基于ZigBee無線通訊的高溫閥門性能測試裝置研究

吳懷昆，郭懷舟，高紅彪，郝偉沙，陳鳳官，耿圣陶

（合肥通用環境控制技術有限責任公司，安徽 合肥 230088）

隨著現代科學技術和現代工業的飛速發展，攜有高溫流體的管路系統日益增加，高溫閥門的應用越來越廣泛，管路系統的要求及新材料和新工藝的出現，開拓了高溫閥門的應用領域。高溫閥門的產品質量關系到整個高溫流體管道系統的安全，通過試驗驗證模擬高溫工況下閥門的密封性能是高溫閥門產品質量管理的一個重要環節。

1 性能試驗分析

在高溫條件下，金屬材料的強度、硬度、塑性、以及蠕變、斷裂的失效形式等各類物理性能、機械性能都會發生一定的變化，且變化非常明顯，同時，金屬材料在不同溫度下的最大許用工作壓力也是不同的，選擇不同材料設計制造的閥門，不同溫度下的性能也不同。因此，通過模擬不同工況溫度，驗證高溫閥門的密封性能是一項重要工作。目前，閥門高溫性能測試主要參考的標準為《MESC SPE 77/300 2012 Procedure and technical specification for type acceptance testing(TAT)of industrial valves》。

高溫閥門性能測試項目為密封性能，包含低壓閥座密封試驗、壓力遞增閥座密封試驗、閥體/低泄漏密封試驗、高壓閥座密封試驗。其試驗程序大致如下：通過熱輻射方式對被試閥進行加熱升溫，加熱過程中實時監測閥體、閥內腔、填料壓蓋溫度，控制升溫速率，保證閥體與閥內溫差不超過20℃，填料壓蓋的溫度穩定在閥內腔溫度的20%以內。當被試閥閥內腔溫度達到試驗要求的溫度后，確認被試閥是否處于關閉狀態，通入經過增壓控制的試驗介質氣（氮氣或氦氣），被試閥壓力滿足試驗要求后，測量泄漏量，判斷被試閥是否合格。

圖1 高溫閥門性能測試裝置原理圖

2 高溫閥門性能測試裝置

高溫閥門性能測試原理如圖1所示，裝置由高溫系統、壓力系統及測控系統等組成。

2.1 高溫系統設計

為了模擬高溫工況，保證試驗介質氣進入高溫被試閥之前預熱，高溫系統設計時需要考慮配備外部輻射系統和內部對流系統。

試驗時，被試閥通過外部熱輻射的方式加熱。外部輻射系統由帶PID溫度調節的高溫箱及閥門推送、支撐機構組成。高溫箱為耐火、保溫結構的臺車爐，其結構尺寸按被試閥最大結構長度設計，可滿足現有主流高溫閥門產品試驗需求。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，經計算最高加熱溫度可達900℃。溫度控制主回路采用大功率雙向可控硅過零調功觸發，可控硅采用風冷形式，設有過載、過熱及過流保護等功能。整個外部輻射系統具有完善的保護功能，有超溫、斷偶、過流、短路等保護，爐門、臺車等各動作連鎖，保證了裝置和被試閥的安全。

同時，低壓介質氣（≤0.6MPa）通過內部對流系統充分換熱成中溫低壓氣后加注至被試閥。內部對流系統由溫度可控的管道加熱器和換熱管等構成。開啟管道加熱器，對進入管道的常溫試壓介質氣進行加熱，最高溫度可加熱至450℃，溫度同樣可控。

2.2 壓力系統設計

壓力系統由氣瓶組、介質氣增壓及回收控制系統、氣路切換系統、高壓管路系統等組成。氣瓶組通過減壓閥平滑調節介質氣壓力，介質氣再通過增壓及回收控制系統控制后氣體注入被試閥。整個壓力管路按最大承受壓力為35MPa設計，可覆蓋目前主流高溫閥門產品。

氣路切換系統主要是為了適應被試閥在試驗過程中的流向控制，尤其對于雙向增壓以及中腔檢漏的被試閥，可直接通過氣路切換系統的閥組（遠程氣孔針型閥）自動切換，完成試驗。如圖1所示，共有三個獨立管路聯接閥門流向的前側、右側或中腔，可以選擇從其中任何一條管路通入試驗介質，并任意選用另一路測泄漏，功能的實現由控制系統完成。同時，在被試閥不開啟的前提下，通過遠程控制電磁閥先導的氣控針型閥，泄放試驗壓力。

MESC SPE 77 300 2012指出，對閥門進行加熱升溫時，閥內、外溫差不超過20℃，閥桿填料壓蓋處溫度不超過閥內溫度的20%，因此必須實時監控閥內腔溫度。閥內腔溫度測量結構設計如圖2所示。溫度變送器伸入高壓引出管內，靠近閥體腔，通過圖示的高壓承壓件實現高壓密封，滿足試驗要求。

圖2 閥內腔溫度測量結構示意圖

2.3 檢漏系統設計

高溫閥門性能測試的泄漏率依據ISO 5208的泄漏率標準。如圖1所示，檢漏系統將閥門的泄漏率測量分為 5μL氣 泡 級、0～0.5L/min、0～3L/min和 0.2～10L/min四個等級，泄漏率根據量程大小從大到小依次通過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三個量程范圍的泄漏率可通過數字式熱敏流量計直接測量。由于現有流量計的精度和分辨率無法滿足氣泡級泄漏檢測要求，系統設計了數字式光纖傳感器自動測氣泡系統。光纖傳感器包含一對光發射器和接收器，設定好光纖中初始傳輸光的偏振值，氣泡出口安裝在發射器和接收器的直線軌跡上，當有氣泡溢出時，氣泡會改變軌跡上發射器發出光的偏振，當偏振改變達到一定量時，傳感器輸出脈沖信號給上位機，上位機計數，實現氣泡數量的自動測量，通過計算，可以估算出氣泡級泄漏量。

3 測控系統設計

3.1 ZigBee無線通訊技術

ZigBee技術是一種雙向無線通信技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。ZigBee無線網絡的拓撲結構如圖3所示。可以采用星型和網狀拓撲，也允許兩者的組合。根據節點的不同角色，可分為全功能設備（Full-Function Device；FFD）與精簡功能設備（Reduced-Function Device；RFD）。FFD的節點具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數據交換，而RFD則只能傳送數據給FFD或從FFD接收數據（圖3）。

圖3 ZigBee無線網絡的拓撲結構

ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，高溫閥門性能測試系統通過ZigBee網絡系統自動采集數據，并將數據回饋到系統進行數據處理與分析，以達到遠程控制的目的，而且試驗現場不需要布置大量的數據采集、通信電纜，相對節約成本。

3.2 測控系統模型

高溫閥門性能測試系統測量參數包括溫度（環境溫度、閥體溫度、閥蓋溫度、閥內腔溫度），壓力（被試閥前、后壓力，有中腔結構的還需要測量中腔壓力）和流量（瞬時泄漏率、累計泄漏量、平均泄漏率）的參數。如圖4所示，根據溫度、壓力、流量建立智能測試系統模型。

高溫性能測試現場建立基站，4～20mA的溫度、壓力、泄漏率等一次儀表信號經過信號轉換器轉換后，就地上二次儀表（高精度智能儀表）用于現場顯示，同時通過ZigBee遠程發射模塊組網，實現無線通信，在遠端控制室安裝Zigbee接收模塊，遠程接收數據，ZigBee接收模塊與PLC（可編程控制器）之間通過標準Modbus通信協議實現數據交換，通過PLC可以進行數據采集、存儲和對現場基站的自動化控制。PLC與上位機建立Internet以太網通信，通過組態軟件在上位機端建立友好的人機界面，通過人機界面實現數據處理與分析，遠程完成高溫閥門性能測試試驗。同樣的，ZigBee接收模塊也可以與上位機之間直接通過組態軟件、標準Modbus通訊協議實現數據交換、數據處理與分析。

圖4 高溫閥門測試控制系統模型

4 結語

高溫閥門性能測試裝置采用外部輻射加熱為主，內部對流換熱為輔的方式對被試閥進行升溫操作。同時，鑒于ZigBee組網的低成本、低功耗、時延短、網絡容量大、可靠、安全等特點設計的基于Zigbee無線通訊的高溫閥門性能測試裝置，可遠程實現氣路管道自動切換，滿足被試閥不同流向試驗要求。同時密封性能測試時，可根據實際泄漏情況遠程選擇不同量程范圍的泄漏率用一次儀表，為閥門高溫性能測試提供整體解決方案。

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