СОЕДИНИТЕЛЬ ШТОКА КЛАПАНА СО ВСТРОЕННЫМ УСТРОЙСТВОМ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЯ ШТОКА
VALVE STEM CONNECTOR WITH INTEGRATED STEM FORCE MEASUREMENT DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к устройствам измерения усилия штока клапана и, более конкретно, к соединителю штока клапана, имеющему встроенное устройство измерения усилия штока.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Датчики нагрузки или тензометрические измерительные преобразователи являются примером устройств измерения усилия, обычно используемых в различных отраслях промышленности. Конструкцию или конфигурацию работающего на срез датчика нагрузки или тензодатчика, как правило, используют в датчиках нагрузки с высоким уровнем усилия. Важным компонентом в датчике нагрузки или тензометрическом измерительном преобразователе, как правило, является упругий элемент. В широком смысле функция упругого элемента заключается в том, чтобы служить в качестве реакции на приложенную нагрузку. Подразумеваемым в данном определении является предположение о том, что уровень напряжения в измеряемой области упругого элемента реагирует на приложенную нагрузку в линейно-упругом режиме. Иначе говоря, идеальный измерительный преобразователь будет характеризоваться неизменной пропорциональной связью между деформацией и нагрузкой. См. Strain Gage Based Transducers, Chapter 2, "Load Cells" by Measurements Group, Inc. (1998).
[0003] Более конкретно, как показано на фиг. 1А, работающий на срез упругий элемент датчика нагрузки или тензодатчика может принимать форму консольной балки, которая сконструирована с завышенным поперечным сечением для сведения деформации к минимуму. В разрезе А-А балки, с помощью механической обработки на стороне выполнено углубление, с оставлением сравнительно тонкой перегородки в центре. В большинстве случаев усилие сдвига, прилагаемое нагрузкой, выдерживает перегородка, тогда как изгибающий момент встречает сопротивление фланцев.
[0004] На фиг. 1В изображено поперечное сечение А-А, вместе с распределением в поперечном сечении напряжения сдвига и изгиба. На нейтральной оси, где напряжение изгиба равно нулю, состояние напряжения на перегородке является исключительно напряжением сдвига, действующим в вертикальном и горизонтальном направлении.
[0005] Работающие на срез упругие элементы не ограничиваются конфигурациями консольной балки. Например, на фиг. 1С показана простая опертая балка, в результате сгибов или вырезанных участков на обоих концах. Иначе говоря, на фиг. 1С изображены двойные работающие на срез перегородки в конфигурации балки, которые рассчитаны на то, чтобы нейтрализовать влияние внеосевых и боковых нагрузок.
[0006] Ко всем упругим элементам датчика нагрузки, в общем, применимы несколько конструктивных соображений, в том числе: (1) соответствующий уровень деформации в измеряемой области при расчетной нагрузке; (2) однородное распределение деформации в области измерения деформации; (3) пониженные уровни деформации в остальном упругом элементе; (4) монолитная (цельная) конструкция; (5) конструкция для упрощения обработки и установки датчика; (6) деформация упругого элемента и (7) учет тепловых условий. См. Strain Gage Based Transducers, Chapter 2, "Load Cells" by Measurements Group, Inc. (1998).
[0007] На атомных электростанциях и других объектах, где используются клапаны, для обеспечения более точной диагностики желательно иметь независимое подтверждение усилия или нагрузки, прилагаемой приводом к штоку клапана. Имеется несколько решений. Одно заключается в установке известного тензодатчика или датчика нагрузки непосредственно на штоке клапана. Однако данная операция является трудоемкой и требует специальных химических реагентов и технологий для достижения согласованной, точной установки датчика. Измеренные значения усилия должны быть выведены из свойств материала штока клапана, и никакие предосторожности не выполняются для коррекции в связи с температурой окружающей среды или ползучестью.
[0008] Второй способ включает приобретение штока клапана, который уже содержит установленный внутри тензодатчик. Данный способ позволяет выполнять калибровку и многие из функций компенсации, которые являются общими в конфигурациях датчиков нагрузки, но не эффективны для штоков, которые приварены к запорному элементу клапана. Кроме того, затраты на нестандартные конфигурации штока могут быть высокими.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] В соответствии с первым аспектом, приводимым в качестве примера, соединитель штока клапана содержит первую половину и вторую половину, прикрепленную к первой половине, каждая из которых включает верхний участок, выполненный с возможностью вмещать часть привода, и нижний участок, выполненный с возможностью вмещать часть штока клапана. Пара вырезанных участков расположена в каждом верхнем участке первой и второй половин, при этом каждая пара вырезанных участков имеет первый вырезанный участок, расположенный слева от центра первой и второй половин, и второй вырезанный участок, расположенный справа от центра первой и второй половин и напротив первого вырезанного участка. Третий вырезанный участок расположен в каждом нижнем участке первой и второй половин, и пара монтажных площадок работающих на срез перегородок расположена на каждой из первой и второй половин. Каждая пара монтажных площадок работающих на срез перегородок содержит первую площадку, расположенную между первым и третьим вырезанными участками каждой из первой и второй половин, и вторую площадку, расположенную между вторым и третьим вырезанными участками первой и второй половин. Устройство измерения усилия расположено в каждом гнезде каждой пары монтажных площадок работающей на срез перегородки, при этом каждая монтажная площадка работающей на срез перегородки имеет измеряемую с помощью устройства измерения усилия деформацию сдвига, и по меньшей мере один из первого, второго и третьего вырезанных участков образует изгибаемую балку вблизи каждого гнезда для сведения к минимуму деформации.
[0010] В соответствии со вторым аспектом, приводимым в качестве примера, устройство управления потоком текучей среды содержит привод, узел клапана, имеющий шток клапана и соединитель штока клапана, расположенный с возможностью снятия между приводом и штоком клапана, и соединяющий привод с узлом клапана. Соединитель штока клапана содержит корпус, имеющий первую половину и вторую половину, прикрепленную к первой половине, каждая из которых включает верхний участок, вмещающий часть привода, и нижний участок, вмещающий часть штока клапана, и множество вырезанных участков. Среди множества вырезанных участков расположена пара гнезд. Соединитель штока клапана, кроме того, содержит устройство измерения усилия, расположенное в каждом гнезде из пары гнезд на первой и второй половинах корпуса клапана, при этом множество вырезанных участков образует изгибаемую балку вблизи каждого гнезда, чтобы свести к минимуму деформацию, и каждое гнездо создает монтажную площадку работающей на срез перегородки, имеющую деформацию сдвига, измеряемую с помощью периферийного измерительного устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] На фиг. 1А приведен схематический вид в перспективе обычного упругого элемента работающей на срез перегородки устройства, измеряющего усилие, имеющего форму консольной балки;
[0012] На фиг. 1В приведен вид поперечного разреза обычного упругого элемента работающей на срез перегородки по фиг. 1А, выполненного по линии А-А по фиг. 1А, и графические представления распределения сдвигающего и изгибающего напряжений на данном участке;
[0013] На фиг. 1С приведен схематический вид в перспективе другого обычного упругого элемента работающей на срез перегородки устройства, измеряющего усилие, имеющего двойные работающие на срез перегородки в конфигурации балки;
[0014] На фиг. 2 приведен вид в перспективе соединителя штока клапана согласно настоящему изобретению, соединенного с приводом и штоком клапана;
[0015] На фиг. 3 показан вид спереди в перспективе соединителя штока клапана по фиг. 2;
[0016] На фиг. 4 приведен вид поперечного сечения соединителя штока клапана согласно настоящему изобретению, выполненного по линиям А-А по фиг. 3; и
[0017] На фиг. 5 приведено графическое представление анализа модели соединителя штока клапана согласно настоящему изобретению методом конечных элементов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] В общем случае, раскрыт соединитель штока клапана, имеющий встроенное устройство измерения усилия, такое как тензодатчик или датчик нагрузки. Такая конструкция заменяет: (1) периферийные связанные тензодатчики и (2) штоки клапанов со смонтированными внутри тензодатчиками, что упрощает, например, замену и установку тензодатчика или устройства измерения усилия. Кроме того, данная конструкция значительно снижает затраты и сложность установки устройства измерения усилия на штоке клапана для измерения нагрузки штока клапана, например, в частности, при выполнении установки внутри защитной оболочки на атомной электростанции.
[0019] Более конкретно, на фиг. 2 изображено устройство 100 управления текучей средой, имеющее привод 110 и узел 112 клапана, имеющий шток 114 клапана. Соединитель 116 штока клапана расположен с возможностью снятия между приводом 110 и штоком 114 клапана, и соединяет привод 110 с узлом 112 клапана. Соединитель 116 штока клапана содержит по меньшей мере один встроенный тензодатчик для измерения усилия нагрузки от привода 110 на штоке 114 клапана, как подробно поясняется ниже.
[0020] Как показано на фиг. 3, соединитель 116 штока клапана содержит корпус 118, имеющий первую половину 120 и вторую половину 122. Каждая из первой и второй половин 120, 122 включает верхний участок 124, имеющий первое углубление 126 (фиг. 4), выполненное с возможностью вмещать часть привода 110, и нижний участок 128, имеющий второе углубление 130 (фиг. 4), выполненное с возможностью вмещать часть штока 114 клапана узла 112 клапана. В одном примере каждый из верхнего и нижнего участков 124, 128 первой и второй половин 120, 122 корпуса 118 может содержать участок с резьбой, который обеспечивает соединение привода 110 и штока 114 клапана, соответственно.
[0021] Первая пара отверстий 132 расположена на верхних участках 124 каждой из первой и второй половин 120, 122. Аналогичным образом, вторая пара отверстий 134 расположена на нижних участках 128 первой и второй половин 120, 122 корпуса 118. Каждое отверстие из первой и второй пар отверстий 132, 134 выполнено с возможностью вмещать крепежный элемент (не показано) для крепления первой половины 120 ко второй половине 122, чтобы образовывать корпус 118. Хотя в одном примере крепежный элемент представляет собой болт, он также может представлять собой винт, гвоздь, шпильку или любой другой элемент, выполненный с возможностью крепить элементы друг к другу.
[0022] Более конкретно, первая пара отверстий 132 каждой из первой и второй половин 120, 122 содержит первое отверстие 132а, расположенное слева от центра первой и второй половин 120, 122, и второе отверстие 132b, расположенное справа от центра первой и второй половин 120, 122. Иначе говоря, первое отверстие 132а и второе отверстие 132b расположены по обе стороны от центра первой и второй половин 120, 122 на верхнем участке 124 первой и второй половин 120, 122. Расстояние между центром каждой из первой и второй половин 120, 122 и центром каждого из первого и второго отверстий 132а, 132b первой пары отверстий 132, соответственно, является одинаковым. Иначе говоря, первое отверстие 132а и второе отверстие 132b являются выровненными по горизонтали на верхнем участке 124 каждой из первой и второй половин 120, 122 и расположенными на одинаковом расстоянии от центра первой и второй половин 120, 122.
[0023] Аналогично, и как дополнительно показано на фиг. 3, вторая пара отверстий 134 расположена непосредственно под первой парой отверстий 132 на нижнем участке 128 первой и второй половин 120, 122, и также содержит первое отверстие 134а, расположенное слева от центра первой и второй половин 120, 122, и второе отверстие 134b, расположенное справа от центра первой и второй половин 120, 122. Иначе говоря, вторая пара отверстий 134 выровнена по вертикали с первой парой отверстий 132 на каждой из первой и второй половин 120, 122. Аналогично первой паре отверстий 132, расстояние между центром каждой из первой и второй половин 120, 122 и центром каждого из первого и второго отверстий 134а, 134b второй пары отверстий 134 является одинаковым. Иначе говоря, первое отверстие 134а и второе отверстие 134b второй пары отверстий 134 являются выровненными по горизонтали на нижнем участке 128 каждой из первой и второй половин 120, 122 и расположенными на равном расстоянии от центра первой и второй половин 120,122.
[0024] Как дополнительно показано на фиг. 3, корпус 118 соединителя 116 штока клапана включает множество вырезанных участков или сгибов 136 на каждой из первой и второй половин 120, 122. Более конкретно, пара вырезанных участков или сгибов 136 расположена на каждом верхнем участке 124 первой и второй половин 120, 122 под первой парой отверстий 132. Каждая пара вырезанных участков 136 включает первый вырезанный участок 138, расположенный слева от центра первой и второй половин 120, 122, и второй вырезанный участок 140, расположенный справа от центра первой и второй половин 120, 122 корпуса 118, так что первый и второй вырезанные участки 138, 140 выровнены по горизонтали друг с другом на верхнем участке 124 первой и второй половин 120, 122. В одном примере первый и второй вырезанные участки 138, 140 представляют собой щелевые отверстия в наружных левом и правом или боковых краях 141, 143 каждой из первой и второй половин 120,122 соответственно.
[0025] Кроме того, третий вырезанный участок 142 расположен на каждом нижнем участке 128 первой и второй половин 120, 122. Как показано на фиг. 4, третий вырезанный участок 142 проходит через вторую половину 122 между нижним участком первого углубления 126, выполненного с возможностью вмещать часть привода 110, и верхним участком второго углубления 130, выполненного с возможностью вмещать часть штока 114 клапана. Иначе говоря, третий вырезанный участок 142 сконструирован для прохода по всей глубине второй половины 122, а по вертикали - между первым углублением 126 и вторым углублением 130.
[0026] В одном примере третий вырезанный участок 142 представляет собой щелевое отверстие, расположенное на нижнем участке 128 каждой из первой и второй половин 120, 122 выше второй пары отверстий 134. Третий вырезанный участок или щелевое отверстие 142 включает первый конец 142а, расположенный слева от центра первой и второй половин 120, 122, и второй конец 142b, расположенный справа от центра первой и второй половин 120, 122. Как показано на фиг. 3, первый вырезанный участок или щелевое отверстие 138 расположено непосредственно над первым концом 142а третьего вырезанного участка, а второй вырезанный участок или щелевое отверстие 140 расположено непосредственно над вторым концом 142b третьего вырезанного участка 142. Иначе говоря, первый и второй вырезанные участки 138, 140 расположены выше и на противоположных концах 142а, 142b, соответственно, третьего вырезанного участка 142.
[0027] Каждый из первого, второго и третьего вырезанных участков 138, 140 и 142 образуют схему изгибаемой балки. Иными словами, конструкция вырезанных участков 138, 140, 142 образует изгибаемую балку 137 между первым вырезанным участком 138 и третьим вырезанным участком 142, а также между вторым вырезанным участком 140 и третьим вырезанным участком 142, как дополнительно поясняется далее.
[0028] Как показано на фиг. 3, пара гнезд или монтажных площадок работающей на срез перегородки 144 также расположена на каждой из первой и второй половин 120, 122. Каждая пара гнезд или монтажных площадок работающей на срез перегородки 144 содержит первое гнездо или первую площадку 146, расположенную между первым и третьим вырезанными участками 138, 142 каждой из первой и второй половин 120, 122, и второе гнездо или вторую площадку 148, расположенную между вторым и третьим вырезанными участками 140, 142 каждой из первой и второй половин 120, 122. Каждое из первого или второго гнезд или первой и второй монтажных площадок 146, 148 создает или имеет измеримую деформацию сдвига и выполнено с возможностью вмещать устройство 150 измерения усилия, такое как тензодатчик или датчик нагрузки, для измерения усилия или деформации на штоке 114 клапана. Конструкция работающей на срез перегородки на каждом из первого и второго гнезд или первой и второй площадок 146, 148 создает высокую деформацию сдвига, не создавая значительной стрелы прогиба, как подробно поясняется ниже.
[0029] В одном примере каждое из первого и второго гнезд 146, 148 или монтажных площадок работающей на срез перегородки представляет собой углубление или приемное устройство, расположенное на плоской поверхности первой и второй половин 120, 122. Как показано на фиг. 3 и 5, первое и второе гнезда 146, 148 могут иметь квадратное поперечное сечение. В других примерах первое и второе гнезда 146, 148 могут включать другие формы и поперечные сечения, такие как прямоугольник и круг, и также находятся в пределах объема настоящего изобретения. В другом примере каждое из первого и второго гнезд 146, 148 может представлять собой приемное устройство охватывающего типа, расположенное в плоской поверхности первой и второй половин 120, 122. Как должно быть понятно специалисту в данной области, гнезда 146, 148 или монтажные площадки работающей на срез перегородки могут включать любую конструкцию или схему, выполненную с возможностью вмещать и удерживать устройство 150 измерения усилия, и создавать высокую деформацию сдвига, измеряемую с помощью устройства 150 измерения усилия, например, во время действия узла 112 клапана. Конструктивные соображения включают увеличение напряжения, вызванное изменением геометрии и общей механической прочности конструкции.
[0030] Также, как показано на фиг. 3, устройство 150 измерения усилия, такое как тензодатчик или датчик нагрузки, расположено или установлено в каждом из гнезд 146, 148 или монтажных площадок работающей на срез перегородки под углом, который примерно равен 45 градусам относительно направления В усилия штока, например, для максимальной чувствительности. Каждое устройство 150 измерения усилия способно измерять усилие или деформацию на штоке клапана 114 от привода 116 с учетом монтажных площадок работающей на срез перегородки каждого из гнезд 146, 148, которые создают измеримые деформации сдвига. Погрешности в угле установки тензодатчика будут распространяться на погрешности в измеряемой нагрузке. Некоторые из этих погрешностей могут быть откорректированы путем калибровки, но другие погрешности будут оставаться. В одном примере погрешность в 1 градус будет приводить к погрешности неоткалиброванного датчика нагрузки около 2%. Погрешность после калибровки будет меньше, но не так невосприимчива к другим влияниям нагрузки.
[0031] Каждая изгибаемая балка 137 и гнездо 146, 148 расположены вдали от отверстий 132а, 132b, 134а, 134b, каждой из первой и второй половин 120, 122 корпуса 118 соединителя штока клапана. В результате первая и вторая половины 120, 122 могут быть скреплены друг с другом посредством крепежных элементов, введенных через первую пару отверстий 132 как первых, так и вторых половин 120, 122, без изменения какого-либо напряжения или деформации на гнездах 146, 148. Аналогичным образом, крепежные элементы также могут быть введены через вторую пару отверстий 143 как первых, так и вторых половин 120, 122, также без изменения какого-либо напряжения на гнездах 146, 148 во время действия, например, устройства 100 управления текучей средой.
[0032] Иначе говоря, монтажные площадки тензодатчика типа работающей на срез перегородки каждого гнезда 146, 148 создают высокую измеримую деформацию сдвига в каждом гнезде 146, 148, не создавая значительной стрелы прогиба. Это позволяет устройствам 150 измерения усилия, например, тензодатчикам, установленным в гнездах 146, 148, имеющим такую конфигурацию работающей на срез перегородки, точно измерять деформацию на штоке 114 клапана.
[0033] Как показано на фиг. 4, изображен вид внутреннего поперечного разреза соединителя 116 штока клапана, выполненного по линиям А-А на фиг. 3. Как показано здесь, третий вырезанный участок 142, расположенный на нижнем участке 128 каждой из первой и второй половин, расположен между первым углублением 126 для приема части привода 110 и вторым углублением 130 для приема части штока 114 клапана узла 112 клапана.
[0034] Соединитель 116 штока клапана по меньшей мере с одним встроенным устройством 150 измерения усилия, расположенным в нем, включает обеспечение компенсации собственной температуры и компенсацию ползучести. Более конкретно, поскольку материал и схема устройства измерения нагрузки или датчика нагрузки, или тензодатчика должны быть известны, такие известные факторы могут быть учтены в конструкции соединителя 116 штока клапана. Это является основным преимуществом съемного соединителя 116 штока клапана, имеющего по меньшей мере одно встроенное устройство 150 измерения усилия, расположенное в нем, и не установленное, например, непосредственно на самом штоке 114 клапана. Иначе говоря, согласно настоящему изобретению может быть разработан соединитель 116 штока клапана для надежной работы датчика нагрузки или тензодатчика 150, без ограничений для материала и эксплуатационных характеристик, обычно устанавливаемых для конструкций штока клапана, имеющего вмонтированный датчик нагрузки или тензодатчик.
[0035] Как показано на фиг. 5, приведено графическое представление анализа соединителя 116 штока клапана согласно настоящему изобретению методом конечных элементов. Анализ иллюстрирует, что очевидны высокие значения деформации сдвига, например, в гнездах 146. Таким образом, анализ показывает, что монтажные площадки работающей на срез перегородки гнезда 146 могут создавать необходимую деформацию, требуемую для измерения с помощью тензодатчиков или датчиков 150 нагрузки, установленных в них. Кроме того, анализ также иллюстрирует, что по длине 152 каждого гнезда 146, 148 имеется равномерное распределение деформации.
[0036] Из вышесказанного должно быть понятно, что соединитель 116 штока клапана, раскрытый в настоящем документе, может рассматриваться как средство для соединения привода 110 со штоком 114 клапана и измерения деформации сдвига штока 114 клапана. На основании приведенного выше описания должно быть понятно, что конструкция, связанная с соединителем 116 штока клапана, включая, например, корпус 118, содержащий первую и вторую половины 120, 122, один или больше из первого, второго и третьего вырезанных участков 138, 140, 142, каждую пару гнезд 144 или монтажных площадок работающей на срез перегородки и одно или больше устройств 150 измерения усилия, может совместно рассматриваться, как средство для соединения привода 10 со штоком 114 клапана и измерения деформации сдвига штока 114 клапана в соответствии с настоящим изобретением.
[0037] Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные примеры, которые предназначены только для иллюстрации, а не для ограничения объема изобретения, специалистам в данной области должно быть понятно, что для раскрытых вариантов осуществления могут быть выполнены изменения, дополнения или исключения без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. В общем, хотя в настоящем документе раскрыт определенный вариант устройства, объем защиты данного патента не ограничивается им. Напротив, данный патент охватывает все способы, устройства и изделия, явно подпадающие под объем действия прилагаемой формулы изобретения, либо буквально, либо по доктрине эквивалентов.