CN112512314A - 具有集成流量计的连续可变喷嘴*** - Google Patents

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Abstract

一种连续可变喷嘴***，包括喷嘴本体(5)，该喷嘴本体(5)有进口和出口。管路通过部件的串联连接而限定在进口和出口之间，其包括流量计(10)。流量计(10)有腔室(83)，该腔室(83)有内部螺旋花键(82)，该内部螺旋花键(82)设置成与通过腔室(83)的喷雾液体相互作用，并产生旋风状效果。球体(52)位于腔室(83)内部，用于沿圆形通路(106)***。传感器位于腔室(83)外部，并用于检测球体(52)的运动以及响应所检测的运动而产生输出(9)信号。

Description

具有集成流量计的连续可变喷嘴***
技术领域
本发明总体涉及一种连续可变喷嘴***(CVNS)，特别是涉及一种用于在自动或自主农业喷雾器中交互地控制操作变量的***。
背景技术
液体施加***已经利用了各种各样的喷嘴构造和喷雾操作控制器，它们通常基于喷射的液体、环境因素和其它操作考虑。非限制地，本发明的实例应用是在移动式农业喷雾***中，其将液体施加给田地作物。该液体可以包括除草剂、农药、液体肥料、营养物和其它物质。作物田地喷雾操作通常有优化作物产量、使喷雾操作效率最大化(例如材料用量)和使意外喷雾操作结果最小化(例如喷雾飘移至相邻田地上)的目的。
喷雾***的操作条件变量通常包括液体粘度、泵压力、排出喷嘴结构和流体流速。可以对喷雾***的这些和其它方面进行控制，以便将更多或更少的液体传送给目标表面。不过，改变喷雾***中的操作压力和流速会对其它操作变量(例如液滴尺寸和喷雾扇形角度)产生不利影响。例如，当液滴太小时，即使在相对微风的条件下喷雾也会更容易漂移。通常不希望有农药意外地飘移至相邻田地、水源、未耕作地、牲畜和个人上。例如，希望用于目标作物的喷雾操作可能对位于相邻田地中的其它作物有害。意外地施加有害农药会给施加者造成经济负担。
喷雾操作的另一潜在问题与覆盖间隙相关。例如，降低压力会缩小喷雾图形的覆盖范围，从而导致意外的覆盖间隙并损害喷雾操作的有效性。环境条件也会影响农业喷雾***的性能。例如，温度和湿度会影响喷雾材料的液滴和改变植物的吸收程度。有效的喷雾***(特别是用于农业应用的喷雾***)优选地提供喷嘴的选择和/或单独控制。这样的控制功能可以使得交叠的喷雾图形最小化。可以通过独立控制单个喷嘴或者具有多个喷嘴的设备部分而实现设备的分区控制。因此可以实现相对准确的喷雾图形和材料施加速率。例如，可以在不同位置施加不同的化学药品量，例如基于设备传感器读数和预定现场条件的标准。由于位于喷雾器喷射带外侧边缘上面的喷嘴的地面速度高于位于设备弯道内侧边缘上面的喷嘴，因此还可以适应设备转弯引起的不同喷嘴地面速度。还有，具有不同喷嘴控制能力的设备可以自动补偿流量减少的情况(例如由喷嘴磨损和故障引起)。
使用合适的引导和导航***可以有效地喷射农田、牧场和其它田地。当前技术的农用车辆通常使用全球导航卫星***(GNSS)，例如基于美国的全球定位***(GPS)，用于精确引导、规定耕种和放置材料。
US2017/0036228公开了一种智能喷嘴，该智能喷嘴有输入压力传感器、流量传感器、流量调节器、喷嘴压力传感器和输出孔调节器。来自流量传感器的输出用于控制流量调节器和输出孔调节器，以便控制输出喷雾速率。基于超声波的传感器和“飞行时间”原理用于测量流体流量。
本发明的连续可变喷嘴***解决了这些喷雾器的性能目标，并克服了现有技术喷嘴和控制***的很多缺陷。在此之前还没有具有本发明的特征和元件的连续可变喷嘴***。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种连续可变喷嘴***(CVNS)，用于喷雾器，例如农用喷雾器。喷嘴***设置成用于与喷雾液体供给源连接，并设置成用于连续可变地控制喷雾特征。喷嘴***包括：喷嘴本体，该喷嘴本体有进口和出口以及在该进口和出口之间的管路；以及流量计，该流量计布置在管路中。流量计包括：腔室，该腔室有内部螺旋花键，该内部螺旋花键设置成与穿过该腔室的喷雾液体相互作用，并产生旋风状效果；球体，该球体布置在腔室内部，用于沿圆形通路***；以及传感器，该传感器布置在腔室外部，并用于检测球体的运动并响应于所检测的运动而产生输出信号。
本发明提供了一种具有流量计的“智能”喷嘴***，已经发现该流量计在测量非常低的流速或快速变化的流速时非常准确。这是由于球体结构的低摩擦和低惯性。而且，本发明的流量计与用于单个喷嘴的已知流量计相比更加可靠和坚固。
喷嘴***可以与喷雾材料源连接，并用于自动控制流体压力、排出体积速率、液滴尺寸和排出喷雾图形。
流量计优选地包括上部部分，其中，该上部部分包括腔室的外部壁，且螺旋花键设置在外部壁的内表面上。流量计还可以包括下部部分，该下部部分包括从基部凸出至腔室内的圆锥体，该圆锥体对齐在中心轴线上，圆形通路布置在圆锥体和外部壁之间。在一个优选实施例中，上部部分包括透明材料，且传感器是光电二极管，该光电二极管在球体处通过透明材料而“看见”。光源可以设置在腔室外部，以便照亮球体和提高光电二极管的检测可靠性。
在一个实施例中，自动控制***包括微处理器，该微处理器用于接收表示操作条件变量的输入信号，并提供用于控制可调节的喷雾器参数的输出信号。该控制***包括反馈回路功能，用于实时交互地修改喷雾器参数，从而响应田地、天气、作物和其它条件。
在优选实施例中，喷嘴***还包括布置在管路中的流量控制阀以及用于控制该流量控制阀的促动器。优选是，流量控制阀可以逐个喷嘴地调节喷雾液体的流速。流量控制阀优选是针阀，但是其它类型的阀也可行。促动器可以由例如步进马达来提供。也可选择，可以采用音圈(或非整流的直流线性)促动器。
在另一优选实施例中，喷嘴***还可以包括电子控制器，该电子控制器与传感器和促动器通信，用于控制流量控制阀，其中，该控制器设置成由输出信号来计算流速，并根据流速来控制促动器。
压力传感器可以安装在流量计下游的管路中，并设置成产生压力信号，其中，控制器与压力传感器连通，并设置成接收压力信号。在操作中的***的一个实例中，根据测量的流速和喷嘴压力来控制喷雾液体供给源和流量控制阀的供给压力，以便保持所希望的流速和喷雾图形。
喷嘴***还可以包括：冲击阀，该冲击阀布置在流量控制阀下游的管路中；以及另一促动器，用于控制该冲击阀，其中，冲击阀用于改变喷雾输出的平均液滴尺寸。优选是，除了流量控制阀之外还提供冲击阀，从而可以高度地逐个喷嘴地控制输出喷雾特征，特别是关于液滴尺寸和流速。
只是作为实例，喷嘴***可以应用在喷雾器中，该喷雾器可以设置为自行式车辆、安装或牵引设备或者无人飞行器。
本发明的CVNS适合在售后市场安装中改装，还适合原始设备制造(OEM)应用。模块化设计适应这样的各种应用。
附图说明
通过参考附图阅读下面对具体实施例的说明，将清楚本发明的其它优点。附图构成本说明书的一部分，并包括本发明的示例实施例，该示例实施例表示了本发明的各种目的和特征。
图1是包括连续可变喷嘴***(CVNS)的自动喷雾器的方框图，该连续可变喷嘴***(CVNS)体现了本发明的一个方案。
图2是CVNS的正视透视图。
图3a是CVNS的正视、上部和右侧透视图，表示成分解构造。
图3b是CVNS的另一正视、上部和右侧透视图，表示成分解构造。
图4a是处于关闭状态的竖直剖视图。
图4b是处于打开状态的另一竖直剖视图。
图5是线性步进马达的透视图，它安装了针阀。
图6是线性步进马达的另一透视图，特别表示了它的接线盒。
图7是大致沿图4a中的圆7的、冲击阀或喷嘴子组件处于关闭位置的放大剖视图。
图8是大致沿图4b中的圆8的、冲击阀或喷嘴子组件处于打开位置的放大剖视图。
图9是冲击阀或喷嘴子组件的放大剖视图。
图10是大致沿图8中的圆10的、冲击阀或喷嘴子组件的放大剖视图。
图11是冲击阀或喷嘴子组件的透视图。
图11a是冲击喷嘴***件的透视图。
图11b是冲击喷嘴阀的透视图。
图12是CVNS的流量计大致沿图4a和4b中的圆12的剖视图。
图13是流量计、相邻外壳面板安装件以及用于检测跟踪球通过的LED和光电二极管传感器的放大局部视图。
图14是所示流量计的一部分的、大致沿图13中的线14的放大局部俯视图。
具体实施方式
1.引言与环境
根据需要，这里公开了本发明的详细方面，不过应当理解，公开的方面只是本发明的实例，它可以以各种形式来实施。因此，本文公开的具体结构和功能细节并不解释为限制性的，而只是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员怎样以实质上任何合适的详细结构来以各种方式来实施本发明的表示基础。
为了方便而将在下面的说明中使用特定术语只是为了参考，而不是限制性的。例如，上、下、前、后、右和左是指本发明在所参考的视图中的方位。词语“向内”和“向外”分别是指朝向和远离所述的指定部件的几何中心的方向。合适时，向前和向后通常是指行进方向。所述术语将包括具体提及的词、它们的派生词和相似含义的词。
2.喷雾器2
在本发明方案的实践中，CVNS 4表示在喷雾器2中。在不限制本发明的有利应用的普遍原则的情况下，喷雾器2可以设置成用于农业喷雾器的应用，例如自推进、安装或牵引在拖拉机后面。如图1中所示，流体供给源6与大致水平的管形供给歧管8连接，该管形供给歧管8可以安装在车辆的前部或后部，并支承在悬臂结构上。对于农业操作，歧管8可以大大延伸作物田间条带的宽度，例如，多个CVNS4以与相应的作物行间距相对应的间隔而安装在该歧管8上。
各CVNS 4包括喷嘴本体5，该喷嘴本体5有在图1中示意表示的输入部7和输出部9。流体通过输入部7进入流量计10进入CVNS4(下面更详细介绍)，该流量计10产生与流速相对应的输出信号，该信号输入至引导和控制微处理器12。流体流速由与线性步进马达16连接的针阀14来自动控制。压力传感器18监测流体压力，并输出相应信号，用于输入至微处理器12。
流体进入冲击阀20，该冲击阀20由与微处理器12连接的另一线性步进马达22来控制。根据冲击阀20的打开/关闭状态，流体从冲击阀20排出或转移至可选的排出阀24。因此，在输入部7和输出部9之间提供了流体传送管路，串联连接的多个部件包括流量计10、针阀14和冲击阀20。
引导和控制微处理器12接收来自流量计10、压力传感器18以及可选的外部数据连接26的输入。外部数据连接26可以包括各种资源，例如因特网(例如通过“云”)、操作员、智能装置、LAN、WAN、电子存储介质等。而且，具有CVNS的多个车辆和设备部件可以进行链接，并协调它们的操作。这些车辆和设备部件可以分配给各个操作员，或者可以自主操作。
3.连续可变喷嘴***(CVNS)4
如图2中所示，喷嘴本体5限定了外壳30，该外壳30可以包括高密度和耐用的材料，例如乙缩醛塑料。不过，外壳30和CVNS 4的其它部件可以包含其它耐久性材料，包括金属、陶瓷等。外壳30通常包括安装框架32和盖34，该安装框架32和盖34可以包括注射模制部件。CVNS 4通过***的模块化悬臂安装夹具36而附接到歧管8，该悬臂安装夹具有上部和下部夹头38、40(例如注射模制塑料)，该上部和下部夹头38、40通过按压铰链销42而进行指状连接，并通过夹持螺栓紧固件44而被夹持在一起。整个CVNS 4的连接可以通过合适的O形环、垫圈、密封剂和其它连接装置和技术来液密密封。并不是用于限制地表示了O形环，并总体标记为46。下部夹头40包括管***件48，该管***件48有狭槽50，该狭槽50允许歧管8中的流体完全排出至CVNS 4。
如图3a中所示。流量计或传感器10以及冲击阀或喷嘴子组件20可以通过合适的U形夹28而固定在外壳30上。
如图4a和4b中所示，CVNS 4分别有关闭和打开构型。例如，图4a表示了针阀14和冲击阀20都关闭。当阀14、20打开时(图4b)，流体从悬臂或歧管8通过在悬臂安装夹具36中的开口而进入，并进入流量计10，使得位于其中的球体52旋转。针阀14安装在线性促动器上，该线性促动器可以包括步进马达16，该步进马达16递增(例如通过如图所示的步进马达)或连续地改变流量。可以通过压力传感器18来监测在外壳30中的压力，该压力传感器18可以包括隔膜垫圈式结构，用于安装在印刷电路板(PCB)54上，该印刷电路板(PCB)54形成外壳30的侧壁，并由侧盖面板56(图3a)来关闭。针阀14控制液滴尺寸、流体压力和流速。
当针阀关闭以便限制流量时，针阀座58用作对针阀14的密封件。当流体通过CVNS4时，流体压力由压力传感器18读出，该压力传感器由垫圈19覆盖，该垫圈19防止流体直接接触传感器18和PCB 54。针阀14和冲击阀20的位置由磁体60来监测，该磁体60被压入磁体保持器62中，该磁体保持器62安装在相应的马达轴64、66上并与它一起滑动。磁体60与外壳30中的磁体传感器(未示出)相互作用，该磁体传感器向控制器12提供输出信号，用于监测和控制阀14、20的位置，例如通过合适的反馈回路。针阀14(图5)可以包括相对较软的材料，例如黄铜或乙酰基热塑性塑料。在一个实施例中，针阀14由聚氧化甲烯(POM)(也称为缩醛、聚缩醛)和聚甲醛形成，如通常用于需要高刚度、低摩擦和优良尺寸稳定性的精密部件中那样。相对严格的公差或者优选地提供相对精确的圆锥形状，以便可以实现合适密封。如图所示，针阀14有双斜面构造，或者另外有几何可变轮廓，用于优化线性或以其它方式确定的流速响应。
如图6中所示，马达16、22可以包括合适的接线盒，该接线盒具有与CVNS 4的其它部件的电连接和机械连接。
图7表示了处于关闭位置的冲击阀20。冲击阀20打开和关闭，以便排出流体和产生所希望的流体流量。乙酰基热塑性塑料由于它的耐化学性和低摩擦系数而可以用于形成冲击阀20的部件。冲击阀20通常包括冲击喷嘴***件68(图11)和冲击喷嘴阀70，它们有相对精确的尺寸和几何形状，用于获得所希望的流体流量。冲击喷嘴***件68和阀70在图9(关闭)和图10(打开)中表示。在***件68和阀70之间的相互作用产生了在各种流速下的所希望的流动图形。冲击喷嘴阀70沿***件68滑动，以便有效地改变离开CVNS 4的流体的流速和液滴尺寸，流体首先通过在***件68上的3个孔72，这增加了流体速度。湍流袋穴74形成在***件68和阀70之间。湍流袋穴74的形状可以使得流体产生涡旋。流体的增加的速度增加了在袋穴74内的流体的湍流。然后，流体在最终孔76处离开湍流袋穴74，该最终孔76是在阀70和***件68之间的最终界面。当阀70横过***件68滑动时，最终孔的开口尺寸改变，从而使得流体的流速和液滴尺寸改变。当离开最终孔76时，流体沿着由冲击喷嘴阀70形成的斜面78的通路运动。斜面78的长度应当足够长，以便产生平片流体，但是不能长到使得流体片在离开湍流袋穴74之后重新会聚成流。
参考图12至14，流量计10包括上部部分80和下部部分81，优选是，它们中的一个或两者都注射模制。上部部分80提供腔室83的外部壁，喷射流体流过该腔室83。下部部分81包括锥体部分85，该锥体部分离开基部部分87凸出至腔室83内。锥体部分85沿流量计10的中心轴线100延伸。
在上部部分80的内表面和锥体部分85的外表面之间从进口侧102到出口侧104穿过腔室83限定了流体通道。螺旋花键82设置在外部壁的内表面上，并用于与流体相互作用，以便产生旋风状效果，该旋风状效果使得流量计球体52在流量计10内部沿圆形通路106旋转。球体52的旋转速度与流体流量成比例，从而可以测量流过CVNS4的流体的流速。在流量计10的优选实施例中，它包括透明材料，从而可以容易地读取内部的球体52的运动。在替代实施例中，可以使用磁传感器、声传感器或超声传感器。
这种特殊流量计设计的重要特征是它可以以高精度来测量非常低的流速和快速变化的流速。这是由于球体结构的低摩擦和低惯性。在优选实施例中，球体材料的密度应当与喷雾液体的密度匹配。例如，密度为1.17-1.20g/cm3的丙烯酸材料或有机玻璃特别适合喷射密度为1.0g/cm3的液体
如图13和14中所示，LED 84和光电二极管86安装在PCB 54内部，面对流量计10。LED或其它合适的光源照亮球体52，该球体52反射的光由光电二极管86来检测，该光电二极管86提供输出信号作为供给微处理器12的输入，用于对球体52的通过次数进行计数，从而可以计算流速。球体52、LED 84和光电二极管86的构造可以非常适应不同的流体特性和其它条件，这些条件可以包括装置的光学相关表面的流体轴环、浊度、污染和钝化，其会由于塑料的老化和雾化效果而产生。光电二极管86的输出是互阻抗放大器的输入，随后是具有预定截止频率的模拟低通滤波器。这些部件可以包含在流量计10和/或处理器12中，它们相互作用。得到的基于电压的信号输出而作为供给处理器12的输入，该处理器12利用模数(A/D)转换器来取样模拟信号。信号处理技术用于确定流体流速。O形环46或其它密封措施用于防止流体进入喷嘴本体外壳的顶部。作为替代实施方式，互阻抗放大器的输出可以用作比较行程的输入，以便产生数字信号，该数字信号可以提供供给处理器上的计时器/捕获/比较单元的输入，以便测量在脉冲之间的时间，该脉冲对应于球体经过光电二极管。
对于很多农业操作，来自CVNS 4的排出将通过冲击阀或喷嘴子组件20。也可选择，可以提供下部排出管88，该下部排出管88可以包括凸耳90，用于可拆卸地安装帽92，该帽92用于关闭排出管88。也可选择，帽92可以由合适的喷雾排出喷嘴(未示出)来替换或与它连接，以便在操作中绕过冲击阀或喷嘴子组件20。
替代流量计包括但不局限于热质量流量计、超声波流量计、电磁流量计、声学材料流量计和传感器、叶轮流量计、轴流式涡轮流量计、桨轮流量传感器以及独立的流量计喷雾***部件，该流量计喷雾***部件并未与针阀和冲击阀14、20连接。
尽管喷雾***特别适合农业应用，但是可以适应各种其它应用，用于灵活地控制和管理液体材料的流动。例如，规定农耕操作可以从这种控制措施中受益。因此，农民和其它机器用户可以放置水、化学药品、液态肥料或任何其它液态物质，并控制沉积量。这种控制提供了对于问题(例如液体材料的过度施加和不足施加)的解决方案。
可以通过本发明来减轻的其它不希望的后果包括空气传播液滴的漂移(该问题由于较小液滴尺寸而加剧)。因此可以减轻在意外目标区域上的施加。而且，本发明可以与机器(例如车辆)上的控制***通信，用于导航和控制精确的耕作操作。这样的导航和定位***可以包括全球导航卫星***(GNSS)，例如基于美国的全球定位***(GPS)。还可以使用实时运动学(RTK)、惯性和其它导航/定位程序。与车辆以及其它设备和机器的交互通信可以进行协调，并控制精密耕作和其它操作的其它方面。例如，多个CVNS 4可以选择地和单独地控制，或者可以局部或整个地集中地控制。
应当理解，本发明可以以各种形式实施，且并不局限于上述实例。可以在本发明的实践中使用的部件和构造的范围实际上是无限的。

Claims (18)

1.一种连续可变的喷嘴***，其设置成用于与喷雾液体供给源连接，并设置成用于连续可变地控制喷雾特征，该喷嘴***包括：
喷嘴本体，该喷嘴本体有进口和出口；
在进口和出口之间的管路；以及
流量计，该流量计布置在所述管路中；
其中，该流量计包括：
腔室，该腔室有内部螺旋花键，该内部螺旋花键设置成与穿过该腔室的喷雾液体相互作用，并产生旋风状效果；
球体，该球体布置在所述腔室内部，用于沿圆形通路***；以及
传感器，该传感器布置在所述腔室外部，并用于检测球体的运动和响应于所检测的运动而产生输出信号。
2.根据权利要求1所述的喷嘴***，其中：流量计包括上部部分，其中，该上部部分包括所述腔室的外部壁，且所述螺旋花键设置在所述外部壁的内表面上。
3.根据权利要求2所述的喷嘴***，其中：流量计还包括下部部分，该下部部分包括从基部凸出至所述腔室内的锥体，该锥体对齐在中心轴线上，所述圆形通路布置在所述锥体和外部壁之间。
4.根据权利要求2或3所述的喷嘴***，其中：上部部分包括透明材料。
5.根据权利要求4所述的喷嘴***，其中：传感器是光电二极管。
6.根据权利要求5所述的喷嘴***，还包括：光源，该光源安装在所述腔室的外部，并设置成用于照亮球体。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的喷嘴***，还包括：印刷电路板，传感器安装在该印刷电路板上，其中，印刷电路板安装在喷嘴本体内部。
8.根据前述任意一项权利要求所述的喷嘴***，其中：喷嘴本体包括外壳壁，该外壳壁限定了外壳，且所述***还包括在流量计和外壳壁之间的密封装置，以便防止喷雾液体进入所述管路外部的外壳的一部分。
9.根据前述任意一项权利要求所述的喷嘴***，还包括：流量控制阀，该流量控制阀布置在所述管路中；以及促动器，用于控制所述流量控制阀。
10.根据权利要求9所述的喷嘴***，其中：流量控制阀布置在流量计的下游。
11.根据权利要求9或10所述的喷嘴***，其中：流量控制阀是针阀。
12.根据权利要求9至11中任意一项所述的喷嘴***，其中：促动器是步进马达。
13.根据前述任意一项权利要求所述的喷嘴***，还包括：电子控制器，该电子控制器与传感器通信，并用于由该输出信号来计算流量。
14.根据权利要求8至12中任意一项所述的喷嘴***，还包括：电子控制器，该电子控制器与传感器和促动器通信，且该控制器设置成由该输出信号来计算流量，并根据该流量来控制促动器。
15.根据权利要求13或14所述的喷嘴***，还包括：压力传感器，该压力传感器安装在流量计下游的管路中，并用于产生压力信号，其中，控制器与压力传感器通信，并用于接收该压力信号。
16.根据权利要求14和15所述的喷嘴***，其中：所述控制器设置成根据压力信号来控制所述促动器。
17.根据权利要求9至12和14至16中任意一项所述的喷嘴***，还包括：冲击阀，该冲击阀布置在流量控制阀下游的管路中；以及另一促动器，用于控制所述冲击阀，其中，冲击阀用于改变喷雾输出的平均液滴尺寸。
18.一种农业喷雾器，包括多个根据前述任意一项权利要求所述的喷嘴***。
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