用于控制具有气动输出的阀门定位器的形状记忆合金致动器的制作方法

背景技术：

1、如今，过程行业中超过60％的致动器都基于气体力学，这就需要定位器来控制致动器的位置。

2、为了操作这种阀门定位器，定位器的“主级”由“先导级”驱动。主级是在所需气动操作压力(例如，10巴)下操作致动器以操作过程阀门的单元。标准途径是设计包括定位器、致动器和过程阀门在内的系统，使得主级的操作点接近力的平衡，从而使控制压力的细微改变就能实现期望阀门跳闸。一般而言，定位器必须符合低能耗的严格要求。控制控制压力的单元(即，“先导级”)表示系统的可控部分。

3、以前的功率要求已经造成了设计平衡主级和可控子单元(先导级)，该可控子单元用于控制气动压力的一部分。然而，这种平衡主级和可控先导级的设计具有先导级需要持续吹走的缺点。因此，一般而言，使用先导级会使该系统效率低下且成本高昂。

技术实现思路

1、一种气动定位器，即，包括具有气动输出的阀门定位器的系统，面临两种相反的商业需求。一方面，需要操作气动致动器的高气动压力；另一方面，对整个系统的低功耗也有严格的要求。为此，传统定位器包括几个子模块。这些子模块可以被看作是力放大器。然而，这种最先进的布置导致设置复杂而笨重。为了以较低(具体地，电功率)操作较高气动压力，应用了接近平衡的拓扑，其中由气动压力产生的力通过例如补偿弹簧进行平衡。因此，只需很小的力和对应的能量就足以控制过程阀门的位置。

2、传统上讲，这种少量的“受控力”也基于气动压力。因此，使用“减压器”，它部分降低了总气动压力，以向子系统提供低压，该子系统被配置为使用低电功率进行控制。这个“低压子系统”就是“先导级”。换句话说，先导级充当力放大器，从而通过较小受控力来控制气动压力的较大力。一般而言，使用先导级效率低下且成本高昂。以前的功率要求已经造成了设计平衡主级和可控子单元(先导级)，该可控子单元用于控制气动压力的一部分。

3、具有气动输出的阀门定位器的现有技术系统使用这种先导级进行操作，该先导级可以以不同方式配置并且基于不同的技术，如例如，基于压电喷嘴或挡板喷嘴。一般而言，使用先导级造成设计笨重且成本高昂。使用阀门定位器的先导级设计的另一问题是气动介质会被持续吹走，从而导致效率低下。

4、本发明的各方面涉及一种用于控制具有气动输出的阀门定位器的形状记忆合金(sma)致动元件(也被称为“sma致动器”)、一种具有气动输出的阀门定位器、一种具有气动输出的阀门定位器的系统、以及具有如独立权利要求中所描述的主题的定位器驱动器的用途。

5、在从属权利要求中对本发明的有利修改进行陈述。说明书、权利要求和附图中公开的特征中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应适用于所提及的系统并且根据所提及的系统提出权利要求。

6、在本发明的整个描述中，程序步骤的顺序以该过程易于理解的方式呈现。然而，本领域技术人员将认识到，过程步骤中的许多过程步骤也可以按不同次序实行，并且造成相同或对应的结果。从这个意义上讲，可以相应改变过程步骤的顺序。一些特性提供有计数词，以提高可读性或使指派更加清晰，但这并不暗示存在某些特征。

7、为了实现这些和其他优点并且按照本发明的目的，如本文中所体现和广泛描述的，提供了一种用于控制气动定位器的定位器驱动器，包括形状记忆合金致动元件，其中形状记忆合金致动元件被配置为被机械耦接到具有气动输出的阀门定位器的阀门，用于控制气动定位器。

8、具有气动输出的阀门定位器可以是被配置为控制气动致动器的设备。具有气动输出的阀门定位器可以包括单个具有气动输出的阀门定位器或多个具有气动输出的阀门定位器，该具有气动输出的阀门定位器被配置为控制气动致动器。气动致动器可以被机械耦接到过程阀门以控制过程阀门。

9、形状记忆合金致动元件可以被配置为由电流控制和/或形状记忆合金致动元件可以被配置为耦接到具有气动输出的阀门定位器的阀门。

10、换言之，通过使用这种定位器驱动器，气动定位器或具有气动输出的阀门定位器系统的主级的单元由定位器驱动器直接驱动和/或操作，以淘汰先导级和/或减压器，从而节省能量和/或减小具有气动输出的阀门定位器系统的体积。这意味着与现有技术的具有气动输出的阀门定位器的系统相比较，具有气动输出的阀门定位器可以被设计为具有减小的设计空间。

11、这种通过定位器驱动器而非使用气动压力操作主级的单元进行直接致动可以由提供给定位器驱动器的电信号和/或电功率控制。

12、有利地，被机械耦接到定位器驱动器的气动定位器可以提供坚固系统，因为该坚固系统可能由不太复杂的机械构造构建。另外，与气动先导级相比，这种具有气动输出的阀门定位器可以被配置为对温度改变和外部振动更鲁棒，由此它可以适应多个生产环境。驱动具有气动输出的阀门定位器直接降低了对整个气动系统的空气的质量的要求，因为它对空气中分布的颗粒不太敏感，这些颗粒可能会卡在例如气动先导级内。

13、通过对应的定位器驱动器对具有气动输出系统的阀门定位器的个别阀门进行离散操作可能会提高具有气动输出系统的阀门定位器的性能。因为先导级无需稳态空气流，所以消除了这种稳态空气消耗。

14、有利地，可能仅需对现有定位器驱动器稍作改变，就可以把形状记忆合金致动元件包括在内，从而现有设计可以被用作所提出的定位器驱动器的关键阀门部件，这些现有设计能够被配置为使用客户验证的技术实现高流速和高压，这些定位器驱动器包括形状记忆金属致动元件。

15、根据一个方面，形状记忆合金致动元件被配置为被机械耦接到气动定位器的阀门。

16、这种与阀门的直接机械耦接使得能够使用这种具有气动输出的阀门定位器建立简单系统，这样的阀门定位器包括定位器驱动器，该定位器驱动器可以由提供给形状记忆合金致动元件的电信号直接驱动。

17、根据一个方面，形状记忆合金致动元件基于热形状记忆合金；并且两个电极在相对端处被设置为与形状记忆合金致动元件相邻，以基于被提供给电极的电流来控制形状记忆合金致动元件。

18、热形状记忆合金执行器是基于智能材料的“非传统致动器”组的成员。基本原理基于晶体结构的温度相关相变，这会造成材料的宏观缩短。为了控制缩短，必须控制温度，这可以通过施加电压进行。sma材料的电阻将会造成温度升高。有利地，形状记忆合金致动器在各种应用中都具有经过验证的跟踪记录，并且根据描述，可以适用于所描述的目的。

19、根据一个方面，在形状记忆合金致动元件的相对端处与形状记忆合金致动元件相邻提供反电极，作为当施加电压时用于在电极之间生成电流的电极。

20、根据一个方面，形状记忆合金致动元件包括第一电触头，被电耦接到形状记忆合金致动元件的第一电极；以及第二电触头，被电耦接到形状记忆合金致动元件的第二电极；并且第一电触头和第二电触头被配置为用于提供电压以操作形状记忆合金致动元件。

21、根据一个方面，形状记忆合金致动元件被配置为当向电极提供电压时，处于收缩状态，否则处于伸长状态。

22、形状记忆合金致动元件从收缩状态改变到伸长状态，反之亦然，从而提供运动。

23、根据一个方面，形状记忆合金致动元件在最大收缩状态下由电压操作，从而提供对具有气动输出的阀门定位器的阀门的最大打开或关闭。

24、由电压操作的最大收缩状态提供对具有气动输出的阀门定位器的阀门的双稳态开/关控制。

25、根据一个方面，形状记忆合金致动元件在其最大收缩内的收缩状态下还由电压操作，以便在其最大打开与最大关闭之间的位置处提供对具有气动输出的阀门定位器的阀门的打开或关闭。

26、在其最大收缩内的收缩状态下操作的形状记忆合金致动元件能够控制具有气动输出的阀门定位器的阀门在其最大打开与最大关闭之间的离散位置处打开或关闭。

27、根据一个方面，形状记忆合金致动元件被配置为被布置在气动定位器的壳体内。

28、构建气动定位器(其中定位器驱动器位于具有气动输出的阀门定位器的壳体内部)使得能够实现气动定位器的紧凑设计。

29、根据一个方面，形状记忆合金致动元件被配置为被机械耦接到具有气动输出的阀门定位器的壳体，用于控制气动定位器。

30、形状记忆合金致动元件可以耦接到具有气动输出的阀门定位器的壳体，用于通过形状记忆合金致动元件所生成的运动实现气动定位器的阀门的移动。

31、根据一个方面，形状记忆合金致动元件被配置为被布置在气动定位器的壳体外部。

32、如果形状记忆合金致动元件被布置在气动定位器的壳体外部，则有利地可以最大限度地减少具有气动输出的阀门定位器的设计改变，并且可以易于接近形状记忆合金致动元件，例如，进行维护。

33、根据一个方面，形状记忆合金致动元件包括由示出热形状记忆效应的合金制成的弹簧、杆、线或金属片。

34、可以从半成品中选择多种选项，诸如(螺旋)弹簧、杆、线或金属片，从而符合形状记忆合金致动元件的设计要求。

35、根据一个方面，定位器驱动器还包括复位元件，并且复位元件包括被动复位弹簧、和/或用于提供重力的装置、和/或第二致动元件，该第二致动元件被配置为向形状记忆合金致动元件提供偏置力。因而，形状记忆合金致动元件可以返回到其伸长状态。

36、根据一个方面，复位元件包括第二形状记忆合金致动元件，该第二形状存储器合金致动元件基于sma与第一致动元件形成激动-拮抗拓扑。

37、复位元件可以包括第二形状记忆合金致动元件，该第二形状记忆合金致动元件被机械耦接到第一形状记忆合金致动元件。两个形状记忆合金致动元件可以被配置为总是处于不同的状态，以便形成激动-拮抗拓扑。

38、根据一个方面，提供了一种具有气动输出的阀门定位器，包括如上文所描述的定位器驱动器。

39、根据一个方面，提供了一种具有气动输出系统的阀门定位器，包括多个如上文所描述的气动定位器；以及多个如上文所描述的定位器驱动器，被配置为控制多个气动定位器。

40、根据一个方面，具有气动输出系统的阀门定位器的多个气动定位器和多个定位器驱动器被配置为提供3/3定位器阀门系统或4/3定位器阀门系统的功能。

41、包括“3/3阀门功能”或“4/3阀门功能”的气动定位器(即，具有气动输出的阀门定位器系统)是行业的需求。术语“3/3”意指具有气动输出的阀门定位器的系统，包括“3”个气动端口：压力入口、输出端口和通风端口，并且包括“3”种可能的操作模式：向前、向后以及阻止气动致动器移动。该术语意指具有气动输出的阀门定位器的系统，包括“4”个气动端口：压力入口、第一输出端口和第二输出端口、以及通风端口，并且包括“3”种可能的操作模式：向前、向后、以及阻止气动致动器移动。一般而言，具有气动输出的阀门定位器系统存在不同的主级拓扑，以实现3/3阀门功能或4/3阀门功能。这意味着使用如上文所描述的具有气动输出的阀门定位器来构建具有气动输出的阀门定位器的系统，3/3功能或4/3功能有利地为所需功能和具有气动输出的阀门定位器的系统的组装提供模块化设置。

42、具有气动输出的阀门定位器的系统的气动定位器中的每个气动定位器可以通过如所描述的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可替代地基于不同的物理原理，如气体力学、水力学、电学等。

43、提出使用如上文所描述的定位器驱动器来控制具有气动输出的阀门定位器、和/或具有气动输出系统的阀门定位器、和/或用于控制过程阀门的气动致动器。