專利名稱：旋轉(zhuǎn)閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及流體力學(xué)領(lǐng)域，且更具體地涉及計量流體流量的 系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
通過總體上打開、關(guān)閉和部分阻塞流體通道，閥起作用以調(diào)節(jié)流體 進給系統(tǒng)中的流體流量。可獲得適合多種應(yīng)用的多種不同類型的閥。 閥典型地包括容納可移動構(gòu)件的閥本體，可改變所述可移動構(gòu)件的位
置來控制流量。針形閥是由節(jié)流孔(orifice)可縮回地接收螺紋柱塞的 一種闊。類似地，旋塞閥包括由互補(complimentary)節(jié)流孔豎直接 收的圓柱形或圓錐形塞來調(diào)節(jié)流量。當(dāng)期望有準確的控制時，常規(guī)閥 通常需要精確的反饋。例如，可能需要附加裝置，例如確定可移動構(gòu) 件相對于節(jié)流孔的方位的位移電位計(motion pot)以及校驗流率的轉(zhuǎn) 子流量計。除了準確度之外，閥的成本和可靠性也都是重要的設(shè)計考 慮因素，尤其在新興低容量氣體進給領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面及實施例總體上涉及計量流體流量的系統(tǒng)及方法。 根據(jù) 一 個或更多實施例，旋轉(zhuǎn)閥可包括構(gòu)造為利于流體流過該閥的
節(jié)流孔板和布置為鄰近該節(jié)流孔板的盤，該盤構(gòu)造并設(shè)置為與該節(jié)流
孔板協(xié)作來調(diào)節(jié)穿過該閥的流體流率。
根據(jù)一個或更多實施例， 一種計量流體流量的方法可包括將流體
源流體地連接到閥上，該閥包括節(jié)流孔板和布置為鄰近該節(jié)流孔板的
盤；以及調(diào)整盤相對于節(jié)流孔板的定向，以便建立穿過閥的預(yù)定流體流率。
根據(jù)一個或更多實施例，流體流率測量機構(gòu)可包括構(gòu)造為利于流體 流過該機構(gòu)的節(jié)流孔板、布置為鄰近該節(jié)流孔板的盤以及控制器，該 盤構(gòu)造并設(shè)置為與節(jié)流孔板協(xié)作來維持經(jīng)過節(jié)流孔板的大致常值壓 降，所述控制器構(gòu)造為基于盤相對于節(jié)流孔板的定向來檢測穿過該機構(gòu)流體流率。
將在后文詳細討-淪其它方面、實施例和這些示范性方面和實施例的 益處。而且應(yīng)當(dāng)理解，前述信息和后述詳細說明都僅僅是不同方面和 實施例的描述性實例，且旨在提供用于理解要求保護的方面和實施例 的本質(zhì)和特征的綜述或框架。包括附圖以便提供不同方面和實施例的 描述和進一步理解，且附圖并入該說明書并構(gòu)成說明書的一部分。附 圖與該說明書的其余部分一起用于解釋所描述和要求保護的方面和實 施例的原理和操作。


參考附圖，討論了至少一個實施例的不同方面。在并不旨在以實際 比例畫出的附圖中，在不同附圖中描述的每個一致或近似一致的構(gòu)件 采用同樣的附圖標記表示。為了清楚起見，不是每個構(gòu)件都在各個附 圖中標出。提供附圖以便描述和解釋，而不旨在作為本發(fā)明的限制。
在附圖中
圖1是根據(jù) 一個或更多實施例的旋轉(zhuǎn)閥的分解圖2是根據(jù) 一個或更多實施例與節(jié)流孔板機械地協(xié)作的盤的透視
圖3A和圖3B代表根據(jù)一個或更多實施例的閥的截面圖，各閥具有
不同的流體流通道；
圖4是根據(jù)一個或更多實施例的旋轉(zhuǎn)閥盤的透視圖5是根據(jù) 一 個或更多實施例、構(gòu)造為提供聲速流量調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)閥
的透視圖6是根據(jù)一個或更多實施例、構(gòu)造為提供差壓調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)閥的透 視圖；和
圖7是根據(jù)一個或更多實施例、包含在流率測量機構(gòu)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)閥的 透視圖。
具體實施例方式
一個或更多方面和實施例總體上涉及計量流體流量的系統(tǒng)及方法。 文中描述的系統(tǒng)及方法可應(yīng)用于需要流率控制和/或監(jiān)測的很多行業(yè) 中。有益地， 一個或更多方面可用提高的分辨率和準確度提供寬范圍流率的可預(yù)測操作性。在一些方面，在不需要系統(tǒng)反饋的情況下即可 實現(xiàn)線性流體流量控制。計量系統(tǒng)及方法還可提供在設(shè)計、便于制造 和成本方面的顯著益處。
應(yīng)當(dāng)理解，文中討論的系統(tǒng)和方法的實施例不限于應(yīng)用于后文說明 闡述或附圖描述的構(gòu)件的構(gòu)造和設(shè)置的細節(jié)。所述系統(tǒng)和方法可在其 它實施例中實施并以不同的方式實踐或?qū)崿F(xiàn)。文中提供的特定實施例 的實例僅用于描述目的，且不旨在限制。特別地，與任何一個或更多 實施例 一起討論的動作、元件和特性并不旨在排除任何其它實施例的 類似作用。同樣，文中使用的名詞和術(shù)語是為了描述目的，而不應(yīng)被 認為是限制性的。文中使用的"包括"、"包含"、"具有"、"含有"、"具 備"及其變型的意思是包括其后列出的項、及其等同物以及附加項。
所乂>開的系統(tǒng)和方法的實施例和方面通?？砂?gòu)造為計量流體 流量的閥。閥通?？刹贾迷诹黧w進給管線上。在一些方面，閥可布置 為接近流體源。在一些實施例中，閥可以期望流率提供流體。例如闊 可建立和/或維持預(yù)定流率。在其它實施例中，閥可利于確定和/或監(jiān)測 流體流率，如進一步討論的那樣。
閥通?？砂ň哂卸丝诘拈y本體或殼體，端口包括但不局限于入口 和出口。入口可流體地連接到將要進給或計量的任何流體源上，例如 液體或氣體。在一些非限制性實施例中，流體可為氣體，例如氯、二 氧化碳或二氧化硫。閥及其構(gòu)件可由任何材料制成，但應(yīng)當(dāng)與和預(yù)定 應(yīng)用相關(guān)的環(huán)境條件相容，環(huán)境條件例如可能接觸閥的任何化學(xué)物(包 括要由閥計量的流體)的溫度、壓力和特性。在一些實施例中，閥可 由聚氯乙烯(PVC)或其它類似材料制成。
根據(jù)一個或更多方面，閥通?？上薅黧w流通道，流體沿著所述流 體流通道行進穿過閥。閥的一個或更多特征或元件通常可構(gòu)造為便于 流體沿著通道流過閥。在一些實施例中，例如閥可包括板，例如節(jié)流 孔板，所述板構(gòu)造為便于流體沿著流體通道流過閥。更具體地，節(jié)流 孔板通?？砂ㄒ粋€或更多孔口 ，流體流可行進穿過所述一個或更多 孔口?？卓诘某叽?、數(shù)量、幾何形狀和定向取決于預(yù)定應(yīng)用而不同。 例如，孔口可為大致圓形、方形、三角形或任何其它幾何形狀。在至 少一個實施例中，孔口可具有大致等邊三角形的形狀。如在后文更詳 細討論的那樣，孔口的一個或更多特性(例如其幾何形狀)通常可利于穿過閥的流體流量控制的線性化。在一些方面，選擇幾何形狀可變 化以利于線性化的孔口是有益的。在一些實施例中，如后文進一步討 論的那樣，可基于期望流率范圍或分辨率選擇具有特定孔口尺寸的節(jié) 流孔板。因此，節(jié)流孔板可定尺寸為適合特定流率范圍或峰值流率。 節(jié)流孔板可與閥殼體整體形成或可為分立閥構(gòu)件。節(jié)流孔板可布置在 沿著閥的流體流通道的任何點處。在一些實施例中，閥可包括多個節(jié) 流孑L板。
可采用多種方法建立、調(diào)節(jié)和/或控制穿過閥的流體流率，例如通 過在閥的上游或下游操作。在一些實施例中，閥自身可構(gòu)造為建立和/ 或調(diào)整流體流率。根據(jù)一個或更多實施例，閥可包括構(gòu)造為調(diào)節(jié)穿過 閥的流體流率的一個或更多特征或元件。在一些方面，流體流率可為 期望或預(yù)定的流率，例如可基于預(yù)定應(yīng)用。流體流率可為常值或可在
一定范圍的值內(nèi)變化。在一些非限制性實施例中，流率可為從約o至約
10000ppd (0-l卯Kg/h)的范圍。在一些實施例中，流率可為從約O至約 500ppd (0-10Kg/h)的范圍。在至少一個實施例中，流率可為從0至約 3ppd ( 0-60g/h )的范圍。
根據(jù)一個或更多實施例，閥可包括構(gòu)造為與節(jié)流孔板協(xié)作來調(diào)節(jié)穿 過閥的流體流率的一個或更多特征或元件。例如，參考圖l,閥100可 包括盤110,所述盤110構(gòu)造并設(shè)置為與節(jié)流孔板120協(xié)作來調(diào)節(jié)穿過閥 的流體流率。盤110通常可布置為鄰近節(jié)流孔板120。在一些方面，盤 110可密封地聯(lián)接到節(jié)流孔板120上，以便大體上抑制流體泄漏。閥可 包括多種其它元件，例如墊片、螺母、帽、密封件和其它公知的閥構(gòu)
件。在一些實施例中，彈簧可將盤110倚靠節(jié)流孔板120保持到位。
根據(jù)一個或更多實施例，盤相對于節(jié)流孔板的定向或位置可調(diào)整， 以便調(diào)節(jié)穿過閥的流體流率。在一些方面，盤和節(jié)流孔板相對于彼此 通?？尚D(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)。例如， 一個或更多樞軸或其它固定點可利于調(diào)整 盤相對于節(jié)流孔板的定向。樞轉(zhuǎn)點相對于閥橫截面可大致對中或可在
任何其它位置處。在至少一個實施例中，盤和節(jié)流孔板中的一個可固 定，而另一個是可移動的。例如，盤相對于固定節(jié)流孔板是可旋轉(zhuǎn)的。 可替換地，盤和節(jié)流孔板均是可移動的。根據(jù)一些方面，節(jié)流孔板和 盤中的一個或兩個與軸或類似機構(gòu)機械連通，以總體上利于調(diào)整它們 的相對定向。在至少一個實施例中，盤和/或節(jié)流孔板可自由移動，例如可自由旋轉(zhuǎn)。在其它實施例中，可建立固定的移動范圍。通過非限
制性實例，盤可構(gòu)造為相對于節(jié)流孔板旋轉(zhuǎn)達90。， 180°或360。。因此， 在 一些實施例中，閥通?？芍竼无D(zhuǎn)閥(single turn valve )。
有些實施例和方面總體上可包括建立、操縱和/或調(diào)整節(jié)流孔板中 孔口的有效面積，以便調(diào)節(jié)穿過閥的流體流量。參考圖2，如上文討論 的那樣，節(jié)流孔板120通?？砂卓?/b>25,以利于流體流過閥?？卓?125的全部潛在面積可由節(jié)流孔板120的幾何形狀限定?？卓?125的全部 潛在面積根據(jù)一個或更多實施例可調(diào)整或修改，從而產(chǎn)生孔口的有效 面積。例如，如在下文將更詳細討論的，盤110可用于調(diào)整孔口 125的 有效面積。在一些方面，孔口的有效面積總體上可限定或影響穿過閥 的流體流通道。繼而，流體流通道的特性和/或尺寸可影響或改變穿過 閥的流體流率。例如，具有大有效面積的孔口總體上可提供受較少阻 礙的流體流路，因而促進更高的流體流率。另一方面，具有相對小有 效面積的孔口總體上可提供受較大阻礙的流體流路，因而妨礙更高的 流體流率?？卓?12 5的有效面積總體上可在從其全部潛在面積的0至 100%的范圍內(nèi)，全部潛在面積例如可由節(jié)流孔^反120的幾何形狀來限 定。零流率通?？膳c零有效孔口面積相關(guān)聯(lián)，而峰值流率可與任何給 定孔口的最大有效面積相關(guān)聯(lián)。因而，對于給定的節(jié)流孔板孔口，通 過調(diào)整孔口的有效面積可實現(xiàn)流率的范圍。如在下文將更詳細討論的， 流率相對于有效孔口面積可有益地線性化，用于提高流率控制的準確 度和分辨率。在一些方面，不同節(jié)流孔板可適合不同流率范圍，這可 基于其孔口的大小?？苫谄谕髀史秶蚱谕髀史直媛蕘磉x擇節(jié)
流孑L板。
可采用多種方法來操縱孔口的有效面積。在一些方面，盤110可與 節(jié)流孔板120協(xié)作來修改或調(diào)整孔口125的有效面積。例如，盤110相對 于節(jié)流孔板120的定向可^皮調(diào)整，以便修改孔口 125的有效面積。在一 些實施例中，如圖2所示并將在下文更詳細討論的，盤110相對于節(jié)流
孔板120可旋轉(zhuǎn)(反之亦然)以便調(diào)整孔口的有效面積。在至少一方面， 三角形孔口的有效面積可通過改變?nèi)切斡行Ц叨葋碚{(diào)整。
盤110通?？蔀槿魏涡螤?、大小和構(gòu)造。在一些方面，盤110的形狀 或幾何形狀通常本質(zhì)是變化多樣的。在一些實施例中，盤110可包括構(gòu) 造為調(diào)整或操縱節(jié)流孔板孔口125的有效面積的邊緣、部段、元件或特征115。例如盤部l殳115可與節(jié)流孔^反孔口 125的至少一部分接合或協(xié) 作，以建立孔口 125的有效面積(見圖2)。在至少一個實施例中，盤 部段115通?？芍丿B、阻擋或阻礙孔口 125的至少一部分，以調(diào)整其有 效面積。在一些實施例中，部段115在效果上可用作孔口 125的邊界， 例如孔口 125周邊的一部分。例如，在孔口125是大致三角形的一些非 限制性實施例中，部段115可形成三角形的一邊。在一些方面，部段115 可為孔口 125的可移動邊界，通常能夠調(diào)整其有效面積。因此，通過操 縱盤110相對于節(jié)流孔板120的定向，例如通過旋轉(zhuǎn)，可影響盤部段115 相對于節(jié)流孔板孔口 125的定向，以便調(diào)整孔口 125的有效面積。通過 調(diào)整孔口 125的有效面積，繼而可調(diào)整穿過閥的流體流率。
在一些實施例中，盤110可與節(jié)流孔板120相一致或相似。例如，盤 110和節(jié)流孔板120均可包括孔口 。盤110和節(jié)流孔纟反120相對于彼此的 定向可調(diào)整或操縱，以便控制流率。在一些方面，盤110和/或節(jié)流孔板 120可旋轉(zhuǎn)以調(diào)整其孔口的定向，以便控制或調(diào)節(jié)流率。更具體地，例 如節(jié)流孔板120的孔口可至少部分地接合盤110的孔口 ，以便合并為單 個有效孔口，可操縱該單個有效孔口的大小以便調(diào)節(jié)流量。盤110和節(jié) 流孔板120相對于彼此可旋轉(zhuǎn)，以便調(diào)整單個有效孔口的大小，從而調(diào) 節(jié)流量。增大單個有效孔口的大小則通常與增大流率相關(guān)，而減小單 個有效孔口的大小通常與降低流率相關(guān)。
因此在操作中，可調(diào)整盤110相對于節(jié)流孔板120的定向，以便當(dāng)期 望增大流體流率時增大孔口 12 5的有效面積，或當(dāng)期望降低流體流率時 減小孔口 125的有效面積。在一些方面，才艮據(jù)一個或更多實施例，閥通 常可被認為是二維閥，因為盤110相對于節(jié)流孔板120的定向通常可操 縱流體流率。在一些實施例中，如上文討論的那樣，閥可為單轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 閥，其中通過360。旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)與給定節(jié)流孔板相關(guān)的流率全范圍。例如， 圖3A通常可與比圖3B更高的流體流率相關(guān)。圖3A可代表峰值流率。圖 3B可代表相對更低的流體流率，由于閥的流體通道至少部分地被阻礙， 例如通過盤相對于節(jié)流孔板的旋轉(zhuǎn)。圖3A和圖3B各描述孔口 125的不同 有效面積。
在至少 一個實施例中，盤110和節(jié)流孔板120可包括大致互補的幾何 形狀，以利于協(xié)作調(diào)節(jié)穿過閥的流體流率。例如，盤110和節(jié)流孔板120 之間的互補幾何形狀可利于調(diào)整節(jié)流孔板120中孔口 125的有效面積，以便調(diào)節(jié)穿過閥的流體流率。在一些非限制性實施例中，孔口125的幾 何形狀總體上可為如圖2所示的三角形。如上文討論的那樣，盤110可 包括部段115，例如可移動到期望位置以便限定三角形孔口 125邊界的 邊緣或楔塊，因而建立其有效面積。在一些方面，孔口125的有效面積 可通過相對于節(jié)流孔板120旋轉(zhuǎn)盤110來調(diào)整，以便調(diào)整穿過閥的流率。 可采用根據(jù)一個或更多實施例的其它幾何形狀。
根據(jù)一個或更多實施例，盤110可具有由多個鄰近并減小的半徑限 定的外周邊。在一些方面，圍繞盤110的周邊的位置可從最大半徑降低 至最小半徑。在至少一個實施例中，盤110可包括凹口或凹部。該凹口 總體上可由盤110的幾何形狀或周邊限定。在一些方面，凹口的一邊可 由最大盤半徑的至少一部分限定。盤110可與節(jié)流孔板120協(xié)作來調(diào)節(jié) 流體流率。盤110可繞節(jié)流孔板120旋轉(zhuǎn)以便調(diào)整節(jié)流孔板120中孔口 125的有效面積。在一些方面，盤110可在一個方向旋轉(zhuǎn)，以便推進逐 步增大半徑，以減小孔口 125的有效面積，因而降低流體流率。當(dāng)盤IIO 的最大半徑接合孔口 125時，孔口的有效面積大致為零，這與基本上無 流體流量相對應(yīng)。類似地，盤110可在一個方向旋轉(zhuǎn)以便推進逐步減小 半徑，以增大孔口 125的有效面積，因而最大流體流率。當(dāng)盤110的最 小半徑接合孔口125時，孔口的有效面積可為孔口的全尺寸，這與節(jié)流 孔板110定尺寸的峰值流率相對應(yīng)。減小的盤半徑通?？膳c增大的流體 流率相對應(yīng)，而增大的盤半徑通常可與減小的流體流率相對應(yīng)。
圖4描述了閥盤210的一個非限制性實施例。盤210通?？砂ㄠ徑?最小半徑214的最大半徑212。盤210也可包括多個中間半徑216。在一 些方面，各個中間半徑216可在每一側(cè)鄰近另一個中間半徑。中間半徑 216在一側(cè)可鄰近相對更大中間半徑，在另一側(cè)可鄰近相對更小中間半 徑。因而，盤210通?？砂ǘ鄠€鄰近并減小的半徑(從最大半徑212 至最小半徑214的范圍內(nèi))。在一些方面，盤210通?？砂ò伎诨虬?部218，其中凹口218的一側(cè)具有等于至少一部分最大半徑212的長度。
在一些實施例中，具有減小半徑的盤110相對于節(jié)流孔板120可旋轉(zhuǎn) 360° 。盤110相對于節(jié)流孔板120的角度位置可與穿過閥的流體流率相關(guān) 聯(lián)。例如，0°或360°的角度位置可與峰值流率或零流率相關(guān)聯(lián)。0°至360。 的角度位置范圍可與零至峰值流率之間的流率范圍相關(guān)聯(lián)。在一些方 面，角度位置可與有效孔口面積或有效孔口高度相關(guān)聯(lián)。例如，可基于角度位置的最小盤半徑可與最大孔口面積或高度相關(guān)聯(lián)，而可基于
角度位置的最大盤半徑可與最小孔口面積或高度相關(guān)聯(lián)?？卓诿娣e或
高度的范圍可與在零和峰值流率之間的流率范圍相關(guān)聯(lián)。不同的節(jié)流
孔板可與不同的峰值和/或低流率相關(guān)聯(lián)。
在一個實施例中，盤可具有圍繞其周邊的多個短直線，例如可體現(xiàn)
步進式半徑變化而不是持續(xù)變化半徑。在一些方面，當(dāng)盤例如通過使
用步進馬達相對于節(jié)流孔板步進式旋轉(zhuǎn)時，該盤可提供線性流率調(diào)整。 沿著其外周邊的平直邊緣的數(shù)量可指示可實現(xiàn)的流率變化分辨率。更
多平直邊緣可與增大的可實現(xiàn)流率控制和/或變化相關(guān)聯(lián)。
在有些方面，穿過閥的流體流率相對于盤關(guān)于節(jié)流孔板的定向而言 可大致呈線性關(guān)系。例如，盤和節(jié)流孔板的幾何形狀可使得它們的相 對定向相對于穿過閥的流率產(chǎn)生線性關(guān)系。在一些方面，穿過閥的流 體流率相對于節(jié)流孔板孔口的有效面積可呈線性關(guān)系。優(yōu)選地，可選 擇節(jié)流孔板和盤的互補幾何形狀，使得調(diào)整它們相對于彼此的定向能
建立相對于流率和/或有效面積(可被線性化)的衰減關(guān)系(fall-off)。 這可有益地提供在流率控制中的可預(yù)測性、準確度和分辨率。在一些 非限制性實施例中，流率相對于有效孔口面積、有效孔口高度或盤相 對于節(jié)流孔板的角度位置中的任何一個或更多可呈線性關(guān)系。
根據(jù)一個或更多實施例，可基于公知流體力學(xué)原理(包括但不局限
于伯努利定律(Bernoulli's Law))來建立理論線性關(guān)系。預(yù)期操作條 件和將要計量的流體屬性可作為因數(shù)納入理論線性關(guān)系的開發(fā)。例如，
當(dāng)使用三角形孔口時，可建立將流率與三角形孔口的有效面積或高度 相關(guān)的線性關(guān)系。然后可基于理論線性關(guān)系制備盤。例如可制備能與 節(jié)流孔板協(xié)作以利于基于線性關(guān)系調(diào)整三角形有效有效面積或高度的 盤，以便調(diào)節(jié)流率。然后可使用實際測量值和實驗值來校正任何非理 想因素，例如可能由于系統(tǒng)的幾何形狀，以便調(diào)整并完善線性關(guān)系。 在一些方面，借助于包括逐步變化半徑的盤110,三角形孔口125有效 面積的一邊技術(shù)上可彎曲，這可能由于被盤110至少部分地阻礙，但這 在確定線性關(guān)系中可忽略和/或忽視?？蓪ΡP進行變動以便校正非理想 因素，且根據(jù)公知的方法(例如模切、鑄模以及其它工藝)然后可產(chǎn) 生并容易地復(fù)制主盤?；诮⒑玫木€性關(guān)系，通過將盤相對于節(jié)流 孔板在相應(yīng)公知位置定向可實現(xiàn)期望的流率。因此，在一些方面，閥輸出關(guān)于盤相對于節(jié)流孔板的角度位置總體上是線性的。例如，在至
少一個實施例中，50%的旋轉(zhuǎn)可得到約為50%設(shè)計峰值流率的流率，而 25%的旋轉(zhuǎn)可得到約為25%設(shè)計峰值流率的流量。
可手動建立盤相對于節(jié)流孔板的定向?？商鎿Q地，可自動作出調(diào)整。 例如，盤和/或節(jié)流孔板可由馬達例如步進馬達相對于纟皮此移動。在至 少一個實施例中，盤可與步進馬達機械連通，例如通過附接軸。在一 些實施例中，馬達可與控制器電連通。
根據(jù)一個或更多方面，控制器用建立好的線性關(guān)系或利于確定線性 關(guān)系的信息編程。例如，可建立線性關(guān)系使得步進馬達的各個增量或 步長可與公知流體流率相關(guān)。在一些方面，該線性關(guān)系可包括流體流 率與盤和節(jié)流孔板的相對定向之間的關(guān)系。在其它方面，該關(guān)系通常
可描述為流體流率與節(jié)流孔板孔口的有效面積之間的關(guān)系。在 一些非 限制性實施例中，可將期望流率輸入到控制器中，可將控制信號發(fā)送 給步進馬達，以便通過自動調(diào)整盤相對于節(jié)流孔板的位置或通過自動 調(diào)整節(jié)流孔板孔口的有效面積來建立期望的流率。該步進馬達可包括 任何數(shù)量的步長。在一些實施例中，步進馬達可包括至少約50個步長。 在至少一個實施例中，步進馬達可包括至少約100個步長。在一些方面， 步進馬達可包括500或更多個步長。因而，可建立至少約100: l的調(diào)節(jié) 比。例如，當(dāng)10: l的調(diào)節(jié)比時，相對于閥位置的流體控制可為線性， 降至約10%的峰值流率。
根據(jù) 一 個或更多實施例，所公開的閥可為更大流體進給系統(tǒng)的 一 部 分，例如在其中需要計量流量的氣體進給系統(tǒng)。在至少一個實施例中， 包括所公開的閥的氣體進給系統(tǒng)可在真空條件下工作。例如，在非限 制性實施例中，可將閥包括在氯化器中，例如用于氣體消毒，用作廢 物處理系統(tǒng)的一部分。該氣體進給器通?？砂ㄕ婵照{(diào)節(jié)器、噴射器 和文中公開的閥。除了其它特征之外，該上游真空調(diào)節(jié)器通?？蓪?體供給壓力減小至真空，并用作無真空時的截止閥。下游噴射器通常 可提供工作真空。
根據(jù)一個或更多實施例，包含所公開的閥的氣體進給器可在聲速流 量調(diào)節(jié)的原理下工作，如圖5所示。通過將上游真空調(diào)節(jié)器與下游噴射 器相結(jié)合可維持常壓真空，以產(chǎn)生聲速條件，從而獲得穿過閥100的大 致穩(wěn)定的流體流率。當(dāng)經(jīng)過閥或節(jié)流孔的壓差足以將流體加速至聲速
12時，聲速流量通?？砂l(fā)生。步進馬達130可與盤110機械連通。步進馬 達130通?？烧{(diào)整盤110相對于節(jié)流孔板120的定向，例如通過旋轉(zhuǎn)，以 便調(diào)節(jié)穿過閥110的流體流率。步進馬達130可與控制器140電連通?？?制器140可將例如基于輸入或預(yù)定流率的信號發(fā)送給步進馬達130,以 便調(diào)整盤110相對于節(jié)流孔板120的定向。
可替換地，包含所公開的閥的氣體進給器可在差壓調(diào)節(jié)的原理下工 作，如圖6所示?？裳亻y100使用差壓調(diào)節(jié)器150，以便維持穩(wěn)定的流體 流率。有益地，通過維持經(jīng)過閥或節(jié)流孔的常值壓降，差壓調(diào)節(jié)器150 通常可將系統(tǒng)中真空變化或波動的影響最小化，以便提供穿過閥的穩(wěn) 定流體流率。如前所述，步進馬達130可與盤110機械連通。步進馬達 130通?？烧{(diào)整盤110相對于節(jié)流孔板120的定向，例如通過旋轉(zhuǎn)，以便 調(diào)節(jié)穿過閥110的流體流率。步進馬達130可與控制器140電連通?？刂?器140可將例如基于輸入或預(yù)定流率的信號發(fā)送給步進馬達130,以便 調(diào)整盤110相對于節(jié)流孔板120的定向。
才艮據(jù)有些方面的閥可包含在多種應(yīng)用中。例如，在圖7描述的氣體 流量測量機構(gòu)例如轉(zhuǎn)子流量計200中，可采用所公開的閥的原理。機構(gòu) 200在確定和/或監(jiān)測穿過所包含的閥IOO的流體流率方面總體上是有效 的。閥100可包括構(gòu)造為利于流體流過機構(gòu)200的節(jié)流孔板120,以及布 置為鄰近節(jié)流孔板120的盤110。在有些方面，盤110可被構(gòu)造和設(shè)置為 與節(jié)流孔板120協(xié)作，以便維持經(jīng)過節(jié)流孔板120的大致常值壓降。可 調(diào)整節(jié)流孔板120相對于盤110的定向，以便維持該大致常值壓降。例 如，盤110可相對于節(jié)流孔板120旋轉(zhuǎn)，以便維持該大致常值壓降。機 構(gòu)200通?？身憫?yīng)在流體流率中的變化，以便維持大致常值壓降，這繼
而可用于量化和/或監(jiān)測流率。
差壓單元160可與控制器140連通以便纟企測經(jīng)過節(jié)流孔板120的壓 降。如前所述的步進馬達130可構(gòu)造為調(diào)整盤110相對于節(jié)流孔板120的 定向，以便維持經(jīng)過節(jié)流孔板120的大致常值壓降?？刂破?40通?？?傳送和/或發(fā)送控制信號給步進馬達130，以便操縱其相對定向。例如， 控制器140可響應(yīng)于檢測壓降變化的差壓單元160發(fā)送控制信號給步進 馬達130。
控制器140通?？苫诒P110相對于節(jié)流孔板120的定向來檢測穿過 機構(gòu)200的流體流率。在一些方面，控制器140可構(gòu)造為基于節(jié)流孔板120中孔口的有效面積來檢測流體流率。在某些方面，相對定向可大體 上限定有效孔口面積。如前所述，流體流率關(guān)于盤110相對于節(jié)流孔板 120的定向大致呈線性關(guān)系。例如，流率相對于盤110和節(jié)流孔板120的 相對位置的公知或建立好的線性關(guān)系可利于確定穿過機構(gòu)200的流率。 線性關(guān)系可輸入至控制器14 0中以利于流率檢測和/或監(jiān)測。在 一 些方 面，控制器140可響應(yīng)來自差壓單元160的輸入，以便通過調(diào)整盤110相 對于節(jié)流孔板120的定向來恢復(fù)預(yù)定壓降。這種定向的改變通常可與流 率的改變相關(guān)。線性關(guān)系可利于基于這種定向來確定流率。
可選擇將要維持的任何期望壓降，但是應(yīng)當(dāng)總體上與流體流率不沖 突(unabtrusive ),且表示機構(gòu)200整個操作壓力的 一小部分。通過避 免與低壓降相關(guān)聯(lián)的問題，維持最佳壓降可利于在更寬范圍的流率上 的準確度。例如，可實現(xiàn)低至滿標度(full scale)流量的1% (100: 1 調(diào)節(jié)比)的流率準確度。在一些方面，可實現(xiàn)低至滿標度流量的0.1% (1000: l調(diào)節(jié)比)的流率準確度。可使用閥來^r測寬范圍的流率，例 如從零至與所使用的節(jié)流孔板相關(guān)聯(lián)的峰值流率。當(dāng)期望有不同的流 率范圍或分辨率時，可替換閥的一個或更多構(gòu)件，例如節(jié)流孔板或盤。 常規(guī)差壓流量計通常在約為全流量的20% (調(diào)節(jié)比為5: 1)時喪失其線 性和準確度。由于經(jīng)過節(jié)流孔的壓降總體上與流率的平方成比例，在 低流量時壓差的分辨率與更高流量時的壓差相比變得困難。例如，在 全流量或峰值流量的20%時，壓降將僅為全流量時測得壓降的約4%。
所公開的閥可應(yīng)用于新設(shè)施、替代品和改造市場中。 一旦建立相對 文中討論的流體流率的線性關(guān)系，就可開發(fā)主盤。根據(jù)一個或更多實 施例的閥可容易地制造，例如通過從主盤簡單地鑄模和和模切。與產(chǎn) 品更低成本相關(guān)聯(lián)的節(jié)約可有益地傳遞至最終用戶。此外，可容易地 實現(xiàn)設(shè)計用于 一個應(yīng)用或流率范圍的盤和/或節(jié)流孔板與另 一個的交 換。
從下文的預(yù)計實例中將能更全面地理解這些及其它實施例的功能 和益處。該預(yù)計實例在本質(zhì)上旨在是說明性的，而不應(yīng)當(dāng)認為限定文 中討^〖侖的系統(tǒng)和方法的范圍。
預(yù)計實例
將建立用于根據(jù)一個或更多公開實施例及方面的閥的線性關(guān)系，以利于調(diào)節(jié)穿過閥的流體流率。確定用于閥的線性關(guān)系能夠提高流體流 量控制的準確度和分辨率。有益地，線性化將也簡化閥設(shè)計，使得便 于制造和更低的相關(guān)成本。
為了該預(yù)計實例，假定操作溫度在60。F或520。R。也假定與閥相關(guān) 聯(lián)的入口和出口管道具有一英寸的直徑。推導(dǎo)還將基于氯氣由閥計量 的假定。假定閥包括具有等邊三角形孔口的節(jié)流孔板。這種幾何形狀 可接近地近似圓形，從而可，i定孔口的等效直徑以便簡化線性關(guān)系的 確定。
更具體地，將建立線性關(guān)系，其中穿過閥的流體流率將與等邊三角 形的高度D成比例變化。如文中公開的，例如通過調(diào)整盤相對于節(jié)流孔 板的定向而可調(diào)整三角形的高度。
從伯努利定律和其它流體流量力學(xué)原理推導(dǎo)出的下列節(jié)流孔氣流 率公式將用作建立線性關(guān)系的基礎(chǔ)
公式l:
Qv = 218.527*Cd*Ev*Yl*(d2)*[Tb/Pb]*[(Pfl*Zb*hw)/(Gr*Zfl*Tf)]0.5 (3-6)
其中
Cd二節(jié)流孔板排放系數(shù)
d二在流動溫度(Tf)時計算的節(jié)流孔板內(nèi)徑-英寸。
對于三角形節(jié)流孔，等效直徑D,1.524氣A。則)/(P。235),其中 八=面積，以及P-周長。
G產(chǎn)實際氣體相對密度(比重)
hw二在60。F時的節(jié)流孔差壓(英寸水柱)
Ev二速度的逼近因素
Pb二基礎(chǔ)壓力-psia
Pfl^充動壓力(上游4妾頭-psia)
Qv二標準容積流率-SCF/hr.
Tb二基礎(chǔ)溫度-。R
Tf二流動溫度-。R
丫2=膨脹因數(shù)(下游接頭-psia)
Zb二在基礎(chǔ)條件下(Pb,Tb)的可壓縮性
Zf—可壓縮性(上游流動條件-Pfl,Tf)將基于典型操作原理和氯氣特性的公知常量代入公式1 ,將得到下
列線性關(guān)系 公式2:
Q= (218.527) (.66 (1.524(,29D2)06'9/(3.46Da235))+0.41) (n/(4(.29D2))) (1) (1.542((.29D2)°6'9)/((3.46D)0 235)) (520/13.5) ((14)(1.355)(13.56))/((2.485)(1.355)(520)))0.5)
其中Q的單位通常是標準立方英尺每分鐘。
將產(chǎn)生與所建立的理論線性關(guān)系相對應(yīng)的盤。例如，可制備能與節(jié) 流孔板協(xié)作以利于基于線性關(guān)系來調(diào)整三角形有效面積或高度D以便 調(diào)節(jié)流率的盤。盤具有圍繞其周邊減小的半徑，從最大半徑至最小半 徑的范圍。將建立盤的半徑形式使得盤可旋轉(zhuǎn)以便調(diào)整三角形孔口的 有效面積或高度，以便根據(jù)線性關(guān)系調(diào)節(jié)流率。例如，三角形的高度 或變量D通?？膳c盤的半徑形式相關(guān)。該相關(guān)性可取決于多種因素，包 括三角形的尺寸和三角形在節(jié)流孔板上的位置，例如三角形距節(jié)流孔 板中心的距離。
當(dāng)制成盤時，然后可使用實際測量值和實驗來校正任何非理想因素 (例如可能由于系統(tǒng)幾何形狀引起)，以便調(diào)整并優(yōu)化線性關(guān)系。因 此，可使用計算的理論線性關(guān)系作為在閥上與節(jié)流孔板使用的盤的迭 代設(shè)計起始點。可對盤的幾何形狀進行變化來校正非理想因素，且然 后可產(chǎn)生用于閥及制造類似盤的主盤。
在閥的設(shè)計中，將建立閥的期望最大和最小流率。將確定節(jié)流孔板 中三角形孔口的最大高度D以便與最大流率相關(guān)聯(lián)。類似地，將確定三 角形孔口的最小高度D以便與最小流率相關(guān)聯(lián)。將建立盤的最大和最小 半徑，使得盤可與節(jié)流孔板協(xié)作以得到最大和最小三角形孔口高度D。 中間孔口高度D的范圍將建立閥的線性流率曲線，例如基于計算的理論 線性關(guān)系。將建立從最大半徑至最小半徑范圍的盤半徑輪廓或形式， 以便與孔口高度D的范圍相對關(guān)聯(lián)，從而建立閥的線性關(guān)系。在一些方 面，半徑通?；诠?jié)流孔板的測量值、其孔口的尺寸和/或?qū)嶒瀬泶_定。 盤相對于節(jié)流孔板的角度位置將與流率相關(guān)聯(lián)。例如，選擇來建立50% 流率的盤半徑可布置在對應(yīng)于50%旋轉(zhuǎn)的盤位置處。類似地，選擇來建 立10%流率的盤半徑可布置在對應(yīng)于10%旋轉(zhuǎn)的盤位置處。
16在使用中，當(dāng)已知期望的流率Q時，從公式2求解出D。然后可調(diào)整 在閥中盤相對于節(jié)流孔板的定向，以便建立期望的三角形高度來得到 期望的流率。這可手動完成?？商鎿Q地，可將例如將盤相對于節(jié)流孔 板的特定角度位置分配至不同流率的線性關(guān)系輸入至控制器，用于自 動調(diào)節(jié)。控制器基于線性關(guān)系的輸出可發(fā)送控制信號給步進馬達?？?標定步進馬達，使得其每個步長或間隔與已知流率相對應(yīng)，例如可基 于節(jié)流孔板與盤的相對位置。在前述在流量計中使用閥的實施例中，首先基于維持常值壓降所需 要的節(jié)流孔板與盤的相對定向來確定D。然后將D用于求解公式2算出 Q，以便量化穿過閥的流率。因而已經(jīng)描述了至少一個實施例的幾個方面，應(yīng)當(dāng)理解對本領(lǐng)域技 術(shù)人員來說易于想到不同變換、變型和改進。這種變換、變型和改進 打算成為本申請的一部分且旨在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，前述說明和附圖僅為實例，且本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求及其等同物的合 適構(gòu)造來確定。
權(quán)利要求
1. 一種旋轉(zhuǎn)閥，包括節(jié)流孔板，所述節(jié)流孔板構(gòu)造為利于流體流過該閥；和布置為鄰近該節(jié)流孔板的盤，所述盤構(gòu)造并設(shè)置為與該節(jié)流孔板協(xié)作來調(diào)節(jié)穿過該閥的流體流率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的閥，其中，該盤相對于該節(jié)流孔板的定向 是可調(diào)整的，以便調(diào)節(jié)流體流率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的閥，其中，該盤構(gòu)造并設(shè)置為與該節(jié)流孔 板協(xié)作，以便通過調(diào)整該節(jié)流孔板中孔口的有效面積來調(diào)節(jié)穿過該閥 的流體流率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的閥，其中，該盤相對于該節(jié)流孔板是可旋 轉(zhuǎn)的，以^更調(diào)整該孔口的有效面積。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的閥，其中，該盤包括構(gòu)造為與該孔口的至 少一部分接合的部段，以便調(diào)整該孔口的有效面積。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的閥，其中，該孔口的幾何形狀是大致三角形。
7. 才艮據(jù);K利要求5所述的閥，其中，該節(jié)流孔^=反孔口和該盤部|殳包 括大致互補的幾何形狀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的閥，其中，穿過該閥的該流體流率與該盤 相對于該節(jié)流孔板的定向大致呈線性關(guān)系。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的閥，其中，該盤與步進馬達機械連通。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的閥，其中，該步進馬達與控制器電連通。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的閥，其中，該閥與差壓調(diào)節(jié)器流體連通。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的閥，其中，該閥構(gòu)造為提供聲速流體流 量調(diào)節(jié)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的閥，其中，該閥是單轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)閥。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的閥，其中，該閥流體地連接到氯氣源上。
15. —種計量流體流量的方法，包括將流體源流體地連接到閥上，所述閥包括節(jié)流孔板和布置為鄰近該 節(jié)流孔板的盤；和調(diào)整該盤相對于該節(jié)流孔板的定向以便建立穿過該閥的預(yù)定流體流率。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括檢測經(jīng)過該節(jié)流孔板的壓降。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將該預(yù)定流體流率輸入至 與該閥電連通的控制器中。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中該預(yù)定流體流率低于大約 10Kg/hr-500PPD。
19. 一種流體流率測量機構(gòu)，包括節(jié)流孔板，所述節(jié)流孔板構(gòu)造為利于流體流過該4幾構(gòu)；布置為鄰近該節(jié)流孔板的盤，所述盤構(gòu)造并設(shè)置為與該節(jié)流孔板協(xié)作來維持經(jīng)過該節(jié)流孔板的大致常值壓降；和控制器，所述控制器構(gòu)造為基于該盤相對于該節(jié)流孔板的定向來檢測穿過該機構(gòu)的流體流率。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的機構(gòu)，其中，該盤相對于該節(jié)流孔板是 可旋轉(zhuǎn)的，以便維持經(jīng)過該節(jié)流孔板的該大致常值壓降。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的機構(gòu)，其中，該控制器構(gòu)造為基于該節(jié) 流孔板中孔口的有效面積來檢測該流體流率。
22. 才艮據(jù)權(quán)利要求21所述的機構(gòu)，其中，所檢測的流體流率與該盤 相對于該節(jié)流孔板的該定向大致呈線性關(guān)系。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的機構(gòu)，其中，該控制器構(gòu)造為檢測比峰 值流體流率的約1 %更低的實際流率。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的機構(gòu)，其中，該機構(gòu)還包括步進馬達， 所述步進馬達構(gòu)造為調(diào)整該盤相對于該節(jié)流孔板的該定向以便維持經(jīng) 過該節(jié)流孔板的該大致常值壓降。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的機構(gòu)，其中，該機構(gòu)還包括與該步進馬 達連通的差壓單元。
全文摘要
公開了一種計量流量的系統(tǒng)及方法。閥總體上可包括節(jié)流孔板和布置為鄰近該節(jié)流孔板的盤。該盤相對于該節(jié)流孔板的定向可調(diào)整以便調(diào)節(jié)穿過該閥的流體流率。可操縱該節(jié)流孔板中孔口的有效面積來調(diào)整該流體流率。在一些構(gòu)造中，閥可提供聲速流量控制或差壓調(diào)節(jié)。在一些應(yīng)用中，控制器可調(diào)整盤相對于節(jié)流孔板的定向，以便維持經(jīng)過節(jié)流孔板的大致常值壓降以確定穿過閥的流體流率。
文檔編號F16K11/078GK101535696SQ200780041487
公開日2009年9月16日 申請日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月8日
發(fā)明者J·W·斯坦納, K·W·金貝克 申請人:西門子水處理技術(shù)公司