专利名称：低消耗气动控制器的制作方法
技术领域：
本公开大体上涉及气动控制器，更具体而言，涉及对用在要求具有非常 低的供应流体消耗的过程控制应用中的气动控制器的改进。
背景技术：
过程控制系统典型地使用诸如压缩空气或气体等的供应流体来操作过 程控制系统内的气动过程控制部件。在远程地点，过程控制系统还已知为使 用受控的过程介质来操作诸如气动仪器或控制器和控制阀致动器等的控制 系统部件。在很多过程应用中，用于操作控制系统的气动供应流体的一部分 可在操作过程中被消耗(即，供应气体在操作过程中被排出并且没有被捕获 或再利用)。例如，通常已知的是，闭环气动控制器经常使用比例带阀来调 节气动控制器的伺服环中的反馈信号。大部分比例带阀被实施为可预设定的 三通阀或二通分压器，其将一部分供应流体排放或排出到大气。
用来操作气动控制器的供应流体或气体的量可被分为两类使诸如控制 阀等气动控制装置工作所需的供应流体，以及被消耗或膨胀以操作气动控制 器的供应流体。例如，在需要压力控制的系统中，可使用包括控制阀和气动 控制器的控制环。对于这种控制环，供应气体被用于致动或移动控制阀，并 在气动控制器的操作过程中被消耗以产生气动控制信号从而致动控制阀。在 过程控制环中的将供应流体排出到大气的任何元件在排出时实质上都浪费 供应流体。在一些过程控制应用中，大量供应流体被浪费。作为示例，比例带阀可排出高达80%的用于操作控制器的供应气体。
根据受控过程，供应气体的排出可产生问题并且在某些情况下是昂贵 的，例如在天然气用作供应流体的天然气工业中。这样，如天然气等高价值 流体的损失可为操作者提供限制供应流体消耗的重要的经济动机。另外，供 应流体泄漏对环境影响以及对某些类型的废气或者排放物超过限制而进行 的可能的规定处罚则另外增加了对限制气动器件消耗的刺激。即使在压缩空 气用作供应气体的非远程地点，压缩空气从众多气动控制器的排出可增加供 应压缩空气所需的压缩机的操作成本和/或尺寸。
发明内容
根据一个示例， 一种用于控制过程的气动控制器包括气动控制架，用 于向控制元件提供过程控制信号；气动反馈组件，用于向所述气动控制架提 供代表所述过程的反馈控制信号，其中所述反馈控制信号修正所述过程控制 信号，连接到所迷气动反馈组件的反馈比例调节装置提供对所述反馈控制信 号的调节。
根据另一示例， 一种用于气动过程控制器的反馈比例调节装置包括反 馈检测器，用于提供代表所述控制信号的反馈信号；以及悬臂组件，用于提 供对所述反馈信号的预定调节。所述悬臂组件显著减少该气动过程控制器的 供应流体的消耗。
相信具有新颖性的本发明的特征被具体阐释在所附权利要求中。通过参 见下面结合所附附图的描述可对本发明进行最佳的理解，其中各附图中相同 的附图标记表示相同的元件，其中
图1为包括悬臂反馈调节的示例性气动控制器的示意图2为悬臂反馈调节的放大视图3为用于气动控制器的离心凸轮调节器的示意图。
具体实施例方式
示例性气动控制器使用机械式反馈元件来调节伺服控制环内的反馈信 号或使该反馈信号成比例，以显著减少操作过程中的流体消耗。参照图1，
将描述示例性气动控制器10。示例性气动控制器10包括包括中继装置13 的气动控制架、具有波登管组件32的反馈组件12、包括喷嘴阀17和加法 横梁挡板(summing beam-flapper ) 21的喷嘴挡板组件22、以及比例反馈装 置37。为了操作控制器10，诸如天然气的供应流体11被连接到中继装置 13的入口 14。中继装置13提供气动控制架以通过控制压力20来驱动控制 阀致动器16,从而将用于控制经过控制阀33的过程流动50的流动控制元 件31定位在控制阀33中。用来使控制阀致动器16致动的控制压力20来自 于与连接到中继装置13的供应流体11相关的压力，并且部分地由喷嘴挡板 组件22产生的气动控制信号确定。
本领域技术人员应该认识到，在气动控制器10初始起动时，中继装置 13中的内部中继阀23打开，供应流体11流过中继装置13内的中继腔24 和控制腔29,以在致动器16中产生控制压力20。如图2所示，控制腔入口 18处的气动节流器43在中继腔24和控制腔29的加压过程中产生滞后或延 迟，以向致动器16提供流体流动，直到在中继装置13上实现预定的或操作 的力平衡为止，如以下更为详细所述。在操作过程中，控制压力20是连接 到中继装置13的控制入口 19的喷嘴挡板组件22通过压力分流作用对喷嘴 压力30进行调制而产生的结果。也就是说，通过主要由供应流体压力11以 及入口弹簧51和中继腔弹簧52产生的附加偏压弹簧力而产生的力平衡，中 继阀23进行操作，其中供应流体压力11是根据中继装置13中上隔膜26与 加载隔膜27的面积比起作用。 一般应该理解，通过控制根据加载隔膜27而 作用的喷嘴压力30，与喷嘴压力30直接相关的补充力则控制中继阀23定 位，并因此控制到达致动器16的控制压力20。
先前所述的喷嘴挡板组件22的分流作用由加法横梁挡板21相对于喷嘴阀17的相对位置产生。喷嘴挡板组件22的相对位置的变化产生可变的流体 分流，该可变的流体分流导致喷嘴压力30的相应改变。更具体而言，喷嘴 阀17相对于加法一黄梁挡板21的相对位置部分地由与下游过程流体流动50 有关的过程压力40确定。为了感应或4企测过程压力40，波登管组件32直 接连接到下游过程流体流动50。当波登管组件32被加压，波登管组件32 将根据过程压力40的变化而膨胀或者收缩。因此，应该认识的是，过程压 力40的增加导致的波登管组件32的膨胀随后将加法横梁挡板21从由标记 为i的左端移动，朝向喷嘴阔17移动，有效地增加了喷嘴阀17处的限流， 从而增加了中继装置13中的加载隔膜27上的压力，加载隔膜27上的压力 会随后打开中继阀23,从而使到达致动器16的控制压力12增加。类似地， 过程压力40的减小使得波登管组件32收缩，减小由喷嘴挡板组件22呈现 的节流，从而降低加载隔膜27上的流体压力，从而使得到达致动器16的控 制压力20减小。在示例性气动控制器10中，波登管组件32被用做过程反 馈检测器或元件，但本领域技术人员应该理解的是也可以使用诸如波紋管组 件的其它反馈元件。
为了改变控制阀33的控制点，气动控制器IO提供与喷嘴挡板组件22 相连的调节装置25，以在喷嘴挡板组件22中形成固定或最小压力分流。也 就是说，气动控制器10的设定点通过调节喷嘴阀17相对于加法横梁挡板 21的绝对位置而形成。在示例性气动控制器10中，凸轮操作杆装置36使 喷嘴阀17相对于加法横梁挡板21移动，以提供先前所述的通过喷嘴阀17 的预定的分流或"泄放，，。通过形成该预定分流，喷嘴压力30向加载隔膜 27上提供预定力，以基本固定到达致动器16的控制压力20。 一般还应理解 的是，过程内的波动(即，阀内的振动力或阀下游的流动需求的改变)可导 致控制元件31的位置的偏离，这将影响过程控制(即，仅使用前述设定点 控制的开环控制无法充分控制该过程)。为了使这种波动对过程的影响最小， 过程控制器提供用在闭合环控制策略中的可调节负反馈的装置，如下文更为 详纟田所述。传统的气动控制器经常使用连接在控制压力与大气之间的比例带阀，以 通过反馈或比例波紋管来(即可调节负反馈装置)比例度量分配或者调节压 力反馈。传统的气动控制器将比例带阀用作分压器，以基于控制器输出压力 的百分比来形成比例带波紋管中的反馈压力。 一般应该理解的是，对比例带 阀的设置进行改变可提供反馈压力相对于所供应的输出压力的不同的百分 比，并且最终获得用于控制器的不同的比例增益。控制器上的比例带设定被 用来根据设置点的变化和过程中发生的负载倒置而微调过程环的响应，但是 比例带阀连续地向大气中排出供应气体，这通常浪费大量供应流体。
示例性气动控制器10通过将比例带阀更换为悬臂反馈机构60而减小其 消耗，所述悬臂反馈机构提供比例带调节，但不会有与比例带阀相关的排放。 如图1和图2所示，比例波紋管组件41被气动地连接到控制压力20并机械 地连接到加法横梁挡板21,作为过程控制信号检测器。比例波紋管组件41 包括上波紋管55和下波紋管56。上波紋管55 ;故连接到控制压力20。下波 紋管56连通到大气。这样，比例波紋管组件41可4全测并响应控制压力20 的改变，以通过加法横梁挡板21提供反馈力，从而抵消喷嘴阀17处的压力 变化，并使存在于中继装置13上的压力差平衡。在操作过程中，过程压力 20的变化被供给到比例波紋管组件41,这导致上波紋管55相应的膨胀或收 缩，这在相对位于加法横梁挡板21的标记为1_的右端向加法横梁挡板21 施加反馈力，以抵消由喷嘴压力30的增大或减小导致的喷嘴阀的力。
为了提供对气动控制器的响应进行"微调"或者优化，悬臂反馈机构 60提供比例带调节。比例带调节是基于由过程压力40的给定变化而造成的 通过比例波纹管组件41施加到加法横梁挡板21上的运动的减小或者分配。 应该理解的是，对于过程压力40中的给定变化，比例波紋管组件41的上波 紋管55将悬臂反馈机构60的端部移置的量与比例波紋管组件41的有效面 积成正比并且与悬臂反馈机构60和比例波紋管组件41的弹簧系数或刚度成 反比。
悬臂反馈机构60通过改变有效长度并且因此改变悬臂65的弹簧系数而提供比例带调节。也就是说，悬臂65的有效长度通过将比例带调节器68移 动到不同的位置而被调节。如图1和图2所示，比例带调节器68是一种被 设置为沿悬臂65滑动的夹持装置，并且可通过诸如旋转紧固件(即翼形螺 钉设置)的任何本领域通常已知的装置被紧固。本领域技术人员应该理解的 是，也可以使用悬臂65和比例带调节器68的不同的设置来对准这两个部件。 例如，与悬臂65的长横交的槽可容纳比例带调节器68的紧固件，或者比例 带调节器68可具有"横跨"悬臂的凹陷(未示出)以保持对准，这些都不 脱离示例性反馈调节装置的精神和范围。
在微调气动控制器10的反馈的过程中，比例带调节器68的再定位导致 悬臂65的刚度随着悬臂65的柔性部的长度变化而改变。这样，作用在比例 波紋管组件41中的过程压力与悬臂65提供的刚度的组合向加法横梁挡板 21上施加可调节的位移来控制到达致动器16的控制压力20。例如，将比例 带调节器68移动到图2的右侧减小悬臂65的刚度，并导致更多的由于比例 波紋管组件41的压力变化而造成的加法横梁位移。除了由于上述比例带调 节器68的位置的变化导致的位移的修正之外，也可具有附加的扩展来变更 悬臂的刚度的效果(即，上下波紋管55和56都具有与悬臂65的刚度结合 操作的相关的弹簧系数)。
例如，当比例带调节器68定位在右边时，悬臂65的有效长度增加。因 为悬臂65的有效长度增加，比例波紋管组件41的更多的位移被直接传递到 加法横梁挡板21,从而产生对悬臂65刚度的乘法效果。该增大的反馈可不 与悬臂65的长度成正比。实际上，本领域技术人员应该理解，乘法效果可 相对于比例带调节器68的位置变化和比例波紋管组件41的固有弹簧系数约 成对数关系，其可施加与上波紋管55的位移长度有关的额外的力。对数关 系在控制器的应用中是希望的，因为当比例带变大(即，反馈供应敏感度增 大)时，这种对数关系可提高比例增益调节的微调敏感度。本领域技术人员 还可理解，各种悬臂结构可提供其它的移动/弹簧系数关系，例如"板簧" 设置或悬臂的可变厚度或宽度。为了改变操作中的反馈信号，调节器68沿悬臂65的长度移动。如前所 述，如果比例带调节器68—直向图2中的悬臂65的右侧移动，所有控制压 力20的变化均反馈回比例波紋管组件41。这样，随着控制压力20增大， 比例波紋管组件41将膨胀并使加法横梁挡板21移动远离喷嘴17，从而使 来自中继装置的控制压力20减小。类似地，当比例带调节器68—直向悬臂 65的左侧移动，悬臂反馈机构60和比例波紋管组件41的组合刚度可抵抗 过程压力40,从而减小加法横梁挡板21从喷嘴的位移。该运动增大喷嘴阻 力，从而增大加载隔膜27上的压力，因此增大控制压力20。因此，示例性 气动控制器提供比例带调节，而不会将供应流体排放到环境大气。
示例性气动控制器10还可提供一种用于将比例带调节器68紧固到悬臂 6 5的可替换的装置。图3显示 一 种用于将比例带调节器紧固到悬臂6 5的夹 紧结构，而无需直接夹紧到悬臂65上的旋转紧固件。在锁定杆组件168中， 诸如贝氏弹簧的弹簧部件185在夹紧作用过程中提供机械顺从性，以防止悬 臂65变形或者轴181的永久性的拉长。类似于前述比例带调节器，示例性 锁定杆组件168沿悬臂定位在希望的位置。锁定杆180绕调节器夹具187内 的销182旋转而偏离锁定杆180的中心轴线Z。当锁定杆180顺时针旋转而 接合夹具187时，调节器轴181被朝悬臂65牵引，压缩弹簧185，以提供 悬臂65上的弹簧偏压/顺从负载，其将锁定杆组件168紧固在希望的位置。 另外， 一对分隔件191和192可被设置以避免损坏悬臂65，并在调节器夹 具187的接合过程中提供对准。为了提供用于调节贝氏弹簧负载的装置，调 节螺母184可被螺紋连接到轴181，以控制锁定杆组件168的压缩深度。本 领域技术人员可认识到，也可以使用其它的顺从装置来在凸轮动作期间提供 临时伸长，例如巻簧或者聚合物。
尽管显示和描述了目前被认为是本发明的优选实施例，但对本领域技术 人员明显的是，可进行各种变化和修改而不背离由所附权利要求限定的本发 明的范围。尽管特定装置、方法、制造品被描述在此，但本专利的覆盖范围 并不限于此。相反，本专利覆盖所有在文字上或者按照等同原则完全落入所附权利要求范围内的制造装置、方法和产品。
权利要求
1、一种用于控制过程的气动控制器，包括气动控制架，用于向控制元件提供过程控制信号；气动反馈组件，用于向所述气动控制架提供代表所述过程的反馈控制信号，其中所述反馈控制信号修正所述过程控制信号；以及连接到所述气动反馈组件的悬臂反馈组件，其中该悬臂反馈组件提供对所述反馈控制信号的调节。
2、 如权利要求1所述的气动控制器，其中所述悬臂反馈组件进一步包 括波紋管组件。
3、 如权利要求1所述的气动控制器，其中所述气动控制架包括中继装置。
4、 如权利要求1所述的气动控制器，其中所述气动反馈组件进一步包 括波登管和喷嘴挡板组件。
5、 如权利要求1所述的气动控制器，其中所述悬臂反馈组件包括悬臂 和调节器，该调节器用于调节该悬臂的刚度，以使所述悬臂的刚度提供预定 反馈控制信号。
6、 如权利要求5所述的气动控制器，其中所述悬臂的刚度与该悬臂的 长度、该悬臂的厚度或该悬臂的宽度中的至少之一成比例。
7、 如权利要求5所述的气动控制器，其中所述调节器包括夹紧组件。
8、 如权利要求7所述的气动控制器，其中所述夹紧组件包括旋转紧固件。
9、 如权利要求7所述的气动控制器，其中所述夹紧组件包括离心凸轮 紧固件。
10、 如权利要求1所述的气动控制器，其中所述悬臂反馈组件减少所述 气动控制器的供应流体消耗。
11 、 一种用于具有气动控制架和气动反馈组件的气动过程控制器的反馈比例调节装置，该反馈比例调节装置包括反馈检测器，用于提供代表所述气动控制架产生的控制信号的反馈信 号；以及悬臂组件，用于提供所述反馈信号的预定调节。
12、 如权利要求11所述的反馈比例调节装置，其中所述反馈检测器包 括波紋管组件。
13、 如权利要求12所述的反馈比例调节装置，其中所述悬臂组件包括 悬臂和调节器。
14、 如权利要求13所述的反馈比例调节装置，其中所述悬臂组件的所 述预定调节包括改变所述悬臂的刚度。
15、 如权利要求14所述的反馈比例调节装置，其中所述悬臂的刚度与 该悬臂的长度、该悬臂的厚度或该悬臂的宽度中的至少之一直接相关。
16、 如权利要求16所述的反馈比例调节装置，其中所述悬臂的长度由 所述调节器的位置确定。
17、 如权利要求16所述的反馈比例调节装置，其中所述调节器包括夹 紧结构。
18、 如权利要求17所述的反馈比例调节装置，其中所述夹紧结构包括 旋转紧固件。
19、 如权利要求17所述的反馈比例调节装置，其中所述夹紧结构包括 离心凸轮紧固件。
20、 如权利要求14所述的反馈比例调节装置，其中所述悬臂的刚度与 所述波紋管组件的位移成对数关系。
全文摘要
一种用于控制过程的气动控制器有利地通过提供对反馈信号的比例调节来减小流体消耗。该气动控制器包括气动控制架、过程压力检测器和反馈比例调节装置。所述反馈比例调节装置使用反馈悬臂部件来提供对所述反馈信号的比例调节，从而减小该气动控制器的流体消耗。
文档编号G05D16/18GK101523321SQ200780037006
公开日2009年9月2日 申请日期2007年10月1日 优先权日2006年10月2日
发明者乔治·W·加斯曼, 亚历山大·C·佩塞克 申请人:费希尔控制产品国际有限公司