上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 201114

1 設(shè)計(jì)背景

閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，流量系數(shù)越大，說明流體經(jīng)過閥門時(shí)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(shù)與流阻因子取決于閥門的尺寸、形式、結(jié)構(gòu)，因此對(duì)閥門的流量系數(shù)與流阻因子進(jìn)行試驗(yàn)，可以改進(jìn)閥門產(chǎn)品，為流體工程系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)、降低動(dòng)力消耗提供有效數(shù)據(jù)［4］。筆者設(shè)計(jì)了智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置，對(duì)于合理選用閥門、評(píng)定閥門質(zhì)量水平、開發(fā)新型節(jié)能產(chǎn)品及制定閥門有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等具有積極作用［5］。

2 檢測(cè)裝置原理

智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置主要由循環(huán)水箱、水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)試管道、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。循環(huán)水箱提供試驗(yàn)介質(zhì)，水泵驅(qū)動(dòng)可以達(dá)到滿足試驗(yàn)要求的流量和壓差。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要收集流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器等的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)反饋至計(jì)算機(jī)，并通過計(jì)算機(jī)計(jì)算得出常用閥門的流量系數(shù)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(shù)流阻因子檢測(cè)裝置及水路原理分別如圖1、圖 2所示。

智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置可自動(dòng)檢測(cè)閥門的流量系數(shù)、流阻因子和流量特性，具體包括：①水流通過閥門達(dá)到穩(wěn)流時(shí)，通用閥門常壓下的流量系數(shù)和流阻因子；②調(diào)節(jié)閥常壓下的流量系數(shù)和固有流量特性；③ 減壓閥的調(diào)壓試驗(yàn)、流量試驗(yàn)、流量特性試驗(yàn)和壓力特性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置可以模擬水流動(dòng)狀態(tài)，檢測(cè)不同進(jìn)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(shè)計(jì)精度高且操作簡(jiǎn)便的智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置，關(guān)鍵是測(cè)量閥門進(jìn)出口的壓差。通過以下公式可以計(jì)算出閥門的壓力損失Δpv、流量系數(shù)Kv和流阻因子ξ：

▲圖1 智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置

▲圖2 智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)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(shí)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(nèi)徑，mm。

3 電控系統(tǒng)

3.1 組成

智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置的電控系統(tǒng)主要由六部分組成，如圖3所示。

開關(guān)電源將220 V交流電轉(zhuǎn)換為24 V直流電，向測(cè)試系統(tǒng)的可編程序控制器和傳感器提供電源。可編程序控制器對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為常用單位數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)試結(jié)果。傳感器采集測(cè)試需要的壓力、流量、壓差、溫度數(shù)據(jù)。變頻器根據(jù)可編程序控制器控制，提供恒壓變頻供水。伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)可編程序控制器指令，實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)開合。計(jì)算機(jī)具有人機(jī)交互界面，可以發(fā)出測(cè)試指令，根據(jù)可編程序控制器數(shù)據(jù)形成測(cè)試曲線，得出測(cè)試結(jié)果。

3.2 控制子程序

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

（1）模擬量采集轉(zhuǎn)換子程序；

（2）模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)校驗(yàn)子程序；

（3）恒壓變頻控制子程序；

（4）靜壓差計(jì)算子程序；

（5）流速計(jì)算子程序；

（6）雷諾數(shù)Re計(jì)算子程序；

（7）流量系數(shù)計(jì)算子程序；

（8）流阻因子計(jì)算子程序；

檢測(cè)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(shí)使用的各種編程元件，可提供動(dòng)合和動(dòng)斷觸點(diǎn)。編程元件包括輸入寄存器、輸出寄存器、位存儲(chǔ)器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、通用寄存器、數(shù)據(jù)寄存器及特殊功能存儲(chǔ)器等［9］。智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)程序中數(shù)據(jù)及命令的載體就是編程元件。外部輸入輸出信號(hào)傳送設(shè)備地址［10-11］、寄存器地址、輔助繼電器地址、定時(shí)器地址等。

3.4 操作界面

基于標(biāo)準(zhǔn) BS EN 1267：2012，設(shè)計(jì)了適用于程序模塊測(cè)試的組態(tài)軟件，用于操作者發(fā)布命令、設(shè)置參數(shù)，并將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果呈現(xiàn)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(shù)與閥門開度變化曲線。

▲圖3 電控系統(tǒng)組成

▲圖4 控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

▲圖6 閥門流量與壓差變化曲線

▲圖7 閥門流量系數(shù)與開度變化曲線

通過設(shè)計(jì)，智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置所得數(shù)據(jù)穩(wěn)定，精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該檢測(cè)裝置自動(dòng)化程度高，所有檢測(cè)數(shù)據(jù)均經(jīng)高速處理，且處理準(zhǔn)確度高，同時(shí)滿足了標(biāo)準(zhǔn) BS EN 1267：2012和 GB/T 30832—2014的檢測(cè)要求。智能閥門流量系數(shù)流阻因子檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)可以提升檢測(cè)能力，有利于今后新市場(chǎng)的開拓。