一種用于灌溉隔膜閥的閥門狀態(tài)反饋裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁穎華，孫穎奇，苑寶玉，華 濤，魏韶輝 (南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電子科學(xué)研究院)，南京 211000)

1 概 述

自動(dòng)化精準(zhǔn)灌溉技術(shù)是支撐現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)措施，通過對(duì)灌溉用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和自動(dòng)遙控，對(duì)灌區(qū)實(shí)施智能化管理，從而提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，發(fā)展高效節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)[1,2]。灌溉閥作為自動(dòng)化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的主要控制設(shè)備，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)有的灌溉閥采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低成本的隔膜式水力控制閥(以下簡(jiǎn)稱隔膜閥)，在實(shí)際灌溉系統(tǒng)中極易發(fā)生故障，此外灌區(qū)的隔膜閥空間分布范圍較大，因此當(dāng)控制中心下達(dá)指令后，需要隔膜閥能夠及時(shí)反饋閥門對(duì)于相關(guān)指令的執(zhí)行情況，以方便控制中心實(shí)時(shí)掌握其工作狀態(tài)。目前的閥門狀態(tài)反饋技術(shù)主要采用間接反饋，在隔膜閥上安裝各種傳感器，輔以相應(yīng)的測(cè)量電路來實(shí)現(xiàn)閥門狀態(tài)的反饋。例如新疆水科院采用了磁控傳感器，使用了磁力球及干簧管作為檢測(cè)元件，但僅能可靠辨識(shí)出全開狀態(tài)，無法反饋全關(guān)及中間開度狀態(tài)；西安灞橋熱電廠使用2組光電接近開關(guān)來反饋全開全關(guān)信號(hào)。但灌區(qū)水壓波動(dòng)較大，隔膜閥的膜片極有可能處于全關(guān)與全開之間的中間開度狀態(tài)，雖然使用高精度位移傳感器，如差動(dòng)式電感傳感器(LVDT)、直滑電位器等，可以準(zhǔn)確獲取閥門的開度信息，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)作可靠性低[3-6]。

本文針對(duì)這一情況，開發(fā)研制出了一種可用于灌溉隔膜閥的新型光電式閥門狀態(tài)反饋裝置，利用反射式光學(xué)位移傳感器接收光強(qiáng)隨距離的變化來反饋閥門的工作狀態(tài)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

2 光電式閥門狀態(tài)反饋裝置

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥門狀態(tài)反饋裝置主要用于獲知灌溉系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)隔膜閥的工作狀態(tài)，便于工作人員及時(shí)排查及消除故障節(jié)點(diǎn)，其在隔膜閥中的位置如圖1中所示。由于儀器長期工作于野外，需防水防潮防暴曬，故該裝置的外殼采用了強(qiáng)度高、耐熱性及耐磨性好的塑料材料，此外考慮到裝置的外形美觀及加工安裝方便，將其整體設(shè)計(jì)為圓柱形，固定于隔膜閥閥蓋上。

圖1 灌溉隔膜閥Fig.1 The irrigation diaphragm valve

本文設(shè)計(jì)的光電式閥門狀態(tài)反饋裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由閥桿、密封組件、端蓋、反射鏡片、電路板、反射式光學(xué)位移傳感器、護(hù)筒、底座、密封圈等部件組成。反射式光學(xué)位移傳感器焊接于電路板上，電路板固定于閥桿頂端，并通過柔性扁平連接線纜與配備的閥門控制器實(shí)現(xiàn)電氣連接，反射鏡片膠黏于端蓋下表面。閥桿通過螺紋連接于隔膜緊固芯上，隔膜閥閥蓋與閥桿之間由密封組件實(shí)現(xiàn)密封。

圖2 光電式閥門狀態(tài)反饋裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of the photoelectric state feedback device

2.2 工作原理

當(dāng)隔膜閥處于全關(guān)狀態(tài)，此時(shí)光經(jīng)反射式光學(xué)位移傳感器發(fā)射端發(fā)出，至反射鏡片反射后，被傳感器接收端所接收，其反射距離最長，接收到的光信號(hào)最弱；當(dāng)閥門響應(yīng)開啟指令慢慢開啟時(shí)，隔膜逐漸向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)其上的閥桿上升，使得反射距離逐漸變短，接收到的信號(hào)越來越強(qiáng)；直至閥門完全開啟時(shí)，反射距離最短，接收的信號(hào)最強(qiáng)，其工作原理如圖3所示。

圖3 光電式閥門狀態(tài)反饋裝置工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of the photoelectric state feedback device

所選用的反射式光學(xué)位移傳感器為Vishay公司的TCND5000，其接收光信號(hào)隨反射距離的變化曲線如圖4所示。本文設(shè)計(jì)的閥門狀態(tài)反饋裝置通過測(cè)量反射式光學(xué)位移傳感器接收端的光電流，經(jīng)電路處理后，反饋閥門開度信息。

圖4 反射式光學(xué)位移傳感器距離-相對(duì)光電流曲線圖Fig.4 Distance-Relative photocurrent graph of reflective optical displacement sensor

3 性能試驗(yàn)與分析

本文參照閥門壓力試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建了如圖5所示的試驗(yàn)裝置[7,8]，以模擬隔膜閥在實(shí)際管線壓力情況下的動(dòng)作情況，進(jìn)而對(duì)研制的閥門狀態(tài)反饋裝置的合理性及可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)平臺(tái)主要由空氣壓縮機(jī)、減壓閥、壓力表、計(jì)算機(jī)、法蘭適配件等部件組成，通過調(diào)節(jié)減壓閥以獲得不同的試驗(yàn)壓力開啟或關(guān)閉隔膜閥，使得閥門狀態(tài)反饋裝置作出相應(yīng)動(dòng)作，通過記錄閥門控制器反饋的閥門狀態(tài)信號(hào)，分別對(duì)該狀態(tài)反饋裝置進(jìn)行了嚴(yán)密性及響應(yīng)性能試驗(yàn)。本次試驗(yàn)介質(zhì)為空氣，試驗(yàn)壓力范圍為0～8 bar，壓力表精度等級(jí)為1.6級(jí)，最小刻度為0.1 bar，選用的隔膜閥工作壓力范圍為0.3～8 bar。

圖5 閥門狀態(tài)反饋裝置性能試驗(yàn)示意圖Fig.5 The performance test chart of valve state feedback device

將閥門狀態(tài)反饋裝置安裝至隔膜閥上，隔膜閥初始處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)壓力作用于隔膜閥上游，隔膜閥通過線纜連接至閥門控制器，閥門控制器與計(jì)算機(jī)之間通過無線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。拆除反饋裝置端蓋、護(hù)筒及PG7接頭，以方便觀察試驗(yàn)現(xiàn)象及閥桿運(yùn)動(dòng)情況。嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí)，打開空壓機(jī)，調(diào)整減壓閥將試驗(yàn)壓力逐漸增加至0.8 MPa，打開入口法蘭處的開關(guān)閥，在隔膜閥的進(jìn)口端逐漸加壓，利用噴壺往裝置中的閥桿及密封組件之間噴灑肥皂水，目測(cè)是否有氣泡產(chǎn)生以判斷該裝置的密封性能。由試驗(yàn)現(xiàn)象可知，閥桿與密封組件之間密封良好，無明顯肥皂泡產(chǎn)生。

響應(yīng)性能試驗(yàn)時(shí)，將閥門控制器電源接口與鋰亞干電池連接，確認(rèn)極性正確后上電。打開空壓機(jī)，調(diào)整減壓閥以獲取不同的試驗(yàn)壓力，并通過計(jì)算機(jī)向閥門控制器下達(dá)指令，控制隔膜閥開啟或關(guān)閉，觀察并記錄試驗(yàn)狀態(tài)反饋裝置能否在試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)準(zhǔn)確產(chǎn)生反饋信號(hào)，且閥桿動(dòng)作正常，無卡死等現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)響應(yīng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)隔膜閥接收到關(guān)閥指令時(shí)，在各個(gè)試驗(yàn)壓力下，獲得的狀態(tài)反饋信號(hào)均小于1.5 V，觀察水槽中無氣泡產(chǎn)生，說明閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。而當(dāng)隔膜閥接收到開閥指令時(shí)，試驗(yàn)壓力為0.2 bar，獲得的狀態(tài)反饋信號(hào)為1.08 V，小于1.5 V，且水槽中無氣泡產(chǎn)生，說明此壓力狀態(tài)下閥門仍處于關(guān)閉狀態(tài)；試驗(yàn)壓力為0.3～0.5 bar，狀態(tài)反饋信號(hào)在1.5～2.5 V之間，水槽中有少量氣泡產(chǎn)生，此時(shí)閥門處于半開狀態(tài)；試驗(yàn)壓力為1～10 bar，狀態(tài)反饋信號(hào)大于2.5 V，水槽中有大量氣泡產(chǎn)生，閥門處于全開狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的閥門狀態(tài)反饋裝置能準(zhǔn)確地反映出閥門全開、中間及全關(guān)各個(gè)狀態(tài)，且閥桿動(dòng)作正常，無卡死等現(xiàn)象。目前已成功應(yīng)用于某智慧農(nóng)業(yè)自動(dòng)化滴灌工程項(xiàng)目中，運(yùn)行狀況良好。

表1 閥門狀態(tài)反饋裝置響應(yīng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The Response performance test data of valve state feedback device

4 結(jié) 語

本文針對(duì)目前灌區(qū)控制中心無法準(zhǔn)確獲知灌溉隔膜閥工作狀態(tài)的缺陷，設(shè)計(jì)了一種新型光電式閥門狀態(tài)反饋裝置。該裝置利用反射式光學(xué)位移傳感器接收光強(qiáng)隨其安裝平面到反射平面的間距變化來反饋閥門的工作狀態(tài)，便于管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、排除故障，提高工作效率，降低運(yùn)行維護(hù)成本。試驗(yàn)結(jié)果表明，該狀態(tài)反饋裝置滿足設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定，能可靠辨識(shí)隔膜閥的各開度信息，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，可較好的適用于農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)中，保證灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行效率與可靠性，提高灌區(qū)自動(dòng)化灌溉管理水平。

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