УКАЗАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ ПОВОРОТНОГО КЛАПАНА
ROTARY VALVE POSITION INDICATOR

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к гидроклапанам и, более конкретно, к указателю положения для поворотных гидроклапанов.
Уровень техники
[0002] В установках или системах управления технологическим процессом зачастую используют поворотные гидроклапаны, такие как шаровые клапаны, дроссельные клапаны, эксцентриковые тарельчатые клапаны, эксцентриковые конические клапаны и т.д., для управления потоком технологических текучих сред. Поворотные клапаны, как правило, содержат регулятор потока, расположенный на пути прохождения текучей среды и соединенный с возможностью поворота с телом поворотного клапана через вал. Как правило, часть вала, проходящего от поворотного клапана, функционально соединена с валом привода (например, пневматический привод, электрический привод, гидравлический привод, и т.д.) поворотного клапана.
[0003] Определенные поворотные гидроклапаны содержат визуальный указатель положения для визуального представления углового положения выходного вала привода или штока клапана, тем самым указывая положение регулятора потока в корпусе клапана. Визуальный указатель положения обеспечивает инженеру-технологу или техническому специалисту по приборам возможность наблюдения положения клапана и работы без подключения дополнительного оборудования, такого как ноутбук или расходомер, к регулятору клапана.
[0004] Визуальные указатели положения могут быть электрическими или механическими. Электрические визуальные указатели положения используют электронные визуальные дисплеи, такие как LED или ЖК-мониторы, для отображения положения клапана, обозначенного электронным позиционным датчиком, который выполнен с возможностью создания электрического сигнала в ответ на изменения углового положения штока клапана. Такие электронные визуальные указатели положения могут быть нежелательны в определенных областях применения, потому что они требуют дополнительной энергии для функционирования и могут быть чрезмерно дорогими. Кроме того, электронные визуальные указатели положения могут требовать входные данные или взаимодействия оператора для отображения положения, что может быть неприемлемо для клапанов, установленных в труднодоступных областях.
[0005] Механические визуальные указатели положения непосредственно или опосредованно соединены с выходным валом привода или штоком клапана и, таким образом, не требуют дополнительной мощности для функционирования. Таким образом, механические визуальные указатели положения обеспечивают инженерам-технологам или техникам по приборам возможность наблюдения за положением клапана несмотря на потерю электроснабжения. В отличие от этого электронные визуальные указатели положения просто отображают выход электронных позиционных датчиков. Таким образом, если электронные датчики вышли из строя, положение вала определить нелегко. Однако механические визуальные указатели положения непосредственно или опосредованно соединены с выходным валом привода или штоком клапана и функционируют независимо от каких-либо электронных позиционных датчиков. Таким образом, механические визуальные указатели положения продолжают отображать положение вала, даже если электронные датчики перестали работать. Кроме того, механические визуальные указатели положения обеспечивают дополнительную индикацию положения в дополнение к позиционному сигналу от электронного позиционного датчика. Эта дополнительная индикация положения может быть полезной в процессе установки и калибровки для подтверждения, что позиционные датчики работают правильно.
[0006] В большинстве применений желательно минимизировать потребляемую мощность компонентов гидроклапана. Большинство клапанов устанавливаются в удаленных местах, таких как нефтяные месторождения, на которых внешний источник питания не может быть доступным. По сути, определенные клапаны могут функционировать при помощи энергии, захваченной фотогальваническими элементами. Стоимость фотогальванических элементов зачастую пропорциональна их вырабатываемой энергии. Таким образом, разрабатывают гидроклапаны с минимальными требованиями к энергии для уменьшения размера солнечных систем, необходимых для питания клапанов. Таким образом, желательны, как правило, механические визуальные указатели положения, потому что они функционируют, не требуя никакой дополнительной энергии.
[0007] Большинство гидроклапанов используют в агрессивных и/или опасных средах, и соблюдение отраслевых стандартов, относящихся к таким средам, ведет к конкретным конструкционным требованиям. В определенных применениях гидроклапаны используются на предприятиях, на которых рабочая среда может содержать горючие газы, пары или другие составы. Например, гидроклапаны часто используют на заводах по переработке природного газа или предприятиях, на которых используется водородный газ. Национальные правила по установке электрооборудования (NEC) в США и Канадские правила по установке электрооборудования (СЕС) требуют, чтобы электрическое оборудование, используемое в опасных местах, имело соответствующее одобрение от официально признанного органа по одобрению. Тремя основными агентствами по одобрению в Северной Америке являются Factory Mutual (FM) and Underwriters Laboratories (UL) в США и Канадская ассоциация стандартов (CSA) в Канаде. Одобрения состоят из типа защиты и класса, подразделения, групп и температуры рабочей среды. Сертификаты, обычно используемые в Северной Америке, содержат, например, сведения о взрывобезопасности, искробезопасности, невоспламеняемости и защите от воспламенения пыли.
[0008] Электроника в приводе, например, может вызвать искру, которая может воспламенить горючий газ или пар, находящийся в корпусе привода или окружающий корпус привода. Взрывобезопасные приводы клапана используют оболочку, которая выполнена с возможностью выдерживания взрыва газа или пара в ней и предотвращения воспламенения горючего газа или пара, который может окружать указанную оболочку. В дополнение к достаточной прочности для сдерживания взрыва все проходы, соединяющие внутреннее пространство взрывобезопасной оболочки с внешней средой, также должны обеспечивать пламегасящие дорожки для обеспечения возможности выхода горящих газов из устройства, поскольку они расширяются при внутреннем взрыве, но только после того, как они были охлаждены достаточно для предотвращения воспламенения газов или паров во внешней среде. Границы, определяющие пламегасящие дорожки, должны быть изготовлены с очень жесткими допусками, которые могут потребовать специализированных технологий производства. Кроме того, могут быть необходимы дополнительные компоненты, такие как уплотнения, для герметизации пламегасящих дорожек от внешней среды. По сути, желательно сокращать общее количество границ, которые определяют пламегасящие дорожки через оболочку, для снижения стоимости и сложности.
[0009] Известный визуальный указатель положения содержит поворотное колесо положения, установленное снаружи оболочки привода клапана, напротив штока клапана. Как правило, поворотное колесо положения опосредованно соединено с выходным валом привода посредством дополнительных валов, шестерен, кулачков и/или других типов соединительных элементов для визуального представления положения вала. Указатель, как правило, содержит поликарбонатную оболочку или крышку для защиты поворотного колеса положения от внешней среды. Несмотря на то, что этот тип указателя положения обеспечивает визуальное отображение положения, не требуя электроэнергии, его расположение снаружи оболочки привода клапана требует дополнительного отверстия в оболочке. Для взрывобезопасных оболочек такое требование вызывает необходимость механической обработки отверстий и изготовления частей с жесткими допусками и требует дополнительных уплотнений для герметизации границы от внешней среды.
Раскрытие изобретения
[0010] Согласно одному варианту выполнения устройство содержит корпус привода, определяющий границу взрывобезопасной оболочки. Выходной вал привода имеет первую часть вала и вторую часть вала, первая часть вала частично расположена в пределах границы взрывобезопасной оболочки и вторая часть вала расположена за пределами границы взрывобезопасной оболочки. Визуальный указатель положения расположен на второй части выходного вала привода и указывает угловое положение выходного вала привода относительно корпуса привода.
[0011] Согласно другому варианту выполнения устройство содержит корпус привода поворотного клапана, который имеет утонченную часть, и утонченная часть имеет окно для указателя. Монтажный кронштейн соединен с утонченной частью для приема поворотного гидроклапана. Выходной вал привода расположен по меньшей мере частично в утонченной части и выполнен с возможностью приема вала поворотного гидроклапана. Визуальный указатель положения соединен с выходным валом привода для указания углового положения выходного вала привода. Визуальный указатель положения видим через окно указателя.
[0012] Согласно другому варианту выполнения устройство содержит корпус привода, имеющий первое и второе отделения, связанные проходом. Выходной вал привода имеет первую и вторую секции. Первая секция по меньшей мере частично расположена в первом отделении и проходе, и вторая секция по меньшей мере частично расположена во втором отделении и выполнена с возможностью приема вала поворотного гидроклапана. Визуальный указатель положения расположен на второй секции выходного вала привода для указания углового положения выходного вала привода. Визуальный указатель положения видим снаружи.
Краткое описание чертежей
[0013] На фиг. 1 показан покомпонентный вид известного гидроклапана управления.
[0014] На фиг. 2 в качестве примера представлен вид в поперечном разрезе гидроклапана управления.
[0015] На фиг. 3 в качестве примера показан вид выходного вала привода, содержащего типовой визуальный указатель положения.
[0016] На фиг. 4 в качестве примера показан вид в поперечном разрезе корпуса привода, изображающий взрывобезопасную границу.
[0017] На фиг. 5 в качестве примера представлен вид в поперечном разрезе корпуса привода с фиг. 4, содержащего типовой выходной вал привода.
[0018] На фиг. 6 в качестве примера представлен вид привода клапана управления, содержащего типовой визуальный указатель положения.
[0019] На фиг. 7А в качестве примера показан вид привода клапана управления, содержащего типовой визуальный указатель положения.
[0020] На фиг. 7В изображен выходной вал типового привода клапана управления, показанного на фиг. 7А.
Осуществление изобретения
[0021] Гидравлические клапаны могут содержать визуальный указатель положения для визуального представления положения штока клапана. Это обеспечивает инженеру-технологу или технику по приборам возможность наблюдения за положением клапана и возможность эксплуатации без подключения какого-либо дополнительного оборудования, такого как ноутбук или расходомер, к электронному позиционному датчику. Известные визуальные указатели положения могут требовать дополнительной энергии для функционирования и/или могут требовать дополнительного отверстия во взрывобезопасном корпусе привода.
[0022] Как правило, в одном варианте выполнения указатель положения поворотного клапана в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает визуальную индикацию положения поворотного клапана, не требуя внешнего источника питания, ввода данных оператором, специализированного оборудования или дополнительных отверстий во взрывобезопасном корпусе привода.
[0023] Перед описанием варианты выполнения указателя положения поворотного клапана, указанного в приведенном выше описании, применительно к фиг. 1 предоставлено краткое описание известного визуального указателя положения.
[0024] На фиг. 1 показан известный гидроклапан 100 управления. Гидравлический клапан 100 содержит корпус 102 клапана и регулятор 104 потока в корпусе 102 клапана, который управляет потоком текучей среды. Регулятор 104 потока соединен со штоком 106 клапана, который проходит через корпус 102 клапана и соединен с выходным валом 108 привода 110. Монтажный кронштейн 114 присоединяет привод 110 к корпусу 102 клапана. Привод 110 осуществляет управление поворотным движением регулятора 104 потока через выходной вал 108 привода и шток 106 клапана, тем самым управляя потоком текучей среды через корпус 102 клапана.
[0025] Выходной вал 108 привода имеет первый конец 116 и второй конец 118. Первый конец 116 соединен со штоком 106 клапана. Второй конец 118 расположен напротив первого конца 116 и проходит через привод 110. Выходной вал 108 привода может быть цельным таким образом, чтобы первый конец 116 и второй конец 118 были соединены напрямую, или выходной вал 108 привода может содержать отдельные секции таким образом, чтобы первый конец 116 и второй конец 118 были соединены опосредованно. В любом корпусе первый конец 116 и второй конец 118 вращаются синхронно со штоком 106 клапана.
[0026] Регулятор 120 клапана соединен с приводом 110 через монтажный кронштейн 122. Регулятор 120 клапана генерирует сигнал управления для управления угловым положением выходного вала 108 привода. Вал 124 кодирующего устройства проходит от корпуса 126 командоаппарата 120 клапана и соединен с выходным валом 108 привода таким образом, что вал 124 кодирующего устройства и выходной вал 108 привода вращается синхронно. Кодирующее устройство (не показано) в пределах корпуса 126 создает электрический выходной сигнал, соответствующий угловому положению вала 124 кодирующего устройства. Это обеспечивает закрытую цепь обратной связи, по которой регулятор 120 клапана может генерировать сигнал управления для поворота выходного вала 108 привода, одновременно контролируя фактическое положение выходного вала 108 привода через вал 124 кодирующего устройства. Регулятор 120 клапана может изменять сигнал управления для достижения необходимого углового положения выходного вала 108 привода.
[0027] Визуальный указатель 128 положения проходит от корпуса 126 регулятора 120 клапана противоположно валу 124 кодирующего устройства. Визуальный указатель 128 положения содержит прозрачную поликарбонатную крышку 130, прикрепленную к корпусу 126, и барабан 132 указателя в крышке 130. Барабан 132 напрямую или не напрямую соединен с валом 124 кодирующего устройства и поворачивается синхронно с валом 124 кодирующего устройства, выходным валом 108 привода и штоком 106 клапана. Барабан 132 содержит знаки 134 для указания положения штока клапана 106 и, следовательно, положения регулятора 104 потока. Например, барабан 132 может содержать знаки 134, означающие положение «ОТКРЫТО» или «ЗАКРЫТО», для указания, находится ли регулятор 104 потока в открытом или закрытом положении. В качестве альтернативы или в качестве дополнения знаки 134 на барабане 132 могут содержать различные цвета или цветовые градиенты, такие как зеленый и красный, для указания, находится ли регулятор 104 потока в открытом, закрытом или промежуточном положении.
[0028] В одном варианте выполнения гидроклапана 100, как изображено на фиг. 1, привод 110 и регулятор 120 являются отдельными компонентами. В других известных гидроклапанах привод 110 и регулятор 120 могут быть объединены в один компонент. Такие гидроклапаны могут иметь визуальный указатель положения, расположенный на наружной поверхности корпуса привода напротив конца клапана и действующий посредством отверстия в корпусе привода.
[0029] На фиг. 2 изображен вид в поперечном разрезе варианта выполнения гидравлического клапана 200 в соответствии с настоящим изобретением. Несмотря на то, что рассмотренные в приведенном ниже описании устройства и способы раскрыты применительно к варианту выполнения гидравлического клапана 200, который является поворотным дроссельным клапаном, тем не менее, варианты выполнения устройств и способы также могут быть использованы с любыми другими поворотными клапанами таких типов как, например, полнопроходной шаровой клапан, сегментированный шаровой клапан, V-образный шаровой клапан, дроссельный клапан, эксцентриковый дисковый клапан, эксцентриковый конический клапан или другие типы поворотных клапанов. Кроме того, несмотря на то, что представленные в приведенном ниже описании устройства и способы рассмотрены в отношении электрических приводов (например, Электрический привод Fisher easy-Drive™), варианты выполнения устройства и способы также могут быть использованы с любым типом вращательного привода такого как, например, пневматический привод, гидравлический привод, электрогидравлический привод, ручной привод и т.д.
[0030] Типовой гидравлический клапан 200 содержит корпус 202 клапана и регулятор 204 потока в корпусе клапана 202, который управляет потоком текучей среды, проходящим через указанный регулятор 204. Регулятор 204 потока соединен со штоком 206 клапана, который проходит через корпус 202 клапана и соединен с выходным валом 208 привода 210. Монтажный кронштейн 212 присоединяет привод 210 к корпусу 202 клапана. Привод 210 управляет вращательным движением регулятора 204 потока посредством выходного вала 208 привода и штока 206 клапана, тем самым управляя потоком текучей среды через корпус 202 клапана.
[0031] Привод 210 содержит корпус 214 привод, который вмещает электронный регулятор 216, электродвигатель 218 и редуктор 220. Электронный регулятор 216 электрически соединен с электродвигателем 218, который может быть бесщеточным электродвигателем постоянного тока. Электродвигатель 218 функционально соединен с редуктором 220, который функционально соединен с выходным валом 208 привода. В процессе работы электронный командоаппарат 216 отправляет сигнал управления электродвигателю 218 для управления работой электродвигателя. В свою очередь, электродвигатель 218 вращает набор 222 шестерен в редукторе 220 для создания необходимой скорости на выходном валу и крутящего момента выходного вала 208 привода. Выходной вал 208 привода и шток 206 клапана вращаются синхронно таким образом, что привод 210 функционирует для управления угловым положением регулятора 204 потока, тем самым управляя потоком текучей среды через корпус 202 клапана. Элемент 224 ограничения движения, соединенный с корпусом 214 привода, может входить в зацепление с надпиленной частью 226 выходного вала 208 привода для ограничения вращательного движения вала. Элемент ограничения движения может содержать, например, болт или палец.
[0032] На фиг. 3 в качестве примера изображен вид выходного вала 208 привода. Выходной вал 208 привода имеет первую часть 228 вала и вторую часть 230 вала, вторая часть вала 230 имеет больший диаметр, чем диаметр первой части 228 вала. Визуальный указатель 232 положения неподвижно расположен на второй части 230 вала и имеет отметку 234 для обеспечения фиксированной точки привязки на выходном вале 208 привода. При размещении визуального указателя 232 положения на части выходного вала 208 привода большего диаметра визуальный указатель 232 положения получается более крупным и удобным для визуального наблюдения.
[0033] На фиг. 4 изображен вид в поперечном разрезе вариант выполнения корпуса 214 привода. Корпус 214 привода содержит основание 236 и крышку 238, которая входит в зацепление с основанием 236 для окружения первого внутреннего отделения 240 корпуса 214 привода. Более конкретно, основание 236 имеет выступ 242, по которому крышку 238 насаживают пока фланец 244 крышки 238 не упрется во фланец 246 основания 236, тем самым сжимая уплотнение 248. Это соединение основания 236 и крышки 238 определяет первую пламегасящую дорожку 250, образованную между ними. Основание 236 и крышку 238 изготавливают таким образом, что первая пламегасящая дорожка 250 выдерживается в очень жестких допусках для соответствия строгим стандартам сертификации, указанным в приведенном выше описании, таким как стандарты взрывобезопасности, искробезопасным, невоспламенения и взрывозащищенности. Для ясности и краткости корпус привода представлен в настоящем описании как «взрывобезопасный». Однако термин «взрывобезопасный» в контексте настоящего описания охватывает все отраслевые стандарты, касающиеся работы в агрессивных и/или опасных средах, включая, но без ограничения, взрывобезопасные, искробезопасные, невоспламеняющиеся и взрывозащищенные среды.
[0034] Основание 236 корпуса 214 привода определяет проход 252, который соединяет с возможностью передачи текучей среды первое внутреннее отделение 240 со вторым внутренним отделением 254. Проход 252 и второе внутреннее отделение 254 дополнительно описаны применительно к фиг. 5, на которой изображен выходной вал 208 привода в связи с корпусом 214 привода по фиг. 4. Согласно фиг. 5 первая часть 228 выходного вала 208 привода проходит из первого внутреннего отделения 240 корпуса 214 привода через проход 252 и частично во второе внутреннее отделение 254. Вторая часть 230 выходного вала 208 привода проходит от первой части 228 в пределах второго внутреннего отделения 254. Проход 252 немного больше, чем первая часть 228 выходного вала 208 привода таким образом, что зазор между первой частью 228 и проходом 252 определяет вторую пламегасящую дорожку 256, которая проходит до кольцевого уплотнения 257.
[0035] Первая и вторая пламегасящие дорожки 250, 256 определяют взрывобезопасную границу 258, которая содержит первое внутреннее отделение 240 и проход 252 корпуса 214 привода до кольцевого уплотнения 257. Если взрыв происходит во взрывобезопасной границе 258 корпуса 214 привода, первая и вторая пламегасящие дорожки 250, 256 обеспечивают возможность выхода горючих газов в пределах взрывобезопасной границы 258 из корпуса 214 привода, но только после того, как они были охлаждены достаточно для предотвращения воспламенения газов или паров, которые могут окружать взрывобезопасную границу 258. Взрывобезопасная граница 258 также герметизирует внутреннее отделение 240 и проход 252 вплоть до кольцевого уплотнения 257 от внешней среды. Кроме того, допуски на размеры компонентов за пределами взрывобезопасной границы 258 не должны быть такими жесткими как допуски на размеры компонентов, которые определяют первую и вторую пламегасящие дорожки 250, 256.
[0036] На фиг. 6 показан вид привода 210, содержащего вариант выполнения визуального указателя 232 положения. Второе внутреннее отделение 254 корпуса 214 привода расположено в утонченной части 260 корпуса 214 привода. Секция утонченной части 260, содержащая второе внутреннее отделение 254, расположена за пределами взрывобезопасной границы 258 и содержит окно 262, через которое видим визуальный указатель 232 положения. Окно 262 может содержать прозрачный материал, такой как бесцветный поликарбонат, стекло или другие материалы, через которые видим визуальный указатель 232 положения. Вследствие размещения окна 262 за пределами взрывобезопасной границы 258, материал окна 262 и соединение окна 262 с утонченной частью 260 не обязательно должны быть разработаны в соответствии со стандартами взрывобезопасности. Таким образом, конструктивное решение, изготовление и материалы окна 262 и компонентов, связанных с ним, значительно дешевле и менее сложные, чем они были бы при разработке в соответствии со стандартами взрывобезопасности. Окно 262 может быть соединено с утонченной частью 260 корпуса 214 привода посредством крепежных деталей 264, таких как, например, винты, болты или шпильки. Также окно 262 может быть соединено с утонченной частью 260 посредством клеящего вещества. Прокладка (не показана) может быть расположена между окном 262 и утонченной частью 260 для герметизации второго внутреннего отделения 254, которая препятствует проникновению инородного материала в отделение 254.
[0037] Шкала 266 прикреплена к утонченной части 260 рядом с визуальным указателем 232 положения и является видимой через окно 262. В одном примере шкала 266 расположена на углубленной поверхности утонченной части 260, которая обладает размерами, обеспечивающими возможность приема шкалы 266. Шкала 266 содержит знаки, представляющие угловые положения выходного вала 208 привода, которые могут содержать, например, угловые измерения, процент движения и/или различные цвета или цветовые градиенты. В процессе работы знаки шкалы 266, выровненные с отметкой 234 визуального указателя 232 положения, представляют угловое положение выходного вала 208 привода и, следовательно, положение регулятора 204 потока.
[0038] На фиг. 7А представлен вид другого типового привода 268, содержащего типовой визуальный указатель 270 положения. Как изображено на фиг. 7В шкала 272 визуального указателя 270 положения расположена на выходном валу 274 привода. Вновь согласно фиг. 7А отметка 276 может быть расположена на утонченной части 278 или окне 280 привода 268. При работе отметка 276 остается неподвижной, а шкала 272 визуального указателя 270 положения поворачивается совместно с выходным валом 274 привода. Таким образом, как и в предыдущем примере, знаки шкалы 272, выровненные с отметкой 276, представляют угловое положение выходного вала 274 привода и, следовательно, положение регулятора 204 потока. В этом примере может быть использовано меньшее окно 280 по сравнению с окном 262 на фиг. 6, потому что необязательно вся шкала 272 должна отображаться постоянно. Шкала 272 визуального указателя 270 положения поворачивается с выходным валом 274 привода, поэтому, необходимо просматривать только часть шкалы 272, которая выровнена с отметкой 276. Такая конфигурация может быть предпочтительной в применениях, которые требуют большей конструкционной прочности корпуса 268 привода вследствие требования относительно небольшого размера окна 280.
[0039] Несмотря на то, что в настоящем описании были представлены определенные способы, устройства и изделия, объем притязаний настоящего патента не ограничен этим. Наоборот, этот патент охватывает все устройства, способы и изделия, явно попадающие в объем приложенной формулы изобретения буквально или в соответствии с доктриной эквивалентов.