概括地，本公开内容涉及用于阀或调节器的致动器，更具体而言，涉及用于在阀的或调节器的控制构件上产生力的系统。
背景技术：
通常，阀(譬如，控制阀或压力调节器)由气动致动器打开和关闭。例如，在压力下的控制流体被引入致动器的壳体中，并且控制流体作用在耦合到控制阀的阀构件的隔膜上。致动器的壳体中的压力的增加可以导致阀构件朝向控制阀的阀座移位，从而关闭控制阀。致动器的壳体中的压力的降低可以导致阀构件移动离开控制阀的阀座，从而打开控制阀。
通常，气动致动器内的弹簧和空气压力用于产生控制阀的加载力。在一些应用中，电子压力调节器可以与气动致动器结合使用以例如调节控制阀的设定点。电子压力调节器可以使用小的可变的气动信号来压力加载致动器或放大器以增大由信号产生的力。相应地，小的气动信号(通常为0-100psig)控制大的压力(0-10,000psig)。然而，与电子压力调节器、用于感测设定点的压力变送器以及调谐精度相关联的误差也被放大，从而导致设定点的大的波动。
技术实现要素：
一种用于在主阀构件上提供力的系统，包括适用于直接地或间接耦合到所述主阀构件的一部分的第一感测元件。第一加载元件可以直接地或间接地耦合到所述第一感测元件，使得所述第一加载元件在所述第一感测元件上提供第一力。所述第一加载元件适用于将所述第一力传递到所述第一感测元件和所述主阀构件。所述系统还包括直接地或间接耦合到所述第一感测元件的第二感测元件。第二加载元件直接地或间接耦合到所述第二感测元件和所述第一感测元件。所述第二加载元件适用于在第二感测元件上提供第二力以将所述第二感测元件和所述第一感测元件移位第二距离并将所述第二力传递到所述主阀构件。
一种在主致动器或主阀的主阀构件上施加合力的方法，包括通过第一加载元件在第一感测元件上施加第一力，所述第一感测元件直接地或间接地耦合到所述主阀构件。所述方法还包括通过第二加载元件在第二感测元件上施加第二力，所述第二感测元件耦合到所述第一感测元件，使得所述第二力传递到所述第一感测元件和所述主阀构件，其中，所述第一力和所述第二力结合用于所述主阀构件上的所述合力。
附图说明
图1是用于在主致动器的或控制阀的主阀构件上提供力的系统的实施例的示意图；
图2是图1的实施例的卡圈、活塞和插入构件的实施例的详细视图；
图3是第二加载元件的实施例的示意图；
图4是用于在主致动器或控制阀的主阀构件上提供力的系统的另一实施例的示意图；以及
图5是图4的实施例的详细视图。
具体实施方式
如图1中所例示，公开了一种用于在主致动器14的和/或控制阀的主阀构件12上提供力的系统10(即，复合加载元件)，控制阀在13处被示意性地示出。主阀构件12可以是直接地或间接致动控制阀13的闭合构件的主致动器14的任何部分(譬如，主致动器的致动器轴)。主阀构件12还可以是耦合到控制阀13的闭合构件的阀轴。本领域技术人员将认识到，控制阀13的闭合构件可以相对于阀座向上或向下移位来以已知的方式打开和关闭控制阀13。
仍然参考图1，系统10包括适用于直接地或间接地耦合到主阀构件12的一部分的第一感测元件16(例如，活塞17)。第一加载元件18(例如，电子可调节的弹簧19)可以直接地或间接地耦合到第一感测元件16，使得第一加载元件18适用于在第一感测元件16上提供第一力或者使得第一加载元件18在第一感测元件16上提供第一力(并且可以使第一感测元件16移动第一距离)，并且第一力从第一感测元件16传递到主阀构件12。
系统10还可以包括压力放大器25，该压力放大器25可以包括直接地或间接耦合到第一感测元件16的第二感测元件20(例如，隔膜21)。压力放大器25还可以包括直接地或间接地耦合到第二感测元件20和第一感测元件16的第二加载元件22(例如，电子调节器23)。第二加载元件22适用于在第二感测元件20上提供第二力或者第二加载元件22在第二感测元件20上提供第二力(除了由第一加载元件18在第一感测元件16上提供的第一力)，该第二力传递到第一感测元件16并传递到主阀构件12。第二加载元件22还可以使第二感测元件20和第一感测元件16移位第二距离。第二力可以显著地小于第一力。例如，第二力可以处于第一力的0.05％至10％之间。
如此配置，两个加载元件结合以形成复合加载元件，以增加提供给主阀构件12的力的精度。具体地，调节由第一加载元件18在第一感测元件16上提供的第一力允许对提供给主阀构件12的总体力的“粗略”(或大范围)调节。调节由第二加载元件22在第二感测元件20上提供的力允许微调节整体力(或小范围的力调节)传递到主阀构件。这种大尺度和小尺度调节允许在高系统压力下改善精度调节，以及增加系统整体的调节比。例如，如果需要9000psig的设定点，则第一加载元件18(例如，电子可调节的弹簧19)可以与1:1压力放大器25一起使用。电子可调节的弹簧19可以被调节到8950psig，并且电子调节器23将保持额外的50psig。因此，设定点的小波动将由第二加载元件22(电子调节器23)处理，并且大的设定点波动将由第一加载元件18(能够电子地调节的弹簧19)处理。
更详细地转向系统10，第一感测元件16可以具有任何适当的尺寸或形状，该适当的尺寸或形状允许第一加载元件18将第一力传递到第一感测元件16，并且在一些实施例中，使第一感测元件16平移第一距离。例如，如图2中所例示，第一感测元件16可以是活塞17，其可以沿着可以与纵向组件轴线28共线的纵轴从第一端24延伸到第二端26。当沿着纵向组件轴线28观察时，活塞17可以具有任何适当的横截面形状或形状的组合，并且活塞17可以可滑动地接收在控制阀13的或主致动器14的导管部32的相应的孔31中。导管部32的孔31可以具有与活塞17的横截面形状相对应的横截面形状。例如，活塞17(或活塞的一部分)和导管部32的孔31可以具有圆形横截面形状。更具体而言，活塞17可以具有第一部分30和第二部分40，第一部分30从第一端24延伸到中间点38，第二部分40从中间点38延伸到第二端26，并且第二部分40可以具有与导管部32的孔31的横截面形状相对应的圆形横截面形状。活塞17还可以具有接合表面34，接合表面34可以适用于以下述将更详细描述的方式接合卡圈36的一部分。接合表面34可以是第二部分40的顶部表面42的周向部分。第一部分30也可以具有圆形横截面形状，并且第一部分30的直径可以小于第二部分40的直径以形成包括接合表面34的肩部。
如图1和图2中所例示，系统10还可以包括插入构件44，并且插入构件44的至少一部分可以设置(例如，可滑动地设置)在卡圈36的孔46内。如图2中所例示，插入构件44可以沿着与纵向组件轴线28共线的纵轴从第一端47延伸到第二端48。当沿着纵向组件轴线28观察时，插入构件44可以具有任何适当的横截面形状或形状的组合，并且孔46可以具有与插入构件44的横截面形状相对应的横截面形状。例如，插入构件44和孔46可以具有圆形横截面形状，并且插入构件44的直径可以略小于孔46的直径(例如，比孔46的直径小2％至10％)。密封件50可以围绕插入构件44的周向部分设置，并且密封件50可以密封地并且滑动地接合卡圈孔表面52，该卡圈孔表面52沿着可以与纵向组件轴线28共线的纵轴延伸。
如图1和图2中所示，系统10还可以包括卡圈36，该卡圈36可以耦合到第一感测元件16和/或第二感测元件20。如图2中所例示，卡圈36可以沿着可以与纵向组件轴线28共线的纵轴从第一端54延伸到第二端56。孔46可以沿着纵向组件轴线28从第一端54延伸到第二端56。如前所述，孔46的横截面形状可以与柱塞44的横截面形状相对应。当沿着纵向组件轴线28观察时，卡圈36的外表面58可以具有任何适当的横截面形状或形状的组合，并且孔46可以具有与插入构件44的横截面形状相对应的横截面形状。例如，插入构件44和孔46可以具有圆形横截面形状，并且插入构件44的直径可以略小于孔46的直径(例如，比孔46的直径小2％至10％)。卡圈36的外表面58也可以具有与导管部32的孔31的横截面形状相对应的横截面形状。例如，外表面58可以具有圆形横截面形状，并且外表面58的直径可以略小于导管部32的孔31的直径(例如，比孔31的直径小2％至10％)，以允许卡圈36的第二端56的一部分可滑动地接收在导管部32的孔31中。外表面58的直径也可以略小于致动器壳体62的延伸部60的内表面59的直径(例如，比内表面59的直径小2％至10％)，以允许卡圈36的第一端54的一部分可滑动地接收在致动器壳体62的延伸部60中。
卡圈36可以通过施加到第二感测元件20的压力来沿着纵向组件轴线28从第一位置平移到第二位置。卡圈36的一部分可以适用于接合活塞17的一部分以使活塞17移位和/或向活塞17施加力。例如，卡圈36的第二端56可以适用于接合活塞17的接合表面34，以使活塞17沿纵向组件轴线28移位(例如，使活塞17向下移位)和/或向活塞17施加力。卡圈36还可以具有适用于将第二感测元件20的一部分固定到卡圈36的配合部64。例如，配合部64可以是从卡圈36的外表面58径向向外延伸的圆周突出部65，并且突出部65可以具有接收隔膜21的内周向部分的间隙，以将隔膜固定到卡圈36。突出部65可设置在卡圈36的第一端54和第二端56之间。在一些实施例中，诸如图4和图5中所例示的，突出部65可以设置在或邻近卡圈36的第一端54处。
参考图1和图2，系统10还可以包括直接地或间接地耦合到第一传感元件16的第一加载元件18，使得第一加载元件18在第一感测元件16上提供力(例如，第一力)并且还可以使第一感测元件16移位第一距离。例如，第一加载元件18可以是可调节的弹簧19。可调节的弹簧19可以是能够在第一感测元件16上提供期望的力的任何适当的机构(例如，电子可调节的弹簧或电动致动器)，例如tescomtm70-2000系列电动执行器。可调节的弹簧19可以具有安装到致动器壳体62的延伸部60的第一部分，并且第二部分可以延伸穿过延伸部60。如图2中所例示，可调节的弹簧19的端部51可以耦合到插入构件44的第一端47，使得由可调节的弹簧19产生的力传递到插入构件44，并传递到与插入构件44相接触的活塞17。在一些实施例中，可调节的弹簧19可以经由气动管线83与加压流体源82连通，如图1中所例示。
第一加载元件18(例如，可调节的弹簧19)还可以与具有微处理器85和存储器86的计算机84通信，存储器86可以位于远离第一加载元件18处。如图1中所例示的，该连接可以是无线的或者可以是有线连接。用户可以经由计算机84向第一加载元件18发出命令和/或计算机84可以基于系统反馈自动向第一加载元件18发出命令。
系统10还可以包括压力放大器25，该压力放大器25可以包括直接地或间接地耦合到第一感测元件16的第二感测元件20。如图1中所例示，第二感测元件20可以是隔膜21，并且隔膜21可以设置在致动器壳体62内。如前所述的，并且如图1中所例示，隔膜21的内周向部分可以固定卡圈36的配合部64。参考图1，隔膜21的外周向部分可以固定在第一致动器壳体部分67a的底部66a与第二致动器壳体部分67b的顶部66b之间。第一致动器壳体部分67a可以固定到第二致动器壳体部分67b以形成致动器壳体62。致动器容体68可以至少部分地由第一致动器壳体部分67a的内表面69和隔膜21的顶部表面70限定。
参考图1和图2，系统10(和压力放大器25)还可以包括直接地或间接地耦合到第二感测元件20和第一感测元件16的第二加载元件22。第二加载元件22可以是能够在第二感测元件20(和第一感测元件16)上提供力(例如，第二力)并且使第二感测元件20(和第一感测元件16)移位第二距离(例如，相对于致动器壳体62)的任何适当的机构。例如，如图3中所例示，第二加载元件22可以是电子致动器72(譬如，tescomtmer5000系列电动气动控制器)，并且电子致动器72可以包括基部74、盖部76、第一电磁阀78和第二电磁阀80。盖部76可以耦合到基部73，并且第一电磁阀78和第二电磁阀80可以固定到基部74，以及设置在盖部76的内部77中。入口通道88可以形成在基部74中，并且入口通道88的第一端可以连接到气动管线89，该气动管线89连接到加压流体源(例如，源82)，并且第二端可以与第一电磁阀78的入口90连通。中间通道92可以形成在基部74中，并且中间通道92的第一端可以与第一电磁阀78的出口94连通，以及中间通道92的第二端可以与致动器壳体62的致动器容体68连通。
当闭合构件96处于打开位置(如图3中所例示)时，来自源82的流体流动通过气动管线89，通过入口通道88，通过第一电磁阀78的入口90和出口94，并进入致动器容体68中。当闭合构件96处于关闭位置(即，图3中所例示的第二电磁阀80的闭合构件89的位置)时，来自源82的流体被防止流进致动器容体68中。第二电磁阀80可以与第一电磁阀72相同，并且当闭合构件98处于关闭位置(如图3中所例示)时，来自致动器容体68的流体被防止排放到大气中。当闭合构件98处于打开位置(即，图3中所例示的闭合构件96的位置)时，来自致动器容体68的流体流动通过中间通道92，通过第二电磁阀80的入口100和出口102，并且通过出口通道104以向大气排放。当向大气排放时，第一电磁阀78的闭合构件96可以处于关闭位置。
在使用中，来自计算机84的信号可以使第一加载元件18(例如，可调节的弹簧19)在插入构件44上提供期望的第一力，这转而又将该第一力传递到第一感测元件16(例如，活塞17)。该第一力可以相对于致动器壳体62的一部分(例如，致动器壳体62的延伸部60的顶部)或相对于主致动器14或控制阀13的一部分沿着纵向组件轴线28使活塞17移位(例如，沿朝向主致动器14的方向向下移动)第一距离。如前所述的，第一力是提供系统10所需的大部分力的“粗略的”力，并且该粗略的力将由第二加载元件微调以通过系统提供准确的合力。
为了微调由第一感测元件16传输的合力，第二加载元件22(例如，电子调节器23)可以向第二感测元件20(例如，隔膜21)提供第二力，该第二力可以除了第一力之外(并且与第一力同时)而施加。例如，来自计算机84(无线通信或通过有线连接)的信号可以使电子调节器23调节致动器壳体62的致动器容体68中的压力，并且与该压力相关联的力(即，第二力)通过卡圈36直接传递到活塞17。例如，电子调节器23可以增加致动器壳体62的致动器容体68中的压力，并且卡圈36的第二端56可以接合活塞17的接合表面34以将第二力传递到活塞17，并且使活塞17相对于致动器壳体62的一部分(例如致动器壳体62的延伸部60的顶部)或相对于主致动器14的或控制阀(未示出)的一部分沿着纵向组件轴线28移位第二距离(除了第一距离之外或在第一距离之上)。因为插入构件44上的力由可调节的弹簧19提供，所以插入构件44向下移位并且保持与活塞17接合，而卡圈36将第二力施加到活塞17(并且可以伴随活塞17一起向下移位)。然后，活塞17可以将第一力和第二力相结合的加载施加到控制阀的一部分(例如，主阀构件12，其选择性地接合和脱离控制阀的阀座以打开和关闭控制阀)或使控制阀的主阀构件12移位的主致动器14。在一些实施例中，系统10可以替换在主致动器14中使用的弹簧或弹簧组件。
本领域普通技术人员将认识到，第一感测元件16和第一加载元件18和/或第二感测元件20和第二加载元件22可以包括能够向主阀构件12提供粗调和微调力的任何机构或组件。例如，稀土磁体、重物、电磁体和/或液压装置可以用来在主阀构件12上提供粗调和/或微调力。本领域普通技术人员将认识到，除了第一感测元件16和第一加载元件18以及第二感测元件20和第二加载元件22之外，第三感测元件(未示出)和第三加载元件(未示出)也可以用于提高系统精度。另外的感测元件和加载元件也是可以设想的。
在图4中例示出了用于在主阀构件12上提供力的系统200的另一实施例。系统200在几个方面类似于图1中所例示的系统10，并且相同的元件将具有相同的附图标记。然而，替换是电子可调节的弹簧19的第一加载元件18，第一加载元件18可以在功能上与第二加载元件22相同，该第二加载元件22可以是电子致动器272，该电子致动器272可以与先前描述并在图3中例示的电子致动器72相同。电子致动器272可以适用于在设置于次级致动器壳体262内的次级隔膜221上提供压力。次级隔膜221可以具有比致动器壳体62的隔膜21的外径更小的外径，并且该较小的直径适用于提供比由隔膜21提供的力更小的力。例如，次级隔膜221可以具有为隔膜21的外径的90％至25％的外径。如图5中所例示，次级隔膜221的内周向部分可以固定到次级卡圈236的突出部265，该次级卡圈236可以类似于先前描述的卡圈36。次级卡圈236可以沿着与纵向组件轴线28共线的纵轴从第一端254延伸到第二端256。次级孔246可以沿纵向组件轴线28从第一端254延伸到第二端256。次级卡圈236的突出部265可以设置在或邻近次级卡圈236的第一端254处。顶部285可以固定到第一端254，并且密封件(未示出)可设置在顶部285与次级卡圈236的第一端254之间，以防止流体在顶部285与第一端254之间流动。
次级卡圈236的一部分可以可滑动地接收在卡圈36的孔46内，并且次级卡圈236的外表面258可以在形状上与卡圈36的卡圈孔表面52相对应。例如，次级卡圈236的表面258和卡圈36的卡圈孔表面52都可以是圆柱形的，并且次级卡圈236的外表面258的直径可以稍微小于卡圈36的卡圈孔表面52的直径(例如，比卡圈孔表面52的直径小3％至15％)。
如图4中所例示，次级隔膜221的外周部分可以固定在第一致动器壳体部分267a的底部与第二致动器壳体部分267b的顶部之间。第一致动器壳体部分267a可以固定到第二致动器壳体部分267b以形成次级致动器壳体262。次级致动器容体268可以至少部分地由第一致动器壳体部分67a的内表面269和次级隔膜221的顶部表面270限定。通道部分287可以将第一致动器壳体62的第一致动器壳体部分67a连接到次级致动器壳体262的第二致动器壳体部分267b，并且通道部分287的内表面289可以在形状上与次级卡圈236的外表面258相对应。例如，次级卡圈236的外表面258和通道部分287的内表面289都可以是圆柱形的，并且次级卡圈236的外表面258的直径可以略小于通道部分287的内表面289的直径(例如，比内表面289的直径小3％至15％)。次级卡圈236的一部分可以可滑动地接收在通道部分287中，使得次级卡圈236相对于通道部分287移位。密封件(未示出)可以设置在通道部分287和次级卡圈236之间，以防止致动器容体68内的流体从位于通道部分287的内表面289与次级卡圈236的外表面258之间的间隙中流出。
如图4中所例示，活塞17的实施例可以可滑动地设置在导管部32内，并且卡圈36的第二端56和次级卡圈236的第二端256也均可以设置在导管部32内，并且均可以设置成与活塞17的顶部表面42接触或相邻。
在使用过程中，流体源82(或任何其它加压流体源)可以与电子致动器272的入口通道88连通，并且当电子致动器272的第一电磁阀78处于打开位置时，流体流入次级致动器壳体262的致动器容体268中并且在次级隔膜221上施加期望的力。这种力以与卡圈36通过所述的隔膜21向下移动相同的方式向下移动次级卡圈236。次级卡圈236的第二端256可以作用在活塞17的顶部表面42上，以使活塞17沿纵向组件轴线28相对于致动器壳体62的一部分或相对于主致动器14或控制阀(未示出)的一部分移动第一距离。第一力是提供系统20所需的大部分力的“粗略的”力，并且该粗略力将由第二加载元件22微调，以通过系统提供准确的合力。
为了微调由活塞17传递的合力，第二加载元件22(例如，电子调节器23)可以为第二感测元件20(例如，隔膜21)提供第二力，该第二力可以是除了第一力之外施加的。例如，来自计算机84的信号可以使电子调节器23调节致动器壳体62的致动器容体68中的压力，并且与该压力相关联的力(即，第二力)通过卡圈36直接传递到活塞17。例如，电子调节器23可以增加致动器壳体62的致动器容体68中的压力，并且卡圈36的第二端56可以接合活塞17的顶部表面42的接合表面34以将第二力传递到活塞17并且使活塞17相对于致动器壳体62的一部分或相对于主致动器14或控制阀(未示出)的一部分沿纵向组件轴线28移位第二距离(除了第一距离之外或在第一距离之上)。在该位移期间，致动器容体268中的压力保持次级卡圈236的第二端256与活塞17的顶部表面42接合。然后，活塞17可以将第一力和第二力相结合的加载施加到控制阀的一部分(例如，主阀构件12，其选择性地接合和脱离控制阀的阀座以打开和关闭控制阀)或使控制阀的主阀构件12移位的主致动器14。在一些实施例中，系统10可以替换在主致动器14中使用的弹簧或弹簧组件。
可以向系统200添加额外的复合元件以进一步提高精度。例如，第一加载元件18可以是可以在设置在次级致动器壳体262内的次级隔膜221上提供压力的电子致动器272。然而，第三电子致动器(未示出)可以为第三致动器壳体(未示出)中的第三隔膜(未示出)提供压力，以在耦合到第一感测元件16的第三卡圈(未示出)上提供第三力。
第三隔膜可以具有比次级隔膜221的外径更小的外径，并且该更小的外径适用于提供比由次级隔膜221提供的力更小的力。例如，第三隔膜221可以具有为次级隔膜221的外径的90％至25％的外径。第三卡圈(未示出)可以设置在次级卡圈236的卡圈孔内，并且第三卡圈的移动可以在活塞17上提供第三力(除了由卡圈36和次级卡圈236提供的第一力和第二力之外)。
虽然以上已经描述了各种实施例，但是本公开内容并不旨在局限于此。可以对仍在所附权利要求的范围内的所公开的实施例进行变化。