CN1493021A - 可变压力调节流动控制器 - Google Patents

Abstract

一种流动控制器，具有第一和第二调节级。第一级是压力调节级，用来保持中间室(由一系列相互连接的通道和腔体构成)内的压力处于高于出口压力的预定范围内。第二级保持流速在目标流速的预定范围内。两级都在出口对压力进行采样并且自动调节流体流动从而保证在入口和出口的压力波动不会影响流速。流速由用户确定的设定点设定并控制。通过一个或多个反馈系统调节压力。根据特定的操作环境，反馈系统可以是机械的或者机电的。

Description

可变压力调节流动控制器

相关申请

本申请要求2000年10月11日提交的美国临时申请No.60/239,716的优先权。

发明领域

本发明涉及控制加压流体流动的系统和方法，更具体的说，本发明涉及这样一种系统和方法，它能够对来自高压、可变压力和/或未知压力源的流体流动实现精确控制。

发明背景

在许多领域，必须提供精确数量的加压流体。所提供的流体数量通常通过调节流体流动来控制。流体流动独立于导管尺寸和供给压力等，并且通过控制流动速率来保证按需要输运精确数量的流体。

本发明在控制以相对低速流动的气体方面具有特别的重要性。本发明也可应用于其它方面，如液体流动或流速相对较高的情况。本发明的范围应该参照所附的权利要求确定，而不是由下面的详细描述确定。

需要精确控制所提供的气体数量的一个例子是在将气体提供给病人时。在这种情况，混合有空气的气体通过呼吸器提供给病人以得到理想的效果。如果供给病人的气体过少，可能得不到理想的效果。在另一方面，如果提供给病人的气体过多，可能使病人中毒。另一些需要精确控制所提供的气体数量的例子包括科学和医学试验、工业过程和潜水用的呼吸器。

保持气体恒定流动的一个最主要的障碍是供给气体的压力可能是未知或者可变的。通常情况中，加压气体源是加压储存罐或压缩机。由这些源供给的流体的压力可能有很大的波动。例如，在加压储存罐内的气体数量减少后，从罐中流出的流体压力会减小。因此，在很多气体流动很重要的系统中，为了保持流速在预定的限度内，必须测量和监测流速，如果必要，还需要对系统进行调节。

相关技术

授予本专利申请人的U.S.专利No.4,015,626披露了一种保持恒定流速的阀门组件。这个阀门组件包括限定了上游室和下游室的外壳，放置在这些室之间的可移动壁组件，位于下游室中起到可移动壁作用的弹簧，位于上游室使得其控制杆与可移动壁接合的自行车式阀门(bicycle valve)，和位于两个室之间的高阻盘管。在下游室中的压力变化允许可移动壁移动并且操纵自行车式阀门控制杆打开或关闭自行车式阀门来控制流经阀门组件的流体流动。调节器室弹簧可以得到不同的流动速率。管道系统起到减压约束的作用并用来平均流经其中的流体流速。

专利‘626所披露的阀门组件相对较复杂并且制造成本较高。另外，在确定可得到的流速范围时通过高阻管道的压降起到了重要的作用。改变通过管道的压降以得到不同流速范围将很困难，这是因为必须应用不同的管道(即改变长度或通道尺寸)。所提供的高阻管道的长度使得系统相对较大并且增加了失效的可能性。而且这种阀门组件设计为只操作在低压(80到150psi)情况中。

在2000年2月22日授予本专利申请人的U.S.专利No.6,026,849也披露了一种用高压、可变压力和/或未知压力源操作的流动调节控制器。专利′849中所披露的系统和方法解决了一些以恒定速率供应流体(特别是气体)的问题。

但是，存在改善诸如专利′849中所披露的流体调节控制器的必要，从而使得这种技术可应用于特殊的环境中。

附图的简要说明

图1是根据并体现本发明原理所构造的流动控制器的第一个实施例的端面正视图；

图2是沿图1线2-2第一个实施例流动控制器的剖面图；

图3是放大了的剖面图，给出了图2绘出的第一个实施例的流动控制器的细节；

图4是沿图2线4-4第一个实施例流动控制器的剖面图；

图5是根据并体现本发明原理所构造的流动控制器的第二个实施例的剖面图；

图6A是剖面图，给出了图5绘出的流动控制器第二个实施例输入级的细节；

图6B是剖面图，给出了图5绘出的流动控制器第二个实施例输出级的细节；

图7是根据并体现本发明原理所构造的流动控制器的第三个实施例的剖面图；

图8是根据并体现本发明原理所构造的流动控制器的第四个实施例的剖面图；

图9是用于和图8的流动控制器相连接的控制系统简图；

图10是根据并体现本发明原理所构造的流动控制器的第五个实施例的剖面图；

图11是用于和图10的流动控制器相连接的控制系统简图；

图12是根据并体现本发明原理所构造的流动控制器的第六个实施例的剖面图；

图13是用于和图12的流动控制器相连接的控制系统简图；

优选实施例的详细描述

第一个实施例

现在参考图1，图中所绘的20是根据并体现本发明原理所构造的流动控制器系统。第一个实施例的流动控制器系统20可以用相对低的成本制造，并且可以根据所期望的输入压力范围和理想的流动速率范围等因素将其设计为可可靠运行的多种结构。

示意的流动控制器系统20包括由第一端件24、第二端件26和中间件28组成的外壳组件22以及第一和第二隔膜件30和32。第一和第二端件24和26用螺栓34与中间件28相连接构成了外壳组件22。在这样装配后，第一隔膜件30位于第一上部件24和中间件28之间，它们限定了输入室40和第一调节器室42。第二隔膜件32位于第二上部件26和中间件28之间，它们限定了输出室44和第二调节器室46。

现在参考图4，可以看出通过对示意的中间件28的磨制限定了第一和第二端腔50和52。示意的第一和第二端腔50和52彼此相似并且都包括外部54、螺纹中间部分56和内部58。

第一和第二阀门组件60和62分别大致放置在第一和第二端腔50和52内。除了尺寸上的差别，示意的阀门组件60和62在构造上相似。

特别地，第一阀门组件60包括第一阀座件70、第一O形环72、第一阀杆组件74和第一阀门弹簧76。第二阀门组件62包括第二阀座件80、第二O形环82、第二阀杆组件84和第二阀门弹簧86。

第一和第二阀座件70和80通过螺纹分别连接到第一和第二端腔50和52的螺纹部分56。利用阀座件70和80将O形环72和82保持在端腔50和52的螺纹部分56内。这样放置在第一端腔50螺纹部分56内的第一O形环72用来防止腔体50螺纹部分56和内部58之间的流体流动。类似放置在第二端腔52螺纹部分56内的第二O形环82用来防止腔体52螺纹部分56和内部58之间的流体流动。

示意阀杆组件74和84完全一样并且都包括杆件90和阀门件92。示意杆件90为T形部件，它的十字条嵌入阀门件92。

阀杆组件74和84的杆件90穿过分别形成在阀座件70和80内的第一和第二阀杆孔110和112，并且由这些孔支撑。另外，阀杆组件74和84的阀门件92放置在靠近形成在阀座件70和80的阀座表面114和116的附近。

阀杆组件74和84相对于阀座件70和80移动较短一段距离，使得阀门件96嵌入或脱离阀座表面114和116。当阀门件96从阀座表面114和116脱离时，允许流体流过分别形成在阀座件70和80内的第一和第二阀门通道120和122。但是，当阀门件96嵌入阀座表面114和116时，防止流体流过第一和第二阀门通道120和122。

第一和第二阀门弹簧76和86分别放置在第一和第二端腔50和52的内部58内，从而将阀杆组件74和84的阀门件92向阀座表面114和116偏置。

阀门组件60和62一般是闭合阀门。另外，阀门组件60和62在响应施加给阀杆组件74和84上部件124和126的第一和第二阀门控制力时几乎线性打开。

阀杆组件74和84的上部件124和126位于输入室40和44内。输入室40和44内的第一和第二阀门板130和132分别位于阀杆上部件124和126与第一和第二隔膜件30和32之间。第一和第二活塞件140和142位于第一和第二调节器室42和46内，它们在第一和第二隔膜件30和32与第一和第二阀门板130和132相对的另一侧。第一和第二调节器室弹簧144和146也位于第一和第二调节器室42和46内，通过隔膜件30和32将第一和第二活塞件140和142向阀门板130和132偏置。隔膜件30和32是柔性的，因此允许施加到活塞件140和142上的力传递给阀门板130和132。

现在返回来参考外壳组件22的结构，图3示出了在入口室40和第二端腔52的内部58之间延伸的连接通道150。因此，在第二阀门组件62打开的时候流体可以通过第二阀门组件62从入口室40流到出口室42。

图4用虚线表示出了从入口154伸展到第一端腔50内部58的入口通道152。因此，在第一阀门组件62打开的时候流体可以通过第一阀门组件62从入口154流到入口室42。

图3和图4示出了允许流体从出口室42经过节流室160流到出口通道158的节流通道156。节流件162位于节流室160内。出口通道158反过来允许流体通过节流件162从节流通道156流到出口164。

图4还示出了第一和第二采样通道170和172，它们分别允许流体从出口通道158流到第一和第二调节器室42和46。

图4进一步示出了节流室160是通过一个在中间件28内磨制得到的检查孔180形成。检查孔180上开有螺纹，从而允许细长塞182连接到中间件28上。塞182限定了一个塞室184，通过它流体可以从节流通道156流到节流室160。第一塞内O形环186的放置确保从节流通道156流出的流体只经过节流室160内的节流件162。第二O形环188的放置防止流体经过检查孔180流出系统20。

在应用中，流体从入口154按下面所述沿主流体通道流到出口164：在入口154的流体经过入口通道152流进入口室40；然后入口室40内的流体经过第一阀门组件60、连接通道150和第二阀门组件62流到出口室44；然后出口室44内的流体经过节流通道156、节流室160内的节流件162和出口通道158流到出口164。

出口通道158内的流体经过采样通道170和172流到第一和第二调节器室42和46。在调节器室42和46内的流体压力和由调节器室弹簧144和146施加的偏置力的组合建立了控制力，这些控制力控制阀门组件以保持流体以几乎恒定的流动速率通过流动控制器20，并且几乎与上游和下游的压力变化无关。

再回来参考图2，图中绘出的190是压力调节组件，用来调节由第二调节器室弹簧146施加给第二阀杆组件84的上部件126的控制力。压力调节组件180可以调节流体流经系统20的流动速率。尽管示意的压力调节组件180是手动操作，也可以用动力推动的压力调节组件，就象下面将要讨论的那样，这可以允许遥控和/或自动控制流动速率。

外壳组件22的设计允许在不同的环境中很容易构造流动控制器系统20。特别地，作为相对复杂部件的中间件28可以以标准形式制造。通过适当地选择第一和第二阀座件70和72以及节流件162可以为特定的环境设定标准中间件28。

可以制造出不同形式的阀座件，每个阀座件具有不同有效横截面积的阀门通道。对给定的第一或第二阀座件，根据期望的上下游流体压力范围选择阀门通道的有效横截面积。系统设计者将对给定的环境选择适当的阀座件。如果制造出两种不同的、具有不同横截面积的阀座件，系统设计者可以从四种流体控制器系统的有效结构中选择。更多的阀座件将提供更多的流体控制器系统的有效结构。

节流件162在节流通道156和出口通道158之间建立预定压力降。压力降的幅度可以通过选择不同的节流件和/或利用两个或多个节流件的不同组合来改变。因此本发明流动控制器系统的特征可以通过适当选择节流件162来改变。

因此，流动控制器系统20形成了具有普遍目的的流动控制器，可以根据系统20应用于不同的环境中很容易地将其实施于不同的结构中。

第二个实施例

现在参考图5，图中所绘的220是根据并体现本发明原理所构造的流动控制器系统的第二个实施例。设计第二个实施例的流动控制器系统220使之根据期望的输入压力范围和想要的流动速率范围等因素，能够在多种结构中可靠地运行。尽管流动控制器系统220可以应用于多种环境中，在必须将对流体的污染最小化的清洁的环境中它有特殊的重要性。

示意的流动控制器系统220包括由第一上部件222、第二上部件226和基底或中间件228组成的外壳组件222以及第一和第二隔膜组件230和232。

隔膜组件230和232彼此相似，都包括第一和第二隔膜件234和235。第一隔膜组件230还包括第一隔膜片236和第一隔膜套237；第二隔膜组件232还包括第二隔膜片238和第二隔膜套239。

隔膜件234和235焊接在隔膜片238和239上。在隔膜件235固定在隔膜套237和239以及中间件224之间的同时，隔膜件234还焊接到隔膜套237和239上。第一和第二上部件224和226通过螺纹结构连接到基底件228上从而构成了外壳组件222。

这样组装后，第一隔膜组件230限定了输入室240和第一调节器室242。第二隔膜组件232限定了输出室244和第二调节器室246。利用焊接和密封保证在这里描述的各种室中的流体流动只在下面所限定的通道和流道内流动。

通过磨制示意的基底件228限定了第一和第二端腔250和252。示意的第一和第二腔250和252彼此相似并且都包括带螺纹的外部254。带螺纹的中间部分256和内部258。

第一和第二阀门组件260和262分别几乎放置在第一和第二端腔250和252内。除了下面所指出的尺寸上的差别，示意的阀门组件260和262在结构上相似。

特别地，第一阀门组件260包括第一阀座件270，第一O形环272，第一阀杆组件274和第一阀门弹簧276。第二阀门组件262包括第二阀座件280，第二O形环282，第二阀杆组件284和第二阀门弹簧286。

第一和第二阀座件270和280分别通过螺纹连接到第一和第二端腔250和252的螺纹部分256上。O形环272和282通过阀座件70和80保持在端腔50和52的螺纹部分内。因此第一O形环72放置在第一端腔250的螺纹部分256内以防止流体在腔250的螺纹部分256和内部258之间流动。与此类似，第二O形环282放置在第二端腔252的螺纹部分256内以防止流体在腔252的螺纹部分256和内部258之间流动。

示意的阀杆组件274和284完全相同并且都包括杆件290和阀门件292。示意的杆件290为T形部件，它的十字条镶嵌在阀门件292内。

阀杆组件274和284的杆件290穿过分别形成在阀座件370和380内的第一和第二阀杆孔310和312，并且由这些孔支撑。另外，阀杆组件274和284的阀门件292放置在靠近形成在阀座件270和280的阀座表面314和316的附近。

阀杆组件274和284相对于阀座件270和280移动较短一段距离，使得阀门件296嵌入或脱离阀座表面314和316。当阀门件296从阀座表面314和316脱离时，允许流体流过分别形成在阀座件270和280内的第一和第二阀门通道320和322。但是，当阀门件296嵌入阀座表面314和316时，可防止流体流过第一和第二阀门通道320和322。

第一和第二阀门弹簧276和286分别放置在第一和第二调节器室242和246内。如下面将要详细描述的，阀门弹簧276和286将阀杆组件274和284的阀门件292向阀座表面314和316偏置。

阀门组件260和262一般是闭合阀门。另外，阀门组件260和262在响应施加给阀杆组件274和284的上部324和326的第一和第二阀门控制力时几乎线性打开。

阀杆组件274和284的上部324和326位于输入室240和244内并且分别和隔膜片236和238刚性连接。隔膜片236和238依次与位于第一和第二调节器室242和246中的第一和第二调节器板330和332连接。

第一和第二调节器室弹簧340和342也位于调节器室242和246内，用来通过阀门弹簧276和286将第一和第二调节器板340和342向隔膜片235和238偏置。

因此第一调节器板330、第一隔膜片238和第一阀门件274刚性地互相连接以形成第一滑动组件344。与之类似，第二调节器板332、第二隔膜片239和第二阀门件284刚性地互相连接以形成第二滑动组件346。

滑动组件344和346由形成在阀座件370和380内的第一和第二阀杆孔310和312、隔膜件234和236，阀门弹簧276和286以及第一和第二调节器室弹簧340和342悬挂起来。隔膜件234和236以及弹簧276、286、340和342是柔性的从而允许滑动组件344和346移动。另外，阀门件274和284相对于阀座件370和380滑动。因此，滑动组件344和346在外壳组件222中移动使得施加在隔膜件234和236上的力可打开和关闭阀门组件260和262。

参考图5，连接通道350在入口室240和第二端腔252的内部258之间延伸。因此当第二阀门组件262打开时流体可以从入口室240经过第二阀门组件262流到出口室242。

入口通道352从入口354延伸到第一端腔250的内部258。因此当第一阀门组件262打开时流体可以从入口354经过第一阀门组件262流到入口室240。

节流通道356允许流体从出口室242经过节流室360流到出口通道358。节流件362位于节流室360中。出口通道358允许流体从节流通道356经过节流件362流到出口364。

第一旁路通道370形成在隔膜片238内以允许流体从入口室240流到由第一隔膜组件230和外壳组件222所限定的第一旁路室372内。第二旁路通道374形成在基底件224内以允许流体从第一旁路室372内流到由第二隔膜组件232和外壳组件222所限定的第二旁路室246内。采样通道378连接出口通道358和第二旁路室374。旁路件380位于第一旁路通道370内以在入口室240和第一旁路室372之间产生压力差。

在应用时，将流体引入入口354，然后流体按下面所述沿着主流动通道流经系统220。在入口354内的流体通过入口通道252流进入口室240内。然后流体从入口室240经过第一阀门组件260、连接通道250和第二阀门组件262流到出口室242。在出口室242内的流体然后通过节流通道356、节流室360内的节流件362和出口通道358流到出口364。

在入口室240内的一小部分流体沿着旁路通道经过第一旁路通道370内的旁路件278流进第一旁路室372。这部分流体继续沿着旁路通道经过第二旁路通道374流进第二旁路室376。然后流体继续沿着旁路通道从第二旁路室376经过采样通道378流到出口通道358。

因此在第一和第二旁路室372和376内的压力与出口通道358内的压力一样。在旁路室372和376内的流体压力与调节器室弹簧344和346施加的偏置力的组合建立了控制力，以控制阀门组件260和262大致在流体通过流动控制器20时保持几乎恒定的流体流速，而几乎与上游和下游的压力变化无关。但是，由于在系统220的正常操作时一小部分流体将沿着旁路通道流动，流体不会在旁路室或者旁路通道中积聚。

参考图5，所绘出的390是压力调节组件，用来调节由第二调节器室弹簧346施加给第二阀杆组件284的控制力。压力调节组件390允许调节流经系统220的流体流速。尽管示例中的压力调节组件390是人工操纵的，可以应用动力操纵的压力调节组件以允许遥控和/或自动控制流动速率。

外壳组件222的设计使得流动调节系统220适用于以下情况，即可避免弹簧和受控流体的接触并且在系统220内的任何地方都不允许聚集流体。

按上面描述的系统20，可以制造出不同形式的阀座件，每个阀座件具有不同有效横截面积的阀门通道。对给定的第一或第二阀座件，根据期望的上下游流体压力范围选择阀门通道的有效横截面积。系统设计者将针对给定的环境选择适当的阀座件。如果制造出两种不同的、具有不同横截面积的阀座件，系统设计者可以从四种流体控制器系统的有效结构中选择。更多的阀座件将提供更多的流体控制器系统的有效结构。另外，系统20的阀座件可以与用于系统220中的阀座件相同。

节流件362在节流通道356和出口通道358之间产生预定压降。这个压降的幅度可以通过选择不同的节流件和/或以多种组合利用两个或更多个节流件来改变。因此可以通过适当选择节流件362来改变本发明流动控制系统的特征。

第三个实施例

现在参考图7，图中所绘的420是根据并体现本发明原理所构造的另一个示意流动控制器系统。第三个实施例的流动控制系统420与上面描述的流动控制系统220相似。为了简单明了，将主要描述流动控制系统420与流动控制系统220不同的部分。

流动控制系统420的设计使得可以通过电力控制它，所以可以遥控操作系统420和/或将其作为一个具有集中控制器的较大系统的一部分。

示意的流动控制器系统420包括由第一上部件424、第二上部件426和基底或中间件428组成的外壳组件422以及第一和第二阀门组件430和432。第一和第二上部件424和426通过螺纹连接到基底件428上以形成外壳组件422。

第一和第二阀门组件430和432分别放置在由外壳组件422所限定的第一和第二调节器室434和436下面。示意的阀门组件430和432在结构上相似并且都包括阀门弹簧440、阀门件442和阀座表面444。阀门弹簧440将阀门件442向阀座表面444偏置使得在通常情况下阀门组件430和432闭合。

在响应施加给第一和第二调节器板450和452的第一和第二阀控制力时，阀门组件430和432几乎线性打开。调节器板450和452悬挂于调节器室434和436内的阀门弹簧440与第一和第二调节器室弹簧454和456之间。调节器室弹簧454和456抵抗阀门弹簧440的力偏置阀门组件430和432使其打开。

在应用时，将流体引入入口460，然后流体按下面所述沿着主流动通道流经系统420到出口462。一小部分流体流经旁路通道使得沿旁路通道的流体压力与调节器室弹簧454和456施加的偏置力的组合建立了控制力，以控制阀门组件430和432大致在流体通过流动控制器20时保持几乎恒定的流体流速。在正确的条件下，流体流过流动控制器20的速率几乎与上游和下游的压力变化无关。

在示意的系统420中，施加给阀门组件432的控制力至少一部分由控制系统470产生，控制系统470的一部分固定在第二上部件426上。特别地，控制系统470包括电机组件472、执行件474和外壳476。外壳476将电机组件472支撑在第二调节器室436上。执行件474的螺纹部分穿过第二上部件426中的执行件螺纹孔478。执行件474与第二调节器板452接合并且对调节器板452施加与第二调节器室弹簧456所施加的力相反的控制力。

执行件474与电机组件472可操作地连接使得电机组件472的运行导致执行件474的轴向旋转。执行件474与执行件螺纹孔478接合使得件474的轴向转动转化为件474朝向或远离第二调节器板452的轴向位移。因此电机组件472的操作可能增加或者减少施加给调节器板452的控制力。

从前面关于流动控制器系统220的讨论很明显看出，施加给调节器板452的控制力的增加或减小可以改变流体沿主流动通道穿过控制器420的流速。

电机组件472是或者可以是传统的步进电机，它通过用户设定点输入信号控制，导致执行件474的轴向转动。当用户设定点信号处于想要的值时，系统420将保持对应于想要值的恒定流动速率。如果用户设定点信号的值变化成第二个想要的值，流经系统420的流体流动将改变为对应于第二个想要值的第二流动速率。

因此，产生用户设定点信号的控制器可以根据需要在给定的时间点改变想要的流速。一旦设定了想要的流速，即使上下游的压力改变，系统420仍将象上面所描述的系统220那样操作而保持恒定流速。

示意的电机组件472还包括旋转编码器，它产生对应于执行件474角位置的转动位置输出信号。转动位置输出对控制器提供反馈，产生用户设定点信号以实现对电机组件472更精确的控制。

第四个实施例

现在参考图8，图中所绘的520是根据并体现本发明原理所构造的另一个示意流动控制器系统。第四个实施例的流动控制系统520与上面描述的流动控制系统220相似。为了简单明了，将主要描述流动控制系统520与流动控制系统220不同的部分。

流动控制系统520的设计使得可以通过电力控制它，所以可以遥控操作系统520和/或将其作为一个具有集中控制器的较大系统的一部分。

示意的流动控制器系统520包括由第一上部件524、第二上部件526和基底或中间件528组成的外壳组件522以及第一和第二阀门组件530和532。第一和第二上部件524和526通过螺纹连接到基底件528上以形成外壳组件522。

第一和第二阀门组件530和532分别至少部分地放置在由外壳组件522限定的调节器室534和调节器室536中。示意的阀门组件530包括阀门弹簧540、阀门件542和阀座表面544。阀门弹簧540将阀门件542向阀座表面544偏置使得在通常情况下阀门组件530闭合。示意的阀门组件532包括阀门件546和阀座表面548。当阀门件546嵌入阀座表面548时阀门组件532闭合。

在响应施加给调节器板550的控制力时，第一阀门组件530几乎线性打开。调节器板550悬挂于调节器室534内的阀门弹簧540和调节器室弹簧552之间。调节器室弹簧552抵抗阀门弹簧540的力偏置阀门组件530使其打开。

在应用时，将流体引入入口560，然后流体按下面所述沿着主流动通道流经系统520流到出口562。一小部分流体流经旁路通道通过在阀门组件上施加第一控制力来控制阀门组件530。沿着旁路通道流动的流体压力进一步用来控制第二阀门组件532。控制阀门组件530和532使得在流体通过流动控制器520时大致保持几乎恒定的流体流速。在正确的条件下，流体流过流动控制器520的速率几乎与上游和下游的压力变化无关。

特别地，示意的系统520还包括控制系统570。控制系统570包括压电执行器572(图8)和控制电路574(图9)。传统的压电执行器572包括根据施加给执行器572的输入576的执行器控制信号沿着轴的轴向移动的轴575。轴575与阀门件546连接所以轴575的移动带动阀门件546。示意的执行器572通过螺栓与构成部分外壳组件522的套环件578结合并且通过第二上部件526保持在其位置上。

如图9所示，控制电路574根据设定点信号和一个或多个压力信号压力1和压力2产生执行器控制信号。在校准系统520时，对应于通过系统520的流体流动速率，控制电路574也产生标度输出信号。

在示意的流动控制器系统520中，执行器572和控制电路574形成机电反馈系统以代替上面描述的流动控制器系统20、220和420中所应用的机械反馈系统。

特别地，压力信号压力1和压力2对应于用在系统520中节流件580的上游和下游的压力。压力1和压力2信号的差别是跨过节流件580的压差。

在示意的系统520中，最好在几个采样位置中的任何一处对信号压力1和压力2采样。这些采样位置可以沿着旁路通道隔开布置，也可以在出口或其它类似位置。如果流体对污染敏感，传感器要与主路和旁路流动通道隔离开。

控制电路574包括一个由软件程序控制的微处理器。在这种情况下，应用适当的数字到模拟转换器和模拟到数字转换器从而实现模拟信号与在微处理器中处理的数字信号以及命令之间的转换，其中模拟信号为微处理器辅助部件所应用。

控制电路574的另一种办法是利用专门的模拟或数字/模拟混合电路直接实现产生执行器控制信号需要的算法和逻辑。到底应用软件控制的微处理器还是专用模拟或混合电路根据系统520的尺寸、花费以及性能特征来确定。

在示意的系统520中，执行器控制信号是用来控制压电执行器的模拟电压，使之移动阀门件546从而保持流体以设定点信号所确定的速率流经系统520。

在某些环境中，上面描述过的应用于流动控制器20、220和420中的机械反馈系统将持续在阀门打开和关闭位置之间摆动来保持恒定流体流动。与之相反，流动控制器520的控制系统570将操纵阀门组件532使之根据需要闭合、部分打开或完全打开以保持恒定流体流动。阀门组件532能够保持在部分打开位置的能力可以允许控制系统570存在于一个稳定状态，而不存在机械反馈系统中所遇到的摆动。

在很多环境中，一个连续摆动的阀门组件是可以接受的；在另外的环境中，优选使阀门组件达到稳定状态，并且系统520是可供选择的实现系统。

在一些情况中，控制电路574所执行的算法可以独立于流体温度。在另外的情况中，可以监测流体温度来提高流经系统520流体流动的恒定性。特别地，示意的控制电路574可进一步根据对应于流经系统520的流体温度的温度信号产生执行器控制信号。温度信号可以允许控制电路的算法将流经系统520的流体状态考虑在内。流经系统的流体状态影响流体的流量和粘性。对流体状态的了解在一些情况下进行校准可能很重要。

第五个实施例

现在参考图10，图中所绘的620是根据并体现本发明原理所构造的另一个示意流动控制器系统。第五个实施例的流动控制系统620与上面描述的流动控制系统220相似。为了简单明了，将主要描述流动控制系统620与流动控制系统220不同的部分。

流动控制系统620的设计使得可以通过电力控制它，所以可以遥控操作系统620和/或将其作为一个具有集中控制器的较大系统的一部分。

示意的流动控制器系统620包括由第一上部件624、第二上部件626和基底或中间件628组成的外壳组件622以及第一和第二阀门组件630和632。第一和第二上部件624和626通过螺纹连接到基底件628上以形成外壳组件622。

第一和第二阀门组件630和632分别放置在由外壳组件622限定的第一和第二调节器室634和636下面。示意的阀门组件630包括阀门弹簧640、阀门件642和阀座表面644。阀门弹簧640将阀门件642向阀座表面644偏置使得在通常情况下阀门组件630闭合。示意的阀门组件632包括阀门件646和阀座表面648。当阀门件646嵌入阀座表面648时阀门组件632闭合。

在响应施加给第一调节器板650的第一阀门控制力时，第一阀门组件630几乎线性打开。调节器板650悬挂于调节器室634内的阀门弹簧640和调节器弹簧652之间。调节器弹簧652抵抗阀门弹簧640的力偏置阀门组件630使其处于打开的位置。

在应用时，将流体引入入口660，然后流体按下面所述沿着主流动通道流经系统620到出口662。一小部分流体流经旁路通道通过在阀门组件上施加第一控制力来控制阀门组件630。沿着旁路通道流动的流体压力进一步用来控制第二阀门组件632。控制阀门组件630和632使得在流体通过流动控制器620时大致保持几乎恒定的流体流速。在正确的条件下，流体流过流动控制器620的速率几乎与上游和下游的压力变化无关。

特别地，示意的系统620还包括控制系统670。控制系统670包括螺线管执行器672(图10)和控制电路674(图11)。传统的螺线管执行器672包括绕组676和根据施加给执行器672的输入680的执行器控制信号沿着螺线管轴向移动的螺线管件678。螺线管件678在第二调节器室636内由螺线管弹簧682支撑。螺线管件678与阀门件646可操作地连接所以螺线管件678的移动带动阀门件646。

如图11所示，控制电路674根据设定点信号和一个或多个压力信号压力1和压力2产生执行器控制信号。在校准系统620时，对应于通过系统620的流体流动速率，控制电路674也产生标度输出信号。

在示意的系统620中，最好在沿着旁路通道的采样位置对信号压力1和压力2采样以防止主流体流动与产生信号压力1和压力2的压力传感器接触。此外，如果流体对污染不敏感，可以在其它地方布置采样位置，如将其直接布置在出口662。

在示意的流动控制器系统520中，执行器672和控制电路674形成机电反馈系统以代替上面描述的流动控制器系统20、220和420中所应用的机械反馈系统。

特别地，压力信号压力1和压力2对应于用在系统620中节流件690的上游和下游的压力。跨过节流件690的压差用来控制阀门组件630和632。这些压力可以在沿着旁路通道隔开布置的采样位置处测量，也可以在出口或其它类似位置处测量。如果流体对污染敏感，传感器要与主路和旁路流动通道隔离开。

控制电路674可以包括一个由软件程序控制的微处理器或者是专门的模拟或数字/模拟混合电路。软件程序或者混合电路根据产生执行器控制信号的需要执行算法和逻辑。

在示意的系统620中，执行器控制信号是穿过绕组676的模拟电流并且感生出螺线管件678的移动，并因此根据需要移动阀门件646从而保持流体以设定点信号所确定的速率流经系统620。

类似于上面描述的流动控制器系统520的控制系统570，流动控制器620的控制系统670将操纵阀门组件632使之根据需要闭合、部分打开或完全打开以保持恒定流体流动。阀门组件632能够保持在部分打开位置的能力可以允许控制系统670存在于一个稳定状态，而不存在机械反馈系统中所遇到的摆动。在某些环境中，优选使阀门组件达到稳定状态，并且系统620是可供选择的实现系统。

在一些情况中，控制电路674所执行的算法可以独立于流体温度。可以监测在示意系统620中的流体温度来提高流体流动的恒定性。特别地，示意的控制电路674可进一步根据对应于流经系统620的流体温度的温度信号产生执行器控制信号。温度信号可以允许控制电路的算法将流经系统620的流体状态考虑在内。

第六个实施例

现在参考图12，图中所绘的720是根据并体现本发明原理所构造的另一个示意流动控制器系统。第六个实施例的流动控制系统720与上面描述的流动控制系统220相似。为了简单明了，将主要描述流动控制系统720与流动控制系统220不同的部分。

流动控制系统720的设计使得可以通过电力控制它，所以可以遥控操作系统720和/或将其作为一个具有集中控制器的较大系统的一部分。

示意的流动控制器系统720包括由第一上部件724、第二上部件726和基底或中间件728组成的外壳组件722以及第一和第二阀门组件730和732。第一和第二上部件724和726通过螺纹连接到基底件728上以形成外壳组件722。

第一和第二阀门组件730和732分别放置在由外壳组件722限定的第一和第二调节器室734和736下面。示意的阀门组件730包括阀门件740和阀座表面742。与之类似，示意的阀门组件732包括阀门件744和阀座表面746。当阀门件740和744分别嵌入阀座表面742和746时阀门组件730和732闭合。

在应用时，从入口760引入流体，然后流体按下面所述沿着主流动通道流经系统720到出口762。一小部分流体流经旁路通道。流经旁路通道的流体压力用来控制第一和第二阀门组件730和732使得在流体通过流动控制器720时大致保持几乎恒定的流体流速。在正确的条件下，流体流过流动控制器720的速率几乎与上游和下游的压力变化无关。

特别地，示意的系统720还包括控制系统770。控制系统770包括第一和第二螺线管执行器772和774(图12)以及控制电路776(图13)。传统的螺线管执行器772和774都包括绕组776和沿着执行器772和774所限定的轴线移动的螺线管件778。将第一执行器控制信号和第二执行器控制信号施加给执行器772和774的输入780用来控制螺线管件778的移动。螺线管件778在第一和第二调节器室734和736内由螺线管弹簧782支撑。螺线管件778与第一和第二阀门件740和746可操作地连接从而螺线管件778的移动带动阀门件740和746。

如图13所示，控制电路776根据设定点信号和一个或多个压力信号压力1和压力2产生执行器控制信号。在校准系统720时，对应于通过系统720的流体流动速率，控制电路776也产生标度输出信号。

在示意的系统720中，信号压力1和压力2由位于适当采样位置的压力传感器产生。如果流体对污染敏感，传感器要与主路和旁路流动通道隔离开。此外，如果流体对污染不敏感，可以在其它地方布置采样位置，如将其直接布置在出口。

在示意的流动控制器系统720中，执行器772和774以及控制电路776形成机电反馈系统以代替上面描述的流动控制器系统20、220和420中所应用的机械反馈系统。

特别地，压力信号压力1和压力2对应于用在系统720中节流件790的上游和下游的压力。压力1和压力2信号的差别代表跨过节流件790的压差并用来控制阀门组件730和732。

控制电路776可以包括一个由软件程序控制的微处理器或者是专门的模拟或数字/模拟混合电路。如下面所描述的，软件程序或者混合电路根据产生执行器控制信号的需要执行算法和逻辑。

在示意的系统720中，执行器控制信号是穿过绕组776的模拟电流并且感生出螺线管件778的移动并因此根据需要移动阀门件740和744从而保持流体以设定点信号所确定的速率流经系统720。

类似于上面描述的流动控制器系统520和620的控制系统570和670，控制系统770将操纵阀门组件730和732使之根据需要闭合、部分打开或完全打开以保持恒定流体流动。阀门组件730和732能够保持在部分打开位置的能力可以允许控制系统770存在于一个稳定状态，而不存在机械反馈系统中所遇到的摆动。优选允许阀门组件达到稳定状态，在这种情况下系统720是可供选择的实现系统。

在示意的系统720中，示意的控制电路776可进一步根据对应于流经系统720的流体温度的温度信号产生执行器控制信号。但是，利用温度信号对任何一个本发明的实施例都不是必需的。

其它的考虑

在前面的实施例中，在给出的例子中描述了一些部件的应用。很多部件的性质可以根据环境来改变以调节流动控制器使之应用于特殊的应用。

例如，所用的各种弹簧，阀杆限定的内部室和阀杆上的入口和出口必须根据流体类型、期望入口压力和想要的流速来选择。

另外，用于各种部件的材料必须根据期望的流体压力和类型来选择。例如，对于处于低压下的空气，很多部件可以用塑料做材料。对具有腐蚀性的流体或处于高压的流体，可以用钢或不锈钢。

在利用一个或者多个机电反馈系统的系统中，无论是利用分离部件或者软件来实现控制电路的算法，都要根据给定的一组预定参数来建立。

为了简洁，本申请人只描述了根据本发明原理所构造的六个示意性流动控制器系统。但是，对于本领域技术人员来讲，将认识到这些系统的一些特点可以组合起来以产生更多根据本发明原理所构造出的流动控制器的实施。

特别地，由于其外壳组件的整体外形，第一和第二个示意的流动控制器系统20和220可以分别具有罐或板结构的特征：外壳组件22包括一个大致的圆柱形基底或者中间件28，而外壳组件220包括一个大致的平面形基底或者中间件228。

第三到第六个实施例320、420、520、620和720披露了基于板结构的一个或多个机电反馈系统。但是，这些机电反馈系统也可以应用于罐结构中。另外，对给定的环境，如果需要可以将多个机电反馈系统组合起来和/或与其它类型反馈系统组合起来一起应用。

设计者首先确定流动控制器系统在什么环境中应用，然后再考虑具体实施。运行环境包括流体性质、流体输入和输出压力的期望范围、周围环境、误差公差等。设计者还要考虑如成本等商业因素。

根据运行和商业环境，设计者首先通过从多个基本结构(如罐、板等)选择出流体控制器外壳的基本物理结构。

设计者还要根据运行和商业环境选择制造外壳组件和其它部件的材料；如果流体是腐蚀性的液体或气体，外壳组件应该由不锈钢或其它可抵抗腐蚀的材料构成。如果商业环境要求流动控制系统必须是用后可随便处理的，所选择的材料就应是塑料。

设计者然后要考虑用在输入和输出调节器中的反馈调节器系统的类型。一般来讲，设计者可以对两个调节器随意使用机械或电子反馈系统。如果应用电子反馈系统，设计者可以使用如步进电机等旋转装置或者压电执行器、螺线管执行器等转换机构。

在确定了流动控制器系统的运行和商业环境以及物理结构后，需要确定将物理结构实施于特定环境的必要算法。在机械反馈系统中，这个步骤包括选择弹簧及其它所应用的控制装置的类型和布置。在电子反馈系统中，这个步骤包括设计能够达到想要的运行特征的适当的反馈环路。

因此，在不偏离本发明的精神或本质特征的条件下，本发明可以具有其它不同于已经描述过的实施形式。因此本发明的实施例在各个方面下都应被认为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附的权利要求而不是前面的描述给出；并且因此这里打算包括所有在权利要求等同物的内涵和范围内的变化。

Claims (20)

1.一种流动控制器，包括：

一个外壳组件，它限定了入口、出口和在入口与出口之间延伸的主流动通道；

一个放置在主流动通道内的节流件；

一个第一阀门组件，其布置成允许或防止流体沿主流动通道流动；

一个第二阀门组件，其布置成允许或防止流体沿主流动通道流动；

一个第一调节器组件，其布置成可以根据跨越节流件的压差操作第一阀门组件；和

一个第二调节器组件，其布置成可以根据跨越节流件的压差操作第二阀门组件。

2.根据权利要求1所述的流动控制器，其特征在于外壳组件还限定了旁路通道，其中跨越节流件的压差至少部分地根据旁路通道内的压力探测。

3.根据权利要求1所述的流动控制器，其特征在于第一调节器组件包括第一阀门组件和第一反馈系统，其布置成使得第一反馈系统可以打开和关闭第一阀门组件，从而保持流体以恒定速率流出出口。

4.根据权利要求1所述的流动控制器，其特征在于第二调节器组件包括第二阀门组件和第二反馈系统，其布置成使得第二反馈系统可以打开和关闭第二阀门组件，从而保持流体以恒定速率流出出口。

5.根据权利要求3所述的流动控制器，其特征在于第二调节器组件包括第二阀门组件和第二反馈系统，其布置成使得第二反馈系统可以打开和关闭第二阀门组件，从而保持流体以恒定速率流出出口。

6.根据权利要求3所述的流动控制器，其特征在于第一反馈系统包括可直接探测跨越节流件的压差的机械反馈系统。

7.根据权利要求4所述的流动控制器，其特征在于第二反馈系统包括可直接探测跨越节流件的压差的机械反馈系统。

8.根据权利要求5所述的流动控制器，其特征在于：

第一反馈系统包括可直接探测跨越节流件的压差的第一机械反馈系统；和

第二反馈系统包括可直接探测跨越节流件的压差的第二机械反馈系统。

9.根据权利要求3所述的流动控制器，其特征在于第一反馈系统包括可间接探测跨越节流件的压差的电子反馈系统。

10.根据权利要求4所述的流动控制器，其特征在于第二反馈系统包括可间接探测跨越节流件的压差的电子反馈系统。

11.根据权利要求5所述的流动控制器，其特征在于：

第一反馈系统包括可间接探测跨越节流件的压差的第一电子反馈系统；和

第二反馈系统包括可间接探测跨越节流件的压差的第二电子反馈系统。

12.根据权利要求5所述的流动控制器，其特征在于：

第一反馈系统包括可直接探测跨越节流件的压差的机械反馈系统；和

第二反馈系统包括可间接探测跨越节流件的压差的电子反馈系统。

13.根据权利要求5所述的流动控制器，其特征在于：

第一反馈系统包括可间接探测跨越节流件的压差的电子反馈系统；和

第二反馈系统包括可直接探测跨越节流件的压差的机械反馈系统。

14.根据权利要求9所述的流动控制器，其特征在于电子反馈系统包括：

一个执行机构组件，用来响应控制信号以打开和关闭第一阀门组件；和

一个控制电路，用来响应至少一个表示跨越节流件压差的信号以产生控制信号。

15.根据权利要求10所述的流动控制器，其特征在于电子反馈系统包括：

一个执行机构组件，用来响应控制信号以打开和关闭第二阀门组件；和

一个控制电路，用来响应至少一个表示跨越节流件压差的信号以产生控制信号。

16.根据权利要求11所述的流动控制器，其特征在于：

第一电子反馈系统包括：

一个第一执行机构组件，用来响应第一控制信号以打开和关闭第一阀门组件，和

一个第一控制电路，用来响应至少一个表示跨越节流件压差的信号以产生第一控制信号；和

第二电子反馈系统包括：

一个第二执行机构组件，用来响应第二控制信号以打开和关闭第二阀门组件；和

一个第二控制电路，用来响应至少一个表示跨越节流件压差的信号以产生第二控制信号；和

17.根据权利要求2所述的流动控制器，其特征在于：

第一调节器组件，包括第一隔膜组件，其中外壳组件和第一隔膜组件限定了入口室、第一旁路室和第一调节器室；

第二调节器组件，包括第二隔膜组件，其中外壳组件和第二隔膜组件限定了出口室、第二旁路室和第二调节器室。

第一隔膜组件限定了允许流体在入口室和第一旁路室之间流动的第一旁路通道，其中旁路件位于第一旁路通道内以在入口室和第一旁路室之间建立压差；

外壳组件限定了：

允许流体在第一旁路室和第二旁路室之间流动的第二旁路通道，和

允许流体从出口室流动到第二旁路室的采样通道；

其中旁路通道延伸通过第一旁路通道、第一旁路室、第二旁路通道、第二旁路室和采样通道。

18.根据权利要求17所述的流动控制器，其特征在于：

第一调节器组件包括第一控制系统，至少一部分第一控制系统位于第一调节器室内，其中第一隔膜组件将第一控制系统与流经主通道和旁路通道的流体隔离；和

第二调节器组件包括第二控制系统，至少一部分第二控制系统位于第二调节器室内，其中第二隔膜组件将第二控制系统与流经主通道和旁路通道的流体隔离。

19.根据权利要求1所述的流动控制器，其特征在于：

第一阀门组件包括可拆卸地安装在外壳组件上的第一阀座件；和

第二阀门组件包括可拆卸地安装在外壳组件上的第二阀座件。

20.根据权利要求19所述的流动控制器，其特征在于外壳组件包括一个中间件、一个第一端件和一个第二端件，其中第一端件可拆卸地安装到中间件上以获得进入到第一阀座件的通道，第二端件可拆卸地安装到中间件上以获得进入到第二阀座件的通道。

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