CN105229349B - 具有真实流量反馈的先进阀门致动器 - Google Patents

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Abstract

一种阀门和致动器组件，其包括配置为控制进入盘管或换热器的液体流量的阀门。阀门和致动器组件还包括配置为经由阀门闭合件的定位控制阀门的打开和闭合的阀门致动器。阀门致动器还配置为提供流经阀门的液体的最大流率和最小流率。在一个实施例中，阀门致动器包括阀门闭合件位置传感器，阀门闭合件位置传感器配置为基于流经阀门的液体的流率确定阀门闭合件的位置。

Description

具有真实流量反馈的先进阀门致动器
技术领域
本发明总体上涉及阀门和阀门致动器，并且更具体地涉及被配置为受到电子控制的阀门和阀门致动器。
背景技术
很多类型的商业和工业***包含经由流体控制***来供应液体的过程，流体控制***可以包括各种各样的泵组件和控制阀门。这些流体控制***包括但不限于发电站、化学制造操作、食物和饮料加工、液化气供应和处理、水供应和处理、加热、通风和空调(HVAC)***等中使用的那些***。改进用于这些流体控制***的各种部件的控制机制可以减少能量使用并且提高这些***的效率。
在典型的常规流体控制***中，控制阀门组件基于阀门闭合件位置一直跟随阀门致动器阀门杆位置的假设提供反馈信号。概括而言，存在的假设是阀门联动装置被适当地设立且完全***作，尽管可能不是这种情况。误差可能被引入所述***，因为在传统阀门致动器和阀门之间存在机械联动装置，机械联动装置可以从反冲、移动滞后、或故障引入误差。通常，流体控制阀门组件提供阀门杆的位置。然而，如果水流相对于阀门杆位置是非线性的，则位置反馈信号可能不指示流经阀门的流体流量的百分比。
通常，流量计在物理上串联地安装在管道上以测量流经阀门的流体流量，且通常位于阀体的外部。这些流量计可在工业和/或HVAC应用中使用。
本发明的实施例表示对现有技术关于流体控制***及其控制方面的进步。根据本文中提供的对本发明的描述，本发明的这些和其它优点以及额外的发明特性将变得明显。
发明内容
在一方面，本发明的实施例提供阀门和致动器组件，其包括：阀门， 其配置为测量且控制进入盘管或换热器的流体流量；和阀门致动器，其配置为经由阀门塞或闭合件的定位控制阀门的打开和闭合。阀门致动器可以还配置为提供流经阀门的液体的最大流率和最小流率。在一个实施例中，阀门致动器包括阀门闭合件位置传感器，阀门闭合件位置传感器配置为从阀门闭合件的位置和其它感测输入确定流经阀门的流体流量。
在具体实施例中，通信模块被配置为通过串行通信总线与建筑物管理***(BMS)通信。阀门致动器以可保持的方式存储来自BMS的信号，从而允许阀门致动器在失去与BMS的通信的情况下正确地工作。此外，阀门致动器被配置为使其操作可以与BMS、以及与建筑物的机械加热、冷却和泵***同步，以提高建筑物的HVAC***的能量效率。利用通信网络实施的建筑物管理***在美国专利公开No.2010/0142535中公开，其教导和公开内容通过引用结合于此。
在某些实施例中，阀门致动器包括以定位阀门线性移动闭合件需要的动态致动器受力、阀门闭合件的位置、以及阀门的已知尺寸和几何特征为基础的流体流量的计算。在其它实施例中，阀门致动器包括以定位阀门的旋转移动式闭合件需要的动态致动器转矩、阀门闭合件的位置、以及阀门的已知尺寸和几何特征为基础的流体流量的计算。在仍其它实施例中，阀门致动器包括以由两个单独的绝对压力传感器或单一压差传感器感测的横跨阀门入口到出口的压差、阀门闭合件的位置、以及阀门的已知几何特征为基础的流体流量的计算。在仍其它实施例中，阀门致动器具有通信模块，通信模块配置为通过网络促进与阀门致动器通信，且还配置为允许流经阀门的流量的远程监测和阀门致动器的远程控制。阀门闭合件位置传感器可联接到通信模块，以使来自阀门闭合件位置传感器的数据可以被远程访问。
在至少一个实施例中，阀门致动器也包括内部流体温度传感器、可选流率计、感测在管路***中的另一位置的流体温度的第二流体温度传感器，并且来自内部温度传感器、可选流率计、以及第二流体温度传感器的数据能够被本地或远程访问。
在另外的实施例中，阀门致动器包括区域气温控制器，区域气温控制器基于感测到的区域温度和理想区域温度确定用于阀门致动器的位置，其中，用于阀门致动器的位置基于来自阀门闭合件位置传感器的数据验证。在一些实施例中，阀门致动器具有多个可调整操作参数，且所述多个可调 整操作参数可以本地或远程调整。所述多个可调整操作参数可包括用于区域气温控制器的积分设定，其中，积分设定提供用于阀门致动器的正或负调整因子，以确定当流经阀门的实际流率不匹配流经阀门的理想流率时用于阀门致动器闭合件的校正位置。而且，所述多个可调整操作参数可包括用于区域气温控制器的导数设定，其中，导数设定提供用于阀门致动器的正或负调整因子，以确定在流经阀门的流率突变的情形下用于阀门致动器闭合件的校正位置。
阀门致动器可还包括配置为确定流过阀门的流体是否可能气蚀的抗气蚀模块，其中，抗气蚀模块基于阀门中的流体温度、阀门入口压力、和阀门出口压力确定阀门中的气蚀将发生的可能性，且其中，来自阀门闭合件位置传感器的数据用于调整流经阀门的流体流率以防止气蚀。而且，阀门致动器可包括诊断模块，诊断模块配置为将有关阀门和致动器组件的操作的诊断信息提供给远程位置，其中，诊断模块提供与流经阀门的实际流率相对于流经阀门的理想流率相关的诊断信息。
在具体实施例中，阀门致动器具有：由联动组件联接到闭合件的马达和齿轮系；和电路板，其具有用于调节马达和齿轮系的操作的控制电路、以及用于使致动器能够经由串行通信总线与建筑物管理***通信的通信电路。阀门致动器也可配置为将阀门操作为压力无关阀门或压力有关阀门。
在具体实施例中，阀门致动器具有多个可调整的操作参数，这些参数的值控制阀门致动器的操作。此外，多个可调整的操作参数可以被本地或远程调整。
在另一方面，本发明的实施例提供计算流经阀门的流体流率的方法。所述方法包括以下步骤：将用于阀门闭合件的静态力或转矩值存储在阀门致动器的存储器中，且利用存储的静态力或转矩值计算用于阀门闭合件上的动态力或转矩的值。所述方法还包括确定塞几何因子且将几何塞因子存储在阀门致动器的存储器中、经由阀门塞位置传感器确定阀门塞位置、且利用动态力或转矩值、塞几何因子、和阀门塞位置计算流体流率。而且，所述方法包括将流体流率与计算的用于防冻结保护的最小流率相比较，且当流体流率低于计算的用于防冻结保护的最小流率时调整阀门操作。
在具体实施例中，阀门闭合件在打开位置和闭合位置之间线性移动，且所述方法还包括计算塞落座力值、将塞落座力值存储在阀门致动器的存 储器中、且利用塞落座力值和静态力值计算动态力值。在更具体的实施例中，确定塞几何因子借助于查找存储在阀门致动器的存储器中的表格、或借助于以阀门杆位置的变量表达式为基础的多项式完成。
在其它实施例中，阀门闭合件在打开位置和闭合位置之间旋转地移动。所述方法也可包括将用于阀门闭合件的一个或多个尺寸存储在阀门致动器的存储器中、将轴承摩擦因子存储在阀门致动器的存储器中、且利用存储的所述一个或多个尺寸、存储的所述轴承摩擦因子、和静态转矩值计算动态转矩值。
在又另一方面，本发明的实施例提供计算流经阀门的流体流率的方法。所述方法包括以下步骤：确定阀门入口和阀门出口之间的压差、基于阀门闭合件的位置计算流量系数因子、且利用流量系数因子和压差计算流体流率。所述方法还包括将流体流率与计算的用于防冻结保护的最小流率相比较，且当流体流率低于计算的用于防冻结保护的最小流率时调整阀门操作。
在具体实施例中，所述方法还包括测量流过阀门的流体的温度、利用所述温度确定流体的比重、且利用所述比重计算流体流率。
在结合附图参考以下具体实施例时，本发明的其它方面、目标和优点将变得明显。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的数个方面，并且与文字描述一起用来解释本发明的原理。在附图中：
图1是具有水盘管防冻结保护的现有技术HVAC阀门构造的示意图；
图2是针对开环水***的HVAC阀门和盘管位置的示意图；
图3是针对阀门位于盘管的返回侧的闭环水***的HVAC阀门和盘管位置的示意图；
图4是针对阀门位于盘管的供应侧的闭环水***的HVAC阀门和盘管位置的示意图；
图5A和5B是根据本发明的实施例构造的HVAC***以及集成阀门和致动器组件的示意性方框图；
图6是根据本发明的实施例的示出用于集成阀门和致动器组件的可调整设定的方框图；
图7是示出阀门杆位置和流体流量之间的一般关系的图表；
图8是示出线性移动阀门杆移动和杆力之间的关系的图表；
图9是示出典型球心阀和蝶形阀几何因子的表格；
图10是示出旋转移动式蝶形阀杆移动和杆转矩之间的关系的图表；
图11是依据本发明的实施例的气蚀区域水温关系的图表说明；
图12是包含在集成封装中的新技术设计的物理图；
图13是根据本发明的实施例的显示闭合的阀门塞的示意图；
图14是根据本发明的实施例的用于压力有关控制的打开的阀门塞的示意图；
图15是根据本发明的实施例的用于压力无关控制的打开的阀门塞的示意图；以及
图16是流量计算的示意性方框图。
尽管将结合某些优选实施例描述本发明，但是并不是要将本发明限制于这些实施例。相反，旨在涵盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代方案、修改和等同方案。
具体实施方式
虽然在此呈现的许多示例和实施例中就本发明在HVAC***中的应用而言描述本发明。然而，本领域技术人员将认识到本发明的范围不受限于HVAC***。如以上引用的，本发明的实施例可在操作中发现的各种流体控制***中使用，包括但不限于发电站、化学制造操作、食品和饮料加工、液化气供应和处理、水供应和处理等。下文描述的示例性实施例中无任何内容旨在限制本发明的范围和适用性。也应该注意到，术语“阀门塞”和"阀门闭合件"在本申请中就诸如球心阀的线性移动阀门而言可交换地使用。在其它示例中，例如就诸如蝶形阀的旋转移动式阀门而言，"阀盘"和"阀门闭合件"可交换地使用。
图1是显示现有技术中提供的HVAC***的一个实施例的示意图。例如，图1是显示常规HVAC***110的示意图，常规HVAC***110需要多个设备来获得所需的水阀门控制和水盘管防冻结保护。用于来自泵和管道***的水供应60的热水和冷水源通常位于房间51的外面，并且通常是由可以被交替连接在源内的一个或多个锅炉或冷却器(未示出)构成的集中式供应机。阀门63调整来自泵和管道***的水供应60的热水和冷水的流量，用于房间51的加热和/或冷却。阀门63通常受到弹簧回位阀门致动器56的机械驱动，弹簧回位阀门致动器56根据由室温控制器54提供的控制信号而***作性连接。
在典型实施例中，室温控制器54接收来自室温传感器52的温度感测信号，并将温度感测信号与房间设定点设备53提供的期望的室温设定点进行比较，房间设定点设备53可以例如是电位计或小键盘。流量计62由室温控制器54可选地使用以提供用于指示目的的流量信息，以用于可选流量控制而非常规温度控制、或通过添加供水和回水温度传感器而用于能量计算。
在所示实施例中，弹簧回位阀门致动器56根据从室温控制器54接收的比例控制信号进行操作，以将阀门63从完全闭合手动设置为完全打开，以保持由房间设定点设备53提供的期望的房间设定点。通过使空气经过具有适当量的热水或冷水的水盘管64来控制房间51的气温，以在水盘管64的温度与房间51的温度之间提供必要的温差，从而朝向期望的房间设定点设备53来驱动房间51的温度。水盘管64使用由中央锅炉和冷却器***提供的热水或冷水，例如，由来自泵和管道***的水供应60输送的热水或冷水。通常，每个房间具有其自己的管道***。在期望以加热模式操作***时，来自泵和管道***的水供应60例如从锅炉提供热水，并且在期望以冷却模式操作***时，来自泵和管道***的水供应60例如从冷却器提供冷水。
室外空气通风入口69和室外空气通风风门68用于向房间提供新鲜空气。由室外空气通风风门控制器66控制新鲜空气的量，室外空气通风风门控制器机械设置室外空气通风风门致动器67的位置。存在很多常用的风门致动器控制方法。就所有方法而言，存在室外冷空气可以将水盘管64中的水冻结并且造成重大财产损失的风险。常见的室外空气风门问题包括由于磨损、翘曲或其它损坏而未能紧密闭合的风门桨叶、松动或被损坏的机械联动装置，以及致动器故障。
管道***可以是例如图2中所示的***的开环***120，或可以是如图3和图4所分别示出的那些***的闭环***130、140。例如，针对图2的开环***120，由于开环***通常在***中具有可以干扰热传递的大量空气，所以阀门致动器80和阀门81必须位于水盘管64、82的返回侧上，以 确保水盘管82的管子充满水，从而获得良好的热传递。针对闭环***130、140，阀门致动器80和阀门81可以位于水盘管82的返回侧上，如图3中所示，或者可以位于水盘管64、82的供应侧上，如图4中所示。
如图4中所示，使闭环阀门致动器80和阀门81位于水盘管64、82的供应侧上可以工作，但是使水盘管64、82中具有空气的概率较高，这将干扰热传递。如图3中所示，在闭环阀门致动器80和阀门81位于水盘管64、82的返回侧上的情况下，在水盘管64、82中具有较少空气的情况下热传递较好，但是水盘管64、82中的流体发生冻结的风险较高。这是因为空气是可压缩的，并且水盘管64、82中具有较多空气的***由于空气的前述可压缩性而可以吸收由冻结状况产生的增大的压力中的一些。水盘管82中具有较少空气的***中的水更易于出现冻结状况。
不出所料，盘管冻结状况最有可能发生在加热模式下，因为室外气温低。为使水盘管64、82中的水冻结，其中的水必须在一定程度上是静止的，并且在足以使水温降至32℉(0℃)以下的时间段内被暴露在低温下。在室外气温非常低时，室温可能较低并且阀门至少部分打开，这可以减小水盘管发生冻结状况的可能性。
对于低于32℉(0℃)但并不足以使房间51的温度冷到不舒服的较温和的室外气温，水盘管64、82中的水发生冻结的风险很大，这是因为阀门63可能由于房间51不需要加热而闭合，以使水盘管64、82中的水不流动，因而出现可能的冻结状况。
对于图1中所示的常规HVAC***110，冻结状态计(freeze stat)59与弹簧回位阀门致动器56用线串联。在冻结状态计59检测到可能的冻结状况时，其将使弹簧回位阀门致动器56的功率中断，弹簧回位阀门致动器56在一些情况下具有内部弹簧机制，以在失去功率时将弹簧回位阀门致动器驱动至已知位置。通常发生的是，该已知位置是完全打开阀门位置，以使阀门63保护水盘管64和管道***不被冻结，尽管较低量的流量会足以防止发生冻结状况。该方案往往会浪费能量。在一些情况下，冻结状态计59也可以向室外空气通风风门致动器67提供功率，致动器也可以具有弹簧回位操作，以在冻结状态计59检测到可能的冻结状况的情况下闭合室外空气通风风门68。
冻结状态计59通常可以进行自动复位或手动复位。在感测到寒冷气温 之后，手动复位冻结状态计59保持打开并提供全阀门流量，直到冻结状态计59被识别并被手动复位。自动复位冻结状态计59将在气温下降到冰点以下并且然后回升到冰点以上的情况下自动复位。这消除了用户对为冻结状态计59进行复位的需要，但是通常不警告用户室外空气通风风门控制器66、室外空气通风风门致动器67或室外空气通风风门68可能存在问题。所选择的冻结状态计59的类型通常基于手动复位与自动复位技术之间的前述权衡。手动复位冻结状态计59需要用户对设备进行复位，这需要更多的劳动并且可能在复位发生之前浪费能量，而自动复位冻结状态计59需要较少劳动，但是可能延迟对在将来会产生问题的风门相关的问题的识别。
仍然参考图1-4，冻结状态计59的适当保护水盘管64的能力取决于冻结状态计59的适当安装、冻结状态计59相对于水盘管64的面积的长度、以及跨越水盘管64的任何空气运动分层，所述空气运动分层由温度可能未被冻结状态计59适当感测的任何室外空气通风入口69产生。几乎所有建筑物HVAC规范都要求每平方英尺的水盘管水表面面积应该具有不少于一直线英尺的冻结状态计毛细管长度。
在具体实施例中，冻结状态计59以对称形式安装在水盘管64附近，该对称形式在水盘管64的整个长度和宽度上提供具有等间隔的均匀覆盖。冻结状态计59通常会位于水盘管64的输出处的气流中，如图1中所示。一些***可以具有水盘管64与风扇58之间的第二水盘管、以及到房间57的空气通风输出，以提供加热和冷却。具有两个盘管的这些***将使冻结状态计59位于通常用于加热的第一水盘管64之后、以及通常用于冷却的第二盘管之前、并且位于风扇58和到房间57的空气通风之前。具有两个盘管的这些***还具有其必需的阀门、阀门致动器、手动平衡阀门、来自泵和管道***的水供应、以及室温控制器，以提供与两个水盘管所提供的热传递的顺序操作。尽管在具有一个、两个或更多盘管的***中还存在盘管构造的几种其它变型，但是冻结状态计59不会位于处于室外空气通风风门68和室外空气通风入口69附近的最近盘管的输出的更下游的位置。
冻结状态计59毛细管的长度应当使其可以适当地表示水盘管的整个长度和宽度，因为太短的毛细管无法适当地覆盖水盘管64，并且太长的毛细管将产生非对称形式的不均等的表示。通常，必须利用支撑夹、使用具有3"(76mm)的最小半径的弯管来小心地安装冻结状态计59毛细管，以避 免发生将导致最终失败的毛细管断裂。由于冻结状态计59仅在几个可用毛细管长度下可用，因而将冻结状态计长度与水盘管面积匹配这一问题经常发生。很多建筑物HVAC规范要求25英尺(762cm)的最小单元长度，其具有在任何接近一英尺(onfoot)(30cm)的部分下降到冻结状态计设定点以下的情况下发生跳闸的能力，以期获得更准确的防冻结保护。
以对称均匀形式横跨盘管安装的冻结状态计59基于如下假设：横跨水盘管64的空气流量在其整个长度和宽度上一致。实际上，如果由于室外空气通风风门66桨叶的角度或形式、室外风湍流、或由于建筑物和相邻建筑物及物体的形状以及风的方向所产生的阵风而存在空气分层，则该假设可能不成立。通常，冻结状态计59被设计为感测其整个毛细管的平均温度，并在温度过低的情况下触发其双位继电器输出，但是并不能完全补偿使水盘管64的部分和冻结状态计59毛细管处于不同温度的较大程度的分层。
期望提供可以克服上文强调的感测问题的技术装置，并且还期望通过购买、安装、布线和测试比常规HVAC***少的部件来提供安装节约。诸如图1中所示的***等的常规***基于如下假设进行操作：水盘管64的温度总是跟随附近的气温，并且冻结状态计59准确地感测该气温。即使在水温高于冰点的情况下短持续时间的低温也能迫使冻结状态计59感测到低温，这产生假冻结状况并且浪费能量。一些HVAC设计工程师试图使假冻结检测最小化，并且通过添加具有0.5到5分钟的延迟的延时继电器来防止伪冻结状态计跳闸而获得有限的成功。
具有低侧感测误差的不准确的冻结状态计59还可以在水温高于冰点的情况下过早地迫使阀门完全打开并且浪费能量，尤其是对于在受到手动复位之前可能在长时间段内保持跳闸状态的手动复位冻结状态计而言。反之，具有高侧感测误差的不准确的冻结状态计59可能不正确地无法感测实际冻结状况，从而导致大范围的水盘管64和建筑物损坏。大部分冻结状态计都具有可现场调整的跳闸点设定，并且并不总是可以被正确设定为表示冻结状况。一些HVAC工程师在假设冻结状态计59毛细管温度跟随水温并且38℉(3℃)设定将保护盘管并且不会过早发生跳闸的情况下指定38℉(3℃)的跳闸设定点。
用于实现闭环中的HVAC盘管63中的防冻结保护的替代的方案是添加防冻剂，以防止刚性管道和盘管由于水变成冰时所产生的膨胀而遭受物理 应力、形变和破裂。将化合物添加到水中，以使混合物的冰点减小到***可能遇到的最低温度以下。HVAC闭环***最常使用的防冻化合物是乙二醇和丙二醇。二醇的最重要的特性的其中之一是其粘性，因为其对泵送的容易程度的影响以及对热传递的影响。二醇的粘性与温度成反比变化。热的二醇自由流动，但是其粘性随其冷却而增大，直到最终凝结并且不再流动。二醇和水的混合物比单独的水更粘，并且其粘性随二醇含量增大而变大，或者在水混合物温度下降的情况下，其粘性增大。
与丙二醇相比，乙二醇具有更低的成本、更低的粘性和更好的热传递性质。然而，乙二醇由于其具有中度毒性而不像丙二醇那样环保。需要二醇对水的适当浓度来获得期望的防冻结保护水平，并且单位体积内较高的二醇浓度降低了***的冰点。
下文将描述的图5A-10的示意图示出了相对于现有技术的各种改进。根据在图5A和5B的示意图中示出的本发明的方面，阀门和致动器组件36在一个集成组件中包括阀门18、致动器14、室温控制器8、流体温度传感器22、流率传感器19和冻结检测控制器27，该集成组件安装得更快，因为只需对一个设备进行安装和布线，而不像图1的***110那样需要对多个单独的设备进行安装和布线。图5A和5B的实施例还示出，阀门18包括入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21，以使得可以获得阀门18两端的压力下降。图5A和5B示出了具有阀门和致动器组件36的本发明，其具有全部需要单独安装并互连布线的几个传统设备的全部功能。阀门和致动器组件36可以被现场配置为作为压力有关或压力无关阀门进行操作，并且将在任何一种阀门控制模式下提供有能效的防冻结保护。
控制阀门通过使其闭合件在其阀体中移动以在移动的一端阻挡流体流动且在移动的另一端开放所述流动而节流流体的流动。闭合件可称为用于球心阀的塞、用于蝶形阀的盘、用于球阀的球、或专门针对阀门类型的其它术语。阀门闭合件与阀门座接触以阻挡水流。随着阀门闭合件打开，被完全阻挡的阀门座开始朝向其最大面积打开。阀门座通常是圆的，且当完全打开时其流量容量可以表达为：
Q＝V2.44799377Vsd2
Q＝GPM中的流量
V＝流体流速，单位英尺每秒
Vsd＝阀门座直径，单位英寸
阀门闭合件可具有各种对称或非对称形状且连接到杆和密封件，杆和密封件退出阀体以允许位于阀门外侧的致动器定位阀门杆和闭合件。密封件设计成与阀体杆和阀体杆出口紧密接触，以使密封件防止流体在阀门以其额定静压和压差级别(ratings)操作的同时漏出阀门。诸如球心阀和闸门阀的一些控制阀门需要线性杆移动以完全打开到闭合流体流动，且诸如球形阀、蝶形阀、和靴形阀的其它类型需要旋转移动以完全打开和闭合流体流动。
阀门流量特性是通过阀门和阀门杆位置的流率之间的关系。如图7所示，与流体控制***一起使用的两个最常用比例流量控制特性是线性及等百分比。固有流量特性基于横跨阀门的恒定压降。对于线性流量阀门，流量与阀门杆位置成正比，且可以表达为：
f(x)＝x
f(x)＝阀门流动容量百分比(阀门Cv级别的0至100％)
x＝阀门杆位置(0至100％)
对于等百分比流量阀门，流量对于在阀门杆移动中的每次等步长变化增加先前流量的等百分比。流量相对于阀门行程的变化在阀门闭合件靠近阀门座时是相对小的、且在阀门闭合件几乎完全打开时是相对大的。等百分比流量阀门在阀门闭合件必须提供少量传热变化以控制过程的阀门杆移动的前一半中提供准确控制、且当高流量由于高传热要求被需要时在阀门杆移动的后一半中提供高流体流量容量。等百分比流量曲线可以表达为：
f(x)＝αx-1
f(x)＝阀门流量容量百分比(阀门Cv级别的0至100％)
α＝阀门可调比(阀门额定Cv/最小可控流量)
x＝阀门杆位置(0至100％)
迅速或快速开口阀门的流量随着阀门闭合件定位在阀门座上方而急速增加。最大或几乎最大流量在阀门闭合件正好完全打开之前实现。迅速开口阀门通常用于二进制开/关应用，因为阀门闭合件迅速穿过中间流量位置。其它非线性比例控制阀门流量存在于一些阀门设计中且用于一些特殊应用，诸如双曲线流量阀门曲线，双曲线流量阀门曲线具有比等百分比阀门更缓的曲线，提供随着压降平方改变的流量改变。平方根曲线比线性曲线更陡且比迅速开口曲线更缓，以提供快速作用比例控制。闭合件的形状和高宽比确定阀门流量特性。由于阀门闭合件、阀门座、和入口和出口端口的几何结构差异，对于具体阀门设计或阀门尺寸，实际阀门流量曲线可能不会一直遵循其理论数学等式。
然而，固有流量特性在描述阀门设计的流量特性方面是有价值的，几乎没有阀门以恒定压降操作。横跨阀门的压降变化来自两个主要原因。泵特性，其导致随着流量减小泵压头增加。随着流量减小而线路损失(line loss)的减小引起越来越多的泵压头横跨阀门显现。随着阀门减少流量，横跨阀门的压降增加改变阀门固有流量特性。新特性称为安装流量特性。横跨阀门的压降中的压力增加向上转移固有曲线。阀门的压降与总***压降相比越小，固有曲线被转移得越高。诸如在图2中示出的开放管路***类型将比在图3和图4中示出的闭合***具有在阀门出口或下游或出口端口上的更小背压且因此将具有不同安装流量曲线。
致动器可以具有线性输出移动和具有旋转输出移动。虽然最容易的是使用具有线性杆移动阀门的线性移动致动器和具有旋转杆移动阀门的旋转移动致动器，但是可以将致动器移动类型通过机械联动装置转换，以使人们可以使用具有线性杆移动阀门的旋转输出致动器或具有旋转杆移动阀门的线性移动致动器。机械联动装置也频繁用于将致动器连接在阀帽或阀肩上且对齐地附连到阀门杆，以使致动器移动使阀门杆从包括用于机械部件的容差和安装变量在内的行程两端完整行进。
线性致动器由通过线性移动作用的力提供机械工作，且旋转致动器提供通过旋转或圆形移动的机械工作。转矩具有力乘以距离的尺寸且是杠杆臂距离和力的向量积，可以表达为：
T＝LF
T＝转矩，单位是磅-英寸(lb.-in)，二维
L＝支点移动臂的位置长度，单位是英寸
F＝力，单位是磅，垂直于L
当支点和杠杆臂之间的向量不垂直于杠杆臂距离和力的向量积时，转矩可以表达为：
T＝LF sinθ
T＝转矩，单位是磅-英寸(lb.-in)
L＝支点移动臂的位置长度，单位是英寸
F＝力，单位是磅，垂直于L
θ＝向量L和F之间的角度
动态转矩涉及加速且静态转矩不涉及。当转矩以旋转的恒定速度传输时，转矩是旋转的静态转矩，因为没有加速。静态转矩是寄生的(parasitic)且由于轴承、接触表面材料部件摩擦、以及具有大旋转惯性的部件引发。转矩测量可由转矩承载部件之间的同轴传感器(in-line sensor)实现。多个同轴传感器可以适当地布置在多转矩产生部件和转矩寄生部件之间，以分开转矩测量。转矩可以通过感测由于扭曲力发生的实际旋转输出轴偏转而被测量，扭曲力由于转矩在偏转的情况下经历一些张紧和压缩造成。转矩测量传感器包括但不限以下类型。
旋转应变计可以通过滑环或与电感耦合的非接触变换器提供动力。旋转应变计的电阻式惠斯通电桥输出可由两个张力计和两个压缩力计构成，它们利用调控电子器件的信号以提供补偿了温度的输出转矩信号。也可以使用固定安装应变计，但准确性较低，因为固定安装应变计的感测不捕获马达的惯性。
由晶状石英或其它多晶陶瓷材料构成的压电传感器定位在邻近表面上，以提供当由外力应变时的电荷。当力被施加到传感器材料时，静电荷与输入力成比例地产生。输出被收集在邻近表面之间的电极上、而后沿路径移动到外部信号放大器。压电材料仅可以测量动态移动且不测量连续静态情形。
声波传感器利用通过表面材料传播的调制表面声波来检测转矩、压力、应变、温度、或质量。声波传感器由两个压电照片印刷刻蚀基底构成。第一基底是输入交叉式换能器，其将电场能量转换成通过基底传播的机械波能量。第二基底是输出交叉式换能器，其将机械能量转换回到电能。发生到机械波的任何变化是物理刺激的结果且将由输出交叉式换能器反映。
磁致弹性传感器利用维拉里效应(Villary Effect)来提供磁信号，磁信号被电调控以提供输出转矩信号。由于当磁致弹性材料被压缩、弯折、扭曲、或延展时的维拉里效应，磁致弹性材料的磁化特性随着移动的角度而变化。
模拟和数字遥测转矩传感器提供从具有信号调控电子器件的旋转电阻 桥传感器接收转矩信号的非接触方法。旋转变换器用于给在旋转传感器上的电路提供动力，所述电路借助于到固定接收光检测设备的紫外光刺激应变片桥且数字化传感器输出。
电操作致动器用于诸如阀门的驱动负载，通常具有齿轮、滑轮、或链/链轮驱动部件以改变马达速度、转矩、和移动范围。齿轮比滑轮、链、带、或链轮更紧凑，且频繁在风门和阀门致动器中使用，因为它们提供更易于在紧凑区域中安装的紧凑、便宜的致动器包装。如同滑轮、链和链轮，齿轮通过传动比提供机械优点，所述传动比允许次分马力(subfractional horsepower)的电动机驱动较高转矩旋转负载或较高力线性负载。最终输出齿轮然后与机械连接到阀门杆的输出机构啮合。向前且反向旋转的次分马力的有刷DC、多相无刷、同步、步进、及其它电动机可以包含专用集成电路(ASIC)，以给这些电动机提供产生转矩输出信号的能力。马达可包括马达、ASIC、和诸如具有两个交叉式换能器的声波传感器的转矩传感器或诸如磁性霍尔感测在由扭力杆联动的两个旋转轴之间移位的有角转移角度的磁致弹性传感器。马达可替代性地包括马达、ASIC和马达监测电路，马达监测电路通过诸如由估计定子磁链向量和测量马达电流向量的向量积确定转矩的推导而计算转矩。
应变计、磁致弹性传感器、和其它转矩传感器可以替代性地由不同物理构造构成，以通过修改所述物理构造移动的轴线和角度测量力。当转矩被施加到旋转轴时，所述轴少量扭曲。扭曲产生轴材料的延展或拉伸。所述延展是到轴线的45度的角度且在相反的45度方向上同时压缩地发生。
诸如球心、闸门、和蝶形阀的一些阀门类型需要高旋转致动器转矩或高线性致动器受力，以完全闭合阀门闭合件且获得阀门的额定阀座泄漏。理想的是具有尽可能低的阀座泄漏，以避免由流经阀门的流体泄漏引起的能量损失且获得更准确的温度控制。阀门被额定为提供最大阀座泄漏，最大阀座泄漏通常表达为其额定流量系数的百分比。流体控制研究所(FCI)标准ANSI/FCI70.2定义六种程度的阀座泄漏且欧洲标准1349工业过程阀门定义八种程度的阀座泄漏。
一些阀门具有在阀门闭合件和阀座之间的金属到金属的密封接触表面，如果两个表面不完全均匀和一致，则密封接触表面需要高的力。具有弹性体密封件的其它阀门可能需要甚至更高的力，因为弹性体必须被完全 压缩以减小阀座泄漏。具有大阀座和闭合件表面面积的较大尺寸阀门、具有较硬弹性体的阀门、以及具有较高流体流速的阀门将比较小的阀门、具有软弹性体的阀门、以及具有较低流体流速的阀门需要更多的力以完全闭合阀门闭合件。
线性杆移动阀门在行程的每端处具有限制线性杆移动阀门的移动的硬止动件。旋转杆移动阀门在旋转杆移动阀门提供最小和最大流量的移动点可能具有或可能不具有硬止动件。具有硬止动件的旋转杆移动阀门通常具有在其最小和最大流量的点定位的硬止动件。可以通过在最大流量点之前定位止动件来限制旋转杆阀门最大流量，以使硬止动件限制致动器在高于行程的理想流量点的情况下移动。
控制阀门可以在双向和三向构造中使用。双向阀门由用于连接到管路的两个端口构成，一个端口是从泵供应管路***接收流体的入口端口，且另一端口是将流体传出到管路***的另一侧的出口端口。三向阀门由用于连接到管路***的三个端口构成。三向混合或聚合阀门具有接收流体的两个入口，两个入口通常是直接来自泵供应管路***的一个端口和来自经常是旁通流体线路的***中的另一位置的另一端口，且将所述两个入口混合在一起以及将它们传出共同输出端口。三向转向或发散阀门具有一个入口，所述一个入口具有通常从泵供应管路***直接接收流体且将流体传送到通常是负载和旁通的两个不同输出。
用于双向球心、闸门、或蝶形阀的移动的闭合端比打开端更关键，因为阀门需要来自旋转致动器的高致动器转矩或来自线性致动器的力以确保阀门闭合件一直牢靠地关闭，从而断开流量。相反的完全打开流量的位置没那么重要，因为阀门流量通常是非线性的，以使在阀门接近于完全打开时阀门通常已经处于或非常接近于完全流量，从而通过促使闭合件更牢固地抵靠硬止动件获得的任何流量是可以忽略的。管路***在阀门完全打开端处缺少少量流量的反冲与相同阀门在应该完全闭合时在相反的闭合端处所述阀门泄漏相同的少量流体相比是非常小的。
用于三向阀门的闭合端闭合件位置移动比用于双向阀门的更关键，因为三向阀门杆的两端和闭合件行程由于用于三向混合阀门的两个入口端口或用于三向转向阀门的两个出口端口在相反方向上操作而关闭阀门端口之一。三向阀门可具有一个或两个闭合件。具有一个塞或闭合件的三向阀门 (诸如，球心阀)具有双重功能塞，双重功能塞具有两个落座表面和流量几何结构。具有两个盘或闭合件的三向阀门(诸如，蝶形阀)具有两个单独的闭合件，每个闭合件具有其自身的流量几何结构和落座表面。当一个端口完全打开而另一端口完全闭合时，且当用于单一塞式三向球心阀的塞或用于两盘式三向蝶形阀的盘在两端之间的某处时，每个端口的流量大约是是另一端口的倒置(inverse)。
在至少双向阀门的闭合端上且在三向阀门的两端上，重要的是不仅使阀门闭合件紧密地闭合到阀座，而且致动器必须具有在阀门弹性体由于磨损、腐蚀、老化、或压缩变薄且阀门杆需要附加移动以将闭合件进一步移动从而使流经阀门的流体流量停止的情况下稍微远于阀座移动闭合件的能力。
阀门具有静态负载和动态负载。阀门静态负载包括杆密封件的摩擦及其压缩、以及阀门杆的重量、和闭合件相对于阀门的安装方位、以及由阀门联动部件的挠曲和弯折引起的任何移动效率损失。相同尺寸的不同阀门类型基于其固有设计可具有不同静态负载要求。阀门动态负载由阀门闭合件面积相对于其对立的流量阻力的量而确定。阀门致动器必须具有用于线性杆移动球心阀和闸门阀的充足力或用于旋转杆移动球阀和蝶形阀的转矩，以抵抗特定关闭压力级别程度来关闭阀门闭合件且同时维持阀门特定阀座泄漏。
具有硬止动件的阀门在每个止动件处经历反作用或停止转矩。在止动件之间，阀门具有静态和动态负载。阀门静态负载在阀门杆移动期间是恒定的，而阀门动态负载随着阀门杆从其最小和最大位置移位而变化。在没有流体在***中流动的情况下，不存在动态负载。当有流体在***中流动时，动态负载由阀门入口到出口压差直接确定，动态负载继而与阀门流量直接关联。
静态阻力是当两个接触表面粘附到一起以形成粘附力时可能发生的静摩擦力。邻近表面开始移动需要的力明显大于保持表面移动需要的力。静态阻力是克服静粘附力而非连续力需要的初始力阈值。阀门经历静态阻力的倾向性取决于阀门设计，包括邻近移动表面的面积、表面材料和纹理、以及两个表面之间的间隙。其它起作用的因子包括两个表面的移动频率和与表面取得接触的任何流体的矿物化学成分。
在无已知静态阻力的情况下具有基于不平衡阀座的实体悬挂塞的线性杆移动球心阀的静态和动态力负载关系在数学上可以表达为：
Af＝Sf+Pw+(PdπPsf)+(.785398PdDpPgf)
Af＝致动器受力，力单位是磅(lb)
Sf＝杆摩擦力，力单位是磅(lb)
Pw＝阀门塞和杆重量，单位是磅(当安装在杆向上位置时)
Pd＝阀门塞落座直径，单位是英寸
Psf＝力单位为磅(lb)的塞周长的阀门塞阀座密封因子，单位是lb./inch
Dp＝横跨阀门的压差(psi)
Pgf＝塞几何因子
以上公式表达的关系的示例在图8中示出。Sf杆摩擦力和Pw阀门塞和杆重量是在阀门行程期间一致的静态力。Sf杆摩擦力是阀门杆密封件的结果，阀门杆密封件具有在阀门杆上的恒定张力以维持紧密一致的密封，从而防止流体杆孔口泄漏。当阀门安装在其常规杆向上方位时，Pw阀门和杆重量是有效的。使阀门在无流体流量和压差的情况下静态行进的评估可以用于验证这些静态力。
仅当塞闭合且挤压阀门座时(PdπPsf)力因子起作用，以实现阀门额定的阀座泄漏和关闭压力。Psf阀门塞阀座密封因子是经验值，所述经验值随着阀门塞到阀座密封件材料成分及阀门额定阀座泄漏而改变。硬弹性体比软弹性体具有较高Psf力值，以获得必须的压缩从而实现额定阀座泄漏。硬阀座或金属到金属表面具有甚至显著更高的Psf力值，这是因为由于无压缩存在，较高力被需要以平整表面。较低程度的阀座泄漏需要阀门塞到阀座密封件材料成分的显著较高程度的压缩，且因此具有显著较高的Psf力值。
(.785398PdDpPgf)力因子是沿轴向方向的流体动力学力，所述流体动力学力在阀门塞抵抗水压力关闭时增加。通过基于线性移动阀座的球心阀，Dp横跨阀门的压差对于整个撞击在阀座区域上起作用。对于不平衡球心阀，阀门塞轴向力通常是主导力分量。也可以存在垂直于阀门杆轴线作用的横向力。这个力随着阀门设计改变，且通常是非常小的力分量。
Pgf塞几何因子提供塞位置校正因子以调整塞几何结构，包括塞直径比、内体壁到塞的间隙、以及塞形状。塞直径可大于阀门座直径。当塞闭合时，力仅抵抗阀座直径表面区域。随着阀门塞定位在阀座上方，如果塞 直径大于阀座直径，则力将抵抗较大表面区域，且因此可以起作用以增加塞的总表面力。随着塞从阀座进一步移动，塞和内阀体壁之间的间隙将增加且将降低压差和塞面的静态压力。具有相同直径的不同塞形状由于偏离其流量面对表面的不同流量偏转将呈现不同力。Pgf塞几何因子如图9所示的随着塞变化。借助于查找表格或以杆位置的变量表达式为基础的多项式来利用Pgf塞几何因子。Pgf塞几何因子可变化且可能独特在于具有不同阀门尺寸和设计类型。
在无已知静态阻力的情况下具有非偏心盘的旋转杆移动蝶形阀的静态和动态转矩负载关系在数学上可以表达为：
At＝Tsu+(.785398Dd2Dp(DsBff/2))+Ts+(Dd3DpDgf)
At＝致动器转矩，单位是磅-英寸(lbs.-in)
Tsu＝用于落座和离座的转矩
Dd＝阀盘直径，单位是英寸
Dp＝横跨阀门的压差(psi)
Ds＝阀门杆直径，单位是英寸
Bff＝轴承摩擦因子
Ts＝转矩杆摩擦力
Dgf＝盘几何因子
以上公式表达的关系的示例在图10中示出。Tsu用于落座和离座的转矩是静态力，所述静态力在盘在垂直于阀门管路***的情况下落座和离座时起作用。Tsu转矩在盘已经打开之后急剧下降，以及与阀门座的周长、盘阀座的构成和接触面积直接有关，且如具有较高关闭级别的蝶形阀的阀门额定关闭压力级别可具有在盘和阀门座之间的较小间隙，以生成更紧密的装配、更大的阀座压缩、且因此较高的转矩要求。
蝶形阀杆轴具有轴承，以在来自抵抗盘的流动力的力施加在杆上时稳定杆。Dd阀盘直径和Ds阀门杆直径基于阀门尺寸以及通过Bff轴承摩擦因子表达的杆轴摩擦力，Bff轴承摩擦因子与随着杆旋转在杆轴和致动器联动装置之间引发的转矩关联。(.785398Dd2Dp(DsBff/2))动态转矩因子是抵抗盘的压力传输到阀门杆的结果。
Ts转矩杆摩擦力是在阀门行程期间一致的静态力。Ts转矩杆摩擦力是阀门杆密封件的结果，阀门杆密封件具有在阀门杆上的恒定张力以维持紧 密一致密封，从而防止流体从杆孔口泄漏。Tsu用于落座和离座的转矩和Ts用于在无流体流量和压差的情况下使阀门静态行进的转矩杆摩擦力的评估可以用于验证这些静态转矩。
(Dp3DpDgf)转矩因子是动态转矩，动态转矩在阀盘处于其从离开阀门座到完全打开位置的中间位置时起作用。在旋转移动式非偏心蝶形阀的情况下，Dp横跨阀门的压差对于整个行程在盘面积上起作用，力不平衡地分布在盘的上游侧上。由尾盘边缘经过的流体的流速大于前边缘的，以生成流速变化且随后在盘的上游表面上的更大的力。流体力起作用以增加扭力且朝向闭合位置驱动盘。Dgf盘几何因子类似于在图9中示出的球心阀Pgf塞几何因子，借助于查找表格或以杆位置的变量表达式为基础的多项式利用球心阀Pgf塞几何因子。Dgf盘几何因子可变化且可能独特在于不同阀门尺寸和设计类型。
对于流体流量的动态力关系或对于流体流量的转矩关系必须在力或转矩可以用于计算流体流量之前具有高度关联。关联可以是由在提供良好相关的散布图上的直向量验证的线性的、或可以是非线性关联的。关联应该由诸如斯皮尔曼等级相关系数的关联测试测量，关联测试可以通过利用数据设定的等级而非其实际值将非线性关系转换成线性关系。斯皮尔曼等级相关系数提供非参数测量，而无需任意单调函数如何良好地描述两个变量之间的关系的正规性。当被比较的所述两个变量即使其关系不是线性的也单调理想相关地增加时，斯皮尔曼(Spearman)相关系数1产生。
斯皮尔曼系数在没有相持秩(tied ranks)时在数学上可以表达为：
Rs＝等级相关的斯皮尔曼系数
Di＝对于每个数据项赋予两个变量值的等级差异
n＝数据对的数量
Rs强度可以描述为.00至.19(.00至-.19)的非常弱的正(负)相关、0.20至0.39(-.20至-.39)的弱正(负)相关、.40至.59(-.40至-.59)的中等正(负)相关、.60至.79(-.60至-.79)的强正(负)相关、到.80至1.0(-.80至-1.0)非常强的正(负)相关。较大数量的数据对提供n–2的自由度，n–2的自由度应该用于计算的等级相关的斯皮尔曼系数的显著性测试。显著性测试研究零假设是否可以被接受或拒绝。零假设测试从样本到样本代表的全域的推导。
主要根据通过盘管后的压力下降、阀门流量系数因子和关闭级别(close-offrating)来选择压力有关控制阀门。阀门流量系数因子是由术语Cv表示的流量的测量结果，Cv被定义为在1psi(6.9kPa)的压力下降的情况下在1分钟内流过1美制加仑(3.8公升)的60℉(15.6℃)的水。在阀门完全打开时获得阀门的额定Cv，并且在阀门塞处于其它位置时额定Cv将变小且变化。在特定阀门塞位置上，压力有关阀门的流率基于阀门两端的压差而改变(压差随泵特性曲线和***中的其它阀门的相互作用而变化)。Cv在数学上可以表达为：
Cv＝流量系数
GPM＝在60℉(15.6℃)下每分钟的美制加仑
ΔP＝PSI中的压差
比重＝流体的比重
由于流体比重随着流体温度和水浓度及抗冻性变化，确定Cv和GPM的替代性数学方法可以表达为：
SGCF＝比重校正因子
在水是具有1的比重的流体介质的情况下，Cv和GPM在数学上可以表达为：
对于压差，数学关系可以在水作为流体介质的情况下重新叙述为：
液体的比重是在39℉(4℃)下液体的密度与纯水的密度的比值。比重是没有单位的比值。具有小于1的比重的液体将漂浮在水中，因为其密度小于水的密度。相反，具有大于1的比重的液体将沉入水中，因为其密度大于水的密度。乙二醇和丙二醇水混合物具有大于1的比重，并且因此具有大于水的密度。
在水流经阀门时，其在阀门的产生压降的限制流动路径中加速。水在被称为流颈(vena contracta)的点处达到其最高速率。流体在流颈处达到其最低压力和最高速率。随着水流出阀门，一些压力损失随着液体的减速而恢复。作为结果，阀门中的压力可能低于下游压力。如果阀门中的压力下降到水的蒸汽压力以下，则其将开始汽化。被称为气蚀的该状况将产生比上文Cv公式中所计算的低的流率，因为当在流颈中形成气蚀水泡时，汽泡将越来越限制水的流动，直到流动被蒸汽阻塞。这种状况被称为扼流或临界流。在流动被完全阻塞时，在压力下降降低时流率不会增大。
在发生气蚀时，阀门中的水快速转化为蒸汽，并且然后经历压力恢复而恢复到导致汽泡的内爆或塌缩的汽化压力以上的某一压力。这可能对浸在水中的阀门部件造成机械腐蚀或点蚀损坏、由于极度振动而对阀门部件造成破损、以及在阀门中产生可检测的噪声。受到气蚀损坏的风险最大的阀门部件是具有平行运转表面的阀门塞和阀门座。机械点蚀和腐蚀将随各种阀门材料组成而变化。在蒸汽压力高于流颈压力、但低于出口压力时将发生气蚀。在蒸汽压力低于流颈压力时，将存在满水流量而没有气蚀。
在不发生气蚀状况的情况下阀门两端可能存在的最大容许压差取决于水温，因为水蒸汽压力随水温变化。在水处于狭窄密闭容器中时，水与其气态之间存在平衡。蒸汽压力不取决于水的量。沸点是蒸汽压力达到随海拔变化的大气压力的温度。由于水的蒸汽压力随水温而增大，因此与利用凉水相比，利用较热的水可以在较低的压差下发生气蚀状况，如图11所示。例如，对于具有45psi(310kPa)入口压力和50℉(10℃)水温的阀门，不发生气蚀的最大容许压差是31psi(214kPa)。对于相同的45psi(310kPa)入口压力和220℉(104℃)水温，不发生气蚀的最大容许压差下降到21psi(145kPa)。
蒸汽压力随液体类型而变化。尽管不同液体都具有通常随温度升高而增大、随温度降低而减小的蒸汽压力，但是变化率以及沸点则随每种液体 而变化。二醇具有比水低的蒸汽压力，并且其沸点高于水的沸点。在68℉(20℃)，水的蒸汽压力是丙二醇的蒸汽压力的100倍。含有乙二醇或丙二醇与水的混合物的***的蒸汽压力不同于只有水的***的蒸汽压力。此外，蒸汽压力将随***中的乙二醇或丙二醇相对于水的浓度体积而变化。使用二醇和水的混合物而非仅使用水的水***将因它们的蒸汽压力不同而具有不同的气蚀点。
压力无关阀门通常是基于要被用于进行控制的盘管的最大设计流率来选择的。压力无关阀门利用特定控制输入信号来提供恒定流量，而不管压差如何。通常，这是通过使用内部压差控制器或通过测量流量并自动调整阀门塞以保持恒定流量来实现的。压力无关阀门在所定义的压差范围内提供该恒定流量。如果阀门的控制信号命令阀门到达其完全打开位置，那么阀门还具有限制流量的最大流率。
在具体实施例中，压力无关阀门通过允许泵的可变频率驱动(VFD)在其满足***要求的最低可能速度下运行来提高能量效率。这些阀门还可以使与其它阀门的相互作用最小化，并且降低安装成本，因为简化了手动流量平衡并且显著缩短了试运转时间。此外，压力无关阀门可以通过跨越盘管保持更恒定的温度下降来提高冷却器/锅炉***的效率。压力无关阀门还可以通过向控制阀门提供恒定控制输入信号或通过在阀门的最高额定流量与所需的平衡流率匹配时提供最大控制输入信号来用作自动平衡阀门。
在本发明的特定实施例中，阀门和致动器组件36在一个集成组件中包括阀门18、阀门致动器14、室温控制器8、流体温度感传器22、流率传感器19、入口和出口压力传感器20、21、阀门塞位置传感器23和冻结检测控制器27。在更特定的实施例中，阀门和致动器组件36可以被用户配置为用于压力有关(PD)或压力无关(PI)阀门控制。在本发明的某些实施例中，阀门和致动器组件36被配置为使用单独连接的温度控制器而非内部温度控制器来提供压力有关或压力无关控制。
在具体实施例中，例如，图5A示出了通过在PI-PD模式跳线16上选择期望的模式来经由跳线开关在压力有关与压力无关之间进行现场选择。在一些实施例中，阀门和致动器组件36从室温传感器和设定点1接收信号，并且基于室温传感器与房间设定点之间的差来判断是需要打开还是闭合线性塞移动阀门18。通过从PI-PD模式选择设备15接收其信号的线性阀门杆 移动致动器14来机械设置线性塞移动阀门18的位置。线性塞移动阀门18具有可以沿着设置在阀门的入口通路与出口通路之间的阀门端口的纵向流动轴移动的塞。线性塞移动阀门18包括固定密封口或阀门座、以及通常为圆柱形的外部塞，该外部塞在线性平面中从固定密封口向上朝向阀门的最大打开位置行进，对于压力有关操作，该位置受到相对的线性塞移动阀门18的外壁的限制，或者对于压力无关操作，该位置受到阀门和致动器组件36的电子控制位置的限制。
在其它实施例中，线性塞移动阀门被旋转移动式阀门闭合件阀门替代。线性杆移动致动器14和线性塞移动阀门18可以由诸如蝶形阀或球阀的旋转杆移动致动器14和旋转式阀门闭合件阀门18替代。旋转式阀门闭合件阀门18由旋转杆移动致动器14机械定位，旋转杆移动致动器从PI-PD模式选择设备15接收旋转杆移动致动器的位置信号。旋转式阀门闭合件阀门18具有盘或球形球，盘或球形球能够以角度旋转的方式在位于阀门端口的入口和出口通道之间的阀门端口内移动。旋转塞移动阀门18包括固定密封端口、阀门座、和平盘、波状外形盘、或通过90度的角度旋转从完全闭合到完全打开地移位的球形闭合件。
线性阀门杆移动致动器14或替代性的旋转杆移动致动器14可以设定为用于灵敏控制或非灵敏控制，非灵敏控制具有非灵敏带设定，以防止在相对于受控区域而言尺寸过大的水***中出现过冲。PI-PD模式选择设备15根据PI-PD模式跳线的位置来利用压力有关或压力无关控制算法。在由PI-PD模式跳线16将阀门和致动器组件36设置为用于压力有关阀门操作时，PI-PD模式选择设备15从压力有关模式水阀门位置控制器11接收其信号。
图12是根据本发明的实施例的阀门和致动器组件36的示意图。阀门和致动器组件36包括具有阀门塞100的阀门18，阀门塞100位于阀门座101中。阀门18还包括可选流率传感器19、从HVAC管道***接收流体或流体混合物的具有入口压力传感器20的入口41、以及向HVAC管道***供应流体或流体混合物的具有出口压力传感器21的出口42。阀门18还具有流体温度传感器22和塞位置传感器23。
阀门塞100的位置受到阀门致动器14的控制，线性阀门杆移动致动器14使用经由联动组件45联接到阀门塞100的马达和齿轮系44来设置阀门 塞100的位置。阀门致动器14还包括电路板47，在具体实施例中，电路板包含用于本文中所描述的并且在图5A和5B中所示意性地示出的各种控制器、控制模块和网络通信模块的电路。在具体实施例中，致动器受力和行程状态传感器17感测线性塞移动阀门18的力。在其它实施例中，致动器受力和行程状态传感器17可以被致动器转矩和旋转状态传感器替代，致动器转矩和旋转状态传感器感测用于诸如蝶形阀或球阀的旋转式阀门闭合件阀门的转矩。
图13-15是显示阀门塞100的操作的各种模式的示意性表示。具体地，图13显示了线性塞移动阀门的塞100的最小流量或闭合位置。这显示了在相对于阀门座101完全闭合时的阀门塞100的位置。在该位置上，可能除了非常少量的泄漏之外，没有流量流过阀门塞100与阀门座101之间的可能很小的缝隙。对于压力有关和压力无关阀门操作，线性塞移动阀门的阀门塞100的最小流量或闭合位置是相关的。
在PI-PD模式跳线16被设置用于压力有关阀门操作时，阀门塞100的最大流量位置是如图14所示的完全打开，以使流量将随阀门两端的压差而发生变化。在PI-PD模式跳线16被设置用于压力无关操作时，阀门塞100的最大流量位置将如图15所示地发生变化，并且基于远程最大流量信号4而受到压力无关模式水阀门位置控制器13的控制，而不考虑从室温传感器和设定点模块1接收的室温传感器与设定点1之间的温差。在压力无关模式中保持最大流量，因为必须限制流率以允许流体或流体和二醇混合物在盘管中存在足够时间，以提供适当的热传递。
尽管已经相对于一些优选实施例描述了本发明的方面，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以在形式和细节上做出改变。例如，HVAC控制阀门可以具有线性运动塞行程，例如具有球心阀或闸门阀，或者流体控制阀门可以具有角度旋转塞行程，例如具有球阀、蝶形阀或靴形阀。本发明的实施例可以包括但不限于前述阀门类型中的任何类型，包括线性塞移动阀门18。
在图5A和5B的实施例中，阀门和致动器组件36包括可选阀门流率传感器19、入口阀门压力传感器20、出口阀门压力传感器21、阀门塞位置传感器23、抗气蚀控制模块26以及能耗计算和保留模块24。阀门和致动器组件36适合于与各种流率传感器19和各种压力感测技术一起使用。这 些包括但不限于：1)压差；2)正位移；3)速度；4)质量流量。
压差传感器的操作基于阀门两端的压力下降与流率的平方成比例的前提。通常，通过测量压差并提取平方根来获得流率。这需要初级元件来引起动能变化(例如，线路中的用于创建上游压力与下游压力之间的差的缩窄)并且需要次级元件来测量压差。例如，可用的压差传感器包括孔板传感器、文丘里管传感器、流量管传感器、流量喷嘴传感器、皮托管传感器、弯头分接传感器、定靶传感器、可变面积传感器(转子流量计)、阿牛巴传感器和v锥传感器。
正位移传感器将液体分成具体的离散增量并使其继续前进。总流量是所测得的增量的累积，并且通常是在一定时间段内被记录并存储到寄存器中的一系列计数。可用的正位移传感器包括往复活塞、椭圆齿轮、盘式、回转片和螺旋结构。
速度传感器关于体积流率进行线性操作，并且可以使用几种不同的技术来获得该速度传感器，所述技术包括涡轮传感器、涡流发散传感器、旋涡传感器、康达效应和动量传感器、交换传感器、电磁传感器、超声波传感器、多普勒传感器和渡越时间传感器。
与体积流量相反，质量传感器利用包括热量计(热分散)传感器、科里奥利传感器和热传感器的各种可用设计来直接测量质量流率。
在本发明的某些实施例中，阀门和致动器组件36被配置为以具有完全局部控制的独立非通信模式进行操作，而在替代实施例中，阀门和致动器组件36被配置为在通信网络中进行操作，该通信网络允许通过阀门和致动器组件36来传送和接收信息，以使阀门和致动器组件36的操作与建筑物管理***(BMS)以及建筑物中的其它HVAC装备(例如加热、冷却、泵送***)同步，以提供用于远程监测、警报和数据保留的诊断和能量数据。
远程通信控制输入信号7经由串行通信总线从建筑物管理***(BMS)接收相关的阀门和HVAC盘管***数据，该数据包括加热冷却模式信号3、远程最大流量信号4和远程最小流量信号5。这些信号允许阀门和致动器组件36与BMS以及建筑物的机械加热、冷却和泵送***同步，以提高建筑物的HVAC***的能量效率。这些信号以可以保持的方式存储在远程通信控制输入信号7中，以使阀门和致动器组件36的操作可以适应于处于独立模式或处于通信网络模式的HVAC机械管道***。如果出于任何原因而失 去了与BMS网络的通信，则以可以保持的方式存储的信号也允许以通信网络模式进行适当操作。
对于独立操作，可以利用软件编程工具来编辑远程通信控制输入信号7的值，该软件编程工具最初用于确立阀门和致动器组件36的设定，但不要求将其留给阀门和致动器组件36。软件编程工具还用于针对独立和网络通信模式二者最初调整用于阀门和致动器组件36的基本操作的操作参数，如图6所示。如图6所示，可调整的操作参数具有默认设定，可以将默认设定预设为向典型的HVAC水***提供稳定控制的值，以使阀门和致动器组件36在无需调整的情况下与所有***一起非常合理地工作。如果期望进一步优化阀门和致动器组件36以使其与建筑物的独特的HVAC状况匹配，则任选的调整将允许用户定制阀门和致动器组件36的运转状态，以使其与建筑物管理***一起更好地工作。
如果任选的独立测试的测量结果判断输入传感器与另一经校准的测量结果不匹配，则图6中所示的可调整的操作参数中的一些参数通过将具有默认设定为零的偏移值改变为正数或负数以抵消任何误差来进行输入传感器的任选校准。图6所示的其它可调整操作参数包括不同国家中的操作的单位的选择、以及用于温度、压力、流量和能量计算值的不同单位的选择。
压力有关模式水阀门位置控制器11从提供流经阀门的流体的体积的流体压力和流量计算模块25、指定在可能的冻结状况期间所需的最小水流量的水盘管最小流量控制模块10、用于提供输出控制信号的区域气温控制器8、以及指示何时入口和出口压力是使得可以发生气蚀状况的值的抗气蚀控制模块26接收输入。区域气温控制器8将从本地硬布线的控制输入信号6接收的室温传感器的值与设定点的值进行比较，并判断阀门18是否需要按比例打开或闭合来保持期望的室温。压力有关模式水阀门位置控制器11使用线性输入信号来输出保留固有线性塞移动阀门18的水流量曲线的命令关系，除非可选地设置了替代的曲线调整。
流体压力和流量计算模块25利用三个方法之一以最经济的方式计算流率、或可以使用传统外流量计。最经济的方法：在图16中示出的方法A 201、方法B 221、方法C1 241、和方法C2 250由阀门组件中的内部信息计算流率。由力计算流率的方法A 201使用阀门的阀座直径、流动孔部件几何结构、静摩擦力、动态力、阀座和塞硬度、塞重量、以及杆位置来计算阀门 流率。杆摩擦力202和塞重量203包括专门针对每个阀门组件204的静态力。这些力在阀门杆行程期间是一致的，且与由计算动态力模块205从致动器受力和行程状态17接收的动态力分开。
计算Pgf塞几何因子模块206基于阀门塞位置23提供流量校正因子，以调整塞几何结构，包括塞直径到阀座的直径比、随着杆位置变化的内体间隙、以及塞流量面对轮廓。这个因子由如图9所示的查找表格或以如由实验室测试确定的杆位置相对于流动冲击的变量表达式为基础的多项式计算。计算阀门塞落座力模块208通过利用塞到阀座表面接触周边的线性长度、引用与当塞接触阀座时有关的阀门塞位置23的查找表格、以及阀座和塞密封表面材料的硬度，计算当塞压缩阀座时发生的动态变化力。
计算当前流率模块209将与阀门压缩阀门座相关的动态力从自计算阀门塞落座力模块208接收的总动态力移除。合成剩余力与横跨阀门的压差具有高度关联。继而，压差与阀门Cv流量系数且因此流经阀门的流率具有直接关系且由它们计算。阀门的Cv流量系数可以借助于查找表格或以如由实验室测试确定的、杆位置相对于以60℉(15.6℃)的流体温度在1磅压降的情况下每分钟流过阀门的流体流量的变量表达式为基础的多项式而从阀门杆位置推导。
方法A 201用于基于线性杆移动不平衡阀座的实体悬挂塞式球心阀。虽然诸如平衡塞和闸门阀的线性杆移动阀门的其它设计可具有不同流动孔几何结构和力相对于流量的不同数学关系，但是本领域技术人员将认识到相同概念可以与替代性公式一起使用，以借助于在阀门致动器组件内可获得的力和杆位置信号、以及阀体的已知尺寸和流量几何结构来计算流经阀门的流率。
在图16中示出的由转矩模块计算流率的方法B 221使用阀门的盘和杆直径、流动孔部件几何结构、杆轴承摩擦因子、静摩擦转矩、动态转矩、和杆位置来计算阀门流率。转矩杆摩擦传感器223在阀门杆行程期间是一致的。计算落座和离座转矩的模块222在杆行程期间是可变的且在盘落座和离座且垂直于管路定位时起作用。阀门塞位置传感器23将其输出从线性位置百分比转换成用于旋转移动式阀门的角度旋转百分比。
计算落座和离座转矩的模块222引用感测杆旋转盘角度位置的阀门塞位置传感器23。落座和离座转矩由查找表格或以旋转杆位置相对于当盘接 触阀座时的变量表达式为基础的多项式计算。转矩杆摩擦传感器223和计算落座和离座转矩的模块222包括专门针对每个阀体224的静态转矩。这些转矩通过计算动态转矩模块225与来自致动器受力(转矩)和行程状态传感器17的动态转矩分开。致动器受力(转矩)和行程状态传感器17将其输出从力转换成用于旋转式阀门的转矩。
计算Dgf盘几何因子模块226提供基于阀门塞(盘)位置23的流量校正因子，以调整在盘的上游侧上的力的阀门不平衡分布。这个因子由如图9所示的查找表格或以杆位置相对于流量力的变量表达式为基础的多项式计算。阀盘直径227由计算当前流率模块230使用，以计算阀盘的表面面积，所述表面面积与流体流量对立以生成横跨盘的压降且因此增加杆摩擦转矩。
阀门杆直径229、轴承摩擦因子228、以及阀盘直径227将输入提供给计算当前流率模块230，以确定需要什么样的动态转矩来克服可变杆摩擦力且以给定入口到出口压差定位盘。计算当前流率模块230计算的动态转矩与横跨阀门的压差具有高度关联。继而，压差与阀门Cv流量系数且因此流经阀门的流率具有直接关系且由它们计算。阀门的Cv流量系数可以借助于查找表格或以如由实验室测试确定的、杆位置相对于以60℉(15.6℃)的流体温度在1磅压降的情况下每分钟流过阀门的流体流量的变量表达式为基础的多项式而从阀门杆位置推导。
方法B 221用于具有非偏心盘的旋转杆移动蝶形阀。虽然诸如偏心盘蝶形和球形阀门闭合件球阀的旋转杆移动阀门的其它设计可具有不同流动孔几何结构和力相对于流量的不同数学关系，但是本领域技术人员将认识到相同概念可以与替代性公式一起使用，以借助于在阀门致动器组件内可获得的力和杆位置信号、以及阀体的已知尺寸和流量几何结构来计算流经阀门的流率。
虽然已经就一些优选实施例描述本发明的各方面，但是本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明的范围和精神的情况下可以在总体结构下做出改变。例如，致动器受力和行程状态传感器17可以适于测量力或转矩、可以替代性地定位在致动器齿轮系内以更准确地感测力或转矩、或可以由多个传感器构成以隔离力或转矩从而获得与动态流体压力且因此流体流量的更好关联。
从在图16中示出的压差计算流率的方法C1 241使用入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21之间的差、指示阀门Cv流量系数的流动孔部件几何结构、以及杆位置来计算阀门流率。随着流体流过具有限制流量的阀门闭合件的阀门座，能量在紊流中损失，这因此引起流体压力损失。因此，在类似入口和出口端口管路直径和管路***长度的情况下，减小的流体流量流动将生成比下游或出口压力更大的上游或入口压力。计算ΔP模块243从入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21计算压差。在其它实施例中，入口阀门压力和出口阀门压力传感器20、21被感测且提供上游和下游压力之间的差的单一压差传感器替代。
阀门流量系数因子Cv是在阀门闭合件处于具体固定位置的同时对于一组给定压力、温度、和流体密度条件让流体流量经过的能力的定量级别。计算当前Cv模块242在水作为介质的情况下借助于查找表格或以如由实验室测试确定的、杆位置相对于以60℉(15.6℃)的流体温度在1磅压降的情况下每分钟流过阀门的流体流量的变量表达式为基础的多项式从阀门塞位置23计算阀门闭合件的当前Cv。
当阀门流体是具有1的比重的水时，计算当前流率模块244利用从计算当前Cv模块242接收的阀门当前Cv和从计算ΔP模块243接收的压差。在其它实施例中，计算ΔP模块243被提供上游和下游压力之间的差的单一压差传感器替代。方法C1 241用于以水作为介质的线性杆移动或旋转杆移动阀门。
在图16中示出的从压差和温度计算流率的方法C2 250使用由入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21感测的值之间的差(参见图6)、指示阀门Cv流量系数的流动孔部件几何结构、比重校正因子、和杆位置来计算阀门流率。随着流体流过具有限制流量的阀门闭合件的阀门座，能量在紊流中损失，这因此引起流体压力损失。因此，在类似入口和出口端口管路直径和管路***长度的情况下，减小的流体流量流动将生成比下游或出口压力更大的上游或入口压力。计算ΔP模块243从入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21计算压差。在其它实施例中，入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21被感测且提供上游和下游压力之间的差的单一压差传感器替代。
阀门流量系数因子Cv是其在阀门闭合件处于具体固定位置的同时对 于一组给定压力、温度、和流体密度条件让流体流量经过的能力的定量级别。计算当前Cv模块242在水作为介质的情况下借助于查找表格或以如由实验室测试确定的、杆位置相对于以60℉(15.6℃)的流体温度和1的比重在1磅压降的情况下每分钟流过阀门的流体流量的变量表达式为基础的多项式从阀门塞位置传感器23计算阀门闭合件的当前Cv。
比重是液体重量相比于在39℉(4℃)下的等体积纯水的无单位表达式。具有大于1的比重的较重液体将在水中下沉且具有小于1的比重的较轻液体将在水中漂浮。乙二醇和丙二醇水混合物具有大于1的比重且因此具有大于水的密度。不同二醇类型具有不同比重。乙二醇比丙二醇具有更高的比重，且与水混合的较高浓度的二醇生成较高比重。压力对流体比重具有可以忽略的效应，以使得温度成为基于比重需要考虑的唯一变量。
二醇的比重随着温度变化，较低的温度提供较高的比重值。在相同液体温度下，具有高于1的比重值的流体提供比水更高的流量。计算比重校正因子模块247借助于一系列查找表格或以二醇类型及浓度和流体温度的变量表达式为基础的多项式引用阀门流体温度传感器22和流体比重246。较大浓度的二醇在流体沸点和凝固点之间的所有流体温度下具有较高比重。
计算当前流率模块248对于从计算当前Cv模块242接收的具有1的比重的流体利用阀门当前Cv。这个计算的具有1的比重的当前Cv与从计算ΔP模块243接收的压差一起使用，以计算具有1的比重的当前流体流率。在其它实施例中，计算ΔP模块243被提供上游和下游压力之间的差的单一压差传感器替代。
计算比重校正因子模块247借助于查找表格或以二醇浓度和流体温度的变量表达式为基础的多项式引用阀门流体温度传感器22和流体重力246。计算当前流率模块248借助于从计算比重校正模块247接收的比重校正因子将计算当前流率模块计算的具有1的比重的流体流率转换成管路***利用的具有另一比重的流体流率。方法C2 250用于线性杆移动或旋转杆移动阀门，以控制具有除介质比重之外的其它比重的可混合流体组合物。
对于实际阀门产品应用，设想的是依据受控阀门的类型、应用所需流量的准确性、以及对于工程的经济成本要求而在给定时间仅利用一种方法。
由加热冷却模式信号3来判断打开和闭合阀门的适当的方向。打开和 闭合阀门18的适当方向将根据阀门水源正在提供热水还是冷水来改变，提供热水要求阀门18打开以使房间升温，提供冷水要求闭合阀门18以使房间升温。加热冷却模式信号3具有本地非易失性模式选择，如果阀门总是利用热水或冷水进行操作，则模式选择可以是固定的以限定打开或闭合阀门18的方向，或如果水温从热变冷，则可以由BMS从远程位置通过串行通信总线来重写模式选择。
区域气温控制器8对从本地硬布线的控制输入信号设备6接收的室温传感器的值与设定点的值之间的差进行数学计算，并且然后使用其可调整的比例带设定来为线性阀门杆移动致动器14提供经验位置。线性阀门杆移动致动器14的经验位置使用阀门塞位置传感器23的值和室温传感器的值来验证阀门塞的位置被适当设置以保持从室温传感器和设定点模块1接收的设定值。阀门塞位置传感器23的反馈值用于验证阀门塞位置处于其命令位置，而不管内部阀门压力如何，该内部阀门压力在泵特性曲线随着管道***中的影响管道***的压力的其它阀门的位置而动态移动时发生改变。
室温传感器的反馈值用于验证所计算出的线性塞移动阀门18的位置将提供正确的热传递量，以使从室温传感器和设定点模块1接收的室温传感器与房间设定点的值相同或非常接近。由于房间热损失和增益不会总是与HVAC水盘管热传递经由线性塞移动阀门18提供的热量相同，因而在室温传感器的值与房间设定点设备的值之间不时会产生变化的温度下降或偏移差。可以通过可调整区域气温控制器8的积分设定来使室温传感器与房间设定点设备之间的温度下降大大减小，该积分设定提供了添加到线性阀门杆移动致动器14的命令位置上的负调整值或正调整值。这将进一步驱动线性塞移动阀门18来提供更多或更少的热量，以消除室温传感器的值与房间设定点的值之间的差。区域气温控制器8中还可获得可选的导数设定，以例如在所述***上存在大的负载变化时预期室温的快速变化，从而改善HVAC***响应。
在具体实施例中，压力有关模式水阀门位置控制器11使用区域气温控制器8作为其初级输入，并且然后将其流体压力和流量计算模块25的输入以及其水盘管最小流量控制模块10的输入进行比较，以判断水和流量状况是否使区域气温控制器8的所计算的输出必需被重写为较高的流量水平，以避免HVAC水盘管64(图1所示)和相关联的管道***发生冻结状况。 流体温度传感器22感测的实际阀门水温用于冻结判断，以避免可能由于附近气温与水温相同的假设而导致的问题。例如，诸如此类的误差可能使***由于在不需要时迫使经过阀门18的水流达到满流量状态而浪费能量。其还可能导致***由于冻结状态计的不当安装或由于空气分层而无法感测水冻结状况。
阀门水温传感器22可以由电阻式温度器件(RTD)构成，该RTD与导热脂一起位于线性塞移动阀门18的外壁中以提供良好的热传递。通过将RTD与已知参考电阻器串联并向两电阻施加电流来测量RTD的电阻。然后测量电阻两端的电压，并且然后将该电压数字化以表示水温。
在阀门流体温度传感器22检测到可能的冻结状况时，水盘管最小流量控制模块10和压力有关模式水阀门位置控制器11将重写区域气温控制器8，以提供为避免由远程最小流量信号5确立的冻结状况所需的最小流量。在***操作的示例中，最小流量持续到水温在5分钟或更长的时间内上升到高于冻结温度设定点至少10℉(5。6℃)，并且温差、时间段和冻结温度设定点设定可以通过冻结检测控制模块27来进行现场调整。在另一个示例中，防冻结保护为自动复位类型，并且将在满足温差和时间段要求之后恢复到区域气温控制8。
本发明的实施例克服了传统硬布线自动复位冻结状态计的不对建筑物人员发出室外空气通风控制器、室外空气通风致动器或室外空气通风风门可能存在问题的警报的限制，并且还避免了常规硬布线手动复位冻结状态计的在手动接入并复位手动复位冻结状态计之前都禁用正常控制的限制。
抗气蚀控制模块26使用入口阀门压力传感器20、出口阀门压力传感器21、阀门流体温度传感器22和阀门特定的气蚀系数来判断是否存在气蚀状况或者预测是否会发生气蚀。由于水温影响气蚀区域，而气蚀区域也取决于阀门的最大容许压差，因而抗气蚀控制模块26使用水温来计算流体蒸汽压力，该流体蒸汽压力与入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21一起使用来预测初始气蚀点。
阀门特定的气蚀系数对于每个阀门是唯一的，并且基于外部入口压力与外部出口压力之差和内部入口压力与阀门压力中的最小压力之差的比值。通常，阀门特定的气蚀系数通过噪声测试来进行实验室确认，因为阀门中的气蚀通常是从阀门塞的经历汽泡以及相应产生的噪声的仅小部分开 始的逐渐变化的过程。二醇含量用于进行蒸汽压力调整，因为蒸汽压力随着水和二醇混合物以及水温而变化。在由抗气蚀控制模块26计算可能的气蚀状况时，压力有关模式水阀门位置控制器11对区域气温控制器8进行重写，以减小阀门18的压差下降，直到其脱离气蚀区域为止。
通过下述计算来判断阀门两端的为避免气蚀而不应超过的最大容许压力下降：
ΔP＝VSCC*(P1-Pv)
P＝初始气蚀的压力下降
VSCC＝阀门特定的气蚀系数
P1＝阀门入口压力(psia)
Pv＝在流动水温下的水混合物的蒸汽压力(psia)
Psia＝psig+14.7
通过参考水混合二醇的含量和水混合的温度的抗气蚀控制模块26查找表来计算Pv。
在某些实施例中，阀门塞位置传感器23用于对实际流量与命令位置的匹配进行远程指示和验证。硬布线位置输出信号28和远程通信控制输出信号29接收来自阀门塞位置传感器23以及流体压力和流量计算模块25的信号，并提供作为总流量的百分比的实际阀门流量。硬布线位置输出信号28提供直流输出电压信号，并且位置输出信号30向BMS提供其从远程通信控制输出信号29接收的串行数据通信数值输出信号。
在本发明的实施例中，硬布线位置输出信号28和位置输出信号30克服了常规控制阀门中存在的由阀门致动器位置估算水流量位置的固有问题。该常规方法引入了误差，因为致动器位置仅指示阀门塞位置，而不指示流量百分比，因为阀门18的水流量并不总是与其位置呈线性关系，并且因为在常规阀门致动器与阀门之间存在由于后坐、移动滞后或故障而可以引入误差的机械联动装置。
对于压力有关和压力无关操作二者，远程通信控制输出信号29接收相关的阀门18和HVAC盘管***63(图1中所示)的数据值，可以经由串行数据通信总线将该数据值传送到BMS。在一些实施例中，该数据可以包括由流体压力和流量计算模块25计算的水流量信息、由阀门流体温度传感器22提供的水温值、由能耗计算和保留模块24计算的能量信息、从致动 器受力和行程状态模块17接收的诊断信息、来自抗气蚀控制模块26的诊断报告、以及来自冻结检测控制模块27的冻结控制历史。
在其它实施例中，能耗计算和保留模块24使用辅助流体温度传感器2、阀门流体温度传感器22以及来自流体压力和流量计算模块25的流量信息来计算以英国热力单位(BTU)或国际单位制的千焦表示的热能、以及用于能耗跟踪的总体值。可以由BMS清除累积的能量信息，以使其可以远程存储用于永久保留的信息。远程通信控制输出信号29向串行通信总线提供位置输出信号30、流量信息31、温度信息32和能量信息33，用于进行远程能量报告和保留。
在具体实施例中，诊断信息模块34提供从致动器受力和行程状态模块17接收的诊断信息，其包括关于阀门行程长度是否由于阀门18中的碎片或者由于机械联动装置或阀门部件故障而发生改变的判断。这通过致动器的当前操作行程范围和操作力与以可保留的方式存储在致动器中的初始行程范围和操作力之间的比较来检测。在实施例中，诊断信息模块34还提供从抗气蚀控制模块26接收的诊断信息，其指示气蚀状况的存在和持续时间。冻结信息模块35提供与例如在过去七天中冻结发生的次数和总冻结模式持续时间有关的信息。
在通过PI-PD模式跳线16将阀门和致动器组件36设置为用于压力无关阀门操作时，PI-PD模式选择设备15从压力无关模式水阀门位置控制器13接收其信号。在具体实施例中，压力无关模式水阀门位置控制器13使用来自流量复位程序12、水盘管最大流量控制器9、水盘管最小流量控制器10的输入，并且使用由流体压力和流量计算模块25和抗气蚀控制模块26计算的水流量信息。
流量复位程序12将来自区域气温控制器8、用于线性阀门杆移动致动器14的所计算的数值位置转换为计算的位置来提供水流量控制。就压力无关算法而言，初级控制是由室温设定点来确定的水流量控制。压力无关模式水阀门位置控制器13具有可调整的下比例带、上比例带、比例下/上变换点、以及上和下积分和导数设定，以获得准确且稳定的流量控制。两种不同比例设定可用于使处于较高流率的压力无关流量控制以及可调整变换点不敏感，该变换点判断上比例带、上积分设定和上导数设定是否有效、或者判断下比例带、下积分设定和下导数设定是否有效。
比例带用作控制环的增益。小比例带提供较高增益或灵敏度，并且大比例带提供较小灵敏度控制。下比例带设定在高达远程最大流量信号4的可调整变换点的流率下有效，并且上比例带设定在高于最大流量信号4的可调整变换点的流率下有效。与所有其它阀门和致动器组件36设定一样，下比例带、上比例带、比例带下/上变换点、以及上和下积分和导数设定被预设成为典型的HVAC水***提供稳定控制的值。积分设定在受控流量与流量复位程序12所计算的流量设定点不匹配时提供被添加到线性阀门杆移动致动器14的命令位置的负或正调整因数。在压力无关模式水阀门位置控制器13中还可获得可选的导数设定，以在存在大的负载变化时预期室温的快速变化，从而改善HVAC***响应。压力无关模式水阀门位置控制器13使用保留线性塞移动阀门18的水流量曲线的线性输出命令关系，除非已经可选地设置了替代的曲线调整。
压力无关模式水阀门位置控制器13具有用于进行比重调整的二醇含量设定，因为二醇-水混合物具有比纯水高的比重。由于比重随着混合物中的二醇浓度的升高而增大，因而在相同的线性塞移动阀门18位置，水流量将低于纯水。压力无关模式水阀门位置控制器13通过使用用于进行比重调整的二醇含量来补偿二醇-水混合物。
区段气温控制器8将流量设定点从最小流量水平复位至最大流量水平。水盘管最大流量控制器9定义最大流量，该最大流量被选择为与HVAC水盘管64(如图1所示)所设计的最大流率匹配。水盘管最小流量控制器10确立用于压力无关流量换算的最小流率，并且还确立用于防冻结保护的最小流率。水盘管最小流量控制器10使用与阀门和致动器组件36被配置为用于压力有关操作时相同的防冻结保护序列来进行操作。最小流率与建筑物冷却器和锅炉同步以在建筑物冷却器和锅炉的最高效温差处操作它们。
离心机冷却器被设计为在满负载并且以其所设计的入口到出口水温差下进行操作时具有最高能效。如果冷却器由于冷却水阀门水流量过高(提供低于理想状态的热传递)或者流量过低或没有流量(使得热传递很少或没有热传递)而具有过低的温差，那么冷却器将由于回水温度过低而无效率地进行操作。同样，无效率地进行操作的一个冷却器可能要求另一个冷却器按照需要的附加能量进行排序，因为这两个冷却器都是在无效率地操作。此外，该无效率的操作提高了维护成本。
机械加热装备在非满负载的情况下也不以其所设计的效率操作。就冷凝式锅炉而言，较高的返回温度可以避免不能满足废气的露点的冷凝过程。如果锅炉由于加热阀门流量过高(提供低于理想状态的热传递)或者流量过低或没有流量(使得热传递很少或没有热传递)而具有过低的温差，那么锅炉将由于回水温度过高而无效率地操作。
抗气蚀控制模块26使用入口阀门压力传感器20、出口阀门压力传感器21、阀门流体温度传感器22和阀门特定的气蚀系数来判断是否存在气蚀状况或者预测是否会发生气蚀。由于水温影响气蚀区域，而气蚀区域又取决于阀门的最大容许压差，因而抗气蚀控制模块26使用水温来计算流体蒸汽压力，流体蒸汽压力与来自入口阀门压力传感器20和出口阀门压力传感器21的数据一起使用来预测初始气蚀点。
阀门特定的气蚀系数对于每个阀门是唯一的，并且基于外部入口压力与外部出口压力之差和内部入口压力与阀门压力中的最小压力之差的比值。通常，阀门特定的气蚀系数通过噪声测试来进行实验室确认，因为阀门中的气蚀通常是从阀门塞100的经历汽泡以及相应产生的噪声的仅小部分开始的逐渐变化的过程。二醇含量用于进行蒸汽压力调整，因为蒸汽压力随着水二醇混合物以及水温而变化。在由抗气蚀控制模块26计算可能的气蚀状况时，压力无关模式水阀门位置控制器13对流量复位程序12进行重写，以减小阀门的压差下降，直到其脱离气蚀区域为止。
通过引用的方式将本文中所引用的包括出版物、专利申请和专利的所有参考文献并入本文中，对其的引用程度就像单独并且明确地指示将每个参考文献通过引用的方式并入并且在本文中阐述其全部内容一样。
在描述本发明的上下文(尤其是下述权利要求的上下文)中的术语“一”和“所述”以及类似的指示物的使用应当被解释为涵盖单数和复数，除非在本文中另外进行指示或者上下文明显地矛盾。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应当被解释为开放性术语(即，是指“包括但不限于”)，除非另外指出。对本文中的值的范围的列举仅仅是要用作单独地引用落在该范围内的每个单独的值的简略表达方法，除非在本文中另外指示，并且将每个单独的值并入说明书中，就像在本文中单独列举每个值一样。可以采用任何适当的顺序执行本文中描述的所有方法，除非本文中另外指示或者上下文明显矛盾。本文中提供的任何及所有示例或示例性语言(例如，“诸 如”)的使用仅仅是要更好地示出本发明，并且不对本发明的范围构成限制，除非另外要求。不应将说明书中的任何语言解释为指示任何未要求保护的要素作为本发明的实践的基础。
本文中描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。本领域技术人员在阅读了前述说明之后，这些优选实施例的变型将变得显而易见。发明人希望熟练技术人员可以酌情采用这种变型，并且发明人旨在采用本文中具体描述的方式以外的方式来实践本发明。因此，本发明包括所附权利要求中列举的主题内容的被适用法律所许可的所有修改和变型。此外，本发明包含上述要素的所有可能的变型形式的任何组合，除非上下文明显矛盾。

Claims (26)

1.一种阀门和致动器组件，包括：
阀门，其配置为控制进入盘管或换热器的液体的流量；和
阀门致动器，其配置为计算流过阀门的流体体积且经由阀门闭合件的定位控制阀门的打开和闭合，所述阀门闭合件具有第一位置和第二位置，所述第一位置与第二位置不同，且所述阀门致动器还配置为在所述第一位置提供最大流率以及在所述第二位置提供用于流经阀门的液体的防冻结保护的最小流率，所述第二位置位于全开和全闭之间，所述阀门致动器具有用于计算流经阀门的液体的流率的阀门闭合件位置传感器。
2.根据权利要求1所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器包括测量流经阀门的液体的流率的阀门流率计。
3.根据权利要求2所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门具有阀体，并且其中，整个阀门流率计位于阀体的内侧。
4.根据权利要求1所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器具有配置为通过网络促进与所述阀门致动器通信的通信模块，所述通信模块配置为允许流经所述阀门的流量的远程监测、以及所述阀门致动器的远程控制。
5.根据权利要求4所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门闭合件位置传感器联接到所述通信模块，以使来自所述阀门闭合件位置传感器的数据能够被远程访问。
6.根据权利要求1所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器包括区域气温控制器，所述区域气温控制器基于感测到的区域温度和理想区域温度确定用于所述阀门致动器的位置，其中，用于所述阀门致动器的位置基于来自所述阀门闭合件位置传感器的数据被验证。
7.根据权利要求6所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器具有多个可调整操作参数。
8.根据权利要求7所述的阀门和致动器组件，其中，所述多个可调整操作参数能够被本地或远程调整。
9.根据权利要求7所述的阀门和致动器组件，其中，所述多个可调整操作参数包括用于区域气温控制器的积分设定，其中，所述积分设定提供用于所述阀门致动器的正或负调整因子，以当流经阀门的实际流率不匹配流经阀门的理想流率时确定用于所述阀门致动器的校正位置。
10.根据权利要求7所述的阀门和致动器组件，其中，所述多个可调整操作参数包括用于区域气温控制器的导数设定，其中，所述导数设定提供用于所述阀门致动器的正或负调整因子，以在流经阀门的流率突变的情形下确定用于所述阀门致动器的校正位置。
11.根据权利要求1所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器还包括配置为确定流过阀门的液体是否可能气蚀的抗气蚀模块，其中，所述抗气蚀模块基于阀门中的水温、阀门入口压力、和阀门出口压力确定阀门中的气蚀发生的可能性，且其中，来自所述阀门闭合件位置传感器的数据被用于调整流经阀门的液体的流率以防止气蚀。
12.根据权利要求1所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器还包括诊断模块，所述诊断模块配置为将有关阀门和致动器组件的操作的诊断信息提供给远程位置。
13.根据权利要求12所述的阀门和致动器组件，其中，所述诊断模块提供与流经阀门的实际流率相对于流经阀门的理想流率相关的诊断信息。
14.根据权利要求13所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器配置为以能够保持的方式存储诊断信息。
15.根据权利要求1所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器还包括流体温度传感器、阀门入口压力传感器、和阀门出口压力传感器。
16.根据权利要求15所述的阀门和致动器组件，其中，来自流体温度传感器、阀门入口压力传感器、和阀门出口压力传感器的数据能够本地或远程访问。
17.根据权利要求1所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器包括：
由联动组件联接到节流闭合件的马达和齿轮系；和
电路板，其具有用于调节马达和齿轮系的操作的控制电路、以及用于使所述致动器能够经由串行通信总线与建筑物管理***通信的通信电路。
18.根据权利要求1所述的阀门和致动器组件，其中，所述阀门致动器配置为将阀门操作为压力无关阀门或压力有关阀门。
19.一种计算流经阀门的流体流率的方法，所述方法包括以下步骤：
将用于阀门闭合件的静态力值或静态转矩值存储在阀门致动器的存储器中；
利用存储的静态力值或静态转矩值来计算用于所述阀门闭合件上的动态力或转矩的值；
确定闭合件几何因子且将所述闭合件几何因子存储在所述阀门致动器的存储器中；
经由阀门闭合件位置传感器确定阀门闭合件位置；
利用动态力值或动态转矩值、闭合件几何因子、和阀门闭合件位置计算流体流率；
将所述阀门闭合件位置下的流体流率与计算的用于防冻结保护的最小流率相比较；并且
当所述阀门闭合件位置下的流体流率低于计算的用于防冻结保护的最小流率时通过将阀门闭合件定位到第二位置来调整阀门操作，所述第二位置不同于所述阀门闭合件位置并且位于全开和全闭之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述阀门闭合件在打开位置和闭合位置之间线性移动。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
计算闭合件落座力值；
将所述闭合件落座力值存储在所述阀门致动器的存储器中；并且
利用所述闭合件落座力值和所述静态力值来计算动态力值。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，确定闭合件几何因子包括借助于查找存储在所述阀门致动器的存储器中的表格、或借助于以阀门杆位置的变量表达式为基础的多项式确定闭合件几何因子。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述阀门闭合件在打开位置和闭合位置之间旋转地移动。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：
将用于所述阀门闭合件的一个或多个尺寸存储在所述阀门致动器的存储器中；
将轴承摩擦因子存储在所述阀门致动器的存储器中；
利用存储的所述一个或多个尺寸、存储的所述轴承摩擦因子、和所述静态转矩值计算动态转矩值。
25.一种计算流经阀门的流体流率的方法，所述方法包括以下步骤：
确定阀门入口和阀门出口之间的压差；
基于阀门闭合件位置计算流量系数因子；
利用所述流量系数因子和所述压差计算流体流率；
将所述阀门闭合件位置下的流体流率与计算的用于防冻结保护的最小流率相比较；并且
当流体流率低于计算的用于防冻结保护的最小流率时通过将阀门闭合件定位到第二位置来调整阀门操作，所述第二位置不同于所述阀门闭合件位置并且位于全开和全闭之间。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：
测量流过阀门的流体的温度；
利用所述温度确定流体的比重；
利用所述比重计算流体流率。
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