CN117538031A - 一种智能阀门在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能阀门在线监测系统，具体涉及机械设备性能监测领域，用于解决现有传输管道阀门无法根据工作状况进行自动吹扫调节处理的问题，包括数据采集模块、管道监测模块、料位验证模块、调整处理模块，数据采集模块收集管道内流体数据及管道状态数据，并进行预处理，管道监测模块根据预处理后的数据建立吹扫时周比模型，并计算吹扫时周比，料位验证模块通过对料位状态的实时监测对计算所得吹扫时周比进行验证，调整处理模块用于更新吹扫时周比，记录数据实时上传并提供预警通报，本发明能够高效利用监测数据，减轻工作人员负担，提高管道设备的使用寿命和工作安全性。

Description

一种智能阀门在线监测系统

技术领域

本发明涉及机械设备性能监测领域，更具体地说，本发明是一种智能阀门在线监测系统。

背景技术

智能阀门是一种能够实时监测、控制和响应外部条件或操作的阀门，具备自动化和智能化功能，能够提高流程控制的效率、精度和可靠性。智能阀门集成了传感器、控制器和通信技术，可以与其他系统或网络连接，实现远程监测和控制。

现有用于流体传输的智能阀门，为了保持最佳工作状况，具备自动定时吹扫功能，自动定时吹扫功能能够对管道内部进行定时的清洁维护，排除管道内的杂质污物或无关气体，以确保管道的安全和洁净，但定时吹扫不适用于流体传输状态频繁变化的管道，吹扫时长和吹扫周期不能满足工况变化需求，通过管道属性决定的标准吹扫时长及吹扫周期不适用于普遍性的复杂工况。

为了解决上述缺陷，现提供一种技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能阀门在线监测系统，以解决背景技术中的不足。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能阀门在线监测系统，包括数据采集模块、管道监测模块、料位验证模块、调整处理模块；

数据采集模块包括监测单元和预处理单元，监测单元用于收集管道内流体数据及管道状态数据，预处理单元对流体数据和管道状态数据进行预处理，并传送至管道监测模块；

管道监测模块用于根据预处理后的数据，根据标准吹扫时周比建立吹扫时周比模型，计算吹扫时周比；

料位验证模块用于根据流体料位信息，对计算所得的吹扫时周比进行验证；

调整处理模块用于更新吹扫时周比，并根据料位信息进行分类处理。

在一个优选地实施方式中，吹扫时周比模型的建立方法；

标定标准吹扫时周比为Sp，管道内压力变化率为Pr，管道内流体实际流速为F，流体流动时间为Ft，无流体流动时间为Vt，则吹扫时周比Pu的表达式为式中α、β、γ分别为压力变化率、流体实际流速与流动时间的乘积、无流体流动时间的比例系数，且α、β、γ均大于0；

管道内压力变化率通过设置于管道内部的压力传感器进行测量，对周期时间内的压力传感器数据进行整合，则管道内压力变化率Pr的表达式为式中，(t1,t2)为周期时间，P(t)为t时刻压力传感器数值；

无流体流动时间Vt为管道内不含流体的空置时间；

流体流动时间Ft为管道内含有流体的操作时间；

管道内流体实际流速F为流体运动的实际速度，该速度与流量计测算流速不完全一致，管道内流体的实际流速受管道疲劳效应和流体流动状态影响。

在一个优选地实施方式中，根据雷诺数对流体流速进行修正的逻辑；

流体雷诺数的计算式为式中，ρ为流体密度，v为流量计测量流体流速，d为管道直径，μ为流体粘度，根据雷诺数对测量流体流速进行修正，修正流体流速F1的表达式为/>

在一个优选地实施方式中，根据管道疲劳效应对修正流体流速进行补偿的逻辑；

标定流体流入温度为T1,流出温度为T2，则温度偏差值为ΔT＝|T1-T2|，管道半径为R，管道疲劳补偿系数表达式为式中，Ft为流体流动时间，2πR²为管道横截面积，则进行管道疲劳补偿后的流体实际流速F表达式为F＝Pf×F1。

在一个优选地实施方式中，通过料位状态对计算所得吹扫时周比进行验证的方法；

对吹扫时周比划分高位阈值和低位阈值，当传感器测量料位高于上料位时，将计算所得吹扫时周比与吹扫时周比高位阈值进行对比，若吹扫时周比小于高位阈值，则验证无效，若吹扫时周比大于等于高位阈值，则验证有效；

当传感器测量料位低于下料位时，将计算所得吹扫时周比与吹扫时周比低位阈值进行对比，若吹扫时周比大于低位阈值，则验证无效，若吹扫时周比小于等于低位阈值，则验证有效；

当传感器测量料位位于上料位与下料位之间时，管道阀门处于常规工作状况，不进行吹扫时周比更新。

在一个优选地实施方式中，调整处理模块的工作逻辑；

调整处理模块根据验证结果对吹扫时周比进行更新，当验证有效，则更新吹扫时周比；当验证无效，则保留原吹扫时周比，料位传感器对料位进行实时监测，当流体料位处于警戒标准，则通过数据传输协议进行网络通信，以发布警示通报，当监测料位高于上料位时，发布警示为料位过高；当监测料位低于下料位时，发布警示为料位过低。

在上述的技术方案中，本发明提供的技术效果及优点：

本发明通过结合流体数据及管道状态数据，根据标准吹扫时周比，建立吹扫时周比模型，计算吹扫时周比，以流体雷诺数对流量计测量流速进行修正，获得流体实际流速，并通过监测管道状态因素的变化，对处于工作状态管道中流体进行流体流速补偿，通过对料位状态的实时监测，对计算所得的吹扫时周比进行验证，根据验证结果对吹扫时周比进行实时调整，并记录调整数据，对于料位状态进行实时监测，并分类处理，实时上传数据用于工作人员对管道传输工作状况的检验和追溯。

本发明能够有效地获得管道内流体的实际流速，并合理避免了监测过程对流体流动的影响，保持管道工作状况的稳定性，根据管道的实际工作状态变化，调整吹扫时周比，能够有效延长管道的工作寿命和安全性，监测数据全程记录，实时上传，利于传输管道的工作状况预警，减轻工作人员的劳动负担。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：本发明是一种智能阀门在线监测系统，所述系统由以下部分组成：包括数据采集模块、管道监测模块、料位验证模块、调整处理模块；

数据采集模块用于收集管道内流体数据及管道状态数据，对流体数据和管道状态数据进行预处理，并传送至管道监测模块；

管道监测模块用于根据预处理后的数据，根据标准吹扫时周比系数建立吹扫时周比模型，计算吹扫时周比；

料位验证模块用于根据流体料位信息，对计算得出的吹扫时周比进行验证；

调整处理模块用于更新吹扫时周比，并根据料位信息进行分类处理。

数据采集模块包括监测单元和预处理单元，监测单元用于收集流体数据和管道状态数据，流体数据包括流体通过温度偏差值、流体流速、流动时间和无流动时间，管道状态数据包括管道尺寸和管道压力。

预处理单元用于对上述数据进行预处理，数据预处理过程如下：

1.数据清洗：识别和纠正数据集中的错误、不一致或缺失数据，可能包括删除重复项、处理缺失值、修复数据格式错误等。

2.数据选择：当数据集非常庞大，或者包含大量特征，则可以选择对模型建设有用的特征，进行特征选择，有助于减少计算复杂度并提高模型的解释性。

3.数据转换：对数据进行数学转换，以满足建模或分析的要求，数据转换包括标准化、归一化、对数变换等。

4.特征提取：创建新的特征或转换现有特征，以提高模型性能，可能包括创建交互特征、编码分类变量、进行主成分分析或线性判别分析等。

管道监测模块建立吹扫时周比模型所用流体流速信息在经过数据转换后代入模型，管道内流量计所测量流体流速为原始数据，流体流速根据雷诺数进行修正，再由管道疲劳效应进行补偿，计算修正流体流速，结合流体流动时间得出流量数据，结合管道压力变化率和空置时间，构成吹扫时周比系数，根据管道的标准吹扫时长与标准吹扫周期比值，建立吹扫时周比模型。

料位验证模块通过传感器检测上下料位，根据上下料位状态对计算所得吹扫时周比进行验证。

调整处理模块更新吹扫时周比，并实时监测料位状态，当料位状态异常，则通过预警通报方式进行提示。

实施例2：吹扫时周比为吹扫时间与吹扫周期的比值，吹扫时周比越小，则表明管道清洁要求越高；吹扫时周比越大，则表明管道清洁要求越低。标准吹扫时周比由管道自身性质及管道流体性质决定，通过管道产品技术说明进行查询，当管道流体的流动状态发生变化，则标准吹扫时周比应作出相应调整，本实施例所述吹扫时周比模型的建立逻辑如下：

标定标准吹扫时周比为Sp，管道内压力变化率为Pr，管道内流体实际流速为F，流体流动时间为Ft，无流体流动时间为Vt，则吹扫时周比Pu的表达式为式中α、β、γ分别为压力变化率、流体实际流速与流动时间的乘积、无流体流动时间的比例系数，α、β、γ均大于0，且α、β、γ由本领域专业技术人员进行设定。

管道内压力变化率通过设置于管道内部的压力传感器进行测量，对周期时间内的压力传感器数据进行整合，则管道内压力变化率Pr的表达式为式中，(t1,t2)为周期时间，P(t)为t时刻压力传感器数值；

无流体流动时间Vt为管道内不含流体的空置时间；

流体流动时间Ft为管道内含有流体的操作时间；

管道内流体实际流速F为流体运动的实际速度，该速度与流量计测算流速不完全一致，管道内流体的实际流速受管道疲劳效应影响，在流动环境因素变化的情况下，实际流速也发生变化，流体的实际运动速度同时受流体的流动状态影响，即流体的层流状态和湍流状态导致测量流速与实际流速的差异，因而流体的实际流速依靠雷诺数对计算流速进行修正。

根据流体流动状态的不同，流体运动分为层流流动和湍流流动，流体流动状态的判断依靠计算流体雷诺数，流体雷诺数的计算式为式中，ρ为流体密度，v为流量计测量流体流速，d为管道直径，μ为流体粘度，根据雷诺数对测量流体流速进行修正，修正流体流速F1的表达式为/>

管道疲劳的影响因素包括流体温度，流动时间和管道尺寸，流体的流动压力，促使管道内发生应力变化，并在时间作用下，反作用于流体自身，导致流体的实际流速发生变化，对于固定结构的流体管道，其管道疲劳效应补偿的计算方法如下：

根据管道疲劳效应对测算流体流速进行补偿，标定流体流入温度为T1,流出温度为T2，则温度偏差值为ΔT＝|T1-T2|，管道半径为R，管道疲劳补偿系数表达式为式中，Ft为流体流动时间，2πR²为管道横截面积，则进行管道疲劳补偿后的流体实际流速F表达式为F＝Pf×F1。

本实施例以流体雷诺数对流量计测量流速进行修正，获得流体实际流速，避免流量计的测量误差影响，并通过监测管道状态因素的变化，引入管道疲劳效应补偿，对处于工作状态管道中流体进行流体流速补偿，能够有效地获得管道内流体的实际流速，并合理避免了监测过程对流体流动的影响，保持管道工作状况的稳定性。

实施例3：料位验证模块通过料位传感器对料位状态的实时监测，对计算所得吹扫时周比进行验证，对吹扫时周比划分高位阈值和低位阈值，当传感器测量料位高于上料位时，将计算所得吹扫时周比与吹扫时周比高位阈值进行对比，若吹扫时周比小于高位阈值，则验证无效，若吹扫时周比大于等于高位阈值，则验证有效；

当传感器测量料位低于下料位时，将计算所得吹扫时周比与吹扫时周比低位阈值进行对比，若吹扫时周比大于低位阈值，则验证无效，若吹扫时周比小于等于低位阈值，则验证有效。

当传感器测量料位位于上料位与下料位之间时，管道阀门处于常规工作状况，不进行吹扫时周比更新。

调整处理模块根据验证结果对吹扫时周比进行更新，当验证有效，则转换更新吹扫时周比；当验证无效，则保留原吹扫时周比。料位传感器对料位进行实时监测，当流体料位处于警戒标准，则通过数据传输协议进行网络通信，以发布警示通报，当监测料位高于上料位时，发布警示为料位过高；当监测料位低于下料位时，发布警示为料位过低。

本实施例通过对料位状态的实时监测，对计算所得的吹扫时周比进行验证，吹扫时周比的更新依赖管道内流体流动数据和管道状态数据，各项数据按时间周期顺序进行监测记录，生成传输报表并储存，用于工作人员对管道传输工作状况的检验和追溯，同样能够通过数据传输协议传送至通信网络，并于云端或本地空间进行保存，供工作人员随时进行检核查验。

本系统能够实时记录流体传输状态，根据吹扫时周比模型计算符合工作状况的吹扫时周比，通过料位状态对吹扫时周比进行有效性验证，能够自主调节符合工作状况的吹扫时长和吹扫周期，能够有效提高输送管道的工作寿命和安全性，对管道内流体的非正常工作状况进行记录和告警通报，能够有效减轻工作人员的劳动负担，记录数据实时上传至网络空间，利于管理人员随时查验。

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序货物的形式实现。所述计算机程序货物包括一个或多个计算机指令或计算机程序。在计算机上加载或执行所述计算机指令或计算机程序时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以为通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集合的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质。半导体介质可以是固态硬盘。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的货物销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件货物的形式体现出来，该计算机软件货物存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-on ly memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种智能阀门在线监测系统，其特征在于：包括数据采集模块、管道监测模块、料位验证模块、调整处理模块；

数据采集模块包括监测单元和预处理单元，监测单元用于收集管道内流体数据及管道状态数据，预处理单元对流体数据和管道状态数据进行预处理，并传送至管道监测模块；

管道监测模块用于根据预处理后的数据，根据标准吹扫时周比建立吹扫时周比模型，计算吹扫时周比；

料位验证模块用于根据流体料位信息，对计算所得的吹扫时周比进行验证；

调整处理模块用于更新吹扫时周比，并根据料位信息进行分类处理。

2.根据权利要求1所述的一种智能阀门在线监测系统，其特征在于：吹扫时周比模型的建立方法；

标定标准吹扫时周比为Sp，管道内压力变化率为Pr，管道内流体实际流速为F，流体流动时间为Ft，无流体流动时间为Vt，则吹扫时周比Pu的表达式为式中α、β、γ分别为压力变化率、流体实际流速与流动时间的乘积、无流体流动时间的比例系数，且α、β、γ均大于0；

管道内压力变化率通过设置于管道内部的压力传感器进行测量，对周期时间内的压力传感器数据进行整合，则管道内压力变化率Pr的表达式为式中，(t1,t2)为周期时间，P(t)为t时刻压力传感器数值；

无流体流动时间Vt为管道内不含流体的空置时间；

流体流动时间Ft为管道内含有流体的操作时间；

管道内流体实际流速F为流体运动的实际速度，该速度与流量计测算流速不完全一致，管道内流体的实际流速受管道疲劳效应和流体流动状态影响。

3.根据权利要求2所述的一种智能阀门在线监测系统，其特征在于：根据雷诺数对流体流速进行修正的逻辑；

流体雷诺数的计算式为式中，ρ为流体密度，v为流量计测量流体流速，d为管道直径，μ为流体粘度，根据雷诺数对测量流体流速进行修正，修正流体流速F1的表达式为/>

4.根据权利要求3所述的一种智能阀门在线监测系统，其特征在于：根据管道疲劳效应对修正流体流速进行补偿的逻辑；

标定流体流入温度为T1,流出温度为T2，则温度偏差值为ΔT＝|T1-T2|，管道半径为R，管道疲劳补偿系数表达式为式中，Ft为流体流动时间，2πR²为管道横截面积，则进行管道疲劳补偿后的流体实际流速F表达式为F＝Pf×F1。

5.根据权利要求1所述的一种智能阀门在线监测系统，其特征在于：通过料位状态对计算所得吹扫时周比进行验证的方法；

对吹扫时周比划分高位阈值和低位阈值，当传感器测量料位高于上料位时，将计算所得吹扫时周比与吹扫时周比高位阈值进行对比，若吹扫时周比小于高位阈值，则验证无效，若吹扫时周比大于等于高位阈值，则验证有效；

当传感器测量料位低于下料位时，将计算所得吹扫时周比与吹扫时周比低位阈值进行对比，若吹扫时周比大于低位阈值，则验证无效，若吹扫时周比小于等于低位阈值，则验证有效；

当传感器测量料位位于上料位与下料位之间时，管道阀门处于常规工作状况，不进行吹扫时周比更新。

6.根据权利要求1所述的一种智能阀门在线监测系统，其特征在于：调整处理模块的工作逻辑；

调整处理模块根据验证结果对吹扫时周比进行更新，当验证有效，则更新吹扫时周比；当验证无效，则保留原吹扫时周比，料位传感器对料位进行实时监测，当流体料位处于警戒标准，则通过数据传输协议进行网络通信，以发布警示通报，当监测料位高于上料位时，发布警示为料位过高；当监测料位低于下料位时，发布警示为料位过低。