КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ КЛАПАНА
VALVE UNIT, AND VALVE ACTUATING METHOD

Изобретение относится к клапанным устройствам, содержащим клапан для управления потоком текучей среды, используемой для нагрева или охлаждения и проходящей через теплообменник, приводной механизм для приведения в действие указанного клапана, управляющее устройство для управления указанным приводным механизмом, первый температурный датчик, подключенный к указанному управляющему устройству, и второй температурный датчик, подключенный к указанному управляющему устройству, причем тепловое сопротивление между первым температурным датчиком и клапаном больше, чем тепловое сопротивление между вторым температурным датчиком и клапаном.
Кроме того, изобретение относится к способу приведения в действие клапана, в котором указанный клапан управляет потоком текучей среды, используемой для нагрева или охлаждения и проходящей через теплообменник, причем клапан приводится в действие приводным механизмом, при этом первую температуру замеряют в первом предварительно заданном положении относительно клапана и вторую температуру замеряют во втором предварительно заданном положении относительно клапана, причем тепловое сопротивление между вторым положением и клапаном меньше, чем тепловое сопротивление между первым положением и клапаном.
Клапанное устройство описанного выше типа и способ приведения в действие клапана описанного выше типа известны из патентного документа GB 2452043 A. Первый температурный датчик замеряет температуру окружающего воздуха в помещении. Второй температурный датчик замеряет температуру вблизи клапана. Температура, замеренная вторым температурным датчиком, используется для вычисления корректировочного значения для первого температурного датчика, чтобы повысить точность определения температуры окружающего воздуха.
В документе EP 1235130 A2 описаны способ и устройство для управления температурой в помещении с помощью двух температурных датчиков, один из которых измеряет температуру в помещении, а другой измеряет температуру вблизи клапана. Оба значения температуры используют, чтобы получить более надежные сведения о фактической температуре в помещении.
Клапан, управляемый терморегулятором, сравнивает фактическую температуру в помещении с заданной температурой в помещении и увеличивает поток текучей среды, используемой для нагрева, если фактическая температура ниже заданной, или уменьшает поток текучей среды, используемой для нагрева, если фактическая температура выше заданной. В большинстве случаев это ведет к небольшим колебательным движениям затворного элемента клапана относительно клапанного седла. Такие движения требуют затрат энергии, а при использовании электрического приводного механизма чрезмерных затрат энергии следует избегать.
Кроме того, для точного управления клапаном требуется информация о степени открытия клапана, например о положении затворного элемента относительно клапанного седла.
При использовании электрического приводного механизма эта информация может быть получена, если сдвигать клапан в направлении закрытия до резкого увеличения усилия, необходимого для перемещения затворного элемента. Это увеличение указывает на то, что затворный элемент коснулся клапанного седла и происходит сжатие уплотнений. Однако и эта операция обнаружения требует большого количества электроэнергии, поскольку потребляемый ток возрастает нелинейно по отношению к прикладываемому усилию.
Изобретение ставит задачу улучшить управление клапаном.
Эта задача решается в клапанном устройстве упомянутого выше типа за счет того, что первый температурный датчик и второй температурный датчик являются частью устройства обнаружения, служащего для обнаружения степени закрытия клапана.
Это можно пояснить на следующем простом примере. Можно определять, открыт или закрыт клапан, сравнивая две температуры. Когда клапан открыт, два температурных датчика показывают разную температуру. Первый температурный датчик показывает температуру окружающей среды или воздуха в помещении. Второй температурный датчик показывает более высокую температуру, поскольку место ее измерения расположено в тепловом отношении ближе к клапану. Сам клапан имеет температуру, близкую к температуре своей текучей среды, которая может использоваться для нагрева. То же самое справедливо и тогда, когда текучая среда используется для охлаждения. В этом случае второй температурный датчик показывает температуру ниже температуры окружающей среды или воздуха в помещении. Когда наблюдается различие между показаниями температуры двух температурных датчиков, это указывает на то, что клапан открыт. Когда различия не наблюдается или это различие меньше некоторой предварительно заданной величины, можно полагать, что клапан закрыт. В этом случае клапану не передается дополнительная теплота с текучей средой. Поэтому спустя некоторое время клапан принимает температуру, почти равную температуре окружающего воздуха в помещении или окружающей среды. Однако на основании двух или более показаний температуры контроллер сможет определить также степень открытия клапана или положение затворного элемента относительно клапанного седла. В этом случае могут быть полезны дополнительные параметры, например время, необходимое для достижения предварительно заданной величины различия между показаниями температуры. Простейшим способом получения разных тепловых сопротивлений будет расположение температурных датчиков на различных расстояниях относительно клапана.
В предпочтительной реализации приводной механизм представляет собой шаговый электродвигатель, в котором на этапе обнаружения клапан открывают пошагово от начальной точки, в которой клапан закрыт, при этом управляющее устройство обнаруживает и запоминает номер шага, на котором клапан начинает открываться. Точка, в которой клапан начинает открываться, может быть определена по повышению температуры, которое будет обнаружено вторым температурным датчиком, тогда как температура, измеряемая первым температурным датчиком, при этом не повышается. Чтобы начать этап обнаружения, клапан приводят в состояние, в котором можно полагать, что он закрыт. После этого выполняют пошаговое открывание клапана. На определенном шаге текучая среда получает возможность проходить через клапан. В этом случае клапану передается тепло, что ведет к повышению его температуры и может быть обнаружено вторым температурным датчиком.
Предпочтительно, чтобы приводной механизм приводился в действие шагами, объединенными в группы, и чтобы указанное управляющее устройство содержало в себя таймер, задающий продолжительность паузы между последовательными группами шагов. Если, например, приводной механизм должен совершить 1000 шагов, чтобы перевести клапан из полностью закрытого положения в полностью открытое положение, будет требоваться значительное время для проверки температуры клапана после каждого шага. В этом случае предпочтительно, если приводной механизм будет приводиться в действие группами шагов, не включающими ожидание, например по 25 шагов или с любым другим количеством шагов. После такой группы шагов операцию открывания прерывают на предварительно заданный промежуток времени. Когда клапан начинает открываться, теплота, передаваемая текучей средой, увеличивает температуру клапана. Если клапан еще не начал открываться, его температура остается неизменной. Время, которое должно пройти между последовательными группами шагов, зависит от особенностей монтажа устройства, в частности от длины отрезка трубопровода между источником тепла или магистрали подачи текучей среды и клапаном. Когда такой отрезок короткий, пауза может быть непродолжительной.
В предпочтительной реализации указанное управляющее устройство содержит ввод для сигнала о состоянии источника тепла и выполняет этап обнаружения только тогда, когда этот сигнал указывает, что источник тепла работает. Когда источник тепла не вырабатывает тепло, то есть не подает текучую среду, используемую для нагрева или охлаждения и имеющую, соответственно, повышенную или пониженную температуру, температура клапана не будет изменяться, независимо от того, закрыт он или нет. Наличие сигнала о состоянии источника тепла дает возможность экономить энергию, поскольку позволяет избегать лишних срабатываний клапана.
В еще одной предпочтительной реализации указанное управляющее устройство содержит вывод для сигнала о закрытом состоянии указанного клапана. Это сигнал может передаваться источнику тепла. Когда источник тепла обнаруживает, что все клапаны в системе отопления закрыты, прекращается необходимость вырабатывать тепло или подавать текучую среду, используемую для нагрева или охлаждения. Это позволяет экономить энергию, расходуемую на отопление.
Кроме того, на этапе контроля управляющее устройство может переводить указанный клапан в закрытое состояние и с помощью первого температурного датчика и второго температурного датчика проверять, закрыт или не закрыт указанный клапан. Для приведения в закрытое состояние могут использоваться те же параметры, что и при ранее обнаруженном закрытом состоянии. Такой этап контроля может выполняться один раз в день или один раз в течение другого предварительно заданного периода. Когда клапан переводят в закрытое состояние, которое было обнаружено предварительно, через определенное время температура, замеряемая вторым температурным датчиком, должна стать равной температуре, замеряемой первым температурным датчиком. Если это не так, можно с достоверностью полагать, что клапан закрыт неполностью. Приводной механизм может выполнить еще одну группу шагов, передвигающих части клапана в направлении закрывания. Когда спустя некоторое время обнаруживается закрытое состояние клапана на том основании, что оба температурных датчика показывают одинаковую температуру, запоминается новый номер шага в качестве информации о точке закрытия.
Предпочтительно, чтобы второй температурный датчик находился на опорном элементе, расположенном параллельно оси движения приводного механизма и выступающем за приводной механизм по направлению к клапану. Второй температурный датчик расположен в той части опоры, которая находится ближе к клапану. Использование опорного элемента, который может представлять собой печатную плату ПП (РСВ), обеспечивает простую возможность поместить второй температурный датчик вблизи клапана.
Предпочтительно, чтобы первый температурный датчик и второй температурный датчик располагались со смещением в периферическом направлении относительно указанной оси движения приводного механизма. В этом случае оба температурных датчика могут быть расположены оптимальным образом.
Кроме того, предпочтительно, чтобы указанный опорный элемент представлял собой часть термостатической головки, оснащенной крепежным приспособлением для крепления указанной термостатической головки к клапану, при этом второй температурный датчик должен располагаться близко к указанному крепежному приспособлению. Когда указанная термостатическая головка закреплена на клапане, крепежное приспособление должно зацепляться за клапан. Примыкание второго температурного датчика к указанному крепежному приспособлению обеспечивает простую возможность расположить второй температурный датчик в непосредственной близости к клапану.
Поставленная задача решается здесь способом, подобным описанному выше, который предполагает, что первую температуру и вторую температуру сравнивают и определяют степень закрытия клапана.
Как пояснялось выше, полагают, что клапан закрыт, когда обе эти температуры равны или разность между ними заключена в пределах небольшого диапазона, который определяется указанной предварительно заданной величиной. Иначе говоря: закрытое состояние клапана обнаруживают в том случае, когда первая температура и вторая температура отличаются друг от друга на величину, не превышающую предварительно заданную величину. Когда разность двух температур больше предварительно заданной величины, полагают, что текучая среда, используемая для нагрева или охлаждения, передает теплоту (положительную или отрицательную) клапану и увеличивает или уменьшает его температуру. В этом случае температура клапана будет отличаться от температуры окружающей среды или воздуха в помещении. Это ясно указывает на то, что клапан не закрыт.
Предпочтительно, чтобы на этапе обнаружения клапан открывался пошагово от начальной точки, в которой клапан закрыт, и номер шага, на котором клапан открывается, хранился как информация об открытии. Если приводной механизм представляет собой шаговый электродвигатель, каждый шаг определяет некоторую степень открытия клапана при условии, что открытие клапана уже началось. Если номер шага, при котором клапан открывается, известен, обеспечивается точное управление положением затворного элемента относительно клапанного седла. Это дает возможность учитывать нелинейное поведение клапана. Нелинейность проявляется в том, что открывающее движение затворного элемента на предварительно заданное расстояние больше влияет на поток текучей среды, когда клапан близок к закрытому состоянию, чем в ситуации, в которой затворный элемент находится на большом расстоянии от клапанного седла. Предполагается, что точка открытия и точка закрытия совпадают.
Предпочтительно, чтобы после группы шагов открывание клапана было прервано на некоторый предварительно заданный промежуток времени, в конце которого будет выполнено сравнение первой температуры и второй температуры. Когда клапан закрыт, в нем отсутствует поток текучей среды. В этом случае первая температура и вторая температура будут одинаковыми. Ситуация изменяется, когда клапан начинает открываться. В этом случае теплота, передаваемая текучей средой, повышает или понижает температуру клапана, что, в свою очередь, ведет к увеличению или уменьшению второй температуры. Открытие клапана обнаруживается путем сравнения первой температуры и второй температуры.
Этап обнаружения предпочтительно выполняется только тогда, когда включен источник тепла, подающий текучую среду. Информация об этом состоянии источника тепла может передаваться сигналом, поступающим от источника к управляющему устройству клапана. Когда источник тепла не включен, температура не будет изменяться, независимо от того, открыт клапан или нет.
Предпочтительно, чтобы на этапе контроля клапан был переведен в закрытое состояние (например, соответствующее предварительно обнаруженному) и выполнялось отслеживание закрытого состояния клапана путем сравнения первой температуры и второй температуры. Когда клапан переведен в закрытое состояние, между этими двумя температурами не должно быть различия. Если различие имеется, полагают, что клапан не был полностью закрыт и его приводят в движение далее в направлении закрытия. Количество шагов, необходимых для приведения клапана в полностью закрытое состояние, запоминается, и ранее хранившееся количество соответственным образом уменьшается.
Предпочтительный пример реализации изобретения будет описан ниже подробнее с обращением к чертежу, на котором клапанное устройство изображено схематически.
На прилагаемом чертеже показано клапанное устройство 1 со схематически изображенными клапаном 2 и термостатической головкой 3.
Клапан содержит впускную полость 4 и выпускную полость 5, разделенные перегородкой 6, на которой установлено клапанное седло 7. Затворный элемент 8 взаимодействует с клапанным седлом 7. Когда затворный элемент 8 опирается на клапанное седло 7, клапан 2 закрыт. Когда затворный элемент 8 (как показано) находится на некотором расстоянии от клапанного седла 7, клапан 2 открыт, и через него может проходить поток текучей среды из впускной полости 4 в выпускную полость 5.
Клапан 2 имеет нелинейную характеристику. Когда затворный элемент 8 смещается в направлении открытия на определенное расстояние, например 1 мм, это движение больше влияет на поток жидкости, когда затворный элемент 8 находится вблизи клапанного седла 7, чем тогда, когда затворный элемент 8 находится на удалении от клапанного седла 7. Другими словами, при смещении на одинаковое расстояние увеличение потока больше тогда, когда движение затворного элемента 8 начинается ближе к клапанному седлу 7.
Информация о текущем положении затворного элемента 8 относительно клапанного седла 7 существенна для управления потоком жидкости через клапан 2. Способ получения этой информации будет описан ниже.
Затворный элемент 8 соединен со штоком клапана 9, который, в свою очередь, взаимодействует с тягой 10, проходящей через корпус 11. Средства герметизации предусмотрены, но не показаны. Помимо этого, затворный элемент 8 может быть предварительно нагружен пружиной (не показана) в направлении открытия, то есть в направлении от клапанного седла 7.
Термостатическая головка 3, которая показана отдельно от корпуса 11, содержит приводной механизм 12 в виде шагового электродвигателя, который связан с приводным толкателем 13 через передачу 14. Приводной толкатель 13 перемещают по направлению к корпусу 11, когда клапан 2 требуется закрыть, и в противоположном направлении, когда клапан 2 требуется открыть. Энергию, необходимую для работы приводного механизма 12, может подавать элемент питания. Поэтому потребление энергии следует свести к минимуму. Качающееся движение затворного элемента 8 следует исключить.
Приводным механизмом управляет управляющее устройство 15, которое показано здесь схематически. Управляющее устройство 15 может содержать больше элементов, чем показанная на чертеже коробка.
Опора 16 в виде печатной платы (ПП) располагается параллельно оси 17 движения приводного механизма и выступает по направлению к корпусу 11 клапана. В этом направлении опорный элемент 16 длиннее приводного механизма 12.
Первый температурный датчик 18 расположен у передней поверхности термостатической головки 3 и измеряет первую температуру, под которой понимают температуру окружающей среды или воздуха в помещении. Второй температурный датчик 19 расположен в конце опорного элемента 16 рядом с корпусом 11. Когда термостатическую головку 3 устанавливают на корпусе 11 клапана 2, указанный второй температурный датчик 19 оказывается в непосредственной близости от корпуса 11 и благодаря этому может замерять температуру корпуса 11 или температуру, близко соотносимую с этой температурой.
Термостатическая головка 3 содержит крепежное приспособление 20, которое служит для закрепления термостатической головки 3 на корпусе 11. Для этого корпус 11 имеет соответствующую фигурную поверхность 21. Второй температурный датчик 19 располагается, примыкая к указанному крепежному приспособлению 20.
Кроме того, как видно из чертежа, первый температурный датчик 18 и второй температурный датчик 19 смещены относительно друг друга в периферическом направлении, которое определяется относительно оси 17 движения приводного механизма.
В клапане известной конструкции положение затворного элемента 2 относительно клапанного седла 7 определяют следующим образом. Затворный элемент смещают по направлению к клапанному седлу 7. После того, как затворный элемент 8 коснется клапанного седла 7, усилие, необходимое для дальнейшего перемещения затворного элемента к клапанному седлу 7, возрастает. Затворный элемент 8, который обычно изготавливают из эластомерного материала, сжимается. Увеличение необходимого усилия обычно влечет за собой увеличение потребления электроэнергии, которое может быть обнаружено управляющим устройством 15. Однако такая процедура является энергоемкой и не позволяет точно определить точку закрытия (или, в ином случае, точку открытия) клапана 2.
В изображенном на чертеже клапанном устройстве 1 может быть реализован иной способ определения точки закрытия, обеспечивающий достаточно высокую точность.
Клапан 2 приводят в закрытое состояние. Это состояние может быть легко обнаружено сравнением первой температуры, замеренной первым температурным датчиком 18, и второй температуры, замеренной вторым температурным датчиком 19. Если между этими двумя показаниями обнаруживается различие, превышающее предварительно заданное значение, это ясно указывает на наличие проходящего через клапан потока текучей среды от источника тепла (не показан). Это текучая среда, используемая для нагрева или охлаждения, передает теплоту корпусу 11 клапана 2 (или отбирает теплоту от корпуса 11), сохраняя различие между показаниями температуры.
При закрытом состоянии клапана 2 поток текучей среды в клапане 2 отсутствует, поэтому теплота корпусу 11 не передается. По истечении непродолжительного времени температура, замеряемая вторым температурным датчиком 19, будет совпадать с температурой, замеряемой первым температурным датчиком 18 (или будет находиться в пределах допустимого диапазона, включающего эту температуру).
Это указывает на то, что клапан 2 должным образом закрыт.
Другой способ определения точки закрытия клапана 2 предусматривает перемещение приводного механизма 12 (шагового электродвигателя) на предварительно заданное количество шагов в направлении закрытия. Это количество должно быть выбрано достаточно большим, чтобы можно было с уверенностью полагать, что клапан 2 закрыт.
Допустим, ход приводного механизма 12 состоит из 1000 шагов. Каждое положение приводного толкателя 13 соответствует шагу с определенным номером. Поэтому, если известен номер шага в данный момент, известно также положение приводного толкателя 13.
Чтобы обнаружить точку открытия клапана 2, приводной механизм перемещает приводной толкатель 13, например, на 25 шагов в направлении открытия. Вслед за этим таймер управляющего устройства 15 выдерживает паузу предварительно заданной продолжительности. Если в конце паузы показания температуры от двух температурных датчиков 18, 19 одинаковы, это указывает на то, что клапан остается закрытым. В этом случае операцию повторяют, например приводной механизм 12 используют снова, перемещая приводной толкатель 13 в направлении открытия еще на 25 шагов. И снова выполняется сравнение температур, замеренных двумя температурными датчиками 18, 19. Открывание клапана 2 будет зафиксировано тогда, когда температура, замеренная вторым температурным датчиком 19, окажется выше (или ниже) температуры, обнаруженной первым температурным датчиком 18. Поскольку управляющее устройство 15 отсчитывало количество шагов до этого момента, в нем имеется достоверная информация о номере шага, на котором клапан 2 начинает открываться. В описанном примере приемлемой считается погрешность не более 25 шагов.
Термостатическая головка 3 получает сигнал от источника тепла (не показан), который указывает, работает или не работает этот источник. Если источник тепла не работает и не подает текучую среду, между показаниями температуры от двух температурных датчиков 18, 19 не будет различия независимо от того, закрыт клапан 2 или нет.
Кроме того, предпочтительно, чтобы термостатическая головка 3 подала источнику тепла сигнал о том, закрыт ли клапан 2. Когда у источника тепла имеется информация о том, что все клапаны, присоединенные к нему, закрыты, нет необходимости в том, чтобы этот источник работал. Возможно также, что термостатическая головка 3 подает источнику тепла сигнал о том, что температура подаваемой текучей среды должна быть увеличена или уменьшена для удовлетворения потребности в тепле. Передача всех сигналов может происходить через линию передачу сигналов или беспроводным путем через приемопередающее приспособление.
Настройки клапана 2 (или блока клапана 2 и термостатической головки 3) могут со временем меняться.
Поэтому можно определять «истинную» точку закрытия клапана 2, например раз в день. При этом клапан 2 приводят в закрытое состояние, например, группами по 25 шагов. После выполнения каждой группы шагов показания температуры первого температурного датчика 18 и второго температурного датчика 19 сравнивают (предпочтительно спустя предварительно заданное время после движения клапана). Когда обе температуры одинаковы, это указывает на то, что клапан 2 закрыт. Если номер шага, на котором клапан 2 оказался закрытым, отличается от ранее определенного номера шага, в качестве точки открытия или закрытия запоминается новый номер шага.
Определение точки закрытия может осуществляться и в ходе обычной эксплуатации. В большинстве случаев по меньшей мере один раз в день управляющим устройством 15 будет установлена необходимость закрытия клапана 2, например, когда температура окружающей среды или воздуха в помещении, замеренная первым температурным датчиком 18, окажется выше предварительно заданной температуры. Эта операция закрытия может также использоваться для контроля точки закрытия.
На этапе контроля или на этапе обнаружения пауза между последовательными срабатываниями клапана 2 должна составлять порядка нескольких минут, например 5 минут. Оптимальная продолжительность этой паузы зависит от характеристик системы нагрева или охлаждения, в которой установлено клапанное устройство 1. Если отрезок трубопровода между клапаном 2 и источником тепла имеет небольшую длину, текучая среда, используемая для нагрева или охлаждения, достигает клапана 2 быстрее, чем в системе, где этот отрезок длиннее. Поэтому предпочтительно, чтобы длина указанной паузы регулировалась.