專利名稱:容積泵的流量測量監(jiān)測系統(tǒng)及裝備有該系統(tǒng)的泵的制作方法
本發(fā)明所涉及的是容積式泵的一種自動流量測量和監(jiān)測系統(tǒng)。
現(xiàn)有的測量系統(tǒng)一般適于測量至少有一種特征值是不變的流體。現(xiàn)在還沒有一種不需重新校準而對容積式泵可能輸送的各種流體進行準確測量的通用流量計。各種流體的特性可能變化很大，它們可能是高粘性流體或一般液流，可能導電也可能不導電，可能有懸浮顆粒也可能沒有，可能是液體，也可能是氣體等。流動時可能是層流，也可能是湍流?，F(xiàn)在已有適于測量特定流體的多種流量計，但還沒有一種能準確測量所有各種流體的流量計。本發(fā)明能對從容積式泵中排出的任何流體的流量進行測量。流體的性質(zhì)，即無論是層流還是湍流都不影響測量的準確性。
本發(fā)明利用了容積式泵的體積泵送特性。一種常用的方法是計算泵的往復次數(shù)并將此數(shù)值乘以理論上一次往復排出的體積。只要泵和泵送條件好，這種測量方法就是準確的。
然而，如果兩個條件中任何一種條件被破壞，用這樣的系統(tǒng)進行測量就會變得很不準確?，F(xiàn)在考慮一個極端的情況，即假設泵送條件壞到要泵送的流體甚至不能到達泵內(nèi)，然而這卻象條件正常時一樣，並不影響泵的運行。盡管實際上並沒有流體排出，流量計仍將指示出與泵速成比例的流量。這種指示是完全錯誤的。這是一個極端的例子，但是，會時常遇到在抽吸階段流體并未完全充滿泵室的情況。在這種情況下，由于實際泵送的體積比理論上應排出的體積小，這種計算往復數(shù)的方法是有誤差的。
本發(fā)明利用這種計算泵的往復次數(shù)的技術，并通過測量每次往復實際排出的流體體積來校正它。利用這種方法，無論泵的條件和泵送條件如何，都能進行流量的正確測量。
為了測量泵實際排出的流體體積，必須知道泵的液壓部分的工作狀態(tài)。因而，需要對泵送條件和泵的工作狀態(tài)進行不間斷的監(jiān)測。如果閥門損壞導致泄漏或閥門彈簧斷裂，此系統(tǒng)將測量泄漏并據(jù)此校正流量值。據(jù)我們所知，現(xiàn)有的系統(tǒng)都不是用在閥門或活塞套處檢測和校正泄漏的方法來進行監(jiān)測的。泄漏或彈簧斷裂通常是由操作者來檢測、并由泵的噪聲或流體循環(huán)管路的振動來報警的。本發(fā)明的系統(tǒng)能對這些機械故障進行連續(xù)的自動監(jiān)測。
監(jiān)測由微計算機進行。如果某些參數(shù)達到或超過預定值，微計算機將進行必要的計算來監(jiān)測泵的正確運行。它檢驗傳感元件，而后經(jīng)過幾個循環(huán)的檢驗確定確有故障。如果故障被確定，則微計算機即將數(shù)據(jù)傳送出去，并進行流量校正所需的測量。
傳送的數(shù)據(jù)一般是流量值和泵實際排出的流體體積值，以及“泵送條件的泵狀態(tài)”指示器給出的值。事實上，后者是泵的容積效率，即，實際排出的體積與完好的泵在完善的條件下理論上排出的體積之比。這一指示器對觀察泵對泵送條件改變的反應是極其有用的。如果由于操作者的動作或外部作用使泵送條件改善或惡化，操作者可立即知道。閥門或活塞套泄漏，彈簧斷裂及傳感元件誤動作也被傳送出去。
圖1示出了本發(fā)明系統(tǒng)連接的一個實例;
圖2是一種容積式泵(活塞泵)實例中的壓縮室的剖面圖;
圖3是微計算機結(jié)構(gòu)的工作圖;
圖4是利用壓力和位移傳感元件，通過計算從一臺運行泵的曲線中選出的一組曲線。
圖5所示的是三缸泵中的兩個排放室的壓力曲線以及移動部件處于靜止時的時刻。
各圖中，相同的標號代表相同的部件。
圖1中，1是中央顯示和檢測單元，它對一組容積式泵進行實時監(jiān)測并記錄泵的運行狀況。2是供泵操作者使用的就地監(jiān)測元件。3是微計算機單元，是本發(fā)明的一部分。根據(jù)微計算機的布局，它們可連接一臺或幾臺容積式泵。在圖1中，這些微計算機從左至右順次連接兩臺三缸泵4，一臺五缸泵5，又連接兩臺三缸泵4。在中央顯示和檢測單元1和就地監(jiān)測單元2之間利用一條多點串聯(lián)數(shù)據(jù)總線使增加或去掉某一設備變得簡單了。就地監(jiān)測單元2與微計算機3之間使用了一條類似的總線，以使其它傳感元件與微機3串聯(lián)，還使用了一條通往就地監(jiān)測單元2的支線。
與微計算機3相連的壓力傳感器6的數(shù)量等于與微計算機相連的泵4或泵5的排放室7的數(shù)量總合。接近傳感器8的數(shù)量等于連接泵4或泵5的數(shù)。換句話說，每個排放室7必須配有一個壓力傳感器6，每臺泵4或泵5必須配有一個接近傳感器8。
本發(fā)明的優(yōu)選實例包括檢測環(huán)(B)(附著在活塞上)的行程并提供位置參照物的傳感器8用已知方式選擇參照物的特性以適合傳感器，最好的例子是由感應式接近傳感器8檢測的鋼環(huán)。
另一例子包括一個與活塞上光參照物相關的光傳感器或包括一個與由磁鐵構(gòu)成的參照物相關的霍爾效應傳感器。
例如，通過檢測一活塞驅(qū)動輪上的一個參照齒的行程或通過檢測與活塞機械相連的類似的部件的行程，或利用上述傳感器，也都可獲得泵的行程參照物。
圖2是一容積式泵4或5的排放室7的剖面圖，容積式泵4或5的基本特征是，排放室7由于滑塊9的往復運動而為流體所充滿，而后，流體被抽送到排放回路10。流體的流動方向由吸入閥11和排放閥12所確定。
閥門11和12的運動由吸入閥彈簧13和排放閥彈簧14、運動流體所施加的力、以及排放回路11、排放室和吸入回路20中的壓力所決定。
最佳配置是壓力傳感器6裝在排放室7的柱塞蓋P的內(nèi)側(cè)上。這樣，傳感器不會降低泵體強度。然而，如果這種解決辦法在技術上太復雜，則可將傳感器平齊地安裝在排放室的另一平坦部分。
泵的一般工作原理如下當滑塊9從靜止位置(相當于最大移開位置)前進到排放室7時，排放室中的流體首先被排放到吸入回路20直到逆止閥11關閉，阻斷流體的流動。而后，流體被壓入排放室7直到室7中加到排放閥12的壓力大于此時排放回路10和彈簧14加壓給閥12上的壓力。這時，排放閥打開，流體被排放到排放回路。供給排放回路10的流體體積等于滑塊9從排放閥打開時所處的位置前進到排放室中的靜止位置(相當于進入排放室中最深入的位置)所排出的體積。
對于大多數(shù)容積式泵來說，這種估算是不夠的，當滑塊9從排放室中的靜止位置(最深入的位置)剛一退出時，排放閥不一定就關閉，特別是當泵以高速運行時。因此，會有一部分流體流回到排放室7中，直到排放閥關閉。這部分流體必須從被泵排到排放回路10中的流體體積中減去;它等與滑塊9在排放閥關閉之前從排放室中的靜止點(最深入的位置)退出所吸入的體積。
圖3是微計算機的方框圖。15是一個具有時鐘、總線和存貯器的微處理機系統(tǒng)。一個保險存貯器16存貯一定量的數(shù)據(jù)，特別是貯存了與微計算機相連的泵4和泵5的各個校正值。這些數(shù)值能夠?qū)瑝K9從靜止位置到排放閥12開啟和關閉時的位置所排出的體積值一一進行計算。17是與多點串聯(lián)總線連接的連接部件。此外，壓力傳感器6通過轉(zhuǎn)接器18與微計算機15相連。同樣，接近檢測器8通過轉(zhuǎn)接器19與微計算機系統(tǒng)15相連。6、8、18和19在數(shù)量上能夠滿足每個排放室有一個壓力傳感器6和一個轉(zhuǎn)接器18，每個泵4或5有一個接近傳感器8和一個轉(zhuǎn)接器19。
圖4示出了三條相對于時間的曲線。曲線21示出了測量排放閥12位置的排放傳感器輸出信號隨時間的變化。在起始點，閥12在其閥座上靜止不動，此時曲線處于最大值。隨著曲線開始下降，這表明閥12從其閥座上移開，而后，流體開始排放到排放回路10。
知道了初始時刻，即滑塊9處于靜止位置(相當于從室7中撤出最遠)時的時刻以及閥12開始離開閥座的時刻，就能夠計算出滑塊9在這兩個時刻間排出的體積。曲線22代表來自位于排放室7中的傳感器6中的信號，其與被觀察開度位置的排放閥12是相對應的。曲線23是曲線22對時間的導函數(shù)。在本發(fā)明的開發(fā)過程中的研究表明利用求導曲線能帶來技術上的改進。本發(fā)明的一部分在于利用一壓力傳感器6來檢測排放閥12的開啟和關閉利用移動傳感器并非總適于測量泵內(nèi)閥12的移動，而壓力傳感器沒有移動部件，能承受泵產(chǎn)生的壓力。此外，壓力傳感器6比測量排放閥12移動的移動傳感器能給出有關泵工作狀態(tài)的更多的信息。曲線23的最高點相應于閥12打開的確切時刻;這被用于微計算機3的軟件中。根據(jù)代表排放室7中壓力的信號的波形確定閥12開啟的時刻，排放閥12的關閉時刻也以同樣的方式確定。
在本發(fā)明的另一形式中，確定排放閥12開啟和關閉時刻的另一種技術是，利用來自排放室7中壓力傳感器6的信號與排放回路10中類似形式的傳感器的信號進行比較當信號相等時，排放閥12開啟。如果排放室中的壓力低于排放回路10中的壓力，排放閥12關閉。由于需要足夠精確的壓力傳感器才能進行比較，這種技術面臨許多困難。(盡管傳感器不是很精確，利用相關算法也可對來自傳感器的信號進行校正和實時比較，然而，可以證明利用這種算法，對實際應用中的實時要求來說可能是太長了)。
對某些應用來說，泵送是有規(guī)則的泵的容積效率的任何變化相對于泵的運行速度和微計算機3進行的計算來說都是很慢的。在這種情況下，通常會出現(xiàn)泵的容積效率在幾個泵送循環(huán)中保持不變的情況。因此，有必要每隔幾個循環(huán)進行一次效率計算，并將幾臺泵連到給定的微計算機3上。
微計算機3輪流計算各泵的容積效率，計算值存在存貯器中并根據(jù)需要經(jīng)常使用(例如，每秒鐘)，它與泵的運行速度一起用來計算每臺泵的流量(假定容積效率值是常數(shù)，因為它是最后計算的)。
圖5示出了來自兩個排放室7中的兩個壓力傳感器6的信號24和25。由曲線24代表其信號的壓力傳感器6位于排放閥12工作正常的排放室7中，而其信號由曲線25代表的壓力傳感器6位于排放閥12有故障的排放室7中，由于有故障，當排放閥12在其閥座上不動時，就會有一股泄漏從排放回路10流到排放室7。排放回路10中的壓力大于吸入回路20的壓力。垂線代表各排放室滑塊9處于靜止的時刻。本發(fā)明部分是基于這樣的觀察結(jié)果曲線24表示，在滑塊9停止前，排放室7中的壓力不會增加，而在滑塊9停止前，排放閥有故障的排放室7中的壓力則確會增加。
對發(fā)生在吸入閥11和活塞套處的故障或彈簧13和14的斷裂可進行同樣的觀察。這些觀察結(jié)果被微計算機3的軟件利用來確定閥、活塞套和彈簧的狀態(tài)。
當檢測到泄漏時(假設排放壓力足夠高)，就能通過分析排放室7中壓力增加曲線的發(fā)展情況來測量泄漏流體的量。
當本系統(tǒng)工作時，微計算機執(zhí)行存貯器所存有的許多內(nèi)容如下所述(但不必按給定的順序)-接通微處理機(15)電源并預置初始值;
-從壓力傳感器6和接近傳感器8獲取數(shù)據(jù);
-利用上述方法之一計算每個排放室7的排放閥12的開啟和關閉時刻;
-檢測泵的狀態(tài)(是否工作)，根據(jù)情況計算運行速度;
-分析接近傳感器8的信號來計算每個排放室7的滑塊9的停止時刻;
-計算實際排放的流體體積和倒流進入各排放室7中的體積;
-比較確定和計算出的兩個數(shù)值，以便開始進行檢測泵各部件的狀況和正常工作的計算及任何泄漏的計算;
-計算各泵容積效率;
-計算各泵的累積流量和體積;
-通過數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù);
-如就地監(jiān)測單元要求時，執(zhí)行存貯在固定存貯器中的試驗程序或特定的校準程序，或傳輸某些參數(shù)。
微計算機3可進行大量的其它計算，并執(zhí)行其它程序;上面所列出的只是一個例子。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)在實際應用中可設計得足夠靈活，使之可和各種不同型式的容積式泵一起使用。
附圖6表示本發(fā)明的控制單元的顯示板。它更清楚地顯示了本發(fā)明所表示的各個步驟，因為除了要求精確和準確測量流量和體積外，它還能直接讀出容積效率并顯示出運行故障。裝有光發(fā)射二極管LED的“排放室”窗口能顯示出排放室以及相關閥所發(fā)生的故障。這使得操作者可立即進行最有效的干預，然而這對于現(xiàn)有系統(tǒng)來說，則是不可能的。
權利要求
1.容積式泵和自由活動閥，其特征在于它包括一個這樣的系統(tǒng)，即通過對至少一個活塞排放室和/或泵排放回路壓力的觀測，來檢測至少一個排放閥的開啟和關閉的系統(tǒng)；它還與另一個為檢測至少一個移動部件位置的系統(tǒng)相連，該移動部件機械地與活塞的移動或這樣的一個系統(tǒng)聯(lián)接在一起。
2.根據(jù)權利要求
1的泵，其特征在于檢測所有排放閥的開啟和關閉。
3.根據(jù)權利要求
1或2的泵，其特征在于通過比較排放室的壓力和泵排放回路的壓力檢測排放閥的開啟和關閉。
4.根據(jù)權利要求
1或2的泵，其特征在于觀察排放室的壓力檢測排放閥的開啟和關閉。
5.根據(jù)權利要求
1至4中任何一個的泵，其特征在于檢測系統(tǒng)包括一個附著在活塞上的參照物，其位移被一個合適的檢測器，例如，鋼環(huán)、感應傳感器、光參照物、光或磁傳感器或霍爾效應傳感器所檢測。
6.根據(jù)權利要求
1至5中任何一個的泵，其特征在于一個測量一個活塞室中壓力的傳感器，該傳感器裝在排放室柱塞的內(nèi)側(cè)。
7.與包括至少一個和活塞移動機械相連的移動部件的位置檢測系統(tǒng)聯(lián)接在一起的系統(tǒng)，通過對一個活塞排放室和/或泵排放回路壓力的觀測來檢測至少一個排放閥的開啟和關閉。
8.根據(jù)權利要求
7的系統(tǒng)，其特征是檢測所有排放閥的開啟和關閉。
9.根據(jù)權利要求
7或8的系統(tǒng)，其特征是通過比較排放室壓力和泵排放回路中的壓力檢測排放閥的開啟和關閉。
10.根據(jù)權利要求
7或8的系統(tǒng)，其特征是，通過觀察排放室中的壓力來檢測排放閥的開啟和關閉。
專利摘要
一種對從容積式泵排放的流體的流量進行測量并對泵進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括壓力和接近傳感器以及一臺微計算機。壓力傳感器將泵排放室的壓力以信號形式傳送給微計算機。接近傳感器在泵的工作循環(huán)中提供參照物。計算機監(jiān)測傳感器的狀態(tài)并處理傳感器傳來的數(shù)據(jù)以對泵進行監(jiān)測。它通過一串聯(lián)傳輸總線傳送結(jié)果，當出現(xiàn)誤動作時，則傳送出報警信號。
文檔編號F04B51/00GK87106757SQ87106757
公開日1988年8月10日 申請日期1987年10月7日
發(fā)明者保羅·當斯, 簡·蒙查蒙特 申請人:帕姆普泰克公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan