CN110261050B - 一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置和监测方法 - Google Patents

一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置和监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置和监测方法，监测装置的硬件系统包括若干个配套阀杆扭矩传感器和阀门开度传感器、并通过交换机与数据存储分析平台连接的分布式采集系统，交换机还与若干个计算机终端连接；软件系统包括设置于数据存储分析平台内的数据存储分析系统，数据存储分析系统包括用户管理模块、WEB功能模块、数据库模块和后台功能模块，WEB功能模块还设置于计算机终端内。监测方法包含系统布置、参数设置、传感器信号采集、信号处理、数据比对和上传、数据存储等内容，可对阀杆扭矩的实时测量和分析，从而实现对阀杆密封性能的长期监测和维护。

Description

一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置和监测方法
技术领域
本发明涉及阀门或管道系统设备检测领域，尤其是一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置和监测方法。
背景技术
蝶阀作为一种结构简单的调节阀，在船舶海工领域应用十分广泛，可用于低压管路系统的启闭调节，但同时蝶阀的橡胶密封面却是一个易损部件，蝶阀的密封结构如图2所示。在橡胶密封型蝶阀使用过程中，随着阀门启闭次数的增多，以及在不同腐蚀性介质中浸泡、各种颗粒污染等恶劣工况下长期运行时，阀门密封面处橡胶会发生老化及应力松弛等现象，使橡胶材料的性能恶化，产生发粘和龟裂的现象，力学性能降低，导致阀门的密封性能得不到保障，产生安全隐患，甚至可能导致各类事故的发生。如图1所示，橡胶材料作为一种弹性体，具有应力松弛的现象，橡胶随着时时间的增加，内应力会衰减到一个平衡值，一旦橡胶发生老化其应力松弛曲线会发现相应的改变，进而导致阀门启闭时间内使橡胶产生同样变形而所用的密封力矩发生变化。
动态扭矩传感器可以测量静止扭矩信号、旋转扭矩信号、动态扭矩信号以及静态扭矩信号等多种信号，并可以对阀杆扭矩进行的实时监测，扭矩测量精度可达0.5～1％F.S，响应频率小于100μs。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置和监测方法，监测装置由阀杆动态扭矩传感器、阀门开度传感器、测试终端、数据存储分析平台、计算机终端和显控操作软件等组成，通过阀杆上的扭矩传感器不断测量橡胶在相同变形下力矩的变化情况，可以判断阀门密封面处橡胶的力学性能以及所处的老化阶段，并在必要时提示用户进行检修或者更换，实现对蝶阀密封性能的长期监测和维护。
本发明的监测装置所采用的技术方案如下：
一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括若干个分布式采集系统，每个分布式采集系统均包括一个阀杆扭矩传感器和一个阀门开度传感器，各分布式采集系统共同通过交换机与数据存储分析平台连接，交换机还与若干个计算机终端连接；软件系统包括设置于数据存储分析平台内的数据存储分析系统，数据存储分析系统包括用户管理模块、WEB功能模块、数据库模块和后台功能模块，WEB功能模块还设置于计算机终端内。
其进一步技术方案在于：
数据库模块包括数据库操作功能、数据表设计功能及受WEB功能模块控制的数据库备份与还原功能。
本发明的监测方法所采用的技术方案如下：
一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测方法，包括以下步骤：
第一步：系统配置；
第二步：参数设置；
第三步：传感器信号采集；
第四步：数据处理；
第五步：将处理后的数据上传并将数据存储至数据库中；
第六步：由数据存储分析系统5判断处理后的数据是否超限值，若是，同时跳转至第七和第十步，若否，跳转至第八步；
第七步：将扭矩数据上传并将扭矩数据存储至数据库中；
第八步：由数据存储分析系统5判断扭矩数据变化趋势是否正常，若是，则跳转至第九步，若否，则同时跳转至第七和第十步；
第九步：结束此次监测；
第十步：软件系统发出警告提示。
其进一步技术方案在于：
第一步系统配置包括硬件系统配置和软件系统配置；
第三步传感器信号采集的内容为来自阀杆扭矩传感器301和阀门开度传感器302的信号；
第三步中通过传感器采集得到的信号为第四步数据处理的对象。
本发明的有益效果如下：
本发明应用动态扭矩传感器与阀门开度传感器技术，采用测试终端对阀门阀杆扭矩进行实时监测，对现场采集的信号进行频谱分析、滤波、积分等相关分析计算，并通过启闭时间内扭矩变化趋势判断阀门密封处橡胶的老化状态及是否损坏，可以实现对阀杆扭矩变化的长期监测；本发明装置可以根据所需检测阀门的种类以及流体介质的不同设置监测策略和数据处理方法，在计算机终端可以直接查看系统网络图中阀门所在的位置以及相应的信号数据，实现动态监控和良好的人机交互。
附图说明
图1为橡胶应力松弛曲线。
图2为现有的蝶阀密封面尺寸示意图。
图3为本发明的硬件结构示意图。
图4为本发明的软件结构示意图。
图5为本发明的监测方法原理图。
图6为本发明的传感器安装示意图。
其中：1、数据存储分析平台；2、交换机；3、分布式采集系统；301、阀杆扭矩传感器；302、阀门开度传感器；4、计算机终端；5、数据存储分析系统；501、用户管理模块；502、WEB功能模块；503、数据库模块；504、后台功能模块；6、执行机构；7、阀杆。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图3～6所示，本发明监测装置的硬件系统包括若干个分布式采集系统3，每个分布式采集系统3均包括一个阀杆扭矩传感器301和一个阀门开度传感器302，各分布式采集系统3共同通过交换机2与数据存储分析平台1连接，交换机2还与若干个计算机终端4连接；软件系统包括设置于数据存储分析平台1内的数据存储分析系统5，数据存储分析系统5包括用户管理模块501、WEB功能模块502、数据库模块503和后台功能模块504，WEB功能模块502还设置于计算机终端4内。数据库模块503包括数据库操作功能、数据表设计功能及受WEB功能模块502控制的数据库备份与还原功能。
蝶阀阀杆扭矩主要由以下几部分组成为：
MD＝MM+MC+MT+MJ+Md (1)
其中MM——密封面间的摩擦扭矩；
MC——阀杆轴承上的摩擦力矩；
MT——填料与阀杆间的摩擦力矩；
MJ——静水力矩；
Md——动水力矩；
本发明以某中线衬胶对夹式蝶阀为计算例，该型蝶阀密封扭矩的计算公式如下：
Figure BDA0002150636950000041
式中：M——密封面摩擦扭矩(N.m)；
E——橡胶的弹性模量；
b——碟板密封面宽度；
D——蝶板直径(mm)；
Δh——压缩量(mm)；
H——阀座橡胶厚(mm)；
如式(2)所示，阀杆密封面扭矩中众多参数在阀门定型后就已确定，阀杆扭矩M的变化只跟橡胶的本身的固有参数有关，一旦橡胶发生老化，橡胶的弹性模量则会随之发生变化。同时由于阀门结构尺寸已经确定，因此b、D、Δh、H等这些参数不会改变。
如式(1)所示的蝶阀阀杆扭矩的组成中，密封面的摩擦力矩占主导成分，是阀门启闭时间内扭矩变化的最主要的因素，该密封面处的摩擦力直接体现在阀杆启闭扭矩上，因此可以通过阀杆扭矩变化间接监测阀门橡胶密封面的老化情况及损坏情况，通过本发明的监测装置可以测量扭矩的变化，并进而通过本法的监测方法加以控制。
本发明的监测方法包括以下步骤：
第一步：系统配置，确定大系统内需要进行重点监控的蝶阀橡胶密封型阀门对象，在需要重点监控的阀门附近布置测试终端，在阀门的阀杆7上安装阀杆扭矩传感器301、阀门开度传感器302，其中阀杆扭矩传感器301通过特定的键槽安装在阀杆7上，阀杆扭矩传感器301的输出端与阀门执行机构6相连，完成传感器连接和以太网连接后，完成配套的软件系统的安装和调试。
第二步：参数设置，包括阀门和管道的通径，管道材质与壁厚，阀杆内孔直径，流体介质的温度、密度、声速和动力粘度等参数，也包括传感器的灵敏度、工作温度范围、量程、电荷/电压放大倍数、采样频率等参数。
第三步：传感器信号采集，采集的数据来自阀杆扭矩传感器301和阀门开度传感器302，其中扭矩信号的来源为：通过阀杆扭转变形产生的电感感应变化，使得阀杆扭矩传感器301内产生对应线性变化的电流，经过电子电路的检波、整形、放大后，输出4～20mA的电流信号。
第四步：数据处理，测试终端对采集信号进行初步处理，得到时域内的阀杆扭矩变化趋势以及扭矩信号大小。本发明中优先处理时域信号的主要原因为：扭矩信号是这个本发明的直接监测数据，扭矩的时域幅值是扭矩大小的直接反映，因此可以先处理时域数据并观察时域数据是否在合理范围内，若超出范围后，可以进一步频域处理，即本发明所描述方法的第五至第八步，这种分步处理的方法有利于更快速地判断扭矩变化的原因。在处理时域数据时，主要采用波形分析方法，关注信号幅值对应的时间、同一形状波形重复出现的周期长短和信号波形本身变化的速率。
第五步：将处理后的数据上传并将数据存储至数据库中。
第六步：由数据存储分析系统5判断频域数据是否超限值，若是，同时跳转至第七和第十步，若否，跳转至第八步，频域数据处理主要采用傅里叶变换，将时域信号转变到频域中，通过该步骤可以查看各种特征频谱。傅里叶变换是通过在频率空间表示基于时间或空间的信号来揭示该信号频率分量的工具。下式为傅里叶变换公式：
Figure BDA0002150636950000051
(2)式中的t为时间，ω为频率，通过(2)式将时域函数f(t)变换为频域函数F(ω)，并能给出频率相关的幅值。
第七步：将扭矩数据上传并将扭矩数据存储至数据库中。
第八步：由数据存储分析系统5判断扭矩数据变化趋势是否正常，将扭矩测量值与往期历史数据进行对比分析，并就频谱曲线进行分析，判断是否存在异常干扰或者管路异常情况，如果启闭时间内扭矩变化与历史趋势数据相较存在明显差异，则结合管道系统所处的状态(开关或开度)进行判断，若趋势正常，则跳转至第九步，若趋势不正常，则同时跳转至第七和第十步。
第九步：结束此次监测。
第十步：软件系统发出警告提示，用户可以通过计算机终端4查询数据存储分析系统5中特定时间段内各阀门的扭矩数据，也可以通过现场的测试终端查询实时数据。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (5)

1.一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置进行监测的方法，包括硬件系统和软件系统，其特征在于：所述硬件系统包括若干个分布式采集系统(3)，每个分布式采集系统(3)均包括一个阀杆扭矩传感器(301)和一个阀门开度传感器(302)，各分布式采集系统(3)共同通过交换机(2)与数据存储分析平台(1)连接，所述交换机(2)还与若干个计算机终端(4)连接；
所述软件系统包括设置于数据存储分析平台(1)内的数据存储分析系统(5)，所述数据存储分析系统(5)包括用户管理模块(501)、WEB功能模块(502)、数据库模块(503)和后台功能模块(504)，所述WEB功能模块(502)还设置于计算机终端(4)内；
所述基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置进行监测的方法，包括以下步骤：
第一步：系统配置，确定大系统内需要进行重点监控的蝶阀橡胶密封型阀门对象，在需要重点监控的阀门附近布置测试终端，在阀门的阀杆(7)上安装阀杆扭矩传感器(301)、阀门开度传感器(302)，其中阀杆扭矩传感器(301)通过特定的键槽安装在阀杆(7)上，阀杆扭矩传感器(301)的输出端与阀门执行机构(6)相连，完成传感器连接和以太网连接后，完成配套的软件系统的安装和调试；
第二步：参数设置，包括阀门和管道的通径、管道材质与壁厚、阀杆内孔直径、流体介质的温度、密度、声速、动力粘度、传感器的灵敏度、工作温度范围、量程、电荷/电压放大倍数和采样频率；
第三步：传感器信号采集，采集的数据来自阀杆扭矩传感器(301)和阀门开度传感器(302)，其中扭矩信号的来源为：通过阀杆扭转变形产生的电感感应变化，使得阀杆扭矩传感器(301)内产生对应线性变化的电流，经过电子电路的检波、整形、放大后，输出4～20mA的电流信号；
第四步：数据处理，测试终端对采集信号进行初步处理，得到时域内的阀杆扭矩变化趋势以及扭矩信号大小；
第五步：将处理后的数据上传并将数据存储至数据库中；
第六步：由数据存储分析系统判断处理后的数据是否超限值，若是，同时跳转至第七和第十步，若否，跳转至第八步，数据处理主要采用傅里叶变换，将时域信号转变到频域中，通过该步骤可以查看各种特征频谱，傅里叶变换是通过在频率空间表示基于时间或空间的信号来揭示该信号频率分量的工具，下式为傅里叶变换公式：
Figure FDA0003030703980000021
(2)式中的t为时间，ω为频率，通过(2)式将时域函数f(t)变换为频域函数F(ω)，并能给出频率相关的幅值；
第七步：将扭矩数据上传并将扭矩数据存储至数据库中；
第八步：由数据存储分析系统(5)判断扭矩数据变化趋势是否正常，将扭矩测量值与往期历史数据进行对比分析，并就频谱曲线进行分析，判断是否存在异常干扰或者管路异常情况，如果启闭时间内扭矩变化与历史趋势数据相较存在明显差异，则结合管道系统所处的状态，即结合开关或开度进行判断，若趋势正常，则跳转至第九步，若趋势不正常，则同时跳转至第七和第十步；
第九步：结束此次监测；
第十步：软件系统发出警告提示，用户可以通过计算机终端(4)查询数据存储分析系统(5)中特定时间段内各阀门的扭矩数据，也可以通过现场的测试终端查询实时数据。
2.如权利要求1所述的一种基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置进行监测的方法，其特征在于：所述数据库模块(503)包括数据库操作功能、数据表设计功能及受WEB功能模块(502)控制的数据库备份与还原功能。
3.如权利要求1所述基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置进行监测的方法，其特征在于：第一步系统配置包括硬件系统配置和软件系统配置。
4.如权利要求1所述基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置进行监测的方法，其特征在于：第三步传感器信号采集的内容为来自阀杆扭矩传感器(301)和阀门开度传感器(302)的信号。
5.如权利要求1所述基于阀杆扭矩变化蝶阀密封性能监测装置进行监测的方法，其特征在于：第三步中通过传感器采集得到的信号为第四步数据处理的对象。
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