CN207636945U - 一种可变输出压力减压阀闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变输出压力减压阀闭环控制系统，包括减压阀，还包括流量传感器、压力传感器、伺服电机、数据贮存及信号转换模块、比较模块以及PID控制器。流量传感器串接在减压阀进口端，压力传感器安装在减压阀出口端，伺服电机安装在减压阀顶端。流量传感器与减压阀的实际输出流量接口连接，流量传感器与数据贮存及信号转换模块电连接，数据贮存及信号转换模块与比较模块电连接；压力传感器与减压阀的输出压力信号接口连接，压力传感器与比较模块电连接。比较模块与PID控制器电连接，PID控制器与伺服电机电连接。减压阀上设有压力调节机构，伺服电机的输出轴与压力调节机构连接。本实用新型利于维持管道系统正常使用寿命，降低维护成本。

Description

一种可变输出压力减压阀闭环控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种减压阀输出压力的控制系统，更具体地说，它涉及一种可变输出压力减压阀闭环控制系统。

背景技术

当室外给水管网向高层建筑物供水时，为了节约能源和不致使下层管道系统承受水压过高，往往采用分区给水方式，即将室外给水管网的高水压用减压阀减压后直接向低区供水，而高区由增压贮水设备供水，由于低区的高度都不低，因此用减压阀减压后的水压还是很高。供水总压计算公式为：H=H₁+H₂+H₃+H₄+H₅，式中，

H₁——建筑物内给水引入管起点至最高配水点的几何高度；

H₂——计算管路沿程水头损失、局部水头损失之和；

H₃——水流经总水表和分户水表的水头损失，以及水流经过滤器、倒流防止器等阀门的水头损失；

H₄——计算管路最高最远配水点所需的流出水头；

H₅——打开倒流防止器等阀门所需的水压。

由于一天内用水量的波动很大，当用水高峰时，管道内水的流速很高，根据水力学计算公式，H₂、H₃与流速的平方成正比，所以最不利点的H_2max+H_3max＞＞H_2min+H_3min。为了确保最不利配水点在用水高峰的用水量，减压阀的输出压力必须满足H≥H₁+H_2max+H_3max+H₄+H₅。因为普通减压阀的结构能保证减压后的水压不受流量的大小而变化，从图3可见，普通减压阀的输出压力基本上是定值，不随时间而变动。因此当总用水量处于低谷时，管道系统仍承受着这个高水压，这样就增加了管道系统，尤其是低层管道和阀门的漏水及爆管几率，承受水压越高，漏水量越大，爆管几率越高。如图4所示，使用普通减压阀，最底层最不利配水点所受的静水压在用水量最小的T₁及T₄如清晨或深夜时最高，接近P_2max；在用水高峰T₂及T₃时所受静水压有所降低。有资料介绍，漏水量一般占总用水量的20%以上，对于使用日久、材质较差、施工质量不高的管道，漏水量甚至达到总用水量的40%以上，这样既浪费了能源、资源，又增加了维护费用。因此“建筑给水排水设计规范”的国标规定，各分区最低配水点的静水压力不宜大于0.45MPa。因此有必要研究如何使减压阀的输出压力根据流量而适当调节输出压力，避免管道无论流量大小始终承受高压，从而降低漏水及爆管几率，减少日常维护费用。

发明内容

现有的减压阀只能通过预先设定压力值进行输出压力控制，输出压力的高低无法由流量大小决定，导致管道系统无论在峰、谷时段始终承受高压，为克服这一缺陷，本实用新型提供了一种使减压阀的输出压力随流量变化，大幅降低平均输出压力的可变输出压力减压阀闭环控制系统。

本实用新型的技术方案是：可变输出压力减压阀闭环控制系统，包括带有压力调节机构的减压阀，还包括流量传感器、压力传感器、伺服电机、数据贮存及信号转换模块、比较模块以及PID控制器；流量传感器串接在减压阀进口端，压力传感器安装在减压阀的出口端，伺服电机安装在减压阀顶端；流量传感器与减压阀的实际输出流量接口连接，流量传感器与数据贮存及信号转换模块电连接，数据贮存及信号转换模块与比较模块电连接；压力传感器与减压阀的输出压力信号接口连接，压力传感器与比较模块电连接，比较模块与PID控制器电连接；PID控制器与伺服电机电连接，伺服电机的输出轴与所述压力调节机构连接。流量传感器和压力传感器用以采集减压阀的实际输出流量和输出压力，并转换成电信号；信号转换模块将流量信号转换成压力信号，PID控制器用以将比较数据运算后向伺服电机发出控制信号，并使其输出轴作顺时针或逆时针转动，驱动压力调节机构，调节减压阀的输出压力。本可变输出压力减压阀闭环控制系统是为解决普通减压阀的不足而设计的，可使减压阀的输出压力随流量大小而变化，使减压阀的平均输出压力大幅降低。

作为优选，对输入数据贮存及信号转换模块中的设定信号 P₂=f（Q），可按实际情况进行修正；PID指令执行周期可根据实际需要进行选择；对一年中不同时期的每日P₂=f（Q），PID控制器将会按照设定的日期自动进行切换。

作为优选，所述PID控制器上还可以接收输入压力传感器及其它各阀件压差传感器发送来的数据。这样可对管道重要节点进行监测，以确定过滤器、节流阀等辅助阀件是否需要清洗或更换，便于管道维护。

作为优选，在若干最不利配水点上设有压力传感器，间隔地通过远程数据处理系统作为干扰信号发送给控制器，以微调减压阀的输出压力。

作为优选，所述数据贮存及信号转换模块、比较模块和PID控制器设于一控制箱内，控制箱上设有显示各传感器所监测数据的显示面板。控制箱可对数据贮存及信号转换模块、比较模块和PID控制器等自动控制器件进行妥善保护，同时这些器件的监测数据也可通过显示面板直观显示，便于了解管道运行状态。

作为优选，减压阀的压力调节机构中的调节螺杆与伺服电机的输出轴连接，调节螺杆与压力调节机构中的调节螺套的传动采用滚珠丝杆，并在调节螺杆上端的凸肩和减压阀阀盖内腔上端的内凸肩间设有平面轴承。现有的减压阀的压力调节机构与通常由调节螺杆、调节螺套和调节弹簧等部件构成，调节螺杆和调节螺套的旋合深度可改变调节弹簧的张力大小，从而改变减压阀阀口开启触发压力大小，实现输出压力控制功能。本实用新型通过对流量、压力等信号的采集和处理，生成伺服电机的动作指令，由伺服电机执行对调节螺杆的操作，可精确地进行输出压力控制。采用滚珠丝杆和平面轴承可提高动作的灵敏度。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型可根据减压阀的输出流量自行调节输出压力，大幅降低平均输出压力，避免管道无论在使用峰、谷时段始终承受高压，降低管道系统漏水和爆管几率，节约能源、资源，减少维护费用，维持管道系统正常使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的一种结构示意图；

图2为本实用新型的闭环控制图；

图3为普通减压阀的输出压力P₂与时间t的关系曲线图；

图4为使用普通减压阀时建筑物最低层最不利配水点在不同时间所受静水压的波动图；

图5为本实用新型的输出压力P₂与时间t的关系曲线图；

图6为使用本实用新型时建筑物最低层最不利配水点在不同时间所受静水压的波动图。

图中，1-减压阀，2-流量传感器，3-控制箱，4-伺服电机，5-平面轴承，6-调节螺套，7-调节螺杆，8-调节弹簧，9-膜片，10-阀杆，11-压力传感器，12-阀瓣，13-阀盖，V-阀口。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例：

如图1所示，一种可变输出压力减压阀闭环控制系统，包括带有压力调节机构的减压阀1、串接在减压阀1进口端A的流量传感器2、安装在减压阀1出口端B的压力传感器11、安装在减压阀1顶端的伺服电机4，以及控制箱3。控制箱3内设有数据贮存及信号转换模块、比较模块、PID控制器。流量传感器2的输入接口与减压阀1的实际流量输入接口连接，流量传感器2的输出接口与上述数据贮存及信号转换模块的输入接口连接，数据贮存及信号转换模块的输出接口与比较模块的输入接口连接。压力传感器11的输入接口与减压阀1的输出压力信号接口连接，压力传感器11的输出接口与比较模块的输入接口连接，比较模块的输出接口与PID控制器的输入接口连接，PID控制器的输出接口与伺服电机4的信号输入接口连接，伺服电机4的输出轴与减压阀1的压力调节机构连接。各部件或模块的数字接口通过信号线的有序连接和通信，组成闭环控制系统。

减压阀1为常规阀门，具体构造和工作原理众所周知，此处不做赘述。流量传感器2和压力传感器11用以采集减压阀1的实际输出流量Q和输出压力P₂，并转换成电信号；信号转换模块用以按设定的P₂=f（Q）的要求将流量信号转换成压力信号；PID控制器用以将比较ΔP数据运算后向伺服电机4发出控制信号，并使其输出轴作顺时针或逆时针转动；伺服电机4的输出轴与减压阀1的压力调节机构中的调节螺杆7连接，为了尽可能地降低伺服电机4的工作扭矩和提高灵敏度，在调节螺杆7和调节螺套6之间设置了滚珠，即采用滚珠丝杆，并在调节螺杆7上端的凸肩和阀盖13内腔的上端内凸肩间设置了平面轴承5，以减小摩擦力。

信号转换模块的输入信号P₂=f（Q）可采用概率法，并结合前期大量的统计数据初步确定，并输入到数据贮存及信号转换模块中进行设定，如果一年中不同时期的每日P₂=f（Q）不一样，则可以把这些数据输入到数据贮存模块中，PID控制器将会按设定的日期自动进行切换。信号转换模块可在试用期间根据实际的Q-P₂关系，对设定的输入信号P₂=f（Q）进行修正。此外，使用日久后，管道内壁必定会粘上杂物或生锈，致使内径变小，这样，在同样流量下，流速会增加，致使阻力增大，造成到达最不利点的流出水头降低，影响用户使用，因此必须及时对减压阀的输出压力进行修正。为此，可在若干个最不利的配水点设置压力传感器，其压力数据可在当地记录，然后收集后用于分析或修正减压阀的输出压力；也可采用有线或无线连接，间隔地通过远程数据处理系统作为干扰信号传送到控制器，再由伺服电机4调整减压阀的输出压力。

此外，PID控制器还可以接收输入压力传感器及管道上各阀件压差传感器发送来的数据，以获取减压阀的输入压力，以及过滤器等阀件上的压差等数据，控制箱3上设有显示面板，可显示各传感器所监测的数据，显示面板上还设有调节按钮。

为及时跟踪出口流量和压力的变化，PID指令执行周期可根据实际要求进行选择。

参见图2，本可变输出压力减压阀闭环控制系统工作原理如下：流量传感器2将采集到的减压阀实际输出流量信号Q输送到信号转换模块中，信号转换模块按照设定的P₂=f（Q）的要求换算成P₂后与压力传感器11采集到的减压阀1实际输出压力P₂进行比较，得到的比较ΔP通过PID控制器运算后，向伺服电机4输出控制指令，伺服电机4接收到控制指令后，以改变减压阀的阀口V大小的方式实现对减压阀1输出压力的控制，以达到P₂=f（Q）的要求。对某一设定点而言，当实际输出压力偏高时，伺服电机4的输出轴顺时针转动，减压阀1的压力调节机构中的调节螺套6向上运动，调节弹簧8对膜片9的压力减小，使膜片9的受力平衡状态受到破坏，膜片9下方的压力大于调节弹簧的压力，所以阀杆10上升，带动阀瓣12上升，阀口V关小，流经阀口V流体的阻力增大，输出压力随之降低，恢复至设定值；反之，当实际输出压力偏小时，伺服电机4的输出轴逆时针转动，阀口V开大，输出压力随之增大，恢复至设定值，如此使输出压力保持在这个设定值上。

本实用新型能保证减压阀的输出压力随流量而变化，一般最大输出压力P_2max为总用水量最大且最远最高用水点的用水量最大时所需的水压；最小输出压力P_2min为总用水量最小且最远最高用水点的用水量最大时所需的水压，由于一天内总用水量的波动很大，因此本实用新型的平均输出压力大幅降低。从图5可见，使用本实用新型后，在用水量最小的T₁及T₄时，输出压力为P_2min；在用水高峰T₂及T₃时输出压力为P_2max；其它时间相应降低。由图6可见，使用本实用新型后，建筑物最低层最不利配水点的最低静水压为P_2min。

在要求减压阀的输出压力高或流量大时，如果采用弹簧式可调减压阀直接调压，则调节弹簧刚度必然较大，这样流量特性和压力特性将会变差，调节性能降低，输出压力波动较大。此时，可采用设有先导阀的200X型减压阀，闭环控制系统用在对先导阀的控制上，因为原理完全一样，此处不再展开。

Claims (3)

1.一种可变输出压力减压阀闭环控制系统，包括带有压力调节机构的减压阀（1），其特征是还包括流量传感器（2）、压力传感器（11）、伺服电机（4）、数据贮存及信号转换模块、比较模块以及PID控制器；流量传感器（2）串接在减压阀（1）进口端，压力传感器（11）安装在减压阀（1）的出口端，伺服电机（4）安装在减压阀（1）顶端；流量传感器（2）与减压阀（1）的实际输出流量接口连接，流量传感器（2）与数据贮存及信号转换模块电连接，数据贮存及信号转换模块与比较模块电连接；压力传感器（11）与减压阀（1）的输出压力信号接口连接，压力传感器（11）与比较模块电连接，比较模块与PID控制器电连接；PID控制器与伺服电机（4）电连接，伺服电机（4）的输出轴与所述压力调节机构连接。

2.根据权利要求1所述的可变输出压力减压阀闭环控制系统，其特征是所述数据贮存及信号转换模块、比较模块和PID控制器设于一控制箱（3）内，控制箱（3）上设有显示各传感器所监测数据的显示面板。

3.根据权利要求1或2所述的可变输出压力减压阀闭环控制系统，其特征是减压阀（1）的压力调节机构中的调节螺杆（7）与伺服电机（4）的输出轴传动连接；调节螺杆（7）与压力调节机构中的调节螺套（6）的传动采用滚珠丝杆，并在调节螺杆（7）上端的凸肩和减压阀（1）阀盖内腔上端的内凸肩间设有平面轴承（5）。