CN112032310B - 一种高精度气体质量流量控制阀 - Google Patents

Abstract

一种高精度气体质量流量控制阀，PLC控制伺服电机驱动器作为动力源，伺服电机接收到信号之后做出相应的转动，伺服电机转动轴通过丝杆与限位螺母带动阀芯轴向移动，进而控制阀芯与阀座的开合度最终控制气体流量，在阀体的进气口处连接气体流量计和压力传感器，气体流量计输出的流量信号和压力传感器检测的压力信号做为反馈信号，PLC接收到反馈信号后与系统指令进行比较，做出判断发送新的指令给伺服电机，如此形成了流量、压力闭环控制，最终实现阀芯位置闭环控制达到高精度流量控制。

Description

一种高精度气体质量流量控制阀

技术领域

本发明涉及一种高精度气体质量流量控制阀，属于控制阀技术领域。

背景技术

现有技术中，流量控制阀包括气动阀、液压阀，电磁开关活门、电动闸阀等，其特征为：小量程的控制阀精度高，大量程的控制阀精度低。其中，大量程气体流量阀门精度不够，所以主要以开关控制为主，市场上现有的比例电磁阀其计量精度低于全行程的±0.5％；此外步进电机带动闸阀在轴向伸缩的过程中，容易出现卡顿现象；而螺纹丝杆、螺母也有自锁现象，存在电机抱死无法重启问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供了一种高精度气体质量流量控制阀，用于天然气气体质量流量大量程高精度控制，阀门开关全行程中的局部实现天然气质量流量线性控制，同时天然气气体质量流量的控制精度可调节，以满足不同流量精度需求；此外兼具防爆和快速精确响应功能。具体的，本发明气体质量流量控制阀，PLC控制伺服电机驱动器作为动力源，伺服电机接收到信号之后做出相应的转动，伺服电机轴通过螺母带动阀芯轴向移动，进而控制阀芯与阀座的开合度最终控制气体流量，在阀体的进气口处连接气体流量计和压力传感器，气体流量计输出的流量信号和压力传感器检测的压力信号做为反馈信号，PLC接收到反馈信号后与系统指令进行比较，做出判断发送新的指令给伺服电机，如此形成了流量、压力闭环控制，最终实现阀芯位置闭环控制达到高精度流量控制。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种高精度气体质量流量控制阀，包括质量流量计、进气口法兰、阀体流量控制结构、阀芯传动机构、出气口法兰；

进气口法兰的两端分别与质量流量计和阀体流量控制结构连接，阀芯传动机构和出气口法兰均安装在阀体流量控制结构上；外部气体依次经质量流量计、进气口法兰进入阀体流量控制结构，然后从出气口法兰流出控制阀；

阀体流量控制结构包括阀体、阀芯支座、导程端盖；阀芯、阀芯支座、导程端盖均安装在阀体内；阀芯传动机构包括伺服电机、电机固定支座、联轴器、丝杆、丝杆螺母、步进连杆、步进连杆导程支座、阀芯；

阀芯穿过导程端盖后插入阀芯支座，用于完成流量控制；

伺服电机安装在电机固定支座上，步进连杆安装在步进连杆导程支座上，步进连杆导程支座安装在导程端盖上，导程端盖和电机固定支座均安装在阀体上；伺服电机通过联轴器与丝杆连接，丝杆穿过丝杆螺母，丝杆螺母与步进连杆连接，步进连杆与阀芯连接。

上述高精度气体质量流量控制阀，优选的，传动机构还包括推力杆，推力杆位于联轴器内，推力杆与联轴器的内径留有0.1～0.2mm间隙，推力杆轴向位置偏差通过位于伺服电机轴端部的调整螺丝进行调节。

上述高精度气体质量流量控制阀，优选的，伺服电机输出扭矩带动联轴器和丝杆旋转，丝杆螺母、步进连杆、阀芯形成一个整体，丝杆的旋转带动丝杆螺母移动，进而带动阀芯移动。

上述高精度气体质量流量控制阀，优选的，进出气口法兰与阀体之间采用O形圈密封，阀体表面粗糙度不大于1.6μm，O型圈压缩量为自身直径的10％～15％。

上述高精度气体质量流量控制阀，优选的，阀芯与阀芯支座通过锥面配合完成紧密贴合，锥面的粗糙度不大于0.8μm。

上述高精度气体质量流量控制阀，优选的，阀芯支座采用聚酯纤维材料制成。

上述高精度气体质量流量控制阀，优选的，阀芯支座与阀体通过过盈配合固定，过盈量在0.1～0.15mm之间。

上述高精度气体质量流量控制阀，优选的，导程端盖与阀体之间采用双层O型圈密封，O型圈压缩量为自身直径的10％～15％。

上述高精度气体质量流量控制阀，优选的，阀芯与导程端盖之间采用拉杆封和气动防尘拉杆封实现双层动密封。

上述高精度气体质量流量控制阀，优选的，丝杆的导程为1mm～2mm。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)气体质量流量高精度控制，实现了阀芯位置，传动速度和力矩的闭环控制，克服了步进电机失步的问题，而且还可以通过虚拟信号进一步提高流量精度，同一阀门可以满足不同精度要求的装备设计中；

(2)阀门开关全行程中的局部实现天然气质量流量线性控制，每一个指令对应固定值的气体质量流量变化量，避免流量波动，可以实现快速调节；

(3)无论大量程调节还是小范围调节都能及时响应，电机加减速的动态相应时间一般在十几毫秒之内即可完成，满足气体流量快速变化需求；

(4)抗过载能力强，电机由扭矩转化的轴向推力能够承受三倍于额定转矩的负载，特别适用于有瞬间负载波动和要求快速起动的场合，所以产品的稳定性和可靠性强；

(5)滚珠丝杆不同于螺纹丝杆，不会出现因瞬时负载过大而导致的自锁，保证电机在任何时刻都可以顺利启动。

附图说明

图1为阀门整体结构示意图。

图2为阀门流量控制结构示意图。

图3为阀芯行程过程中局部线性控制原理图。

图4为阀芯传动机构示意图。

图5为阀芯传动机构示意图。

图6为丝杆与联轴器实现大推力结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种高精度气体质量流量控制阀，包括质量流量计、进气口法兰、阀体流量控制结构、阀芯传动机构、出气口法兰；进气口法兰的两端分别与质量流量计和阀体流量控制结构连接，阀芯传动机构和出气口法兰均安装在阀体流量控制结构上；外部气体依次经质量流量计、进气口法兰进入阀体流量控制结构，然后从出气口法兰流出控制阀；阀体流量控制结构包括阀体、阀芯支座、导程端盖；阀芯、阀芯支座、导程端盖均安装在阀体内；阀芯传动机构包括伺服电机、电机固定支座、联轴器、丝杆、丝杆螺母、步进连杆、步进连杆导程支座、阀芯；阀芯穿过导程端盖后插入阀芯支座，用于完成流量控制；伺服电机安装在电机固定支座上，步进连杆安装在步进连杆导程支座上，步进连杆导程支座安装在导程端盖上，导程端盖和电机固定支座均安装在阀体上；伺服电机通过联轴器与丝杆连接，丝杆穿过丝杆螺母，丝杆螺母与步进连杆连接，步进连杆与阀芯连接。

作为本发明的一种优选方案，传动机构还包括推力杆，推力杆位于联轴器内，推力杆与联轴器的内径留有0.1～0.2mm间隙，推力杆轴向位置偏差通过位于伺服电机轴端部的调整螺丝进行调节。

作为本发明的一种优选方案，伺服电机输出扭矩带动联轴器和丝杆旋转，丝杆螺母、步进连杆、阀芯形成一个整体，丝杆的旋转带动丝杆螺母移动，进而带动阀芯移动。

作为本发明的一种优选方案，进出气口法兰与阀体之间采用O形圈密封，阀体表面粗糙度不大于1.6μm，O型圈压缩量为自身直径的10％～15％。

作为本发明的一种优选方案，阀芯与阀芯支座通过锥面配合完成紧密贴合，锥面的粗糙度不大于0.8μm。阀芯支座采用聚酯纤维材料制成。阀芯支座与阀体通过过盈配合固定，过盈量在0.1～0.15mm之间。

作为本发明的一种优选方案，导程端盖与阀体之间采用双层O型圈密封，O型圈压缩量为自身直径的10％～15％。

作为本发明的一种优选方案，阀芯与导程端盖之间采用拉杆封和气动防尘拉杆封实现双层动密封。

作为本发明的一种优选方案，丝杆的导程为1mm～2mm。

作为本发明的一种优选方案，一种高精度气体质量流量控制阀的装配方法包括如下步骤：

S1、步进连杆上设有凸出的螺杆，阀芯上设有螺纹孔，将阀芯与步进连杆通过螺纹连接，阀芯的端面与步进连杆的端面之间留有间隙；其中阀芯的端面与步进连杆的端面之间留有0.2～0.5mm间隙；

S2、首先将拉杆封、气动防尘拉杆封装入导程端盖内，然后将导程支座置于在导程端盖上，然后将装配好的阀芯与步进连杆作为一个整体，插入在导程支座内，然后将导程支座置于在导程端盖上；其中将装配好的阀芯与步进连杆作为一个整体，插入在导程支座内，步进连杆与导程支座为间隙配合，间隙值为0μm～20μm；

S3、利用塞规单片测量导程支座与导程端盖之间的间隙，采用垫片进行补偿，最后将导程支座与导程端盖连接；其中导程端盖上设有螺纹孔，导程支座通过多个螺栓与导程端盖连接，采用垫片对导程端盖上螺纹孔处的间隙进行补偿；

S4、将丝杆螺母与步进连杆连接，将丝杆穿过丝杆螺母；在伺服电机输出轴的端面上安装调整螺丝，在联轴器内安装推力杆；利用联轴器连接伺服电机和丝杆；将伺服电机安装在电机固定支座上，将电机固定支座安装在导程端盖上；

S5、调整调整螺丝的伸出长度，使调整螺丝与推力杆之间、推力杆与丝杆端面之间均始终保持紧密贴合；

S6、将阀芯支座装入阀体内，然后将导程端盖安装在阀体上；

S7、将出气口法兰和进气口法兰均安装在阀体上；

S8、将压力传感器与进气口法兰连接，将质量流量计与压力传感器连接。

实施例：

一种高精度气体质量流量控制阀，如图1所示，包括质量流量计、压力传感器、进气口法兰、阀体流量控制结构、阀芯传动机构和出气口法兰；其安装顺序如图所示，气体流动时先经过流量计，再通过压力传感器，最后通过进气口法兰进入阀体，通过传动机构控制阀芯的开合度控制气体流量，最后气体通过出气口法兰进入管道。气体质量流量计和压力传感器将检测到的气体流量和压力值反馈到PLC，PLC通过比较计算偏差，再发出指令给伺服电机的编码器，编码器控制伺服电机的转动速度和转动角度，最终是通过调整阀口的开合度与压力传感器和流量计的反馈信号实现闭环控制。

压力传感器的作用是稳压差，流量计的作用是控制流量。

伺服电机由电机(含编码器)和电机驱动器组成，PLC与电机驱动器的通讯通过POWERLINK实时以太网，编码器转化为脉冲信号给电机发送转动指令。伺服电机使用17位绝对式编码器，1圈最高131072脉冲。

如图2所示为阀门流量控制结构示意，气体由进气口入，出气口出，进气口在下面，不能与出气口对调，进出气口法兰通过螺栓固定在阀体上，且法兰与阀体表面设置有O形圈作为密封，此处要求阀体表面粗糙度不大于1.6μm，O型圈压缩量达到自身直径的10％～15％。

阀芯与阀芯支座共同有一个锥面，二者的锥面公差保持一致(同轴度、与铅垂线夹角、直线度等)，以保证阀芯与阀芯支座紧密贴合，防止气源压力过大导致的漏气；阀芯支座必须采用弹性模量低于金属的工程塑料，比如聚酯纤维等，且二者表面粗糙度不大于0.8μm。

阀芯支座与阀体通过过盈配合固定，过盈量应在0.1～0.15mm之间；阀芯与导程端盖通过螺钉固定在阀体上部，导程端盖与阀体之间要保证密封所以在导程端盖处设置有双层O型圈，O型圈压缩量为自身直径的10％～15％；阀芯有轴向移动，所以阀芯与导程端盖之间是动密封，如图2所示，采用双层拉杆封和气动防尘拉杆封，防止可燃气体渗漏。

阀芯传动结构：如图4所示，传动机构主要由伺服电机、电机固定支座、联轴器、丝杆、丝杆螺母、步进连杆、步进连杆导程支座、阀芯构成。

运动过程中丝杆只做转动，其相对位置固定，丝杆螺母作轴向线性运动。电机轴带动联轴器、丝杆旋转，丝杆螺母、步进连杆和阀芯构成整体部件，步进连杆导程支座固定在导程端盖上，导程端盖与电机固定支座整体由螺栓固定于阀体上，步进连杆受到步进连杆导程支座转动限制只能做轴向移动，如图5所示。最终运动效果是，电机带动丝杆旋转，电机输出扭矩通过转动限位装置转化为轴向推动力，推动丝杆螺母、步进连杆和阀芯整体做轴向线性位移。

传动结构局部：传统连轴器大多只能传递扭矩，无法传递轴向推动力，尤其是大的推力下联轴器与电机轴的摩擦力远小于推力，结果是联轴器顺着电机轴做轴向滑动，因此阀芯同样会退缩无法达到既定位置。

如图6所示，本发明在现有联轴器的基础上在内部加垫推力杆，推力杆的与联轴器的内径留有0.1～0.2mm间隙，轴向位置偏差通过电机轴端部调整螺丝进行调节，最终实现无间隙传递轴向力，即电机转动过程中将扭矩转化为轴向推力，最终在铅垂线上推力由电机自身内部结构分担。

阀门局部机械传动：电机通过联轴器与滚珠丝杆连接，此处可以传递电机输出扭矩，丝杆与丝杆螺母连接，丝杆螺母通过机构连接由转动变为轴向运动，通过限位等作用最终将丝杆扭矩转化为轴向推力，阀芯固定于丝杆螺母，由扭矩转化为轴向推力，其数值关系近3000多倍，放大后的阀芯推力顶到阀芯支座形成密闭。

流量高精度控制机械结构原理：流量调节可分为粗调和细调，当阀芯到达某个区域附近时完成粗调，可认为此处气体的流速、压降、密度相对固定，如图3所示，根据公式通气截面积：

通气质量流量：

气体流速：

气体流量：

其中，D为阀座直径，L为阀芯总行程，ρ为气体密度，v为气体流速,q为气体流量，A为阀口通流面积，c为流量系数，ΔP为阀口前口压差。

基于小导程丝杆(1mm～2mm)，伺服电机的运动特性，伺服电机带动丝杆转动，丝杆螺母与阀芯被转化轴向位移，其位移量Δx可以达到0.0001mm的精度。根据公式Δx²的值非常小，可忽略不计，而此处气体的流速、压差、密度相对固定，因此气体质量流量变化量是阀芯导程位移变化量Δx的一次函数，呈线性关系，即：

粗调之后，只要设置Δx的位移值即可达到非常精细的气体质量流量变化量，精度非常之高。

导程端盖内靠近步进连杆导程支座固定的一端设有排气孔，用于使导程端盖的内部与外部连通。

此质量控制阀门在接收到反馈信号后做出阀芯轴向位移调整，通过改变阀口的开合度实现了三个闭环控制，大大提高了阀门的精度和响应速度。分别是气体质量流量闭环控制；阀口进气压力和出气压力之间的压力差稳定的闭环控制；阀芯传动位置闭环控制。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种高精度气体质量流量控制阀，其特征在于，包括质量流量计、进气口法兰、阀体流量控制结构、阀芯传动机构、出气口法兰；

进气口法兰的两端分别与质量流量计和阀体流量控制结构连接，阀芯传动机构和出气口法兰均安装在阀体流量控制结构上；外部气体依次经质量流量计、进气口法兰进入阀体流量控制结构，然后从出气口法兰流出控制阀；

阀体流量控制结构包括阀体、阀芯支座、导程端盖；阀芯、阀芯支座、导程端盖均安装在阀体内；阀芯传动机构包括伺服电机、电机固定支座、联轴器、丝杆、丝杆螺母、步进连杆、步进连杆导程支座、阀芯；

阀芯穿过导程端盖后插入阀芯支座，用于完成流量控制；

伺服电机安装在电机固定支座上，步进连杆安装在步进连杆导程支座上，步进连杆导程支座安装在导程端盖上，导程端盖和电机固定支座均安装在阀体上；伺服电机通过联轴器与丝杆连接，丝杆穿过丝杆螺母，丝杆螺母与步进连杆连接，步进连杆与阀芯连接；

伺服电机输出扭矩带动联轴器和丝杆旋转，丝杆螺母、步进连杆、阀芯形成一个整体，丝杆的旋转带动丝杆螺母移动，进而带动阀芯移动；

阀芯与阀芯支座通过锥面配合完成紧密贴合，锥面的粗糙度不大于0.8μm；

阀芯支座采用聚酯纤维材料制成；

传动机构还包括推力杆，推力杆位于联轴器内，推力杆与联轴器的内径留有0.1～0.2mm间隙，推力杆轴向位置偏差通过位于伺服电机轴端部的调整螺丝进行调节；

阀芯与导程端盖之间采用拉杆封和气动防尘拉杆封实现双层动密封；导程端盖与阀体之间采用双层O型圈密封，O型圈压缩量为自身直径的10％～15％；

丝杆的导程为1mm～2mm；

气体质量流量变化量是阀芯导程位移变化量Δx的一次函数，呈线性关系，即：

m为通气质量流量，D为阀座直径，L为阀芯总行程，ρ为气体密度，v为气体流速。

2.根据权利要求1所述的一种高精度气体质量流量控制阀，其特征在于，进出气口法兰与阀体之间采用O形圈密封，阀体表面粗糙度不大于1.6μm，O型圈压缩量为自身直径的10％～15％。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度气体质量流量控制阀，其特征在于，阀芯支座与阀体通过过盈配合固定，过盈量在0.1～0.15mm之间。

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