CN1044978A - 具有测量流量功能的蝶形阀和用它测量流量的方法 - Google Patents

Abstract

一种能测量从中流过的流体流量的蝶形阀，包括一个主体、一根可旋转地固定于主体上的阀门柱、固定在阀门柱上且可旋转地安装在主体中的阀门部件、检测阀门开启位置的阀门开启位置检测装置，以及检测由于流体流过而作用于围绕阀门柱的阀门部件上的动态转矩的转矩检测装置。

Description

本发明涉及一种蝶形阀，特别是一种具有测量流经该蝶形阀的流体流量的功能的蝶形阀。本发明还涉及用蝶形阀测量流量的方法，以及用蝶形阀控制流量的方法。

一般情况下，蝶形阀有一个阀门部件，它安装在主体之中，能够旋转，并且固定在一根阀门柱上，该阀门柱可旋转地固定在主体上。从主体外面通过手动或借助于气动或电动致动器操作阀门柱来旋转阀门部件，这样便改变了阀门的开启位置。

通过测量装置检测流量及根据测得的流量改变阀门的开启位置，就能够控制流经蝶形阀中的流体的流量。

这种测量是靠例如流量计完成的，它独立于蝶形阀，并且安装在蝶形阀的附近。在这种情况下，流量计测得的流量便被认为是流经蝶形阀的流体的流量。

用于此项目的典型的流量计是压差型流量计，由一个孔板及一个压力传感器组成，孔板设在装有蝶形阀的管中，传感器能检测到孔板两边、即上游及下游之间的压力差。流量由检测到的压差△P及容量系数（Cv值）确定，容量系数是孔板特有的一个常量，事先例如通过实验决定。

为了使***的结构紧凑，作为对由孔板和压力传感器组成的上述压差型流量计的一种改进，有一种采用蝶形阀本身作为孔板的组合***。也就是说，这种组合***由一个能够检测蝶形阀两边流体压差的压力传感器以及检测蝶形阀的阀门开启位置的装置所组成。作为该蝶形阀和阀门开启位置函数的容量系数（Cv）值），事先例如通过实验决定。这样，从检测到的压差△P和对应于检测到的阀门开启位置的容量系数Cv的值，便可确定流量。这种组合***由本申请的相同的申请人在日本专利未审查公开号62-270873中提出。

另外一种类似于上述具有蝶形阀和压力传感器的组合***的组合***由日本实用新型未审查公开号62-1117公开，它用来测量流经也起上述孔板作用的闸阀的流体流量。这样，这种组合***就包括一个能够检测闸阀两边压差的压力传感器以及检测闸阀抬起时的阀门位置的装置。作为闸阀抬起时阀门位置函数的容量系数（Cv值），事先例如通过实验决定。这样，从检测到的压差△P和对应于检测到的抬起的阀门位置的容量系数Cv，确可确定流量。

不同于上述压差型流量计的流量计，也被采用了。例如已知有一种***，其中与导电流体摆成一行的蝶形阀阀门开启位置是根据由独立地放置于蝶形阀附近的电磁流量计测得的流体流量控制的。

通常认为，用来旋转阀门部件及将其固定于一个所要求的阀门开启位置的转矩最好小一些，因为较小的转矩需要较小的外部驱动转矩，因此也就需要较小的致动器。从灵活性的观点来看，也是转矩小一些好。

基于以上看法，为了减小由于流体流经蝶形阀而加到围绕阀门柱的阀门部件上的动态转矩，人们进行了认真的研究和设计。例如，同-申请人在日本专利未审查公开号55-142169和56-28355中提出了能够减小外部驱动转矩的装有阀座环的蝶形阀。

已知的蝶形阀，包括以上所提到的蝶形阀，其作用仅仅是节流-阀门部件限制流体流动。

这样，为了使蝶形阀能够调节和控制流量，除了阀门部件之外，还必须在流体流动的路经安装合适的、用于测量流量的装置。包括测量流量的装置在内的蝶形阀***因此而使得流体通路结构复杂，不能满足小型设计的要求。

还要指出，由于流量不是直接测得的或者是在与蝶形阀隔开一定距离的位置上测得的，所以在由流量计测得的流量和通过蝶形阀的实际流量之间便存在着数量上的和时间上的误差。因此，要精确地测得和控制流量是非常困难的。

本发明旨在提供一种蝶形阀，它除了有节流的作用外，还有测量流量的作用。

更具体地说，本发明的第一个目的是指供一种蝶形阀，它的阀门部件和阀门柱能够起到用于测量流量的传感器的作用。

本发明的第二个目的是指供一种测量流经蝶形阀的流体流量的方法，其中蝶形阀的阀蝶部件和阀门柱能起传感器作用。

为了达到本发明的第一个目的，具有测量流经所说的蝶形阀的流体流量功能的蝶形阀包括：

一个主体;

可旋转地固定在上述主体上的一根阀门柱;

固定在上述阀门柱上且可旋转地安装在上述主体中的一个阀门部件;

一个阀门开启检测装置，用于检测上述蝶形阀的阀门开启位置;以及

一个转矩检测装置，用于检测由于流体流过而作用于围绕上述阀门柱的阀门部件上的动态转矩。

为了达到本发明的第二个目的，测量流经蝶形阀的流体流量的方法包括以下步骤;

检测上述蝶形阀的阀门开启位置;

检测由于流体流过而加到围绕上述阀门柱的阀门部件上的动态转矩;以及

确定作为上述被检测到的阀门开启位置明动态转矩的函数的流量。

本发明人所做的实验表明，只要在同样的条件下对同样的流体进行测量，流经蝶形阀的流体流量实质上一定能够通过阀门的开启位置、由于流体流过而加到围绕阀门柱的阀门部件上的动态转矩以及每一个蝶形阀的特性而确定。

因此，在本发明的蝶形阀中，由于阀门的开启位置是由阀门开启位置检测装置检测到的，因流体流过而加到围绕阀门柱的阀门部件上的动态转矩是由转矩检测装置检测到的，一旦事先得到流量和阀门开启位置、每个蝶形阀所特有的动态转矩之间的关系，就可能从检测到的阀门开启位置和动态转矩确定流量。

一般说来，只要流体的类型和流动条件不变，流经蝶形阀的流体流量是受蝶形阀两边即其上游和下游侧之间的压差以及蝶形阀的特性支配的。因此，流量Q可以用下面的公式（1）表示为变量θ（阀门开启角）和△P（压差）的函数F：

Q＝F（θ，△P）……（1）

函数F根据此如阀门部件的直径、形状等因素决定。容易理解，当阀门开启角θ和压差△P的一项或两项增加时，函数F的值也增加。因此，一旦通过实验式理论分析得到函数F，就可以通过测量阀门开启角θ和压差△P并将测量值代入预定的函数F而确定流量Q。

本发明人注意到根据流量的变化，由于流体流过而加到围绕阀门柱的阀门部件上的动态转矩也在变化。因此下面讨论公式（2）给出的函数G，变量为阀门开启角θ和动态转矩T，用以替换前面的函数F。

Q＝G（θ，T）……（2）

为了获得这一函数，本发明人进行了步骤为ⅰ）至ⅶ）的下列实验：

ⅰ）给蝶形阀加一个所要求的压差△P;

ⅱ）测量开启角θ、转矩T以及流经蝶形阀的流体流量Q;

ⅲ）测量和记录固定开启角θ时而由压差△P的变化引起的转矩T和流量Q的变化;

ⅳ）变化开启角θ一个适当的角度，进行与步骤ⅲ）同样的测量并记录;

ⅴ）以间隔△θ从0°至90°变化开启角，重复进行步骤ⅲ）和ⅳ）的测量并记录;

ⅵ）对于不同种类的流体，需要进行步骤ⅰ）至ⅴ）的实验;

ⅶ）对于多个蝶形阀，进行步骤ⅰ）至ⅵ）的实验。

从步骤ⅰ）至ⅶ）的实验结果可知，函数G实际上得到了。因此，通过适当的插值法填补缺少的数据或采用适当的近似表达式，就可以以经验公式的形式确定作为每个蝶形阀的特性的函数G。

结果，采用特定的函数G，即使不去测量压差△P，也能通过测量阀门开启角θ和动态转矩T而确定流经蝶形阀的流体流量Q。

对函数G的存在和它的实际确定将给予理论上的说明。

一般来说，蝶形阀的阀门开启角θ和Cv值（蝶形阀的容量系数）之间存在着函数关系，而Cv值又是变量Q（流量）和△P（压差）的函数。

阀门开启角θ和Cv值（实际转矩系数）之间也存在着函数关系，而Cu值又是变量T（动态转矩）和△P（压差）的函数。

这样，Cv值和Cu值分别由变量Q、△P的函数f和变量T、△P的函数g表示，如下面的公式（3）和（4）所示：

Cv＝f（Q，△P）……（3）

Cu＝g（T，△P）……（4）

假定以下公式（5）和（6）的条件满足（其中Cv值和Cu值分别由变量Q的函数ff和变量θ的函数gg表示），

Cv＝ff（θ）……（5）

Cu＝gg（θ）……（6）

则以下公式（7）由公式（3）和（5）导出（其中流量表示为变量Cv和△P的函数f′），

Q＝f′（Cv，△P）＝f′（ff（O），△P）……（7）

并且以下公式（8）由公式（4）和（6）导出（其中压差△P表示为变量Cu和T的函数g′），

△P＝g′（Cu，T）＝g′（gg（θ），T）……（8）

然而，由公式（7）和（8）导出以下公式（9）（其中流量Q表示为变量T和Q的函数K），

Q＝h（ff（θ），g′（gg（O），T））

＝（T，θ）……（9）

由此可以看出，这样得到的公式（9）和公式（2）是等价的，即函数K和函数G是相同的。这样，本发明人所做的实验实际上是证明了这一事实，即公式（5）和（6）的假设是正确的，并且确定了公式（5）和（6）的函数ff（θ）和gg（θ）。

本发明的蝶形阀最好有一个用于旋转阀门部件的致动器。该致动器能够以一个比人力施加的转矩大许多的转矩使阀门部件旋转或固定。

本发明的蝶形阀最好还有一个流量计算装置，用于计算作为阀门开启角和动态转矩的预定函数的流体流量。该流量计算装置能够自动输出算得的流量。

本发明的蝶形阀最好还是致动器和流量计算装置二者兼而有之。在这种情况下，蝶形阀最好还有一个控制装置，可以从外部设定所要求的流量，并且该装置指示致动器旋转阀门部件，以便使算得的流量接近所要求的值。这时，通过反馈测得的数据，可以毫无延迟地控制流量。更为理想的是，控制装置能够适用于通过远距离操作、由无线电通讯远距离地将所要求的流量置入控制装置这一情况。

用于本发明的蝶形阀的致动器最好是电致动器、气动致动器、隔膜型致动器或电磁式致动器。

本发明的蝶形阀所采用的转矩检测装置最好包括一个针对阀门柱的应力检测器，这种应力检测器最好有一部装在阀门柱上的应变仪。

用于本发明的蝶形阀的阀门开启位置检测装置最好包括一个与阀门柱相联的角度传感器。在这种情况下，角度传感器最好包括一个电位器或一个旋转编码器。

本发明的蝶形阀或者可以设计成所谓中心式阀门，或者可以设计成所谓偏心式阀门，在中心式阀门中，阀门部件在其中心轴处固定于阀门柱上，在偏心式阀门中，阀门部件在其偏心轴处固定于阀门柱上。

用于本发明的方法中的阀门开启角和动态转矩的函数，通过实验估算。在这种情况下，对于任何类型的蝶形阀该函数都可以估算出来。

通过实验估算函数是基于这样一种假定，即当阀门开启角固定时，在动态转矩和流量之间存在着线性的比例关系。这时，可以简化实验和估算。

本发明的用于确定流量的方法要用到一张图表，它显示了流量值与阀门开启角及动态转矩的关系。该图表最好由实验获得。

当使用一台合适的计算机时，可以非常迅速简便地得到本发明的测量方法所确定的流量。

最好能够控制蝶形阀，使由本发明的测量方法所确定的流量接近外部设定的所要求的流量。在这种情况下，通过对测得的数据的反馈，能够实现对流量的快速控制。

图1是本发明的蝶形阀的一个实施例的部分剖面立体图;

图2是本发明的一个实施例的原理图;

图3至6表示了用于本发明的各种函数关系;

图7是对本发明的一个实施例进行实验时所采用的***的原理图图;

图8和图9表示实验的结果;

图10和图11表示从实验结果导出的函数关系。

参照附图，将对本发明的最佳实施例进行描述。

图1画出了本发明的蝶形阀的一个实施例，参照该图可以看出，蝶形阀有一个主体1和一个阀门部件2，阀门部件2的外径略小于主体1的内径。借助于阀门柱3，阀门部件2被可旋转地支撑在主体1中。在图示的实施例中，阀门部件2对阀门柱3的安装方式是所谓中心式的，即阀门部件2在其中心轴处固定于阀门柱3上。然而，这仅仅是为了说明问题，安装方式也可以是所谓偏心式的，即阀门部件2在其偏心轴处固定于阀门柱3上。阀门柱3穿过形成在主体1上的轴孔向外延伸。为了使阀门柱3相对于主体1旋转时在阀门柱3和轴孔的壁之间形成密封，故在它们中间放入了密封垫7和阀座环8。轴承6保证了阀门柱3能够平滑转动。

该蝶形阀的主体1以人所共知的方式与管道100相联，见图2。管道100通常是由金属或塑料制成的，其直径一般为几毫米至几米。管道100的直径最好在大于10毫米至几米之间，更理想的情况，是在几十毫米至几米之间。通常生产出多种具有不同尺寸的主体1的蝶形阀，主体1的尺寸与管道的直径一致。总的来说，管道100的内径越大，继之主体1和阀门部件2越大，则作为信号、由于流体流过而加到围绕阀门柱3的阀门部件2上的动态转矩也越大。因此，当管道100的内径及主体1变大，则流量的测量精度也容易提高。相反，当主体1的尺寸变小，即阀门部件2的尺寸变小，作为信号的动态转矩也变小，这样，为了提高测量精度，最好减小噪声例如电噪声的强度。管道100的内径与主体1的内径的高度一致性，能够减小产生在管道100和主体1之间连接处的任何湍流。在这种情况下，流入主体1的流体的流动状态更接近于层流状态。这一特性在对大流量测量时尤其显得优越。

在图示的实施例中，由于阀门部件2的外径略小于主体1的内径径，所以即使当阀门开启角为0°时，流体通路也不会完全切断。因此，在本发明的蝶形阀中，主体1的内圆周面上有由橡胶、Teflon（商标）或金属等制成的阀座环或“O”形环，以便被阀门部件2的周围边缘接触，用这种方法可以在阀门开启角为0°时，完全阻断流体的流动。也可以这样安排，即将能够完成切断流体通路的另一个蝶形阀或另一种类的阀门在管道100中与本发明的蝶形阀串联放置。

图2中所示的致动器11以人所共知的方式与阀门柱3的一端9相连，以便于操作。致动器11能够转动阀门柱3，使阀门部件2围绕阀门柱3的轴旋转。致动11也能固定阀门柱3，阀门部件2便处于一个预定的角度，这样来决定蝶形阀的阀门开启位置。各种类型的致动器，比如电致动器、气动致动器、隔膜致动器和电磁型致动器都可用作致动器11。致动器11并不是必不可少的，也就是说，本发明的蝶形阀可以用手动的方法使阀门柱3旋转。

能够检测阀门柱3的微小扭动的应力检测器12装在阀门柱3上。应力检测器12最好采用一种已知的应变仪。由应力检测器12检测到的扭动量被送至转矩变换器13，它将检测到的扭动量变换成作用于阀门部件2、并使其绕阀门柱3的轴旋转的动态转矩，还将这一动态转矩值输出。

应力检测器12和转矩变换器13一起构成转矩检测装置14。可以采用其它各种不同的转矩检测器作为检测由流体施加到围绕阀门柱3的阀门部件2上的动态转矩的装置。因此，就可能在考虑测量精度和价格的同时，采用一种最佳动态转矩检测器。

为了防止阀门柱3上产生的弯曲应变影响从检测阀门柱3扭动的应力检测器12得到的信号，在应力检测器12的每一侧都配备了两个旋转轴承6，用于防止弯曲应变影响应力检测器12。阀门柱3上的应力检测器12的位置最好这样确定，以便使加给阀门部件2的动态转矩更直接地传给应力检测器12。从这一观点出发，应力检测器12应放在阀门柱3上，位于旋转轴承6和密封垫7之间，且靠近阀门部件2。这种安排提高了检测施加在阀门部件2上的动态转矩的精度。

阀门柱3的转动通过形成在其外周面上的齿轮10和与之咬合的齿轮4传给作为角度传感器的电位器15。这样，电位器15就能够把指示阀门柱3的转动量的信号传给阀门开启位置变换器16，该变换器把这一信号变换成蝶形阀阀门开启角度。

在本实施例中，齿轮4和齿轮10之间的齿数比是这样确定的，为的是使阀门柱3的转动角度放大两倍，这样能够提高检测阀门开启角的精度。

齿轮10、齿轮4、电位器15和阀门开启位置变换器16合在一起构成阀门开启位置检测装置17。电位器15可以与致动器11组合成一体。这样安排也是可行的，即阀门柱3的转动通过其它与致动器11组合的齿轮传给一个分开的电位器15。

使用电位器15并不是唯一必须的。例如，阀门开启位置检测装置17可以有一个与齿轮4或齿轮10相联的旋转编码器，它能根据齿轮4或齿轮10的齿数，直接或间接地测量阀门柱3的旋转角。阀门开启位置检测装置17可以安装在阀门柱3上，对于转矩检测装置14而言，阀门部件2安装于一侧，而阀门开启位置检测装置位于相反的另一侧。对阀门开启位置检测装置17的结构只是进行了简要的说明，其它各种已知的结构安排也可用于该装置。本发明的蝶形阀的结构以简图的形式示于图2。

根据本发明，可以通过从转矩检测装置14输出的动态转矩Tm和从阀门开启位置检测装置17输出的阀门开启角Qm确定流经蝶形阀的流体流量。

确定流量的最简单办法是把转矩Tm和开启角Qm代入公式（2），该公式表明流量Q是动态转矩T和阀门开启角θ的函数G，并且该公式所表明的函数关系是每个蝶形阀特有的，可以事先确定。

Q＝G（θ，T）……（2）

借助于例如计算器之类的工具，可以毫无困难地进行此种运算，这样根据测得的转矩Tm和开启角θm的值，就一定能够确定流量Qm。另一种方法是事先准备好流量Q与转矩T和开启角之间关系的图表，根据测得的转矩Tm和开启角θm的值，就可以在图表上找到流量Qm。通过将转矩检测装置14和阀门开启位置检测装置17结合在一起，就能达到本发明的第一个目的。

在本实施例中，从转矩检测装置14来的转矩Tm和从阀门开启位置检测装置17来的开启角θm被输入进流量计算装置18。流量计算装置18包括一个存储设备19，它能够存储每一个蝶形阀所特有的、前面提到过的公式（2）的函数G，并且是事先确定的。流量计算装置18还包括一个算术运算设备20，它利用测得的转矩Tm和开启角θm的值，计算公式（2）的函数G的值。这样，一旦得到测得的转矩Tm和开启角θm的值，流量计算装置18就计算并输出流量Qm。为了补偿由温度变化或其它因素变化如流体的粘度及比重的变化所造成的误差，有这种可能，即给利用公式（2）算得的结果加一个修正值。通过将必需的修正数据存于存储设备19中，可以毫无困难地完成对误差的修正。诸如温度t、粘度ξ和比重gr等因素可以作为外部可置入参数输入给流量计算装置18。也有这种可能，即将从处于流体通路中靠近蝶形阀的适当位置的温度计、粘度计和比重计来的这些因素自动输入给流量计算装置18。诸如温度t、粘度ξ和比重gr等因素可以作为函数G′的变量，而不是修正用的参数。在这种情况下，需确定函数G′，如下面的公式（10）所示：

Q＝G′（T，θ，t，ξ，Gr）……（10）

虽然与确定函数G的情况相比，需要更多的实验步骤，但通过实验确定函数G′仍是可能的。

通过在流量计算装置18中存储函数G′，就有可能得到一种具有在各种不同的条件下测量流量功能的蝶形阀。这样，本实施例就能应用于各种不同的液体，如水、酒精、润滑油、燃油以及汽油，等等。只要提高转矩检测装置的精度，蝶形阀还能应用于各种不同的气体，如空气、已燃气、气体燃料以及蒸汽，等等。

在图示的实施例中，从流量计算装置18输出的流量Qm输入到控制装置21中去，所要求的流量Qd从外部置入控制装置21。从外部置入流量Qd可以通过一个已知的遥控装置经适当的无线电通讯设备完成，也可以在蝶形阀处完成。控制装置21计算出流量Qm和流量Qd之间的差值，并给致动器11一个指示，使致动器11以一定的方向旋转阀门部件2，以便减小差值。

下面说明本实施例的工作过程。蝶形阀置于管道100的一个位置上，流经该管道的流体可以被控制其流量。如水、油或其它类似的流体以一定的流量流经管道100，该流量由蝶形阀两侧流体的压差及蝶形阀阀门的开启角度决定。

本实施例中，阀门开启角可在0°至90°之间变化。阀门开启角为0°意味着阀门已经旋转到一个最小的开启位置，使得流体只能从阀门部件2和主体1之间的狭小缝隙中流过。相反，开启角为90°意味着阀门充分打开，使得蝶形阀两侧的压差减到最小。这里假定流体流过的蝶形阀阀门处于所要求的开启位置下。阀门开启位置检测装置17检测这一开启位置，并将其作为开启角θm输出。同时，转矩检测装置14检测由流体产生、并作用于阀门部件2之上的动态转矩，以便使阀门部件2绕阀门柱3的轴旋转，并将检测到的转矩作为转矩Tm输出。一旦接收到开启角θm和转矩Tm，流量计算装置18就计算公式（2）的函数值G或公式（10）的函数值G′，以便根据开启角θm和转矩Tm确定流量Qm，并将流量Qm输出给控制装置21。一旦接收到流量Qm，控制装置21就计算流量Qm和外部设定的所要求的流量Qd之间的差值，如果存在差值，控制装置21就向致动器11发出一个指示，驱动阀门柱3以一定的方向旋转，以便减小差值。这样，由控制装置21给致动器11发出的指示可以分成以下三类：

a）当满足条件Qd＞Qm时，指示增大阀门开启角;

b）当满足条件Qd＜Qm时，指示减小阀门开启角;

c）当满足条件Qd＝Qm时，不发出任何指示。

于是，所描述的实施例采用了闭环反馈，它能使致动器11以这样一种方式工作，即能使测得的流量Qm无限地接近所要求的流量Qd。

作为致动器11运行的结果，当测得的流量值Qm等于流量Qd时，控制装置21停止向致动器11发出指示，于是致动器11停止动作，以便固定阀门部件2，使流体保持即时流量Qm。即使所测得的流量Qm等于流量Qd之后，蝶形阀的上游一侧和/或下游一侧压力的任何变化，都会导致流量Qm的变化。然而，上述闭环反馈能够及时改变阀门开启状态，使流量Qm和Qd恢复一致。

从前面的描述中可以了解到，图示实施例的阀门部件2本身，不但起了用于产生流量信息的传感器的作用，而且还起了限制部件的作用，该限制部件根据得到的流量信息限制流体的流动。于是，可以直接以非常高的精度测得流量，而不会有任何误差，否则这种误差将会由传感器和蝶形阀之间的间隔及时间的延迟产生。

以下描述将建立在本实施例中采用函数G的基础上。公式（1）中出现的函数F已经为人所了解，而下面的公式（11）是函数F的实用形式：

Q＝F（θ，△P）＝dCv    △P……（11）

其中

Cv＝ff（θ）……（5）

在公式（11）中，α代表修正系数，用于补偿由流体的比重、粘度和温度等一些因素变化而引起的测量结果的变化。因此，从公式（11）可以看出，如果开启角θ固定的话，则流量Q与压差△P的平方根成比例，比例系数是α×Cv。

公式（11）和（5）表示的关系的实例分别示于图3和4中。图示的实施例假定有公式（11）所表示的关系。该实施例还假定满足以下公式（12）的条件，它表示转矩T、开启角θ和压差△P之间的关系。

T＝H（θ，△P）＝βCu    △P……（12）

其中

Cu＝gg（θ）

在公式（12）中，β代表修正系数，用于补偿由流体的比重、粘度和温度等一些因素变化而引起的测量结果的变化。因此，从公式（12）可以看出，如果开启角θ固定的话，则转矩T与压差△P的平方根成比例，比例系数是β×Cu。

公式（12）和（6）表示的关系的实例分别示于图（5）和图（6）中。

以下的公式（13）是从公式（11）和（12）和消去压差△P这一项得到的：

θQ＝G（θ，T）＝（ (α)/(β) ）（ (Cv)/(Cu) ）T……（13）

其中Cv＝ff（θ），Cu＝gg（θ）。

公式（13）表示，如果开启角θ固定的话，则流量Q与转矩T成比例，比例系数为（α/β）×（Cv/Cu）。因此，就可能通过实验确定开启角θ变化时的ff（θ）和gg（θ），从而确定函数G（θ，T）。

以下将描述适用于确定ff（θ）和gg（θ）值的实验的例子。

A.用于实验的***和部件

下表中所列***和部件用于该实验。轴承6用来支撑阀门柱3。阀门体1的内径定为2mm，大于阀门部件2的外径。图7表示装置的略图。压力计22在蝶形阀27的上游测量流体压力P₁，而压差计23测量蝶形阀27两边的压差ΔP。电磁流量计24测量流经蝶形阀27的流体流量Q。流体由流体供应设备25提供给蝶形阀27，同时还提供给分流阀26，分流阀26能够改变其开启程度，用于设定一个所要求的流经蝶形阀27的流体流量。

表    实验中采用的***和主要部件

B.测量方法

利用D/A转换器控制分流阀26的开启角度θ和蝶形阀27的开启角度时，对蝶形阀27的每一个单位开启角，都测量转矩T、压差△P、压力P和流量Q的值。测量在以下条件下进行：取样频率200Hz;取样数为每秒200次;开启角θ间隔设定用0.2mA;开启角θ设定范围用20mA至4mA;分流阀开启角间隔设定用1mA;分流阀开启角设定范围用20mA至10mA。

处于常温下的水用作流体。测量是通过以下步骤（a）至（g）顺序进行的：

（a）设定分流阀26的阀门开启角;

（b）设定蝶形阀27的阀门开启角θ;

（c）测量转矩T、压差ΔP、流量Q、压力P₁以及蝶形阀的开启角θ;

（d）记录测得的数据;

（e）重复步骤（b）至（d）80次;

（f）重复执行完（b）至（d）的步骤80次后，执行从步骤（a）开始的过程;

（g）在一个预定的时间重复步骤（a），这样完成了整个过程。

C.实验结果

作为实验结果得到的与测得的开启角θm有关的Cv和Cu值分别示于图8和图9中。在这些图中，离散的点代表通过实验得到的值。在这一实施例中，对于这些离散点的值，分别用由四阶近似表达式表示的公式（14）的函数ff（θ）和由五阶近似表达式表示的公式（15）的函数gg（θ）确定。

ff（θ）＝θ⁴×A₄+θ³×A₃+θ²×A₂+θ×A₁+A₀……（14）

其中

A₄：-9.146×10⁵

A₃：1.531×10²

A₂：-4.746×10¹

A₁：1.242×10

A₀：0.000

gg（θ）＝θ⁵×B₅+θ⁴×B₄+θ³×B₃+θ²×B₂+θ×B₁+B₀……（15）

其中

B₅：8.540×10¹⁰

B₄：-1.675×10⁷

B₃：1.125×10⁵

B₂：-3.572×10⁴

B₁：4.919×10³

B₀：-2.588×10²

函数ff（θ）和gg（θ）分别示于图10和图11。

这样在图示的实施例中，对于任何的开启角θ，Cv和Cu的值都由以下公式得到：

Cv＝ff（θ）……（5）

Cu＝gg（θ）……（6）

因此，就这一蝶形阀27或具有同样设计的蝶形阀来说，无需测量压差△P，就可依据公式（13）从测得的开启角θ和测得的转矩T算出流量Q。

虽然在所描述的实施例中采用了四阶近似表达式和五阶近似表达式，但这并不排斥其它的表达方法。例如，下列的n阶近似表达式（16）和（17）可以取代公式（14）和（15）。

ff（θ）＝ $\frac{\underset{}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}}{\mathrm{j\; =\; 0}}$ θ^jA_j……（16）

其中A_j为j次项的系数

gg（θ）＝ $\frac{\underset{}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}}{\mathrm{j\; =\; 0}}$ θ^jB_j……（17）

其中B为j次项的系数

用已知的近似表达式去替代公式（16）和（17）也是可能的。根据所要求的测量精度，实验条件，比如取样频率、设定开启角θ的间隔和/或分流阀开启角的间隔最好做一些变化。

虽然在实施例中对公式（11）和（12）的条件做了假定，但这种假定并不是唯一必须的。也就是说，函数F（θ，△P）和H（θ，△P）可以根据经验公式，从流量Q、开启角θ、压差△P和转矩T确定。必须注意的是，函数G（θ，T）作为经验公式可以直接从实验结果得到，虽然在描述的实施例中，它是在函数ff（θ）和gg（θ）确定之后才确定的。

也可以从实验结果做一张表示流量Q的值与开启角θ的转矩T的值之间关系的图，离散点之间的部分根据一个适当的插值公式加添，以致于根据测得的开启角θ和转矩T的值，可以在该图上读出流量Q。

所有这些确定流量Q的方法，都可以利用计算机快速执行。

如前所述，本发明的蝶形阀有一个阀门开启检测装置和一个转矩检测装置，阀门开启检测装置能够检测蝶形阀阀门开启程度，转矩检测装置能够检测由于流体流动而作用于围绕阀门轴的阀门部件上的动态转矩。因此，通过事先确定流量与阀门开启角和蝶形阀特定的动态转矩的值之间的关系，就能从测得的阀门开启角和动态转矩的值确定流量。于是，在本发明的蝶形阀中，阀门部件不但有限制流体流动的功能，而且还有检测流量的功能。因此，就可国没有误差地直接测量流经蝶形阀的流体的流量，而这种误差是采用分开的流量计测量流量时，由位置之间的差异和时间的延迟造成的。如此得到的较高的流量测量精度，保证了根据流量信息进行的流量控制的更高速度及精度。对流量的测量并不依赖于流体的导电性这一事实，使得蝶形阀能够用来控制如油这样的非导电流体的流量。此外，除了蝶形阀，在流体的通路中不需要放置任何流量计就能控制流体流量。

在不违背本发明的精神和不超过本发明的范围的前提下，可做出许多不同的实施例。应该明白，除非是在所附的权利要求书中定义的内容之外，本发明不限于说明书中所描述的特定的实施例。

Claims (19)

1、一种具有测量流经所说的蝶形阀的流体流量功能的蝶形阀，其特征在于包括：

一个主体；

可旋转地固定在上述主体上的一根阀门柱；

固定在上述阀门柱上且可旋转地安装在上述主体中的一个阀门部件；

一个阀门开启位置检测装置，用于检测上述蝶形阀的阀门开启位置；以及

一个转矩检测装置，用于检测由于流体流过而作用于围绕上述阀门柱的阀门部件上的动态转矩。

2、根据权利要求1的蝶形阀，还包括一个与上述阀门柱相连的致动器，用于旋转上述阀门部件。

3、根据权利要求2的蝶形阀，其中所说的致动器可以从电致动器、气动致动器、隔膜型致动器和电磁式致动器中选择。

4、根据权利要求1的蝶形阀，还包括一个流量计算装置，用于计算作为上述阀门开启位置和动态转矩值的预定函数的上述流量。

5、根据权利要求4的蝶形阀，还包括一个与上述阀门轴相连的致动器，用于旋转上述阀门部件。

6、根据权利要求5的蝶形阀，其中所说的致动器可以从电致动器、气动致动器、隔膜型致动器和电磁式致动器中选择。

7、根据权利要求5的蝶形阀，还包括一个控制装置，可以从外部设定所要求的流量，该装置指示上述致动器旋转上述阀门部件，以便使算得的流量接近所要求的流量。

8、根据权利要求7的蝶形阀，其中所要求的流量可以通过遥控装置、经无线电通讯装置远距离地被置入上述控制装置。

9、根据权利要求1的蝶形阀，其中所说的转矩检测装置包括一个提供给上述阀门柱的应力检测器。

10、根据权利要求1的蝶形阀，其中所讲的阀门开启检测装置包括一个与上述阀门轴相连的角度传感器。

11、根据权利要求10的蝶形阀，其中所说的角度传感器包括一个与上述阀门轴相连的电位器或旋转编码器。

12、根据权利要求1的蝶形阀，其特征在于所说蝶形阀是中心式的或偏心式的。

13、一种测量流经蝶形阀的流体流量的方法，其特征在于包括以下步骤：

检测上述蝶形阀的阀门开启位置;

检测由于流体流动而作用于上述围绕阀门柱的阀门部件上的动态转矩;

确定作为上述检测到的阀门开启位置和动态转矩的函数的流量。

14、根据权利要求13的方法，其中所说的函数是通过实验由上述流量与阀门开启位置及动态转矩之间的关系估算出来的。

15、根据权利要求14的方法，其中所说的函数是在假定当上述阀门开启位置不变的时候，上述流量与动态转矩成比例的情况下估算出来的。

16、根据权利要求13的方法，其中所说的流量是根据表示上述流量与阀门开启位置及动态转矩之间关系的图确定的。

17、根据权利要求16的方法，其中所说的关系是通过实验得到的。

18、根据权利要求13的方法，其中由计算机确定所说的流量。

19、一种控制流经蝶形阀的流体流量的方法，其特征在于包括以下步骤：

检测上述蝶形阀的阀门开启位置;

检测由于流体流动而作用于上述围绕阀门柱的阀门部件上的动态转矩;

确定作为上述检测到的阀门开启位置和动态转矩的函数的流量;

设置一个所要求的流量;以及

改变上述阀门开启位置，以便使上述确定的流量接近所要求的流量。

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