可编程的电子控制旋转式喷洒器系统和操作方法与流程

可编程的电子控制旋转式喷洒器系统和操作方法


背景技术：

1.本发明的实施例涉及水喷洒器系统，并且更具体地涉及可进行控制以影响喷洒器方向和浇水时间的可编程的电子控制喷洒器系统。
2.当前喷洒器系统的设计集中于允许水流过系统并且机械地旋转喷洒器喷头来实现预定义覆盖图案的结构。电子控制件影响喷洒器被打开和关闭的时间。通常通过喷射喷嘴选择和角度以及机械旋转极限来机械地控制现有技术系统的喷射弧和旋转弧的距离或行程。
3.已知现有系统具有需要有线电源的高功率需求，已知现有系统难以编程和配置来获得最佳覆盖，并且还已知现有系统浪费相当大量的水。因此，仍然需要改进此类浇水系统。


技术实现要素：

4.根据本公开的智能喷洒器系统经由可以在任何方向上旋转的喷射喷嘴或喷洒器喷头将水从加压水供应设备递送到其范围内的任何位置。喷射域的距离由水压力确定。在本系统的背景下，术语“智能”是指其能够使用“智能”装置来无线地控制，诸如可以运行与系统的控制电子设备通信的相关联应用程序的智能电话或平板电脑。一旦被配置，喷洒器功能就由装置自主地控制。这种劳动分工(即，喷洒器装置执行喷洒器的功能并且电话/平板装置提供图形用户界面(gui))利用专门被设计用于提供丰富和熟悉的用户界面的装置的功能，同时避免在喷洒器上提供用户界面的成本和复杂性。
5.喷洒器系统的定义特性在于，它能够以可再现的方式将小的水覆盖区递送到特定位置。喷洒器喷头绕竖直轴线旋转，因此位置的说明可以在极坐标中表示为角度和压力，其中压力与距喷洒器喷头的径向距离有关。打到地面的水的区域可以最佳地被设想为在喷嘴径向上的窄矩形或短线段。矩形沿着半径纵向地定向也是有意的，因为按一定图案分配水的主要手段是使水沿弧扫过。喷洒器图案被创建为一系列曲线，其中每个曲线被定义为压力变化和旋转角度变化。每个压力表示距喷洒器喷头的距离。如果压力改变但旋转角度未改变，那么移动将画出源于中心处的喷洒器喷头的径向线段。如果旋转改变但压力未改变，那么移动画出弧，该弧具有与压力成比例的半径以及对应于旋转的开始角度和结束角度的端点。如果压力和旋转角度两者都改变，那么移动画出近似于具有相同旋转端点的两个压力下的两段弧的平均值的曲线。这些移动实际上相当于在极坐标中描述的向量，其中压力变化表示径向分量并且旋转变化表示沿着弧的分量。应注意，足够小的移动可以用来近似于直线。在喷洒器随时间画出曲线时，沿着弧分量产生窄喷射带。用户能够画出一系列点和曲线，所述点和曲线在喷洒器按顺序扫过每对点之间时组合成预定义区域或浇水图案。
6.喷洒器系统的定义特性还在于它能够仅通过与水源的单个连接进行操作并且不需要连接到任何外部电源。这允许本喷洒器系统直接替代典型的草坪喷洒器，该草坪喷洒器完全由水源的供应压力所提供的能量机械地驱动。不同于仅提供一个压力(供应的压力)和一组止动件并且因此只能供应大体矩形或圆形(取决于类型)的一个图案的机械草坪喷
洒器，本喷洒器系统可以创建任意形状的图案。本喷洒器系统通过使用圆形草坪喷洒器机构以驱动喷洒器喷头的旋转来实现这一点，但要有电动马达以致动控制旋转的方向的机构。另外，本喷洒器系统明确地控制向喷射喷嘴递送的水压力，取决于最大供应压力。该系统使用可调整的先导阀组件来实现这一点，该先导阀使供应压力的使用最大化以实现阀的改变。
7.与喷洒器系统的直接控制相关联的电气部件可以包括两个低功率dc马达：一个用于压力控制阀系统并且另一个用于转向器，该转向器控制喷射喷嘴的旋转方向。马达向磁耦合部提供输入。阀控制马达用来逐步地打开和关闭先导阀，并且转向器马达用来使电枢旋转，以改变在任一方向上驱动喷洒器喷头或可以保持其静止的振荡器中的流动路径。
8.因此，可以看出本系统提供优于现有技术的系统的若干独特且新颖的改进、特别是关于密封室磁耦合器，其消除了对旋转部分的高摩擦密封件的需求并且还降低了密封室内的旋转部件的电力需求。
附图说明
9.当结合附图阅读时，本领域普通技术人员从本发明的各种实施例的以下描述中可以更容易理解和领会本发明的各种实施例，在附图中：
10.图1展示了根据本发明的示例性喷洒器系统框图；
11.图2展示了本喷洒器系统的示例性配置；
12.图3展示了使用成角度的喷嘴喷头的示例性喷射图案；
13.图4图解地展示了叠加有示例性经编程浇水图案的待浇水区域，该经编程浇水图案可以通过用于控制本发明的软件来实施；
14.图4a展示了喷洒器喷头的旋转和针对距离对水压力的调整，以便转录期望的浇水图案；
15.图4b至图4c图解地展示了使用不同算法的另一个示例性经编程浇水图案，其中压力和旋转在具有极坐标的向量系统中同时改变；
16.图5是示例性磁耦合和限位开关系统的底部透视图，展示了外部驱动部件；
17.图6是其侧视图，展示了外部驱动部件和内部随动部件两者；
18.图7是其顶部透视图，展示了内部随动臂和机械止动件；
19.图8是其顶视图；
20.图9是其分解透视图，展示了被捕获在内部和外部耦合部件中的耦合磁体的对准；
21.图10a和图10b展示了磁体在自由移动时的耦合旋转以及外部磁体在内部磁体被机械止动件限制时的继续旋转和轴向平移；
22.图11展示了具有磁致动导螺杆的被适配用于可变压力控制的示例性先导阀；
23.图12展示了先导阀压力控制的完全组装视图；
24.图13是其部分透明地示出的透视图；
25.图14是其沿着图12的线14
‑
14截取的截面图；
26.图15是用于先导阀的阀控制机构的分解透视图；
27.图16是根据本发明的示例性振荡器/转向器机构的平面图；
28.图17是其部分透明地示出的另一个平面图；
29.图18是其底部透视图，示出了磁耦合系统的外部驱动部件；
30.图19是转向器组件的透视图；
31.图20是转向器控制磁耦合输入的分解透视图；
32.图21是转向器控制件的顶视图；
33.图22是在转向器的输出上方适当位置的涡轮室的分解透视图；并且
34.图23是其顶视图，示出了转向器电枢与振荡器室的流端口之间的关系。
具体实施方式
35.现在将描述某些示例性实施例以提供对本文公开的装置和方法的结构、功能、制造和用途的原理的整体理解。这些实施例的一个或多个示例在附图中展示。本领域技术人员将理解，本文中具体描述并在附图中展示的装置和方法是非限制性示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例展示或描述的特征可以与其他实施例的特征组合。此类修改和变化旨在包含在本公开的范围内。此外，在本公开中，各实施例的相同编号的部件通常具有相似的特征，并且因此在特定实施例中，不必对每个相同编号的部件的每个特征进行充分阐述。另外，就所公开的系统、装置和方法的描述中使用的线性或圆形尺寸来说，此类尺寸不意图限制可以结合此类系统、装置和方法使用的形状的类型。本领域技术人员将认识到，可以容易为任何几何形状确定此类线性和圆形尺寸的等效物。此外，就使用的方向术语比如顶部、底部、向上或向下来说，它们不意图限制本文所公开的系统、装置和方法。本领域技术人员将认识到，这些术语仅仅是相对于所讨论的系统和装置而言并且不是通用的。
36.总体参考图1至图4，展示了根据本公开的智能喷洒器系统并且总体上用10指示。智能喷洒器系统10经由可以在任何方向上旋转的喷射喷嘴或喷洒器喷头14将水从加压供应设备12递送到其范围内的任何位置。喷射喷嘴14包括至少一个但优选地多个成角度的孔口16，所述成角度的孔口形成细长的、有点窄的喷射域18，如总体上在图3中展示。喷射域18的距离“d”由水压力确定。在本系统10的背景下，术语“智能”是指其能够使用“智能”装置20来(有线或无线地)控制，诸如可以运行与系统10的控制电子设备22通信的相关联应用程序的智能电话或平板电脑。本系统以无线配置来实施，并且特别地，在该示例性系统中实施的无线接口是被称为智能装置的各种个人装置(例如，移动电话、平板电脑)所共用的蓝牙低功耗(ble)接口。
37.应理解，其他有线和无线接口和标准也可以实施相同的功能。实际上，智能喷洒器系统10需要智能装置20使用如上所述的相关联应用程序来控制和配置喷洒器系统10。能够支持命令的任何电子接口都是可行的可能性。一旦被配置，许多的喷洒器功能就由装置自主地控制。这种劳动分工(即，喷洒器装置10执行喷洒器的功能并且电话/平板装置20提供gui)利用专门被设计用于提供丰富和熟悉的用户界面的装置的功能，同时避免在喷洒器上提供用户界面的成本和复杂性。
38.喷洒器系统10的定义特性在于，它能够以可再现的方式将小的水覆盖区18递送到特定位置。有若干可能的方法来完成这个目标。
39.喷洒器喷头14绕竖直轴线旋转，因此位置的说明可以在极坐标中表示为角度和压力，其中压力与距喷洒器喷头的径向距离d有关。打到地面的水的覆盖区可以最佳地被设想
为在喷嘴14径向上的窄矩形或短线段。覆盖区18是设计好的并且表示具有用于放置水的精细分辨率与避免在单个位置打到地面的水密度过高之间的平衡。矩形沿着半径纵向地定向也是有意的，因为按一定图案分配水的主要手段是使水扫过曲线。
40.在第一示例性方法中，喷洒器图案被创建为一系列弧24a、24b、24c(图4和图4a)，其中每个弧被定义为压力和两个角度。压力表示弧的半径，并且两个角度表示相关联的弧的左端或停止部26a和右端或停止部26b。在喷洒器随时间画出弧24时，产生窄喷射带18。用户能够画出一系列任意的同心弧24，所述同心弧在喷洒器按顺序扫过每个弧时组合成任意的限定区域。
41.在第二示例性方法中，曲线由两个点p1、p2(相对于喷洒器喷头s的压力变化和旋转角度变化)限定，该喷洒器喷头限定圆的中心。曲线本质上是具有径向分量r和弧分量a的极坐标中的向量v(图4c)。喷洒器或浇水图案被创建为此类向量24a
…
24n的序列(图4b)。在喷洒器随时间画出每个曲线24时，产生窄喷射带18。在画出曲线序列时，跟随路径，从而总体上在一区域上沉积一定体积的水。用户能够通过定义点p1、p2、
…
pn来画出这些曲线24的任意序列。在图4b中展示了覆盖有这种序列24a
…
的待浇水区域的示意图。
42.喷洒器系统10的定义特性还在于它能够仅通过与水源12的单个连接进行操作，并且在一些实施例中，不需要连接到外部电源。这允许本喷洒器系统10直接替代典型的草坪喷洒器，该草坪喷洒器完全由水源的供应压力所提供的能量机械地驱动。不同于仅提供一个压力(供应的压力)和一组止动件并且因此只能供应大体矩形或圆形(取决于类型)的一个图案的机械草坪喷洒器，本喷洒器系统可以创建任意形状的图案。本喷洒器系统通过使用圆形草坪喷洒器机构以驱动喷洒器喷头14的旋转来实现这一点，但要有电动马达(下面描述的振荡器/转向器机构300)以致动控制旋转的方向的机构。另外，本喷洒器系统10明确地控制向喷射喷嘴递送的水压力，具体取决于最大供应压力(即，没有泵来添加高于供应压力的压力)。该系统使用可调整的先导阀(先导阀组件200)来实现这一点，该先导阀使供应压力的使用最大化以实现阀的改变。简而言之，该机构被设计为使用尽可能少的能量。
43.在本无线配置中，从两个来源获得所需的电能：与加压供应设备12和喷嘴14(分别是输入和输出)之间的水流成直线的水力发电机28，以及太阳能面板30。这两个来源提供用来给电子设备22、mcu/存储器32、无线的无线电部(wireless radio)34、马达控制部36以及包括控制系统的传感器38供电的dc电力。水力发电机28在喷洒器活动(即，水流过该喷洒器)时提供能量，并且太阳能面板30从太阳捕获能量，而不管喷洒器是否活动。由于喷洒器一直在消耗能量，因此电源系统包括可再充电电池40和电池充电控制器42。因此，使用两个电源28、30来给电池40注入能量，甚至在装置消耗能量时也是如此。能量系统进行平衡，使得它在正常使用时不需要另外的电源。然而，存在用于附接到外部充电器的电连接(未示出)，以加快在第一次使用之前或在储存之后的首次充电。
44.在有线系统中，可以去除可再充电电池40、充电控制器42、水力发电机28和太阳能面板30，以降低复杂性和成本。
45.与喷洒器系统10的直接控制相关联的电气部件可以包括两个低功率dc马达：一个马达202用于先导压力控制阀系统200(参见图11至图15)并且另一马达302用于转向器系统300(参见图16至图23)，该转向器系统控制喷射喷嘴14的旋转方向。马达202、302向磁耦合部204、304(下面进一步描述)提供输入。马达202、302的速度、持续时间和方向由在微控制
器单元(mcu)32上运行的算法控制。阀马达202用来逐步地打开和关闭先导阀系统200，并且转向器马达302用来使转向器组件300的电枢旋转，以改变在任一方向上驱动喷洒器喷头14或可以保持其静止的振荡器中的流动路径。
46.为了对系统提供闭环控制，存在两个传感器：压力传感器400和磁性旋转传感器500。压力传感器400嵌入在振荡器/转向器组件300的振荡器室中，并且测量向喷嘴14递送的水压力。当已经配置了期望的压力设定点时，压力传感器400将输入提供到算法，从而打开和关闭压力控制阀200以将喷嘴压力维持在设定点左右的滞后范围内。这允许在无需校准供应压力的情况下以及在供应压力随时间改变时维持压力。应注意，输出压力被限制在本地供应压力的上端(即，不存在用于将压力增大至超过供应压力的机构)。
47.还应注意，还可以与当前的控制系统32一起部署附加的环境传感器39或智能传感器，并且所述传感器与当前的控制系统32(有线或无线地)通信以提供附加的操作输入。传感器39可以包括温度传感器、大气压力传感器、光传感器、雨水传感器、湿度传感器、红外热传感器等，以提供附加的输入来按配置控制或修改运行日、运行时间或运行位置。
48.磁性旋转传感器500在振荡器/换向器组件300的振荡器室的外部，并且与机械地保持到喷洒器喷头14的旋转轴线或与喷洒器喷头14间接地对应的磁体成直线。磁场与旋转轴线正好相反，这允许传感器500在小于一度的分辨率内确定喷洒器喷头14的旋转角度。这允许算法确定喷洒器喷头14何时旋转到期望的角度并且然后使用与转向器电枢相关联的马达302来改变旋转方向或停止旋转。
49.mcu 32使用存储在mcu本身内的非易失性存储器(固件)中的软件来执行与喷洒器系统10的控制相关的所有功能。mcu 32还包括易失性(ram)和非易失性的存储设备，以用于存储与装置的运行相关联的数据(例如，定义用户定义的图案的数据)。mcu 32还提供无线电部34(蓝牙)，该无线电部用来提供由外部智能装置20用于远程地配置和控制喷洒器的无线接口。固件定义并实施命令接口以提供这些能力。另外，mcu 32提供允许装置控制何时开始或停止的定时和计数功能。该mcu可以被配置为例如在其本身关闭之前将用户定义的图案(参见图4)重复指定的持续时间或指定的次数。
50.图1示出了喷洒器10的实现所有上述功能的部件的框图。系统10的最终目的是将水从供应设备递送到期望的位置。图1展示了在系统控制水并从水提取能量以便为系统供电时水流穿过系统的路径(较粗的箭头“w”)。图1还展示了在从水力发电机28和太阳能面板30生成能量、将其储存在电池40中并进行使用时能量的路径(较细的箭头“e”)。系统还负责控制，因此该图示出了控制和数据信号的路径(线“c”)。最后，系统将提供用户界面的责任转给外部智能装置20，并且还展示了与外部智能装置20通信的无线控制接口。
51.参考图2，水供应首先流入压力控制阀组件200中。压力控制阀200能够完全地切断水供应并且提供期望的设定水压力，从零直到本地供应压力的大致最大极限。水然后流入水力发电机28。在发电机28内的涡轮旋转之前，需要最小量的水压力。一旦其开始旋转，输出能量就与控制阀组件200的旋转速度或输出压力有关。水流离开水力发电机28并进入振荡器/转向器组件300，该振荡器/转向器组件确定喷洒器喷头14的旋转方向。
52.振荡器/转向器300通过引导水穿过通向振荡器涡轮的端口来实现这一点。一般地，每个端口将水引导到涡轮的一侧或另一侧，每个端口对应于一个旋转方向。旋转的涡轮提供机械能来转动喷洒器喷头14。转向器室还通过压力释放阀来提供通向喷洒器喷头的直
接路径。这允许过大的水压力绕过振荡器，从而限制喷洒器喷头14的最大旋转速度。
53.系统的电能包括可再充电电池40，这允许喷洒器系统10在广泛范围的情况下运行。电池40允许对能量进行预算，使得所生成的能量不必与特定部件的能量消耗明确相关联。相反，所生成的能量添加到电池40并且所消耗的能量来自电池40。这全部由电池充电控制器42管理，该电池充电控制器还执行电压调节。电池充电控制器42将来自水力发电机28的在0至5v范围内的能量和来自太阳能面板30的在0至6v范围内的能量引导到可再充电电池40(参见图1)中。电压的变化是由以下事实造成的：发电机28并非始终在运行并且其rpm与输出水压力有关。太阳能面板30仅在白天产生能量并且其输出与直射阳光的量有关。所消耗的能量取决于喷洒器是否在运行。当其在运行时，与马达202、302和传感器400、500相关联的电子设备需要5v并且表示大部分的能量消耗。马达控制电路36和传感器400、500仅在喷洒器活动时才被供电。作为10倍的最大能量消耗设备，马达202、302仅被间歇地驱动并且在相对短的持续时间内被驱动。包括无线电部34的mcu 32始终在消耗一定量的能量，甚至在喷洒器关闭时也是如此。以3.3v运行，当无线电部34主动地连接到外部智能装置20时，能量消耗的最大值小于电子设备。能量消耗在系统10自主地运行时比在远程地控制系统10时小。触发马达驱动器并感测压力和旋转传感器的输出的控制信号是这个低电压/功率消耗的分量。
54.现在转到图5至图10，一般以100来指示用于与密封室系统一起使用的示例性磁耦合和开关组件。组件100一般用来将在密封室102外部的旋转机械输入力传递到室102内部的旋转机构，该室在压力下可以填充有流体104。图5至图10所示的示例性实施例是可以在任何密封室系统中使用的通用配置，以将外部运动转移到内部部件并且提供在室102外部的线性(轴向)开关致动器。这些通用的磁耦合和致动器原理结合下文与本系统一起描述的两个单独系统来使用。第一，用于一般以200指示的可变压力先导阀系统的导螺杆的旋转(图11至图15)。第二，用于喷射喷嘴的水驱动涡轮旋转系统300中的振荡器/转向器杆的旋转(图16至图23)。
55.磁耦合组件具有以下特性：
56.内室102被气密地密封。没有机械部件穿透需要液压密封的该室。
57.外部构件与内部构件之间的连接因消除了密封件且因与磁场相关联的力向量而引入最小摩擦。
58.磁耦合部独特地提供外部传感器检测内部机构何时达到硬停止的能力。
59.磁耦合部还固有地起到安全离合器的作用，从而允许耦合部在不损坏或磨损的情况下脱离。
60.图5至图8示出了在室102的外部以及在室的内部的部件。内部与外部之间的边界由壁106限定。室102在壁106上方且进一步由壁108限定的内部在图6中用虚线展示。在附图中，外部部件在边界壁106下方。活动的外部部件安装在固定台架110上，该固定台架维持外部部件相对于彼此和内部部件的位置和定向。示例性机构由可逆马达112驱动。马达齿轮114安装到马达轴(未示出)。马达齿轮114与磁耦合齿轮116接合并驱动该磁耦合齿轮。磁耦合齿轮116具有从顶部到底部穿其而过的方孔118(参见图9)。在这个孔中存在邻接室边界壁106的外部方形磁体120(图9)和将磁体120耦合到限位开关124的磁体适配器122(也在图9中)。应注意，未示出保持限位开关124的托架。方形的磁体120和磁体适配器122不能在磁
耦合齿轮116内自由地旋转，使得磁耦合齿轮116的旋转传输到磁体120和磁体适配器122，从而使它们也由耦合齿轮116驱动。磁体120和磁体适配器122可以在垂直于室边界壁106的方向上自由地移动(沿着磁耦合齿轮116的旋转轴线轴向地移动)。磁体120的这个轴向运动致使限位开关124致动，从而在磁体120和磁体适配器122分别远离和朝向室边界壁106移动时闭合和断开。
61.图7至图9最佳地展示了在室102内部的部件。如图所示，室边界壁106结合了将旋转电枢128保持在适当位置的槽126。电枢128在套管130内部坐置于该槽内部，以减少摩擦。槽126还减小了边界壁106的厚度。电枢128包括捕获另一个内部方形磁体134的方形插口132(在图9中最佳地看出)。与槽相反，轴杆136支持电枢128在垂直于室壁106的轴向上旋转。轴杆136由固定安装件138和垫圈140捕获。安装件138结合了限制电枢128的旋转的止动件142a、142b(参见图8)。
62.图9呈现了示出组件的在室102的内部以及在其外部的旋转部件的对准的简化分解图。在边界壁106下方的部件在室102的外部，并且在该边界壁上方的那些部件在内部。示出了边界壁106的截面，并且示出了边界壁在槽126的底部处的厚度减小，内部部件坐置在该槽中。示出马达齿轮114以供参考，其中没有驱动该马达齿轮的马达112。
63.磁耦合部由外部磁体120和内部磁体134实现。磁体120、134的极平行于边界壁106。在图中，同相地示出这些极；外部磁体120的北极和南极分别与内部磁体134的南极和北极对准。这向垂直于边界壁106的最大吸引力供应围绕中心线(轴线)的零净转矩。
64.外部磁体120由磁体耦合齿轮116中的方孔118捕获。在磁耦合齿轮116被马达齿轮114驱动时，磁体120对应地绕中心线旋转。磁体适配器122也位于方孔118中、与磁体120相邻并且在磁体120与限位开关124之间。该磁体适配器也是方形的并且与磁耦合齿轮116和磁体120对应地旋转。该磁体适配器用来将方形磁体120与限位开关124上的圆形按钮配对。尽管被旋转地限制，但磁体120和磁体适配器122垂直于边界壁106自由地移动。
65.在室102的内部(在壁106上方)，内部磁体134被旋转电枢128中的方形插口132捕获。电枢128在套管130内部坐置于边界壁106的槽126中，这允许电枢128与内部磁体134对应地自由旋转。电枢128被固定安装件138所保持的轴杆136和垫圈140固定在与边界相反的表面处。这种布置允许电枢128旋转但限制电枢128垂直于边界壁106的移动。
66.转到图10a至图10b，磁耦合部的行为由马达112驱动，该马达使马达齿轮114旋转。马达齿轮114进而使外部磁体耦合齿轮116旋转，从而使得外部磁体120旋转。在外部磁体120旋转时，它变得与内部磁体134异相。与磁体120、134相关联的力向量从法向成比例地偏离并且形成旋转分量。合成转矩随相位角度增加而增加。在某一时刻，转矩增加到足以使内部磁体134旋转(参见图10a)。内部磁体134旋转相应地驱动电枢128。
67.电枢128的旋转被止动件142a、142b限制(参见图8)。一旦耦合部旋转至接触止动件142a的点，电枢128就不能再旋转。此时，外部磁体120继续被驱动，从而增加两个磁体120、134之间的相位角度。当相位角度增加至90度时，力向量变成了完全旋转；不存在垂直于边界的力。在该角度增加至超过90度时，垂直于边界的力发生反向，变成排斥。在某一时刻，排斥力变得足够大以推动外部磁体120远离边界壁106(参见图10b)。排斥力通过磁体适配器122进行传输。在某一时刻，排斥力增加到足以迫使磁体120和磁体122的轴向移动并且启动弹簧加载的限位开关124。电子地检测到限位开关124的启动，并且停止马达112。
68.马达112然后经由电子设备进行逆转，这减小相位角度。随着相位角度减小，排斥力减小，直到在90度相位角度处无效为止。随着马达112(和外部磁体120)继续旋转，力然后变成吸引并且在零度相位角度处增加至其最大值。在某一时刻，外部磁体120朝向边界壁106往回移动并且释放限位开关124。一旦限位开关124被停用，马达112再次停止。
69.通过释放限位开关124来终止的这个逆转运动被称为回退期。当使耦合部朝向止动件142中的一者旋转时，外部磁体120有意地在电枢128物理地停止之后过度旋转。过度旋转引起相位角度增加。由于除非经由磁体120、134之间的排斥力，否则限位开关124无法被启动，因此限位开关124直到相位角度超过90度才接合。当马达112逆转时，限位开关124启动表明回退期的开始。限位开关124直到排斥力被移除并且磁力从排斥转变为吸引为止才能脱离。因此，限位开关124在相位角度减小至小于90度时被释放，这表明回退期的结束。在回退期结束时，相位角度使得磁力向量保持电枢128抵靠边界并且抵靠止动件142。应注意，这假设马达112和马达齿轮114被锁定在适当位置。
70.在替代布置中，操作来感测电枢128位置的限位开关124可以被固态传感器替代，诸如光学或磁性传感器。例如，对于光学传感器系统，将磁体120、134隔开的室边界壁106可以是光学透明的。可以存在策略性地位于室102内部的硬止动件处的光学传感器(2)(未示出)。传感器然后可以在硬止动件142处拾取在内部处于适当位置的电枢128。从电力资源角度看，即使这些传感器本身消耗能量，这在能量方面实际上是成功的，因为限位开关124需要马达112过度旋转来启动限位开关，并且然后马达必须逆转来执行回退移动。额外的前后移动表示在使用这种光学固态传感器的情况下将不需要的附加180 度移动。由于马达本身是更大的能量消耗设备，因此额外的移动很昂贵。另外，传感器可以关闭，直到实际上需要它们为止(即，就在马达移动之前)。总的来说，使用固态传感器可以是能量方面和时间方面的显著改进，因为马达过度旋转移动确实费时间。
71.如上所述，上述通用磁耦合系统100可用于需要减少移动部分之间的密封和摩擦的任何密封室系统。下面结合先导阀系统200和振荡器/转向器组件300来描述其他示例性耦合系统。
72.现在参考图11至图16，示出并描述了由具有如上文大体描述的操作特性的磁耦合组件204控制的示例性压力控制阀组件200。
73.压力控制阀200调整向喷射喷嘴14递送的水压力。喷射的距离与压力成比例。在示例性系统中，阀200由马达202控制，使得其能够由微处理器22在算法上进行控制。系统200结合位于喷嘴14附近的压力传感器400，这允许系统相对于水压力作为闭合环路操作。
74.控制阀200的基础是用来控制向喷洒器喷头14递送的水压力的先导阀206。先导阀206可以包括附接到阀座214的顶部的三个室：输入室208、输出室210以及控制器212(参见图13至图14)。通过输入端口216向输入室208供应水。输入室208中的压力始终是最大压力，这被称为供应压力。输出室内210经由出口218排放到大气并且最终排放到喷射喷嘴14。大气压力被认为是零压力。
75.当阀200关闭时，输出室210中的压力为零。当阀200打开时，通常因喷嘴14的相对窄孔口而存在背压。因此，输出压力可以大于零，但始终小于供应压力。
76.当阀打开时，一次水流在输入室208与输出室210之间直接流动。二次流动路径穿过控制室212，该控制室通过柔性膜片220与输入室208/输出室210隔开，该柔性膜片中结合
有刚性稳定器222。稳定器222通过多个周向隔开的支柱223(仅一个可见)连接到膜片220，该多个支柱穿过膜片220中的对应孔225进行压配合。四个连接点向膜片220提供较高刚性，防止由水流引起的振动不稳定性，并且允许阀在期望的位置更快地稳定。
77.水通过始终打开的输入先导孔224流入控制室212中。先导孔224延伸穿过连接支柱223中的一者。水经由输出先导孔226从控制室212流到输出室210，该输出先导孔可以被塞228打开或关闭。
78.先导阀布置的益处在于需要极小量的能量来打开或关闭该先导阀布置。控制输入是使用塞228打开或关闭输出先导孔226的问题。所涉及的能量的量极小，因为所需的力是输出先导孔226的极小面积与在控制室212和输出室210之间的压差的乘积。一旦先导孔226被打开或关闭，输入室208与输出室210之间的一次水流便受膜片220的位置影响，该位置随膜片220的两侧上的力差而变。在膜片220的一侧上，力是膜片220的面积和控制室212中的压力的乘积。在另一侧上，总力是邻近输入室208的区域上的力和邻近输出室210的力的总和。应注意，邻近输入室208的区域明显大于输出区域。
79.当塞228挡住输出先导孔226时，输入先导孔224致使输入室208和输出室212进行均衡，因此对应于输入区域的膜片220的两侧上的力相等。由于输出压力始终小于供应压力，因此邻近输出室210的区域小于控制室212中的对应区域。这个差致使膜片220压向输出端口218，从而限制水流并且最终关闭并密封输出端口218。当塞228未挡住输出先导孔226时，控制室212中的压力与输出室210进行均衡。在这个状态下，邻近输出区域的膜片220的两侧上的力相等。由于控制室压力小于输入室压力，因此邻近输入室208的区域上的力在输入室侧上更大，并且膜片220被推动远离输出端口218，从而允许更多的水流动。应注意，当膜片220完全打开时，供应压力与控制/输出压力之间必然存在压差，因为是压差在保持膜片打开。这意味着当使用这种类型的阀时压力会有一点损失。
80.图12至图14示出了完整的阀组件200，其中先导阀机构在底部处具有输入端口216。先导阀室208、210、212和膜片220的基础功能是本领域中的常规功能。然而，控制阀200的方法是独特的。控制室212由两个部分212a、212b组成，如图所示，并且包含阀的控制部件。经由大体如上文描述的磁耦合部100来供应用于塞228的移动的外部驱动，示出了该磁耦合部的外部部分并且包括马达202、台架230、驱动齿轮232、磁耦合齿轮234、外部磁体236、磁体适配器238和限位开关240。磁耦合部100的内部部分驱动控制机构242，从而导致塞228垂直于膜片220的输出端口移动。
81.图15示出了在控制室212的内部的控制机构242。机构242由外部磁体236旋转地驱动(图12至图14)，从而致使内部磁体244相应地旋转。内部磁体244被捕获在磁体适配器246的顶部处的方形插口中。磁体适配器246在分别处于控制室壳体212中的圆柱形空隙内部的顶部和底部处的套管248和250内旋转(图14)。磁体适配器246结合狭槽252，所述狭槽捕捉控制臂254，该控制臂径向地嵌入在带螺纹的导螺杆256中。导螺杆256接合由控制室壳体212捕获的螺母258。两个套管260a、260b提供旋转的磁体适配器246与固定螺母256之间的轴承表面。导螺杆256的底部结合凸缘262，在该凸缘周围模制橡胶塞228。导螺杆引导件264确保塞228在出口先导孔226上居中。该导螺杆引导件还用来将膜片220锁紧在先导阀机构中的适当位置。应注意，它是固定的。
82.先导阀控制机构200以与上文描述的磁耦合机构100相同的方式操作。外部马达
202驱动外部磁耦合齿轮234和外部磁体236，这然后驱动内部磁体244。被捕捉在方形插口中的方形磁体244使磁体适配器246旋转，从而经由控制臂254使导螺杆256旋转。当导螺杆256在被捕捉的螺母258中转动时，它相对于其旋转轴线上下移动。这致使塞228相应地打开和挡住输出先导孔226。当先导孔226被打开时，膜片220上升并且增加流过阀200的水流量。当膜片220上升并接触塞228时，先导孔226被挡住，并且膜片220被控制室压力推回去且水流量降低。当达到平衡时，最终的行为是膜片220跟随控制机构242并由控制机构242定位。这允许磁耦合装置204的外部马达202有效地控制流过阀200的水流量并且最终控制向喷洒器喷嘴14递送的水压力。
83.压力控制阀200将磁耦合部204用于控制输入并且包括也如上文所述的限位开关240。限位开关240不被用来控制可变压力，而是用来确保阀200是关闭的。当导螺杆256被一直驱动到关闭位置时，然后它不能再旋转。外部磁体236将继续旋转，并且磁体236、244将变成异相。最终，相位角度将变得足够大以迫使轴向排斥并且启动限位开关240，这将被检测到，从而指示阀200完全关闭。同样地，当打开阀200时，在阀被打开至其机械极限的情况下将发生限位开关240的启动。
84.这种布置令人感兴趣的益处是先导阀需要最小量的压力来保持关闭。例如，如果将一个阀连接到关闭的水供应设备且然后将供应设备打开，则典型地将得到短暂的水突发并且然后阀将密封。这种实施方式不会发生这个情况，因为导螺杆256机械地将膜片220保持关闭。
85.关于在使用导螺杆256的压力控制阀200中使用备用传感器，将有意义的是保留限位开关240，因为硬止动件仅用来检测关闭阀和将其打开至最大行程。然而，仍可以受益于光学传感器。例如，如果控制室212具有光学透明窗口，那么导螺杆行程可以由编码器监测。这典型地通过在轴上包括可以由传感器计数的线来实施。这允许确切地跟踪螺杆已经在室的内部旋转多少。
86.尽管当前的压力阀实施例200被展示并描述为由马达组件202控制，但阀200可以被手动地控制或由其他致动器控制。例如，手动控制的先导阀组件200(没有马达或没有马达和齿轮，即，手动地旋转外部磁体本身)可以在其他应用中用作常规的旋塞阀或龙头(未示出)。
87.现在转到图16至图23，展示并描述了基于水力涡轮旋转机构的振荡器/转向器组件300，其中转向器的位置由根据以上教导的磁耦合机构304电子地控制。组件300一般包括驱动马达302、磁耦合组件304、转向器组件306以及振荡器驱动组件308。
88.振荡器驱动部分308是使轴310和颈部312旋转的水力涡轮马达，喷射喷嘴14固定到该颈部。由此，旋转提供在不同方向上引导喷射的能力。振荡器驱动部分308结合了允许驱动器通过在两个定向中的一个上引导水流从而使涡轮叶轮314相应地在两个方向中的一个上旋转来使方向逆转的部件的组件。涡轮叶轮314向水力马达提供旋转输入力，因此使涡轮方向逆转也使马达方向逆转。因此，用来改变马达方向的组件是转向器组件306。
89.转向器组件306允许因对可逆电动马达302的电输入而发生方向改变。电输入由电子设备控制，这允许经由电子输入(包括微处理器控制)来控制振荡器308的方向。这种类型的控制的附加益处在于转向器306包括中性或空转位置。也就是说，水流可以同样被引导到涡轮叶轮314的两侧，从而在任一方向上产生净零力以致使水力马达停止。还可能的是在任
一方向上控制水流的速度，从而提供使用转向器306作为水力马达的速度控制的能力。
90.图16至图18示出了整个振荡器/转向器300的各种视图以供参考，包括透明的正视图。
91.如图所示，组件的输入是标准带螺纹的花园软管连接器316，但它可以是任何适合的连接器或直接集成到压力控制阀下游的共用壳体中。这是供应压力。用压力控制阀200改变这个压力会影响喷嘴14的输出压力，并且因此影响从喷嘴14喷射的水的距离。改变供应压力还将影响水力马达的速度，并且必须供应最小压力以使马达转动。
92.水流最初通过输入端口320进入转向器室318中，并且被引导穿过在转向器室318与振荡器驱动部分308中的涡轮室328之间的边界壁326中的两个出口端口322、324中的一个。水流过涡轮叶轮314并使其旋转(假设转向器未处于空转位置)。水然后穿过另一个边界壁330流入包含齿轮系334的振荡器室332中。喷嘴(未示出)安装到颈部312。
93.还存在压力释放阀338，该压力释放阀为处于过度供应压力而原本可能会淹没转向器/振荡器300的水提供从转向器室318直接到颈部312的替代路径。压力释放阀338本质上充当不限制喷嘴压力的旋转速度限制器。应注意，限制喷嘴压力将会限制喷射图案的最大距离。
94.喷洒器喷头齿轮336还驱动旋转传感器齿轮340，该旋转传感器齿轮捕获与位于振荡器/转向器组件300外部的磁性旋转传感器500成直线的直径永磁体。齿轮340与喷头齿轮336具有1：1的比，从而使得可能电子地确定喷嘴14的对应旋转角度。振荡器齿轮系334、喷头齿轮336、传感器齿轮340和压力释放阀338全部都被可旋转地捕获在振荡器室332内，该振荡器室在输出(喷嘴)压力下加压。电子压力传感器400嵌入在振荡器室332的侧壁中，并且提供实时电子地确定喷嘴压力的手段。应注意，颈部312的轴310是振荡器/转向器组件300的用旋转部件穿透水室而到达大气的唯一部件，并且因此需要密封件；在这里由o形环344供应密封件。除了供应输入部320和轴310，整个装置都被气密地密封。由o形环密封件344引入的摩擦容易被振荡器驱动系334的齿轮比(大约500：1)产生的转矩克服。
95.图18至图20示出了转向器部件的外部视图。磁耦合部304的外部部分的马达302用来驱动该机构。外部旋转传递到组件的内部部分，该内部部分包括使穿过两个端口322、324中的一个流入涡轮室328中的水转向的电枢346。
96.输入水流是通过输入端口320的。这将处于压力下的水供应到转向器室318。控制输入部是经由磁耦合部304的外部部件，该磁耦合部改变转向器室318内部的电枢346(图20至图23)的位置。电枢346的位置确定水通过哪个端口322、324流入涡轮室328中。在水流过涡轮叶轮314时，水继续穿过边界壁330经由端口333流入振荡器室332中。涡轮314旋转并经由小驱动齿轮348向齿轮系334提供机械输入。释放阀端口350进一步允许过度的压力使水穿过喷洒器颈部312进行释放，从而限制涡轮314的速度。
97.图20至图21示出了进入转向器电枢346中的控制输入部。马达齿轮352驱动磁体齿轮354，该磁体齿轮具有捕获外部磁体356的方孔。外部磁体356跨转向器室318的边界壁磁性地耦合到内部磁体358。转向器边界壁具有结合在其中的捕获电枢346的圆形槽360。在外部磁体356旋转时，内部磁体358相应地旋转。由于被捕获在电枢346中的方形插口中，因此电枢346也与磁耦合部对应地旋转。当磁体356、358处于同相时，外部磁体356的北极和南极与内部磁体358的南极和北极对准。在这个相对位置，磁力向量完全垂直于边界并且磁体相
互吸引。在马达齿轮352继续旋转时，电枢346接触止动件362a、362b中的一个，从而阻止电枢346的任何进一步旋转。在外部磁体356继续旋转时，磁体变成异相。当它们异相达到90度时，不再有垂直于边界的净磁力，因此力向量是完全旋转的。在外部磁体356继续旋转而使其与内部磁体358处于大于90度异相时，磁体开始相互排斥。如先前所描述，外部磁体356垂直于边界自由地移动，因此它被推离边界并且通过磁体适配器364将排斥磁力传递到限位开关366。在某一时刻，当相位角度在90度与180度之间时，力变得足够强以启动限位开关366，这被电子地检测到。在检测到后，马达302停止并且然后逆转，从而致使相位角度减小。在某一时刻，当相位角度小于90度时，磁力再次变成吸引并且磁体356朝向转向器边界往回移动，从而释放限位开关366。同样地，电子地检测到限位开关366的停用，并且停止并锁定马达302。在这个位置，相位角度一般仍大于零。在图中，外部磁体356被示出为与内部磁体处于45度异相。在这种状态下，磁力向量使电枢346抵靠转向器边界并抵靠止动件362，该止动件进行定位以便使电枢塞368位于涡轮室328的输出端口322、324中的一者上方。
98.图21至图23示出了被保持在抵靠止动件362的适当位置的电枢346，这保持电枢塞368与进入涡轮室328的端口322、324中的一者成直线(挡住该端口)。挡住一个端口致使水流入相反的端口中。加压的水通过对应的端口出口被引导到涡轮314的叶片上。在该图中，涡轮314将逆时针旋转，如从上方看到。使电枢346向相反的止动件旋转将致使塞368挡住相反的端口，这将致使水流过另一个端口并且涡轮314将在顺时针方向上旋转。该机构允许电子地控制振荡器的旋转方向。应注意，有可能转动马达302，使得电枢346处于端口之间的中间的位置(未示出位置)。在这种状态下，水在两个端口322、324之间均匀地流动，并且两个端口出口处的净压力大约相同且涡轮314不旋转。实现这种状态的一种示例性方法是测量将马达302从一个停止位置驱动到另一停止位置所花的时间并且然后在一半的该持续时间内将马达302从一个停止位置朝向另一停止位置旋转。因此，该控制能够实现三种状态：顺时针旋转、逆时针旋转和静止。其他可能的方法包括使用将学习并调整马达定时的人工智能(ai)学习算法。由于机械系统中的水的不可预测性，ai类型的学习算法对于这种类型的实施是有效的。
99.本智能喷洒器布置的另一个益处在于喷洒器系统因为低水压力而从来不会被卡住。纯机械喷洒器的一个问题是它们需要最小水压力进行操作。水马达机构中存在摩擦，因此必须将水压力开大到某一最小量以克服该摩擦，否则该机构将不旋转。可能难以预测这种情况，因为这一点在旋转过程中可能略有不同。另外，用于改变方向的机械致动器需要甚至更大的压力以克服移动致动器所涉及的力。此外，供应压力可以改变，使得压力下降可能致使喷洒器停止旋转，甚至在装配时也是如此。
100.本系统具有水力马达308的相同摩擦问题。需要某一最小量以使涡轮叶轮314进行旋转。在本喷洒器系统10中，通过传感器来检测方向改变的点，并且经由电动马达来实现方向的改变。这既不引入另外的摩擦也不需要水压力。另外，可以检测喷洒器喷头是否在旋转(旋转传感器齿轮340)并且可以自动地升高压力(阀200)，直到开始旋转为止。如果供应压力因外部因素(本地水需求)而下降，则也自动地升高该压力。这意味着喷洒器10将不会卡住。实际上，真的没有最小压力。系统将压力降低至用户设定点并且然后自动地升高到足以旋转喷洒器喷头14。一旦检测到旋转，就再次将压力降低至用户设定点。系统在这种模式下将不会产生简单的弧，就像在较高压力下一样，而是将施加处于设定范围的水，并且不会卡
住。应注意，这假设供应压力大于要求的最小压力。如果这不被满足，则喷洒器可以检测条件并完全地关闭，从而放弃用户图案，直到恢复供应压力的时间为止。类似地，如果配置了包括在运行图案时无法实现的最大水压力的水图案，则喷洒器可以自动地跳过图案的无法实现的那些部分并且仍执行图案的可以实现的部分。因此，喷洒器可以尽可能地满足用户的需求。
101.因此，可以看出本系统10提供优于现有技术的系统的若干独特且新颖的改进、特别是关于密封室磁耦合器和开关机构，该机构消除了对旋转部分的高摩擦密封件的需求并且还降低了密封室内的旋转部件的功率需求。
102.这样描述了本发明的某些特定实施例，应理解，由所附权利要求限定的本发明不限于在以上描述中阐述的特定细节，因为设想本发明的许多明显变化。而是，本发明仅受所附权利要求限制，所附权利要求在其范围内包括根据如所描述的本发明的原理操作的所有等效的装置或方法。