專利名稱：低消耗氣動(dòng)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開大體上涉及氣動(dòng)控制器，更具體而言，涉及一種使用在要求非常 低的供應(yīng)流體消耗的過程控制應(yīng)用中的氣動(dòng)控制器的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
過程控制系統(tǒng)典型地使用諸如壓縮空氣或氣體等供應(yīng)流體來操作過程 控制系統(tǒng)內(nèi)的氣動(dòng)過程控制部件。在遠(yuǎn)程地點(diǎn)，過程控制系統(tǒng)還已知為使用 受控的過程介質(zhì)來操作諸如氣動(dòng)儀器或控制器等控制系統(tǒng)部件和控制閥致 動(dòng)器。在很多過程應(yīng)用中，被用來操作控制系統(tǒng)的氣動(dòng)供應(yīng)流體的一部分可 能在操作期間被消耗(即，供應(yīng)氣體在操作期間被排放，沒有被捕獲或再循 環(huán))。例如， 一般已知的是，閉合回路氣動(dòng)控制器經(jīng)常使用比例帶閥來調(diào)節(jié) 氣動(dòng)控制器的伺服回路內(nèi)的反饋信號(hào)。大多數(shù)比例帶閥被實(shí)施為將 一 部分供 應(yīng)流體排放或者排出到大氣中的可預(yù)設(shè)定的三通閥或二通分壓器。
用于操作氣動(dòng)控制器的供應(yīng)流體或者氣體的量可分成兩類使諸如控制 閥等氣動(dòng)控制裝置工作所需的供應(yīng)流體，以及被消耗或者膨脹來操作氣動(dòng)控 制器的供應(yīng)流體。例如，在需要壓力控制的系統(tǒng)中，包括控制閥和氣動(dòng)控制 器的控制回路可被使用。對(duì)于這種控制回路，供應(yīng)氣體被用來致動(dòng)或者移動(dòng) 控制閥，并且在氣動(dòng)控制器的操作期間被消耗以產(chǎn)生氣動(dòng)控制信號(hào)來致動(dòng)控制閥。過程控制回路內(nèi)的將供應(yīng)流體排放到大氣的元件本質(zhì)上浪費(fèi)排放中的 供應(yīng)流體。在一些過程控制應(yīng)用中，大量供應(yīng)流體被浪費(fèi)。作為示例，比例
帶閥可排出高達(dá)80%的用于操作控制器的供應(yīng)氣體。
的，例如在天然氣用作供應(yīng)流體的天然氣工業(yè)中。這樣，如天然氣等高價(jià)值 流體的損失可為操作者提供限制供應(yīng)流體消耗的重要的經(jīng)濟(jì)動(dòng)機(jī)。另外，供 應(yīng)流體泄漏對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)某些種類的排放或排出超過限制的現(xiàn)有規(guī)定 處罰形成限制氣動(dòng)儀器消耗的另外的激勵(lì)。即使在壓縮空氣用作供應(yīng)氣體的 非遠(yuǎn)程地點(diǎn)，壓縮空氣從眾多氣動(dòng)控制器的排放可增大供應(yīng)壓縮空氣所需的 壓縮機(jī)的操作成本和/或尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)示例， 一種用于控制過程的氣動(dòng)控制器包括氣動(dòng)控制架，用 于向控制元件提供過程控制信號(hào)；氣動(dòng)反饋組件，用于向所述氣動(dòng)控制架提 供表示所述過程的反饋控制信號(hào)，其中所述反饋控制信號(hào)修改所述過程控制 信號(hào)；以及連接到所述氣動(dòng)反饋組件的反饋比例配置裝置，用于提供對(duì)所述 反饋控制信號(hào)的調(diào)節(jié)。
根據(jù)另一示例， 一種用于氣動(dòng)過程控制器的反饋比例配置裝置包括反 饋檢測(cè)器，用于提供表示控制信號(hào)的反饋信號(hào)；和懸臂組件，用于提供對(duì)所 述反饋信號(hào)的預(yù)定調(diào)節(jié)。所述懸臂組件實(shí)質(zhì)上減小所述氣動(dòng)過程控制器的供 應(yīng)流體消耗。


相信具有新穎性的本發(fā)明的特征具體闡釋在所附權(quán)利要求中。通過參見 下面結(jié)合所附附圖的描述可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行最佳的理解，其中各附圖中相同的 附圖標(biāo)記表示相同的元件，其中
圖1為表示包括懸臂反饋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的示例性氣動(dòng)控制器的示意圖；圖2為懸臂反饋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的放大圖3為表示用于氣動(dòng)控制器的偏心凸輪調(diào)節(jié)器的示意圖4A為用于氣動(dòng)控制器的示例性齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)的透視圖4B為示例性齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)的外側(cè)齒條的側(cè)視圖4C為示例性齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)的剖視端視圖；和
圖5為示例性齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)的懸臂的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
回路內(nèi)的反饋信號(hào)，以實(shí)質(zhì)上減小操作期間的流體消耗。參見圖1,其描述 了示例性氣動(dòng)控制器IO。氣動(dòng)控制器10包括氣動(dòng)控制架13、反饋組件12、 以及比例反饋裝置37。在一個(gè)實(shí)施例中，氣動(dòng)控制架包括繼動(dòng)器13。反饋 組件12包括波登管組件32和噴嘴擋板組件22，噴嘴擋板組件22包括噴嘴 閥17和加法橫梁擋板(summing beam-flapper ) 21。為了操作控制器10，諸 如天然氣等供應(yīng)流體ll被連接到繼動(dòng)器13的入口 14。繼動(dòng)器13提供氣動(dòng) 控制架以通過控制壓力20來驅(qū)動(dòng)控制閥致動(dòng)器16,從而將用于控制經(jīng)過控 制閥33的過程流量50的流量控制元件31定位在控制閥33內(nèi)。用于致動(dòng)控 制閥致動(dòng)器16的控制壓力20來源于與連接到繼動(dòng)器13的供應(yīng)流體11相關(guān) 的壓力，并且部分地由噴嘴擋板組件22產(chǎn)生的氣動(dòng)控制信號(hào)來確定。
在氣動(dòng)控制器10的初始起動(dòng)中，繼動(dòng)器13中的內(nèi)部繼動(dòng)閥23打開， 供應(yīng)流體11流動(dòng)通過繼動(dòng)器13內(nèi)的繼動(dòng)腔24和控制腔29，以在致動(dòng)器16 中產(chǎn)生控制壓力20。如圖2所示，控制腔29的入口 18處的氣動(dòng)節(jié)流器43 在繼動(dòng)腔24和控制腔29的加壓期間產(chǎn)生滯留或者延遲，以向致動(dòng)器16提 供流體流動(dòng)，直到達(dá)到繼動(dòng)器13的預(yù)定或操作力平衡為止，如本文所描述 的那樣。在操作期間，控制壓力20是連接到繼動(dòng)器13的控制入口 19的噴 嘴擋板組件22通過壓力分流作用對(duì)噴嘴壓力30進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果。也就是， 通過主要由供應(yīng)流體壓力11以及入口彈簧51和繼動(dòng)腔彈簧52產(chǎn)生的附加偏壓彈簧力而形成的力平衡，繼動(dòng)閥23進(jìn)行操作，其中供應(yīng)流體壓力ll根 據(jù)繼動(dòng)器13中上隔膜26與加載隔膜27的面積比起作用。 一般應(yīng)該理解， 通過控制根據(jù)加載隔膜27而作用的噴嘴壓力30，與噴嘴壓力30直接相關(guān) 的補(bǔ)充力控制繼動(dòng)閥23定位，并繼而控制到達(dá)致動(dòng)器16的控制壓力20。
先前所述的噴嘴擋板組件22的分流作用由加法橫梁擋板21相對(duì)于噴嘴 閥17的相對(duì)位置產(chǎn)生。噴嘴擋板組件22中相對(duì)位置的變化產(chǎn)生可變的流體 節(jié)流(fluid restriction)，該可變的流體節(jié)流導(dǎo)致噴嘴壓力30的相應(yīng)變化。 更具體而言，噴嘴閥17相對(duì)于電子束擋板21的相對(duì)位置部分地由與下游過 程流體流量50相關(guān)的過程壓力40來確定。為了感應(yīng)或者^r測(cè)過程壓力40, 波登管組件32被直接連接到下游過程流體流量50。當(dāng)波登管組件32被加 壓時(shí)，波登管組件32將根據(jù)過程壓力40的變化而膨脹或者收縮。相應(yīng)地， 應(yīng)該理解的是，過程壓力40的增大導(dǎo)致波登管組件32的膨脹，這相繼使加 法橫梁擋板21從標(biāo)記為A的左端開始移動(dòng)而引起朝向噴嘴閥17的移動(dòng)， 從而有效地增大噴嘴閥17處的節(jié)流，以增大繼動(dòng)器13中的加載隔膜27上 的壓力，加載隔膜27上的壓力增大相繼打開繼動(dòng)閥23，從而造成到達(dá)致動(dòng) 器16的控制壓力20增大。類似地，過程壓力40的減小使得波登管組件32 收縮，這使加法橫梁擋板21移動(dòng)遠(yuǎn)離噴嘴閥17,從而減小由噴嘴擋板組件 22呈現(xiàn)的節(jié)流以及加載隔膜27上的流體壓力，繼而造成到達(dá)致動(dòng)器16的 控制壓力20減小。在示例性氣動(dòng)控制器10中，波登管組件32被用作過程 反饋纟企測(cè)器或元件，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是也可以使用諸如波紋管 組件等其它反饋元件。
為了改變控制閥33的控制點(diǎn)，氣動(dòng)控制器IO提供連接到噴嘴擋板組件 22的調(diào)節(jié)裝置25,以在噴嘴擋板組件22中形成固定或最小壓力分流。也就 是，氣動(dòng)控制器10的設(shè)定點(diǎn)通過調(diào)節(jié)噴嘴閥17相對(duì)于加法橫梁擋板21的 絕對(duì)位置來設(shè)立。在示例性氣動(dòng)控制器10中，凸輪式操作桿裝置36使噴嘴 閥17相對(duì)于加法橫梁擋板21移動(dòng)，以提供前述通過噴嘴閥17的預(yù)定分流 或"泄放，，。通過設(shè)立該預(yù)定分流，噴嘴壓力30向加載隔膜27上提供預(yù)定力，以使到達(dá)致動(dòng)器16的控制壓力20大致固定。 一般還已知的是過程(即， 閥內(nèi)的振動(dòng)力，或者闊下游流量需求的變化)內(nèi)的波動(dòng)可導(dǎo)致控制元件31 的位置偏離，這將影響過程控制(即，只使用前述設(shè)定點(diǎn)控制的開放式回路 控制是不足以控制過程的)。為了最小化這種波動(dòng)對(duì)過程的影響，過程控制 器提供用在閉合回路控制策略中的可調(diào)節(jié)負(fù)反饋的裝置。
傳統(tǒng)的氣動(dòng)控制器經(jīng)常使用連接在控制壓力與大氣之間的比例帶閥，以 通過反饋或者比例波紋管(即，可調(diào)節(jié)負(fù)反饋裝置)來成比率地比例配置或 者調(diào)節(jié)壓力反饋。傳統(tǒng)的氣動(dòng)控制器使用比例帶閥作為分壓器，以基于控制 器的輸出壓力百分比來形成比例帶波紋管中的反饋壓力。 一般應(yīng)該理解的
比，并且最終產(chǎn)生用于控制器的不同比例的增益?？刂破魃系谋壤龓гO(shè)定被 用于響應(yīng)設(shè)定點(diǎn)的變化和出現(xiàn)在期間的負(fù)載倒置來微調(diào)過程回路的響應(yīng)，但 是比例帶閥不斷地將供應(yīng)氣體排放到大氣中，這通常浪費(fèi)大量供應(yīng)氣體。
示例性氣動(dòng)控制器IO通過用懸臂反饋機(jī)構(gòu)60來替代比例帶閥而減小其 消耗，懸臂反饋機(jī)構(gòu)60提供比例帶調(diào)節(jié)，但沒有與比例帶閥關(guān)聯(lián)的泄放。 如圖1和圖2所示，比例波紋管組件41被氣動(dòng)地連接到控制壓力20,并被 機(jī)械地連接到加法橫梁擋板21作為過程控制信號(hào)檢測(cè)器。比例波紋管組件 41包括上波紋管55和下波紋管56。上波紋管55被連接到控制壓力20。下 波紋管56與大氣相通。這樣，比例波紋管組件41可4企測(cè)和響應(yīng)控制壓力 20的變化，以通過加法橫梁擋板21提供反饋力，從而抵消噴嘴閥17處的 壓力變化，并使存在于繼動(dòng)器13上的壓力差平衡。在操作期間，控制壓力 20的變化被供給到比例波紋管組件41,這引起上波紋管55的相應(yīng)膨脹或收 縮，該膨脹或收縮相對(duì)于加法橫梁擋板21的右端§_施加反饋力，以抵消由 噴嘴壓力30的增大或減小導(dǎo)致的噴嘴閥的力。
為了提供對(duì)氣動(dòng)控制器的響應(yīng)進(jìn)行"微調(diào)"或者優(yōu)化，懸臂反饋機(jī)構(gòu) 60提供比例帶調(diào)節(jié)。該比例帶調(diào)節(jié)基于由過程壓力40的給定變化造成的通 過比例波紋管組件41施加到加法橫梁擋板21上的運(yùn)動(dòng)的減小或者分配。應(yīng)該理解的是，對(duì)于過程壓力40中的給定變化，比例波紋管組件41的上波紋
管55^吏懸臂反饋機(jī)構(gòu)60的端部位移，該位移量與比例波紋管組件41的有 效面積成正比，并與由懸臂反饋機(jī)構(gòu)60形成的彈簧系數(shù)或剛度和比例波紋 管組件41的剛度組合成反比。
懸臂反饋機(jī)構(gòu)60通過改變懸臂65的有效長(zhǎng)度并繼而改變懸臂65的彈 簧系數(shù)來提供比例帶調(diào)節(jié)。也就是，懸臂65的有效長(zhǎng)度通過將比例帶調(diào)節(jié) 器68移動(dòng)到不同位置來調(diào)節(jié)。如圖l和圖2所示，比例帶調(diào)節(jié)器68是一種 被設(shè)置為沿懸臂65滑動(dòng)的夾持裝置，并可通過諸如旋轉(zhuǎn)緊固件(即，翼形 螺釘設(shè)置)等任何本領(lǐng)域眾所周知的裝置來緊固。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解 的是，也可以使用懸臂65和比例帶調(diào)節(jié)器68的不同設(shè)置來對(duì)準(zhǔn)這兩個(gè)部件。 例如，與懸臂65的長(zhǎng)橫交的槽可容納比例帶調(diào)節(jié)器68的緊固件，或者比例 帶調(diào)節(jié)器68可具有"橫跨"懸臂的凹槽(未示出)以保持對(duì)準(zhǔn)，這些都不 脫離示例性反饋調(diào)節(jié)裝置的精神和范圍。
在對(duì)氣動(dòng)控制器10的反饋進(jìn)行微調(diào)時(shí)，比例帶調(diào)節(jié)器68的重新定位使 得懸臂65的剛度隨著懸臂65的柔性部的長(zhǎng)度變化而變化。因此，作用在比 例波紋管組件41中的過程壓力與懸臂65提供的剛度的組合向加法橫梁擋板 21施加可調(diào)節(jié)的位移，以控制到達(dá)致動(dòng)器16的控制壓力20。例如，將比例 帶調(diào)節(jié)器68移動(dòng)到圖2的右側(cè)減小懸臂65 ^/剛度，并造成加法橫梁擋板 21因比例波紋管組件41中的壓力變化引起的位移更多。除了由上述比例帶 調(diào)節(jié)器68的位置變化導(dǎo)致的位移修改之外，也可采用附加的擴(kuò)展來改變懸 臂的剛度效果(即，上、下波紋管55和56都具有與懸臂65的剛度結(jié)合進(jìn) 行操作的相關(guān)彈簧系數(shù))。
例如，當(dāng)比例帶調(diào)節(jié)器68被定位到右側(cè)時(shí)，懸臂65的有效長(zhǎng)度增大。
因?yàn)閼冶?5的有效長(zhǎng)度增大，比例波紋管組件41的更多位移直接傳遞到加
法橫梁擋板21,從而產(chǎn)生對(duì)懸臂65剛度的乘法效果。該增大的反饋可不與
懸臂65的長(zhǎng)度成正比。事實(shí)上，該乘法效果可相對(duì)于比例帶調(diào)節(jié)器68的位
置變化和比例波紋管組件41的固有彈簧系數(shù)成近似對(duì)數(shù)關(guān)系，其可施加與上波紋管55的位移長(zhǎng)度有關(guān)的額外的力。對(duì)數(shù)關(guān)系在控制器的應(yīng)用中可能
是所期望的，因?yàn)楫?dāng)比例帶變大(即，反饋供應(yīng)敏感度增大)時(shí)，這種對(duì)數(shù) 關(guān)系可增強(qiáng)比例增益調(diào)節(jié)的微調(diào)敏感度。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以認(rèn)識(shí)到，不 同懸臂設(shè)置可提供其它的移動(dòng)/彈簧系數(shù)關(guān)系，例如"板簧"設(shè)置或者懸臂 的可變厚度或?qū)挾取?br> 為了改變操作中的反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)器68沿懸臂65的長(zhǎng)度移動(dòng)。如前所 述，如果比例帶調(diào)節(jié)器68—直移動(dòng)到圖2中的懸臂65的右側(cè)，則所有控制 壓力20的變化均反饋回比例波紋管組件41。這樣，隨著控制壓力20增大， 比例波紋管組件41將膨脹并使加法橫梁擋板21移動(dòng)遠(yuǎn)離噴嘴17,從而使 來自繼動(dòng)器的控制壓力20減小。類似地，當(dāng)比例帶調(diào)節(jié)器68—直移動(dòng)到懸 臂65的左側(cè)時(shí)，懸臂反饋機(jī)構(gòu)60和比例波紋管組件41的組合剛度可抵抗 過程壓力40,從而減小加法橫梁擋板21離開噴嘴的位移。該運(yùn)動(dòng)增大噴嘴 阻力，從而增大加載隔膜27上的壓力，繼而增大控制壓力20。因此，示例 性氣動(dòng)控制器IO提供比例帶調(diào)節(jié)，但不會(huì)將供應(yīng)流體排放到周圍大氣。
示例性氣動(dòng)控制器10還可提供一種用于將比例帶調(diào)節(jié)器68緊固到懸臂 65的可替換裝置。圖3顯示一種用于將比例帶調(diào)節(jié)器緊固到懸臂65的夾持 設(shè)置，而無需直接夾持到懸臂65上的旋轉(zhuǎn)緊固件。在鎖定桿組件168中， 諸如貝氏彈簧的彈簧部件185在凸輪動(dòng)作期間提供機(jī)械順從性，以防止懸臂 65變形或者軸181的永久性拉長(zhǎng)。類似于前述比例帶調(diào)節(jié)器，示例性鎖定 桿組件168沿懸臂定位在希望的位置。鎖定桿180繞調(diào)節(jié)器夾具187內(nèi)的銷 182旋轉(zhuǎn)而偏離鎖定桿180的中心軸線Z。當(dāng)鎖定桿180順時(shí)針旋轉(zhuǎn)而接合 夾具187時(shí)，調(diào)節(jié)器軸181被朝懸臂65牽引，從而壓縮彈簧185，以提供 懸臂65上的彈簧偏壓/順從負(fù)載，其將鎖定桿組件168緊固在希望的位置。 另外， 一對(duì)分隔件191和192可被設(shè)置以避免損壞懸臂65,并在調(diào)節(jié)器夾 具187的接合期間提供對(duì)準(zhǔn)。為了提供用于調(diào)節(jié)貝氏彈簧負(fù)載的裝置，調(diào)節(jié) 螺母184可被螺紋連接到軸181，以控制鎖定桿組件168的壓縮深度。本領(lǐng) 域技術(shù)人員可認(rèn)識(shí)到，也可以使用其它的順從裝置來在凸輪動(dòng)作期間提供暫時(shí)性伸長(zhǎng)，例如巻簧或者聚合物。
在另一實(shí)施例中，上述示例性氣動(dòng)控制器10可提供用于調(diào)節(jié)比例帶的
可替換裝置。圖4A、 4B和4C圖示出可用于調(diào)節(jié)氣動(dòng)控制器IO的比例反饋 的齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)240。更具體而言，圖4A示出連接到波紋管組件241 的齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)240的一個(gè)實(shí)施例的透視圖。齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)240包 括增益調(diào)節(jié)條262、內(nèi)側(cè)和外側(cè)齒條265和267、滾軸齒輪組件260、以及 偏壓彈簧組件272。增益調(diào)節(jié)條262包括具有大致T形截面的偏壓部分268， 以及具有矩形截面的滾軸部分269。內(nèi)側(cè)和外側(cè)齒條265、 267能夠通過本 領(lǐng)域技術(shù)人員已知的各種方法連接到增益調(diào)節(jié)條262上，例如緊固件、焊接、 釬焊、粘接，或者鑄造為單個(gè)一體式工件。T形偏壓部分268提供用于懸臂 275的安裝凸臺(tái)268a。滾軸部分269的平坦表面269a ^是供用于滾軸齒輪組 件260的調(diào)節(jié)表面。
為了提供對(duì)波紋管組件241的比例反饋的調(diào)節(jié)，懸臂275的第一端280 能夠被操作性地連接在波紋管組件241的上、下波紋管242與243之間，懸 臂的第二端282能夠被操作性地連接到增益調(diào)節(jié)條262的偏壓部分268。偏 壓彈簧組件272包括偏壓彈簧290和偏壓彈簧保持件292,并連接到偏壓部 分268，以將懸臂275的第二端282固定到增益調(diào)節(jié)條262。
滾軸齒輪組件260被定位在增益調(diào)節(jié)條262的滾軸部分269與懸臂275 之間。如圖4C所示，滾軸齒壽侖組件260包括滾軸298、內(nèi)側(cè)和外側(cè)齒4侖傳 動(dòng)才幾構(gòu)300、 302、以及調(diào)節(jié)4丑310。內(nèi)側(cè)和外側(cè)齒4侖傳動(dòng)機(jī)構(gòu)300、 302被 連接到滾軸298，并且沿形成有內(nèi)側(cè)和外側(cè)齒條265、 267的齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 304a、 304b行進(jìn)，這使?jié)L軸298沿增益調(diào)節(jié)條262的滾軸部分269定位。如 圖4B所示，板簧312能夠被整體式連接在外側(cè)齒條267與外側(cè)齒輪傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)302之間。板簧312在外側(cè)齒條267與外側(cè)齒輪傳動(dòng)才幾構(gòu)302之間提供偏 壓力，以在這兩者之間產(chǎn)生正嚙合。板簧312可具有優(yōu)選為12磅/英寸的彈 簧系數(shù)。
如圖4C所示，增益調(diào)節(jié)條262的T形偏壓部分268提供間隙凹槽278、279以沒有干擾地容納滾軸齒輪組件260的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)300、 302。本領(lǐng)域 技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，內(nèi)側(cè)和外側(cè)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)300、 302以及形成有內(nèi)側(cè) 和外側(cè)齒條265、 267的齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)304a、 304b優(yōu)選纟皮對(duì)準(zhǔn)，并且在纟喿作 期間偏壓彈簧組件272向懸臂275加載使之抵靠滾軸298。應(yīng)該進(jìn)一步認(rèn)識(shí) 到，滾軸298相對(duì)于偏壓彈簧組件292的相對(duì)位置確定懸臂275的有效長(zhǎng)度, 并繼而確定施加到波紋管組件241上的反饋力。
如前所迷，比例帶調(diào)節(jié)基于由過程壓力的給定變化造成的通過比例波紋 管組件41施加到加法橫梁擋板21上的運(yùn)動(dòng)的減小或者分配。應(yīng)該理解的是， 對(duì)于過程壓力的給定變化，比例波紋管組件的上波紋管使反饋機(jī)構(gòu)的端部位 移，該位移量與比例波紋管組件的有效面積成正比，并與由反饋機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的 彈簧系數(shù)或剛度和比例波紋管組件的剛度組合成反比。
齒輪齒條反饋機(jī)構(gòu)240通過改變懸臂275的有效長(zhǎng)度并繼而改變懸臂 275的彈簧系數(shù)來提供比例帶調(diào)節(jié)。也就是，通過將滾軸298移動(dòng)到不同位 置來調(diào)節(jié)懸臂275的有效長(zhǎng)度。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，滾軸齒輪組件 260的位置改變懸臂275的彎曲點(diǎn)，以改變其有效長(zhǎng)度，因而使得懸臂275 的剛度隨著懸臂275的柔性部的長(zhǎng)度變化而變化。因此，作用在比例波紋管 組件241中的過程壓力以及由懸臂275提供的剛度的組合導(dǎo)致向加法橫梁擋 板21 (圖1 )施加可調(diào)節(jié)的位移，以控制到達(dá)致動(dòng)器16 (圖1 )的控制壓力 20 (圖1 )。
例如，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)增益調(diào)節(jié)鈕310將滾軸移動(dòng)到圖4A的右側(cè)，從而減 小懸臂275的剛度，并使得加法橫梁擋板21因比例波紋管組件241中的壓 力變化而引起的位移 更多。除了由于上述滾軸298的位置變化導(dǎo)致的位移修 改之外，也可釆用附加的擴(kuò)展來改變懸臂275的剛度效果(即，上、下波紋 管242和243都具有與懸臂275的剛度結(jié)合進(jìn)行操作的相關(guān)彈簧系數(shù))。
類似于前述實(shí)施例，因?yàn)閼冶?75的有效長(zhǎng)度增大，比例波紋管組件 241的更多位移被直接傳遞到加法橫梁擋板21(圖1),從而產(chǎn)生對(duì)懸臂275 剛度的乘法效果。該增大的反饋可不與懸臂275的長(zhǎng)度成正比。事實(shí)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，該乘法效果可相對(duì)于滾軸298的位置變化和比例 波紋管組件241的固有彈簧系數(shù)成近似對(duì)數(shù)關(guān)系，其可施加與上波紋管242 的位移長(zhǎng)度有關(guān)的額外的力。該對(duì)數(shù)關(guān)系在控制器的應(yīng)用中可能是所期望 的，因?yàn)楫?dāng)比例帶變大(即，反饋供應(yīng)敏感度增大)時(shí)，這種對(duì)數(shù)關(guān)系可增 強(qiáng)比例增益調(diào)節(jié)的微調(diào)敏感度。
類似地，當(dāng)被逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的滾軸298 —直移動(dòng)到懸臂275的左側(cè)時(shí)，懸 臂反饋機(jī)構(gòu)240和比例波紋管組件241的組合剛度可抵抗過程壓力40 (圖 1),因而減小加法橫梁擋板21 (圖1)離開噴嘴的位移。此外，當(dāng)滾軸198 一直移動(dòng)到圖4A所示的齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)240的左側(cè)時(shí)，懸臂275可沿與 波紋管組件241施加的力相反的方向?qū)⑦\(yùn)動(dòng)傳遞到加法橫梁擋板21。懸臂 375的一個(gè)示例詳細(xì)圖示在圖5中。
懸臂375具有帶有第一端375a和第二端375b的Y形嵌套式結(jié)構(gòu)。第 一端375a包括用于容納偏壓彈簧組件272并被連接到例如如圖4A所示的增 益調(diào)節(jié)條262的開口 384。第二端375b包括能夠被操作性地連接到氣動(dòng)控 制器10的加法橫梁擋板21 (圖1 )的內(nèi)Y形部380,以及能夠被操作性地 連接到波紋管組件41 (圖1 )的外Y形部385。當(dāng)滾軸298與懸臂375的由 圖5中的附圖標(biāo)記"A"表示的軸線相交時(shí)，由滾軸298支撐的內(nèi)Y形部380 可與由波紋管組件41作用于其上的外Y形部385相反地移動(dòng)，這合成地提 供控制回路中的正反饋。該正反饋將控制器的靜態(tài)增益增大到比控制器的前 向路徑增益大的數(shù)值，控制器的前向路徑增益在控制回路中提供增強(qiáng)的敏感 度并且在整數(shù)比控制器中提供更大的整體敏感度。
盡管示出和描述了當(dāng)前被認(rèn)為的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù) 人員而言明顯的是，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下 可以做出各種變化和修改。例如，還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)240是 位置獨(dú)立的。也就是，圖4A所示的滾軸齒輪組件260圖示出懸臂275被定 位在參照?qǐng)D1的示例性氣動(dòng)控制器10的增益調(diào)節(jié)條262的下側(cè)。這種定位 對(duì)于示例性氣動(dòng)控制器10的直接作用配置是合適的。對(duì)于反作用配置，齒條齒輪反饋機(jī)構(gòu)240能夠繞增益調(diào)節(jié)條262的長(zhǎng)度限定的縱向軸線旋轉(zhuǎn)，以 便將懸臂275放置在滾軸齒輪組件260的上側(cè)，這也將外側(cè)齒條267調(diào)換為 內(nèi)側(cè)齒條265。盡管本文描述了特定裝置、方法以及制造品，本專利所覆蓋 的范圍并不限于此。相反，本專利覆蓋所有在文字上或者按照等同原則落入 所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的裝置、方法和制造品。
權(quán)利要求
1、一種用于控制過程的氣動(dòng)控制器，該控制器包括氣動(dòng)控制架，用于向控制元件提供過程控制信號(hào)；氣動(dòng)反饋組件，用于向所述氣動(dòng)控制架提供表示所述過程的反饋控制信號(hào)，其中所述反饋控制信號(hào)修改所述過程控制信號(hào)；以及連接到所述氣動(dòng)反饋組件的齒條齒輪反饋組件，其中所述齒條齒輪反饋組件提供對(duì)所述反饋控制信號(hào)的調(diào)節(jié)。
2、 如權(quán)利要求1所述的氣動(dòng)控制器，其中所述齒條齒輪反饋組件進(jìn)一 步包括波紋管組件。
3、 如權(quán)利要求1所述的氣動(dòng)控制器，其中所述氣動(dòng)控制架包括繼動(dòng)器。
4、 如權(quán)利要求1所述的氣動(dòng)控制器，其中所述氣動(dòng)反饋組件進(jìn)一步包 括波登管和噴嘴擋板組件。
5、 如權(quán)利要求1所述的氣動(dòng)控制器，其中所述齒條齒輪反饋組件包括 懸臂和滾軸齒輪組件，該滾軸齒輪組件用于調(diào)節(jié)該懸臂剛度以使所述懸臂的 剛度提供預(yù)定反饋控制信號(hào)。
6、 如權(quán)利要求5所述的氣動(dòng)控制器，其中所述懸臂的剛度與所述懸臂 的長(zhǎng)度、所述懸臂的厚度、以及所述懸臂的寬度中的至少之一成比例。
7、 如權(quán)利要求5所述的氣動(dòng)控制器，其中所述滾軸齒輪組件包括滾軸、 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、以及齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
8、 如權(quán)利要求7所述的氣動(dòng)控制器，其中所述滾軸齒輪組件進(jìn)一步包 括具有偏壓部分和滾軸部分的增益調(diào)節(jié)條，使得偏壓彈簧組件將所述懸臂操 作性地連接到所述增益調(diào)節(jié)條的所述偏壓部分，并且所述滾軸沿所述滾軸部 分的位置調(diào)節(jié)所述懸臂的剛度。
9、 如權(quán)利要求1所述的氣動(dòng)控制器，其中所述齒條齒輪反饋組件實(shí)質(zhì) 上減小所述氣動(dòng)控制器的供應(yīng)流體消耗。
10、 一種用于氣動(dòng)過程控制器的反饋比例配置裝置，所述氣動(dòng)過程控制器具有氣動(dòng)控制架和氣動(dòng)反饋組件，該反饋比例配置裝置包括反饋檢測(cè)器，用于提供表示由所述氣動(dòng)控制架產(chǎn)生的控制信號(hào)的反饋信 號(hào)；和齒條齒輪組件，用于提供對(duì)所述反饋信號(hào)的預(yù)定調(diào)節(jié)。
11、 如權(quán)利要求10所述的反饋比例配置裝置，其中所述反饋檢測(cè)器包 括波紋管組件。
12、 如權(quán)利要求11所述的反饋比例配置裝置，其中所述齒條齒輪組件 包括懸臂和滾軸齒輪組件。
13、 如權(quán)利要求12所述的反饋比例配置裝置，其中所述齒條齒輪組件的所述預(yù)定調(diào)節(jié)包括改變所述懸臂的剛度。
14、 如權(quán)利要求13所述的反饋比例配置裝置，其中所述懸臂的剛度與 所述懸臂的長(zhǎng)度、所述懸臂的厚度、以及所述懸臂的寬度中的至少之一直接相關(guān)。
15、 如權(quán)利要求14所述的反饋比例配置裝置，其中所述懸臂的長(zhǎng)度由 所述滾軸齒輪組件相對(duì)于所述波紋管組件的位置來確定。
16、 如權(quán)利要求12所述的反饋比例配置裝置，其中所述滾軸齒輪組件 包括滾軸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、以及齒條。
17、 如權(quán)利要求16所述的反饋比例配置裝置，其中所述滾軸齒條組件 進(jìn)一步包括具有偏壓部分和滾軸部分的增益調(diào)節(jié)條，使得偏壓彈簧組件將所 述懸臂操作性地連接到所述增益調(diào)節(jié)條的所述偏壓部分，并且所述滾軸沿所 述滾軸部分的位置調(diào)節(jié)所述懸臂的剛度。
18、 如權(quán)利要求14所述的反饋比例配置裝置，其中所述懸臂的剛度相 對(duì)于所述波紋管組件的位移成對(duì)數(shù)關(guān)系。
19、 一種氣動(dòng)控制器，包括氣動(dòng)繼動(dòng)器，其適于向流體控制裝置的控制元件提供控制壓力； 噴嘴閥，其被流體連接到所述氣動(dòng)繼動(dòng)器以向所述氣動(dòng)繼動(dòng)器提供反饋 控制信號(hào)，所述反饋控制信號(hào)適于調(diào)節(jié)所述控制壓力；加法橫梁擋板，其被布置為接近所述噴嘴閥，并適于相對(duì)于所述噴嘴閥位移以調(diào)節(jié)被提供到所述氣動(dòng)繼動(dòng)器的所述反饋控制信號(hào)；波紋管組件，其操作性地連接到所述加法橫梁擋板并與所述控制壓力連 通，該波紋管組件適于響應(yīng)所述控制壓力的變化而使所述加法橫梁擋板位 移；懸臂，其被連接到所述波紋管組件以限制所述加法橫梁擋板的位移； 連接到所述懸臂的齒條；以及由所述齒條承載并與所述懸臂接合的滾軸，所述滾軸能夠相對(duì)于所述懸 臂移動(dòng)，以調(diào)節(jié)所述懸臂的有效長(zhǎng)度和剛度。
20、 如權(quán)利要求19所述的控制器，進(jìn)一步包括由所述齒條承載的齒條 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和由所述滾軸承載的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)嚙合所述齒 條傳動(dòng)纟幾構(gòu)。
21、 如權(quán)利要求19所述的控制器，進(jìn)一步包括連接到所述滾軸的調(diào)節(jié) 鈕，用于調(diào)節(jié)所述滾軸相對(duì)于所述懸臂的位置，從而調(diào)節(jié)所述懸臂的剛度。
22、 一種用于氣動(dòng)過程控制器的反饋比例配置裝置，所述氣動(dòng)過程控制 器包括用于向流體控制裝置提供控制壓力的氣動(dòng)繼動(dòng)器和與所述氣動(dòng)繼動(dòng) 器連通以調(diào)節(jié)所述控制壓力的噴嘴擋板組件，該反饋比例配置裝置包括與所述控制壓力連通并連接到所述噴嘴擋板組件的波紋管組件；懸臂，其被操作性地連接到所述波紋管組件以限制所述波紋管組件的位移；固定到所述懸臂的一端的齒條；以及由所述齒條承載的滾軸，該滾軸接合所述懸臂，并適于相對(duì)于所述齒條 被移動(dòng)以調(diào)節(jié)所述懸臂的有效長(zhǎng)度和剛度。
23、 如權(quán)利要求21所述的裝置，進(jìn)一步包括由所述齒條承載的齒條傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)和由所述滾軸承載的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)嚙合所述齒條 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
24、 如權(quán)利要求21所述的裝置，進(jìn)一步包括連接到所述滾軸的調(diào)節(jié)鈕，用于調(diào)節(jié)所述滾軸相對(duì)于所述懸臂的位置，從而調(diào)節(jié)所述懸臂的剛度。
全文摘要
一種用于控制過程的氣動(dòng)控制器，其有利地通過向反饋信號(hào)提供比例調(diào)節(jié)來減小流體消耗。該氣動(dòng)控制器包括諸如繼動(dòng)器等氣動(dòng)控制架、過程壓力檢測(cè)器、以及齒條齒輪反饋組件。所述齒輪齒條反饋組件提供對(duì)所述反饋信號(hào)的比例調(diào)節(jié)，從而減小該氣動(dòng)控制器的流體消耗。
文檔編號(hào)G05D16/18GK101523320SQ200780036865
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2007年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月2日
發(fā)明者亞歷山大·C·佩塞克, 馬克·D·施蒂爾 申請(qǐng)人:費(fèi)希爾控制產(chǎn)品國(guó)際有限公司