包括仪表化套筒的电动操纵阀门.pdf

本发明涉及电动操作阀门1，其包括伺服电机10、阀杆螺母40和离合器套筒20，离合器套筒20用于旋转地耦合伺服电机10和阀杆螺母40。阀门1的离合器套筒20装备有测量装置21和无触点发送机，测量装置21用于直接测量由伺服电机10传输至阀杆螺母40的转矩，无触点发送机用于传输由测量装置获得的测量数据。本发明还涉及离合器套筒20、电动阀门和核电站的管道系统、数据处理模块、使用测量数据的方法，以及当该程序被处理器2执行时用于执行所述方法的计算机程序产品。

1.  电动操作阀门(1)，包括：
-伺服电机(10)，其具有输出轴(11)，
-阀杆螺母(40)，以及
-离合器套筒(20)，其连接到所述伺服电机(10)和所述阀杆螺母(40)，以便可旋转地耦合所述伺服电机的所述输出轴(11)与所述阀杆螺母(40)，所述套筒(20)包括：
-测量装置(21)，用于直接测量由所述伺服电机的所述输出轴(11)传输至所述阀杆螺母(40)的转矩，以及
-无触点发送机(23)，用于传输由所述测量装置(21)获得的测量数据。

2.  根据权利要求1所述的电动操作阀门(1)，其特征在于，所述套筒(20)形成所述阀杆螺母(40)和所述伺服电机(10)之间的界面，以便界定至少两个功能模式：
-运作模式，其中，所述套筒(20)耦合到所述伺服电机(10)和所述阀杆螺母(40)，将所述伺服电机(10)的运动传输到所述阀杆螺母(40)，并测量由所述伺服电机的所述输出轴(11)传输的转矩；以及
-维护模式，其中，所述阀门(1)的所述阀杆螺母(40)与所述伺服电机(10)的所述输出轴(11)的去耦，借助于所述套筒(20)来实现。

3.  根据权利要求2所述的电动操作阀门(1)，其特征在于，所述阀杆螺母(40)是不可逆的，并且所述阀门(1)在运作模式中已经达到预定的关闭位置，在维护模式期间，当所述伺服电机(10)和所述阀杆螺母(40)去耦时，保持所述位置。

4.  根据上述任一项权利要求所述的电动操作阀门(1)，其特征在于，安 装在所述套筒(20)上的内部处理模块(25)，在将来自直接测量装置(21)的数据传输至所述无触点发送机(23)之前，处理这些数据。

5.  根据上述任一项权利要求所述的电动操作阀门(1)，其特征在于，所述套筒(20)外的系统以无触点方式给所述套筒(20)提供动力，并且接收由所述无触点发送机(23)传输的测量数据。

6.  根据上述任一项权利要求所述的电动操作阀门(1)，其特征在于，独立于所述套筒的外部处理模块(35)，处理来自所述直接测量装置(21)的数据。

7.  根据上述任一项权利要求所述的电动操作阀门(1)，其特征在于，用于测量转矩的所述直接测量装置(21)包括转矩传感器，其具有位于所述套筒(20)上的应变仪(210)。

8.  根据上述任一项权利要求所述的电动操作阀门(1)，其特征在于，由所述测量装置(21)获得的测量数据通过遥测技术传输。

9.  套筒(20),用于耦合根据上述任一项权利要求所述的电动操作阀门(1)的伺服电机(10)的输出轴(11)和阀杆螺母(40)，其包括：测量装置(21)和无触点发送机(23)，所述测量装置(21)用于对由所述伺服电机(10)的输出轴(11)传输至所述阀杆螺母(40)的转矩直接进行测量，所述无触点发送机(23)用于传输由所述测量装置(21)获得的数据。

10.  根据上述权利要求所述的离合器套筒(20)，其特征在于，所述测量装置(21)包括应变仪(210)。

11.  核电站的电动阀门和管道系统，包括根据权利要求1-8中任一项所述的电动操作阀门(1)。

12.  根据权利要求6所述的电动操作阀门(1)的处理模块(35)，用于执行对来自所述直接测量装置(21)的数据的处理，包括数据收集装置、数据处理装置和用于诊断阀门(1)的运作状态的装置。

13.  通过根据权利要求12所述的处理模块来利用测量数据的方法，其包括以下步骤：
-收集来自根据权利要求1至8中任一项所述的阀门(1)的所述直接测量装置(21)的数据，
-处理收集的数据，
-诊断所述阀门(1)的所述伺服电机(10)输出处的运作状态。

14.  计算机处理产品包括指令，当该程序被处理器(2)执行时，所述指令用于执行根据权利要求13所述的方法。

包括仪表化套筒的电动操纵阀门
技术领域
本发明涉及电动操纵阀门。
更特别地，本发明涉及包括伺服电机的电动操纵阀门，该伺服电机具有输出轴、阀杆螺母和连接到伺服电机和阀杆螺母的离合器套筒，以便使伺服电机的输出轴和阀杆螺母旋转地耦合。本发明还涉及离合器套筒、如此电动操纵阀的处理模块和包括所述阀门的阀门系统。
背景技术
当诊断电动操纵阀门是否正确操纵时，众所周知的是测量阀杆上的力以便验证当关闭时阀门是否将提供流体密封。确保阀门将有效地关闭的该力值，被认为是可操作性标准。该可操作性标准依赖于伺服电机传送的转矩以及阀门的传输系统的一般性能。然后，该力的测量允许保证或不保证阀门的完善密封。不能达到预期力的原因可能是阀门伺服电机存在问题，或者可能在传输系统中某些点处的问题。因此重要的是，要知道整个传输系统在每个界面处是否处于正常运转状态，以及如果不正常运行，则确定出影响总体响应的故障部件。目前不是总能确定出故障的精确原因。特别地，不能总是确定故障是否是伺服电机，或是在阀门的传输系统中的其他地方。当发生故障时，可选择通过测试可能传递的转矩来在测试台上测试伺服电机。然而，可能是伺服电机处于正常工作状态，而故障源于阀门的另一部分。因此，拆开伺服电机毫无用处。相反地，可选择完全地拆开阀门，然后发现仅是伺服电机受故障影响。因此完全拆开阀门将变得徒劳。为避免这样，需要在阀门传输系统的不同的接口处插入测量系统，特别是，测量由伺服电机传输转矩的系统。目前这样的系统被普遍使用。然而，在 该区域中依然存在缺陷。虽然存在着用于测量的系统，例如，测量由伺服电机提供的转矩，但在实践中，因为将测量系统插入到阀门各个部件之间改变了阀门几何形并因此改变其刚度，所以，在阀门上纳入测量系统导致结构变化，该结构变化通常麻烦累赘且不适当。例如，这些测量系统的插入会在组件整体上加长组件的几何形。
因此，用包括这些测量系统的阀门代替现有的阀门不可能没有影响，例如，会影响对包括该阀门的设备的抗震性研究。该影响可能是不可接受的，特别是在核电站领域内。这导致将传统的电动操纵阀门保持在设备中，特别是核电站中，当阀门发生故障时然后其需要拆卸阀门的部分或全部，这意味着阀门关闭，可能在经济和后勤物资上带来严重影响。需要注意的是，在核电站中，拆卸阀门涉及相应的核动力设备的全面停工。
发明内容
本发明旨在克服这些缺陷并改善现状。
为了这个目的，根据本发明，一种所述类型的电动操纵阀门设置有套筒，该套筒包括：
-测量装置，用于直接测量由伺服电机的输出轴传输到阀杆螺母的转矩，以及
-无触点发送机，用于传输由测量装置收集的测量数据。
根据这些布置安排，套筒确保伺服电机和阀杆螺母之间的运动的传输，而且确保由伺服电机产生的转矩的动态测量。套筒是阀门内部的特殊机械元件，且其仪表化使阀门结构不改变。转矩测量发生在阀门自身内，并且套筒和阀杆螺母的存在使得转矩测量成为可能。所述类型的电动操作阀门具有与不让测量伺服电机提供转矩的传统阀门相同的几何特征和相同的刚度，因此可以替代它。根据本发明，由伺服电机输出的转矩值被直接测量，而使阀门结构没有根本地改变。转矩值的直接测量允许在任何时候确 定，故障是否起源于阀门的下部(在闸阀的情况下，例如，由于闸门卡住)，或是故障源于伺服电机和阀杆螺母之间的耦合，或是故障源于伺服电机。这在伺服电机是故障源时减少了在阀门下部上的干预。另外，根据这些布置安排，可能改变测量装置，例如校准，并且以简单的方法用另一种替代之。
有利地，电动操作阀门的套筒在阀杆螺母和伺服电机之间形成界面，以便界定两种功能模式：运作模式，其中，与伺服电机和阀杆螺母耦合的套筒将伺服电机的运动传输到阀杆螺母，并测量由伺服电机的输出轴传输的转矩；维护模式，其中，借助于套筒，可实现阀门的阀杆螺母和伺服电机的输出轴的去耦。
在维护的情况下，例如，阀杆螺母和伺服电机的去耦简化了操作。
在本发明的一个实施例中，阀杆螺母是不可逆的，并且阀门已经在运作模式下达到一个预定的关闭位置，当伺服电机和阀杆螺母去耦时，在维护模式中维持在所述位置。
此处，“不可逆”应被理解为：当伺服电机与阀杆螺母去耦时，所述伺服电机在去耦之前就保持在其原来达到的位置，因此，阀门保持在密封位置。保持该位置允许安全地去耦伺服电机，而无需必须关闭阀门组件。
此外，根据本发明的电动操作阀门可能包括安装在套筒上的内部处理模块，其在将来自直接测量装置的数据传输到无触点发送机之前处理这些数据。
内部处理模块充当无触点发送机和直接测量装置之间的界面。
在当前的情况下，电动操作阀门可包括在套筒之外的系统，其以无触点方式向套筒提供动力，并且接收通过无触点发送机传输的测量数据。
该外部系统与套筒分开，并且允许向套筒上的元件提供动力，例如无触点发送机、转矩测量装置和可能是处理模块。
为了伺服电机运作的自动诊断目的，由无触点发送机传输的测量数据 可由外部处理器处理。
在本发明的一个可能的实施例中，用于测量转矩的直接测量装置包括装有位于套筒上的应变仪的转矩传感器。
具有应变仪的传感器形成转矩传感器，该转矩传感器提供精确可靠的测量，同时易于执行。
有利地，通过测量装置获得的测量数据能够通过遥测技术传输。
通过遥测技术进行的传输是实现无触点执行的一种方案。
本发明还涉及套筒，该套筒用于耦合上述伺服电机的输出轴和电动操作阀门的阀杆螺母。于是所述套筒包括测量装置和无触点发送机，该测量装置其用于直接提供转矩的测量，该转矩由伺服电机的输出轴传输至阀杆螺母，该无触点发送机用于传输从测量装置获得的数据。
这提供了仪表化套筒。
进一步，离合器套筒的测量装置可包括应变仪。
本发明进一步涉及电动阀门和包括上述电动操作阀门的核电站的管道系统，同时包括这种电动操作阀门的离合器套筒的处理模块，用于处理来自直接测量装置的数据。处理模块在套筒之外，并包括数据收集装置、数据处理装置和用于阀门运作状态诊断的装置。
本发明还涉及运用上述套筒之外的处理单元的方法，其包括以下步骤：
-收集来自上述阀门的直接测量装置的数据；
-处理收集到的数据；
-诊断阀门伺服电机输出处的运作状态。
最后，本发明涉及计算机程序产品，产品包括：当该程序被处理器执行时，用于执行上述定义的方法的指令。
附图说明
从以下参照附图对借助于非限定性示例给出的实施例的描述中，本发 明的其他特点和优点将会变得更加明显。
附图中：
-图1是带有处理器的电动操作阀门的剖视图；
-图2是图1中阀门的II细节部分的视图；
-图3是根据本发明的仪表化套筒的主视图和俯视图；
-图4A至4D是转矩测量装置的仪表化套筒的实施例；
-图5是流程图，示出了由处理器诊断伺服电机操作状态所执行的可能步骤。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的参考标记指示相同或类似的元件。
图1示出了传统闸阀1。虽然以下描述是参照图1的阀门做出的，但本发明不限于闸阀，本发明涉及所有类似结构的阀门。
阀门1以已知的方式包括阀门主体80，其上安装有磁轭90，与阀门主体相对的磁轭90的端部形成轴承箱30的基座。阀门1进一步包括闸门60的阀杆50。阀杆50穿过磁轭90并在其一个端处具有螺纹部分51(见图2)，并在其另一端进入阀门主体80。进入阀门主体的部分固定到闸门60上。轴承箱30包括壳体，其中置有阀杆螺母40。阀杆螺母40是空心的，其内部部分与阀杆50的螺纹部分51配合。在其与内部部分相对的外缘上，阀杆螺母40与套筒20配合。阀杆螺母40和套筒20之间的配合例如可通过销24(见图2)实现。套筒20可具有大致环形的截面并在其中空部分内与阀杆螺母40配合。套筒20还与伺服电机10的输出轴11直接配合。伺服电机10将通过其输出轴11的转动传输转矩，转矩将被直接传输至套筒20，然后至阀杆螺母40。阀杆螺母40的转动给予阀杆50沿着其轴X的平移运动。换言之，通过阀杆螺母40和其内螺纹与阀杆50的端部51的外螺纹的配合，将伺服电机10的输出轴11的旋转运动转化为阀 杆50的平移运动。沿着阀杆50的轴X的平移运动借助于闸门60而打开或关闭阀门1。在本发明的一个实施例中，闸门是闸盘60，其沿着阀座70滑动来打开或关闭阀门1。
套筒20起作为阀杆螺母40和伺服电机10之间的界面，并允许在需要时去耦两个元件，例如，在维护时。更特别的是，套筒20允许界定两种操作模式：运作模式和维护模式。在运作模式中，与伺服电机10和阀杆螺母40耦合的套筒20将伺服电机10的运动传输到阀杆螺母40，并且传输通过伺服电机10的输出轴传输的转矩的测量值。在维护模式中，借助于套筒20，确保了阀门1的阀杆螺母40和伺服电机10的输出轴11的去耦。
在维护模式中，意指当阀杆螺母和伺服电机10去耦时，阀门1的闸门60保持在相同的关闭位置。在这种情况下，阀杆螺母40是不可逆的，且其不可逆性可防止一旦作用纵向力后阀杆50的旋转，由此将闸门60保持在其位置中。换言之，处在其某个关闭位置中的闸门60受到沿着轴X的纵向力。在运作模式，伺服电机10施加连续的力，并允许精确地调整希望的密封位置。因此，恒定的力施加到阀杆螺母上，这允许精确地保持阀杆50的位置，由此保持闸门60的位置。当阀杆螺母40和伺服电机10去耦时，闸门60依然受到沿着轴X的纵向力，但是由于伺服电机10从阀杆螺母40上去耦，所以没有“相反力”的存在来将闸门60保持在其位置上。施加到闸门60的沿着轴X的纵向力将被传输到阀杆50。当阀杆螺母40是可逆时，将纵向力运用到阀杆50意味着：阀杆螺母40旋转和阀杆50平移入非预期的并且是不希望的阀门1的打开位置。在该情况下，阀杆螺母40有利地是不可逆并且其不可逆性意味着阀杆螺母40的非希望的旋转是被阻止的。因此，阀杆50不能平移移动，并且闸门60保持在其原来的位置，不受作用在其上的纵向力的影响。
阀杆螺母和伺服电机是润滑的，并且伺服电机10特性能够随时间改 变，特别是基于操作的数量。套筒20设置有测量装置，其用于直接测量由伺服电机10的输出轴11传输到阀杆螺母40的转矩。该测量装置包括特殊仪器，例如传感器21(见图3)，其充分敏感地测量转矩和/或离合器套筒中的应力。图3示出了根据本发明的仪表化套筒的一个实施例的侧视和沿着轴AA的剖视图。图3的套筒包括规则分布在套筒20的外缘周围的传感器21。在本发明的一个实施例中，直接测量装置可包括由应变仪210组成的转矩传感器21。应变仪210可能粘到套筒20上，或者粘到为此目的设置的外壳的外部或内部。将应变仪210粘到套筒上，允许对套筒使用仅作略微修改的传统的阀门套筒。离合器套筒20的刚度，以及因此阀门1的刚度，相对于传统阀门仅有略微的改变或没有改变。如果本发明替代传统阀门，则事故工况的鉴定是不受影响的，包括阀门1的抗震鉴定。
应变仪210位于并连接到套筒20上，以使其敏感于套筒20的扭转。应变仪210可粘到套筒20的外部部分，这允许套筒20作略微的机加工。应变仪210可以全桥或半桥连接，或甚至可能是四分之一桥配置。图4A和4C图示了粘到套筒20的外部部分的具有全桥导线连接的应变仪210的示例。可选地，较之于将应变仪210直接粘到套筒20的外部部分时，套筒20可以进行略微更多的机加工。为了添加仪表，该种对传统阀门套筒作显著的机加工，允许在套筒的内部弯曲上工作，并确保转矩测量的更大敏感性。机加工能够在平整区域、孔或任何其他已知的机加工形式中完成。作为回应，在不破坏套筒的前提下，套筒20抗拒最大转矩的能力可以需要具有特别刚度的材料，其可以抵挡高的机械应力。图4B和4C示出了为此目的提供的机械加工中，将应变仪210粘到套筒20的内部的示例。例如，如图4B和4D所示，应变仪210可分布在套筒20提供的凹处22中。在所示的示例中，套筒20是中空的，并且被凹处22刺破。在本发明的另一个实施例中，外壳可能没有全部刺穿。图4B和4D的刺穿凹处22是4个并且围绕纵向轴X规则地分布。然后，应变仪210被粘到这些凹处中。 套筒20中设置的凹处的数量可以变化。应变仪210是转矩传感器21的非限制性示例，转矩传感器21是套筒20的仪表化工具。其他形式的传感器21也可用于测量转矩和/或力，或温度。
一旦数据通过直接测量转矩的测量装置21测量，数据必须被处理。内部处理模块25为此可安装在套筒20上。在将数据传输到内部传输器23之前，该内部处理模块25能够处理从测量装置中来的数据(例如，格式化来促进其传输)。套筒20的内部处理模块25处理过的数据于是将被传输到套筒的外侧。
在所述情况下，设置套筒20内部的发送器/接收器(收发器)23，用于无触点传输由测量装置21收集并通过安装在套筒20上的内部处理模块25传输的数据。内部收发器23与套筒20外面的收发器31配合，其允许以无触点方式向仪表化套筒20提供动力，并实时地从测量装置21取回数据。换言之，仪表化套筒20，更特别地说是用于直接测量转矩的测量装置21(或传感器)，它们获得动力并且测量的数据同时被传输并由外部收发器31收集。数据无需储存在缓冲区中。
有利地，数据从套筒20到套筒外侧的传输通过遥测技术完成。然而，其它无线技术也可能被使用。随套筒20可移动的移动式天线23固定到所述套筒20上。固定到套筒20上的移动式天线23与位于轴承箱30中的固定天线相配合。移动式天线23由固定天线31产生的近旁磁场以无触点方式获得动力。
套筒20和作为测量设备21的其内部设备21、23、25、内部处理模块25和内部收发器23是平衡的，从而不会在装配时产生不稳定的不平衡。在套筒20上的移动式天线23将内部处理模块25处理过的信息传输到轴承箱30的固定天线31。在该信息被接收后，其被传输到套筒20外面的处理和动力模块35，其功能在于给予外部收发器31动力并再处理由设置在套筒上的仪器21、23传输的数据。此外，外部处理模块35可以收集数据、 处理数据并诊断阀门1的运行状态。
由此获得的本发明允许测量直接从伺服电机10输出的转矩，伺服电机有利地是电驱动伺服机。这样的布置安排允许直接在伺服电机10的输出轴11上获得测量。这样的布置安排还可能测量应力，以确保套筒20不是受压的，受压会降低其服务寿命、影响测量数据并降低传输伺服电机10和阀杆50之间的转矩传输效率。还可能提供温度传感器来确定是否过热。
在本发明的一个可能的实施例中，电压V，例如在0到10V之间，通过为该目的而设计的仪器从阀门1处输出该电压V，例如通过外部处理单元35。电压V是由伺服电机10传输的转矩的函数。
在本发明的一个可能的实施例中，阀门1与测量采集系统连通，并且将代表转矩的电压V送到测量采集系统，从而连同同时在阀门上捕获的全部测量值组一起，所述系统能够处理该测量。
特别地，在一个可能的变体实施例中，测量采集系统可被限制在单一采集通道，并且可直接将电压V转换为信号，例如，光信号，其指示操作者伺服电机在正常运作或是发生故障。
在本发明的另一个实施例中，可提供处理器2，用于执行计算机程序产品，该计算机程序产品用于对处理模块25提供的和从阀门1的直接测量装置21处获得的数据执行数据收集操作，处理器2同时处理所述数据，以便诊断阀门1的伺服电机输出处的运作状态。然后，数据由位于套筒20外侧的外部处理模块35提供。处理器2将可根据借助于套筒测得的从伺服电机输出的转矩值，来诊断阀门的运作状态，更特别的是，处理器将能够确定是否测得预期由伺服电机输出的转矩与测得转矩之间的偏差。根据获得的值，处理器2将能够从阀门其它的功能参数中确定，仅伺服电机上只需要介入干预，还是整个阀门必须停止。图5示出了适于当处理器2执行时通过计算机程序产品执行的示例方式的流程图。流程图的长方形框S10代表由之前描述的仪表化套筒在伺服电机输出轴上测量的转矩。获得 该测量值，更特别的是，通过仪表化套筒执行测量的测量值(步骤10)，并且验证(步骤11)来确保其不是异常的，且确保在数据传输上没有错误。例如，当伺服电机和阀门的闸门运作时零转矩的测量值可被认为是异常。在验证(菱形框S11)和接收(OK状态)该测量值后，可能存在比较步骤，该步骤比较通过仪表化套筒20测得的转矩值和从伺服电机10(菱形框S12)中预期的转矩值。如果预期的转矩值和测得的转矩值大致相等(OK状态)，于是系统能够诊断伺服电机10(框S13)的运作状态。如果从伺服电机10处预期的转矩值和测得转矩值显著不同(KO状态)，则可能需要其它的测试，根据仪表化套筒20(框S14)获得的测量值来确定伺服电机和阀门1的的准确运作状态。这些测试可以考虑温度或应力测试，并然后将允许诊断伺服电机的缺陷状态(框S16)或者相反地伺服电机的适当运作状态(框S17)。当然，可用测量从伺服电机输出的转矩值和收集该值的步骤，以及诊断阀门1的伺服电机10是否在缺陷运作状态(例如，通过比较测得的转矩值和原始命令值)的步骤，来简化该诊断。另外，需要注意的是，通过伺服电机传输的转矩在上述的可操作性标准中是决定性因素。
伺服电机10和阀杆螺母40之间的耦合是仪表化的，以便测量通过伺服电机11输出的传输到阀杆螺母40的转矩。在套筒20上以该方法执行的仪表化是以无触点方式与外界连通的独立系统。因此，仅用在耦合接口上的通用装置来完成转矩测量。因此，有可能将传统非仪表化的现存套筒1转变为根据本发明的套筒，在一体化过程中没有特殊的困难。这足以用上述仪表化套筒20来代替阀门上的非仪表化套筒。新套筒20保持了传统非仪表化套筒的平衡和结构，因此，新套筒20毫无困难地集成到系统内。在套筒之外的元件，例如在套筒之外的收发器31以及可能的外部处理和动力模块35能够合并，通过将它们安装到阀门1的固定主体上以及轴承箱30中而没有任何特殊困难进行合并。因此，测量装置21允许直接测量 通过伺服电机10在其输出轴11上传输的转矩，例如，由于润滑、过多次启动后的磨损、过度的间隙和伺服电机10内的摩擦等问题，减少了从伺服电机的输出，所以所述转矩可能与最初设定或操作者要求的转矩不同，因此，本发明节省了相当多的维护时间，因为不一定需要移除伺服电机来调整转矩。本发明能够在核电站的阀门系统中实施，因此能够提高核电站的可利用因子。事实上，使用该系统，维护周期能够延长。在故障发生时通过确定故障的源头，该系统尤其允许更精确地诊断阀门的状态，该系统减少了维护时间，并由此增加可能的生产天数。
当然，本发明不限于以上举例的实施例，其可延伸至其它变体。
在本发明的一个可能的变体中，阀杆螺母是可逆的，并且转矩测量数据能够通过无触点发送机，不加处理就被直接发送至套筒的外面。
在另一个可能的实施例中，伺服电机的运作状态的诊断可以直接通过套筒上的内部处理单元完成。