CN103836224A - 一种球阀及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球阀，包括：阀体、阀盖、阀座组件、球体、阀杆、弹簧、固定轴、长颈支架和顶支架。所述球阀进一步设有驱动装置。所述阀体、阀盖各具有流道；阀体、阀盖通过垫片、螺柱、螺母连接；球体置于阀体内，球体的二侧各置有一只阀座组件，并分别与阀体、阀盖的内部相连，驱动装置与阀杆上部通过键相连，阀杆下端与球体相连接，驱动装置转动使阀杆、球体绕轴线转动，实现阀门90°开启、关闭。本发明上密封座、填料垫、填料压套的边角设计成圆角，内孔适当加大间隙，外圆适当减小间隙。阀杆表面采用滚压成型，并采用表面渗氮处理，提高阀杆表面硬度，防止阀杆表面拉伤、拉毛，减少机械磨损，减少了阀门的操作力矩。

Description

一种球阀及其控制方法

技术领域

本发明涉及阀门机械技术领域，特别涉及一种球阀及其控制方法。

背景技术

随着石油、石化、电力、冶金等行业的生产能力加大，急需一种高性能、高参数的阀门产品替代原来的老产品，确保产量，提高工作效率。

作为管路输送的控制阀门，由于介质中含颗粒类固体杂物，最先出现的原因是阀门密封耐磨性较差，密封面容易损坏，阀体、阀座焊缝焊不透，造成焊缝渗漏乃至穿孔。随着阀门技术不断改进，高性能材料及自动化设备出现，导致老产品逐渐退出市场竞争力。

发明内容

本发明球阀通过旋转手轮，转动阀杆螺母，使阀杆升降带动闸板沿垂直介质方向作直线移动，达到开启和关闭的目的。本产品主要用于气体、液体介质管路上作启闭器，接通或截断介质流，具有流阻小，启闭省力等优点。本发明楔式硬密封耐磨闸阀，有别于传统的闸阀产品，在阀座与闸板密封面表面堆焊司太合合金，表面采用滚压成型，采用弹性闸板，适当减少弹性比，在闸板T字槽一侧增设拉筋，适当加大导向槽长度，减少阀体导向筋与闸板导向槽间的间隙，阀杆表面采用滚压成型，并采用表面渗氮处理。提高阀门使用寿命和密封性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种低温球阀，包括阀体、阀盖、阀座组件、球体、阀杆和固定轴。

所述阀体、阀盖各具有流道，阀体、阀盖通过垫片、螺柱、螺母连接。

所述球体置于阀体内，所述球体的二侧各设置有一只阀座组件，并分别与所述阀体、所述阀盖的内部相连。

所述低温球阀进一步设有驱动装置，所述驱动装置与所述阀杆上部通过键相连，所述阀杆下端与所述球体相连接。

所述球体上部与阀杆接触部位底面为弧形面，两侧为相应平行的平面，所述球体下部通过圆柱孔与固定轴、径向轴承、平面轴承相连，并在底面设有防静电的弹簧。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种如上任一项所述低温球阀的控制系统，包括：主控模块，电源控制模块，电源，阀位信号模块，I/O模块，压力传感器，温度传感器，显示模块，A/D模块，阀门控制模块，阀动作控制电路，通讯模块，蓝牙模块，无线模块，以及，串口转USB模块。

所述主控模块，与所述I/O模块，通讯模块，阀门控制模块相连，用于整体控制所述控制系统；

所述电源控制模块，与所述I/O模块和所述电源相连，用于控制所述电源的供电；

所述电源，与所述电源控制模块相连，用于为所述控制系统供电；

所述阀位信号模块，与所述I/O模块相连，用于向所述I/O模块输送阀位信号；

所述I/O模块，分别与所述阀位信号模块，电源控制模块，A/D模块，主控模块相连，用于基本信号信息的输入输出；

所述压力传感器，与所述A/D模块相连，用于感知低温球阀或者与低温球阀相连的管道的压力，并将前述压力信号传输到所述A/D模块；

所述温度传感器，与所述A/D模块相连，用于感知低温球阀或者与低温球阀相连的管道的温度，并将前述温度信号传输到所述A/D模块；

所述显示模块，与所述A/D模块相连，用于显示低温球阀或者与低温球阀相连的管道的温度和压力；

所述A/D模块，分别与所述I/O模块，压力传感器，温度传感器，显示模块相连；用于将压力传感器，温度传感器传输的信号进行A/D或D/A转换；并将转换后的信息与I/O模块和显示模块通信；

所述阀门控制模块，分别与所述主控模块和阀动作控制电路相连；用于将根据所述主控模块发出的指令操控所述发动作控制电路，并将所述阀动作控制电路传回的信号送回所述主控电路；

所述阀动作控制电路，与所述阀门控制模块相连，用于根据其输送的指令操控阀门关闭，开启，或者停阀；

所述通讯模块，与所述主控模块，蓝牙模块，无线模块相连，用于自身或无线数据通讯；

所述蓝牙模块，与所述通讯模块相连，用于所述控制系统的自身通讯；

所述无线模块，与所述通讯模块相连，用于所述控制系统与外部的无线通讯；

所述串口转USB模块，与所述通讯模块相连，用于串口数据与USB数据的相互转换。

所述压力传感器输入压力信号；所述温度传感器输入温度信号；所述显示模块具有气液阀状态指示功能；所述控制系统的气液阀状态包括：气液联动阀开到位指示、气液联动阀关到位指示、气液联动阀就地/远程状态、控制系统防爆箱门状态。

所述主控模块接收从I/O模块，阀门控制模块上传的气液执行机构的阀位状态、报警状态和测试状态；所述主控模块接受来自控制中心的开、关、停三种远程操作命令。控制系统根据控制中心的命令可随时执行开、关、停三种操作。

所述开阀操作为:

开阀条件:控制系统收到控制中心的开阀命令，开阀到位开关未闭合；

开阀输出:控制系统置开阀输出有效，置关阀输出无效；

开阀停止:开阀到位开关闭合，或收到新的停阀或关阀命令；

所述关阀操作为:

关阀条件:控制系统收到中心的关阀命令，关阀到位开关未闭合；

控制系统置关阀输出有效，置开阀输出无效；

关阀到位开关闭合，或收到新的停阀或开阀命令；

所述停阀操作为：

控制系统置开阀输出无效，置关阀输出无效。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种球阀，包括：阀体、阀盖、阀座组件、球体、阀杆、弹簧、固定轴、长颈支架和顶支架。

所述球阀进一步设有驱动装置。

所述阀体、阀盖各具有流道；阀体、阀盖通过垫片、螺柱、螺母连接；球体置于阀体内，球体的二侧各置有一只阀座组件，并分别与阀体、阀盖的内部相连，驱动装置与阀杆上部通过键相连，阀杆下端与球体相连接，驱动装置转动使阀杆、球体绕轴线转动，实现阀门90°开启、关闭。

所述阀座圈外径采用三级台阶，采用防火圈与唇形密封圈、挡圈的组合密封形式。

所述阀体与阀盖，阀体与支架间，阀体下端与固定轴用榫槽连接，阀体与阀盖之间用小接触面，外边有小间隙，增加变形，防止介质外漏。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种如上任一项所述球阀的控制方法，包括以下步骤：

第一步：球阀控制系统的主控模块发出开始指令；

第二步：温度传感器将采集到的温度信号分别通过A/D模块，I/O模块的信号转换和传导，将处理后的温度信号上报主控模块；

第三步：压力传感器将采集到的压力信号分别通过A/D模块，I/O模块的信号转换和传导，将处理后的压力信号上报主控模块；

第四步：主控模块进行移动平均值滤波；

第五步：主控模块进行ROD计算；判断是否超限；如果是，定时器启动；否则，主控模块通过阀门控制模块检测阀门状态是否为中间态；

第六步：阀门状态是中间态，启动定时器，并将报警处理任务启动；否则，检测箱门状态；

第七步：箱门状态已经是打开，启动报警处理任务；否则，延时一秒。

所述控制方法中，控制系统采集所需的压力，温度，电池电压，阀位状态数据；并且控制系统的主控模块需要监测这些数据是否正常，出现异常情况终端需要根据不同状况进行相应的处理。

所述控制方法中，控制系统带有usB接口，蓝牙功能，无线通讯功能；USB接口用来进行参数的设置和一些常数的配置；蓝牙功能用于短距离的无线通讯，方便平时巡检员的查看；无线通讯功能用于和控制中心的监控人员通讯，出现异常可以上报给控制中心，同时控制中心也可以通过本发明控制系统对低温球阀阀室进行远程遥控操作。

所述控制方法中，控制系统的控制输出一种是控制执行机构开，关阀门动作;另外一种是控制电源模块的工作的。

所述控制方法中，控制系统的信号采集设置为每秒完成一次采样，通过A/D模块输入口采样的模拟量信号包括管道压力AIN0，控制系统工作环境温度AIN4，电池电压AIN47；通过I/O模块的输入口采集的数字开关量信号包括阀门开到位信号IN00，关到位信号IN01，控制系统箱门信号IN02，阀门远程、就地操作信号IN03。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种楔式硬密封耐磨闸阀，所述闸阀包括：阀体、阀座、闸板、阀杆、阀盖和驱动装置。

所述阀体、阀盖材料采用WCB，所述阀门密封面材料采用硬质合金，表面滚动成型。

所述阀体、阀座连接的焊缝采用全自动焊接方法；所述阀体、阀座采用U型焊缝。

所述阀门密封面采用司太立硬质合金，表面采用滚压成型，其硬度可达HRC45；密封面采用自动研磨。

所述闸阀采用弹性闸板，在闸板T字槽一侧增设拉筋，闸板的导向槽边缘部位为圆角型；其上密封座、填料垫、填料压套的边角均为圆角型；阀杆表面采用滚压成型，并采用表面渗氮处理。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种如上任一项所述楔式硬密封耐磨闸阀的控制系统，包括：主控模块，电源控制模块，电源，阀位信号模块，I/O模块，压力传感器，温度传感器，显示模块，A/D模块，阀门控制模块，阀动作控制电路，通讯模块，无线模块，以及，串口转USB模块。

所述主控模块，与所述I/O模块，通讯模块，阀门控制模块相连，用于整体控制所述控制系统；

所述电源控制模块，与所述I/O模块和所述电源相连，用于控制所述电源的供电；

所述电源，与所述电源控制模块相连，用于为所述控制系统供电；

所述阀位信号模块，与所述I/O模块相连，用于向所述I/O模块输送阀位信号；

所述I/O模块，分别与所述阀位信号模块，电源控制模块，A/D模块，主控模块相连，用于基本信号信息的输入输出；

所述压力传感器，与所述A/D模块相连，用于感知低温球阀或者与低温球阀相连的管道的压力，并将前述压力信号传输到所述A/D模块；

所述温度传感器，与所述A/D模块相连，用于感知低温球阀或者与低温球阀相连的管道的温度，并将前述温度信号传输到所述A/D模块；

所述显示模块，与所述A/D模块相连，用于显示低温球阀或者与低温球阀相连的管道的温度和压力；

所述A/D模块，分别与所述I/O模块，压力传感器，温度传感器，显示模块相连；用于将压力传感器，温度传感器传输的信号进行A/D或D/A转换；并将转换后的信息与I/O模块和显示模块通信；

所述阀门控制模块，分别与所述主控模块和阀动作控制电路相连；用于将根据所述主控模块发出的指令操控所述发动作控制电路，并将所述阀动作控制电路传回的信号送回所述主控电路；

所述阀动作控制电路，与所述阀门控制模块相连，用于根据其输送的指令操控阀门关闭，开启，或者停阀；

所述通讯模块，与所述主控模块，无线模块相连，用于自身或无线数据通讯；

所述无线模块，与所述通讯模块相连，用于所述控制系统与外部的无线通讯；

所述串口转USB模块，与所述通讯模块相连，用于串口数据与USB数据的相互转换。

所述压力传感器输入压力信号；所述温度传感器输入温度信号；所述显示模块具有气液阀状态指示功能；所述控制系统的气液阀状态包括：气液联动阀开到位指示、气液联动阀关到位指示、气液联动阀就地/远程状态、控制系统防爆箱门状态。

所述主控模块接收从I/O模块，阀门控制模块上传的气液执行机构的阀位状态、报警状态和测试状态；所述主控模块接受来自控制中心的开、关、停三种远程操作命令。控制系统根据控制中心的命令可随时执行开、关、停三种操作。

所述开阀操作为:

开阀条件:控制系统收到控制中心的开阀命令，开阀到位开关未闭合；

开阀输出:控制系统置开阀输出有效，置关阀输出无效；

开阀停止:开阀到位开关闭合，或收到新的停阀或关阀命令；

所述关阀操作为:

关阀条件:控制系统收到中心的关阀命令，关阀到位开关未闭合；

控制系统置关阀输出有效，置开阀输出无效；

关阀到位开关闭合，或收到新的停阀或开阀命令；

所述停阀操作为：

控制系统置开阀输出无效，置关阀输出无效。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于计算机系统的耐磨闸阀控制方法，包括以下步骤：

第一步：闸阀控制系统的主控模块发出开始指令；

第二步：温度传感器将采集到的温度信号分别通过A/D模块，I/O模块的信号转换和传导，将处理后的温度信号上报主控模块；

第三步：压力传感器将采集到的压力信号分别通过A/D模块，I/O模块的信号转换和传导，将处理后的压力信号上报主控模块；

第四步：主控模块进行移动平均值滤波；

第五步：主控模块进行ROD计算；判断是否超限；如果是，定时器启动；否则，主控模块通过阀门控制模块检测阀门状态是否为中间态；

第六步：阀门状态是中间态，启动定时器，并将报警处理任务启动；否则，检测箱门状态；

第七步：箱门状态已经是打开，启动报警处理任务；否则，延时一秒。

所述基于计算机系统的耐磨闸阀控制方法中，压力信号的滤波方法和判断泄漏的步骤为：在数据长度为N的窗口，当采集数据满足窗口长度时根据下述公式求取算术平均值。

$\hat{y}\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1(N-1)}{\overset{\′}{\mathrm{\Σ}}}y\left(i\right)$

在此采进新的数据后就利用新数据提供的信息量滤波并将原数据覆盖，最后再求出当前缓冲区中的N个数据的算术平均值。根据新的采样值对滤波结果进行更新，即测量数据新采集一个就丢弃N次之前采集的数据，测量一次便计算一次平均值，大大加快了数据处理的能力。N可以设置更改。

所述基于计算机系统的耐磨闸阀控制方法中，通过移动平均值滤波得到的压力数据，需要和前一次采样计算的压力对比计算出每秒的压力下降速度(RoD)。考虑到温度对管道压力的影响，由克拉伯龙方程:

p·v＝n·R·T

P:压力，v:天然气体积，n:物质的量，T:温度，R:常数8.31441

如果未发生泄漏的情况下，ROD为0。

所述基于计算机系统的耐磨闸阀控制方法中，在发生泄漏时，Rod满足下式关系，其中，△t为采样间隔时间;

$\mathrm{Rod}\×\mathrm{\Δt}=\frac{T}{T_o}{P}_o-P$

所述基于计算机系统的耐磨闸阀控制方法中，当有管线或低温球阀泄漏时，管线或低温球阀内的压力就会下降；当控制系统把计算得到的ROD和预先设定的参数比对，超出该参数则认为低温球阀或管线的压力下降速度过快，则对干线的截断阀进行关阀操作；控制系统还对管道的正常工作压力进行监测，当出现压力值超出或者低于该范围的异常情况，关闭阀门。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种如上任一项所述基于计算机系统的耐磨闸阀控制方法中使用的耐磨闸阀，所述耐磨闸阀包括：阀体、阀座、闸板、阀杆、阀盖、支架和驱动装置。

所述阀体、阀座连接的焊缝采用全自动焊接；阀体、阀座采用U型焊缝。

所述阀门密封面采用司太立硬质合金，表面采用滚压成型；密封面采用自动研磨。

所述耐磨闸阀采用弹性闸板，在闸板T字槽一侧增设拉筋，在闸板的导向槽边缘部位，设计成圆角，并加大导向槽长度。

所述耐磨闸阀的上密封座、填料垫、填料压套的边角设计成圆角，内孔加大间隙，外圆减小间隙；阀杆表面采用滚压成型，并采用表面渗氮处理。

本发明球阀，阀体、阀座连接的焊缝采用全自动焊接技术，阀体、阀座采用U型焊缝，解决阀体、阀座焊缝内漏点。阀门密封面采用司太立硬质合金，表面采用滚压成型，延长阀门的使用寿命。密封面采用自动研磨，提高密封面的吻合度。采用弹性闸板，适当减少弹性比，阀门密封可靠。在闸板T字槽一侧增设拉筋，防止工况中闸板受力过猛，T字槽撕开，易造成事故。在闸板的导向槽边缘部位，设计成圆角，并适当加大导向槽长度，防止阀门在开启和关闭过程中被卡住。上密封座、填料垫、填料压套的边角设计成圆角，内孔适当加大间隙，外圆适当减小间隙。阀杆表面采用滚压成型，并采用表面渗氮处理，提高阀杆表面硬度，防止阀杆表面拉伤、拉毛，减少机械磨损，减少了阀门的操作力矩。

附图说明

图1为本发明实施例的阀门控制系统结构图；

图2为本发明实施例的阀门控制系统功能图；

图3为本发明实施例的阀门控制方法数据采样和处理流程图；

图4为本发明实施例的A/D模块中AD7859电路连接图；

图5为本发明实施例的RS-485串行接口连接结构图。

具体实施方式

本发明低温球阀，包括阀体、阀盖、阀座组件、球体、阀杆、弹簧、固定轴、长颈支架、顶支架、驱动装置等。阀体、阀盖各具有流道，阀体、阀盖通过垫片、螺柱、螺母连接。球体置于阀体内，球体的二侧各置有一只阀座组件，并分别与阀体、阀盖的内部相连，驱动装置与阀杆上部通过键相连，阀杆下端与球体相连接，驱动装置转动使阀杆、球体绕轴线转动，实现阀门90°开启、关闭。

球体上部与阀杆接触部位底面采用弧形面，两侧为相应平行的平面，球体下部通过圆柱孔与固定轴、径向轴承、平面轴承相连在底面设有防静电的弹簧。

密封用PCTFE材料，能耐-196℃的低温，且密封面与球体接触部位采用圆弧接触面。阀座圈外径采用三级台阶，采用防火圈与唇形密封圈、挡圈的组合密封形式。

阀体与阀盖，阀体与支架间，阀体下端与固定轴用榫槽连接，阀体与阀盖之间用小接触面，外边有小间隙，增加变形，防止介质外漏。

为了防止低温工况下，阀杆填料密封的失效，低温球阀采用长颈支架设计，并增加防隔热板，填料放在长颈支架的上端，有效的防止温度传递。

阀杆材料采用F316，采用固溶处理，深冷处理，并且表面渗氮处理，以提高表面硬度。

为减少阀门的操作扭矩，在阀杆下端外圆，固定轴与球体下端设有径向轴承。

与驱动装置连接的支架采用90°限位设计，可以满足使用气动装置或其他驱动装置没有限位的需要。

本发明低温球阀，由阀体、阀盖、阀座组件、球体、阀杆、弹簧、固定轴、长颈支架、顶支架、驱动装置等。阀体、阀盖各具有流道，阀体、阀盖通过垫片、螺栓、螺母连接，球体置于阀体内，球体的两侧各置有一只阀座，并分别与阀体、阀盖的内部相连，驱动装置与阀杆上部通过键相连，阀杆下部与球体通过两侧平面接触相连。球体下部通过圆柱孔与固定轴、径向轴承、平面轴承相连。阀座密封面与球体接触部位采用圆弧接触面。阀座圈外径采用三级台阶，采用防火圈与唇形密封圈、挡圈的组合密封形式。

阀体与阀盖，阀体与长颈支架间，阀体下端与固定轴用榫槽连接，阀体与阀盖间用小接触面，外边有小间隙，增加变形，防止介质外漏。为了防止超低温工况下，阀杆填料密封的失效，超低温球阀采用长颈支架设计，并增加了隔热板，填料放在长颈支架的上端，有效地防止温度传递。阀杆等内件材料采用F316，采用固溶处理，深冷处理，并且表面渗氮处理，以提高表面硬度。为减少阀门的操作扭矩，在阀杆下端外径，固定轴与球体下端设有径向轴承。另外与驱动装置连接的支架采用90°限位设计，可以满足客户使用气动装置或其它驱动装置没有限位的需要。

在进行阀门开启、关闭操作时，驱动装置转动阀杆，阀杆带动球体转动，实现阀门90°开启、关闭。

阀体、阀盖材料采用F316，阀座采用PCTFE材料，能耐-196℃的低温，而原先采用PTFE材料不能耐-196℃的低温，且低温时，易产生冷流、低温脆性。球体、阀杆材料现采用F316，采用固溶处理、深冷处理、表面渗氮处理，提高了表面硬度。

本发明楔式硬密封耐磨闸阀，阀体、阀盖材料采用WCB，阀门密封面材料采用硬质合金，表面滚动成型，耐磨，而原先的阀门密封面材料采用13Cr，不耐磨，易擦伤。

本发明楔式硬密封耐磨闸阀,由阀体、阀座、闸板、阀杆、阀盖、支架、驱动装置等部件组成：

其一，该产品阀体、阀座连接的焊缝采用全自动焊接技术。阀体、阀座采用U型焊缝，解决阀体、阀座焊缝内漏点，减少了人工焊接对焊缝质量造成的影响，提高了焊缝试压的合格率，相对节约了阀门制造成本。

其二，阀门密封面采用司太立硬质合金，表面采用滚压成型，延长阀门的使用寿命。即在闸板、阀座密封面上堆司太立硬质合金。此种材料抗氧化性、抗硫化物、耐酸、耐高温、耐磨、耐颗粒状介质的冲刷，其硬度可达HRC45左右。密封面采用自动研磨，提高密封面的吻合度。

其三，采用弹性闸板，适当减少弹性比，阀门密封可靠。在闸板T字槽一侧增设拉筋，防止工况中闸板T字槽受力过猛，T字槽撕开，易造成事故。在闸板的导向槽边缘部位，设计成圆角，并适当加大导向槽长度，减少阀体导向筋与闸板导向槽间的间隙，闸板导向槽与阀体导向筋配合尺寸加长，防止阀门在开启和关闭过程中被卡住，影响阀门正常的开启和关闭，阀门适合于垂直、水平、倾斜安装。

其四，上密封座、填料垫、填料压套的边角设计成圆角，内孔适当加大间隙，外圆适当减小间隙。阀杆表面采用滚压成型，并采用表面渗氮处理，提高阀杆表面硬度，防止阀杆表面拉伤、拉毛，减少机械磨损，减少了阀门的操作力矩。

1．该产品阀体、阀座连接的焊缝采用全自动焊接技术，阀体、阀座采用U型焊缝，解决阀体、阀座焊缝内漏点。

2．阀门密封面采用司太立硬质合金，表面采用滚压成型，延长阀门的使用寿命。密封面采用自动研磨，提高密封面的吻合度。

3．采用弹性闸板，适当减少弹性比，阀门密封可靠。在闸板T字槽一侧增设拉筋，防止工况中闸板受力过猛，T字槽撕开，易造成事故。在闸板的导向槽边缘部位，设计成圆角，并适当加大导向槽长度，防止阀门在开启和关闭过程中被卡住。

4．上密封座、填料垫、填料压套的边角设计成圆角，内孔适当加大间隙，外圆适当减小间隙。阀杆表面采用滚压成型，并采用表面渗氮处理，提高阀杆表面硬度，防止阀杆表面拉伤、拉毛，减少机械磨损，减少了阀门的操作力矩。

如图1所示，为本发明实施例的阀门控制系统结构图。

本发明阀门控制系统，包括：主控模块，电源控制模块，电源，阀位信号模块，I/O模块，压力传感器，温度传感器，显示模块，A/D模块，阀门控制模块，阀动作控制电路，通讯模块，蓝牙模块，无线模块，以及，串口转USB模块。

所述主控模块，与所述I/O模块，通讯模块，阀门控制模块相连，用于整体控制所述控制系统；

所述电源控制模块，与所述I/O模块和所述电源相连，用于控制所述电源的供电；

所述电源，与所述电源控制模块相连，用于为所述控制系统供电；

所述阀位信号模块，与所述I/O模块相连，用于向所述I/O模块输送阀位信号；

所述I/O模块，分别与所述阀位信号模块，电源控制模块，A/D模块，主控模块相连，用于基本信号信息的输入输出；

所述压力传感器，与所述A/D模块相连，用于感知低温球阀或者与低温球阀相连的管道的压力，并将前述压力信号传输到所述A/D模块；

所述温度传感器，与所述A/D模块相连，用于感知低温球阀或者与低温球阀相连的管道的温度，并将前述温度信号传输到所述A/D模块；

所述显示模块，与所述A/D模块相连，用于显示低温球阀或者与低温球阀相连的管道的温度和压力；

所述A/D模块，分别与所述I/O模块，压力传感器，温度传感器，显示模块相连；用于将压力传感器，温度传感器传输的信号进行A/D或D/A转换；并将转换后的信息与I/O模块和显示模块通信；

所述阀门控制模块，分别与所述主控模块和阀动作控制电路相连；用于将根据所述主控模块发出的指令操控所述发动作控制电路，并将所述阀动作控制电路传回的信号送回所述主控电路；

所述阀动作控制电路，与所述阀门控制模块相连，用于根据其输送的指令操控阀门关闭，开启，或者停阀；

所述通讯模块，与所述主控模块，蓝牙模块，无线模块相连，用于自身或无线数据通讯；

所述蓝牙模块，与所述通讯模块相连，用于所述控制系统的自身通讯；

所述无线模块，与所述通讯模块相连，用于所述控制系统与外部的无线通讯；

所述串口转USB模块，与所述通讯模块相连，用于串口数据与USB数据的相互转换。

如图2所示，为本发明实施例的阀门控制系统功能图。

根据低温球阀以及与其相连的管线的要求，本发明球阀的控制系统能够稳定工作在恶劣的条件下，控制系统各部件均选择有较高的可靠性和较低的功耗。监控系统能够监测管线的运行压力，阀室干线截断球阀的状态，执行机构的状态和环境温度等与管线正常运行相关的数据。在监测的同时还可以将出现异常的数据立即上传给控制中心。对于管线压力如果出现超出设定范围的异常值和压降速率过大，控制系统可以自动控制关断阀门。

本发明控制系统的压力传感器输入压力信号。温度传感器输入温度信号。显示模块具有气液阀状态指示功能。气液阀状态包括:气液联动阀开到位指示、气液联动阀关到位指示、气液联动阀就地/远程状态、控制系统防爆箱门状态。本发明控制系统的控制输出还包括监测管道异常时自动控制关阀。

本发明控制系统的主控模块接收从I/O模块，阀门控制模块上传的气液执行机构的阀位状态、报警状态和测试状态。主控模块接受来自控制中心的开、关、停三种远程操作命令。控制系统根据控制中心的命令可随时执行开、关、停三种操作。

开阀操作:

开阀条件:控制系统收到控制中心的开阀命令，开阀到位开关未闭合。

开阀输出:控制系统置开阀输出有效，置关阀输出无效。

开阀停止:开阀到位开关闭合，或收到新的停阀或关阀命令。

关阀操作:

关阀条件:控制系统收到中心的关阀命令，关阀到位开关未闭合。

控制系统置关阀输出有效，置开阀输出无效。

关阀到位开关闭合，或收到新的停阀或开阀命令。

控制系统收到控制中心的停阀命令。

控制系统置开阀输出无效，置关阀输出无效。

本发明控制系统的主要功能可以分成:

1.数据采集和处理部分:本发明控制系统采集所需的压力，温度，电池电压，阀位状态等数据。并且控制系统的主控模块需要监测这些数据是否正常，出现异常情况终端需要根据不同状况进行相应的处理。

2.通讯部分:控制系统带有usB接口，蓝牙功能，无线通讯功能;USB接口用来进行参数的设置和一些常数的配置;蓝牙功能用于短距离的无线通讯，方便平时巡检员的查看;无线通讯功能用于和控制中心的监控人员通讯，出现异常可以上报给控制中心，同时控制中心也可以通过本发明控制系统对低温球阀阀室进行远程遥控操作。

3.控制输出部分:本发明控制系统的控制输出一种是控制执行机构开，关阀门动作;另外一种是控制电源模块的工作的。

本发明控制系统的信号采集与滤波

1.信号采集

本发明控制系统设置为每秒完成一次采样，通过A/D模块输入口采样的模拟量信号包括管道压力AIN0，控制系统工作环境温度AIN4，电池电压AIN47；通过I/O模块的输入口采集的数字开关量信号包括阀门开到位信号IN00，关到位信号IN01，控制系统箱门信号IN02，阀门远程、就地操作信号IN03。

2.压力信号的滤波方法和判断泄漏的方法

作为监测的重要数据，在采集压力信号时，为了克服干扰的影响，本发明球阀的控制系统对多次采样值进行移动平均值滤波。在数据长度为N的窗口，当采集数据满足窗口长度时根据下述公式求取算术平均值。

$\hat{y}\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1(N-1)}{\overset{\′}{\mathrm{\Σ}}}y\left(i\right)$

在此采进新的数据后就利用新数据提供的信息量滤波并将原数据覆盖，最后再求出当前缓冲区中的N个数据的算术平均值。根据新的采样值对滤波结果进行更新，即测量数据新采集一个就丢弃N次之前采集的数据，测量一次便计算一次平均值，大大加快了数据处理的能力。N可以设置更改。

通过移动平均值滤波得到的压力数据，需要和前一次采样计算的压力对比计算出每秒的压力下降速度(RoD)。考虑到温度对管道压力的影响，由克拉伯龙方程:

p+v＝n·R·T

P:压力，v:天然气体积，n:物质的量，T:温度，R:常数8.31441

如果未发生泄漏的情况下，ROD为0;

在发生泄漏时，Rod满足下式关系，其中，△t为采样间隔时间;

$\mathrm{Rod}\×\mathrm{\Δt}=\frac{T}{T_o}{P}_o-P$

在管道正常运行中，管线压力平稳保持在一个固定的范围值。当有管线或低温球阀泄漏时，管线或低温球阀内的压力就会下降。当本发明控制系统把计算得到的ROD和预先设定的参数比对，超出该参数则认为低温球阀或管线的压力下降速度过快，管线发生爆管事故，需要对干线的截断阀进行关阀操作尽量减少损失。除此之外，本发明控制系统还对管道的正常工作压力进行监测，当出现压力值超出或者低于该范围的异常情况，也可以关闭阀门保护管道安全。

如图3所示，为本发明实施例的阀门控制方法数据采样和处理流程图。本发明控制系统的信号的采集处理流程为：

第一步：主控模块发出开始指令；

第二步：温度传感器将采集到的温度信号分别通过A/D模块，I/O模块的信号转换和传导，将处理后的温度信号上报主控模块；

第三步：压力传感器将采集到的压力信号分别通过A/D模块，I/O模块的信号转换和传导，将处理后的压力信号上报主控模块；

第四步：主控模块进行移动平均值滤波；

第五步：主控模块进行ROD计算；判断是否超限；如果是，定时器启动；否则，主控模块通过阀门控制模块检测阀门状态是否为中间态；

第六步：阀门状态是中间态，启动定时器，并将报警处理任务启动；否则，检测箱门状态；

第七步：箱门状态已经是打开，启动报警处理任务；否则，延时一秒。

本发明实施例中，模数转换电路采用的模数转换器是美国ADI公司的AD7859，它是一款高速度、低功耗、8通道、12bit的AD转换器，采用3V/5V单电源供电。该器件具有自校验或系统校验功能，可确保在时间和温度变化时能够准确地转换。AD7859具有最高200kSPS的采样率，输入电压范围:单端输入时为0-VREF，差分输入则为+-VREF/2。设计中，参考电压选择外部参考电压源5V。CMOS结构保证AD7859在正常模式下功耗为5.4mw，在低功率模式下仅有3.6uW。

AD7859具有如下主要特点:

3V或SV电源供电，应用电源管理选项，在转换完成后自动转为低功耗模式;两种参考电源模式:内部参考电压源和外部参考电压源。采用外部参考电压源时，电压范围为1.2V~VDD(供电电压);.自校验和系统校验;.8位/16位数据并行接口(系统要求并行接口为8位并行接口)。

本发明球阀的控制系统中，设备的主时钟信号CLKIN设定为4MHz，采用外部参考电压源。AVDD、DVDD上电后，第一个脉冲触发BUSY为高，BUSY信号在高电平期间，信号不起作用，32ms后，BUSY变低。下一个脉冲触发启动完整的自校验，并再一次触发BUSY为高，校验时间需要32/72ms。

如图4所示，为本发明实施例的A/D模块中AD7859电路连接图。校验完成后，在随后的CONVST脉冲上升沿，片上跟踪/保持器从跟踪模式转换为保持模式，紧接着CONVST之后的CLKIN信号下降沿启动AD转换。倘若CONVST脉冲的上升沿在CLKE可信号的下降沿10ns之前发生，从CLKIN下降沿开始经过16.5个时钟周期即可完成转换。如果在CLK取下降沿之前，CONVST没有达到1ons的建立时间，转换则需要17.5个时钟周期。转换完成后，BUSY信号变低，转换结果可通过数据总线输出。在转换期间或距离下一次CONVST脉冲时间未达到200ns时，禁止读写操作。

本发明球阀的控制系统中，对AD7859的工作参数的配置通过以字节方式两次对AD控制寄存器(16hit)的写操作完成。字/字节操作由W/B管脚的高低电平控制，读/写遵循先低后高的操作顺序，配置参数包括:采样通道选择、电源管理模式，采样率等等。AD控制寄存器配置好之后，通过主处理器给出一个CONVST转换信号，AD7859上电自检完成后，进行预先设置的一路数据采样，采样完成，ADC内部触发AD中断，主控单元INT6响应AD中断，在AD中断服务子程序中，单片机分两次完成读取ADC数据寄存器中的采样值。单路单次采样完成，再次通过写操作配置AD控制寄存器，进行另一路数据采样，四路采样均完成后，循环上述操作，直至完成AD采样。

如图5所示，为本发明实施例的RS-485串行接口连接结构图。本发明球阀控制系统数据传输电路设计如下：

相对于RS-232串行接口，本发明使用的RS-485具有数据传输速率高，最大传输距离远，抗噪声干扰性好等优点，本发明球阀控制系统模块之间，以及本发明球阀控制系统与控制中心之间，采用RS-485(双线)异步串口实现通信。

RS-485采用差分信号负逻辑，两线间的电压差为+2~+6V之间表示逻辑”0”，两线间的电压差为-6V--2V表示逻辑“1”。芯片采用Maxim公司的MAX487ESA通信芯片。该芯片4.75~5.25V供电，半双工模式，最大数据传输率可达250kbPs，具有+-15kV的过压保护功能。其连接结构图如图5所示。

在系统传输过程中，为了保证数据无差错，无丢失可靠传输，本发明串口联网设备Nport5430配置成双线RS-485模式:停止位、校验位、数据位等和电路传输接口的数据格式一致；NPort5430加上了自动流控制功能，同时，FIFO使能。

本发明球阀控制系统实时时钟电路：

数据采集需要把采集的数据与采集环境对应起来，开展相应的数据处理工作，因此，在本发明控制系统中，所有的数据必须标记准确的时间信息。如果采用不精确或者变化的时钟源，会导致采集的数据没有准确的环境信息，数据无疑没有太多意义，所以，选择一款高精度、低功耗的时钟源是十分必要的。DS1307是DallaSSemieonduetor公司推出的一款高精度、低功耗，BCD码的8引脚实时时钟芯片。该芯片提供月累计误差小于10秒的计时精度，内部集成IZc总线接口，片内具有8个特殊寄存器和56Byte的非易失性RAM。

另外，DS1307的片上控制电路具备电源检测功能，并管理主电源和备用电源之间的切换。

Claims (10)

1.一种球阀，其特征在于，包括：阀体、阀盖、阀座组件、球体、阀杆、弹簧、固定轴、长颈支架和顶支架。

2.根据权利要求1所述球阀，其特征在于，所述球阀进一步设有驱动装置。

3.根据权利要求2所述球阀，其特征在于，所述阀体、阀盖各具有流道；阀体、阀盖通过垫片、螺柱、螺母连接；球体置于阀体内，球体的二侧各置有一只阀座组件，并分别与阀体、阀盖的内部相连，驱动装置与阀杆上部通过键相连，阀杆下端与球体相连接，驱动装置转动使阀杆、球体绕轴线转动，实现阀门90°开启、关闭。

4.根据权利要求1所述球阀，其特征在于，所述阀座圈外径采用三级台阶，采用防火圈与唇形密封圈、挡圈的组合密封形式。

5.根据权利要求1所述球阀，其特征在于，所述阀体与阀盖，阀体与支架间，阀体下端与固定轴用榫槽连接，阀体与阀盖之间用小接触面，外边有小间隙，增加变形，防止介质外漏。

6.一种如权利要求1~5中任一项所述球阀的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：球阀控制系统的主控模块发出开始指令；

第二步：温度传感器将采集到的温度信号分别通过A/D模块，I/O模块的信号转换和传导，将处理后的温度信号上报主控模块；

第三步：压力传感器将采集到的压力信号分别通过A/D模块，I/O模块的信号转换和传导，将处理后的压力信号上报主控模块；

第四步：主控模块进行移动平均值滤波；

第五步：主控模块进行ROD计算；判断是否超限；如果是，定时器启动；否则，主控模块通过阀门控制模块检测阀门状态是否为中间态；

第六步：阀门状态是中间态，启动定时器，并将报警处理任务启动；否则，检测箱门状态；

第七步：箱门状态已经是打开，启动报警处理任务；否则，延时一秒。

7.根据权利要求6所述球阀的控制方法，其特征在于，所述控制方法中，控制系统采集所需的压力，温度，电池电压，阀位状态数据；并且控制系统的主控模块需要监测这些数据是否正常，出现异常情况终端需要根据不同状况进行相应的处理。

8.根据权利要求6所述球阀的控制方法，其特征在于，所述控制方法中，控制系统带有usB接口，蓝牙功能，无线通讯功能；USB接口用来进行参数的设置和一些常数的配置；蓝牙功能用于短距离的无线通讯，方便平时巡检员的查看；无线通讯功能用于和控制中心的监控人员通讯，出现异常可以上报给控制中心，同时控制中心也可以通过本发明控制系统对低温球阀阀室进行远程遥控操作。

9.根据权利要求6所述球阀的控制方法，其特征在于，所述控制方法中，控制系统的控制输出一种是控制执行机构开，关阀门动作;另外一种是控制电源模块的工作的。

10.根据权利要求6所述球阀的控制方法，其特征在于，所述控制方法中，控制系统的信号采集设置为每秒完成一次采样，通过A/D模块输入口采样的模拟量信号包括管道压力AIN0，控制系统工作环境温度AIN4，电池电压AIN47；通过I/O模块的输入口采集的数字开关量信号包括阀门开到位信号IN00，关到位信号IN01，控制系统箱门信号IN02，阀门远程、就地操作信号IN03。

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