一种利用电机调节叠片松紧度的叠片过滤器及其控制系统

1.本发明属于节水灌溉过滤装置领域，涉及一种过滤装备，特别涉及一种利用电机调节叠片松紧度的叠片过滤器及其控制系统。


背景技术：

2.限制节水灌溉技术发展的是灌水器易结垢或堵塞，借助过滤器对水源进行严格的过滤处理是公认的有效解决手段。常见的过滤器中，叠片过滤器过滤效果好，且容易实现自动化。
3.中国专利公告号为cn214551593u，公开了一种叠片过滤器，所述的叠片采用上下开口的锥形段。在过滤时降低了叠片堵塞风险，在进行反冲洗时，可达到水流冲击叠片使叠片之间相互分离一定距离的效果，从而提升反冲洗效果。存在以下问题：利用超声波震动棒完成反冲洗其效果未可知；超声波震动棒价格较为昂贵；叠片的过滤精度单一。
4.中国专利公告号为cn211486747u，公开了一种y型叠片过滤器，通过在横管上分别设置进水管、出水管和上壳体，上壳体上设置下壳体，上壳体和下壳体之间设置过滤装置，上壳体和横管所形成的y字型紧凑结构，以此来达到在缩小整个过滤系统占用空间的同时便于对过滤装置进行拆卸和维护的目的。但通过试验发现水流直冲叠片，导致水头损失出现突增，进而影响整个灌溉系统。
5.综上所述，现有叠片过滤器存在以下问题：1)过滤精度较为单一，市面上常见的叠片过滤器多为120目；2)现有自动反冲洗叠片过滤器不够系列化，造价较高；3)常见小流量叠片过滤器不具有反冲洗功能；4)腔体结构多为y、t型，使得水流直冲叠片，导致水头损失出现突增，堵塞不均匀等现象。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中存在的问题与缺陷，本发明的目的在于提供一种利用电机调节叠片松紧度的叠片过滤器，该叠片过滤器不仅过滤精度可调，具有反冲洗功能，不易堵塞，而且便于系列化生产，成本低。
7.实现上述发明目的所采用的技术方案是：一种利用电机调节叠片松紧度的叠片过滤器，包括进水管、松紧度调节装置、筒体、滤芯、底座、出水管、排污管，所述松紧度调节装置的侧面设有进水口并与进水管连通，下端通过螺纹与筒体的上端连接；所述筒体的下端通过螺纹与底座的上端连接；所述底座的下端中央设有出水口并与出水管连通，侧面设有排污口并与排污管连通；所述底座的出水口上边安装有滤芯；所述滤芯的上端与松紧度调节装置连接。
8.所述松紧度调节装置由步进电机、减速器、联轴杆、分流器和机坐组成，所述步进电机和减速器配套安装在机坐上端，所述减速器动力输出轴与联轴杆的上端连接，所述联轴杆的下端与分流器的上端连接。
9.所述滤芯由骨架、叠片、垫片和弹簧组成，所述叠片套在骨架上；所述骨架的下端
与底座连接，上端与分流器的下端连接，在骨架的上端与分流器之间设置有垫片和弹簧。
10.所述分流器为流线型，且其底部中央向内设有螺孔。
11.所述骨架由底部、支撑杆、顶部和螺杆组成，所述底部设置有螺纹；所述支撑杆为空心的，上端与顶部连接，下端与底部，杆上均匀分布有若干小孔，所述螺杆固定在顶部；所述叠片套在支撑杆上；所述垫片与弹簧套在螺杆上。
12.本发明还有一个目的是提供一种利用电机调节叠片松紧度的叠片过滤器的控制系统，包括进水管、松紧度调节装置、筒体、滤芯、底座、出水管、第一压力变送器、第二压力变送器、第一电磁阀、水源、水泵、流量传感器、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、田间灌溉管网排、排污管及智能控制器plc。
13.所述松紧度调节装置的侧面设有进水口并与进水管的一端连通，下端通过螺纹与筒体的上端连接；所述筒体的下端通过螺纹与底座的上端连接；所述底座的下端中央设有出水口并与出水管的一端连通，侧面设有排污口并与排污管连通；所述底座的出水口上边安装有滤芯；所述滤芯的上端与松紧度调节装置连接；所述进水管上依次安装有第二电磁阀、流量传感器、第一压力变送器；所述水泵的一端通过水管与水源连接，与其另一端连接的水管被分为二路，第一路与进水管连通，第二路与田间灌溉管网排连通；所述第二路水管上依次安装有第三电磁阀、第四电磁阀；所述出水管的另一端与第二路水管连通，所述出水管上安装有第二压力变送器，所述排污管安装有第一电磁阀。
14.所述第一压力变送器、第二压力变送器、第一电磁阀、水源、水泵、流量传感器、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀分别通过导线与智能控制器plc连接。
15.所述出水管连接在第三电磁阀和第四电磁阀中间的第二路水管上。
16.所述智能控制器plc选用lk3u-64，其接口包括两个rs485接口、一个rs232接口、开关量输入输出接口、模拟量输入输出接口，用于数据的汇集、处理和输出。
17.通过采用上述技术方案，过滤时，含杂质水从过滤器的进口流入，流经分流器使水流分散，均匀的流向叠片，经过滤从出口流出；实时监测过滤器进出口压力变送器的压差，达到预设压差值时，步进电机驱动分流器松开弹簧，进行反冲洗。反冲洗时，水流从出水口进入，高压水流弹起垫片压紧弹簧使得叠片松开，射流水冲洗叠片，含杂质水从排污口排出，达到设置反冲洗时长，停止反冲洗。
18.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.(1)采用步进电机微调叠片间的缝隙率，使叠片过滤器的目数可调，可匹配不同类型的灌水器。
20.(2)采用步进电机与减速器切换过滤器的过滤与反冲洗两种状态，使得过滤与反冲洗的控制更加稳定精准。
21.(3)本发明自动化程度更高，可远程控制。
附图说明
22.图1是本发明叠片过滤器的结构示意图；
23.图2是本发明叠片过滤器的松紧度调节装置结构图；
24.图3是本发明叠片过滤器的滤芯骨架的结构图；
25.图4是本发明叠片过滤器的控制系统结构示意图；
26.图5是本发明叠片过滤器的控制系统方框图；
27.图6是本发明叠片过滤器的分流器的截面图；
28.图7是本发明叠片过滤器的步进电机的脉冲数与缝隙率的拟合关系图；
29.图8是本发明叠片过滤器的控制系统的运行流程图。
30.附图标记：1-进水管、2-松紧度调节装置、3-筒体、4-滤芯、5-底座、6-出水管、7-第一压力变送器、8-第二压力变送器、9-第一电磁阀、10-水源，11-水泵，12-流量传感器、13-第二电磁阀、14-第三电磁阀、15-第四电磁阀、16-田间灌溉管网、201-步进电机、202-减速器、203-联轴杆、204-分流器、41-骨架、42-叠片、43-垫片、44-弹簧、411-底部、412-支撑杆、413-顶部、414-螺杆。
具体实施方式
31.下面将结合发明人提供的附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.参见图1-3，一种利用电机调节叠片松紧度的叠片过滤器，包括进水管1、松紧度调节装置2、筒体3、滤芯4、底座5、出水管6、排污管，所述松紧度调节装置2的侧面设有进水口并与进水管1连通，下端通过螺纹与筒体3的上端连接；所述筒体3的下端通过螺纹与底座5的上端连接；所述底座5的下端中央设有出水口并与出水管6连通，侧面设有排污口并与排污管连通；所述底座5的出水口上边安装有滤芯4；所述滤芯4的上端与松紧度调节装置2连接。
33.所述松紧度调节装置2由步进电机201、减速器202、联轴杆203、分流器204和机坐组成，所述步进电机201和减速器202配套安装在机坐上端，所述减速器202动力输出轴与联轴杆203的上端连接，所述联轴杆203的下端与分流器204的上端连接。
34.所述滤芯4由骨架41、叠片42、垫片43、弹簧44组成，所述叠片42套在骨架41上；所述骨架41的下端与底座5连接，上端与分流器204的下端连接，在骨架41的上端与分流器204之间设置有垫片43和弹簧44。
35.所述分流器204为流线型，且其底部中央向内设有螺孔。
36.所述骨架41由底部411、支撑杆412、顶部413和螺杆414组成，所述底部411设置有螺纹；所述支撑杆412为空心的，上端与顶部413连接，下端与底部411，杆上均匀分布有若干小孔，所述螺杆414固定在顶部413；所述叠片42套在支撑杆412上；所述垫片43与弹簧44套在螺杆414上。
37.参见图4，一种利用电机调节叠片松紧度的叠片过滤器的控制系统，包括进水管1、松紧度调节装置2、筒体3、滤芯4、底座5、出水管6、第一压力变送器7、第二压力变送器8、第一电磁阀9、水源10、水泵11、流量传感器12、第二电磁阀13、第三电磁阀14、第四电磁阀15、田间灌溉管网排16、排污管及智能控制器plc。
38.所述松紧度调节装置2的侧面设有进水口并与进水管1的一端连通，下端通过螺纹与筒体3的上端连接；所述筒体3的下端通过螺纹与底座5的上端连接；所述底座5的下端中央设有出水口并与出水管6的一端连通，侧面设有排污口并与排污管连通；所述底座5的出水口上边安装有滤芯4；所述滤芯4的上端与松紧度调节装置2连接；所述进水管1上依次安装有第二电磁阀13、流量传感器12、第一压力变送器7；所述水泵11的一端通过水管与水源
10连接，与其另一端连接的水管被分为二路，第一路与进水管1连通，第二路与田间灌溉管网排16连通；所述第二路水管上依次安装有第三电磁阀14、第四电磁阀15；所述出水管6的另一端与第二路水管连通，所述出水管6上安装有第二压力变送器8，所述排污管安装有第一电磁阀9。
39.参见图5，所述第一压力变送器7、第二压力变送器8、第一电磁阀9、水源10、水泵11、流量传感器12、第二电磁阀13、第三电磁阀14、第四电磁阀15分别通过导线与智能控制器plc连接。
40.所述出水管6连接在第三电磁阀14和第四电磁阀15中间的第二路水管上。
41.所述智能控制器plc选用lk3u-64，其接口包括两个rs485接口、一个rs232接口、开关量输入输出接口、模拟量输入输出接口，用于数据的汇集、处理和输出。
42.进一步，所述步进电机驱动器通过脉冲数控制步进电机；所述减速器用于增大步进电机的动力输出，并提高控制精度；所述智能控制系统控制步进电机驱动分流器调节弹簧的压紧程度进而调节叠片间的缝隙率，以期匹配不同类型的灌水器。所述缝隙率公式如下：
[0043][0044]
其中，(l为叠片间缝隙的总长度，mm；l2为叠片总长度,mm，其范围为0～7.5％。而步进电机的脉冲数n
p
与缝隙率ε成正比例，关系式如下：
[0045]
ε＝k
·np
[0046]
进一步，所述叠片的松紧度可调。其作用：一为根据末端灌水器的需求微调叠片间的松紧度，所述智能控制系统控制步进电机驱动分流器调节弹簧的压紧程度进而调节叠片间的缝隙率；二为所述压力变送器的压差δh达到反冲洗压差δh时，所述智能控制系统控制步进电机驱动分流器使得弹簧恢复原始状态(即缝隙率最大)，水流通过支撑杆弹起垫片挤压弹簧，使得叠片松开以形成反冲洗水流流过的缝隙，并且通过支撑杆的小孔射出高速水流冲洗叠片。
[0047]
进一步，所述分流器固定在联轴杆的末端，中心设置有螺纹，与螺杆配套；所述分流器设置为流线型，其作用一是减小水流直冲产生的能量损失，二是使水流均匀分散。其截面方程式为：
[0048]
4l2·
tan2α
·
x2+4(d
2-l2)
·
y2＝l2·
d2·
tan2α
[0049]
其中，d/2≤|x|≤(l
·
tanα)/2，-(l
·
tanα)/2≤y≤0，0《α《90
°
，d为联杆直径，mm；l为叠片的外直径，mm。
[0050]
进一步，所述底座可做沉砂池；所述排污口的边壁与底座边壁齐平，便于将杂质排干净。
[0051]
plc实时读取压力传感器与流量传感器数值，并与反冲洗压差h、所需灌溉量q
总
等预设值进行比较，进而控制电磁阀的开闭与松紧度调节模块的缝隙率，从而实现匹配灌水器时叠片过滤器缝隙率的微调节与反冲洗时叠片过滤器缝隙率的大调节。
[0052]
过滤状态时，打开第二电磁阀13和第四电磁阀15，关闭第一电磁阀9、第三电磁阀14，水泵11从水源10抽水，经流量传感器12、第一压力变送器7，从过滤器的进口流入，流经分流器使水流分散，均匀的流向叠片42，过滤后的水，经第二压力变送器8从出水管6流出，
流向田间灌溉管网16进行灌溉；实时监测过滤器进出口第一压力变送器7和第二压力变送器8的压差，达到预设压差值时，关闭第二电磁阀13和第四电磁阀15，打开第一电磁阀9、第三电磁阀14，步进电机驱动分流器松开弹簧，水泵11从水源10抽水，经第二压力变送器8流进过滤器，高压水流弹起垫片压紧弹簧使得叠片松开，射流水冲洗叠片，污水从排污口排出，达到设置反冲洗时长，停止反冲洗。
[0053]
所述分流器204设置为流线型，其作用一是减小水流直冲产生的能量损失，二是使水流均匀分散。其截面方程式为(参见图6)：
[0054]
3.17x
2-y2＝79.29
[0055]
其中，5≤|x|≤37.24，-37.24≤y≤0，α＝60
°
，d＝10mm；l＝43mm。
[0056]
采用32mm的pvc管连接步进电机，联杆直径为10mm，叠片的外直径为43mm、总厚度为129.6mm，叠片间的总缝隙最大为9.6mm进行试验。将获得的实测值进行拟合(参照图7)，关系式如下(r2＝0.998)：
[0057]
ε＝8.2e-5n
p
[0058]
选取五个缝隙率进行浑水试验。获得缝隙率与过滤器可拦截泥沙的最小粒径的关系如下表：
[0059]
表1缝隙率与过滤器可拦截泥沙的最小粒径的关系
[0060][0061]
参照图8，过滤系统运行流程图，具体步骤如下：
[0062]
步骤一：设置灌溉流量q1、所需灌溉量q
总
、反冲洗压差(h、反冲洗时长t，并根据末端的灌水器对应表1选择相应的缝隙率ε，通过公式：ε＝kn
p
求得脉冲数，利用plc控制步进电机调节好。
[0063]
步骤二：开始灌溉，并累计灌溉量qi。
[0064]
步骤三：采集压力变送器(7、8)的压力，并求得实际压差δh。
[0065]
步骤四：系统判别实际压差δh是否大于反冲洗压差δh。若未达到继续灌溉且判别；若达到则开启反冲洗，同时计时t。
[0066]
步骤五：系统判别冲洗时长t是否大于反冲洗时长t，若未达到继续反冲洗；若达到则进行下一步判别。
[0067]
步骤六：系统判别累计灌溉量qi是否达到所需灌溉量q
总
，若未达到继续步骤二至步骤六的循环；若达到则关闭系统。