专利名称：流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种容积式流体流量计。更明确地说，本发明涉及一种包括光学传感器的齿轮式流量计、和这样的装置的使用方法。
背景技术：
容积式流体测量系统可用于测量流体流量或体积。例如，分配系统可使用来自容积式流体流量计的反馈来控制分配的流体的体积。这样的控制系统可用于代替时间控制， 以更准确地分配精确量的流体。一种类型的容积式流体测量系统是齿轮式流量计，例如椭圆齿轮式或瓣轮式流量计。传统椭圆齿轮式流量计提供定位在椭圆齿轮腔室内的一对椭圆齿轮，使得齿轮一致地转动。瓣轮式流量计在腔室内提供一对瓣轮元件，这对瓣轮元件互锁并且绕相应轴线转动。 在每一种情况下，流体通过流体进口进入腔室，并且使齿轮转动，允许流体绕过齿轮通到在精确测量袋仓(pockets)内的流体出口。在椭圆齿轮式流量计中，将袋仓限定在转动的椭圆齿轮与腔室内壁之间。在瓣轮式流量计中，在瓣轮之间的空间提供袋仓。理想地，在每一种情况下，被计量的流体不直接在齿轮本身之间通过，使得在每转期间离开腔室的流体体积是已知的。因而通过测量齿轮的转数，可测量通过齿轮式流量计的流体流的体积。同样由齿轮转动的速度可确定流量。为了测量齿轮转动，齿轮式流量计常常包括附加的齿轮。例如，椭圆齿轮式流量计可包括计时齿轮系统，这些计时齿轮系统布置在腔室的外部，以将椭圆齿轮的转数转化成适当信号。利用计时齿轮系统的椭圆齿轮式和其它容积式流量计具有如下缺点齿轮腔室的盖必须包括用于轴的一个或多个轴孔，这些轴将齿轮联接到外部计时齿轮上。流体泄漏可通过这些轴孔发生，这会降低测量精度和浪费流体产品。共同拥有的美国专利申请公报No. 2008/0202255A1描述了一种包括磁性传感器的椭圆齿轮式流量计，该磁性传感器用于根据在椭圆齿轮中的至少一个椭圆齿轮内安装的永久磁体来测量椭圆齿轮的转动。这样一种系统通过提供穿过大体密封腔的磁性转动检测，解决了在椭圆齿轮腔室内的开口或孔的问题。然而，情况常常是，磁体必须与流体隔离， 例如当流量计以侵蚀性液体方式使用时。为了将磁体密封在齿轮内要求复杂的机构，这使这样的齿轮昂贵，并且难以小规模地实施。而且，随着计量分辨率提高，磁性齿轮式流量计的强度、尺寸、及使用受到限制。对于非常小的计量分辨率(例如，小于0. 5ml)，由于磁场干扰、磁体尺寸及传感器位置，可妨碍磁性齿轮式流量计的使用。
发明内容
本发明的实施例提供用于测量流体体积的装置和方法。根据某些实施例的装置包括腔室，该腔室具有可转动地安装在其内的一对齿轮。通过腔室的流体流动引起齿轮的转动，使得每转和/或部分转动导致流体的已知体积通过腔室。在腔室外定位的光学传感器，可通过大体透明的腔室壁观测转动的齿轮。光学传感器可观测一个或两个齿轮的光学特性，并且基于这种数据，可确定流体体积、流量、和/或流动方向。在第一方面，本发明的特征在于一种用于测量流体体积和/或流量的流量计。该装置包括壳体，该壳体限定具有流体进口和流体出口的腔室。另外，壳体包括大体透明壁。 一对齿轮安装在该腔室内，使得齿轮可响应通过腔室的流体流动而转动。在某些实施例中， 齿轮可以是椭圆齿轮。一个或多个齿轮在表面上可以具有区别光学特性，通过大体透明壁观测该表面。该装置还包括光学传感器，该光学传感器位于腔室外，并且配置成通过大体透明壁检测区别光学特性。在另一个方面，本发明的特征在于一种用于测量流体体积的方法。该方法可包括提供腔室，该腔室具有流体进口、流体出口、一对齿轮、及大体透明壁。流体进口可与流体源流体连通。光学传感器可以提供在腔室外。流体可以通过腔室分配，使齿轮随着流体从流体进口到流体出口通过腔室而转动。齿轮的转动可以用光学传感器通过腔室的大体透明壁观测。由齿轮进行的转动可以用光学传感器计数。然后基于由齿轮进行转动的数量、和代表每转通过腔室分配的流体体积的已知腔室体积，可计算流体体积。在某些实施例中，这里公开的装置和方法可以提供流体流动体积、流量、和/或方向的精确确定。这里公开的装置和方法还可以允许在优于机械或磁性测量方法的改进精度水平下进行这样的确定。而且，实施例可包括密封腔室，使得大体没有流体泄漏或逸出装置的流体流动路径。而且，某些实施例借助于比其它这样的测量装置少的运动部分而操作，因而降低机械破坏的可能性。另外，供这里公开的实施例和方法使用的齿轮可比在以前装置中使用的齿轮更容易制作。
如下
本发明的具体实施例，并因此不限制本发明的范围。附图没有按比例(除非这样指出)，并且打算与在如下详细描述中的解释一道使用。下文联系附图将描述本发明的实施例，其中，类似附图标记指示类似元件。图1是根据某些实施例的椭圆齿轮式流量计的俯视平面图。图2是根据某些实施例的椭圆齿轮式流量计的侧视剖视图。图3A是根据某些实施例的椭圆齿轮式流量计的示意图，该椭圆齿轮式流量计包括具有不同反射率的齿轮。图:3B是根据某些实施例的代表光学传感器读数的反射率相对于时间的曲线图， 其包括诸如图3A的不同反射率之类的区别光学特性。图4A是根据某些实施例的椭圆齿轮式流量计的示意图，该椭圆齿轮式流量计包括区别标记。图4B是根据某些实施例的代表光学传感器读数的反射率相对于时间的曲线图， 其包括诸如图4A的区别标记之类的区别光学特性。图5A是根据某些实施例的椭圆齿轮式流量计的示意图，该椭圆齿轮式流量计包括指示转动方向的区别标记。图5B是根据某些实施例的代表光学传感器读数的反射率相对于时间的曲线图， 其包括在第一方向上转动的诸如图5A的区别标记之类的区别光学特性。
图5C是根据某些实施例的代表光学传感器读数的反射率相对于时间的曲线图， 其包括在第二方向上转动的诸如图5A的区别标记之类的区别光学特性。图6是用于根据某些实施例的齿轮式流量计的读出电路的示意图。图7用于根据某些实施例的齿轮式流量计的读出电路的示意图。
具体实施例方式如下详细描述在本质上是示范性的，并且不打算以任何方式限制本发明的范围、 适用性或配置。而是，如下描述提供用于实施本发明的示范实施例的实用说明。结构、材料、尺寸、及制造过程的例子为选中元件而提供，并且全部其它元件采用对于本领域的技术人员已知的那些。本领域的技术人员将认识到，提供的例子中的多个例子具有可利用的适当选择例。术语“流体”这里用于标识往往流动或者与其容器的轮廓相符的任何连续物质。所以术语流体包括液体和气体。本发明的特别感兴趣用途是对于液体，特别是在清洗、洗涤、 消毒、冲洗等中使用的液体产品和化学制品。图1和2表示根据某些实施例的椭圆齿轮式流量计100的视图。实施例包括壳体 105，该壳体105限定具有流体进口 115和流体出口 120的腔室110。一对椭圆齿轮125、130 安装在该腔室内，使得它们响应沿着从流体进口 115到流体出口 120的容积式流体路径的流体流动135，绕固定转动轴线1沈、131是可转动的。光学传感器140定位在腔室110夕卜， 并且配置成穿过壳体105的大体透明壁145观测到腔室110中。随着椭圆齿轮125、130在腔室110内转动，光学传感器140检测一个或两个齿轮上的区别光学特性150的交替出现和消失。在某些实施例中，椭圆齿轮式流量计包括评估电子装置155，该评估电子装置155 用于计算齿轮的旋转数量和度数，并且基于这种数值确定通过传感器的流体的体积。按这种方式，在保持密封腔室的同时按高分辨率可确定通过流量计的流体体积和流量。参照图1，描述椭圆齿轮式流量计用于体积流量测量的一般原理。随着齿轮125、 130旋转，它们相对于腔室的内壁扫过和捕获流体160的精确体积或袋仓。因为在齿轮的整个转动中腔室壁与齿轮的长顶点127、132的圆弧相重合，这个袋仓的流体被捕获在腔室壁与齿轮沿齿轮的短轴128、133的表面之间，并且从流体进口 115扫到流体出口 120。而且， 因为椭圆齿轮125、130在它们的整个转动中自始至终相接触，没有流体在齿轮之间通过。 因而，通过这种动作，根据已知袋仓体积，计量流过流体出口的流体体积。然后基于充满和放空袋仓的次数(即，基于齿轮的转数)，可测量总体积和流量。根据本发明的实施例利用椭圆齿轮和其它容积式流量计结合新颖光学计数装置和方法的一般操作原理。因而，本发明的某些部件与在传统椭圆齿轮式其它流量计中存在的部件相对应。相应地，本领域的技术人员将认识到，对于这样的通常部件的各种改进和变更可适用于本发明的实施例，并且应该认为在这些实施例的范围内。现在参照图2，椭圆齿轮式流量计100包括壳体105，以接收流量计的部件。壳体 105限定腔室110，椭圆齿轮125、130驻留在该腔室110内。在某些实施例中，壳体适于接收轮轴165，这些轮轴165为定位而提供，并且允许椭圆齿轮在腔室110内的转动。壳体105 可包括与被计量流体兼容的任何材料。在某些实施例中，壳体包括模制塑料。如以上描述的那样，椭圆齿轮式流量计基于腔室的已知袋仓体积和齿轮的旋转数量和度数，测量流体体积和流量。相应地，椭圆齿轮式流量计的分辨率主要取决于腔室110 的尺寸，并且特别是取决于在短顶点128、133与腔室内壁之间产生的袋仓160的尺寸。袋仓160的尺寸可基于用途宽广地变化。在某些实施例中，袋仓尺寸确定为，使流量计具有小于近似0. 5ml的分辨率。某些实施例可包括改进的分辨率(即，较小袋仓尺寸)，包括比近似0. 2ml或近似0. 05ml小的分辨率或以下的分辨率。有利地，根据本发明的实施例一般不会由于关于以上描述的磁性椭圆齿轮式传感器涉及的制作或实际考虑，在分辨率方面受到限制。壳体105还包括大体透明壁145，该大体透明壁145用于提供对腔室110内部的观测。更明确地说，大体透明壁145应该定向成，提供在腔室110内的转动的椭圆齿轮的观测。具体地说，在椭圆齿轮包括区分光学特性的场合，该特性穿过透明壁应该是可观测的。 例如，在某些实施例中，椭圆齿轮125、130中的一个或更多个的顶部表面1四、134包括区分光学特性。在这样的情况下，大体透明壁145可布置成，与顶部表面1四、134相邻并且与第一和第二转动轴线1沈、131相垂直。如这里使用的那样，术语“透明壁”和“大体透明”壁应该理解成，是指在传感器工作的波长中能够传输至少一部分光能的壁。因而，透明壁不必一定对于可见光是透明的。而且，透明壁145不必是完全透明的。而是，在某些实施例中， 透明壁是不透明的，但包括透明部分或窗口，在该透明部分或窗口周围可安装传感器。一般地，本发明的实施例可供椭圆齿轮式或其它流量计使用，该流量计包括外部计时齿轮，如在现有技术中已知的那些计时齿轮。然而，优选和提供的具体优点是，实施例供密封齿轮腔室使用，即除流体进口和流体出口之外，没有进入腔室中的开口。为了便于这点，透明壁145应该与壳体105形成适当密封。在某些实施例中，透明壁永久地附加到壳体上。可选择地，在某些实施例中，透明壁包括可除去壁，该可除去壁由螺钉或其它装置附接到壳体上，并且包括密封装置(例如，弹性0形圈170)以保持腔室的密封。透明壁145可包括与壳体相同的材料或不同的材料。在某些实施例中，透明壁包括近似6mm厚的聚碳酸酯材料。在任何情况下，透明壁的材料相对于至少传感器工作的光能波长应该是透明的或半透明的。尽管这里描述的实施例一般仅关于包括密封腔室的系统而讨论，但人们应该认识到，光学传感器可并入到具有非密封腔室的齿轮式流量计中，而不偏离本发明的精神。例如，除传统外部计时齿轮或磁性齿轮系统之外，可使用这里公开的光学计数装置和方法。而且，尽管这里主要关于包括椭圆形齿轮的流量计讨论了其中具体描述的实施例，但本发明不限于这样的实施例。本领域的技术人员可认识到，本发明可供各种容积式流量计实践。本发明的实施例可由本领域的技术人员容易地修改而适合于任何容积式流量计，该容积式流量计通过流量计元件的每转输送离散袋仓的流体而工作。例如，瓣轮式流量计可根据本发明的实施例进行适应性修改，该瓣轮式流量计是容积式流量计，它使用互锁的、瓣形齿轮计量元件来使固定体积袋仓的流体通过腔室。因而，这里所使用的术语“椭圆齿轮”应该广义地解释成，包括其它的非椭圆形可转动元件，如以上描述的瓣轮式流量计。图3A表示根据某些实施例的一对齿轮325、330。齿轮是椭圆形的，并且配置成绕转动轴线326、330转动，该转动轴线326、330位于每个齿轮的长轴327、332和短轴328、333 的相交处。当安装在腔室中时，齿轮在接合点305处邻接，使得当一个齿轮(这里，第一椭圆齿轮32 的短顶点在接合点305处时，它邻接另一个齿轮(第二齿轮330)的长顶点，并且反之亦然。在全部中间转动点处，椭圆齿轮325、330保持接触或大体封闭，使得没有流体可在齿轮之间通过。齿轮310、315的长顶点的转动圆弧一般应该与腔室的尺寸相重合，使得齿轮可捕获流体，并且将流体从流体进口扫到流体出口，如以上描述的那样。另外，在某些实施例中，椭圆齿轮可包括促进适当流体流动的特征。在图3A中表示的齿轮具有光滑表面，并且在接合点305处按小公差-限定间隙运行而工作。在这样的实施例中，流体本身的表面张力可防止流体通过接合点的泄漏。在其它实施例中，齿轮能是相互啮合齿轮。相互啮合齿轮沿它们的表面包括多个齿，这些齿在齿轮的接合点处连通，使得一个齿轮的齿配合在另一个齿轮的齿之间的间隙内，这种连通在齿轮的整个转动期间是连续的，由此提供在齿轮之间的更可靠连接，并且防止齿轮在接合点处的滑移。齿轮设计的选择可取决于被计量的流体的性质。例如，高粘度流体较不可能引起在牵引齿轮之间的滑移，所以光滑齿轮可能是适当的。相反，低粘度和/或高润滑性流体可能要求使用相互啮合齿轮。每个椭圆齿轮325、330 —般包括刚性材料，如塑料或金属。因为齿轮与被计量流体相接触，齿轮材料的挑选可取决于被计量的流体。一种可能考虑可包括齿轮材料相对于腐蚀性流体的耐久性。例如，关于高浓度洗涤剂、卫生消毒剂、或漂洗助剂，齿轮可包括绕陶瓷轮轴模制或加工的塑料，如聚-醚-醚-酮(PEEK)。其它可能的齿轮材料包括结晶塑料， 如ULTEM，它具有高耐用性、高耐温性、低热膨胀性、低吸水性，并且是化学惰性的。另外的材料可包括RYTON和诸如316SS之类的金属。而且，根据本发明的实施例，齿轮325、330中的一个或多个包括由传感器通过透明壁可观测的区别光学特性。在某些实施例中，区别光学特性定位在齿轮的顶部表面329、 334上，与大体透明壁相邻。区别光学特性能是导致光学传感器340记录与当未观测到特性时不同的读数的任何指示。例如，在图3A的实施例中，齿轮每一个的顶部表面3四、334在传感器340工作的波长下具有不同的光学反射率。具体地说，第一椭圆齿轮的顶部表面329 是第一颜色(这里，白色)，并且第二椭圆齿轮的顶部表面334是第二颜色(这里，黑色)。 因而，区别光学特性是可彼此区分椭圆齿轮的光学特性。当然，可选择多种不同的颜色组合，只要当颜色的每一种位于传感器下面时，传感器能够分辨。而且，区别特性应该不限于不同的颜色组合，例如，可使用具有不同反射率的不同材料，如高反射材料(例如，反射镜) 和不透明或阴暗材料。而且，区别光学特性可由任何手段施加，包括涂敷、单独元件的附接、 着色插入件的安装、或形成不同材料的齿轮。图IBB表示包括两个齿轮的椭圆齿轮式的流量计反射率相对于时间曲线的示范曲线图，这两个齿轮按恒定速率转动，并且具有区别光学特性，如图3A的区别光学特性。这里 “高”反射率时段反映第一(白色)齿轮325在传感器340的视野内期间的时间。“低”反射率时段与第二(黑色)齿轮330在传感器340的视野内期间的时间段相关。当人们考虑到在一整转期间，每个齿轮将对于传感器可见两次时，可容易地确定转数。在这样的情况下， 光学传感器和评估电子装置应该配置成，基于从白色到黑色(或黑色到白色)的变换而计数以获得每个整转两次变换，或者基于从白色到黑色和黑色到白色的变换而计数以获得每个整转四次变换。可选择地，评估电子装置可配置成，基于高和/或低反射率的时段的数量 (例如，每个整转两个高和低时段)而计数。例如，在图3B中，从点A至点C的时间代表一个整转，导致四个离散体积(袋仓)的流体从流量计出去。点A至点B代表半转，导致两个离散体积(袋仓)的流体被分配。在其它实施例中，如图4A的实施例，椭圆齿轮425、430中的每一个的顶部是有区别的，并且本身是有区别的。就是说，椭圆齿轮中的每一个的顶部表面429、434在齿轮的长轴427、432周围包括一个或多个标记，在这种情况下是离散点405，这些离散点405提供相对于齿轮表面的剩余部分区别的光学特性。具体地说，这里是黑色的点405，相对于白色顶部表面429、434被衬托。在这样的实施例中，第一和第二齿轮425、430不必彼此区分开(尽管可使它们如此)，而是可由传感器440检测的标记数量来分辨转数。对于每个完整旋转， 第一齿轮425的点405的每一个在传感器440下通过一次。另外，第二齿轮430的点405的每一个在传感器440下通过。因而，通过这种构造，对于每个完整旋转，传感器记录反射率 (即，在这种情况下的较低反射率)的十二个区别区域。当然，本发明不限于将离散点用作区别特性的实施例。例如，每个标记可包括穿过装置的孔、嵌入到表面中的反射镜或其它反射性物品、或印刷、蚀刻、涂敷或模制到表面上的其它图案。而且，区分标记不必是离散的。 例如，连续颜色梯度可固定到齿轮上，使得基于当前观测的颜色值，可确定齿轮位置。图4B是当齿轮正在按大体恒定速率转动时，对于诸如图4A的区别标记之类的布置的传感器输出的示范曲线图。这里，在点A与点B之间(一个完整转)，十二个离散波谷与十二个时间段相对应，在这十二个时间段期间，标记在传感器440下通过。这些波谷与十二个离散齿轮位置相对应，因而允许已经通过流量计的流体体积的较高分辨率的确定。在这种情况下，装置的分辨率可与一个袋仓的体积的三分之一一样低。当然，实施例可包括更多或更少标记，具有对于装置分辨率的对应影响。例如，椭圆齿轮式流量计可在齿轮之一上包括单个离散标记，允许对于在一转中分配的体积的装置分辨率(或者四个袋仓，因为每转导致四个袋仓被分配)。再参照图2，实施例还包括光学传感器140。光学传感可以是能够检测齿轮的光学性质的任何传感器，该光学性质用于确定齿轮转动位置。可使用适于一般测量任何光学性质的传感器，该光学性质例如包括反射率或透射率。在某些优选实施例中，光学性质是反射率。反射率可由包括发射器141和检测器143的传感器140测量，该发射器141发射一个波长或一个波段波长的光能142，该检测器143定位成接收发射的波长的波段的全部或一部分的反射光144。光能能是一般任何波长的电磁辐射，例如，可使用UV光、可见光、红外光及其它光。在某些优选实施例中，可使用红外光。例如，在某些实施例中，用940nm QRBl 114 或950nm EE-SY125反射传感器测量反射率。可以选择这样的传感器，因为它们是容易可得到的，例如来自DigiKey,Corp. at http://Wdigikey.com/。原则上，用较短波长和较集中的光能，可实现较高传感器分辨率。使用紫外(UV)发射器和/或激光器，可提供这样的改进分辨率。然而，应该记�。皇业耐该鞅诙杂诙杂Ψ溆Ω檬谴筇逋该鞯�。例如，在传感器在UV频谱内工作的场合，与聚碳酸酯材料相比，石英、TPX、或蓝宝石是优选的透明壁材料。在一个例子中(例如，图6)，940nm QRBl 114反射传感器用于测量两个齿轮表面的反射率。齿轮之一涂成黑色，另一个涂成白色。通过具有6mm厚度的透明聚碳酸酯壁(η = 1. 58)观测齿轮。在黑色和白色齿轮之间的生成的传感器响应相差10的因数，即当观测黑色齿轮时传感器两端的电压读数是白色齿轮的电压读数的近似10倍。在另一个例子中(例如，图7)，关于3mm的聚碳酸酯透明壁，使用950nm EE-SY125反射传感器。齿轮的每一个是椭圆齿轮，该椭圆齿轮使用黑色塑料模制，并且在齿轮的长轴线的两侧上包含圆形的白色插入物。在光电晶体管的检测器上的输出信号的形状接近正弦，具有近似1. OV的波峰到波峰振幅。在这样的情况下，用作限制放大器或khmitt触发器的运算放大器可用于提供矩形输出脉冲。再参照图2，某些实施例还包括定位在传感器140与齿轮之间的光学元件。光学元件能是安装在透明壁145内的单独元件，或者可以是建造在透明壁外的部件。光学元件可包括例如透镜和滤光镜，这些透镜和滤光镜可被建造，以优化和调整通过大体透明壁的信号传播。如以上描述的那样，光学传感器140应该定位成，可观测转动的齿轮中的一个或多个。关于透明壁，传感器应该安装成与透明壁相邻，使得它可穿过壁观测。例如，在某些实施例中，传感器可邻接壁的外表面。可选择地，如在图2中那样，传感器140可嵌在透明壁145内。在任一种情况下，传感器应该定位成，根据使用的具体传感器优化发射和反射光能的路径长度。例如，传感器可具有对于QRB1114在空气中离目标0. 150英寸(3. 81mm)、或对于EE-SY125在空气中0.040英寸(1.02mm)的最佳距离。这样的装置应该安装成，考虑到透明壁材料的调节因数，像例如透明壁材料的折射率，从顶部表面129、134到传感器的距离近似是最佳距离。而且，光学传感器应该定位在由每个齿轮的长顶点的转动路径限定的圆内，使得适当地观测椭圆齿轮。如在图3A中看到的那样，椭圆齿轮的长顶点尺寸的转动导致圆310、 315，这些圆310、315重叠，产生两个齿轮都可被观测的区域316。椭圆齿轮中的每一个的一部分在每转期间通过这个区域316两次。其中传感器340定位成使观测线320位于这个区域316内的实施例，可利用基于在齿轮之间的变换或基于一个或两个齿轮的标记的计数算法。在某些实施例中，传感器340定位成，观测在由第一和第二转动轴线326、331限定的线 (这里，与沿第一齿轮的短顶点327、和第二齿轮的长顶点332形成的线相对应)和在所述转动轴线3沈、331之间的近似半路上在重叠区域内的位置。在这样一个位置中，在恒定转动速度下，观测每个齿轮的持续时间近似相等。而且，这个位置可能是有利的，因为光学传感器观测椭圆齿轮的表面，并且不观测存在通过流量计的流体的位置。相应地，实施例不必考虑仅由流体的观测造成的观察反射率值的变化。可选择地，传感器相对于齿轮可定位在其他处，只要至少一个齿轮是可观测的。然而，当传感器没有定位成只有一个齿轮是可观测的时，即不在相交区域内时，齿轮应该包括适当定位的标记等。就是说，齿轮应该包括在观测位置内通过的一个或多个标记。某些实施例可包括多于一个光学传感器。在这样的实施例中，每个传感器可定位成能够观测两个齿轮，每个传感器可定位成观测齿轮的仅一个、或一个和两个齿轮的某种组合。在任一种情况下，包括多个传感器的实施例可对于确定齿轮在流量计内的转动方向是特别有用的。例如，一对光学传感器可并排定位在相交区域内，使得一个传感器在另一个之前记录标记或变换。依据传感器中的哪一个首先记录标记或变换，可确定转动方向。可选择地，基于在两个光学传感器的输出信号之间的相位差，可确定转动方向。另外，实施例可包括多个传感器，作为用于保证准确计数的冗余措施。另外，根据某些实施例的流量计可构造成，可确定转动方向(即，流体流动的方向)。以上关于包括多个传感器的实施例，已经讨论了能够确定流动方向的实施例的一个这样的例子。在另一个例子中，如在图5A-5C中描绘的例子，每个齿轮在其顶部表面上包括预定数量的离散点。在这个例子中，第一齿轮525包括沿长轴线527在一个端部处的单个点570、和在相对端部上在长轴线527附近的两点集571。相反，第二齿轮530包括在长轴线532附近在一个端部上的三点集572、和沿长轴线532在相对端部处的单个点573。在操作中，图5A的装置将依据转动方向产生不同的传感器输出。图5B是当流动在第一方向上进行时流量计的传感器输出的示范曲线图。这里，孤立的各波峰580、583指示单个点570、 573位于光学传感器的视野内期间的时段。三波峰582和双波峰581指示第二齿轮530载有三点集572的那侧和第一齿轮525载有两点集571的那侧分别位于光学传感器的视野内期间的时段。因为三波峰582出现在双波峰582之前，系统可确定流量计正在这样工作第一齿轮525正在逆时针转动，并且第二齿轮530正在顺时针转动。相反，在图5C中，双波峰 581'出现在三波峰582'之前，指示第一齿轮525正在顺时针转动，并且第二齿轮530正在逆时针转动。在又一个例子中，两个标记可并排布置在单个椭圆齿轮的顶部表面上，每个标记具有相对于另一个标记的区别光学性质。通过评估区别标记中的哪一个相对于另一个首先表现，可确定转动方向。当然，本领域的技术人员可认识到基于区别标记的光学读数确定方向性的多种其它途径，它们的全部应该认为在本发明的范围内。如以上讨论的那样，基于椭圆齿轮的转数和每转分配的已知流体体积，可确定流体体积和/或流体流量的测量。多个实施例，如图2的那些，包括用于执行这些计算的评估电子装置155。在某些实施例中，光学传感器140可安装在印刷电路板上，该印刷电路板包括评估电子装置155。在其它实施例中，更远地布置评估电子装置。评估电子装置155可包括用于提供关于光学传感器的操作和接口的各种部件，这些部件包括读出电路、信号调整电子装置、模数转换器(ADC)、存储器、和/或控制器。在某些实施例中，评估电子装置155 还包括用于将数据传输到远程装置的有线或无线发射机。图6表示根据某些实施例的示范读出电路600。读出电路600可用于基于光学传感器的响应产生输出信号。读出电路600包括经调节器电路615与电源610相连接的光学传感器605，该调节器电路615提供稳定的发射器强度。光学传感器605包括发射器606和检测器607。在检测器607两端联接的电压检测电路620提供输出信号。在某些实施例中，光学传感器605包括预封装传感器元件，像例如940nm QRBl 114反射传感器或950nm EE-SY125 反射传感器。可选择地，光学传感器605可包括分离的发射器元件，例如发光二极管(LED) 或激光器；和分离的检测器元件，例如光电晶体管或光电二极管。电源610 —般可包括高达 30V的任何直流电源，包括9V或其它电池或交流电源适配器。调节器电路615保证电源将适当电力提供给传感器605，并且可包括调压器616(例如，低脱开调压器UC950或类似装置)，该调压器616具有一对分路电容器C1、C2。某些实施例还包括用短脉冲向LED发射器供电的脉冲发生器，以降低传感器功率消耗。图7表示根据某些实施例的示范评估电子装置700。评估电子装置700包括传感器705，该传感器705具有发射器706和检测器707。控制器710由电源715 (例如，调节 3. 3V电源)供电，该电源715也向传感器705供电。控制器710可包括低功率控制器，像例如TIMSP430微控制器。在这个实施例中，在检测器707两端连接的电压检测电路720包括 khmitt触发器。khmitt触发器提供方波输出(例如，脉冲)，该方波输出可由控制器710接收。经输入线711在控制器内预编程的或写入到控制器的指令能够为控制器710的使用而提供，该控制器710用于基于使用它的具体齿轮式流量计，将脉冲数量转换成液体的体积和/或流量。控制器710也可执行用于确定流动方向的指令。控制器输出线712可输送由控制器710提供的输出信号，该输出信号可传输到其它装置，如输出/显示器、控制机构、 或用于与远程装置通信的发射机。在操作中，评估电子装置可从读出电路收集输出信号，并且产生指示通过椭圆齿轮式流量计的流体流动体积或流量的值。具体地说，电压检测电路620的输出信号一般类似于图3B、4B、5B、或5C的输出信号。这种输出可由控制器或其它处理电路处理，以确定椭圆齿轮的转数的计数。依据椭圆齿轮式流量计的分辨率，转数能是整数，或者是指示部分旋转的数。基于转数和已知腔室(或袋仓)体积(即，每转通过腔室分配的流体体积)，控制器可确定通过椭圆齿轮式流量计分配的流体体积。这个体积然后可输出到显示器或存储器，或者用作用于装置或过程的控制的反馈。系统如果与对应流体泵和/或截止阀相组合，则能是特别有利的。泵可采用具有电子控制接口的电动泵，该电子控制接口用于与评估电子装置通信，例如通过总线或其它连接。在这样一种装置的操作中，流体泵或截止阀的控制接口从椭圆齿轮式流量计或其评估电子装置，接收与通过流量计分配的体积(或流量)相对应的输出。在达到预定值时，可切断泵或关闭截止阀，仅导致预定体积的流体被分配。而且，通过基于来自流量计的反馈而调整泵，可实现连续的流体流量控制。在某些实施例中，流量计包括可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器操作允许椭圆齿轮式流量计的另外的功能的软件。例如，装置可包括用于流量计的现场校准和精细调谐的校准模式。而且，某些实施例可包括人工输入具体体积或流量并且使该希望量被分配的能力。在另一个方面，本发明的实施例包括用于测量流体体积的方法。在这样的方法中， 提供与流体源相流体连通的腔室，该腔室具有大体透明壁和一对椭圆齿轮，如以上描述的那些齿轮。光学传感器提供在腔室外。流体通过腔室分配，使椭圆齿轮转动。光学传感器穿过大体透明壁观测椭圆齿轮的转动。然后，如以上描述的那样，基于椭圆齿轮的转数(完整或部分)的计数、和代表每转通过腔室分配的液体体积的已知腔室体积，来计算体积。这样的方法可由以上描述的装置或由对于本领域的技术人员将是显然的其它装置实现。具体地说，测量流体体积的方法的实施例，使用各种方法，可计数由椭圆齿轮进行的转数。在一种方法中，光能穿过大体透明壁被发射，使得它撞击在腔室内的位置上，并且穿过大体透明壁反射回来。在腔室内的位置可选择成，是两个椭圆齿轮在转动期间都通过的位置。反射的光能的量被确定，使得可将齿轮之一反射的光能与另一个齿轮反射的光能区分开。在反射光的可区分时段之间的变换然后被计数，并且基于变换的计数，可计算转数(完整或部分)。可选择地，计数转数的步骤可通过计数来自齿轮的区别反射的时段而完成，这些齿轮包括区别光学部分。在这样的情况下，齿轮可包括一个或多个区别部分(例如，以上描述的标记)，光学传感器感知这些区别部分，作为不同反射值的区别时段。这些区别时段的计数可保持，并且基于这样的标记的已知数量和位置，可计算转数(和/或旋转度数)。按照以上描述的那些的系统和方法的实施例可用在各种用途中，并且供宽范围的流体使用。这里描述的椭圆齿轮式流量计能够实现这样的系统，这些系统利用在升高浓度下的流体，这些流体必须精确地计量。例如，具体用途可包括用于浓缩流体体积的流体分配系统，这些流体用于清洗、洗涤、消毒、冲洗或它们的混合物。而且，实施例良好地适于供现有系统使用，这些现有系统要求精确流体体积的分配。另外，实施例可用于计量水、润滑剂、 卫生消毒剂或洗涤剂。某些实施例可供具有范围从1厘泊到1000厘泊(或更大)的粘度的流体使用。在大多数情况下，被计量的流体的透明度是不相关的，因为光学传感器、大体透明壁及转动的齿轮定位成，在光能的路径内的任何流体都被限于薄膜。在大体紧密公差 (例如，0. 002英寸或更小)下，似乎不透明流体的薄膜可由足够的光能透过，以适当地计数齿轮转动。 尽管参照一定公开实施例已经相当详细地描述了本发明，但公开的实施例是为了说明而不是限制的目的被呈现，并且本发明的其它实施例是可能的。本领域的技术人员将认识到，可以进行各种另外的变化、修正及修改，而不脱离本发明的精神和附属的权利要求书的范围。
权利要求
1.一种用于测量流体体积的流量计，包括壳体，限定具有流体进口和流体出口的腔室，壳体包括大体透明壁；第一和第二齿轮，安装在腔室内，第一和第二齿轮响应通过腔室的流体流动，绕相应的第一和第二转动轴线是可转动的，齿轮中的一个或更多个齿轮在与大体透明壁相邻的顶部表面上包括区别光学特性；及光学传感器，位于腔室外部，并且配置成通过大体透明壁检测齿轮的顶部表面的光学性质。
2.根据权利要求1所述的流量计，其中，第一和第二齿轮包括椭圆齿轮。
3.根据权利要求1所述的流量计，其中，光学传感器定位成，检测两个齿轮的一个或多个区别光学特性。
4.根据权利要求2所述的流量计，其中，光学传感器沿由转动轴线限定的线定位在第一和第二转动轴线之间的近似半路。
5.根据权利要求1所述的流量计，其中，光学性质包括光的反射率。
6.根据权利要求1所述的流量计，其中，光学传感器包括与大体透明壁相邻的发射器和检测器。
7.根据权利要求1所述的流量计，其中，大体透明壁与第一和第二转动轴线相垂直。
8.根据权利要求1所述的流量计，其中，区别光学特性包括每个齿轮的具有不同的光学反射率的顶部表面。
9.根据权利要求8所述的流量计，其中，每个齿轮的顶部表面包括不同的颜色。
10.根据权利要求9所述的流量计，其中，第一齿轮的顶部表面是黑色的，并且第二齿轮的顶部表面是白色的。
11.根据权利要求1所述的流量计，其中，区别光学特性包括在每个齿轮的顶部表面上的一个或多个标记，所述标记具有第一光学反射率，并且顶部表面具有第二光学反射率。
12.根据权利要求1所述的流量计，其中，区别光学特性包括在每个齿轮的顶部表面内的一个或多个孔。
13.根据权利要求1所述的流量计，还包括用于评估光学传感器的输出信号的评估电子装置。
14.根据权利要求1所述的流量计，其中，流体流是从包括如下的组中选择的液体的流体流用于清洗、洗涤、消毒、冲洗的液体、及其组合。
15.根据权利要求1所述的流量计，其中，流量计具有小于0.5毫升(ml)的分辨率。
16.根据权利要求15所述的流量计，其中，流量计具有小于0.2毫升的分辨率。
17.根据权利要求16所述的流量计，其中，流量计具有近似0.05ml的分辨率。
18.根据权利要求1所述的流量计，其中，光学传感器被配置成检测红外光能。
19.根据权利要求18所述的流量计，其中，光学传感器被配置成检测具有近似940纳米波长的光能。
20.一种用于测量流体体积的方法，包括提供与流体源流体连通的腔室，该腔室包括流体进口、流体出口、第一和第二齿轮、及大体透明壁；将光学传感器提供在腔室外部；通过腔室分配流体，使齿轮随着流体从流体进口到流体出口通过腔室而转动； 用光学传感器通过腔室的大体透明壁观测齿轮； 用光学传感器计数由齿轮进行的转数；及基于由齿轮进行的转数、和代表齿轮每转通过腔室分配的流体体积的已知腔室体积， 来计算流体体积。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，齿轮的转数能包括部分旋转。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，计数由齿轮进行的转数的步骤包括发射光能穿过大体透明壁，使得光能撞击在腔室内的检测位置上，并且穿过大体透明壁反射回来，其中，两个齿轮在转动期间都通过检测位置；检测透过大体透明壁传输的反射光能的量，其中，第一齿轮反射的光能能够与第二齿轮反射的光能区分开；保持在第一齿轮反射的光的检测与第二齿轮反射的光的检测之间的变换的计数；及基于变换的计数，计算转数。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，光能由光学传感器发射和检测。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，仅计数从第一齿轮到第二齿轮的变换。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，计数从第一齿轮到第二齿轮和从第二齿轮到第一齿轮的变换。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，计数由齿轮进行的转数的步骤包括发射光能穿过大体透明壁，使得光能撞击在腔室内的检测位置上，并且穿过大体透明壁反射回来，其中，两个齿轮在转动期间都通过检测位置；检测透过大体透明壁传输的反射光能的量，其中，所述齿轮中的一个或多个齿轮的区别部分反射的光能能够与齿轮的非区别部分反射的光能区分开； 保持在由区别部分反射光能期间的时段的计数；及基于时段的计数，计算转数。
27.根据权利要求沈所述的方法，其中，区别部分包括定位在齿轮的表面上的一个或多个标记，使得每个点每转通过检测位置一次。
28.根据权利要求20所述的方法，还包括 提供一个或多个附加的光学传感器；用所述一个或多个附加的光学传感器，穿过腔室的大体透明壁观测齿轮； 基于光学传感器和所述一个或多个附加的光学传感器的输出信号的比较，计算流体流动的方向。
全文摘要
本发明的实施例提供用于测量流体体积的装置和方法。根据某些实施例的装置包括腔室，该腔室具有可转动地安装在其内的一对齿轮。通过腔室的流体流动引起齿轮的转动，使得每转和/或部分旋转动导致已知体积的流体通过腔室。在腔室外部定位的光学传感器，可通过大体透明的腔室壁观测转动的齿轮。光学传感器可观测齿轮中的一个或两个齿轮的光学特性，并且基于这种数据，可确定流体体积、流量和/或流动方向。这里公开的装置和方法可提供流体流量计测量的改进精度。另外，这里使用的装置和方法比已知容积式流量计更耐用和容易制作。
文档编号G01F3/02GK102301209SQ201080006222
公开日2011年12月28日 申请日期2010年2月11日 优先权日2009年2月11日
发明者A·斯柯达, C·欧文, E·托克图夫, R·梅休斯, V·斯洛博登 申请人:�？评巢加邢薰�
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