CN87106757A - 容积泵的流量测量监测系统及装备有该系统的泵 - Google Patents

Abstract

一种对从容积式泵排放的流体的流量进行测量并对泵进行实时监测的系统。此系统包括压力和接近传感器以及一台微计算机。压力传感器将泵排放室的压力以信号形式传送给微计算机。接近传感器在泵的工作循环中提供参照物。计算机监测传感器的状态并处理传感器传来的数据以对泵进行监测。它通过一串联传输总线传送结果，当出现误动作时，则传送出报警信号。

Description

本发明所涉及的是容积式泵的一种自动流量测量和监测系统。

现有的测量系统一般适于测量至少有一种特征值是不变的流体。现在还没有一种不需重新校准而对容积式泵可能输送的各种流体进行准确测量的通用流量计。各种流体的特性可能变化很大，它们可能是高粘性流体或一般液流，可能导电也可能不导电，可能有悬浮颗粒也可能没有，可能是液体，也可能是气体等。流动时可能是层流，也可能是湍流。现在已有适于测量特定流体的多种流量计，但还没有一种能准确测量所有各种流体的流量计。本发明能对从容积式泵中排出的任何流体的流量进行测量。流体的性质，即无论是层流还是湍流都不影响测量的准确性。

本发明利用了容积式泵的体积泵送特性。一种常用的方法是计算泵的往复次数并将此数值乘以理论上一次往复排出的体积。只要泵和泵送条件好，这种测量方法就是准确的。

然而，如果两个条件中任何一种条件被破坏，用这样的系统进行测量就会变得很不准确。现在考虑一个极端的情况，即假设泵送条件坏到要泵送的流体甚至不能到达泵内，然而这却象条件正常时一样，並不影响泵的运行。尽管实际上並没有流体排出，流量计仍将指示出与泵速成比例的流量。这种指示是完全错误的。这是一个极端的例子，但是，会时常遇到在抽吸阶段流体并未完全充满泵室的情况。在这种情况下，由于实际泵送的体积比理论上应排出的体积小，这种计算往复数的方法是有误差的。

本发明利用这种计算泵的往复次数的技术，并通过测量每次往复实际排出的流体体积来校正它。利用这种方法，无论泵的条件和泵送条件如何，都能进行流量的正确测量。

为了测量泵实际排出的流体体积，必须知道泵的液压部分的工作状态。因而，需要对泵送条件和泵的工作状态进行不间断的监测。如果阀门损坏导致泄漏或阀门弹簧断裂，此系统将测量泄漏并据此校正流量值。据我们所知，现有的系统都不是用在阀门或活塞套处检测和校正泄漏的方法来进行监测的。泄漏或弹簧断裂通常是由操作者来检测、并由泵的噪声或流体循环管路的振动来报警的。本发明的系统能对这些机械故障进行连续的自动监测。

监测由微计算机进行。如果某些参数达到或超过预定值，微计算机将进行必要的计算来监测泵的正确运行。它检验传感元件，而后经过几个循环的检验确定确有故障。如果故障被确定，则微计算机即将数据传送出去，并进行流量校正所需的测量。

传送的数据一般是流量值和泵实际排出的流体体积值，以及“泵送条件的泵状态”指示器给出的值。事实上，后者是泵的容积效率，即，实际排出的体积与完好的泵在完善的条件下理论上排出的体积之比。这一指示器对观察泵对泵送条件改变的反应是极其有用的。如果由于操作者的动作或外部作用使泵送条件改善或恶化，操作者可立即知道。阀门或活塞套泄漏，弹簧断裂及传感元件误动作也被传送出去。

图1示出了本发明系统连接的一个实例;

图2是一种容积式泵（活塞泵）实例中的压缩室的剖面图;

图3是微计算机结构的工作图;

图4是利用压力和位移传感元件，通过计算从一台运行泵的曲线中选出的一组曲线。

图5所示的是三缸泵中的两个排放室的压力曲线以及移动部件处于静止时的时刻。

各图中，相同的标号代表相同的部件。

图1中，1是中央显示和检测单元，它对一组容积式泵进行实时监测并记录泵的运行状况。2是供泵操作者使用的就地监测元件。3是微计算机单元，是本发明的一部分。根据微计算机的布局，它们可连接一台或几台容积式泵。在图1中，这些微计算机从左至右顺次连接两台三缸泵4，一台五缸泵5，又连接两台三缸泵4。在中央显示和检测单元1和就地监测单元2之间利用一条多点串联数据总线使增加或去掉某一设备变得简单了。就地监测单元2与微计算机3之间使用了一条类似的总线，以使其它传感元件与微机3串联，还使用了一条通往就地监测单元2的支线。

与微计算机3相连的压力传感器6的数量等于与微计算机相连的泵4或泵5的排放室7的数量总合。接近传感器8的数量等于连接泵4或泵5的数。换句话说，每个排放室7必须配有一个压力传感器6，每台泵4或泵5必须配有一个接近传感器8。

本发明的优选实例包括检测环（B）（附着在活塞上）的行程并提供位置参照物的传感器8用已知方式选择参照物的特性以适合传感器，最好的例子是由感应式接近传感器8检测的钢环。

另一例子包括一个与活塞上光参照物相关的光传感器或包括一个与由磁铁构成的参照物相关的霍尔效应传感器。

例如，通过检测一活塞驱动轮上的一个参照齿的行程或通过检测与活塞机械相连的类似的部件的行程，或利用上述传感器，也都可获得泵的行程参照物。

图2是一容积式泵4或5的排放室7的剖面图，容积式泵4或5的基本特征是，排放室7由于滑块9的往复运动而为流体所充满，而后，流体被抽送到排放回路10。流体的流动方向由吸入阀11和排放阀12所确定。

阀门11和12的运动由吸入阀弹簧13和排放阀弹簧14、运动流体所施加的力、以及排放回路11、排放室和吸入回路20中的压力所决定。

最佳配置是压力传感器6装在排放室7的柱塞盖P的内侧上。这样，传感器不会降低泵体强度。然而，如果这种解决办法在技术上太复杂，则可将传感器平齐地安装在排放室的另一平坦部分。

泵的一般工作原理如下：当滑块9从静止位置（相当于最大移开位置）前进到排放室7时，排放室中的流体首先被排放到吸入回路20直到逆止阀11关闭，阻断流体的流动。而后，流体被压入排放室7直到室7中加到排放阀12的压力大于此时排放回路10和弹簧14加压给阀12上的压力。这时，排放阀打开，流体被排放到排放回路。供给排放回路10的流体体积等于滑块9从排放阀打开时所处的位置前进到排放室中的静止位置（相当于进入排放室中最深入的位置）所排出的体积。

对于大多数容积式泵来说，这种估算是不够的，当滑块9从排放室中的静止位置（最深入的位置）刚一退出时，排放阀不一定就关闭，特别是当泵以高速运行时。因此，会有一部分流体流回到排放室7中，直到排放阀关闭。这部分流体必须从被泵排到排放回路10中的流体体积中减去;它等与滑块9在排放阀关闭之前从排放室中的静止点（最深入的位置）退出所吸入的体积。

图3是微计算机的方框图。15是一个具有时钟、总线和存贮器的微处理机系统。一个保险存贮器16存贮一定量的数据，特别是贮存了与微计算机相连的泵4和泵5的各个校正值。这些数值能够对滑块9从静止位置到排放阀12开启和关闭时的位置所排出的体积值一一进行计算。17是与多点串联总线连接的连接部件。此外，压力传感器6通过转接器18与微计算机15相连。同样，接近检测器8通过转接器19与微计算机系统15相连。6、8、18和19在数量上能够满足每个排放室有一个压力传感器6和一个转接器18，每个泵4或5有一个接近传感器8和一个转接器19。

图4示出了三条相对于时间的曲线。曲线21示出了测量排放阀12位置的排放传感器输出信号随时间的变化。在起始点，阀12在其阀座上静止不动，此时曲线处于最大值。随着曲线开始下降，这表明阀12从其阀座上移开，而后，流体开始排放到排放回路10。

知道了初始时刻，即滑块9处于静止位置（相当于从室7中撤出最远）时的时刻以及阀12开始离开阀座的时刻，就能够计算出滑块9在这两个时刻间排出的体积。曲线22代表来自位于排放室7中的传感器6中的信号，其与被观察开度位置的排放阀12是相对应的。曲线23是曲线22对时间的导函数。在本发明的开发过程中的研究表明利用求导曲线能带来技术上的改进。本发明的一部分在于利用一压力传感器6来检测排放阀12的开启和关闭：利用移动传感器并非总适于测量泵内阀12的移动，而压力传感器没有移动部件，能承受泵产生的压力。此外，压力传感器6比测量排放阀12移动的移动传感器能给出有关泵工作状态的更多的信息。曲线23的最高点相应于阀12打开的确切时刻;这被用于微计算机3的软件中。根据代表排放室7中压力的信号的波形确定阀12开启的时刻，排放阀12的关闭时刻也以同样的方式确定。

在本发明的另一形式中，确定排放阀12开启和关闭时刻的另一种技术是，利用来自排放室7中压力传感器6的信号与排放回路10中类似形式的传感器的信号进行比较：当信号相等时，排放阀12开启。如果排放室中的压力低于排放回路10中的压力，排放阀12关闭。由于需要足够精确的压力传感器才能进行比较，这种技术面临许多困难。（尽管传感器不是很精确，利用相关算法也可对来自传感器的信号进行校正和实时比较，然而，可以证明利用这种算法，对实际应用中的实时要求来说可能是太长了）。

对某些应用来说，泵送是有规则的：泵的容积效率的任何变化相对于泵的运行速度和微计算机3进行的计算来说都是很慢的。在这种情况下，通常会出现泵的容积效率在几个泵送循环中保持不变的情况。因此，有必要每隔几个循环进行一次效率计算，并将几台泵连到给定的微计算机3上。

微计算机3轮流计算各泵的容积效率，计算值存在存贮器中并根据需要经常使用（例如，每秒钟），它与泵的运行速度一起用来计算每台泵的流量（假定容积效率值是常数，因为它是最后计算的）。

图5示出了来自两个排放室7中的两个压力传感器6的信号24和25。由曲线24代表其信号的压力传感器6位于排放阀12工作正常的排放室7中，而其信号由曲线25代表的压力传感器6位于排放阀12有故障的排放室7中，由于有故障，当排放阀12在其阀座上不动时，就会有一股泄漏从排放回路10流到排放室7。排放回路10中的压力大于吸入回路20的压力。垂线代表各排放室滑块9处于静止的时刻。本发明部分是基于这样的观察结果：曲线24表示，在滑块9停止前，排放室7中的压力不会增加，而在滑块9停止前，排放阀有故障的排放室7中的压力则确会增加。

对发生在吸入阀11和活塞套处的故障或弹簧13和14的断裂可进行同样的观察。这些观察结果被微计算机3的软件利用来确定阀、活塞套和弹簧的状态。

当检测到泄漏时（假设排放压力足够高），就能通过分析排放室7中压力增加曲线的发展情况来测量泄漏流体的量。

当本系统工作时，微计算机执行存贮器所存有的许多内容如下所述（但不必按给定的顺序）：

-接通微处理机（15）电源并预置初始值;

-从压力传感器6和接近传感器8获取数据;

-利用上述方法之一计算每个排放室7的排放阀12的开启和关闭时刻;

-检测泵的状态（是否工作），根据情况计算运行速度;

-分析接近传感器8的信号来计算每个排放室7的滑块9的停止时刻;

-计算实际排放的流体体积和倒流进入各排放室7中的体积;

-比较确定和计算出的两个数值，以便开始进行检测泵各部件的状况和正常工作的计算及任何泄漏的计算;

-计算各泵容积效率;

-计算各泵的累积流量和体积;

-通过数据总线传输数据;

-如就地监测单元要求时，执行存贮在固定存贮器中的试验程序或特定的校准程序，或传输某些参数。

微计算机3可进行大量的其它计算，并执行其它程序;上面所列出的只是一个例子。

根据本发明的系统在实际应用中可设计得足够灵活，使之可和各种不同型式的容积式泵一起使用。

附图6表示本发明的控制单元的显示板。它更清楚地显示了本发明所表示的各个步骤，因为除了要求精确和准确测量流量和体积外，它还能直接读出容积效率并显示出运行故障。装有光发射二极管LED的“排放室”窗口能显示出排放室以及相关阀所发生的故障。这使得操作者可立即进行最有效的干预，然而这对于现有系统来说，则是不可能的。

Claims (10)

1、容积式泵和自由活动阀，其特征在于它包括一个这样的系统，即通过对至少一个活塞排放室和/或泵排放回路压力的观测，来检测至少一个排放阀的开启和关闭的系统；它还与另一个为检测至少一个移动部件位置的系统相连，该移动部件机械地与活塞的移动或这样的一个系统联接在一起。

2、根据权利要求1的泵，其特征在于检测所有排放阀的开启和关闭。

3、根据权利要求1或2的泵，其特征在于通过比较排放室的压力和泵排放回路的压力检测排放阀的开启和关闭。

4、根据权利要求1或2的泵，其特征在于观察排放室的压力检测排放阀的开启和关闭。

5、根据权利要求1至4中任何一个的泵，其特征在于检测系统包括一个附着在活塞上的参照物，其位移被一个合适的检测器，例如，钢环、感应传感器、光参照物、光或磁传感器或霍尔效应传感器所检测。

6、根据权利要求1至5中任何一个的泵，其特征在于一个测量一个活塞室中压力的传感器，该传感器装在排放室柱塞的内侧。

7、与包括至少一个和活塞移动机械相连的移动部件的位置检测系统联接在一起的系统，通过对一个活塞排放室和/或泵排放回路压力的观测来检测至少一个排放阀的开启和关闭。

8、根据权利要求7的系统，其特征是检测所有排放阀的开启和关闭。

9、根据权利要求7或8的系统，其特征是通过比较排放室压力和泵排放回路中的压力检测排放阀的开启和关闭。

10、根据权利要求7或8的系统，其特征是，通过观察排放室中的压力来检测排放阀的开启和关闭。

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