智能球閥研究進(jìn)展

黃海亮 宋科明 李統(tǒng)一 陳旭東

（1 廣東聯(lián)塑科技實(shí)業(yè)有限公司；2 中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院）

1 前言

智慧塑料管網(wǎng)作為智慧城市的重要部分[1-3]，是塑料管道行業(yè)在未來(lái)的重要發(fā)展方向。閥門(mén)作為塑料管網(wǎng)組成部分，其智能化工作也受到廣泛關(guān)注[4-5]。

目前行業(yè)內(nèi)的智能閥門(mén)一般是指在普通閥門(mén)上安裝控制器從而能實(shí)現(xiàn)遙控功能的閥門(mén)。在此基礎(chǔ)上，如果能在閥門(mén)上安裝傳感器，不僅能提高閥門(mén)的元件集成度，減少管材管件上的開(kāi)孔數(shù)目，還能降低智慧塑料管網(wǎng)的組裝難度與成本，有利于智慧塑料管網(wǎng)的推廣應(yīng)用。

球閥作為常用的閥門(mén)種類(lèi)之一，具有耐磨、密封性好、開(kāi)關(guān)輕以及使用壽命長(zhǎng)等多個(gè)特點(diǎn)，在建筑供水、市政供水、石化輸油、工業(yè)排污等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛用途[6-8]，不少學(xué)者對(duì)智能化球閥進(jìn)行了研究并取得一定成果[9-10]。本文主要總結(jié)了行業(yè)內(nèi)在球閥上安裝傳感器的多種方式，希望能為行業(yè)研發(fā)新型的智能球閥提供參考。

2 傳感器安裝方案

2.1 在閥門(mén)兩端安裝傳感器

為了不影響球閥的正常開(kāi)關(guān)功能，同時(shí)又能安裝傳感器獲取流體的數(shù)據(jù)，在球閥兩端承插段安裝傳感器是最容易實(shí)現(xiàn)的思路，不少科研人員也按照這思路提出了具體的解決方案[11-13]。

田洪衛(wèi)[14]提出了一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓的閥門(mén)，壓力傳感器安裝在流體流動(dòng)的安裝管上，并通過(guò)壓力傳感器和驅(qū)動(dòng)器控制與閥體轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接的伺服電機(jī)，可通過(guò)球閥控制管道內(nèi)的流體壓力。盛斌[15]則是提出一種模塊化新型球閥結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。這種球閥在出水部位于水平方向上距離閥芯3cm～10cm 處設(shè)置一個(gè)傳感器安裝孔，水質(zhì)傳感器或者電磁流量傳感器可以通過(guò)磁性在安裝孔中快速安裝或拆卸。傳感器還連接有wifi 或者藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊，便于向外界終端傳輸信號(hào)。這種閥門(mén)各個(gè)模塊之間通過(guò)螺紋或者磁性連接，當(dāng)某以模塊出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候能進(jìn)行快速更換，不需要將閥門(mén)整體更換，能極大地簡(jiǎn)化操作，有效降低產(chǎn)品后期維護(hù)成本。

圖1 一種模塊化功能組合式球閥結(jié)構(gòu)圖

在球閥兩端的承插段安裝傳感器，不僅能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集的要求，結(jié)合控制器以及執(zhí)行器等組件還能實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)流體動(dòng)態(tài)調(diào)控的目的。不過(guò)，由于常規(guī)球閥的承插段長(zhǎng)度有限，容易對(duì)傳感器尺寸形成限制，還會(huì)影響閥門(mén)與管材管件的連接。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)者提出可以通過(guò)一個(gè)殼體將常規(guī)尺寸的球閥與傳感器封裝在一起從而形成一個(gè)一體化組件[16]。如圖2 所示，采用這種方案，可以在保證球閥正常工作的前提下與不同尺寸的傳感器實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足不同的監(jiān)控要求。這種結(jié)構(gòu)的組件省去了外裝端蓋的連接環(huán)節(jié)，增加了結(jié)構(gòu)的剛性，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，同時(shí)能增加組件的整體剛性及抗破壞能力，還能避免現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)出現(xiàn)的端蓋滲漏的問(wèn)題。

圖2 一體化流量傳感器- 球閥組件結(jié)構(gòu)圖

2.2 在閥體底部安裝傳感器

對(duì)于在球閥上安裝傳感器的位置，除了可以選擇球閥兩端的承插口以外，相關(guān)學(xué)者還提出可以在球閥底部以球體中軸線作為中心開(kāi)孔安裝傳感器[17-19]，在做好嚴(yán)格的密封處理后就能保證球閥正常工作的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)流體參數(shù)監(jiān)控。

圖3 測(cè)溫球閥結(jié)構(gòu)圖

卓旦春[20]提出一種底部安裝溫度傳感器的球閥結(jié)構(gòu)（如圖3）。在這種球閥中，導(dǎo)溫件設(shè)置在底部并同時(shí)穿過(guò)閥體外殼和閥芯，且其內(nèi)端位于流體通道處，外端則伸出閥體，整體通過(guò)內(nèi)螺紋與閥體連接，方便安裝與拆卸。導(dǎo)溫件內(nèi)部的測(cè)溫孔裝有溫度傳感器，內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有內(nèi)向的擋沿，當(dāng)溫度傳感器裝入測(cè)溫孔內(nèi)，再在擋沿口處安裝固定帽堵塞溫度傳感器，防止溫度傳感器從測(cè)溫孔上脫落。導(dǎo)溫件與凸邊的連接處還設(shè)置有密封圈，一方面增強(qiáng)了導(dǎo)溫件與閥體之間的密封性，另一方面方便導(dǎo)溫件的連接。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于在球閥底部開(kāi)孔并安裝溫度傳感器，能有效對(duì)球閥內(nèi)部溫度實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，同時(shí)不影響閥門(mén)正常開(kāi)關(guān)功能。

汪曉崗等人[21]提出了一種新型智能燃?xì)馇蜷y，結(jié)構(gòu)如圖4。在球閥下側(cè)設(shè)置一個(gè)定位孔，用于放置智能模塊。在智能模塊中，可以寫(xiě)入該產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)、出廠時(shí)間等信息，在施工方安裝后可以寫(xiě)入施工時(shí)間施工責(zé)任人等信息，并在后期對(duì)管線維護(hù)過(guò)程中，該智能模塊可以安裝全球定位（GPS）芯片，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)快速定位，并通過(guò)藍(lán)牙或者wifi 等方式與終端設(shè)備進(jìn)行連接并寫(xiě)入相應(yīng)信息。在該模塊中，也可以設(shè)置氣壓傳感器監(jiān)控燃?xì)鈧鬏斶^(guò)程中的氣壓值。當(dāng)閥體與閥芯呈斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，連接通道與輸氣通道錯(cuò)開(kāi)，閥體內(nèi)腔與智能模塊的容置槽也斷開(kāi)，便于智能模塊取出維護(hù)或更換，有效降低產(chǎn)品維護(hù)成本，具有較強(qiáng)靈活性。

圖4 一種智能燃?xì)馇蜷y結(jié)構(gòu)圖

2.3 在球體上安裝傳感器

為了保證球閥正常工作的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能，除了可以考慮在球閥底部的中心安裝傳感器以外，還可以直接將傳感器與球閥芯體做成一體化器件[22]。齊寬寬[23]提出了一種防凍結(jié)球閥（圖5），球閥殼體內(nèi)部設(shè)置球閥芯體，溫度傳感器安裝在球閥芯體內(nèi)，在球閥的支撐承軸底部以及閥桿有加熱裝置。傳感器與加熱裝置都與控制裝置連接，一旦球閥內(nèi)部溫度過(guò)低能開(kāi)啟加熱功能實(shí)現(xiàn)保溫防凍結(jié)，同時(shí)閥體外部包裹保溫層，能有效防止球閥被凍結(jié)，避免事故出現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)有利于減少了閥體的開(kāi)孔，降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 防凍結(jié)球閥結(jié)構(gòu)圖

2.4 閥桿中安裝傳感器

在前面的方案中，雖然在閥體底部中心開(kāi)孔接入傳感器，或者將傳感器與球體做成一體化的結(jié)構(gòu)，能有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的目的，但這兩個(gè)方案都涉及對(duì)閥芯（球體）進(jìn)行改動(dòng)。前者涉及在閥體外殼以及球體兩層結(jié)構(gòu)上開(kāi)孔，對(duì)密封工藝要求高；后者涉及電子元件的集成，對(duì)制作工藝要求高。這兩種解決方案執(zhí)行難度較高，輕微的失誤都可能對(duì)球體結(jié)構(gòu)以及球閥使用壽命產(chǎn)生不良影響。為此，有學(xué)者提出了其他的思路[24]。

周盈裕[25]提出了一種用于天然氣管道的智能球閥結(jié)構(gòu)（圖6）。這種球閥采用間隙配合的連接方式，并結(jié)合有預(yù)緊力彈簧、支撐柱技術(shù)方案結(jié)合的方法，同樣達(dá)到閥桿與凹槽過(guò)贏配合的技術(shù)效果，解決扳手、閥桿以及球體轉(zhuǎn)動(dòng)不同步的問(wèn)題，延長(zhǎng)了球閥使用壽命。閥桿的中心具有軸向貫通孔貫穿球體端部。閥桿還開(kāi)設(shè)有軸向貫通孔相連的徑向泄漏檢測(cè)微孔。閥桿的軸向貫通孔內(nèi)安裝有氣體傳感器。傳感器、閥體上的自動(dòng)控制器以及蜂鳴報(bào)警器通過(guò)導(dǎo)線相連。當(dāng)球體球座之間出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象時(shí)，氣體通過(guò)閥桿與凹槽經(jīng)后期磨損后的間隙以及檢測(cè)微孔到達(dá)軸向貫通孔并被傳感器監(jiān)測(cè)。傳感器檢測(cè)得信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳輸?shù)娇刂破?，從而?shí)現(xiàn)報(bào)警功能，避免事故的發(fā)生。

圖6 天然氣管道用智能球閥結(jié)構(gòu)圖

2.5 多功能球閥

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品上元件的集成度也隨之提升。如果球閥上能集成多個(gè)傳感器[26-27]，就能在一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)控，系統(tǒng)平臺(tái)可以通過(guò)綜合分析多種數(shù)據(jù)更快發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)異常事件，同時(shí)也能提高工作人員處理異常事件的效率。另外，球閥上元件集成度的提升能減少管網(wǎng)上的開(kāi)孔數(shù)目，降低構(gòu)建智慧塑料管網(wǎng)的難度與成本，有利于智慧管網(wǎng)的推廣建設(shè)。

陶岳杰等人提出了一種智能管道漏水保護(hù)器（圖7），包括球閥閥體、球閥控制器、電路主板、溫度傳感器、流量傳感器以及壓力傳感器等元件[28]。傳感器與控制器都通過(guò)導(dǎo)線與主板相連。球閥外殼安裝有LED 屏幕，可以顯示流體參數(shù)。通過(guò)相應(yīng)的旋鈕以及按鈕能直接控制球閥，也能通過(guò)終端（手機(jī)等）以wifi 或者GPRS 等方式對(duì)其進(jìn)行遙控。這種保護(hù)器可以對(duì)家庭用水的壓力、流量、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，智能判斷家庭是否漏水，并能通過(guò)手動(dòng)或者軟件遠(yuǎn)程控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)，方便安全，符合智慧家庭的發(fā)展趨勢(shì)。

圖7 智能管道漏水保護(hù)器

3 總結(jié)

球閥作為常用的閥門(mén)之一，是塑料管網(wǎng)中重要組成部分，其智能化研究是塑料管道領(lǐng)域的熱點(diǎn)。通過(guò)在球閥中安裝傳感器，賦予其采集數(shù)據(jù)的功能，有效提高閥門(mén)產(chǎn)品的元件集成度。這類(lèi)新型的智能化球閥，不僅能提高塑料管網(wǎng)的調(diào)控效率，還能減少管材管件上的開(kāi)孔數(shù)目，降低構(gòu)建智慧塑料管網(wǎng)的組裝難度與成本，有利其推廣應(yīng)用，具有重要的實(shí)際意義。