CN1372136A - 管道流体判断装置和管道流体控制系统 - Google Patents

Abstract

为判断管道内流动的流体介质的流动状态,保证其清洁卫生,及输出流体介质,提供了一种管道流体判断装置,包括设置在管道(1)的外部的静电电容传感器(15),用于监测管道(1)内流体介质的静电电容的变化;还包括一参考值储存装置,事先储存一流动通路的静电电容变化参考值以供判断在管道内流体介质的流动状态;和流体判断装置,对监测到的和所储存的静电电容变化作比较,对流体介质的流动状态作出判断。

Description

管道流体判断装置和管道流体控制系统

本发明涉及一种管道流体判断装置，用来判断一种流体例如一种液体在管道内流动的状态，还涉及一种管道流体控制系统，用于根据判断的结果控制流体介质的流动状态。

作为这样装置的一个例子，给出了通常所用的判断啤酒厂或食品加工厂的啤酒输送管道内啤酒的流动状态的装置。如图1所示，电极103和105被插入用以输送啤酒的管道101内，并对管道101内的啤酒107的流动状态作出判断。使用电极103和105，通过监测管道101内的电传导率并监测啤酒107的液体部分109和泡沫部分111之间的传导率差来对流动状态作出判断。根据判断结果，必要时将管道101内的啤酒107的泡沫部分111废弃掉以保证将啤酒的液体部分109输送出。

因此，有可能每次从安装在管道101的末端的输出机取出的啤酒107都带有极少的泡沫。

然而在图1所示的传统装置中，在管道101内流动的啤酒107直接与电极103和105相接触易导致电极103和105的腐蚀，进而带来了很可能出现的清洁卫生问题。监测传导率的变化，必不可少地要用到幅度很小的电压变化，这又带来了另一问题即计算量增加。传导率的监测受到伴生的磁场的影响，因而再一个问题就是监测不能在电磁阀附近进行。

而且如果管道101内流动的流体介质是一种固体如金属流、泥土流或石子流时，流体介质会撞击在电极103和105上，引起电极103和105损坏，可能会出现监测故障。因此，应用如图1所示的将电极103和105插入管道101内的装置对固体流动介质的流动状态作出判断是很困难的。

本发明正是考虑到上述各点而作出的。因此本发明的目的是提供一种管道流体判断装置和管道流体控制系统，它可以确定无误且容易地对在管道内流动的流体介质的流动状态作出判断，对于任何种类的流体介质都适用，而且不会带来不清洁的问题。

为达到上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种管道流体判断装置，包括一静电电容传感器，它设置在一种流体介质在管道内的流动通路流动的管道的外部，用于监测管道内流动通路的静电电容变化；还包括一参考值储存装置，用于事先储存一流动通路的静电电容变化参考值以供判断在管道内的流动通路流过的流体介质的流动状态；和流体判断装置，用于比较监测到的静电电容变化和所储存的静电电容变化，对流经流动通路的流体介质的流动状态作出判断。

根据本发明的第二方面，在根据本发明的第一方面的管道流体判断装置中，静电电容传感器包括一测量电极和一接地电极，均由一种导电的金属薄膜制成并绕形成流动通路的管道的外部缠绕，有绝缘件位于两者之间，还包括一屏蔽件，覆盖测量电极和接地电极，并在其间有绝缘件。

根据本发明的第三方面，在根据本发明的第二方面的管道流体判断装置中，接地电极比测量电极更窄并且测量电极和接地电极交替设置。根据本发明的第四方面，在根据本发明的第三方面的管道流体判断装置中，测量电极及接地电极以螺旋线形式沿流动方向缠绕。

为达到本发明目的，根据本发明的第五方面，还提供了一种管道流体控制系统，包括一根据本发明的第一至第四方面中的任一个的管道流体判断装置；调节装置，用于调节在流动通路内流过的流体介质的流动状态；和控制装置，用于根据流体判断装置的判断结果控制调节装置。

根据本发明的第六方面，在根据本发明的第五方面的管道流体控制系统中，在管道的末端具有一流体介质的介质输出机，调节装置包括一安装在管道上位于静电电容传感器和介质输出机的位置之间的第一开关阀，和一安装在连接在位于第一开关阀和静电电容传感器位置之间管道的支管上的第二开关阀，当静电电容变化在一设定值范围内时，控制装置打开第一开关阀并关闭第二开关阀，当静电电容变化超过设定值时，控制装置关闭第一开关阀而打开第二开关阀。

根据本发明的第一方面，对于在管道内流动通路流过的流体介质，由一静电电容传感器可以监测出管道内的流动通路的静电电容变化。参考值储存装置可以事先储存一流动通路的静电电容变化参考值以供判断流过该通路的流体介质的流动状态。流体判断装置将监测到的静电电容变化与所储存的静电电容变化相比较来对流经该流动通路的流体介质的流动状态作出判断。

因此，可以实现对管道内的流体状态做出确定无误的判断，例如流体介质是常态的，还是非常态的，或流体介质种类的改变。而且，可以非接触地判断流经管道的流动通路的流体介质的流动状态，保证了流体介质的清洁卫生，即便流体介质是一种食品。而且，流动通路内的流体介质的流动状态可通过静电电容或变化来判断，具有较大的电压变化而不需要对监测到的数值进行积分计算，减少了计算量。由于流动状态是以静电电容的变化来监测的，因此磁场几乎不产生任何影响。即使流体介质是固体时，如金属流、泥土流、石子流等，电极也能够免遭流体介质的撞击，进而确定无误且容易地判断出固态流体介质的流动状态。

根据本发明的第二方面，除了本发明的第一方面的效果之外，利用依次缠绕的、导电性金属薄膜制成的测量电极和接地电极可以确定无误且容易地判断出管道内的流体介质的流动状态，还保证了清洁卫生条件。根据本发明的第三方面，除了本发明的第二方面的效果之外，由于接地电极比测量电极更窄并且测量电极与接地电极交替布置，可以一更可靠的方式判断出管道内的流体介质的流动状态。

根据本发明的第四方面，除了本发明的第三方面的效果之外，由于测量电极和接地电极是以螺旋线形式沿流动方向缠绕，可以一更可靠且便捷的方式判断出管道内的流体介质的流动状态。

根据本发明的第五方面，除了本发明的第一至第四方面的效果之外，根据流动状态的判断结果，控制装置能够控制调节装置以便可以确定无误且容易地控制流动通路内的流体介质的流动状态。

根据本发明的第六方面，除了本发明的第五方面的效果之外，当监测到的静电电容变化在静电电容变化参考值的设定值范围内时，控制装置能够打开第一开关阀并关闭第二开关阀，当监测到的静电电容变化超过静电电容变化参考值的设定值时，控制装置关闭第一开关阀而打开第二开关阀。

因此，当流经管道的流动通路的流体介质的流动状态是常态的或流体介质的种类不变化时，以及监测到的静电电容变化在静电电容变化参考值的设定值范围内时，可以实现将流体介质从管道输送至介质输出机，进而确定无误地将常态的流体介质或种类未变化的流体介质从介质输出机输出。而当流经管道的流动通路的流体介质的流动状态是异常的或流体介质的种类发生变化时，以及监测到的静电电容变化超过静电电容变化参考值的设定值时，则停止流体介质从管道至介质输出机的输送，进而确定无误地将异常流动状态的流体介质或种类改变的流体介质输送至一支管末端。

图1是一传统的管道流体控制装置的局部示意图；

图2是本发明的一实施例的管道流体控制系统的结构示意图；

图3是图2所示的管道流体控制系统的传感器装置及相关部件的一剖视图；

图4是沿图3中的线SA-SA所作的更详细的剖视图；

图5是图3中的传感器装置的主要部分的一更详细的剖视图；

图6是被缠绕的一电极的示意图；

图7是与图6所示电极相当的一电极的部件分解图；

图8是管道流体控制系统的一方框图；

图9是本发明的另一实施例的管道流体控制系统的方框图。

图2示意性地示出了本发明的管道流体控制系统的全部的一个实施例，其中所示的管道1用于通过其内部通路输送一种流体介质，例如啤酒。

管道1的一端与一啤酒桶3相连，其另一末端连接到一作为一介质输出机的啤酒输出机5上。在至啤酒输出机5端的管道1上安装有一第一电磁开关阀7，作为第一开关阀，该阀是一调节装置，它设置在介质输出机和后面将要描述的静电电容传感器的位置之间。第一电磁开关阀7控制作为流体介质的啤酒在管道1内通路上流动的流动状态。也就是，当第一电磁开关阀7打开时，管道1内的啤酒被输送到啤酒输出机5。当第一电磁开关阀7关闭时，则停止将啤酒输送到啤酒输出机5。

一排出管9在第一电磁开关阀7的上游作为一支管连接到管道1上，连接在第一电磁开关阀和下文将要描述的静电电容传感器的位置之间。位于排出管9末端的是一排出桶11。在排出管9上安装有第二电磁开关阀13，作为一第二开关阀，它是一调节装置，用于排出管9。

如果由下文将要描述的控制方式将第一电磁开关阀7关闭，第二电磁开关阀13打开，则管道1内通路上的啤酒(主要是泡沫)就排出至桶11。如果第一电磁开关阀7被打开而第二电磁开关阀13关闭，则管道1内的啤酒泡沫停止向桶11排出。

在管道1的外部安装有作为静电电容传感器的传感器装置15。传感器装置15用于监测管道1内的流动通路的静电电容。图3至图5示出了传感器装置15的结构的实施例。

图3所示的剖面图示出了传感器装置15和相关的管道流体控制系统部分，图4是沿图3中的线SA-SA所作的剖视详图，图5是图3的主要部分的一剖视详图。如图3至5所示，传感器装置15包括一缠绕在限定流动通路的管道1的外壁上的电极19，一内部绝缘件17位于管道1外壁与电极19之间。

在此实施例中，绝缘件17由一个氯乙烯管制成。绝缘件17与管道1的外壁紧密配合。代替两者之间的配合可以用一种粘合剂或类似物固着。如此为了整体安装及便利应用需要，通过采用氯乙烯管作为绝缘件17，传感器装置15可以被安装到管道1上。管道1，至少是对应于传感器装置15的那部分，由一种绝缘树脂制成，如氯乙烯，最好是全部均由绝缘树脂制成。

电极19由一种导电性金属板制成，其结构将在下文中描述。在电极19的外部设置有屏蔽件23，一外部绝缘件21位于电极19和屏蔽件23之间。绝缘件21也由氯乙烯管构成。绝缘件21紧密覆盖在电极19的外部。绝缘件21可以是一树脂塑件。在某些情况下，内部绝缘件17也可以是一种树脂塑件。

在此实施例中，屏蔽件23制成一铝管。屏蔽件23与绝缘件21的外壁紧密配合。在屏蔽件23的两端安装有端部屏蔽件25a和25b。在此实施例中，端部屏蔽件25a和25b是由铝制成的。

一端部屏蔽件25a制有通孔27，用于引出电极19的引线29。在屏蔽件25a和引线29之间填充有树脂塑件31。引线29在其端部具有用于外部连接的连接件32。

图6示出了电极19是如何构成的。在图6中，电极19当它被缠绕在氯乙烯管的绝缘件17上时，由点划线示出，当它被展开时，由实线示出。如图6所示，电极19包括一测量电极33和一接地电极35。电极33和35均制成基本上为平行四边形的带状铜薄膜。电极33和35的短边(图6中以实线示出的左或右垂直边)及下文将要描述的电极33和35之间的间隙37的长度总和基本上等于绝缘件17的外部圆周的长度。

接地电极35比测量电极33更窄。测量电极33及接地电极35以螺旋线形式沿流动方向缠绕在绝缘件17的圆周外壁上，如图中的点划线所示，并用例如粘合剂固定。在此实施例中，沿绝缘件17的圆周外壁缠绕的圈数大约为3圈。但是，只要由电极33和35在管道1的整个圆周上可监测到静电电容的变化，则缠绕的圈数就可以任意选择。缠绕在绝缘件17上的电极33和35之间有一间隙37。

电极33和35交替设置，缠绕在绝缘件17上。此时，电极33的相邻的缠绕部分在短路点A和B之间相互短路。对于电极35，缠绕部分在短路点C和D之间短路。在图6中示出的电极19的缠绕条件下，为了方便显示，短路点A、B、C和D位于同一边，而实际中短路点A、B、C和D位于展开状态中所示的位置上。

这样的布置方式得到的电极结构与图7中的电极19A类似。在图6所示的电极19中，短路点A、B、C和D与电极19A中的点A1、B1、C1和D1的位置相对应，然而通过提供在短路点A、B、C和D短路的大体为平行四边形的带状电极33和35，电极19可以螺旋线形式缠绕在绝缘件17的外壁上。

当然，采用图7所示的电极19A的布置方式代替电极19也是可以的。图7中的电极19A包括一测量电极33A和一接地电极35A，两者均绕绝缘件17的整个外部圆周缠绕。图6和7所示的电极19和19A是彼此不同的，其中以螺旋线形式缠绕在绝缘件17的外壁上的电极19如图6所示，由于流动介质比如在管道1的流动通路内的啤酒的流动所引起的静电电容的变化可以被更准确且更容易地监测出来。

图8是管道流体控制系统53的一方框图，该系统包括一管道流体判断装置47。管道流体判断装置47由一传感器装置15、振荡电路39、一频率电压转换电路41、一A/D转换电路43和一MPU 45构成。管道流体控制系统53包括管道流体判断装置47、一驱动电路49和一控制阀51。控制阀51包括图2所示的第一和第二电磁开关阀7和13。MPU 45构成一控制装置，用于控制作为调节装置的控制阀51。

在MPU 45中预先储存了当流体介质在管道1的流动通路内流动时通路的静电电容变化参考值。静电电容变化参考值用于确定流体介质在管道1的流动通路内的流动状况，例如正常或异常。在此实施例中，在管道1的通路内流动的啤酒介于液体状态(作为正常状态)和泡沫状态(作为异常状态)之间的静电电容的变化被储存作为静电电容变化参考值。因此，在此实施例中MPU 45构成了一参考值储存装置。根据希望在流至啤酒输出机5端的啤酒中出现的泡沫量的多少可任意地调节静电电容变化参考值。MPU 45用于比较一监测到的静电电容变化值和所储存的静电电容变化值，以确定在管道1的流动通路内的啤酒的流动状态。因此，在此实施例中，MPU 45构成了一流体判断装置。

如果传感器装置15监测到一静电电容变化值，它是对应于静电电容变化的频率变化值，从振荡电路39至频率电压转换电路41的一输入值。频率电压转换电路41将输入的频率变化转换为一电压变化，并将其输入A/D转换电路43。A/D换电路43将该输入电压变化替换为一二进制的数字信号，并将该信号输入至MPU 45。在MPU 45，监测到的一静电电容变化输入值与一设定的静电电容变化值相比较。

MPU 45根据比较结果以确定流动通路内的啤酒的流动状态是液体还是泡沫状的，并将此确定结果输出至驱动电路49。驱动电路49利用MPU 45的输出来控制控制阀51。

如图2所示，啤酒从啤酒桶3流入管道1内部，当其被输送至啤酒输出机5时，管道1的流动通路内的静电电容变化值在传感器装置15处被监测出来。由此监测，当液体啤酒在管道1内流动时，由于静电电容变化值很小或小于设定值，从MPU 45发出一相应的信号通过驱动电路49至第一和第二电磁开关阀7和13，以便第一电磁开关阀7被打开而第二电磁开关阀13关闭，允许液体状态的啤酒被输送到啤酒输出机5。

如果在管道1的流动通路内流动的啤酒进入泡沫状态，传感器装置15监测到一静电电容变化值。监测的结果在MPU 45内作比较，结果由此一信号被输出，经过驱动电路49至控制阀51，以便第一电磁开关阀7被关闭而第二电磁开关阀13被打开。

进而在管道1的流动通路内的泡沫状的啤酒经排出管9被排出至排出桶11。通过这样的控制保证低泡沫的液体啤酒可以从啤酒输出机5输出。根据在MPU 45的静电电容变化参考值的设定，可以实现对从啤酒输出机5或类似物输出的液体啤酒内混有的泡沫量的控制。

由于可以对流经管道1的流动通路的啤酒的流动状态进行非接触监测，因此电极就可以免遭侵蚀或类似困扰，进而使管道1内的啤酒保持为高清洁状态。又由于静电电容变化提供一很大的电压变化，因此不必对监测到的结果进行积分计算，使得用很小的计算量就能实现快捷而正确的控制，使整个系统简洁而紧凑。

因为是以静电电容变化来监测流体状态的，几乎不受磁场影响，使得例如传感器装置15可以设置在第一电磁开关阀7附近，增加了设计的适应性。

作为本发明的另一实施例，图9示出了上述实施例的一改进形式的管道流体控制系统53A。在图9中，与图8中部件相对应的部件均以与其相同的标号表示。在图9所示的管道流体控制系统53A中，一电压比较电路55和一参考电压产生电路57代替了图8中的A/D转换电路43和MPU 45。

管道流体判断装置47A包括一传感器装置15、一振荡电路39、一频率电压转换电路41、电压比较电路55和参考电压产生电路57。

参考电压产生电路57用于产生一种参考电压，以用于在电压比较电路55进行电压比较，并对应于设定好的静电电容变化的参考值产生一参考电压。因此，此实施例中的参考电压产生电路57构成了一参考值储存装置。

在参考电压产生电路57产生的参考电压被送入电压比较电路55，在那里将其与对应于一监测到的静电电容变化的一电压变化相比较，并根据比较结果输出一信号，经驱动电路49至控制阀51。因此，本实施例中的电压比较电路55构成了一流体判断装置和一控制装置。

还有，在图9所示的实施例中，当静电电容变化极小或很小时，第一电磁开关阀7被打开而第二电磁开关阀13关闭。如果静电电容变化超过了一设定值，则第一电磁开关阀7关闭而第二电磁开关阀13打开。因此，在图9所示的电路布置中，同样可以安全地实现当管道1内流动的啤酒是液体状态时，啤酒被送入啤酒输出机5，当其为泡沫状态时，则被排出至排出桶11。

在前述的实施例中，虽然排出管9作为一支管连接在传感器装置15和第一电磁开关阀7之间，但第一电磁开关阀7可以是一三通阀，排出管9可以连接到该三通阀上，这样利用控制装置的电开关控制对三通阀进行出口开关操作，就可以实现从管道1至啤酒输出机5端的流动和从管道1至排出桶11端的流动的切换。

在上述的实施例中，传感器装置15安装在直线管1上，但它也可以装在带弯管部件的管道1上或轻而易举地利用软性绝缘件17和21和一软性屏蔽件23连接到该弯管部件上。在此情形下，电极19的螺旋线形式的缠绕可以保证电极19沿管道1的弯管部件的布置。

电极19和19A可以直接缠绕在由氯乙烯或类似物制成的管道1上，这样就可以除去内部绝缘件17。

在上述的实施例中，流体介质是啤酒，但其它的任何流体介质都可以应用本发明。例如液体的水或油，气体的空气或二氧化碳，或固体的金属流、泥土流、石子流或豆类流体均可以用来判断其流动状态而进行一预定的分离控制或类似操作。

例如，在对食品罐进行清洗时，按顺序进行水清洗、热水清洗、杀菌剂清洗等，事先将这些水、热水、杀菌剂等在管道内流动时所产生的静电电容变化作为参考值储存起来，清洗操作进行时，管道内的静电电容变化由一传感器装置监测出来，并与参考值进行比较，这样就可以确信地判断出正在清洗食品罐的是水、热水和杀菌剂中的哪一种流体。也就是，流体介质的流动状态包含了流体介质种类的变化。

可以将多个支管连接到一单一管上，流体介质的种类可以通过静电电容的变化监测出来，这样就可以实现将不同种类的流体介质从管道输送至各个支管。

由静电电容的比较进行判断，不仅仅是其变化值的比较判断，而且包括其静电电容本身的比较判断，都被认为由一等同的保护范围覆盖了。

Claims (6)

1.一种管道流体判断装置，包括：

一静电电容传感器，它设置在一种流体介质在管道内的流动通路流动的管道的外部，用于监测管道内流动通路的静电电容变化；

一参考值储存装置，用于事先储存一流动通路的静电电容变化参考值以供判断在管道内的流动通路流过的流体介质的流动状态；和

流体判断装置，用于比较监测到的静电电容变化和所储存的静电电容变化，对流经流动通路的流体介质的流动状态作出判断。

2.如权利要求1所述的管道流体判断装置，其特征在于所述静电电容传感器包括一测量电极和一接地电极，均由一种导电的金属薄膜制成并绕形成流动通路的管道的外部缠绕，有绝缘件位于两者之间，还包括一屏蔽件，覆盖测量电极和接地电极，并在其间有绝缘件。

3.如权利要求2所述的管道流体判断装置，其特征在于所述接地电极比测量电极更窄并且测量电极和接地电极交替设置。

4.如权利要求3所述的管道流体判断装置，其特征在于所述测量电极及接地电极以螺旋线形式沿流动方向缠绕。

5.一种管道流体控制系统，其特征是包括：

一如权利要求1至4中任一项所述的管道流体判断装置；

用于调节在流动通路内流过的流体介质的流动状态的调节装置；和

用于根据流体判断装置的判断结果控制调节装置的控制装置。

6.如权利要求5所述的管道流体控制系统，其特征在于在管道的末端具有一流体介质的介质输出机，调节装置包括一安装在管道上位于静电电容传感器和介质输出机的位置之间的第一开关阀，和一安装在连接在位于第一开关阀和静电电容传感器位置之间管道的支管上的第二开关阀，当静电电容变化在一设定值范围内时，控制装置打开第一开关阀并关闭第二开关阀，当静电电容变化超过设定值时，控制装置关闭第一开关阀而打开第二开关阀。

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