專利名稱：用于控制可變孔流量計(jì)的閥位置的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及流體流量計(jì)量和流體控制系統(tǒng)；更具體而言涉及改進(jìn)流量控制回路和系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；更具體而言涉及改進(jìn)對流量設(shè)定點(diǎn)變化的控制響應(yīng)，以及對控制回路的工作條件(回路壓力)變化的控制響應(yīng)。
背景技術(shù)：
在流量控制系統(tǒng)中，閥可以由智能控制器或其它基于CPU的設(shè)備(如個(gè)人計(jì)算機(jī))控制。該控制器設(shè)備典型地執(zhí)行某些形式的PID(比例、積分、微分)算法來進(jìn)行流量控制。作為控制回路的輸入，流量計(jì)常常提供流速?？刂破鬟B續(xù)監(jiān)測流速，并將其與期望流速(如設(shè)定點(diǎn))比較。實(shí)際流速與設(shè)定點(diǎn)之間的差值通稱為誤差項(xiàng)。由控制器生成來驅(qū)動(dòng)閥的信號(hào)依賴于該誤差項(xiàng)和算法所使用的PID項(xiàng)。小的誤差項(xiàng)要求控制所述閥的信號(hào)的小變化，而大的誤差項(xiàng)要求控制所述閥的信號(hào)的較大變化。
控制器設(shè)備的期望的結(jié)果是保持流量控制回路對于流量設(shè)定點(diǎn)的改變和回路工作條件的改變均正確操作?？刂扑惴ㄖ械腜ID項(xiàng)設(shè)置為收斂于新的設(shè)定點(diǎn)值，或盡可能快地對控制回路條件的變化進(jìn)行補(bǔ)償。他們也設(shè)置為保持控制回路穩(wěn)定(例如，避免回路振蕩)。PID項(xiàng)的這兩個(gè)功能典型地是相反的，由于PID算法的響應(yīng)越快，該回路的穩(wěn)定性越小。然而，由于該控制回路必須穩(wěn)定地確保生產(chǎn)過程持續(xù)地正確和安全地操作，典型地犧牲控制回路速度來換取回路的穩(wěn)定性。
對于不同類型的控制回路，該P(yáng)ID項(xiàng)的具體值是不同的。例如流量控制回路，其是相當(dāng)快的，需要與通常較慢的溫度控制回路不同的PID控制項(xiàng)。每種類型的控制回路會(huì)將該項(xiàng)優(yōu)化以保持循環(huán)穩(wěn)定，并且盡可能小地偏離控制設(shè)定點(diǎn)。控制回路從設(shè)定點(diǎn)或優(yōu)化控制值偏離的流量時(shí)間越長，用戶需要等待開始生產(chǎn)過程的時(shí)間越長，或更差的情況，用戶生產(chǎn)出的次品越多。例如，用戶可能在生產(chǎn)過程中正在使用或生產(chǎn)非常昂貴的化學(xué)物質(zhì)，所以當(dāng)該回路沒有處于正確的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，必須丟掉生產(chǎn)出的化學(xué)物質(zhì)。因此需要控制回路盡可能快地響應(yīng)設(shè)定點(diǎn)的改變或響應(yīng)回路工作條件的改變。
在典型的流量控制回路中，該流量計(jì)和控制閥是獨(dú)立的設(shè)備。該流量計(jì)可以使用幾種不同的技術(shù)中的一種來進(jìn)行流量測量。典型的設(shè)備包括超聲，壓差，旋渦，槳輪和其它技術(shù)。該控制閥可以使用幾個(gè)不同技術(shù)中的一個(gè)。示例包括閘閥，隔膜閥，節(jié)流閥，球閥，蝶形閥，或其它類型的閥。在傳統(tǒng)的加工廠中，該控制器設(shè)備位于已知為過程控制系統(tǒng)的獨(dú)立的設(shè)備中。該過程控制系統(tǒng)包括一個(gè)具有讀取流量計(jì)的輸入和至驅(qū)動(dòng)閥的輸出的大型計(jì)算機(jī)，該輸入和輸出典型地是4-20mA的電流信號(hào)，但也可以是電壓信號(hào)或數(shù)字通信信號(hào)。該過程控制系統(tǒng)可以控制加工廠中的各種壓力、溫度和流量控制回路。其包括PID項(xiàng)以進(jìn)行每個(gè)回路的控制功能。每個(gè)控制回路理論上具有存儲(chǔ)在過程控制系統(tǒng)中的、自身唯一的PID項(xiàng)。
無論采用了何種技術(shù)，控制閥具有一個(gè)開口，其可以變化以增大和減小通過該開口的流量。液體流過該閥的速度依賴于該開口的尺寸和該閥的入口和出口壓力。因此，如果該閥的上游或下游的壓力發(fā)生了改變，該控制器必須調(diào)整該閥開口，以維持通過該閥的恒定的流速。調(diào)節(jié)流量回路工作條件的這些類型的變化以保持流速恒定是該P(yáng)ID算法的功能。
在通常的流量控制回路中，例如，如圖1所示，該控制器設(shè)備不“知道”控制閥的工作條件。更具體地說，一般地該設(shè)備不監(jiān)控該閥孔的入口壓力、出口壓力或孔口的大小。其簡單地監(jiān)控該流量計(jì)，比較產(chǎn)生的流量計(jì)值與該設(shè)定點(diǎn)，并通過PID算法操作該閥。其結(jié)果是搜索或?qū)ふ覍⒃撜`差項(xiàng)變?yōu)?的閥位置。PID算法中的這種搜索或?qū)ふ姨匦允沟闷渌俣炔豢?。圖2a和圖2b示出了示意性的PID控制回路分別對大和小的設(shè)定點(diǎn)變化的響應(yīng)，而圖2c和圖2d示出了PID控制回路分別對大和小的回路狀況變化的響應(yīng)。
為了克服PID控制回路的一些缺陷，可以測量、由數(shù)學(xué)模型確定或由其它方式確定該回路對設(shè)定點(diǎn)變化的響應(yīng)。新設(shè)定點(diǎn)值于是通過一個(gè)新的模型，該模型使用該預(yù)定回路響應(yīng)信息，以將該控制回路的響應(yīng)優(yōu)化到該新的設(shè)定值。然而在流量控制回路中使用該方法的缺陷是該回路對不同的入口和出口壓力和閥的開口尺寸具有不同的響應(yīng)。因此僅可對一組給定的工作條件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。另外，該設(shè)定點(diǎn)建模方案不能改進(jìn)對回路工作條件改變的控制回路響應(yīng)。
用于改進(jìn)控制回路對設(shè)定點(diǎn)的響應(yīng)的設(shè)定點(diǎn)建模方法的擴(kuò)展使用前饋信號(hào)(及其控制器信號(hào))以力求改進(jìn)對設(shè)定點(diǎn)變化的響應(yīng)。其通過對控制器和PID算法進(jìn)行旁路來進(jìn)行，并直接地影響驅(qū)動(dòng)該控制閥的信號(hào)。然而，該方案有與上述優(yōu)化方案相同的缺陷。更具體地說，該前饋信號(hào)獨(dú)立于該閥的工作條件，并且該方法僅僅改進(jìn)了對設(shè)定點(diǎn)改變的控制響應(yīng)，而不能改進(jìn)對回路工作條件變化的響應(yīng)。
一種可用于克服對控制回路工作條件的擾動(dòng)的PID響應(yīng)中的缺陷的方法是一種包括前饋擾動(dòng)校正方案的方法。如果控制回路具有一個(gè)已知類型的擾動(dòng)發(fā)生，該方法是適當(dāng)?shù)?，其中該擾動(dòng)導(dǎo)致回路輸出偏離期望輸出一個(gè)較長時(shí)間。該方法涉及實(shí)際測量該擾動(dòng)(其可以是溫度或壓力偏差)，并通過旁路該控制器和PID算法而將該偏差校正為直接影響該閥控制信號(hào)。該方法從校正該擾動(dòng)的信號(hào)中去除了PID算法的時(shí)間響應(yīng)。該方法在擾動(dòng)已知，并且可以精確地和經(jīng)濟(jì)地測量該擾動(dòng)，并且如果擾動(dòng)的效果是已知的情況下工作得較好。
使用前饋擾動(dòng)校正的一個(gè)缺陷是該前饋信號(hào)僅僅是一個(gè)校正信號(hào)。因此該信號(hào)必須與該P(yáng)ID算法一起正確地施加。換句話說，如果PID響應(yīng)對于特定的回路是慢的，那么該前饋信號(hào)需要比快的控制回路施加更長時(shí)間。另外，該前饋信號(hào)僅僅校正一個(gè)測量到的回路擾動(dòng)。如果發(fā)生了另一個(gè)沒有監(jiān)控到的擾動(dòng)，或者在擾動(dòng)的過程中設(shè)定點(diǎn)變化了，那么除了期望的之外，該前饋信號(hào)可以沿相反的方向驅(qū)動(dòng)控制閥。
因此，現(xiàn)有技術(shù)需要一種流量設(shè)備，其可提高流量控制系統(tǒng)的變化了的設(shè)定點(diǎn)之間的響應(yīng)時(shí)間，無論這種設(shè)定點(diǎn)的變化是設(shè)定點(diǎn)的有意變化和/或是基于流量擾動(dòng)的變化。該系統(tǒng)優(yōu)選地包括一向該近似設(shè)定點(diǎn)設(shè)置的快速運(yùn)動(dòng)，然后提供閉環(huán)控制以維持該設(shè)定點(diǎn)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，并致力于解決這些需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總體上涉及流體流量計(jì)量和控制系統(tǒng)，更具體地說，涉及改進(jìn)流量控制回路的響應(yīng)時(shí)間；更具體地說，改進(jìn)對流量設(shè)定點(diǎn)變化及其控制系統(tǒng)和回路的工作條件(回路壓力)的變化的控制響應(yīng)。本發(fā)明的一個(gè)方面涉及對通過一個(gè)可變孔的流體流進(jìn)行計(jì)量的方法。采用本發(fā)明的優(yōu)選的環(huán)境包括控制該可變孔內(nèi)的節(jié)流元件的物理位置，由此改變該孔的橫截面積。
在根據(jù)本發(fā)明的原理建立的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于計(jì)量流體流量的設(shè)備，其中該設(shè)備是具有可變孔的類型。該設(shè)備包括一個(gè)可變大小的孔，其由流體流管道和相對于該流體流管道可動(dòng)以改變該孔尺寸的元件限定而成；一個(gè)壓力傳感器，其配置成確定該孔兩側(cè)的壓差并生成壓力信號(hào)；一個(gè)定位設(shè)備，配置為確定該元件相對于管道的位置，并生成位置信號(hào)；和處理器，其配置為使用該壓力信號(hào)和該位置信號(hào)確定該流體的流率。
根據(jù)本發(fā)明原理的另一設(shè)備是用于測量和控制流體流量的設(shè)備。該設(shè)備包括具有可變孔的管道，該可變孔由一個(gè)適于和配置為與管道表面接合、以控制管道中的流體流量的可動(dòng)元件限定；壓力傳感器，其配置為測量管道中的壓力；一定位設(shè)備，配置為確定該可動(dòng)元件相對于該管道表面的位置；和處理器，配置為基于可動(dòng)元件的位置和測量到的壓力計(jì)算排放系數(shù)，并計(jì)算通過該管道的流體流量。該處理器還配置為比較計(jì)算得到的流體流量與期望的流體流量，并調(diào)整該可變孔的位置以按照要求增大或減小流體流量。
本發(fā)明提供了直接操作以控制該可調(diào)節(jié)閥或孔的能力。或者，采用本發(fā)明原理的系統(tǒng)可以在直接模式和PID模式之間來回切換。當(dāng)處于PID模式時(shí)，系統(tǒng)采用具有可變增益項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)的PID算法，以優(yōu)化給定硬件的性能。當(dāng)控制器基于該設(shè)定點(diǎn)和該輸入和輸出壓力而直接改變閥位置較為有利時(shí)，該系統(tǒng)切換到直接模式。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種控制系統(tǒng)用于控制通過該可變孔的流體的流量，其包括用于確定該孔兩側(cè)的壓差并用于生成壓力信號(hào)的傳感器；用于確定可動(dòng)節(jié)流元件的位置并用于生成位置信號(hào)傳感器，該元件限定了該孔的至少一部分；控制器，用于監(jiān)控壓力信號(hào)和位置信號(hào)，該控制器具有第一PID控制算法和該可動(dòng)節(jié)流件在該孔內(nèi)直接移動(dòng)的第二算法。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種計(jì)量通過可變孔的流體流量的方法，該方法包括如下步驟控制位于該孔內(nèi)的節(jié)流元件，以改變由該可變孔限定的橫截面積；測量該可變孔兩側(cè)的壓差；和當(dāng)達(dá)到預(yù)定壓差時(shí)，在第一控制算法和第二控制算法之間切換。
盡管就優(yōu)選的實(shí)施例結(jié)構(gòu)和這里使用的特定設(shè)備而描述本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于這里描述的結(jié)構(gòu)和組件。同樣，盡管在此描述特定類型的可變孔和壓力傳感器，也應(yīng)當(dāng)理解，該特定的孔和傳感器并不是以限制性的方式給出的。而是，本發(fā)明的原理可延伸到需要進(jìn)行流量控制的任何環(huán)境。在閱讀了對本發(fā)明的更詳細(xì)的描述之后，本發(fā)明的這些和其它變化會(huì)變得更清楚。
在隨附的權(quán)利要求中特別地指出了本發(fā)明的特征和有益效果，該權(quán)利要求形成了本文的一部分。為了更好地理解本發(fā)明，然而，應(yīng)當(dāng)參考也形成為本文一部分的附圖，并參照下文的描述，其中示出了和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。


通過參照附圖描述了示例性的實(shí)施方式。其中圖1是示出了現(xiàn)有技術(shù)中流量控制回路的元件的方框圖；圖2a是示出了對大設(shè)定點(diǎn)變化的代表性的PID響應(yīng)的曲線圖；圖2b是示出了對小設(shè)定點(diǎn)變化的代表性的PID響應(yīng)的曲線圖；圖2c是示出了對大控制回路條件變化的代表性的PID響應(yīng)的曲線圖；圖2d是示出了對小控制回路條件變化的代表性的PID響應(yīng)的曲線圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明原理的流量設(shè)備的俯視立體圖；圖4是圖3中示出的流量設(shè)備的俯視圖；圖5是圖4中示出的流量設(shè)備的示例性配置沿橫截面指示線5-5的截面圖；圖6是圖5中示出的示例性流量設(shè)備沿橫截面指示線6-6的橫截面視圖；圖7是圖5中示出的設(shè)備的孔和可動(dòng)元件部分的放大視圖；圖8是圖4中示出的示例性流量設(shè)備沿橫截面指示線8-8的橫截面視圖；圖9是圖4中示出的示例性流量設(shè)備沿橫截面指示線9-9的橫截面視圖，該示例性設(shè)備具有一個(gè)通向該孔的矩形入口；圖10是圖4中示出的示例性流量設(shè)備沿橫截面指示線10-10的橫截面視圖；圖11是圖4中示出的示例性流量設(shè)備的替換實(shí)施例沿橫截面指示線11-11的橫截面視圖；該示例性設(shè)備具有通向該孔的圓形入口；圖12是根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的實(shí)施例的各種元件的功能方塊圖；
圖13是示出了本發(fā)明控制系統(tǒng)的原理的功能方塊圖；圖14是編程步驟的邏輯流程圖，可以采用圖13中的控制器塊225以在直接運(yùn)動(dòng)模式和PID控制模式之間切換；圖15a是示出了使用直接模式時(shí)對大設(shè)定點(diǎn)的變化的代表性響應(yīng)；圖15b是示出了使用直接模式時(shí)對小設(shè)定點(diǎn)的變化的代表性響應(yīng)；圖15c是示出了使用直接模式時(shí)對大控制回路條件變化的代表性響應(yīng)；圖15d是示出了使用直接模式時(shí)對小控制回路條件變化的代表性響應(yīng)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明總體上涉及流體流量計(jì)和控制設(shè)備，更具體涉及用于控制流經(jīng)可變尺寸孔流量設(shè)備的流量的可變尺寸孔流量設(shè)備和系統(tǒng)。可變尺寸孔可特別適于在差壓流量計(jì)中使用，這里將參考數(shù)個(gè)附圖對其描述，然而該應(yīng)用僅僅是可應(yīng)用本發(fā)明原理的多個(gè)應(yīng)用中的示例。
為了更清楚地描述本發(fā)明，對流量控制系統(tǒng)的詳細(xì)描述將推遲，首先描述本發(fā)明所應(yīng)用的優(yōu)選的環(huán)境可變孔設(shè)備。
流量設(shè)備示例在圖3-11中示出了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)建的用于控制和測量流體流量的流量設(shè)備10。該設(shè)備包括一個(gè)殼體12、一個(gè)可移動(dòng)元件14、第一和第二壓力傳感器16、18、以及入口和出口管連接器22、20。管道30穿過殼體形成并且包括第一、第二和第三管段50、52、54。殼體還包括在橫切管道30的方向上與管道30交叉的第一和第二傳感器孔36、38、以及同樣在橫切管道30的方向上與管道30交叉的元件孔40。在此示例中，元件孔40和傳感器孔36、38彼此平行而延伸，但是在其它實(shí)施方式中可彼此垂直而對齊。殼體12可分割成獨(dú)立的部件或兩半13、15(見圖3)以便于在殼體內(nèi)精確形成復(fù)雜特征，或者可一體形成為單一部件。
可移動(dòng)元件14包括一個(gè)基部42和一個(gè)接觸元件44，并且位于元件孔40內(nèi)，從而延伸到管30的第二管段52。接觸元件44包括一個(gè)前緣46、一個(gè)錐形后緣48、以及一個(gè)平面的接觸面49(見圖7)，該接觸面49構(gòu)造成與第二管段52的平面(例如，下面討論的并且示于圖7的固定壁90)配合。可移動(dòng)元件14能夠沿著一個(gè)線性軸線在打開(縮回)位置和關(guān)閉(延伸)位置之間的位置范圍內(nèi)可移動(dòng)地調(diào)節(jié)，其中可移動(dòng)元件14的運(yùn)動(dòng)限制在線性軸線上。打開位置允許最大的流體流量經(jīng)過管道30。隨著可移動(dòng)元件14朝向關(guān)閉位置移動(dòng)，由于與流體接觸導(dǎo)致經(jīng)過管道30的流體流量減少。對于在元件孔40內(nèi)的可移動(dòng)元件14的調(diào)節(jié)可通過使用例如線性致動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、液壓或氣壓致動(dòng)器、螺線管、伺服電機(jī)或者諸如帶有指旋鈕螺紋軸的手動(dòng)設(shè)備等進(jìn)行?？梢苿?dòng)元件14的位置可通過例如霍耳效應(yīng)傳感器、磁致伸縮設(shè)備、線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)、光學(xué)編碼器以及其它確定位置的技術(shù)來確定。
將元件14的移動(dòng)限制為在元件孔40內(nèi)的線性運(yùn)動(dòng)可簡化對可移動(dòng)元件14的定位。其它方法可基于相對于可移動(dòng)元件的移動(dòng)增量“導(dǎo)出”可移動(dòng)元件14的位置。在一個(gè)示例方法中，可移動(dòng)元件14可從一個(gè)參照位置——例如完全打開或完全關(guān)閉的位置——移動(dòng)一定步數(shù)?？删帉懣刂圃O(shè)備10的軟件以將所移動(dòng)的步數(shù)轉(zhuǎn)換為所移動(dòng)的距離。在這種構(gòu)造中將不需要獨(dú)立的位置測量設(shè)備，這可減少用于設(shè)備10的硬件數(shù)量并且降低復(fù)雜性。該方法的一個(gè)可能的缺點(diǎn)是，如果元件鎖定在一個(gè)位置而處理器卻認(rèn)為該元件移動(dòng)一些步數(shù)——此時(shí)元件實(shí)際上靜止，那么就發(fā)生潛在的不準(zhǔn)確的位置測量。與步進(jìn)馬達(dá)或線性馬達(dá)一起使用的編碼器、或者從相關(guān)的移動(dòng)增量“導(dǎo)出”線性位置的其它設(shè)備可具有潛在的不精確等類似問題。
第二管段52包括一個(gè)入口部60、一個(gè)出口部62和一個(gè)位于該入口部60和出口部62之間的孔部64。入口部60在一端與傳感器腔32流體連通，并且在鄰接孔部64的第二端包括多個(gè)錐形面。類似地，出口部62在一端與傳感器腔34流體連通，并且在鄰接孔部64的第二端包括多個(gè)錐形面。
該設(shè)備的孔段的入口和出口部包括多個(gè)固定的側(cè)壁，在本實(shí)施方式中這些側(cè)壁確定了一個(gè)非圓形的截面。其它實(shí)施方式可包括具有圓形截面的孔段的入口和出口部(見在圖11中的入口部160的示例截面)，該構(gòu)造在一些情況下可以是優(yōu)選的。示例的第一和第三部分60、62包括四個(gè)基本上呈方形的四個(gè)固定壁(見在圖9中的入口部60的示例截面)。在本文件全文中，矩形定義為四壁的形狀，而方形定義為四壁長度相同的矩形。矩形的壁基本上是平的或線性的，并且兩個(gè)壁的交叉提供了大約90度的角度。在一些應(yīng)用中，矩形的角由于制造限制可以是具有倒圓、倒角、削角等特征的稍微的錐形。此外，一個(gè)或多個(gè)壁的一部分可以略微地傾斜或斜切以產(chǎn)生密封點(diǎn)或者滿足其它設(shè)計(jì)目標(biāo)并且/或者解決制造限制問題。在包括線性和彎曲壁的組合的實(shí)施方式中(未示出)，這些壁的交叉點(diǎn)也可包括例如倒圓、倒角、削角等特征。最后，一個(gè)或多個(gè)壁的一部分可通過墊圈或密封件的暴露面形成。
在入口部60的側(cè)壁內(nèi)形成錐形70、72、74、76以在入口部60對接孔部64的位置減少截面積。錐形70、72、74、76在單一的軸向位置對齊，從而步調(diào)一致地減少部分60的截面積(見圖5-7)。出口部62在相對的側(cè)壁也包括一個(gè)帶有錐形面78、80(見圖6)的方形截面，從而在孔部64和出口部62之間的過渡位置減少出口部62的截面積。
孔部64包括三個(gè)固定壁90、92、94，其中固定壁90包括一個(gè)錐形后緣96和一個(gè)前緣98(見圖7)。由此，孔部64的截面積以錐度向外兩步延伸到部分62的較大的截面積，這兩步對應(yīng)兩套錐形96、48和78、80。如圖10的剖面視圖所示，孔部64的截面積與圖9中示出的入口部60的截面積相比較小。
移動(dòng)元件44和孔部64的前緣46、98和后緣96、48分別提供了出入孔部64的恒定的流動(dòng)特征?？撞?4的截面尺寸由相對于孔部64的固定壁90、92、94的移動(dòng)元件14的位置確定?？撞?4沒有傳感器開口和死容積空間，以避免對流體流動(dòng)的擾亂和潛在的處理材料或沉積物的積聚。
一個(gè)線性致動(dòng)器(在圖12中最清楚地示出為塊106)被用來實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)元件14的移動(dòng)。通過沿著單一線性軸線移動(dòng)，可移動(dòng)元件14線性地改變孔部64的截面尺寸，同時(shí)維持大體一致的形狀以提供經(jīng)過可移動(dòng)元件的位置范圍的相對一致流動(dòng)特征的設(shè)定?？撞?4的截面形狀允許根據(jù)在可移動(dòng)元件14的位置范圍內(nèi)的位置可重復(fù)地調(diào)節(jié)流體流量。在一個(gè)其中一致的形狀是矩形的示例中，孔部64的截面的高度隨著可移動(dòng)元件14在打開和關(guān)閉位置之間移動(dòng)而減少尺寸。維持矩形形狀、或者至少為具有至少一個(gè)平面或線性側(cè)壁的形狀，減少了在流動(dòng)特征上的變化——由此當(dāng)確定針對每個(gè)孔的尺寸的流率時(shí)減少了錯(cuò)誤。
使用時(shí)，流體首先通過管30的第一段50進(jìn)入流量設(shè)備10(該示例將用于對本發(fā)明的各方面的描述的剩余部分)。經(jīng)過管段50的流體具有與第一管段50的圓形截面相匹配的流動(dòng)特征。流體然后進(jìn)入打開的傳感器腔32，在那里在流體流進(jìn)入第二管段52的非圓形入口部60之前提供了一個(gè)過渡容積。流體然后通過剛好在孔部64之前形成在入口部60內(nèi)的數(shù)個(gè)錐形減少了截面積。如上所述，由于孔部64的非常小的截面積以及由前緣46、98產(chǎn)生的壁狀結(jié)構(gòu)，在入口處向孔部64產(chǎn)生了較高的壓力?？撞?4的截面積依賴于在方向A的可移動(dòng)元件14的位置。沿著方向A的每個(gè)位置對應(yīng)著孔部64的不同截面積，用來確定經(jīng)過流量設(shè)備10的體積流。
在流體從由孔部64和可移動(dòng)部件14確定的孔出來后，流體流的截面積由于錐形78和80以及后緣48和96而增加。出口部62的截面積優(yōu)選具有如同入口部60的截面(其在流量設(shè)備10的示例流動(dòng)設(shè)備中是方形截面——在圖9中看得最清楚)的小尺寸和形狀。從出口部62出來的流體進(jìn)入傳感器腔34——在那里在流體流進(jìn)入第三管段54之前提供了另外的過渡容積——并且采取了用于第三管段54的圓形截面的流動(dòng)方式。
第一和第二壓力傳感器16、18位于孔部64的相對側(cè)，從而能夠在管道30的第二段52的入口側(cè)和出口側(cè)處的壓差。第一和第二壓力傳感器16、18可靠近處理液安裝以減少流體的死容積量，并且減少在第一和第二壓力傳感器16、18和管道30內(nèi)的流體之間的結(jié)晶和顆粒積聚。在本發(fā)明的另一方面，可使用單一的壓差傳感器以與第一和第二傳感器腔32、34通訊以確定壓差。此外，在第一和第二傳感器腔32、34的一個(gè)具有固定壓力的應(yīng)用中可僅需要一個(gè)單一壓力傳感器。例如，若第二傳感器腔34處于孔的下游并且在大氣壓力下清空成一個(gè)開放的容器，下游的壓力測量是不需要的，并且來自第一傳感器16的壓力測量值可單一地與大氣壓力一起使用來確定壓差。類似地，若第一傳感器腔32在孔部64的上游并且從壓力緊緊地控制在一個(gè)固定值的加壓容器中接收液體，上游壓力是不需要的，并且來自第二傳感器18的壓力測量值可單一地與固定上游壓力值一起使用以確定壓差。
其它實(shí)施方式的例子可使用單一的壓差傳感器，該壓差傳感器從設(shè)備的孔部的入口和出口側(cè)讀取壓力值，并且確定經(jīng)過孔部的壓差。這種和其它類型的傳感器無需安裝在傳感器孔上，所使用的傳感器孔也無需具有比管道的截面積更大。例如，傳感器可配置成使用小的探針獲取壓力讀數(shù)，其中該小探針需要與管道尺寸相比非常小的進(jìn)入管道的開口，并且傳感器可安裝在設(shè)備外殼內(nèi)或者鄰接該設(shè)備外殼的一個(gè)不同位置。
然而，進(jìn)一步的實(shí)施方式可不包括任何直接與設(shè)備相關(guān)聯(lián)的傳感器，而是可配置成使用由外部源提供的壓力信號(hào)。這種來自外部源的壓力讀數(shù)可包括，例如來自位于設(shè)備的上游或下游的壓力傳感器的壓力讀數(shù)，或者表示用于在設(shè)備的上游或者下游的系統(tǒng)的已知靜壓狀況的壓力信號(hào)。由此，雖然該設(shè)備無需壓力傳感器，該設(shè)備優(yōu)選配置成使用其目的是測量和控制流經(jīng)設(shè)備的流體的壓力信號(hào)。
表示越過孔的壓差的壓力信號(hào)可與孔的截面積、剛好在孔之前或之后的入口和出口部的截面積、以及流體的密度一起使用，用以確定體積流率。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)優(yōu)選實(shí)施方式的設(shè)備在其中該設(shè)備用作流量計(jì)的環(huán)境中使用時(shí)，那么壓力信號(hào)(ΔP)可在每種流率下通過變化孔的尺寸優(yōu)化。例如，壓力信號(hào)可通過改變孔的尺寸針對一給定流率而設(shè)定在最小值。此外，壓力信號(hào)可通過改變孔的尺寸針對期望的流率或入口壓力優(yōu)化。當(dāng)優(yōu)選實(shí)施方式的設(shè)備用于其中這種設(shè)備用作流量控制器的環(huán)境中時(shí)，那么入口和出口壓力固定，并且限定了單一孔口以獲得期望的流率。
此外，雖然示出第二管段52的入口部60、出口部62和孔部64的截面是矩形，可以理解，該截面可以是不同形狀的截面，例如，但不限于矩形、等腰三角形等。此外，第二管段52的不同部分可具有不同的形狀和尺寸，并且可沿著第二管段52的每個(gè)部分具有變化的形狀和尺寸。此外，雖然孔部64具有矩形截面，由可移動(dòng)元件14的前緣46和后緣48以及固定壁90、92、94的前緣98和后緣96限定的孔部64的前部和后部可具有與圖中所示的那些不同的尺寸、形狀和取向。
功能性元件圖3-11所示的流量設(shè)備10的優(yōu)選實(shí)施方式的特征在圖12中概略地示出為流量設(shè)備組件100的一部分。組件100包括一個(gè)微控制器102，該微控制器102控制多數(shù)其它組件并與這些組件通訊。組件100包括一個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路104、一個(gè)線性致動(dòng)器106、一個(gè)位置傳感器參照裝置108、一個(gè)位置傳感器110、以及一個(gè)與流量設(shè)備變尺寸孔相關(guān)的模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)112、以及一個(gè)開關(guān)114、調(diào)節(jié)器116、開關(guān)調(diào)節(jié)器150、以及控制送往塊106、108、110、112的電力的線性調(diào)節(jié)器118。微處理器102可以是任何合適的處理器或者控制器，例如由San Jose，CA的RENESAS制造的HD64F3062十六位微處理器。
組件100還包括一個(gè)壓力傳感器參照裝置120、一個(gè)高壓力傳感器122、一個(gè)低壓力傳感器124、以及一個(gè)差分放大器126、128和一個(gè)ADC129，它們一起用來確定在流量設(shè)備內(nèi)的壓差。例如RAM 130、NVROM132和程序存儲(chǔ)器134等不同的存儲(chǔ)設(shè)備可由微處理器102使用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如在圖14中給出的邏輯程序步(和/或下面討論的PID方程)、指令、代碼、算法等。
微處理器102可接收呈電流信號(hào)——具有例如4-20mA的量級(jí)并且利用ADC 136轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)——形式的輸入，并且可通過UART 138和數(shù)字接口140直接與數(shù)字信號(hào)交流。微處理器102還可產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)利用電壓基準(zhǔn)142、數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)144和輸出電路146轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，其中輸出電路146產(chǎn)生例如4-20mA量級(jí)的信號(hào)。組件100可使用為組件100的各部件供電的、包括負(fù)調(diào)節(jié)器148和開關(guān)調(diào)節(jié)器150的電源。
溫度輸入152通過放大器154和ADC塊156供給微處理器102。可設(shè)置電壓隔離塊158和160，以從輸入和輸出設(shè)備隔離微處理器102。
響應(yīng)來自壓力傳感器塊122和124的壓力信號(hào)，微處理器102可確定改變可變孔的閥的物理位置。為此，微處理器102使用致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路塊104以接合線性致動(dòng)器106。這又移動(dòng)可變孔14(例如閥)。位置傳感器110可在可變孔14的實(shí)際或暗指的位置上提供反饋。
微處理器102通過測量越過可變孔的壓降計(jì)算流量。該可變孔用來基于流量計(jì)的壓差的限制器，并且還可用作閥以控制流率。因此，為了之下流量控制，無需獨(dú)立于流量計(jì)的閥。因此，圖3-11中示出的部件、結(jié)合圖12的基于微處理器的電子元件形成了一個(gè)完整的流量計(jì)/控制器。
由于圖12示出的可變孔14當(dāng)用于流量控制時(shí)還執(zhí)行閥功能，閥孔的上游和下游的壓力受到監(jiān)控。位置傳感器塊110監(jiān)控“活塞”元件14的位置，該元件14前后滑動(dòng)以改變孔的尺寸。圖12還示出一個(gè)溫度傳感器塊152，其優(yōu)選物理地駐留在下游壓力傳感器內(nèi)。該溫度傳感器152安裝成非?？拷鼔毫鞲衅鞯母裟?，并且用來監(jiān)控流經(jīng)流量計(jì)/控制器的流體的溫度。
控制方法和裝置現(xiàn)在參見圖3，其中示出系統(tǒng)200，用于控制閉環(huán)可變孔流量計(jì)的流速。該系統(tǒng)包括控制閥205，該控制閥可以用圖12中的可變孔14實(shí)現(xiàn)。位置傳感器塊210判斷控制閥塊205的實(shí)際和/或暗指位置，以確定孔的大小和相應(yīng)的流量特征。該位置傳感器塊可以用位置傳感器10來實(shí)現(xiàn)。壓力檢測塊215和220分別判斷相對于控制閥塊205下游和上游的壓力。這樣的壓力檢測塊分別可以用壓力傳感器124和122實(shí)現(xiàn)。壓力傳感器215和220的輸出以及位置信息被提供給控制器塊225?？刂破鲏K225可以用微處理器102實(shí)現(xiàn)。流量設(shè)定點(diǎn)也被作為輸入提供給控制器塊225。流量計(jì)塊230監(jiān)測下游流量輸出，并將該反饋提供給控制器塊225。
仍然參考圖13，在閥將工作的所有入口和出口壓力下，以及所有的閥位置上，閥的流量特征為控制器塊225所知。這些流量特征可以由閥的設(shè)計(jì)所知，和/或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定(例如，對每個(gè)閥進(jìn)行測量，作為制造過程的一部分)。流體的溫度和類型也為所述控制器塊225所知。流體類型優(yōu)選地為已知，因?yàn)殡S溫度而變化的流體的粘性和密度會(huì)影響通過控制閥塊205的流量。
下面兩個(gè)公式表示通過閥塊205的流量關(guān)系F＝f(T，ΔP，V) (公式1)其中F＝流量T＝溫度ΔP＝壓力差V＝閥位置V＝g(T，ΔP，F(xiàn)) (公式2)
其中V＝閥位置T＝溫度ΔP＝壓力差F＝流量為了執(zhí)行通過閥塊205的流量的正常計(jì)算，求解公式1。公式2由閥塊205的設(shè)計(jì)所產(chǎn)生，或者通過在制造過程中標(biāo)注通過每個(gè)閥的流量來產(chǎn)生，如上所述。當(dāng)輸入一個(gè)新的設(shè)定點(diǎn)或當(dāng)流量回路條件變化時(shí)，導(dǎo)致期望流速F’與實(shí)際流速之間的差異。利用公式2來計(jì)算與該期望流速相關(guān)的一個(gè)新的閥位置，如下所示V′＝g(T，ΔP，F(xiàn)′)求解該公式后，控制器塊225可以直接將閥塊205的可變閥的位置移動(dòng)至該新位置。這樣與利用PID算法找到新位置相比，可以非常快速地移動(dòng)到該新位置。
利用圖13所示的系統(tǒng)200按照公式1和公式2進(jìn)行控制的方法可以按照其它方式實(shí)現(xiàn)。一種優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式包括一個(gè)系統(tǒng)，其中控制器通過使用PID控制算法在正常操作條件下(如，小的回路變化)維持設(shè)定點(diǎn)。然而，當(dāng)發(fā)生設(shè)定點(diǎn)的變化，或回路操作條件的變化時(shí)，PID算法被暫停，而求解公式2。于是控制器塊225立即將閥移動(dòng)到位置V’。在該移動(dòng)之后，PID算法被復(fù)位，繼續(xù)操作控制。
導(dǎo)致PID算法暫停和直接改變閥位置的設(shè)定點(diǎn)變化量或回路操作條件變化量可以由用戶設(shè)置，或者可以是在制造控制器時(shí)輸入的缺省值。
一種可以實(shí)現(xiàn)圖13所示系統(tǒng)的方法是根本不使用PID算法，而是通過求解公式1，并對求解結(jié)果與設(shè)定點(diǎn)之間的差進(jìn)行積分，并將其加到公式2的結(jié)果上。該積分值用于克服控制閥塊205的位置的有限分辨率。如果不加積分，控制閥塊205將僅僅被設(shè)置為最接近產(chǎn)生期望流速的位置。這樣造成的不精確在有的場合可能無法接受。通過加積分，閥位置將以一種方式上下移動(dòng)，以產(chǎn)生等于期望流速的平均流速。這與靜態(tài)控制中PID算法執(zhí)行的積分的功能基本相同。
在本例中，閥位置可能在控制閥塊205的離散位置附近抖動(dòng)。如果離散的實(shí)際物理位置不等于實(shí)際的期望位置，這類抖動(dòng)可能是必要的。抖動(dòng)型的動(dòng)作據(jù)此通過一次或多次移動(dòng)(“抖動(dòng)”)來近似實(shí)際的期望位置。
當(dāng)公式2中的函數(shù)g未知時(shí)，可以采用改進(jìn)圖13所示系統(tǒng)的回路響應(yīng)的第二方法。在該情況下，采用數(shù)字方法來利用公式1中的函數(shù)f和T、ΔP、期望流速F’來計(jì)算V’。
使用牛頓方法(Newton’s Method)的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式如下1)在當(dāng)前溫度和差分壓力下計(jì)算流速相對于閥位置的導(dǎo)數(shù)dF/dV=f(T,ΔP,V+x)-f(T,ΔP,V-x)2x]]>(公式3)其中x是相對于閥操作范圍的一個(gè)小的閥位置變化。
2)計(jì)算期望的流速變化cF＝F′-f(T，ΔP，V)(公式4)3)計(jì)算新的閥位置V′=V+cFdF/dV]]>(公式5)如果dF/dV對不同的閥位置顯著變化，則可以用剛剛計(jì)算得到的V’代替V，通過迭代的方式再重復(fù)上述步驟。可以一直這樣做，直到算法收斂到期望的精確度。與典型的PID算法相比，迭代該算法若干次將產(chǎn)生顯著改善的回路響應(yīng)時(shí)間。
正如利用上述第一方法改進(jìn)流量控制響應(yīng)，該第二方法可以與PID算法結(jié)合使用，也可以單獨(dú)與一個(gè)積分項(xiàng)使用，以產(chǎn)生等于流量設(shè)定點(diǎn)的平均流速。
圖15a和15b示出采用上述第二方法時(shí)，產(chǎn)生的改進(jìn)的對設(shè)定點(diǎn)變化的控制回路響應(yīng)。圖15a和15b可以與圖2a和2b所示的PID響應(yīng)圖線比較。圖15c和15d示出采用上述第二方法時(shí)，產(chǎn)生的改進(jìn)的對回路操作條件變化的控制回路響應(yīng)。圖15c和15d可以與圖2c和2d所示的對回路條件變化的PID響應(yīng)圖線比較。
操作中圖14示出可以由控制器塊225采用的，關(guān)于確定是采用直接模式還是PID運(yùn)算模式的編程或邏輯流程步驟。該操作總體上表示為300，在塊301開始。移動(dòng)到塊302，控制器塊225判斷設(shè)定點(diǎn)是否變化。如果答案為“否”，則控制器塊225移動(dòng)到塊303，并計(jì)算必要的PID控制公式，以確定是否有必要對控制閥塊205的位置進(jìn)行任何改變。在進(jìn)行任何這樣的改變后，控制器塊225返回塊302。
如果在塊302的答案為“是”，控制器塊225移動(dòng)到塊304，以便以直接模式操作若干次循環(huán)。在塊304，循環(huán)次數(shù)“i”設(shè)為0。在塊305，進(jìn)行直接模式計(jì)算，并執(zhí)行對控制閥塊205位置的必要改變。移到塊306，“i”加1。如果答案是“否”，則控制器塊225返回塊305。接下來在塊307，控制器塊225判斷“i”是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的循環(huán)次數(shù)“N”。該次數(shù)N用來迭代到正確的位置值。盡管理想地，通過一次孔移動(dòng)即可達(dá)到對于給定流量設(shè)定點(diǎn)和差分壓力的正確位置，但實(shí)踐中一旦孔移動(dòng)到新的物理位置/開度，差分壓力也將變化。如果答案是“是”，則控制器塊返回到塊302。
也可以在塊302判斷控制閥塊205兩側(cè)的差分壓力是否發(fā)生變化。盡管實(shí)際的百分比基于用戶要求和/或期望的性能，并且隨系統(tǒng)類型、所采用的實(shí)際裝備和組件而不同，但是目前可以預(yù)期，差分壓力變化30％可以用作從PID控制改為直接控制的點(diǎn)。
盡管在本申請中描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于這樣的應(yīng)用和實(shí)施例或其中披露和描述的特定組件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，不同于此處描述的，其它體現(xiàn)本發(fā)明原理的組件和其它應(yīng)用也包含在本發(fā)明的主旨和意圖范圍內(nèi)。此處描述的方案只是作為包含和實(shí)踐本發(fā)明原理的一個(gè)實(shí)施例的例子。其它的變化和替換完全在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)范圍內(nèi)，并將包含在所附權(quán)利要求的寬廣范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種控制系統(tǒng)，用于控制通過可變孔的流體流量，該控制系統(tǒng)包括a)用于確定該孔兩側(cè)的壓差并用于生成壓力信號(hào)的傳感器；b)用于確定可動(dòng)節(jié)流元件位置并用于生成位置信號(hào)的傳感器，該元件限定該孔的至少一部分；并且c)用于監(jiān)控該壓力信號(hào)和該位置信號(hào)的控制器，該控制器具有PID控制的第一控制算法和直接移動(dòng)該可動(dòng)節(jié)流元件的第二控制算法。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該控制器基于是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的壓差變化的判斷結(jié)果來確定在PID控制和直接移動(dòng)控制之間切換。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括該控制器使用的第一設(shè)定點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，還包括該控制器使用的第二設(shè)定點(diǎn)，其中當(dāng)使用該第二設(shè)定點(diǎn)時(shí)，該控制器從PID控制改變到直接移動(dòng)控制。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中在預(yù)定循環(huán)次數(shù)之后該控制器返回到PID控制。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，還包括由該控制器執(zhí)行的積分，以在該可動(dòng)節(jié)流元件被限制于一個(gè)不等于實(shí)際期望位置的離散位置時(shí)，近似該可動(dòng)節(jié)流元件的實(shí)際期望位置。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中該積分的形式為該可動(dòng)節(jié)流元件在該實(shí)際期望位置附近抖動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中該第二設(shè)定點(diǎn)由用戶手動(dòng)輸入。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括由該控制器使用的第一和第二設(shè)定點(diǎn)，其中該控制器基于已經(jīng)達(dá)到了壓差的預(yù)定改變的判斷結(jié)果或當(dāng)?shù)诙O(shè)定點(diǎn)要被使用時(shí)的其中之一，來確定在該P(yáng)ID控制和該直接移動(dòng)控制之間的切換。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一個(gè)測量流體溫度并用于生成溫度信號(hào)的傳感器，其中該傳感器監(jiān)控該溫度信號(hào)。
11.一種計(jì)量通過可變孔的流體流量的方法，該方法包括如下步驟控制位于孔內(nèi)的節(jié)流元件，以改變由該可變孔限定的橫截面積；測量該可變孔兩側(cè)的壓差；及當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定的壓差時(shí)，在第一控制算法和第二控制算法之間切換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于計(jì)量流體流量的設(shè)備。該設(shè)備包括一可變大小的孔，其由流體流動(dòng)管道和相對于該流體流動(dòng)管道可動(dòng)以改變該孔的大小的元件限定；壓力傳感器，其配置為確定穿過該孔的壓差并產(chǎn)生壓力信號(hào)；定位設(shè)備，其配置為確定該元件相對于該管道的位置，并產(chǎn)生位置信號(hào)，和處理器，其配置為使用該壓力信號(hào)和該位置信號(hào)確定該流體的流率。該系統(tǒng)可直接控制該可調(diào)節(jié)閥或孔?；蛘?，該系統(tǒng)可在直接模式和PID模式之間來回切換。當(dāng)處于PID模式時(shí)，該系統(tǒng)采用具有可變增益項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)PID算法。當(dāng)對該控制器來說，基于該設(shè)定點(diǎn)和輸入及輸出壓力而直接改變該閥位置是有利的時(shí)候，系統(tǒng)切換到直接模式。
文檔編號(hào)G05D7/06GK1908836SQ20061010590
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月12日
發(fā)明者格蘭特·布雷德利·愛德華茲, 約翰·艾倫·基爾布, 代爾·艾倫·紐金特 申請人:瑞瓦泰克公司