专利名称：具有集成反向压力排出装置的压力调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及过程控制设备，更详细地说，涉及用于提供处于预定水平的受压流体的调节器。
背景技术：
在诸多过程控制环境下，过程流体的流动可通过一个或多个控制阀调节。控制阀自身具有多种形式，其中包括那些利用诸如滑动杆、蝶形盘以及旋转球之类形式的控制元件对阀的入口和出口之间的尺寸可变的开口进行调节的控制阀。控制元件自身又由物理连接到其上的执行器(actuator)所控制。执行器也具有多种形式，其中包括利用隔膜的执行器，其中上压力腔室和下压力腔室位于隔膜的侧面。通过控制第一腔室和第二腔室之间的压力差，隔膜被驱使相对控制阀向上或者向下运动，并在随后移动隔膜、相关联的执行杆以及控制元件。
因此，可以看出，为执行器供应处于已知压力的流体是重要的。在上文提到的隔膜执行器情况下，受压空气通常被用作为流体并且经由调节器提供。调节器包括具有入口和出口的外壳，其中入口连接到诸如提供有调节器的工厂的压缩机的压缩空气源。此类工厂可以是精炼厂、化学处理厂、食品加工厂，或者任意其他类型的流体压力和流量调节比较重要的过程控制环境。调节器外壳进一步包括适于连接到阀执行器的出口，而可动塞位于外壳中入口和出口之间。依据该塞在将入口连接到出口的通路上所处的位置，由调节器提供的压力能够升高或者降低至预定量或者已知量，以便精确供应给执行器。
为控制此类受压流体从调节器到执行器间的流量，二者间提供有定位器(也称作控制器或者测试仪)。定位器可接收来自设备或者工厂的处理器的信息，该信号代表过程流体的期望流量。基于所接收的控制信号，定位器随后确定所要求的阀位置，并允许来自调节器的受压流体流到阀执行器，以便提供正确的阀位置并最终提供所需的过程流体流量。
除为执行器提供具有精确调节水平的受压流体之外，这样的系统还必须提供能够使控制阀在失效时进入安全位置的机构。如上所述，这样的控制阀通常用于精炼厂或者化学处理厂，在这些地方在阀失效时强制阀进入安全位置。安全位置意味着控制阀失效时进入完全开启位置或者完全关闭位置。无论如何，为使控制阀达到这种位置，控制控制阀的执行器内的受压流体必须从系统中完全消散或者排空。然而，由于执行器接收来自调节器的受压流体，所以调节器必须具有某些形式的用于从阀执行器中排出过量压力的机构。用于改善调节器出口压力的稳态大气排放的方法包括但不限于固定直径的内部排放孔和外部排放孔。然而，由于这种设计要求调节器出口压力经常与大气相通，故而将产生能听得见的排气噪声，引起对工厂的压缩机系统的较高要求，并且给出错误的机构缺陷或者失效指示。
因此，可以看出，存在对在需要时能够快速可靠地排出过量的调节器出口压力的改进的调节器设计的需求。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开一种压力调节器，其可包括外壳、入口、出口、通道、塞以及排出阀。该入口和出口可被提供在该外壳上，该入口接收被压缩至第一压力的流体，并调节流体降至第二压力。该通道可以连接该入口到该出口，该塞可活地安装在该外壳中并被布置在该通道中。该塞可在从关闭该通道的第一位置延伸到完全开启该通道的第二位置的位置范围间移动。该排出阀可在该出口和入口之间延伸并且是常关闭的，但是当该出口内的压力超出该入口内的压力预定量时是开启的。
根据本发明的另一个方面，公开一种阀系统，其可包括控制阀、阀执行器以及调节器。该控制阀可调节该过程流体的流动，该阀执行器被接合到该控制阀并且被受压流体所驱动。该调节器可操作地与该阀执行器相关联，并供应处于特定压力的流体给该阀执行器。该执行器可包括入口、出口和连接在二者之间的可动元件，该调节器进一步包括适于在该出口内的压力超出该入口内的压力预定量时连通该出口到该入口的反向压力排出阀。
根据本发明的另一个方面，公开一种控制阀系统的操作方法，其可包括引导来自调节器的受压流体到阀执行器以改变阀执行器的位置，基于该阀执行器的位置改变来改变控制阀的位置，以及当需要使该控制阀移动到确定位置时卸放来自该阀执行器的过量压力。该过量压力可以通过在该调节器中提供的反向压力排出阀排出。
通过结合附图阅读以下详细描述，本发明的上述和其他方面将变得清楚易懂。
图1是描绘根据本发明的教导构造的阀系统的框图；图2是根据本发明的教导构造的调节器的剖视图；以及图3是根据本发明的教导构造的具有反向压力排出阀的调节器的剖视图。
尽管以下详细叙述列出了各种修改和可选结构，但是其中某些说明性的实施例已经在图中显示并将在下文详细描述。应理解，本发明并不限制于所公开的特定形式，相反，本发明覆盖了在所附权利要求限定的发明精神和范围之内的所有修改、可选结构和等同替换。
具体实施例方式
参见附图，具体参见图1，根据本发明的教导构造的阀系统通常参见参考标号20。该阀系统能够用于诸多不同类型的环境中，这些环境包括但不限于精炼厂、化学处理厂以及食品加工厂等。在任意一种可预见的环境下，阀系统20能够用于调节过程流体的流动到所需压力、流动速率或者容量。
参见图1，阀系统20被显示为包括适于控制或者调节位于入口24和出口26之间的过程流体的流动的控制阀22。如上所述，控制阀22能够利用多种不同的结构实现该功能，其中包括但不限于滑动杆、蝶形盘以及旋转球。
通过接合到控制阀22的控制元件上的杆30，阀执行器28被连接到控制阀22。因此，阀执行器28的运动控制阀22的控制元件的位置，并以此控制经过系统20的流体的流动。为实现以上功能，阀执行器28能够具有多种形式，其中包括气动或者其它流体操作的、利用位于外壳内并置于上腔室32和下腔室33之间的隔膜31的执行器。通过向上腔室和下腔室填充具有不同压力的流体，隔膜两侧产生压力差，由此使得隔膜运动。隔膜31的运动随后引起杆30的运动，这又引起控制元件的运动，从而改变控制阀22的位置。
定位器34被显示为连接到阀执行器28以便为其供应受压流体。更具体地说，定位器34提供受压流体给阀执行器28的上腔室32和/或下腔室33，以便控制隔膜31的位置。定位器34可在接收到来自工厂处理器36的控制信号35之后执行上述操作，工厂处理器36可以是使用阀系统20的工厂或者设备的整个控制流程的一部分。控制信号35可以是预定的，或者可以是基于从反馈环38接收的信号。如图1所示，反馈环38可以利用用于测量出口26的过程流体的流量计40或者类似装置。因此，如果所测量的流量并非如所需的那样，则工厂处理器36能够相应地产生用于移动控制阀22的适合的控制信号35，并以此使得过程流体的流量接近所需水平。
如上所述，定位器34基于控制信号35提供受压流体给阀执行器28。然而，定位器34自身接收来自调节器42的受压流体。调节器42接收来自压缩流体源44的压至第一水平的流体，并产生压至第二水平的流体46以便定位器34接收。例如，压缩流体源44可以是由工厂或者设备的主空气压缩机提供的压缩空气，并可以按照几百磅/平方英寸(psi)的压力量级提供。但是，定位器34可以仅能够接收处于较低psi水平的受压流体。因此，调节器42可以是压力降低型调节器，这种类型的调节器可接收处于较高psi的工厂压缩流体，并且将压缩空气逐步降低至较低水平以便定位器34使用。
现在参见图2，调节器42将被进一步详尽显示。如图中所显示的，调节器42包括外壳48，该外壳具有入口50和出口52，并且在入口50和出口52之间有通道54。通过控制通道54的横截面积，流经调节器42的流体的压力能够被调节。这是通过控制在通道54内提供的可动塞56的位置来实现的。尽管有多种不同机构能够实现此种运动，但是应该从图2中注意到，可动塞56可以安装到盘58上，该盘随后被弹簧60可动地偏压向通道54。盘58以及随之而来的塞56被偏压向通道54的程度能够通过制造适当尺寸的弹簧60来调节，或者通过调节适于施加力到弹簧60的螺栓62的位置来调节。如图所示，螺栓62包括多个螺纹64和锁紧螺母66。因此，随着螺栓62被旋转，其或多或少地施加力到顶盘68上，该顶盘随后调节弹簧60被压缩或者预加载的程度。
图2还图解了可包括过滤部件70的调节器42，该过滤部件位于入口50内以便减少通过调节器42的微粒数目，并以此确保定位器34接收到相对清洁的流体，从而延长其使用寿命并提高其精度。调节器42可以进一步包括除湿器72。除湿器72可以作留存从流经调节器42的流体中去除的任意液体或者冷凝汽的贮液器之用。相应地，外壳48内可具有能够排出这些液体的排水管74。
调节器42的各种腔室可具有不同的压力。由于调节器42典型地是压力降低型调节器，其中入口50的压力大于出口54的压力，所以流体流动典型地被引导为从入口50经由通道54并经出口52到达定位器34。然而，如上所述，某些时候流体必须从出口52、或者从定位器34、或者从阀执行器28中排空。例如，当控制阀22失效需要进入安全位置时，控制阀的控制元件将运动到完全开启位置或者完全关闭位置。由于控制元件的运动由阀执行器28控制，这随后要求阀执行器28的上腔室32和/或下腔室33被完全排空以便隔膜运动。然而，受压流体仅能够经由定位器34和调节器42从阀执行器28中排空。与现有技术中在其内部提供排放孔以排放声音增大为代价来连续排放过量压力的调节器相反，本发明提供了正好位于调节器中入口50和出口52之间的集成反向压力排出(integrated reverse pressure exhaust，IRPE)阀76。具体地说，应注意到IRPE阀76可以具有在外壳或者主体48的内壁80上钻得的孔78。IRPE阀76可具有多种形式，但是就图3所示的描述实施例来说，其包括外壳82，该外壳具有入口84和出口86、并且在这两者之间有阀座88。诸如球或者之类的控制元件90被弹簧92沿入口84的方向朝阀座88偏压。IRPE阀76被定位为IRPE出口86邻近调节器入口50，而IRPE入口84邻近调节器出口52。
相应地，本领域任何一个普通技术人员都能够看出，IRPE阀76提供了一种能够降低出口52内的过量压力并以此使控制阀22进入所需的失效安全位置的机构。无论何时，调节器入口50和出口52之间的压力差都能够达到预定水平。预定水平可由弹簧92的尺寸来控制。在所描述的实施例中，弹簧92尺寸被制造为，使得无论何时只要出口52内的压力大于入口50内的压力达6psi或者更高，弹簧92就被压缩并以此开启IRPE阀76。当然，IRPE阀76的尺寸还可以被制造为使其在任意其它所需的压力差下开启。
在操作中，由此可以看出，阀系统20提供了一种入口24和出口26之间的过程流体能够被精确调节和控制的系统。这是通过利用阀执行器28控制控制阀22的位置来实现的。然而，当阀22在失效需要进入完全开启或者完全关闭位置时，阀执行器28具有不仅通过定位器34还通过调节器42，使得过量压力能够被快速精确降低的机构。这是通过在调节器42内直接提供IRPE阀76来实现的，该IRPE阀无论何时只要其压力差超出预定阈值就开启。一旦达到该压力差，IRPE阀76开启并以此缓解出口52内的过量压力，并且阀22能够进入失效安全位置。此外，一旦出口52内的过量压力被降低，IRPE阀76自动关闭，并以此使阀系统20重新定位至正常操作位置。
权利要求
1.一种压力调节器，包括外壳；位于该外壳中的入口，接收降至第一压力的流体；位于该外壳中的出口，排放被压缩至第二压力的流体；连接该入口到该出口的通道；可动地连接在该外壳中并被布置在该通道中的塞，该塞可在从关闭该通道的第一位置延伸至完全开启该通道的第二位置的位置范围间移动；以及位于该外壳中并在该出口和该入口之间延伸的反向压力排出阀，该反向压力排出阀是常关闭的，当该出口内的压力超出该调节器入口内的压力预定量时，该反向压力排出阀开启。
2.如权利要求1所述的压力调节器，进一步包括位于该外壳中偏压该塞到所述完全开启位置的弹簧。
3.如权利要求2所述的压力调节器，进一步包括用于改变由该弹簧施加的偏压程度的调节机构。
4.如权利要求1所述的压力调节器，进一步包括布置在该入口和出口之间的过滤器。
5.如权利要求1所述的压力调节器，进一步包括布置在该入口和出口之间的除湿器。
6.如权利要求1所述的压力调节器，其中该反向压力排出阀是单向止回阀，该单向止回阀具有可动塞和弹簧，该可动塞安装在外壳内、位于入口和出口之间，并且在入口和出口之间有阀座，该弹簧朝着该阀座偏压该塞。
7.如权利要求1所述的压力调节器，其中该弹簧的尺寸确定所述预定量，该预定量近似为6psi。
8.一种阀系统，包括调节过程流体流动的控制阀；接合到该控制阀的阀执行器，该阀执行器由受压流体所驱动；以及与该阀执行器可操作地相关联的调节器，该调节器供应处于特定压力的流体给该阀执行器，该调节器包括入口、出口以及位于二者之间的可动元件，该调节器进一步包括反向压力排出阀，其适于在该出口内的压力超出该入口内的压力预定量时连通该出口到该入口。
9.如权利要求8所述的阀系统，进一步包括定位器，该定位器接收控制信号，并基于该控制信号引导来自该调节器的受压流体到该阀执行器。
10.如权利要求8所述的阀系统，其中该反向压力排出阀是单向止回阀，该单向止回阀具有入口、出口、在该入口和出口之间的阀座以及被弹簧偏压向该阀座的可动阀元件。
11.如权利要求10所述的阀系统，其中该弹簧朝该控制阀出口偏压该阀元件。
12.如权利要求8所述的阀系统，其中该预定量是6psi的压力差。
13.如权利要求8所述的阀系统，其中该调节器进一步包括偏压该调节器可动元件到开启位置的弹簧。
14.如权利要求8所述的阀系统，其中该调节器进一步包括在该入口和出口之间的过滤器。
15.如权利要求8所述的阀系统，其中该调节器进一步包括在该入口和出口之间的除湿器。
16.一种控制阀系统的操作方法，包括引导来自调节器的受压流体到阀执行器以改变该阀执行器的位置；基于该阀执行器的位置改变来改变控制阀的位置；以及当需要使该控制阀失效进入确定位置时释放来自该阀执行器的过量压力，该过量压力通过在该调节器中提供的反向压力排出阀而被释放。
17.如权利要求16所述的方法，其中当该调节器出口内的压力超出该调节器入口内的压力预定量时，该过量压力被排出。
18.如权利要求17所述的方法，其中该预定量是6psi。
19.如权利要求16所述的方法，其中该反向压力排出阀包括弹簧偏压元件，当该调节器出口内的压力超出该调节器入口内的压力且二者之间的压力差产生的力足以克服该弹簧的偏压力时，该过量压力被排出。
20.如权利要求16所述的方法，其中该受压流体被定位器从该调节器引导到该阀执行器。
21.如权利要求16所述的方法，进一步包括使该定位器接收代表所需的控制阀位置的信号的步骤。
22.如权利要求16所述的方法，其中该阀执行器的位置通过调节该阀执行器中的压力差来改变。
全文摘要
本发明公开了一种控制阀系统，其提供能够使阀移动进入失效－安全位置的机构。该系统包括从调节器(42)接收受压流体的阀执行器(28)。该调节器具有反向压力排出阀(76)以便当该阀待被定位为失效－安全位置时，如果该阀执行器内的压力待被减轻，该反向压力排出阀被开启以便提供调节器出口内的过量压力能够被减轻的快速和准确的通道。
文档编号G05D7/00GK1802615SQ200480015838
公开日2006年7月12日 申请日期2004年6月22日 优先权日2003年6月27日
发明者贾丝廷·维德·哈特, 大卫·布莱尔·戴维斯, 格雷格·艾伦·施耐德, 史蒂夫·欧内斯特·巴里 申请人:费希尔控制产品国际有限公司