智能球閥研究進展

黃海亮 宋科明 李統(tǒng)一 陳旭東

（1 廣東聯(lián)塑科技實業(yè)有限公司；2 中山大學化學學院）

1 前言

智慧塑料管網(wǎng)作為智慧城市的重要部分[1-3]，是塑料管道行業(yè)在未來的重要發(fā)展方向。閥門作為塑料管網(wǎng)組成部分，其智能化工作也受到廣泛關(guān)注[4-5]。

目前行業(yè)內(nèi)的智能閥門一般是指在普通閥門上安裝控制器從而能實現(xiàn)遙控功能的閥門。在此基礎(chǔ)上，如果能在閥門上安裝傳感器，不僅能提高閥門的元件集成度，減少管材管件上的開孔數(shù)目，還能降低智慧塑料管網(wǎng)的組裝難度與成本，有利于智慧塑料管網(wǎng)的推廣應用。

球閥作為常用的閥門種類之一，具有耐磨、密封性好、開關(guān)輕以及使用壽命長等多個特點，在建筑供水、市政供水、石化輸油、工業(yè)排污等多個領(lǐng)域都有廣泛用途[6-8]，不少學者對智能化球閥進行了研究并取得一定成果[9-10]。本文主要總結(jié)了行業(yè)內(nèi)在球閥上安裝傳感器的多種方式，希望能為行業(yè)研發(fā)新型的智能球閥提供參考。

2 傳感器安裝方案

2.1 在閥門兩端安裝傳感器

為了不影響球閥的正常開關(guān)功能，同時又能安裝傳感器獲取流體的數(shù)據(jù)，在球閥兩端承插段安裝傳感器是最容易實現(xiàn)的思路，不少科研人員也按照這思路提出了具體的解決方案[11-13]。

田洪衛(wèi)[14]提出了一種可以實現(xiàn)自動調(diào)壓的閥門，壓力傳感器安裝在流體流動的安裝管上，并通過壓力傳感器和驅(qū)動器控制與閥體轉(zhuǎn)動軸連接的伺服電機，可通過球閥控制管道內(nèi)的流體壓力。盛斌[15]則是提出一種模塊化新型球閥結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。這種球閥在出水部位于水平方向上距離閥芯3cm～10cm 處設(shè)置一個傳感器安裝孔，水質(zhì)傳感器或者電磁流量傳感器可以通過磁性在安裝孔中快速安裝或拆卸。傳感器還連接有wifi 或者藍牙無線通訊模塊，便于向外界終端傳輸信號。這種閥門各個模塊之間通過螺紋或者磁性連接，當某以模塊出現(xiàn)問題的時候能進行快速更換，不需要將閥門整體更換，能極大地簡化操作，有效降低產(chǎn)品后期維護成本。

圖1 一種模塊化功能組合式球閥結(jié)構(gòu)圖

在球閥兩端的承插段安裝傳感器，不僅能滿足數(shù)據(jù)采集的要求，結(jié)合控制器以及執(zhí)行器等組件還能實現(xiàn)管網(wǎng)流體動態(tài)調(diào)控的目的。不過，由于常規(guī)球閥的承插段長度有限，容易對傳感器尺寸形成限制，還會影響閥門與管材管件的連接。為了解決這個問題，有學者提出可以通過一個殼體將常規(guī)尺寸的球閥與傳感器封裝在一起從而形成一個一體化組件[16]。如圖2 所示，采用這種方案，可以在保證球閥正常工作的前提下與不同尺寸的傳感器實現(xiàn)一體化設(shè)計，滿足不同的監(jiān)控要求。這種結(jié)構(gòu)的組件省去了外裝端蓋的連接環(huán)節(jié)，增加了結(jié)構(gòu)的剛性，同時降低生產(chǎn)成本，同時能增加組件的整體剛性及抗破壞能力，還能避免現(xiàn)場安裝時出現(xiàn)的端蓋滲漏的問題。

圖2 一體化流量傳感器- 球閥組件結(jié)構(gòu)圖

2.2 在閥體底部安裝傳感器

對于在球閥上安裝傳感器的位置，除了可以選擇球閥兩端的承插口以外，相關(guān)學者還提出可以在球閥底部以球體中軸線作為中心開孔安裝傳感器[17-19]，在做好嚴格的密封處理后就能保證球閥正常工作的同時還能實現(xiàn)流體參數(shù)監(jiān)控。

圖3 測溫球閥結(jié)構(gòu)圖

卓旦春[20]提出一種底部安裝溫度傳感器的球閥結(jié)構(gòu)（如圖3）。在這種球閥中，導溫件設(shè)置在底部并同時穿過閥體外殼和閥芯，且其內(nèi)端位于流體通道處，外端則伸出閥體，整體通過內(nèi)螺紋與閥體連接，方便安裝與拆卸。導溫件內(nèi)部的測溫孔裝有溫度傳感器，內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有內(nèi)向的擋沿，當溫度傳感器裝入測溫孔內(nèi)，再在擋沿口處安裝固定帽堵塞溫度傳感器，防止溫度傳感器從測溫孔上脫落。導溫件與凸邊的連接處還設(shè)置有密封圈，一方面增強了導溫件與閥體之間的密封性，另一方面方便導溫件的連接。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于在球閥底部開孔并安裝溫度傳感器，能有效對球閥內(nèi)部溫度實現(xiàn)精確測量，同時不影響閥門正常開關(guān)功能。

汪曉崗等人[21]提出了一種新型智能燃氣球閥，結(jié)構(gòu)如圖4。在球閥下側(cè)設(shè)置一個定位孔，用于放置智能模塊。在智能模塊中，可以寫入該產(chǎn)品的生產(chǎn)時間、生產(chǎn)過程參數(shù)、出廠時間等信息，在施工方安裝后可以寫入施工時間施工責任人等信息，并在后期對管線維護過程中，該智能模塊可以安裝全球定位（GPS）芯片，實現(xiàn)閥門快速定位，并通過藍牙或者wifi 等方式與終端設(shè)備進行連接并寫入相應信息。在該模塊中，也可以設(shè)置氣壓傳感器監(jiān)控燃氣傳輸過程中的氣壓值。當閥體與閥芯呈斷開狀態(tài)時，連接通道與輸氣通道錯開，閥體內(nèi)腔與智能模塊的容置槽也斷開，便于智能模塊取出維護或更換，有效降低產(chǎn)品維護成本，具有較強靈活性。

圖4 一種智能燃氣球閥結(jié)構(gòu)圖

2.3 在球體上安裝傳感器

為了保證球閥正常工作的情況下實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能，除了可以考慮在球閥底部的中心安裝傳感器以外，還可以直接將傳感器與球閥芯體做成一體化器件[22]。齊寬寬[23]提出了一種防凍結(jié)球閥（圖5），球閥殼體內(nèi)部設(shè)置球閥芯體，溫度傳感器安裝在球閥芯體內(nèi)，在球閥的支撐承軸底部以及閥桿有加熱裝置。傳感器與加熱裝置都與控制裝置連接，一旦球閥內(nèi)部溫度過低能開啟加熱功能實現(xiàn)保溫防凍結(jié)，同時閥體外部包裹保溫層，能有效防止球閥被凍結(jié)，避免事故出現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)有利于減少了閥體的開孔，降低泄漏風險。

圖5 防凍結(jié)球閥結(jié)構(gòu)圖

2.4 閥桿中安裝傳感器

在前面的方案中，雖然在閥體底部中心開孔接入傳感器，或者將傳感器與球體做成一體化的結(jié)構(gòu)，能有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的目的，但這兩個方案都涉及對閥芯（球體）進行改動。前者涉及在閥體外殼以及球體兩層結(jié)構(gòu)上開孔，對密封工藝要求高；后者涉及電子元件的集成，對制作工藝要求高。這兩種解決方案執(zhí)行難度較高，輕微的失誤都可能對球體結(jié)構(gòu)以及球閥使用壽命產(chǎn)生不良影響。為此，有學者提出了其他的思路[24]。

周盈裕[25]提出了一種用于天然氣管道的智能球閥結(jié)構(gòu)（圖6）。這種球閥采用間隙配合的連接方式，并結(jié)合有預緊力彈簧、支撐柱技術(shù)方案結(jié)合的方法，同樣達到閥桿與凹槽過贏配合的技術(shù)效果，解決扳手、閥桿以及球體轉(zhuǎn)動不同步的問題，延長了球閥使用壽命。閥桿的中心具有軸向貫通孔貫穿球體端部。閥桿還開設(shè)有軸向貫通孔相連的徑向泄漏檢測微孔。閥桿的軸向貫通孔內(nèi)安裝有氣體傳感器。傳感器、閥體上的自動控制器以及蜂鳴報警器通過導線相連。當球體球座之間出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象時，氣體通過閥桿與凹槽經(jīng)后期磨損后的間隙以及檢測微孔到達軸向貫通孔并被傳感器監(jiān)測。傳感器檢測得信息轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸?shù)娇刂破鳎瑥亩鴮崿F(xiàn)報警功能，避免事故的發(fā)生。

圖6 天然氣管道用智能球閥結(jié)構(gòu)圖

2.5 多功能球閥

隨著技術(shù)的不斷進步，產(chǎn)品上元件的集成度也隨之提升。如果球閥上能集成多個傳感器[26-27]，就能在一個監(jiān)控點實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)控，系統(tǒng)平臺可以通過綜合分析多種數(shù)據(jù)更快發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)異常事件，同時也能提高工作人員處理異常事件的效率。另外，球閥上元件集成度的提升能減少管網(wǎng)上的開孔數(shù)目，降低構(gòu)建智慧塑料管網(wǎng)的難度與成本，有利于智慧管網(wǎng)的推廣建設(shè)。

陶岳杰等人提出了一種智能管道漏水保護器（圖7），包括球閥閥體、球閥控制器、電路主板、溫度傳感器、流量傳感器以及壓力傳感器等元件[28]。傳感器與控制器都通過導線與主板相連。球閥外殼安裝有LED 屏幕，可以顯示流體參數(shù)。通過相應的旋鈕以及按鈕能直接控制球閥，也能通過終端（手機等）以wifi 或者GPRS 等方式對其進行遙控。這種保護器可以對家庭用水的壓力、流量、溫度進行實時檢測，智能判斷家庭是否漏水，并能通過手動或者軟件遠程控制閥門開關(guān)，方便安全，符合智慧家庭的發(fā)展趨勢。

圖7 智能管道漏水保護器

3 總結(jié)

球閥作為常用的閥門之一，是塑料管網(wǎng)中重要組成部分，其智能化研究是塑料管道領(lǐng)域的熱點。通過在球閥中安裝傳感器，賦予其采集數(shù)據(jù)的功能，有效提高閥門產(chǎn)品的元件集成度。這類新型的智能化球閥，不僅能提高塑料管網(wǎng)的調(diào)控效率，還能減少管材管件上的開孔數(shù)目，降低構(gòu)建智慧塑料管網(wǎng)的組裝難度與成本，有利其推廣應用，具有重要的實際意義。