基于ZigBee無(wú)線通訊的高溫閥門(mén)性能測(cè)試裝置研究

吳懷昆，郭懷舟，高紅彪，郝偉沙，陳鳳官，耿圣陶

（合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230088）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，攜有高溫流體的管路系統(tǒng)日益增加，高溫閥門(mén)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，管路系統(tǒng)的要求及新材料和新工藝的出現(xiàn)，開(kāi)拓了高溫閥門(mén)的應(yīng)用領(lǐng)域。高溫閥門(mén)的產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)高溫流體管道系統(tǒng)的安全，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬高溫工況下閥門(mén)的密封性能是高溫閥門(mén)產(chǎn)品質(zhì)量管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1 性能試驗(yàn)分析

在高溫條件下，金屬材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、以及蠕變、斷裂的失效形式等各類(lèi)物理性能、機(jī)械性能都會(huì)發(fā)生一定的變化，且變化非常明顯，同時(shí)，金屬材料在不同溫度下的最大許用工作壓力也是不同的，選擇不同材料設(shè)計(jì)制造的閥門(mén)，不同溫度下的性能也不同。因此，通過(guò)模擬不同工況溫度，驗(yàn)證高溫閥門(mén)的密封性能是一項(xiàng)重要工作。目前，閥門(mén)高溫性能測(cè)試主要參考的標(biāo)準(zhǔn)為《MESC SPE 77/300 2012 Procedure and technical specification for type acceptance testing(TAT)of industrial valves》。

高溫閥門(mén)性能測(cè)試項(xiàng)目為密封性能，包含低壓閥座密封試驗(yàn)、壓力遞增閥座密封試驗(yàn)、閥體/低泄漏密封試驗(yàn)、高壓閥座密封試驗(yàn)。其試驗(yàn)程序大致如下：通過(guò)熱輻射方式對(duì)被試閥進(jìn)行加熱升溫，加熱過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閥體、閥內(nèi)腔、填料壓蓋溫度，控制升溫速率，保證閥體與閥內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，填料壓蓋的溫度穩(wěn)定在閥內(nèi)腔溫度的20%以內(nèi)。當(dāng)被試閥閥內(nèi)腔溫度達(dá)到試驗(yàn)要求的溫度后，確認(rèn)被試閥是否處于關(guān)閉狀態(tài)，通入經(jīng)過(guò)增壓控制的試驗(yàn)介質(zhì)氣（氮?dú)饣蚝猓辉囬y壓力滿足試驗(yàn)要求后，測(cè)量泄漏量，判斷被試閥是否合格。

圖1 高溫閥門(mén)性能測(cè)試裝置原理圖

2 高溫閥門(mén)性能測(cè)試裝置

高溫閥門(mén)性能測(cè)試原理如圖1所示，裝置由高溫系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)等組成。

2.1 高溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了模擬高溫工況，保證試驗(yàn)介質(zhì)氣進(jìn)入高溫被試閥之前預(yù)熱，高溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮配備外部輻射系統(tǒng)和內(nèi)部對(duì)流系統(tǒng)。

試驗(yàn)時(shí)，被試閥通過(guò)外部熱輻射的方式加熱。外部輻射系統(tǒng)由帶PID溫度調(diào)節(jié)的高溫箱及閥門(mén)推送、支撐機(jī)構(gòu)組成。高溫箱為耐火、保溫結(jié)構(gòu)的臺(tái)車(chē)爐，其結(jié)構(gòu)尺寸按被試閥最大結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，可滿足現(xiàn)有主流高溫閥門(mén)產(chǎn)品試驗(yàn)需求。加熱元件為電阻帶，采用懸掛式瓷組固定，熱輻射性能好，功率約160kW，經(jīng)計(jì)算最高加熱溫度可達(dá)900℃。溫度控制主回路采用大功率雙向可控硅過(guò)零調(diào)功觸發(fā)，可控硅采用風(fēng)冷形式，設(shè)有過(guò)載、過(guò)熱及過(guò)流保護(hù)等功能。整個(gè)外部輻射系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能，有超溫、斷偶、過(guò)流、短路等保護(hù)，爐門(mén)、臺(tái)車(chē)等各動(dòng)作連鎖，保證了裝置和被試閥的安全。

同時(shí)，低壓介質(zhì)氣（≤0.6MPa）通過(guò)內(nèi)部對(duì)流系統(tǒng)充分換熱成中溫低壓氣后加注至被試閥。內(nèi)部對(duì)流系統(tǒng)由溫度可控的管道加熱器和換熱管等構(gòu)成。開(kāi)啟管道加熱器，對(duì)進(jìn)入管道的常溫試壓介質(zhì)氣進(jìn)行加熱，最高溫度可加熱至450℃，溫度同樣可控。

2.2 壓力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓力系統(tǒng)由氣瓶組、介質(zhì)氣增壓及回收控制系統(tǒng)、氣路切換系統(tǒng)、高壓管路系統(tǒng)等組成。氣瓶組通過(guò)減壓閥平滑調(diào)節(jié)介質(zhì)氣壓力，介質(zhì)氣再通過(guò)增壓及回收控制系統(tǒng)控制后氣體注入被試閥。整個(gè)壓力管路按最大承受壓力為35MPa設(shè)計(jì)，可覆蓋目前主流高溫閥門(mén)產(chǎn)品。

氣路切換系統(tǒng)主要是為了適應(yīng)被試閥在試驗(yàn)過(guò)程中的流向控制，尤其對(duì)于雙向增壓以及中腔檢漏的被試閥，可直接通過(guò)氣路切換系統(tǒng)的閥組（遠(yuǎn)程氣孔針型閥）自動(dòng)切換，完成試驗(yàn)。如圖1所示，共有三個(gè)獨(dú)立管路聯(lián)接閥門(mén)流向的前側(cè)、右側(cè)或中腔，可以選擇從其中任何一條管路通入試驗(yàn)介質(zhì)，并任意選用另一路測(cè)泄漏，功能的實(shí)現(xiàn)由控制系統(tǒng)完成。同時(shí)，在被試閥不開(kāi)啟的前提下，通過(guò)遠(yuǎn)程控制電磁閥先導(dǎo)的氣控針型閥，泄放試驗(yàn)壓力。

MESC SPE 77 300 2012指出，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行加熱升溫時(shí)，閥內(nèi)、外溫差不超過(guò)20℃，閥桿填料壓蓋處溫度不超過(guò)閥內(nèi)溫度的20%，因此必須實(shí)時(shí)監(jiān)控閥內(nèi)腔溫度。閥內(nèi)腔溫度測(cè)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。溫度變送器伸入高壓引出管內(nèi)，靠近閥體腔，通過(guò)圖示的高壓承壓件實(shí)現(xiàn)高壓密封，滿足試驗(yàn)要求。

圖2 閥內(nèi)腔溫度測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 檢漏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高溫閥門(mén)性能測(cè)試的泄漏率依據(jù)ISO 5208的泄漏率標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，檢漏系統(tǒng)將閥門(mén)的泄漏率測(cè)量分為 5μL氣 泡 級(jí)、0～0.5L/min、0～3L/min和 0.2～10L/min四個(gè)等級(jí)，泄漏率根據(jù)量程大小從大到小依次通過(guò)VS2-3、VS2-2、VS2-1和VS2-4切換。其中0～0.5L/min、0～3L/min和0.2～10L/min三個(gè)量程范圍的泄漏率可通過(guò)數(shù)字式熱敏流量計(jì)直接測(cè)量。由于現(xiàn)有流量計(jì)的精度和分辨率無(wú)法滿足氣泡級(jí)泄漏檢測(cè)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)字式光纖傳感器自動(dòng)測(cè)氣泡系統(tǒng)。光纖傳感器包含一對(duì)光發(fā)射器和接收器，設(shè)定好光纖中初始傳輸光的偏振值，氣泡出口安裝在發(fā)射器和接收器的直線軌跡上，當(dāng)有氣泡溢出時(shí)，氣泡會(huì)改變軌跡上發(fā)射器發(fā)出光的偏振，當(dāng)偏振改變達(dá)到一定量時(shí)，傳感器輸出脈沖信號(hào)給上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)氣泡數(shù)量的自動(dòng)測(cè)量，通過(guò)計(jì)算，可以估算出氣泡級(jí)泄漏量。

3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種雙向無(wú)線通信技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示?？梢圆捎眯切秃途W(wǎng)狀拓?fù)洌苍试S兩者的組合。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同角色，可分為全功能設(shè)備（Full-Function Device；FFD）與精簡(jiǎn)功能設(shè)備（Reduced-Function Device；RFD）。FFD的節(jié)點(diǎn)具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換，而RFD則只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或從FFD接收數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，高溫閥門(mén)性能測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)回饋到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，而且試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不需要布置大量的數(shù)據(jù)采集、通信電纜，相對(duì)節(jié)約成本。

3.2 測(cè)控系統(tǒng)模型

高溫閥門(mén)性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)包括溫度（環(huán)境溫度、閥體溫度、閥蓋溫度、閥內(nèi)腔溫度），壓力（被試閥前、后壓力，有中腔結(jié)構(gòu)的還需要測(cè)量中腔壓力）和流量（瞬時(shí)泄漏率、累計(jì)泄漏量、平均泄漏率）的參數(shù)。如圖4所示，根據(jù)溫度、壓力、流量建立智能測(cè)試系統(tǒng)模型。

高溫性能測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)建立基站，4～20mA的溫度、壓力、泄漏率等一次儀表信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，就地上二次儀表（高精度智能儀表）用于現(xiàn)場(chǎng)顯示，同時(shí)通過(guò)ZigBee遠(yuǎn)程發(fā)射模塊組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，在遠(yuǎn)端控制室安裝Zigbee接收模塊，遠(yuǎn)程接收數(shù)據(jù)，ZigBee接收模塊與PLC（可編程控制器）之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，通過(guò)PLC可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)基站的自動(dòng)化控制。PLC與上位機(jī)建立Internet以太網(wǎng)通信，通過(guò)組態(tài)軟件在上位機(jī)端建立友好的人機(jī)界面，通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與分析，遠(yuǎn)程完成高溫閥門(mén)性能測(cè)試試驗(yàn)。同樣的，ZigBee接收模塊也可以與上位機(jī)之間直接通過(guò)組態(tài)軟件、標(biāo)準(zhǔn)Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理與分析。

圖4 高溫閥門(mén)測(cè)試控制系統(tǒng)模型

4 結(jié)語(yǔ)

高溫閥門(mén)性能測(cè)試裝置采用外部輻射加熱為主，內(nèi)部對(duì)流換熱為輔的方式對(duì)被試閥進(jìn)行升溫操作。同時(shí)，鑒于ZigBee組網(wǎng)的低成本、低功耗、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全等特點(diǎn)設(shè)計(jì)的基于Zigbee無(wú)線通訊的高溫閥門(mén)性能測(cè)試裝置，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)氣路管道自動(dòng)切換，滿足被試閥不同流向試驗(yàn)要求。同時(shí)密封性能測(cè)試時(shí)，可根據(jù)實(shí)際泄漏情況遠(yuǎn)程選擇不同量程范圍的泄漏率用一次儀表，為閥門(mén)高溫性能測(cè)試提供整體解決方案。

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