旋轉閥的制作方法

專利名稱：旋轉閥的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及流體力學領域，且更具體地涉及計量流體流量的 系統及方法。
背景技術：
通過總體上打開、關閉和部分阻塞流體通道，閥起作用以調節流體 進給系統中的流體流量。可獲得適合多種應用的多種不同類型的閥。 閥典型地包括容納可移動構件的閥本體，可改變所述可移動構件的位
置來控制流量。針形閥是由節流孔(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)節流孔豎直接 收的圓柱形或圓錐形塞來調節流量。當期望有準確的控制時，常規閥 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 件相對于節流孔的方位的位移電位計(motion pot)以及校驗流率的轉 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計考 慮因素，尤其在新興低容量氣體進給領域。

發明內容
本發明的方面及實施例總體上涉及計量流體流量的系統及方法。 根據 一 個或更多實施例，旋轉閥可包括構造為利于流體流過該閥的
節流孔板和布置為鄰近該節流孔板的盤，該盤構造并設置為與該節流
孔板協作來調節穿過該閥的流體流率。
根據一個或更多實施例， 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，該閥包括節流孔板和布置為鄰近該節流孔板的
盤；以及調整盤相對于節流孔板的定向，以便建立穿過閥的預定流體流率。
根據一個或更多實施例，流體流率測量機構可包括構造為利于流體 流過該機構的節流孔板、布置為鄰近該節流孔板的盤以及控制器，該 盤構造并設置為與節流孔板協作來維持經過節流孔板的大致常值壓 降，所述控制器構造為基于盤相對于節流孔板的定向來檢測穿過該機構流體流率。
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。而且應當理解，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件 采用同樣的附圖標記表示。為了清楚起見，不是每個構件都在各個附 圖中標出。提供附圖以便描述和解釋，而不旨在作為本發明的限制。
在附圖中
圖1是根據 一個或更多實施例的旋轉閥的分解圖2是根據 一個或更多實施例與節流孔板機械地協作的盤的透視
圖3A和圖3B代表根據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是根據一個或更多實施例的旋轉閥盤的透視圖5是根據 一 個或更多實施例、構造為提供聲速流量調節的旋轉閥
的透視圖6是根據一個或更多實施例、構造為提供差壓調節的旋轉閥的透 視圖；和
圖7是根據一個或更多實施例、包含在流率測量機構內的旋轉閥的 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及方法。 文中描述的系統及方法可應用于需要流率控制和/或監測的很多行業 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測操作性。在一些方面，在不需要系統反饋的情況下即可 實現線性流體流量控制。計量系統及方法還可提供在設計、便于制造 和成本方面的顯著益處。
應當理解，文中討論的系統和方法的實施例不限于應用于后文說明 闡述或附圖描述的構件的構造和設置的細節。所述系統和方法可在其 它實施例中實施并以不同的方式實踐或實現。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語是為了描述目的，而不應被 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>開的系統和方法的實施例和方面通常可包括構造為計量流體 流量的閥。閥通常可布置在流體進給管線上。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/或維持預定流率。在其它實施例中，閥可利于確定和/或監測 流體流率，如進一步討論的那樣。
閥通常可包括具有端口的閥本體或殼體，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。閥及其構件可由任何材料制成，但應當與和預定 應用相關的環境條件相容，環境條件例如可能接觸閥的任何化學物(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。
根據一個或更多方面，閥通常可限定流體流通道，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，例如節流 孔板，所述板構造為便于流體沿著流體通道流過閥。更具體地，節流 孔板通常可包括一個或更多孔口 ，流體流可行進穿過所述一個或更多 孔口。孔口的尺寸、數量、幾何形狀和定向取決于預定應用而不同。 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 流孔板。因此，節流孔板可定尺寸為適合特定流率范圍或峰值流率。 節流孔板可與閥殼體整體形成或可為分立閥構件。節流孔板可布置在 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 流孑L板。
可采用多種方法建立、調節和/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，閥自身可構造為建立和/ 或調整流體流率。根據一個或更多實施例，閥可包括構造為調節穿過 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 期望或預定的流率，例如可基于預定應用。流體流率可為常值或可在
一定范圍的值內變化。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。
根據一個或更多實施例，閥可包括構造為與節流孔板協作來調節穿 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構造并設置為與節流孔板120協作來調節穿過閥 的流體流率。盤110通常可布置為鄰近節流孔板120。在一些方面，盤 110可密封地聯接到節流孔板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
件。在一些實施例中，彈簧可將盤110倚靠節流孔板120保持到位。
根據一個或更多實施例，盤相對于節流孔板的定向或位置可調整， 以便調節穿過閥的流體流率。在一些方面，盤和節流孔板相對于彼此 通常可旋轉或樞轉。例如， 一個或更多樞軸或其它固定點可利于調整 盤相對于節流孔板的定向。樞轉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，盤相對于固定節流孔板是可旋轉的。 可替換地，盤和節流孔板均是可移動的。根據一些方面，節流孔板和 盤中的一個或兩個與軸或類似機構機械連通，以總體上利于調整它們 的相對定向。在至少一個實施例中，盤和/或節流孔板可自由移動，例如可自由旋轉。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，盤可構造為相對于節流孔板旋轉達90。， 180°或360。。因此， 在 一些實施例中，閥通常可指單轉閥(single turn valve )。
有些實施例和方面總體上可包括建立、操縱和/或調整節流孔板中 孔口的有效面積，以便調節穿過閥的流體流量。參考圖2，如上文討論 的那樣，節流孔板120通常可包括孔口25,以利于流體流過閥。孔口 125的全部潛在面積可由節流孔板120的幾何形狀限定。孔口 125的全部 潛在面積根據一個或更多實施例可調整或修改，從而產生孔口的有效 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。孔口 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，全部潛在面積例如可由節流孔^反120的幾何形狀來限 定。零流率通常可與零有效孔口面積相關聯，而峰值流率可與任何給 定孔口的最大有效面積相關聯。因而，對于給定的節流孔板孔口，通 過調整孔口的有效面積可實現流率的范圍。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，不同節流孔板可適合不同流率范圍，這可 基于其孔口的大小。可基于期望流率范圍或期望流率分辨率來選擇節
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 節流孔板120協作來修改或調整孔口125的有效面積。例如，盤110相對 于節流孔板120的定向可^皮調整，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相對于節流
孔板120可旋轉(反之亦然)以便調整孔口的有效面積。在至少一方面， 三角形孔口的有效面積可通過改變三角形有效高度來調整。
盤110通常可為任何形狀、大小和構造。在一些方面，盤110的形狀 或幾何形狀通常本質是變化多樣的。在一些實施例中，盤110可包括構 造為調整或操縱節流孔板孔口125的有效面積的邊緣、部段、元件或特征115。例如盤部l殳115可與節流孔^反孔口 125的至少一部分接合或協 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通常可重疊、阻擋或阻礙孔口 125的至少一部分，以調整其有 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，通常能夠調整其有效面積。因此，通過操 縱盤110相對于節流孔板120的定向，例如通過旋轉，可影響盤部段115 相對于節流孔板孔口 125的定向，以便調整孔口 125的有效面積。通過 調整孔口 125的有效面積，繼而可調整穿過閥的流體流率。
在一些實施例中，盤110可與節流孔板120相一致或相似。例如，盤 110和節流孔板120均可包括孔口 。盤110和節流孔纟反120相對于彼此的 定向可調整或操縱，以便控制流率。在一些方面，盤110和/或節流孔板 120可旋轉以調整其孔口的定向，以便控制或調節流率。更具體地，例 如節流孔板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節流量。盤110和節 流孔板120相對于彼此可旋轉，以便調整單個有效孔口的大小，從而調 節流量。增大單個有效孔口的大小則通常與增大流率相關，而減小單 個有效孔口的大小通常與降低流率相關。
因此在操作中，可調整盤110相對于節流孔板120的定向，以便當期 望增大流體流率時增大孔口 12 5的有效面積，或當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，閥可為單轉旋轉 閥，其中通過360。旋轉可實現與給定節流孔板相關的流率全范圍。例如， 圖3A通常可與比圖3B更高的流體流率相關。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流孔板的旋轉。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和節流孔板120可包括大致互補的幾何 形狀，以利于協作調節穿過閥的流體流率。例如，盤110和節流孔板120 之間的互補幾何形狀可利于調整節流孔板120中孔口 125的有效面積，以便調節穿過閥的流體流率。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 可通過相對于節流孔板120旋轉盤110來調整，以便調整穿過閥的流率。 可采用根據一個或更多實施例的其它幾何形狀。
根據一個或更多實施例，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可與節流孔板120協作來調節 流體流率。盤110可繞節流孔板120旋轉以便調整節流孔板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，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。類似地，盤110可在一個方向旋轉以便推進逐步減小 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，這與節流 孔板110定尺寸的峰值流率相對應。減小的盤半徑通常可與增大的流體 流率相對應，而增大的盤半徑通常可與減小的流體流率相對應。
圖4描述了閥盤210的一個非限制性實施例。盤210通常可包括鄰近 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可在每一側鄰近另一個中間半徑。中間半徑 216在一側可鄰近相對更大中間半徑，在另一側可鄰近相對更小中間半 徑。因而，盤210通常可包括多個鄰近并減小的半徑(從最大半徑212 至最小半徑214的范圍內)。在一些方面，盤210通常可包括凹口或凹 部218，其中凹口218的一側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相對于節流孔板120可旋轉 360° 。盤110相對于節流孔板120的角度位置可與穿過閥的流體流率相關 聯。例如，0°或360°的角度位置可與峰值流率或零流率相關聯。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聯。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聯。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聯，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聯。孔口面積或
高度的范圍可與在零和峰值流率之間的流率范圍相關聯。不同的節流
孔板可與不同的峰值和/或低流率相關聯。
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
步進式半徑變化而不是持續變化半徑。在一些方面，當盤例如通過使
用步進馬達相對于節流孔板步進式旋轉時，該盤可提供線性流率調整。 沿著其外周邊的平直邊緣的數量可指示可實現的流率變化分辨率。更
多平直邊緣可與增大的可實現流率控制和/或變化相關聯。
在有些方面，穿過閥的流體流率相對于盤關于節流孔板的定向而言 可大致呈線性關系。例如，盤和節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生線性關系。在一些方面，穿過閥的流 體流率相對于節流孔板孔口的有效面積可呈線性關系。優選地，可選 擇節流孔板和盤的互補幾何形狀，使得調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)的衰減關系(fall-off)。 這可有益地提供在流率控制中的可預測性、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 對于節流孔板的角度位置中的任何一個或更多可呈線性關系。
根據一個或更多實施例，可基于公知流體力學原理(包括但不局限
于伯努利定律(Bernoulli's Law))來建立理論線性關系。預期操作條 件和將要計量的流體屬性可作為因數納入理論線性關系的開發。例如，
當使用三角形孔口時，可建立將流率與三角形孔口的有效面積或高度 相關的線性關系。然后可基于理論線性關系制備盤。例如可制備能與 節流孔板協作以利于基于線性關系調整三角形有效有效面積或高度的 盤，以便調節流率。然后可使用實際測量值和實驗值來校正任何非理 想因素，例如可能由于系統的幾何形狀，以便調整并完善線性關系。 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 在確定線性關系中可忽略和/或忽視。可對盤進行變動以便校正非理想 因素，且根據公知的方法(例如模切、鑄模以及其它工藝)然后可產 生并容易地復制主盤。基于建立好的線性關系，通過將盤相對于節流 孔板在相應公知位置定向可實現期望的流率。因此，在一些方面，閥輸出關于盤相對于節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%的旋轉可得到約為50%設計峰值流率的流率，而 25%的旋轉可得到約為25%設計峰值流率的流量。
可手動建立盤相對于節流孔板的定向。可替換地，可自動作出調整。 例如，盤和/或節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。
根據一個或更多方面，控制器用建立好的線性關系或利于確定線性 關系的信息編程。例如，可建立線性關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。在一些方面，該線性關系可包括流體流 率與盤和節流孔板的相對定向之間的關系。在其它方面，該關系通常
可描述為流體流率與節流孔板孔口的有效面積之間的關系。在 一些非 限制性實施例中，可將期望流率輸入到控制器中，可將控制信號發送 給步進馬達，以便通過自動調整盤相對于節流孔板的位置或通過自動 調整節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的調節 比。例如，當10: l的調節比時，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 一 個或更多實施例，所公開的閥可為更大流體進給系統的 一 部 分，例如在其中需要計量流量的氣體進給系統。在至少一個實施例中， 包括所公開的閥的氣體進給系統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 物處理系統的一部分。該氣體進給器通常可包括真空調節器、噴射器 和文中公開的閥。除了其它特征之外，該上游真空調節器通常可將氣 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 量調節的原理下工作，如圖5所示。通過將上游真空調節器與下游噴射 器相結合可維持常壓真空，以產生聲速條件，從而獲得穿過閥100的大 致穩定的流體流率。當經過閥或節流孔的壓差足以將流體加速至聲速
12時，聲速流量通常可發生。步進馬達130可與盤110機械連通。步進馬 達130通常可調整盤110相對于節流孔板120的定向，例如通過旋轉，以 便調節穿過閥110的流體流率。步進馬達130可與控制器140電連通。控 制器140可將例如基于輸入或預定流率的信號發送給步進馬達130,以 便調整盤110相對于節流孔板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節的原理下工 作，如圖6所示。可沿閥100使用差壓調節器150，以便維持穩定的流體 流率。有益地，通過維持經過閥或節流孔的常值壓降，差壓調節器150 通常可將系統中真空變化或波動的影響最小化，以便提供穿過閥的穩 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通常可調整盤110相對于節流孔板120的定向，例如通過旋轉，以便 調節穿過閥110的流體流率。步進馬達130可與控制器140電連通。控制 器140可將例如基于輸入或預定流率的信號發送給步進馬達130,以便 調整盤110相對于節流孔板120的定向。
才艮據有些方面的閥可包含在多種應用中。例如，在圖7描述的氣體 流量測量機構例如轉子流量計200中，可采用所公開的閥的原理。機構 200在確定和/或監測穿過所包含的閥IOO的流體流率方面總體上是有效 的。閥100可包括構造為利于流體流過機構200的節流孔板120,以及布 置為鄰近節流孔板120的盤110。在有些方面，盤110可被構造和設置為 與節流孔板120協作，以便維持經過節流孔板120的大致常值壓降。可 調整節流孔板120相對于盤110的定向，以便維持該大致常值壓降。例 如，盤110可相對于節流孔板120旋轉，以便維持該大致常值壓降。機 構200通常可響應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/或監測流率。
差壓單元160可與控制器140連通以便纟企測經過節流孔板120的壓 降。如前所述的步進馬達130可構造為調整盤110相對于節流孔板120的 定向，以便維持經過節流孔板120的大致常值壓降。控制器140通常可 傳送和/或發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可響應于檢測壓降變化的差壓單元160發送控制信號給步進 馬達130。
控制器140通常可基于盤110相對于節流孔板120的定向來檢測穿過 機構200的流體流率。在一些方面，控制器140可構造為基于節流孔板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，流體流率關于盤110相對于節流孔板 120的定向大致呈線性關系。例如，流率相對于盤110和節流孔板120的 相對位置的公知或建立好的線性關系可利于確定穿過機構200的流率。 線性關系可輸入至控制器14 0中以利于流率檢測和/或監測。在 一 些方 面，控制器140可響應來自差壓單元160的輸入，以便通過調整盤110相 對于節流孔板120的定向來恢復預定壓降。這種定向的改變通常可與流 率的改變相關。線性關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，但是應當總體上與流體流率不沖 突(unabtrusive ),且表示機構200整個操作壓力的 一小部分。通過避 免與低壓降相關聯的問題，維持最佳壓降可利于在更寬范圍的流率上 的準確度。例如，可實現低至滿標度(full scale)流量的1% (100: 1 調節比)的流率準確度。在一些方面，可實現低至滿標度流量的0.1% (1000: l調節比)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流孔板相關聯的峰值流率。當期望有不同的流 率范圍或分辨率時，可替換閥的一個或更多構件，例如節流孔板或盤。 常規差壓流量計通常在約為全流量的20% (調節比為5: 1)時喪失其線 性和準確度。由于經過節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%。
所公開的閥可應用于新設施、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系，就可開發主盤。根據一個或更多實 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 品更低成本相關聯的節約可有益地傳遞至最終用戶。此外，可容易地 實現設計用于 一個應用或流率范圍的盤和/或節流孔板與另 一個的交 換。
從下文的預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。該預計實例在本質上旨在是說明性的，而不應當認為限定文 中討^〖侖的系統和方法的范圍。
預計實例
將建立用于根據一個或更多公開實施例及方面的閥的線性關系，以利于調節穿過閥的流體流率。確定用于閥的線性關系能夠提高流體流 量控制的準確度和分辨率。有益地，線性化將也簡化閥設計，使得便 于制造和更低的相關成本。
為了該預計實例，假定操作溫度在60。F或520。R。也假定與閥相關 聯的入口和出口管道具有一英寸的直徑。推導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系的 確定。
更具體地，將建立線性關系，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，例如通過調整盤相對于節流孔 板的定向而可調整三角形的高度。
從伯努利定律和其它流體流量力學原理推導出的下列節流孔氣流 率公式將用作建立線性關系的基礎
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二節流孔板排放系數
d二在流動溫度(Tf)時計算的節流孔板內徑-英寸。
對于三角形節流孔，等效直徑D,1.524氣A。則)/(P。235),其中 八=面積，以及P-周長。
G產實際氣體相對密度(比重)
hw二在60。F時的節流孔差壓(英寸水柱)
Ev二速度的逼近因素
Pb二基礎壓力-psia
Pfl^充動壓力(上游4妾頭-psia)
Qv二標準容積流率-SCF/hr.
Tb二基礎溫度-。R
Tf二流動溫度-。R
丫2=膨脹因數(下游接頭-psia)
Zb二在基礎條件下(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。
將產生與所建立的理論線性關系相對應的盤。例如，可制備能與節 流孔板協作以利于基于線性關系來調整三角形有效面積或高度D以便 調節流率的盤。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以便調整三角形孔口的 有效面積或高度，以便根據線性關系調節流率。例如，三角形的高度 或變量D通常可與盤的半徑形式相關。該相關性可取決于多種因素，包 括三角形的尺寸和三角形在節流孔板上的位置，例如三角形距節流孔 板中心的距離。
當制成盤時，然后可使用實際測量值和實驗來校正任何非理想因素 (例如可能由于系統幾何形狀引起)，以便調整并優化線性關系。因 此，可使用計算的理論線性關系作為在閥上與節流孔板使用的盤的迭 代設計起始點。可對盤的幾何形狀進行變化來校正非理想因素，且然 后可產生用于閥及制造類似盤的主盤。
在閥的設計中，將建立閥的期望最大和最小流率。將確定節流孔板 中三角形孔口的最大高度D以便與最大流率相關聯。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聯。將建立盤的最大和最小 半徑，使得盤可與節流孔板協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的范圍相對關聯，從而建立閥的線性關系。在一些方 面，半徑通常基于節流孔板的測量值、其孔口的尺寸和/或實驗來確定。 盤相對于節流孔板的角度位置將與流率相關聯。例如，選擇來建立50% 流率的盤半徑可布置在對應于50%旋轉的盤位置處。類似地，選擇來建 立10%流率的盤半徑可布置在對應于10%旋轉的盤位置處。
16在使用中，當已知期望的流率Q時，從公式2求解出D。然后可調整 在閥中盤相對于節流孔板的定向，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。可替換地，可將例如將盤相對于節流孔 板的特定角度位置分配至不同流率的線性關系輸入至控制器，用于自 動調節。控制器基于線性關系的輸出可發送控制信號給步進馬達。可 標定步進馬達，使得其每個步長或間隔與已知流率相對應，例如可基 于節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。因而已經描述了至少一個實施例的幾個方面，應當理解對本領域技 術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明的范圍內。此外，前述說明和附圖僅為實例，且本發明的范圍應當由所附權利要求及其等同物的合 適構造來確定。
權利要求
1. 一種旋轉閥，包括節流孔板，所述節流孔板構造為利于流體流過該閥；和布置為鄰近該節流孔板的盤，所述盤構造并設置為與該節流孔板協作來調節穿過該閥的流體流率。
2. 根據權利要求l所述的閥，其中，該盤相對于該節流孔板的定向 是可調整的，以便調節流體流率。
3. 根據權利要求l所述的閥，其中，該盤構造并設置為與該節流孔 板協作，以便通過調整該節流孔板中孔口的有效面積來調節穿過該閥 的流體流率。
4. 根據權利要求3所述的閥，其中，該盤相對于該節流孔板是可旋 轉的，以^更調整該孔口的有效面積。
5. 根據權利要求4所述的閥，其中，該盤包括構造為與該孔口的至 少一部分接合的部段，以便調整該孔口的有效面積。
6. 根據權利要求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;K利要求5所述的閥，其中，該節流孔^=反孔口和該盤部|殳包 括大致互補的幾何形狀。
8. 根據權利要求2所述的閥，其中，穿過該閥的該流體流率與該盤 相對于該節流孔板的定向大致呈線性關系。
9. 根據權利要求l所述的閥，其中，該盤與步進馬達機械連通。
10. 根據權利要求9所述的閥，其中，該步進馬達與控制器電連通。
11. 根據權利要求9所述的閥，其中，該閥與差壓調節器流體連通。
12. 根據權利要求l所述的閥，其中，該閥構造為提供聲速流體流 量調節。
13. 根據權利要求l所述的閥，其中，該閥是單轉旋轉閥。
14. 根據權利要求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，所述閥包括節流孔板和布置為鄰近該 節流孔板的盤；和調整該盤相對于該節流孔板的定向以便建立穿過該閥的預定流體流率。
16. 根據權利要求15所述的方法，還包括檢測經過該節流孔板的壓降。
17. 根據權利要求15所述的方法，還包括將該預定流體流率輸入至 與該閥電連通的控制器中。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中該預定流體流率低于大約 10Kg/hr-500PPD。
19. 一種流體流率測量機構，包括節流孔板，所述節流孔板構造為利于流體流過該4幾構；布置為鄰近該節流孔板的盤，所述盤構造并設置為與該節流孔板協作來維持經過該節流孔板的大致常值壓降；和控制器，所述控制器構造為基于該盤相對于該節流孔板的定向來檢測穿過該機構的流體流率。
20. 根據權利要求19所述的機構，其中，該盤相對于該節流孔板是 可旋轉的，以便維持經過該節流孔板的該大致常值壓降。
21. 根據權利要求19所述的機構，其中，該控制器構造為基于該節 流孔板中孔口的有效面積來檢測該流體流率。
22. 才艮據權利要求21所述的機構，其中，所檢測的流體流率與該盤 相對于該節流孔板的該定向大致呈線性關系。
23. 根據權利要求19所述的機構，其中，該控制器構造為檢測比峰 值流體流率的約1 %更低的實際流率。
24. 根據權利要求19所述的機構，其中，該機構還包括步進馬達， 所述步進馬達構造為調整該盤相對于該節流孔板的該定向以便維持經 過該節流孔板的該大致常值壓降。
25. 根據權利要求24所述的機構，其中，該機構還包括與該步進馬 達連通的差壓單元。
全文摘要
公開了一種計量流量的系統及方法。閥總體上可包括節流孔板和布置為鄰近該節流孔板的盤。該盤相對于該節流孔板的定向可調整以便調節穿過該閥的流體流率。可操縱該節流孔板中孔口的有效面積來調整該流體流率。在一些構造中，閥可提供聲速流量控制或差壓調節。在一些應用中，控制器可調整盤相對于節流孔板的定向，以便維持經過節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 優先權日2006年11月8日
發明者J·W·斯坦納, K·W·金貝克 申請人:西門子水處理技術公司