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CN102052509A - 流量控制阀 - Google Patents

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CN102052509A CN2010105314558A CN201010531455A CN102052509A CN 102052509 A CN102052509 A CN 102052509A CN 2010105314558 A CN2010105314558 A CN 2010105314558A CN 201010531455 A CN201010531455 A CN 201010531455A CN 102052509 A CN102052509 A CN 102052509A
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Abstract

本发明涉及流量控制阀，其达到冷却机器对热金属板或条的操作要求。所述阀通过气动致动器操作，所述致动器通过使用高性能气动比例阀连同接收参考和反馈信号的电子控制器来控制。

Description

流量控制阀
技术领域
本发明涉及借助阀的流体流量的精确快速控制。其在热金属条或板的冷却过程中对水流量的控制特别有用，而在要求流体流量的精确快速控制的其他领域也能找到应用。
背景技术
在工业中所使用阀的非常常见类型是在图1中图示出的蝶型阀。阀1的主体被夹在管道中的法兰之间。可旋转的屏障(通常所说的蝶板)2，通过轴3被转动来控制通过阀的流量且因而控制通过管道的流量。
致动轴3的最常见方法是使用气动技术。在图2中图示出典型的设备。蝶阀的轴通过联接器5连接到气动致动器4。
市场上存在许多可用的不同类型的气动致动器，而在图3中图示出典型的设计。活塞6和7在腔8、9和10中通过气压被移动。如果由于腔9和10中的气压而产生在活塞上的力大于由于腔8中的气压而产生在活塞上的力，那么活塞趋向于向关闭位置移动，反之亦然。活塞的移动被传递到通过齿条11和12以及小齿轮13(为了清晰省略小齿轮上的齿)来操作阀的轴。
如果阀仅仅将被用于简单的流量开关控制，则到致动器腔8、9和10的气压能够使用例如螺线管操作的气动阀来开关。
然而，为了将阀用于流量控制，蝶板的位置控制是必要的。控制蝶板位置的最常见方法是使用通常被称为定位器的电动气动装置。市场中存在许多不同的可用的定位器设计，而图4和5中图示出典型设计。图4示出定位器14是怎样通常地安装在致动器4上的。
图5图示出典型的定位器内部设置。该单元含有I/P(即，流量到压力)转换器(未示出)。其获取电流输入信号(通常4-20mA)并且产生与电流信号成比例的气压。来自I/P转换器的气压作用在膜片15上。这是控制力。在膜片的另一边是反馈弹簧16和附连到滑阀18的平衡臂17。来自I/P转换器的气压升高导致膜片15向下移动抵靠反馈弹簧16。这使得平衡臂17移动并且因此移动滑阀18。滑阀的移动以这种方式打开接口，即使得空气能够流入致动器的一边并且从致动器的另一边流出。
主轴19和凸轮20提供反馈机构。主轴19连接到致动器轴的延伸部分，从而当致动器运动时主轴也运动。主轴转动引起凸轮20转动，这转而向上移动下臂21，其增加来自反馈弹簧施加在膜片上的力。下臂21通过弹簧31或其他合适的偏置器件被偏置抵靠凸轮20。当反馈力与控制力平衡时，膜片和平衡臂就移动回到零位置，在该位置滑阀闭合并且致动器的运动停止。不同的凸轮20能够被用来给出不同的阀位置对应参考信号的特性曲线。
当定位器的详细设计在不同供应商之间变化时，一般原理是相似的，在所述原理中其使用机械-气动力放大来操作主滑阀18并且其使用阀位置的机械反馈。
对很多用途，如上所述的现有技术设计是满足要求的，但是存在许多问题，包括：
·阀的反应时间倾向于非常的非线性；在大的移动上一般而言是没问题的但是对非常小的移动是非常差的。
·对阀的打开和关闭运动反应时间趋向于是不同的。
·由于机械反馈设置和对小运动的差的反应，阀的位置控制趋向于有严重滞后。
·定位器的零点调整和量程调整很耗时并且其趋向于随时间漂移。
现有技术设计的另一个问题是对反应速度的要求和对互相之间精度冲突的要求。为了实现来自阀的快速反应，必须使用小致动器(即具有相对小直径活塞的致动器)，从而来自定位器的给定气流产生阀的快速运动。不幸的是，使用小致动器也意味着只可得到有限的致动力，并且很难实现精确移动。相反，为了实现阀的精确定位，能够使用大致动器以使得来自定位器的气流只导致阀的小移动。
在现有技术中，存在许多具有电子位置反馈单元的定位器的例子，所述单元构建在定位器里或作为附加装置。然而这些电子定位反馈单元不能用于阀的闭环定位控制；其一般只是被用于监控用途。
在现有技术中，只有气动致动和定位的阀的这些问题的解决方案已经使用机电致动或液压致动。
使用螺线管或步进马达或类似技术的机电致动能够在小阀门上实现良好性能，但是一般而言在大阀门上是不可能的或可能是非常昂贵的，因为由合理尺寸的螺线管或步进马达能够产生的力比液压致动器能够产生的力小。
阀的液压致动能够获得非常快速的反应和高的精度，因为液压流体比气体更不可压缩。然而，液压泵装置加上液压控制阀和致动器的费用比气动装置高得多。
现有技术中已知高性能气动比例阀，例如Norgren VP60，http://www.norgren.com/virtualpresscentre/pressreleases/itemdetail.asp？ItemID＝239。
这些阀产生大体上与输入电信号成比例的气流。通常，其被用于转速控制、速度控制等，其中气流与电信号成比例的事实意味着气动马达或致动器的速度也将大体上与电信号成比例。
发明内容
本发明的目标是提供流量控制阀，尤其在反应速度和精度方面提供超过现有技术的优点。
根据本发明，流量控制阀包括在此处所附权利要求1中阐明的特征。
在优选实施例中，产生反馈信号的器件包括测量位置和产生指示该位置的电信号的器件。
在另一个优选实施例中，测量位置的器件附连到气动致动器和轴之间的联接器的屏障侧。
控制器可优选地设置成提供控制信号，所述控制信号是反馈信号、参考信号以及所述控制信号和所述参考信号之间的差之中至少一个的非线性函数。
阀可以是旋转阀，其中屏障在第一和第二位置之间是可转动的，并且包括产生指示屏障角位置的反馈信号的器件。
本发明对用于冷却热金属条或板的水的控制特别地有用。
附图说明
本发明现在将通过非限制性示例参照附图描述，其中：
图1图示出根据现有技术的“蝶板”型流量控制阀；
图2描绘包括其气动致动器和联接器的流量控制阀的设备；
图3图示出根据现有技术的典型气动致动器的机构；
图4和5图示出被用来控制蝶板位置的典型定位器装置；
图6图示出根据本发明的流量控制阀，以及
图7图示出被用在根据本发明的流量控制阀中的控制器一些输出特性。
具体实施方式
本发明在此参照为本领域众所周知的“蝶板”型阀来描述。然而，对于本领域的技术人员来说明显的是，本发明适用于其他类型的阀，例如“闸门”型阀，在本领域中也是众所周知的，或其他类型由在出入流体路径的位置之间的屏障的移动来操作的阀。
参照图6，通过传统气动致动器4来操作阀1，所述致动器4直接地或通过联接器5机械地连接到阀轴。为了清晰，省略了致动器的安装托架。
气动致动器4通过气动管连接到气动比例型阀22。该阀的细节在制造商和型号类别之间将是不同的，但是一般特性是正控制信号23引起阀芯移动以使得气体从P到A流动，同时气体能够从B流动到排气口。控制信号23通常由误差信号导出，所述误差信号转而由参考信号和反馈信号之间的差导出。反馈信号代表屏障位置。负控制信号23导致气体从P到B流动，同时允许气体从A流动到排气口。此外，阀的打开大体上与控制信号23成比例，从而信号幅度越大则气流越大。
角位置测量装置如编码器也附连到阀，如在24处所示。在替代设置中，角位置测量装置可以安装在致动器轴的延伸部分上，如在25处所示，或可以安装在阀和致动器之间，如25a处所示。位置24和25a具有优点，即联接器5或阀和致动器之间的其他连接中的任何间隙不会影响角位置测量。
角位置测量反馈连接到控制器26。在控制器中，参考位置与反馈位置相比较，产生控制信号23来移动阀22以消除参考和反馈位置之间的任何误差。
本发明的重要优点在于控制器26是电子的——通常是PLC或其他基于微处理器的控制器——因此其能够包含非线性函数来改进阀的性能。在图7中示出简化图。控制器的该简化形式包括比例增益27，其通过非线性函数28来修正，所述函数28在本例中是误差信号的符号和幅度的函数。使用这个手段，例如，对小误差(要求值和实际值设置之间的差异)能够得到更高增益，对大误差得到更低增益，并且例如，对正和负的误差得到不同增益。该示例控制器也包含阻尼项29，其是反馈信号变化率的函数。该阻尼项29也通过非线性函数30修正，所述函数在该例中是反馈信号的大小和符号的函数。
总之，本发明使用阀位置的电子反馈结合电子控制器和气动比例型流量控制阀来控制蝶型流量控制阀的位置。在控制器中使用非线性项来改进阀的性能——特别是对不同大小移动和对不同方向移动的反应。将用于阀位置的电子反馈单元安装在位置24或25a处，从而阀和致动器之间的联接中的任何间隙不会影响反馈位置测量。
提供的优点包括：对大的和小的移动和对在相反方向上的移动更一致的反应时间；减少的滞后；更容易的设置(零点和量程调整是电子实现的)；并且没有零点或量程的漂移。

Claims (6)

1.一种流量控制阀，包括：
限定流体管道的外壳；
能够在第一位置和第二位置之间运动的屏障，所述第一位置对在外壳中流动的流体提供最大阻力，所述第二位置对在管道中流动的流体提供最小阻力；
气动致动器，设置成和可操作成通过轴来驱动屏障到第一和第二位置之间的包括第一和第二位置的位置；
气动比例阀，适用于提供气流到气动致动器，气流与输入电信号成比例并且能够在至少两个流动路径之间切换；
产生指示屏障位置的反馈信号的器件，以及
设置成接收反馈信号和取决于所要求屏障位置的参考信号并且提供控制信号到气动比例阀的控制器。
2.如权利要求1所述的流量控制阀，其中产生反馈信号的器件包括测量位置和产生指示该位置的电信号的器件。
3.如权利要求2所述的流量控制阀，其中测量位置的器件附连到气动致动器和轴之间的联接器的屏障侧。
4.如权利要求1到3中任意一项所述的流量控制阀，其中控制器包括从非线性函数导出控制信号的器件，所述非线性函数是反馈信号、参考信号以及所述控制信号和所述参考信号之间的差中至少一个的函数。
5.如权利要求1到4中任意一项所述的流量控制阀，该流量控制阀是旋转阀，其中屏障能够在第一和第二位置之间转动，并且包括产生指示屏障角位置的反馈信号的器件。
6.一种冷却热金属条或板的方法，包括步骤：提供如权利要求1到5中任意一项所述的流量控制阀；操作阀来控制冷却剂流到热金属条或板的应用。
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