智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置的設計*

上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 201114

1 設計背景

閥門的流量系數是衡量閥門流通能力的指標，流量系數越大，說明流體經過閥門時的壓力損失越小。閥門的流阻因子可以衡量流體通過閥門后的主要功率消耗［3］。閥門的流量系數與流阻因子取決于閥門的尺寸、形式、結構，因此對閥門的流量系數與流阻因子進行試驗，可以改進閥門產品，為流體工程系統合理設計、降低動力消耗提供有效數據［4］。筆者設計了智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置，對于合理選用閥門、評定閥門質量水平、開發新型節能產品及制定閥門有關標準等具有積極作用［5］。

2 檢測裝置原理

智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置主要由循環水箱、水泵驅動系統、測試管道、數據采集系統和計算機自動控制系統等組成。循環水箱提供試驗介質，水泵驅動可以達到滿足試驗要求的流量和壓差。數據采集系統主要收集流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器等的數據，通過以太網反饋至計算機，并通過計算機計算得出常用閥門的流量系數和流阻因子，繪制流量與壓差曲線圖，從而分析閥門的水力特性。智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置及水路原理分別如圖1、圖 2所示。

智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置可自動檢測閥門的流量系數、流阻因子和流量特性，具體包括：①水流通過閥門達到穩流時，通用閥門常壓下的流量系數和流阻因子；②調節閥常壓下的流量系數和固有流量特性；③ 減壓閥的調壓試驗、流量試驗、流量特性試驗和壓力特性試驗。試驗時，智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置可以模擬水流動狀態，檢測不同進口壓力及不同流量下的閥門流量特性和壓力特性等［6-7］。

設計精度高且操作簡便的智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置，關鍵是測量閥門進出口的壓差。通過以下公式可以計算出閥門的壓力損失Δpv、流量系數Kv和流阻因子ξ：

▲圖1 智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置

▲圖2 智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置水路原理

式中：Δpv+t為閥門和試管的壓力損失，Pa；Δpt為試管的壓力損失，Pa。

式中：qv為流速，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；ρ0為 15 ℃時水的密度，kg/m3。

式中：u為平均流速，m/s。

式中：q為流量，m3/s；D為試管的內徑，mm。

3 電控系統

3.1 組成

智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置的電控系統主要由六部分組成，如圖3所示。

開關電源將220 V交流電轉換為24 V直流電，向測試系統的可編程序控制器和傳感器提供電源。可編程序控制器對傳感器采集的數據進行轉換，轉換為常用單位數據，并根據這些數據計算測試結果。傳感器采集測試需要的壓力、流量、壓差、溫度數據。變頻器根據可編程序控制器控制，提供恒壓變頻供水。伺服驅動器根據可編程序控制器指令，實現閥門的自動開合。計算機具有人機交互界面，可以發出測試指令，根據可編程序控制器數據形成測試曲線，得出測試結果。

3.2 控制子程序

智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置采用子程序分塊控制［7-8］，檢測主程序包含以下子程序：

（1）模擬量采集轉換子程序；

（2）模擬量轉換數據校驗子程序；

（3）恒壓變頻控制子程序；

（4）靜壓差計算子程序；

（5）流速計算子程序；

（6）雷諾數Re計算子程序；

（7）流量系數計算子程序；

（8）流阻因子計算子程序；

檢測流程如圖4所示。

3.3 可編程序控制器地址表

可編程序控制器地址表用于編程時使用的各種編程元件，可提供動合和動斷觸點。編程元件包括輸入寄存器、輸出寄存器、位存儲器、定時器、計數器、通用寄存器、數據寄存器及特殊功能存儲器等［9］。智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置的設計程序中數據及命令的載體就是編程元件。外部輸入輸出信號傳送設備地址［10-11］、寄存器地址、輔助繼電器地址、定時器地址等。

3.4 操作界面

基于標準 BS EN 1267：2012，設計了適用于程序模塊測試的組態軟件，用于操作者發布命令、設置參數，并將數據處理的結果呈現在操作界面上，如圖5所示。圖6給出了閥門的流量與壓差變化曲線，圖7給出了閥門流量系數與閥門開度變化曲線。

▲圖3 電控系統組成

▲圖4 控制流程圖

4 結束語

▲圖6 閥門流量與壓差變化曲線

▲圖7 閥門流量系數與開度變化曲線

通過設計，智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置所得數據穩定，精度滿足標準要求。該檢測裝置自動化程度高，所有檢測數據均經高速處理，且處理準確度高，同時滿足了標準 BS EN 1267：2012和 GB/T 30832—2014的檢測要求。智能閥門流量系數流阻因子檢測裝置的設計可以提升檢測能力，有利于今后新市場的開拓。