關(guān)于自動(dòng)控制閥門的研究

董濤

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的不斷加快，在國(guó)內(nèi)的一線企業(yè)中自動(dòng)控制系統(tǒng)被越來(lái)越多的應(yīng)用到企業(yè)的生產(chǎn)過程中，在這些自動(dòng)控制系統(tǒng)中，自動(dòng)控制閥門是企業(yè)應(yīng)用比較多的一種，本文從自動(dòng)控制理論出發(fā)，結(jié)合自動(dòng)控制閥門研發(fā)與應(yīng)用中的實(shí)際，對(duì)自動(dòng)閥門進(jìn)行深入的研究和探討。

關(guān)鍵詞：閥門;自動(dòng)化;控制

前言

近些年自動(dòng)控制領(lǐng)域在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動(dòng)下取得了較大的發(fā)展，但是這種經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)的進(jìn)步缺乏自身的內(nèi)部動(dòng)力，導(dǎo)致自動(dòng)閥門技術(shù)發(fā)展和自動(dòng)控制閥門發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)有很大的差異，本文將對(duì)閥門控制的自動(dòng)化進(jìn)行深入的分析，以實(shí)現(xiàn)了解當(dāng)下展望未來(lái)的目標(biāo)。

1.閥門的重要作用及應(yīng)用現(xiàn)狀

所有涉及流體使用和加工的生產(chǎn)企業(yè)都離不開閥門，閥門在流體系統(tǒng)控制中的作用是不言而喻的，在當(dāng)下的一線企業(yè)，閥門起到的作用主要是控制流體流動(dòng)的方向、壓力和流量，簡(jiǎn)單來(lái)講流體系統(tǒng)本身只是一種管道系統(tǒng)，系統(tǒng)中的流體在管道中順應(yīng)了最簡(jiǎn)單的重力和壓力的趨動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，閥門在流體系統(tǒng)中的參與徹底改變了這一現(xiàn)狀，基本上實(shí)現(xiàn)了在流體系統(tǒng)中流體運(yùn)動(dòng)全過程的監(jiān)視與控制，在流體系統(tǒng)運(yùn)行中起到了導(dǎo)流、節(jié)流、分流、溢流泄壓和截流等重要作用。

目前在市場(chǎng)中流通的閥門種類繁多，質(zhì)量和技術(shù)含量參差不齊，既有結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的截止閥也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的自動(dòng)控制閥門，簡(jiǎn)單的截止閥一般都用在相對(duì)比較小的企業(yè)和家庭取暖工程中，復(fù)雜的自動(dòng)控制閥門是當(dāng)下大型流體利用企業(yè)最重要的一種節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)，也是大型流體企業(yè)整個(gè)流體監(jiān)視控制系統(tǒng)中的重要組成部分，是閥門生產(chǎn)和研發(fā)領(lǐng)域面對(duì)未來(lái)，參與社會(huì)化大生產(chǎn)的重要產(chǎn)品，未來(lái)的自動(dòng)控制閥門很可能實(shí)現(xiàn)與電子感應(yīng)和數(shù)字化信息系統(tǒng)的結(jié)合，將在流體應(yīng)用企業(yè)中成為流體系統(tǒng)運(yùn)行工作監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的重要神經(jīng)元似的節(jié)點(diǎn)。通常情況下，能夠被閥門控制的介質(zhì)都是擁有流體性質(zhì)的物質(zhì)，比如水、蒸汽、油、泥漿、液態(tài)金屬、腐蝕性介質(zhì)、放射性流體等。閥門作用的實(shí)現(xiàn)方式也有很多種，最簡(jiǎn)單的手動(dòng)控制、相對(duì)高水平的電動(dòng)控制、結(jié)合具體情況的電磁控制和可靠性比較高的液壓控制，這些不同的控制方式就是為了應(yīng)對(duì)實(shí)際使用情況對(duì)閥門的不同要求，可以在壓力、溫度或者其他種類的傳感信號(hào)作用下，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的判斷原則，做出相應(yīng)的技術(shù)動(dòng)作[1]。

按照閥門的作用以及用途的不同，大體上可以將閥門分為幾類：

（1）截?cái)囝愰y門。這一類中有截止閥、球閥、閘閥等，最主要的作用是實(shí)現(xiàn)流體在管道中的接通或者截?cái)唷?/p>

（2）真空類閥門。如真空球閥、真空擋板閥和真空充氣閥，這一類的閥門主要應(yīng)用在高溫蒸汽等氣體和易蒸發(fā)液體領(lǐng)域，最主要的作用是改變氣流的流動(dòng)方向，調(diào)節(jié)氣流量的大小、連接或者是切斷管路的真空系統(tǒng)元件等。

（3）特殊類閥門。這一類閥門多數(shù)都是應(yīng)用在一些特殊領(lǐng)域，并且針對(duì)應(yīng)用的領(lǐng)域擁有一些特殊的設(shè)置和功能。比如排氣閥、清管閥和排污閥，這其中排氣閥是很多重要的大型設(shè)備中必須有的重要閥門，被廣泛的應(yīng)用到給排水、鍋爐、石油天然氣管道中。

2.關(guān)于無(wú)源自動(dòng)控制閥門的研究

目前，在閥門生產(chǎn)領(lǐng)域傳統(tǒng)的截?cái)嗍介y門市場(chǎng)已經(jīng)基本飽和，閥門生產(chǎn)企業(yè)的主要目光都集中到自動(dòng)控制閥門的研究和開發(fā)中來(lái)，但是當(dāng)下對(duì)自動(dòng)控制閥門的研究大部分都集中在有源控制領(lǐng)域，基于純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的研究卻相對(duì)較少。所謂的純機(jī)械自動(dòng)控制閥門實(shí)質(zhì)上就是無(wú)源控制閥門，即不需要外部提供能量只依靠自身的能量就能實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的管控的閥門[2]。

上世紀(jì)八十年代，無(wú)源自動(dòng)控制閥門第一次在美國(guó)被研制出來(lái)并應(yīng)用于農(nóng)田灌溉領(lǐng)域，這一無(wú)源自動(dòng)控制閥門的工作原理是：通過抽水機(jī)的不停工作在田地中進(jìn)行灌溉作業(yè)，與此同時(shí)在田地的淺層地表埋設(shè)許多土壤濕度傳感器，這些傳感器都與灌溉系統(tǒng)下游的灌溉直流相連接，水被灌溉進(jìn)入到田地后會(huì)逐漸滲入淺層地下的傳感器中，一旦水分含量大于預(yù)定值時(shí)，水分便會(huì)經(jīng)由親水物質(zhì)進(jìn)入到閥門內(nèi)部，閥門內(nèi)部的凝膠遇水之后會(huì)產(chǎn)生膨脹，將連接的活塞下壓，這樣與傳感器相連接的的灌溉支流的管道橫截面就會(huì)下降，灌溉水量就會(huì)不斷下降直到完全被截止。一旦土壤中出現(xiàn)旱情，控制閥門中凝膠的水分蒸發(fā)，凝膠體積縮小與控制閥門相連接的支流閥門被打開，重新開始灌溉。這一設(shè)計(jì)一經(jīng)公布在自動(dòng)控制領(lǐng)域和閥門生產(chǎn)領(lǐng)域引起了巨大的反響，在經(jīng)歷了各行各業(yè)的反復(fù)驗(yàn)證之后，該技術(shù)被正式承認(rèn)是無(wú)源控制閥門技術(shù)的最早發(fā)明應(yīng)用，在實(shí)踐中該閥門的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，能夠精確的控制水量，有效的減少水資源的浪費(fèi)而且用很低的設(shè)備成本就實(shí)現(xiàn)了水量的無(wú)源自動(dòng)控制。但是由于種種原因這一設(shè)計(jì)并沒有得到廣泛應(yīng)用，本文在這一設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上結(jié)合最新技術(shù)進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)[3]。

3.關(guān)于無(wú)源自動(dòng)控制閥門設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)思路

本文在舊的節(jié)水閥門設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上，結(jié)合了最新的土壤水分張力計(jì)作為控制元件，與舊的節(jié)水閥門一樣一旦張力計(jì)感受到土壤中的水分超過預(yù)定值就會(huì)產(chǎn)生膨脹，推動(dòng)閥芯截?cái)喙喔人?，土壤中的水分有所下降張力?jì)又會(huì)產(chǎn)生收縮，這時(shí)閥芯在彈簧的作用下又慢慢減輕對(duì)水流的壓力，對(duì)田地的灌溉就又開始了。其特點(diǎn)是土壤水分張力計(jì)相比于舊控制閥中的凝膠更加敏感，對(duì)土壤中的水分監(jiān)控更加充分，產(chǎn)生的形變對(duì)閥門的作用力也更加穩(wěn)定[4]。

3.2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

由圖1可知，彈簧1在土壤水分張力計(jì)的推動(dòng)下進(jìn)而推動(dòng)閥芯向前，截?cái)嗨飨蛳掠沃Я鞯牧鲃?dòng)，在土壤干旱時(shí)控制元件會(huì)收縮，閥芯會(huì)在彈簧2的作用下逐漸向后，閥芯退后后水流就會(huì)經(jīng)由閥口向下游支流流去，灌溉干旱的農(nóng)田。

4.結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一線企業(yè)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的需求不斷增加，尤其是其中的不依靠任何外來(lái)能量的無(wú)源自動(dòng)控制閥門，將會(huì)在流體應(yīng)用企業(yè)大展身手。

參考資料：

[1]片錦香.?熱軋帶鋼層流冷卻過程建模與控制方法研究[D].東北大學(xué)，2010.

[2]徐震.?高壓通海閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[3]劉靜.?利用濕敏材料控制節(jié)水閥門的研究[D].北京林業(yè)大學(xué)，2007.

[4]田冠亞.?生物醫(yī)藥微小流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究[D].中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2012.