]如上所述，通過經(jīng)由旋轉(zhuǎn)傳感器112監(jiān)測電動機(jī)110的驅(qū)動軸移動的距離(和方向)，能夠推斷閥104的位置(也即，閥104內(nèi)流體控制元件的位置)。例如，能夠基于當(dāng)電動機(jī)110將流體控制元件從參考位置移動到關(guān)注的位置時接收到的脈沖的數(shù)目來推斷閥104的位置。在一些實(shí)施例中，參考位置對應(yīng)于閥104在完全打開的位置。在該些實(shí)施例中，當(dāng)驅(qū)動軸從完全打開的位置關(guān)閉閥104時經(jīng)由旋轉(zhuǎn)傳感器112接收到的脈沖的數(shù)目能夠被用于確定驅(qū)動軸移動的距離，并且由此確定閥104的流體控制元件已經(jīng)運(yùn)動到關(guān)閉的距離。類似地，在一些實(shí)施例中，參考位置對應(yīng)于電動機(jī)110停止轉(zhuǎn)動與此同時將流體控制元件移動到關(guān)閉位置時該電動機(jī)110的位置。在一些實(shí)施例中，當(dāng)閥104到達(dá)完全關(guān)閉的位置時電動機(jī)110停止轉(zhuǎn)動，因?yàn)楫?dāng)閥塞遇到閥座時導(dǎo)致機(jī)械的停止。在該些實(shí)施例中，通過基于當(dāng)閥104從完全關(guān)閉的位置打開時經(jīng)由旋轉(zhuǎn)傳感器112接收到的脈沖的數(shù)目確定驅(qū)動軸從電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動的位置所移動的距離，能夠推斷流體控制元件的位置。
[0029]在其他例子中，致動器100包括內(nèi)部負(fù)載彈簧或偏置元件，用于當(dāng)功率從示例性致動器100移除時偏置閥104。在一些實(shí)施例中，內(nèi)部負(fù)載彈簧包括貝式彈簧或貝式墊圈。在一些這樣的實(shí)施例中，電動機(jī)110的驅(qū)動軸移動閥104內(nèi)的流