用于控制具有气动输出的阀定位器的定位器驱动器的制作方法

工程元件,部件;绝热;紧固件装置的制造及其应用技术用于控制具有气动输出的阀定位器的定位器驱动器背景技术：1.现今，用于加工工业的所有致动器的60％以上是基于气动的，这需要定位器来控制致动器的位置。2.为了操作这种定位器，定位器的“主级”由“先导级”驱动。3.主级是以所需的气动操作压力(例如10巴)操作致动器(该致动器操作过程阀)的单元。标准方法是设计包括定位器、致动器和过程阀的系统，使得主级的操作点接近于力的平衡，导致控制压力的小变化以提供所需的阀跳闸。定位器通常必须符合对低能耗的严格要求。控制上述控制压力的单元，即“先导级”，表示系统的可控部分。用于运行先导级的压力是致动器的气动操作压力的一部分并且由减压器提供。技术实现要素：4.包括具有气动输出的阀定位器的系统面临两个相反的商业需求。5.一方面，需要高气动压力来操作致动器；另一方面，对于整个系统的低功耗存在严格的要求。为此，包括具有气动输出的阀定位器的传统系统包括几个子模块。这些子模块可以被看作力放大器。然而，这种现有技术的布置导致复杂和庞大的设置。为了以低功率特别是低电功率来操作高气动压力，应用接近平衡的拓扑结构，其中气动压力的力通过例如补偿弹簧来平衡。因此，仅仅很小的力和相应的能量就足以控制过程阀的位置。6.这种小量的“受控力”通常也基于气动压力。因此，使用“减压器”，该减压器部分地减小总气动压力以向子系统提供低压，所述子系统被配置为用低电功率控制。该“低压子系统”是“先导级”。换句话说，先导级用作力放大器，通过较小的受控力来控制气动压力的较大力。7.包括具有气动输出的阀定位器的现有技术系统使用这种先导级来操作，该先导级可以以不同的方式被配置并且基于不同的技术，例如基于压电喷嘴或挡板喷嘴。先导级的使用通常导致庞大的设计并且是成本密集的。使用定位器的先导级设计的另一个问题是气动介质的恒定吹离，这导致低效率。8.本发明的各方面涉及一种用于控制具有气动输出的阀定位器的定位器驱动器，一种具有气动输出的阀定位器，一种具有气动输出的阀定位器的系统，以及具有如独立权利要求中所述的主题的定位器驱动器的用途。9.本发明的有利修改在从属权利要求中陈述。说明书、权利要求书和附图中公开的至少两个特征的所有组合都落入本发明的范围内。为了避免重复，根据该方法公开的特征也将根据所述系统应用并且是可要求保护的。10.在本发明的整个描述中，以容易理解该过程的方式呈现过程步骤的顺序。然而，本领域技术人员将认识到，许多处理步骤也可以以不同的顺序执行并产生相同或相应的结果。在这种意义上，可以相应地改变工艺步骤的顺序。一些特征具有计数字，以提高可读性或使分配更清楚，但这并不意味着存在某些特征。11.为了实现这些和其他优点并且根据本发明的目的，如在此体现和广泛描述的，提供了一种用于控制具有气动输出的阀定位器的定位器驱动器，其中该定位器驱动器被配置成机械地联接到该具有气动输出的阀定位器的阀，以控制该具有气动输出的阀定位器。12.换句话说，通过使用这种定位器驱动器，具有气动输出的阀定位器、或具有气动输出系统的阀定位器的主级的单元由定位器驱动器直接驱动和/或直接操作，以使先导级和/或减压器显得过时，以节省能量和/或实现体积较小的、具有气动输出系统的阀定位器。这意味着与现有技术的、具有气动输出的阀定位器系统相比，由定位器驱动器驱动的、具有气动输出的阀定位器可导致减小的设计空间。13.通过提供给定位器驱动器的电信号和/或电功率，可以控制由定位器驱动器实现的对主级单元的这种直接致动，而不使用气动压力。14.有利地，具有气动输出的阀定位器，其机械地联接到定位器驱动器，可以提供坚固的系统，因为它可以由较不复杂的机械构造。此外，这种具有气动输出的阀定位器可以被配置成比气动系统对于温度变化和外部振动更有鲁棒性，并且由此，它可以适应于多种生产环境。用气动输出来驱动阀定位器直接降低了对整个气动系统的空气质量的要求，因为它对由空气提供的颗粒较不敏感，这些颗粒可能被粘在例如气动先导级内。15.通过相应的定位器驱动器对具有气动输出系统的阀定位器的各个阀的谨慎操作可以提高具有气动输出系统的阀定位器的性能。因为不存在先导级所需的稳态气流，所以消除了该稳态空气消耗。16.根据一个方面，定位器驱动器被配置成直接机械地联接到具有气动输出的阀定位器的阀的柱塞。这种与阀的柱塞的直接机械联接使得能够建立使用这种阀定位器的简单系统，该具有气动输出的阀定位器包括定位器驱动器，该定位器驱动器可以被直接电驱动。17.根据一个方面，定位器驱动器被配置成布置在具有气动输出的阀定位器的壳体内，和/或定位器驱动器被配置成布置在具有气动输出的阀定位器的壳体的外部。18.构造具有气动输出的阀定位器，其中，定位器驱动器位于具有气动输出的阀定位器的壳体内，使得具有气动输出的阀定位器和/或具有气动输出系统的阀定位器的设计紧凑。19.构造具有气动输出的阀定位器，其中，定位器驱动器布置在具有气动输出的阀定位器的壳体的外部，使得能够容易地接近定位器驱动器，并且能够以有限数量的必要修改集成到现有系统中。20.根据一个方面，定位器驱动器包括音圈和/或螺线管和/或压电器件和/或电磁器件和/或磁阻机器和/或基于智能材料的膜和/或介电弹性体膜和/或形状记忆合金器件和/或磁性形状记忆合金器件。21.可以使用多种电气系统来提供定位器驱动器的功能，这使得设计能够符合特定生产环境的工业需求。22.根据一个方面，该定位器驱动器包括一个补偿元件，该补偿元件用于补偿来自具有气动输出的阀定位器内的、作用在阀上的气动压力的力，其中该补偿元件被配置成提供一个负比率力－位移关系。23.负比率力－位移关系意味着，如果补偿元件提供力以平衡源自在阀的平衡和/或静止位置(例如关闭位置)处作用在阀上的气动压力的力，并且阀必须打开，则阀或机械联接的补偿元件的额外位移将不会进一步增加补偿元件的位移所需的力，但是进一步使补偿元件移位的力将减小。24.根据一个方面，定位器驱动器的补偿元件包括压缩弹簧系统和/或凸形盘簧和/或永磁体系统，其中压缩弹簧系统配置成提供负比率力－位移关系，凸形盘簧配置成提供负比率力－位移关系，永磁体系统配置成提供负比率力－位移关系。25.基于压缩弹簧系统的补偿元件可以包括两个压缩弹簧，这两个压缩弹簧在每个弹簧的位于联接点处的一个位置处彼此机械联接，并且其中每个弹簧的每个另一端可以机械联接到刚性装置，例如具有气动输出的阀定位器的壳体。基于所述两个弹簧的机械联接，补偿元件被配置成提供负比率力－位移关系。压缩弹簧系统的联接点可以机械地联接到例如定位器的阀上，以补偿源自具有气动输出的阀定位器内的、作用在阀上的气动压力的力。26.提供了一种具有气动输出的阀定位器，包括如上所述的定位器驱动器，其被配置为控制具有气动输出的阀定位器。27.根据一个方面，具有气动输出的阀定位器的定位器驱动器机械地联接到具有气动输出的阀定位器的阀，以用于控制具有气动输出的阀定位器。28.一种提供具有气动输出的阀定位器的系统，包括：多个具有如上所述的气动输出的阀定位器；以及多个如上所述的定位器驱动器，其被配置为控制具有气动输出的多个阀定位器。·29.根据一个方面，具有气动输出的多个阀定位器和多个定位器驱动器被配置成提供4/3定位器阀系统的功能。30.具有气动输出的阀定位器，包括“4/3阀功能”的分别是具有气动输出系统的阀定位器是工业上的需求。该术语是指具有气动输出系统的阀定位器，该气动输出系统包括如下的“4”个气动端口：一个压力入口、第一和第二输出端口、以及通风端口，并且包括“3”种可能操作模式：所述气动致动器的正向运动；向后运动；以及运动受阻。通常，存在不同的用于具有气动输出的阀定位器的系统的主级拓扑结构，以允许4/3阀功能，例如四个平行的开/关阀，滑阀等。使用所述的具有气动输出的阀定位器的装置提供了构建具有气动输出系统(其包括4/3功能)的阀定位器，其有利地提供了用于所需功能的模块化设置以及具有气动输出系统的阀定位器的组件。31.具有气动输出的阀定位器的系统的具有气动输出的阀定位器中的每一者可由所述定位器驱动器直接操作。定位器驱动器的致动可以附加地或替代地基于不同的物理原理，如气动，液压，电等。32.提供了一种具有气动输出的阀定位器，包括补偿元件，该补偿元件用于补偿由具有气动输出的阀定位器内的、作用在阀上的气动压力产生的力，其中该补偿元件配置成提供负比率力－位移关系。33.使用提供负比率力－位移关系的这种补偿元件能够实现改进的具有气动输出的阀定位器，其需要较小的用于致动的能量。这是因为通常使用的弹性元件，该弹性元件平衡和/或补偿由具有气动输出的阀定位器内的、作用在阀上的气动压力产生的力，如果从平衡位置移动该弹性元件，则需要额外的力来进一步压缩弹性元件。34.具有气动输出的阀定位器(该阀定位器包括所述补偿元件，该补偿元件具有负比率力－位移关系)可以提供用于平衡平衡位置处的力的力的最大值，并且如果移出平衡位置则产生较小的力。35.提供了一种具有气动输出的阀定位器的补偿元件，该补偿元件包括如下的补偿元件，该补偿元件用于补偿由具有气动输出的阀定位器内的、作用在该阀上的气动压力产生的力，其中该补偿元件被配置成提供负比率力－位移关系；并且其中，补偿元件包括压缩弹簧系统和/或凸形盘簧和/或永磁体系统，压缩弹簧系统配置成提供负比率力－位移关系，述凸形盘簧配置成提供负比率力－位移关系，永磁体系统配置成提供负比率力－位移关系。36.通过构建补偿元件的不同机会，可以根据使用具有气动输出的阀定位器的特定需要和/或环境来设计补偿元件。37.具有气动输出的阀定位器可以包括如上所述的定位器驱动器，该具有气动输出的阀定位器包括补偿元件，该补偿元件用于补偿由具有气动输出的阀定位器内的、作用在阀上的气动压力产生的力，并且其中所述补偿元件被成提供负比率力－位移关系。38.如上所述的定位器驱动器被用来控制具有气动输出的阀定位器和/或控制具有气动输出系统的阀定位器和/或控制用于控制过程阀的气动致动器。附图说明39.附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被并入本技术并构成本技术的一部分，附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。附图显示：40.图1示出用于控制过程阀的系统；41.图2a和图2b示出具有气动输出和定位器驱动器的阀定位器；42.图3示出具有气动输出和电磁定位器驱动器的阀定位器；43.图4a至图4c示出补偿元件；44.图5a示出3/3方向定位器阀的示意图框图；45.图5b示出3/3方向定位器阀的示意性框图；46.图6a示出4/3方向定位器阀的示意性框图；以及47.图6b示出4/3方向定位器阀的示意性框图。具体实施方式48.图1示意性地示出了根据现有技术的控制过程阀120的系统的总体拓扑结构，该过程阀120由气动致动器110操作以控制气动致动器110的位置，并且其中气动致动器110由如下的系统控制，该系统包括具有气动输出的阀定位器100。为了操作这种具有气动输出的阀定位器100的系统，包括“主级”112和“先导级”116。49.主级112配置成以所需的气动操作压力(例如10巴)操作连接到过程阀120的气动致动器110。主级112可以被配置成具有接近力平衡的一个操作点，使得使用控制压力的仅小的变化就可以导致过程阀120的所希望的移动。主级112(对应地主级112的阀定位器)可以包括如下的部件，该部件提供关闭－力－平衡操作以实现力平衡。50.这种小量的“受控力”通常也基于气动压力。因此，使用“减压器”118，其将总气动压力部分地减小到低压子系统，然后可以利用低电功率控制该低压子系统。用于操作先导级116的减小的压力是气动操作压力的一部分并由减压器118调节。51.先导级116表示系统(该系统包括具有气动输出的阀定位器100)的“低压子系统”，并且被配置成控制上述的控制压力，其中先导级116可由电子线路114产生的电信号控制。换句话说，先导级116用作力放大器，其通过较小的受控力来控制气动压力的较大力。52.典型地，阀定位器经由先导级而被操作，该先导级可以以不同的方式和通过使用不同的技术来实现，例如使用压电喷嘴(piezo-nozzle)或挡板喷嘴(flapper-nozzle)。53.通常，包括具有气动输出系统的阀定位器100的系统对于工业生产面临两个相反的要求：一方面，需要高气动压力来操作；另一方面，对低功耗有严格的要求。54.为了实现这一点，如图1所示的包括具有气动输出的阀定位器100的常规系统包括多个子模块，分别为具有气动输出的阀定位器。这些子模块可以被看作力放大器。然而，这种现有技术的布置导致复杂和庞大的组件。55.如上所述，为了以低电功率操作高气动压力，通常设计子模块的接近平衡的拓扑结构，其中由气动压力产生的力由例如反弹簧平衡。由此，仅仅很小的力和相应的能量就足以改变过程阀120的位置。56.使用先导级116通常导致包括具有气动输出的阀定位器100的这种系统的组件体积庞大，并且成本昂贵。使用先导级的另一个缺点是需要气动介质的恒定吹离，这使得系统效率低。57.图2a示意性地示出了用于控制具有气动输出的阀定位器100(其分别是具有气动输出的阀定位器100的单元)的定位器驱动器200，其中定位器驱动器200被配置为机械地联接到阀定位器的阀210，以用于控制具有气动输出的阀定位器100。定位器驱动器200可以被配置成直接机械地联接到具有气动输出的阀定位器100的阀210的柱塞220。如图2a所示的定位器驱动器200配置成布置在具有气动输出的阀定位器100的壳体230的外部。58.如图2b所示的具有定位器驱动器200和气动输出的阀定位器100对应于如图2a所示的具有气动输出的阀定位器100，但是这个定位器驱动器200被配置和安排在具有气动输出的阀定位器100的壳体230的内部。59.图3对应于图2a，其中定位器驱动器200被配置和布置在具有气动输出的阀定位器100的壳体230的外部。如图3所示的定位器驱动器200包括电磁装置，例如螺线管，该电磁装置包括永磁体和可移动的铁磁装置，该可移动的铁磁装置可以由流过缠绕在铁磁装置周围的线圈的电流磁化。如果铁磁装置被流过线圈的电流磁化，该铁磁装置可通过阀210的柱塞220直接机械地联接到阀定位器100的阀，则阀210可根据流过线圈的电流的方向而打开或关闭。60.图4a至图4c示意性地描绘了具有气动输出的阀定位器100的补偿元件400的可行的不同实施例的示例，该补偿元件用于补偿由具有气动输出的阀定位器100内的、作用在阀210上的气动压力产生的力，其中每个补偿元件400被配置成提供负比率力－位移关系(negative rate force-displacement relationship)。61.图4a的补偿元件400包括压缩弹簧410，420的系统，这些压缩弹簧在每个弹簧410，420的位于联接点430处的一个部位处机械地彼此联接，并且其中每个弹簧410，420的每个另一端可以机械地联接到刚性装置440，例如具有气动输出的阀定位器的壳体230。基于所描述的两个弹簧410，420的机械联接，图4a的补偿元件400被配置成提供负比率力－位移关系。联接点430可以机械地联接到例如具有气动输出的阀定位器100的柱塞220，以补偿源自具有气动输出的阀定位器100内的、作用在阀210上的气动压力的力。62.如图4b中所示的补偿元件400包括凸形盘簧450，其中凸形盘簧450的两个端点(该两个端点分别为凸形盘簧的部分或整个周边)，可以机械地联接到刚性装置440，例如具有气动输出的阀定位器的壳体230。基于凸形盘簧450的所述机械联接，图4b的补偿元件400被配置成提供负比率力－位移关系。除了盘形之外，补偿元件400还可以由形成为如图4c所描绘的简单金属条带片来配置。中心联接点452可例如通过具有气动输出的阀定位器100的柱塞220机械地联接到阀210，以补偿源自具有气动输出的阀定位器100内的、作用在阀210上的气动压力的力。63.作为补偿元件400的第三实施例，图4c描绘了永磁体系统460，其被配置为提供负比率力－位移关系。永磁体系统460的永磁体可机械地联接到刚性装置，例如具有气动输出的阀定位器的壳体230，并且该永磁体可布置和配置成通过磁力联接到具有气动输出的阀定位器100的阀210。为此，阀210和/或阀210的柱塞220可包括用于磁联接的铁磁部件和/或另一永磁体。因为永磁体和/或具有铁磁材料的永磁体的磁联接随着相应部件的距离而减小，所以永磁体系统460可以被配置为通过提供负比率力－位移关系，以补偿源自具有气动输出的阀定位器内的、作用在阀210上的气动压力的力。64.图5a示意性地描绘了3/3方向定位器阀500，分别是包括具有气动输出的阀定位器500的系统，该阀定位器500包括双开/关阀拓扑结构。3/3方向定位器阀500的功能由如图5a所示的排气位置500a、阻塞位置500b和充气位置500c示意性地表示。这种3/3方向定位器阀可以包括入口端口510、出口端口520和通风端口530，以提供上述功能。65.图5b示意性地示出了包括双开/关阀拓扑结构的3/3方向定位器阀500的框图，该拓扑结构包括具有气动输出单元542，544的两个阀定位器，该气动输出单元542，544气动地联接在具有气动输出单元542，544的两个阀定位器的出口侧处，其中气动输出单元542，544气动地联接到包括具有气动输出的阀定位器500的系统的出口端口520。第一定位器单元542的入口端口气动地连接到包括具有气动输出的阀定位器500的系统的入口510，并且第二定位器单元544的入口端口气动地连接到包括具有气动输出的阀定位器500的系统的通风端口530。66.以下操作矩阵指示第一定位器单元v1 542和第二定位器单元v2544的位置以提供如上所述的功能：[0067] v1v2充气10排气01阻塞00“冲洗”11[0068]图6a示意性地描绘了4/3方向定位器阀600，其分别是包括具有气动输出的阀定位器600的系统，包括quattro开/关阀拓扑结构。如图6a所示，4/3方向定位器阀600的功能由打开位置600a、阻塞位置600b和关闭位置600c示意性地表示。这种4/3方向定位器阀600可包括入口端口510、第一出口端口610、第二出口端口620和通风端口530，以提供所述功能。[0069]图6b示意性地示出了包括quattro开/关阀拓扑结构的4/3方向定位器阀600的框图，该拓扑结构具有带有气动输出单元642、644、646、648的四个阀定位器，其中带有气动输出单元642的第一阀定位器和第二定位器单元644气动地联接在具有气动输出单元642、644的第一和第二阀定位器的出口侧处，该气动输出单元642，644气动地联接到包括带有气动输出的阀定位器600的系统的第二出口端口620。第一定位器单元642的入口端口气动地连接到带有气动输出单元646的第三阀定位器的入口端口，使得两者均气动地连接到具有气动输出的阀定位器600的第一入口端口510。第二定位器单元644的入口端口气动地连接到具有气动输出单元648的第四阀定位器的入口端口，使得两者均气动地连接到具有气动输出的阀定位器600的第二入口端口530。[0070]以下操作矩阵指示第一定位器单元v1 642、第二定位器单元v2644、第三定位器单元v3 646和第四定位器单元v4 648的位置，以提供如上所述的功能：[0071] v1v2v3v4打开1001关闭0110阻塞0000其他1111其他1110其他1100其他1101其他1000其他1011其他1010其他0111其他0001其他0100其他0101其他0011其他0011其他0010









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