CN118188866A - 灌溉用线性阀及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灌溉用线性阀及其控制方法，其中灌溉用线性阀包括限流阀和安装座，限流阀的腔体内设置有与限流阀的进水口或出水口固定连接，用于导通进水口和出水口的弯头；安装座内部开设有闸门孔，闸门孔内滑动安装有用于延伸至限流阀内、并与弯头的入口配合的闸门；安装座上设置有延伸至闸门孔内、在旋转作用力下带着闸门沿闸门孔移动，以关闭或开启入口的闸门启闭装置，该阀门在应用于灌溉浇地时可以实现精准开度调控下的灌水量输出。

Description

灌溉用线性阀及其控制方法

技术领域

本发明涉及农业灌溉浇地技术领域(A01G25/00)，具体涉及一种用于灌溉浇地的阀门及控制方法，类属浇水的控制(A01G25/16)。

背景技术

在传统农业灌溉浇地中，通常使用球式或蝶式电动阀，并安装在灌溉系统首部，进行浇水流量的控制，同时在还可以作为施液体肥的专业设备阀门，然而这类阀门存在诸多问题。

例如：CN202320878872.2公开了一种球式电动阀，可以通过细化把手旋转过程，以此来提高水流控制的精准化，因此提高了设备的工作效率，从而提高了实用性。但该球式电动阀在使用过程中会出现刚开始与即将关闭时段，电信号无法精准调节的问题。具体而言，可以描述为在开阀前30度以内，出水量很小，不同阀度所对应的流量基本相同，同样，在开阀60-90度也存在类似现象，因此无法通过开度精准控制流量，无法实现精准调节。

CN202310840102.3公开了一种蝶式电动阀，这种轻质型中线对夹式蝶阀可通过人工或者自动控制阀门启闭的方式对阀门进行启闭，阀门启闭方式功能性较强。但该蝶式电动阀在使用过程中，虽然一定程度可以缓解因为转动而导致调控精准不高的问题，但是蝶片与阀体在使用过程中易磨损，长时间使用容易漏水，增加了维修成本，不能实现精准调节。

本申请中的线性阀在用于灌溉浇地时可以解决上述背景的浇水控制缺陷。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的灌溉用线性阀及其控制方法解决了现有的灌溉浇地场景中阀门难以通过阀门开度精准调控输出流量的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种灌溉用线性阀，其包括限流阀和安装座，限流阀的腔体内设置有与限流阀的进水口或出水口固定连接，用于导通进水口和出水口的弯头；安装座内部开设有闸门孔，闸门孔内滑动安装有用于延伸至限流阀内、并与弯头的入口配合的闸门；安装座上设置有延伸至闸门孔内、在旋转作用力下带着闸门沿闸门孔移动，以关闭或开启入口的闸门启闭装置。

上述技术方案的有益效果为：本方案上述的线性阀在使用时，控制闸门启闭装置旋转不同，其可以带着闸门朝着入口或者远离入口运动一定的距离，以此实现闸门开度的线性调整；通过这种方式可以在旋转较小角度时实现快速调节闸门移动距离，一方面提高了线性阀调节的便捷准确性，另一方面也可以避免由于阀门调节不准确造成漏水的情况出现。

进一步地，闸门启闭装置包括电动启闭机构，电动启闭机构包括舵机，舵机的转动轴的端面设置有半凸轮柱，半凸轮柱穿过安装座的闸门孔、延伸至闸门上的闸门后凹槽内，在舵机旋转作用下带着闸门移动以开启或关闭入口；舵机与控制板连接。

上述技术方案的有益效果为：舵机旋转较小幅度带动转动轴旋转，转动轴上的半凸轮柱半径长度增加，推动闸门移动，控制闸门与限流阀内部弯头上端的距离，在开与闭范围之间小幅度线性移动，从而使得流量可呈线性变化，解决了市面现有电动闸阀升降杆长，调节速度慢，调节不精确的问题。

进一步地，舵机的电源线与控制板的VCC端连接，信号线与控制板的IO端连接，地线与控制板的GND端连接。

进一步地，灌溉用线性阀还包括与安装座固定连接的底座，舵机安装于安装座与底座组装后形成的安装腔内。该种方式可以对舵机进行包裹，避免转动轴外露，缠绕上杂物，影响舵机正常工作，以此提高舵机使用的安全性。

进一步地，闸门启闭装置包括手动启闭机构，手动启闭机构包括限位开关和限位柱，限位开关的一侧端面设置有限位开关半圆柱，另一端的圆周表面开设有一限位开关凹槽；限位开关穿过安装座的闸门孔，其限位开关半圆柱与闸门上的闸门前凹槽配合，在限位开关旋转作用下带着闸门移动以开启或关闭入口；限位柱穿过安装座、位于限位开关凹槽内，用于限制限位开关的旋转角度。

上述技术方案的有益效果为：使用时，本方案可以在限位开关上标上多个刻度，每个刻度对应一个输出流量，这样可以通过旋转限位开关，使其限位开关半圆柱朝着/远离闸门前凹槽远离弯头的端面运动，以此实现线性阀的线条调控；该种方式通过限位开关结合其上的刻度可以使流量呈线性变化，解决了市面现有电动闸阀升降杆长，调节速度慢，调节不精确的问题。

该种结构的线性阀相对电动启闭机构而言，在调整流量时，不存在电动部件，具有结构更简单、成本更低、使用寿命更长等优点，在高湿度特殊工况更具备优势。

进一步地，闸门所在侧的限流阀外表面设置有阀体凹槽，安装座侧面围绕闸门孔设置有一圈环形凸起，环形凸起与限流阀上开设的阀体凹槽密封固定连接；阀门邻近入口的一端设置有与阀门孔密封连接的密封圈。

上述技术方案的有益效果为：环形凸起和阀体凹槽的密封配合及密封圈的设置，可以避免限流阀内部的水流向线性阀外部和闸门孔内泄露，可以保证输出流量的精准调控；另外还可以避免水流通过闸门孔进入电动启闭机构，保证电动启闭机构的正常工作。

进一步地，闸门远离入口的端部与安装座内端面之间设置有闸门弹簧，闸门弹簧任一时间均处于压缩状态；闸门关闭入口时，密封圈位于限流阀供闸门穿入的上部通孔内。

上述技术方案的有益效果为：闸门弹簧的设置，可以在闸门关闭入口时，给闸门一个朝着入口的力，使闸门与入口接触更紧密，保证入口关闭时的密封性；另外其向下的力，还可以保证闸门运动过程中，密封圈与闸门孔或上部通孔紧密接触，提高密封性，还可以降低密封圈影响闸门滑动的顺畅性。

进一步地，闸门远离入口的一端侧面设置有朝其径向延伸的缺口，闸门孔的内表面设置有与缺口配合的凸台。

上述技术方案的有益效果，缺口和凸台设置，使得闸门只有在缺口对准凸台时才能顺利进入到闸门孔内，以此保证闸门上的闸门后凹槽和闸门前凹槽处于正确的位置，使得闸门的启闭得以正常实现。另外，缺口和凸台的配合还可以起到限位的作用，以避免舵机的转动轴过渡旋转，过度压缩已处于压缩状态的闸门弹簧，影响闸门弹簧的使用寿命。

进一步地，限流阀的进水口处加装恒流装置。

第二方面，提供一种灌溉用线性阀的控制方法，其包括步骤：

接收调整限流阀输出流量的调控信息；

根据调控信息中的输出流量，读取控制板内存储的流量与电流关系曲线，电流与旋转角度关系曲线上对应输出流量的电流和旋转角度；

调整舵机的电流等于读取的电流，以使舵机带着转动轴旋转，直至等于读取的旋转角度；

流量与电流关系曲线和电流与旋转角度关系曲线为采用多组流量、电流和旋转角度绘制的曲线，并做平滑处理而成；多组流量、电流和旋转角度为：

当电流为4mA时，转动轴的旋转角度为0度，输出流量为0LPH；当电流为5mA时，转动轴的旋转角度为15度，输出流量为48LPH；当电流为8mA时，转动轴的旋转角度为34度，输出流量为210LPH；当电流为13mA时，转动轴的旋转角度为100度，输出流量为400LPH；当电流为15mA时，转动轴的旋转角度为120度，输出流量为520LPH；当电流为18mA时，转动轴的旋转角度为161度，输出流量为572LPH；当电流为20mA时，转动轴的旋转角度为180度，输出流量为600LPH。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在本方案中，通过无齿轮化的设计，解决了由于齿轮磨损或错位导致的线性阀故障频出的问题，并且可以通过舵机对闸门进行无极调整，从而对线性阀内水流的流量进行调节，舵机可以通过旋转较小角度实现快速调节升降距离，一方面提高了线性阀调节的便捷准确性，另一方面也可以避免由于闸门调节不准确造成漏水的情况出现。

2、在本方案中，通过电信号、阀门与流量的配合，实现了线性阀的一物两用，即开关调节功能与流量计功能，通过接收4到20ma流量控制信号，并且根据流量控制信号控制舵机进行小幅度旋转，阀门进口处搭配恒流装置，实时监测实际流量，并确定信号与流量的对应曲线，解决了目前电动阀只能调节而不具有流量监测的问题。

附图说明

图1为灌溉用线性阀的立体结构示意图。

图2为灌溉用线性阀沿闸门中轴线所在平面的剖视图。

图3是灌溉用线性阀的分解结构示意图。

图4是灌溉用线性阀的舵机设计结构示意图。

图5是灌溉用线性阀的限流阀内部结构剖面图。

图6是灌溉用线性阀的安装座和闸门配合结构示意图。

图7是灌溉用线性阀的安装座上部结构的局部剖面图。

图8是限流阀关闭时手动启闭机构与闸门配合时安装有闸门弹簧的状态示意图。

图9是图8中结构一个实施例的立体图。

图10是限流阀开启时手动启闭机构与闸门配合时安装有闸门弹簧的状态示意图。

图11是灌溉用线性阀的手动启闭机构转动角度与凹槽开度对应关系示意图。

图12是灌溉用线性阀全开流通状态示意图。

图13是灌溉用线性阀全闭状态示意图。

图14是灌溉用线性阀开启部分闸门的状态示意图。

图15是灌溉用线性阀的转动轴的半凸轮柱旋转状态示意图。

图16是灌溉用线性阀的电信号与流量对应示意图。

其中，1、底座；2、舵机；3、安装座；4、限位开关；5、闸门；6、限流阀；7、转动轴；8、出水口；9、上部通孔；10、进水口；11、闸门弹簧；12、限位柱；13、弯头；14、闸门后凹槽；15、闸门前凹槽；16、凸侧开孔；17、限位开关半圆柱；18、闸门孔；19、阀体凹槽；20、环形凸起；21、凸台；22、圆形凹槽；23、密封圈；24、缺口；25、限位开关凹槽；26、半凸轮柱；27、闸门顶部凹槽；28、橡胶圈。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1-3所示，本方案提供的灌溉用线性阀包括限流阀6和安装座3，限流阀6的腔体内设置有与限流阀6的进水口10或出水口8固定连接，用于导通进水口10和出水口8的弯头13；安装座3内部开设有闸门孔18，闸门孔18内滑动安装有用于延伸至限流阀6内、并与弯头13的入口配合的闸门5；安装座3上设置有延伸至闸门孔18内、在旋转作用力下带着闸门5沿闸门孔18移动，以关闭或开启入口的闸门启闭装置。

如图2-4所示，实施时，本方案优选闸门启闭装置包括电动启闭机构，电动启闭机构包括舵机2，舵机2的转动轴7的端面设置有半凸轮柱26，半凸轮柱26穿过安装座3的闸门孔18、延伸至闸门5上的闸门后凹槽14内，在舵机2旋转作用下带着闸门5移动以开启或关闭入口，闸门5开启和关闭状态可以分别参考图13和图12；舵机2与控制板连接。本方案的半凸轮柱26为凸轮沿其长轴方向剖开，保留其中的一半构成。

实施时，本方案优选舵机2为数值舵机2，限流阀6的进水口10开孔较大，所述限流阀6体的出水口8开孔较小，即进水口10直径大于出水口8直径。

电动启闭机构的工作原理为：通过调整限流阀6的上部通孔9下方的弯头13与闸门5之间的距离来控制流量，弯头13保证了流量的单向导通性，舵机2慢慢旋转一定角度，带动闸门5进行上下移动，控制与限流阀6内部弯头13的距离，以实现对流量的线性控制，舵机2前端转动轴7上设置的半凸轮柱26，与闸门5相接，使得舵机2旋转较小幅度控制闸门5在开与闭范围之间线性移动。

为了使流量控制更加精确，闸门5转动幅度应该尽量小且精准，所以舵机2上面所接转动轴7的半凸轮柱26的半径应该控制在2-4.5毫米。

图15给出了半凸轮柱26运动状态下多个状态的视图，图15(a)中电动启闭机构的半凸轮柱26的R₀与闸门后凹槽14远离弯头13的端面接触，限流阀6处于关闭状态；图15中(b)(c)(d)(e)中电动启闭机构的半凸轮柱26的R_n与闸门后凹槽14远离弯头13的端面接触，表示阀门逐渐开启过程中半凸轮柱26的多个运动状态；图15中(f)中半凸轮柱26的R₁与闸门后凹槽14远离弯头13的端面接触时，限流阀6处于全开状态。

在本方案的一个优选实施例中，舵机2的电源线与控制板的VCC端连接，信号线与控制板的IO端连接，地线与控制板的GND端连接。控制板的上表面固定安装有锂电池模块，锂电池模块的输出端与控制板的电源的输入端连接。

如图1-4所示，灌溉用线性阀还包括与安装座3固定连接的底座1，舵机2安装于安装座3与底座1组装后形成的安装腔内。

如图8-10所示，闸门启闭装置包括手动启闭机构，手动启闭机构包括限位开关4和限位柱12，安装座3上开设有凸侧开孔16，限位开关4的一侧端面设置有限位开关半圆柱17，另一端的圆周表面开设有一限位开关凹槽25；限位开关4穿过安装座3的凸侧开孔16和闸门孔18，其限位开关半圆柱17与闸门5上的闸门前凹槽15配合，在限位开关4旋转作用下带着闸门5移动以开启或关闭入口；限位柱12穿过安装座3、位于限位开关凹槽25内，用于限制限位开关4的旋转角度。

本方案优选在限位开关半圆柱17上端一点的旋转柱上固定有橡胶圈28，限位开关4上的橡胶圈28的直径略微大于所述限位开关4圆柱直径，防止在旋转限位开关4时，过度磨损。为了方便旋转限位开关4，可以在限位开关4远离限位开关半圆柱17的端部固定安装一个手动旋钮。

本方案的限位柱12与限位开关凹槽25的两端部接触时，分别为全开档位和自动档位(该档位电动启闭机构可以通过控制板控制阀门线性开启或关闭)，限位开关4位于自动控制档位时，如图11所示，设限位开关凹槽25的深度为2.5mm，限位开关4的位置为0度，限位开关凹槽25的圆心角为90度，该状态请参考图11中(a)；接下来过程，固定左边不动，右边依次增加45度，并且进行顺时针旋转；设限位开关4的位置为45度，限位开关凹槽25的圆心为135度，该状态请参考图11中(b)；设限位开关4的位置为90度，限位开关凹槽25的圆心角为180度，该状态请参考图11中(c)；限位开关4的位置为135度，限位开关凹槽25的圆心角为225度，该状态请参考图11中(d)。

假设检验发现，限位开关4的位置小于135度且限位开关凹槽25的开度小于225度，凹槽深度为2.5mm，则限位柱12不能嵌入限位开关凹槽25中，若限位开关4的位置等于135度且所述限位开关凹槽25开度等于225度，凹槽深度为2.5mm，则闸门55上升距离为限位开关4的限位开关半圆柱17的半径长度且限位柱12刚好挡住限位开关凹槽25内壁，当限位开关4位置为全开时，闸门5全开，此时水流量最大，当所述限位开关4位置为自动控制时，所述闸门5开始受所述舵机2控制，根据控制板所给信号进行上下线性移动。

当本方案的线性阀同时包括手动启闭机构和电动启闭机构时，本方案的限位开关4上的限位开关半圆柱17的平面刚好与闸门前凹槽15远离弯头13的端面接触，且在使用电动启闭机构过程中，手动启闭机构一直处于该状态。此时闸门5处于全闭状态，舵机2开始转动，随着舵机2的转动，半凸轮柱26的转动半径线性增大，带动闸门5线性上升，上升距离为半凸轮柱26半径增加的长度，上升的最大距离为限位开关4的半径。

本方案优选数字舵机2的旋转角度为0～180°，当其旋转180度时达到最大距离；当限位开关4在全开档位(闸门5全开状态，可以参考图12)时，具体可以参考图10，限位开关半圆柱17的弧面与闸门前凹槽15远离弯头13的端面接触，此时使得闸门5不受数字舵机2控制。

如图5-图7所示，闸门5所在侧的限流阀6外表面设置有阀体凹槽19，安装座3侧面围绕闸门孔18设置有一圈环形凸起20，环形凸起20与限流阀6上开设的阀体凹槽19密封固定连接；阀门邻近入口的一端设置有与阀门孔密封连接的密封圈23。

如图8-10所示，闸门5远离入口的端部与安装座3内端面之间设置有闸门弹簧11，闸门弹簧11任一时间均处于压缩状态；闸门5关闭入口时，密封圈23位于限流阀6供闸门5穿入的上部通孔9内。本方案优选闸门弹簧11上均匀涂抹有润滑油，防止闸门弹簧11生锈，优选在闸门5远离弯头13的端部开设有闸门顶部凹槽27，在安装座3内表面开设有圆形凹槽22；闸门弹簧11固定在闸门顶部凹槽27与圆形凹槽22之间，可以有效避免闸门弹簧11左右晃动。

如图8-10所示，闸门5远离入口的一端侧面设置有朝其径向延伸的缺口24，闸门孔18的内表面设置有与缺口24配合的凸台21。实施时，本方案优选限流阀6的进水口10处加装恒流装置。

本方案还提供了一种灌溉用线性阀的控制方法，其包括步骤：

接收调整限流阀输出流量的调控信息；

根据调控信息中的输出流量，读取控制板内存储的流量与电流关系曲线，电流与旋转角度关系曲线上对应输出流量的电流和旋转角度；

调整舵机2的电流等于读取的电流，以使舵机2带着转动轴7旋转，直至等于读取的旋转角度；

流量与电流关系曲线(具体可以参考图16)和电流与旋转角度关系曲线为采用多组流量、电流和旋转角度绘制的曲线，并做平滑处理而成；多组流量、电流和旋转角度为：

当电流为4mA时，转动轴7的旋转角度为0度，输出流量为0LPH；当电流为5mA时，转动轴7的旋转角度为15度，输出流量为48LPH；当电流为8mA时，转动轴7的旋转角度为34度，输出流量为210LPH；当电流为13mA时，转动轴7的旋转角度为100度，输出流量为400LPH；当电流为15mA时，转动轴7的旋转角度为120度，输出流量为520LPH；当电流为18mA时，转动轴7的旋转角度为161度，输出流量为572LPH；当电流为20mA时，转动轴7的旋转角度为180度，输出流量为600LPH。

如图12-图14所示，分别为本方案的线性阀的状态一、状态二、状态三，其中箭头指示为水流流动方向。当电动阀内的闸门5呈现状态一情况时，闸门5结构处于全开状态，此时流通量最大；当电动阀内的闸门5呈现状态二情况时，闸门5结构全闭，此时阀门闭合，不流通，当电动阀内的闸门5呈现状态三情况时，闸门5与所述限流阀6的上部通孔9下方的弯头13之间有一定距离，此时流量通过闸门5的上下移动呈线性变化。

综上所述，本方案通过闸门启闭装置进行闸门的线性开启或关闭，相对现有技术操作更加便捷，准确，同时也避免了阀门关闭不精准造成漏水的情况发生。

Claims (10)

1.灌溉用线性阀，其特征在于，包括限流阀和安装座，所述限流阀的腔体内设置有与限流阀的进水口或出水口固定连接，用于导通进水口和出水口的弯头；所述安装座内部开设有闸门孔，所述闸门孔内滑动安装有用于延伸至所述限流阀内、并与所述弯头的入口配合的闸门；所述安装座上设置有延伸至所述闸门孔内、在旋转作用力下带着所述闸门沿所述闸门孔移动，以关闭或开启所述入口的闸门启闭装置。

2.根据权利要求1所述的灌溉用线性阀，其特征在于，所述闸门启闭装置包括电动启闭机构，所述电动启闭机构包括舵机，所述舵机的转动轴的端面设置有半凸轮柱，所述半凸轮柱穿过所述安装座的闸门孔、延伸至闸门上的闸门后凹槽内，在舵机旋转作用下带着闸门移动以开启或关闭所述入口；所述舵机与控制板连接。

3.根据权利要求1所述的灌溉用线性阀，其特征在于，所述舵机的电源线与控制板的VCC端连接，信号线与控制板的IO端连接，地线与控制板的GND端连接。

4.根据权利要求2所述的灌溉用线性阀，其特征在于，还包括与所述安装座固定连接的底座，所述舵机安装于所述安装座与所述底座组装后形成的安装腔内。

5.根据权利要求1或2所述的灌溉用线性阀，其特征在于，所述闸门启闭装置包括手动启闭机构，所述手动启闭机构包括限位开关和限位柱，所述限位开关的一侧端面设置有限位开关半圆柱，另一端的圆周表面开设有一限位开关凹槽；所述限位开关穿过所述安装座的闸门孔，其限位开关半圆柱与闸门上的闸门前凹槽配合，在限位开关旋转作用下带着闸门移动以开启或关闭所述入口；所述限位柱穿过所述安装座、位于所述限位开关凹槽内，用于限制限位开关的旋转角度。

6.根据权利要求1或2所述的灌溉用线性阀，其特征在于，闸门所在侧的限流阀外表面设置有阀体凹槽，所述安装座侧面围绕闸门孔设置有一圈环形凸起，所述环形凸起与所述阀体凹槽密封固定连接；所述阀门邻近所述入口的一端设置有与所述阀门孔密封连接的密封圈。

7.根据权利要求6所述的灌溉用线性阀，其特征在于，所述闸门远离所述入口的端部与所述安装座内端面之间设置有闸门弹簧，所述闸门弹簧任一时间均处于压缩状态；所述闸门关闭入口时，所述密封圈位于限流阀供闸门穿入的上部通孔内。

8.根据权利要求1、2或7所述的灌溉用线性阀，其特征在于，所述闸门远离入口的一端侧面设置有朝其径向延伸的缺口，所述闸门孔的内表面设置有与所述缺口配合的凸台。

9.根据权利要求1-4、7任一所述的灌溉用线性阀，其特征在于，所述限流阀的进水口处加装恒流装置。

10.一种权利要求2所述的灌溉用线性阀的控制方法，其特征在于，包括步骤：

接收调整限流阀输出流量的调控信息；

根据调控信息中的输出流量，读取控制板内存储的流量与电流关系曲线，电流与旋转角度关系曲线上对应所述输出流量的电流和旋转角度；

调整舵机的电流等于读取的电流，以使舵机带着转动轴旋转，直至等于读取的旋转角度；

所述流量与电流关系曲线和电流与旋转角度关系曲线为采用多组流量、电流和旋转角度绘制的曲线，并做平滑处理而成；多组流量、电流和旋转角度为：

当电流为4mA时，转动轴的旋转角度为0度，输出流量为0LPH；当电流为5mA时，转动轴的旋转角度为15度，输出流量为48LPH；当电流为8mA时，转动轴的旋转角度为34度，输出流量为210LPH；当电流为13mA时，转动轴的旋转角度为100度，输出流量为400LPH；当电流为15mA时，转动轴的旋转角度为120度，输出流量为520LPH；当电流为18mA时，转动轴的旋转角度为161度，输出流量为572LPH；当电流为20mA时，转动轴的旋转角度为180度，输出流量为600LPH。