阅读说明：本技术 用于流体比率控制的系统和方法 (System and method for fluid ratio control ) 是由 埃里克·朱利叶斯·唐纳森 于 2018-07-20 设计创作，主要内容包括：一种多组分流体输送系统(100)包括第一流体泵(12)和第二流体泵(14)。第一流体泵和第二流体泵没有彼此机械地联接。该多组分流体输送系统还包括控制系统(38),该控制系统包含处理器,该处理器被配置成推导出第一流体泵(12)和第二流体泵(14)的滑移比率。该处理器还被配置成基于滑移比率而应用主从马达控制以经由第一流体泵和第二流体泵输送指定的流体比率。(A multi-component fluid delivery system (100) includes a first fluid pump (12) and a second fluid pump (14). The first fluid pump and the second fluid pump are not mechanically coupled to each other. The multi-component fluid delivery system also includes a control system (38) including a processor configured to derive a slip ratio of the first fluid pump (12) and the second fluid pump (14). The processor is also configured to apply master-slave motor control to deliver a specified fluid ratio via the first fluid pump and the second fluid pump based on the slip ratio.)

用于流体比率控制的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月21日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR FLUID RATIOCONTROL”的美国临时申请序列号62/535,620的优先权和权益，出于所有目的将所述美国临时申请的全部内容通过引用并入本文中。

在多组分流体输送系统中，其中两种或更多种流体组分或化合物被输送到输出装置或容器(例如喷枪、混合室、罐、反应部位)，可以使用流体组分输送的比率，以使得过程输出被控制到预期的规格。在双组分喷射聚氨酯泡沫(SPF)系统中可以找到所需比率的示例，其中化学和混合过程可以规定两种流体组分或化合物(A)和(B)以1：1比率(按重量或体积)的受控输送比率。改进流体比率控制可能是有用的。

发明内容

将在范围上与最初要求保护的发明相当的某些实施例总结如下。这些实施例并非旨在限制所要求保护的发明的范围，而是这些实施例仅旨在提供对本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可以涵盖与下文陈述的实施例可以类似于或不同于的各种形式。

在第一实施例中，多组分流体输送系统包括第一流体泵和第二流体泵。第一流体泵和第二流体泵没有彼此机械地联接。该多组分流体输送系统还包括控制系统，该控制系统包含处理器，该处理器被配置成推导出第一流体泵和第二流体泵的滑移系数以及第一流体泵和第二流体泵之间的滑移比率。该处理器还被配置成应用主从马达控制以基于滑移比率而经由第一流体泵和第二流体泵输送指定的流体比率。

在第二实施例中，一种方法包括推导出第一流体泵和第二流体泵的滑移系数以及第一流体泵和第二流体泵之间的滑移比率，其中第一流体泵和第二流体泵被包括在多组分流体输送系统中，并且其中第一流体泵和第二流体泵没有彼此机械地联接。该方法还包括应用主从马达控制以基于滑移比率而经由第一流体泵和第二流体泵输送指定的流体比率。

在第三实施例中，有形的非暂时的计算机可读介质包括指令，该指令在由处理器执行时使该处理器推导出第一流体泵和第二流体泵的滑移比率，其中第一流体泵和第二流体泵被包括在多组分流体输送系统中，并且其中该第一流体泵和该第二流体泵没有彼此机械地联接。指令在由处理器执行时还使得该处理器提供主从马达控制，以基于滑移比率而经由第一流体泵和第二流体泵输送指定的流体比率。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相同的符号表示相同的部件，其中：

图1是喷施系统诸如多组分流体输送系统(例如SPF系统)的实施例的框图；

图2是在图1的喷施系统中可以包括的流体系统的实施例的框图；以及

图3是用于对多种流体的滑移比率控制的过程的实施例的流程图。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，可能未在说明书中描述实际实现的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施例的开发中，如同在任何工程或设计项目中，必须作出许多特定于实施例的决策以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束可能随实施例而变化。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，仍然是设计、制造和生产的常规任务。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的并且意味着可以存在除了所列出的元件之外的其他元件。

本公开的实施例涉及可以改进对多组分流体输送系统的比率控制的系统和方法。在多组分流体输送中，多组分或化合物，诸如化合物，可以以特定比率输送到输出装置或容器(例如喷枪、混合室、罐、反应部位)。例如，对于双组分喷射聚氨酯泡沫(SPF)系统，化学和混合过程可以规定两种流体组分(化合物A)和(化合物B)以1：1的比率(按重量或体积)的受控输送比率。该比率的变化可能导致较低的产量(每磅泡沫较小的绝缘值)、未固化泡沫、脆性泡沫、过度收缩及其他问题。

提供可用于SPF系统中的多种流体的某些技术可以利用相等排量的机械地联接(即“轭接”(yoked))的A活塞泵和B活塞泵以提供固定的1：1输送比率。虽然使用轭接的泵提供了简单的方法，但是该方法可能未考虑A泵和B泵中潜在的不均匀磨损(以及由此导致的泵滑移)，从而可能导致偏离比率的流体输送。轭接泵方法也不允许将A流体和B流体保持在不同的压力下，这可能需要提供均匀的压力以便在反应点(在SPF情况下，在喷枪处)混合。在枪处A流体和B流体之间的压力差也可能导致低产率。压力差也可能导致流体“交叉”的情况，其中A材料流“交叉”进入喷枪混合室内的B孔口中。交叉可能堵塞喷枪内的内部孔口和/或混合室，这则可能需要拆卸和清洁喷枪。

本文所述的技术包括未联接的、独立控制的泵。泵可以用于例如多组分流体输送系统中以将A流体和B流体输送到喷枪。独立的泵能够对两种或多种流体进行独立的压力和比率控制，这可能相对于“轭接的”系统是有利的。然而，如在轭接的系统中，由于多组分流体输送系统中的泵之间的差异滑移比率，多泵方法可能容易受到比率不平衡的影响。虽然每个泵的实际滑移比率是令人感兴趣的，但是控制在A泵和B泵之间的滑移差(例如，差动滑移)可能更有利。为了测量和控制该差动滑移比率，流量计可以用于闭环电子反馈和马达驱动系统中以补偿泵滑移(和差动滑移比率)。在单独的公开中描述了确定滑移的其他间接方式。本文描述的技术能够测量泵滑移并补偿泵之间的差动滑移比率，以提供期望的输出比率。

在本文描述的技术间接地检测流体泵中的滑移或滑移系数，这与经由流量计来直接测量相反。然而，也可以使用直接测量并将其应用于滑移比率控制。由于设计和/或磨损特性，流体泵可能经历容量相对于其理论体积排量的减小。这种减小通常称为“滑移”或“滑移系数”。滑移可能由从泵的较高压力部分“泄漏”到泵的较低压力部分的流体引起。

例如，10％的滑移系数将表明泵流量仅是其理论容量的90％。与正排量泵相比，离心泵中的滑移通常相当高。滑移随着泵速度、几何形状、运动部件和静止部件之间的内部间隙以及流体特性(例如粘度、密度、润滑性、温度)而变化。与使用直接测量(例如，经由流量计)相反，在本文描述的技术可以间接地(例如，经由压力传感器)检测和测量滑移。因此，本文描述的技术可以以更节省成本的方式提供侵入性更小的测量，并且可以附加地与直接测量一起使用，例如，以提供滑移测量冗余。

描述可以应用本文描述的比率控制技术和泵滑移或泵滑移系数测量的系统可以是有用的。因此，现在转向图1，该图是示出可包括一个或多个液体泵12、14的喷施系统10的实施例的框图。喷施系统10可以适合于混合和分配各种化学品，诸如用于喷施泡沫绝缘物的化学品。在所描绘的实施例中，化合物A和B可以分别储存在罐16和18中。罐16和18可以经由导管或软管20和22而流体地联接至泵12和14。应当理解，尽管所示的喷施系统10的实施例显示了用于混合和喷施的两种化合物，但其他实施例可以使用单一化合物或3、4、5、6、7、8或更多种化合物。可以独立地控制泵12和14。

在喷施系统10的操作期间，泵12、14可以分别由马达24、26机械地提供动力。在优选实施例中，马达可以是电动机。然而，内燃机(例如柴油发动机)、气动马达或其组合。马达控制器27和29可以用于基于例如从处理器40传输的信号而对马达提供启动/停止、加载和控制。马达24可以是与马达26相同的类型或不同的类型。泵12也可以是与泵14相同的类型或不同的类型。实际上，本文描述的技术可以用于多个泵12、14和多个马达24、26，它们可以是不同的类型。

泵12、14提供适合于将化合物A、B移动到喷枪系统28中的流体动力。更具体地，化合物A可以通过导管20穿越泵12，然后通过经加热的导管30进入喷枪系统28。化合物B也可以通过导管22穿越泵14，然后通过经加热的导管32进入喷枪系统28。为了加热被加热的导管30、32，可以提供加热系统34。加热系统34可以提供热能，诸如经加热的流体，其适合于在混合和喷射之前预热化合物A和B，并且适合于在混合和喷射期间加热化合物A和B。

喷枪系统28可以包括用于混合化合物A和B的混合室。对于喷射泡沫绝缘应用，化合物A可以包括异氰酸酯，而化合物B可以包括多元醇、阻燃剂、发泡剂、胺或金属催化剂、表面活性剂和其他化学品。当混合时，发生放热化学反应并且将泡沫35喷射到目标上。然后，泡沫基于化合物A和B中存在的化学品而以各种热阻(即R值)提供绝缘性能。

可以由控制系统36提供对喷施系统10的控制。控制系统36可以包括工业控制器，并且因此包括存储器38和处理器40。处理器40可以包括多个微处理器、一个或多个“通用”微处理器、一个或多个专用微处理器、一个或多个专用集成电路(ASIC)，和/或一个或多个精简指令集(RISC)处理器，或其某种组合。存储器38可以包括易失性存储器，诸如随机存取存储器(RAM)，和/或非易失性存储器，诸如ROM、硬盘驱动器、存储卡、存储棒(例如USB棒)等。存储器38可以包括由处理器40可执行并且适合于控制喷施系统10的计算机程序或指令。存储器38可以进一步包括计算机程序或指令，其由处理器40可执行且适合于检测泵12、14滑移且适合于提供比率控制动作，从而在滑移存在下继续提供化合物A和B的所需比率(例如，1：1)，如下文进一步描述。

控制系统36可以通信地联接到一个或多个传感器42并且可操作地联接到一个或多个致动器44。传感器42可以包括压力传感器、流量传感器、温度传感器、化学成分传感器、速度(例如转速、线速度)传感器、电学测量传感器(例如电压、安培数、电阻、电容、电感)、水平(例如液位)传感器、限位开关及诸如此类。致动器44可以包括阀、可致动性开关(例如螺线管)、定位器、加热元件及诸如此类。

一个或多个用户可以经由输入/输出(I/O)系统38而与控制系统36交互，该输入/输出(I/O)系统38可以包括触摸屏、显示器、键盘、鼠标、增强现实/虚拟现实系统，以及平板电脑、智能电话、笔记本及诸如此类。用户可以输入期望的压力、流量、温度、化合物A和化合物B之间的比率(例如，1：1)、警报阈值(例如，罐16、18中的化合物A、B的阈值液位)及诸如此类。然后，用户可以经由喷枪系统28喷射，并且控制系统36可以使用处理器40来执行存储在存储器38中的一个或多个程序，所述一个或多个程序适合于经由传感器42而感测系统10的状况并且适合于基于用户输入经由致动器44而调整系统10的各种参数。然后，I/O系统38可以显示若干感测的状况以及调整的参数。喷施系统10的某些部件可以被包括在配比系统41中或与配比系统41接口连接。配比系统41可以以特定比率(例如，1：1)“配比”或输送化合物A、B以实现喷雾35。以这种方式，用户可以混合和喷射化学品，诸如化合物A和B，以提供某些涂层，诸如绝缘喷射泡沫。

如前所述，独立的泵12、14可以包括一定量的滑移，这可能不利地影响进入喷枪28和在喷雾35中的化合物A和B的比率。测量滑移可能是有利的，以便配比系统41可以经由控制系统38而提供比率调整。应当理解，尽管在本文描述的比率控制和滑移感测技术是针对喷施系统10进行描述以提供上下文，但是在本文描述的技术通常适用于泵应用，并且可以在各种应用中由离心泵、正排量泵或其组合使用。

现在转向图2，该图是流体系统100的实施例的框图(例如，图1的喷施系统10的简化视图)，该流体系统可以提供对泵滑移的检测和改进的比率控制。因为该图使用与图1中存在的元件相同的元件，所以相同的元件用相同的标号表示。在所描绘的实施例中，流体系统100包括机械地联接到马达24和26的泵12和14。在所描绘的实施例中，联接器102可以将马达24机械地联接到泵12上并且联接器103可以将马达26机械地联接到泵16上。还示出了一对马达控制器，诸如马达控制器27和29。

在操作期间，可以包括工业控制器104(诸如可编程逻辑控制器(PLC))的控制系统38可以向马达控制器27和29发出命令以驱动马达24和26，从而与泵12和14接合。然后，储存在罐16和18中的流体(例如，化合物A或化合物B)可以通过导管20和22而流入泵12或14中。入口压力传感器106、107(例如，布置在泵的入口上或附近的传感器42)可以测量在泵12和14的入口处或附近的压力，并且出口压力传感器108、109(例如，布置在泵的出口上或附近的传感器42)可以测量在泵12和14的出口处或附近的压力。控制系统38然后可以基于从传感器106、107、108和109接收的信号来确定和测量滑移，而不使用流量计或流量传感器。

例如，控制系统38可以使用来自压力传感器106、107、108和109的数据来确定处于“失速”状态的泵12和14的泄漏率。在该方法中，流体系统100由泵12或14在封闭系统状态下加压(例如，高压输出被阻塞、闭合等)。泵12或14然后保持在恒定位置(对于活塞泵是线性的、对于旋转泵是角度的)。通过监测随着时间在入口压力和出口压力之间的差异，并且通过了解流体(例如，化合物A、B)和泵12、14的相关特性(例如，内部体积、部件的尺寸、部件的类型及诸如此类)，控制系统38可以计算泵12和14中的每一个的滑移值。一个示例性计算如下，并且根据孔口流动理论推导出：

等式(1):Q(t)＝Pf x Ff x∫ΔP^1/2dt

其中Q＝在采样时间段t期间的滑移(体积)、Pf＝泵系数(实验测量)、Ff＝流体系数(实验测量)、ΔP＝Po-Pi、Po＝出口压力、Pi＝入口压力。

Pf和Ff都可以是温度或其他系数的函数。将通过控制系统38的控制软件中的数值方法和/或通过数字或模拟电路来评估采样时间上的积分。可以使用其他理论或经验计算来确定滑移(Q)。然后，所计算的Q可以用于确定初始ΔP或ΔP的其他数值导出结果(例如，采样周期上的平均ΔP等)的滑移比率。

等式1的Q(t)计算的可替代技术包括确定泵12和14在零流量加压状态下的排量。在该技术中，泵12和14在已知的无流量(即，零流量)状态(例如，经由控制系统38)被控制到给定的出口压力(或ΔP)。如果存在滑移，控制系统38将推进泵12和14以保持设定的出口压力水平(或ΔP)。泵12或14在该状态期间的运动(以泵12或14的排量作为系数)然后可以用于计算在已知条件(压力、温度、流体特性)下期望的泵中的滑移Q。因此，可以在不需要使用直接测量诸如流量测量的情况下测量泵滑移。通过间接地测量泵的滑移，在本文描述的技术可以提供更坚固的流体系统100，其可以使用更可靠且成本更低的传感器42。

虽然所描绘的实施例示出了滑移的间接推导，但是，例如通过使用流量计来确定通过泵12和/或14的滑移流也可以直接推导出滑移。例如，为了直接测量并且而后控制差动滑移比率，流量计可以用于闭环电子反馈和马达驱动系统中以补偿泵滑移(和差动滑移比率)。本文描述了确定滑移的间接技术。如果泵滑移是已知的，则马达控制器的主从布置可以用于补偿泵12和14之间的差动滑移比率，以提供期望的输出比率。一旦使用直接或间接感测来确定独立泵12和14的滑移比率和/或每个独立泵12和14的滑移，则可以使用比率控制。更具体地，然后在单独的马达驱动器27和29中使用两个泵12和14之间的滑移比率，以控制马达24、26的速度比，以匹配直接和/或间接推导出的滑移比率。在一个实施例中，一个泵马达控制器27或29被指定为“主”而另一个被指定为“从”。在操作中时，对从马达的速度控制以与主驱动器的速度的滑移比率作为系数。虽然主马达可以仅在压力控制模式下操作，但是它的编码器信号被用于驱动从动驱动器的速度控制回路，该速度控制回路以主驱动器和从动驱动器之间的滑移比率作为系数。因此，当泵在运动时，从动驱动装置可以一直且连续地受到补偿泵12和14之间的差动滑移。

图3是过程200的实施例的流程图，该过程200可以适合于导出泵滑移比率和/或单个泵滑移，然后应用比率控制。过程200可以被实现为存储在存储器38中并由处理器40可执行的计算机代码或指令。在所描绘的实施例中，过程200可以从一个或多个传感器42(包括压力传感器106、107、108和109)接收数据(框202)。如前所述，压力传感器106、107可以是泵入口压力传感器，而压力传感器108、109可以是泵出口压力传感器。

然后过程200可以使用所接收的数据经由直接技术(例如，流量计)推导出(框203)滑移205、经由孔口流量导数来推导出(框204)滑移206和/或经由零流量加压状态技术推导出(框208)滑移210。如前所述，可以使用来自压力传感器106、107、108、109的数据经由等式Q(t)＝Pf x Ff x∫ΔP^1/2dt推导出滑移测量206。也如上所述，可以通过将泵12和14设定为在出口压力(或ΔP)下无流动状态来获得滑移测量210。然后，可以基于使泵12和14前进以将设定的出口压力保持在该无流动状态来推导出滑移测量110。滑移测量205、206和210可以包括泵12、14的滑移比率和/或单独滑移。滑移测量206和/或滑移测量210然后可以用于控制(框212)。例如，控制系统36可以应用先前描述的主从马达控制技术。例如，对从马达的速度控制以与主驱动器的速度的滑移比率作为系数。尽管主马达可以仅在压力控制模式下操作，但是其编码器信号用于驱动从动驱动器的速度控制回路，该速度控制回路以主驱动器和从动驱动器之间的滑移比率作为系数。因此，当泵在运动时，从动驱动装置可以一直且连续地受到补偿泵12和14之间的差动滑移。以此方式，本文所述的技术可以提供对多种流体的更准确且可靠的比率控制。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使得任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所包含的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求书的字面语言没有实质性差异的等同结构元件，则这些其他示例旨在处于权利要求书的范围内。