МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ, В ЧАСТНОСТИ МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ КЛАПАНОМ, И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ КЛАПАНОМ
CONTROL MECHANISM, IN PARTICULAR VALVE CONTROL MECHANISM, AND METHOD OF OPERATING VALVE CONTROL MECHANISM

Настоящее изобретение относится к механизму управления, в частности к механизму управления клапаном и к способу эксплуатации механизма управления клапаном.
Механизм управления клапаном можно использовать для двухходового клапана. Двухходовой клапан может использоваться для управления расходом текучей среды, например, в системе отопления. Двухходовой клапан содержит впуск, выпуск и седло клапана, расположенное между впуском и выпуском. Клапанный элемент перемещается механизмом управления относительно седла клапана. Когда клапанный элемент контактирует с седлом клапана, поток сквозь клапан прерывается. Когда клапанный элемент расположен на наибольшем расстоянии от седла клапана, расход через клапан максимален.
Расход через клапан зависит не только от расстояния между клапанным элементом и седлом, ни и от перепада давления между впуском и выпуском. Если такой перепад давления меняется, расход также меняется, если положение клапанного элемента относительно седла не регулируется.
Для компенсации изменений перепада давления между впуском и выпуском, известны клапаны, имеющие две секции. Одна секция используется для удержания перепада давления постоянным относительно другой секции. Другая секция используется для управления расходом. Когда используется такой клапан, механизму управления приходится только регулировать положение клапанного элемента. Такая регулировка осуществляется путем перемещения приводного элемента механизма управления в конкретное положение, соответствующее требуемому положению клапанного элемента.
Однако клапан с двумя секция сложен и дорог.
Механизм управления также может использоваться в вентиляторных доводчиках, узлах подготовки воздуха или обогревающих или охлаждающих потолках.
Целью настоящего изобретения является создание механизм управления, обеспечивающего простоту управления.
Эта цель достигается с помощью механизма управления, содержащего привод, воздействующий на исполнительный элемент, выполненный с возможностью перемещения между первым и вторым положениями, датчик силы, определяющий силу, действующую на исполнительный элемент, и датчик хода, определяющий смещение исполнительного элемента от первого положения. Первое и второе положения, например, могут соответствовать, соответственно, полностью закрытому и полностью открытому положениям клапана.
Такой механизм управления, используемый вместе с клапаном, позволяет достаточно просто управлять расходом через клапан, с которым соединен этот механизм управления. Исполнительный элемент воздействует на клапанный элемент клапана. Он может, например, перемещать клапанный элемент в закрытое положение, в котором клапанный элемент контактирует с седлом клапана, и вновь открывать его. Смещение исполнительного элемента означает, что расстояние между клапанным элементом и седлом клапана [меняется]. Другими словами, смещение исполнительного элемента означает "степень открытия" клапана. Дополнительно, датчик силы определяет силу, воздействующую на клапанный элемент и, соответственно, на исполнительный элемент механизма управления. Эта сила содержит информацию о перепаде давления на клапане, т.е. о перепаде давления между впуском и выпуском клапана. Для данного с смещения исполнительного элемента расход через клапан зависит от перепада давления на клапане и, следовательно, от силы, действующей на исполнительный элемент через клапанный элемент.
В одном варианте изобретения привод соединен с управляющим средством, при этом управляющее средство регулирует смещение исполнительного элемента в зависимости от силы, действующей на исполнительный элемент. Когда, для заданного расхода, сила увеличивается, управляющее средство может переместить исполнительный элемент для увеличения дроссельного сопротивления. В этом случае исполнительный элемент воздействует на клапанный элемент в направлении к седлу клапана. Если, с другой стороны, сила, действующая на исполнительный элемент, уменьшается, это является четким указанием на снижение перепада давления на клапане, и исполнительный элемент смещается дальше от седла клапана. Управляющее средство может быть внутренним средством привода, или наружным.
В одном варианте изобретения управляющее средство содержит справочную таблицу, в которой хранятся отношения между силами, действующими на исполнительный элемент и смещениями исполнительного элемента. Во многих случаях отношение между силами, действующими на исполнительный элемент, и смещением исполнительного элемента не являются строго линейной функцией. Однако, справочная таблица или соответствующая матрица могут использоваться для хранения необходимых отношений. Такая справочная таблица может заполняться заранее, в зависимости от конкретного клапана или в зависимости от конкретного типа клапана. Справочная таблица может быть частью механизма управления или она может быт внешней по отношению к механизму управления.
В одном варианте изобретения управляющее средство содержит вычислительное средство для расчета смещения исполнительного элемента в ответ на силу, действующую на исполнительный элемент. Такое вычислительное средство может применяться, когда отношение между силами и смещениями можно описать функцией или набором функций. Оно может применяться как альтернатива справочной таблице или дополнительно к ней. В частности, можно использовать вычислительное средство в дополнение к справочной таблице, когда может потребоваться интерполяция величин, хранящихся в справочной таблице.
В одном варианте изобретения управляющее средство содержит вход по расходу. Вход по расходу может принимать величину уставки для расхода через клапан. Как указано выше, такой расход зависит от смещения исполнительного элемента и от перепада давления на клапане. Информация о перепаде давления может быть получена от датчика силы, а информация о смещении может быть получена от датчика смещения. Когда известны другие характеристики клапана, определяющие расход, требуемое смещение исполнительного элемента можно регулировать в зависимости от силы, действующей на исполнительный элемент. Когда сила, действующая на исполнительный элемент, меняется, необходимо также изменить смещение, чтобы поддерживать расход через клапан постоянным в соответствии с данной уставкой.
В одном варианте механизмом управления является электрический линейный механизм управления.
В одном варианте датчик силы определяет силу растяжения и/или сжатия.
Цель настоящего изобретения достигается посредством способа эксплуатации механизма управления, содержащего этапы, на которых определяют силу, действующую на исполнительный элемент механизма управления, определяют смещение исполнительного механизма, и регулируют смещение исполнительного механизма, как реакцию на силу.
Как указано выше, механизм управления может быть соединен с двухходовым клапаном, в котором седло клапан расположено между впуском и выпуском, а клапанный элемент взаимодействует с седлом клапана. Клапанный элемент приводится в движение исполнительным элементом.
Смещение исполнительного элемента - это расстояние между клапанным элементом и седлом клапана. Сила, действующая на исполнительный элемент, содержит информацию о перепаде давления между впуском и выпуском. Механизм управления клапаном может регулировать смещение исполнительного элемента в ответ на силу так, чтобы изменение перепада давления на клапане можно было компенсировать для получения, например, постоянного расхода.
В одном варианте смещение регулируется на основе заданного расхода.
В одном варианте изобретения отношение между расходом, силой и смещением хранится в матрице и считывается для регулировки смещения.
В одном варианте изобретения отношение между расходом, силой и смещением рассчитывается. Расчет может выполняться альтернативно или дополнительно к считыванию из матрицы. Матрица может иметь форму, например, справочной таблицы.
Далее следует более подробное описание варианта настоящего изобретения со ссылками на чертежи, где:
Фиг. 1 - схематическая иллюстрация механизма управления клапаном, соединенного с клапаном.
Фиг. 2 - схематическая иллюстрация, показывающая поток информации в подготовительной части операции.
Фиг. 3 - диаграмма последовательности, иллюстрирующая работу механизма управления клапаном по фиг. 2.
Фиг. 4 - схематическая иллюстрация, показывающая поток информации во время работы механизма управления клапаном.
Фиг. 5 - диаграмма последовательности, иллюстрирующая способ работы механизма управления капаном.
На фиг. 1 схематически показаны механизм 1 управления клапаном, такой как электрический линейный управляющий механизм asan, установленный на клапане 2. Клапан 2 - является двухходовым клапаном, имеющим впуск 43 и выпуск 4. Седло 5 клапана расположено между впуском 3 и выпуском 4. Клапанный элемент 6 взаимодействует с седлом 5 клапана для управления потоком текучей среды через клапан 2.
Клапанный элемент 6 соединен со стержнем 7 клапана, свободно движущимся в корпусе 8 сальника.
Клапанный элемент 6 может быть предварительно натянут, например, в направлении от седла 5 клапана, т.е. в открытое положение.
Механизм 1 управления клапаном содержит исполнительный элемент 9, соединенный со стержнем 7 клапана или просто контактирующий со стержнем 7 клапана. Исполнительный элемент 9 приводится в движение приводом 10. Привод 10 управляется управляющим средством 11. Привод 10 и управляющее средство 11 показаны только на фиг. 1a. На остальных чертежах они опущены для упрощения иллюстраций.
Механизм 1 управления клапаном содержит датчик 12 силы (показанный двойной стрелкой на фиг. 1b). Датчик 12 силы измеряет силу 14, например, напряжение и/или силу 14 давления, действующую на исполнительный элемент 9. Сила 14, действующая на исполнительный элемент 9, соответствует силе 14, действующей на клапанный элемент 6.
Кроме того, механизм 1 управления содержит датчик 13 хода, показанный стрелкой на фиг. 1c. Датчик хода измеряет смещение исполнительного элемента, т.е. расстояние между клапанным элементом 6 и седлом 5 клапана или просто положение клапанного элемента 6.
На фиг. 1a показан клапан 2 в закрытом положении. Перепад давления между впуском 3 и выпуском 4 создает силу 14 действующую на клапанный элемент 6. Эта сила 14 является максимальной силой. Эта сила измеряется датчиком 12 силы.
На фиг. 1 показан клапан 2 в приоткрытой конфигурации, т.е. с зазором 15 между седлом 5 клапана и клапанным элементом 6. Сила 14, действующая клапанный элемент 6 уменьшена. Эта уменьшенная сила 14 измеряется датчиком 12 силы. В то же время ход клапанного элемента 6, т.е. расстояние между клапанным элементом 6 и седлом 5 клапана может измеряться датчиком 13 хода.
На фиг. 1c показан клапан 2 в еще более открытом состоянии, т.е. зазор 15 между седлом 5 клапана и клапанным элементом 6 еще больше увеличен. Сила 14 еще больше уменьшилась. Однако это в основном справедливо только, когда перепад давления между впуском 3 и выпуском 4 не менялся.
Когда для данного смещения исполнительного элемента 9 сила 14, измеряемая датчиком 12 силы, меняется, смещение исполнительного элемента также должно измениться для поддержания расхода текучей среды через клапан 2 постоянным.
Когда, например, для данного смещения исполнительного элемента 9, сила 14 увеличивается, это является информацией о том, что перепад давления между впуском 3 и выпуском 4 увеличился. В этом случае управляющее средство 11 должно активировать привод 10 для уменьшения смещения исполнительного элемента 9, чтобы сдвинуть клапанный элемент 6 ближе к седлу 5 клапана. Когда сила 14 уменьшается, это указывает на то, что перепад давления между впуском 3 и выпуском 4 также уменьшился. Поэтому клапанный элемент 6 нужно отвести от седла 5 клапан, что можно сделать, увеличив смещение исполнительного элемента 9.
Более точное управление можно осуществлять, когда данные 14a о силе и данные 16 о смещении (оба вида данных показаны стрелками на фиг. 2) хранятся в информационной матрице 17. Информационная матрица 17 может быть реализована в виде, например, справочной таблицы. Дополнительно, в информационной матрице 17 также хранятся данные 18 о расходе. Матрица данных 14a о силе, данных 16 о смещении и соответствующие данные 18 о расходе можно рассчитать или измерить и оценить для задания положения механизма управления.
В этом варианте информационная матрица 17 может быть внутренней матрицей механизма 1 управления, или внешней относительно механизма 1 управления.
На фиг. 3 схематически представлена диаграмма последовательности, иллюстрирующая один вариант способа создания матрицы.
Независимо от нормальной работы механизма 1 управления клапаном, для создания матрицы может возникнуть необходимость использовать дополнительный датчик расхода. Как описано выше, механизм 1 управления клапаном соединен с клапаном 2. Механизм 1 управления клапаном выполнен с возможностью измерять силу 14, прилагаемую текучей средой к клапанному элементу 6, и "знать" фактическое смещение клапанного элемента 6.
На этапе S1 в диапазоне разных данных эталонных сил и/или альтернативно в диапазоне разных данных эталонных смещений и/или альтернативно в диапазоне разных заданных расходов выполняют несколько измерений сил и/или смещений и/или расходов.
На этапе S2 механизм 1 управления клапаном пропускают через диапазон измеренных разных эталонных сил 14, или альтернативно через диапазон измеренных разных эталонных смещений, или альтернативно через диапазона измеренных разных эталонных расходов, и датчиком 12 силы измеряют фактическую силу 14, действующую на клапанный элемент 6, и/или датчиком 13 хода измеряют фактическое смещение клапанного элемента 6, и/или датчиком расхода изменяют фактический расход.
На этапе S3 все данные, полученные на этапе S2, все измеренные данные 14a о силе 14, данные 16 о смещении и/или данные 18 о расходе вводят в информационную матрицу.
Работа механизма 1 управления клапаном показана на фиг. 4. Данные 18 о расходе вводятся через вход 19 величины расхода. Данные 14a о силе приходят от датчика 12 силы. Когда механизм 1 управления клапаном измеряет изменяющиеся данные 14a о силе, они ассоциируются с изменением расхода. Механизм 1 управления клапаном теперь "знает" текущую силу 14 и текущее смещение клапанного элемента 6, которое не изменилось. На основе этих данных информационную матрицу 17 можно использовать для определения нового смещения исполнительного элемента 9 и, соответственно клапанного элемента 6, которое соответствует требуемому расходу.
Когда измеренная сила изменяется, это будет связано с изменением условия на входе. Условия на входе меняются из-за изменений в других частях схемы циркуляции, в которую встроен клапан 2. Из предыдущих данных 14a о силе и данных 16 о смещении, механизм 1 управления клапаном "знает" расход. Теперь он может получить новые данные 16 о смещении для коррекции расхода (т.е. для поддержания постоянного расхода) из информационной матрицы 17.
Однако можно также рассчитать это новое смещение, когда отношение между силой 14, смещением и расходом можно описать функцией или набором функций.
На фиг. 5 приведена диаграмма последовательности способ эксплуатации клапана 2 с использованием информационной матрицы 17.
На этапе 01 создают информационную матрицу, связывая силу 14, действующую на клапанный элемент 6, и расход со смещением клапанного элемента 6, которое соответствует смещению исполнительного элемента 9.
На этапе 02 измеряют фактическую силу 14, действующую на клапанный элемент 6.
Этап 03 относится к ситуации, когда сила 14 изменяется. Данные о новой силе 14 и о текущем смещении используются как входные данные в информационную матрицу 17 для идентификации нового смещения, которое даст требуемый расход. Выдаются команды на смещение исполнительного элемента.
На этапе 04 на основе данных матрицы механизм 1 управления клапаном регулирует смещение клапанного элемента 6 до нужного, перемещая исполнительный элемент в нужное положение.
Конкретная конструкция механизма 1 управления клапаном может быть реализована несколькими способами.
Положение или смещение исполнительного элемента 9 можно определять внутри или снаружи механизма 1 управления. Их можно определить по справочной таблице расхода и смещения при конкретных силах, которая хранится в механизме 1 управления или вне его.
Осевое движение исполнительного элемента 9 можно реализовать через зубчатый шпиндель, линейный электродвигатель, удлинение металлов, кареткой, содержащей воск или любой другой материал, расширяющийся при нагреве.
Обратная связь по положению исполнительного элемента 9 может быть получена линейным измерением или, если смещение исполнительного элемента 9 выполняется вращающимся приводом, измерением вращения.
Сила, действующая на исполнительный элемент 9, может измеряться или рассчитываться разными способами, например тензодатчиком в разных положениях, по току на двигателе, по смещению пружины известной силы и т.д.
Механизм 1 управления клапаном измеряет величину, соответствующую смещению клапанного элемента 6 от закрытого положения клапана. Механизм 1 управления клапаном измеряет величину, соответствующую силе 14, действующей на исполнительный элемент 9 при всех смещениях. Сила, действующая на исполнительный элемент 9 при конкретном смещении от закрытого положения, соответствует конкретному расходу текучей среды через конкретный клапан 2. Информационную матрицу 17 сил, смещений и соответствующих расходов текучей среды для конкретного клапан 2 для конкретного клапан 2 можно рассчитать или измерить и к ней можно обращаться для задания положения исполнительного элемента.
Механизм 1 управления клапаном получает управляющий сигнал на входе 19 расхода для задания расхода текучей среды через клапан. В зависимости от определенной силы 14, действующий на клапанный элемент 6 и, соответственно, на исполнительный элемент 9, исполнительный элемент 9 перемещается в конкретное положение. Если сила, действующая на исполнительный элемент 9, меняется, механизм управления смещает исполнительный элемент 9 в новое положение, соответствующее требуемому расходу.