CN106950051A

CN106950051A - 一种基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置

Info

Publication number: CN106950051A
Application number: CN201710198736.8A
Authority: CN
Inventors: 孟江; 安坤; 王太飞
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: CN106950051B

Abstract

本发明公开了一种基于阀门理想流量特性测试的过程控制多功能实验装置，既可以实现对不同类型的手动阀门或节流元件进行理想流量特性或流量系数的测试，又可利用多组L型三通阀切换为不同模式后，分别形成1台套或2台套实验装置，实现温度、压差、流量、液位的简单控制系统和流量比值控制、电动调节阀分程控制、流量‑液位串级控制、液位双重控制等实验项目。本实验装置具有结构简单、造价低廉、操作方便、扩展性强等优点，既有利于扩展实验人员对过程控制元件有关特性和多种过程控制系统的直观认知，又能显著改善过程控制相关课程的实践教学效果，具有良好的应用前景。

Description

一种基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置

技术领域

本发明属于用于过程控制领域的教学和科研用的实验台，具体涉及一种基于阀门理想流量特性测试的过程控制多功能实验装置。

背景技术

调节阀是过程控制系统最重要和最常用的执行元件，也是“过程控制及自动化仪表”等相关课程的重要内容。在过程控制系统的设计过程中，必须明确调节阀的类型、口径和流量特性，其中流量特性是影响过程控制系统质量的重要因素之一。阀门根据理想流量特性可分为：直线阀、对数阀、抛物线阀和快开阀，然而实际所使用的手动和自动调节阀具有何种理想流量特性却无法一目了然，需要借助相应的理想流量特性实验装置进行测试。

常见的过程控制实验平台主要针对温度、压力和液位等参数进行检测和控制的实验，如授权号201410619275.3公开的一种自动化过程控制的教学实验台和授权号201110286749.3公开的一种多功能过程控制实验平台等，尚缺少简单可靠、操作方便的实验装置即可测试阀门流量特性和节流件流量系数，又可进行流量、压力、液位和温度的简单控制和复杂控制。

发明内容

本发明的目的是解决现有过程控制实验平台不能对阀门理想流量特性，尤其是手动直行程阀和手动角行程阀理想流量特性进行测试的技术问题，提供一种基于阀门理想流量特性测试的过程控制多功能实验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置，包括容器a，流量变送器a、b，差压变送器a、b，电动调节阀a、b，L型三通阀a，变频泵a、b，被测元件a、b和控制系统，所述第一容器a的第一出液口通过变频泵a和电动调节阀a与L型三通阀a的进液口连接，L型三通阀a的第一出液口与被测元件a的进液口连接，被测元件a的出液口与容器a的第一进液口连接，流量变送器a设在被测元件a与容器a的连接管线上，容器a的第二出液口通过变频泵b和电动调节阀b与被测元件b的进液口连接，被测元件b的出液口与容器a的第二进液口连接，流量变送器b设在被测元件b与容器a的连接管线上，L型三通阀a的第二出液口连接到变频泵b与电动调节阀b的连接管线上，差压变送器a用于测量被测元件a两端的差压，差压变送器b用于测量被测元件b两端的差压，流量变送器a、b和差压变送器a、b连接到控制系统的输入端，变频泵a、b和电动调节阀a、b的控制信号连接到控制系统的输出端。

上述实验装置的布置是在充分考虑被测元件需要足够长的直管段以确保测试结果的稳定性，因此足够长的直管管路则需要底部容器具有足够长的长度保证稳定的支撑效果。为了解决长容器需要占据较大空间和实验室有限面积内安排较多台套实验装置的矛盾，本实验装置设计安排在较长的容器a顶部放置2套相对独立的被测元件a、b及其直管管路，其中被测元件可方便更换为不同类型的手动直行程阀、手动角行程阀或节流件，既能满足2组实验人员分别对被测元件a、b进行流量特性、流量系数和流阻系数的测试，又能分别对流量变送器a、b和差压变送器a、b进行简单控制。同时，还可供1组实验人员同时操纵电动调节阀a、b进行流量比值控制。此外，所述2套独立的直管管路间设置了L型三通阀a，当设置L型三通阀a使2套独立的直管管路处于连通状态时，可供1组实验人员对电动调节阀a、b进行分程控制。

所述基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置还包括容器b、c，L型三通阀b、c、d，液位变送器a、b，加热管和温度变送器，容器b、c设在容器a的上方，所述L型三通阀d设在L型三通阀a与被测元件a的连接管线上，L型三通阀d的第三个端口与容器c的进液口连接，容器c的出液口与L型三通阀c的进液口连接，L型三通阀c的第一出液口连接至被测元件a与流量变送器a的连接管线上，L型三通阀b设在电动调节阀b与被测元件b的连接管线上，L型三通阀b的第三个端口与容器b的进液口连接，容器b的出液口连接至被测元件b与流量变送器b的连接管线上，L型三通阀c第二出液口连接至容器b的出液管线上，温度变送器设在流量变送器b与容器a的连接管线上，加热管设在容器b的内腔中，液位变送器a、b分别用于检测容器b、c的液位，液位变送器a、b和温度变送器连接至控制系统的输入端。

为了增强实验装置的多功能性，在容器a上方增设了容器b、c及其对应的液位变送器a、b，既可提供2组实验人员分别操纵电动调节阀a、b进行单容液位简单控制，又可操纵变频泵a、b和电动调节阀a、b进行流量-单容液位串级控制。另外，在容器b内置了加热管，开启加热管使容器b内液体升高到一定温度后，操纵L型三通阀c将容器c和容器b的出液口管路连通后，可提供1组实验人员在所述出液口管路进行冷、热流体混合温度的简单控制。

所述基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置还包括容器d、e，液位变送器c、d和L型三通阀e、f，所述容器d、e设在容器a与容器b、c之间，L型三通阀e设在流量变送器a与容器a连接管线上，L型三通阀e的第三个端口连接至容器d的进液口，容器d的出液口连接至容器a，L型三通阀f设在温度变送器与容器a连接管线上，L型三通阀f的第三个端口连接至容器e的进液口，容器e的出液口连接至容器a，液位变送器c、d连接至控制系统的输入端，分别用于检测容器d、e的液位。

所增设的容器d、e及其对应的液位变送器c、d分别与容器b、c及其对应的液位变送器a、b，可提供2组实验人员分别进行双容液位控制和流量-液位的均匀控制等。

本发明采用模块化系统结构，既可实现对不同类型的手动调节阀或节流元件进行流量特性和流量系数的测试实验，又可通过多组L型三通阀的切换形成1台套或2台套的实验项目，包括：混合温度的控制、差压控制、流量控制，流量比值控制、电动阀分程控制、单容和双容液位控制、液位-流量串级控制和液位双重控制，具有结构简单、操作方便、造价低廉、扩展性强、易拆卸和更换等优点，既有利于提高学生对过程控制元件有关特性和过程控制系统的直观认识能力，又有利于改善过程控制的教学效果并提高教学效率。

附图说明

图1是本发明第一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明第二种实施方式的结构示意图；

图3是本发明第三种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例中的一种基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置，包括容器8a，流量变送器6a、7b，差压变送器4a、10b，电动调节阀3a、11b，L型三通阀2a，变频泵5a、9b，被测元件1a、12b和控制系统，所述第一容器8a的第一出液口通过变频泵5a和电动调节阀3a与L型三通阀2a的进液口连接，L型三通阀2a的第一出液口与被测元件1a的进液口连接，被测元件1a的出液口与容器8a的第一进液口连接，流量变送器6a设在被测元件1a与容器8a的连接管线上，容器8a的第二出液口通过变频泵9b和电动调节阀11b与被测元件12b的进液口连接，被测元件12b的出液口与容器8a的第二进液口连接，流量变送器7b设在被测元件12b与容器8a的连接管线上，L型三通阀2a的第二出液口连接到变频泵9b与电动调节阀11b的连接管线上，差压变送器4a用于测量被测元件1a两端的差压，差压变送器10b用于测量被测元件12b两端的差压，流量变送器6a、7b和差压变送器4a、10b连接到控制系统的输入端，变频泵9a、10b和电动调节阀3a、11b的控制信号连接到控制系统的输出端。

首先，设置L型三通阀2a使被测元件1a、12b所在管路相互独立，若选择手动直行程阀或手动角行程阀安装在被测元件11a或被测元件12b的位置时，可构成2套独立的被测元件两侧的差压控制系统。分别通过差压变送器4a、5b采集被测元件1a、12b两侧差压信号送入控制系统的输入端，通过控制系统的PID模块运算后再将控制信号传递给连接到变频泵9a、10b的控制端，当改变被测元件1a、12b所对应的手动直行程阀或手动角行程阀的阀门开度时，通过操纵变频泵的控制信号，可分别实现被测元件1a、12b两侧差压信号的给定值控制。

其次，可对被测元件1a、12b所对应的手动闸阀或手动截止阀等直行程阀分别进行流量特性测试。一方面设置L型三通阀2a使被测元件1a、12b所在管路相互独立后，可操纵手动闸阀或手动截止阀等直行程阀的阀门开度到达最小值，再利用电子数显高度尺测量对应的阀杆高度值，记录为h₀。其次操纵手动闸阀或手动截止阀等直行程阀的阀门开度有一定程度增加，并利用电子数显高度尺测量对应的阀杆高度值，记录为h₁，由此可计算出当前阀杆的实际位移量为L₁＝h₁–h₀。然后利用上述被测元件两侧的差压控制系统进行调节，使被测元件两侧的差压值稳定到0.1MPa，记录此时被测元件所在管路流量为Q₁。同理，依次增加手动闸阀或手动截止阀等直行程阀的阀门开度，分别计算和记录对应的阀杆实际位移量L_i＝h_i–h₀和Q_i(i＝2,3,…,n-1)，直到达到被测元件1a、12b所对应的手动闸阀或手动截止阀等直行程阀的阀门开度达到最大值为止，所对应的阀杆实际位移量L_n和Q_n。经过上述实验过程，分别得到被测元件1a、12b所对应的手动闸阀或手动截止阀等直行程阀的理想流量特性数据，由此绘制对应的理想流量特性曲线图，从而判断出手动闸阀或手动截止阀等直行程阀的理想流量特性类型。

若被测元件1a、12b对应位置安装为手动球阀或手动蝶阀等角行程阀时，仍然可按照上述实验过程进行，仅需将电子数显高度尺更换为电子数显角度尺，用于测量手动球阀或手动蝶阀等角行程阀的操纵手柄旋转角度，并记为L_i。其余测量过程完全一致，由此可得到被测元件1a、12b所对应的手动球阀或手动蝶阀等角行程阀的理想流量特性数据，并绘制对应的理想流量特性曲线图，从而判断出手动球阀或手动蝶阀等角行程阀的理想流量特性类型。

此外，在上述对手动直行程阀或手动角行程阀进行理想流量特性测试过程中，若不进行被测元件两侧的差压控制，即变频泵为恒定流量输出时，按照上述流量特性测试过程后可得到手动直行程阀或手动角行程阀的工作流量特性数据，同时可绘制出对应的工作流量特性曲线图。

采用电子数显高度尺或电子数显角度尺对被测元件1a、12b所对应的手动直行程阀或手动角行程阀的阀门开度进行测量，既可带给可操作人员在实验过程中具有强烈的参与感和积极性，又可在一定程度上增强实验交互性，有助于提高实验效果。当然，在本实验装置基础上也可外接测量阀杆直行程位移或角行程位移的传感器，并将检测信号接入控制系统的输入端，以实现各种手动阀门的理想流量特性和工作流量特性的测试。同样，若在被测元件1a、12b位置处接入带有阀杆位移反馈信号的电动调节阀，然后将阀杆位移反馈信号接入控制系统的输入端时，仍然可以实现对该电动调节阀的理想流量特性和工作流量特性的测试。相比较而言，上述有关手动阀门的理想流量特性测试方案尤其可以针对不同类型的手动直行程阀或手动角行程阀进行低成本的理想流量特性和工作流量特性测试，方便了解各种手动阀门具有何种理想流量特性，具有较好的灵活性和极高的性价比。

再次，若被测元件1a、12b对应位置安装为最大开度的手动阀门、孔板、喷嘴、文丘里管和内锥等不同类型的节流件时，本装置还可提供2组实验人员进行不同类型节流件流量系数和流阻系数的测试。首先设置L型三通阀2a使被测元件1a、12b所在管路相互独立，当被测元件1a、12b对应的节流件安装就位后，分别操纵电动调节阀3a、11b改变相应管路流量，并分别由流量变送器6a、7b进行流量检测，同时由差压变送器4a、10b测出被测元件1a、12b所对应节流件两侧的差压值。通过控制系统不断改变电动调节阀3a、11b的开度，实时采集流量变送器6a、7b和差压变送器4a、10b的信号，根据流量系数K_v计算公式和流阻系数ζ计算公式Δp＝ζ(ρv²/2)，可分别绘制流量(Q)-差压值平方根和差压值(Δp)-动能值(ρv²/2)的数据关系图(其中常温水密度ρ＝1g/cm³)，则可确定对应出节流件的流量系数K_v和流阻系数ζ分别等于两组数据关系图的拟合直线斜率。

同时，本实验装置还可供1组实验人员同时操纵电动调节阀3a、11b进行流量比值控制。设置L型三通阀2a使被测元件1a、12b所在管路相互独立后，控制系统选择被测元件1a或被测元件12b所在管路后，按照给定值控制策略进行PID参数整定后针对其流量进行控制；然后对另一条管路，按照跟踪控制策略进行PID参数整定后针对其流量进行比值控制。

此外，当设置L型三通阀2a使被测元件1a、12b所在管路连通时，可提供1组实验人员进行分程控制。控制系统通过实时采集流量变送器7b信号，然后输出控制信号同时操纵两个同向的电动调节阀3a、11b进行流量控制。若给定流量较小时，控制信号仅使其中一个电动调节阀进行动作，当给定流量超过一个电动调节阀所能调节的最大流量时，另一个电动调节阀进行动作，由此实现对电动调节阀3a、11b的分程控制，扩大调节阀的调节范围。

实施例2

如图2所示，本实施例中的一种基于阀门理想流量特性测试的过程控制多功能实验装置是在实施例1的基础上还增设了容器17b、18c，L型三通阀13b、20c、21d，液位变送器16a、19b，加热管15和温度变送器14，容器17b、18c设在容器8a的上方，所述L型三通阀21d设在L型三通阀2a与被测元件1a的连接管线上，L型三通阀21d的第三个端口与容器18c的进液口连接，容器18c的出液口与L型三通阀20c的进液口连接，L型三通阀20c的第一出液口连接至被测元件1a与流量变送器6a的连接管线上，L型三通阀13b设在电动调节阀11b与被测元件12b的连接管线上，L型三通阀13b的第三个端口与容器17b的进液口连接，容器17b的出液口连接至被测元件12b与流量变送器7b的连接管线上，L型三通阀20c第二出液口连接至容器17b的出液管线上，温度变送器14设在流量变送器7b与容器8a的连接管线上，加热管15设在容器17b的内腔中，液位变送器16a、19b分别用于检测容器17b、18c的液位，液位变送器16a、19b和温度变送器14连接至控制系统的输入端。

首先，分别操纵L型三通阀13b、21d使容器17b、18c进液口管路接通，L型三通阀2a使电动调节阀11b、3a所在管路不通，L型三通阀20c使容器17b、18c的出液口管路不通，然后通过控制系统分别采集液位变送器16a、19b信号，然后提供2组实验人员分别操纵电动调节阀11b、3a，对容器17b、18c的单容液位进行PID简单控制。

其次，保持L型三通阀13b、21d、2a、20c在上述位置，利用控制系统分别采集流量变送器7b、6a和液位变送器16a、19b的信号，然后提供2组实验人员分别操纵变频泵9b和电动调节阀11b、变频泵5a和电动调节阀3a，对容器17b、18c进行流量-单容液位串级控制。

再次，保持L型三通阀13b、21d、2a在上述位置，并操纵L型三通阀20c使容器17b、18c的出液口管路连通，然后开启加热管15使容器17b的温度升高到一定温度后，通过控制系统检测温度变送器14在容器17b、18c出液口管路对应的热、冷流体混合后温度，并操纵电动调节阀3a对混合温度进行PID的简单控制。

实施例3

如图3所示，本实施例中的一种基于阀门理想流量特性测试的过程控制多功能实验装置是在实施例2的基础上还增设了容器24d、26e，液位变送器23c、25d，L型三通阀22e、27f，所述容器24d、26e设在容器8a与容器17b、18c之间，L型三通阀22e设在流量变送器6a与容器8a连接管线上，L型三通阀22e的第三个端口连接至容器24d的进液口，容器24d的出液口连接至容器8a，L型三通阀27f设在温度变送器14与容器8a连接管线上，L型三通阀27f的第三个端口连接至容器26e的进液口，容器26e的出液口连接至容器8a，液位变送器23c、25d连接至控制系统的输入端，分别用于检测容器24d、26e的液位。

首先，设置L型三通阀2a、20c使各出液口管路互不连通、L型三通阀21d、13b使容器18c、17d所在进液口管路连通、L型三通阀22e、27f使容器24d、26e所在进液口管路连通，控制系统分别采集容器24d、26e所对应液位变送器23c、25d信号，再操纵电动调节阀6a、11b以提供2组实验人员进行双容液位的PID简单控制。

其次，保持L型三通阀2a、13b、20c、21d、22e、27f在上述位置不变，控制系统分别采集流量变送器6a、7b和液位变送器23c、25d信号，可提供2组实验人员分别操纵变频泵9b和电动调节阀11b、变频泵5a和电动调节阀3a，针对双容容器17b和26e、18c和24d进行流量-双容液位的串级控制。

再次，保持L型三通阀2a、13b、20c、21d、22e、27f在上述位置不变，控制系统分别采集液位变送器16a、19b信号，然后分别操纵可提供2组实验人员分别操纵变频泵9b和电动调节阀11b、变频泵5a和电动调节阀3a，针对容器17b、18c进行液位的双重控制，即一旦液位发生变化时，通过迅速改变电动调节阀以调整进入容量的流量，然后再缓慢调节变频泵的出液量，最终达到节能供给液体的目的。

Claims

1.一种基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置，其特征在于：包括容器(8a)、流量变送器(6a、7b)、压差变送器(4a、10b)、电动调节阀(3a、11b)、L型三通阀(2a)、变频泵(5a、9b)、被测元件(1a、12b)和控制系统，所述第一容器(8a)的第一出液口通过变频泵(5a)和电动调节阀(3a)与L型三通阀(2a)的进液口连接，L型三通阀(2a)的第一出液口与被测元件(1a)的进液口连接，被测元件(1a)的出液口与容器(8a)的第一进液口连接，流量变送器(6a)设在被测元件(1a)与容器(8a)的连接管线上，容器(8a)的第二出液口通过变频泵(9b)和电动调节阀(11b)与被测元件(12b)的进液口连接，被测元件(12b)的出液口与容器(8a)的第二进液口连接，流量变送器(7b)设在被测元件(12b)与容器(8a)的连接管线上，L型三通阀(2a)的第二出液口连接到变频泵(9b)与电动调节阀(11b)的连接管线上，压差变送器(4a)用于测量被测元件(1a)两端的压差，压差变送器(10b)用于测量被测元件(12b)两端的压差，流量变送器(6a、7b)和压差变送器(4a、10b)连接到控制系统的输入端，电动调节阀(3a、11b)连接到控制系统的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置，其特征在于：所述基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置还包括容器(17b、18c)、L型三通阀(13b、20c、21d)、液位变送器(16a、19b)、加热管(15)和温度变送器(14)，容器(17b、18c)设在容器(8a)的上方，所述L型三通阀(21d)设在L型三通阀(2a)与被测元件(1a)的连接管线上，L型三通阀(21d)的第三个端口与容器(18c)的进液口连接，容器(18c)的出液口与L型三通阀(20c)的进液口连接，L型三通阀(20c)的第一出液口连接至被测元件(1a)与流量变送器(6a)的连接管线上，L型三通阀(13b)设在电动调节阀(11b)与被测元件(12b)的连接管线上，L型三通阀(13b)的第三个端口与容器(17b)的进液口连接，容器(17b)的出液口连接至被测元件(12b)与流量变送器(7b)的连接管线上，L型三通阀(20c)第二出液口连接至容器(17b)的出液管线上，温度变送器(14)设在流量变送器(7b)与容器(8a)的连接管线上，加热管(15)设在容器(17b)的内腔中，液位变送器(16a、19b)分别用于检测容器(17b、18c)的液位，液位变送器(16a、19b)和温度变送器(14)连接至控制系统的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置，其特征在于：所述基于阀门流量特性测试的过程控制多功能实验装置还包括容器(24d、26e)、液位变送器(23c、25d)、L型三通阀(22e、27f)，所述容器(24d、26e)设在容器(8a)与容器(17b、18c)之间，L型三通阀(22e)设在流量变送器(6a)与容器(8a)连接管线上，L型三通阀(22e)的第三个端口连接至容器(24d)的进液口，容器(24d)的出液口连接至容器(8a)，L型三通阀(27f)设在温度变送器(14)与容器(8a)连接管线上，L型三通阀(27f)的第三个端口连接至容器(26e)的进液口，容器(26e)的出液口连接至容器(8a)，液位变送器(23c、25d)连接至控制系统的输入端，分别用于检测容器(24d、26e)的液位。