專利名稱：在控制閥的控制回路內(nèi)進(jìn)行診斷的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及控制閥，尤其是涉及在用于控制閥的控制回路部件中計(jì)算流體流動特性和執(zhí)行診斷的方法和裝置。
背景技術(shù)：
控制閥用于調(diào)節(jié)通過管子或管路的工藝用流體的流動。這種閥通常包括設(shè)置在工藝流體流路內(nèi)的節(jié)流部件(throttling element)，該部件與致動器(actuator)相連。各種致動器已為人所熟知，多種控制閥可利用氣動致動器，該致動器使用空氣、天然氣或者其它可在加壓下調(diào)節(jié)致動器的位置的流體。舉例來說，在彈簧和薄膜致動器中，彈簧向致動器的一側(cè)施加一個力，同時控制流體壓力在致動器的相反側(cè)受到控制，從而調(diào)節(jié)上述節(jié)流部件的位置?？商鎿Q的，還可使用活塞致動器，活塞將致動器殼體分為上下兩室，控制這兩個室的流體壓力，可驅(qū)動上述致動器到達(dá)要求的位置。在任何類型的氣動致動器中，可具有向周圍環(huán)境的控制流體標(biāo)稱泄出量。
定位器(或伺服控制器)控制作用在氣動致動器的一個或兩個室上的流體壓力。該定位器通常包括處理器，電流壓力轉(zhuǎn)換器(I/P)，二級氣動裝置(即滑閥(spool valve)或者氣動繼電器)，和閥行程反饋傳感器。該I/P轉(zhuǎn)換器與供壓源相連，向滑閥附近的柔性薄膜輸送要求的控制用流體的壓力。上述薄膜控制滑閥的位置，以將控制用流體導(dǎo)向致動器的腔室。致動器的運(yùn)動導(dǎo)致上述節(jié)流部件的相應(yīng)運(yùn)動，從而控制工藝用流體的流動。上述定位器進(jìn)一步從處理控制器接收參考信號，通常為命令信號形式，將該參考信號和閥行程反饋相比較，驅(qū)動上述I/P轉(zhuǎn)換器(和二級氣動裝置)，從而將閥朝向參考信號移動。
隨著使用以處理器為基礎(chǔ)的控制的需求增長，使用在定位器內(nèi)的滑閥已經(jīng)著重地被儀表化。舉例來說，在利用活塞致動器時，上述滑閥包括接收供給壓力的入口端，與致動器第一室流體連通的第一出口端，和致動器第二室流體連通的第二出口端。已知的滑閥在上述入口端、第一出口端和第二出口端處都設(shè)置有壓力傳感器，為處理器提供反饋。另外，傳統(tǒng)滑閥還包括用于檢測滑閥位置的位移傳感器，并向處理器提供反饋信號。
傳統(tǒng)定位器具有的一些部件易受各種控制用流體泄漏或者阻塞的影響，從而導(dǎo)致控制閥的功能下降或者無法操作。例如，上述I/P轉(zhuǎn)換器包括與供給壓力密封連接的入口。該I/P轉(zhuǎn)換器包括一節(jié)流器，限定初級節(jié)流孔和噴嘴，來導(dǎo)引控制用流體朝向節(jié)氣門。該I/P轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括將控制用流體導(dǎo)向滑閥的密封出口。上述I/P轉(zhuǎn)換器經(jīng)常設(shè)置在工礦設(shè)施上，這些地方的環(huán)境空氣已被油、溶解礦物質(zhì)、沙礫等污染。因此，當(dāng)這種空氣用作為控制用流體時，上述污染物就可能部分或者全部堵塞上述節(jié)流孔或者噴嘴。另外，上述I/P轉(zhuǎn)換器出入口之間設(shè)置的密封也會失效。因而這種堵塞或泄漏會緩慢降低控制閥的性能，導(dǎo)致效率低下，或者致使整個控制閥完全失效。在兩種情況下，很難決定是由于定位器導(dǎo)致故障的發(fā)生，更不用說確定定位器內(nèi)故障的確切位置。
類似的，在致動器殼體內(nèi)可能產(chǎn)生的泄漏或者在滑閥和致動器之間的連接中可能形成的堵塞都會降低控制閥性能或者導(dǎo)致失效。舉例來說，上下致動器室和大氣之間可能形成泄漏，或一個活塞環(huán)可能失效導(dǎo)致從一個室到另一個室之間的泄漏。在這些環(huán)境下，處理器就必須調(diào)節(jié)其用于節(jié)流部件給定位置的控制信號。在控制用介質(zhì)為天然氣時，泄漏檢測尤為重要。在嘈雜車間環(huán)境下，隨著時間的流逝這種泄漏可能發(fā)生并且直到閥停止工作之前仍不為人們所發(fā)視。


圖1為安裝到控制閥的致動器上的定位器的簡要框圖；圖2為圖1中所示定位器的放大視圖；圖3A和3B分別表示出彈簧和薄膜致動器分別經(jīng)歷泄漏和堵塞時，控制用流體的質(zhì)量流分布的曲線圖；圖4A、4B和4C分別表示出活塞致動器在第一室、第二室和活塞環(huán)內(nèi)的控制用流體的質(zhì)量流分布的曲線圖；圖5是簡要示出用于表征和定位部件故障的邏輯子程序的決策樹；圖6是用于二級氣動裝置的定位器的另一替換實(shí)施例的示意圖，該定位器具有氣動繼電器。
具體實(shí)施例方式
圖1中簡要示出的定位器14和致動器12相連。該致動器12和閥體10機(jī)械相連，閥體10控制通過管路例如管道(未示出)的工藝用流體的流動。定位器14包括具有存儲器20的處理器18、I/P轉(zhuǎn)換器24、二級氣動裝置(例如滑閥26)，控制用流體的閥裝置位移傳感器84和閥行程傳感器68，這些部件在此集成作為控制回路。參考信號，例如從處理控制器來的命令信號被供到定位器14，表示要求的致動器位置。該定位器14比較上述參考信號和行程傳感器68所提供的實(shí)際致動器位置，將誤差信號發(fā)送至處理器18。隨后該處理器基于位移傳感器84的誤差信號和反饋信號，產(chǎn)生電I/P驅(qū)動信號。
如圖2所詳示，致動器12包括活塞60，該活塞將致動器殼體62分為上室和下室56、58。上室56包括將力施加給活塞的彈簧64。活塞桿66從活塞62延伸到閥體10上。行程傳感器68用于檢測活塞桿66的位置且向處理器18提供反饋。
根據(jù)所示實(shí)施例，上述I/P轉(zhuǎn)換器24提供一個信號放大級，滑閥26提供一個氣動放大級。上述I/P轉(zhuǎn)換器24包括與加壓的控制用流體的供給源30流體連通的入口28。入口28和控制用流體源30之間的連接由O形圈32所密封。在I/P轉(zhuǎn)換器24內(nèi)設(shè)置有節(jié)流器34，從而限定出初級節(jié)流孔36。在該初級節(jié)流孔36的下游設(shè)置有噴嘴38，用于引導(dǎo)控制用流體流向柔性節(jié)氣門40。在所示實(shí)施例中，螺線管線圈42用于將節(jié)氣門40相對噴嘴38定位?？商鎿Q的，可去掉螺線管線圈42，并且節(jié)氣門40可由壓電材料形成，或者利用其它已知的節(jié)氣門構(gòu)造。出口44和薄膜45流體連通。出口44和薄膜45之間的連接可由O形圈46所密封。傳感器85可被設(shè)置用于檢測進(jìn)入上述I/P轉(zhuǎn)換器24的控制用流體的供給壓力。
滑閥26包括從控制用流體供給源30接受控制用流體的入口端50。第一和第二出口端52、54可設(shè)置成與致動器12的上和下室56、58流體連通。閥件70設(shè)置在滑閥殼體內(nèi)，用于控制入口端50和第一、第二出口端52、54之間的流體連通。在所示實(shí)施例中，閥件70包括承載第一和第二閥盤74、76的閥桿72。在滑閥殼體內(nèi)形成有環(huán)形閥室77，尺寸設(shè)置得能夠緊密裝配上述第一和第二閥盤74、76。從I/P轉(zhuǎn)換器24接收壓力信號的薄膜45和閥件70的第一端相配合。彈簧82和閥件70的另一端相配合，從而向閥件70提供偏壓負(fù)載。
在操作中，I/P轉(zhuǎn)換器24所調(diào)節(jié)的控制用流體壓力輸出到薄膜45上，該薄膜在相反于彈簧82偏壓負(fù)載的方向上將負(fù)載施加在閥件70上。第一和第二閥盤74、76的運(yùn)動，可部分或者全部地阻止流體從入口端50到第一和第二出口端52、54中任意一個的流動。因此，閥件70的位置就確定了控制用流體流過每一出口端52、54的節(jié)流區(qū)域。設(shè)置位移傳感器84用于檢測閥件70的位置，并向處理器18提供反饋。另外，設(shè)置第一和第二出口壓力傳感器86、88用于分別檢測在第一和第二出口端52、54處的控制用流體壓力水平。
盡管圖2示出具有失效關(guān)閉(fail-closed)彈簧動作的雙作用活塞致動器，但是可以理解，也可以利用其它類型的氣動致動器。這些替換的致動器實(shí)施例可包括具有失效開放(fail-open)彈簧動作的雙作用活塞致動器，無彈簧的雙作用活塞致動器，具有失效開放或者失效關(guān)閉彈簧動作的單作用彈簧薄膜致動器，或者任何已知的替代致動器。如果該致動器為單作用的方式，則滑閥26包括與相反于彈簧的致動器的室流體連通的單出口端。
另外，定位器14可使用用于第二級氣動的替換裝置。為了替代滑閥26，該定位器可包括氣動繼電器。圖6中所示雙作用氣動繼電器200和I/P轉(zhuǎn)換器24、閥體12、加壓的流體源30相連。該繼電器200包括供壓室(supply pressureplenum)202a、202b。供壓室202a包括和致動器下室58流體連通的第一出口端204，而供壓室202b具有和致動器上室56流體連通的第二出口端206。第一提升閥208的一端210可移動地和第一孔204相配合，而第二提升閥212的一端214可移動地和第二孔206相配合。梁216被支承以繞支點(diǎn)218轉(zhuǎn)動，并包括與第一提升閥208的第二端222相配合的第一節(jié)流孔220以及與第二提升閥212的第二端226相配合的第二節(jié)流孔224。I/P轉(zhuǎn)換器24的輸出被提供到室228，以在第一方向(例如圖6中順時針)旋轉(zhuǎn)上述梁216，而此時給參考室230提供參考壓力來平衡上述室228的力。第一提升閥208控制上述控制用流體向致動器下室58的流動，而第二提升閥212控制向致動器上室56的流動。
在操作中，當(dāng)I/P噴嘴壓力增加時，上述梁216順時針旋轉(zhuǎn)，迫使第一提升閥208向右運(yùn)動。第一提升閥208的第二端222關(guān)閉第一節(jié)流孔220，以防止流向大氣，而第一提升閥208的第一端210打開第一出口端204，以使控制用流體以供給壓力流向下室58。同時，第二提升閥212打開第二節(jié)流孔224，并關(guān)閉第二出口端206，以使得控制用流體從上室56內(nèi)排放到大氣中。當(dāng)I/P噴嘴壓力降低時，情況相反。可以理解，當(dāng)?shù)谝缓偷诙嵘y208、212移動進(jìn)入和離開上述第一和第二出口端204、206時，出口端204、206的節(jié)流面積就會改變。因此，上述梁216的位置就可用于推斷提升閥208、212的位置，以及通過第一和第二出口端204、206的節(jié)流面積。
設(shè)有氣動繼電器200的定位器包括和上述相同的傳感器。因此，第一和第二出口壓力傳感器86、88靠近第一和第二出口端52、54設(shè)置，從而分別檢測到上下致動器室56、58的控制用流體的壓力。入口壓力傳感器85設(shè)置在入口端50處，用于檢測控制用流體的供給壓力，而致動器行程傳感器68被設(shè)置用于檢測活塞桿66的位置。另外，設(shè)置位移傳感器84用于檢測梁216的位置。
上述定位器通常已為人所熟知。但是迄今為止，都是嚴(yán)格使用位移傳感器來提供反饋。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，位移傳感器還可用于診斷目的。另外，各種傳感器可用于識別定位器內(nèi)各種可能的故障之間的條件。這些傳感器還可用于計(jì)算控制用流體的質(zhì)量流，有助于識別故障的根本原因。這種診斷計(jì)算和分析可由與定位器14一起設(shè)置的診斷單元來執(zhí)行，例如由所述處理器18和存儲器20作為診斷單元的功能，或者與定位器14通信地連通的遠(yuǎn)程主機(jī)19來完成。
相對于致動器12，上述診斷單元可由診斷程序所編程，該診斷程序利用傳感器的反饋估算流向致動器室的控制用流體的質(zhì)量流。該診斷程序可進(jìn)一步利用上述計(jì)算的質(zhì)量流、有或沒有附加反饋參數(shù)，來識別致動器內(nèi)的泄漏或者其它故障。更特別的是，通過上述第一和第二出口端的控制用流體的質(zhì)量流可利用下列公式近似得出dm/dt＝KYAgc(2ρ(p1-p2))其中dm/dt＝質(zhì)量流率(lbm/s)；K＝排放系數(shù)；Y＝膨脹因子；A＝節(jié)流面積(ft2)；gc＝換算常量(lbm/slug)；P1＝上游壓力(lbf/ft2，abs.)；P2＝下游壓力(lbf/ft2，abs.)；以及ρ＝上游流體密度(slug/ft3)。
舉例來說，為了計(jì)算通過第一出口端52的質(zhì)量流，將適當(dāng)?shù)南禂?shù)和變量插入上述公式。上游壓力p1是由壓力傳感器85檢測的入口壓力，p2是由傳感器86在第一出口端52檢測的壓力。上述公式可用于估算供給質(zhì)量流和排放質(zhì)量流。例如，當(dāng)滑閥正向位移時(即在圖2中向右)，端口54向下致動室供給控制用流體，而端口52從上致動室排出控制用流體。對于端口54，滑閥位移用于計(jì)算露出的端口面積，傳感器85、88可提供上游壓力和下游壓力。對于端口52，滑閥位移用于計(jì)算露出的端口面積，傳感器85提供上游壓力。由于上述滑閥以已知壓力向大氣排放，所以并不需要在排放端口上設(shè)置傳感器。另外，供到控制閥的供給壓力也經(jīng)常被調(diào)節(jié)，從而就可以省略供給壓力傳感器85，并將接近上述供給壓力的固定值替換到上述氣體質(zhì)量流公式中。
當(dāng)控制用流體為空氣時，上述公式可以減少成dm/dt＝0.048KYA(p1(p1-p2))1/2上述質(zhì)量流公式也可以近似推導(dǎo)其它流體，例如天然氣。除了上述用于估算經(jīng)過節(jié)流孔的質(zhì)量流的公式，還可以使用標(biāo)準(zhǔn)流量公式，例如可以使用在ISA-575.01-1985中提到的調(diào)節(jié)控制閥的流量公式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由上述公式獲得的質(zhì)量流估算值非常接近外界空氣流量傳感器所得到的測量結(jié)果，尤其是在利用低通數(shù)字濾波器降噪之后。因此，上述診斷單元18可編程地接受壓力傳感器85、86、88和位移傳感器84的反饋，并利用上述公式計(jì)算通過第一和第二出口端52、54的質(zhì)量流?？尚薷男Ｕ鲜龉?，用于計(jì)算經(jīng)過閥盤的泄漏流動，也可用于計(jì)算通過另一個二級氣動裝置，例如圖6中的氣動繼電器200的質(zhì)量流。
上述診斷程序可利用上述質(zhì)量流計(jì)算來識別滑閥和致動器12之間的泄漏或者堵塞。例如，在彈簧薄膜致動器中，控制用流體被供到相對于彈簧的單致動器室。在正常操作過程中，處理器18控制滑閥26的控制用流體的輸出，從而驅(qū)動致動器12及被連接的節(jié)流部件到達(dá)要求的設(shè)定點(diǎn)。在穩(wěn)定狀態(tài)操作過程中，少量流體會排放到大氣中，從而少量控制用流體會通過上述滑閥出口端流動。如果在致動器殼體內(nèi)或者滑閥出口端和致動器之間的連接部內(nèi)產(chǎn)生泄漏，致動器室內(nèi)的壓力就會降低，彈簧將使致動器從其所需位置移開。關(guān)于工藝用流體壓力和/或致動器行程的反饋被供向處理器18，該處理器18會改變上述輸入I/P轉(zhuǎn)換器24的驅(qū)動信號，以增加流向致動器的控制用流體流動。因此，流向致動器的質(zhì)量流就會如圖3A的曲線圖所示增大。通過估算整個時間內(nèi)的控制用流體的質(zhì)量流，上述診斷單元可編程地檢測流向致動器的控制用流體流量的增量。該診斷單元可進(jìn)一步利用最大控制用流體流率進(jìn)行編程，超過該最大流率，診斷單元就會產(chǎn)生故障信號。還可利用低通濾波器來減小產(chǎn)生錯誤信號的正常瞬變的機(jī)會。
相反，當(dāng)滑閥位移增加而控制用流體流動恒定時，就可以識別在滑閥和致動器12之間空氣回路內(nèi)的堵塞。圖3B示出堵塞情況，其中實(shí)線表示質(zhì)量流，點(diǎn)劃線表示滑閥位移。類似的，如果滑閥位移很大，但是質(zhì)量流卻相對較小，也可以識別部分堵塞。
活塞致動器內(nèi)的泄漏檢測稍微有些復(fù)雜。這種泄漏可能發(fā)生在具有彈簧的致動器室內(nèi)，沒有彈簧的致動器室內(nèi)，或者致動器室之間，例如在活塞環(huán)上發(fā)生泄漏或者在致動器上的旁通閥打開時。但是對于彈簧薄膜致動器，可利用空氣流量的偏差來對泄漏或者堵塞進(jìn)行定位和定量。
為了有助于識別故障，可以識別正常操作參數(shù)的偏差。一個這樣的參數(shù)就是致動器室內(nèi)的壓力，通常保持為供給壓力的大致60-80％。平均或者“交叉(crossover)”壓力可通過對致動器室內(nèi)壓力進(jìn)行平均來確定。
如果相反于彈簧的室內(nèi)產(chǎn)生向大氣的泄漏，上述處理器18將移動滑閥26，從而向該室提供補(bǔ)充空氣。這也會使具有該彈簧的室減壓，以使上述活塞致動器能夠像彈簧薄膜致動器那樣地有效動作。圖4A中示出了通過第一和第二出口52、54泄漏的質(zhì)量流分布。開始時，存在由系統(tǒng)內(nèi)正常的泄漏而產(chǎn)生的通過兩個出口52、54的標(biāo)稱質(zhì)量流。如圖4A中的實(shí)線所示，當(dāng)在點(diǎn)A處產(chǎn)生泄漏時，隨著泄漏流向該室的質(zhì)量流將增大到等于排出到大氣中的空氣量。對于設(shè)有彈簧的室，如圖4A中點(diǎn)劃線所示，當(dāng)致動器移動到新位置時，質(zhì)量流會暫時離開該室，但是由于該室減壓，最終還會返回接近于零點(diǎn)。而且，在致動器內(nèi)交叉壓力大致為相反于彈簧的室內(nèi)壓力的一半。
如果致動器的彈簧側(cè)室內(nèi)產(chǎn)生泄漏，定位器14不會補(bǔ)充空氣，這是因?yàn)樾枰摱ㄎ黄鲝南喾从趶椈傻氖覂?nèi)排出空氣(并減小力)。因此，上述處理器18可使具有該彈簧的室減壓，并會通過調(diào)節(jié)相反的室內(nèi)的壓力來控制上述閥。在穩(wěn)定狀態(tài)，該彈簧側(cè)室流入的空氣流量會接近于零，相反于彈簧的室流出的空氣流量也會接近于零。交叉壓力為沒有彈簧的室內(nèi)壓力的一半。所以，通過檢測交叉壓力在通過每一端口的質(zhì)量流分布中的降低，就可以確定泄漏是否存在及其位置。
診斷單元可進(jìn)一步使用上述質(zhì)量流計(jì)算，從而檢測從一個致動器室流到另一室過程中控制用流體產(chǎn)生的泄漏，例如在活塞環(huán)內(nèi)的泄漏。由于每一室均處于加壓狀態(tài)，這種泄漏利用傳統(tǒng)的測量技術(shù)很難被檢測出來。例如，如果這種泄漏導(dǎo)致控制用流體從下室58流到上室56，定位器14會移動滑閥，向下室58提供補(bǔ)充控制用流體。但是同時，控制用流體會從下室58流到上室56內(nèi)并且返回滑閥26。
圖4C的曲線圖示出了活塞環(huán)通過每一出口端52、54泄漏的流體流動分布，其中通過第一出口端52的流體流量由點(diǎn)劃線所示，通過第二出口端54的流體流量由實(shí)線所示。開始時，每一端口以標(biāo)稱的流率排放到大氣中。當(dāng)活塞環(huán)內(nèi)產(chǎn)生泄漏時，通過第二出口端54的質(zhì)量流增大，而通過第一出口端52的質(zhì)量流卻成比例減小。不同于傳統(tǒng)質(zhì)量流傳感器不能指示流體流動的方向那樣，上述質(zhì)量流近似公式表明了流動方向，其中正數(shù)表示流體流到致動器中，而負(fù)數(shù)表示流體流出致動器。因此，通過監(jiān)視流過第一和第二出口端52、54的控制用流體的流動，處理器18可檢測一個持續(xù)的情況，其中流體流動通過一個端口為正，而通過另一端口的流動為負(fù)，并且產(chǎn)生了故障信號。
除了檢測致動器中控制用流體的泄漏和堵塞以外，還可以利用滑閥的壓力和位移傳感器來檢測在滑閥26上游的I/P轉(zhuǎn)換器24內(nèi)的故障。I/P轉(zhuǎn)換器24內(nèi)的各種故障會影響或者中斷控制用流體流向滑閥26，從而使控制閥的操作變差或者無效。由于I/P轉(zhuǎn)換器的特定部件，例如節(jié)氣門40，并不直接應(yīng)用于伺服控制，所以這些部件通常不是儀器化的。但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可利用和滑閥26一起設(shè)置的傳感器來推導(dǎo)I/P轉(zhuǎn)換器部件的內(nèi)部狀態(tài)。
在尋址可能發(fā)生于I/P轉(zhuǎn)換器24中的特定故障之前，應(yīng)該注意的是，向I/P轉(zhuǎn)換器供以加壓流體的控制用流體源30有可能發(fā)生故障，從而上述故障應(yīng)該在考慮I/P轉(zhuǎn)換器24自身的其它故障之前進(jìn)行尋定，因此，可利用入口壓力傳感器85的信號來檢測控制用流體源30是否有壓力損失。
I/P轉(zhuǎn)換器24內(nèi)可能產(chǎn)生的一個故障是初級節(jié)流孔36完全堵塞。當(dāng)該初級節(jié)流孔36被堵塞時，薄膜45上的壓力就會降低，從而彈簧82將滑閥70移動到零壓(或者負(fù)壓)狀態(tài)，使得致動器相應(yīng)移動。處理器18將向螺線管線圈42增大驅(qū)動信號，以嘗試關(guān)閉或者蓋住噴嘴38，這通常將增加從出口44排出的控制用流體壓力。相反，堵塞的初級節(jié)流孔36將阻礙任何控制用流體的流通。
在上述節(jié)氣門40上堆積有礦物質(zhì)或者其它污染物時也會產(chǎn)生故障，從而使噴嘴38被完全堵塞。在這種情況下，流出出口44的控制用流體的壓力增加從而供給壓力，并導(dǎo)致上述滑閥從零位置移動到正向位置，從而移動致動器。作為響應(yīng)，處理器18將減小I/P轉(zhuǎn)換器24的驅(qū)動信號，以嘗試開啟或打開噴嘴38。
可替換的，上述初級節(jié)流孔可部分地被堵塞。與初級節(jié)流孔完全被堵塞的情況一樣，部分堵塞將使驅(qū)動信號更高，如同處理器18試圖向噴嘴38補(bǔ)充減少的空氣一樣。部分堵塞的節(jié)流孔將延緩滑閥響應(yīng)于I/P信號變化的運(yùn)動。但是由于周圍環(huán)境溫度較低，而使薄膜硬度增加，從而增加了時間常量。而且當(dāng)I/P驅(qū)動信號較高而其它狀態(tài)都操作正常時，可以推斷該節(jié)流孔為部分被堵塞。
類似的，噴嘴38可能部分被堵塞。噴嘴38的部分堵塞還可以影響上述I/P轉(zhuǎn)換器的時間常量，如上所述，該時間常量還可由薄膜上周圍溫度的變化所影響。因此，所有其它狀態(tài)都正常而I/P驅(qū)動信號較低則表示噴嘴部分被堵塞。
由于出口的O形圈46的故障還會引起進(jìn)一步的錯誤。為了補(bǔ)償通過出口O形圈46的泄漏，處理器18會增大驅(qū)動信號，但是I/P轉(zhuǎn)換器的時間常量卻不會顯著改變。因此，出口的O形圈46的故障將以類似于初級節(jié)流孔36堵塞的方式，影響控制回路的操作。
除了這些上述特定的故障，I/P轉(zhuǎn)換器中還會產(chǎn)生其它故障。舉例來說，螺線管線圈42失效或者節(jié)氣門40斷裂。盡管不可能辨別特定的故障，但是可以通過監(jiān)視I/P轉(zhuǎn)換器驅(qū)動信號的顯著偏差來檢測每一故障?？稍O(shè)定線性或非線性數(shù)字濾波器來處理上述驅(qū)動信號，去掉其中高頻分量，找出和正常操作條件的偏差，來實(shí)現(xiàn)上述檢測。
為了有助于識別并表征I/P轉(zhuǎn)換器24內(nèi)的各種故障，診斷單元，例如定位器14的處理器18和存儲器20或者具有處理器和存儲器的遠(yuǎn)程主機(jī)19，可根據(jù)定位器14的各種傳感器所測得的參數(shù)進(jìn)行編程，來執(zhí)行診斷程序。該診斷程序包括一個或多個邏輯子程序，其中測量的參數(shù)被表征從而產(chǎn)生故障模板，其可被用于識別一個或多個故障的根本原因。
故障首先必須在其被特性化之前被檢測出。該診斷程序可編程檢測出I/P驅(qū)動信號內(nèi)的持續(xù)偏差。該I/P驅(qū)動信號設(shè)定為大約70％，將滑閥對中在其零位置。驅(qū)動信號的正常操作范圍為60-80％。因此，在該I/P驅(qū)動信號移出正常操作范圍之外(即小于60％，或者大于80％)時，診斷程序就會產(chǎn)生一個故障信號?？衫庙樞蚪y(tǒng)計(jì)濾波器去除正常的瞬變，從而使故障信號僅僅在I/P驅(qū)動信號移出正常范圍持續(xù)一段時間后才產(chǎn)生?？商鎿Q的，該診斷單元可編程監(jiān)視滑閥正常位置內(nèi)的較大改變，或者監(jiān)視誤差信號(即閥件從參考位置的行程偏差)，從而啟動故障分析。而且如果檢測出有故障，首先應(yīng)檢查壓力源30處的控制用流體壓力，使其被排除作為故障的原因之外。
一旦檢測出有故障，就可以利用特性化來確定其在控制回路內(nèi)的通常位置或者特定位置。在檢測出I/P驅(qū)動信號內(nèi)的偏差后，可通過跟蹤經(jīng)控制回路返回的偏差而確定上述故障的位置。例如，對于堵塞的初級節(jié)流孔36，控制回路受到下列影響通過初級節(jié)流孔36的流動將被阻止，導(dǎo)致滑閥移動到其零壓(負(fù)壓)位置，從而依次降低致動器室內(nèi)的壓力，致使節(jié)流部件移動，產(chǎn)生誤差信號反饋回處理器。該處理器將增大I/P驅(qū)動信號，以對故障進(jìn)行補(bǔ)償。
為了識別故障的特定位置，就必須通過該事件鏈反向地進(jìn)行處理。對于完全堵塞的節(jié)流孔實(shí)例來說，所述分析由檢測I/P驅(qū)動信號在正常操作范圍(即正I/P驅(qū)動信號偏差)的上限之上開始進(jìn)行。隨后，節(jié)流部件運(yùn)動產(chǎn)生的誤差信號基本上被特性化為正，這就意味著實(shí)際的致動器行程要小于要求的行程。出口端壓力間的壓差，即第二出口端54處的壓力減去第一入口端52處的壓力，隨后被特性化為負(fù)。接著，位移傳感器84提供相關(guān)于滑閥位置的反饋，由于控制用流體壓力因堵塞而減小，所以該反饋相對其零位置被特性化為基本為負(fù)。以這種方式對這些測量參數(shù)進(jìn)行特性化，某些故障的根本原因可以被省略。一些根本原因可具有前面所述的特征，堵塞的節(jié)流孔就是其中之一。
如圖5所述，以類似的方式使用決策樹，可以繪制出所有的故障。在圖5中，測量的變量由圓圈指定，這些參數(shù)的特性化的值在從上述圓圈所發(fā)散的線上標(biāo)出，部件故障由方塊指定。三角指定為無效區(qū)域，例如較大驅(qū)動信號和大的負(fù)誤差信號相結(jié)合，這是不可能的。圖5中所述的診斷程序是基于通常和定位器一起設(shè)置的已有傳感器，因而某些不能辨別的部件故障就由圖5所分組。還可利用其它的傳感器來進(jìn)一步區(qū)分這些分組的部件故障。部件故障沿著決策樹層疊向下直到I/P驅(qū)動信號產(chǎn)生偏差處。隨后可沿該決策樹反推來識別出該偏差的根本原因。
尤其是，診斷程序可在測量處100檢測偏出正常操作范圍的I/P驅(qū)動信號。如果在該范圍之上，該驅(qū)動信號特性化為高，如果在該范圍之下，則特性化為低。如果I/P驅(qū)動信號為高，存儲的診斷程序?qū)⒀貨Q策樹向上繼續(xù)進(jìn)行，從而特性化一個用在控制回路中的參考信號。該參考信號可以是從處理控制器發(fā)送給定位器的命令信號。該I/P驅(qū)動信號為就是作為該參考信號和行程反饋之間的差值的函數(shù)。
I/P驅(qū)動信號在其正常工作點(diǎn)之上或者之下有三種情況，其中兩種并不是由設(shè)備故障所引起。其中第一種情況是在控制器處于“截止”時產(chǎn)生。當(dāng)上述參考信號超過用戶限定臨界值就會產(chǎn)生這種截止。當(dāng)處于高截止?fàn)顟B(tài)，上述伺服控制器完全旁通，100％的驅(qū)動信號被發(fā)送給I/P轉(zhuǎn)換器。當(dāng)處于低截止?fàn)顟B(tài)，該伺服控制器旁通，且0％的驅(qū)動信號被發(fā)送給I/P轉(zhuǎn)換器。高截止?fàn)顟B(tài)和低截止?fàn)顟B(tài)都是無效操作區(qū)域，都不會表示設(shè)備故障。圖5中在方框103、131分別示出了高截止和低截止?fàn)顟B(tài)。
第二種情況是在閥體遇到行程止擋部時產(chǎn)生。當(dāng)閥體碰到止擋部，行程反饋就不再被激活，處理控制器就基本上開環(huán)操作。而且，這是正?？刂崎y的動作，并不指示設(shè)備故障。圖5中在方框104、132處分別示出了高、低行程止擋部。
第三種情況就是在設(shè)備故障引發(fā)較大誤差信號時產(chǎn)生。為了補(bǔ)償較大誤差信號，上述I/P驅(qū)動信號可作相應(yīng)調(diào)節(jié)。一旦截止和行程止擋部均已被排除，則可繼續(xù)沿著圖5所示的決策樹進(jìn)行分析。對于較高I/P驅(qū)動信號來說，沿著決策樹向上分析，對于較低I/P驅(qū)動信號來說，是沿著決策樹向下分析。
在105處通過特性化誤差信號首先來分析較高I/P驅(qū)動信號。該誤差信號可分類為主要為正、零或者主要為負(fù)。當(dāng)該I/P驅(qū)動信號為高，不可能具有主要為負(fù)的誤差信號，所以圖5右上分支示出的所有結(jié)果都是無效的。因此，來自于特性化誤差信號105的唯一可能結(jié)果就是主要為正(即參考信號大于上述實(shí)際行程反饋信號)或者零。在該兩種情況下，如在106、107處所示，隨后診斷程序?qū)⒌谝缓偷诙隹诙?2、54之間的壓差，即從第二出口端54處的壓力減去第一出口端52的壓力進(jìn)行特性化。該壓差可被特性化為接近供給壓力的負(fù)值，標(biāo)稱值或者接近供給壓力的正值。負(fù)壓差表示第一出口端52處的壓力大于第二出口端54處的壓力。而對于正壓差恰好相反。標(biāo)稱壓差表示致動器室基本上是平衡的。對于每一壓差的特性化，診斷程序?qū)⑦M(jìn)行處理，以特性化滑閥的位置，如108-113所示。上述滑閥位置可被特性化成主要為正、零或者主要為負(fù)值。主要為正值表示薄膜45推壓滑閥過遠(yuǎn)，而主要為負(fù)值恰好相反。當(dāng)滑閥處于正常操作范圍之內(nèi)時，滑閥在零位置上。
一旦滑閥位置得以特性化，可為I/P驅(qū)動信號偏差確定一或多個潛在的根本原因。例如，如果上述滑閥在114處擁堵，出口O形圈46在115處失效，薄膜45在116處產(chǎn)生故障，或者初級節(jié)流孔36在117處完全堵塞，診斷程序?qū)⑸鲜龉收咸匦曰癁镮/P驅(qū)動信號的主要為負(fù)的滑閥位置，負(fù)壓差和主要為正的誤差信號。如果上述故障被特性化為I/P驅(qū)動信號的主要為正的滑閥位置，標(biāo)稱壓差和主要為正的誤差信號，則根本原因可能是外部泄漏118，滑閥磨損119，或者低供給壓力120。對于高I/P驅(qū)動信號的具有主要為負(fù)的滑閥位置、標(biāo)稱壓差和主要為正的誤差信號的失效來說，根本原因可能是低供給壓力121。
對于高I/P驅(qū)動信號，如果誤差信號主要為正，壓差為正，滑閥位置主要為正，則根本原因可能是閥體卡在低的位置122，滑閥和致動器之間空氣回路堵塞123或者主動互鎖124。
如果故障被特性化為高I/P驅(qū)動信號的主要為正的滑閥位置，額定壓差和零誤差信號，則根本原因可能是外部泄漏125。如果對于高I/P驅(qū)動信號，滑閥位置被特性化為零、壓差為額定，誤差信號為零，則故障的根本原因可能是初級節(jié)流孔36部分被堵塞126，I/P轉(zhuǎn)換器和銜鐵內(nèi)存有沙礫127，或者I/P轉(zhuǎn)換器校正轉(zhuǎn)換128。
再來看圖5中的下半部分，上述診斷程序可對低I/P驅(qū)動信號推導(dǎo)類似的過程。在取消低截止131和低行程止擋部132后，在133處進(jìn)行上述分析，特性化上述誤差信號。誤差信號特性化類似于上述105處的特性化，其中誤差信號可能主要為負(fù)、零或者主要為正。不可能既具有低I/P驅(qū)動信號又具有主要為正的誤差信號，因此圖5左下方所示的結(jié)果均是無效的。在該誤差信號特性化之后，該診斷程序?qū)⒃?34和135處特性化上述壓差。最后，診斷程序在136-141處特性化上述滑閥的位置。
和高驅(qū)動信號一樣，可識別一或多個可能的根本原因，來分析低驅(qū)動信號偏差。如果上述誤差信號主要為負(fù)，壓差為正，滑閥位置主要為正，上述故障的根本原因可能是噴嘴38被堵塞142，I/P轉(zhuǎn)換器節(jié)氣門或者銜鐵受擠壓143，I/P轉(zhuǎn)換器被鎖144，或者滑閥堵塞145。如果誤差信號主要為負(fù)，壓差為負(fù)，滑閥位置為負(fù)，上述故障的根本原因可能是閥體卡在較高的位置146或者空氣回路堵塞147。最后，如果誤差信號為零，壓差為標(biāo)稱，滑閥位置為零，上述故障的根本原因可能是I/P轉(zhuǎn)換器校正轉(zhuǎn)換148，或者噴嘴38部分被堵149。
根據(jù)嚴(yán)格和提供預(yù)測的診斷，上述診斷程序可進(jìn)一步將部件故障進(jìn)行分類。某些根本原因，例如初級節(jié)流孔36或噴嘴38的完全堵塞，會以不能被處理器18改正的方式偏置滑閥26。這些起因可特性化為“紅燈”診斷并要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行報告。其它根本原因可能由I/P驅(qū)動信號偏差所導(dǎo)致，但是所有其它反饋回路中的變量都操作正常。舉例來說，初級節(jié)流孔36部分被堵塞，為補(bǔ)償噴嘴流動損失，I/P驅(qū)動信號必須更費(fèi)力地被驅(qū)動。但是誤差信號，致動器壓力，和滑閥位置都將操作正常。通過將I/P驅(qū)動信號偏差和反饋回路中其它變量進(jìn)行比較，我們可以在變?yōu)闉?zāi)難性故障之前，識別這些功能下降并將其標(biāo)出。這些起因可被歸類為“黃燈”診斷。
盡管上述診斷單元利用軟件優(yōu)選地執(zhí)行處理和診斷功能，其還可以利用硬件、固件等，利用任一種形式的處理器，例如ASIC等。無論如何，對存儲在存儲器中且由處理器執(zhí)行的程序的再引用包括硬件和固件裝置以及軟件裝置。舉例來說，這里所示的部分可由例如特定的集成電路(ASIC)或者其它要求的硬線裝置的標(biāo)準(zhǔn)多功能CPU或者特定設(shè)計(jì)的硬件或固件所完成并且這些部分仍為一種在處理器中所執(zhí)行的程序。當(dāng)在軟件中執(zhí)行時，該軟件程序可存儲在任一計(jì)算機(jī)可讀存儲器中，例如磁盤，激光盤，光盤，或者其它存儲媒介中，或者存儲在計(jì)算機(jī)或處理器的RAM或ROM中，或者任一數(shù)據(jù)庫中。同樣的，通過已知或要求的傳送方式，例如計(jì)算機(jī)可讀盤，或其它便攜式計(jì)算機(jī)存儲機(jī)構(gòu)，或者通過電話線、因特網(wǎng)等通信手段(通過便攜式存儲媒介提供這種軟件，這些方法被認(rèn)為是相同的或者可以互換的)，這種軟件還可被發(fā)送給使用者或者處理工廠。
上述給定的詳細(xì)敘述僅僅是為了易于理解，由此并不應(yīng)該理解為是必要的限定，所以進(jìn)行修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種控制與節(jié)流部件相連的氣動致動器的定位器系統(tǒng)，該致動器具有至少第一控制室，該定位器系統(tǒng)包括傳送壓力信號的I/P轉(zhuǎn)換器；第二級氣動裝置，包括殼體，該殼體具有與控制用流體源流體連通的入口端，和與第一控制室流體相連的第一出口端；設(shè)置在殼體中的控制用流體的閥裝置，響應(yīng)于上述壓力信號，用于控制上述控制用流體從入口端流向第一出口端的流動；入口壓力傳感器，和殼體入口端流體連通，用于測量入口端壓力；第一出口壓力傳感器，和第一出口端流體連通，用于測量第一出口端壓力；位移傳感器，用于檢測控制用流體的閥裝置的位置；診斷單元，與入口壓力傳感器，第一出口壓力傳感器和位移傳感器通信連通，該診斷單元包括具有存儲程序的處理器，該程序基于入口端壓力、第一出口端壓力和第一出口端的節(jié)流面積來確定控制用流體的第一出口端的質(zhì)量流率。
2.如權(quán)利要求1所述的定位器系統(tǒng)，其中上述致動器進(jìn)一步限定第二控制室，上述殼體限定與第二控制室流體連通的第二出口端，其中控制用流體的閥裝置進(jìn)一步控制從入口端流向第二出口端的控制用流體的流動，上述定位器進(jìn)一步包括和第二出口端流體連通的第二出口壓力傳感器，用于測量第二出口端壓力，其中上述診斷單元和第二出口壓力傳感器通信連通，上述程序基于入口端壓力、第二出口端壓力和第二出口端的節(jié)流面積進(jìn)一步用于確定控制用流體的第二出口端的質(zhì)量流率。
3.如權(quán)利要求1所述的定位器系統(tǒng)，其中上述控制用流體的閥裝置包括滑閥，上述控制用流體的閥裝置的位置包括滑閥位置。
4.如權(quán)利要求3所述的定位器系統(tǒng)，其中基于上述滑閥位置，上述程序適于確定第一出口端的節(jié)流面積。
5.如權(quán)利要求1所述的定位器系統(tǒng)，其中上述控制用流體的閥裝置包括具有梁的氣動繼電器，該控制用流體的閥裝置的位置包括梁位置，其中基于上述梁位置，上述程序適于確定第一出口端的節(jié)流面積。
6.如權(quán)利要求1所述的定位器系統(tǒng)，其中上述程序是根據(jù)下面的方程確定第一出口端質(zhì)量流率dm/dt1dm/dt1＝KYA1gc(2ρ(p1-p2))其中P1＝入口壓力；P2＝出口壓力；A1＝第一出口端的節(jié)流面積；K＝排放系數(shù)；Y＝膨脹因子；gc＝換算常量；以及ρ＝上游流體密度。
7.如權(quán)利要求6所述的定位器系統(tǒng)，其中上述致動器進(jìn)一步限定第二控制室，上述殼體限定和第二控制室流體連通的第二出口端，其中控制用流體的閥裝置進(jìn)一步控制從入口端流向第二出口端的控制用流體的流動，并且在其中上述定位器進(jìn)一步包括與第二出口端流體連通的第二出口壓力傳感器，用于測量第二出口端壓力，其中上述診斷單元和第二出口壓力傳感器通信連通，上述程序基于入口端壓力、第二出口端壓力和第二出口端的節(jié)流面積，適于確定控制用流體的第二出口端的質(zhì)量流率。
8.如權(quán)利要求7所述的定位器系統(tǒng)，其中上述程序根據(jù)下面的方程確定第二出口端的質(zhì)量流率dm/dt2dm/dt2＝KYA2gc(2ρ(p1-p3))其中P1＝入口壓力；P3＝第二出口端壓力；A2＝第二出口端的節(jié)流面積；K＝排放系數(shù)；Y＝膨脹因子；gc＝換算常量；以及ρ＝上游流體密度。
9.如權(quán)利要求1所述的定位器系統(tǒng)，其中上述控制用流體包括空氣，上述程序根據(jù)下面的方程確定第一出口端質(zhì)量流率dm/dt1dm/dt1＝0.048KYA1(p1(p1-p2))其中p1＝入口壓力；P2＝出口壓力；A1＝第一出口端的節(jié)流面積；K＝排放系數(shù)；以及Y＝膨脹因子。
10.如權(quán)利要求1所述的定位器系統(tǒng)，其中上述定位器包括所述診斷單元。
11.如權(quán)利要求1所述的定位器系統(tǒng)，其中一個遠(yuǎn)程主機(jī)包括上述診斷單元。
12.一種在具有節(jié)流部件的控制閥的控制回路中確定控制用流體的第一出口端質(zhì)量流率的方法，所述控制回路包括與上述節(jié)流部件相連的致動器并限定第一控制室，一個定位器包括具有殼體的二級氣動裝置，所述殼體限定一個與控制用流體源流體連通的入口端及與第一控制室流體連通的第一出口端，一個在所述殼體內(nèi)設(shè)置的控制用流體的閥裝置，用于控制上述控制用流體從入口端流向第一出口端的流動，其中包括通過測量殼體入口端處的流體壓力，產(chǎn)生入口端壓力值；通過測量殼體第一出口端的流體壓力，產(chǎn)生第一出口端壓力值；通過檢測控制用流體的閥裝置的位置，產(chǎn)生控制用流體的閥裝置行程值；基于上述入口端壓力值、第一出口端壓力值和第一出口端的節(jié)流面積計(jì)算上述第一出口端的質(zhì)量流率。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中上述致動器進(jìn)一步限定第二控制室，并且上述殼體限定與第二控制室流體連通的第二出口端，其中控制用流體的閥裝置進(jìn)一步控制從入口端流向第二出口端的控制用流體的流動，上述方法進(jìn)一步包括通過測量殼體第二出口端處的流體壓力，產(chǎn)生第二出口端壓力值；基于上述入口端壓力值、第二出口端壓力值和第二出口端的節(jié)流面積計(jì)算上述第二出口端的質(zhì)量流率。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中上述第一和第二出口端的質(zhì)量流率利用質(zhì)量流率公式來進(jìn)行計(jì)算。
15.一種在氣動控制回路內(nèi)檢測具有節(jié)流部件的控制閥故障的方法，該控制回路包括和上述節(jié)流部件相連的致動器，并限定第一控制室，一個定位器包括具有殼體的二級氣動裝置，該殼體具有與控制用流體源流體連通的入口端和與第一控制器流體連通的第一出口端，設(shè)置在殼體內(nèi)的控制用流體的閥裝置，和入口端流體連通的入口壓力傳感器，和第一出口端流體連通的第一出口壓力傳感器，用于檢測控制用流體的閥裝置位置的位移傳感器，該方法包括利用上述入口端壓力傳感器、第一出口端壓力傳感器和位移傳感器產(chǎn)生第一質(zhì)量流分布，計(jì)算上述第一出口端的控制用流體的第一質(zhì)量流率；以及按照邏輯子程序，基于第一質(zhì)量流分布產(chǎn)生故障信號。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中上述邏輯子程序在第一質(zhì)量流分布持續(xù)增大時產(chǎn)生故障信號。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中上述邏輯子程序在第一質(zhì)量流分布持續(xù)減小時產(chǎn)生故障信號。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中上述邏輯子程序在第一質(zhì)量流分布持續(xù)減小而上述位移傳感器指示上述控制用流體的閥裝置偏離零位置時產(chǎn)生故障信號。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中上述致動器進(jìn)一步限定第二控制室，上述滑閥殼體進(jìn)一步限定和第二控制室流體連通的第二出口端，上述控制回路進(jìn)一步包括第二出口端壓力傳感器，其中所述方法進(jìn)一步包括利用上述入口端壓力傳感器、第二出口端壓力傳感器和位移傳感器產(chǎn)生第二質(zhì)量流分布，計(jì)算上述第二出口端的控制用流體的第二質(zhì)量流率，并基于至少第一和第二質(zhì)量流分布，上述邏輯子程序產(chǎn)生故障信號。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中上述邏輯子程序在上述第一質(zhì)量流分布表現(xiàn)為持續(xù)增大以及第二質(zhì)量流分布基本上恒定時產(chǎn)生第一室泄漏故障信號。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中上述邏輯子程序在上述第一、第二質(zhì)量流分布之一表現(xiàn)為持續(xù)增大以及第一、第二質(zhì)量流分布中另一個表現(xiàn)為持續(xù)減小時產(chǎn)生活塞環(huán)泄漏信號。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括通過將第一和第二出口壓力傳感器的壓力值平均計(jì)算交叉壓力，其中上述邏輯子程序進(jìn)一步以該交叉壓力作為故障信號的基準(zhǔn)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中上述邏輯子程序在上述第一質(zhì)量流分布表現(xiàn)為持續(xù)增大、第二質(zhì)量流分布接近于零且上述交叉壓力減小時產(chǎn)生第一室泄漏故障信號。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中上述邏輯子程序在上述第一、第二質(zhì)量流分布都接近于零且上述交叉壓力減小時產(chǎn)生第二室泄漏故障信號。
25.一種用于氣動操作控制閥的節(jié)流部件的定位的控制回路，該控制回路包括驅(qū)動上述節(jié)流部件的致動器，該致動器設(shè)置在限定至少第一控制室的致動器殼體內(nèi)；定位器，包括具有殼體的二級氣動裝置，該殼體限定與控制用流體源流體連通的入口端，和與第一控制室流體相連的第一出口端；設(shè)置在殼體上的控制用流體的閥裝置，其用于控制上述控制用流體從入口端向第一出口端的流動；入口壓力傳感器，和殼體入口端流體連通，用于測量入口端壓力；第一出口壓力傳感器，和第一出口端流體連通，用于測量第一出口端壓力；位移傳感器，用于檢測控制用流體的閥裝置的位置；以及診斷單元，與入口壓力傳感器、第一出口壓力傳感器和位移傳感器通信地連通，該診斷單元包括具有存儲程序的處理器，該程序基于入口端壓力、第一出口端壓力和第一出口端節(jié)流面積產(chǎn)生第一質(zhì)量流分布，適于確定控制用流體的第一出口端質(zhì)量流率，及一個邏輯子程序，其用于響應(yīng)于上述質(zhì)量流率分布而產(chǎn)生故障信號。
26.如權(quán)利要求25所述的控制回路，其中上述邏輯子程序在上述第一質(zhì)量流分布表現(xiàn)為持續(xù)增大時產(chǎn)生故障信號。
27.如權(quán)利要求25所述的控制回路，其中上述邏輯子程序在上述第一質(zhì)量流分布表現(xiàn)為持續(xù)減小時產(chǎn)生故障信號。
28.如權(quán)利要求25所述的控制回路，其中上述邏輯子程序在上述第一質(zhì)量流分布表現(xiàn)為持續(xù)減小而位移傳感器指示上述控制用流體的閥裝置偏離零位置時產(chǎn)生故障信號。
29.如權(quán)利要求25所述的控制回路，其中上述致動器進(jìn)一步限定第二控制室，上述殼體進(jìn)一步限定與第二控制室流體連通的第二出口端，其中控制用流體的閥裝置進(jìn)一步控制從入口端向第二出口端的控制用流體的流動，上述控制回路進(jìn)一步包括和診斷單元通信相連的第二出口壓力傳感器，其中該程序基于入口端壓力、第二出口端壓力和第二出口端節(jié)流面積產(chǎn)生第二質(zhì)量流分布，適于計(jì)算控制用流體的第二出口端的質(zhì)量流率，其中上述邏輯子程序基于上述至少第一和第二質(zhì)量流分布產(chǎn)生故障信號。
30.如權(quán)利要求29所述的控制回路，其中上述邏輯子程序在上述第一質(zhì)量流分布表現(xiàn)為持續(xù)增大而第二質(zhì)量流分布基本上恒定時產(chǎn)生第一室泄漏故障信號。
31.如權(quán)利要求29所述的控制回路，其中上述邏輯子程序在上述第一、第二質(zhì)量流分布之一表現(xiàn)為持續(xù)增大而第一、第二質(zhì)量流分布中另一個表現(xiàn)為持續(xù)減小時產(chǎn)生活塞環(huán)泄漏信號。
32.如權(quán)利要求29所述的控制回路，其中上述程序進(jìn)一步通過將第一和第二出口壓力傳感器的壓力值平均來計(jì)算交叉壓力，其中上述邏輯子程序進(jìn)一步以該交叉壓力作為故障信號的基準(zhǔn)。
33.如權(quán)利要求32所述的控制回路，其中上述邏輯子程序在上述第一質(zhì)量流分布表現(xiàn)為持續(xù)增大而第二質(zhì)量流分布接近于零且上述交叉壓力減小時產(chǎn)生第一室泄漏故障信號。
34.如權(quán)利要求32所述的控制回路，其中上述邏輯子程序在上述第一、第二質(zhì)量流分布接近于零且上述交叉壓力減小時產(chǎn)生第二室泄漏故障信號。
35.一種用于在控制回路中檢測氣動操作控制閥的故障的方法，該控制回路包括致動器，具有控制用流體的閥裝置的二級氣動裝置，該控制用流體的閥裝置響應(yīng)一個壓力信號用于控制進(jìn)入所述致動器的控制用流體的流動，一個接收I/P驅(qū)動信號并產(chǎn)生壓力信號的I/P轉(zhuǎn)換器，及將上述I/P驅(qū)動信號發(fā)送至I/P轉(zhuǎn)換器的處理器，該方法包括限定控制回路的控制參數(shù)的正常范圍；操作控制參數(shù)偏出上述正常范圍時，觸發(fā)一個故障信號；在故障信號過程中，將控制回路的運(yùn)行參數(shù)特性化，以獲得故障模板；將上述故障模板和存儲的運(yùn)行參數(shù)系列相比較，該運(yùn)行參數(shù)與特定部件的失效相關(guān)聯(lián)；識別至少一個特定部件故障，這些故障具有一系列與上述故障模板相匹配的存儲運(yùn)行參數(shù)。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中上述二級氣動裝置由滑閥構(gòu)成，控制參數(shù)由滑閥位置信號構(gòu)成。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其中上述二級氣動裝置包括具有梁的氣動繼電器，控制參數(shù)包括梁位置信號。
38.如權(quán)利要求35所述的方法，其中上述控制參數(shù)包括I/P驅(qū)動信號。
39.如權(quán)利要求35所述的方法，其中使上述運(yùn)行參數(shù)特性化，包括將I/P驅(qū)動信號偏差特性化為高或者低的特征；將誤差信號特性化為主要為正，零，或者主要為負(fù)，其中誤差信號等于參考信號減去致動器行程信號；將出口端的壓差特性化為主要為負(fù)，標(biāo)稱，或者主要為正，其中出口端壓差等于第一出口端壓力和第二出口端壓力相減；將控制用流體的閥裝置的位置特性化為主要為正，零或者主要為負(fù)。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中使上述運(yùn)行參數(shù)的特性化進(jìn)一步包括在特性化上述I/P驅(qū)動信號偏差之后，但在特性化上述誤差信號、出口端壓差和滑閥位置之前，使上述參考信號特性化。
41.如權(quán)利要求39所述的方法，其中故障模板包括高I/P驅(qū)動信號偏差，主要為正的誤差信號，負(fù)出口端壓差和主要為負(fù)的控制用流體的閥裝置位置，該模板可歸因于一組由堵塞滑閥，入口O形圈失效，薄膜失效和節(jié)流孔堵塞組成的部件故障。
42.如權(quán)利要求39所述的方法，其中故障模板包括高I/P驅(qū)動信號偏差，主要為正的誤差信號，額定出口端壓差和主要為正的控制用流體的閥裝置位置，該模板可歸因于一組由外部泄漏，滑閥磨損和供給壓力低而組成的部件故障。
43.如權(quán)利要求39所述的方法，其中故障模板包括高I/P驅(qū)動信號偏差，主要為正的誤差信號，額定出口端壓差和主要為負(fù)的控制用流體的閥裝置位置，該模板可歸因于供給壓力過低。
44.如權(quán)利要求39所述的方法，其中故障模板包括高I/P驅(qū)動信號偏差，主要為正的誤差信號，正出口端壓差和主要為正的控制用流體的閥裝置位置，該模板可歸因于一組由節(jié)流部件卡于較低行程，空氣回路堵塞和主動互鎖組成的部件故障。
45.如權(quán)利要求39所述的方法，其中故障模板包括高I/P驅(qū)動信號偏差，零誤差信號，額定出口端壓差和零控制用流體的閥裝置位置，該模板可歸因于一組由節(jié)流孔部分被堵塞，銜鐵內(nèi)存有沙礫和I/P校正轉(zhuǎn)換組成的部件故障。
46.如權(quán)利要求39所述的方法，其中故障模板包括低I/P驅(qū)動信號偏差，主要為負(fù)誤差信號，正出口端壓差和主要為正的控制用流體的閥裝置位置，該模板可歸因于一組由I/P噴嘴堵塞，I/P銜鐵受擠壓，I/P轉(zhuǎn)換器被鎖和滑閥堵塞組成的部件故障。
47.如權(quán)利要求39所述的方法，其中故障模板包括低I/P驅(qū)動信號偏差，主要為負(fù)誤差信號，負(fù)出口端壓差和主要為負(fù)的控制用流體的閥裝置位置，該模板可歸因于一組由閥卡在高的位置和空氣回路堵塞組成的部件故障。
48.如權(quán)利要求39所述的方法，其中故障模板包括低I/P驅(qū)動信號偏差，零誤差信號，額定出口端壓差和零控制用流體的閥裝置位置，該模板可歸因于一組由I/P校正轉(zhuǎn)換和I/P噴嘴部分堵塞組成的部件故障。
49.一種控制回路用于對氣動操作控制閥的節(jié)流部件進(jìn)行定位，該控制回路包括驅(qū)動上述節(jié)流部件的致動器，該致動器限定有第一和第二控制室；二級氣動裝置，具有和控制用流體源流體連通的入口端，分別與第一、第二控制室流體相連的第一、第二出口端，以及用于控制上述控制用流體從入口端流向第一、第二出口端的流量的控制用流體的閥裝置；I/P轉(zhuǎn)換器，具有和控制用流體的閥裝置配合的壓力響應(yīng)薄膜，該I/P轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括和控制用流體源流體連通的入口，以及將控制用流體導(dǎo)引到薄膜的出口；至少一個檢測運(yùn)行參數(shù)的傳感器；與至少一個傳感器相連通的處理器，用于向上述I/P轉(zhuǎn)換器提供驅(qū)動信號；與上述處理器通信連接的診斷單元，該診斷單元包括被的存儲器從而限定運(yùn)行參數(shù)的正常范圍；控制參數(shù)的操作偏出上述正常范圍時，觸發(fā)一個故障信號；在故障信號過程中，使控制回路的運(yùn)行參數(shù)特征化，以獲得故障模板；將上述故障模板和存儲的運(yùn)行參數(shù)系列相比較，該運(yùn)行參數(shù)與特定部件的失效相關(guān)；識別至少一個特定潛在的部件故障，這些故障具有與上述故障模板對應(yīng)的一系列存儲的運(yùn)行參數(shù)。
50.如權(quán)利要求49所述的控制回路，其中上述控制用流體的閥裝置包括滑閥，并且其中控制參數(shù)包括滑閥位置信號。
51.如權(quán)利要求49所述的控制回路，其中上述控制用流體的閥裝置包括具有梁的氣動繼電器，并且其中控制參數(shù)包括梁位置信號。
52.如權(quán)利要求49所述的控制回路，其中上述控制參數(shù)包括I/P驅(qū)動信號。
53.如權(quán)利要求49所述的控制回路，其中至少一個傳感器包括與二級氣動裝置入口端流體連通的入口端傳感器，與二級氣動裝置第一出口端流體連通的第一出口端傳感器，與二級氣動裝置第二出口端流體連通的第二出口端傳感器和用于確定控制用流體的閥裝置位置的位移傳感器，且其中上述存儲器被編程為將I/P驅(qū)動信號偏差特征化為高或者低；將誤差信號特征化為主要為正，零，或者主要為負(fù)，其中誤差信號等于參考信號減去致動器行程信號；將出口端的壓差特征化為負(fù)，標(biāo)稱，或者正的特征，其中出口端壓差等于第一出口端壓力和第二出口端壓力相減；將控制用流體的閥裝置的位置特征化為主要為正，零或者主要為負(fù)。
54.如權(quán)利要求53所述的控制回路，其中上述存儲器被進(jìn)一步編程，使得在特征化上述I/P驅(qū)動信號偏差之后，但在特征化上述誤差信號、出口端壓差和滑閥位置特征之前，特征化上述參考信號。
55.一種在控制回路中檢測氣動操作控制閥的故障的方法，該控制回路包括致動器；控制用流體的閥裝置，其適合于接收壓力信號并且控制用流體向致動器的流動進(jìn)行控制；與控制用流體的閥裝置相連的I/P轉(zhuǎn)換器；將I/P驅(qū)動信號發(fā)送至I/P轉(zhuǎn)換器的處理器，該方法包括監(jiān)視I/P驅(qū)動信號和至少一個控制回路的操作參數(shù)；根據(jù)邏輯子程序，基于上述I/P驅(qū)動信號和至少一個的運(yùn)行參數(shù)產(chǎn)生故障信號。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其中至少一個操作參數(shù)包括控制用流體的閥裝置的位置。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其中在上述I/P驅(qū)動信號表現(xiàn)為持續(xù)增大而控制用流體的閥裝置的位置處于零時，產(chǎn)生上述故障信號。
58.如權(quán)利要求57所述的方法，其中上述故障信號指示在上述I/P轉(zhuǎn)換器中堵塞的初級節(jié)流孔。
59.如權(quán)利要求57所述的方法，其中上述故障信號指示在上述I/P轉(zhuǎn)換器中的出口O形圈的失效。
60.如權(quán)利要求56所述的方法，其中在上述I/P驅(qū)動信號表現(xiàn)為持續(xù)減小而控制用流體的閥裝置的位置為正時，產(chǎn)生上述故障信號。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其中上述故障信號指示在上述I/P轉(zhuǎn)換器中的堵塞噴嘴。
62.如權(quán)利要求60所述的方法，其中上述控制用流體的閥裝置包括滑閥，并且控制用流體的閥裝置的位置包括滑閥位置。
63.如權(quán)利要求60所述的方法，其中上述控制用流體的閥裝置包括具有梁的氣動繼電器，并且控制用流體的閥裝置的位置包括梁位置。
64.一種接收驅(qū)動信號且控制與節(jié)流部件相連的氣動致動器的定位器系統(tǒng)，該致動器具有至少第一控制室，該定位器系統(tǒng)包括適于接收驅(qū)動信號的I/P轉(zhuǎn)換器，該I/P轉(zhuǎn)換器基于該驅(qū)動信號產(chǎn)生壓力信號；二級氣動裝置，包括殼體，該殼體具有和控制用流體源流體連通的入口端，和與第一控制室流體相連的第一出口端；設(shè)置在殼體上的控制用流體的閥裝置，響應(yīng)于上述壓力信號，用于控制上述控制用流體從入口端向第一出口端的流動；位移傳感器，用于檢測控制用流體的閥裝置的位置；與位移傳感器通信連接的診斷單元，該診斷單元包括具有存儲的程序的處理器，該程序適于基于上述控制用流體的閥裝置的位置產(chǎn)生診斷信息。
65.如權(quán)利要求64所述的定位器系統(tǒng)，其中上述控制用流體的閥裝置包括滑閥，并且其中控制用流體的閥裝置的位置包括滑閥位置。
66.如權(quán)利要求64所述的定位器系統(tǒng)，其中上述控制用流體的閥裝置包括具有梁的氣動繼電器，并且其中控制用流體的閥裝置的位置包括梁位置。
67.如權(quán)利要求64所述的定位器系統(tǒng)，其中上述存儲的程序?qū)⒖刂朴昧黧w的閥裝置的位置和上述驅(qū)動信號相比較，以產(chǎn)生診斷信息。
68.如權(quán)利要求64所述的定位器系統(tǒng)，其中上述致動器進(jìn)一步限定第二控制室，上述殼體限定與第二控制室流體連通的第二出口端，其中控制用流體的閥裝置進(jìn)一步控制從入口端流向第二出口端的控制用流體的流動。
69.如權(quán)利要求64所述的定位器系統(tǒng)，其中上述診斷信息包括致動器診斷信息。
70.如權(quán)利要求64所述的定位器系統(tǒng)，其中上述診斷信息包括I/P轉(zhuǎn)換器診斷信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對控制閥的氣動控制回路進(jìn)行診斷的方法和裝置。壓力和位移傳感器(68，84)通常和定位器(14)共同設(shè)置，該傳感器用于檢測控制回路的運(yùn)行參數(shù)。處理器(18，20)可被編程用于接收上述傳感器的反饋，并根據(jù)邏輯子程序產(chǎn)生故障信號。該邏輯子程序可包括計(jì)算通過滑閥(26)出口端的控制用流體的質(zhì)量流，并和控制用流體的其它運(yùn)行參數(shù)相比較，以檢測控制回路內(nèi)的泄漏和堵塞。一旦檢測出故障，可通過在故障過程中特性化控制回路的運(yùn)行參數(shù)來識別故障根本原因的位置。
文檔編號F15B9/08GK1650109SQ03809552
公開日2005年8月3日 申請日期2003年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月3日
發(fā)明者肯尼思·W·江克, 安妮特·L·拉特韋森 申請人:費(fèi)希爾控制國際公司