CN111365511B - 球阀以及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种球阀以及控制方法，包括电机组件、减速装置、阀杆、阀体、磁环、霍尔传感器组件以及钢球，霍尔传感器组件包括霍尔传感器，电机组件的输出端与阀杆通过减速装置连接，电机组件通过减速装置驱动阀杆转动，钢球的至少部分位于阀杆末端下方并随阀杆一起转动，磁环套设于阀杆外周并靠近阀杆的末端位置，磁环随阀杆一起转动，沿磁环的径向，霍尔传感器位于磁环的外侧，在无法准确测量磁环正下方磁场的情况下，能够实现磁环磁场的侧面测量，能够检测阀杆末端转过的角度。

Description

球阀以及控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种阀，更具体涉及一种球阀以及控制方法。

【背景技术】

在含有减速装置的阀中，电机输出端通过减速装置与阀杆连接，采取在电机输出端或阀杆末端安装磁环并在电机输出端或阀杆末端的下方安装霍尔传感器检测阀杆转过的角度以提高阀对流量的调节精度。在电机输出端安装磁环并在电机输出端的下方安装霍尔传感器时，需要根据减速装置的减速比来计算阀杆转过的角度，但是由于减速装置存在迟滞现象或电机存在失步及堵转的可能，导致不能及时准确反馈阀杆末端转过的角度；在阀杆末端安装磁环并在阀杆末端的下方安装霍尔传感器时，要求霍尔传感器与磁环之间的距离在预定范围内，两者之间不能安装其他尺寸较大的零部件，否则将导致霍尔传感器无法准确采集磁环正下方的磁场，但是对于球阀，钢球位于阀杆末端的下方，钢球尺寸都比较大，使得霍尔传感器与磁环之间的距离较大。

因此，有必要对现有技术进行改进，以改善上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种球阀以及控制方法，在钢球位于阀杆末端的下方的情况下，也能够减小霍尔传感器与磁环之间的距离。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种球阀，包括电机组件、减速装置、阀杆、阀体、磁环、霍尔传感器组件以及钢球，所述电机组件的输出端与所述阀杆通过所述减速装置连接，所述电机组件通过所述减速装置驱动所述阀杆转动，所述钢球的至少部分位于所述阀杆末端下方并且所述阀杆能够带动所述钢球转动，所述钢球位于所述阀体形成的内腔，所述霍尔传感器组件包括霍尔传感器和支撑部，所述霍尔传感器与所述支撑部固定，所述支撑部支撑于所述阀体，所述磁环套设于所述阀杆外周并靠近所述阀杆的末端位置，所述磁环随所述阀杆一起转动，沿所述磁环的径向，所述霍尔传感器位于所述磁环的外侧，所述霍尔传感器距离所述磁环的距离小于所述钢球的直径。

本发明还公开了一种控制方法，所述控制方法包括测试方法，所述测试方法能实现霍尔传感器对磁环随阀杆转过的角度的侧面测量，所述测试方法包括如下步骤：

S1：确定所述霍尔传感器采集所述磁环的磁密值的两个方向轴；

S2：将转动起点位置设定为所述磁环随所述阀杆转过角度的零点位置；

S3：推导出所述磁环随所述阀杆转过的角度与所述两个方向轴采集的所述磁密值的计算公式；

S4：通过所述霍尔传感器采集所述两个方向轴的磁密值，得到所述磁环相对所述零点位置转过的角度，实现所述霍尔传感器对所述磁环随所述阀杆转过的角度的侧面测量。

本发明提供了一种球阀以及控制方法，在钢球位于阀杆末端的下方时，通过设置磁环套设于阀杆，霍尔传感器位于磁环的外侧，能够实现磁环磁场的侧面测量，同时霍尔传感器距离磁环的距离小于钢球的直径，能够减小霍尔传感器与磁环之间的距离。

【附图说明】

图1是本发明实施例提供的一种球阀的一个局部剖面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的图1中局部的放大结构示意图；

图3是本发明实施例提供的霍尔传感器的安装的一种结构示意图；

图4是本发明实施例提供的霍尔传感器的安装的另一种结构示意图；

图5是本发明实施例提供的图4的一个剖面结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种磁环的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种阀杆的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种磁环的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的磁环与多轴霍尔传感器的第一种安装位置关系示意图；

图10是本发明实施例提供的磁环与多轴霍尔传感器的第二种安装位置关系示意图；

图11是本发明实施例提供的磁环与多轴霍尔传感器的第三种安装位置关系示意图；

图12是本发明实施例提供的图9中X轴、Y轴方向磁密波形图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种球阀100，包括电机组件1、控制器2、减速装置3、阀杆4、磁环5、霍尔传感器组件6、钢球7以及阀体8；电机组件1的输出端与阀杆4通过减速装置3连接设置，本实施例中，减速装置包括传动齿轮系，电机组件1作为驱动机构，通过减速装置3驱动阀杆4转动，减速装置3能够将电机组件的输出端的速度降低和/或将电机输出端的力矩放大，钢球7的至少部分位于阀杆4的末端下方并随阀杆4一起转动，钢球7位于阀体8形成的内腔，磁环5套接在阀杆4上并且磁环5靠近阀杆4的末端位置，即磁环5远离阀杆4的与减速装置3连接的固定端设置，阀杆4的转动带动钢球7和磁环5一起转动；为了限位磁环5，阀杆4在靠近阀杆4的末端设置有限位结构第一凸起部41，磁环5与第一凸起部41贴合设置，当然也可以通过其他结构限位磁环5。

如图2和图3所示，霍尔传感器组件6包括霍尔传感器61和支撑部62，霍尔传感器61通过支撑部62支撑于阀体8上，支撑部62包括霍尔安装PCB板621、霍尔安装支架622以及霍尔引出线623，霍尔传感器61通过锡焊固定在霍尔安装PCB板621上，当然也可以通过本领域已知的其他焊接方式固定在霍尔安装PCB板621上，霍尔安装PCB板621主要是为了固定霍尔传感器61；霍尔安装支架622设置有卡槽6221，其中卡槽6221数量为两个，且对称设置；霍尔安装PCB板621所在平面设置有与卡槽6221相匹配的横向凸出结构，霍尔安装PCB板621通过卡槽6221固定在霍尔安装支架622上，卡槽6221起到定位霍尔安装PCB板621的作用，防止其发生错位，为保证霍尔安装PCB板621的固定，还可以利用粘胶对霍尔安装PCB板621进行加固；霍尔安装支架622可以为中空结构，霍尔引出线623的一端与霍尔安装PCB板621焊接固定，霍尔引出线623的另一端从霍尔安装支架622的中空结构穿出，与控制器2中的控制电路板(未示出)进行电连接，其中霍尔引出线623包括电源线和霍尔信号输出线，为固定霍尔引出线623还可以往霍尔安装支架622的中空结构部分进行灌胶。

在另一种实施方式中，如图4所示，霍尔传感器组件6包括霍尔传感器61和支撑部62，支撑部包括霍尔安装PCB板621、霍尔安装支架622以及金属插针624，霍尔传感器61通过焊接固定在霍尔安装PCB板621上，霍尔安装PCB板621可以通过卡槽6221固定在霍尔安装支架622上，霍尔安装支架622可以为实心结构，金属插针624直接通过注塑与霍尔安装支架622一体成型，金属插针624的两端高出霍尔安装支架622，如图5所示，金属插针624的一端与霍尔安装PCB板621通过焊接固定，金属插针624的另一端与控制器2中的控制电路板(未示出)进行电连接，由于金属插针624直接注塑在霍尔安装支架622中，且与霍尔安装PCB板621焊接固定，该结构可以很好的固定霍尔安装PCB板62，无需利用粘胶进行加固。

如图6所示，磁环5的材料可以为烧结钕铁硼，当然也可以为其他材料，如铁氧体等；根据在实际应用中所需磁场的大小，磁环5可以选择注塑或粘结形成，磁环5设置有第一内孔51，第一内孔51贯穿磁环5的上表面52和下表面53，为防止磁环5和阀杆4一起转动时产生相对滑动，第一内孔51还加工有一个第一扁位511；相应的，阀杆4上加工有一个与第一扁位511相配合的第三扁位42，如图7所示，第三扁位42在径向方向的尺寸和第一扁位511在径向方向的尺寸相等，第三扁位42在轴向方向上一端延伸至阀杆4的顶端，另一端延伸至第一凸起部41的上表面411，第一内孔51可以设置为和阀杆4的外周面过盈配合，具体的，第一内孔51的第一扁位511与阀杆4的第三扁位42贴合设置，且磁环5的下表面53与第一凸起部41的上表面411贴合设置。

在另一种实施方式中，如图8所示，考虑到磁环5的材料比较脆，当磁环5与阀杆4尺寸配合不合适时，容易在安装时造成磁环5的开裂，因此可以加工一塑料件圆环54，塑料件圆环54的轴向高度大于磁环5的轴向高度，塑料件圆环54设置有一环形凹槽541，环形凹槽541包括上内壁5411、下内壁5412和侧内壁5413，环形凹槽541的侧内壁5413形成一圆周面，磁环5包括一内径通孔55，内径通孔55可以设置为与环形凹槽541的侧内壁5413形成的圆周面过盈配合，且磁环5的上下表面分别与环形凹槽541的上内壁5411和下内壁5412贴合设置，以固定磁环5在塑料件圆环54上；塑料件圆环54还设置有第二内孔542，第二内孔542还加工有一个第二扁位5421，第二内孔542贯穿塑料件圆环54的上表面543和下表面544；相应的，阀杆4上加工有一个与第二扁位5421相配合的第四扁位43，第四扁位43在径向方向的尺寸和第二扁位5421在径向方向的尺寸相等，第四扁位43在轴向方向上一端延伸至阀杆4的顶端，另一端延伸至第一凸起部41的上表面411，第二内孔542可以设置为和阀杆4的外周面过盈配合，具体的，第二内孔542的第二扁位5421与阀杆4的第四扁位43贴合设置，且塑料件圆环54的下表面544与第一凸起部41的上表面411贴合设置。

如图1所示，由于钢球7尺寸比较大，使得霍尔传感器在下方安装时超出与磁环的预定范围，导致无法准确测量磁环下方的磁场，因此将霍尔传感器61安装在磁环5的外侧，具体的，磁环5套设于靠近阀杆4的末端位置，沿磁环5的径向，霍尔传感器61位于磁环5的外侧，霍尔传感器61距离磁环5的距离小于钢球7的直径，其中霍尔传感器61位于磁环5的外侧包括霍尔传感器61与磁环5的侧面贴合设置或霍尔传感器61与磁环5的侧面间隔一定间隙或者通过阀体形成的壁部间隔。

如图9所示，霍尔传感器61包括感应点611、引脚612以及采集平面613，感应点611需位于磁环5的轴向高度范围内和磁环5的最大径向距离范围内，以确保霍尔传感器61能准确的实时采集磁环5的磁密值；霍尔传感器61能采集磁环5在X轴、Y轴、Z轴方向产生的磁密值，其中X轴、Y轴及Z轴方向构成空间直角坐标系，定义垂直于采集平面613的方向为X轴方向，平行于采集平面613的方向为Y轴和Z轴方向，具体的，定义平行于采集平面613并指向霍尔传感器61的引脚612的方向为Y轴方向，平行于采集平面613且与Y轴方向垂直的方向为Z轴方向。在图9所示的具体实施例中，由于Z轴方向采集的磁密值非常小，主要通过采集X、Y轴方向所在平面的磁密值来确定磁环5随阀杆4转过的角度。

在另一种实施方式中，如图10所示，霍尔传感器61可以围绕感应点611沿着感应点所在平面转过90°，实现霍尔传感器61的侧面安装；在图10所示的具体实施例中，霍尔传感器61的感应点611同样需位于磁环5的轴向高度范围内和磁环5的最大径向距离范围内，由于Y轴方向能采集到的磁密值非常小，霍尔传感器61主要通过采集X轴、Z轴方向所在平面的磁密值来确定磁环5随阀杆4转过的角度。

当然在结构允许、磁场强度足够大的时候，如图11所示，还可以通过设置霍尔传感器61的采集平面613与磁环5的上下表面平行，且设置感应点611位于磁环5的轴向高度范围内和磁环5的最大径向距离范围内，实现霍尔传感器61的侧面安装，并通过采集Y轴、Z轴方向所在平面的磁密值来确定磁环5随阀杆4转过的角度。

一种控制方法，所示控制方法包括测试方法，该测试方法能实现霍尔传感器61对磁环5随阀杆4转过角度的侧面测量，所述测试方法包括如下步骤：

S1：确定霍尔传感器61采集磁环5的磁密值的两个方向轴，以图9所示的磁环5与霍尔传感器61的安装方式为例，由于霍尔传感器61在Z轴方向上能采集的磁密值非常小，故通过采集X轴、Y轴方向所在平面的磁密值来确定磁环5随阀杆4转过的角度；

S2：将转动起点位置设定为磁环5随阀杆4转过角度的零点位置，在图9所示的实施例中，磁环5包括S极和N极，且S极和N极对称设置，将磁环5的N极正对霍尔传感器61的X轴方向的转动起点位置设定为磁环5随阀杆4转过角度的零点位置；

S3：推导出磁环5随阀杆4转过的角度与两个方向轴采集的磁密值的计算公式；在图9所示的实施例中，，随着磁环5随阀杆4的旋转，霍尔传感器61在X轴、Y轴方向上采集到相位相差90°的磁密波形，且X轴方向上的磁密幅值不等于Y轴方向上的磁密幅值，磁密波形周期为360°机械角度，如图12所示；

X轴、Y轴方向上采集到的磁密值和磁环5随阀杆4转过的角度可通过公式(1)表示：

式中：h为X轴方向上的磁密幅值，g为Y轴方向上的磁密幅值，α为磁环5随阀杆4转过的角度，B_X为X轴方向采集的磁密值，B_Y为Y轴方向采集的磁密值。

通过实验确定两个方向轴上的磁密幅值；在图9所示的实施例中，如图12所示，由于X轴和Y轴方向上的磁密幅值不相等，需要通过实验来确定X轴方向上的磁密幅值h和Y轴方向上的磁密幅值g，具体地，通过磁密检测仪，磁密检测仪能检测磁环5在X轴、Y轴和Z轴方向的磁密幅值，磁密检测仪包括一检测点，设置磁密检测仪的检测点位于与霍尔传感器61的感应点611相同位置，且保持与霍尔传感器61相同的轴向，通过旋转磁环5，测出X轴方向上的磁密幅值h和Y轴方向上的磁密幅值g，当然也可以通过仿真或通过霍尔传感器61自带的多点校准，计算出磁密幅值。

S4：通过霍尔传感器61采集两个方向轴的磁密值，得到磁环5相对零点位置转过的角度，实现霍尔传感器61对磁环5随阀杆4转过的角度的侧面测量；在图9所示的实施例中，霍尔传感器61型号可以为MLX90316，通过编辑霍尔传感器61的内部程序，霍尔传感器61采集X轴方向和Y轴方向的磁密值，霍尔传感器61内部程序会根据X轴方向和Y轴方向的磁密值的大小和正负(方向)，并结合公式(1)，来判断磁环5随阀杆4转过的角度位于第几象限，并经过周期化处理后得到磁环5相对零点位置转过的角度，从而实现霍尔传感器61对磁环5随阀杆4转过角度的侧面测量，并将测量到的角度信号转化为对应电压信号(角度所对应的电压值是已知固定的线性关系)输出给控制器2中的控制电路板，控制电路板通过读取电压信号来确定磁环5随阀杆4转过的角度，进而得出球阀钢球7转过的角度，实现阀对流量的精确调节。

图10和图11所示的磁环5与霍尔传感器61的安装方式在磁环5随阀杆4转过角度的测量过程中，只是通过采集的磁密的轴向有所不同，其测量方法并无本质区别，在此不再赘述。

需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种球阀，包括电机组件、减速装置、阀杆、阀体、磁环、霍尔传感器组件以及钢球，所述电机组件的输出端与所述阀杆通过所述减速装置连接，所述电机组件通过所述减速装置驱动所述阀杆转动，所述钢球的至少部分位于所述阀杆末端下方并且所述阀杆能够带动所述钢球转动，所述钢球位于所述阀体形成的内腔，其特征在于：所述霍尔传感器组件包括霍尔传感器和支撑部，所述霍尔传感器与所述支撑部固定，所述支撑部支撑于所述阀体，所述磁环套设于所述阀杆外周并靠近所述阀杆的末端位置，所述磁环随所述阀杆一起转动，沿所述磁环的径向，所述霍尔传感器位于所述磁环的外侧，所述霍尔传感器距离所述磁环的距离小于所述钢球的直径；

所述球阀的控制方法包括测试方法，所述测试方法能实现霍尔传感器对磁环随阀杆转过的角度的侧面测量，所述测试方法包括如下步骤：

S1：确定所述霍尔传感器采集所述磁环的磁密值的两个方向轴；

S2：将转动起点位置设定为所述磁环随所述阀杆转过角度的零点位置；

S3：推导出所述磁环随所述阀杆转过的角度与所述两个方向轴采集的所述磁密值的计算公式；

S4：通过所述霍尔传感器采集所述两个方向轴的磁密值，得到所述磁环相对所述零点位置转过的角度，实现所述霍尔传感器对所述磁环随所述阀杆转过的角度的侧面测量。

2.根据权利要求1所述的球阀，其特征在于：所述霍尔传感器能够采集所述磁环在X轴、Y轴、Z轴方向产生的磁密值，所述磁环在所述霍尔传感器的所在采集平面产生的磁密幅值不同。

3.根据权利要求1所述的球阀，其特征在于：所述霍尔传感器包括感应点，所述感应点位于所述磁环的轴向高度范围内和所述磁环的最大径向距离范围内。

4.根据权利要求1至3任一项所述的球阀，其特征在于：所述磁环包括第一内孔，所述第一内孔包括第一扁位，所述第一内孔贯穿所述磁环的上下表面，所述阀杆包括第一凸起部，所述阀杆包括与所述第一扁位相配合的第三扁位，所述第一内孔与所述阀杆的外周面过盈配合，所述第一扁位与所述第三扁位贴合设置，所述磁环的下表面与所述第一凸起部的上表面贴合设置。

5.根据权利要求4所述的球阀，其特征在于：所述第三扁位在径向方向的尺寸与所述第一扁位在径向方向的尺寸相等，所述第三扁位在轴向方向的一端延伸至所述阀杆顶端，所述第三扁位在轴向方向的另一端延伸至第一凸起部的上表面。

6.根据权利要求1至3任一项所述的球阀，其特征在于：所述磁环包括塑料件圆环，所述塑料件圆环设置有一环形凹槽，所述环形凹槽与所述磁环的内径通孔过盈配合；所述塑料件圆环还包括第二内孔，所述第二内孔包括第二扁位，所述阀杆包括第一凸起部，所述阀杆包括与所述第二扁位相配合的第四扁位，所述第二内孔与所述阀杆的外周面过盈配合，所述第二扁位与所述第四扁位贴合设置，所述塑料件圆环的下表面与所述第一凸起部的上表面贴合设置。

7.根据权利要求6所述的球阀，其特征在于：所述第四扁位在径向方向的尺寸与所述第二扁位在径向方向的尺寸相等，所述第四扁位在轴向方向的一端延伸至所述阀杆顶端，所述第四扁位在轴向方向的另一端延伸至第一凸起部的上表面。

8.根据权利要求1至3任一项所述的球阀，其特征在于：所述球阀还包括控制器，所述支撑部包括霍尔安装PCB板、霍尔安装支架以及霍尔引出线；所述霍尔传感器固定在所述霍尔安装PCB板上；所述霍尔安装支架包括卡槽，所述霍尔安装PCB板通过所述卡槽固定在所述霍尔安装支架上；所述霍尔安装支架为中空结构，所述霍尔引出线一端与所述霍尔安装PCB板焊接固定，所述霍尔引出线另一端从所述中空结构穿出，与所述控制器电连接。

9.根据权利要求1至3任一项所述的球阀，其特征在于：所述球阀还包括控制器，所述支撑部包括霍尔安装PCB板、霍尔安装支架以及金属插针；所述霍尔传感器固定在所述霍尔安装PCB板上；所述金属插针与所述霍尔安装支架一体注塑成型，所述金属插针的一端与所述霍尔安装PCB板焊接固定，所述金属插针的另一端与所述控制器电连接。

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