CN109681659A - 一种超宽量程精密定量调节阀、流量控制系统和流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种超宽量程精密定量调节阀、流量控制系统和流量控制方法，其包括角行程电动执行机构、连接体、阀体、带动阀芯运动的阀杆，和设置于阀体内的特制阀芯。阀芯上设置导通部和截止部，导通部上加工有贯穿流通孔；当阀杆带动阀芯旋转由截止变为导通时，阀芯的转角增量为Δθ，阀芯上贯穿流通孔的导通量增量为ΔS，Δθ/ΔS＝K，K为一个常数。本发明结构简单、安装使用方便，其通过保证阀门的流通截面积与角行程调节阀的旋转角度成线性比例关系，从而使得阀门具有超小流量起控、控制精度极高、量程比大的特点，以该调节阀为流量精密控制的执行机构，以及流量控制器、动力驱动源、流量计一起可组成一个精密流量定量控制的系统。

Description

一种超宽量程精密定量调节阀、流量控制系统和流量控制 方法

技术领域

本发明涉及一种定量调节阀，属于阀门技术领域，尤其涉及一种超宽量程精密定量调节阀及含有该调节阀的流量控制系统和流量控制方法。

背景技术

目前，工业控制一般采用电动调节阀作为自动化控制的最终执行部分，其阀门开度从25％到80％即可满足控制要求，阀门在开度为25％以下时阀门基本关闭，但阀门一旦开启，在管路压力的推动下，即使是小口径的精小型单座直通阀(DN10口径的调节阀的流量系数KV＝1.6)，通过阀门的流量起点就可以达到几百升/时；一般调节阀理论设计的可调比为30:1，但在串联管路运行环境条件下实际可调比只能够到5:1左右，这个可调比基本可以满足在工业定值控制的需要；而对于一些特殊的工业应用领域，一般均有精密定量投加控制的要求，如自来水生产的药剂投加、化工制药生产过程的定量药剂投加或多种药剂的配比投加等。而由于调节阀的流量较大、阀门的开度范围有限，因此调节的分辨率较粗，因此很难将其应用于精度要求高的定量投加场合。以工业控制常用的角行程O型电动调节阀为例，其阀芯为一个圆球，中间开了一个圆孔，随着角行程执行机构的旋转，带动阀芯旋转，阀门的开度增加，流通截面积逐渐加大，流通形状从小椭圆到大椭圆到正圆，流通面积为最大，再继续旋转，流通截面积又逐渐变小，最后到截止关闭。随着角行程电动执行机构的旋转，流量变化是一个从小到大又变小的过程，但流量变化是一个非线性而且初始可控流量不可能很小。显然，一般调节阀无法满足特定条件下需要的具有超小流量起控、较大的实际可调比、精细的控制流量分辨率和大范围定量控制的要求。

目前，现有技术中精密定量投加的场合一般多采用计量泵。计量泵是一种往复式运转的容积泵，能够定量输送液体的设备，它主要通过对其冲程(改变容积大小)和频率(改变往复运转速度)的调节来改变输送液体的量。其频率的调节范围为20Hz-50Hz，冲程的调整范围为10％-100％。

理论上计量泵的流量计算公式为：Qi＝Q_S(F×X)/(50×100)

式中，Qi为实际流量，Q_S为计量泵的最大量程，F为计量泵实际运行频率，X为计量泵实际运行冲程。

从长期运行实践看，计量泵存在下列问题：

1、计量泵定量控制精度不高(5％)，计量泵尤其是国产计量泵实际输送流量与其理论计算值比较，存在比较严重的非线性，计量泵长时间运行，隔膜劣化也导致流量特性畸变。

2、计量泵是一个不间断往复运行的容积泵，随着计量泵的运行时间不断增加，机械磨损会增加，隔膜劣化程度也增加(一般两年要更换一次隔膜)，因此维修成本高，使用寿命有限。

3、计量泵还有一个致命的弱点是量程范围仍然有限(最大10:1)，这样大计量泵无法完成小流量控制，而小量程计量泵又无法完成较大流量的输送问题。一般工业设计和设备配置时考虑极限情况一般选用大计量泵，而在多数需要小流量控制时计量泵很难正常工作，给使用方带来极大的不便。

4、采用计量泵作为流量控制基本上都是开环控制，即使带有流量监测装置，随着现场条件的变化，流量也会发生变化。一般波动较大，因此采用计量泵作为精密流量控制存在问题较多。

综上，亟待开发一种替代计量泵的能够微小流量起控、超宽量程、精密流量定量控制的投加设备以满足特定用户的需要。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种超宽量程精密定量调节阀，其不仅结构简单，而且能够满足微小流量起控、超宽量程线性精密调节要求。

为解决上述技术问题，本发明采用了这样一种超宽量程精密定量调节阀，它包括角行程电动执行机构、阀体、设置于所述阀体内的阀芯和用于带动所述阀芯相对于所述阀体转动的阀杆，所述阀芯上设置导通部和截止部，所述导通部上加工有贯穿流通孔；当所述角行程电动执行机构旋转时，通过阀杆带动所述阀芯旋转由截止变为导通时，阀芯的转角增量为Δθ，阀芯上贯穿流通孔的液体导通量增量增量为ΔS，Δθ/ΔS＝K，K为一个常数。

在本发明的一种优选实施方案中，所述贯穿流通孔的形状为W形、V形、或其他符合在旋转过程中贯穿流通孔增加的面积与转角旋转角度增量成比例，即Δθ/ΔS＝K的形状。

在本发明的一种优选实施方案中，所述阀芯为球形或圆柱形。

在本发明的一种优选实施方案中，所述阀门的阀芯除了贯穿导通孔外，其余部分皆为实心截止部。

在本发明的一种优选实施方案中，所述贯穿流通孔的截面积小于所述阀体的流道的截面积。此时，即使整个阀芯处于导通态，由于贯穿流通孔的截面积小于阀体的流道的截面积，因此仍然可以保持超小流量起控。

本发明还公开了一种流量控制系统，其包括前述的超宽量程精密定量调节阀，其驱动动力源为离心泵或其他驱动机构，或带有一定压力的液体介质，其流量检测为流量计；在流量控制器的控制下，通过对离心泵和调节阀的控制和流量计提供反馈信号，形成一个精密流量闭环控制系统。

本发明还公开了一种流量控制方法，其包括前述的超宽量程精密定量调节阀，当所述阀杆带动所述阀芯旋转由截止变为导通时，阀芯的转角增量为Δθ，阀芯上贯穿流通孔的导通量增量为ΔS，Δθ/ΔS＝K，K为一个常数。

如图2所示，在本发明的一种优选实施方案中，角行程电动执行机构通过连接体与超宽量程精密定量调节阀的阀体和阀杆连接，在角行程电动执行机构内部伺服电机旋转时，通过减速机构和连接体，带动阀门的阀杆旋转，阀芯旋转到在不同的位置，呈现不同的流通截面积，达到控制流体流量的目标。

超宽量程精密电子调节阀的流通介质，可以采用离心泵或其他动力源作为流体的驱动动力，也可以直接采用带有一定压力的液体，保证阀门前后具有一定的压差，维持阀门的正常调节作用。

本发明调节阀一般由10L流量起控，故阀芯旋转起始段的非线性变化可忽略不计，同时调节阀的结束段的流量减小量相对于调节阀的可调段的流量变化可忽略不计，故其结束段的非线性变化也可忽略不计。

本发明的有益效果是：本发明结构简单、安装使用方便，其通过保证阀门的流通截面积与角行程调节阀的旋转角度成线性比例关系，从而使得阀门具有超小流量起控、控制精度极高、量程比大的特点，它在需要精密流量定量控制的场合具有十分广泛的应用。目前，该阀门已经在净水厂和污水厂批量应用于各种药剂的投加控制中，它的量程范围宽，控制精度高，可靠性高，节能降耗十分明显，取得明显的社会和经济效益，在水工业中淘汰传统的计量泵，被称为颠覆行业设计理念的创新。

附图说明

图1是本发明实施例一种超宽量程精密定量调节阀的阀芯结构示意图；

图2是本发明实施例一种超宽量程精密定量调节阀的结构示意图；

图中：1-连接体；2-阀体；3-卡环；4-阀芯；5-角行程电动执行机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由说明书附图所示的结构可知，本发明为一种具有特殊阀芯结构的、能够满足微小流量起控、超宽量程线性精密调节的角行程定量调节阀，它的创新在于突破的O型球阀流通截面为圆形，阀门全开时流通截面与外径相等的传统设计思路，十分巧妙地将球形阀芯流通截面从圆形改为“W”型结构，这个“W”型结构，实际上是由4条斜线组成，每条细线的横截面都是等宽的矩形。在阀门关闭时，4条斜线组成的流通截面都旋转到关闭的位置隐藏，阀门处于关闭状态。随着阀芯的转动，“W”型流通截面中最右边的斜线的尖部一个小口最先露头成为流体通道，满足最小流量起控的条件。随着阀芯的旋转，第一条斜线的流通面积也随之增大，显然，流通截面是随着转角线性增大。在阀门全开时，4条斜线组成的流通截面全开，这时为最大流量。设转角增量为Δθ，截面积的增量为ΔS，则Δθ/ΔS＝K，K为一个常数，完成了阀芯的流通截面积随着阀门的旋转线性变化，流量随之线性变化的目标。“W”型结构的设计是要满足在阀芯旋转90°的有限行程中，尽量增加流通截面积，达到超宽范围流量变化，提升阀门的量程比的目的。

为了应对各种不同条件下用户对投加流量的不同要求，发明者根据此原理，设计了两种不同口径的调节阀。在实验室和工业现场实测的数据表明，DN20口径的调节阀，以离心泵为输送动力，在流量闭环控制的条件下，以“V”开口阀芯为例，在实际应用中，最小流量可从5L/h起控，一直到400L/h左右，实际量程比达到80，全量程流量控制精度±1L/h；DN25口径的调节阀，流量可以从20L/h到1000L/h左右，其实际量程比最大可以达到50，全量程控制精度±1-2L/h；而“W”型开口阀芯的截面积是“V”型开口阀芯的截面积略1.6倍，其量程可以从20L/h-1500L/h左右(根据不同的应用场合，受到阀门出口管线的管径、距离和压力的影响，各种开口截面积和口径的阀门的最小和最大流量会有略有变化)，这两种阀门在流量闭环控制的条件下，在全量程范围内，任意每个设定点的流量控制在达到平衡的时，误差都为设定值的±1-2L/h，具有极高的控制精度，为许多需要精密投加的应用场合提供了一种可行、可靠和可替代昂贵的进口产品的控制方案。目前，这两种阀门都将传统的计量泵淘汰出局，已经批量应用于净水厂和污水厂的加药和次氯酸钠投加系统中，取得良好的社会和经济效益。有污水厂的用户在使用了以此阀门为核心组成的投加系统后，评价此阀门为颠覆行业设计理念的重大创新。

进一步地，本发明的阀芯不是采用球形，而是采用圆柱形或其他的任意形状，只要其流通截面积与阀门的旋转角度成线性比例变化的。

进一步地，本发明的球形阀芯中流通截面不限于“W”字型结构，“V”字型结构、或者任何流通截面与角行程调节阀旋转角度成线性比例变化的其他结构形式，都在本专利保护范围内。

在这两种调节阀的量程范围涵盖了几乎所有中小型计量泵的量程谱系，给设计院设计选型和用户使用带来极大的方便。这种精密调节阀的量程范围比目前国内使用的昂贵的进口小流量精密调节阀(20-80L/h)宽得多，也是在微小流量控制调节阀方面的重大创新。

这种阀门还有两个十分显著的优点，一是在流量控制系统中，当流量控制达到平衡时，阀门处于静止状态，大大减少了机械磨损，相比目前应用很多的计量泵不停地进行往复运动推动流体前进，其各个部件的机械磨损都十分严重，经常需要维护和更换部件，这种调节阀的可靠性大大增加；二是节能效果明显，在净水厂尤其是污水厂，往往需要多台计量泵同时工作往不同的地点输送药剂，而采用阀门控制，只需要一台离心泵作为动力源，多台阀门分别控制每个投加点的投加量，由于阀门本身为功耗极低，在流量平衡时又不动作，因此整体功耗大大降低。以武汉某污水厂为例，加药间共有8台1.5KW的计量泵同时工作，而改为离心泵和调节阀的组合后，仅需要一台0.75KW的离心泵工作，工作能耗降低为原来的1/16。离心泵采用电磁驱动，无泄漏，轴和轴承采用碳化硅，可以连续运行5年无需维护。

应当理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超宽量程精密定量调节阀，包括角行程电动执行机构、阀体、设置于所述阀体内的阀芯和用于带动所述阀芯相对于所述阀体转动的阀杆，其特征在于：所述阀芯上设置导通部和截止部，所述导通部上加工有贯穿流通孔；当所述阀杆带动所述阀芯旋转由截止变为导通时，阀芯的转角增量为Δθ，阀芯上贯穿流通孔的导通量增量为ΔS，Δθ/ΔS＝K，K为一个常数。

2.根据权利要求1所述一种超宽量程精密定量调节阀，其特征在于：所述阀芯的贯穿流通孔的形状为W形、V形、或其他符合在旋转过程中贯穿流通孔增加的面积与转角旋转角度增量成比例，即Δθ/ΔS＝K，的形状。

3.根据权利要求1所述一种超宽量程精密定量调节阀，其特征在于：所述阀芯为球形或圆柱形。

4.根据权利要求1所述一种超宽量程精密定量调节阀，其特征在于：所述阀芯除贯穿流通孔外，其余部分均为实心不可流通的截止部。

5.根据权利要求1所述一种超宽量程精密定量调节阀，其特征在于：所述贯穿流通孔的截面积小于所述阀体的流道的截面积。

6.一种流量控制系统，其特征在于：包括如权利要求1-5任意一项权利要求所述的超宽量程精密定量调节阀，其驱动动力源为离心泵或其他驱动机构，或带有一定压力的液体介质，其流量检测为流量计；在流量控制器的控制下，通过对离心泵和调节阀的控制和流量计提供反馈信号，形成一个精密流量闭环控制系统。

7.一种流量控制方法，其特征在于：包括如权利要求1-5任意一项权利要求所述的超宽量程精密定量调节阀，当所述阀杆带动所述阀芯旋转由截止变为导通时，阀芯的转角增量为Δθ，阀芯上贯穿流通孔的导通量增量为ΔS，Δθ/ΔS＝K，K为一个常数。