用於監測噴射裝置性能的系統和方法

2023-10-09 15:05:19 1

專利名稱：用於監測噴射裝置性能的系統和方法
用於監測噴射裝置性能的系統和方法 發明領域本發明涉及噴射裝置例如噴嘴，更具體地涉及用於監測噴射裝 置性能的系統和方法。發明背景噴射裝置例如噴嘴廣泛地用於各種工業應用中。在許多應用中， 合適的噴射裝置的性能對於使用噴霧的處理工藝是很關鍵的。噴射 裝置的故障可能導致缺陷產品，並造成潛在的極大的經濟損失。例如，在鋼鐵工業中，內部混合式噴嘴用於連續鑄造工藝中的 鋼冷卻。用於這種鑄造應用的內部混合式噴嘴提供了水和空氣的混 合物，即薄霧噴霧。為此，噴嘴具有內部混合室，以及帶校準孔的 水及空氣的入口。水和空氣經由入口孔而進入內部混合室中，在此 進行混合。混合物經由管道被傳送到噴嘴孔中，所述噴嘴孔以所需 的噴流型式，例如扁平型式，來排放混合物。噴嘴所產生的噴霧是 輸入的水和空氣壓力的函數，其可針對不同的應用，根據特殊的應 用要求而設置為不同的值。為使噴嘴正確地起作用，必須緊密地控 制輸入的空氣和壓力。然而，這樣做並不足以保證噴嘴正確的操作， 因為空氣和水的入口孔以及噴嘴尖可能由於使用而磨損或:f支堵塞， 從而防止噴嘴產生所需的噴霧輸出。這種內部混合式噴嘴的性能老 化或障可能隨時間而逐漸地發展，並難以進行監測或檢測。發明概要考慮到前面所述，本發明的一個目的是提供一種有效地監測噴 射裝置，尤其是內部混合式噴霧嘴性能的可靠方法，從而確保其在 使用過程中正確地起作用。
一個相關的目的是檢測噴射裝置，例如內部混合式噴霧嘴的任 何顯著的性能老化或故障，從而可迅速地修理或更換噴射裝置，以 便最大程度地減、任何潛在的經濟損失。這些目的通過本發明的用於監測噴射裝置性能的系統和方法而 被有效地實現。所述噴射裝置至少具有用於接受第一流體的第一入 口和用於接受第二流體的第二入口。噴射裝置還包括內部的混合室， 第一及第二流體在此混合室內進行混合。混合物從混合室傳送到噴嘴孔中，所述噴嘴孔排出混合物，以形成噴霧。根據本發明，將混合物壓力傳感器設置在位於混合室下遊的噴 射裝置上，以檢測混合物的壓力。同時還測量進入噴射裝置的第一 及第二流體的輸入壓力。第一和第二流體的所測量壓力用於計算基 於經驗公式所預測的混合物壓力。然後將混合物壓力的計算值和測 量值用於比較過程中，以確定噴射裝置是否在正確地起作用。以下將藉助於圖中所示的優選實施例來更詳細地解釋其它的特徵和優勢，其中附圖簡介

圖1是噴射系統的一個實施例的示意圖，其中內部混合式噴射 裝置的性能由控制器來進行監測；圖2是圖1中的噴射裝置的截面頂視圖；圖3是上面安裝有混合物壓力傳感器的噴射裝置的截面側^L圖；和圖4是顯示了一種處理過程的流程圖，所述處理過程可設置和 操作用於監測噴射裝置性能的系統。實施例的詳細描述 本發明提供了 一種用於監測噴射裝置性能的系統和方法，這種 噴射裝置接受不同的流體，並以給定的噴流型式來產生流體混合物
的噴霧。圖.l顯示了這種噴射系統的一個實施例，其包括噴射裝置IO和控制器20,控制器20以下面將更詳細地描述的方式來監測噴射裝 置的性能。圖1中所示的噴射裝置10具有用於第一流體進入噴射裝置的第 一入口 11，以及用於第二流體進入該裝置的第二入口 12。這兩種流 體在噴射裝置的內部形成混合物，並且從噴射裝置的輸出噴嘴端14 中，以具有所需噴流型式的噴霧15的形式而排出混合物。噴射裝置 10可用於例如金屬鑄造操作中，用於提供對鑄造產品的冷卻，並且 在這種應用中，第一和第二流體可以分別是水和空氣。即使所示實 施例的噴射裝置具有兩個流體入口，但是應該懂得，可添加更多入發明可用於監測具有三個或更多個流體入口的噴射裝置的操作。參看圖2，入口 11,12裝備了接頭或連接器17,18，以接受運載 流體的管道。噴射裝置10的內部是混合室22。第一入口 11通過第 一孔23而與混合室22流體流通，類似地，第二入口 12通過笫二孔 24而連接在混合室22上。第一和第二孔用於計量流體進入混合室的 流量，並且最好經過校準，以便可以更好地理解在進入噴射裝置的 各流體的流速和流體壓力之間的關係。進入入口 11,12的笫一和第二 流體流過相應的孔23,24,並匯流到混合室22中，在此處它們形成 混合物，並且混合物中的流體比例由進入噴嘴的流體的流速來確定。 混合物被管道31從混合室22攜帶至噴嘴端14處，在噴嘴端14處 將混合物通過噴嘴孔32排出而形成噴霧。根據本發明的一個特徵，壓力傳感元件30用於檢測在噴射裝置 10中形成的混合物的壓力，其直接設置在噴射裝置10上，以容許進 行精密的壓力測量。為此，在圖2所示的實施例中，管道31上提供 了埠 34，其將混合室連接到噴嘴孔上。埠 34配置成可接受壓力 傳感器30，如圖3中所示。作為備選，壓力傳感器30可安裝在噴射 裝置10的主體上，使得壓力傳感器直接與混合室22流體流通。所選擇的壓力傳感器30能夠承受噴射裝置中的混合物的壓力，並且具 有足以精確地讀取混合物壓力的靈敏度。例如，合適的壓力傳感器 可以是由德、國Klingenberg的WIKA Alexander Wiegand GmbH & Co. KG製造 的型號OT-I壓力傳感器。返回圖1，為了提供流入到噴射裝置10中的第一和第二流體的 壓力的讀數，將壓力傳感元件37,38設在用於將流體供給噴射裝置10 的管線39，40中。壓力傳感器37,38最好定位在入口 11，12附近，以 便使其讀數精確地反映進入噴射裝置的流體的壓力值。三個壓力傳 感元件37,38,30連接在控制器20上，使得控制器接受壓力傳感元件 的輸出信號，其分別代表第 一和第二流體和噴射裝置中的混合物的 所測量壓力。根據本發明的一個特徵，控制器20通過將實際測量的混合物的 壓力值和預測的混合物壓力進行比較，來監測噴射裝置10的性能， 預測的混合物壓力是利用測量的流體壓力作為輸入而被計算出來 的。預測的混合物壓力利用經驗公式來進行計算，所述經驗公式描 述了在預測的混合物壓力和流體的輸入壓力之間的關係。該爿>式的 確切形式或形狀可基於對所涉及的流體動力學的理解，並通過尋求 測量數據和公式的最佳擬合來進行確定/選擇。作為示例，在一個實施例中，以下具有幾個線性參數的7>式用 於預測混合物壓力屍威二 ^ +力2 . &r + ^ + ~ . (方程式1 )在這個公式中，P^是空氣的測量壓力，Pw^是水的測量壓力，而p^是噴射裝置中的混合物的預測壓力。這個公式包含四個將憑經驗確定的線性參數bp b2, 1)3和1)4。指數x是固定的數字，例如0.5。 已經發現，這個公式為基於給定的輸入的液體壓力而預測混合物壓 力提供了相當良好的模型。然而，應該懂得，這個公式只是可使用 的方程式的其中 一個不同的形式，並且本發明並不局限於這個公式 的具體形式。另外，雖然使用線性公式具有計算效率的優勢，但是， 如果非線性方程式可以更精確地預測混合物壓力，並且如果控制器 具有足夠的計算功率以執行操控非線性方程式所涉及的計算時，那 麼，也可使用非線性方程式來建立噴射裝置的混合性能的才莫型。根據本發明的一個方面，當噴射裝置"在線"，即安裝在其預期的 操作位置上時，控制器20可學習到用於計算混合物壓力的方程式1 的公式中的參數。在學習過程中，流體的輸入壓力是變化的，並且 將第 一和第二流體以及混合物的壓力測量值作為用於確定這些參數 的輸入值。最好在噴射裝置首次服務時，在假定噴嘴在此期間如設 計的那樣正確地運行下，來執行這種學習操作。 一旦在這個學習過程中確定了用於預測混合物壓力的公式的參數，那麼控制器20就可 在噴射裝置的後續操作中使用這些參數，在基於測量的流體輸入壓 力的基礎上來計算預期的混合物壓力。之後，可在比較過程中使用 預期的混合物壓力值和實際測量的混合物壓力來確定噴射裝置是否 在正確操作。在一個實施例中，經驗公式參數的學習是通過回歸的最小二乘方參數估計算法來實現的，如以下方程式所述&(右)- 卿》的- /的嶺-1) W)=卯涵鵬- P(f) =--其中y(t)=在時刻t時測量的混合物壓力；外"=基於在時刻t之前的信息對時刻t時測量的混合物壓力的 預測值；P(t)=逆協方差矩陣；Y(t)=輸入值(輸入的測量值，空氣和水的壓力) e(t)=參數向量(bp b2， b3， b4) X(t)=遺忘因數(=1)在利用回歸的最小二乘方算法確定了混合物壓力公式中的參數之後，控制器20即可使用該公式來監測噴射裝置的性能。當控制器 20檢測到噴射裝置中的測量混合物壓力與預測的或預期的混合物壓 力有著顯著的偏差、並且如果偏差延續了足夠長的時間時，那麼它 將產生故障信號，以引起處理線上的操作員的注意，從而可調查造 成偏差的可能原因，並可根據需要而修理或更換噴射裝置。在一個實施例中，靜態和動態技術的組合用於確定是否應該產 生故障信號。在這個故障確定過程中，每隔一定間隔地進行周期性 測量。對於每個測量間隔，在某一時刻(ti)的靜態誤差狀態S，被計算 ^口下Pmmi:在時間i時測量的混合壓力 Pabs:最大絕對誤差 Erel:最大相對誤差(％) 糹色只十i丈障屍""=一 S'加，相對故障1:屍H,-屍md'相對故障2:《2,=屍，在時間t,時的誤差狀態是(1^,W.。 + (lP叫" )+ (lPm卞Pc》。 這樣，靜態誤差狀態S,基於三個閾值水平來確定預選定的固 定的水平P^，以及兩個可變的水平Pm和PA;其取決於所測量的輸 入液體壓力。P^和E^的值根據傳感元件的精度和信號的穩定度來 選擇。例如，在標準的噴嘴操作範圍內，對於Pabs, 3倍於在基於大 量(例如1000個)點上所測量的P飢的標準偏差是不錯的選擇。在那種 情況下，P^基於以下方程式進行計算引起壓力偏差的誤差類型取決於P飢的正負符號。如果符號為正，
那麼所測量的實際壓力低於預測的壓力。這可發生在如果校準孔^支 阻塞或頂部^f皮磨損時。另一方面，如果符號是負的，那麼所測量的 壓力高於預測的壓力，這可發生在如果校準孔被磨損或頂部被阻塞 時。因而，基於P飢的正負符號，就可確定壓力偏差的可能原因。然後利用以下算法來計算動態誤差狀態(Di):如果符號(PJ^符號(P^)，那麼D!為假(有效的狀態)。 如果S,對於至少Tg。。d為假，那麼D,為假(有效的狀態)。 如果S,對於至少Tbad為真，那麼Di為真(檢測到故障)。在這個確定過程中，只有當靜態誤差狀態&對於預選定的時間間隔T^為真時，Di才淨皮設定為真。這樣做可減少測量的壓力偏差由噪聲或液體壓力或所檢測的壓力信號上的波動造成的可能性。如果動態誤差狀態D,為真，那麼控制器20就確定找到了故障情形，並產生故障信號，以指示噴射裝置沒有正確地起作用。必須選擇在以上決策中使用的以下因數，它們依賴於系統的動態條件Tg。。d:在所述狀態^皮評價為有效之前，好取樣所需的時間 Tbad:在所述狀態被評價為假之前，壞取樣所需的時間 圖4的流程圖中概括了設置噴射裝置10和控制器20以及後續 監測操作的處理過程。首先，將噴射裝置設置在其預期的操作位置(步 驟40)。然後在控制器的控制下執行學習過程，以確定經驗公式中的 參數，以便用於預測混合物壓力(步驟41)。之後，在噴射裝置的正常 操作期間，控制器連續地監測性能。對於每個檢測循環，控制器從 壓力傳感器中接受對於輸入液體和混合物測量的壓力信號(步驟42)。 控制器使用所測量的輸入液體壓力作為經驗公式的輸入，以計算預 測的混合物壓力(步驟43)。基於測量的和計算的壓力值，來確定用於 檢測循環的靜態誤差狀態S乂步驟44)。然後，基於靜態誤差狀態變量 的當前值和過去值，來計算動態誤差狀態Di(步驟45)。如果動態誤 差狀態Di為真(步驟46),那麼控制器就產生指示噴射裝置未正確地起作用的故障信號(步驟47)。考慮到可應用本發明原理的許多可能的實施例，應該懂得，這 裡相對於附圖所描述的實施例只是說明性的示例，而不應該被認為 限制了本發明的範圍。因此，這裡所描迷的本發明考慮了所有這些 實施例都屬於以下權利要求及其等效描述的範圍內。
權利要求
1.一種用於監測噴射裝置性能的方法，所述噴射裝置接受至少第一流體和第二流體，並產生所述至少第一流體和第二流體的混合物的噴霧，所述方法包括測量在所述噴射裝置中形成的所述第一流體及第二流體的混合物的實際壓力；測量用於進入所述噴射裝置的第一液體的第一輸入壓力和第二液體的第二輸入壓力；基於經驗公式從所述第一和第二輸入壓力中計算出用於所述混合物的預測壓力；和基於所述混合物的所述預測壓力與所述實際壓力的比較過程，來確定所述噴射裝置是否在正確地起作用。
2. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述第一流體是空 氣，而所述第二流體是水。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，測量所述混合物的 實際壓力的步驟包括，從安裝在所述噴射裝置上的壓力傳感器中獲得 讀數。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述經驗公式是包 括評經驗地導出的參數的線性方程式。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述確定步驟包括， 基於所述混合物的實際壓力偏離所述預測壓力的偏差而推導出靜態誤 差狀態，並在預選定的時間間隔上基於所述靜態誤差狀態的值而推導 出動態i吳差狀態。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括從所述第一 和第二輸入壓力以及所述混合物實際壓力的測量值中推導出所述經驗 公式的參數的步驟。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述推導步驟包括， 執行回歸的最小二乘方分析，以便使所述第 一和第二輸入壓力以及所 述混合物實際壓力的測量值與所述經驗公式相匹配。
8. —種噴射系統，包括噴射裝置，其至少具有用於第一流體的第一入口和用於第二流體 的第二入口，用於使所述第一和第二流體混合而在所述噴射裝置內部 形成混合物的內部混合室，以及噴嘴端，所述噴嘴端具有用於排;故所 述混合物以形成噴霧的孔；連接在所述噴射裝置上的混合物傳感器，其用於測量所述噴射裝 置中的混合物的實際混合物壓力；第一輸入傳感器，其用於測量進入所述噴射裝置中的第一流體的 壓力；笫二輸入傳感器，其用於測量進入所述噴射裝置中的第二流體的 壓力；用於監測所述噴射裝置性能的控制器，所述控制器連接在所述混 合物傳感器以及所述第 一和笫二輸入傳感器上，用於接收表示所述混 合物和所述第一及第二流體的測量壓力的讀數，所述控制器^L編程， 以便基於經驗^^式從所述混合物和所述第 一及第二流體的測量壓力中 計算出預測的混合物壓力，並採用所述預測的混合物壓力和所述實際 的混合物壓力來執行比較過程，以確定所述噴射裝置是否在正確地起 作用。
9. 根據權利要求8所述的噴射系統，其特徵在於，所述混合物傳 感器安裝在所述噴射裝置上。
10. 根據權利要求8所述的噴射系統，其特徵在於，所述第一流 體是空氣，而所述第二流體是水。
11. 根據權利要求8所述的噴射系統，其特徵在於，所述經驗公 式是包括憑經驗地推導出的參數的線性方程式。
12. 根據權利要求11所述的噴射系統，其特徵在於，所述控制器 還被編程，以便從所述第 一和第二輸入壓力以及所述實際混合物壓力 的測量值中推導出所述經驗公式的參數。
13. 根據權利要求12所述的噴射系統，其特徵在於，由所述控制 器執行的比較過程包括，基於所述實際的混合物壓力偏離所述預測壓 力的偏差而推導出靜態誤差狀態，並在預選定的時間間隔上基於所述 靜態誤差狀態的值而推導出動態誤差狀態。
14. 一種噴射裝置，包括用於接受第一流體的第一入口 ； 用於接受第二流體的第二入口 ；所述笫 一及第二流體在其中進行混合而形成混合物的混合室； 噴嘴端，其具有用於排放所述混合物以形成噴霧的孔；和 安裝在噴射裝置上、並設置成可檢測所述混合物壓力的壓力傳感器。
15. 根據權利要求14所述的噴射裝置，其特徵在於，所述噴射裝 置包括將所述混合室連接到所述噴嘴端上的管道，其中，所述壓力傳 感器安裝在所述管道上。
全文摘要
用於噴射流體混合物的噴射裝置受到監測，以確定其是否正確地起作用。噴射裝置具有用於至少兩種流體、例如水和空氣的入口，以及將這些流體混合起來的混合室。混合物壓力傳感器安裝在噴射裝置上，以檢測混合物的壓力。同時還測量進入噴射裝置的流體的輸入壓力。基於經驗公式並利用流體的所測量到的輸入壓力來計算預測的混合物壓力，所述經驗公式具有在將噴射裝置安裝在其操作位置上時可推導出的參數。然後，將計算出的壓力值和實際測量的混合物壓力用於比較過程中，以確定噴射裝置是否在正確地起作用。
文檔編號B67D7/08GK101151205SQ200680000395
公開日2008年3月26日 申請日期2006年4月20日 優先權日2005年4月26日
發明者利文·伍爾特普特, 巴特·德凱特拉雷, 簡·安東尼斯, 赫爾曼·拉蒙 申請人:噴灑系統公司