用于控制通过阀的流体流动的方法与流程

本发明涉及一种用于控制通过布置在流体流动系统中的阀的流体流动的方法。

背景技术：

为了提高流体流动系统的能量效率，需要测量和调节流体的流动。通过测量、控制和调节例如加热或冷却系统中的流量，测量和调节通过系统交换以加热或冷却建筑物的能量的量。通过许多阀(即，通过改变阀的开放度)来调节流体的流动。阀通常由系统控制器控制，该系统控制器确定通过系统的期望流量。系统控制器可以是或构成建筑物管理系统、房间控制器等的一部分。在流体流动系统包括至少一个流动传感器的情况下，系统控制器可以从测量流体流动的流动传感器接收当前的流体流动值，并且基于所测量的值和期望的流体流动来控制系统中的阀。流动传感器具有可以被准确测量的不同的流量范围。能够以高精度测量低流速的那些流动传感器相当昂贵，并且可能显著地增加流体流动系统的成本。另一方面，控制器需要准确的流体流动值，以便适当地控制阀。

us2016/0054741a1公开了一种方法，该方法用于控制hvac系统中的阀的开放，以调节通过hvac系统的热能交换器的流体的流量，并由此调节由热能交换器交换的能量的量。

技术实现要素：

本发明的实施例的目的是提供如下方法：该方法用于以准确的方式控制通过布置在流体流动系统中的阀的流体流动，而不增加流体流动系统的制造成本。

根据第一方面，本发明提供了一种用于控制通过布置在流体流动系统中的阀的流体流动的方法，所述阀包括阀座和阀元件，所述阀元件能够相对于所述阀座移动，所述阀的开放度由所述阀座与所述阀元件之间的相对位置确定，所述流体流动系统还具有布置在其中的流动传感器，所述方法包括以下步骤：

-借助于所述流动传感器测量流速qm，所测量的流速qm具有相应的开放度

-比较所测量的流速qm和预定的流速阈值qt；

-在qm＜qt的情况下，通过执行以下步骤来执行对所述流动传感器的校准：

在借助于所述流动传感器测量所述流速的同时，改变所述阀的开放度，

基于改变所述开放度期间对所述流速的测量，建立实际流速与所述阀的开放度之间的关系，

基于所建立的关系确定校正量c；以及

-基于借助于所述流动传感器执行的、通过所述校正量进行校正的流速测量来控制所述阀的开放度。

因此，本发明的第一方面提供了一种用于响应于通过流动传感器获得的流速的测量来控制通过阀的流体流动的方法。对于低于预定阈值的流速，该方法执行校准并因此校正所测量的值，从容确保准确的系统操作。

流体流动系统可以是加热、冷却或处理系统，诸如包括多个散热器、地板加热系统、热水分流站等的系统。在这样的系统中，压力和流速可能波动，从而降低系统的能量效率。

安装在系统中的阀可以是任何类型的阀，诸如压力控制阀、流动控制阀、不依赖压力的控制阀等。它可以安装在流动系统中的任何相关位置，以确保期望的系统操作。许多阀可以安装在系统中，并通过本文所述的方法进行控制。

阀座应理解为传统的阀座，例如具有圆形形状并且表示阀的位于阀内部并且在入口和出口之间的固定部件。

阀元件以如下方式安装：使得它能够相对于阀座移动，即，它可以朝向和远离阀座移动，从而改变通过阀的流速。替代性地，阀座能够相对于阀元件移动，从而产生相同的效果。阀元件的更靠近阀座的部分可以具有与阀座的形状相对应的形状，使得它可以进入或邻接阀座。

阀元件相对于阀座的相对位置限定了阀的开放度。开放度确定了通过阀的流体流动。通过将阀元件朝向阀座移动，开放度减小，从而减少了通过阀的流体流动。当阀元件进入或邻接阀座时，阀关闭并且防止了流体流过阀。类似地，通过将阀元件远离阀座移动，开放度增加，从而增加了通过阀的流体流动。

流动传感器布置在流体流动系统中，并且用于测量流体流动系统中放置流体传感器的部分的瞬时流速。例如，流动传感器可以布置在阀的流体入口或流体出口处。在这种情况下，流动传感器提供对通过阀的流体流动的直接测量。作为替代方案，流动传感器可以放置在流体流动系统的其他部分中。在这种情况下，流动传感器提供对通过阀的流体流动的间接测量。流动传感器可以测量在系统中流动的液体、气体或液体和气体的混合物的线性、非线性、质量或体积流速。流动传感器可以具有其自身的动态范围；在该范围内，它可以准确地测量流速。根据使用流动传感器的系统，流动传感器可以具有不同类型和设计，诸如涡轮流动传感器、电磁流动传感器、热质量流动传感器等。

在根据本发明第一方面的方法中，借助于流动传感器测量流速qm。qm表示在测量时通过流动系统中放置流动传感器的部分的流体流的速。根据系统内的流动传感器的位置，qm可以表示通过阀的流速或者在任何时间点并且针对阀的任何开放度在系统的任何其他点处的流速。所测量的流速值qm取决于相应的开放度并且取决于主导的操作条件，诸如在流体流动系统的放置流体传感器的部分中主导的压力和温度。通常，当阀的开放度改变时，流速也会改变。

如上所述，流动传感器具有不同的流动测量范围；在该范围内，流速以良好的精度被测量。一些流速传感器具有预定的流速下限阈值qt；如果低于该阈值，则流速测量值可能不准确且不可靠。对于低成本的流动传感器来说尤其如此。对于这样的流动传感器，如果所测量的流速低于阈值，则需要对所测量的值进行校正以获得与“正确”流速匹配的精确值，从而可以用作用于控制器的输入，该控制器用于控制所述阀。

因此，将所测量的流速qm与表示上述类型的下限阈值的阈值qt进行比较。该比较可以在流动传感器内执行，该流动传感器可以包括比较两个值qm和qt的简单电子器件。替代性地，可以借助于控制器例如专用控制器或用于控制阀和/或流体流动系统的控制器来执行该比较。如果该比较表明qm＞qt，则可以将测量值发送到控制器，该控制器可以是设置系统最佳地和有效地运行所需的期望或最佳流速的控制器。这将在下面进一步详细描述。如果qm＜qt，则表明流动传感器在不可靠的测量区域中操作。因此，流动传感器进入校准模式；在该校准模式期间，所测量的流速被校正，以匹配正确的流速。

校准的第一步是改变阀的开放度。阀的开放度可以逐步改变，并且对于每个开放度，流速传感器可以测量流速。可以通过至少一个致动器来执行对阀的开放度的改变。致动器可以是阀的一部分，并且可以与具有关于最佳流速的信息的控制器连接。替代性地，致动器可以包括控制器。

下一个校准步骤是建立实际流速与阀的开放度之间的关系。在本上下文中，术语“实际流速”应该被解释为意指在流体流动系统的放置流体传感器的部分中流动的流体的真实物理流速。在流速处于流动传感器以可靠的方式操作的水平的情况下，可以假设实际流速基本上等于由流动传感器获得的流速测量。然而，当流速低于阈值时，从而在流动传感器不可靠的区域中，实际流速不同于由流动传感器获得的测量。

实际流速与阀的开放度之间的关系基于改变开放度期间的流速测量而建立，从而基于可以预期在高于预定阈值的范围(即，在流动传感器的可靠区域)内执行的测量而建立。因此，在给定的操作条件下，可以以这种方式获得阀的开放度与实际流速之间的可靠关系。

最后的校准步骤是基于所建立的实际(即，正确的)流速与阀的开放度之间的关系来确定校正量c，以获得高于阈值的值。校正量c反映了在给定的操作条件下由流动传感器测量的实际流速和流速值之间的差异。因此，校正量c表示如下所述的值：所测量的流速值需要利用该值来进行校正，以便获得实际流速的值，该值可以用作阀的控制回路的输入。

最后，在完成校准之后，控制阀的开放度，从而可以获得期望的流速。该控制是基于流速测量而执行的，该流速测量是在低于预定阈值的范围内借助于流动传感器执行的并且通过校正量c进行校正。所述控制是由控制器执行的，该控制由准确的流速值(即，所获得的由校正量进行校正的流速)提供。

因此，根据本发明的第一方面，基于在流体流动系统中测量的流速来控制通过阀的流体流动。只要所测量的流速高于阈值qt，并且因此由流动传感器执行的测量被假设是可靠的，那么所测量的流速值就简单地用作控制回路的输入。然而，当所测量的流速低于阈值qt并且因此由流动传感器执行的测量被假设为不可靠的时，在被提供给阀的控制回路之前，以上述方式通过校正量c校正所测量的流速值。这样，确保输入到阀的控制回路的流速对应于整个相关流速范围内流动传感器的位置处的实际流速，而不管是否进入流动传感器的不可靠范围。这样，可以在整个流速范围内获得对阀的准确控制，而不需要昂贵类型的流速传感器，该流速传感器能够在整个流速范围内提供可靠的流速测量。

该方法还可以包括以下步骤：当自从启动先前的校准步骤以来已经经过了预定的时间间隔δt时，重复校准步骤，并且重复该校准步骤直到qm≥qt。在确定了校正量之后，可以通过流动传感器连续地测量流速，并且在预定的时间间隔δt之后，可以再次将该流速与预定阈值进行比较。对于不同的流体流动系统，预定义的时间间隔可以是不同的。它可以手动设置，或者可以由流动传感器设置。可以采用诸如5分钟、10分钟、15分钟等的值。通过以规则的短时间间隔重复校准步骤，确保了即使操作条件诸如压力和/或温度条件改变或者如果流动传感器或阀发生漂移，对流动传感器的校准也保持准确。

可以通过增加阀的开放度直到由流动传感器测量的流速qm至少等于qt来执行改变阀的开放度的步骤。通过增加阀的开放度，流速自动增加。当流速达到至少阈值时，执行准确测量并且流速与开放度之间的准确关系可以被建立并且用于校正在阈值以下测量的流速。

改变开放度的步骤可以通过多次增加阀的开放度来执行，其中，大于并且其中，对应于至少等于qt的流速。通过在高于阈值的区域中获得多个“流速-开放度”组，校正量c以更高的精度被确定，因此所校正的流速将更加接近“正确”值。

该方法还可以包括将阀的开放度设定回到操作开放度的步骤，该步骤是在校准步骤之后执行的。操作开放度应该被理解为阀在校准步骤开始之前阀具有的开放度。也就是说，流体流动系统被带回到其在校准模式之外由控制器设定的原始阶段。这通常将会是导致低于阈值qt的流速(从而在流动传感器的不可靠范围内的流速)的开放度。

建立实际流速与阀的开放度之间的关系的步骤可以基于阀的阀特征函数该函数可以在制造阀时确定，以描述阀在系统内的行为。它可以由制造商提供和/或它可以凭经验确定。

阀特征函数f可以定义流速q与阀的开放度之间的线性关系。在这种情况下，可以通过从流动传感器的可靠范围内测量的值进行内插来获得对在阈值以下所测量的流速的校准。阀特征函数可以用于确定校正量。

校正量c可以是qm的函数。该函数可以是线性函数或非线性函数中的任一种。如果校正量是线性函数，则在阈值以下的范围内所测量的流速将简单地被按比例放大或缩小，以获得更准确的值。在校正量是非线性函数的情况下，所测量的流速和准确的流速之间的关系将会更加复杂。为了确定非线性校正函数，首先需要确定在不同的操作条件下的阀特征。

校正量c可以是从查找表获得的，并且与阈值以上区域中所测量的流速和阀的相应开放度结合。查找表可以在安装阀时建立，或者可以代表制造设置。还可以使用更精确的流动传感器来建立查找表，该传感器相当昂贵并且将会仅用于系统表征，而不用于标准用途。只要知道阀特征、查找表以及在阈值以上范围内的一个或多个测量值，就可以获得校正量。

在一个实施例中，该方法还可以包括以下步骤：在比较步骤表明qm≥qt的情况下，基于借助于流动传感器执行的流速测量来控制阀的开放度。根据该实施例，在比较表明由流动传感器测量的流速高于阈值并且由流动传感器执行的流速测量因此可以被假设为可靠的情况下，不执行校准处理，而是将由流动传感器执行的流速测量简单地直接用作阀的控制回路的输入。

根据第二方面，本发明提供了一种流体流动系统，该流体流动系统包括阀、流动传感器和控制器，该控制器构造成执行根据本发明的第一方面的方法。流动传感器可以与控制器通信，该控制器至少响应于流速来控制阀。控制器可以与外部设备(诸如房间控制器)通信，向控制器提供关于例如房间控制器所关联的房间中的温度的输入。由于根据本发明的第二方面的流体流动系统的控制器构造成执行根据本发明的第一方面的方法，所以在上文中参考本发明的第一方面阐述的言论同样适用于此。

流动传感器可以是阀的组成部分。它可以定位在阀入口处、或阀出口处、或者阀内的任何其他合适位置，以便直接测量通过阀的流速。作为替代方案，流动传感器可以定位在流动系统中的任何其他相关点处，测量通过该位置处的系统管道的流速，从而提供对于通过阀的流速的间接测量。

流动传感器可以是可交换的设备。在某些情况下，对系统的要求可以被改变，并且这可能需要具有不同动态范围或不同精度的不同流动传感器。此外，如果流动传感器出现一些故障，则交换流动传感器是最简单的选择，并且可能不会导致流体流动的任何中断。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明，其中，

图1是根据本发明的实施例的方法所控制的阀的剖视图，

图2是根据本发明的实施例的流体流动系统的一部分的示意图，

图3a是示出根据本发明的实施例的流体流动系统中的流速随时间变化的曲线图，

图3b是图3a的曲线图的一部分的放大视图，

图4a至图4c是根据本发明的三个实施例的流体流动系统的示意图，并且

图5是示出根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1是阀100的剖视图，该阀包括阀座101和阀元件102。阀元件102能够相对于阀座101移动，并且阀100的开放度由阀座101与阀元件102之间的相对位置确定。流动通过阀100的流体通过流体入口104进入阀100中，通过在阀座101与阀元件102之间限定的通道，并通过流体出口105离开阀100。阀元件102相对于阀座101的位置确定通道的大小，从而确定阀100的开放度。

阀100还包括布置在流体入口104处的流动传感器103。然而，应该理解的是，流动传感器103可以替代性地布置在流体出口105处，或者沿着通过阀100的流动路径布置在其他合适的位置处。因此，流动传感器103能够直接测量通过阀100的流体的流速。

阀100还包括致动器106。该致动器与流动传感器103通信，并且响应于由流动传感器103执行的流速测量，通过控制阀元件102相对于阀座101的运动来控制阀100的开放度。这是根据本发明的实施例的方法获得的，并且基本上如上所述。因此，将由流动传感器103测量的流速与阈值进行比较。如果所测量的流速低于阈值，则由流动传感器103执行的测量预期是不可靠的。如果所测量的流速高于阈值，则将所测量的流速值简单地提供给致动器106，并且基于它来控制通过阀100的流体流动，例如使用反馈控制回路，基于提供通过阀100的期望流体流动的设定点值。

然而，如果所测量的流速低于阈值，则由流动传感器103执行的测量被认为是不可靠的，并且启动校准过程。在该校准过程中，阀100的开放度被改变，优选地增加到足以使流动传感器103的位置处的流速进入流动传感器103的可靠范围内。在此期间，基于流动传感器103在其可靠范围内执行的测量，建立流动传感器103的位置处的实际流速与阀100的开放度之间的关系。由于该关系是基于实际测量获得的，所以它反映了主导的操作条件，包括主导的压力和/或温度条件。然后，基于该关系确定校正量c，该校正量c对应于由流动传感器103在不可靠范围内执行的流速测量与真实的实际流速之间的差异。一旦已经获得校正量c，致动器106就基于由流动传感器103执行的、通过校正量c校正的测量来控制阀100。

这样，在整个流速范围内获得对阀100的准确控制，而不需要能够同样在低流速下提供准确的测量的昂贵的流动传感器。

图2是根据本发明的实施例的流体流动系统的一部分的示意图，包括阀100、流动传感器103、致动器106和系统控制器201。在该实施例中，流动传感器103在流体进入/离开阀100之前或之后立即测量流速。致动器106响应由流动传感器103执行的流速测量来控制阀100的开放度。如果流动传感器103测量到低于其阈值的流速，则如以上参照图1所描述的，它将进入校准模式，并将指示致动器106增加阀100的开放度，以便测量到高于阈值的流速并使用它们来确定对在阈值以下所测量的流速值的校正量。致动器106还与系统控制器201通信，该系统控制器通过致动器106并且基于系统最佳地运行所需的期望流速来控制阀100。

图3a是示出根据本发明的实施例的流体流动系统中的流速随着时间变化的曲线图。图3a的曲线图可以例如借助于图1或图2所示的流动传感器103获得。流速q由流动传感器测量。它随着时间t而变化，并且在t1时间点下降到流动传感器的阈值qt以下。如上所述，预期流动传感器在低于阈值qt的流速下不可靠地操作。

因此，如上所述，当流动传感器检测到低于阈值qt的流速时，它进入校准模式。这也将在下面参考图3b进一步详细描述。流速保持低于阈值qt，直到t2时间点。因此，从t＝t1直到t＝t2，基于所测量的流速来控制阀，其中，所测量的流速通过在校准过程中获得的校正量进行校正。

图3b是图3a的曲线图在t＝t1和t＝t2之间的部分的放大视图。校准的第一步是增加阀100的开放度，使得流速达到至少等于阈值qt的值。在图3b中，第一峰值q1表示略大于阈值的流速。在此期间，建立阀的开放度与实际流速之间的关系，该实际流速是由流动传感器测量的高于阈值qt的流速。以这种方式建立的关系也考虑了主导的操作条件，诸如主导的压力和温度条件。因此，所建立的关系提供了关于在特定的开放度下并且在主导的操作条件下可以预期的实际流速是多少。

基于q1与其对应的开放度之间所建立的关系来确定校正量c，并且将阀100的开放度设定回到校准模式开始之前的位置，因此流速下降回到q2。通过致动器106执行对阀100的开放度的改变。随后，基于由流动传感器执行的流速测量来控制阀，但是通过校正量c来校正。

每当经过了时间间隔δt时，就重复上述校准过程，直到所测量的流速在时间t2处增加到阈值qt以上并且由流动传感器执行的测量可以再次被认为是可靠的。通过以规则的间隔重复校准过程，确保了即使主导的操作条件改变，校准以及由此应用于所测量的流速值的校正量c也保持反映主导的操作条件。

图4a至图4c是根据本发明的三个实施例的流体流动系统400的示意图。这些流体流动系统400中的每一者都包括主热交换器401，该主热交换器布置成在外部热源(诸如区域加热系统)与流体流动系统400中流动的流体之间执行热交换。每个流体流动系统400还包括多个次级热交换器402，图中示出了两个次级热交换器402。次级热交换器402可以例如呈散热器、地板加热系统等形式。还可以设想的是，次级热交换器402中的一个或更多个次级热交换器与热水龙头相关联。

提供给次级热交换器402中的每一者的流体流动借助于可以有利地受温度控制的阀403而被控制。此外，通过基于初级热交换器401的冷侧的温度的测量被控制的阀404来控制从初级热交换器401朝向次级热交换器402的流体流动。

流体流动系统400还包括根据本发明的实施例的方法而被控制的阀100。阀100可以例如是图1所示的类型。流体流动系统400还包括流动传感器103。

在图4a的流体流动系统400中，阀100布置在流体流动系统400的将初级热交换器401与两个次级热交换器402互连的部分中。因此，在这种情况下，阀100控制朝向两个次级热交换器402的流体流动。此外，流动传感器103布置成与阀100的流体入口直接连接，并且甚至可以形成阀100的一部分。因此，流动传感器103提供对通过阀100的流体的流速的直接测量。

在图4b的流体流动系统400中，阀100也布置在流体流动系统的将初级热交换器401与两个次级热交换器402互连的部分中。然而，在这种情况下，流动传感器103布置在返回管中，即，布置在流体流动系统的使已经通过次级热交换器402中的一者的流体返回的部分中。因此，流动传感器103远离阀100布置，从而它提供对通过阀100的流速的间接测量。

在图4c的流体流动系统400中，阀100取代了控制朝向次级热交换器402中一者的流体流动的受温度控制的阀。相对于控制从初级热交换器401朝向流体流动系统400的其余部分的流体流动的阀404，流动传感器103直接布置在下游。因此，在这种情况下，流动传感器103也提供对通过阀100的流速的间接测量。

图5是示出根据本发明的实施例的用于控制通过阀的流体流动的方法的流程图。该过程在步骤501开始，其中，借助于流动传感器来测量通过阀的流速。在步骤502中，将所测量的流速与阈值进行比较。在所测量的流速高于阈值的情况下，流速被认为在可以假设由流动传感器执行的测量可靠范围内。因此，在这种情况下，该过程前进到步骤503。在步骤503中，由流动传感器测量的流速值被直接发送到阀控制器，并且基于所测量的流速值来控制通过阀的流体流动。该过程进一步返回到步骤501，以继续监测所测量的流速。

在步骤502表明所测量的流速低于阈值的情况下，流速被认为在可以假设由流动传感器执行的测量不可靠范围内。因此，在这种情况下，该过程前进到步骤504。在步骤504中，进入操作的自动校准模式。

在步骤505中，启动对流动传感器的校准，以便建立阀位置(即，阀的开放度)与通过阀的实际流速之间的关系。该校准包括：在步骤506中，打开阀(即，增加开放度)，直到由流动传感器测量的流速高于阈值，从而在由流动传感器执行的测量可靠范围内。在此期间，在步骤507中，借助于流动传感器来测量流速。基于所测量的流速和阀的相应开放度，估计出在主导的操作条件下针对给定开放度的预期实际流速。以这种方式推断该关系，从而可以估计出在低于阈值的范围内开放度与实际流速之间的关系。基于此，获得校正量。

在步骤508中，将阀设定回到操作位置，即，使其返回到由控制器指示的设定，从而使通过阀的流速再次处于低于阈值的不可靠范围内。

在步骤509中，流动传感器再次测量通过阀的流速。在步骤510中，将所测量的流速与阈值进行比较。在所测量的流速高于阈值的情况下，流动传感器的测量被认为在可靠范围内，并且该过程前进到步骤503。

在步骤510表明由流动传感器测量的流速仍然低于阈值的情况下，该过程前进到步骤511。在步骤511中，由流动传感器测量的流速值通过在步骤507中获得的校正量进行校正，并且将所校正的流速值发送到阀控制器，并基于所校正的流速值来控制阀。这样，调节所测量的流速值，以便在将流速值提供给阀控制器之前针对实际流速提供更准确的值。因此，无论流速是在流动传感器的可靠范围还是不可靠范围内，都确保了根据准确的流速值来控制阀。

在步骤512中，考察自从上一次校准以来是否已经经过了δt的时间段。如果不是这种情况，则该过程返回到步骤509，并且使用在先前的校准期间获得的校正量继续控制阀。在步骤512表明自从上一次校准以来已经经过了δt的时间段的情况下，该过程返回到步骤505，以便启动新的校准。这样，获得新的校正量，它考虑了自从先前的校准以来可能已经发生的操作条件的任何变化。