專利名稱：低消耗氣動控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開大體上涉及氣動控制器，更具體而言，涉及對用在要求具有非常 低的供應流體消耗的過程控制應用中的氣動控制器的改進。
背景技術(shù)：
過程控制系統(tǒng)典型地使用諸如壓縮空氣或氣體等的供應流體來操作過 程控制系統(tǒng)內(nèi)的氣動過程控制部件。在遠程地點，過程控制系統(tǒng)還已知為使 用受控的過程介質(zhì)來操作諸如氣動儀器或控制器和控制閥致動器等的控制 系統(tǒng)部件。在很多過程應用中，用于操作控制系統(tǒng)的氣動供應流體的一部分 可在操作過程中被消耗(即，供應氣體在操作過程中被排出并且沒有被捕獲 或再利用)。例如，通常已知的是，閉環(huán)氣動控制器經(jīng)常使用比例帶閥來調(diào) 節(jié)氣動控制器的伺服環(huán)中的反饋信號。大部分比例帶閥被實施為可預設定的 三通閥或二通分壓器，其將一部分供應流體排放或排出到大氣。
用來操作氣動控制器的供應流體或氣體的量可被分為兩類使諸如控制 閥等氣動控制裝置工作所需的供應流體，以及被消耗或膨脹以操作氣動控制 器的供應流體。例如，在需要壓力控制的系統(tǒng)中，可使用包括控制閥和氣動 控制器的控制環(huán)。對于這種控制環(huán)，供應氣體被用于致動或移動控制閥，并 在氣動控制器的操作過程中被消耗以產(chǎn)生氣動控制信號從而致動控制閥。在 過程控制環(huán)中的將供應流體排出到大氣的任何元件在排出時實質(zhì)上都浪費 供應流體。在一些過程控制應用中，大量供應流體被浪費。作為示例，比例帶閥可排出高達80%的用于操作控制器的供應氣體。
根據(jù)受控過程，供應氣體的排出可產(chǎn)生問題并且在某些情況下是昂貴 的，例如在天然氣用作供應流體的天然氣工業(yè)中。這樣，如天然氣等高價值 流體的損失可為操作者提供限制供應流體消耗的重要的經(jīng)濟動機。另外，供 應流體泄漏對環(huán)境影響以及對某些類型的廢氣或者排放物超過限制而進行 的可能的規(guī)定處罰則另外增加了對限制氣動器件消耗的刺激。即使在壓縮空 氣用作供應氣體的非遠程地點，壓縮空氣從眾多氣動控制器的排出可增加供 應壓縮空氣所需的壓縮機的操作成本和/或尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個示例， 一種用于控制過程的氣動控制器包括氣動控制架，用 于向控制元件提供過程控制信號；氣動反饋組件，用于向所述氣動控制架提 供代表所述過程的反饋控制信號，其中所述反饋控制信號修正所述過程控制 信號，連接到所迷氣動反饋組件的反饋比例調(diào)節(jié)裝置提供對所述反饋控制信 號的調(diào)節(jié)。
根據(jù)另一示例， 一種用于氣動過程控制器的反饋比例調(diào)節(jié)裝置包括反 饋檢測器，用于提供代表所述控制信號的反饋信號；以及懸臂組件，用于提 供對所述反饋信號的預定調(diào)節(jié)。所述懸臂組件顯著減少該氣動過程控制器的 供應流體的消耗。


相信具有新穎性的本發(fā)明的特征被具體闡釋在所附權(quán)利要求中。通過參 見下面結(jié)合所附附圖的描述可對本發(fā)明進行最佳的理解，其中各附圖中相同 的附圖標記表示相同的元件，其中
圖1為包括懸臂反饋調(diào)節(jié)的示例性氣動控制器的示意圖2為懸臂反饋調(diào)節(jié)的放大視圖3為用于氣動控制器的離心凸輪調(diào)節(jié)器的示意圖。
具體實施例方式
示例性氣動控制器使用機械式反饋元件來調(diào)節(jié)伺服控制環(huán)內(nèi)的反饋信 號或使該反饋信號成比例，以顯著減少操作過程中的流體消耗。參照圖1，
將描述示例性氣動控制器10。示例性氣動控制器10包括包括中繼裝置13 的氣動控制架、具有波登管組件32的反饋組件12、包括噴嘴閥17和加法 橫梁擋板(summing beam-flapper ) 21的噴嘴擋板組件22、以及比例反饋裝 置37。為了操作控制器10，諸如天然氣的供應流體11被連接到中繼裝置 13的入口 14。中繼裝置13提供氣動控制架以通過控制壓力20來驅(qū)動控制 閥致動器16,從而將用于控制經(jīng)過控制閥33的過程流動50的流動控制元 件31定位在控制閥33中。用來使控制閥致動器16致動的控制壓力20來自 于與連接到中繼裝置13的供應流體11相關(guān)的壓力，并且部分地由噴嘴擋板 組件22產(chǎn)生的氣動控制信號確定。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應該認識到，在氣動控制器10初始起動時，中繼裝置 13中的內(nèi)部中繼閥23打開，供應流體11流過中繼裝置13內(nèi)的中繼腔24 和控制腔29,以在致動器16中產(chǎn)生控制壓力20。如圖2所示，控制腔入口 18處的氣動節(jié)流器43在中繼腔24和控制腔29的加壓過程中產(chǎn)生滯后或延 遲，以向致動器16提供流體流動，直到在中繼裝置13上實現(xiàn)預定的或操作 的力平衡為止，如以下更為詳細所述。在操作過程中，控制壓力20是連接 到中繼裝置13的控制入口 19的噴嘴擋板組件22通過壓力分流作用對噴嘴 壓力30進行調(diào)制而產(chǎn)生的結(jié)果。也就是說，通過主要由供應流體壓力11以 及入口彈簧51和中繼腔彈簧52產(chǎn)生的附加偏壓彈簧力而產(chǎn)生的力平衡，中 繼閥23進行操作，其中供應流體壓力11是根據(jù)中繼裝置13中上隔膜26與 加載隔膜27的面積比起作用。 一般應該理解，通過控制根據(jù)加載隔膜27而 作用的噴嘴壓力30，與噴嘴壓力30直接相關(guān)的補充力則控制中繼閥23定 位，并因此控制到達致動器16的控制壓力20。
先前所述的噴嘴擋板組件22的分流作用由加法橫梁擋板21相對于噴嘴閥17的相對位置產(chǎn)生。噴嘴擋板組件22的相對位置的變化產(chǎn)生可變的流體 分流，該可變的流體分流導致噴嘴壓力30的相應改變。更具體而言，噴嘴 閥17相對于加法一黃梁擋板21的相對位置部分地由與下游過程流體流動50 有關(guān)的過程壓力40確定。為了感應或4企測過程壓力40，波登管組件32直 接連接到下游過程流體流動50。當波登管組件32被加壓，波登管組件32 將根據(jù)過程壓力40的變化而膨脹或者收縮。因此，應該認識的是，過程壓 力40的增加導致的波登管組件32的膨脹隨后將加法橫梁擋板21從由標記 為i的左端移動，朝向噴嘴闊17移動，有效地增加了噴嘴閥17處的限流， 從而增加了中繼裝置13中的加載隔膜27上的壓力，加載隔膜27上的壓力 會隨后打開中繼閥23,從而使到達致動器16的控制壓力12增加。類似地， 過程壓力40的減小使得波登管組件32收縮，減小由噴嘴擋板組件22呈現(xiàn) 的節(jié)流，從而降低加載隔膜27上的流體壓力，從而使得到達致動器16的控 制壓力20減小。在示例性氣動控制器10中，波登管組件32被用做過程反 饋檢測器或元件，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解的是也可以使用諸如波紋管組 件的其它反饋元件。
為了改變控制閥33的控制點，氣動控制器IO提供與噴嘴擋板組件22 相連的調(diào)節(jié)裝置25，以在噴嘴擋板組件22中形成固定或最小壓力分流。也 就是說，氣動控制器10的設定點通過調(diào)節(jié)噴嘴閥17相對于加法橫梁擋板 21的絕對位置而形成。在示例性氣動控制器10中，凸輪操作桿裝置36使 噴嘴閥17相對于加法橫梁擋板21移動，以提供先前所述的通過噴嘴閥17 的預定的分流或"泄放，，。通過形成該預定分流，噴嘴壓力30向加載隔膜 27上提供預定力，以基本固定到達致動器16的控制壓力20。 一般還應理解 的是，過程內(nèi)的波動(即，閥內(nèi)的振動力或閥下游的流動需求的改變)可導 致控制元件31的位置的偏離，這將影響過程控制(即，僅使用前述設定點 控制的開環(huán)控制無法充分控制該過程)。為了使這種波動對過程的影響最小， 過程控制器提供用在閉合環(huán)控制策略中的可調(diào)節(jié)負反饋的裝置，如下文更為 詳纟田所述。傳統(tǒng)的氣動控制器經(jīng)常使用連接在控制壓力與大氣之間的比例帶閥，以 通過反饋或比例波紋管來(即可調(diào)節(jié)負反饋裝置)比例度量分配或者調(diào)節(jié)壓 力反饋。傳統(tǒng)的氣動控制器將比例帶閥用作分壓器，以基于控制器輸出壓力 的百分比來形成比例帶波紋管中的反饋壓力。 一般應該理解的是，對比例帶 閥的設置進行改變可提供反饋壓力相對于所供應的輸出壓力的不同的百分 比，并且最終獲得用于控制器的不同的比例增益?？刂破魃系谋壤龓гO定被 用來根據(jù)設置點的變化和過程中發(fā)生的負載倒置而微調(diào)過程環(huán)的響應，但是 比例帶閥連續(xù)地向大氣中排出供應氣體，這通常浪費大量供應流體。
示例性氣動控制器10通過將比例帶閥更換為懸臂反饋機構(gòu)60而減小其 消耗，所述懸臂反饋機構(gòu)提供比例帶調(diào)節(jié)，但不會有與比例帶閥相關(guān)的排放。 如圖1和圖2所示，比例波紋管組件41被氣動地連接到控制壓力20并機械 地連接到加法橫梁擋板21,作為過程控制信號檢測器。比例波紋管組件41 包括上波紋管55和下波紋管56。上波紋管55 ;故連接到控制壓力20。下波 紋管56連通到大氣。這樣，比例波紋管組件41可4全測并響應控制壓力20 的改變，以通過加法橫梁擋板21提供反饋力，從而抵消噴嘴閥17處的壓力 變化，并使存在于中繼裝置13上的壓力差平衡。在操作過程中，過程壓力 20的變化被供給到比例波紋管組件41,這導致上波紋管55相應的膨脹或收 縮，這在相對位于加法橫梁擋板21的標記為1_的右端向加法橫梁擋板21 施加反饋力，以抵消由噴嘴壓力30的增大或減小導致的噴嘴閥的力。
為了提供對氣動控制器的響應進行"微調(diào)"或者優(yōu)化，懸臂反饋機構(gòu) 60提供比例帶調(diào)節(jié)。比例帶調(diào)節(jié)是基于由過程壓力40的給定變化而造成的 通過比例波紋管組件41施加到加法橫梁擋板21上的運動的減小或者分配。 應該理解的是，對于過程壓力40中的給定變化，比例波紋管組件41的上波 紋管55將懸臂反饋機構(gòu)60的端部移置的量與比例波紋管組件41的有效面 積成正比并且與懸臂反饋機構(gòu)60和比例波紋管組件41的彈簧系數(shù)或剛度成 反比。
懸臂反饋機構(gòu)60通過改變有效長度并且因此改變懸臂65的彈簧系數(shù)而提供比例帶調(diào)節(jié)。也就是說，懸臂65的有效長度通過將比例帶調(diào)節(jié)器68移 動到不同的位置而被調(diào)節(jié)。如圖1和圖2所示，比例帶調(diào)節(jié)器68是一種被 設置為沿懸臂65滑動的夾持裝置，并且可通過諸如旋轉(zhuǎn)緊固件(即翼形螺 釘設置)的任何本領(lǐng)域通常已知的裝置被緊固。本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解的 是，也可以使用懸臂65和比例帶調(diào)節(jié)器68的不同的設置來對準這兩個部件。 例如，與懸臂65的長橫交的槽可容納比例帶調(diào)節(jié)器68的緊固件，或者比例 帶調(diào)節(jié)器68可具有"橫跨"懸臂的凹陷(未示出)以保持對準，這些都不 脫離示例性反饋調(diào)節(jié)裝置的精神和范圍。
在微調(diào)氣動控制器10的反饋的過程中，比例帶調(diào)節(jié)器68的再定位導致 懸臂65的剛度隨著懸臂65的柔性部的長度變化而改變。這樣，作用在比例 波紋管組件41中的過程壓力與懸臂65提供的剛度的組合向加法橫梁擋板 21上施加可調(diào)節(jié)的位移來控制到達致動器16的控制壓力20。例如，將比例 帶調(diào)節(jié)器68移動到圖2的右側(cè)減小懸臂65的剛度，并導致更多的由于比例 波紋管組件41的壓力變化而造成的加法橫梁位移。除了由于上述比例帶調(diào) 節(jié)器68的位置的變化導致的位移的修正之外，也可具有附加的擴展來變更 懸臂的剛度的效果(即，上下波紋管55和56都具有與懸臂65的剛度結(jié)合 操作的相關(guān)的彈簧系數(shù))。
例如，當比例帶調(diào)節(jié)器68定位在右邊時，懸臂65的有效長度增加。因 為懸臂65的有效長度增加，比例波紋管組件41的更多的位移被直接傳遞到 加法橫梁擋板21,從而產(chǎn)生對懸臂65剛度的乘法效果。該增大的反饋可不 與懸臂65的長度成正比。實際上，本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解，乘法效果可 相對于比例帶調(diào)節(jié)器68的位置變化和比例波紋管組件41的固有彈簧系數(shù)約 成對數(shù)關(guān)系，其可施加與上波紋管55的位移長度有關(guān)的額外的力。對數(shù)關(guān) 系在控制器的應用中是希望的，因為當比例帶變大(即，反饋供應敏感度增 大)時，這種對數(shù)關(guān)系可提高比例增益調(diào)節(jié)的微調(diào)敏感度。本領(lǐng)域技術(shù)人員 還可理解，各種懸臂結(jié)構(gòu)可提供其它的移動/彈簧系數(shù)關(guān)系，例如"板簧" 設置或懸臂的可變厚度或?qū)挾?。為了改變操作中的反饋信號，調(diào)節(jié)器68沿懸臂65的長度移動。如前所 述，如果比例帶調(diào)節(jié)器68—直向圖2中的懸臂65的右側(cè)移動，所有控制壓 力20的變化均反饋回比例波紋管組件41。這樣，隨著控制壓力20增大， 比例波紋管組件41將膨脹并使加法橫梁擋板21移動遠離噴嘴17，從而使 來自中繼裝置的控制壓力20減小。類似地，當比例帶調(diào)節(jié)器68—直向懸臂 65的左側(cè)移動，懸臂反饋機構(gòu)60和比例波紋管組件41的組合剛度可抵抗 過程壓力40,從而減小加法橫梁擋板21從噴嘴的位移。該運動增大噴嘴阻 力，從而增大加載隔膜27上的壓力，因此增大控制壓力20。因此，示例性 氣動控制器提供比例帶調(diào)節(jié)，而不會將供應流體排放到環(huán)境大氣。
示例性氣動控制器10還可提供一種用于將比例帶調(diào)節(jié)器68緊固到懸臂 6 5的可替換的裝置。圖3顯示 一 種用于將比例帶調(diào)節(jié)器緊固到懸臂6 5的夾 緊結(jié)構(gòu)，而無需直接夾緊到懸臂65上的旋轉(zhuǎn)緊固件。在鎖定桿組件168中， 諸如貝氏彈簧的彈簧部件185在夾緊作用過程中提供機械順從性，以防止懸 臂65變形或者軸181的永久性的拉長。類似于前述比例帶調(diào)節(jié)器，示例性 鎖定桿組件168沿懸臂定位在希望的位置。鎖定桿180繞調(diào)節(jié)器夾具187內(nèi) 的銷182旋轉(zhuǎn)而偏離鎖定桿180的中心軸線Z。當鎖定桿180順時針旋轉(zhuǎn)而 接合夾具187時，調(diào)節(jié)器軸181被朝懸臂65牽引，壓縮彈簧185，以提供 懸臂65上的彈簧偏壓/順從負載，其將鎖定桿組件168緊固在希望的位置。 另外， 一對分隔件191和192可被設置以避免損壞懸臂65，并在調(diào)節(jié)器夾 具187的接合過程中提供對準。為了提供用于調(diào)節(jié)貝氏彈簧負載的裝置，調(diào) 節(jié)螺母184可被螺紋連接到軸181，以控制鎖定桿組件168的壓縮深度。本 領(lǐng)域技術(shù)人員可認識到，也可以使用其它的順從裝置來在凸輪動作期間提供 臨時伸長，例如巻簧或者聚合物。
盡管顯示和描述了目前被認為是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但對本領(lǐng)域技術(shù) 人員明顯的是，可進行各種變化和修改而不背離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā) 明的范圍。盡管特定裝置、方法、制造品被描述在此，但本專利的覆蓋范圍 并不限于此。相反，本專利覆蓋所有在文字上或者按照等同原則完全落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的制造裝置、方法和產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1、一種用于控制過程的氣動控制器，包括氣動控制架，用于向控制元件提供過程控制信號；氣動反饋組件，用于向所述氣動控制架提供代表所述過程的反饋控制信號，其中所述反饋控制信號修正所述過程控制信號；以及連接到所述氣動反饋組件的懸臂反饋組件，其中該懸臂反饋組件提供對所述反饋控制信號的調(diào)節(jié)。
2、 如權(quán)利要求1所述的氣動控制器，其中所述懸臂反饋組件進一步包 括波紋管組件。
3、 如權(quán)利要求1所述的氣動控制器，其中所述氣動控制架包括中繼裝置。
4、 如權(quán)利要求1所述的氣動控制器，其中所述氣動反饋組件進一步包 括波登管和噴嘴擋板組件。
5、 如權(quán)利要求1所述的氣動控制器，其中所述懸臂反饋組件包括懸臂 和調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)該懸臂的剛度，以使所述懸臂的剛度提供預定 反饋控制信號。
6、 如權(quán)利要求5所述的氣動控制器，其中所述懸臂的剛度與該懸臂的 長度、該懸臂的厚度或該懸臂的寬度中的至少之一成比例。
7、 如權(quán)利要求5所述的氣動控制器，其中所述調(diào)節(jié)器包括夾緊組件。
8、 如權(quán)利要求7所述的氣動控制器，其中所述夾緊組件包括旋轉(zhuǎn)緊固件。
9、 如權(quán)利要求7所述的氣動控制器，其中所述夾緊組件包括離心凸輪 緊固件。
10、 如權(quán)利要求1所述的氣動控制器，其中所述懸臂反饋組件減少所述 氣動控制器的供應流體消耗。
11 、 一種用于具有氣動控制架和氣動反饋組件的氣動過程控制器的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，該反饋比例調(diào)節(jié)裝置包括反饋檢測器，用于提供代表所述氣動控制架產(chǎn)生的控制信號的反饋信 號；以及懸臂組件，用于提供所述反饋信號的預定調(diào)節(jié)。
12、 如權(quán)利要求11所述的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，其中所述反饋檢測器包 括波紋管組件。
13、 如權(quán)利要求12所述的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，其中所述懸臂組件包括 懸臂和調(diào)節(jié)器。
14、 如權(quán)利要求13所述的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，其中所述懸臂組件的所 述預定調(diào)節(jié)包括改變所述懸臂的剛度。
15、 如權(quán)利要求14所述的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，其中所述懸臂的剛度與 該懸臂的長度、該懸臂的厚度或該懸臂的寬度中的至少之一直接相關(guān)。
16、 如權(quán)利要求16所述的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，其中所述懸臂的長度由 所述調(diào)節(jié)器的位置確定。
17、 如權(quán)利要求16所述的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，其中所述調(diào)節(jié)器包括夾 緊結(jié)構(gòu)。
18、 如權(quán)利要求17所述的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，其中所述夾緊結(jié)構(gòu)包括 旋轉(zhuǎn)緊固件。
19、 如權(quán)利要求17所述的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，其中所述夾緊結(jié)構(gòu)包括 離心凸輪緊固件。
20、 如權(quán)利要求14所述的反饋比例調(diào)節(jié)裝置，其中所述懸臂的剛度與 所述波紋管組件的位移成對數(shù)關(guān)系。
全文摘要
一種用于控制過程的氣動控制器有利地通過提供對反饋信號的比例調(diào)節(jié)來減小流體消耗。該氣動控制器包括氣動控制架、過程壓力檢測器和反饋比例調(diào)節(jié)裝置。所述反饋比例調(diào)節(jié)裝置使用反饋懸臂部件來提供對所述反饋信號的比例調(diào)節(jié)，從而減小該氣動控制器的流體消耗。
文檔編號G05D16/18GK101523321SQ200780037006
公開日2009年9月2日 申請日期2007年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月2日
發(fā)明者喬治·W·加斯曼, 亞歷山大·C·佩塞克 申請人:費希爾控制產(chǎn)品國際有限公司