使用電子閥致動(dòng)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(dòng)器，更具體地，涉及使用電子閥致動(dòng)器診斷閥的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]控制閥(例如，滑動(dòng)閥桿閥)通常被用于過(guò)程控制系統(tǒng)中以控制過(guò)程流體的流動(dòng)?？刂崎y典型地包括使該控制閥的操作自動(dòng)化的致動(dòng)器(例如，電子致動(dòng)器，液壓致動(dòng)器等)。電子致動(dòng)器經(jīng)常使用經(jīng)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(例如，一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)裝置)可操作地耦接至流體控制元件的電動(dòng)機(jī)。在操作期間，當(dāng)電功率被提供給電動(dòng)機(jī)時(shí)，電子致動(dòng)器在關(guān)閉位置和打開位置之間移動(dòng)流體控制元件，以調(diào)節(jié)流過(guò)閥的流體。當(dāng)閥被關(guān)閉時(shí)，流體控制元件典型地被配置為密封地接合布置在流動(dòng)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(dòng)。隨著時(shí)間的推移以及重復(fù)的使用，閥元件和/或致動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)磨損等)，這可能減少致動(dòng)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(shí)間的推移以及重復(fù)的使用，閥元件和/或致動(dòng)器元件可能磨損，導(dǎo)致各種形式的故障，從而減少致動(dòng)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(wèn)題，本實(shí)用新型公開了使用電子閥致動(dòng)器診斷閥的裝置。示例性裝置包括:電動(dòng)機(jī)，用于致動(dòng)閥；旋轉(zhuǎn)傳感器，用于監(jiān)測(cè)與所述電動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，以確定所述驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)的距離；以及閥位置傳感器，用于監(jiān)測(cè)所述閥的流體控制元件的位置。示例性電子閥致動(dòng)器還包括處理器，用于基于來(lái)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(bào)，所述警報(bào)與所述閥的故障相關(guān)聯(lián)。
[0004]在一個(gè)實(shí)施例中，所述處理器用于計(jì)算當(dāng)所述閥完全關(guān)閉時(shí)測(cè)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(bào)以指示閥內(nèi)件的故障。
[0005]在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述閥完全關(guān)閉時(shí)測(cè)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(cè)所述流體控制元件何時(shí)停止運(yùn)動(dòng)來(lái)確定。
[0006]在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述閥完全關(guān)閉時(shí)測(cè)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(shí)在所述電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)之前所述旋轉(zhuǎn)傳感器檢測(cè)所述驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)的所述距離來(lái)確定。
[0007]在另一個(gè)實(shí)施例中，還包括電流傳感器，用于當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)正移動(dòng)所述流體控制元件時(shí)，監(jiān)測(cè)所述電動(dòng)機(jī)引出的電流，所述處理器用于將所述電動(dòng)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(bào)。
[0008]在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)引出的所述電流高于所述參考電流至少第一閾值時(shí)，所述警報(bào)用于指示填料磨損、填料失調(diào)或過(guò)度閥內(nèi)件摩擦中的至少一種，并且其中當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)引出的所述電流低于所述參考電流至少第二閾值時(shí)，所述警報(bào)用于指示低填料負(fù)載。
[0009]在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述電動(dòng)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(guò)一個(gè)閾值時(shí)，所述警報(bào)用于指示閥內(nèi)件故障。
[0010]在另一個(gè)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(dòng)器的電功率被移除時(shí)，偏置所述閥，當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)軸移過(guò)對(duì)應(yīng)于當(dāng)所述閥關(guān)閉時(shí)所述閥的所述位置的位置時(shí)，所述內(nèi)部負(fù)載彈簧被加載。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施例中，所述處理器用于當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)由所述旋轉(zhuǎn)傳感器確定所述驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)的所述距離，并且當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所述驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)的所述距離與參考距離之間的距離超過(guò)一個(gè)閾值時(shí)，所述警報(bào)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(gè)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(cè)所述驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)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(bào)，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(gè)實(shí)施例中，還包括電流傳感器，用于當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)正加載所述內(nèi)部負(fù)載彈簧時(shí)，監(jiān)測(cè)所述電動(dòng)機(jī)引出的電流，所述處理器用于如果所述電動(dòng)機(jī)引出的所述電流與參考電流之間的差值超過(guò)一個(gè)閾值，則生成所述警報(bào)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(dòng)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(shuō)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(dòng)器的示意圖；
[0016]圖2為表示圖1的操作閥的示例性致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)軸的示例性移動(dòng)跨度的圖；
[0017]圖3為未加壓的閥被打開和關(guān)閉時(shí)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(shí)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(cè)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(dòng)器的示例性過(guò)程的流程圖；
[0021]圖8為示例性處理器平臺(tái)的示意圖，該處理器平臺(tái)可以被用于和/或編程為執(zhí)行圖6-7的示例性過(guò)程，和/或更一般地，實(shí)現(xiàn)圖1的示例性致動(dòng)器。
【具體實(shí)施方式】
[0022]電子閥致動(dòng)器是關(guān)閉閥的有效方式。然而，當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止時(shí)(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(shí)，由于過(guò)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(dòng)器的功率從不被關(guān)掉，從而使得致動(dòng)器內(nèi)的電動(dòng)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?。作為一個(gè)替代，一些電子閥致動(dòng)器甚至在電動(dòng)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(lái)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(guó)專利8，408，518中所描述的，在此作為一個(gè)整體并入作為參考。當(dāng)使用這種內(nèi)部偏置的致動(dòng)器關(guān)閉閥時(shí)，一旦閥桿被定位至0%的位置(例如，完全關(guān)閉的位置)，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)繼續(xù)促使彈簧至完全壓縮，由此在功率被從致動(dòng)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(dòng)器能夠使得提供至致動(dòng)器的功率被關(guān)斷，但是電子閥致動(dòng)器仍舊出現(xiàn)診斷閥本身及其對(duì)應(yīng)的致動(dòng)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(lái)源，其可能混淆對(duì)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(guò)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(dòng)器上的壓力；(3)導(dǎo)致閥內(nèi)增加的摩擦的填料故障，來(lái)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(lái)自于低填料負(fù)載或來(lái)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(dòng)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(dòng)器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可能隨著時(shí)間的推移而磨損，導(dǎo)致對(duì)閥的運(yùn)動(dòng)的控制精確度降低。
[0024]此處描述的教導(dǎo)提供了通過(guò)識(shí)別此處描述的一個(gè)或多個(gè)潛在故障模式的可能性來(lái)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(shí)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(dòng)器100的示意圖。在示出的實(shí)施例中，示例性致動(dòng)器100從外部功率源102處接收功率，以操作和監(jiān)測(cè)控制閥104。在不出的實(shí)施例中，致動(dòng)器100包括處理器或微控制器106，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器108，電動(dòng)機(jī)110，一個(gè)或多個(gè)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(lái)自傳感器112，114，116，118，120，122中的一個(gè)或多個(gè)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(cè)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器108控制電動(dòng)機(jī)110以在閥104內(nèi)移動(dòng)流體控制元件。在一些實(shí)施例中，閥104是滑動(dòng)閥桿閥。在一些實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)110經(jīng)由將電動(dòng)機(jī)110的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)軸的直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置可操作地耦接至驅(qū)動(dòng)軸。在該些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)軸耦接至閥104的閥桿，從而使得電動(dòng)機(jī)110的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成流體控制元件的運(yùn)動(dòng)。在其他實(shí)施例中，閥104是旋轉(zhuǎn)閥，從而傳動(dòng)裝置將電動(dòng)機(jī)110的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)110的驅(qū)動(dòng)軸以嚴(yán)格的公差水平進(jìn)行制造，以精確地控制驅(qū)動(dòng)軸在線性方向移動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)數(shù)目的距離。在一些實(shí)施例中，致動(dòng)器100包括旋轉(zhuǎn)傳感器112，用于監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)110的驅(qū)動(dòng)軸包括圍繞軸的圓周分布的一個(gè)或多個(gè)磁體。當(dāng)每個(gè)磁體經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)傳感器112時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)指示驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)的信號(hào)或脈沖。旋轉(zhuǎn)傳感器112的數(shù)目以及圍繞驅(qū)動(dòng)軸分布的磁體的數(shù)目確定監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)(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(dòng)器100包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器，以及驅(qū)動(dòng)軸包括10個(gè)磁體。在該些實(shí)施例中，軸的一個(gè)全程旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于從旋轉(zhuǎn)傳感器112處接收到30(3X10)個(gè)脈沖。假設(shè)驅(qū)動(dòng)軸的一個(gè)全程旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)軸線性運(yùn)動(dòng)0.3英寸，示例性致動(dòng)器100能夠控制或監(jiān)測(cè)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(dòng)。進(jìn)一步地，電動(dòng)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(guò)旋轉(zhuǎn)傳感器112)來(lái)監(jiān)測(cè)。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(dòng)機(jī)110的傳動(dòng)裝置內(nèi)的其他位置檢測(cè)相應(yīng)的磁體。在該些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)的相應(yīng)距離以上述描述的相同方式來(lái)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(dòng)器100包括方向傳感器114，用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的方向，由此指示驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)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(dòng)的方向。
[0028]如上所述，通過(guò)經(jīng)由旋轉(zhuǎn)傳感器112監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)110的驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)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(dòng)機(jī)110將流體控制元件從參考位置移動(dòng)到關(guān)注的位置時(shí)接收到的脈沖的數(shù)目來(lái)推斷閥104的位置。在一些實(shí)施例中，參考位置對(duì)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(dòng)軸從完全打開的位置關(guān)閉閥104時(shí)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(dòng)軸移動(dòng)的距離，并且由此確定閥104的流體控制元件已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到關(guān)閉的距離。類似地，在一些實(shí)施例中，參考位置對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)110停止轉(zhuǎn)動(dòng)與此同時(shí)將流體控制元件移動(dòng)到關(guān)閉位置時(shí)該電動(dòng)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(shí)電動(dòng)機(jī)110停止轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)楫?dāng)閥塞遇到閥座時(shí)導(dǎo)致機(jī)械的停止。在該些實(shí)施例中，通過(guò)基于當(dāng)閥104從完全關(guān)閉的位置打開時(shí)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(dòng)軸從電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的位置所移動(dòng)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(dòng)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(dòng)器100移除時(shí)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(dòng)機(jī)110的驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)閥104內(nèi)的流