專利名稱：具有測量流量功能的蝶形閥和用它測量流量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蝶形閥，特別是一種具有測量流經(jīng)該蝶形閥的流體流量的功能的蝶形閥。本發(fā)明還涉及用蝶形閥測量流量的方法，以及用蝶形閥控制流量的方法。
一般情況下，蝶形閥有一個閥門部件，它安裝在主體之中，能夠旋轉(zhuǎn)，并且固定在一根閥門柱上，該閥門柱可旋轉(zhuǎn)地固定在主體上。從主體外面通過手動或借助于氣動或電動致動器操作閥門柱來旋轉(zhuǎn)閥門部件，這樣便改變了閥門的開啟位置。
通過測量裝置檢測流量及根據(jù)測得的流量改變閥門的開啟位置，就能夠控制流經(jīng)蝶形閥中的流體的流量。
這種測量是靠例如流量計完成的，它獨立于蝶形閥，并且安裝在蝶形閥的附近。在這種情況下，流量計測得的流量便被認(rèn)為是流經(jīng)蝶形閥的流體的流量。
用于此項目的典型的流量計是壓差型流量計，由一個孔板及一個壓力傳感器組成，孔板設(shè)在裝有蝶形閥的管中，傳感器能檢測到孔板兩邊、即上游及下游之間的壓力差。流量由檢測到的壓差△P及容量系數(shù)(Cv值)確定，容量系數(shù)是孔板特有的一個常量，事先例如通過實驗決定。
為了使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，作為對由孔板和壓力傳感器組成的上述壓差型流量計的一種改進(jìn)，有一種采用蝶形閥本身作為孔板的組合系統(tǒng)。也就是說，這種組合系統(tǒng)由一個能夠檢測蝶形閥兩邊流體壓差的壓力傳感器以及檢測蝶形閥的閥門開啟位置的裝置所組成。作為該蝶形閥和閥門開啟位置函數(shù)的容量系數(shù)(Cv)值)，事先例如通過實驗決定。這樣，從檢測到的壓差△P和對應(yīng)于檢測到的閥門開啟位置的容量系數(shù)Cv的值，便可確定流量。這種組合系統(tǒng)由本申請的相同的申請人在日本專利未審查公開號62-270873中提出。
另外一種類似于上述具有蝶形閥和壓力傳感器的組合系統(tǒng)的組合系統(tǒng)由日本實用新型未審查公開號62-1117公開，它用來測量流經(jīng)也起上述孔板作用的閘閥的流體流量。這樣，這種組合系統(tǒng)就包括一個能夠檢測閘閥兩邊壓差的壓力傳感器以及檢測閘閥抬起時的閥門位置的裝置。作為閘閥抬起時閥門位置函數(shù)的容量系數(shù)(Cv值)，事先例如通過實驗決定。這樣，從檢測到的壓差△P和對應(yīng)于檢測到的抬起的閥門位置的容量系數(shù)Cv，確可確定流量。
不同于上述壓差型流量計的流量計，也被采用了。例如已知有一種系統(tǒng)，其中與導(dǎo)電流體擺成一行的蝶形閥閥門開啟位置是根據(jù)由獨立地放置于蝶形閥附近的電磁流量計測得的流體流量控制的。
通常認(rèn)為，用來旋轉(zhuǎn)閥門部件及將其固定于一個所要求的閥門開啟位置的轉(zhuǎn)矩最好小一些，因為較小的轉(zhuǎn)矩需要較小的外部驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，因此也就需要較小的致動器。從靈活性的觀點來看，也是轉(zhuǎn)矩小一些好。
基于以上看法，為了減小由于流體流經(jīng)蝶形閥而加到圍繞閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，人們進(jìn)行了認(rèn)真的研究和設(shè)計。例如，同-申請人在日本專利未審查公開號55-142169和56-28355中提出了能夠減小外部驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的裝有閥座環(huán)的蝶形閥。
已知的蝶形閥，包括以上所提到的蝶形閥，其作用僅僅是節(jié)流-閥門部件限制流體流動。
這樣，為了使蝶形閥能夠調(diào)節(jié)和控制流量，除了閥門部件之外，還必須在流體流動的路經(jīng)安裝合適的、用于測量流量的裝置。包括測量流量的裝置在內(nèi)的蝶形閥系統(tǒng)因此而使得流體通路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能滿足小型設(shè)計的要求。
還要指出，由于流量不是直接測得的或者是在與蝶形閥隔開一定距離的位置上測得的，所以在由流量計測得的流量和通過蝶形閥的實際流量之間便存在著數(shù)量上的和時間上的誤差。因此，要精確地測得和控制流量是非常困難的。
本發(fā)明旨在提供一種蝶形閥，它除了有節(jié)流的作用外，還有測量流量的作用。
更具體地說，本發(fā)明的第一個目的是指供一種蝶形閥，它的閥門部件和閥門柱能夠起到用于測量流量的傳感器的作用。
本發(fā)明的第二個目的是指供一種測量流經(jīng)蝶形閥的流體流量的方法，其中蝶形閥的閥蝶部件和閥門柱能起傳感器作用。
為了達(dá)到本發(fā)明的第一個目的，具有測量流經(jīng)所說的蝶形閥的流體流量功能的蝶形閥包括一個主體;
可旋轉(zhuǎn)地固定在上述主體上的一根閥門柱;
固定在上述閥門柱上且可旋轉(zhuǎn)地安裝在上述主體中的一個閥門部件;
一個閥門開啟檢測裝置，用于檢測上述蝶形閥的閥門開啟位置;以及一個轉(zhuǎn)矩檢測裝置，用于檢測由于流體流過而作用于圍繞上述閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。
為了達(dá)到本發(fā)明的第二個目的，測量流經(jīng)蝶形閥的流體流量的方法包括以下步驟;
檢測上述蝶形閥的閥門開啟位置;
檢測由于流體流過而加到圍繞上述閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩;以及確定作為上述被檢測到的閥門開啟位置明動態(tài)轉(zhuǎn)矩的函數(shù)的流量。
本發(fā)明人所做的實驗表明，只要在同樣的條件下對同樣的流體進(jìn)行測量，流經(jīng)蝶形閥的流體流量實質(zhì)上一定能夠通過閥門的開啟位置、由于流體流過而加到圍繞閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩以及每一個蝶形閥的特性而確定。
因此，在本發(fā)明的蝶形閥中，由于閥門的開啟位置是由閥門開啟位置檢測裝置檢測到的，因流體流過而加到圍繞閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)矩檢測裝置檢測到的，一旦事先得到流量和閥門開啟位置、每個蝶形閥所特有的動態(tài)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，就可能從檢測到的閥門開啟位置和動態(tài)轉(zhuǎn)矩確定流量。
一般說來，只要流體的類型和流動條件不變，流經(jīng)蝶形閥的流體流量是受蝶形閥兩邊即其上游和下游側(cè)之間的壓差以及蝶形閥的特性支配的。因此，流量Q可以用下面的公式(1)表示為變量θ(閥門開啟角)和△P(壓差)的函數(shù)FQ＝F(θ，△P)……(1)函數(shù)F根據(jù)此如閥門部件的直徑、形狀等因素決定。容易理解，當(dāng)閥門開啟角θ和壓差△P的一項或兩項增加時，函數(shù)F的值也增加。因此，一旦通過實驗式理論分析得到函數(shù)F，就可以通過測量閥門開啟角θ和壓差△P并將測量值代入預(yù)定的函數(shù)F而確定流量Q。
本發(fā)明人注意到根據(jù)流量的變化，由于流體流過而加到圍繞閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩也在變化。因此下面討論公式(2)給出的函數(shù)G，變量為閥門開啟角θ和動態(tài)轉(zhuǎn)矩T，用以替換前面的函數(shù)F。
Q＝G(θ，T)……(2)為了獲得這一函數(shù)，本發(fā)明人進(jìn)行了步驟為ⅰ)至ⅶ)的下列實驗ⅰ)給蝶形閥加一個所要求的壓差△P;
ⅱ)測量開啟角θ、轉(zhuǎn)矩T以及流經(jīng)蝶形閥的流體流量Q;
ⅲ)測量和記錄固定開啟角θ時而由壓差△P的變化引起的轉(zhuǎn)矩T和流量Q的變化;
ⅳ)變化開啟角θ一個適當(dāng)?shù)慕嵌?，進(jìn)行與步驟ⅲ)同樣的測量并記錄;
ⅴ)以間隔△θ從0°至90°變化開啟角，重復(fù)進(jìn)行步驟ⅲ)和ⅳ)的測量并記錄;
ⅵ)對于不同種類的流體，需要進(jìn)行步驟ⅰ)至ⅴ)的實驗;
ⅶ)對于多個蝶形閥，進(jìn)行步驟ⅰ)至ⅵ)的實驗。
從步驟ⅰ)至ⅶ)的實驗結(jié)果可知，函數(shù)G實際上得到了。因此，通過適當(dāng)?shù)牟逯捣ㄌ钛a(bǔ)缺少的數(shù)據(jù)或采用適當(dāng)?shù)慕票磉_(dá)式，就可以以經(jīng)驗公式的形式確定作為每個蝶形閥的特性的函數(shù)G。
結(jié)果，采用特定的函數(shù)G，即使不去測量壓差△P，也能通過測量閥門開啟角θ和動態(tài)轉(zhuǎn)矩T而確定流經(jīng)蝶形閥的流體流量Q。
對函數(shù)G的存在和它的實際確定將給予理論上的說明。
一般來說，蝶形閥的閥門開啟角θ和Cv值(蝶形閥的容量系數(shù))之間存在著函數(shù)關(guān)系，而Cv值又是變量Q(流量)和△P(壓差)的函數(shù)。
閥門開啟角θ和Cv值(實際轉(zhuǎn)矩系數(shù))之間也存在著函數(shù)關(guān)系，而Cu值又是變量T(動態(tài)轉(zhuǎn)矩)和△P(壓差)的函數(shù)。
這樣，Cv值和Cu值分別由變量Q、△P的函數(shù)f和變量T、△P的函數(shù)g表示，如下面的公式(3)和(4)所示Cv＝f(Q，△P)……(3)Cu＝g(T，△P)……(4)假定以下公式(5)和(6)的條件滿足(其中Cv值和Cu值分別由變量Q的函數(shù)ff和變量θ的函數(shù)gg表示)，Cv＝ff(θ)……(5)Cu＝gg(θ)……(6)則以下公式(7)由公式(3)和(5)導(dǎo)出(其中流量表示為變量Cv和△P的函數(shù)f′)，Q＝f′(Cv，△P)＝f′(ff(O)，△P)……(7)
并且以下公式(8)由公式(4)和(6)導(dǎo)出(其中壓差△P表示為變量Cu和T的函數(shù)g′)，△P＝g′(Cu，T)＝g′(gg(θ)，T)……(8)然而，由公式(7)和(8)導(dǎo)出以下公式(9)(其中流量Q表示為變量T和Q的函數(shù)K)，Q＝h(ff(θ)，g′(gg(O)，T))＝(T，θ)……(9)由此可以看出，這樣得到的公式(9)和公式(2)是等價的，即函數(shù)K和函數(shù)G是相同的。這樣，本發(fā)明人所做的實驗實際上是證明了這一事實，即公式(5)和(6)的假設(shè)是正確的，并且確定了公式(5)和(6)的函數(shù)ff(θ)和gg(θ)。
本發(fā)明的蝶形閥最好有一個用于旋轉(zhuǎn)閥門部件的致動器。該致動器能夠以一個比人力施加的轉(zhuǎn)矩大許多的轉(zhuǎn)矩使閥門部件旋轉(zhuǎn)或固定。
本發(fā)明的蝶形閥最好還有一個流量計算裝置，用于計算作為閥門開啟角和動態(tài)轉(zhuǎn)矩的預(yù)定函數(shù)的流體流量。該流量計算裝置能夠自動輸出算得的流量。
本發(fā)明的蝶形閥最好還是致動器和流量計算裝置二者兼而有之。在這種情況下，蝶形閥最好還有一個控制裝置，可以從外部設(shè)定所要求的流量，并且該裝置指示致動器旋轉(zhuǎn)閥門部件，以便使算得的流量接近所要求的值。這時，通過反饋測得的數(shù)據(jù)，可以毫無延遲地控制流量。更為理想的是，控制裝置能夠適用于通過遠(yuǎn)距離操作、由無線電通訊遠(yuǎn)距離地將所要求的流量置入控制裝置這一情況。
用于本發(fā)明的蝶形閥的致動器最好是電致動器、氣動致動器、隔膜型致動器或電磁式致動器。
本發(fā)明的蝶形閥所采用的轉(zhuǎn)矩檢測裝置最好包括一個針對閥門柱的應(yīng)力檢測器，這種應(yīng)力檢測器最好有一部裝在閥門柱上的應(yīng)變儀。
用于本發(fā)明的蝶形閥的閥門開啟位置檢測裝置最好包括一個與閥門柱相聯(lián)的角度傳感器。在這種情況下，角度傳感器最好包括一個電位器或一個旋轉(zhuǎn)編碼器。
本發(fā)明的蝶形閥或者可以設(shè)計成所謂中心式閥門，或者可以設(shè)計成所謂偏心式閥門，在中心式閥門中，閥門部件在其中心軸處固定于閥門柱上，在偏心式閥門中，閥門部件在其偏心軸處固定于閥門柱上。
用于本發(fā)明的方法中的閥門開啟角和動態(tài)轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，通過實驗估算。在這種情況下，對于任何類型的蝶形閥該函數(shù)都可以估算出來。
通過實驗估算函數(shù)是基于這樣一種假定，即當(dāng)閥門開啟角固定時，在動態(tài)轉(zhuǎn)矩和流量之間存在著線性的比例關(guān)系。這時，可以簡化實驗和估算。
本發(fā)明的用于確定流量的方法要用到一張圖表，它顯示了流量值與閥門開啟角及動態(tài)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。該圖表最好由實驗獲得。
當(dāng)使用一臺合適的計算機(jī)時，可以非常迅速簡便地得到本發(fā)明的測量方法所確定的流量。
最好能夠控制蝶形閥，使由本發(fā)明的測量方法所確定的流量接近外部設(shè)定的所要求的流量。在這種情況下，通過對測得的數(shù)據(jù)的反饋，能夠?qū)崿F(xiàn)對流量的快速控制。


圖1是本發(fā)明的蝶形閥的一個實施例的部分剖面立體圖;
圖2是本發(fā)明的一個實施例的原理圖;
圖3至6表示了用于本發(fā)明的各種函數(shù)關(guān)系;
圖7是對本發(fā)明的一個實施例進(jìn)行實驗時所采用的系統(tǒng)的原理;
圖8和圖9表示實驗的結(jié)果;
圖10和圖11表示從實驗結(jié)果導(dǎo)出的函數(shù)關(guān)系。
參照附圖，將對本發(fā)明的最佳實施例進(jìn)行描述。
圖1畫出了本發(fā)明的蝶形閥的一個實施例，參照該圖可以看出，蝶形閥有一個主體1和一個閥門部件2，閥門部件2的外徑略小于主體1的內(nèi)徑。借助于閥門柱3，閥門部件2被可旋轉(zhuǎn)地支撐在主體1中。在圖示的實施例中，閥門部件2對閥門柱3的安裝方式是所謂中心式的，即閥門部件2在其中心軸處固定于閥門柱3上。然而，這僅僅是為了說明問題，安裝方式也可以是所謂偏心式的，即閥門部件2在其偏心軸處固定于閥門柱3上。閥門柱3穿過形成在主體1上的軸孔向外延伸。為了使閥門柱3相對于主體1旋轉(zhuǎn)時在閥門柱3和軸孔的壁之間形成密封，故在它們中間放入了密封墊7和閥座環(huán)8。軸承6保證了閥門柱3能夠平滑轉(zhuǎn)動。
該蝶形閥的主體1以人所共知的方式與管道100相聯(lián)，見圖2。管道100通常是由金屬或塑料制成的，其直徑一般為幾毫米至幾米。管道100的直徑最好在大于10毫米至幾米之間，更理想的情況，是在幾十毫米至幾米之間。通常生產(chǎn)出多種具有不同尺寸的主體1的蝶形閥，主體1的尺寸與管道的直徑一致。總的來說，管道100的內(nèi)徑越大，繼之主體1和閥門部件2越大，則作為信號、由于流體流過而加到圍繞閥門柱3的閥門部件2上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩也越大。因此，當(dāng)管道100的內(nèi)徑及主體1變大，則流量的測量精度也容易提高。相反，當(dāng)主體1的尺寸變小，即閥門部件2的尺寸變小，作為信號的動態(tài)轉(zhuǎn)矩也變小，這樣，為了提高測量精度，最好減小噪聲例如電噪聲的強(qiáng)度。管道100的內(nèi)徑與主體1的內(nèi)徑的高度一致性，能夠減小產(chǎn)生在管道100和主體1之間連接處的任何湍流。在這種情況下，流入主體1的流體的流動狀態(tài)更接近于層流狀態(tài)。這一特性在對大流量測量時尤其顯得優(yōu)越。
在圖示的實施例中，由于閥門部件2的外徑略小于主體1的內(nèi)徑徑，所以即使當(dāng)閥門開啟角為0°時，流體通路也不會完全切斷。因此，在本發(fā)明的蝶形閥中，主體1的內(nèi)圓周面上有由橡膠、Teflon(商標(biāo))或金屬等制成的閥座環(huán)或“O”形環(huán)，以便被閥門部件2的周圍邊緣接觸，用這種方法可以在閥門開啟角為0°時，完全阻斷流體的流動。也可以這樣安排，即將能夠完成切斷流體通路的另一個蝶形閥或另一種類的閥門在管道100中與本發(fā)明的蝶形閥串聯(lián)放置。
圖2中所示的致動器11以人所共知的方式與閥門柱3的一端9相連，以便于操作。致動器11能夠轉(zhuǎn)動閥門柱3，使閥門部件2圍繞閥門柱3的軸旋轉(zhuǎn)。致動11也能固定閥門柱3，閥門部件2便處于一個預(yù)定的角度，這樣來決定蝶形閥的閥門開啟位置。各種類型的致動器，比如電致動器、氣動致動器、隔膜致動器和電磁型致動器都可用作致動器11。致動器11并不是必不可少的，也就是說，本發(fā)明的蝶形閥可以用手動的方法使閥門柱3旋轉(zhuǎn)。
能夠檢測閥門柱3的微小扭動的應(yīng)力檢測器12裝在閥門柱3上。應(yīng)力檢測器12最好采用一種已知的應(yīng)變儀。由應(yīng)力檢測器12檢測到的扭動量被送至轉(zhuǎn)矩變換器13，它將檢測到的扭動量變換成作用于閥門部件2、并使其繞閥門柱3的軸旋轉(zhuǎn)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，還將這一動態(tài)轉(zhuǎn)矩值輸出。
應(yīng)力檢測器12和轉(zhuǎn)矩變換器13一起構(gòu)成轉(zhuǎn)矩檢測裝置14。可以采用其它各種不同的轉(zhuǎn)矩檢測器作為檢測由流體施加到圍繞閥門柱3的閥門部件2上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩的裝置。因此，就可能在考慮測量精度和價格的同時，采用一種最佳動態(tài)轉(zhuǎn)矩檢測器。
為了防止閥門柱3上產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變影響從檢測閥門柱3扭動的應(yīng)力檢測器12得到的信號，在應(yīng)力檢測器12的每一側(cè)都配備了兩個旋轉(zhuǎn)軸承6，用于防止彎曲應(yīng)變影響應(yīng)力檢測器12。閥門柱3上的應(yīng)力檢測器12的位置最好這樣確定，以便使加給閥門部件2的動態(tài)轉(zhuǎn)矩更直接地傳給應(yīng)力檢測器12。從這一觀點出發(fā)，應(yīng)力檢測器12應(yīng)放在閥門柱3上，位于旋轉(zhuǎn)軸承6和密封墊7之間，且靠近閥門部件2。這種安排提高了檢測施加在閥門部件2上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩的精度。
閥門柱3的轉(zhuǎn)動通過形成在其外周面上的齒輪10和與之咬合的齒輪4傳給作為角度傳感器的電位器15。這樣，電位器15就能夠把指示閥門柱3的轉(zhuǎn)動量的信號傳給閥門開啟位置變換器16，該變換器把這一信號變換成蝶形閥閥門開啟角度。
在本實施例中，齒輪4和齒輪10之間的齒數(shù)比是這樣確定的，為的是使閥門柱3的轉(zhuǎn)動角度放大兩倍，這樣能夠提高檢測閥門開啟角的精度。
齒輪10、齒輪4、電位器15和閥門開啟位置變換器16合在一起構(gòu)成閥門開啟位置檢測裝置17。電位器15可以與致動器11組合成一體。這樣安排也是可行的，即閥門柱3的轉(zhuǎn)動通過其它與致動器11組合的齒輪傳給一個分開的電位器15。
使用電位器15并不是唯一必須的。例如，閥門開啟位置檢測裝置17可以有一個與齒輪4或齒輪10相聯(lián)的旋轉(zhuǎn)編碼器，它能根據(jù)齒輪4或齒輪10的齒數(shù)，直接或間接地測量閥門柱3的旋轉(zhuǎn)角。閥門開啟位置檢測裝置17可以安裝在閥門柱3上，對于轉(zhuǎn)矩檢測裝置14而言，閥門部件2安裝于一側(cè)，而閥門開啟位置檢測裝置位于相反的另一側(cè)。對閥門開啟位置檢測裝置17的結(jié)構(gòu)只是進(jìn)行了簡要的說明，其它各種已知的結(jié)構(gòu)安排也可用于該裝置。本發(fā)明的蝶形閥的結(jié)構(gòu)以簡圖的形式示于圖2。
根據(jù)本發(fā)明，可以通過從轉(zhuǎn)矩檢測裝置14輸出的動態(tài)轉(zhuǎn)矩Tm和從閥門開啟位置檢測裝置17輸出的閥門開啟角Qm確定流經(jīng)蝶形閥的流體流量。
確定流量的最簡單辦法是把轉(zhuǎn)矩Tm和開啟角Qm代入公式(2)，該公式表明流量Q是動態(tài)轉(zhuǎn)矩T和閥門開啟角θ的函數(shù)G，并且該公式所表明的函數(shù)關(guān)系是每個蝶形閥特有的，可以事先確定。
Q＝G(θ，T)……(2)借助于例如計算器之類的工具，可以毫無困難地進(jìn)行此種運(yùn)算，這樣根據(jù)測得的轉(zhuǎn)矩Tm和開啟角θm的值，就一定能夠確定流量Qm。另一種方法是事先準(zhǔn)備好流量Q與轉(zhuǎn)矩T和開啟角之間關(guān)系的圖表，根據(jù)測得的轉(zhuǎn)矩Tm和開啟角θm的值，就可以在圖表上找到流量Qm。通過將轉(zhuǎn)矩檢測裝置14和閥門開啟位置檢測裝置17結(jié)合在一起，就能達(dá)到本發(fā)明的第一個目的。
在本實施例中，從轉(zhuǎn)矩檢測裝置14來的轉(zhuǎn)矩Tm和從閥門開啟位置檢測裝置17來的開啟角θm被輸入進(jìn)流量計算裝置18。流量計算裝置18包括一個存儲設(shè)備19，它能夠存儲每一個蝶形閥所特有的、前面提到過的公式(2)的函數(shù)G，并且是事先確定的。流量計算裝置18還包括一個算術(shù)運(yùn)算設(shè)備20，它利用測得的轉(zhuǎn)矩Tm和開啟角θm的值，計算公式(2)的函數(shù)G的值。這樣，一旦得到測得的轉(zhuǎn)矩Tm和開啟角θm的值，流量計算裝置18就計算并輸出流量Qm。為了補(bǔ)償由溫度變化或其它因素變化如流體的粘度及比重的變化所造成的誤差，有這種可能，即給利用公式(2)算得的結(jié)果加一個修正值。通過將必需的修正數(shù)據(jù)存于存儲設(shè)備19中，可以毫無困難地完成對誤差的修正。諸如溫度t、粘度ξ和比重gr等因素可以作為外部可置入?yún)?shù)輸入給流量計算裝置18。也有這種可能，即將從處于流體通路中靠近蝶形閥的適當(dāng)位置的溫度計、粘度計和比重計來的這些因素自動輸入給流量計算裝置18。諸如溫度t、粘度ξ和比重gr等因素可以作為函數(shù)G′的變量，而不是修正用的參數(shù)。在這種情況下，需確定函數(shù)G′，如下面的公式(10)所示Q＝G′(T，θ，t，ξ，Gr)……(10)雖然與確定函數(shù)G的情況相比，需要更多的實驗步驟，但通過實驗確定函數(shù)G′仍是可能的。
通過在流量計算裝置18中存儲函數(shù)G′，就有可能得到一種具有在各種不同的條件下測量流量功能的蝶形閥。這樣，本實施例就能應(yīng)用于各種不同的液體，如水、酒精、潤滑油、燃油以及汽油，等等。只要提高轉(zhuǎn)矩檢測裝置的精度，蝶形閥還能應(yīng)用于各種不同的氣體，如空氣、已燃?xì)狻怏w燃料以及蒸汽，等等。
在圖示的實施例中，從流量計算裝置18輸出的流量Qm輸入到控制裝置21中去，所要求的流量Qd從外部置入控制裝置21。從外部置入流量Qd可以通過一個已知的遙控裝置經(jīng)適當(dāng)?shù)臒o線電通訊設(shè)備完成，也可以在蝶形閥處完成?？刂蒲b置21計算出流量Qm和流量Qd之間的差值，并給致動器11一個指示，使致動器11以一定的方向旋轉(zhuǎn)閥門部件2，以便減小差值。
下面說明本實施例的工作過程。蝶形閥置于管道100的一個位置上，流經(jīng)該管道的流體可以被控制其流量。如水、油或其它類似的流體以一定的流量流經(jīng)管道100，該流量由蝶形閥兩側(cè)流體的壓差及蝶形閥閥門的開啟角度決定。
本實施例中，閥門開啟角可在0°至90°之間變化。閥門開啟角為0°意味著閥門已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到一個最小的開啟位置，使得流體只能從閥門部件2和主體1之間的狹小縫隙中流過。相反，開啟角為90°意味著閥門充分打開，使得蝶形閥兩側(cè)的壓差減到最小。這里假定流體流過的蝶形閥閥門處于所要求的開啟位置下。閥門開啟位置檢測裝置17檢測這一開啟位置，并將其作為開啟角θm輸出。同時，轉(zhuǎn)矩檢測裝置14檢測由流體產(chǎn)生、并作用于閥門部件2之上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，以便使閥門部件2繞閥門柱3的軸旋轉(zhuǎn)，并將檢測到的轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩Tm輸出。一旦接收到開啟角θm和轉(zhuǎn)矩Tm，流量計算裝置18就計算公式(2)的函數(shù)值G或公式(10)的函數(shù)值G′，以便根據(jù)開啟角θm和轉(zhuǎn)矩Tm確定流量Qm，并將流量Qm輸出給控制裝置21。一旦接收到流量Qm，控制裝置21就計算流量Qm和外部設(shè)定的所要求的流量Qd之間的差值，如果存在差值，控制裝置21就向致動器11發(fā)出一個指示，驅(qū)動閥門柱3以一定的方向旋轉(zhuǎn)，以便減小差值。這樣，由控制裝置21給致動器11發(fā)出的指示可以分成以下三類a)當(dāng)滿足條件Qd＞Qm時，指示增大閥門開啟角;
b)當(dāng)滿足條件Qd＜Qm時，指示減小閥門開啟角;
c)當(dāng)滿足條件Qd＝Qm時，不發(fā)出任何指示。
于是，所描述的實施例采用了閉環(huán)反饋，它能使致動器11以這樣一種方式工作，即能使測得的流量Qm無限地接近所要求的流量Qd。
作為致動器11運(yùn)行的結(jié)果，當(dāng)測得的流量值Qm等于流量Qd時，控制裝置21停止向致動器11發(fā)出指示，于是致動器11停止動作，以便固定閥門部件2，使流體保持即時流量Qm。即使所測得的流量Qm等于流量Qd之后，蝶形閥的上游一側(cè)和/或下游一側(cè)壓力的任何變化，都會導(dǎo)致流量Qm的變化。然而，上述閉環(huán)反饋能夠及時改變閥門開啟狀態(tài)，使流量Qm和Qd恢復(fù)一致。
從前面的描述中可以了解到，圖示實施例的閥門部件2本身，不但起了用于產(chǎn)生流量信息的傳感器的作用，而且還起了限制部件的作用，該限制部件根據(jù)得到的流量信息限制流體的流動。于是，可以直接以非常高的精度測得流量，而不會有任何誤差，否則這種誤差將會由傳感器和蝶形閥之間的間隔及時間的延遲產(chǎn)生。
以下描述將建立在本實施例中采用函數(shù)G的基礎(chǔ)上。公式(1)中出現(xiàn)的函數(shù)F已經(jīng)為人所了解，而下面的公式(11)是函數(shù)F的實用形式Q＝F(θ，△P)＝dCv△P……(11)其中Cv＝ff(θ)……(5)在公式(11)中，α代表修正系數(shù)，用于補(bǔ)償由流體的比重、粘度和溫度等一些因素變化而引起的測量結(jié)果的變化。因此，從公式(11)可以看出，如果開啟角θ固定的話，則流量Q與壓差△P的平方根成比例，比例系數(shù)是α×Cv。
公式(11)和(5)表示的關(guān)系的實例分別示于圖3和4中。圖示的實施例假定有公式(11)所表示的關(guān)系。該實施例還假定滿足以下公式(12)的條件，它表示轉(zhuǎn)矩T、開啟角θ和壓差△P之間的關(guān)系。
T＝H(θ，△P)＝βCu△P……(12)其中Cu＝gg(θ)在公式(12)中，β代表修正系數(shù)，用于補(bǔ)償由流體的比重、粘度和溫度等一些因素變化而引起的測量結(jié)果的變化。因此，從公式(12)可以看出，如果開啟角θ固定的話，則轉(zhuǎn)矩T與壓差△P的平方根成比例，比例系數(shù)是β×Cu。
公式(12)和(6)表示的關(guān)系的實例分別示于圖(5)和圖(6)中。
以下的公式(13)是從公式(11)和(12)和消去壓差△P這一項得到的θQ＝G(θ，T)＝( (α)/(β) )( (Cv)/(Cu) )T……(13)其中Cv＝ff(θ)，Cu＝gg(θ)。
公式(13)表示，如果開啟角θ固定的話，則流量Q與轉(zhuǎn)矩T成比例，比例系數(shù)為(α/β)×(Cv/Cu)。因此，就可能通過實驗確定開啟角θ變化時的ff(θ)和gg(θ)，從而確定函數(shù)G(θ，T)。
以下將描述適用于確定ff(θ)和gg(θ)值的實驗的例子。
A.用于實驗的系統(tǒng)和部件下表中所列系統(tǒng)和部件用于該實驗。軸承6用來支撐閥門柱3。閥門體1的內(nèi)徑定為2mm，大于閥門部件2的外徑。圖7表示裝置的略圖。壓力計22在蝶形閥27的上游測量流體壓力P1，而壓差計23測量蝶形閥27兩邊的壓差ΔP。電磁流量計24測量流經(jīng)蝶形閥27的流體流量Q。流體由流體供應(yīng)設(shè)備25提供給蝶形閥27，同時還提供給分流閥26，分流閥26能夠改變其開啟程度，用于設(shè)定一個所要求的流經(jīng)蝶形閥27的流體流量。
表實驗中采用的系統(tǒng)和主要部件
B.測量方法利用D/A轉(zhuǎn)換器控制分流閥26的開啟角度θ和蝶形閥27的開啟角度時，對蝶形閥27的每一個單位開啟角，都測量轉(zhuǎn)矩T、壓差△P、壓力P和流量Q的值。測量在以下條件下進(jìn)行取樣頻率200Hz;取樣數(shù)為每秒200次;開啟角θ間隔設(shè)定用0.2mA;開啟角θ設(shè)定范圍用20mA至4mA;分流閥開啟角間隔設(shè)定用1mA;分流閥開啟角設(shè)定范圍用20mA至10mA。
處于常溫下的水用作流體。測量是通過以下步驟(a)至(g)順序進(jìn)行的(a)設(shè)定分流閥26的閥門開啟角;
(b)設(shè)定蝶形閥27的閥門開啟角θ;
(c)測量轉(zhuǎn)矩T、壓差ΔP、流量Q、壓力P1以及蝶形閥的開啟角θ;
(d)記錄測得的數(shù)據(jù);
(e)重復(fù)步驟(b)至(d)80次;
(f)重復(fù)執(zhí)行完(b)至(d)的步驟80次后，執(zhí)行從步驟(a)開始的過程;
(g)在一個預(yù)定的時間重復(fù)步驟(a)，這樣完成了整個過程。
C.實驗結(jié)果作為實驗結(jié)果得到的與測得的開啟角θm有關(guān)的Cv和Cu值分別示于圖8和圖9中。在這些圖中，離散的點代表通過實驗得到的值。在這一實施例中，對于這些離散點的值，分別用由四階近似表達(dá)式表示的公式(14)的函數(shù)ff(θ)和由五階近似表達(dá)式表示的公式(15)的函數(shù)gg(θ)確定。
ff(θ)＝θ4×A4+θ3×A3+θ2×A2+θ×A1+A0……(14)其中A4-9.146×105A31.531×102A2-4.746×101A11.242×10A00.000gg(θ)＝θ5×B5+θ4×B4+θ3×B3+θ2×B2+θ×B1+B0……(15)其中B58.540×1010B4-1.675×107B31.125×105B2-3.572×104B14.919×103B0-2.588×102函數(shù)ff(θ)和gg(θ)分別示于圖10和圖11。
這樣在圖示的實施例中，對于任何的開啟角θ，Cv和Cu的值都由以下公式得到Cv＝ff(θ)……(5)Cu＝gg(θ)……(6)因此，就這一蝶形閥27或具有同樣設(shè)計的蝶形閥來說，無需測量壓差△P，就可依據(jù)公式(13)從測得的開啟角θ和測得的轉(zhuǎn)矩T算出流量Q。
雖然在所描述的實施例中采用了四階近似表達(dá)式和五階近似表達(dá)式，但這并不排斥其它的表達(dá)方法。例如，下列的n階近似表達(dá)式(16)和(17)可以取代公式(14)和(15)。
ff(θ)＝Σnj = 0]]>θjAj……(16)其中Aj為j次項的系數(shù)gg(θ)＝Σnj = 0]]>θjBj……(17)其中B為j次項的系數(shù)用已知的近似表達(dá)式去替代公式(16)和(17)也是可能的。根據(jù)所要求的測量精度，實驗條件，比如取樣頻率、設(shè)定開啟角θ的間隔和/或分流閥開啟角的間隔最好做一些變化。
雖然在實施例中對公式(11)和(12)的條件做了假定，但這種假定并不是唯一必須的。也就是說，函數(shù)F(θ，△P)和H(θ，△P)可以根據(jù)經(jīng)驗公式，從流量Q、開啟角θ、壓差△P和轉(zhuǎn)矩T確定。必須注意的是，函數(shù)G(θ，T)作為經(jīng)驗公式可以直接從實驗結(jié)果得到，雖然在描述的實施例中，它是在函數(shù)ff(θ)和gg(θ)確定之后才確定的。
也可以從實驗結(jié)果做一張表示流量Q的值與開啟角θ的轉(zhuǎn)矩T的值之間關(guān)系的圖，離散點之間的部分根據(jù)一個適當(dāng)?shù)牟逯倒郊犹恚灾掠诟鶕?jù)測得的開啟角θ和轉(zhuǎn)矩T的值，可以在該圖上讀出流量Q。
所有這些確定流量Q的方法，都可以利用計算機(jī)快速執(zhí)行。
如前所述，本發(fā)明的蝶形閥有一個閥門開啟檢測裝置和一個轉(zhuǎn)矩檢測裝置，閥門開啟檢測裝置能夠檢測蝶形閥閥門開啟程度，轉(zhuǎn)矩檢測裝置能夠檢測由于流體流動而作用于圍繞閥門軸的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。因此，通過事先確定流量與閥門開啟角和蝶形閥特定的動態(tài)轉(zhuǎn)矩的值之間的關(guān)系，就能從測得的閥門開啟角和動態(tài)轉(zhuǎn)矩的值確定流量。于是，在本發(fā)明的蝶形閥中，閥門部件不但有限制流體流動的功能，而且還有檢測流量的功能。因此，就可國沒有誤差地直接測量流經(jīng)蝶形閥的流體的流量，而這種誤差是采用分開的流量計測量流量時，由位置之間的差異和時間的延遲造成的。如此得到的較高的流量測量精度，保證了根據(jù)流量信息進(jìn)行的流量控制的更高速度及精度。對流量的測量并不依賴于流體的導(dǎo)電性這一事實，使得蝶形閥能夠用來控制如油這樣的非導(dǎo)電流體的流量。此外，除了蝶形閥，在流體的通路中不需要放置任何流量計就能控制流體流量。
在不違背本發(fā)明的精神和不超過本發(fā)明的范圍的前提下，可做出許多不同的實施例。應(yīng)該明白，除非是在所附的權(quán)利要求書中定義的內(nèi)容之外，本發(fā)明不限于說明書中所描述的特定的實施例。
權(quán)利要求
1.一種具有測量流經(jīng)所說的蝶形閥的流體流量功能的蝶形閥，其特征在于包括一個主體；可旋轉(zhuǎn)地固定在上述主體上的一根閥門柱；固定在上述閥門柱上且可旋轉(zhuǎn)地安裝在上述主體中的一個閥門部件；一個閥門開啟位置檢測裝置，用于檢測上述蝶形閥的閥門開啟位置；以及一個轉(zhuǎn)矩檢測裝置，用于檢測由于流體流過而作用于圍繞上述閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的蝶形閥，還包括一個與上述閥門柱相連的致動器，用于旋轉(zhuǎn)上述閥門部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的蝶形閥，其中所說的致動器可以從電致動器、氣動致動器、隔膜型致動器和電磁式致動器中選擇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的蝶形閥，還包括一個流量計算裝置，用于計算作為上述閥門開啟位置和動態(tài)轉(zhuǎn)矩值的預(yù)定函數(shù)的上述流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的蝶形閥，還包括一個與上述閥門軸相連的致動器，用于旋轉(zhuǎn)上述閥門部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的蝶形閥，其中所說的致動器可以從電致動器、氣動致動器、隔膜型致動器和電磁式致動器中選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的蝶形閥，還包括一個控制裝置，可以從外部設(shè)定所要求的流量，該裝置指示上述致動器旋轉(zhuǎn)上述閥門部件，以便使算得的流量接近所要求的流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的蝶形閥，其中所要求的流量可以通過遙控裝置、經(jīng)無線電通訊裝置遠(yuǎn)距離地被置入上述控制裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的蝶形閥，其中所說的轉(zhuǎn)矩檢測裝置包括一個提供給上述閥門柱的應(yīng)力檢測器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的蝶形閥，其中所講的閥門開啟檢測裝置包括一個與上述閥門軸相連的角度傳感器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的蝶形閥，其中所說的角度傳感器包括一個與上述閥門軸相連的電位器或旋轉(zhuǎn)編碼器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的蝶形閥，其特征在于所說蝶形閥是中心式的或偏心式的。
13.一種測量流經(jīng)蝶形閥的流體流量的方法，其特征在于包括以下步驟檢測上述蝶形閥的閥門開啟位置;檢測由于流體流動而作用于上述圍繞閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩;確定作為上述檢測到的閥門開啟位置和動態(tài)轉(zhuǎn)矩的函數(shù)的流量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所說的函數(shù)是通過實驗由上述流量與閥門開啟位置及動態(tài)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系估算出來的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所說的函數(shù)是在假定當(dāng)上述閥門開啟位置不變的時候，上述流量與動態(tài)轉(zhuǎn)矩成比例的情況下估算出來的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所說的流量是根據(jù)表示上述流量與閥門開啟位置及動態(tài)轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的圖確定的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所說的關(guān)系是通過實驗得到的。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中由計算機(jī)確定所說的流量。
19.一種控制流經(jīng)蝶形閥的流體流量的方法，其特征在于包括以下步驟檢測上述蝶形閥的閥門開啟位置;檢測由于流體流動而作用于上述圍繞閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩;確定作為上述檢測到的閥門開啟位置和動態(tài)轉(zhuǎn)矩的函數(shù)的流量;設(shè)置一個所要求的流量;以及改變上述閥門開啟位置，以便使上述確定的流量接近所要求的流量。
全文摘要
一種能測量從中流過的流體流量的蝶形閥，包括一個主體、一根可旋轉(zhuǎn)地固定于主體上的閥門柱、固定在閥門柱上且可旋轉(zhuǎn)地安裝在主體中的閥門部件、檢測閥門開啟位置的閥門開啟位置檢測裝置，以及檢測由于流體流過而作用于圍繞閥門柱的閥門部件上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩檢測裝置。
文檔編號G01F1/28GK1044978SQ89103329
公開日1990年8月29日 申請日期1989年5月13日 優(yōu)先權(quán)日1989年2月17日
發(fā)明者河合康治 申請人:株式會社巴技術(shù)研究所