专利名称：阀杆位置激光指示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及阀门的诊断技术，更具体地说，涉及在阀门动作的过程中无需妨碍阀门的动作而对阀杆的位移进行的测定。
多年来，人们已普遍使用现场测定阀门工作特性的阀门诊断技术。这些技术通常是把各种类型的传感器连接到阀系统的各部分，以便在阀门动作时，记录动作自变量与响应变量之间的关系，再对记录进行分析。响应应变量可以是与力有关的或是与位移有关的，这取决于阀门的类型以及阀门传动机构各元件易受检查的程度。响应应变量的检测位置最好尽量靠近阀座，这样能更为可靠地指示出，在给定活动程度下阀门元件作用于阀座的实际推力。
1990年11月8日递交的美国专利申请610，450是1989年6月20日递交的美国专利申请368，608的部分继续申请，它公开了一种无需妨碍阀门的工作过程测定阀杆部分外露的那种阀门的阀杆位移的方法。该专利的最佳实施例中的传感器对光，特别是可见光谱，非常敏感，因而摄象机因阀杆移动而产生的各独立信号经变换成距离单位后可用以测定阀杆的位移。这种方法在要求苛刻的核电厂环境条件下实施，而且提供了比过去的诊断技术更为先进的充分的解决办法。
然而，人们对更易实施的、更精确的技术的需要仍在不断增长，而本发明正是在这方面所作的改进。
因此，本发明的目的是提供阀门诊断系统的一种易于实施、无需妨碍阀门的动作就能测定阀杆的位移量的设备和方法。
上述目的是按照本发明加以实现的，方法是在阀门上临时装上一个激光源和一个激光传感器，使激光源的光受到阀杆移动的影响，再将这个影响在传感器上表示出来。
最好在阀杆上装一个反射靶，而将激光源和反射器装在阀体或者说阀轭的静止位置上。阀杆的移动影响着激光源的光束照射到反射靶上所需的时间和反射光从靶反射到传感器所需的时间。激光源和传感器可以装在易于固定在邻近阀杆的阀体上的单个探测头中，激光源的光束基本上平行于阀杆投射，反射光束则基本上平行于激光源的光束回到探测头上。
下面参照附图更详细地说明本发明的上述和其它目的。附图中
图1表明了配置在一个气动阀上的实施了本发明的诊断系统;
图2是图1的较理想的激光传感头的部分剖视图，该传感头装有一个激光源、反射光的传感器和光电变换器;
图3是图2所示的传感头的控制器的正视图。
图1示意地表明了装在一个装置中的普通阀门10，例如装在核发电装置中的气动阀。在这类阀门中，高压力源12有选择地加到阀门的操纵室14中，阀膜(图中未示出)即被这个高压力源向下压到阀杆16上，阀杆16又将阀件(图中未示出)压到阀体18中的阀座(图中未示出)上。操纵室14或者说操作室由一个在操作室14与阀体18之间延伸的轭体20连接到阀体18上。阀杆16穿过阀体的上表面22，轴向进入阀体18中。
制造厂家决定了阀杆位移量与压力的函数关系的额定值或者说设计值，这个压力是由阀控制器26及经过线路30由相关的控制阀28控制的，但在现场条件下的实际关系，差别会很大。这个实际关系是可用本发明获取数据的一些特性中的一个。
阀门数据获取系统100可被有选择地、最好是轻便式地连接到阀门10上，作为已装设的各阀门的阀门诊断试验定期项目的一部分。取压分接管102和有关的变换器104检测加到操作室14的压力，并将相应的信号经由线路108传送到计算机或中间数据处理器106。按照本发明，阀杆移位的应变参数是由控制器110所操纵的以激光器为主要组成部分的检测器测定的。控制器110经由线路114接收来自激光传感头112的第一信号，并将经调节的与阀杆位移相对应的第二信号沿线路116传送到计算机106。也可以将来自压力控制器的信号经由线路32传送到计算机106，与线路108上的压力信号比较。
要从某特定的阀门10获取数据时，将诊断或数据获取系统100安置在该阀门和所连接的取压分接管102附近。将传感头112装在阀体上表面22上，这样激光源的光束118就可基本上平行于阀杆16向上投射。把波长等于激光源光束118的光大幅度反射的小型靶120与阀杆连接，使靶处在激光束118的通路上。传感头112最好还包括一个对反射光起反应的传感器，该反射光沿只与激光源光束118的通路略成一定角度的通路回到传感头，即，反射光基本上平行于人眼所看到的激光源光束。
大家都知道，在大多数气动阀中，在界定着阀轭20的轴向延伸结构之间总有相当大的自由空间24。因此，不仅可以看到阀杆16的一部分，而且还有这样一个不受扰动的纵向沟道，激光束118即安置在这个沟道中，靶120在这个沟道中往复运动。在类似的现场条件下，本发明可以在其它类型阀门中实施。换句话说，不管操作室的型式或阀杆的动作如何，只要靶能无阻碍地运动，且激光束能从光源投射并由靶反射，至少从对应于初始动作或动作状态(例如，全开)和最终动作或动作状态(即全关)的靶运动通路上的各位置反射到传感器上，就可以实施本发明。若自由空间24相当宽敞，则可把传感头112以相对于阀杆固定的方式(例如装在阀杆上)来安装，靶构件则可以是相对于阀体固定(即在22处)的静止反光表面。
图2示出了传感头112较理想的形式。传感头112的各相对边基本上是平行的，其深入图面的厚度小于矩形一个边的尺寸的一半。传感头112最好固定在一个起保护作用的通常为L形的装配部件122上，装配部件122的下表面124扁平，加工得使其可以附在阀件18邻近阀杆16的上表面22上(见图1)。部件122有一个孔126，传感器导线或电缆114即通过孔126连接到控制器110上。传感头112座落在装配部件122的缺口中，从而使激光源光束透镜128和传感器透镜130暴露出来，分别将激光源的光束118向上投射，并接收向下反射的光束132。基于下面即将谈到的原因，也要将传感头上的LED(发光二极管)134暴露出来。
图2所示的那种传感器，市面出售的商品为Keyence LB-01型，可从美国新泽西州费隆市美国Keyence公司买到。图3示意示出的较理想的控制器110为LB-60型。在一起使用时，它们使用780毫微米波长半导体激光器时的测量范围为60-140毫米。投射到靶上的光点直径约为1.0×2.0毫米。在量程中点(即在100毫米处)设定为中心零到量程两端的线性度约为1.5%，而在中点±20毫米内的线性度则比1.0%还好。几十个微米级的分辨率要比其它技术相应的分辨率好得多。在图中所示的控制器110的情况下，沿线路116传送到计算机的106的输出信号(见图1)是个模拟电压，该电压随靶沿着一朝向或偏离传感头的直线运动而基本上呈线性地变化。从投射某给定波或脉冲到接收某给定波或脉冲之间，这两者所经历的时间间隔在控制器110中根据透镜128、130处的能量转换成电压。输出电压不难用周知的方法用控制器110与计算机106之间或计算机的数据接口中的预处理器(图中未示出)变换成数字形式。转动微调刻度盘136即可相应于传感头112量程范围内的任何距离调节控制器110的零电压输出。此外，还可以用微调器138将电压量程从每厘米/伏的额定响应调节±30%。
传感头112的校准工作最好是在技术人员进入阀门测试工作现场之前完成。接上普通电源(图中未示出)，并将样靶120安置得距传感头112的距离大约等于阀门处于初始测试情况(例如，全开)时，靶与阀门上传感头的距离。靶在量程范围内时，LED134发出黄光，而当靶位于量程中心附近(约100毫米处)时，LED134发出绿光。这时按需要调节零电压微调器136，并检查输出值，以确保得出与靶的位移成正比的电压。一经校准，同一个传感头112和靶120可以反复使用来获取许多阀门的阀杆位移数据。
由于校准工作可用控制器110事先进行，而且靶120和传感头112可轻易地分别装到阀杆16和阀体部分22上，因而技术人员穿上防护衣就可以快速地制定和完成对某给定阀门的数据获取的各程序。技术人员无需将靶120精确安置在阀杆上，因为重要的因变量是阀杆的绝对位移，而不是绝对位置。因此，只要对应于阀门全冲程的阀杆位移量小于传感头112的量程，技术人员就可以用简单的尺子等工具将靶120装设在距传感头112可容许的距离处。在较差的实施例中，激光源的光束透镜和反射光透镜可以安置在不同的传感头上，但除非各传感头仍然处于固定的几何关系，否则校准工作将更困难。
这样，可以理解到本发明实现了上述目的。此外，本发明可用于其它流体控制式的阀门，以及预定的阀杆运动路径并不是严格成线性关系(例如螺旋或回旋路径)的阀门。测定回旋位移时，可以把激光源光束横向指向阀杆轴线，使其与靶的路径在沿该路径的多个点处相交。此外，靶只要有一个能跟踪与阀杆本身的路径相应的可重复路径的反光表面或将其改装成这种表面，就可以与阀杆构成一个整体或永远附在阀杆上。
虽然至此已对本发明的实施例进行说明，但专利证书所要求加以保护的专有权的范围并不局限于所例举的实施例，而是由本说明书所附的权利要求书确定的。
权利要求
1.一种从阀门(10)获取阀杆位移数据的系统，阀门(10)有一个阀体(18)、一个操作室(14)和一个阀杆(16)，阀杆(16)根据操作室的动作加以驱动，从而沿预定的路径运动，将阀构件置于在阀体内的打开与关闭状态之间的位置，其特征在于，该系统包括一个靶构件(120)，与阀杆(16)成固定关系，用以在所述阀杆动作时使所述靶构件遵循着与所跟踪的阀杆的运动路径相应的靶路径，其中该靶构件有一个反光表面；第一装置(128)，相对于阀体(18)固定装设，用以将激光源的激光束(118)投射到为靶构件(120)的反光表面所遵循的路径上，从而产生受靶构件运动影响的反射光束(132)；第二装置(130)，相对于阀体固定装设，用以检测该受影响的反射光束(132)；和第三装置(110)，耦合到所述第一和第二装置上，用以在所述阀杆动作时产生与靶构件沿靶路径所行进的距离相应的输出信号(116)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阀门有一个阀轭(20)围绕着在阀体(18)与操作室(14)之间的阀杆(16);且靶构件(120)附到阀杆(16)上，从而使靶构件在阀轭内遵循所述靶路径;且第一和第二装置(128、130)要装设得使光源的光与反射光通过阀轭。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一装置(128)和第二装置(130)在阀体(18)上要安装得使光束基本上平行于阀杆发射。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一装置(128)和第二装置(130)在阀体(18)上要装设得使光束基本上平行于阀杆发射。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二装置(128、130)装在单个传感头(112)内，传感头(112)是装设在阀体(18)或阀轭(20)两者之一上。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，阀操作室(14)是流体驱动的，且所述系统包括第四装置(104)，第四装置(104)与操作室连接(102)，以产生与操作室中的流体压力相应的信号(108)，同时第三装置(110)则产生与靶构件(120)所走过的距离相应的输出信号。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阀门是气动控制的。
8.一种从阀门(10)获取阀杆位移数据的系统，阀门(10)有一个阀体(18)、一个操作室(14)和一个阀杆(16)，阀杆(16)沿预定的路径被操作室驱动，以便将阀构件在阀体内安置在打开与关闭状态之间的位置，其特征在于，所述系统包括一个靶构件(120)，它相对于阀杆(16)固定，用以在所述阀杆在阀构件的所述打开与关闭状态之间运动时，使靶构件遵循着与所跟踪的阀杆的路径相应的靶路径，其中所述靶构件有一个反光表面;第一装置(128)，相对于阀体(18)固定装设，用以将激光源光束(118)投射到由靶构件(120)的反光表面所遵循的路径，以产生受靶构件运动影响的反射光束(132);第二装置(130)，相对于阀体(18)固定装设，用以检测所述受影响的光束;和第三装置(110)，耦合到所述第一和第二装置(128、130)上，用以当所述阀杆在所述阀构件的所述打开与关闭状态之间的位置运动时，所述第三装置发出与靶构件沿靶路径所走过的距离相应的输出信号(116)。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述阀门(10)包括一个阀轭(20)，阀轭(20)围绕着在阀体(18)与操作室(14)之间的阀杆;且靶构件(120)附到阀杆(16)上，从而使靶构件在阀轭内遵循着靶路径;且第一和第二装置(128、130)要装设得使光源的光与反射光通过阀轭。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一装置(128)和第二装置(130)在阀体(18)上要安装得使光束基本上平行于阀杆(16)发射。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一装置(128)和第二装置(130)在阀体(18)上要装设得使光束基本上平行于阀杆发射。
12.如权利要求8所述的系统，其特征在于，第一和第二装置(128、130)装在单个传感头(112)内，传感头(112)是装设在阀杆(18)或阀轭(20)两者之一上。
13.如权利要求8所述的系统，其特征在于，阀操作室(14)是流体驱动的，且所述系统包括第四装置(104)，第四装置(104)与操作室连接(102)，以产生与操作室中的流体压力相应的信号(108)，同时第三装置(110)则产生与靶构件(120)所走过的距离相应的输出信号。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述阀门是气动控制的。
15.如权利要求8所述的设备，其特征在于，靶构件(120)是相对于阀体(18)固定的一个表面，第一装置(128)与第二装置(130)彼此相对固定，但能与阀杆(16)一起运动，第三装置(110)则产生与第一和第二装置相对于靶构件的运动相应的输出信号。
16.一种从现场的阀门(10)获取特性数据的方法，其中该阀门包括一个阀体(18)和一个可动阀杆(16)，阀杆(16)的一端穿过阀体，使阀构件在通流和截流状态之间运动，阀杆(16)的另一端与由一个能源驱动的操作室(14)连接，其特征在于，所述方法包括下列步骤投射激光源光束(118)，使光束从一个反光表面反射，此反光表面在操作室动作时相应于阀杆(16)的运动而运动;检测因阀杆(16)运动而使反光表面处于多个位置时从所述反光表面反射的光束(132);和根据光源光束(118)和反射光束(132)确定所述多个位置中的两个位置之间的距离。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤测定与加到操作室(14)的动作能量(12)相应的变量(26);和将所述施加的能量与所述测出的距离联系起来(106)。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在投射步骤和检测步骤之前，有一个将一个激光发生器(128)和一个激光检测器(130)邻近阀杆(16)装设的步骤。
19.一种从一个阀门获取杆移位数据的系统，该阀门有一个阀体(18)、一个操作室(14)和一个阀杆(16)，阀杆(16)根据操作室的动作而被驱动，从而沿着预定路径运动，将阀构件在阀体内安置在打开和关闭状态之间的位置，其特征在于，该系统包括一个靶表面(120)，与阀杆(16)或阀体(18)两者中之一相对固定;第一装置(128)，用以投射激光源光束(118);第二装置(130)，用以接收激光束(132)，所述第一和第二装置彼此相对固定装设，并相对于所述阀杆或阀体两者中的另一个固定装设，从而使来自第一装置的光源光束(118)投射到所述靶表面(120)上，并从靶表面反射到第二装置(130)，从而使反射光束受阀杆运动的影响;和第三装置(110)，它耦合到第二装置上，用以产生与阀杆的运动对反射光束的影响相应的输出信号(116)。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第一装置(128)和第二(130)装置相距很近，用以分别投射光源光束(118)和接收反射光束(132)。
21.如权利要求19所述的系统，其特征在于，第三装置(110)与第一和第二装置(128、130)相连接，用以产生与阀杆的移动所影响的时间间隔相应的输出信号(116)，该时间间隔是光源光束(118)波束波的投射与检测到所述波从靶表面(120)反射这两者之间的时间间隔。
22.一种从现场的阀门获取特性数据的方法，其中该阀门(10)包括一个阀体(18)和一个可动阀杆(16)，阀杆(16)的一端穿过阀体，以便将一个阀构件在打开和关闭状态之间运动，阀杆(16)的另一端与一个能源(12)所驱动的操作室(14)连接，其特征在于，所述方法包括下列步骤选择与阀体(18)或阀杆(16)两者之一相对固定的一个靶表面(120);将来自光源(128)的激光束(118)投射到靶(120)表面，从而使靶表面产生反射光束(132)，所述光源(128)相对于所述阀体(18)或阀杆(16)两者中另一个固定;使阀杆动作;检测来自已动作的阀杆(16)的多个位置的反射光束(132);并根据检测到的反射光束(132)确定所述多个位置中两个位置之间的距离。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述投射步骤包括在阀杆动作时产生连续受影响的不间断反射光束(132)的步骤。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，该方法包括，阀门(10)在现场安装之后，将所述光源(128)相对于阀体(18)或阀杆(16)两者中另一个固定装设的步骤。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤产生与所检测到的反射光束(130、132)相应的第一信号(114);根据第一信号(114)将与所述阀杆位移相应的第二信号(116)传送到数据处理器(100);和在阀门(10)仍然装设的情况下，在将第二信号(116)传送到数据处理器之后，卸下所述光源(128)。
全文摘要
在对阀门诊断测试的过程中测定阀杆(16)的位移。具体作法是临时在阀体(18)或阀轭(20)上装设传感头(112)，以产生激光源激光束(118)，此激光束又从与阀杆一起运动的靶(120)反射。返回到传感头(112)的反射光束(132)相对于光源光束投射的时间间隔表明了阀杆的位移量。
文档编号G01S17/88GK1062971SQ9111270
公开日1992年7月22日 申请日期1991年12月27日 优先权日1990年12月27日
发明者L·杰弗斯, J·海斯 申请人:燃烧工程有限公司