具有真实流量反馈的先进阀门致动器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及阀门和阀门致动器，并且更具体地涉及被配置为受到电子控制 的阀门和阀门致动器。
【背景技术】
[0002] 很多类型的商业和工业系统包含经由流体控制系统来供应液体的过程，流体控制 系统可以包括各种各样的栗组件和控制阀门。这些流体控制系统包括但不限于发电站、化 学制造操作、食物和饮料加工、液化气供应和处理、水供应和处理、加热、通风和空调（HVAC) 系统等中使用的那些系统。改进用于这些流体控制系统的各种部件的控制机制可以减少能 量使用并且提高这些系统的效率。
[0003] 在典型的常规流体控制系统中，控制阀门组件基于阀门闭合件位置一直跟随阀门 致动器阀门杆位置的假设提供反馈信号。概括而言，存在的假设是阀门联动装置被适当地 设立且完全被操作，尽管可能不是这种情况。误差可能被引入所述系统，因为在传统阀门 致动器和阀门之间存在机械联动装置，机械联动装置可以从反冲、移动滞后、或故障引入误 差。通常，流体控制阀门组件提供阀门杆的位置。然而，如果水流相对于阀门杆位置是非线 性的，则位置反馈信号可能不指示流经阀门的流体流量的百分比。
[0004] 通常，流量计在物理上串联地安装在管道上以测量流经阀门的流体流量，且通常 位于阀体的外部。这些流量计可在工业和/或HVAC应用中使用。
[0005] 本发明的实施例表示对现有技术关于流体控制系统及其控制方面的进步。根据本 文中提供的对本发明的描述，本发明的这些和其它优点以及额外的发明特性将变得明显。
【发明内容】
[0006] 在一方面，本发明的实施例提供阀门和致动器组件，其包括：阀门，其配置为测量 且控制进入盘管或换热器的流体流量；和阀门致动器，其配置为经由阀门塞或闭合件的定 位控制阀门的打开和闭合。阀门致动器可以还配置为提供流经阀门的液体的最大流率和最 小流率。在一个实施例中，阀门致动器包括阀门闭合件位置传感器，阀门闭合件位置传感器 配置为从阀门闭合件的位置和其它感测输入确定流经阀门的流体流量。
[0007] 在具体实施例中，通信模块被配置为通过串行通信总线与建筑物管理系统（BMS) 通信。阀门致动器以可保持的方式存储来自BMS的信号，从而允许阀门致动器在失去与BMS 的通信的情况下正确地工作。此外，阀门致动器被配置为使其操作可以与BMS、以及与建筑 物的机械加热、冷却和栗系统同步，以提高建筑物的HVAC系统的能量效率。利用通信网络 实施的建筑物管理系统在美国专利公开No. 2010/0142535中公开，其教导和公开内容通过 引用结合于此。
[0008] 在某些实施例中，阀门致动器包括以定位阀门线性移动闭合件需要的动态致动器 受力、阀门闭合件的位置、以及阀门的已知尺寸和几何特征为基础的流体流量的计算。在其 它实施例中，阀门致动器包括以定位阀门的旋转移动式闭合件需要的动态致动器转矩、阀 门闭合件的位置、以及阀门的已知尺寸和几何特征为基础的流体流量的计算。在仍其它实 施例中，阀门致动器包括以由两个单独的绝对压力传感器或单一压差传感器感测的横跨阀 门入口到出口的压差、阀门闭合件的位置、以及阀门的已知几何特征为基础的流体流量的 计算。在仍其它实施例中，阀门致动器具有通信模块，通信模块配置为通过网络促进与阀门 致动器通信，且还配置为允许流经阀门的流量的远程监测和阀门致动器的远程控制。阀门 闭合件位置传感器可联接到通信模块，以使来自阀门闭合件位置传感器的数据可以被远程 访问。
[0009] 在至少一个实施例中，阀门致动器也包括内部流体温度传感器、可选流率计、感测 在管路系统中的另一位置的流体温度的第二流体温度传感器，并且来自内部温度传感器、 可选流率计、以及第二流体温度传感器的数据能够被本地或远程访问。
[0010] 在另外的实施例中，阀门致动器包括区域气温控制器，区域气温控制器基于感测 到的区域温度和理想区域温度确定用于阀门致动器的位置，其中，用于阀门致动器的位置 基于来自阀门闭合件位置传感器的数据验证。在一些实施例中，阀门致动器具有多个可调 整操作参数，且所述多个可调整操作参数可以本地或远程调整。所述多个可调整操作参数 可包括用于区域气温控制器的积分设定，其中，积分设定提供用于阀门致动器的正或负调 整因子，以确定当流经阀门的实际流率不匹配流经阀门的理想流率时用于阀门致动器闭合 件的校正位置。而且，所述多个可调整操作参数可包括用于区域气温控制器的导数设定，其 中，导数设定提供用于阀门致动器的正或负调整因子，以确定在流经阀门的流率突变的情 形下用于阀门致动器闭合件的校正位置。
[0011] 阀门致动器可还包括配置为确定流过阀门的流体是否可能气蚀的抗气蚀模块，其 中，抗气蚀模炔基于阀门中的流体温度、阀门入口压力、和阀门出口压力确定阀门中的气蚀 将发生的可能性，且其中，来自阀门闭合件位置传感器的数据用于调整流经阀门的流体流 率以防止气蚀。而且，阀门致动器可包括诊断模块，诊断模块配置为将有关阀门和致动器组 件的操作的诊断信息提供给远程位置，其中，诊断模块提供与流经阀门的实际流率相对于 流经阀门的理想流率相关的诊断信息。
[0012] 在具体实施例中，阀门致动器具有：由联动组件联接到闭合件的马达和齿轮系； 和电路板，其具有用于调节马达和齿轮系的操作的控制电路、以及用于使致动器能够经由 串行通信总线与建筑物管理系统通信的通信电路。阀门致动器也可配置为将阀门操作为压 力无关阀门或压力有关阀门。
[0013] 在具体实施例中，阀门致动器具有多个可调整的操作参数，这些参数的值控制阀 门致动器的操作。此外，多个可调整的操作参数可以被本地或远程调整。
[0014] 在另一方面，本发明的实施例提供计算流经阀门的流体流率的方法。所述方法包 括以下步骤：将用于阀门闭合件的静态力或转矩值存储在阀门致动器的存储器中，且利用 存储的静态力或转矩值计算用于阀门闭合件上的动态力或转矩的值。所述方法还包括确定 塞几何因子且将几何塞因子存储在阀门致动器的存储器中、经由阀门塞位置传感器确定阀 门塞位置、且利用动态力或转矩值、塞几何因子、和阀门塞位置计算流体流率。而且，所述方 法包括将流体流率与计算的用于防冻结保护的最小流率相比较，且当流体流率低于计算的 用于防冻结保护的最小流率时调整阀门操作。
[0015] 在具体实施例中，阀门闭合件在打开位置和闭合位置之间线性移动，且所述方法 还包括计算塞落座力值、将塞落座力值存储在阀门致动器的存储器中、且利用塞落座力值 和静态力值计算动态力值。在更具体的实施例中，确定塞几何因子借助于查找存储在阀门 致动器的存储器中的表格、或借助于以阀门杆位置的变量表达式为基础的多项式完成。
[0016] 在其它实施例中，阀门闭合件在打开位置和闭合位置之间旋转地移动。所述方法 也可包括将用于阀门闭合件的一个或多个尺寸存储在阀门致动器的存储器中、将轴承摩擦 因子存储在阀门致动器的存储器中、且利用存储的所述一个或多个尺寸、存储的所述轴承 摩擦因子、和静态转矩值计算动态转矩值。
[0017] 在又另一方面，本发明的实施例提供计算流经阀门的流体流率的方法。所述方法 包括以下步骤：确定阀门入口和阀门出口之间的压差、基于阀门闭合件的位置计算流量系 数因子、且利用流量系数因子和压差计算流体流率。所述方法还包括将流体流率与计算的 用于防冻结保护的最小流率相比较，且当流体流率低于计算的用于防冻结保护的最小流率 时调整阀门操作。
[0018] 在具体实施例中，所述方法还包括测量流过阀门的流体的温度、利用所述温度确 定流体的比重、且利用所述比重计算流体流率。
[0019] 在结合附图参考以下具体实施例时，本发明的其它方面、目标和优点将变得明显。
【附图说明】
[0020] 包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的数个方面，并且 与文字描述一起用来解释本发明的原理。在附图中：
[0021] 图1是具有水盘管防冻结保护的现有技术HVAC阀门构造的示意图；
[0022] 图2是针对开环水系统的HVAC阀门和盘管位置的示意图；
[0023] 图3是针对阀门位于盘管的返回侧的闭环水系统的HVAC阀门和盘管位置的示意 图；
[0024] 图4是针对阀门位于盘管的供应侧的闭环水系统的HVAC阀门和盘管位置的示意 图；
[0025] 图5A和5B是根据本发明的实施例构造的HVAC系统以及集成阀门和致动器组件 的示意性方框图；
[0026] 图6是根据本发明的实施例的示出用于集成阀门和致动器组件的可调整设定的 方框图；
[0027] 图7是示出阀门杆位置和流体流量之间的一般关系的图表；
[0028] 图8是示出线性移动阀门杆移动和杆力之间的关系的图表；
[0029] 图9是示出典型球心阀和蝶形阀几何因子的表格；
[0030] 图10是示出旋转移动式蝶形阀杆移动和杆转矩之间的关系的图表；
[0031]图11是依据本发明的实施例的气蚀区域水温关系的图表说明；
[0032]图12是包含在集成封装中的新技术设计的物理图；
[0033] 图13是根据本发明的实施例的显示闭合的阀门塞的示意图；
[0034] 图14是根据本发明的实施例的用于压力有关控制的打开的阀门塞的示意图；
[0035] 图15是根据本发明的实施例的用于压力无关控制的打开的阀门塞的示意图；以 及
[0036] 图16是流量计算的示意性方框图。
[0037] 尽管将结合某些优选实施例描述本发明，但是并不是要将本发明限制于这些实施 例。相反，旨在涵盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代方案、 修改和等同方案。
【具体实施方式】
[0038] 虽然在此呈现的许多示例和实施例中就本发明在HVAC系统中的应用而言描述本 发明。然而，本领域技术人员将认识到本发明的范围不受限于HVAC系统。如以上引用的， 本发明的实施例可在操作中发现的各种流体控制系统中使用，包括但不限于发电站、化学 制造操作、食品和饮料加工、液化气供应和处理、水供应和处理等。下文描述的示例性实施 例中无任何内容旨在限制本发明的范围和适用性。也应该注意到，术语"阀门塞"和"阀门 闭合件"在本申请中就诸如球心阀的线性移动阀门而言可交换地使用。在其它示例中，例 如就诸如蝶形阀的旋转移动式阀门而言，"阀盘"和"阀门闭合件"可交换地使用。
[0039] 图1是显不现有技术中提供的HVAC系统的个实施例的不意图。例如，图1是显 示常规HVAC系统110的示意图，常规HVAC系统110需要多个设备来获得所需的水阀门控 制和水盘管防冻结保护。用于来自栗和管道系统的水供应60的热水和冷水源通常位于房 间51的外面，并且通常是由可以被交替连接在源内的一个或多个锅炉或冷却器（未示出） 构成的集中式供应机。阀门63调整来自栗和管道系统的水供应60的热水和冷水的流量， 用于房间51的加热和/或冷却。阀门63通常受到弹簧回位阀门致动器56的机械驱动，弹 簧回位阀门致动器56根据由室温控制器54提供的控制信号而被操作性连接。
[0040] 在典型实施例中，室温控制器54接收来自室温传感器52的温度感测信号，并将温 度感测信号与房间设定点设备53提供的期望的室温设定点进行比较，房间设定点设备53 可以例如是电位计或小键盘。流量计62由室温控制器54可选地使用以提供用于指示目的 的流量信息，以用于可选流量控制而非常规温度控制、或通过添加供水和回水温度传感器 而用于能量计算。
[0041] 在所示实施例中，弹簧回位阀门致动器56根据从室温控制器54接收的比例控制 信号进行操作，以将阀门63从完全闭合手动设置为完全打开，以保持由房间设定点设备53 提供的期望的房间设定点。通过使空气经过具有适当量的热水或冷水的水盘管64来控制 房间51的气温，以在水盘管64的温度与房间51的温度之间提供必要的温差，从而朝向期 望的房间设定点设备53来驱动房间51的温度。水盘管64使用由中央锅炉和冷却器系统 提供的热水或冷水，例如，由来自栗和管道系统的水供应60输送的热水或冷水。通常，每个 房间具有其自己的管道系统。在期望以加热模式操作系统时，来自栗和管道系统的水供应 60例如从锅炉提供热水，并且在期望以冷却模式操作系统时，来自栗和管道系统的水供应 60例如从冷却器提供冷水。
[0042] 室外空气通风入口 69和室外空气通风风门68用于向房间提供新鲜空气。由室外 空气通风风门控制器66控制新鲜空气的量，室外空气通风风门控制器机械设置室外空气 通风风门致动器67的位置。存在很多常用的风门致动器控制方法。就所有方法而言，存在 室外冷空气可以将水盘管64中的水冻结并且造成重大财产损失的风险。常见的室外空气 风门问题包括由于磨损、翘曲或其它损坏而未能紧密闭合的风门桨叶、松动或被损坏的机 械联动装置，以及致动器故障。
[0043] 管道系统可以是例如图2中所示的系统的开环系统120,或可以是如图3和图4所 分别示出的那些系统的闭环系统130、140。例如，针对图2的开环系统120,由于开环系统 通常在系统中具有可以干扰热传递的大量空气，所以阀门致动器80和阀门81必须位于水 盘管64、82的返回侧上，以确保水盘管82的管子充满水，从而获得良好的热传递。针对闭 环系统130、140,阀门致动器80和阀门81可以位于水盘管82的返回侧上，如图3中所示， 或者可以位于水盘管64、82的供应侧上，如图4中所示。
[0044] 如图4中所示，使闭环阀门致动器80和阀门81位于水盘管64、82的供应侧上可 以工作，但是使水盘管64、82中具有空气的概率较高，这将干扰热传递。如图3中所示，在 闭环阀门致动器80和阀门81位于水盘管64、82的返回侧上的情况下，在水盘管64、82中 具有较少空气的情况下热传递较好，但是水盘管64、82中的流体发生冻结的风险较高。这 是因为空气是可压缩的，并且水盘管64、82中具有较多空气的系统由于空气的前述可压缩 性而可以吸收由冻结状况产生的增大的压力中的一些。水盘管82中具有较少空气的系统 中的水更易于出现冻结状况。
[0045] 不出所料，盘管冻结状况最有可能发生在加热模式下，因为室外气温低。为使水 盘管64、82中的水冻结，其中的水必须在一定程度上是静止的，并且在足以使水温降至 32°F(0°C)以下的时间段内被暴露在低温下。在室外气温非常低时，室温可能较低并且阀 门至少部分打开，这可以减小水盘管发生冻结状况的可能性。
[0046] 对于低于32°F(0°C)但并不足以使房间51的温度冷到不舒服的较温和的室外气 温，水盘管64、82中的水发生冻结的风险很大，这是因为阀门63可能由于房间51不需要加 热而闭合，以使水盘管64、82中的水不流动，因而出现可能的冻结状况。
[0047] 对于图1中所示的常规HVAC系统110,冻结状态计（freezestat) 59与弹簧回位 阀门致动器56用线串联。在冻结状态计59检测到可能的冻结状况时，其将使弹簧回位阀 门致动器56的功率中断，弹簧回位阀门致动器56在一些情况下具有内部弹簧机制，以在失 去功率时将弹簧