用于监控并诊断用于致动流体管道用阀的致动器装置的系统和方法，以及形成该系统一部分的致动器装置

摘要

描述了一种开/关型致动器装置(1)的监控系统(500)，开/关型致动器装置(1)用于激活流体管道用阀，致动器装置(1)配置为在第一位置与第二位置之间移动所述阀的阀构件。致动器装置(1)包括配置成控制致动器杆(8)的线性移动的至少一个流体缸(6)。监控系统(500)包括多个传感器以及电子处理和控制单元(50)，所述多个传感器安装在致动器装置(1)上并配置成检测致动器装置的多个操作参数。电子处理和控制单元(50)配置为使阀构件产生微移动，以在阀构件的所述微移动期间检测指示所述操作参数的值的信号，并且根据检测到的所述操作参数的值来估算所述致动器装置(1)是否能够施加足以使所述阀构件执行从第一位置到第二位置的整个移动的扭矩值或力值。所述微移动使得仅构成阀的可移动构件的移动的开始，仅对应于克服致动器(1)内部的机械间隙以及耗散和变形效应，并且此外使得基本上不涉及由阀控制的流体流动的任何改变。以这种方式，可以估算致动器装置(1)的健康状态，而不会引起通过前述阀的流体流动的变化。

说明书

技术领域

本发明涉及致动器装置的监控系统，该致动器装置用于激活各种类型的阀，例如相对较大的球阀、蝶阀或闸阀。

更具体地，本发明涉及一种开/关型致动器装置的监控系统，开/关型致动器装置用于激活流体管道用阀，其中致动器装置配置为在对应于阀的正常操作状态的第一位置与对应于阀的紧急操作状态的第二位置之间移动阀的阀构件，并且其中致动器装置包括配置为控制致动器杆线性移动的至少一个流体缸。

上述类型的致动器装置已经为人所知并使用了一段时间。此外，已经提出了用于这样的致动器的监控系统(例如，参见文献WO 2014/168908 A2)，其提供安装在致动器装置上并配置为检测致动器装置的多个操作参数的多个传感器。

背景技术

现有技术

为了更好地理解本发明，下面描述根据本发明适用的现有技术的致动器装置的示例。应该注意的是，本发明同样适用于相同类型但具有构造上不同的结构的致动器装置，或者甚至适用于任何其它已知类型的致动器装置，这将在下面变得更加明显。

参考图1，数字1整体上表示用于激活各种类型的阀(例如球阀或蝶阀)的致动器装置，其以横截面透视图例示。

致动器装置1包括金属壳体形式的中心支撑主体2，该中心支撑主体2包括盖子2B拧在其上的元件2A，以限定封闭的内腔3。

中心支撑主体2支撑绕主轴线4旋转的致动器轴5。在例示的具体示例中，致动器轴5制成衬套的形式，该衬套在内部开槽以在其中容纳阀的可移动构件的致动器杆(未示出)。构成致动器轴5的衬套通过任何已知类型的滑动轴承或滚柱轴承可旋转地安装在中心支撑主体2内。

致动器装置1控制致动器轴5的旋转，致动器轴5进而控制阀的可移动构件在例如对应于完全打开的阀的第一位置与例如对应于完全关闭的阀的第二位置之间旋转。根据通常的技术，阀的移动部分例如可以是随着围绕主轴线4旋转90度而其中出现从阀的打开位置到关闭位置的通道的类型。

旨在控制致动器轴5旋转的流体缸6的主体的端板6A刚性连接在中心支撑主体2的一侧。流体缸6可以是液压缸或气压缸。例示的示例特别指的是气压缸的情况。在任何情况下，流体缸6包括具有轴线6X的缸主体。流体缸6的轴线6X和致动器轴5的轴线4不相互入射(incident)，而是被包含在垂直平面中。缸主体由圆柱形壁6B限定，圆柱形壁6B的一端由前述端板6A封闭，且相对端由端板6C封闭。在例示的示例中，端板6A和6C通过多个螺旋拉杆6D夹靠圆柱形壁6B的相对端。

活塞7可滑动地安装在流体缸6的主体内，并刚性连接到致动器杆8，该致动器杆8通过端板6A的中心开口和中心支撑主体2的侧壁的孔9可滑动地安装。因此，致动器杆8在中心支撑主体2的腔3内延伸。

流体缸6的致动器杆8旨在通过销-槽传动的方式来控制致动器轴5的旋转，这允许将致动器杆8的线性移动转换成致动器轴5围绕轴线4的旋转。

为此，参考图2，承载槽11形式凸轮轨道的致动器臂10刚性地连接到致动器轴5，该凸轮轨道由致动器杆8承载的凸轮从动销12接合。

参考附图1至附图4中所示的示例，致动器臂10具有轭形状，具有平行且间隔开的两个板10A，在图2中仅可见其中一个板。仍然在所例示的具体示例的特定情况下，板10A中的每个板具有近似伸长的椭圆形构造，其一端刚性连接到致动器轴5。每个板10A的主体的其余部分具有相应槽11。设置在两个板10A中的槽11彼此相同并且相同地定位。这些槽11由凸轮从动件销12的两端接合，凸轮从动件销12由刚性连接到致动器杆8的块13承载。凸轮从动件销12在块13的相对侧突出，以接合设置在板10A中的两个槽11。

如上所述，两个板10A一起构成致动器装置1的致动器臂10。凸轮从动销12接合在板10A的槽11内允许流体缸6的致动器杆8的线性移动转换成致动器轴5的旋转，致动器轴5将旋转传输到阀的可移动构件的控制杆(未示出)，该控制杆联接在构成致动器轴5的衬套内。

当然，这里描述的致动器臂10的构造纯粹是作为示例提供的。致动器臂可以具有任何其它配置，并且特别地，它可以由具有单个槽的单个板组成，单个槽由液压缸的致动器杆承载的凸轮从动件销接合。

槽11也可以是任何形态。特别地，槽可以具有直的形态，或者可以具有任何非直的轮廓，以在致动器杆8的轴向移动与致动器轴5的旋转之间产生所需的关系。根据同一申请人拥有的欧洲专利EP 3 029 338B1中提出的内容，致动器臂还可以设想每个槽形成在可更换的插入件中，该插入件可移除地安装在致动器臂的主体中。

再次参考图1至图4，这里纯粹通过示例的方式例示的致动器装置还以本身已知的方式包括故障自动防护安全装置，该故障自动防护安全装置用于在流体缸6或该流体缸的气动/液压供应系统发生故障的情况下，或者如果致动器需要执行紧急操作，例如导致关闭阀以中断进入安装有阀的管道的流动的操作，将致动器臂10收回到安全位置。

仍然参考图1，故障自动防护安全装置整体用附图标记14表示，并且包括圆柱形壳体15，该壳体15具有与流体缸6的轴线6X同轴的轴线15X。安全装置14的壳体15在其一个端壁处在相对于流体缸6的相对侧上刚性地连接到中心支撑主体2，使得中心支撑主体2插在流体缸6与安全装置14之间。致动器杆8’可滑动地安装在壳体15的端板15A处，该致动器杆8’布置在致动器杆8的延伸部上，并且还连接到承载凸轮从动销12的块13上。致动器杆8’在壳体15内延伸，并刚性连接到可在壳体15内移动的板16。在所示示例的情况下，位于相对于块13的相对侧上的致动器杆8’的端部在管状构件17中以滑动方式被引导，该管状构件17在壳体15内突出并由端板15B承载，端板15B在相对于中心支撑主体2的相对侧封闭壳体15。一个或多个螺旋弹簧18可操作地插在板16与端板15B之间，该螺旋弹簧18倾向于将致动器杆8’收回到对应于致动器臂10的安全位置的端部位置。

仍然参考图1至图4，中心支撑主体2设置有引导杆19，该引导杆19与中心支撑主体2一体安装，并在平行于致动器杆8和8’的轴线6X和15X的方向上延伸。例如，通过将引导杆19接收于在垂直于销12的方向上延伸穿过块13的通孔中，承载销12的块13在引导杆19上以可滑动的方式被引导。通过这种方式，当块13在致动器杆8或8’的作用下移动时，销12被约束成沿着平行于轴线6X和15X的几乎直的路径延伸。

如前所述，在本领域中已知配备有用于在其操作期间检测致动器的至少一个操作参数的值的至少一个传感器的阀用致动器装置，以便允许对致动器进行监控。

例如，上面已经提到的文献WO 2014/168908 A2描述了一种包括与致动器相关联的振动传感器的过程阀用致动器，以及一种根据在致动器正常操作期间由振动传感器检测的值来确定致动器的健康状态的过程控制系统。

技术问题

上文参考图1至图4所述的致动器装置，以及用于激活闸阀的线性致动器装置，在关键应用中经常被用作“开/关型”型致动器，在这些关键应用中，它们用于执行紧急功能(例如，在预先确定的最长时间内完全关闭相应阀)。

在开/关型致动器装置中，致动器：

-典型地可以仅呈现两个位置(例如，完全打开和完全关闭)，

-通常位于这两个位置中的一个位置(例如，完全打开)，并且

-在激活时，它通过移动到与正常位置相反的位置(例如，完成阀的完全关闭)来执行安全功能。

参考图1至图4的非限制性示例，用作开/关型致动器的致动器装置1通常处于这样的状态，其中流体缸6保持在压力下，活塞7靠近端板6A，以克服弹簧18施加的力，弹簧18被压缩在圆柱形壳体15内的端板15B与板16之间。当需要紧急操纵时，流体缸6被释放，使得由弹簧18施加在板16上的力超过由流体缸6在相反方向上施加的力和由阀引起的旋转阻力(例如，摩擦)，导致致动器杆8和8’朝向它们的静止位置线性移动，该线性移动转换为对应于阀关闭的致动器轴5的旋转。

典型地，执行紧急操纵所需的致动器装置干预的频率大约为一年一次，甚至更少。鉴于这种类型的致动器所执行的紧急功能的关键性质，出现了保证致动器装置的高可靠性水平并随着时间的推移保持该可靠性水平的问题。然而，由于执行机构必须干预的频率低导致很难诊断执行紧急操纵的实际能力。由于开/关型致动器的这一性质，实际上排除了在正常运行期间高频率地验证致动器实际运行的可能性。

根据功能安全标准IEC61508 IEC61511(或根据ISO13489或EN62061)，市场上可获得用于开/关型致动器以及用于决定性元件的监控系统，其中通过定期操作致动器装置来控制致动器装置的健康状态，从而实现与其相关的阀构件的宏观运动。例如，如果阀为常开型的，则出于监控目的，可以控制致动器至少部分地关闭阀，这迫使通过管道的流量暂时减少，尽管时间有限，但由于设备的产量减少，会导致经济损失；据说这些系统干扰了工业过程。

为了检查阀的健康状况，需要阀构件宏观运动的装置的一个例子在公布为EP 3527 834 A1的欧洲专利申请(较早提交但在本申请的优先权日之后公布，因此形成专门对《欧洲专利公约》第54条第3款而言的现有技术的一部分)中示出。

前述文献EP 3 527 834 A1描述了一种用于确定通过流体致动器激活的安全阀的可操作性的方法。该方法包括：

-执行安全阀的部分关闭操作(“部分行程测试”)，同时检测流体致动器中的流体的压力和安全阀的位置，即其关闭百分比，

-确定安全阀的位置与流体致动器中的流体的压力之间的相关曲线，

-线性外推相关曲线的趋势，以及

-基于该外推，确定对应于安全阀的安全位置的流体致动器中的流体的压力值。

因此，在EP 3 527 834 A1中描述的方案也需要移动阀构件，这干扰了通过阀所在管道的流体的流动，导致上面已经列出的缺点。

此外，已知的监控系统典型地基于这样一种方法，在该方法中，如果致动器能够使阀构件执行宏观但部分的运动(例如，大约15度到20度的旋转)，则基于达到由操作员的经验限定的一个或多个阈值而宣布致动器的良好健康。

此外，在致动器不能成功执行控制操纵(即，部分宏观运动)的情况下，已知的监控系统不提供对致动器故障的可能原因的任何指示，因此完全依赖于操作员的经验来对检测到的操作参数的值进行可能的分析，并且导致(在检测到异常的情况下)系统的长时间停机和复杂的维护程序，维护程序通常是繁重的(例如，更换整个致动器装置)。

本发明的目的

本发明的目的是提供一种开/关型致动器装置的监控系统，开/关型致动器装置用于激活流体管道用阀，该监控系统允许以适当的频率(例如，比目前通常用于监控开/关型装置的频率更高的频率)对致动器装置的性能可靠性进行诊断，而不会对工业过程产生不利影响，特别是不会干扰通过阀所在管道的流体的流动。

本发明的另一个目的优选地是还估算阀构件完成从打开位置到关闭位置的移动所需的时间。

发明内容

为了实现上述目的，本发明涉及一种开/关型致动器装置的监控系统，开/关型致动器装置用于激活阀，该监控系统具有在本说明书开头指出的所有特征，并且其特征还在于：

-安装在致动器装置上的多个传感器包括用于检测流体缸中压力的至少一个压力传感器、用于检测流体缸中温度的温度传感器、用于检测致动器杆的线性位置的线性位置传感器、以及致动器的一个或多个部件的一个或多个变形传感器；

-监控系统包括电子处理和控制单元，该电子处理和控制单元配置为：

-激活致动器装置以引起阀构件的微移动，

-在阀构件的微移动期间，由多个传感器检测指示所述操作参数的值的信号，以及

-根据在阀构件的微移动期间检测到的操作参数的值，估算致动器装置是否能够施加足以使阀构件执行从第一位置到第二位置的整个移动的扭矩值或力值，

-所述微移动使得仅构成阀的可移动构件的移动的开始，仅对应于克服致动器内部的机械间隙以及耗散和变形效应，并且此外使得基本上不涉及由阀控制的流体流动的任何改变；和

-检测传感器信号和估算致动器装置可施加的扭矩值或力值的步骤在微移动执行后立即自动激活。

因此，本发明允许以适当的(甚至高的)频率对致动器装置进行实时诊断，而不会对工业过程产生不利影响，因为诊断程序涉及执行基本上不会干扰由阀本身控制的流体流动的微移动。

电子处理和控制单元可以以任何预定的方式编程，以便使用由上述传感器检测的参数值来提供对系统健康状态的指示，特别是致动器装置执行阀构件从第一位置到第二位置的整个移动的能力。如下文详细说明的，可以用于这种类型的评估的数学模型可以以增加复杂性程度来构建，这取决于要获得的精度程度。在极端简化的一种情况下，例如，可以使用将单个操作参数(例如，致动器缸中的压力以及致动器杆与可移动阀构件之间的运动学传动特征)与传输给后者的扭矩值联系起来的任何算法。也不排除使用根据传感器检测到的参数提供对系统健康状态的指示的参数图(查找表)。

在任何情况下，从下面的描述中显而易见的是，重要的是要注意，本发明的核心不在于任何特定的估算方法，而在于理解了基于由前述传感器在阀构件的微小移动之后检测到的参数值来执行该估算的可能性，该微小移动仅构成阀的可移动构件的移动的开始，仅对应于克服致动器内部的机械间隙以及耗散和变形效应，但同时使得基本上避免引起由阀控制的流体流动的任何改变。

应当注意，在参考图1至图4举例说明的该类型的致动器装置的情况下(所谓的“四分之一转/直角回转”)，阀构件的微移动应当理解为微旋转，并且被估算的参数可以为施加到阀构件的扭矩。

可替换地，在用于移动“闸门”型阀的线性致动器装置的情况下(本发明同样适用)，阀构件的微移动将被理解为微平移，并且被估算的参数可以为施加到阀构件的力。

在优选实施例中，电子处理和控制单元进一步配置成根据在阀构件的微移动期间检测到的操作参数的值来估算阀构件完成从第一位置到第二位置的整个移动所需的时间。

在优选实施例中，致动器装置配置成在第一位置与第二位置之间旋转阀构件，并且包括用于控制阀构件的旋转的致动器轴和用于将致动器杆的线性移动转换成致动器轴的旋转的传动装置。在该优选实施例中，多个传感器包括检测致动器轴的角位置的角位置传感器。

在另一个优选实施例中，电子处理和控制单元配置为：

-计算当致动器装置被控制成使阀构件执行从第一位置到第二位置的整个移动时致动器装置能够施加到阀构件的可施加扭矩值或力值，

-计算阀构件从第一位置到第二位置的实际移动所需的抵抗扭矩值或力值，

-将所述可施加扭矩值或力值与最小参考值进行比较，和/或，将所述抵抗扭矩值或力值与最大参考值进行比较，

-如果所述可施加扭矩值或力值低于所述最小参考值，则产生指示致动器装置异常的信号，以及

-如果所述抵抗扭矩值或力值高于所述最大参考值，则产生指示阀异常的信号。

在优选实施例中，电子处理和控制单元配置成由于可施加扭矩值或力值低于最小参考值而识别导致可施加扭矩值或力值低于最小参考值的致动器装置的至少一个部件或子单元。

在优选实施例中，电动气动控制单元与致动器装置相关联，并且电子处理和控制单元配置成由于可施加扭矩值或力值低于最小参考值而识别导致计算的扭矩值低于参考扭矩值的电动气动控制单元的至少一个部件或子单元。

从属权利要求中指出了本发明的进一步优选特征和优点。

附图说明

从下面参考附图的描述中，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，这些附图仅作为非限制性示例提供，其中：

-上面已经描述的图1为用于激活阀的致动器装置的横截面透视图，

-上面已经描述的图2为图1的致动器装置的中心支撑主体的横截面视图，包括用于将运动传输到阀的致动器杆的机构，

-上面已经描述的图3和图4为示出了图2的传动机构的一些实施细节的透视图，

-图5为根据本发明的监控系统的示例性框图，

-图6为根据本发明的致动器装置的横截面视图，

-图7为根据本发明的致动器装置的另一横截面视图，以及

-图8为根据本发明的用于监控阀用致动器的方法的示例性流程图。

具体实施方式

在图5所示的非限制性示例中，根据本发明的用于开/关型致动器装置1的监控系统500包括：

-多个传感器，其安装在致动器装置1上并配置成检测致动器装置1的多个操作参数，

-电子处理和控制单元50，

-人机界面装置(HMI)52，

-电动气动控制单元54，以及

-任选地，远程设备控制室56。

根据本发明，致动器装置1可以为参考图1至图4所示的类型的致动器装置，或者更确切地说，包括单作用流体缸6和至少一个弹簧元件18，该单作用流体缸6通常用于将阀构件保持在第一操作位置(典型地，完全打开)，该弹簧元件18倾向于将阀构件朝向第二安全操作位置(典型地，完全关闭)移动(例如，旋转)。

在可替换实施例中，致动器装置1可以包括双作用流体缸，该双作用流体缸可以在一个方向上被激活以朝向其第一位置移动(例如，旋转)阀构件，并且在相反方向上朝向其第二位置移动(例如，旋转)阀构件。

在又一可替换实施例中，致动器装置1可包括第一单作用缸和第二单作用缸，第一单作用缸可激活以朝向其第一位置移动(例如，旋转)阀构件，第二单作用缸可激活以朝向其第二位置移动(例如，旋转)阀构件。

电子处理和控制单元50配置成从安装在致动器装置1上的多个传感器接收指示在致动器装置1上检测到的操作参数的值的相应信号。

此外，电子处理和控制单元50配置为向电动气动控制单元54给出激活致动器装置1所需的命令，诸如，例如，阀的(全部或部分)打开或关闭命令，或者给出激活并执行用于诊断致动器1的健康状态的程序的一组命令，如在本说明书的以下部分中更好地描述的。

电动气动控制单元54包括实施用于控制流体缸6的电动气动回路的一组电动气动阀，这些电动气动阀由电子处理和控制单元50控制。

例如，电动气动控制单元54可以包括：

-带有对应入口过滤器的用于加压的流体(例如，空气)的入口导管，

-入口过滤器下游的入口管道中的压力调节装置，

-通过限制压力调节装置下游的压力来执行安全功能的压力限制装置，

-用于调节流体进入流体缸6的(比例)流率调节装置，

-在流量调节器装置下游的流量放大器装置，该流量放大器装置向联接到流体缸6的入口的气动出口导管供液，以控制其致动，以及

-用于在紧急状况下释放致动器1的装置。

在本说明书的以下部分中，将通过非限制性示例的方式参考如图1至图4所示的致动器装置，即配置为使阀构件产生旋转移动的致动器装置，应当理解，本发明的原理同样适用于闸阀的致动器装置。

根据本发明，电子处理和控制单元50配置为执行致动器1的诊断程序，该诊断程序包括：

-通过电动气动控制单元54激活致动器装置1，以使致动器轴5产生微旋转，从而不干扰由阀控制的流体流动(可能为一组或一系列微旋转)，

-在致动器轴5微旋转期间，由安装在致动器1上的多个传感器检测指示的操作参数的值的信号，以及

-根据在致动器轴5的所述微旋转期间检测到的所述操作参数的值，估算所述致动器装置1是否能够施加足以使阀构件执行从第一位置到第二位置的整个移动的扭矩值。

例如，这种估算可以通过以下方式进行：

-计算在致动器装置1被控制以使阀构件执行从第一位置到第二位置的整个移动的情况下致动器轴5能够施加到阀构件的扭矩值，以及

-将如此计算的扭矩值与阀构件从第一位置到第二位置的有效旋转所需的阈值扭矩值进行比较。

如果检测到致动器装置1不能施加足以使阀构件执行从第一位置到第二位置的整个移动的扭矩值(例如，因为计算的扭矩值小于阈值扭矩值)，则监控系统可以产生指示异常的信号。

在上述诊断程序结束时，并且在没有检测到异常的情况下，如果需要，电子处理和控制单元50可以操作致动器1以将阀构件返回到其正常操作位置。

在这里举例说明的实施例中，电子处理和控制单元50安装在致动器装置1附近，并且配置为仅在该致动器装置1上运行(即，接收信号和发出命令)。

可替换地，电子处理和控制单元50可以通过有线或无线连接远程连接到致动器装置1。例如，电子处理和控制单元50可以位于远程设备控制室56中。

在又一可替换实施例中，单个远程电子处理和控制单元50可以与某个生产设备内的多个致动器装置1相关联。

在单个电子处理和控制单元50与多个致动器装置相关联的情况下，该单元50可以配置为对与其相关联的所有致动器或其分组循环(“轮流地”)执行诊断程序。

与电子处理和控制单元50相关联的人机界面装置52除了提供典型地可用于管理已知类型的致动器的信息和命令(例如：操作致动器装置以将部分旋转传给致动器轴，和/或，激活致动器装置以将阀构件从第一位置移动到第二位置)之外，还配置为：

-将在相应致动器装置1上检测到的操作参数的值传送给操作员，

-提供激活致动器装置1的命令，以便执行上述诊断程序，以及

-传送对应于指示异常的警报消息，该异常在致动器轴5能够施加到阀构件的扭矩值小于阀从其第一位置有效旋转到其第二位置所需的扭矩值的情况下产生。

人机界面装置52可以是本地的，即安装在致动器装置1附近并且可由现场的操作员访问，或者人机界面装置52是远程的(即通过有线或无线连接联接到电子处理和控制单元50)并且位于例如远程控制室56中。人机界面装置52还可以包括便携式装置，诸如智能手机或平板电脑。显然，这些界面装置不是互斥的，并且某个致动器装置1可以同时通过本地界面装置和远程界面装置来访问。

此外，单个远程界面装置52可以允许访问(即，接收数据和/或发送命令)位于例如同一生产设备内的多个致动器装置1。

在图6和图7所示的非限制性示例中，安装在致动器装置1上的多个传感器包括以下中的至少一者：

-用于检测流体缸6中压力的压力传感器60，

-用于检测流体缸6中温度的温度传感器61，

-用于检测致动器杆8的线性位置的线性位置传感器62，

-检测致动器轴5的角位置的角位置传感器63，

-检测致动器的一个或多个部件的变形的变形传感器，

-用于检测弹簧元件18处的温度的温度传感器65，以及

-检测弹簧元件18施加在致动器杆8’上的力的测压元件传感器66。

前述传感器中的每一者都可以根据任何已知技术来实施。例如，温度传感器可以由热电偶组成，并且位置/变形传感器可以由配置成检测传感器与受控元件之间距离的激光传感器组成。

在优选实施例中，电子处理和控制单元50进一步配置为估算阀构件完成从第一位置到第二位置的整个移动所需的时间。

在优选实施例中，电子处理和控制单元50配置为：

-计算在致动器装置被控制成使阀构件执行从第一位置到第二位置的整个移动的情况下致动器装置(1)能够施加于阀构件的可施加扭矩值或力值，以及

-计算阀构件从第一位置到第二位置的实际移动所需的的抵抗扭矩值或力值。

例如，可以通过确定在致动器轴5的微旋转期间检测到的操作参数的值与在用于将阀构件从其第一位置旋转到其第二位置的使轴致动器5产生的旋转期间检测到的操作参数的值之间的相关性来计算可施加扭矩值和抵抗扭矩值。

通常，可以通过比较紧急操纵期间致动器可施加的扭矩值与抵抗扭矩值来进行诊断。

在优选实施例中，在可施加扭矩值低于抵抗扭矩值的情况下，电子处理和控制单元50配置成确定致动器1内部耗散源增加是否已出现(例如，密封件的摩擦增加、由于磨损而产生机械间隙、弹簧18的推力减小等)，这表示不满足所需性能的原因，或者如果致动器1的性能没有恶化，但是检测到阀所需的抵抗扭矩值逐渐增加，这归因于不满足所需性能。

因此，在优选实施例中，电子处理和控制单元50配置为：

-将可施加扭矩值与最小参考值进行比较，和/或，将抵抗扭矩值与最大参考值进行比较，

-如果可施加扭矩值低于最小参考值，则产生指示致动器装置1异常的信号，以及

-如果抵抗扭矩值高于最大参考值，则产生指示阀异常的信号。

在致动器1内部的耗散源已经增加的情况下(即，在可施加扭矩值小于最小参考值的情况下)，电子处理和控制单元50可以配置为识别致动器1的哪个主要子系统(即，流体缸6、弹簧致动器单元14或包含在支撑主体2中的运动传动机构)导致致动器的性能降低(即，实际可传递扭矩降低)。

如前所述，电动气动控制单元54可以与所述致动器装置1相关联。因此，在另一个优选实施例中，电子处理和控制单元50配置为由于致动器轴5可施加扭矩值小于最小参考值的实施而识别导致致动器轴5可施加到阀构件的扭矩值低于最小参考值的电动气动控制单元54的至少一个部件或子单元，尽可能地辨别是致动器装置1还是电动气动控制单元54导致了这种异常。

当然，根据本发明的监控系统还可以允许基于对致动器1的一个或多个操作参数的值的连续检测(例如，以检测不影响致动器的紧急功能的磨损现象的发生)来执行维护操作。例如，监控系统可以配置为：

-连续检测致动器1的一个或多个操作参数的值和/或相应变化(例如，利用由任何线振动或环境温度的任何变化引起的机械系统的激励，然而不需要引入致动器的静态/动态状态的干扰，诸如微旋转)，

-例如，通过检查传感器和通信系统的健康状况来执行监控系统的自诊断，和/或

-监控一个或多个受控参数假设值的时间演变(例如，为了检测漂移误差)。

根据本发明的监控方法在图8的流程图中举例说明。

在开始步骤800之后，在步骤801，监控系统向致动器装置1下达命令以执行微移动，并开始检测操作参数的值。

在步骤802，监控系统根据检测到的值来检查阀的可移动部件是否已经从静态状态转换到动态状态，即，给出的致动命令是否足以使阀的可移动部件运动。

在指示所下达的致动命令在致动器装置的运动链中至多产生弹性变形而没有产生阀的可移动构件的有效移动的验证步骤802的否定结果(N)的情况下，在步骤803，监控系统处理所获取的数据，并且在步骤804，产生，例如，指示致动器装置1的哪个单元、子单元或传感器是导致所检测到异常的原因的异常信号。监控方法然后在结束步骤805结束。

在指示所下达的致动命令已经产生了阀的可移动构件的有效微移动的验证步骤802的肯定结果(Y)的情况下，在步骤806，监控系统处理所获取的数据，例如通过对以下至少一者进行预测估算：

-在致动器装置1必须将阀构件从第一位置移动到第二位置时致动器装置1能够施加到阀构件的扭矩值或力值，

-阀的可移动构件的抵抗扭矩值或力值，以及

-致动器装置1将阀构件从第一位置移动到第二位置的速度或角速度值。

在步骤807，监控系统产生指示可以正确执行诊断程序的状态信号。

在步骤808，监控系统验证由致动器装置1施加到阀构件的估算扭矩值或力值是否大于阀构件从第一位置到第二位置的有效移动所需的扭矩值或力值(抵抗扭矩值或力)，并且任选地检查致动器装置1将阀构件从第一位置移动到第二位置的速度或角速度值是否大于参考速度或参考角速度值。

在验证步骤808的否定结果(N)的情况下，在步骤809，监控系统产生异常信号，并且监控方法在结束步骤805结束。

在验证步骤808的肯定结果(Y)的情况下，在步骤810，监控系统产生指示致动器装置1当需要时可以执行紧急操纵的肯定的状态信号，并且监控程序从开始步骤800重新开始，例如，以定期重复监控程序。

微移动、微旋转、微平移的定义

在本说明书的上下文中，阀构件的术语“微移动”(或者更确切地说，在“四分之一转/直角回转”致动器装置的情况下的致动器轴5的微旋转，诸如图1至图4中举例说明的，或者在线性致动器装置的情况下的微平移)表示这样的移动，其足够大，以有效地发动阀的可移动构件(考虑到在致动器内部存在机械间隙以及耗散和变形效应，使得致动器杆8和8’的小的线性移动不一定对应于阀的可移动构件的有效移动)，但是也足够小，以不会以可察觉的方式干扰阀的流体动力学特征(例如，保持阀处的管道流率基本不变)。因此，这仅仅是阀的可移动构件的移动的“开始”，对应于克服致动器内部的机械间隙以及耗散和变形效应，从而基本上不涉及由阀控制的流体流动的任何改变。由此必须理解的是，上述微移动一方面不会引起由阀控制的流体流动的任何显著或值得注意的变化，另一方面它保证了阀的可靠性，因为对阀的每次打开/关闭操纵都会导致杂质在阀构件与阀主体之间积聚。

预测数学模型

在一个示例中，电子处理和控制单元50可以配置成：根据在阀构件的微移动期间检测到的操作参数的值、通过特定致动器1的数学模型、来计算致动器轴5能够施加到阀构件的扭矩值，该扭矩值可以存储在处理和控制单元50的存储器中。

在单个电子处理和控制单元50与多个致动器装置相关联的情况下，电子处理和控制单元50可以存储致动器装置的多个相应数学模型，例如，通过将相应数学模型与每个致动器装置相关联，或者通过将多个致动器装置分成分组(例如，其中每个分组包括一定数量的相似致动器)并将相应数学模型与由此识别的每个分组相关联。

发明人已经注意到，为了估算致动器装置1执行紧急操纵的能力(即，估算致动器的性能)，有用的是估算致动器在给定角速度下能够传递的扭矩。该角速度由将阀的可移动构件旋转大约90度所允许的(所预定的)最长时间确定。事实上，发明人已经注意到动态效应是不可忽略的。

参考常规的致动器装置1，如图1至图4所示，例如，根据可传递的扭矩，可以详细研究致动器各部分的特性以及相对故障对致动器整体特性的可能后果。显然，在本发明的各种实施例中，同样的方法也可以应用于线性致动器，从而估算故障在可传递的力或推力方面的可能后果。

为了本发明的目的，描述致动器装置1的特性的数学模型可以根据不同的方法论来确定。

例如，文献“Models of control valve and actuation system for dynamicsanalysis of steam turbines”(《用于蒸汽轮机动力学分析的控制阀和致动系统的模型》),M.Pondini,V.Colla,A.Signorini,Applied Energy(《应用能源》)207(2017),第208-217页,doi:10.1016/j.apenergy.2017.05.117和文献“Parametric identification of aservo-hydraulic actuator for real-time hybrid simulation”(《用于实时混合仿真的伺服液压致动器的参数识别》),Y.Qian,G.Ou,A.Maghareh,S.J.Dyke,Mechanical Systemsand Signal Processing(《机械系统与信号处理》)48(2014),第260-273页,doi:10.1016/j.ymssp.2014.03.001，是数学建模并仿真液压致动器装置的可能方法的示例。

除此之外，或者可替换地，也可以使用“数字孪生”技术来确定致动器装置1的数学模型。在此背景下，文献“A Simulation-Based Digital Twin for Model-Driven HealthMonitoring and Predictive Maintenance of an Automotive Braking System”(《一种用于对汽车制动系统进行模型驱动的健康监测和预测性维护的基于仿真的数字孪生》),R.Magargle,L.Johnson,P.Mandloi,P.Davoudabadi,O.Kesarkar,S.Krishnaswamy,J.Batteh,A.Pitchaikani,Proceedings of the 12th International ModelicaConference(《第12届国际建模与仿真大会会议纪要》),5月15-17日，2017，捷克共和国布拉格，第35-46页,doi:10.3384/ecp1713235，为复杂机械和液压系统的“数字孪生”建模方法的例子。

举例来说，这里考虑的示例的致动器装置1可以在概念上分成三个主要子系统，这三个主要子系统对应于流体缸6、弹簧致动器单元14和包含在支撑主体2中的销-槽传动机构。

优选地，通过故障模式、影响及其诊断分析(FMEDA)，这三个子系统中的每一个子系统可以进一步分成一组相应部件(例如，在销-槽传动机构中，可以识别致动器臂10、凸轮从动件销12、块13、引导杆19和其它部件)。然后，可以分析这些部件或子单元(例如，多组部件)中每一者的可能故障模式，确定它们对整个致动器的特性(例如，在传递的扭矩的变化方面)的影响。因此，该数学模型可以允许在子单元或部件的水平上表征致动器装置1。

因此，发明人已经注意到，从维护的观点来看，有用的是，识别将通过多个传感器来监控的指示致动器1的一个或多个部件或子单元的健康状态的致动器装置1的一些操作参数，以便评估致动器在某个限定的时间间隔内执行紧急操纵的能力。

可以基于以下考虑来生成致动器装置1的数学模型，这些考虑顾及：致动器1中的机械主体的可变形性、动态负载的影响、机械和电动气动系统的动态响应、以及实际的流体动力学特性。

为了产生扭矩，如图1至图4所举例说明的(具有苏格兰轭结构和单作用缸的)致动器装置转换由流体缸6和弹簧元件18产生的力。该扭矩根据苏格兰轭运动机构(即，致动器臂10)的角位置而变化。扭矩的模数为运动机构的“增益”参数的函数，它放大了力。

当需要致动器装置1执行紧急操纵时，执行流体缸6的减压，从而引起活塞力(F

分量Δ力可以在所关心的方向上分解，或者更确切地说，在垂直于轴线6X和15X的第一方向和垂直于与接触轮廓相切的直线的第二方向上分解。接触轮廓为取决于在致动器臂10中形成的槽11的几何形状的曲线，并且垂直于该轮廓的方向根据致动器臂10的角位置θ而变化。在垂直于轴线6X和15X的方向上，产生了由大致上完全归因于引导杆19的反作用力(F

在确定了致动器臂10的方向(即，由穿过销12和旋转轴线4的直线给出的方向)之后，可以将F

因此，传动机构引起有助于扭矩从Δ力发展为F

可以通过向理想扭矩，即扭矩

扭矩

如上所述计算扭矩没有考虑允许在操作执行紧急操纵时对由致动器装置1产生的实际扭矩进行更精确估算的一些实际的影响。

例如，计算上述“增益”参数基于这样的假设，即由销12与槽11之间的接触产生的力仅取决于轮廓曲线(在这方面，参见同一申请人拥有的前述欧洲专利EP 3 029 338 B1)，该轮廓曲线被理解为销12的中心为致动器臂10的角位置θ的每个值所取的一组位置。不考虑销12(在平面内)的几何形状，该几何形状可以产生不同于理论接触点的实际接触点。实际接触点也可以取决于所关心的部件的变形状态(并且因此取决于交换的力，并且级联地取决于致动器1的操作状态)。然而，不认为部件的变形状态(例如，销12、块13和致动器臂10的变形状态)导致几何臂Arm的值的变化，并因此导致产生的扭矩的值的变化。

上述模型中未考虑的其它实际影响涉及效率系数η的估算，由此，优选估算由实际接触压力产生的滑动表面处的有效耗散，或者更确切地说，摩擦耗散。实际接触压力受到致动器1的实际变形/操作状态的影响。考虑性能损失的其它可能根源也是合适的，例如考虑弹簧18的刚度的可能变化和/或由于磨损导致的活塞密封元件7的泄漏。

因此，可以开发预测数学模型，以便尽可能以最实际的方式表示致动器1的运行，并且随着操作状态的变化(并非仅仅是几何和/或运动学参数的变化)来估算致动器1的性能。

根据本发明，数学模型允许对实际扭矩，即扭矩

因此，根据本发明的监控系统包括多个传感器，这些传感器测量指示对于估算实际扭矩扭矩有用的致动器1的运行状态的一些参数。

特别地，数学模型基于集总参数模型，其中表示控制致动器装置1及其电动气动控制单元54的运行的数学规律。集总参数模型被馈送有从利用特定软件的模拟中获得的信息，例如，通过对致动器1的一个或多个部件进行有限元分析(FEM)或计算流体动力学(CFD)分析获得的信息。这些模拟允许表示并能数值求解一些三维现象(诸如应力、变形、接触压力分布等)的能力。

处理软件模拟(FEM和/或CFD)提供的数据，以便将它们整合到集总参数模型中，例如，通过生成插值曲线、表征矩阵和传递函数来整合到集总参数模型中。

因此，根据本发明的预测数学模型允许根据紧急操纵期间可以传递的扭矩，确定致动器1的一定数量的操作参数(例如，缸6中的压力、缸6中的温度、弹簧18提供的推力、致动器臂10的角位置等)与致动器1的性能之间的“传递函数”。

如前所述，通过根据本发明的监控系统执行的诊断程序因此设想了致动器装置1的受控微移动，从而基本上不需要过程的任何改变，但是足以使阀进入仅起始移动的状态。

存储在处理和控制单元50中的致动器1的数学模型允许将在该部分无干扰微移动期间检测到的操作参数的值与估算致动器1在假设执行紧急功能期间将具有的值相关联。因此，数学模型允许根据这些操作参数的估算值来估算致动器1在紧急操纵期间能够传递的实际扭矩。

如所预期的，所谓的“四分之一转/直角回转”致动器装置(即，配置成将致动器杆8的线性移动转换成致动器轴5的旋转移动以便旋转与其相关联的阀构件的致动器装置)的这里描述的例子不应被理解为对本发明实施例的限制。事实上，各种实施例可以同样应用于所谓的“线性”致动器装置，在“线性”致动器装置中，致动器杆8的线性移动直接传输到闸阀的可移动构件，以便使其从第一位置移动到第二位置，实际上是线性地(即通过平移)从第一位置移动到第二位置。

当然，在无损于本发明的原理的情况下，构造细节和实施例可以相对于那些仅仅通过示例的方式描述和示出的内容进行广泛变化，而不脱离本发明的范围。