CN112166276B - 特别是阀门致动器的致动器和用于操作阀门致动器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种阀门致动器(1)，所述致动器包括作用在致动元件(9)上的驱动装置(10)、感测作用在致动元件(9)上的力(14)的力传感器以及感测致动元件(9)的位移的行程传感器(13)。

Description

特别是阀门致动器的致动器和用于操作阀门致动器的方法

本发明涉及一种致动器，特别是一种阀门致动器，以及一种用于操作阀门致动器的方法。

阀门致动器可以与二通阀门连接使用。二通阀门可以用于控制例如加热系统中流体的流速。二通阀门包括入口和出口以及入口与出口之间的阀座。阀芯通过致动器相对于阀座移动。当阀芯接触阀座时，经过阀门的流体中断。当阀芯与阀座的距离最大时，经过阀门的流量达到最大值。

经过阀门的流量不仅取决于阀芯与阀座的距离，还取决于入口与出口之间的压差。如果该压差变化，则流量也会变化，除非调整阀芯相对于阀座的位置。

为了补偿入口与出口之间的压差变化，已知阀门具有两个部分。一部分用于保持与另一部分的压差恒定。另一部分用于流量控制。当使用这种阀门时，致动器仅调整阀芯的位置。通过将致动器的致动元件移动到与所需阀芯位置相对应的特定位置来完成该调整。

然而，具有两个部分的阀门是复杂和昂贵的。

致动器也可以用于风机盘管单元、空气处理单元或加热和冷却天花板。

本发明的目的是提供一种允许简单控制的致动器。

该目的是通过一种致动器解决的，所述致动器包括驱动装置、力传感器以及行程传感器，所述驱动装置作用在致动元件上，所述致动元件能够在第一位置与第二位置之间移动，所述力传感器感测作用在致动元件上的力，所述行程传感器感测致动元件从所述第一位置的位移。例如，第一位置和第二位置可以分别对应于阀门的完全关闭位置和完全打开位置。

当与阀门一起使用时，这种致动器允许以相当简单的方式控制经过阀门的流量，致动器连接到该阀门上。致动元件作用在阀门的阀芯上。例如，它可以将阀芯移动到关闭位置，在所述关闭位置，阀芯接触阀座并再次将其打开。致动元件的位移是指阀芯与阀座之间的距离。换句话说，致动元件的位移与阀门的“开度”相对应。此外，力传感器检测作用在阀芯上的力，并对应地检测作用在致动器的致动元件上的力。该力包含有关阀门上压差的信息，即，阀门的入口与出口之间的压差。对于致动元件的给定位移，经过阀门的流量取决于阀门上的压差，进而取决于通过阀芯作用在致动元件上的力。

在本发明的一个实施例中，驱动装置连接到控制装置，其中，控制装置根据作用在致动元件上的力来调整致动元件的位移。对于给定流量，当力增加时，控制装置可以移动致动元件以增加节流阻力。在这种情况下，致动元件沿朝向阀座的方向作用在阀芯上。另一方面，如果作用在致动元件上的力减小，这是一个明确的指示，即，阀门上的压差减小，并且致动元件被移动以增加位移，从而使得阀芯移动得离阀座更远。控制装置可以在驱动装置内部，也可以在外部。

在本发明的一个实施例中，控制装置包括查找表，其中储存了作用在致动元件上的力与致动元件的位移之间的关系。在许多情况下，作用在致动元件上的力与致动元件的位移之间的关系并不完全遵循线性函数。然而，查找表或对应的矩阵可以用来储存必要的关系。根据特定的阀门或根据特定类型的阀门，可以预先填写该查找表。该查找表可以是致动器的一部分，或可以在致动器的外部。

在本发明的一个实施例中，控制装置包括计算装置，所述计算装置根据作用在致动元件上的力来计算致动元件的位移。当力与位移之间的关系可以用一个函数或用一组函数来描述时，可以使用这种计算装置。替代地或附加地，它可以用于查找表。特别地，当可能需要在查找表中储存的值之间进行插值时，可以使用除了查找表之外的计算装置。

在本发明的一个实施例中，控制装置包括流量输入。流量输入可以接收经过阀门的流量的设定值。如上所述，该流量取决于致动元件的位移并取决于阀门上的压差。通过力传感器可以获得关于压差的信息，并且通过位移传感器可以获得关于位移的信息。当已知确定流量的阀门的其它特性时，可以根据作用在致动元件上的力来调整致动元件所需的位移。当作用在致动元件上的力变化时，位移也必须变化，以使经过阀门的流量在给定的设定值上保持恒定。

在一个实施例中，致动器是电动线性致动器。

在一个实施例中，力传感器感测张力和/或压力。

本发明的目的是通过一种用于操作致动器的方法解决的，所述方法包括以下步骤：感测作用在致动器的致动元件上的力；感测致动元件的位移；以及根据所述力来调整致动元件的位移。

如上所述，致动器可以连接到二通阀门，其中，阀座布置在入口与出口之间，并且阀芯与阀座配合。阀芯由致动元件致动。

致动元件的位移是阀芯与阀座之间的距离。作用在致动元件上的力包含关于入口与出口之间的压差的信息。阀门致动器可以根据力来调整致动元件的位移，使得可以补偿阀门上的压差变化，以获得例如恒定的流量。

在一个实施例中，基于给定的流量调整位移。

在本发明的一个实施例中，将流量、力与位移之间的关系储存在矩阵中，并将其读出以调整位移。

在本发明的一个实施例中，计算流量、力与位移之间的关系。替代地或附加地，可以进行计算以读出矩阵。例如，矩阵可以是查找表的形式。

现在将参考附图更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1是连接到阀门上的阀门致动器的示意图，

图2是示出操作的准备部分中的信息流的示意图，

图3是示出根据图2的阀门致动器的操作的流程图，

图4示意性地示出了阀门致动器的操作期间的信息流，以及

图5是示出通过阀门致动器来操作阀门的方法的流程图。

图1示意性地示出了安装在阀门2上的阀门致动器1，例如，电动线性致动器。阀门2是具有入口3和出口4的二通阀门。阀座5定位在入口3与出口4之间。阀芯6与阀座5配合，以控制经过阀门2的流体的流动。

阀芯6连接到阀杆7，阀杆7自由地移动通过填料箱8。

例如，可以沿远离阀座5的方向(即，在打开位置)预紧阀芯6。

阀门致动器1包括致动元件9，所述致动元件连接到阀杆7或仅仅与阀杆7接触。致动元件9被驱动装置10移动。驱动装置10被控制装置11控制。驱动装置10和控制装置11仅在图1a中示出。为了使图示简单，在其它附图中省略了它们。

阀门致动器1包括力传感器12(在图1b中用双箭头表示)。力传感器12感测作用在致动元件9上的力14，例如，张力和/或压力14。作用在致动元件9上的力14对应于作用在阀芯6上的力14。

此外，阀门致动器1包括在图1c中由箭头表示的行程传感器13。行程传感器感测致动元件9的位移，即，阀芯6与阀座5之间的距离，或者仅仅是阀芯6的位置。

图1a示出了处于关闭位置的阀门2。入口3与出口4之间的压差产生作用在阀芯6上的力14。该力14是最大力。该力由力传感器12感测。

图1b示出了处于轻微打开状态的阀门2，即，阀座5与阀芯6之间有间隙15。作用在阀芯2上的力14减小。该减小的力14由力传感器12感测。同时，可以由行程传感器13感测阀芯6的行程，即，阀芯6与阀座5之间的距离。

图1c示出了处于进一步打开状态的阀门2，即，阀座5与阀芯6之间的间隙15已经进一步增加。力14进一步减小。然而，只有当入口3与出口4之间的压差没有变化时，这才基本上是正确的。

对于致动元件9的给定位移，当由力传感器12感测到的力14变化时，致动元件9的位移也必须变化，以保持经过阀门2的流体的流量恒定。

例如，对于致动元件9的给定位移，当力14增加时，这是入口3与出口4之间的压差已经增加的信息。在这种情况下，控制装置11必须致动驱动装置10，以减小致动元件9的位移，以便于使阀芯6移动得更靠近阀座5。当力14减小时，这表明入口3与出口4之间的压差也已经减小。因此，必须移动阀芯6远离阀座5，这可以通过增加致动元件9的位移来完成。

当力数据14a和位移数据16(两者都由图2中的箭头表示)储存在信息矩阵17中时，可以实现更精确的控制。信息矩阵17可以例如通过查找表来实现。此外，流量数据18也储存在信息矩阵17中。可以计算或测量并访问力数据14a、位移数据16和对应的流量数据18的矩阵，以设置致动器的位置。

在本实施例中，信息矩阵17可以在阀门致动器1的内部或阀门致动器1的外部。

图3示意性地示出了流程图，该流程图示出了建立矩阵的方法的一种可能性。

独立于阀门致动器1的正常操作，可能需要使用额外的流量传感器来建立矩阵。如上所述，阀门致动器1连接到阀门2。阀门致动器1能够测量流体作用在阀芯6上的力14，并能够知道阀芯6的实际位移。

在步骤S1中，在不同给定参考力的范围内和/或替代地在不同给定参考位移的范围内和/或替代地在不同给定参考流量的范围内，对力和/或位移和/或流量进行几次测量。

在步骤S2中，阀门致动器1在测量的不同参考力14的范围或替代地测量的不同参考位移的范围或替代地测量的不同参考流量的范围内运行，并且由力传感器12测量作用在阀芯6上的实际力14和/或由行程传感器13测量阀芯6的实际位移和/或由流量传感器测量实际流量。

在步骤S3中，将步骤2中测量的力14的力数据14a、位移的位移数据16和/或流量的流量数据18全部储存在信息矩阵17中。

结合图4示出了阀门致动器1的操作。经由流量值输入19输入流量数据18。获得来自力传感器12的力数据14a。当阀门致动器1测量到变化的力数据14a时，这与流量的变化有关。然后，阀门致动器1知道阀芯6的当前力14和当前位移，这些值没有变化。基于这些数据，信息矩阵17可以用于确定：致动元件9的新位移以及相应地于与所需流量对应的阀芯6的新位移。

当测得的力变化时，这将与输入条件的变化有关。输入条件由于内置了阀门2的流动回路的其它部分的变化而改变。根据先前的力数据14a和位移数据16，阀门致动器1知道了流量。现在，可以从信息矩阵17获得用于正确流量(即，恒定流量)的新位移数据16。

然而，当力14、位移与流量之间的关系可以用一个函数或一组函数来描述时，还可以计算新位移。

图5示出了流程图，该流程图示意性地示出了通过使用信息矩阵17来操作阀门2的方法。

在步骤O1中，已经建立了信息矩阵17，该信息矩阵17将作用在阀芯6上的力14和流量与阀芯6的位移联系起来，所述阀芯6的位移对应于致动元件9的位移。

在步骤O2中，测量作用在阀芯6上的实际力14。

步骤O3处理力14变化的情况。新力14和当前位移数据被用作信息矩阵17的输入，以识别将给出所需流量的新位移。对于致动元件的位移给出指令。

在步骤O4中，基于矩阵数据，阀门致动器1通过将致动元件9移动到所需位置中来将阀芯6调整到正确位移。

阀门致动器1的具体结构可以以几种方式实现。

致动元件9的位置或位移可以通过阀门致动器1内部或阀门致动器1外部的计算来确定。可以通过储存在阀门致动器1中或阀门致动器1外部的特定力下的流量和位移的查找表来确定。

致动元件9的轴向移动可以由齿轮主轴、由线性电机、由金属延伸件、由含有蜡或任何其它热消耗材料的筒体产生。

致动元件9的位置反馈可以通过线性测量来实现，或者，如果致动元件9的位移是通过旋转驱动装置来实现的，则致动元件9的位置反馈可以通过旋转测量来实现。

致动元件9上的力可以以各种方式测量或通过计算得到，例如，不同位置的应变计、电机电流、已知力作用下弹簧的位移等。

阀门致动器1测量与阀芯6从关闭的阀门位置的位移相对应的值。阀门致动器1测量与在所有位移处作用在致动元件9上的力14相对应的值。在从关闭的位置的特定位移处作用在致动元件9上的力对应于经过特定阀门2的介质的特定流量。可以计算或测量特定阀门2的力和位移以及对应的介质流量的信息矩阵17，并访问该信息矩阵，以设置致动元件的位置。

阀门致动器1在流量值输入19处接收控制信号，以设置经过阀门的介质的流量。根据确定为作用在阀芯6上的力14以及对应地作用在致动元件9上的力，致动元件9移动到特定位置。如果作用在致动元件9上的力变化，则致动器将致动元件9移动到与所需流量相对应的新位置。

Claims (4)

1.一种阀门装置，包括阀门致动器(1)和二通阀门(2)，

所述二通阀门(2)具有：入口(3)；出口(4)；阀座(5)，其定位于所述入口(3)与所述出口(4)之间；阀芯(6)，其与所述阀座(5)配合，以控制经过阀门(2)的流体的流动，其中，所述阀芯(6)被构造成与所述阀座(5)接触，以便中断经过所述阀门的流动；阀杆(7)，其连接到阀芯(6)，并且自由地移动通过填料箱(8)；

所述阀门致动器(1)包括致动元件(9)、力传感器(12)、行程传感器(13)、驱动装置(10)、以及控制装置(11)，所述致动元件(9)连接到所述阀杆(7)或仅与所述阀杆(7)接触，所述致动元件(9)能够在第一位置与第二位置之间移动，所述第一位置和所述第二位置分别对应于所述阀门的完全关闭位置和完全打开位置，所述力传感器感测作用在所述致动元件(9)上的张力和/或压力(14)，作用在所述致动元件(9)上的力(14)与作用在所述阀芯(6)上的力(14)相对应，所述行程传感器(13)感测所述致动元件(9)从所述第一位置的位移，所述驱动装置(10)作用在所述致动元件(9)上并由控制装置(11)控制，其中，所述控制装置(11)被配置为基于由所述力传感器(12)感测到的力(14)、由所述行程传感器(13)感测到的所述致动元件(9)从所述第一位置的位移以及给定的流量(18)来调整所述致动元件(9)的位移，其中，所述流量(18)、所述力(14)与所述位移之间的关系储存在信息矩阵(17)中，所述信息矩阵(17)由所述控制装置(11)读出以调整所述致动元件(9)的位移，其中，如果所述力传感器(12)感测到力的变化，则新力和当前位移数据被用作所述信息矩阵(17)的输入，以识别用于所述给定的流量的所述致动元件(9)的新位移，所述致动元件(9)被移动，以将所述阀芯(6)相对于所述阀座(5)调整到正确位移，

其中，所述信息矩阵(17)通过查找表来实现，

其中，所述控制装置(11)附加地包括计算装置，所述计算装置根据作用在所述致动元件(9)上的力(14)，在查找表中储存的值之间进行插值，来计算所述致动元件(9)的位移。

2.根据权利要求1所述的阀门装置，其特征在于，所述控制装置(11)包括流量输入(19)。

3.根据权利要求1或2所述的阀门装置，其特征在于，所述阀门致动器(1)是电动线性致动器。

4.用于操作根据权利要求1至3中任一项所述的阀门装置的方法，所述方法包括以下步骤：

感测作用在所述阀门致动器(1)的致动元件(9)上的力(14)；

感测所述致动元件(9)的位移；以及

根据所述力(14)、所述致动元件(9)从所述第一位置的位移、以及所述给定的流量(18)来调整所述致动元件(9)的位移，其中，所述流量(18)、所述力(14)与所述位移之间的关系储存在所述信息矩阵(17)中。