本申请与2003年1月10日提交且题为"actuatorforwell-headvalveorothersimilarapplicationsandsystemincorporatingsame（用于井口阀或其它相似应用的促动器和包含该促动器的系统）"的在2005年10月11日公告为美国专利号6953084的美国专利申请号10/340017具有相同的发明人，该专利的公开内容通过引用以其整体并入本文中。本申请还涉及且请求享有2015年11月18日提交的美国临时申请号62/257018和2016年11月18日提交的美国专利申请号15/355636的优先权，其通过引用以其整体并入本文中。
本申请涉及具有无线控制子系统的集成过程控制阀，无线控制子系统能够控制穿过阀的流体的流动，且能够监测流体的各种参数。
背景技术：
在商业天然气生产行业中，气体收集管网络通常将局部地理区域的几十到几百个天然气地面井连接在一起并一起形成分支。独立井将天然气经由气体收集管网络给送到公共输出位置。所述井可由若干不同的土地所有者和/或矿产权所有者拥有，他们可将其天然气产品出售给天然气商业供应商。商业供应商通常将根据其需求从土地或权利所有者购买天然气。这提供了调节和监测来自每个井的天然气生产的需要。即使天然气的商业购买者拥有土地或矿产权，其仍想要监测和/或调节每口井的生产来控制其供应。通常，期望的天然气输出小于若干井的最大生产能力的组合。此需要可由于周期性季节趋势及其它经济原因而变化。
为了调节每个独立的井的生产输出，用于每个独立井的分支收集管通常具有布置成流体串行的流动调节阀和气流传感器。气流传感器指出流过收集管的天然气的量。调节控制阀提供可变开度，其形成收集管中的限制孔口，且由此设定收集管中的天然气流率。
技术实现要素：
本文献大体描述具有无线控制子系统的集成过程控制阀，无线控制子系统能够控制流体穿过阀的流动，且能够监测流体的各种参数。
在第一方面，过程控制阀包括流体阀体，其具有用于接收流体的入口、用于排出流体的出口、连接入口和出口的流体流动通路，以及可控制的节流元件，节流元件可移动来有选择地改变通路的至少部分的流的截面积，联接到阀体上且响应于控制信号来用于有选择地移动节流元件的阀促动器、用于产生代表流体流动通路内的绝对压力、计示压力、压差、流量和温度中的至少一个的至少一个信号的传感器，用于接收配置信息和传输状态信息的通信系统，以及控制器，其包括处理器，处理器用于接收所述信号和配置信息，用于形成取决于配置信息和接收到的信号的输出，且用于形成状态信息。
在根据方面1的第二方面中，所述传感器包括布置在阀体的入口处来用于产生代表入口处的流体压力的第一信号的第一压力传感器、布置在阀体的出口处来用于产生代表出口处的流体压力的第二信号的第二压力传感器、用于接收所述第一信号和第二信号且用于形成取决于接收的信号的输出的接收器，且所述控制器配置成从第一信号和第二信号确定跨过阀体的流体压降，储存预定的流体压降值，将确定的流体压降与储存的流体压降值相比较，以及用于产生其大小代表比较值之间的差异的差异信号，以及确定控制信号来施加到促动器以引起其移动节流元件，由此改变跨过阀体的流体压降，以更紧密地匹配储存的流体压降值，且减小差异信号的大小。
在根据方面2的第三方面中，所述控制器包括处理器，其用于储存预定温度值、将代表流体的温度t1的信号与储存的温度值相比较且用于产生其大小代表比较值之间的差异的差异信号、产生控制信号来施加至促动器以引起其移动节流元件，由此改变通路中流动的流体的温度，以紧密匹配储存的温度值，且减小差异信号的大小。
在根据方面1到方面3中任一项的第四方面中，过程控制阀还包括用于产生代表流体流通路中的流体温度的温度信号的温度传感器，以及用于产生代表阀体的流动能力的流动信号的节流元件位置传感器，以及其中所述控制器配置成从信号、温度信号和流动信号确定通路中的流体的流率。
在根据方面1到方面4中任一项的第五方面中，所述处理器适于储存预定流率值、将预定流率与储存的流率值相比较且用于产生其大小代表比较值之间的差异的差异信号，以及产生控制信号来施加到促动器，以引起其移动节流元件，由此改变流率来更紧密匹配储存的流率值，且减小差异信号的大小。
在根据方面1到方面5中任一项的第六方面中，过程控制阀还包括用于对所述阀促动器、所述传感器、所述通信系统和所述控制器中的一个或多个供能的功率系统，其中从所述功率系统获取的瞬时功率不超过3瓦。
在根据方面1至方面6中任一项的第七方面中，过程控制阀还包括配置成在需要classi,division1等级的设备的危险地点保护所述阀促动器、所述传感器、所述通信系统和所述控制器的封壳。
在根据方面1至方面7中任一项的第八方面中，所述处理器配置成用于接收可操作成执行控制功能的程序指令，控制功能包括压力调节、流动控制、水平控制和柱塞提升控制中的一个或多个。
在根据方面1至方面8中任一项的第九方面中，所述状态信息包括预测的故障时间、部分的身份、预防性或补救性服务的身份，以及确认减少的功能性直到可提供保养或维护的时间的计划中的一个或多个。
在根据方面1至方面9中任一项的第十方面中，配置信息包括流动设置点、温度设置点、压力设置点、减少的功能性的确认、计划的维护时间和请求附加数据中的一个或多个。
在根据方面1至方面10中任一项的第十一方面中，所述通信系统包括无线收发器来用于无线地接收配置信息和传输状态信息。
在根据方面1至方面11中任一项的第十二方面中，所述通信系统包括用于依靠有线连接来接收配置信息和传输状态信息的有线收发器。
在第十三方面中，用于控制过程流体的方法，包括提供过程控制阀，其包括流体阀体，阀体具有用于接收流体的入口、用于排出流体的出口、连接入口和出口的流体流动通路，以及可控制的节流元件，其可移动来有选择地改变通路的至少部分的流的截面积，联接到阀体上且响应于控制信号来用于有选择地移动节流元件的阀促动器、控制器，其与过程控制阀集成且包括处理器，处理器用于接收所述信号和配置信息，用于形成取决于配置信息和接收的信号的输出，且用于形成状态信息，由与过程控制阀集成的通信系统接收一系列配置信息，由与过程控制阀集成的传感器感测流体流动通路内的绝对压力、计示压力、压差、流量和温度中的至少一个作为传感器信号，由与集成于过程控制阀的控制器相关联的处理器且基于所述信号和配置信息确定基于配置信息的输出、由阀促动器且基于输出促动可控制的节流元件的移动来有选择地改变通路的至少部分的流的截面积、由所述处理器且基于所述传感器信号和所述配置信息确定一系列状态信息，以及由通信系统传输状态信息。
在根据方面13的第十四方面中，所述传感器信号包括基于布置在阀体的入口处的第一压力传感器且代表入口处的流体压力的第一压力信号、基于布置在阀体的出口处的第二压力传感器且代表出口处的流体压力的第二压力信号，其中该方法还包括接收所述第一压力信号和所述压力信号，且用于形成取决于接收信号的输出，由控制器基于第一压力信号和第二压力信号确定跨过阀体的流体压降，由控制器储存预定流体压降值，由控制器将确定的流体压降与储存的流体压降值相比较，由控制器确定其大小代表比较值之间的差异的差异信号，以及由阀促动器移动节流元件来改变跨过阀体的流体压降，以更紧密匹配储存的流体压降值。
在根据方面14的第十五方面中，该方法还包括由控制器储存预定温度值、由控制器将代表流体温度的温度信号与储存的温度值相比较、由控制器确定其大小代表比较值之间的差异的差异信号、由阀促动器移动节流元件来改变通路中流动的流体温度，以更紧密匹配储存的温度值。
在根据方面13至方面15中任一项的第十六方面中，该方法还包括由控制器且基于确定代表流体流动通路中的流体的温度的温度信号、由控制器且基于节流元件位置传感器确定代表阀体的流动能力的流动信号，以及由控制器基于传感器信号、温度信号和流动信号确定通路中的流体的流率。
在根据方面13至16中任一项的第十七方面中，方法还包括由控制器储存预定流率值、由控制器将确定的流率与储存流率值相比较、由控制器确定其大小代表比较值之间的差异的差异信号，以及由控制器提供控制信号来施加至促动器，以引起促动器移动节流元件来改变流率，以更紧密匹配储存的流率值。
在根据方面13至方面17中任一项的第十八方面中，方法还包括由控制器接收可操作成执行包括压力调节、流动控制、水平控制和柱塞提升控制的控制功能的程序指令。
在根据方面13至方面19中任一项的第十九方面中，所述状态信息包括预测的故障时间、部分的身份、预防性或补救性服务的身份，以及确认减少的功能性直到可提供保养或维护的时间的计划中的一个或多个。
在根据方面13至方面19中任一项的第二十方面中，配置信息包括流动设置点、温度设置点、压力设置点、减少的功能性的确认、计划的维护时间和请求附加数据中的一个或多个。
在根据方面13至方面20中任一项的第二十一方面中，所述通信系统包括无线收发器，由与过程控制阀集成的通信系统接收一系列配置信息包括由无线收发器无线地接收一系列配置信息，且由通信系统传输状态信息包括由无线收发器无线地传输状态信息。
在根据方面13至方面22中任一项的第二十二方面中，所述通信系统包括有线收发器，由与过程控制阀集成的通信系统接收一系列配置信息包括由有线收发器依靠有线连接接收一系列配置信息，以及由通信系统传输状态信息包括由有线收发器依靠有线连接传输状态信息。
在第二十三方面中，电促动的阀包括适于旋转输出轴的电马达、包括多个齿轮的减速齿轮系，多个齿轮包括由输出轴驱动的输入齿轮和旋转输出，多个齿轮适于在电马达旋转输出轴时放大从输入齿轮到旋转输出的力，阀适于控制穿过其间的流体流，阀包括阀壳体和阀部件，阀壳体限定流动通路，阀部件可在阀体中在开启位置与闭合位置之间移动，以控制流动通路的开度，弹簧布置成将阀推至开启位置与闭合位置中的一个，制动器在打开位置时提供足够的阻力来克服弹簧作用保持阀的当前位置，以及其中电马达具有足够的旋转输出力克服制动器在处于打开位置时的阻力来移动阀，用于产生代表流体流动通路内的绝对压力、计示压力、压差、流量和温度中的至少一个的至少一个信号的传感器，用于接收配置信息和传输状态信息的通信系统，以及包括处理器的控制器，处理器配置成接收所述信号和配置信息，确定取决于配置信息和接收的信号的输出，以及确定状态信息。
在根据方面23的第二十四方面中，所述传感器包括布置在阀体的入口处来用于产生代表入口处的流体压力的第一信号的第一压力传感器、布置在阀体的出口处来用于产生代表出口处的流体压力的第二信号的第二压力传感器、用于接收所述第一信号和第二信号且用于形成取决于接收的信号的输出的接收器，且所述控制器配置成从第一信号和第二信号确定跨过阀体的流体压降，储存预定流体压降值，将确定的流体压降与储存的流体压降值相比较，以及用于产生其大小代表比较值之间的差异的差异信号，以及产生控制信号来施加到促动器以引起其移动节流元件，由此改变跨过阀体的流体压降，以更紧密地匹配储存的流体压降值，且减小差异信号的大小。
在根据方面24的第二十五方面中，所述控制器进一步配置成储存预定温度值、将代表流体的温度的信号与储存的温度值相比较且用于产生其大小代表比较值之间的差异的差异信号、产生控制信号来施加至促动器以引起其移动节流元件，由此改变通路中流动的流体的温度，以紧密匹配储存的温度值，且减小差异信号的大小。
在根据方面23到方面25中任一项的第二十六方面中，电促动的阀还包括用于产生代表流体流通路中的流体温度的温度信号的温度传感器，以及用于产生代表阀体的流动能力的流动信号的节流元件位置传感器，以及其中所述控制器配置成从信号、温度信号和流动信号确定通路中的流体的流率。
在根据方面23到方面26中任一项的第二十七方面中，所述处理器配置成储存预定流率值、将预定流率与储存的流率值相比较且用于产生其大小代表比较值之间的差异的差异信号，以及产生控制信号来施加到促动器，以引起其移动节流元件，由此改变流率来更紧密匹配储存的流率值，且减小差异信号的大小。
在根据方面23到方面27中任一项的第二十八方面中，电促动的阀还包括用于对所述阀促动器、所述传感器、所述通信系统和所述控制器中的一个或多个供能的功率系统，其中从所述功率系统获取的瞬时功率不超过3瓦。
在根据方面23至方面28中任一项的第二十九方面中，电促动的阀包括配置成在需要classi,division1等级的设备的危险地点保护所述阀促动器、所述传感器、所述通信系统和所述控制器的封壳。
在根据方面23至方面29中任一项的第三十方面中，所述处理器配置成接收可操作成执行控制功能的程序指令，控制功能包括压力调节、流动控制、水平控制和柱塞提升控制中的一个或多个。
在根据方面23至方面30中任一项的第三十一方面中，所述状态信息包括预测的故障时间、部分的身份、预防性或补救性服务的身份，以及确认减少的功能性直到可提供保养或维护的时间的计划中的一个或多个。
在根据方面23至方面31中任一项的第三十二方面中，所述通信系统包括无线收发器来用于无线地接收配置信息和传输状态信息。
在根据方面23至方面32中任一项的第三十三方面中，所述通信系统包括用于依靠有线连接来接收配置信息和传输状态信息的有线收发器。
本文所述的系统和技术可提供一个或多个以下优点。首先，系统可提供本地过程控制，其提供了根据动态的当前经济情形并从远程中心地点管理油气生产的能力。第二，系统可用于使不是全自动的上游油气过程自动化。第三，系统可使用气动促动器、单独的传感器和单独的控制单元提供优于阀控制的改善的功能性。第四，系统可减少安装和调试的时间。第五，系统可减少每次在位置需求变化时与通过气动促动器的放气相关联的排放和废物源。
附图和以下描述中提出了一个或多个实施方式的细节。其它特征和优点将从描述和附图，以及从权利要求中清楚。
附图说明
图1为并入示例电促动的阀的示例井口系统的示意性平面图。
图2为示例电促动的（阀）的等距视图。
图3-4为示例电促动的阀的截面，其中截面视图从正面和侧面示出。
图5和6为示例电促动器的截面。
图7为示例电促动器的截面。
图8为示例电促动的阀的示例阀部分的放大截面。
图9图示了用于示例阀的示例密封布置。
图10为示例密封布置的分解组装视图。
图11为示例电促动器的内部构件的等距视图。
图12为示例电（促动器）的内部构件的侧视图。
图13-14为示例电促动器的内部构件的主视图和后视图。
图15为示例天然气井生产系统的框图。
图16为示例电促动的阀和示例集成阀控制模块的另一个框图。
图17a-17b为示例电促动的阀和集成阀控制模块的局部剖视图。
图18为利用集成控制模块操作示例电促动器阀的示例过程的流程图。
具体实施方式
本文献描述了用于流体阀促动器的远程控制的系统及技术。大体上，电促动器阀可包括控制、功率、通信和感测子系统，以使远程操作人员能够配置、监测和接收到/来自流体阀的状态信息，流体阀可位于远离操作人员、功率基础结构和/或通信基础结构。
图1图示了示例天然气井生产系统14，其为用于示例电促动器10的示例性应用和操作环境。井口阀12经由收集管18调节天然气生产井16的生产输出。井口阀12与气流传感器20成流体串行安装在收集管18中。井口阀12的开度和井16的天然气压力(其通常范围在大约10到900psi之间，或甚至对于大多数生产井更高)确定穿过收集管18的天然气流率。气流传感器20测量流过管18的天然气量。气流传感器20将代表感测的流率的电反馈提供至电子控制器22来用于在电促动器10和井口阀12上的闭环控制。
由于井16可位于远离市售电源，故示出系统14以包括本地电源，其通常包括小太阳能面板24和电池26。太阳能面板24生成小电源，且电池26储存电源。有利地，电促动器10可替换气动促动系统，而不需要任何附加的功率或发电，如果期望，仅使用现有的本地电源。因此，不必在发电上浪费附加的成本，且本发明可用作在现有的井口阀处替换气动促动系统的改造装置。在一些实施例中，可包括发电或储存能力的附加扩展。
在图1中，指出了两个单独的控制器22,82，但如果期望，这些可集成到单个控制组件中。在一些实施例中，两个单独的控制器22,82可用于提供给改造系统和新系统两者。
井口阀12可为可线性平移的阀、旋转阀或其它可动/可定位的阀。参看图2-4和8，所示井口阀12示为包括阀壳体28和可线性平移的阀部件20的线性类型。阀壳体28包括限定流动通路32的阀体41。流动通路32在阀体41的端部上的成对的安装凸缘32之间延伸，且延伸穿过它们。安装凸缘32适于将井口阀12安装在收集管18上。如图所示，阀部件20可包括单独的构件，其包括塞部件36，以及从塞部件38延伸的细长阀杆38。阀杆38延伸穿过阀壳体20，且由电促动器10在其上作用。阀杆38将选择性定位力从电促动器10传递至塞部件36。塞部件36沿流动通路32位于罩42中，以提供调节穿过阀的流动的限制孔口。塞部件36可在完全闭合和完全开启位置之间，以及在其间的中间位置，朝向和远离阀座40线性地平移。塞部件36在处于完全闭合位置时阻挡所有流动，且在处于完全开启位置时允许最大流动。
为了提供可动阀部件20的安装，阀壳体38可由多件构成，包括阀体41、沿径向约束和引导阀塞部件36的移动的计量罩42，以及沿径向约束和提供给密封布置46的阀盖44。密封布置46提供防止天然气从阀12泄漏的静态密封件和动态密封件。授予donarbuckle的美国专利号6161835中图示了用于防止阀中的天然气泄漏的一个适合的密封布置，该专利的全部公开内容通过引用并入。
参看图9-10，密封布置46包括延伸穿过且包绕阀杆38的加压环形活塞47。活塞47的一个面由容纳在阀流动通路32中的过程流体在其上作用，以加压容纳在密封剂腔48中的密封润滑剂流体。活塞47包括容纳密封填料的套筒部分49。活塞47的外周承载o形环密封件50，以用于防止过程流体与润滑剂之间的连通。如果有的话，o形环密封件50所位于的位置的预期活塞运动不多，且因此这可对于实际目的认作是静态密封件。另一个静态o形环密封件51位于阀体41与阀盖44之间，以用于防止从密封剂腔48的泄漏。因此，两个o形环密封件50,51串行布置，且提供冗余的后备来阻止过程流体经由密封剂腔泄漏。
容纳在活塞套筒部分49中的密封填料包括布置成流体串行的成对的动态的o形环密封件52、间隔元件53、成对的密封固位垫圈54、ptfe引导套管55、卡扣环56和固位垫圈57。卡扣环56卡扣到活塞套筒部分49中的凹槽中，以将密封填料沿轴向固位到位。ptfe引导套管55围绕阀杆38紧密配合，以提供阀部件30的低摩擦滑动。间隔元件53用密封固位垫圈54沿轴向间隔开o形环密封件52，提供密封件52的平衡和固位。端口58延伸穿过间隔元件53，使得加压圆柱环形的润滑剂包绕密封件52之间的阀杆38，使得润滑剂作用于每个动态密封件52上。
提供了盖59，其包围填料和活塞，以防止灰尘和其它外部污染物破坏密封布置46。可除去盖59来手动地检查润滑剂的水平，这指出密封件50,51,52工作得有多好。具体而言，活塞套筒部分的端部作用为密封剂水平指示器61。当套筒端部或密封剂水平指示器61与阀盖44的顶面齐平或共面时，适量的密封剂润滑剂容纳在密封剂腔48中。如果密封剂水平指示器61由于轴向活塞移动而升高到阀盖44的顶面上方，则此状态指出密封剂已经漏出。如果期望，可沿活塞套筒部分49的外表面提供分隔刻度，以提供润滑剂水平的数字指示。伴随密封布置46提供了若干优点，包括较容易制造和组装，防止污染物到达密封布置，以及指出密封润滑剂水平的一体机构。
井口阀12包括用于将可动阀部件30偏压到开启位置或闭合位置的弹簧60。如图3和8中所示，弹簧60示为钢螺旋弹簧，其布置成将阀部件30偏压到闭合位置。弹簧壳体62安装在电促动器10与阀体41之间来收纳和支承弹簧60。弹簧60由弹簧壳体62的一端支承，且支承在由促动器杆66支承的弹簧座板64上。促动器杆66的一端接合阀杆38，而另一端具有驱动齿条68。
参看图3和11-13，驱动齿条68提供套筒部件67，其滑到促动器杆66上，使得驱动齿条68可关于促动器杆66旋转。推力轴承70更好确保驱动齿条68的自由旋转，具体是因为其由波状弹簧71沿轴向保持到位。套筒部件67沿轴向约束在安装在促动器杆66和波状弹簧71上的成对的螺母69之间，波状弹簧71将套筒部件67和驱动齿条68偏压到促动器杆66上的固定位置。该布置允许了驱动齿条的自由旋转，使得来自弹簧60的力不会引起驱动齿条68扭转，由此防止过早磨损，但其也将驱动齿条保持在促动器杆上的固定轴向位置。波状弹簧61还在阀部件30接触座时略微压缩，由此减小齿轮上产生的冲击负载。用于将旋转能转变成线性运动的齿条和小齿轮机构的另一个备选是滚珠丝杠机构，且这个及其它转变机构可用作备选。
应注意，弹簧壳体62和弹簧60在图8中示为井口阀12的部分。在一些实施例中，弹簧壳体62和弹簧60可为电促动器的部分，且/或集成到电促动器或阀的构件中。在任一情况下，弹簧60可施加偏压力到电促动的阀上，其直接地或间接地有效作用于阀塞部件36和减速齿轮系76两者上。
示例性电促动器10还提供促动器杆66上的支承结构65，其提供用于反转弹簧60的促动力的特征。弹簧60可使弹簧壳体62的另一端与由备选的支承结构65支承的弹簧座板64接合，使得在弹簧座板64与弹簧壳体62之间压缩的弹簧朝开启位置偏压阀。因此，弹簧可反向，使得电促动的井口阀可配置成偏压井口阀开启或闭合。
参看图2-7，示例电促动器10包括促动器壳体72(例如，包括紧固在一起的若干铝壳，优选以防泄漏方式)，其大体上容纳和支承电马达74、减速齿轮系76、制动机构78、手动超控机构80和大体上示为马达控制器82的马达驱动器。促动器壳体72安装在弹簧壳体62上。电马达74为非激励型马达，其在电促动器在天然气或其它可燃流体周围使用时防止火花形成，且由此还减小了会存在气体泄漏的危险情形的潜在可能。其它潜在的适合的无火花类型的马达包括无刷直流马达和无火花交流马达。
在操作中，控制器82有选择地给电马达74通电。电马达74可由控制器82以保持模式操作来用于保持井口阀12的当前位置，以及以促动模式操作来用于驱动井口阀12。电马达在保持模式中消耗1到3瓦之间(以提供在制动器关闭的情况下保持当前阀位置的力)，且在促动模式中消耗4到12瓦之间。该很低的功率消耗使得电促动器10能够仅仅靠由太阳能面板24和电池26(本地功率源可原来旨在用于调节电动-气动井口阀)提供的现有电源而操作。
参看图11-14，电马达74包括马达壳体或定子84，其关于促动器壳体72以固定关系安装；以及包括输出轴86的转子。输出轴86关于定子84旋转。输出轴86一体地提供其上的小齿轮88(通过加工输出轴或安装单独的安装到其上的齿轮齿)，小齿轮88提供减速齿轮系76的输入。减速齿轮系76包括多个独立的减速齿轮90a-d，其分别包括安装在公共齿轮轴96a-96d上的较大的上游齿轮齿92a-92d，以及较小的下游齿轮齿94a-94d(即，"小"齿轮)。
齿轮轴96a-96d由促动器壳体72以平行关系可旋转地安装或支承以旋转。输出轴86上的小齿轮88与第一减速齿轮90的较大轮齿92a啮合，使得从马达输出轴86到第一齿轮轴96a放大了力。减速齿轮系中的其它齿轮以较小齿轮齿94a-94c相应地驱动较大的齿轮齿92b-92类似地布置。在马达旋转时，由马达74提供的电促动力从马达输出轴86到旋转输出跨过减速齿轮系76施加和放大，其然后由最后的较小的小齿轮齿94d施加。较小的齿轮齿94d与驱动齿条68啮合来驱动该驱动齿条68，且由此将旋转能转变成线性平移能。由促动器壳体72支承的弹簧偏压的凸轮元件73保持该受齿条啮合部分以啮合关系偏置于小齿轮齿94d。在一些实施例中，该布置可用作转矩限制装置，以在误差或超过转矩的情形中防止破坏。用于将旋转能转变成线性运动的齿条和小齿轮机构的另一个备选是滚珠丝杠机构，且其及其它转变机构可用作备选。
为了足以驱动井口阀系统14中的示例井口阀12，在一些实施例中，齿轮系可具有至少100:1的齿轮减速比，且在一些实施例中至少400:1。在这种较大的齿轮减速比的情况下，小马达力(例如，以现有马达技术用于驱动阀消耗4到12瓦)由减速齿轮系放大，以提供足够的促动力来克服弹簧力和/或流体力驱动和定位阀12，弹簧力和/或流体力鉴于井压力可在大约10到900pis的范围中变化的事实而可为很大的。在一些实施方式中，在井口阀12的回转时间在完全开启位置与完全闭合位置之间花费大约1到5分钟的情况下，促动速度可大幅减小。已经认识到，慢回转时间是可接受的，且并未明显影响井生产控制(例如，由于生产通常每天进行24小时，其中要求的井输出变化发生在相对不频繁的基础上)。在考虑到与减少且实际上消除(出于所有实际目的)使用通常设在井口阀部位处的本地功率源的所有易散逸气体排放相关联的显著优点时，这也可为真的。
多个位置感测装置用于公开的示例性实施例中。首先，马达控制器82一体地结合模拟位置传感器176，其从发送至电马达74的马达位置控制信号导出旋转输出的位置。模拟位置传感器为累加器或计数器的形式，其在将电马达74驱动到阀12的电导出位置时给计数加上数字和从计数减去数字。阀位置的变化与模拟位置传感器176的计数的变化成线性比例。公开的实施例还包括冗余位置传感器，其电接线且提供反馈到马达控制器82，马达控制器82以电位计178的形式示出。电位计178由凸轮定位，凸轮由最后的齿轮轴96的延伸位置上的偏心表面在其上作用。电位计178提供冗余反馈，其用于检查模拟位置传感器176的准确性，如果电马达74中存在失去电功率或滑移，则传感器176可具有误差。最后，公开的实施例还可包括限制开关184，其在代表也限定为完全开启位置和完全闭合位置的井口阀12的行程端部的设置点处安装在最后的齿轮轴96d附近。延伸的输出齿轮轴96d包括凸轮偏心，其在设置点处触发限制开关184。限制开关184电接线到客户界面以提供阀在设置点时的指示。这提供了独立反馈来检查操作的准确性。在一些实施方式中，限制开关信号可用于切断至马达74的功率，以确保控制器82不发信号至马达来驱动阀超过完全开启或闭合位置。限制开关184还是可调整的，且可关于输出轴96d手动地旋转，使得如果最终用户想要限定行程范围的不同端，则最终用户可手动地配置和限定他认为合适的行程范围的端部。
参看图1，示例性系统14还可包括由本地功率源供能的无线收发器186，本地功率源与控制器22,82中的一个或两个电连通。应注意，第一控制器22设在通常在电促动器10外的井口阀部位处，以提供系统水平控制。马达控制器82更多是马达驱动器，以促进对电促动器10的驱动和井口阀12的定位的控制。在任何情况下，无线收发器186可从远程定位的收发器188无线地接收远程控制输入和需求信号，使得控制器22,82中的一者或两者可远程地控制来无线地调整井口阀12的位置。收发器186还可传输反馈至远程位置，且由此通知维护人员井口部位处的操作参数(例如，流率、阀位置、功率水平、故障等)。在一些实施例中，示例性系统14可包括不同形式的有线或无线收发器，其配置成在有线或无线连接或介质上利用或不利用线(例如，射频、线、光纤、超声或其它振动通信、基于激光的或其它光学链路)传输和/或接收信号。
实施例的另一个备选方面可为睡眠模式并入电促动器10，在阀12正确定位时，在该模式中其几乎不消耗电功率且自动地降低其功率。根据该模式，制动机构78一般在开启位置，且因此用作动态制动器，其布置成提供阀12移动的阻力。由于制动机构78在开启时提供足够的力以在失去功率时防止齿轮系的反向驱动，故可操作制动机构78以保持井口阀12的当前位置。电马达74提供足够的力和转矩来引起制动器滑动，且由此压制制动器以在期望时移动井口阀12。睡眠模式还提供能效，且在这些远程位置的电功率不足时降低功率消耗。
图15为示例天然气井生产系统1514的框图。天然气井生产系统1514是示例电促动器1510的示例应用和操作环境。井口阀1512调节穿过收集管1518的天然气生产井(例如，图1中的天然气生产井16)的生产输出。井口阀1512安装在收集管1518中与传感器1520成流体串行。井口阀1512的开度和井的天然气压力(其通常范围在10到900psi之间，或对于一些生产井更高)确定穿过收集管1518的天然气流率。传感器1520测量流过管1518的天然气的一个或多个性质(例如，流动、压差、计示压力、温度)。传感器1520将代表感测的性质/多个性质的电反馈提供至电子控制器1522来用于在电促动器1510和井口阀1512上的闭环控制。图16为示例电子控制器1522的另一个框图。
由于井可位于远离市售电源，故示出系统1514以包括本地电源，其通常包括太阳能面板1524、储能系统1526(例如，电池)和功率控制器1527。在使用中，太阳能板1524生成电功率，且功率控制器1527指示生成的功率对电子控制器1522供能、对一系列外场装置1529供能且/或给储能系统1526充电。功率控制器1527还配置成控制从储能系统1526获取电功率，以对电子控制器1522和/或外场装置1529供能，在一些实施例中，与由太阳能板1526生成的功率组合。在一些实施例中，太阳能面板1524可由风轮机、流体涡轮、燃料电池或可再生或非可再生功率源的任何其它适合形式替换。在一些实施例中，储能系统1526可为电池、飞轮、电容器、热能储存系统、流体压力储存系统、弹簧、机械势能储存系统，或可储存和提供可转换成和/或转换自电能的功率的任何其它适合的装置。
电促动器1510包括马达控制器1582和可操作地联接到井口阀1512上的马达1574。在一些实施方式中，电促动器1510可替换气动促动系统，而不需要任何附加的功率或发电，仅使用现有的本地电源。在一些实施方式中，电子控制器1514可用作改造装置，以替换现有的井口阀处的气动促动系统或其它阀促动系统。在一些实施例中，可包括发电或储存能力的附加扩展。
电促动器1510基于储存在存储器模块1592中的程序指令和配置值来从处理器1590接收控制信号。处理器1590是壳体1572内的本地过程控制器(lpc)。处理器1590配置成监测一些诊断功能，其使预测诊断能够在中断服务之前检测退化的早期标志，以触发保养或维护活动。在一些实施方式中，可用信息可包括可需要的中断、部分和服务的预测(时间)，以及确定直到可提供保养或维护的减少的功能性的计划。处理器1590还配置成接收关于减少的功能性的确认、计划的维护时间，以及请求作为由收发器1586提供的信号的更多数据的能力。
处理器1590为能够以小于1瓦的输入功率操作的可编程控制器。电促动器1522配置有内部导体迹线间距、构件和其它设计考虑以阻止产生可超过classi,div.1限额的极限的高表面温度，且使用的构件的额定值完全在其额定极限内。
在一些实施例中，井口阀1512可为可线性平移的阀、旋转阀，或任何其它适合形式的可动/可定位阀。在一些实施例中，井口阀1512可为线性类型的阀，其具有阀壳体和可线性平移的阀部件，例如图1的示例井口阀12中。阀壳体1528包括限定流动通路的阀体(例如，阀体41，流动通路32)。阀杆1538延伸穿过阀壳体1528，且由电促动器1510在其上作用。阀杆1538将选择性定位力从电促动器1510传递来促动井口阀1512。
示例电促动器1510包括促动器壳体1572(例如，包括优选以防泄漏方式紧固在一起的若干铝壳)，其大体上容纳和支承马达1574、减速齿轮系1576、马达控制器1582。在一些实施例中，促动器壳体1572可配置成安装在管1518上。壳体1572配置成用于室外地点和/或危险地点(例如，需要使用classi,division1等级的设备的地点)。在一些实施例中，马达1574为非激励型步进马达，其在电促动器在天然气或其它可燃流体周围使用时阻止火花形成，且由此减小了会存在气体泄漏的危险情形的潜在可能。其它潜在的适合防火花类型的马达包括无刷直流马达和"无火花"交流马达。
在操作中，控制器1582有选择地给电马达1574通电。电马达1574可由控制器1582操作，在保持模式用于保持井口阀1512的当前位置，且在促动模式操作来用于驱动井口阀1512。电马达1574在保持模式中消耗1到3瓦之间(例如，以提供在制动器关闭的情况下保持当前阀位置的力)，且在促动模式中消耗少于三瓦。该极低功率消耗使电促动器1510能够仅仅靠由太阳能面板1524和储能系统1526提供的现有的电源操作，如从无线接收的设置点状态和内部或外部换能器反馈所指示的。
图17a-17b为示例电控制器1522的局部剖视图。如图17a-17b中所示，电马达1574包括关于促动器壳体1572以固定关系安装的马达壳体或定子(例如，定子84)，以及包括输出轴(例如，输出轴86)的转子。输出轴关于定子旋转。输出轴一体地提供其上的齿轮(未示出)，其提供用于减速齿轮系1576的输入。在一些实施例中，减速齿轮系1576可为减速齿轮系76。
在电马达1574旋转时，由电马达1574提供的电促动力跨过减速齿轮系1576从马达输出轴到阀杆1538施加和放大。在一些实施例中，该布置可用作转矩限制装置，其在误差或超过转矩的情形中防止破坏。在一些实施例中，齿条和小齿轮机构、滚珠丝杠机构或任何其它适合的转换机构可用于将旋转能转换成线性运动。
在一些实施例中，减速齿轮系1576可具有至少100:1的减速齿轮比，且在一些实施例中至少400:1(例如，458:1)。在这种较大的齿轮减速比的情况下，小马达力(例如，对于驱动阀1512消耗低于3瓦)由减速齿轮系1576放大，以提供足够的促动力(例如，630ft/lb)来克服除复位弹簧(未示出)外的弹簧力和/或流体力(例如，580ft/lb)驱动和定位阀12，这鉴于井压力可在大约10到900pis的范围中变化的事实而可为很大的。在一些实施方式中，在阀1512的回转时间在完全开启与闭合位置之间花费大约1到5分钟的情况下，促动速度可大幅减小。实施方式中，慢回转时间是可接受的，且可能不会明显地影响井生产控制(例如，由于生产通常每天进行24小时，其中井输出中的要求的变化以相对不频繁的基础发生)。
又参看图15-17b，电子控制器1522包括收集传感器输入1523，其配置成从一系列内部传感器1525和一系列外部传感器1527接收反馈信号。内部传感器1525一体地连接到电子控制器1522内的电子设备上。在一些实施例中，传感器1525,1527可包括多个位置感测装置。在一些实施例中，传感器1525,1527可提供信号，信号可使处理器1590能够执行多种功能，例如，正流率控制、背压调节、下游压力调节、检测其控制的生产井或生产设备的问题、水平感测、温度感测、流动计量设备例如孔口流量计(例如，p1、dp、温度)的监测、质量流量计(例如，模拟信号、频率、脉冲计数器)、modbus串行和/或内部协议(ip)通信、电池供应电压和任何其它适合的控制和/或监测功能。在一些实施方式中，处理器1590可基于传感器健康，通过对来自现场的其它电子控制器1522的其它传感器信息产生杠杆作用来识别系统1514的减少的功能性，还可提供基于传感器健康的保养和维护。
在一些实施例中，传感器1525,1527可满足用于包括在classi,division1装置中的特征。这通常需要传感器完全密封，不具有电弧或火花部分，在构件允许的温度内操作，且不产生可点燃可燃气体或液体的高温表面。此外，流体端口接口可配置成经由至少5个螺纹或至少12mm的最小平接头距离来提供所需的火焰路径。
在一些实施例中，传感器1525,1527可具有整个刻度的至少0.15%的准确性，且特定范围可用于确保预定的准确性的实现。在一些实施例中，传感器1525,1527可为0到5v直流输出装置，以加强电控制器1522的低功率操作。
在一些实施例中，马达控制器1582可一体地包括模拟位置传感器，其从发送至电马达1574的马达位置控制信号来导出旋转输出的位置。在一些实施例中，模拟位置传感器可为累加器或计数器的形式，其在将电马达1574驱动到阀1512的电导出位置时给计数加上数字和从计数减去数字。在一些实施方式中，阀位置的变化可与模拟位置传感器的计数的变化成线性比例。在一些实施例中，电子控制器1522可包括电接线且提供反馈到马达控制器1582的冗余位置传感器(例如，电位计，其提供冗余反馈，其用于检查模拟位置传感器的准确性，如果电马达1574中存在失去电功率或的滑移则模拟位置传感器可具有误差)。传感器1525,1527还可包括限制开关，其配置成检测井口阀1512的行程端部(例如，完全开启和完全闭合位置)。在一些实施例中，减速齿轮系1576可包括凸轮偏心，其在预定的设置点处触发限制开关。
参看图15，示例系统1514还包括由功率控制器1527供能的无线收发器1586。大体上，无线收发器用于将由内部传感器1525和处理器1590收集的过程信息传输至远程操作站。收发器1586配置为控制器1522内的双向无线收发器(xcvr)，以使控制器1522与过程控制流的其它元件通信地连接，以从远程手动或自动控制系统接收操作指令，且/或将过程控制数据和诊断信息传输至操作者或维护人员。
一旦在无线收发器1586与远程控制站之间已经建立无线连接，则可执行若干功能中的至少一个。例如，电子控制器1522可设置过程变量设置点(例如，在其上可编程控制器执行其控制功能，且由此其调节阀位置来匹配设置点值)，将过程变量信号从传感器1525,1527传输，传输电子控制器1522的标识符，传输阀轴的位置，传输来自处理器1590的状态信息(例如，电子控制器1522和/或传感器1525,1527的检测的故障状态)，传输电子控制器1522的地理位置，传输阀/促动器组件的过程描述，传输与功率输入的状态相关联的值，和/或传输任何其它适合的信息。
应注意，控制器1522设在井口阀部位处来提供系统水平控制。马达控制器1582促进对电促动器1510的驱动和井口阀1512的定位的控制。无线收发器1586可无线地从远程定位的收发器(未示出)接收远程控制输入和需求信号，使得控制器1522可远程地配置成无线地调整井口阀1512的位置。在一些实施方式中，收发器1586还可传输反馈至远程位置，且由此通知维护人员井口部位处的操作参数(例如，流率、阀位置、功率水平、故障、预测的保养需要等)。
示例性系统的控制器1522包括睡眠模式，其中控制器1522在阀1512正确定位时几乎未消耗电功率且自动地降低其功率。根据该模式，制动机构(例如，制动机构78)一般可在开启位置，且因此用作动态制动器，其布置成提供阀1512移动的阻力。在一些实施方式中，制动机构在开启时可提供足够的力来在失去功率时防止减速齿轮系1576的反向驱动(例如，制动机构可保持井口阀1512在当前位置)。在一些实施例中，电马达1574可提供足够的力和转矩来引起制动器滑动，且由此压制制动器来在期望时移动井口阀1512。在一些实施方式中，睡眠模式还可提高能效，且可在电功率不足(例如，远程地点)时降低功率消耗。
在一些实施方式中，电子控制器1522的编程可由用户/所有者定制，以允许阀1512的控制的局部区域内的许多自动过程。例如，控制功能可包括连续过程控制，例如压力调节和流动控制、时间和顺序功能如水平控制、压力、流率、水平、时间顺序，以通过操作马达和齿轮减速系统来管理过程变量，由此改变阀闭合系统和柱塞提升系统的位置。
处理器1590编程为具有许多预先限定的压力和/或流率设置点轨迹。在一些实施方式中，这些轨迹可用于模拟过程来确定油、燃气或水生产井的某些特征、确定油、燃气或水载有的地层的孔隙度水平、基于变化数据的速率确定井尺寸，或其它类似的应用。
除预先限定的控制功能外，处理器1590可使用工业标准的编程语言来使用结构化文本、功能框图、梯形逻辑或以上的组合来配置。这允许了用户按需要改变功能或加入定制功能来以新的或独特方式应用电子控制器1522。在一些实施方式中，处理器1590可使用编程语言编程，编程语言是直观的，且与用于其它过程控制应用的那些是共同的。在一些实施方式中，用户编程能力的灵活性允许了电子控制器1522适于多种应用和数据收集目的。在一些实施方式中，电子控制器1522还可识别现场的其它阀。在一些实施方式中，预先存在的标准过程控制应用(例如，背压控制、流率控制、气流、液流、压力调节、水平控制、柱塞提升、歧管压力平衡、流动平衡、气体喷射、输出调节)可允许用户识别控制阀的类型和其它阀在相同应用、过程或部位的作用。
图18为用集成控制模块(如，图15中的示例性电子控制器1522)操作示例电促动器阀的示例过程1800的流程图。
在1810处，提供了过程控制阀，其包括流体阀体，阀体具有用于接收流体的入口、用于排出流体的出口、连接入口和出口的流体流动通路以及可控制的节流元件（其可移动来有选择地改变通路的至少部分的流的截面积）、联接到阀体上且响应于控制信号来有选择地移动节流元件的阀促动器、与过程控制阀集成且具有处理器的控制器，处理器用于接收所述信号和配置信息，用于形成取决于配置信息和接收的信号的输出，且用于形成状态信息。例如，天然气井生产系统1514包括示例电促动器1510、井口阀1512和电子控制器1522。
在1820处，与过程控制阀集成的通信系统接收一系列配置信息。例如，无线收发器1586可从远程连接的站接收配置设置。
在1830处，与过程控制阀(例如，电子控制器1522)集成的传感器(例如，传感器1525,1527)感测流体流动通路内的绝对压力、计示压力、压差、流量和温度中的至少一个作为传感器信号。
在1840处，与集成于过程控制阀的控制器关联的处理器基于配置信息和信号和配置信息确定输出。例如，处理器1590可使用从存储器模块1592取得的设置点和来自传感器1525,1527的反馈来确定对于阀1512的目标位置。
在1850处，阀促动器基于输出来促动可控制的节流元件的移动，以有选择地改变通路的至少部分的流的截面积。例如，处理器1590可指挥马达控制器1582来驱动电马达1574，使得阀1512在范围从完全闭合到完全开启的预定位置。
在1860处，处理器基于所述传感器信号和所述配置信息确定一系列状态信息。例如，处理器1590可确定阀1512的位置、流过阀1512的流体的压力、流过阀1512的流体的温度、阀1512和/或电子控制器1522的构件的故障和/或预测的到故障时间，以及可描述电子控制器1522的操作的任何其它适合的信息。
在1870处，通信系统传输状态信息。例如，处理器1590可提供过程和/或状态信息至无线收发器1586来传输至远程接收站。
在一些实施方式中，传感器信号可包括基于布置在阀体的入口处的第一压力传感器且代表入口处的流体的压力的第一压力信号，以及基于布置在阀体的出口处的第二压力传感器且代表出口处的流体的压力的第二压力信号，且过程1800可包括接收第一压力信号和所述压力信号，且形成取决于接收的信号的输出，基于第一压力信号和第二压力信号确定跨过阀体的流体压降，储存预定的流体压降值，将确定的流体压降与储存的流体压降值相比较，确定其大小代表比较值之间的差异的差异信号，以及由阀促动器移动节流元件来改变跨过阀体的流体压降，以更紧密匹配储存的流体压降值。
在一些实施方式中，过程1800可包括储存预定温度值、将代表流体温度的温度信号与储存的温度值相比较、确定其大小代表比较值之间的差异的差异信号、由阀促动器移动节流元件由此改变通路中流动的流体的温度，以更紧密匹配储存的温度值。
在一些实施方式中，过程1800可包括由控制器并基于确定代表流体流动通路中的流体的温度的温度信号、由控制器且基于节流元件位置传感器确定代表阀体的流动能力的流动信号，以及由控制器基于传感器信号、温度信号和流动信号确定通路中的流体的流率。
在一些实施方式中，该过程可包括由控制器储存预定流率值、由控制器将确定的流率与储存流率值相比较、由控制器确定其大小代表比较值之间的差异的差异信号，以及由控制器提供控制信号来施加至促动器，以引起促动器移动节流元件来改变流率，以更紧密匹配储存的流率值。
在一些实施方式中，过程1800可包括由控制器接收可操作成执行包括压力调节、流动控制、水平控制和柱塞提升控制的控制功能的程序指令。在一些实施方式中，状态信息可包括预测的故障时间、部分的身份、预防性或补救性服务的身份以及确认减少的功能性直到可提供保养或维护的时间的计划中的一个或多个。在一些实施方式中，配置信息可包括流动设置点、温度设置点、压力设置点、减少的功能性的确认、计划的维护时间和请求附加数据中的一个或多个。
尽管本发明示为用于控制或调节井口处的天然气，但本发明可具有其它应用。例如，控制器1522可与用于调节其它类型的过程流体(包括其它类型的气体和液体)的流的阀一起使用。
尽管上文详细描述了几个实施方式，但其它改型是可能的。例如，附图中描绘的逻辑流不需要所示的特定顺序或连续顺序以实现期望的结果。此外，其它步骤可从所述流提供或步骤可从所述流消除，且其它构件可加至所述系统或从所述系统去除。因此，其它实施方式在以下权利要求的范围内。