CN111148973B - 改进的喷雾监测的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有改进的系统的喷雾装置，该系统用于监测喷雾喷嘴或喷雾装置的流并感测到喷雾装置的故障。喷雾装置包括传感器，以监测输入或指令信号和喷雾信号。分析信号的计时，以针对每个喷雾指令信号验证喷雾装置是否正确地打开和关闭。

Description

改进的喷雾监测的装置和方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2017年7月31日提交的美国临时专利申请号62/538,848的优先权，其通过引用并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及一种液体喷雾装置，更具体地，涉及一种具有改进的用于感测和监测液体流量和/或该喷雾装置的喷雾喷嘴的操作缺陷的系统的喷雾装置。
背景技术
随着时间的推移，由于流动通道的部分阻塞或完全阻塞、喷嘴部件的磨损或损坏，使得喷雾装置的喷嘴操作和性能变得有缺陷，从而导致喷雾液体的不均匀或无效应用。另外，操作人员在应用时可能不会意识到有缺陷的喷雾性能。喷雾液体的重新喷洒可能既费时又高成本，较差的喷雾性能可能会导致产品质量较差、产品损失或设备损坏。另外，喷雾喷嘴的损坏可能导致喷雾液体的过量使用。
过去，已经提出了用于确定喷雾尖端何时被堵塞或磨损的不同技术。然而，这样的系统在满足操作者试图监测喷嘴的堵塞或故障的需求中并不可靠。
期望对喷雾应用进行验证，因为它可以确保客户的过程(尤其是在自动化制造环境中)正常运行，并且不会因漏喷而妨碍产品质量、工具寿命等。
光学传感器感测在喷雾喷嘴处离开的喷雾。光学传感器传输的光会从喷雾中反射出来(如果喷雾存在的话)。如果传感器中的接收器“看到”了该反射光，则系统知道发生了喷雾。使用专门设计的控制元件，该信号应与发送到自动喷嘴进行喷雾的信号相匹配。如果此信号与来自自动喷雾喷嘴的信号不匹配，则系统可以警告用户喷雾错误。尽管这种类型的布置可以验证是否发生了喷雾，但在实际应用中仍存在准确性和鲁棒性的问题。在使用过程中，光学传感器可能会出现问题，可能会导致漏喷或读数错误。如果光学传感器的镜片被覆盖(例如被雾气或随着时间的推移而积聚的喷雾覆盖)，则传感器将无法发射光或不能正确接收来自喷雾反射的信号。这意味着要不断维护以确保镜片清洁。
为了克服这些缺点中的一些，已经使用流量计来测量实际流量，但是在每个喷嘴处具有非常精确的流量计可能会非常昂贵。在一些应用中，流量计在保持非常快速响应喷雾时间(very fast response spray times)方面也存在问题，因此难以验证喷嘴喷雾。因此，期望有一种在喷雾喷嘴失效和/或传感器不再有效时发出警报的方式。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供了一种通过控制器验证喷雾装置的喷雾性能的方法，该方法包括：(a)接收用于致动喷雾装置的喷雾阀以允许或停止液体流通过喷雾装置的指令信号；(b)从喷雾装置的传感器接收喷雾信号；以及(c)使用来自传感器的喷雾信号和指令信号来监测通过喷雾装置的液体流，以确定喷雾装置的喷雾性能。
在另一个实施方式中，本发明内容提供了一种液体喷雾系统，其包括喷雾装置，该喷雾装置被配置成产生并引导液体喷雾模式。喷雾装置包括：喷雾阀，其被配置成接收用于允许或停止液体流通过喷雾装置的指令信号；以及传感器，其被配置成测量喷雾信号。液体喷雾系统还包括耦合至传感器的控制器。该控制器被配置为使用来自传感器的喷雾信号和指令信号来监测通过喷雾装置的液体流，以确定喷雾装置的喷雾性能。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于监测喷雾装置的流的控制系统；
图2A示出了根据本发明的、可以用于图1所示的控制系统中的具有感测元件的喷雾装置的实施方式；
图2B示出了根据本发明的、可以用于图1所示的控制系统中的具有不同感测元件的喷雾装置的实施方式；
图3示出了具有用于安装内部喷雾压力传感器的薄壁部分的喷雾装置的局部截面图；
图4A示出了根据本发明的喷雾装置的第二实施方式的剖视图，其示出了用于安装内部喷雾压力传感器的薄壁管元件；
图4B示出了图4A所示的透视图的截面图；
图5A示出了根据本发明实施方式的具有传感器的切线薄壁部分的截面图；
图5B示出了根据本发明实施方式的具有传感器的薄壁管元件的截面图；
图6示出了表示喷雾装置中的喷雾指示信号与喷雾压力的关系的示例性波形图；
图7示出了根据本发明实施方式的感测电路的示意图；
图8A示出了根据本发明的实施方式的示例流程图，其示出了基于事件的喷雾装置的监测；
图8B示出了根据本发明的实施方式的示例流程图，其示出了对喷雾装置的连续监测；
图9示出了螺线管致动的喷雾装置中的阀安装示例；
图10示出了气动喷雾装置中的阀安装示例；
图11示出了根据本发明实施方式的使用用于在线压力感测的感测元件的示例装置；以及
图12示出了根据本发明实施方式的使用两个用于差压感测的感测元件的示例装置。
尽管本发明可以进行各种修改和替代构造，但是其一些说明性实施方式已经在附图中示出并且将在下面进行详细描述。然而，应当理解，不旨在将本发明限制为所公开的特定形式，而是相反，其意图是涵盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、替代构造以及等同物。
具体实施方式
本发明的实施方式提供一种喷雾监测装置，该喷雾监测装置通过各种手段测量来自喷雾喷嘴的液体流。测得的液体流可用于监测自动喷雾阀的性能，并用于验证每个单独的喷雾事件。可以通过测量施加在喷雾喷嘴上的压力来确定液体流，该压力可以通过使用足够的采样率的传感器使用应变仪、压电式、霍尔效应型传感器等进行直接或间接(非接触)测量来测量。根据本发明的实施方式的传感器可以提供非常快速的响应，并且可以与在喷雾喷嘴中操作的过程或喷雾流体完全隔离。
本发明的实施方式还提供一种具有高速电动阀的喷雾装置，该高速电动阀利用脉冲宽度调制(PWM)控制致动柱塞以打开和关闭喷雾阀。在一个实施方式中，将另外的插入件放置在柱塞密封件和喷雾喷嘴之间。该插入件具有薄壁部分，该薄壁部分在暴露于喷雾装置的内部喷雾压力时会变形。该应变(变形)是使用例如与插入件的外部结合的、与存在于装置内的流体进行流体隔离的应变仪来测量的。因此，应变仪保持与喷雾或过程流体的流体隔离。
本发明的实施方式提供一种具有集成传感器的致动喷雾阀，该集成传感器用于测量特性指令和喷雾信号。还提供了一种喷雾监测装置，该喷雾监测装置使用系统、用户和性能输入来验证致动喷雾阀是否正确运行。实施方式还提供一种与连接到包括致动喷雾阀的喷雾系统的各种控制器和/或工厂操作系统进行通信的方法。
本发明的实施方式提供了在每个打开和关闭事件时使用对致动喷雾阀的指令信号的直接或间接测量来验证喷雾性能。可以在给定的时间延迟下检查喷雾压力，以验证致动喷雾阀的状态是否匹配。喷雾阀可以处于打开状态或关闭状态，这对应于打开状态下的压力读数高于关闭状态下的压力读数。
本发明的实施方式提供通过连续地监测致动喷雾阀的指令信号和致动喷雾阀的喷雾压力信号以监测每个喷雾循环的计时标记(timing markers)来验证喷雾性能。通过监测计时标记，可以确定喷雾阀处于工作状态或有故障。连续监测或基于事件的监测允许通过喷雾阀的寿命追踪致动喷雾阀的计时特性。
更具体地参考附图中的图1，示出了用于监测喷雾喷嘴或喷雾装置102的流的说明性控制系统100。喷雾装置102包括在感测电路110中的用于提供与喷雾装置102的流动操作有关的读数至喷雾监测装置112的感测元件或传感器(未示出)。当喷雾装置102被配置成沉积喷雾流体时，喷雾装置102从喷雾尖端108提供喷雾模式。喷雾装置102包括电接口106，以接收来自喷雾控制器114的命令输入，该命令输入确定喷雾装置102何时应沉积喷雾流体以及喷雾装置102何时不应沉积喷雾流体。喷雾装置102包括流体连接器104，以保持管子，该管子供应将由喷雾装置102沉积的流体。
喷雾装置102包括设置成测量指示喷雾是否已经发生或正在发生的参数的感测电路110，并将该信息提供给喷雾监测装置112。喷雾监测装置112包括喷雾装置102与喷雾控制器114接口连接的电子部件。感测电路110包括感测元件或传感器以及信号调节回路(signal conditioning circuits)。信号调节回路将来自传感器的信号演绎为喷雾监测装置112可以工作的电压或电流水平。喷雾监测装置112然后可以处理从感测电路接收的电压或电流信号，使得喷雾控制器114可以使用这些信号来确定适合于电接口106处的喷雾装置102的电命令输入。在一些实施方式中，串行数据传输用于将感测电路110的输出提供给喷雾监测装置112。也可以使用无线数据传输。尽管分开示出，但是在一些实施方式中，感测电路110和喷雾监测装置112被实现为单个部件。
在一些实施方式中，除了调节对电接口106的命令输入之外，喷雾控制器114还可以接收来自远程系统(系统输入116)或来自操作者或用户(用户输入118)的输入。系统输入116可以是来自使用配置文件控制多个喷雾装置的远程服务器的输入，而用户输入118可以是来自键盘、按钮、触摸屏等的输入。喷雾控制器114可以被实现为微控制器、微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、计算设备，例如膝上型计算机、台式计算机、智能电话等。使用用户输入118和系统输入116，操作者可以指示喷雾控制器114向电接口106提供特定的命令输入。此外，喷雾控制器114可以通过人机界面(HMIs)提供状态输出120，该人机界面包括计算机监测器、电视屏幕等。在一些实施方式中，状态输出120为例如使用发光二极管(LEDs)或灯泡的光指示器。
图2A示出了具有可以在图1所示的控制系统中使用的具有传感器(例如应变仪)的喷雾装置200的实施方式。喷雾装置200包括入口壳体238、外部主体234和前壳体230。螺线管线圈236容纳在入口壳体238内，并且喷嘴保持器210接合并将喷嘴尖端202保持在适当位置。阀柱塞222被安装为响应于螺线管线圈236的操作而受控地往复运动，用于控制从喷雾尖端202排出的喷雾液体。喷雾装置200包括入口管242，该入口管242用于接收处理液体，处理液体从入口管242的一端朝向喷雾装置200的喷雾尖端202的一端。
为了使螺线管线圈236连接到远程电源，喷雾装置200配备有电连接器240，用于接收例如PWM信号。另外，喷雾装置200配备有用于将喷雾传感器(应变仪248)连接至监测系统246的电连接器(传感器连接器216)。导线214将喷雾传感器(未示出)与传感器连接器216接口连接。传感器连接器216设置在连接器壳体212中。应变仪248或喷雾传感器设置在位于喷嘴座204和柱塞座208之间的传感器管206上。
传感器管206响应于喷雾流体进入密封件218和喷雾尖端202之间的圆柱形腔室中的区域而弯曲和变形。通过该区域的喷雾液体流由阀柱塞222控制。减震器弹簧224设置在阀柱塞222的一部分中。由螺线管线圈236产生的磁场将引起沿螺线管致动器的轴线的力，以拉动固定电枢和可动电枢之间的间隙关闭。在图2A的情况下，阀柱塞222被朝向固定入口壳体238的杆部拉回。当阀柱塞222被拉动朝向固定电枢时，阀柱塞222处于打开位置。减震器226和减震器弹簧224帮助吸收柱塞222对固定电枢的冲击。当阀柱塞222移动到打开位置时，液体被引导通过通向喷雾尖端202的开口。复位弹簧232提供使柱塞222返回到闭合位置的力，如图2A所示。在关闭位置，密封件218防止液体流过通向喷雾尖端202的开口。
图2B示出了根据本发明实施方式的图2A的喷雾装置的变型，用于原始设备制造商(OEM)传感器。OEM传感器是与流动通道252接口连接的压力传感器250。压力传感器250的读数经由传感器连接器216提供给监测系统240。OEM传感器或压力传感器250可以包括感测膜片，该膜片会响应于流动通道252中的压力水平而膨胀以及收缩。压力传感器250将感测膜片的膨胀或收缩转换成电信号，该电信号经由传感器连接器216提供给信号调节回路(未示出)，以前往监测系统246。
图3示出了喷雾装置的实施方式的部分300内部的透视图，示出了用于安装感测元件304的薄壁部分302。喷雾装置的部分300类似于喷嘴座204与图2A的喷雾装置200的密封件218之间的类似部分。部分300具有阀端306和喷嘴端308。阀端306是柱塞或针状件可密封开口310以防止流体流入具有薄壁部分302的腔室的端。喷嘴端308是可以附接喷雾尖端以实现喷雾模式(例如喷雾模式250)的端。在根据本发明的该实施方式的喷雾装置的操作期间，当开口310被密封或关闭时，包含薄壁部分302的腔室处于一个压力极限，而当开口310没有被密封或打开时，包含薄壁部分302的腔室处于另一个压力极限。在开口310被密封和未密封的喷雾装置的操作期间，压力水平在这两个极限之间瞬变。
当与薄壁部分302接触的流体压力在包含薄壁部分302的腔室中变化时，薄壁部分会变形、弯曲或变弯。例如，当开口310被密封时，薄壁部分302经受低压并且处于静止状态或制造状态(manufactured state)。在这种情况下，作用在薄壁部分上的流体压力就是腔室内流体的静压力。当开口310未密封时，包含薄壁部分302的腔室中的压力增加，导致薄壁部分变形。压力的增加可能是由于薄壁部分暴露于将从喷嘴沉积的流体的工作压力。变形量与压力增加成正比。在一些实施方式中，薄壁部分302可以由聚合物塑料或金属(例如不锈钢)制成。在一些实施方式中，薄壁部分302小于0.25毫米(0.010英寸)厚。
感测元件304被配置为提供指示腔室内的内部喷雾压力的信号。在实施方式中，感测元件304物理地结合到喷雾装置的部分300的薄壁部分302。当薄壁部分302由于压力变化而弯曲时，结合在薄壁部分302上的感测元件304也弯曲。在实施方式中，感测元件是应变仪，并且应变仪的形状改变改变了应变仪的电阻。因此，通过向应变仪供电，喷雾监测装置(例如喷雾监测装置112)可以感测电阻的变化，并最终感测包含薄壁部分302的腔室中的压力变化。压力的增加可以解释为喷雾事件的开始，也就是说，喷雾流体进入腔室并最终通过喷雾尖端释放。压力的降低可以解释为喷雾事件的结束，即防止更多的喷雾流体进入腔室。恒定压力可以解释为喷雾事件正在发生或喷雾事件未发生。喷雾事件期间的压力水平或大小将高于未发生喷雾事件时的压力水平或大小。通过将薄壁部分302中的变形转换为应变仪中的电阻变化，可以轻松获得这些压力读数。在此以应变仪为例，但是感测元件304可以是如图2B所示的OEM传感器，在图2B的实施方式中，流动通道252被提供给压力传感器250。压力传感器250可包括响应于压力增加而膨胀的感测膜片。
图4A示出了喷雾装置的第二实施方式的部分400内部的透视图，示出了用于安装感测元件402的薄壁管元件404。感测元件402用作提取喷雾装置的内部喷雾压力的测量值的方式。该描述类似于图3中提供的描述。部分400具有阀端406和喷嘴端408。阀端406是柱塞或针状件可密封开口410以防止流体流入具有薄壁管元件404的腔室的端。部分300和部分400之间的差异为在部分400中，响应于压力而弯曲的装置是薄壁管元件，而部分300中的装置本质上不是管状的。另外，如在感测元件304的放置中所示，部分300中的传感器是切向的，而感测元件402在部分400中缠绕在薄壁管元件404周围。图4B示出了图4A所示的透视图的截面。在图4B中，示出了可以提供传感器液体通道以通过允许喷雾液体直接与薄壁管元件402接触来增加对压力的敏感性。关于两种类型的感测机构(薄壁管元件和薄壁部分)的构造将提供进一步细节。
图5A示出根据本发明的实施方式的具有传感器的切线薄壁部分的截面图。在必要时将借助图3来描述这些截面图。如图3所示，存在圆柱形的路径，用于使喷雾流体流过包含薄壁部分的腔室。图3提供了切口，以允许在该圆柱形路径的视图。图5A的截面图没有该切口，因此当向下看感测元件304的放置位置时，该视图将类似于传感器视图。当从包含薄壁部分的一侧看时，该视图将类似于侧视图，而当沿着喷雾流体路径看时，该视图将类似于传感器区域的截面视图。
传感器视图示出了放置感测元件的位置。侧视图示出了放置传感器的区域502低于其他区域，例如区域504。传感器区域的截面示出，相对于喷雾流体的圆柱路径，传感器靠近喷雾流体。传感器与喷雾流体之间的距离508是薄壁部分506中薄壁的厚度。
图5B示出了根据本发明实施方式的具有传感器的薄壁管元件的截面图。在必要时将借助图4A至图4B来描述这些截面图。在图4A中，薄壁管元件桥接阀端406和喷嘴端408。设置有被称为传感器液体通道412的开口。在图3中，喷雾流体遵循圆柱形路径，但是在图4A中，如图所示，其中感测元件402位于薄壁管元件404上的直径有变化，并且仅薄壁管元件404的一部分暴露于喷雾流体。
图5B提供了包含薄壁管元件的薄壁部分的不同实施方式。传感器所在的薄壁部分示出为具有路径，在该路径上，喷雾流体将与薄壁管元件的整个内表面接触。感测元件520结合到薄壁管元件522的表面，并且在结合感测元件520的部分中，当流体流过喷雾装置时，薄壁管元件522的内表面与喷雾流体接触。
图6示出了示例性波形，该示例性波形示出了喷雾装置中的喷雾指令信号602和喷雾压力604之间的关系。喷雾指令信号602可以是由喷雾控制器114提供给喷雾装置102的电接口106的命令输入。当喷雾指令信号602指示关闭阀指令I0时，喷雾装置102被置于关闭状态，因此喷雾流体不能从喷雾尖端108流出。当喷雾指令信号602指示打开阀指令I100时，喷雾装置102处于打开状态，因此喷雾流体最终从喷雾头108流出。当喷雾装置102处于打开状态时，喷雾装置102的喷雾阀(例如图2A的柱塞/针状件)处于打开状态，而当喷雾装置102处于关闭状态时，喷雾装置102的喷雾阀处于关闭状态。喷雾阀从关闭状态到打开状态的转变是打开事件，而从打开状态到关闭状态的转变是关闭事件。处于关闭状态的被动喷雾阀会阻塞或堵塞液体流过喷雾装置的路径，从而阻止液体流过喷雾装置。处于打开状态的被动喷雾阀允许液体流过喷雾装置。
在诸如螺线管控制装置之类的PWM控制喷雾装置中，可以定义时间段tPERIOD1，其中喷雾装置102在tON1的持续时间命令为打开，在tOFF1的持续时间命令为关闭。在图6中，提供了时间戳作为关于PWM控制的喷雾装置的示例，其中，T1指示何时喷雾指令信号602从I0切换到I100，T4指示何时喷雾指令信号602从I100切换至I0。
响应于命令喷雾装置102在持续时间tON1处于打开状态和在持续时间tOFF1处于关闭状态，喷雾装置102内部的压力发生了变化。系统喷雾压力604是喷雾装置102内部的压力如何变化的一个实施方式。响应于在时间T1处切换的喷雾指令信号602，系统喷雾压力604从初始压力P0改变为最终压力P100。如图6所示，从喷雾指示信号602在时间T1切换到系统喷雾压力604在时间T2开始上升之间存在延迟。系统喷雾压力604花费持续时间tD2以在时间T3从P0上升到P100。
当喷雾指令信号602在时间T4从I100切换到I0时，发生类似的动态。在系统喷雾压力604在时间T5开始从P100下降到时间T6的P0之前，观察到延迟tD3。持续时间tD4是压力下降到P0所花费的时间。因此，可以在图6中标识的不同时间戳和持续时间之间进行定义。tD5是tD1和tD2的总和，tD6是tD3和tD4的总和，tD7是系统喷雾压力604保持在P100的时间。tD5是打开事件的持续时间，tD6是关闭事件的持续时间。将提供在喷雾装置102的情境中对这些识别的时间和持续时间的直观解释。
如上所述的参数tON1是由喷雾指令信号602指定的命令持续时间，以使喷雾装置102处于打开状态(使喷雾阀保持打开的持续时间)。tD1是喷雾阀(例如图2A中的柱塞/针状件)响应于喷雾指令信号602而开始打开的打开延迟。tD2是喷雾形成延迟，其中喷雾装置102的喷雾模式对于设计的喷雾尖端108从没有流体流到最大流体流。所描述的tOFF1是由喷雾指令信号602指定的命令持续时间，以使喷雾装置102处于关闭状态(使喷雾阀保持关闭的持续时间)。tD3是喷雾阀响应于喷雾指令信号602而开始关闭的关闭延迟。tD4是喷雾结束延迟，其中喷雾装置102的喷雾模式对于设计的喷雾尖端108从最大流体流变为很小或没有流体流。根据宏观测量水平，在打开事件中，tD5可定义为喷雾打开延迟，在关闭事件中，tD6可定义为喷雾关闭延迟。喷雾打开延迟是在已经提供了打开喷雾装置102的命令输入之后，喷雾装置102达到最大流速所花费的时间。喷雾关闭延迟是在已经提供了关闭喷雾装置102的命令输入之后，喷雾装置102达到最小流速所花费的时间。使用喷雾打开延迟tD5和喷雾关闭延迟tD6，可以分别定义打开斜率606和关闭斜率608。打开斜率606可以数学地写为(P100P0)/tD5，关闭斜率608可以数学地写为(P0 P100)/tD6。
使用这些持续时间和定义，可以实现几种监测策略：(1)正喷雾脉冲验证，(2)阀性能监测，以及(3)喷雾施用率的闭环控制。在正喷雾脉冲验证中，喷雾监测装置112向喷雾控制器114提供来自喷雾装置102的压力读数。随着压力从水平P0增加到阈值压力水平PTHRESH，喷雾控制器114监测压力读数，该阈值压力水平PTHRESH小于或等于最大系统喷雾压力P100。在一些实施方式中，除了监测系统喷雾压力是否达到阈值之外，还可以监测打开延迟tD5以验证打开延迟tD5小于命令打开时间tON1。在正喷雾脉冲验证下，每当不满足PTHRESH或每当打开延迟tD5大于命令打开时间tON1时，喷雾控制器114可提供错误警报或调整参数以影响整体系统控制。
在阀性能监测中，评估了阀分开具有薄壁部分的腔室的性能(例如在图3至图5中如本发明的多个实施方式所示)。喷雾控制器114追踪并记录来自喷雾装置102的喷雾事件，并确定与基线性能相比在喷雾装置102的寿命周期内的趋势和偏差。例如在多次喷雾打开和喷雾关闭事件上，喷雾打开延迟tD5可能改变，指示阀可能正在磨损，或者控制柱塞/针状件开始打开的机构可能正在磨损。在多次喷雾打开和喷雾关闭事件上，喷雾关闭延迟可以改变，指示喷雾装置102可能正在磨损或喷雾装置102中存在堵塞。另外，可以监测打开斜率606和关闭斜率608，确定喷雾装置102是否受到阻塞或正在磨损。因此，在阀性能监测中，可以在阀的寿命期间监测和记录打开事件计时和关闭事件计时，以在阀偏离到指示需要执行维修的点时由喷雾控制器114通知。这有助于组织计划和定义服务间隔(serviceintervals)，尤其是在受监测的数据表明即将发生故障时。除了通知服务间隔外，还可以通过比较最小系统喷雾压力P0的变化来监测阀的温度。
在用于喷雾施用率的闭环控制中，可以使用多种因素的组合来确定施加喷雾流体的流速。这些因素包括：(1)基于P100的值和指定的喷嘴108的流速；(2)相对于命令打开时间tON1的有效喷雾时间tD7；(3)基于施用喷雾参数(诸如喷雾高度、宽度和线速度)的所需喷雾量或过程施用率；(4)来自喷雾控制器114的所需施用率与基于喷雾传感器输出和计算的计算施用率对比，所述计算可用于调整控制系统100中每个喷雾阀的命令打开时间。
图7示出了根据本发明实施方式的感测电路700的示意图。感测电路700包括感测元件702，该感测元件702用于测量根据本发明的各种实施方式的喷雾装置中的压力或指令信号。感测电路700接收输入功率704，并且电压调节电路706调节输入功率以与感测元件702和信号调节回路708接口连接。信号调节回路708从感测元件接收压力测量并将压力测量调节为放大710电路可接受的电压或电流水平。在放大710之后，将输出信号712提供给喷雾监测装置，该喷雾监测装置执行计算以确定打开和关闭事件，如图6中使用持续时间所定义的。
在图7中，输出信号712可以由喷雾监测装置监测，并用于提供关于喷雾装置的操作的诊断信息。诊断信息可能包括：(1)是否致动了喷雾装置，并且流体是否成功地离开了喷雾尖端；(2)喷雾尖端上施加的压力是多少(3)喷雾尖端是否堵塞或损坏；(4)有关喷雾装置的磨损信息。如图1所述，由感测电路110检测到的模拟电压信号将由喷雾控制器114处理，并与先前的读数和配置数据进行比较，以分析和诊断喷雾装置102的操作条件。
图8A示出了示例流程图，该流程图示出了根据本发明的实施方式的喷雾装置(例如图1中的喷雾装置102)的基于事件的监测。在步骤802，图1中的喷雾控制器114和电子部件被供电。在步骤804，喷雾控制器114监测指令信号。在实施方式中，喷雾控制器114监测用于指令信号的系统输入116或用户输入118。在实施方式中，喷雾控制器114接收施加到气动阀或液压阀的流体压力。在实施方式中，喷雾控制器114接收施加到螺线管阀或电机阀的电信号。在实施方式中，喷雾控制器114通过间接测量由喷雾装置102的螺线管线圈产生的磁场来确定指令信号的提供。
在步骤806，喷雾控制器114确定在步骤804获得的指令信号高于指令阈值。在延迟808之后，在步骤810，喷雾控制器114经由喷雾监测装置112通过测量喷雾压力来检查“打开”喷雾事件。
如果喷雾压力低于打开压力阈值，则在步骤812，喷雾控制器114确定检测到打开延迟错误。在步骤814，喷雾控制器114准备错误信号/代码，并且在步骤816，喷雾控制器114将错误代码/信号发送到状态监测器装置或系统控制器122，以显示为状态输出120。在实施方式中，生成的错误代码/信号指示打开事件的二态状态。例如，错误代码/信号指示良好喷雾或不良喷雾。检测到多个不良喷雾可导致喷雾控制器114产生警报。例如，如果每100个喷雾中有3个是不良喷雾，则可以生成警报作为状态输出120中的一种。
如果喷雾压力高于打开压力阈值，则在步骤818，喷雾控制器114确定已经发生了成功的打开事件。然后在步骤820，喷雾控制器114监测指令信号。
在步骤822，喷雾控制器114确定在步骤820获得的指令信号低于指令阈值。在延迟824之后，在步骤826，喷雾控制器114经由喷雾监测装置112通过测量喷雾压力来检查“关闭”喷雾事件。
如果喷雾压力高于关闭压力阈值，则在步骤828，喷雾控制器114确定检测到关闭延迟错误。在步骤830，喷雾控制器114准备错误信号/代码，并且在步骤832，喷雾控制器114将错误代码/信号发送到状态监测器装置或系统控制器122，以显示为状态输出120。在实施方式中，生成的错误代码/信号指示关闭事件的二态状态。例如，错误代码/信号指示良好关闭或不良关闭。检测到多个不良关闭可导致喷雾控制器114产生警报。例如，如果100次关闭中有3次是不良关闭，则可以生成警报作为状态输出120中的一种。
如果喷雾压力低于关闭压力阈值，则在步骤834，喷雾控制器114确定已经发生了成功的关闭事件。在步骤836，喷雾控制器114返回到监测指令信号。当接收到指令信号时，图8A的过程重复。图8A提供了在打开事件的监测与关闭事件的监测之间的交替。在实施方式中，打开压力阈值和关闭压力阈值是相同的压力阈值，例如图6的PTHRESH。
在图8A中，可以基于事件来分析喷雾脉冲验证。在喷雾指令信号进入打开状态之后的已知时间段之后，检查喷雾压力信号是否具有匹配的打开状态。并且在喷雾指令信号进入关闭状态之后的已知时间段之后，检查喷雾压力信号是否具有匹配的关闭状态。失败的打开或关闭事件可以作为错误传达给系统控制器和/或存储在存储器中。可以随时间追踪成功事件，以预测性能问题。
图8B示出了示例流程图，其示出了根据本发明实施方式的喷雾装置(例如喷雾装置102)的连续监测。在步骤840，图1中的喷雾控制器114和电子部件被供电。在步骤842，喷雾控制器114根据本发明的各种实施方式确定存在指令信号，并启动或初始化监测喷雾事件。
在步骤844，喷雾控制器114监测指令和喷雾压力信号。在步骤846，喷雾控制器114确定指令信号增加，并且在步骤848，喷雾控制器114确定喷雾压力信号是否已经增加。
如果喷雾压力信号没有增加，则在步骤850，喷雾控制器114检测到打开事件错误。在步骤852，喷雾控制器114准备错误代码/信号，并在步骤854将错误代码/信号发送到系统控制器122或其他监测装置。错误的细节也可以在系统控制器122、喷雾控制器114或喷雾监测装置112处进行存档。然后，喷雾控制器114移至步骤856。
在步骤848，如果喷雾压力信号已经增加，则喷雾控制器114在步骤856计算打开事件统计，并且在步骤858，应用逻辑并将与打开事件相关联的数据存档。
在步骤862，喷雾控制器114确定喷雾压力信号是否减小。如果喷雾压力信号没有减小，则在步骤864，喷雾控制器114检测关闭事件错误。在步骤866，喷雾控制器114准备错误代码/信号，并且在步骤868将错误代码/信号发送到系统控制器122或其他监测装置。错误的细节也可以在系统控制器122、喷雾控制器114、或在喷雾监测装置112处进行存档。然后，喷雾控制器114移至步骤870。
如果在步骤862喷雾压力信号已经减小，则喷雾控制器114在步骤870计算关闭事件统计，并在步骤872，应用逻辑并将与关闭事件相关的数据存档。此后，在步骤844重复连续循环监测，收集的事件统计包括例如计算一段时间内的平均打开时间或平均关闭时间。参考图6中的定义，事件统计包括测量打开事件的tD2和/或tD5以及关闭事件的tD6和/或tD4的多个值，并使用这些值的历史变化，进行分析以显示喷雾装置(或喷雾阀)随着时间的推移的操作趋势。提供tD2、tD5、tD6和tD4作为用于验证喷雾装置的示例性度量并且可以测量在图6中标识的其他计时度量。
并行地，在喷雾控制器114在步骤872应用逻辑并将与关闭事件相关联的数据存档之后，喷雾控制器114可以在步骤874执行对性能存档的周期性分析。基于性能/趋势分析876的趋势在预测的公差内，在步骤880继续进行喷雾装置102的操作。基于趋势、参数和性能参数在步骤876超出公差，在步骤878通知系统控制器122。
在图8B中，可以连续地分析喷雾脉冲验证。连续监测喷雾指令信号和喷雾压力信号。基于喷雾指令信号的打开斜率(即喷雾指令信号的增加)，分析喷雾指令信号和喷雾压力信号的特征和时间，以追踪、验证和分析喷雾阀打开时的性能。基于喷雾指令信号的关闭斜率(即喷雾指令信号的减小)，分析喷雾指令和喷雾压力信号的特征和时间，以追踪、验证和分析阀关闭时的性能。
将打开性能特征和关闭性能特征与允许极限进行比较。可以将故障传达给系统控制器。可以追踪和分析打开性能特征和关闭性能特征，以预测阀性能问题。系统控制器还可以使用打开性能特征和关闭性能特征来调整性能。
在本发明的实施方式中，在打开事件和关闭事件中产生的错误可以指示一个或多个故障。当喷雾装置可以正常工作，但用于感测喷雾指令信号和/或喷雾压力信号的传感器出现故障时，在打开和关闭事件中可能会产生错误。当喷雾装置可以正常工作，但从用于感测喷雾指令信号和/或喷雾压力信号的传感器到喷雾控制器的通信不可靠时，在打开和关闭事件中可能会产生错误。当喷雾装置不正常工作时(例如喷雾阀出现故障)，在打开和关闭事件中可能会产生错误。不良打开、不良关闭和/或偏离趋势的错误代码的生成可以为使用喷雾装置时可能出现的潜在问题提供早期警报。
图9示出了在螺线管致动的喷雾装置900中的阀安装示例。根据本发明的实施方式，喷雾装置900包括喷雾尖端902、帽904、喷嘴插入件906以及感测元件908或传感器。喷雾装置900还包括柱塞座910、柱塞密封件912、磁性柱塞914、铜线圈916、磁性主体918、磁芯挡块920和弹簧922。感测元件908被示出为位于柱塞密封件912和喷嘴插入件906之间。
图10示出了气动喷雾装置1000中的阀安装示例。喷雾装置1000包括根据本发明的实施方式的感测元件1002或传感器、具有针状密封件1004的传感器壳体、传感器壳体1006、与液体入口连通的流体喷嘴1008、与雾化空气入口连通的空气帽1010、主体1012、保持器帽1014、针状件1016、活塞1018、针状件密封件1020、弹簧1022和活塞帽1024。如图10所示，感测元件1002可以安装在气动喷雾装置中，以确定如本发明的实施方式中所述的气动喷雾装置的流体流量。
图11示出了根据本发明实施方式的使用薄壁管元件用于在线压力感测的示例装置1100。装置1100包括主体1102、保持器1104、传感器壳体1106、感测元件1108或传感器以及传感器壳体1110。在实施方式中，当装置暴露于液体压力(从入口到出口)时，感测元件1108部分将变形并且类似于以上的描述般使用某种类型的喷雾监测装置输出系统压力。
图12示出了根据本发明的实施方式的使用两个用于压差感测的薄壁管元件1208和1216的示例性装置1200。装置1200包括主体1202、保持器1204、传感器壳体1206、感测元件1208或传感器、传感器壳体1210、孔板1212、传感器壳体1214、另一个感测元件1216或传感器以及传感器壳体1218。在实施方式中，当将加压液体供应到入口时，第一感测元件1208将测量初始压力P1。加压液体然后将穿过孔板1212中的开口，并且第二感测元件1216将测量液体的第二压力P2。相对于液体的性质，穿过孔板1212的压力测量值P2和P1之间的差将与加压液体的流速成比例。
本发明的实施方式提供一种具有集成传感器的致动喷雾阀，以测量喷雾指令和喷雾信号(例如系统喷雾压力)。本发明的实施方式还提供一种喷雾监测装置，该喷雾监测装置使用系统输入116、用户输入118和性能输入来验证致动喷雾阀是否正确地起作用。本发明的实施方式还提供喷雾装置102、喷雾控制器114和/或工厂操作系统(例如系统控制器122)之间的通信。
本发明的实施方式在每次打开和关闭事件时基于对喷雾指令信号的直接或间接测量来提供对喷雾装置性能的验证。在给定的时间延迟下检查喷雾压力以验证状态匹配，即当喷雾指令信号指示打开且阀关闭时，阀打开并提供压力，而当喷雾指令信号指示关闭时，阀关闭并不提供压力。
本发明的实施方式提供了基于连续监测喷雾指令信号和喷雾压力信号以监测每个喷雾循环的所有计时标记并验证喷雾阀是否正确致动的喷雾装置性能的验证。计时特征可以在阀的使用寿命上进行追踪。喷雾指令信号可以从致动种类中获得，并与其他喷雾和系统控制器集成在一起。例如，可以获得施加到气动阀或液压阀的流体压力，可以获得施加到螺线管或电机阀的电信号，并且可以获得间接测量的由螺线管线圈产生的磁场。也可以从阀操作者的位置测量中接收喷雾指令信号。阀的种类可以指示所获得的喷雾指令信号。
喷雾信号可以从被喷雾的流体的直接或间接测量中获得。压阻式压力传感器可用于测量喷雾信号。喷雾信号也可以用其他传感器类型来测量，即喷雾尖端处的流体压力、质量或体积流率、喷雾的反射、接近或雷达感应。这些和其他信号可用于进一步分析致动喷雾阀的瞬时性能并用于追踪变化以预测喷雾阀的性能和寿命。
根据本发明的实施方式的监测系统可以包括被监测的喷雾阀、传感器和信号调节回路、电缆、微控制器、通信硬件、电源管理电路、系统集成和控制以及边缘计算(edgecomputing)，用于在具有多个喷雾装置的大型喷雾系统中追踪阀到阀(valve-to-valve)的性能，并在致动喷雾阀的整个使用寿命中追踪性能。通信硬件可以包括状态指示器(HMIs、LEDs或其他指示灯)、串行数据传输和/或无线数据传输。
应当理解，所描述的系统允许有效地监测喷雾喷嘴或喷雾装置的液体流。然而，还将理解，前述方法和实施方式仅仅是本发明原理的示例，并且这些仅示出优选技术。因此，可以预期，本发明的其他实施方式可以在细节上与前述示例不同。本文描述了本发明的优选实施方案，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。通过阅读前述说明，那些优选实施方式的变型对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。发明人期望熟练的技术人员适当地采用这样的变型，并且发明人希望以不同于本文具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明包括适用的法律所允许的所附权利要求书中所述主题的所有修改和等同物。而且，除非本文另外指出或与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述元件在其所有可能的变化中的任何组合。
将理解的是，在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)术语“一”、“一个”、“该”以及类似指代的使用应被解释为覆盖单数和复数形式，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应解释为打开式术语(即意思是“包括但不限于”)。除非在此另外指出，否则本文中数值范围的列举仅旨在用作分别指代落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独值都被并入说明书中，如同其在本文中被单独叙述一样。除非另外要求，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，并且不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为指示任何未要求保护的要素对于实施本发明必不可少。

Claims (18)

1.一种通过控制器验证喷雾装置的喷雾性能的方法，所述方法包括：
接收用于致动所述喷雾装置的喷雾阀以允许或停止液体流通过所述喷雾装置的脉冲宽度调制指令信号，其中当喷雾阀打开时，所述喷雾装置中的所述液体流从入口流经所述喷雾阀，并进入布置在所述喷雾阀之后的喷雾室；
从所述喷雾装置的压力传感器接收喷雾信号，所述压力传感器与所述喷雾室相关联，以使得当所述喷雾阀被打开以允许液体流经所述喷雾装置时，所述压力传感器感测通过所述喷雾阀的喷雾流体的特性；
在所述喷雾装置的喷雾室中提供至少一个薄壁部分，其中液体流的流体压力作用在所述至少一个薄壁部分上并导致所述至少一个薄壁部分变形；
用压力传感器感测所述至少一个薄壁部分的变形以提供喷雾信号，所述喷雾信号与流体压力的增加成正比并指示喷雾流体的压力；以及
使用来自所述压力传感器的喷雾信号和所述脉冲宽度调制指令信号来监测通过所述喷雾装置的液体流，以确定所述喷雾装置的喷雾性能，
其中所述喷雾装置的喷雾性能包括所述喷雾阀的打开和关闭性能特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，监测所述液体流包括：
基于所述脉冲宽度调制指令信号高于指令阈值，确定所述喷雾信号是否高于打开阈值；以及
响应于所述喷雾信号高于所述打开阈值，验证所述喷雾阀允许所述液体流通过所述喷雾装置。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
响应于所述喷雾信号低于所述打开阈值，确定已经发生错误；以及
根据确定已发生错误来生成错误代码。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，监测所述液体流包括：
基于所述脉冲宽度调制指令信号低于指令阈值，确定所述喷雾信号是否低于关闭阈值；以及
响应于所述喷雾信号低于所述关闭阈值，验证所述喷雾阀停止所述液体流通过所述喷雾装置。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
响应于所述喷雾信号高于所述关闭阈值，确定已经发生错误；以及
根据确定已发生错误来生成错误代码。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲宽度调制指令信号是从选自包括以下的组中的一个或多个中接收：
施加到气动阀或液压阀上的流体压力；
阀操作者的位置测量；
施加到螺线管阀或电机阀的电信号；以及
螺线管线圈产生的磁场的间接测量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，监测所述液体流包括：
确定所述脉冲宽度调制指令信号的增加是否伴随着所述喷雾信号的增加；以及
响应于所述脉冲宽度调制指令信号的增加没有伴随所述喷雾信号的增加，确定检测到打开错误。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，监测所述液体流还包括：
响应于所述脉冲宽度调制指令信号的增加伴随着所述喷雾信号的增加，确定所述喷雾阀正在允许所述液体流通过；以及
基于所述喷雾阀停止所述液体流或所述喷雾阀允许所述液体流，计算所述喷雾阀的性能统计。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，监测所述液体流还包括：
响应于所述喷雾阀的性能统计超出公差范围，产生错误。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，监测所述液体流包括：
确定所述脉冲宽度调制指令信号的减小是否伴随着所述喷雾信号的减小；以及
响应于所述脉冲宽度调制指令信号的减少没有伴随所述喷雾信号的减少，确定检测到关闭错误。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，监测所述液体流还包括：
响应于所述脉冲宽度调制指令信号的减小伴随着所述喷雾信号的减小，确定所述喷雾阀停止所述液体流；以及
基于所述喷雾阀停止所述液体流或所述喷雾阀允许所述液体流，计算所述喷雾阀的性能统计。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，监测所述液体流还包括：
响应于所述喷雾阀的性能统计超出公差范围，产生错误。
13.一种液体喷雾系统，包括：
配置为产生并引导液体喷雾模式的喷雾装置，所述喷雾装置包括：
配置为接收用于允许或停止液体流通过所述喷雾装置的脉冲宽度调制指令信号的喷雾阀，
入口和布置在所述喷雾阀之后的喷雾室，其中当喷雾阀打开时，所述喷雾装置中的所述液体流从入口流经所述喷雾阀，并进入所述喷雾室；
配置为测量喷雾信号的压力传感器，所述压力传感器与所述喷雾室相关联，以使得当所述喷雾阀被打开以允许液体流经所述喷雾装置时，所述压力传感器感测通过所述喷雾阀的喷雾流体的特性；
在所述喷雾装置的所述喷雾室中的至少一个薄壁部分，其中液体流的流体压力作用在所述至少一个薄壁部分上并导致所述至少一个薄壁部分变形，并且其中所述压力传感器配置为感测所述至少一个薄壁部分的变形以提供喷雾信号，所述喷雾信号与流体压力的增加成正比并指示喷雾流体的压力；以及
耦合到所述压力传感器的控制器，所述控制器被配置成使用来自所述压力传感器的喷雾信号和脉冲宽度调制指令信号来监测通过所述喷雾装置的液体流，以确定所述喷雾装置的喷雾性能，
其中所述喷雾装置的喷雾性能包括所述喷雾阀的打开和关闭性能特征。
14.根据权利要求13所述的液体喷雾系统，其中，所述控制器还被配置为：
基于所述脉冲宽度调制指令信号高于指令阈值，确定所述喷雾信号是否高于打开阈值；以及
响应于所述喷雾信号高于所述打开阈值，验证所述喷雾阀允许所述液体流通过所述喷雾装置。
15.根据权利要求14所述的液体喷雾系统，其中，所述控制器还被配置为：
响应于所述喷雾信号低于所述打开阈值，确定已发生错误；以及
基于确定已发生错误来生成错误代码。
16.根据权利要求13所述的液体喷雾系统，其中，所述控制器还被配置为：
基于所述脉冲宽度调制指令信号低于指令阈值，确定所述喷雾信号是否低于关闭阈值；以及
响应于所述喷雾信号低于所述关闭阈值，验证所述喷雾阀停止所述液体流通过所述喷雾装置。
17.根据权利要求16所述的液体喷雾系统，其中，所述控制器还被配置为：
响应于所述喷雾信号高于所述关闭阈值，确定已发生错误；以及
基于确定已发生错误来生成错误代码。
18.根据权利要求13所述的液体喷雾系统，其中，所述脉冲宽度调制指令信号是从选自包括以下的组中的一个或多个中接收：
施加到气动阀或液压阀上的流体压力；
阀操作者的位置测量；
施加到螺线管阀或电机阀的电信号；以及
螺线管线圈产生的磁场的间接测量。
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