關于自動控制閥門的研究

董濤

摘要：隨著我國經濟建設的不斷發展和工業自動化進程的不斷加快，在國內的一線企業中自動控制系統被越來越多的應用到企業的生產過程中，在這些自動控制系統中，自動控制閥門是企業應用比較多的一種，本文從自動控制理論出發，結合自動控制閥門研發與應用中的實際，對自動閥門進行深入的研究和探討。

關鍵詞：閥門;自動化;控制

前言

近些年自動控制領域在經濟快速發展的推動下取得了較大的發展，但是這種經濟發展驅動的進步缺乏自身的內部動力，導致自動閥門技術發展和自動控制閥門發展的未來趨勢有很大的差異，本文將對閥門控制的自動化進行深入的分析，以實現了解當下展望未來的目標。

1.閥門的重要作用及應用現狀

所有涉及流體使用和加工的生產企業都離不開閥門，閥門在流體系統控制中的作用是不言而喻的，在當下的一線企業，閥門起到的作用主要是控制流體流動的方向、壓力和流量，簡單來講流體系統本身只是一種管道系統，系統中的流體在管道中順應了最簡單的重力和壓力的趨動而運動，閥門在流體系統中的參與徹底改變了這一現狀，基本上實現了在流體系統中流體運動全過程的監視與控制，在流體系統運行中起到了導流、節流、分流、溢流泄壓和截流等重要作用。

目前在市場中流通的閥門種類繁多，質量和技術含量參差不齊，既有結構比較簡單的截止閥也有內部結構極為復雜的自動控制閥門，簡單的截止閥一般都用在相對比較小的企業和家庭取暖工程中，復雜的自動控制閥門是當下大型流體利用企業最重要的一種節點控制系統，也是大型流體企業整個流體監視控制系統中的重要組成部分，是閥門生產和研發領域面對未來，參與社會化大生產的重要產品，未來的自動控制閥門很可能實現與電子感應和數字化信息系統的結合，將在流體應用企業中成為流體系統運行工作監控網絡的重要神經元似的節點。通常情況下，能夠被閥門控制的介質都是擁有流體性質的物質，比如水、蒸汽、油、泥漿、液態金屬、腐蝕性介質、放射性流體等。閥門作用的實現方式也有很多種，最簡單的手動控制、相對高水平的電動控制、結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對實際使用情況對閥門的不同要求，可以在壓力、溫度或者其他種類的傳感信號作用下，根據預先設定的判斷原則，做出相應的技術動作[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）截斷類閥門。這一類中有截止閥、球閥、閘閥等，最主要的作用是實現流體在管道中的接通或者截斷。

（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用在高溫蒸汽等氣體和易蒸發液體領域，最主要的作用是改變氣流的流動方向，調節氣流量的大小、連接或者是切斷管路的真空系統元件等。

（3）特殊類閥門。這一類閥門多數都是應用在一些特殊領域，并且針對應用的領域擁有一些特殊的設置和功能。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備中必須有的重要閥門，被廣泛的應用到給排水、鍋爐、石油天然氣管道中。

2.關于無源自動控制閥門的研究

目前，在閥門生產領域傳統的截斷式閥門市場已經基本飽和，閥門生產企業的主要目光都集中到自動控制閥門的研究和開發中來，但是當下對自動控制閥門的研究大部分都集中在有源控制領域，基于純機械自動控制閥門的研究卻相對較少。所謂的純機械自動控制閥門實質上就是無源控制閥門，即不需要外部提供能量只依靠自身的能量就能實現對流體的管控的閥門[2]。

上世紀八十年代，無源自動控制閥門第一次在美國被研制出來并應用于農田灌溉領域，這一無源自動控制閥門的工作原理是：通過抽水機的不停工作在田地中進行灌溉作業，與此同時在田地的淺層地表埋設許多土壤濕度傳感器，這些傳感器都與灌溉系統下游的灌溉直流相連接，水被灌溉進入到田地后會逐漸滲入淺層地下的傳感器中，一旦水分含量大于預定值時，水分便會經由親水物質進入到閥門內部，閥門內部的凝膠遇水之后會產生膨脹，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下降，灌溉水量就會不斷下降直到完全被截止。一旦土壤中出現旱情，控制閥門中凝膠的水分蒸發，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。這一設計一經公布在自動控制領域和閥門生產領域引起了巨大的反響，在經歷了各行各業的反復驗證之后，該技術被正式承認是無源控制閥門技術的最早發明應用，在實踐中該閥門的優點是顯而易見的，能夠精確的控制水量，有效的減少水資源的浪費而且用很低的設備成本就實現了水量的無源自動控制。但是由于種種原因這一設計并沒有得到廣泛應用，本文在這一設計理念基礎上結合最新技術進行了重新的設計[3]。

3.關于無源自動控制閥門設計

3.1設計思路

本文在舊的節水閥門設計理念基礎上，結合了最新的土壤水分張力計作為控制元件，與舊的節水閥門一樣一旦張力計感受到土壤中的水分超過預定值就會產生膨脹，推動閥芯截斷灌溉水流，土壤中的水分有所下降張力計又會產生收縮，這時閥芯在彈簧的作用下又慢慢減輕對水流的壓力，對田地的灌溉就又開始了。其特點是土壤水分張力計相比于舊控制閥中的凝膠更加敏感，對土壤中的水分監控更加充分，產生的形變對閥門的作用力也更加穩定[4]。

3.2設計結構

由圖1可知，彈簧1在土壤水分張力計的推動下進而推動閥芯向前，截斷水流向下游支流的流動，在土壤干旱時控制元件會收縮，閥芯會在彈簧2的作用下逐漸向后，閥芯退后后水流就會經由閥口向下游支流流去，灌溉干旱的農田。

4.結論

隨著我國經濟的快速發展，一線企業對自動控制系統的需求不斷增加，尤其是其中的不依靠任何外來能量的無源自動控制閥門，將會在流體應用企業大展身手。

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，2010.

[2]徐震.?高壓通海閥結構設計及參數優化研究[D].哈爾濱工程大學，2013.

[3]劉靜.?利用濕敏材料控制節水閥門的研究[D].北京林業大學，2007.

[4]田冠亞.?生物醫藥微小流量計量標準裝置的研究[D].中國計量學院，2012.