CN103307342A - 基于阀门特性的流量测量方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于阀门特性的流量测量方法和装置，该方法包括：提供一种新型调节阀，包括阀体、执行器、控制器和压差传感器；通过测试获得阀体的流量特性曲线，流量系数及可调比；通过压差传感器和执行器分别测得阀体两端的压差和阀门的相对开度；通过计算程序完成阀门的工作流量特性、实际压差条件下阀门全开时流量、实测流体流量的计算。本发明所述的新型调节阀可以用于调节流量和测量流量，提高管路系统调节的稳定性，实现管路间的自动平衡，降低运行成本，从而实现了系统整体运行效率和可靠性的提高。

Description

基于阀门特性的流量测量方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种基于阀门特性的流量测量方法及其应用。更具体地，本发明是一种用于计算流量的方法和装置，该方法可用于创造一种新型调节阀或用于改装已经安装在管路中的阀。
背景技术
在许多工业领域中，如石油，采矿，电力，给排水和暖通空调，调节阀被广泛的用于控制工业过程中水力系统的流量，压力，温度和液面等等。当该工业过程中除了需要流量调节，还有流量测量的要求时，或者对流量控制要求较高时，需要在该管路系统上同时安装调节阀和流量计。目前工业中常用的液体流量计包括：压差式流量计，涡轮流量计，电磁流量计以及超声波流量计。这种调节阀加流量计的应用形式，具有如下缺点：
1. 造价高。
常用的液体流量计本身的价格较高，尤其是电磁流量计和超声波流量计。由于在管路中要同时安装调节阀与流量计两种部件，安装，调试以及日常运行维护的费用也随之上升。
2. 对于流量计上下游直管段长度的要求严格。
流量计都需要一个稳定，均匀的流场，这样流量计上下游局部阻力管件对流体流动状态的影响不直接影响流量计的测量精度。但是这种稳定，均匀的流场必须是充分发展了的管内流动才能形成，也即有足够长的直管段才能形成。比如对于涡轮流量计，上游的直管段长度要求不小于10D，下游要求不小于5D（D为流量计或管道的公称直径）。这给流量计的安装带来一定的困难。当无法满足直管段的长度要求时，流量计的测量精度将受到影响。
3. 在管路系统中引入额外的阻力。
除超声波流量计外，其余阀门或多或少的增大了管路的压力损失，尤其以压差式流量计为最，从而增加了水泵的能耗。
针对以上问题，如果能够制造出一种能同时调节流量和测量流量的装置，将大大降低许多工业过程的成本。目前，公开的专利技术中还没有这样的一种装置。目前公开专利中用于流量计算的方法大多基于力学，声学和电学原理。例如上述的压差流量计，涡轮流量计，电磁流量计以及超声波流量计都是基于以上原理。然而这些方法都不适合与调节阀相结合，因为它们都需要均匀，稳定的流场，而阀门恰恰是引起局部流体扰动的部件。因此，本发明从阀门本身的特性出发去开发出一种能和阀门相结合的流量测量方法，从而制造出一种能同时进行流量调节与流量测量的新型阀门。
阀门的特性主要是指其流量特性，即阀门的流量特性是指在保持阀门两端压差不变的条件下，其相对流量G与相对开度L之间的某种关系：
Figure 875816DEST_PATH_IMAGE001
 (1)
R为阀门的可调比，其定义为阀门所能控制的最大流量与最小流量之比。由于这种关系是在阀门两端的压差恒定的情况下获得的，因此又称为阀门的理想流量特性。之所以称为理想流量特性，是与工作流量特性相区别，因为在实际的工程应用中，阀门两端的压差是波动的，因此实际应用的阀门不再遵循其理想流量特性。通常这种实际工作条件下阀门的特性称为其工作流量特性：
Figure 698278DEST_PATH_IMAGE002
 (2)
Pv为阀权度，其定义为阀门全开压差占系统压差的比例，即：
Figure 778361DEST_PATH_IMAGE003
 (3)
如图1所示，∆Pv为实际工作条件下阀门两端的压差，∆Pb为实际工作条件下，管路系统中其他部件的压差总和。由于工作流量特性是与阀门的实际安装工况相联系的，因此该方法无法用于和阀门的制造结合起来制造出一种同时能进行流量调节与流量测量的阀门。这是也目前公开的专利技术中，并没有运用阀门特性进行流量测量的原因。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种能同时调节流量和测量流量的方法和装置。
本发明提供一种新型调节阀，包括阀体、执行器、压差传感器和用于实现计算流量的算法的装置，所述装置主要由一个带输入/输出的微处理器构成；
所述微处理器的存储器中预存储有阀门的流量特性曲线、流量系数和可调比；
所述装置接收压差传感器的压差测量信号和执行器的阀杆的位置信号；
所述新型调节阀是可以用于调节流量和测量流量的调节阀。
所述执行器包括位置感应装置、力矩感应装置、电极保护装置、逻辑控制装置、数字通讯模块和比例积分微分控制模块。
所述执行器通过数字通讯模块接收控制信号，所述执行器与阀体相连。
所述阀体为任何流量曲线可测的阀门，包括球阀、蝶阀、闸阀或截止阀。
所述计算流量的算法包括计算阀门的工作流量特性的第一方程式：Gs = f(L,R)；
其中，R为阀门的可调比，L是阀门的相对开度，Gs是阀门的工作流量特性。
所述计算流量的算法包括计算实际压差条件下阀门全开时流量的第二方程式：Wt,qk= Kv √ ∆Pv,t ；
其中，Kv是流量系数，∆Pv,t是实际工作条件下阀门两端的压力差，Wt,qk 是实际压差条件下阀门全开时的流量。
所述计算流量的算法包括计算实测流体流量的第三方程式：Wt=Wt,qk ×Gs ；
其中，Wt是实测流体流量。
所述用于实现计算流量的算法的装置是一控制器，所述控制器还包括电路板、存储器、输入输出模块和连接各组件的辅助元件。
所述存储器中预存储有阀门的流量特性曲线、流量系数、可调比和计算程序。
本发明还提供一种新型调节阀测量流量的方法，包括如下步骤：
1）提供一种新型调节阀，包括阀体、执行器、控制器和压差传感器；所述控制器是一个芯片组，包括电路板、微处理器、存储器、输入输出模块和连接各组件的辅助元件；
2）提供所述阀体的流量特性曲线，所述流量特性曲线是指在保持阀门两端压力差不变的条件下，其相对流量与相对开度之间的关系；
3）提供所述阀体的流量系数，所述流量系数是衡量阀门流量控制能力的物理量；
4）提供所述阀体的可调比，所述可调比是阀门所能控制的最大流量与最小流量之比；
5）通过执行器的阀位反馈信号获得阀门的相对开度；
6）通过压差感应器获得实际工作条件下阀门两端的压力差；
7）通过第一方程式Gs = f(L,R)计算阀门的工作流量特性，其中，R为阀门的可调比，L是阀门的相对开度，Gs是阀门的工作流量特性；
8）通过第二方程式Wt,qk= Kv √ ∆Pv,t 计算实际压差条件下阀门全开时流量，其中，Kv是流量系数，∆Pv,t是实际工作条件下阀门两端的压力差，Wt,qk 是实际压差条件下阀门全开时的流量；
9）通过第三方程式Wt=Wt,qk ×Gs 计算实测流体流量，其中，Wt是实测流体流量。
本发明根据阀门的特性而开发出一种流量计算方法，该方法可以和阀门相结合，从而制造出一种低成本，简便，可靠的可同时实现流量调节与测量功能的阀门。这种新型阀门可以提高管路系统调节的稳定性，实现管路间的自动平衡，降低运行成本，从而实现了系统整体运行效率和可靠性的提高。
跟传统的调节阀加流量计的应用形式相比，新型调节阀的优点：
1. 成本低：只是在原有的基础上加上了压差传感器，以及简单的编程，成本只是比传统电动调节阀稍高一点。
2. 没有直管段要求：因为压力的测量与流场无关，所以没有直管段的要求。
3. 没有额外的压力损失。
附图说明
图1为阀权度计算参数；
图2为常用的六种阀门流量特性曲线，本发明并不限于此六种流量特性曲线，任意可测得的阀门流量特性曲线均可在本发明中使用；
图3为新型阀门的示意图；
图4为传统动态平衡电动调节阀的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图3所示，该新型调节阀包括阀体（直通单座阀，直通双座阀，蝶阀，球阀等任意阀体），执行器，压差传感器及控制器。
调节阀由电动执行机构和调节阀连接组合后经过机械连接装配、调试安装构成。调节阀适用于空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品等介质。本发明主要针对应用于低压（公称压力≤1.6MPa）、常温（-40°C<介质工作温度<120°C）水，油品等液体介质的电动调节阀。
执行器是一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用直流或交流电为驱动能源并在某种控制信号作用下工作。调节阀的工作原理为：电动执行机构通过数字通讯模块接收控制信号（如：4-20mA或1-5V），控制器把电流信号转换为步进电机的角行程信号，电机转动，由齿轮，杠杆，或者齿轮加杠杆，带动阀杆运作，实现直行程或角行程驱动阀门，从而改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。
执行器包括位置感应装置、力矩感应装置、电极保护装置、逻辑控制装置、数字通讯模块和比例积分微分控制模块，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。
控制器是一个芯片组包括电路板，微处理器，存储器，输入输出模块以及连接各个组件所需的辅助元件。
压差传感器是一种在工业过程中常用的测量两个压力之间差值的传感器。其工作原理为被测压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与水压成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个相对应压力的标准测量信号。
所述新型调节阀测量流量的较佳实施方法，包括如下步骤：
1）提供上述新型调节阀，包括阀体、执行器、控制器和压差传感器；所述控制器是一个芯片组，包括电路板、微处理器、存储器、输入输出模块和连接各组件的辅助元件；
2）提供所述阀体的流量特性曲线，所述流量特性曲线是指在保持阀门两端压力差不变的条件下，其相对流量与相对开度之间的关系；
3）提供所述阀体的流量系数，所述流量系数是衡量阀门流量控制能力的物理量；
4）提供所述阀体的可调比，所述可调比是阀门所能控制的最大流量与最小流量之比；
5）通过执行器的阀位反馈信号获得阀门的相对开度；
6）通过压差感应器获得实际工作条件下阀门两端的压力差；
在阀的设计和生产过程中，其流量特性曲线，流量系数及可调比可通过测试获得，即为已知量。阀门流量特性曲线，流量系数，可调比及计算程序存储在存储器中。
当阀被应用于具体的管路系统中后，其两端的压差可通过自带的压差传感器测得；其相对开度可通过阀位传感器或执行器中的阀位反馈获得。压差及阀位开度信号通过输入模块读入控制器。
7）通过第一方程式Gs = f(L,R)计算阀门的工作流量特性，其中，R为阀门的可调比，L是阀门的相对开度，Gs是阀门的工作流量特性；
8）通过第二方程式Wt,qk = Kv √ ∆Pv,t 计算实际压差条件下阀门全开时流量，其中，Kv是流量系数，∆Pv,t是实际工作条件下阀门两端的压力差，Wt,qk是实际压差条件下阀门全开时的流量；
阀的流量系数Kv是衡量阀门流量控制能力的另一个重要物理量，其定义为阀两端压差为105Pa，流体重度为1gf/cm3时，阀全开时的流量(m3/h)，即:
Figure 977261DEST_PATH_IMAGE005
 (4)
式中， W-流体流量(m3/h)，
∆Pv -阀两端压差，等于105Pa。
根据式（4），若阀的流量系数及两端压差为已知，则在该实际压差条件下对应的阀门全开时的流量可由下式计算：
Figure 708457DEST_PATH_IMAGE007
 (5)
式中， Wt,qk- 实际压差条件下阀门全开时的流量(m3/h)，
∆Pv,t-阀两端的实际压差(Pa)。
8）通过第三方程式Wt= Wt,qw ×Gs 计算实测流体流量，其中，Wt是实测流体流量。
根据式（1）和式（5），当阀的流量特性曲线G，流量系数Kv，可调比R，两端压差∆Pv,t以及相对开度L均为已知量时，流体通过阀门的流量可通过如下公式获得：
Figure 701820DEST_PATH_IMAGE009
 (6)
式中， Wt - 实测流体流量(m3/h)。
微处理器调用计算程序完成流量的计算，然后通过输出模块给出运算结果。运算结果可以通过自带的LCD显示，也可以通过模拟信号或其他电气接口支持BACnet，Modbus等常用通讯协议输出。
以下用等百分比阀为例说明具体的计算过程。表1给出阀门的设计参数。
表1 阀门的设计参数
流量特性曲线 等百分比
流量系数 50
可调比 50
该阀门流量特性曲线的公式表达为：
Figure 6211DEST_PATH_IMAGE013
 (7)
在任意时刻，如果阀门的相对开度为30%，根据公式（7）
Figure 529596DEST_PATH_IMAGE015
 (8)
如果该时刻阀门两端的压差为300kPa时，该阀门在此条件下对应的全开时的流量可通过式（5）获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
(m3/h)		 (9)
根据式（6），实时流量为：
Figure 21757DEST_PATH_IMAGE017
(m3/h)		 (10)
由上述新型调节阀提供的流量测量方法有多种用途。例如，在暖通空调系统中，如果热交换器入口和出口水温通过测量已知，那么热交换器所交换的能量可由温差及流量计算获得。很多暖通空调系统的故障检测与诊断技术中都需要用到流体的流量。
在上述新型调节阀的基础上，该新型阀门还可以作为动态平衡电动调节阀（pressure-independent control valve）使用。动态平衡电动调节阀的主要特点是无论管路系统中的压力如何变化，都可将控制参数保持在设定值上。如图4所示，现有的动态平衡电动调节阀是通过保持电动调节阀两端的压差不变来实现上述目的的。然而现有的动态平衡电动调节阀引入了额外的压力损失，因此增加了系统的水泵能耗。本发明中的新型电动调节阀通过输入模块接收上一层控制器的输入信号确定流量设定值，内置的比例积分微分调节器（PID）将通过自动执行器自动调节阀门的开度，从而将流量控制在设定值上。因此，无论管路系统的压力如何变化，通过该阀门的流量都将保持在设定值上。
将本发明测量流量的方法与任何类型的阀结合，可以制造一种新型平衡阀。该平衡阀可在本地显示流量，以方便水力系统平衡的调试。这个新平衡阀的工作原理与上述的新型调节阀类似。但由于是手动平衡阀，没有电动执行器，因此阀门的开度需要额外的阀位定位器来测量。
本发明所阐述的原理和装置，还可以用于改装已安装在管路中的阀门，从而使该阀门具有流量测量的功能。
本文展示和描述了此项发明的创新之处，但应该说明的是，本领域的技术人员是可以基于本发明的精髓做各种形式上或细节上的简化，替代和变化的。

Claims (10)

1.一种新型调节阀，其特征在于，所述新型调节阀是用于调节流量和测量流量的调节阀，包括阀体、执行器、压差传感器和用于实现计算流量的算法的装置；所述装置主要由一个带输入/输出的微处理器构成；
所述微处理器的存储器中预存储有阀门的流量特性曲线、流量系数和可调比；
所述装置接收压差传感器的压差测量信号和执行器的阀杆的位置信号。
2. 如权利要求1所述的一种新型调节阀，其特征在于，所述执行器包括位置感应装置、力矩感应装置、电极保护装置、逻辑控制装置、数字通讯模块和比例积分微分控制模块。
3. 如权利要求1所述的一种新型调节阀，其特征在于，所述执行器通过数字通讯模块接收控制信号，所述执行器与阀体相连。
4. 如权利要求1所述的一种新型调节阀，其特征在于，所述阀体为任何流量曲线可测的阀门，包括球阀、蝶阀、闸阀或截止阀。
5. 如权利要求1所述的一种新型调节阀，其特征在于，所述计算流量的算法包括计算阀门的工作流量特性的第一方程式：Gs = f(L,R)；
其中，R为阀门的可调比，L是阀门的相对开度，Gs是阀门的工作流量特性。
6. 如权利要求1所述的一种新型调节阀，其特征在于，所述计算流量的算法包括计算实际压差条件下阀门全开时流量的第二方程式：Wt,qw = Kv√∆Pv,t ；
其中，Kv是流量系数，∆Pv,t是实际工作条件下阀门两端的压力差，Wt,qw是实际压差条件下阀门全开时的流量。
7. 如权利要求1所述的一种新型调节阀，其特征在于，所述计算流量的算法包括计算实测流体流量的第三方程式：Wt= Wt,qw ×Gs ；
其中，Wt是实测流体流量。
8. 如权利要求1所述的一种新型调节阀，其特征在于，所述用于实现计算流量的算法的装置是一控制器，所述控制器还包括电路板、存储器、输入输出模块和连接各组件的辅助元件。
9. 如权利要求1或8所述的一种新型调节阀，其特征在于，所述存储器中预存储有阀门的流量特性曲线、流量系数、可调比和计算程序。
10.一种新型调节阀测量流量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）提供一种新型调节阀，包括阀体、执行器、控制器和压差传感器；所述控制器是一个芯片组，包括电路板、微处理器、存储器、输入输出模块和连接各组件的辅助元件；
2）提供所述阀体的流量特性曲线，所述流量特性曲线是指在保持阀门两端压力差不变的条件下，其相对流量与相对开度之间的关系；
3）提供所述阀体的流量系数，所述流量系数是衡量阀门流量控制能力的物理量；
4）提供所述阀体的可调比，所述可调比是阀门所能控制的最大流量与最小流量之比；
5）通过执行器的阀位反馈信号获得阀门的相对开度；
6）通过压差感应器获得实际工作条件下阀门两端的压力差；
7）通过第一方程式Gs = f(L,R)计算阀门的工作流量特性，其中，R为阀门的可调比，L是阀门的相对开度，Gs是阀门的工作流量特性；
8）通过第二方程式Wt,qw = Kv√∆Pv,t 计算实际压差条件下阀门全开时流量，其中，Kv是流量系数，∆Pv,t是实际工作条件下阀门两端的压力差，Wt,qw是实际压差条件下阀门全开时的流量；
9）通过第三方程式Wt= Wt,qw ×Gs 计算实测流体流量，其中，Wt是实测流体流量。
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