使用监测系统及方法与流程

本发明涉及使用监测系统及方法。具体地，本发明涉及用于监测阀的使用的系统及方法，具体但不排他地，本发明涉及用于控制、装载、排放和/或调节粉末、液体、悬浮液、片剂和/或流体的流动的阀。

诸如分离式蝶阀的阀在许多设计可用，并且广泛用于需要进行产品密闭以防止产品暴露于环境和靠近产品工作的人员的过程中。分离式蝶阀设计允许将阀分离开成两个单元，这两个单元通常称为主动单元和被动单元。该阀设计使得当分离时，两个单元保持任一侧上密封和容纳内容物。

在制药、化学品、生物材料和食品的制造中，有效的密闭对于此类化合物和材料的安全和卫生处理必不可少。在制造过程的每个阶段，均必须控制和管理处理，从而为操作者和保持产品的完整性提供最佳保护。

由于许多新药物成分的效力增加，被处理的材料通常对健康有害。制药和生物制造产品通常在严格控制产品污染的情况下进行制造。这是因为这些产品通常用于人类消费，并且行业受到像美国的食品和药物管理局(foodanddrugadministration，fda)和英国的药品和保健产品监管机构(medicinesandhealthcareproductsregulatoryagency，mhra)这种机构的严格管制。另外，诸如活性药物成分和/或随后稀释的粉末的药物产品，其量可足以伤害操作者的健康。因而，有必要避免操作者与潜在有害材料之间的直接接触。由于对分离阀的主动单元与被动单元之间存在良好密封以防止产品暴露于环境和靠近产品工作的人员的这种严格要求，所以阀的部件在严格条件下进行制造，以确保精确地制造部件的尺寸，从而确保符合严格的公差。

只有使用且适当维护精确制造的阀部件时，才可确保在分离阀的主动单元与被动单元之间以及在阀部件之间存在良好的密封，从而防止产品暴露于环境和靠近产品工作的操作者。分离阀组件中的危险阀故障的主要原因是由于粘弹性阀部件和阀座的过度磨损。这些部件的劣化或降级可由于许多因素或参数，其中，无具体顺序，包括，选择的粘弹性材料及其使用寿命、波动的环境和过程条件、通过阀的产品的物理属性(即，粗糙度、流速、温度)、以及操作员的关注和注意力。目前，难以在小而紧凑的装置中监测这些因素，以帮助确保阀总是以安全的方式操作，并且有效地防止危险故障、使用不当或计划外维护的风险。

本发明的目的是克服或减轻与现有技术中的阀的操作相关的一个或多个问题。

根据本发明，提供了用于监测传输阀或联接器的至少一个可维护部分或部件的使用的设备，该设备包括：数据存储装置，用于存储表示阀或联接器的可维护部分或部件的至少一个属性的数据；

监测装置，用于监测阀或联接器的使用；以及

处理装置，用于将所监测的阀或联接器的使用与阀的可维护部分或部件的至少一个属性进行比较。

优选地，阀或联接器是粉末传输阀。

更优选地，阀或联接器从包括分离式蝶阀、分离式滑动闸阀、分离式球阀、双阀、快速传输端口和αβ端口的组中选取。

在使用中，阀或联接器的使用可包括阀或联接器的打开和/或关闭事件、锁定和/或解锁事件或对接和/或解除对接事件。

优选地，用于监测阀或联接器的使用的监测装置从包括多轴加速度计、旋转编码器和开/关传感器的组中选取。

更优选地，用于监测阀或联接器的使用的监测装置感测阀闭合构件相对于阀壳体的旋转位置。

在使用中，阀或联接器的可维护部分或部件的至少一个属性可包括使用寿命数据。

优选地，用于监测阀或联接器的使用的监测装置位于阀致动器和/或阀闭合构件上。

更优选地，阀致动器包括具有长型轴的可手动操作手柄；该轴的一端的尺寸设置为形成突出部；该轴的另一端的尺寸设置为形成中心毂。

在使用中，中心毂可包括第一面和相对的第二面，第一面用于连接至阀或联接器，第二面对操作者可见。

优选地，中心毂的第一面包括插槽，插槽的尺寸设置为与阀或联接器上的方形插头连接。

更优选地，中心毂限定大致圆形主体，在圆形主体中容纳印刷电路板、电池和液晶显示屏。

在使用中，中心毂可限定密封的、进入保护的外壳。

优选地，数据存储装置和处理装置位于印刷电路板上。

更优选地，数据存储装置和处理装置在低功率微控制器中实施。

在使用中，处理装置可接收唤醒信号，唤醒信号来自用户输入按键、和/或来自用于监测阀或联接器的监测装置、和/或来自嵌入在印刷电路板上或远离印刷电路板的一个或多个传感器。

优选地，处理装置从输入刺激接收唤醒信号，输入刺激包括由用于监测阀或联接器的监测装置检测到的旋转、脉冲、冲击、撞击和/或振动。

更优选地，处理装置实时地或接近实时地确定阀闭合构件的位置。

在使用中，该设备还可包括显示装置，用于通过视听、字母数字和/或触觉信息向操作者显示至少一个输出信号。

优选地，至少一个输出信号从包括监测的阀或联接器的使用、表示阀或联接器的可维护部分或部件的至少一个属性的数据、更换或维护阀或联接器的一个或多个可维护部分或部件时的日期、以及在阀或联接器附近的一个或多个操作条件的组中选取。

更优选地，在阀或联接器附近的一个或多个操作条件从包括外部/内部温度、光强度、湿度、大气压力、力、转矩、应力和总使用时间的组中选取。

在使用中，可使用一个或多个环境传感器来感测一个或多个操作条件。

优选地，一个或多个环境传感器从包括：光电二极管、光电阻器、光电检测器、电阻温度检测器、热电偶、热敏电阻、压电体、电位计、应变计、空气流量传感器、风力计、麦克风、接近传感器、运动传感器、霍尔效应传感器的组中选取。

更优选地，阀或联接器中的至少一个可维护部分或部件从包括：阀座、阀闭合构件、阀体部分、密封件、弹性o形环、轴套、机械止动销或互锁机构中的任何一个机械部件的组中选取。

在使用中，监测的阀或联接器的使用、表示阀或联接器的可维护部分或部件的至少一个属性的数据、更换或维护阀或联接器的一个或多个可维护部分或部件时的日期、和/或在阀或联接器附近的一个或多个操作条件用于本地或远程访问的显示。

优选地，使用有线或无线通信单元将监测的阀或联接器的使用、表示阀或联接器的可维护部分或部件的至少一个属性的数据、更换或维护阀或联接器的一个或多个可维护部分或部件时的日期、和/或在阀或联接器附近的一个或多个操作条件传输回远程服务器。

更优选地，表示阀或联接器的可维护部分或部件的至少一个属性的数据、和/或更换或维护阀或联接器的一个或多个可维护部分或部件时的日期是用户可配置的。

在使用中，该设备可还包括gps定位模块，gps定位模块记录阀或联接器的位置。

优选地，低功率微控制器包括唯一的产品标识符。

另外，根据本发明，提供监测传输阀或联接器的至少一个可维护部分或部件的使用的方法，该方法包括以下步骤：

存储表示阀或联接器的可维护部分或部件的至少一个属性的数据；

监测阀或联接器的使用；以及

将所监测的阀或联接器的使用与阀的可维护部分或部件的至少一个属性进行比较。

另外，根据本发明，提供自供电单元，该自供电单元定位在阀或联接器的操作致动器上，用于监测传输阀或联接器的至少一个可维护部分或部件的使用，该自供电单元包括：

数据存储装置，用于存储表示阀或联接器的可维护部分或部件的至少一个属性的数据；

监测装置，用于监测阀或联接器的使用；

处理装置，用于将所监测的阀或联接器的使用与阀的可维护部分或部件的至少一个属性进行比较；以及

显示装置，用于显示在粉末传输阀或联接器的至少一个可维护部分或部件上的信息。

另外，还根据本发明提供用于监测传输阀或联接器的至少一个可维护部分或部件的使用的计算机程序产品，该计算机程序产品包括：

用于存储表示阀或联接器的可维护部分或部件的至少一个属性的数据的计算机程序产品装置，；

用于监测阀或联接器的使用的计算机程序产品装置；以及

用于将所监测的阀或联接器的使用与阀的可维护部分或部件的至少一个属性进行比较的计算机程序产品装置。

相信根据本发明的使用监测系统及方法至少解决了上述提及的问题。本发明的优点在于提供一种系统和方法，其确保准确地监测阀的使用(即，每次致动)，并且将所测量的使用信息与所存储的属性数据进行比较，属性数据可包括阀的各种部件的使用寿命数据。向操作员显示使用信息有利地减少了阀部件和阀座发生危险故障，并因而减少了计划停机时间和阀部件的不可预见的故障。有利地，监视阀并且在需要维护时提供指导的使用监测系统及方法会降低阀变得不安全或危险或不能正确操作的可能。

对本领域技术人员来说显而易见的是，本发明的变型是可能的，并且意在指本发明可不同于本文的具体描述进行使用。

现在将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的具体非限制性实施方式，在附图中：

图1是在根据本发明的用于手动操作阀的阀致动手柄中体现本发明的侧剖视立体图；

图2示出了在图1中所示的阀致动手柄的分解图；

图3和图4示出了如何将图1和图2的阀致动手柄连接至用于手动操作的阀或联接器；以及

图5是示出如何在微控制器中实施本发明的高级示意图。

现参考附图，在图1和图2中示出了用于向阀或联接器的操作者提供使用信息的系统。图1和图2示出了如何在用于手动操作分离阀组件的阀致动手柄10中实现本发明。本领域技术人员应理解的是，本发明不只限于前述实施方式的细节。例如，可手动操作手柄10可用不同的、诸如气动、电动或其他的动力致动器来替代，并且这种监测的使用可在维护或更换上提供指导。

如图1中所示，阀致动手柄10形成为具有实心手柄轴件或臂件22；实心手柄轴件或臂件22的一端形成突出部24。手柄轴件或臂件22的另一端固定至毂20，毂20形成为整体机器加工件。如图1中最佳地示出，毂20的后面，即，与分离阀组件50接触放置的面，限定插槽48，如图3中最佳地示出，插槽48的尺寸设置成与分离阀组件50上的方形插头52连接。

毂20的前面，即，对操作者可见的面，大致为圆形。

如图2中最佳地示出，毂20包括大致环形的壳体36，印刷电路板(pcb)30和动力源或电池32经由安装螺钉34固定至壳体36中。彩色液晶显示屏(lcd)38定位在壳体36中的孔内，与pcb30相对。然后，将彩色lcd显示屏38固定在屏幕子组件40中，屏幕子组件40包括保护性透明屏幕或窗口42和操作或功能按键44，保护性透明屏幕或窗口42位于屏幕子组件40的中心处，操作或功能按键44围绕屏幕子组件40的半径进行定位，以便于接近。按键44包括电源开/关按键、待机按键和/或一个或多个功能按键。

由于阀致动手柄10旨在在包括容纳、调节和控制有害粉末、灰尘、颗粒和半固体材料的、对环境有挑战的条件中使用，所以使用组装螺钉46和内部o形环密封件28将壳体36和屏幕子组件40固定在一起，其中，组装螺钉46和内部o形环密封件28抵靠周向密封件26将壳体36和屏幕子组件40固定至毂20。为了向阀或联接器的操作者提供使用信息，如在图5中最佳示意性的示出和详细描述，pcb30包括各种硬件、软件、传感器和部件。

图1和图2示出了如何在用于手动操作阀或联接器的阀致动手柄10中实现本发明，并具体是用于容纳、调节和控制有害粉末、灰尘、颗粒和半固体材料的分离阀组件50。如在图3和图4中所示，在使用中，毂20的后表面，即，与分离阀组件50接触放置的面，包括插槽48，该插槽48的尺寸适于与分离阀组件50上的方插头52连接。阀致动手柄10的操作者旋转控制分离阀组件50内的相应枢转安装的阀闭合构件(未示出)。

在替代实施方式中，随着阀致动手柄10可在毂20的主体内旋转以旋转插槽48，毂20会固定至分离阀组件50。以这种方式，将lcd显示屏38以及围绕屏幕子组件40的半径定位的操作按键和/或功能按键44定位在对于用户的固定方位。

如图3和图4中所示，分离阀组件50包括两个阀部分：上部被动阀部分56和下部主动阀部分54。被动阀部分56限定阀壳体57，阀壳体57的形状大致为环形。主动阀部分54限定阀壳体55，阀壳体55的形状也大致为环形。两个阀部分54、56互补地成形，使得一个阀部分可与另一阀部分密封地接合并配合，从而允许材料经由两个阀部分54、56之间移动。尽管未在图3和图4中示出，但是每个阀部分均包括枢转地安装在壳体55、壳体57内的阀闭合构件。每个阀闭合构件均是环形盘的形式，并且每个阀闭合构件均设置有主轴，每个阀闭合构件均可通过主轴枢转地旋转。

尽管未在图3和图4中示出，但是下部主动阀部分54的主轴连接至插端52，或与插端52整体地形成。因而，通过插端52的旋转来移动主轴的旋转。上部被动阀部分56的主轴连接至插端52。机械安全联锁确保分离阀组件50的安全操作。当两个阀部分正确对接时，主动阀部分54上的机械联锁销60释放主动阀部分54上的成型释放销62，这会允许通过插端52的旋转而打开阀盘。

阀闭合构件位于限定在阀壳体55、阀壳体57内部的环形阀座(未示出)上。阀座可弹性变形，并且大体位于用于接纳阀座的相应凹部中，在使用中，该相应凹部适于倚靠阀壳体55、阀壳体57的实心部分进行接合。

阀闭合构件适于可枢转90°或更大，因而，当阀闭合构件处于完全打开的位置时，阀闭合构件的面的轮廓与阀壳体55、阀壳体57的通孔的轮廓相对应，从而对流体或其它材料的流动提供最小的限制。

图3和图4还示出了分离阀组件50的两个阀部分54、56能够经由手柄58的旋转而进行锁定和解锁。这只能当分离阀组件50处于关闭配置时进行。

分离阀组件50的两个阀部分54、56可安装在用于容纳材料的容器(未示出)、用于输送材料的、诸如软管的输送装置和/或本领域已知的其它工艺设备上。用于安装阀部分的方式可包括本领域已知的任何方式，例如螺纹、过盈配合、卡口连接等。替代地，阀部分54、阀部分56可与容器或输送装置一体地形成。

尽管前面描述了如何在用于手动操作阀或联接器，具体为分离式蝶阀组件50的阀致动手柄10中实现本发明，但是本领域技术人员应理解的是，本发明可以以任何方式的传输阀或联接器实施，例如分离式滑动闸阀、分离式球阀、双阀、快速转移端口和αβ端口。

图5是示出如何在包括低功率微控制器100的小型自供电单元中实施用于向阀或联接器的操作者提供使用信息的系统和方法的示意图。如图5中所示，微控制器100接收大体在该图的右手侧指明的多个输入。

微控制器100可视为具有处理器、存储器和周边设备的独立系统，并且微控制器100可用于通过大体在该图的左手侧中大体指明的多个输出，监测并向操作者提供使用信息。

图5是示意图，并且为了帮助说明，许多其它电路元件并未示出。例如，尽管未在图5中示出，但是从嵌入在打印机电路板30上的一个或多个环境传感器104接收的模拟信号首先通过本领域中可用的、任何合适类型的模数转换器(adc)转换成数字形式。同样，微处理器100的一个或多个数字输出可使用本领域中可用的、任何形式的数模转换器(dac)转换成模拟形式。例如，这样的模拟输出信号可用于为听觉输出116供能。

在操作中，将微控制器100中以软件编写的一组指令或算法配置成为微控制器100编程。包括处理器、存储器和周边设备的微控制器100首先被置于低功率待机模式，等待唤醒信号。可从用户输入按键102和/或从嵌入在打印机电路板30上的一个或多个环境传感器104和/或从一个或多个设备传感器106接收唤醒信号。在微控制器100最基本的操作模式中，其可通过操作者按压位于屏幕子组件40上的开/关或待机按键102，而由待机模式被有效地唤醒。

另外或替代地，可通过操作者简单地抓握手柄轴件22或突出部24，或通过感测操作者接近分离阀组件50，而从低功率待机模式有效地唤醒微控制器100。在优选实施方式中，位于印刷电路板30上的设备传感器106中的一个是位置传感器，其感测手柄22相对于分离阀组件50的旋转位置。在使用中，位置传感器是三轴加速度计，并且三轴加速度计接受包括旋转、脉冲、冲击、撞击和/或振动的小输入激励，从而首先唤醒微控制器100。技术人员应理解的是，位置传感器还可使用诸如六轴加速度计的其他多轴加速度计或通过使用旋转光学编码器或开/关传感器以及开关来实现。

然后，当微控制器100已被唤醒时，其感测三轴加速度计的输出来确定阀致动手柄10的旋转的定向和位置。由于阀致动手柄10的位置控制分离阀组件50内枢转安装的阀闭合构件的位置，因而微控制器100能够实时或接近实时地确定分离阀组件50内部枢转安装的阀闭合构件的位置。

微控制器100能够实时或接近实时地确定分离阀组件50内部枢转安装的阀闭合构件的位置，从而可检测和记录阀闭合构件在完全打开(其中枢转安装的阀闭合构件对流体或其它材料的流动产生最小限制)与完全关闭(其中枢转安装的阀闭合构件垂直于它们各自的阀座)之间的位置。

在微控制器100的最基本操作模式中，微控制器100可简单地将分离阀组件50在完全打开配置与完全关闭配置之间的致动，或在完全关闭配置与完全打开配置之间的致动，记录为一个致动事件。在本实施方式中，存储在微控制器100中的、阀的使用数据会在阀每次完全打开或完全关闭时递增1。替代地，仅将阀闭合构件相对于阀座的每次独立闭合(当粘弹性阀部件和阀座以相对于阀壳体的平面90°接触时)作为致动事件计数，并且不记录阀闭合构件在部分打开时，即低于或高于90°时所产生的角度。

显示屏118可用于向操作者显示存储的阀的使用数据和/或可包括至视觉显示单元118的输出信号中的一个或任何组合，诸如听觉输出或警报116或触觉反馈114的一些形式。

对于该示例，显示屏可用于显示阀已打开或关闭的次数，并且还显示诸如使用寿命数据或最后一个或多个阀部件被更换的时间等的额外信息。

由于阀的每次打开和关闭均被监测并存储在本地存储器中，所以阀的这一使用数据还可用于向操作者提供关于何时应当更换或维护密封件和其他性能临界部件的建议或指导，或同样地限制阀的操作或致动，以确保在安全操作限制内调整和/或使用。还可在例如发生故障状况之后检查该使用数据，以帮助在法庭上确定故障的原因。

本领域技术人员会理解的是，当操作阀组件50以控制、装载、排放和/或调节液体、悬浮液、片剂和/或有害流体以及潜在地威胁生命的药物粉剂和粉末的流动时，必须在阀闭合构件与每个阀部分54、56上的阀座之间形成良好密封。这在实践中通过以安全和规定的方式操作阀组件以及不超过阀的性能临界和/或可维护部分或部件的使用寿命数据来实现。

如上所述，微控制器100确定阀自阀座(或其它性能关键元件)已经检查或更换以后已经历的循环次数，并且将确定的循环次数与存储的性能关键元件的使用寿命数据进行比较。

该系统和方法使用存储的性能关键元件的使用寿命数据作为指导，向操作者提供关于何时应当在小的自供电单元中更换性能关键元件的信息和指导。

本发明还能够提供一种乃至更可靠和鲁棒的系统和方法，该系统和方法通过额外考虑由于环境(例如，温度、光、湿度、压力)条件和过程(例如，粉末类型和粗糙度、流速)条件导致的内部因素或外部因素，监测阀的使用。因此，当确定阀使用信息时，还可以考虑到阀附近的这些一个或多个操作条件。

因此，本发明的系统和方法通过同样考虑上述外部因素或操作条件中的一个或多个来为给定的阀或联接器提供精确的使用数据。性能关键元件的劣化或降级会由许多因素或参数导致，这些因素或参数包括例如改变环境和过程条件、穿过阀的产品的实际物理属性、以及操作员的关注和注意力。所有这些因素都会影响阀或联接器的可接受的和安全的使用期限。

微控制器100记录阀已经使用的总时间和阀已经暴露于其中的温度。这些可从嵌入在打印机电路板30上的一个或多个环境传感器104或定位成远离打印机电路板30但在阀附近的一个或多个环境传感器104接收。还监测和存储操作者通过按键44(或通过任何其他输入/输出装置)与设备的交互。

除了微控制器100基于所测量的阀使用与存储的使用寿命数据的比较来输出至少一个操作者信号之外，还设想到的是该信息可存储在本地存储器中，以用于进一步的本地或远程分析。可使用通信单元112本地访问该信息和/或将该信息传输回至中央服务器(未示出)，通信单元112可以是合适的有线或无线通信协议，包括例如蓝牙、无线个域网(zigbee)、或通过蜂窝网络。

捕获的信息可从微控制器100传输至中央web服务器或专用web服务器或启用web的设备。虽然数据传输可经由有线网络进行，但是在优选实施方式中，数据传输在无线网络上进行，无线网络在降低成本和较快安装方面具有优势。以这种方式，一个或多个适当授权的用户可访问从分离阀组件50所获得的捕获的信息，并且还可添加定制功能而无需制造商的介入。

本领域技术人员还可以设想到的是，本发明可设置在多个独立单元中，从而监测位于整个生产线或设施中的多个阀或联接器。然后，由于每个节点仅需要传输直到下一节点，所以每个通信单元112均可配置为提供非常鲁棒的网络的、无线网状网络系统的节点。节点充当路由器，以将数据从附近的节点传输至过远而不能在单跳中到达的对等点，以使得网络可覆盖更大的距离。

期望的是无线网络具有低功耗，从而使得能够在电池更换之间进行几年的操作。

作为上文所描述的无线网络的替代，数据的传输可在wifi网络上进行。

还设想到的是，微控制器100还可包括或其中已嵌入有gps定位模块108以及其他环境传感器，其中，gps定位模块108记录阀组件50的实际位置，其他环境传感器记录诸如外部/内部温度、光强度、湿度、大气压力、力测量和操作时间110的条件。这些参数可存储在本地存储器中，并使用通信单元112传输回至中央服务器(未示出)。

另外，通过测量阀组件50的环境条件，例如，阀组件50是否受到来自过程的压力、溶剂的过度振动或过度冲击，是否受到来自周围设备的过大的力等，然后，这样的信息也可与使用信息一起使用，以预测和防止关键故障或计划外的维护。

该设备由电池供电，并对环境密封(即，进入保护)，且在危险和/或潜在爆炸性环境(例如，atex等级)中安全使用。微控制器100利用低功率组件，以使得该系统设计为提供长的电池寿命。

在不背离本发明的范围的情况下，可对本发明进行各种改变和修改。例如，尽管具体实施方式涉及在分离阀组件上实施本发明，但这决不是限制性的，在使用中，本发明可在需要使用信息的任何机器或设备中实施。本发明不限于前述实施方式的细节。例如，可手动操作手柄可用不同的致动器(例如气动、电气或其它)替代，然后也可感测这些致动器的状态以提供用于维护或使用的指导。