CN110691959A - 用于气瓶的调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气瓶的调节器，该调节器包括本体(2)，在本体(2)内部限定有：进气管(5)，其旨在连接到气瓶；压力室(7)，进气管(5)通入该压力室(7)中；调节装置(9、11、12)，用于调节压力室(7)内部的压力；以及出气管(6)，其从压力室(7)延伸远离。本体(2)包括：电子流量表(23、24)，其布置成测量在出气管(6)中循环的气体的流率；电子测量部件(30)，其布置成获取和存储气体流率测量；以及无线电通信部件(42)，其布置成传递与气体流率测量有关的数据。

Description

用于气瓶的调节器

本发明涉及用于气瓶的膨胀阀领域。

背景技术

对使用者有益的是，能够确定气瓶中的剩余气体水平。使用者能够因此估计气瓶的剩余使用寿命并且能够预料更换它。

也有益的是，能够将气瓶中的剩余气体水平、以及与该气体、气瓶和使用者的气体消耗有关的其它信息传递给气瓶的供应商。气瓶的供应商因此能够有效地管理其气瓶分配回路。

然而，准确地确定剩余气体水平是相对复杂的。无法仅限于通过测量气瓶内部的压力来估算剩余气体水平。具体地，仅当气体的液相已消失时，也就是说，当气瓶实际上已经排空时，气瓶内部的压力才下降。

已经考虑使用各种方法来测量剩余气体水平：光学系统、粘附至气瓶的液晶温度表，测量气瓶的质量等。

但是，这些方法昂贵且难以设计和集成。

发明目的

本发明的目的是以简单且廉价的方式精确地估计气瓶中的剩余气体水平并传递该信息。

发明内容

为了实现该目的，提出了一种用于气瓶的膨胀阀，该气瓶具有：本体，在该本体内部限定有旨在连接到气瓶的进气管；压力室，进气管通入其中；调节装置，用于调节压力室内部的压力；以及从压力室延伸出的出气管。根据本发明，膨胀阀的本体具有：电子流量表，该电子流量表设计成测量在出气管中流动的气体的流率；电测量部件，该电测量部件设计成获取和存储气体的流率测量(值)；以及无线电通信部件，该无线电通信部件设计成传递与气体流率测量有关的数据。

电子流量表使得可以估计气瓶中的剩余气体水平，并且无线电通信部件使得可以传递剩余气体水平以及例如与气瓶、气体类型、气体消耗量等有关的可能的其它数据。

电子流量表测量在出气管中流动的气体的流率。大多数膨胀阀具有这样的出气管。因此，使用了膨胀阀的预先存在的特征，由此使得可以重复使用现有设计，以便利于电子流量表的集成，以及简化和降低根据本发明的膨胀阀的设计成本。

另外提出了一种用于监测气瓶的方法，该气瓶连接有诸如刚刚描述的膨胀阀。监测方法包括以下步骤：

检测膨胀阀的压力室中的压力上升；

计算由气瓶供应的气体的流率；

倒计数气瓶中的剩余气体水平；

将剩余气体水平与预先确定的最低水平进行比较；

如果剩余气体水平达到预先确定的最低水平，则发送警报消息；

如果没有达到，则继续计算气体的流率。

还提出了一种计算机程序，该计算机程序包括用于诸如微控制器之类的处理部件的指令，该微控制器能够集成到膨胀阀中以便执行刚刚描述的监测方法。

附加地提出了一种存储计算机程序的存储装置，该计算机程序包括用于诸如微控制器之类的处理部件的指令，该微控制器能够集成到膨胀阀中以便执行刚刚描述的监测方法。

通过阅读本发明的一个特定的非限制性实施例的以下说明，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

将参考附图，在附图中：

-图1示出了根据本发明的膨胀阀的侧视截面图；

-图2示出了根据本发明的膨胀阀的平面图；

-图3示出了根据本发明的膨胀阀的仰视图；

-图4示出了根据本发明的膨胀阀的电气构架；

-图5示出了根据本发明的用于监测气瓶的方法。

具体实施方式

参考图1至图4，根据本发明的用于气瓶的膨胀阀1具有本体2。在这种情况下，本体2由黄铜制成，但是可以由不同的材料制成。

本体2首先具有入口端口3和出口端口4。入口端口3旨在连接到气瓶。出口端口4旨在连接到位于使用者家中的系统，因而气瓶向该系统供应气体。

在这种情况下，该气瓶是“13kg”气瓶。在这种情况下，入口端口3包括21.8mm的带螺纹的外加螺母(卡式螺母)，该外加螺母的左旋螺纹为1.814mm。出口端口4包括阳M20x1.5螺纹(丝攻)。当然，气瓶、入口端口3和出口端口4可以是不同的。入口端口3和出口端口4可以特别地根据如下条件而变化，即，待连接的气瓶、在哪个国家中使用气瓶，在该国家中要遵守的标准等。

在本体2的内部限定有进气管5、出气管6和位于进气管5与出气管6之间的压力室7。进气管5从入口端口3延伸并向外通入压力室7中。出气管6从压力室7延伸到出口端口4。

压力室7包括用于调节压力室7内部的压力的调节装置和光学传感器，在这种情况下是光学叉8。

调节装置包括可变形的隔膜9、具有可设定的刚度的弹簧11和进气元件12。

可变形的隔膜9将压力室7分成上室7a和下室7b。弹簧11延伸到上室7a中并且具有紧固到刚性板17的端部，刚性板17位于可变形的隔膜9的中心中。上室7a中的压力等于大气压。

进气元件12定位在下室7b中。进气元件12被安装成能够围绕轴线X、在支承件13上枢转，支承件13形成在压力室7的下室7b的底部中。进气元件12具有第一臂14、第二臂15和第三臂16。第一臂14与刚性板17接触。第二臂15位于第一臂14的延伸部分中，第二臂15与光学叉8相互作用。第三臂16本身由进气阀18终止。进气阀18能够在如下的两个极限角位置之间移动：关闭位置，在该位置中进气阀关闭进气管5；以及最大打开位置，在该位置中进气阀以最大打开角度打开进气管5。

压力室7内部的压力调节如下进行。

当膨胀阀1未连接到气瓶时，或者当该膨胀阀连接到完全排空的气瓶时，下室7b内部的相对压力等于大气压，并且因此下室7b内的绝对压力为零。然后，弹簧11排斥可变形的隔膜9，该隔膜继而排斥进气元件12的第一臂14。进气元件12枢转并驱动进气阀18，该进气阀枢转至最大打开位置。当进气元件18位于最大打开位置时，第二臂15的自由端被光学叉8检测到。

因此，光叉8起到零绝对压力检测器的作用。

当膨胀阀1连接到未完全排空的气瓶时，由气瓶供应的气体的压力倾向于增加下室7b内部的压力。下室7b内部的压力排斥隔膜9并且压缩弹簧11。进气元件12将进气阀18枢转到关闭位置。当下室7b内部的压力与大气压力之间的差到达预先定义的压力阈值时，进气阀18到达关闭位置。气体不再进入下室7b。

因此确保了由气瓶供应至系统的气体的压力与大气压之间的差不超过预先定义的压力阈值。预先定义的压力阈值特别取决于气体类型和使用的国家中的规定。预先定义的压力阈值常规地在28mbar(毫巴)至38mbar(毫巴)之间。

膨胀阀1还具有在膨胀阀1的上表面上可触及的设定螺钉19。设定螺钉19使得例如在工厂中可以调节将弹簧11压抵隔膜9的设定板21的位置。因此，调节设定板21的位置使得可以设定预先定义的压力阈值。

膨胀阀1还具有电子流量表，该电子流量表设计为测量在出气管6中流动的气体的流率。

“电子流量表”理解为是指一种流量表，该流量表以电测量信号的形式进行测量，并与获取和处理电测量信号的电测量部件相互作用。在这种情况下，该电子流量表是超声流量表。

超声流量表具有第一超声换能器23和第二超声换能器24。第一超声换能器23和第二超声换能器24是配对的并且各自连接到电测量部件。

在这种情况下，第一超声换能器23和第二超声换能器24是压电换能器。

测量气体流率包括测量气体在出气管6中的气体的平均速度。

为了测量气体的平均速度，第一超声换能器23首先将超声测量信号传递到出气管6中，该超声测量信号从上游到下游行进了预先限定长度的行程25。“从上游到下游”在此是指“从出气管6的入口到出气管6的出口”。第二超声换能器24接收该超声测量信号。测量了超声测量信号从上游到下游行进行程25所花费的上游到下游行程时间。

然后，第二超声换能器24将超声测量信号传递到出气管6中，该超声测量信号从下游到上游行进行程25。第一超声换能器23接收该超声测量信号。测量了超声测量信号从下游到上游行进行程25所花费的下游到上游行程时间。

在出气管6的入口处布置有(多块)板(图中未示出)。这些板使得可以确保气体在出气管6中的流动是层流且非湍流的流动。因此，雷诺数小于2000。借助于这些板，提高了气体流率的测量精度。

注意到，出气管6被水平隔板26分成上管6a和下管6b。因此，超声测量信号被水平隔板26反射，而不是由出气管6的上壁27反射。因此，行程25上的超声测量信号的反射角θ减小、cosθ增大，并且因此提高了气体流率的测量精度。

从上游到下游的行程时间以及从下游到上游的行程时间被获取，然后由电测量部件30处理。

电测量部件30安装在电路板31上。电测量部件30包括获取部件，该获取部件包括模数转换器，该获取部件获取从上游到下游的行程时间以及从下游到上游的行程时间。电测量部件还包括“智能”处理部件，在这种情况下，该处理部件是微控制器32(仅在图4中可见)，但是其可以是不同的部件，例如处理器或FPGA。

微控制器32执行多种功能。微控制器32控制电路板31的所有部件。微控制器32特别地驱动第一超声换能器23和第二超声换能器24。微控制器32根据从下游到上游的行程时间与从上游到下游的行程时间之间的差来计算气体的平均速度。微控制器32从气体的平均速度和从出气管6的横截面推导出在出气管6中流动的气体的流率。微控制器32对气体的流率测量执行各种处理操作。微控制器32特别评估了气体消耗量、剩余气体水平，并且微控制器32计算了消耗的能量，消耗的能量取决于气瓶中所含的气体的发热量。

电测量部件30还包括存储器，在该存储器中存储气体的流率测量(值)以及与气体的流率有关的各种其它数据。

第一超声换能器23、第二超声换能器24和电路板31位于限定在膨胀阀1的本体2中的测量室33中。

测量室33位于压力室7下方和出气管6下方。

可以看出，压力室7、出气管6和测量室33由本体2内部的隔板限定。在这些隔板中，共同的隔板34至少部分地对于压力室7、出气管6和测量室33是共用的。

第一超声换能器23和第二超声换能器24安装在集成到共同的隔板34中的支承件35上，从而封闭由压力室7和出气管6形成的腔体。垫圈36延伸到共同的隔板34和支承件35之间的界面。

电路板31本身平行于共同的隔板34延伸，并且紧固到紧固垫38，紧固垫38本身安装在共同的隔板34上。

膨胀阀1还具有绝对压力传感器39。绝对压力传感器39在下室7b中测量压力室7内部的绝对压力。绝对压力传感器39安装在位于测量室33中的电路板31上。为了使下室7b的压力达到绝对压力传感器39的水平，并且因此达到测量室33的水平，在共同的隔板34中形成测量管41。当电路板31被紧固到共同的隔板34时，测量管41的一端向外通入压力室7的下室7b中，而另一端通入测量室33中，面向绝对压力传感器39。

膨胀阀1附加地具有温度传感器40(仅在图4中可见)。温度传感器40本身也安装在电路板31上。温度传感器40测量的温度与压力室7中的气体温度类似。

注意的是，光学叉8、绝对压力传感器39和温度传感器40连接至电测量部件30，并且具体是连接至微控制器32。因此，电测量部件30还获取由光叉8(零绝对压力检测)、由绝对压力传感器39和由温度传感器40产生的信号。

绝对压力信息与温度信息以及所测得的气体的流率结合，使得可以始终计算出气瓶中剩余的气体质量。因此，微控制器32能够通过执行温度和压力补偿来精确且准确地评估气体消耗，并且因此评估气瓶中的剩余气体水平。

膨胀阀1附加地具有无线电通信部件42，无线电通信部件42本身也安装在电路板31上。

无线电通信部件42包括微控制器32，其驱动所有的无线电通信部件42。无线电通信部件42还包括如下的部件，即，这些部件形成RFID(用于射频识别)接口45、BLE(用于蓝牙低功耗)接口46和LoRa(用于远程)接口47。

RFID接口45用于物流和系统功能。

RFID接口45可以允许膨胀阀获取信息。

例如，如果气瓶具有包含与气瓶类型或气体类型有关的信息的RFID标签，则RFID接口45能够直接获取此信息。注意到，气瓶也可以具有条形码或QR码，并且膨胀阀1可以具有条形码读取器或QR码读取器。

因此，膨胀阀1和气瓶是配对的。关于气体类型的信息可以使得有可能确定气体的可压缩系数Z，该可压缩系数Z用在真实气体定律PV＝nZRT中。因此，可甚至更准确地评估气体消耗。

同样地，例如为气瓶的供应商工作的使用者或操作者能够经由RFID接口45将信息传递到膨胀阀1，该信息包括例如气瓶类型或气体类型。

因此，使用者或操作者能够凭借外部收发器装置与膨胀阀1通信。因此，使用者或操作者能够获取电测量部件30的存储器中存储的信息。

BLE接口46本身使得可以与使用者家中或气瓶可位于的其中任何类型的位置中的BLE网络通信。

LoRa接口47具有非常低的吞吐量和非常低功耗的收发器。LoRa接口47使用专用于连接对象的协议，并且使得可以建立远程通信。LoRa接口47使得可以直接与气瓶的供应商进行通信，从而向其发送与气瓶的状态有关的各种信息，或者在气瓶几乎排空时传递警报。

膨胀阀1还具有定位在膨胀阀1的本体2的下表面上的电子模块50。

电子模块50紧固至膨胀阀1的本体2。

电子模块50具有由对无线电波透明的材料制成的罩51。在这种情况下，罩51由玻璃纤维增强的热塑性材料制成。

电子模块50定位在膨胀阀1的本体2上，使得罩51形成封闭测量室33的隔板。垫圈53延伸到罩51和测量室33的侧向隔板之间的界面。

注意到，在组装膨胀阀1时，测量室33充满了贫氧的惰性气体。惰性气体使得可以目视检查测量室33的密封性。

电子模块50具有第一隔室54，在第一隔室54中定位有电能存储部件，该电能存储部件旨在向电子模块50、电测量部件30和无线电通信部件42供电。在这种情况下，电能存储部件是电池。

电子模块50附加地具有包括液晶屏幕55和按钮56的接口部件。屏幕55和按钮56使得可以显示与气瓶、气体、所测量的气体流率、气体消耗以及剩余气体水平有关的信息。屏幕55和按钮56还使得可以将与气瓶和气体本身有关的各种信息传递到微控制器32。

电子模块50还具有第二隔室57，在第二隔室57中有各种电气部件，这些电气部件确保屏幕55的运行、与按钮56相互作用并且允许电子模块50与电路板31通信。RFID接口45、BLE接口46和LoRa接口47的天线位于第二隔室57中。

现在参考图5，给出一种用于监测气瓶的方法的说明，该方法使用根据本发明的膨胀阀1。

该监测方法包括首先检测压力室7的下室7b中的压力上升(步骤E1)。当膨胀阀1由使用者或操作者连接到气瓶(其未完全排空)时，以及当来自气瓶的气体充填下室7b时，会发生压力上升。

通过微控制器32和绝对压力传感器39检测压力上升。

当已经检测到压力上升时，需要定义是否应将由气瓶供应的气体的消耗的计数量重置为零(步骤E2)。

可以决定为通过经由电子模块50的屏幕55询问使用者或操作者来将计数量重置为零。然后，使用者或操作者凭借按钮56提供其选择。

还可通过RFID接口45、BLE接口46或LoRa接口47来询问使用者或操作者。也可以通过LoRa接口47来询问气瓶的供应商。

也可以使用与气瓶的断开有关的信息先于步骤E1自动做出决定。该有关断开的信息可来自绝对压力传感器39，或否则也可以来自任何机械设备。可以基于在膨胀阀1和气瓶之间配对之后获得的信息决定将计数量重置为零(膨胀阀1能够连续地连接到各种气瓶)。

如果该计数量重置为零，则确定该气瓶是否是新的气瓶(步骤E3)。可以再次询问使用者、操作者或供应商，或否则可以自动地进行确定。

如果气瓶确实是新气瓶，则随后可以提供各种信息，包括气瓶类型和气体类型(步骤E4)。

然后，膨胀阀1对气体的流率进行计数，也就是说，一旦气瓶已经连接到系统，膨胀阀1就估计由气瓶提供给系统的总流率。基于总流率，倒计数(倒数计算)气瓶中的剩余气体水平(步骤E5)。

然后，将剩余气体水平与预先确定的最小水平进行比较(步骤E6)。如果剩余气体水平达到预先确定的最小水平，则将警报消息发送给气瓶的使用者、操作者或供应商(步骤E7)。

然后，供应商具体地可以决定关于更换气瓶的待遵循的策略。所述供应商可以例如决定立即更换气瓶，或否则取决于其它气瓶的剩余气体水平的安排更换时间表，或否则简单地警告使用者他的气瓶几乎空了。

在步骤E6之后，评估下室7b中的绝对压力是否为零(步骤E8)。该评估可以凭借光学叉8或否则凭借绝对压力传感器39来执行。

如果下室7b中的绝对压力不为零，则监测方法在步骤E5之前重新开始。

如果下部室7b中的绝对压力为零，则监测方法包括一个等待步骤(步骤E9)。等待步骤包括等待下室7b中的绝对压力再次变为非零，即要检测到压力上升(步骤E1)。

在此注意，监侧方法的大部分步骤、特别是步骤E2、E3、E4、E6、E7可以在膨胀阀1中执行，但是也可以由供应商的服务器执行，或否则由使用者、操作者或供应商拥有的智能手机或任何其它设备执行。

气体的流率由膨胀阀1测量。另一方面，膨胀阀1可以很好地将与气体流率测量有关的任何类型的数据传递给使用者、操作者或供应商，数据如下：“原始”的气体的流率测量、经补偿和处理的气体的流率测量、剩余气体水平、消耗的气体质量等。

当然，本发明不限于所描述的实施例，而是包括落入由权利要求书限定的本发明范围内的所有变型。

电子流量表不一定是超声流量表，而可以是例如热流量表、挡板流量表、涡轮流量表等。

用于向膨胀阀的电气部件供电的能量无需来自存储在电子模块中的电池。电池可以存储在其它地方。能量也可以来自能量发生器，该能量发生器可以包括例如由气体驱动的涡轮机。

电架构，以及所使用的部件、所执行的处理操作以及所交换的信息也可能不同。

Claims (17)

1.一种用于气瓶的膨胀阀，所述膨胀阀具有本体(2)，在所述本体(2)内部限定有：进气管(5)，所述进气管旨在连接到所述气瓶；压力室(7)，所述进气管(5)通入所述压力室中；调节装置(9、11、12)，所述调节装置用于调节所述压力室(7)内部的压力；以及出气管(6)，所述出气管从所述压力室(7)延伸，其特征在于，所述膨胀阀(1)的所述本体(2)具有：电子流量表(23、24)，所述电子流量表设计成测量在所述出气管(6)中流动的气体的流率；电测量部件(30)，所述电测量部件设计成获取和存储气体的流率测量；以及无线电通信部件(42)，所述无线电通信部件设计成传递与气体的流率测量有关的数据，所述本体(2)具有测量室(33)，所述测量室中定位有所述电子流量表、所述电测量部件(30)和所述无线电通信部件(42)。

2.根据权利要求1所述的膨胀阀，其特征在于，所述电子流量表是包括第一超声换能器(23)和第二超声换能器(24)的超声流量表，所述第一超声换能器(23)和所述第二超声换能器(24)各自设计成传递和接收在所述出气管(6)中行进了预先限定的长度的行程(25)的超声测量信号。

3.根据权利要求1所述的膨胀阀，其特征在于，所述本体(2)还具有绝对压力传感器(39)，所述绝对压力传感器连接到所述电测量部件(30)，并且所述绝对压力传感器设计成测量在所述压力室(7)内部存在的绝对压力。

4.根据权利要求1所述的膨胀阀，其特征在于，所述压力室(7)、所述出气管(6)和所述测量室(33)在所述本体(2)内部具有共同的隔板(34)。

5.根据权利要求3和4所述的膨胀阀，其特征在于，所述共同的隔板(34)具有测量管(41)，所述测量管通入所述测量室(33)中，面向所述绝对压力传感器(39)。

6.根据权利要求1所述的膨胀阀，其特征在于，还包括电子模块(50)，所述电子模块包括设计成获取或传递信息的接口部件(55、56)。

7.根据权利要求6所述的膨胀阀，其特征在于，所述电子模块(50)具有隔室，在所述隔室中定位有电能存储部件，所述电能存储部件旨在向所述电子模块(50)、所述电测量部件(30)和所述无线电通信部件(42)供电。

8.根据权利要求7所述的膨胀阀，其特征在于，所述电子模块具有罩(51)，所述罩形成所述测量室(33)的隔板。

9.根据权利要求1所述的膨胀阀，其特征在于，所述本体(2)在所述压力室(7)内部还具有零绝对压力检测器。

10.根据权利要求9所述的膨胀阀，其特征在于，所述调节装置包括进气元件(12)，所述进气元件包括设计成打开或关闭所述进气管(5)的进气阀(18)，并且其中，所述零绝对压力检测器是与所述进气元件(12)相互作用的光学传感器(8)。

11.一种用于监测气瓶的方法，根据前述权利要求中任一项所述的膨胀阀(1)连接到所述气瓶，所述监测方法包括以下步骤：

检测所述膨胀阀(1)的压力室(7)中的压力上升；

计算由所述气瓶供应的气体的流率；

倒计数所述气瓶中的剩余气体水平；

将所述剩余气体水平与预先确定的最低水平进行比较；

如果所述剩余气体水平达到所述预先确定的最低水平，则发送警报消息；

如果没有达到，则继续计算气体的流率。

12.根据权利要求11所述的监测方法，其特征在于，在检测到压力上升之后，还包括决定是否将计数量设定为零的步骤。

13.根据权利要求12所述的监测方法，其特征在于，使用如下信息来做出决定，即，与所述气瓶连接或断开连接有关的信息，和/或在所述膨胀阀(1)和所述气瓶配对期间接收到的信息，和/或经由所述无线电通信部件(42)接收的信息。

14.根据权利要求11所述的监测方法，其特征在于，在已将所述剩余气体水平与所述预先确定的最低水平进行比较之后，还包括以下步骤：检测所述压力室中的绝对压力是否为零的步骤、仅在所述压力室中的绝对压力不为零时，继续计算气体的流率的步骤、以及如果由所述气瓶供应的气体的压力为零，则等待其变为非零的步骤。

15.根据权利要求11所述的监测方法，其特征在于，所述剩余气体水平的倒计数还取决于所述压力室中的绝对压力和气体的温度。

16.一种计算机程序，所述计算机程序包括用于诸如微控制器之类的处理部件的指令，所述微控制器能够集成到膨胀阀中以执行根据权利要求11至15中任一项所述的监测方法。

17.一种存储计算机程序的存储装置，所述计算机程序包括用于诸如微控制器之类的处理部件的指令，所述微控制器能够集成到膨胀阀中以执行根据权利要求11至15中任一项所述的监测方法。

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