BRPI0509885B1

BRPI0509885B1 - conjunto reforçador de volume assimétrico para atuador de válvula tendo primeiro e segundo reforçadores

Info

Publication number: BRPI0509885B1
Application number: BRPI0509885A
Authority: BR
Inventors: W Junk Kenneth
Original assignee: Fisher Controls Int Llc
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2019-09-03
Also published as: RU2006139044A; US7458310B2; NO20065253L; RU2374505C2; BRPI0509885A; CA2562183A1; US20050229775A1; JP2007533035A; EP1756433A1; AU2005238895B2; EP1756433B1; CN1942675A; AU2005238895A1; MXPA06011910A; CN1942675B; US7845268B2; US20080276798A1; JP4790705B2; CA2562183C; WO2005106256A1

Abstract

conjunto reforçador de volume assimétrico um conjunto reforçador de volume assimétrico inclui um atuador diferencial (24) deslocável em uma primeira direção e em uma segunda direção, um primeiro reforçador (44) em comunicação fluida com o atuador, e um segundo reforçador (48) em comunicação fluida com o atuador, e um segundo reforçador em comunicação fluida com o atuador. o primeiro reforçador inclui uma primeira passagem de alimentação (60) e uma primeira passagem de escape, em que a primeira passagem de alimentação fornece fluido ao atuador e a primeira passagem de escape descarrega fluido do atuador. a primeira passagem de escape é configurada para produzir uma primeira resistência a fluxo de fluido. o segundo reforçador inclui uma segunda passagem de alimentação (58) e uma segunda passagem de escape, em que a segunda passagem de alimentação fornece fluido ao atuador e a segunda passagem de escape descarrega fluido do atuador. a segunda passagem de escape é configurada para produzir uma segunda resistência a fluxo de fluido. a primeira resistência a fluxo de fluido é maior que a segunda resistência a fluxo de fluido, de tal maneira que o atuador se desloca substancialmente simetricamente na primeira direção e na segunda direção.

Description

“CONJUNTO REFORÇADOR DE VOLUME ASSIMÉTRICO PARA ATUADOR DE VÁLVULA TENDO PRIMEIRO E SEGUNDO REFORÇADORES”

Campo da Invenção [0001] A presente invenção trata genericamente de sistemas de válvula de controle e, mais especificamente, a um sistema reforçador de volume com um padrão de fluxo assimétrico para uso com um atuador de válvula de uma válvula de controle.

Referência Remissiva a Pedido Correlato [0002] O presente pedido reivindica prioridade para o pedido de patente provisório US SN 60/562 905, depositado em 16 de abril de 2004.

Fundamentos da Invenção [0003] Sistemas de válvula para controlar o fluxo de líquidos e/ou gases, tais como de ar comprimido, gás natural, petróleo, propano, ou semelhantes, em um sistema de processo são genericamente conhecidos na técnica. Estes sistemas podem empregar válvulas de controle para prevenir ou inibir surtos de pressão dentro do fluido que podem de outro modo causar dano a componentes ou perturbar a função do sistema.

[0004] Em uma aplicação, um compressor aumenta a pressão de ar em circulação no sistema de processo sob condições operacionais normais. Caso a demanda decresça, tal como quando uma válvula de estrangulamento a jusante é fechada, a necessidade por uma parte do ar decresce rapidamente, e o fluxo através do compressor decresce. Quando o fluxo decresce o bastante, o compressor ingressa em uma condição instável na qual o gás reflui através do compressor do lado de saída para o lado de entrada. Neste ponto, o fluxo de gás oscila rapidamente entre fluxo para frente e fluxo para trás. Este fenômeno é conhecido como surto e é indesejável porque aplica indevida tensão sobre os componentes do compressor, tais como palhetas e mancais.

[0005] A ocorrência de surto é genericamente endereçada pela instalação de uma válvula de controle em torno do compressor que desvia o fluxo da saída do compressor para a entrada quando o compressor está próximo de um ponto

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2/18 operacional em que o surto ocorre. Uma válvula de controle tem de atuar rapidamente porque o surto é um fenômeno de fluxo instável rápido. Tradicionalmente válvulas de controle têm sido dispositivos liga-desliga. Todavia, com os avanços em software de automação e sistemas eletrônicos assim como dimensões de compressor crescentes, significativos aperfeiçoamentos em eficiência operacional e confiabilidade podem ser atingidos se a válvula de controle é em vez disso um dispositivo de estrangulamento. Para realizar plenamente os benefícios de uma válvula de estrangulamento em vez de uma válvula passa não-passa e proteger o compressor contra surtos, a posição da válvula tem de ser controlada tanto rapidamente como exatamente.

[0006] A posição da válvula de controle é normalmente controlada por um posicionador. Atuadores de grande volume podem levar 10 ou 20 segundos ou mais para abrir ou fechar a válvula de controle com um posicionador padrão. Um posicionador de válvula dessa natureza não pode operar em, ou administrar volumes adequados de fluido para mover o atuador nos tempos de resposta desejados para ação anti-surto ideal.

[0007] Para se endereçar a este problema, um conjunto de válvula de controle pode incorporar reforçadores de volume em conjunção com o posicionador sobre uma válvula de controle de estrangulamento para aumentar a velocidade de ação do atuador. A velocidade de válvula e acionamento do atuador podem ser amplificada ou aumentada 15 ou 20 vezes utilizando um ou mais reforçadores de volume.

[0008] Embora o uso de reforçadores de volume reduza o problema de lento tempo de resposta, exacerba qualquer desempenho assimétrico da válvula em resposta ao posicionador. A ocorrência de assimetria é onde, por exemplo, o atuador é amortecido a menos (ou ultrapassa) na direção de fechamento e superamortecido (ou lento) na direção de abertura. Reforçadores de volume não somente amplificam a resposta ou ação, porém também amplificam a resposta ou curso do atuador, porém também amplificam a assimetria intrínseca. A dita assimetria é particularmente perceptível em atuadores de maior volume equipados com reforçadores de volume.

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3/18 [0009] Genericamente, o posicionador e o sistema de válvula são geralmente operados com um sistema elétrico de baixa tensão. O posicionador converte um sinal elétrico, tal como de 4mA a 20mA, em uma saída de pressão para sinalizar o atuador. Devido à baixa passagem de corrente sob a qual o posicionador funciona e características internas do posicionador, o sinal fornecido pelo posicionador para fechar a válvula de controle é emitido mais rapidamente do que o sinal para abrir a válvula. Assim, existe uma assimetria intrínseca no desempenho do posicionador. O uso de reforçadores apenas exacerba este problema.

[0010] Genericamente, nas aplicações de válvula anti-surto em compressores, o conjunto de válvula de controle é equipado com atuadores de longo curso e um número igual de reforçadores de volume no lado superior e no lado inferior (orifícios ou câmaras superior e inferior, respectivamente) do atuador. Em um exemplo, devido à assimetria intrínseca do posicionador e dos múltiplos reforçadores de volume, a resposta do atuador será sub amortecida na direção de abertura e super amortecida na direção de fechamento. Em um atuador de abertura por ocorrência de falha, isto é, onde o atuador se abre mediante a ocorrência de uma condição de surto, sobredisparo na direção de fechamento pode não ser particularmente desejável sob muitas circunstâncias. Por exemplo, em uma aplicação anti-surto em um compressor, o super amortecimento na direção de fechamento pode acidentalmente colocar uma válvula em uma condição de surto fechando a válvula de estrangulamento por demais ou demasiadamente rápido ou ambos. É conhecido daqueles versados na técnica que genericamente os efeitos prejudiciais da resposta infra-amortecida são reduzidos por dessintonizar o posicionador para que a resposta na direção de fechamento seja criticamente amortecida. Todavia, esta retirada de sintonia resulta em uma resposta super amortecida na direção de abertura que gera uma resposta muito lenta e é objetável.

[0011] Em geral, o desempenho do conjunto de válvula de controle é aperfeiçoado se o atuador operar com simetria dinâmica. Por exemplo, um atuador opera com simetria dinâmica se a resposta dinâmica na direção de abertura da válvula é substancialmente a mesma que a resposta dinâmica na direção de

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4/18 fechamento.

[0012] Por conseguinte, aperfeiçoamentos sucessivos na construção e/ou operação de sistemas de válvula de controle e de seus componentes associados são desejáveis.

Descrição Sucinta dos Desenhos [0013] A fig. 1 mostra uma vista esquemática de um exemplo de um conjunto de válvula de controle de abertura por falha construído de acordo com os ensinamentos da presente invenção e empregando um atuador de válvula do tipo de êmbolo.

[0014] A fig. 2 mostra uma vista detalhada parcialmente em seção transversal do atuador e válvula da fig. 1 detalhada, parcialmente em seção transversal do atuador e válvula da fig. 1.

[0015] A fig. 3 mostra uma vista em seção transversal do primeiro reforçador de volume ilustrado na fig. 1.

[0016] A fig. 4 mostra uma vista em seção transversal do segundo reforçador de volume ilustrado na fig. 1.

[0017] A fig. 5 mostra uma vista em seção transversal de um exemplo do segundo reforçador de volume ilustrado na fig. 2.

[0018] A fig. 6 mostra uma construção alternativa do orifício de alimentação do primeiro reforçador.

[0019] A fig. 7 mostra uma construção alternativa da válvula de alimentação do primeiro reforçador.

[0020] A fig. 8 mostra uma construção alternativa da válvula de alimentação do segundo reforçador.

[0021] As figs. 9 e 10 mostram uma representação gráfica do curso percentual do atuador e curso percentual de atuador teórico contra o tempo transcorrido para um curso pleno do atuador em um exemplo de um sistema de válvula de controle incorporando um sistema reforçador de volume construído de acordo com os ensinamentos da presente invenção.

[0022] A fig. 11 mostra um segundo exemplo de um conjunto assimétrico utilizando uma mola e um atuador de diafragma.

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5/18 [0023] Embora a invenção seja suscetível de várias modificações e construções alternativas, determinadas modalidades da mesma foram ilustradas nos desenhos e serão descritas em detalhe abaixo. Deve ser entendido, todavia, que não há intenção de limitar a invenção às formas específicas expostas, porém pelo contrário, a intenção é abranger todas as modificações, construções alternativas e equivalentes que se enquadrem dentro do espírito e âmbito da invenção conforme definida pelas reivindicações apensas.

Descrição Detalhada [0024] As modalidades aqui descritas não são propostas para serem exaustivas ou limitar o âmbito da invenção à forma ou formas exatas expostas. Em vez disso, as modalidades que se seguem foram descritas de maneira a melhor explanar os princípios da invenção e habilitar terceiros versados na técnica a seguirem os seus ensinamentos.

[0025] Reportando-se a seguir aos desenhos, a fig. 1 ilustra um de muitos exemplos possíveis de um conjunto de válvula de controle 1 utilizando um sistema reforçador construído de acordo com os ensinamentos da presente invenção. As figs. 1 e particularmente 2 mostram uma válvula 12 que define uma passagem 14 através da qual o fluido circula. A válvula 12 inclui um bujão de válvula 16 disposto de maneira móvel 18 no interior da válvula 12. A gaiola 18 é perfurada de tal modo que fluido possa passar através da gaiola 18. O bujão 16 é conectado com uma haste 20 e é deslocável entre uma primeira posição mostrada na fig. 2 em que a passagem 14 está aberta e fluido pode fluir através das perfurações na gaiola 18, e uma segunda posição em que o bujão 16 é deslocado para baixo e bloqueia as perfurações na gaiola 18 de tal modo que o fluido não possa passar através da passagem 14. Além disso, a válvula 12 atua como uma válvula de estrangulamento para que o bujão 16 possa ser localizado em qualquer sítio entre a primeira e segunda posição para controlar o fluxo de fluido através da válvula 12.

[0026] Um atuador 24 é disposto adjacente à válvula 12 e é configurado para mover a válvula 12 entre primeira e segunda posição. O atuador 24 inclui um cilindro 26 no qual uma haste de êmbolo 28 desliza. A haste de êmbolo 28 inclui um êmbolo

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6/18 e uma culatra de atuador 32.A culatra 32 é operativamente conectada com a haste 20 através de um conector de haste 33 de tal maneira que quando o êmbolo 28 se desloca, o bujão igualmente se desloca. Um elemento de controle 22 é disposto adjacente ao conector de haste 33 e pode detectar a posição do macho 16. [0027] O êmbolo 30 desliza no interior de uma câmara 34 do cilindro 26. O êmbolo 30 divide a câmara 34 em uma câmara superior 36 e uma câmara inferior 38 que são genericamente mutuamente seladas pelo êmbolo 30. Um primeiro orifício 40 permite a introdução de um fluido no interior da câmara superior 36 e um segundo orifício 42 permite a introdução de um fluido no interior da câmara inferior 38.

[0028] Como é conhecido, para fechar a passagem 14 com a válvula 12, fluido pressurizado ode ser introduzido no interior da câmara superior 36 através do primeiro orifício 40, e fluido na câmara inferior 38 pode ser liberado através do segundo orifício 42. O êmbolo 8 e o bujão 16 são então forçados para baixo, cerrando a passagem 14. Para abrir a passagem 14, fluido pressurizado é introduzido no interior da câmara inferior 38 através do segundo orifício 42, e o fluido na câmara superior 36 pode ser liberado através do primeiro orifício 40. O êmbolo 28 e o bujão 16 são forçados para cima, abrindo a passagem 14.

[0029] A câmara superior 36 está em conexão fluida com um primeiro reforçador 44 através de uma primeira conexão 46. A câmara inferior 38 está em conexão fluida com um segundo reforçador 48 através de uma segunda conexão 50. Por conseguinte, fluido fornecido pelo primeiro reforçador 44 se propaga através da primeira conexão 46 e do primeiro orifício 40 e para o interior da câmara superior 36. De maneira idêntica, fluido fornecido pelo segundo reforçador 48 se propaga através da segunda conexão 50 e do segundo orifício 42 para o interior da câmara inferior 38. Neste exemplo, a primeira e a segunda conexão 46, 50 são produzidas de um niple de tubo, porém outros tipos de conexões, tal como de plástico flexível ou rígido, podem ser usados. Na presente exposição, o termo fluido é usado no sentido técnico e pode incluir pelo menos líquidos e gases.

[0030] Reportando-se mais uma vez à fig. 1, uma linha de alimentação principal 52 é conectada com um regulador 54 e alimenta o regulador 54 com fluido

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7/18 pressurizado proveniente de uma fonte de pressão tal como um compressor de ar. O regulador 54 está em conexão fluída com e alimentar fluido pressurizado ao primeiro reforçador 44, ao segundo reforçador 48 e um posicionador 56 através de uma primeira linha alimentadora de reforçador 58, uma segunda linha alimentadora de reforçador 60, e uma linha alimentadora de posicionador 62, respectivamente. Mais uma vez, estas linhas de alimentação podem ser produzidos de tubos de metal, tubos de plástico rígidos ou flexíveis, ou semelhantes. O regulador 54 pode regular a pressão do fluido fornecido a estes componentes.

[0031] O posicionador 54 está em comunicação elétrica com um centro de entrada 63. O posicionador 56 recebe comandos do centro de entrada 63 dirigindo o mesmo para deslocar a válvula 12 para uma posição desejada, isto é, a posição fechada, a posição aberta, ou qualquer sítio intermediário. O posicionador 56 pode estar em comunicação elétrica com o elemento de controle 22, e é assim suscetível de determinar a posição do bujão 16 no interior da válvula 12.O posicionador 56, seletivamente usando o primeiro e segundo reforçadores 44, 48, dirige o deslocamento da válvula 12 de uma maneira aqui exposta.

[0032] O posicionador 56 está em comunicação fluida com o primeiro reforçador 44 através uma primeira linha de saída de posicionador 64, e está em comunicação fluida com o segundo reforçador 48 através de uma segunda linha de saída de posicionador 66. O posicionador 56 recebe a entrada de comando elétrico do centro de entrada 63 e converte este sinal elétrico em sinais pneumáticos. O posicionador 56 utiliza o fluido pressurizado do regulador 54 para transmitir o primeiro sinal pneumático através da primeira linha de saída 64 para o primeiro reforçador 44 e o segundo sinal pneumático através da segunda linha de saída 66 para o segundo reforçador 48.

[0033] Se a entrada de comando instrui o posicionador 56 para abrir a válvula de uma maneira não urgente, o posicionador 56 fornece fluido pressurizado através do segundo reforçador 48 à câmara inferior 38 do atuador 24, e o posicionador 36 permite fluido pressurizado a fluir da câmara superior 56, através do primeiro reforçador 44, para ser descarregado na atmosfera ou em um terceiro reservatório.

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8/18

Se a entrada de comando dirigir a válvula a se fechar, ocorre o inverso.

[0034] Conforme é conhecido na técnica, se o sinal proveniente do centro de entrada dirigir o posicionador 56 a rapidamente abrir a válvula 12 sob uma condição de surto, o segundo sinal pneumático flui através do segundo reforçador 48 para a câmara inferior 38. O segundo sinal também ativa o segundo reforçador 48 como será descrito aqui de tal modo que um grande volume de fluido pressurizado flui através da segunda linha de alimentação de reforçador 60 através do segundo reforçador 48 para a câmara inferior 38, desse modo rapidamente abrindo a válvula 12.

[0035] Conforme detalhado aqui, o primeiro e segundo reforçador de volume expostos 44, 48 incluem uma característica que pode ser empregada em um sistema reforçador para aliviar ou eliminar as assimetrias dinâmicas supra mencionadas. Os reforçadores 44, 48 podem ser estabelecidos com outros reforçadores de volume para incorporar uma assimetria funcional no sistema de válvula para compensar ou anular a assimetria dinâmica como descrita abaixo para criar um sistema com desempenho virtualmente simétrico.

[0036] O primeiro reforçador de volume 44 exposto aqui é mostrado em seção transversal na fig.3 e o segundo reforçador de volume 48 é mostrado em seção transversal na fig. 4. O primeiro reforçador 44 genericamente inclui uma caixa ou corpo 100 tendo uma câmara de entrada ou alimentação 102 e uma câmara de saída 104 em comunicação entre si através de um orifício de alimentação 106 no interior do corpo 1000. A câmara de alimentação 102 tem uma abertura de alimentação 108 numa extremidade que se abre para o exterior do corpo 100. A câmara de alimentação 102 está em comunicação com o orifício de alimentação 106 pela sua extremidade interior. A câmara de saída 104 comunica-se com o orifício de alimentação 106 por uma extremidade interior da câmara de saída 104 e se abre para o exterior do corpo 100 por uma abertura de saída 110. A câmara de alimentação 102 e a abertura de alimentação 108 estão em comunicação com o regulador 54 no exemplo acima através da primeira linha de alimentação de reforçador 58. A câmara de saída 104 está em comunicação com o atuador, tal

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9/18 como o atuador 24 exposto acima, através da primeira conexão 46.

[0037] Uma passagem de estrangulamento de by-pass 112 está em comunicação com a passagem de saída 104 e tem um parafuso de ajuste 114. O parafuso de ajuste de by-pass 114 pode ser ajustado para permitir pequenos volumes de fluido a ser propagarem do posicionador 56, através do primeiro reforçador 44, e para a câmara superior 34 do atuador 24, como exposto abaixo, enquanto evitando a implementação da função de reforço de volume. Um maior diferencial de pressão através do primeiro reforçador 44 acionará o reforçador como exposto abaixo.

[0038] Uma válvula de alimentação 116 é posicionada no interior da câmara de alimentação 102 adjacente ao orifício de alimentação 106. A válvula de alimentação 116 é conduzida neste exemplo integralmente sobre uma parte de uma haste 118 e é compelida relativamente de forma apertada para uma posição fechada contra uma sede 120 do orifício de alimentação 106 por uma mola 122. A mola 122 é simplesmente uma característica de segurança para assegurar que a válvula de alimentação 116 permaneça fechada quando o reforçador não está operando ou se uma pane do sistema de válvula viesse a ocorrer.

[0039] Uma cavidade 124 é prevista no interior do corpo acima das câmaras 102 e 104 e do orifício de alimentação 106 no presente exemplo. Um primeiro orifício de escape 126 é previsto em comunicação entre uma seção da câmara de escape 128 da cavidade 124 e a câmara de saída 104 a jusante do orifício de alimentação 1906. Um orifício de sinal de entrada 130 está em comunicação fluida entre a primeira linha de alimentação de reforço 58 do posicionador 56 e uma seção de câmara de sinal superior 132 da cavidade 124.

[0040] Um orifício de derivação 133 estabelece comunicação fluida entre a passagem de derivação 112 e o orifício de sinal de entrada 130. Quando o posicionador transmite fluido pressurizado para o primeiro reforçador através do orifício de sinal de entrada 130 para fechar a válvula 12, o fluido se propaga para o interior da câmara de sinal superior 132 e através do orifício de derivação 133. Se a pressão do fluido não é bastante alta para ativar o primeiro reforçador 44, como será

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10/18 descrito aqui, o fluido se propaga através do orifício de derivação 133. Se a pressão do fluido não é bastante alta para ativar o primeiro reforçador 4, como será descrito aqui, o fluido se propaga através do orifício de derivação 133 e da passagem de estrangulamento de derivação 112, e para o interior da câmara de saída 104. Dali o fluido se propaga para o atuador 24 para fechar a válvula 12. Naturalmente, uma vez que o primeiro reforçador 44 não foi ativado, o fechamento da válvula 12 leva um tempo comparativamente longo.

[0041] Um conjunto de diafragma flutuante 134 é posicionado no interior da cavidade 124 e separa a cavidade 124 em câmara de escape e de sinal 128 e 132, respectivamente, e funciona como uma válvula de gatilho. O conjunto de diafragma 134 inclui um distribuidor flutuante 136 interposto entre um par de diafragmas 138 e 140. O diafragma superior 138 é designado de um diafragma de instrumento e define a câmara de sinal 132. O diafragma inferior 140 é designado de um diafragma de reação e define a câmara de escape 128. O distribuidor 136 inclui uma abertura central 142 e uma pluralidade de passagens radiais 144 se estendendo radialmente para o exterior do mesmo. As passagens radiais 144 estão em comunicação fluida com uma passagem anular 146 se estendendo em torno do distribuidor 136 entre os diafragmas 138 e 140. A passagem anular 146 está em comunicação fluida adicional com uma saída de escape 148 ventilada para a atmosfera no exterior do corpo 100.

[0042] Uma válvula de escape 150 é conduzida sobre a haste de válvula 118 oposta à válvula de alimentação 116. Um segundo orifício de escape 152 é previsto no fundo do distribuidor 136 e estabelece comunicação entre a câmara de escape 128 e a abertura central 142 do distribuidor 136. A válvula de escape 150 está apertada de encontro a uma sede 154 para fechar o segundo orifício de escape 152. Uma cavidade de mola 156 é prevista acima do conjunto de diafragma 134 e aloja uma mola 158 que compele o conjunto flutuante 134 para baixo contra a válvula de escape 150 para fechar o segundo orifício de escape 152. Quando a válvula de escape 150 está fechada, a câmara de escape 128 não está em comunicação com a saída de escape 148. Quando aberta, a câmara de saída 104 do reforçador está em comunicação fluida com a saída de escape 148 através da câmara de escape 128 e

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11/18 distribuidor de diafragma 136.

[0043] Reportando-se a seguir à fig. 3, o segundo reforçador 48 é representado. No presente exemplo. Neste exemplo, o segundo reforçador 48 e idêntico ao primeiro reforçador 44 exceto por estas diferenças indicadas aqui. O segundo reforçador 48 é idêntico ao primeiro reforçador 44 exceto por estas diferenças aqui indicadas. O segundo reforçador 48 inclui uma câmara de saía 204 e uma cavidade 224 acima da câmara de saída 204. A cavidade 224 e a câmara de saída 204 são conectadas por um primeiro orifício de escape 226. No segundo reforçador 48, a área em seção transversal do primeiro orifício de escape 226 é menor que a área em seção transversal do primeiro orifício de escape 126 do primeiro reforçador 44. Como será visto, a resistência a fluxo do escape através do primeiro reforçador 44 é inferior à resistência a fluxo do escape através do segundo reforçador 48.

[0044] Como exposto acima e reportando-se de volta ao primeiro reforçador 44 a título de exemplo, o posicionador 56 emite um sinal pneumático convertido a partir dos impulsos elétricos baseado sobre a posição do atuador 24. O sinal de pressão é fornecido ao orifício de sinal 130 e, assim, à câmara de sinal 132 do reforçador. Adicionalmente, uma pressão de alimentação constante é fornecida à câmara de alimentação 102 pelo regulador 28. A câmara de saída 104 é conectada com o atuador 24.

[0045] Um diferencial de pressão através do primeiro reforçador 44 ocorre entre a câmara de sinal 132 e a câmara de escape 128 e assim a câmara de saída 104 (através do primeiro orifício de escape 126). Se o diferencial de pressão através do reforçador 22 é não substancial, como determinado pelo ajuste de derivação de reforço e como desejado, cada válvula 116 e 150 permanece fechada. O conjunto de diafragma estará em uma posição descarregada estática com cada válvula 16e 150 assentada contra sua respectiva sede 120 e 154. As respectivas molas 122 e 158 auxiliam no compelir as válvulas 116, 150 a se manterem fechadas sob uma condição de diferencial zero ou não substancial. Um diferencial de pressão substancial é aquele que é bastante grande para afetar o conjunto de diafragma 134, quer esteja para cima quer para baixo, e deslocará a válvula de alimentação 116 e

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12/18 válvula de escape em uníssono porque cada uma é fixada à haste 118.

[0046] Durante a operação, uma condição de diferencial positiva é obtida quando pressão é substancialmente maior na câmara de sinal 132 do que na câmara de saída 104. O posicionador 56 fornece um sinal de alta pressão ao orifício de sinal 130. O conjunto de diafragma flutuante 134 é forçado para baixo pelo diferencial de pressão sobre a válvula de escape 150, mantendo o segundo orifício de escape 152 fechando a abrindo a válvula de alimentação 116. Assim, o primeiro reforçador 44 fornece um volume de ar pressurizado ao atuador 24a partir da câmara de alimentação 102 através da câmara de saída 104. A saída do reforçador 44 é também registrada sobre o conjunto de diafragma 134 através do orifício de escape 126. Quando a pressão na câmara de saída 104 se eleva à pressão na câmara de sinal 132, a válvula alimentadora se eleva e fecha.

[0047] Quando a pressão é substancialmente mais baixa na câmara de sinal 132 do que na câmara de saída 104, um diferencial de pressão negativo é realizado. Por exemplo, o posicionador 56 pode emitir um sinal de entrada pneumático corretivo para o orifício de sinal 130 que está a uma pressão relativamente baixa. O conjunto de diafragma flutuante 134 e a haste de válvula 118 se elevarão. A válvula de alimentação 116, caso já não esteja fechada, fechará o orifício de alimentação 106. Uma vez fechadas, a haste 11 e válvulas 116 e 150 não se deslocarão adicionalmente para cima. A contrapressão da câmara de saída 104 deslocará o conjunto de diafragma flutuante 134 adicionalmente para cima.contra a força da mola 158 e abre o segundo orifício de escape 152. O ar neste exemplo será ventilado para a atmosfera pela câmara de saída 104 através do orifício de escape 148.

[0048] O parafuso de ajuste 114 pode ser ajustado para estrangular o derivação para que diferentes pressões do posicionador ativem o reforçador. Por exemplo, se o parafuso 114 bloquear quase por completo o derivação, uma pequena pressão do posicionador ativará o reforçador, pois toda a pressão será exercida sobre o diafragma superior 138 e forçará a válvula de alimentação 116 para baixo. De maneira idêntica, se o parafuso 114 permite uma alta pressão a fluir através do

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13/18 derivação, menos pressão será exercida sobre o diafragma superior 1138, e o reforçador somente será ativado sob uma pressão comparativamente mais alta do posicionador.

[0049] Nos reforçadores de volume deste tipo, o volume de escape é limitado pela dimensão dos primeiros orifícios de escape 126,226, que são as passagens, orifícios, ou cavidades mais estreitas ou de menores dimensões ao longo do trajeto de escape. De acordo com a presente invenção, a assimetria na dinâmica do atuador foi reduzida ou substancialmente eliminada criando uma assimetria no volume de escape do reforçador. Isto é realizado pelo fato do primeiro orifício de escape 126 do primeiro reforçador 44 ser maior que o primeiro orifício de escape 226 do segundo reforçador 48. Assim, a resistência a fluxo de fluido é maior no segundo reforçador 48 do que no primeiro reforçador 44. Em um exemplo, o segundo reforçador 48 pode ser convertido em o primeiro reforçador 44 fresando ou usar outro método para ampliar a dimensão do orifício de escape 226. Desta maneira, assimetria no volume de escape do reforçador é realizada.

[0050] Quando a câmara inferior 38 do atuador 24 é enchida para abrir a passagem 18, o segundo reforçador 48 pode ser empregado para reforçar a velocidade de curso a um maior grau. O primeiro reforçador 44 tem um maior primeiro orifício de escape 126 para conferir uma maior capacidade de volume de escape para a liberação do ar no interior da câmara superior 36. Isto pode reduzir o amortecimento durante a abertura da válvula. O grau de amortecimento pode ser controlado tanto pelo número de reforçadores assistindo o lado do atuador, assim como pela diferença dimensional entre os orifícios de escape 126, 226 dos reforçadores 44 e 48.

[0051] Quando a câmara superior 36 do atuador 24 é enchida para fechar a passagem 18, o primeiro reforçador 44 pode ser empregado para reforçar a velocidade de curso, porém a um menor grau. O segundo reforçador 48 confere uma menor capacidade para escape de volume, e assim um efeito de amortecimento ligeiramente maior durante o curso de fechamento do que o primeiro reforçador 44 confere durante o curso de abertura.

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14/18 [0052] A diferença em dimensão dos orifícios de escape de reforçador 126 e 226 pode ser empregada para compensar a dinâmica assimétrica intrínseca criada em atuadores e sistemas de válvula de grande volume. Assim, quando um sistema tem um desempenho assimétrico no qual o curso de fechamento é mais rápido que o curso de abertura, os primeiro e segundo reforçadores 44, 48 podem ser usados para aumentar o escape no curso de abertura de tal modo que desempenho simétrico pode ser alcançado.

[0053] O atuador conforme exposto no presente exemplo não necessita ser de um tipo de êmbolo, porém pode ser virtualmente qualquer tipo de atuador. Por exemplo, o atuador pode ser um atuador do tipo de mola e diafragma. Além disso, sistema pode empregar múltiplos reforçadores de volume para cada lado do atuador, se desejado. Pode ser preferível empregar o mesmo número de reforçadores de cada lado do atuador para criar quase simetria em reforço e desempenho dinâmico durante cada curso. A dimensão de escape de reforçador assimétrica conforme exposta aqui pode ser empregada em um ou mais dos reforçadores de um e de outro lado do atuador para realizar o grau desejado de compensação para a dinâmica assimétrica. Além disso, outras estruturas podem ser empregadas para proporcionar uma funcionalidade assimétrica dos reforçadores 44, 48 para compensar o desempenho assimétrico. Isto pode incluir qualquer estrutura que crie resistência de fluxo diferente tal como usando os mesmos reforçadores, porém aplicando um regulador de um lado para limitar o escape, ou qualquer outra estrutura, interna ou externa para os reforçadores propriamente ditos que afete a resistência de fluxo da alimentação ou escape.

[0054] No exemplo ilustrado, o primeiro orifício de escape 126 e o segundo orifício de escape 226 são mostrados como tendo uma seção transversal circular e cilíndrica com o primeiro orifício de escape 126 tendo um maior diâmetro que o segundo orifício de escape 226. Desta maneira, a resistência a fluxo de fluido é maior no segundo reforçador 48 do que no primeiro reforçador 44. Todavia, será visto que qualquer número de construções pode ser criado para aumentar ou decrescer o fluxo de fluido. Entre estas se inclui aplicar uma obstrução no trajeto de

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15/18 um orifício de escape tal como uma patilha, um bloco, uma barra, um suspiro, um ventilador ou similar. O segundo orifício de escape 226 também poderia incluir bordas irregulares para aumentar a resistência a fluxo de fluido. Isto pode incluir rosquear o orifício, criar uma seção transversal poligonal ou similar. Outras obstruções e paredes laterais irregularmente configuradas serão do conhecimento daqueles versados na técnica.

[0055] Em uma modalidade alternativa do segundo reforçador 48, um terceiro reforçador 300 é representado na fig. 5 mostrando outra maneira de aumentar a resistência a fluxo de fluido. O terceiro reforçador 300 inclui um terceiro orifício de escape 326 que é mais longo em comprimento que o primeiro orifício de escape 126. O primeiro orifício de escape 126 e o terceiro orifício de escape 326 são individualmente circulares em seção transversal com o mesmo diâmetro, todavia o comprimento do terceiro orifício de escape 326 é mais longo que o comprimento do primeiro orifício de escape 126. Para aumento adicional da resistência, o terceiro orifício de escape 326 poderia ter uma configuração curvada ou serpentina. Neste exemplo o volume de uma terceira câmara de saída 304 é decrescido, porém outras configurações podem ser realizadas que não decrescem o volume da terceira câmara de saída 304. Em geral, qualquer configuração que limite o fluxo de fluido de escape através do segundo reforçador 48 (ou terceiro reforçador 300) em relação ao primeiro reforçador 44 é apropriada.

[0056] Em outro exemplo, mostrado na fig. 6, em vez de limitar o trajeto de escape para criar uma assimetria, a resistência a fluxo de ar nos trajetos de alimentação dos dois reforçadores pode ser assimétrica. Para esta finalidade, a seção transversal do orifício de alimentação 106a no primeiro reforçador 44 pode ser menor que o orifício de alimentação 206 do segundo reforçador 48. No presente exemplo, a assimetria intrínseca é anulada alimentando fluido ao atuador 24 a uma maior taxa de fluxo de massa através do segundo reforçador em relação ao primeiro. Naturalmente, os orifícios de escape também podem ser manipulados além dos orifícios de alimentação.

[0057] Em um outro método de manipular o fluxo através do primeiro reforçador

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44, a construção da válvula de alimentação 116 pode ser alterada. A configuração da válvula de alimentação como mostrada na fig. 3é aquela de um cone. Em vez disso, como mostrado na fig. 7, a válvula de alimentação 116a poderia assumir uma forma campanular para adicionalmente limitar a taxa de vazão de fluido através do orifício de alimentação 106 à baixa amplitude. Em contraste, como mostrado na fig. 8, a válvula de alimentação 216a do segundo reforçador poderia assumir a forma de uma placa planar para aumentar a taxa de vazão.

[0058] As figs. 9 e 10 ilustram um exemplo de um sistema e de uma saída de sistema que pode ser realizada empregando o sistema reforçador de volume assimétrico aqui exposto. As linhas cheias em cada representação gráfica representam simetria teoricamente perfeita. As linhas descontínuas representam desempenho testado efetivo para diferentes esquemas.

[0059] A fig. 9 ilustra um exemplo de velocidade de curso para um ciclo de curso em várias combinações de reforçador/ atuador/ dimensão de válvula. Em cada representação gráfica, pode ser visto que um curso de 100% pode ser realizado em cerca de 1 e menos de 2 segundos. Cada teste utilizou um sistema de quatro reforçadores de volume com dois reforçadores de volume de cada lado do atuador.

[0060] A fig. 10 ilustra que ciclos de longo curso e de curso inverso podem ser realizados com substancial simetria dinâmica utilizando o esquema de reforçador exposto. O eixo geométrico esquerdo de cada representação gráfica representa tempo transcorrido. Estas representações gráficas mostram ciclos de longo curso e de curso inverso e ilustram a substancial simetria do desempenho de válvula realizado usando o sistema descrito 10.

[0061] A fig. 11 apresenta outro exemplo em que uma construção assimétrica é usada sobre um atuador de mola e diafragma 500. O atuador 500 é afixado a uma válvula 502 de maneira similar àquela nos exemplos prévios. O atuador inclui um 504 em que um diafragma 506 é disposto. O diafragma 506 é conectado com uma culatra de atuador 508, que é conectada com a válvula 502. O diafragma 506 e o alojamento 504 definem uma câmara superior 510. A pressão de fluido no interior da câmara superior 510 força o diafragma 506 e por conseguinte a culatra 508 e a

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17/18 válvula 502 para baixo. Quando a pressão de fluido na câmara superior 510 é baixada, uma mola 512 empurra o diafragma 506 de volta para cima. Como pode ser visto, nenhuma pressão de ar é usada para impelir o diafragma 506 para cima. Assim, uma resposta assimétrica pode ser criada no desempenho deste atuador 500 por esta construção isoladamente.

[0062] Neste exemplo, um posicionador 514 fornece fluido a um primeiro reforçador 516 e um segundo reforçador 518 em paralelo. O primeiro e segundo reforçadores 516, 518 estão em conexão fluida com a câmara superior 510 do atuador 500. Somente o primeiro reforçador 516 é conectado com uma fonte de fluido pressurizado através da linha 520de maneira que quando o sinal do posicionador 514 ativa os reforçadores 516, 518, somente o primeiro reforçador 516 fornece fluido altamente pressurizado à câmara superior 510 do atuador 500. Todavia, quando o sinal do posicionador 514 é baixado, a força da mola 512 empurra o diafragma para cima, e o fluido pressurizado no interior da câmara superior 510 é ventilado através de ambos o primeiro e segundo reforçadores 516, 518. As taxas de vazão de fluido através do primeiro e do segundo reforçador 516, 518 podem ser manipulados como descrito acima, tal como ampliando ou contraindo quer o trajeto de alimentação de fluido quer o trajeto de escape de fluido. Em geral, o trajeto de alimentação de fluido é constringido em relação ao trajeto de escape de fluido. Por exemplo, o trajeto de alimentação de fluido no primeiro reforçador 516 pode ter uma parte de alimentação estrangulada, e o primeiro trajeto de escape de fluido no primeiro reforçador e o segundo trajeto de escape de fluido no segundo reforçador pode cada um ter uma primeira e uma segunda parte estrangulada de escape. A parte estrangulada de alimentação pode ter uma menor área em seção transversal que as áreas em seção transversal combinadas da primeira e segunda partes estranguladas de escape. Outras técnicas delineadas aqui também podem ser usadas. Desta maneira, a simetria dinâmica de desempenho pode ser realizada em um atuador de mola e diafragma 500.

[0063] Os detalhes acima descritos nas várias figuras não necessitam ser mutuamente exclusivos. Isto é, de acordo com o espírito e âmbito dos exemplos

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18/18 expostos aqui, pode-se apanhar e selecionar vários aspectos das várias figuras e combinar aqueles aspectos selecionados com outros aspectos selecionados ilustrados e descritos com respeito a diferentes figuras.

[0064] Numerosas modificações e modalidades alternativas da invenção se evidenciarão aqueles versados na técnica em vista das descrições precedentes. Por conseguinte, estas descrições devem ser interpretadas como meramente ilustrativas e são para o fim de ensinar aqueles versados na técnica a modalidade ou modalidades ideais presentemente contempladas para a realização da invenção. Os detalhes da estrutura ou estruturas expostas aqui podem ser variados substancialmente sem se afastar do espírito da invenção, e o uso exclusivo de todas as modificações que se enquadram dentro do âmbito das reivindicações apensas, quer literalmente quer sob a doutrina de equivalentes, é reservado.

Claims

1. Conjunto reforçador de volume assimétrico (10) compreendendo:

um atuador (24, 500) deslocável em uma primeira direção e uma segunda direção;

uma linha de alimentação de fluido principal (52, 520);

um posicionador de válvula (56, 514) em comunicação fluida com a linha de alimentação de fluido principal e disposto para suprir primeiro e segundo sinais;

um primeiro reforçador de volume (44) em comunicação fluida com um primeiro lado (36) do atuador e em comunicação fluida com a linha de alimentação de fluido principal via uma primeira linha de alimentação de reforçador (58), o primeiro reforçador de volume incluindo uma passagem de alimentação (104, 110, 112, 130, 133) e uma passagem de escape (104, 126, 128, 142, 144, 146, 148), a passagem de alimentação disposta para encaminhar fluido ao primeiro lado do atuador para mover o atuador na primeira direção em resposta ao primeiro sinal recebido do posicionador de válvula; e um segundo reforçador de volume (48) em comunicação fluida com um segundo lado (38) do atuador e em comunicação fluida com a linha de alimentação de fluido principal via uma segunda linha de alimentação de reforçador (60), o segundo reforçador de volume definindo uma passagem de alimentação (102, 108, 110, 204, 206) e uma passagem de escape (142,144, 146, 148, 204, 224, 226), a passagem de alimentação disposta para encaminhar fluido ao segundo lado do atuador para mover o atuador na segunda direção em resposta ao segundo sinal recebido do posicionador de válvula;

caracterizado pelo fato de que:

os primeiro e segundo reforçadores de volume são funcionalmente assimétricos um em relação ao outro, e em que a assimetria funcional é alcançada por pelo menos um dentre:

a) uma primeira resistência a fluxo de escape através da passagem de escape do primeiro reforçador de volume sendo menor que uma segunda resistência a fluxo de escape através da passagem de escape do segundo reforçador de

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2/5 volume; ou

b) uma primeira resistência a fluxo de fluido através da passagem de alimentação do primeiro reforçador de volume sendo maior que uma segunda resistência a fluxo de fluido através da passagem de alimentação do segundo reforçador de volume; e em que adicionalmente compreende uma primeira linha (64) do posicionador até o primeiro reforçador e uma segunda linha (66) do posicionador até o segundo reforçador, em que o posicionador seletivamente sinaliza os primeiro e segundo reforçadores com fluido pressurizado através das primeira e segunda linhas, com os primeiro e segundo sinais, respectivamente.

2. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de escape do primeiro reforçador de volume (44) inclui uma primeira parte estrangulada (126), e a passagem de escape do segundo reforçador de volume (48) inclui uma segunda parte estrangulada (226), a primeira parte estrangulada tendo uma área em seção transversal maior que a segunda parte estrangulada.

3. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que cada uma dentre a primeira parte estrangulada (126) e a segunda parte estrangulada (226) tem uma seção transversal circular, e a primeira parte estrangulada (126) tem um diâmetro maior que a segunda parte estrangulada (226).

4. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a segunda parte estrangulada (226) inclui bordas irregulares para aumentar a resistência a fluxo da segunda passagem de escape.

5. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a segunda passagem estrangulada (226) inclui um elemento de obstrução disposto na segunda passagem de escape.

6. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o elemento de obstrução é uma patilha, um bloco, uma barra, um suspiro, ou um ventilador.

7. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato

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3/5 de que a passagem de escape do primeiro reforçador de volume (44) inclui uma primeira câmara de saída (104), um primeiro orifício de escape (126), uma primeira câmara de escape (128), um primeiro distribuidor (136) incluindo passagens (144), e uma primeira saída de escape (148), a passagem de escape do segundo reforçador de volume (48) inclui uma segunda câmara de saída (204), um segundo orifício de escape (226), uma segunda câmara de escape (224), um segundo distribuidor (136) incluindo passagens (144), e uma segunda saída de escape (148), e em que o primeiro orifício de escape define a primeira parte estrangulada (126), e o segundo orifício de escape define a segunda parte estrangulada (226).

8. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro reforçador de volume (44) compreende ainda um primeiro orifício de sinal (130) e o segundo reforçador de volume compreende ainda um segundo orifício de sinal (130), em que quando a pressão de ar é maior na primeira câmara de saída (104) do que no primeiro orifício de sinal (130), a pressão do ar força um primeiro distribuidor (136) para cima, desse modo abrindo a primeira passagem de escape enquanto mantendo a primeira passagem de alimentação fechada, em que quando a pressão de ar é maior na segunda câmara de saída (204) do que no segundo orifício de sinal (130), a pressão de ar força um segundo distribuidor (136) para cima, desse modo abrindo a segunda passagem de escape enquanto mantendo a segunda passagem de alimentação fechada.

9. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o atuador (24) compreende um êmbolo (30) móvel em uma primeira direção e em uma segunda direção, em que o primeiro reforçador de volume (44) é adaptado para alimentar fluido ao atuador para mover o êmbolo na primeira direção, e o segundo reforçador de volume (48) é adaptado para alimentar fluido ao atuador para deslocar o êmbolo na segunda direção, em que a resistência a fluxo de fluido do atuador através do primeiro reforçador de volume é menor que a resistência a fluxo de fluido do atuador através do segundo reforçador de volume de tal maneira que o conjunto realiza desempenho genericamente simétrico.

10. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato

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4/5 de que a passagem de escape do primeiro reforçador de volume (44) é mais curta que a passagem de escape do segundo reforçador de volume (48).

11. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de escape do primeiro reforçador de volume (44) tem uma área em seção transversal similar à área em seção transversal da passagem de escape do segundo reforçador de volume (48).

12. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o atuador (24) compreende um alojamento (504) e um diafragma (506) disposto no interior do alojamento, o diafragma dividindo o alojamento em uma câmara superior (510) e uma câmara inferior e sendo deslocável na primeira direção em direção da câmara inferior e na segunda direção em direção da câmara superior, e uma mola (512) disposta na câmara inferior e compelindo o diafragma a se afastar da câmara inferior, em que o primeiro reforçador de volume (44) alimenta fluido à câmara superior para deslocar o diafragma na primeira direção, e a mola move o diafragma na segunda direção mediante liberação do fluido na câmara superior.

13. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de alimentação do primeiro reforçador de volume (44) inclui uma primeira parte estrangulada (126), e cada uma das passagens de escape inclui uma segunda e terceira parte estrangulada, respectivamente, a primeira parte estrangulada tendo uma área em seção transversal menor que a área em seção transversal total das segunda e terceira partes estranguladas.

14. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma dentre a primeira, a segunda e a terceira partes estranguladas tem uma seção transversal circular.

15. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira parte estrangulada (126) inclui bordas irregulares para aumentar a resistência a fluxo.

16. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira parte estrangulada (126) inclui um elemento de obstrução disposto na primeira passagem de alimentação.

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17. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de escape do primeiro reforçador de volume (44) inclui um par de câmaras (104, 128) separadas por um orifício de escape (126), e a passagem de escape do segundo reforçador de volume (48) inclui um par de câmaras (204, 224) separadas por um orifício de escape (226).

18. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um primeiro orifício de alimentação (106, 106a) disposto na passagem de alimentação do primeiro reforçador de volume (44) tem uma primeira seção transversal, e em que um segundo orifício de alimentação (206) disposto na passagem de alimentação do segundo reforçador de volume (48) tem uma segunda seção transversal, e em que a primeira seção transversal é menor que a segunda seção transversal, e tal que o segundo reforçador de volume (48) alimenta fluido ao atuador a uma maior taxa de fluxo de massa que a do primeiro reforçador de volume (44).

19. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma válvula de alimentação (116, 116a) disposta na passagem de alimentação do primeiro reforçador de volume (44) assume uma forma campanular para restringir a taxa de vazão através de um orifício de alimentação (106) ao longo da passagem de alimentação a baixas amplitudes.

20. Conjunto (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma válvula de alimentação (216a) disposta na passagem de alimentação do segundo reforçador de volume (48) assume uma forma de placa planar para aumentar a taxa de vazão.