KR20090029282A

KR20090029282A - 개선된 밸브 액추에이터

Info

Publication number: KR20090029282A
Application number: KR1020097002055A
Authority: KR
Inventors: 피터 조지 샌더스; 헤멘드라 파라크라마 반다라 다산나야크; 앤드류 마크 위더스
Original assignee: 로토크 컨트롤즈 리미티드
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2009-03-20
Anticipated expiration: 2027-07-09
Also published as: US8118276B2; GB0613662D0; GB2440040B; WO2008007058A2; JP2009543004A; EP2038713B1; JP5700271B2; GB2440040A; KR101557084B1; NO20090636L; NO341231B1; RU2461039C2; CN101506747B; TWI409398B; BRPI0714375A2; EP2038713A2; GB0713222D0; TW200817613A; MY184559A; WO2008007058A3

Abstract

모터 축을 갖는 전기 구동 모터를 구비하고, 밸브의 이동을 구동하도록 상기 모터 축에 연결된 출력 축을 갖는 밸브 액추에이터로서, 상기 액추에이터는 상기 액추에이터 출력 축의 제1 폐 루프 제어를 제공하도록 배치되고, 상기 액추에이터 출력 축의 위치를 감지하는 제1 위치 센서 및 상기 모터 축의 위치를 감지하는 제2 감지 위치 센서에 결합되어 상기 모터 축 속도의 결정을 가능케 하는 제어기를 포함하는 제어 시스템을 더 포함하는데, 상기 제어 시스템은 상기 제1 및 제2 센서들로부터의 감지 신호들에 응답하여 그에 따라 모터 속도/위치를 조정하는 밸브 액추에이터가 제공된다.

밸브 액추에이터, 모터 축, 폐 루프 제어, 백래시, 트랜스듀서

Description

개선된 밸브 액추에이터{IMPROVEMENTS TO VALVE ACTUATORS}

본 발명은 밸브 액추에이터와 관련한 개선에 관한 것으로 특히, 반드시 배타적이지는 않지만 제어 밸브 액추에이터로서 일반적으로 예를 들어, 프로세스 측정으로부터의 신호에 응답하여 도관에서 유체의 유속을 조정하는 밸브의 제어를 위한 제어 밸브 액추에이터에 적용할 수 있다. 이러한 액추에이터는 일반적으로 높은 정확성을 필요로 하고, 도관을 완전하게 개방 및 폐쇄함으로써 유속을 단순히 전환하지 않고 도관 내의 유체의 유속을 연속적으로 대략 및 미세하게 조정하도록 기능한다.

밸브 액추에이터는 예를 들어, 화력 및 수력 발전 산업, 오일 및 가스 추출, 해양, 수도 설비 및 화학적 처리업에서 넓은 응용을 갖고 있다. 이들 목적의 대부분에 있어서, 액추에이터는 반드시 강력해야 하며, 회전 출력의 경우에 약 3Nm에서 거의 1200Nm정도의 출력 레벨을 또는 선형 출력의 경우에 100N 내지 30,000N 출력 레벨을 제공하게 되어있다. 밸브 액추에이터는 기압, 수압, 전기 및 전기 수압식(electro-hydraulic)으로 구동될 수 있지만, 주로 기압 구동되는데 이는 필요한 레벨의 동작 정확성 및 신뢰성을 얻는데 비용이 적게 들기 때문이다. 밸브 액추에이터는 일반적으로 모두 액추에이터를 설정하고, 모니터링하고, 제어하기 위한 프 로세서 제어부를 구비하고 있다. 주요 제어 요인에는 액추에이터 위치 즉, 밸브 위치, 액추에이터 토크(주로 회전 출력 액추에이터에 대한) 및 스러스트(thrust)(주로 선형 출력 액추에이터에 대한)가 있다. 회전 출력 액추에이터의 경우에, 예를 들어 밸브 위치는 일반적으로 회전 인코더에 의해 구동된 회전 출력 축의 회전 또는 회전의 일부를 카운트함으로써 결정된다. 이러한 액추에이터에서 액추에이터 출력 축에서 생성된 로드는 일반적으로 변형 게이지 또는 압력 트랜스듀서에 의해서와 같이 기계적 수단에 의해 결정된다. 로드는 또한 모터에서 토크 관련 전류로부터 결정될 수 있다. 후자의 이러한 메커니즘의 예가 US 4,288,665호 및 GB 2,101,355호에 개시되어 있다.

전술한 특징 이외에, 밸브 액추에이터는 또한 일반적으로 예를 들어, 전기 전력 고장이 있는 경우 안전 장치를 위한 설비를 구비한다. 이 때문에 액추에이터들 대부분은 또한 액추에이터를 소정의 안전 장치 위치로 복구하는 압축 스프링 복귀 메커니즘을 구비하고 있다. 그러나 이는 정상 동작시 복귀 스프링의 힘을 극복하는 데에만 비교적 대량의 전력을 사용할 필요가 있다.

다른 방법은 전력 고장 상태에서 안전 장치 위치에 밸브를 구동하는데 충분한 전력을 공급하는 저장된 전기 에너지를 사용하는 것이다. 이 방법의 예가 US-A-5278454, US-A-5744923 및 GB-A-2192504호에 개시되어 있다.

다수의 요인들이 정상 사용시 밸브 액추에이터의 효율적이고 효과적인 동작을 훼손하는데 이들에는 기어 마모, 제어기 포화, 와인드 업(wind up) 및 오버슈트가 있다. "스틱 슬립(stick-slip)" 요인이라고 할 수 있는 후자의 요인들은 일반 적으로 밸브 액추에이터에서 일어나는 일이며, 제어 밸브 액추에이터에 의해 실시된 폐 루프 프로세스에서 효율 유지에 주요한 장애를 입증할 수 있는데, 신속하고 때로 아주 미세한 조정이 프로세스 제어를 유지하는데 밸브 위치에 만들어질 필요가 있다. 제어기는 첫째로 필요한 브레이크어웨이(breakaway) 스러스트 또는 토크를 생성하도록 대 출력을 생성한 다음, 소정의 위치로 밸브 제어를 신속히 시도해야 한다. 최초의 중 하중(heavy load)을 해소하기 위해 제어기는 때로 포화로 구동되므로 밸브의 바람직한 위치에 밸브 오버슈팅을 제공하고, 제어 루프 불안정성을 일으키는 와인드 업 동작(여기서 제어기는 완전 출력을 제공하지만 중 하중이 순간적으로 사라져서 제어기는 여전히 완전 출력 상태에 있다)으로 구동된다.

기압 구동 밸브 액추에이터는 대부분 다른 밸브 액추에이터와 함께 일반적으로 출력의 손실시 안전 장치에 대해 스프링 복귀에 있으므로 공기 압이 스프링 힘, 밸브 스템 마찰, 및 밸브 스템 힘과 평형을 이루도록 정합되는 힘 평형 시스템이다. 따라서 기압이 약간 밸브를 이동시키도록 상승하거나 낮아질 때 마찰에서의 갑작스런 변화가 액추에이터를 바람직한 이동 이상으로 점프를 유도하는 스틱 슬립 문제를 일으킨다. 액추에이터는 또한 밸브 스템 힘의 변화로 인해 불필요한 이동을 받게 되는데, 이는 이것이 힘들을 불 평형하게 하고, 액추에이터가 보상을 위해 기압을 변경할 필요가 있기 때문이다.

전기 모터 구동 밸브 액추에이터는 기압식 보다 강력한 시스템으로 액추에이터를 그들 위치로부터 이탈하게 하는 스템 힘에 대한 변화로부터 위와 같은 불편을 겪지 않는다. 전기 모터 구동 밸브 액추에이터는 또한 기압식 보다 작기는 하지만 스틱 슬립 문제를 갖는다. 그러나 이 액추에이터는 구동 열에서 백래시로 인해 제어가 열악하게 될 수 있다. 모터는 출력이 이동을 시작하기 전에 역방향의 경우 백래시를 감당할 필요가 있다. 출력에서 하나의 센서를 갖는 종래의 시스템의 경우에, 제어기는 출력에서 이동이 없는 것을 확인한 경우 모터 속도를 증가시키고, 백래시를 당하게 되는 경우 출력은 특히 필요한 모든 것이 약간의 이동인 경우 갑작스럽게 오버슈트한다. 현재의 전기 액추에이터의 경우에 이를 해소하는 주요한 방법은 고 등급 기어 및 낮은 기어 비를 이용하여 때로 과 출력된(over-powered) 고 비용 스텝(동기) 모터를 이용하여 백래시를 최소로 유지하는 것이다. 연속 동작으로 인해 위의 문제 및 장 수명 요건은 구동 열을 매우 고가로 만든다.

본 발명은 공지의 위와 같은 액추에이터와는 다른 적합하게는 공지의 액추에이터를 개선하여 전술하거나 이하 기술된 동작의 문제들을 하나 이상 경감하는 제어 밸브 액추에이터를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 제1 특징에 따르면, 모터 축을 갖는 전기 구동 모터를 구비하고, 밸브의 이동을 구동하도록 상기 모터 축에 연결된 출력 축을 갖는 밸브 액추에이터가 제공되는데, 상기 액추에이터는 액추에이터 출력 축의 제1 폐 루프 제어를 제공하도록 배치되고, 액추에이터 출력 축의 위치를 감지하는 제1 위치 센서 및 상기 모터 축의 위치를 감지하는 제2 감지 위치 센서에 결합되어 상기 모터 축 속도의 결정을 가능케 하는 제어기를 포함하는 제어 시스템을 더 포함하고, 제어 시스템은 제1 및 제2 센서로부터의 감지 신호들에 응답하여 그에 따라 모터 속도/위치를 조정한다. 적합하게 제어기는 전기 모터의 대역폭의 적어도 5배 이상인 비율에서 주기를 이루며, 바람직하게 제어기는 액추에이터의 기계적 시정수의 10분의 1이하의 주기를 갖고 제1 및/또는 제2 센서를 샘플링하도록 되어 있다.

궤환 제어를 위해 두 개의 센서를 이용하여 스틱 슬립 문제를 해소함으로써 고 레벨의 제어 정확성과 신뢰성을 얻는 동시에 고가의 고 등급 저 백래시 기어가 필요치 않게 된다. 따라서 필요 수명을 얻기 위한 물질 및 설계를 세심하게 선택함으로써 이제 우수한 레벨의 정확성으로 저 비용 구동 열을 생성할 수 있게 된다.

바람직하게 제2(모터) 센서의 감도(즉, 모터 축의 작업 이동 정도당 센서 카운트)는 출력 축의 완전 동작 속도의 적어도 2 바람직하게는 적어도 1%이내로 출력 축 속도를 제어할 만큼 높다.

제어기는 전기 모터의 대역폭의 적어도 5배 이상인 비율에서 주기를 이루도록 구성되어 있다. 전기 모터의 대역폭은 이해하는 바와 같이, 순간 입력 또는 로드 조건이 주어진 경우 모터가 그 정상 상태 속도로 형성하는 비율과 관련된다. 이는 때로 장치 스텝 입력에 응답하여 속도 변화의 제1차 근사치로 기술된다. 제1 차 시스템에 있어서, 정상 상태(최종 값의 99%)가 5 시정수 내에 도달하고, 하나의 시정수에서 이러한 시스템은 정상 상태 값(속도)의 63%에 도달한다.

출력 센서 감도는 적합하게 출력 축의 전체 이동의 0.025% 차수 즉, 출력 축의 전체 이동에 4000카운트이다. 모터 센서 감도는 적합하게 출력 센서 감도의 적어도 100배 이상이고, 예를 들어 출력 센서 상의 모든 단일 카운트에 대응하는 323 카운트를 생성한다.

바람직하게 제어기는 원하는 설정 점에서 액추에이터 출력 위치를 유지하도록 설계된 위치 제어 루프를 구비한다. 위치 제어 루프 내에는 내적으로 구동된 원하는 값으로 모터 속도를 유지하는 비례 적분 미분 제어기(PID 제어기)를 갖는 제2 루프가 있다. 요구 위치가 변하거나 로드 장애가 출력 위치를 변화시키는 경우 위치 에러가 발생한다. 제어기는 출력 축 및 모터 위치 센서 모두로부터 신호들을 수신하고, 에러(비례), 모든 이전 에러들의 합(적분) 및 에러의 변화 비율(미분)을 기초로한 연산으로부터 모터 구동 신호에 대해 수집 동작을 연산한다.

본 발명의 제2 특징에 따르면, 액추에이터의 선형적으로 이동하는 출력 축에 적합하게 결합된 전기 모터 구동부를 포함하는 선형 출력 밸브 액추에이터가 제공되는데, 출력 축은 그에 결합된 제1 슬리브의 일반적으로 중앙부를 갖는 스러스트 트랜스듀서에서 종료하고, 상기 제1 슬리브는 작동 대상 밸브에 직 또는 간접적으로 결합가능한 외부 고리(outer annulus)를 가지며, 상기 제1 슬리브는 또한 상기 중앙 부분을 상기 외부 고리에 연결하고, 상기 중앙 부분과 상기 외부 고리 사이에 인가된 힘에 응답하여 굴곡하도록 배치된 두께가 감소된 물질의 웹(web)을 포함하고, 상기 트랜스듀서는 상기 웹상에 장착되고 웹이 굴곡할 때 웹 내의 변형을 감지하도록 배치된 적어도 하나의 변형 게이지(strain gauge)를 포함하여 사용시 작동될 밸브에 상기 출력 축에 의해 인가된 스러스트 표시를 제공한다.

일반적으로 제1 슬리브는 상기 또는 각각의 변형 게이지로부터 수신된 사전 조절 신호들을 위한 전자 부품들을 하우징하고, 상기 또는 각 변형 게이지로부터의 신호는 출력 축의 안쪽을 통과하는 신호 도체를 따라 전달될 수 있다. 이는 케이블들이 실링 글랜드(sealing glands) 등을 통해 액추에이터 외측에 라우팅될 필요가 없으므로 인클로저의 보호 내에 있기 때문에 장점을 제공한다.

본 발명의 다른 특징은 모터 축을 갖는 전기 구동 모터를 구비하고, 밸브의 이동을 구동하도록 상기 모터 축에 연결된 출력 축을 갖는 밸브 액추에이터를 구비하는데, 상기 액추에이터는 밸브의 폐 루프 제어를 제공하기 위한 제어기를 포함하고, 액추에이터는 비 방해 설정 시퀀스를 갖는 유저 인터페이스와 더불어 하우징 내에 하우징되고, 액추에이터 하우징은 예컨대 자석 같은 간단한 비 방해 비 동력식 장치를 하우징의 외부에 접근시킴으로써 상기 제어 루프에 대한 설정 루틴을 개시하도록 트리거될 수 있는 스위치를 하우징하고 있다.

스위치는 예를 들어 홀 또는 리드 스위치(Hall or Reed switch)이다. 따라서 유저에 대한 설정 태스크를 간단하게 하는 동시에 방해 기계 장치의 사용으로부터 스파킹의 위험을 방지하고, 단지 설정을 개시하기 위해 유저가 PDA 또는 다른 무선 제어 장치를 액세스할 필요를 방지한다. 바람직하게 안전을 위해 유저 인터페이스는 스위치에 근접한 상태로부터 상기 장치를 제거할 경우 설정 루틴이 정지되도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전기 모터 구동부 및 기어 구동 열을 구비하고, 도관 내의 유체의 유속을 제어하도록 개구의 가변 상태들 사이에서 제어 밸브를 구동하도록 이동하는 출력 축을 구비하는 밸브 액추에이터가 제공되는데, 상기 액추에이터는 한 위치에서 기어 구동 열의 하나 이상의 기어들을 고정하여 "동력 손실 상태 유지" 특징을 제공하기 위한 고정 래치를 구비하고, 래치는 탄성 바이어싱 수단에 의해 상기 구동 열의 한 기어와 결합을 유지하고, 탄성 바이어싱 수단의 힘에 대항하여 기어들과 결합으로부터 상기 래치를 당기는 솔레노이드 아마추어를 구비한 전기 솔레노이드에 의해 이동된다.

바람직하게 고정 래치는 영구적으로 구동된 제2 휠에서 하나 이상의 방사상 연장 슬롯들과 결합가능한 하나 이상의 축방향 연장 고정 핀들을 구비하는 제1 휠을 구비하고, 제1 및 제2 휠은 평행 면들에서 회전가능하고, 제1 휠의 평면은 상기 솔레노이드가 탈여자되어(deenergized) 슬롯 내로 고정 핀의 진입을 일으킬 때 상기 바이어싱 수단의 작용하에 고정 위치 쪽으로 상기 제2 휠의 평면을 향하여 이동가능하다.

제1 휠은 제1 휠의 수동 회전을 허용하는 스플라인 축(splined shaft)과 같은 구동 수단을 더 포함하고, 회전은 제1 휠이 고정 위치에 있을 때 상기 또는 각 고정 핀을 통해 제2 휠에 전달됨으로써 출력 축에 전달된다.

액추에이터는 또한 지지 암 또는 프로프(prop)가 축의 축선 방위를 유지하고, 백래시를 방지하도록 피니언/상기 구동 열의 기어링에 의해 작동되는 축의 부분에 가장 가까운 축의 축선 방향 쪽으로 조정가능하게 연장할 수 있는 선형 출력 축에 대한 수평 지지 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 모터 축을 구비한 전기 구동 모터 및 밸브의 이동을 구동하도록 상기 모터 축에 연결된 출력 축을 구비하는 밸브 액추에이터를 구비하는데, 액추에이터는 출력 축의 토크 또는 스러스트를 감지하여 상기 밸브에 인가된 토크 또는 스러스트의 폐 루프 제어를 제공하기 위한 제어기 및 토크 또는 스러스트 센서를 갖는 제어 시스템을 더 구비하고, 메인 전원 고장 시 안전 위치로 상기 밸브를 이동시키는 안전 장치 설비를 더 구비하고, 안전 장치 수단은 전기 모터 및 제어 시스템에 전력을 공급하고, 밸브를 토크/스러스트 제어 방식으로 안전 위치로 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 슈퍼/울트라 커패시터를 포함한다.

이 장치는 유저에게 원하는 안전 장치 상태로 액추에이터를 복귀시키는 저 전력 소모, 비용 효율이 높은 완전한 토크/스러스트 제어식 장치를 제공하고, 유저로 하여금 안전 장치 텐션을 각 설비에 필요한 레벨로 효과적으로 맞출 수 있도록 하여 밸브가 불충분하거나 과도한 힘을 필요로 하지 않고 안전하게 재위치될 수 있다.

바람직하게 안전 장치 전력은 부스트 컨버터를 통해 값 30F 또는 그 이상의 하나 이상의 울트라 커패시터로부터 공급된다. 부스트 컨버터는 완전한 로드 조건하에서 수행되도록 원하는 안전 장치 속도 및 충분한 전류에서 모터를 구동하는데 충분한 전압을 제공한다. 바람직하게 울트라 커패시터들은 전류 제한형 벅 컨버터(buck converter)를 이용하여 완전한 안전 장치 스트로크를 수행하면서 커패시터의 수명을 유지하기 위해 충분한 에너지를 제공하는 전압으로 충전되어야 한다.

다른 특징에서 본 발명은 모터 축을 구비한 전기 구동 모터 및 밸브의 이동을 구동하도록 상기 모터 축에 연결된 출력 축을 구비하는 밸브 액추에이터를 제공하는데, 상기 액추에이터는 출력 축의 토크 또는 스러스트를 감지하여 상기 밸브에 인가된 토크 또는 스러스트의 폐 루프 제어를 제공하기 위한 제어기 및 토크 또는 스러스트 센서를 갖는 제어 시스템을 더 구비하고, 상기 제어기 또는 상기 제어기에 동적으로 연결된 다른 프로세서는 실제 스러스트/토크를 주기적으로 기록(log)하고, 이 데이터는 이력 데이터/프로파일들과 비교를 위해 활용가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예를 이제 도면을 참조로 하여 기술한다.

도 1은 밸브 액추에이터의 일반적인 사시 조립도이다.

도 2는 도 1과는 다른 시야 각에서 본 밸브 액추에이터의 일반적인 사시 조립도이다.

도 3은 시스템 회로도이다.

도 4는 액추에이터 제어 시스템의 제어 루프의 개략도이다.

도 5는 출력 축 및 랙과, 지지 요소를 고정시키도록 축에 인접하는 지지 요소를 도시하는 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 스러스트 트랜스듀서를 포함하는 액추에이터의 단면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 트러스트 트랜스듀서의 확대도이다.

도 8은 본 발명에 따른 제네바(Geneva) 고정 메커니즘의 단면도이다.

도 9는 도 8의 메커니즘의 다른 사시도이다.

도 10은 도 8 및 도 9의 메커니즘의 평면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 시스템은 일반적으로 전기 구동 모터(3) 및 전자장치에 필요한 전압을 생성하는 스위치식 모드 전원(2)에 의해 제공된 DC 전 원(1)을 포함한다. 액추에이터의 구동 모터(3)는 적합하게 스퍼 기어 구동 열(4a-4d) 내지 랙(5)과 피니언(6)을 통해 구동하는 영구 자석 DC 모터를 구비하고 있다. 랙(5)은 제어 밸브의 열린 정도를 변화시키는데 필요한 선형 출력을 제공하는 액추에이터의 출력 축(7)에 결합되어 있다. 제어 밸브는 도면에서 도시되어 있지 않다.

전기 구동 모터(3)는 모터(3)를 이동시키고 그 속도 및/또는 토크를 변화시키도록 모터 제어기(48) 및 모터 구동부(49)에 의해 변화된 전압으로 그 전원(1)에 영구적으로 접속되어 있다.

적합하게는 회전/축 인코더인 제1 비접촉 디지털 위치 센서(11)가 출력 축(7)의 위치를 검출하도록 액추에이터 출력 축(7)을 구동하는 피니언(6)의 단부에 인접하게 위치하고 있다. 피니언(6)의 단부에 인접하게 위치한 위치 센서(11)는 랙(5)의 한쪽에 장착된 제2 랙(5a)과 협동하여 사용에 있어서 랙이 왕복하는 경우 제2 랙(5a)이 대응하게 왕복하고, 자석을 이송하는 피니언 기어(5b)를 회전시킨다. 자석 위치는 위치 센서(11)를 이용하여 감지된다. 비틀림 스프링(5c)에 의해 구동 피니언 기어 이와 구동 랙(5a) 상의 이 사이에 백래시가 확실하게 없게 된다. 센서(11)는 피니언(5b)의 절대 회전 위치 즉, 출력 축(7)의 작업 이동의 한 극단부와 같은 위치로부터와 같이 참조 위치로부터 피니언(5b)이 얼마나 많은 턴 카운트로 이격되어있는지를 감지한다. 이 회전 위치 센서(11)는 고유한 코딩된 신호들에 의해 지정된 데이터로부터 축 각도 위치를 나타내는 절대 회전/축 인코더이다.

다른 실시예에서, 출력 축(7)의 이동의 선형 정도를 따르는 출력 축(7)의 위 치는 회전 인코더가 아니라 비 접촉 선형 위치 센서에 의해 감지될 수 있다. 이러한 센서들은 자기, 유도 또는 광학 기술을 기반으로 할 수 있다.

제2 비접촉 디지털 위치 센서(10)는 구동 축(3a)의 회전 위치를 감지하도록 모터(3)의 구동 축(3a)의 단부에 인접하게 위치되도록 배치되어 구동 축(3a)의 회전 속도를 결정한다.

장치를 배치하여 오버슈트를 방지하도록 두 개의 위치 센서(10, 11)를 사용하는 것이 매우 중요하다. 전술한 바와 같이, 제어 밸브에서 경험하는 스틱 슬립 시나리오는 폐 루프 프로세스에서 효율을 유지하는데 주요한 결함임을 인식하였다. 때로 프로세스 제어를 유지하는데 밸브 위치에 미세 조정이 만들어질 필요가 있다. 첫째로, 제어기(9)는 필요한 브레이크어웨이 스러스트/토크를 생성하고 소정의 위치로 밸브 제어를 신속하게 시도하는데 대 출력 레벨을 결정해야 한다. 때로 제어기(9)는 원하는 위치에서 중 하중과 밸브 오버슈트를 해소하도록 포화(따라서 와인드 업 동작)로 구동되어 제어 루프를 불안전하게 한다. 이러한 상황을 해소하기 위해, 제어 시스템은 다음의 궤환 상태를 이용한다.

● 액추에이터의 절대 출력 축 위치

● 모터 축 위치

두 개의 센서(10, 11)는 출력 축(7)에서 작은 변화를 검출할 뿐만 아니라 모투 축(3a)에서 임의의 이동을 검출하는 "슈퍼 센서"를 형성하도록 효과적으로 결합한다.

시스템 설계는 모터 축 센서(10)가 출력 축(7)의 아주 작은 이동/편차를 고 르게 하도록 고 레벨의 감도를 나타내도록 되어 있다. 모터 속도에 사용된 디지털 제어 루프는 일반적으로 최초 무버(prime mover)/DC 모터(3)의 대역폭(즉, 기계적 시정수의 5배 이상)의 예를 들어 5 배의 크기 순서의 속도에서 수행하는 PID 제어기(9)이다. 제어 루프 및 모터 축 센서(10)의 속도로 인해, 모터 속도는 출력 센서(11)에서 주목할만한 변화가 없이 측정 및 제어될 수 있다. 제어기(9)의 특성을 더욱 개선시키기 위해 다음의 실시예가 이용된다. 즉 두 개의 제어 루프, 출력 축 센서(11)를 기반으로 한 밸브 위치결정 제어 루프(11a) 및 모터 센서(10)를 기반으로 한 고 해상도 모터 속도 제어 루프(10a)가 제공된다.

기준 속도 요구는 밸브 위치결정 루프(11a)에 의해 생성된다. 짧은 거리의 이동의 경우에, 요구 속도는 낮으며, 긴 이동의 경우에 높은 값이다. 따라서 브레이크어웨이 상태에서 아주 짧은 거리의 이동이 필요한 경우, 속도 제어기는 포화로부터 벗어나서 제어기를 구동시키는 고 감도의 속도 측정으로 인해 큰 속도 음의 에러를 경험하게 된다. 따라서 이 시스템은 밸브 스틱 슬립 문제를 겪지 않고 효과적으로 와인드 업 프리 제어기를 생성할 수 있다.

제어 시스템은 기어 열에서 공지의 기계적 백래시 및 모터(3)를 출력 축(7)에 결합하는 임의의 다른 부품들을 참조로 요구 속도 값을 생성하여 개선될 수 있다. 이하 기술하는 바와 같이, 이러한 백래시는 두 개의 센서(10, 11)를 이용하여 감지 및 계산될 수 있다. 하나의 값이 알려지면, 요구 속도는 모터 방향이 역으로 된 것이 알려졌을 때(백래시가 요인이라고 인식되는 상황) 천천히 증가 될 수 있다. 따라서 백래시가 신속하게 처리될 수 있고, 요구 속도는 구동이 기어 열 및 출력 축(7)을 통해 밸브 상에서 처리됐을 때 감소된다(예를 들어, 공지의 거리가 모터 출력 축(3a)에 의해 이동됨).

이는 출력 축 제어 루프에 대해 많은 개선된 설정 시간을 제공하는데, 이는 출력 축 루프의 기계적 백래시의 효과가 모터 속도 루프에서 적합한 모터 요구 속도 계산 및 조정으로 상쇄될 수 있기 때문이다.

따라서, 도 4에 도시된 제어 시스템은 백래시 계산 장치(12)를 포함하는데, 이 장치는 백래시 값을 모터 속도 프로파일 계산기(14)에 공급하고, 이 계산기는 이어서 요구 모더 속도 값을 생성한다.

장치는 기어 열(4a-e, 5, 6)의 시작시 한 위치 센서(10)를 가지고 종료시 한 위치 센서(11)를 가지므로, 센서(10, 11)의 출력 위치 사이에 관계가 있다. 이는 역방향 시, 출력 센서(11)를 이동시키기 시작하는 모터 센서(10)의 위치에서 변화량을 관찰함으로써 구동 열 내의 백래시를 측정하는데 사용될 수 있다. 백래시의 증가는 구동 열(4a-e, 5,6)에서 발생하는 마모를 나타낸다. 구동 열이 항상 한 방향에서 사전 로딩되어 백래시가 존재하지 않는 시스템에서 마모에 있어서 아직까지 증가를 측정하는 것이 가능하다. 이는 출력 인코더(11)의 특정 위치에서 모터 인코더(10)로부터의 출력을 관찰함으로써 수행될 수 있다. 이어서 이러한 관계가 변화하면 이는 구동 열에서의 마모로 인한다.

랙(5) 및 출력 축 어셈블리는 하우징(14)에서 지지되고(도 5에 도시된 바와 같이), 또한 피니언 기어(6)와 랙(5) 사이의 접촉점에 대향하는 조정가능/연장가능 지지 암/프로프(15)에 의해 지지된다. 서포트는 랙(5)과 피니언(6) 메시 사이에서 백래시를 제거하는데 조정가능하다. 이 점에서의 서포팅은 어셈블리를 크게 만드는 랙(5)의 상부로부터 축(7)이 돌출할 필요를 또한 제거한다.

도 6과 7을 참조하면, 액추에이터에 의해 생성된 스러스트의 측정은 액추에이터 출력 축(7)의 단부에 장착된 트랜스듀서(16)를 이용하여 수행될 수 있다. 특히, 도 6의 단면도와 도 7의 확대도를 참조하면, 축(7)은 랙과 피니언 장치(5와 6)를 통해 선형적으로 구동된다. 밸브에 대한 구동이 밸브 결합 보스(51)에서 종료하는 외부 슬리스(50)를 통해 전달된다. 모터로부터의 구동(도 6 및 7에 도시되지 않음)은 내부 슬리브(52)를 통해 외부 슬리브(50)로 전달된다.

내부 슬리브(52)는 외부 슬리브(50)의 내부 스레드된 표면과 스레드되어 결합하고 O 링(55)에 의해 슬리브(50)에 실링되는 외부 고리(54), 랙과 피니언 장치(5 및 6)에 의해 구동된 사실상 강성 출력 축(7)에 고정된 일반적으로 중앙의 결합 포인트(56) 및 결합 포인트(56)와 외부 고리(54)를 연결하는 유연성 환형 얇은 벽형 웨브(60)를 포함한다.

축(7)이 모터 구동하에서 왕복함에 따라 웨브(60)는 굴곡한다. 굴곡은 액추에이터가 밸브에 결합된 포인트에서 힘의 측정을 허용하는 웨브상에 장착된 변형 게이지(62)에 의해 측정된다.

커플링 내의 증폭기 PCB(64)는 변형 게이지 출력을 증폭하고, 증폭기로부터의 출력 신호는 출력 축(7)의 내측에 형성된 통로를 통해 공급된 케이블(65)을 따라 액추에이터로 공급된다.

이는 밸브를 이동시키는데 필요한 힘의 아주 정확한 측정을 제공한다.

변형 게이지(16) 출력은 스러스트 제어 루프(16a)(도 4)에서 1차 궤환을 형성한다. 첫째로 아날로그 회로가 측정에 있어서 노이즈를 제거하도록 스러스트 신호를 처리한다. 필터링 된 신호는 액추에이터보다 큰 대역폭을 가지며 제어기로 공급되도록 되어 있다. 변형 게이지(16)로부터 처리된 스러스트 측정치가 기준 값(18) 이하인 경우, 모터(3)는 최대 출력을 낼 수 있다. 액추에이터에 의해 생성된 스러스트가 설정 값(18)에 도달한 경우, 모터 전류는 이 전류가 기어들의 역 효율을 이용하는 완전 로드 스러스트 이상을 유지하고 또한 모터의 고유 코깅(cogging) 토크를 유지할 만큼은 충분한(따라서 모터에 의해 생성된 토크) 그런 값으로 제한된다. 따라서 로드를 유지하는데 필요한 출력은 로드를 이동하는데 필요한 것의 부분(fraction)이다. 따라서 스러스트 제어 전략은 효율에 있어 프로그램가능하고, 정확하고 최적으로 된다. 중요하게 스러스트 제어는 또한 안전 장치 동작에서 실시된다.

또한, 도 6 및 7에 도시한 장치에 있어서, 센서 게이지, 케이블링 및 전자 장치는 일체로 되고 액추에이터의 밀봉된 인클로저 내에 있다. 이러한 일체 특징은 밸브들이 위험한 환경에서 사용될 수 있고, 액추에이터들이 예를 들어 폭발 방지 정격을 필요로 할 수 있으므로 중요하다. 액추에이터 내에서 센서들을 유지하고 배선을 접속함으로써 얻기가 어려운 적합한 안전 정격을 이루는데 알려지고, 케이블 손상 문제를 일으킬 수도 있는 실링 글랜드(sealing glands) 등에 대한 필요를 방지한다.

이 실시예에서, 신호 및 전력 배선은 축(7)을 통해 터미널 블록(66)으로 통 과한다. 이어서 신호는 액추에이터의 상부에서 다른 PCB(68)로 유연성 케이블(67)을 통해 내부적으로 이송된다. 따라서 축(7)의 왕복이동은 유연성 케이블(67)에 의해 수용된다.

다른 트랜스듀서들은 온도 센서, 휘발성 물질 검출을 위한 '스니퍼(sniffer)' 및/또는 진동 측정을 위한 가속도계 등의 슬리브(50 및 52) 내에 형성된 센서 어셈블리 내에 고정될 수 있다.

제어 밸브 액추에이터 장치의 바람직한 개선에 있어서, 액추에이터는 비 방해 설정 시퀀스를 가질 수 있다. 액추에이터 본체(38)는 무선 RF 단거리(short range) 수신기 및 송신기를 하우징하고 있다. 따라서 액추에이터로 및 그로부터의 비 방해 통신이 가능하다. 액추에이터는 무선 휴대용 장치를 이용하여 구성될 수 있다(속도, 이동 방향 등을 조정하도록). 불루투스 무선 접속 표준이 이 목적을 위해 사용될 수 있다. GB2196494B에 개시된 장치가 또한 사용될 수 있는데, 비 방해 설정과 관련한 이 특허의 개시를 여기에서 참조하기로 한다.

액추에이터는 인클로저 외측의 자기 장치를 이용하여 인클로저/액추에이터 본체 안쪽의 자기 센서를 트리거링함으로써 설정 루틴을 시작하도록 트리거될 수 있다. 이어서 액추에이터는 액추에이터가 제한 위치를 설정하는 밸브 이동의 종료를 가리킬 때까지 각 방향에서 순서적으로 동작할 수 있다. 액추에이터는 액추에이터가 이동 정지 그 자체의 내부 종료를 가리킬 때 스러스트의 출력이 트랜스듀서(16)에서 생성되지 않는 경우, 밸브 이동의 종료와 그 자체의 내부 정지간을 구별할 수 있다. 따라서 예를 들어, 액추에이터 스트로크가 밸브 스트로크에 대해 충분하지 않은 경우에도 아마도 밸브에의 액추에이터의 부정확한 적응 때문에 표시가 만들어질 수 있다.

전기 에너지는 주전원의 고장 시 안전 위치로 밸브를 이동시키도록 슈퍼/울트라 커패시터(20)에 저장되어 있다. 모든 메커니즘 및 관련 전자 장치는 방수 인클로저 내에 하우징되어 있다. 울트라 커패시터들(20)의 뱅크(직렬 접속)가 스위치 모드 전원을 이용하여 충전된다. 총 커패시터 뱅크 전압은 정상 동작의 경우에, 모터에 필요한 전압 훨씬 이하이다. 예를 들어, 정상 동작에 필요한 최대 모터 전압이 24V인 경우, 커패시터 뱅크 전압은 약 7V이다.

전력 손실 동작 동안(즉, 안전 장치 동작) 일정 속도를 유지하기 위해서 커패시터 전압은 상승되어 일정하게 유지될 필요가 있다. 고정 주파수 300 또는 500 kHz 전류 모드 부스트 제어기 또는 승압 컨버터(21)가 이 목적을 위해 사용된다. 커패시터(20) 뱅크가 필요한 전력을 공급하는 안전 장치 동작 동안 부스트/승압 컨버터(21)는 커패시터 전압이 감소하는 경우라도 모터(3)에 대한 전압을 정상 출력으로 유지한다. 따라서 저장된 에너지의 70% 이상이 추출될 수 있으면서 제어된 안전 장치 동작을 달성한다. 출력 부스트 전압은 정상 공급 전압 이하이지만 원하는 안전 장치 속도에 필요한 것 이상 이도록 되어 있다.

액추에이터 기어박스는 모터(3)로부터 밸브에 결합된 액추에이터 출력(7)으로 구동을 취하는 고도로 유효한 스퍼 기어 구동 열이다. 고 효율이란 자체 고정이 아닌 역 구동될 수 있는 것을 말한다.

정상 상황하에서 모터(3)는 전원을 받아서 액추에이터 및 밸브를 원하는 위 치로 이동시킨다. 모터는 모터를 또한 액추에이터의 역 구동을 시도할 수 있는 밸브에 의해 생성되는 임의의 힘에 도달하게 유지하고, 그 위치로부터 이동시킨다. 따라서 모터는 액추에이터의 필요한 자체 고정을 제공한다.

그러나 무전원의 조건에서 일반적으로 바람직하지 못한 밸브의 비 제어 이동이 일어날 수 있다. 따라서 고정 메커니즘이 제공된다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, 액추에이터 기어링은 이하 기술하는 핀들(72)과 협동하는 몰타의 십자(Moltese cross) 구성을 갖는 부품(4c)을 포함한다.

기능 요건은 모터에 전원이 없는 경우 액추에이터를 수동으로 동작시키는 방법을 제공하고, 전력이 없고 그 위치를 유지해야 하는 경우 액추에이터가 자체 고정인 것을 보장하는 것이 필요하다. 브레이크는 제2 요건을 달성할 수 있는 한편, 브레이크는 액추에이터를 수동으로 구동하도록 브레이크를 극복하는 문제를 제공한다.

이하에 기술하는 몰타의 십자(제네바) 메커니즘은 이동 사이의 위치에 고정된 간헐적 이동을 제공하는데 사용된다.

제네바 메커니즘(4c)에 대한 구동은 구동 열에서 기어들(74) 중 하나와 영구히 결합되어 있다. 고정 핀(72)의 결합은 솔레노이드(도시 않음)에 의한 결합으로부터 정상적으로 유지되는 스프링 바이어싱 수단(76)을 이용하여 선택적으로 달성된다.

정상적으로 전원이 작동되는 상태에서 솔레노이드 구동부(75)(도 3) 아래의 솔레노이드는 스프링(76)에 대항해서 결합해지 된 상태에서 제네바 메커니 즘(4c/72)을 유지한다. 액추에이터에 대한 전원이 제거되면, 솔레노이드는 그 유지력을 상실하고, 스프링(76)은 축방향으로 결합하게 제네바 구동부를 이동시킨다. 제네바 메커니즘이 역 구동될 수 없는 경우, 이 메커니즘은 액추에이터를 제 위치에 고정한다. 그러나 제네바 구동부가 스플라인(78)을 이용하여 구동 축을 통해(액추에이터의 외측으로부터) 구동될 수 있어서 액추에이터를 새로운 위치로 이동시킨다. 액추에이터에 대한 전원이 복구되는 경우, 솔레노이드는 모터에 의한 액추에이터의 이동이 허용되기 전에 제네바 구동부를 결합해지 하기 위한 힘을 생성한다.

제네바 메커니즘은 핀들(72)이 크로스(4c)와 정렬하지 않을 때 액추에이터 전원이 제거되는 경우 완전하게 결합하지 않을 수 있다. 그러나 수동 구동부가 회전하거나 액추에이터 구동 열이 역구동되는 경우, 구동부는 핀들(72)이 라인 업되어 스프링이 메커니즘과 결합할 때 제네바 구동부가 결합하는 위치에 도달하게 된다. 고정 이전에 액추에이터가 이동하는 최대 량은 작고 수용가능한 량으로 지정된다.

때로 액추에이터에 대한 전원이 존재할 때 액추에이터를 수동으로 이동시키는 것이 필요할 수 있다. 이는 이것이 달성될 수 있도록 솔레노이드 출력을 결합해지하는 액추에이터의 외측에 비 방해 스위치를 제공함으로써 달성된다. 이 스위치가 작동되고, 수동 구동이 결합되면, 모터는 전기적으로 그 작동이 방지된다. 스위치가 비 작동되는 경우 솔레노이드는 전원을 받게 되고, 수동 구동부와 결합이 해지되어 모터가 제어를 인계받는다.

때로, 액추에이터에 대한 전원이 존재하는 경우 액추에이터를 수동으로 이동시킬 필요가 있을 수 있다. 이는 이것이 달성될 수 있도록 솔레노이드 출력을 결합해지 하는 액추에이터의 외측에 비 방해 스위치를 제공함으로써 달성된다. 이 스위치가 작동되고, 수동 구동이 결합되면, 모터는 전기적으로 그 작동이 방지된다. 스위치가 비 작동되는 경우 솔레노이드는 전원을 받게 되고, 수동 구동부와 결합이 해지되어 모터가 제어를 인계받는다. 핀들(72) 및 크로스(4c)를 분리하는데 필요한 힘을 최소로 유지하기 위해 모터는 솔레노이드가 전원을 받는 경우 약간 역방향 및 정방향으로 자동으로 회전될 수 있다. 이는 핀들(72c)과 크로스(4c) 상의 로드에서 고정된 임의의 로드를 해제하는데 도움이 되고, 작은 낮은 전력의 솔레노이드를 사용할 수 있게 한다.

이 실시예는 주전원이 소실되었을 때 수동 구동부를 자동으로 결합하고 액추에이터를 제 위치에 고정하지만 여전히 수동 구동을 허용한다.

또한 또는 전술한 특징 많은 발명의 특징들과 달리 밸브 액추에이터는 루틴 및 예측 유지 전략을 용이하게 하도록 설정된 특징이 많은 진단 루틴을 제공하는 전자 제어기(46)를 가짐으로써 적합하게 향상된다. 제어기는 액추에이터 본체/하우징(39) 내에 바람직하게 하우징되는 것으로 도시되어 있으며, 전술한 무선 인터페이스에 의해 외부 프로세서/컴퓨터와 적합하게 통신한다.

제어기(46)에 의해 정확하게 모니터 될 수 있는 하나의 중요한 변수는 실제적 출력 스러스트/토크이다. 동등한 기압 제어기들에 있어서, 토크/스러스트의 값은 입력 압력 및 스프링 힘을 통해서만 추정되고, 몇몇의 전기 액추에이터들에 있 어서 스러스트/토크의 근사치는 모터 전류로부터 결정된다. 이들 모두에 의해 부정확한 스러스트/토크 측정이 유도된다. 제어기(46)는 실제 스러스트/토크를 주기적으로 기록하고, 이 데이터는 이력 데이터/프로파일들과 비교를 위해 활용가능하다. 이는 밸브 패킹으로 인한 밸브 시트 마모 및 마찰 증가 등의 유용한 진단법을 제공한다. 이를 이하에서 보다 상세히 설명한다.

다른 예측 유지 보조장치는 연속 효율 파라미터이다. 액추에이터 효율은 입력 전력 및 출력 전력 계산에 의해 유도된다. 입력 전력은 전류 및 전압 측정으로 제공되고, 출력 전력은 스러스트/토크 속도 및 가속도에 의해 제공된다. 중 워크로드/요구로 인한 기어열 및 모터 내의 임의의 마모는 전력 전달 효율에서의 강하를 유도한다. 따라서 효율 파라미터의 모니터링은 기계적 마모의 조기 검출을 제공한다.

각 밸브 위치에서 소모된 축적 시간, 방향 변화 수 및 평균 제어 에러와 같은 제어 통계는 또한 적합하게 기록될 수 있다. 이들 통계치는 제어하의 프로세스의 성능 모니터링에 도움이 된다.

안전 장치 에너지 저장이 또한 모니터된다. 이는 공지의 로드 전류를 통해 단기간 동안의 울트라 커패시터들을 방전하고 셀 커패시턴스를 평가함으로써 달성된다. 따라서 임의의 커패시턴스와 안전 장치 에너지 저장의 열화가 진단된다.

전술한 바와 같이, 액추에이터가 기록하는 두 개의 출력 측정치는 위치 및 스러스트이다. 진단 루틴 또는 조건 모니터링은 이들 두 개의 측정치를 이용하여 수행된다.

정확한 위치 측정과 더불어 밸브 커플링에서 힘을 측정함으로써 우수한 진단 능력이 제공된다.

밸브를 모니터링 하는 예는 밸브를 이동하는데 필요한 힘이 밸브 내의 압력으로부터 생성된 스템 힘과 밸브 스템을 실링하는 스템 패킹으로부터 마찰력의 합으로 된다. 스템 힘은 항상 같은 방향에서 동작하지만, 마찰력은 양방향에서 동작한다. 따라서 마찰력은 한 방향에서 스템 힘에 더해지고 다른 방향에서 스템 힘으로부터 차감된다. 따라서 양방향에서 전체 힘을 정확하게 측정함으로써 스템 힘과 마찰 력을 각 힘으로서 계산할 수 있다.

밸브 시트에 대한 부식은 밸브가 닫침 위치로 이동할 때 스러스트의 형성에 대해 위치를 비교함으로써 모니터될 수 있다.

이동의 수 및 이동이 발생하는 위치는 모니터될 수 있다. 따라서 밸브가 얼마나 잘 프로세스를 제어하는지에 대한 표시를 제공할 수 있다. 또한 밸브 스템이 변화를 필요로 하는 경우를 나타낼 수 있다.

가속도계는 밸브 내의 캐비테이션(cavitation)으로 인한 진동을 나타낼 수 있다.

온도 센서는 밸브 실 누설을 나타낼 수 있다.

모터 상에 하나 출력 상에 하나의 2 위치 센서들로서 구동 열 내의 백래시를 모니터할 수 있다. 센서는 일반적으로 마모 표시기이다.

동작의 스러스트 및 수에 대해 출력 위치를 모니터하고 "워크 돈(work done)" 차트를 형성할 수 있다. 따라서 액추에이터 내의 마모의 표시를 제공한다.

모터에 의해 입력된 노력과 액추에이터에 의해 생성된 출력 스러스트를 비교하고, 따라서 전술한 바와 같이 마모의 표시기일 수 있는 구동 열의 효율을 모니터할 수 있다.

전자 제어기의 설계는 모듈러 분배 구조를 따른다. 따라서 제어기 내의 각 모듈이 그 자체의 상태/건강 정보를 전달할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서는 측정의 신호 세기 및 유효성에 관한 정보를 전송한다. 전력 모듈(모터 구동부)은 연속적으로 열적 셧 다운 상태, 전류 트립 등을 나타낸다. 각 모듈로부터의 상태 표시는 고장을 격리시키고, 따라서 고장시간/수리 시간을 저감하는 데 사용될 수 있다.

액추에이터는 유체 밸의 제어에 한정되지 않으며, 예를 들어 에어 댐퍼(air damper) 등을 제어하는데 사용될 수 있음은 물론이다.

Claims

모터 축을 갖는 전기 구동 모터를 구비하고, 밸브의 이동을 구동하도록 상기 모터 축에 연결된 출력 축을 갖는 밸브 액추에이터로서,

상기 액추에이터는 상기 액추에이터 출력 축의 제1 폐 루프 제어를 제공하도록 배치되고, 상기 액추에이터 출력 축의 위치를 감지하는 제1 위치 센서 및 상기 모터 축의 위치를 감지하는 제2 감지 위치 센서에 결합되어 상기 모터 축 속도의 결정을 가능케 하는 제어기를 포함하는 제어 시스템을 더 포함하는데, 상기 제어 시스템은 상기 제1 및 제2 센서들로부터의 감지 신호들에 응답하여 그에 따라 모터 속도/위치를 조정하는 밸브 액추에이터.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 센서의 감도는 상기 출력 축의 완전 동작 속도의 적어도 2% 이내로 출력 축 속도를 제어할 만큼 높은 밸브 액추에이터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 모터의 기계적 시정수의 5분의 1 이하의 주기로 제1 및/또는 제2 센서를 샘플링하도록 되어 있는 밸브 액추에이터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 제어 루프는 제2 위치 센서를 이용하고, 상기 모터 속도를 제어하도록 되어 있는 제2 제어 루프를 포함하고, 상기 제2 제어 루프의 요구 속도는 상기 모터와 상기 출력 축 사이의 기계적 결합에서 백래시(backlash)를 나타내는 백래시 값을 참조로 생성되는 밸브 액추에이터.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시 상기 액추에이터의 또는 상기 액추에이터에 결합된 제어기 또는 프로세서는 역방향의 경우 상기 제1 센서의 이동을 개시하도록 제2 센서의 위치에서 변화량을 참조함으로써 상기 모터를 출력 축에 결합하는 기계적 구동 열(drive train) 내의 백래시를 측정하도록 되어 있는 밸브 액추에이터.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 축의 말단부에 위치한 스러스트 트랜스듀서(thrust transducer) 등의 트랜스듀서를 포함하고, 상기 출력 축은 상기 트랜스듀서와 상기 액추에이터의 본체 사이의 통신 케이블링의 내부 라우팅을 허용하는 내부 통로를 포함하는 밸브 액추에이터.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시 상기 액추에이터의 또는 상기 액추에이터에 결합된 제어기 또는 프로세서는 제1 센서의 특정 위치에서의 제2 센서로부터의 출력을 참조함으로써 구동 열 내의 마모를 측정하도록 구성되어 있는 밸브 액추에이터.
액추에이터로서 이 액추에이터의 선형적으로 이동하는 출력 축에 적합하게 결합된 전기 모터 구동부를 포함하는 선형 출력 밸브 액추에이터에 있어서,

상기 출력 축은 그에 결합된 제1 슬리브의 일반적으로 중앙부를 갖는 스러스트 트랜스듀서에서 종료하고, 상기 제1 슬리브는 작동 대상 밸브에 직 또는 간접적으로 결합가능한 외부 고리(outer annulus)를 가지며, 상기 제1 슬리브는 또한 상기 중앙 부분을 상기 외부 고리에 연결하고, 상기 중앙 부분과 상기 외부 고리 사이에 인가된 힘에 응답하여 굴곡하도록 배치된 두께가 감소된 물질의 웹(web)을 포함하고, 상기 트랜스듀서는 상기 웹상에 장착되고 웹이 굴곡할 때 웹 내의 변형을 감지하도록 배치된 적어도 하나의 변형 게이지(strain gauge)를 포함하여 사용시 작동될 밸브에 상기 출력 축에 의해 인가된 스러스트 표시를 제공하는 선형 출력 밸브 액추에이터.
제 8 항에 있어서, 상기 모터 구동부는 기어들의 구동 열을 통해 출력 축에, 랙과 피니언에 결합되고, 상기 랙과 피니언의 랙은 상기 출력 축에 결합되거나 또는 상기 출력 축과 일체로 되는 선형 출력 밸브 액추에이터.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 제1 슬리브는 상기 또는 각각의 변형 게이지로부터 수신된 신호들을 사전 조절하기 위한 전자 부품들을 하우징하고 있는 선형 출력 밸브 액추에이터.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또는 각각의 변형 게이지로부터의 신호는 상기 출력 축의 내부를 통과하는 신호 도체를 따라 전달되는 선형 출력 밸브 액추에이터.
모터 축을 갖는 전기 구동 모터를 구비하고, 밸브의 이동을 구동하도록 상기 모터 축에 연결된 출력 축을 갖는 밸브 액추에이터로서,

상기 액추에이터는 상기 밸브의 폐 루프 제어를 제공하기 위한 제어기를 포함하고, 상기 액추에이터는 비 방해 설정 시퀀스를 갖는 유저 인터페이스와 더불어 하우징 내에 하우징되고, 상기 액추에이터 하우징은 예컨대 자석 같은 간단한 비 방해 비 동력식 장치를 하우징의 외부에 접근시킴으로써 상기 제어 루프에 대한 설정 루틴을 개시하도록 트리거 될 수 있는 스위치를 하우징하고 있는 밸브 액추에이터.
제 12 항에 있어서, 안전을 위해 상기 유저 인터페이스는 상기 스위치에 근접한 상태로부터 상기 장치를 제거할 경우 상기 설정 루틴이 정지되도록 구성되는 밸브 액추에이터.
전기 모터 구동부 및 기어 구동 열을 구비하고, 도관 내의 유체의 유속을 제어하도록 개구의 가변 상태들 사이에서 제어 밸브를 구동하도록 이동하는 출력 축을 구비하는 밸브 액추에이터로서,

상기 액추에이터는 한 위치에서 상기 기어 구동 열의 하나 이상의 기어들을 고정하여 "동력 손실 상태 유지" 특징을 제공하기 위한 고정 래치를 구비하고, 상기 래치는 탄성 바이어싱 수단에 의해 상기 구동 열의 한 기어와 결합을 유지하고, 상기 탄성 바이어싱 수단의 힘에 대항하여 기어들과 결합으로부터 상기 래치를 당기는 솔레노이드 아마추어를 구비한 전기 솔레노이드에 의해 이동되는 밸브 액추에이터.
제 14 항에 있어서, 상기 고정 래치는 영구적으로 구동된 제2 휠에서 하나 이상의 방사상 연장 슬롯들과 결합가능한 하나 이상의 축방향 연장 고정 핀들을 구비하는 제1 휠을 구비하고, 상기 제1 및 제2 휠은 평행 면들에서 회전가능하고, 상기 제1 휠의 평면은 상기 솔레노이드가 탈여자되어(deenergized) 슬롯 내로 고정 핀의 진입을 일으킬 때 상기 바이어싱 수단의 작용하에 고정 위치 쪽으로 상기 제2 휠의 평면을 향하여 이동가능한 밸브 액추에이터.
제 15 항에 있어서, 상기 제1 휠은 제1 휠의 수동 회전을 허용하는 스플라인 축(splined shaft)과 같은 구동 수단을 더 포함하고, 상기 회전은 제1 휠이 고정 위치에 있을 때 상기 또는 각 고정 핀을 통해 제2 휠에 전달됨으로써 출력 축에 전달되는 밸브 액추에이터.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액추에이터는 랙과 피 니언 장치를 포함하고, 상기 랙은 출력 축에 결합되고, 상기 피니언은 모터에 의해 구동되어 사용시 출력 축의 축방향 왕복 운동을 제어하고, 상기 액추에이터는 또한 상기 축의 축선 방위를 유지하고, 상기 랙과 피니언 장치에서 백래시를 완화하도록 피니언/상기 구동 열의 기어링에 의해 작동되는 축의 부분에 가장 가까운 축의 축선 방향 쪽으로 조정가능하게 연장할 수 있는 지지 암 또는 프로프(prop)를 포함하는 밸브 액추에이터.
모터 축을 구비한 전기 구동 모터 및 밸브의 이동을 구동하도록 상기 모터 축에 연결된 출력 축을 구비하는 밸브 액추에이터로서,

상기 액추에이터는 상기 출력 축의 토크 또는 스러스트를 감지하여 상기 밸브에 인가된 토크 또는 스러스트의 폐 루프 제어를 제공하기 위한 제어기 및 토크 또는 스러스트 센서를 갖는 제어 시스템을 더 구비하고, 메인 전원 고장시 안전 위치로 상기 밸브를 이동시키는 안전 장치 설비를 더 구비하고, 상기 안전 장치 수단은 상기 전기 모터 및 상기 제어 시스템에 전력을 공급하고, 상기 밸브를 토크/스러스트 제어 방식으로 안전 위치로 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 슈퍼/울트라 커패시터를 포함하는 밸브 액추에이터.
제 18 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 슈퍼/울트라 커패시터의 총 커패시턴스는 30F 이상인 밸브 액추에이터.
모터 축을 구비한 전기 구동 모터 및 밸브의 이동을 구동하도록 상기 모터 축에 연결된 출력 축을 구비하는 밸브 액추에이터로서,

상기 액추에이터는 상기 출력 축의 토크 또는 스러스트를 감지하여 상기 밸브에 인가된 토크 또는 스러스트의 폐 루프 제어를 제공하기 위한 제어기 및 토크 또는 스러스트 센서를 갖는 제어 시스템을 더 구비하고, 상기 제어기 또는 상기 제어기에 동적으로 연결된 다른 프로세서는 실제 스러스트/토크를 주기적으로 기록(log)하고, 이 데이터는 이력 데이터/프로파일들과 비교를 위해 활용가능한 밸브 액추에이터.
제 20 항에 있어서, 상기 제어기 또는 프로세서는 전류 및 전압 측정치로 결정된 입력 전력 및 스러스트/토크, 속도 및 가속도로부터 결정된 출력 전력으로부터 유도된 액추에이터의 연속 효율 파라미터를 모니터하는 밸브 액추에이터.
제 18 항 또는 제 21 항에 있어서, 안전 장치 에너지 저장이 모니터되는 밸브 액추에이터.
첨부 도면의 도면들의 임의의 적합한 조합을 참조하여 지금까지 실질적으로 기술된 밸브 액추에이터.