CN101151205A

CN101151205A - 用于监测喷射装置性能的系统和方法

Info

Publication number: CN101151205A
Application number: CNA2006800003959A
Authority: CN
Inventors: 利文·伍尔特普特; 赫尔曼·拉蒙; 简·安东尼斯; 巴特·德凯特拉雷
Original assignee: SPRAY SYSTEMS Inc
Current assignee: SPRAY SYSTEMS Inc
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2008-03-26
Also published as: WO2006115998A2; JP2008539071A; EP1888451B1; BRPI0605637A; WO2006115998A3; RU2454284C2; US20060237556A1; CA2569281A1; RU2006142947A; EP1888451A4; EP1888451A2

Abstract

用于喷射流体混合物的喷射装置受到监测，以确定其是否正确地起作用。喷射装置具有用于至少两种流体、例如水和空气的入口，以及将这些流体混合起来的混合室。混合物压力传感器安装在喷射装置上，以检测混合物的压力。同时还测量进入喷射装置的流体的输入压力。基于经验公式并利用流体的所测量到的输入压力来计算预测的混合物压力，所述经验公式具有在将喷射装置安装在其操作位置上时可推导出的参数。然后，将计算出的压力值和实际测量的混合物压力用于比较过程中，以确定喷射装置是否在正确地起作用。

Description

用于监测喷射装置性能的系统和方法

发明领域

本发明涉及喷射装置例如喷嘴，更具体地涉及用于监测喷射装置性能的系统和方法。

发明背景

喷射装置例如喷嘴广泛地用于各种工业应用中。在许多应用中，合适的喷射装置的性能对于使用喷雾的处理工艺是很关键的。喷射装置的故障可能导致缺陷产品，并造成潜在的极大的经济损失。

例如，在钢铁工业中，内部混合式喷嘴用于连续铸造工艺中的钢冷却。用于这种铸造应用的内部混合式喷嘴提供了水和空气的混合物，即薄雾喷雾。为此，喷嘴具有内部混合室，以及带校准孔的水及空气的入口。水和空气经由入口孔而进入内部混合室中，在此进行混合。混合物经由管道被传送到喷嘴孔中，所述喷嘴孔以所需的喷流型式，例如扁平型式，来排放混合物。喷嘴所产生的喷雾是输入的水和空气压力的函数，其可针对不同的应用，根据特殊的应用要求而设置为不同的值。为使喷嘴正确地起作用，必须紧密地控制输入的空气和压力。然而，这样做并不足以保证喷嘴正确的操作，因为空气和水的入口孔以及喷嘴尖可能由于使用而磨损或被堵塞，从而防止喷嘴产生所需的喷雾输出。这种内部混合式喷嘴的性能老化或故障可能随时间而逐渐地发展，并难以进行监测或检测。

发明概要

考虑到前面所述，本发明的一个目的是提供一种有效地监测喷射装置，尤其是内部混合式喷雾嘴性能的可靠方法，从而确保其在使用过程中正确地起作用。

一个相关的目的是检测喷射装置，例如内部混合式喷雾嘴的任何显著的性能老化或故障，从而可迅速地修理或更换喷射装置，以便最大程度地减小任何潜在的经济损失。

这些目的通过本发明的用于监测喷射装置性能的系统和方法而被有效地实现。所述喷射装置至少具有用于接受第一流体的第一入口和用于接受第二流体的第二入口。喷射装置还包括内部的混合室，第一及第二流体在此混合室内进行混合。混合物从混合室传送到喷嘴孔中，所述喷嘴孔排出混合物，以形成喷雾。

根据本发明，将混合物压力传感器设置在位于混合室下游的喷射装置上，以检测混合物的压力。同时还测量进入喷射装置的第一及第二流体的输入压力。第一和第二流体的所测量压力用于计算基于经验公式所预测的混合物压力。然后将混合物压力的计算值和测量值用于比较过程中，以确定喷射装置是否在正确地起作用。

以下将借助于图中所示的优选实施例来更详细地解释其它的特征和优势，其中：

附图简介

图1是喷射系统的一个实施例的示意图，其中内部混合式喷射装置的性能由控制器来进行监测；

图2是图1中的喷射装置的截面顶视图；

图3是上面安装有混合物压力传感器的喷射装置的截面侧视图；和

图4是显示了一种处理过程的流程图，所述处理过程可设置和操作用于监测喷射装置性能的系统。

实施例的详细描述

本发明提供了一种用于监测喷射装置性能的系统和方法，这种喷射装置接受不同的流体，并以给定的喷流型式来产生流体混合物的喷雾。图1显示了这种喷射系统的一个实施例，其包括喷射装置10和控制器20，控制器20以下面将更详细地描述的方式来监测喷射装置的性能。

图1中所示的喷射装置10具有用于第一流体进入喷射装置的第一入口11，以及用于第二流体进入该装置的第二入口12。这两种流体在喷射装置的内部形成混合物，并且从喷射装置的输出喷嘴端14中，以具有所需喷流型式的喷雾15的形式而排出混合物。喷射装置10可用于例如金属铸造操作中，用于提供对铸造产品的冷却，并且在这种应用中，第一和第二流体可以分别是水和空气。即使所示实施例的喷射装置具有两个流体入口，但是应该懂得，可添加更多入口，以用于其中在混合物中包括其它类型流体的应用场合，并且本发明可用于监测具有三个或更多个流体入口的喷射装置的操作。

参看图2，入口11，12装备了接头或连接器17，18，以接受运载流体的管道。喷射装置10的内部是混合室22。第一入口11通过第一孔23而与混合室22流体流通，类似地，第二入口12通过第二孔24而连接在混合室22上。第一和第二孔用于计量流体进入混合室的流量，并且最好经过校准，以便可以更好地理解在进入喷射装置的各流体的流速和流体压力之间的关系。进入入口11，12的第一和第二流体流过相应的孔23，24，并汇流到混合室22中，在此处它们形成混合物，并且混合物中的流体比例由进入喷嘴的流体的流速来确定。混合物被管道31从混合室22携带至喷嘴端14处，在喷嘴端14处将混合物通过喷嘴孔32排出而形成喷雾。

根据本发明的一个特征，压力传感元件30用于检测在喷射装置10中形成的混合物的压力，其直接设置在喷射装置10上，以容许进行精密的压力测量。为此，在图2所示的实施例中，管道31上提供了端口34，其将混合室连接到喷嘴孔上。端口34配置成可接受压力传感器30，如图3中所示。作为备选，压力传感器30可安装在喷射装置10的主体上，使得压力传感器直接与混合室22流体流通。所选择的压力传感器30能够承受喷射装置中的混合物的压力，并且具有足以精确地读取混合物压力的灵敏度。例如，合适的压力传感器可以是由德国Klingenberg的WIKA Alexander Wiegand GmbH & Co.KG制造的型号OT-I压力传感器。

返回图1，为了提供流入到喷射装置10中的第一和第二流体的压力的读数，将压力传感元件37，38设在用于将流体供给喷射装置10的管线39，40中。压力传感器37，38最好定位在入口11，12附近，以便使其读数精确地反映进入喷射装置的流体的压力值。三个压力传感元件37，38，30连接在控制器20上，使得控制器接受压力传感元件的输出信号，其分别代表第一和第二流体和喷射装置中的混合物的所测量压力。

根据本发明的一个特征，控制器20通过将实际测量的混合物的压力值和预测的混合物压力进行比较，来监测喷射装置10的性能，预测的混合物压力是利用测量的流体压力作为输入而被计算出来的。预测的混合物压力利用经验公式来进行计算，所述经验公式描述了在预测的混合物压力和流体的输入压力之间的关系。该公式的确切形式或形状可基于对所涉及的流体动力学的理解，并通过寻求测量数据和公式的最佳拟合来进行确定/选择。

作为示例，在一个实施例中，以下具有几个线性参数的公式用于预测混合物压力：

P_mix＝b₁+b₂·P_air+b₃.P_water ^x+b₄·P_air·P_water ^x(方程式1)

在这个公式中，P_air是空气的测量压力，P_water是水的测量压力，而P_mix是喷射装置中的混合物的预测压力。这个公式包含四个将凭经验确定的线性参数b₁，b₂，b₃和b₄。指数x是固定的数字，例如0.5。已经发现，这个公式为基于给定的输入的液体压力而预测混合物压力提供了相当良好的模型。然而，应该懂得，这个公式只是可使用的方程式的其中一个不同的形式，并且本发明并不局限于这个公式的具体形式。另外，虽然使用线性公式具有计算效率的优势，但是，如果非线性方程式可以更精确地预测混合物压力，并且如果控制器具有足够的计算功率以执行操控非线性方程式所涉及的计算时，那么，也可使用非线性方程式来建立喷射装置的混合性能的模型。

根据本发明的一个方面，当喷射装置″在线″，即安装在其预期的操作位置上时，控制器20可学习到用于计算混合物压力的方程式1的公式中的参数。在学习过程中，流体的输入压力是变化的，并且将第一和第二流体以及混合物的压力测量值作为用于确定这些参数的输入值。最好在喷射装置首次服务时，在假定喷嘴在此期间如设计的那样正确地运行下，来执行这种学习操作。一旦在这个学习过程中确定了用于预测混合物压力的公式的参数，那么控制器20就可在喷射装置的后续操作中使用这些参数，在基于测量的流体输入压力的基础上来计算预期的混合物压力。之后，可在比较过程中使用预期的混合物压力值和实际测量的混合物压力来确定喷射装置是否在正确操作。

在一个实施例中，经验公式参数的学习是通过回归的最小二乘方参数估计算法来实现的，如以下方程式所述：

\hat{θ} (t) = \hat{θ} (t - 1) + K (t) (y (t) - \hat{y} (t))

\hat{y} (t) = ψ^{T} (t) \hat{θ} (t - 1)

K(t)＝Q(t)Ψ(t)

Q (t) = P (t) = \frac{P (t - 1)}{λ + ψ {(t)}^{T} P (t - 1) ψ (t)}

P (t) = \frac{1}{λ} (P (t - 1) - \frac{P (t - 1) ψ (t) ψ {(t)}^{T} P (t - 1)}{λ + ψ {(t)}^{T} P (t - 1) ψ (t)})

其中：y(t)＝在时刻t时测量的混合物压力；

P(t)＝逆协方差矩阵；

Ψ(t)＝输入值(输入的测量值，空气和水的压力)

θ(t)＝参数向量(b₁，b₂，b₃，b₄)

λ(t)＝遗忘因数(＝1)

在利用回归的最小二乘方算法确定了混合物压力公式中的参数之后，控制器20即可使用该公式来监测喷射装置的性能。当控制器20检测到喷射装置中的测量混合物压力与预测的或预期的混合物压力有着显著的偏差、并且如果偏差延续了足够长的时间时，那么它将产生故障信号，以引起处理线上的操作员的注意，从而可调查造成偏差的可能原因，并可根据需要而修理或更换喷射装置。

在一个实施例中，静态和动态技术的组合用于确定是否应该产生故障信号。在这个故障确定过程中，每隔一定间隔地进行周期性测量。对于每个测量间隔，在某一时刻(t_i)的静态误差状态S，被计算如下：

P_mmi：在时间i时测量的混合压力

P_abs：最大绝对误差

E_rel：最大相对误差(％)

绝对故障：

P_{erri} = P_{mixi} - P_{m m_{i}}

相对故障1：

P_{r 1 i} = P_{mi x_{i}} \cdot E_{rel}

相对故障2：

P_{r 2_{i}} = P_{m m_{i}} \cdot E_{rel}

在时间t_i时的误差状态是：

(| P_{er r_{i}} | > P_{abs}) + (| P_{er r_{i}} | > P_{{r 1}_{i}}) + (| P_{{err}_{i}} | > P_{{r 2}_{i}}) .

这样，静态误差状态S_i基于三个阈值水平来确定：预选定的固定的水平P_abs，以及两个可变的水平P_r1i和P_r2i；其取决于所测量的输入液体压力。P_abs和E_rel的值根据传感元件的精度和信号的稳定度来选择。例如，在标准的喷嘴操作范围内，对于P_abs，3倍于在基于大量(例如1000个)点上所测量的P_err的标准偏差是不错的选择。在那种情况下，P_abs基于以下方程式进行计算：

P_{abs} = 3 \cdot \sqrt{Σ_{i = 0}^{i = n - 1} \frac{{(P_{er r_{i}} - μ)}^{2}}{n}}

μ = Σ_{i = 0}^{i = n - 1} \frac{P_{{err}_{i}}}{n}

引起压力偏差的误差类型取决于P_err的正负符号。如果符号为正，那么所测量的实际压力低于预测的压力。这可发生在如果校准孔被阻塞或顶部被磨损时。另一方面，如果符号是负的，那么所测量的压力高于预测的压力，这可发生在如果校准孔被磨损或顶部被阻塞时。因而，基于P_err的正负符号，就可确定压力偏差的可能原因。

然后利用以下算法来计算动态误差状态(D_i)：

如果符号(P_erri)≠符号(P_erri-1)，那么D_i为假(有效的状态)。

如果S_i对于至少T_good为假，那么D_i为假(有效的状态)。

如果S_i对于至少T_bad为真，那么D_i为真(检测到故障)。

在这个确定过程中，只有当静态误差状态S_i对于预选定的时间间隔T_bad为真时，D_i才被设定为真。这样做可减少测量的压力偏差由噪声或液体压力或所检测的压力信号上的波动造成的可能性。如果动态误差状态D_i为真，那么控制器20就确定找到了故障情形，并产生故障信号，以指示喷射装置没有正确地起作用。

必须选择在以上决策中使用的以下因数，它们依赖于系统的动态条件：

T_good：在所述状态被评价为有效之前，好取样所需的时间

T_bad：在所述状态被评价为假之前，坏取样所需的时间

图4的流程图中概括了设置喷射装置10和控制器20以及后续监测操作的处理过程。首先，将喷射装置设置在其预期的操作位置(步骤40)。然后在控制器的控制下执行学习过程，以确定经验公式中的参数，以便用于预测混合物压力(步骤41)。之后，在喷射装置的正常操作期间，控制器连续地监测性能。对于每个检测循环，控制器从压力传感器中接受对于输入液体和混合物测量的压力信号(步骤42)。控制器使用所测量的输入液体压力作为经验公式的输入，以计算预测的混合物压力(步骤43)。基于测量的和计算的压力值，来确定用于检测循环的静态误差状态S_i(步骤44)。然后，基于静态误差状态变量的当前值和过去值，来计算动态误差状态D_i(步骤45)。如果动态误差状态D_i为真(步骤46)，那么控制器就产生指示喷射装置未正确地起作用的故障信号(步骤47)。

考虑到可应用本发明原理的许多可能的实施例，应该懂得，这里相对于附图所描述的实施例只是说明性的示例，而不应该被认为限制了本发明的范围。因此，这里所描述的本发明考虑了所有这些实施例都属于以下权利要求及其等效描述的范围内。

Claims

1.一种用于监测喷射装置性能的方法，所述喷射装置接受至少第一流体和第二流体，并产生所述至少第一流体和第二流体的混合物的喷雾，所述方法包括：

测量在所述喷射装置中形成的所述第一流体及第二流体的混合物的实际压力；

测量用于进入所述喷射装置的第一液体的第一输入压力和第二液体的第二输入压力；

基于经验公式从所述第一和第二输入压力中计算出用于所述混合物的预测压力；和

基于所述混合物的所述预测压力与所述实际压力的比较过程，来确定所述喷射装置是否在正确地起作用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一流体是空气，而所述第二流体是水。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述混合物的实际压力的步骤包括，从安装在所述喷射装置上的压力传感器中获得读数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经验公式是包括评经验地导出的参数的线性方程式。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定步骤包括，基于所述混合物的实际压力偏离所述预测压力的偏差而推导出静态误差状态，并在预选定的时间间隔上基于所述静态误差状态的值而推导出动态误差状态。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从所述第一和第二输入压力以及所述混合物实际压力的测量值中推导出所述经验公式的参数的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述推导步骤包括，执行回归的最小二乘方分析，以便使所述第一和第二输入压力以及所述混合物实际压力的测量值与所述经验公式相匹配。

8.一种喷射系统，包括：

喷射装置，其至少具有用于第一流体的第一入口和用于第二流体的第二入口，用于使所述第一和第二流体混合而在所述喷射装置内部形成混合物的内部混合室，以及喷嘴端，所述喷嘴端具有用于排放所述混合物以形成喷雾的孔；

连接在所述喷射装置上的混合物传感器，其用于测量所述喷射装置中的混合物的实际混合物压力；

第一输入传感器，其用于测量进入所述喷射装置中的第一流体的压力；

第二输入传感器，其用于测量进入所述喷射装置中的第二流体的压力；

用于监测所述喷射装置性能的控制器，所述控制器连接在所述混合物传感器以及所述第一和第二输入传感器上，用于接收表示所述混合物和所述第一及第二流体的测量压力的读数，所述控制器被编程，以便基于经验公式从所述混合物和所述第一及第二流体的测量压力中计算出预测的混合物压力，并采用所述预测的混合物压力和所述实际的混合物压力来执行比较过程，以确定所述喷射装置是否在正确地起作用。

9.根据权利要求8所述的喷射系统，其特征在于，所述混合物传感器安装在所述喷射装置上。

10.根据权利要求8所述的喷射系统，其特征在于，所述第一流体是空气，而所述第二流体是水。

11.根据权利要求8所述的喷射系统，其特征在于，所述经验公式是包括凭经验地推导出的参数的线性方程式。

12.根据权利要求11所述的喷射系统，其特征在于，所述控制器还被编程，以便从所述第一和第二输入压力以及所述实际混合物压力的测量值中推导出所述经验公式的参数。

13.根据权利要求12所述的喷射系统，其特征在于，由所述控制器执行的比较过程包括，基于所述实际的混合物压力偏离所述预测压力的偏差而推导出静态误差状态，并在预选定的时间间隔上基于所述静态误差状态的值而推导出动态误差状态。

14.一种喷射装置，包括：

用于接受第一流体的第一入口；

用于接受第二流体的第二入口；

所述第一及第二流体在其中进行混合而形成混合物的混合室；

喷嘴端，其具有用于排放所述混合物以形成喷雾的孔；和

安装在喷射装置上、并设置成可检测所述混合物压力的压力传感器。

15.根据权利要求14所述的喷射装置，其特征在于，所述喷射装置包括将所述混合室连接到所述喷嘴端上的管道，其中，所述压力传感器安装在所述管道上。