智能電氣閥門定位器的創新設計

王日君 楊浩棟 沈舒陽

摘要：在對閥門定位器的安全性、可靠性問題進行分析的基礎上，綜合運用TRIZ理論中發明原理和物場模型兩種方法，對現有定位器的氣源和外殼進行改進，設計得到一種具有防水功能外殼和多腔體結構氣源的智能電氣閥門定位器，有效提升了定位器殼體的安全性及氣源氣體輸出的穩定性。

關鍵詞：定位器；TRIZ；發明原理；物場模型

一、引言

閥門定位器是閥門關鍵附件。智能閥門定位器運用人工智能技術，實現電氣化信號的智能處理，其利用通信協議，具有數字通信功能，有很大的市場開發前景[1]。智能電氣閥門定位器目前智能化、自動化程度較高，但是穩定性和安全性仍有缺陷[2]，且在陰暗潮濕的區域會因為空氣中濕度過大而導致內部電子元件受損失靈，氣源輸出的氣流會因外部溫度的變化而產生流速不穩定的問題，從而降低安全性和穩定性。

發明問題解決理論（TRIZ）作為一種創新方法，揭示了創造發明的內在規律和原理，能夠大大加快人們創造發明的進程并得到高質量的創新產品，在機械、管理等領域廣泛應用。本文應用TRIZ理論對智能電氣閥門定位器的氣源的內部腔體結構和殼體進行改進，以提高其安全性和穩定性。

二、當前問題的描述

閥門定位器殼體為非密封結構，如圖1所示，在陰暗潮濕的區域會因空氣中濕度過大導致其內部電子元件受損失靈。另外，閥門定位器的氣源大多為金屬外殼，導熱性較好，易受外部溫度變化造成內部氣壓不穩定，氣源輸出的氣流會因外部溫度的變化而產生流速不穩定的問題。圖2為閥門定位器的氣源示意圖。

三、基于發明原理的閥門定位器氣源的改進

技術系統和生物有機體相似，改變系統的某一部分可能會對系統的另一些部分產生負面影響。系統中一部分的改善引起其他部分或相關部分的惡化，便產生了技術沖突。作為TRIZ理論的重要工具之一——發明原理，其針對的便是技術沖突類問題[3]。

基于當前問題分析，閥門定位器的氣源在內部結構設計、可操作性方面存在著技術沖突。欲改善氣源腔體結構，由多腔體結構代替單一腔體，但會導致氣源的制造難度增加，系統復雜性提高，即存在如下的沖突：

改善的參數：通用技術參數26（物質的量）；惡化的參數：通用技術參數（33）操作流程的方便性。由沖突矩陣查找到以下發明原理。

（1）10號原理（預先作用）：改進氣源腔體，在腔體內部安裝限速板與測速裝置，端口處安裝分流管道。限速器根據氣體流經的距離和時間差計算氣體流速，規定速度的氣流從噴口輸出，大于限速的氣流從分流管道流出，限速器內部設置超速導氣口與限速導氣口，高于限速的氣流變道至超速導氣口，經分流管流出；符合限速的氣流由限速導氣口進入，最終從氣源噴口輸出，如圖3所示。

（2）35號原理（狀態或參數的變化）：將氣源內腔體外殼的材料更換為散熱性較高的材料，增強導熱性，降低外界溫度對腔體內氣流的影響，但該方法會增加氣源的制造成本，故不予考慮。

四、基于物場模型的殼體的改進

1.物場模型

物場模型是TRIZ理論中一種重要的問題分析和求解工具，其描述了技術系統建立、發展的實質。明確物場模型的類型，運用相應的標準解，即可找到問題的解決方案[4]。

2.基于物場模型的改進設計

從物場模型的角度，每一個系統是由三個基本元素組成：S1、S2和F。定位器內部電子元件為S1，殼體為S2，由于殼體防水性能不足，導致雨水進入，電子元件損壞。由此構成一個防水性能不足的物場模型，如圖4所示。

根據物場模型標準解法，如圖5所示，添加一種新物質S3，即在電子元件表面覆蓋防水外殼，使其與外界水分隔絕，防止其受損。

3.解決方案

改進現有殼體構造，在內部電路板表面添加防水外殼，保證電路板表面干燥，從而保護電子元件的正常運行，如圖6所示。

五、改進后的整體結構

如圖7所示，氣體從進氣口進入氣源，經限速板測速，流速不穩定的氣流通過分流管進入超速導氣口（或限速導氣口）流出氣源，流速穩定的氣流通過噴口進入閥門定位器。若閥門定位器處于潮濕環境，電路板的防水外殼將雨水阻擋至殼體表面，殼體側面為向上傾斜的設計并設置引水槽，雨水通過引水槽流至下方，保護電路板正常運行。

六、結論

論文在對現有的智能電氣閥門定位器進行分析的基礎上，針對其氣流流速不穩定和在潮濕環境中電子元件受損的問題，分別應用TRIZ理論的發明原理和物場模型兩種工具對這兩個問題進行分析、改進，最終通過改進氣源內部的腔體結構以及在殼體內部添加防水外殼的方式，有效地解決了智能電氣閥門定位器缺乏安全性和穩定性的問題。

參考文獻

[1]高院生. 智能閥門定位器的研究與設計[J]. 河南科技，2013（11）：95，105.

[2]王志剛，俞利明，胡孟杰，等. 智能電氣閥門定位器的研制[J]. 化工自動化及儀表，2020，47（2）：127-130.

[3]張瑞紅，檀潤華，陳鐵鋒，等. 技術沖突解決原理及其應用[C]機械設計 2001專集.天津：《機械設計》雜志社， 2001：142-143.

[4]朱宏峰，李彥，李文強，等. 基于物-場模型的理想化設計[J]. 機械設計與制造，2010（12）：6-8.

[5]SIDDHANT S，ABHISHEK V，JANAKARAJAN R. Design and development of IV fluid warming system using TRIZ methodology[J]. Engineering Research Express，2023，5（1）.

責編/段永利