一种多功能全自动减压阀及其控制方法与流程

本发明涉及阀门技术领域，具体地，涉及一种多功能全自动减压阀及其控制方法。

背景技术：

目前，全球资源紧缺，水资源、气体源等各种能源都处在紧缺状态，针对水资源来说，智慧水务的理念应运而生，怎样来进行节水，实现有效的漏损控制，其中美国和意大利先后提出了一些先进的带流量检测功能的压力阀门，它们可将漏损控制得尽量小，但其流量检测装置需外接电源或电池，依赖于外界供电，且其仅需对流量参数进行检测，耗电量小。然而智慧水务远不只局限于漏损控制，还需要对水质等各项参数进行测定，以便对阀内流通的水作全面评价，因此需要加入多种类型的检测仪器，此时简单设置的外接电源或电池已无法充分驱使各类检测仪器的同时运作，如为达到全面供电的效果，则需对外接电源或电池进行复杂设计，这样一来工程量大，成本高，后期维护麻烦。

现有技术中也已有水流发电的相关案例，但其仅是水流发电与阀门的结合，并未涉及到检测模块，即现有技术中尚不存在利用水流发电的电能为检测模块供电的案例。同时现有技术的水流发电技术主要是利用流体作用力直接推动涡轮旋转，从而带动电磁感应发电机进行发电，但其涡轮并未具体针对水流的过流量进行相关设计，即水流量大时，将对涡轮产生较大冲击，有可能导致涡轮损坏，同时因水流量的不均匀，在流经涡轮时，电磁感应发电机发电不稳定，将直接影响其充电电池的使用寿命。

技术实现要素：

本阀门解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种集阀门、检测和发电于一体的、可自动检测反馈调节阀门开度情况的多功能全自动减压阀。

本发明同时提供一种多功能全自动减压阀的控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种多功能全自动减压阀，包括减压阀阀体，阀体设有控制阀体开度的执行器，还包括发电装置、数据采集组件和数据处理装置，所述发电装置包括设于阀体内部的发电组件和设于阀体外部的电池组件，数据采集组件设于阀体阀前和/或阀内和/或阀后；数据采集组件用于实时采集阀体内介质参数并将参数传输至数据处理装置，数据处理装置根据数据采集组件提供的实时参数控制执行器工作，发电装置用于为数据采集组件、数据处理装置和执行器提供工作电源。

所述发电组件包括两端具有连接通孔的组件外壳、位于组件外壳内的发电机组、固定于组件外壳上的固定轴、可支撑发电机组相对于固定轴轴线方向垂直摆动的摆动机构。

所述发电机组包括发电芯部、设于发电芯部外周的第一过流面、连接第一过流面外周与组件外壳一端的连接通孔内周的第二过流面，发电芯部与电池组件电连接；固定轴的设置方向为可使发电机组在摆动到最低位置时、第一过流面与组件外壳两端的连接通孔平行。

数据采集组件包括两个分别设于阀前和阀后的压力传感器。

所述发电芯部包括叶轮。

进一步地，所述摆动机构包括一端套设与固定轴上、另一端与发电机组固定连接的摆杆，还包括对发电机组的摆动过程进行限制的回力弹簧，所述回力弹簧连接在固定轴上。

进一步地，所述回力弹簧为扭力弹簧，扭力弹簧包括弹性部以及位于弹性部两端的第一端部和第二端部，弹性部固定套设在固定轴外表面，第一端部与组件外壳内壁接触作为回力支点，第二端部与发电机组接触。

进一步地，所述第一过流面为弹性过流面。

进一步地，所述电池组件包括依次连接的整流模块、滤波模块、降压模块和充电电池，所述充电电池分别与数据采集组件、数据处理装置和执行器电连接。

进一步地，减压阀阀体内还设有对介质进行导流的导流座，所述导流座外周与阀体内壁螺栓连接，导流座内设有一段圆锥形导流面和一段圆柱形导流面，圆锥导流面的小口径端与圆柱形导流面端部相接，介质依次流经圆锥形导流面、圆柱形导流面和发电组件，所述圆柱形导流面的口径与发电组件的连接通孔适配。

进一步地，数据采集组件还包括温度传感器、流量计量装置和水质传感器的一种或几种。

进一步地，所述流量计量装置为超声波计量装置。

进一步地，所述数据处理装置包括plc控制模块，plc控制模块集成了无线通讯模块，通过无线通讯模块与远程上位机进行通讯。

一种所述的多功能全自动减压阀的控制方法，包括以下步骤：

a.使介质进入减压阀阀体，介质流经发电装置过程中，发电组件进行涡轮发电并对电池组件充电，电池组件输出恒定电压为数据采集组件、数据处理装置和执行器提供工作电源；

b.通过数据采集组件采集阀体内介质相关参数并将数据传输至数据处理装置；

c.数据处理装置对传输的数据与其自身设定的相关数据阈值进行比较分析；

d.数据处理装置根据步骤c中的比较分析结果对执行器进行控制，从而控制阀体的开闭和开度情况；

e.阀体运行至阀后为恒压输出状态时将数据采集组件采集的介质相关参数通过nb-iot的方式传输给操作者。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明创造性地将阀门、计量和发电三种独立的功能性装置整合在一起，即使本发明的减压阀在具有数据采集功能的同时，还可利用减压阀内流通介质自身的动能进行发电，为数据采集组件以及减压阀的执行器提供工作电源，实现了所述多功能减压阀电能的自给自足，无需外接电源；

2）数据采集组件在采集到相关参数后传输至数据处理装置，并最终由数据处理装置控制减压阀执行器的相关动作，实现了本发明的多功能阀的全自动反馈控制，自动调节压力等相关参数，无需人工参与；

3）发电装置中摆动机构的设置，为发电机组的摆动提供有效支撑，稳定发电芯部处的介质流通量，使发电机组发电均匀；

4）由摆杆和扭力弹簧等部件构成的摆动机构，摆杆具有灵活转动特性，同时利用扭力弹簧的优良弹性性能，在发电机组发生倾斜时，一方面避免发电组件的无限制倾斜，另一方面在介质流速降低时，使发电组件发生快速快速回弹，使之与介质流速相适应，从而实现稳定电流的效果；

5）发电装置中第一过流面为弹性过流面的设计，可使过流介质在大量与第一过流面接触时，第一过流面产生冲击凹变形，相当于其可对过流介质的冲击产生一定的缓冲作用，有效减少流动介质对发电组件叶轮的冲击压力；

6）导流座的设置，使阀前的流通介质集中输送至发电装置，可有效提高发电装置的发电效率，避免介质流速较低时，大量介质从发电装置的组件外壳外通过，导致通过发电芯部的介质压力过小；

7）因发电装置发电形成的电能自给自足优势，本发明的减压阀可相应设置多种数据采集元件，如温度传感器、流量计量装置和水质传感器等，可采集介质的各种参数，为用户提供大量参考数据。

附图说明

图1为所述多功能全自动减压阀的剖视图简图；

图2为所述发电装置的结构示意图；

图3为所述发电装置的主视图；

图4为所述发电装置的剖视图；

图5为所述发电装置安装至减压阀阀体内的结构简图；

图6为所述发电装置的结构简图；

图7为所述多功能全自动减压阀的电气连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例

如图1～7所示，一种多功能全自动减压阀，包括减压阀阀体，阀体设有控制阀体开度的执行器（未示出），还包括发电装置、数据采集组件3和数据处理装置（未示出）。

其中发电装置包括设于阀体内部的发电组件1和设于阀体外部的电池组件2，数据采集组件3设于阀体阀前和/或阀内和/或阀后；数据采集组件3用于实时采集阀体内介质参数并将参数传输至数据处理装置，数据处理装置根据数据采集组件3提供的实时参数控制执行器工作，发电装置用于为数据采集组件3、数据处理装置和执行器提供工作电源。

本实施例的多功能全自动减压阀将阀门、计量和发电三种独立的功能性装置整合在一起，即减压阀在具有数据采集功能的同时，还可利用减压阀内流通介质自身的动能进行发电，为数据采集组件以及减压阀的执行器提供工作电源，实现多功能减压阀电能的自给自足，无需外接电源。

本实施例的减压阀具体为直通式y型减压阀，流通介质为水，如图1所示，其包括阀前（阀门入口）、阀后（阀门出口）、主阀板41、缓闭阀板42、两路旁通管路(未示出)、膜片压板43、隔膜上腔44和隔膜下腔45，每路旁通管路上均设有一个执行器（即上文中控制阀体开度的执行器）。

发电组件1包括两端具有连接通孔的组件外壳11、位于组件外壳内的发电机组12、固定于组件外壳上的固定轴13、可支撑发电机组相对于固定轴轴线方向垂直摆动的摆动机构，发电机组12在组件外壳11内可摆动。

发电机组12包括发电芯部12a、设于发电芯部外周的第一过流面12b、连接第一过流面外周与组件外壳一端的连接通孔内周的第二过流面12c，发电芯部12a与电池组件2电连接。

具体地，为保证介质与发电装置发生过流接触，固定轴13的设置方向为可使发电机组12在摆动到最低位置时、第一过流面12b与组件外壳两端的连接通孔平行。

第一过流面12b与第二过流面12c的连接处为密封连接，不允许水流在其连接处通过。

数据采集组件2包括两个分别设于阀前和阀后的压力传感器。

发电机组12为涡轮发电机组，发电芯部12a包括叶轮a1、轴a2，轴内设置有发电机（未示出），叶轮a1在水流的带动下旋转，同时带动轴a2旋转，从而实现发电机的涡轮发电。

为保证摆动机构对发电机组12的摆动形成有效支撑，摆动机构包括一端套设于固定轴13上、另一端与发电机组固定连接的摆杆14，还包括对发电机组的摆动过程进行限制的回力弹簧，回力弹簧连接在固定轴13上，以保证回力弹簧与固定轴不发生相对运动。

回力弹簧可以为扭力弹簧、拉伸弹簧、压缩弹簧或弯曲弹簧等，本实施例中选用扭力弹簧，扭力弹簧包括弹性部15a以及位于弹性部两端的第一端部15b和第二端部15c，弹性部15a固定套设在固定轴13外表面，第一端部15b与组件外壳内壁接触作为回力支点，第二端部15c与发电机组接触。

为避免水流压力对过流面产生较大冲击造成发电机组相关部件损坏，可将第一过流面12b设为弹性过流面，水流在大量与第一过流面12b、第二过流面12c接触时，第一过流面12b可产生冲击凹变形，其可对水流的冲击产生一定的缓冲作用，相当于介质软着陆，有效减少水流对发电机组叶轮的冲击压力。

具体地，水流流经多功能全自动减压阀，与发电装置的第一过流面12b和第二过流面12c接触，当介质流速较大时，第一过流面12b的弹性作用使得水流的冲击力有所缓冲，当水流流速进一步增大，水流将推动发电机组12以固定轴13为支点发生倾斜，此时水流的压力迫使回力弹簧的第二端部15c受到一定压力而产生弹力、发生形变，而由于发电机组12和组件外壳11之间形成的倾斜间隙，部分水流将从该间隙流过，则流经发电机组叶轮a1的水流将相应减少，并且流经发电机组叶轮的水流的推力与发电机组的角度发生变化使得叶轮受力相应减小，叶轮a1转速一定程度上降低，使发电组件产生的电流不因水流流速的大幅增大而增大。

当水流流速变小，水流对发电机组12的压力将慢慢减小，直至小于回力弹簧的回弹力，在这个过程中，发电机组12通过回力弹簧的回弹力，随摆杆14沿固定轴13转动，从倾斜位置慢慢回到垂直位置，随着发电机组12与组件外壳11之间的间隙逐渐减小，水流从间隙中流通的量减少，相应地，流经叶轮的水流将变多，水流对叶轮a1的推力及发电机组的角度发生变化使得叶轮受力相应增大，进一步增大叶轮的转速，使发电组件产生的电流不因水流流速的减小而减小。

最终发电组件1产生的电流不因水流流速的突变而突变，从而实现稳定电流的效果。

如图7所示，电池组件2包括依次连接的整流模块、滤波模块、降压模块和/或升压模块（变压模块）、充电电池，充电电池分别与数据采集组件3、数据处理装置和执行器电连接。

水流流经多功能全自动减压阀，流动的水流带动叶轮a1转动，叶轮a1带动轴a2转动并使得与其相连的发电机的转子旋转，从而使发电机发电。

发电机输出的三相电流输送至电池组件，经过整流模块将交流电变成直流电，并通过滤波模块对电流去除干扰、纯化电源，然后可选择地通过降压模块或升压模块（即变压模块）进行降压处理或升压处理以实现满足后续所需工作电源的大小。经过处理后的三相电流输入到充电电池为其充电。充电电池最终为数据采集元件、数据处理装置以及执行器提供电源。

为使阀前的水流集中输送至发电装置，有效提高发电装置的发电效率，减压阀阀体内还设有对水流进行导流的导流座5，导流座5外周与阀体内壁螺栓连接，导流座5内设有一段圆锥形导流面51和一段圆柱形导流面52，圆锥导流面51的小口径端与圆柱形导流面52端部相接，介质依次流经圆锥形导流面51、圆柱形导流面52和发电组件1，圆柱形导流面52的口径与发电组件1的连接通孔适配，这样一来，水流得以全部集中，避免水流流速较低时，仍有大量水流从发电装置的组件外壳外通过，导致通过发电芯部的水流压力过小，影响发电组件发电。

本实施例的发电装置发电形成了电能自给自足优势，因此本多功能全自动减压阀可相应设置多种数据采集元件，如温度传感器、流量计量装置和水质传感器等，可采集介质的各种参数，为用户提供大量参考数据。

如安装有流量计量装置，则优选超声波计量装置（即超声波流量计），超声波计量装置始动流速低，量程比宽，测量精度高工作稳定，且内部无活动部件无阻流元件，不受水中杂质的影响，使用寿命长，输出通讯功能齐全，可满足各类通讯和无线组网要求，最突出的优点是其不仅能准确计量流量，同时还具有温度补偿功能。

数据处理装置包括plc控制模块，plc控制模块集成了无线通讯模块，通过无线通讯模块与远程上位机（工控机）进行通讯。

上述的多功能全自动减压阀的控制方法，具体包括以下步骤：

a.使介质进入减压阀阀体，介质流经发电装置过程中，发电组件进行涡轮发电并对电池组件充电，电池组件输出恒定电压为数据采集组件、数据处理装置和执行器提供工作电源；

b.通过数据采集组件采集阀体内介质相关参数并将数据传输至数据处理装置；

得电后的数据采集组件开始工作。设置在阀前和阀后的压力传感器分别采集阀体阀前和阀后压力值，超声波计量装置采集流入阀体的流体流量，水质传感器监测阀体内流体的水质；

plc控制模块接收超声波计量装置采集的阀体入口流量信号、两个压力传感器的水压变化信号、水质传感器的水质信号，并通过无线通讯模块与远程上位机进行通讯；

c.数据处理装置对传输的数据与其自身设定的相关数据阈值进行比较分析；

d.数据处理装置根据步骤c中的比较分析结果对执行器进行控制，从而控制阀体的开闭和开度情况；如plc控制模块通过将采集的压力信号与预设的压力阈值相比较，控制执行器进行相应动作；

e.阀体运行至阀后为恒压输出状态时将数据采集组件采集的介质相关参数通过nb-iot的方式传输给操作者。

plc控制模块可以通过采集压力传感器、流量计、温度传感器、水质、阀体开度等数据，实现减压阀及管道远程数据采集和处理、统计分析、实时控制、事故报警、数据通信、设备管理等。

操作者可通过上位机的显示屏进行数据查看，如当前阀体的压力、阀体流量、流体温度以及水质等，并可通过上位机进行参数设定，如对plc控制模块进行压力阈值或温度阈值等进行设定，从而实时监控阀门运行状态。

具体地，针对本实施例的直通式y型减压阀的控制过程如下：水流进入阀体阀前，并流经发电装置，发电装置将进行发电并为数据处理装置、两路旁通管路的执行器、数据采集组件提供工作电源，数据处理装置先指导执行器进行工作使水流从一路旁通管进入隔膜下腔45，主阀板41和缓闭阀板42将在阀前及隔膜下腔的水压作用下缓慢开启，隔膜下腔45的水流将穿过膜片压板43被压至隔膜上腔44，而隔膜上腔44的水流因另一路旁通管路执行器的工作而沿着该旁通管路流至阀后，这个过程一直持续直至主阀板41上升至最大开口状态（开口高度由水流流量决定），随着水流流速的变化，数据采集组件（如压力传感器）采集到阀前和阀后的压差数据，根据工作需要可对数据处理装置发出对水流流量进行调节的信号，此时数据处理装置将控制两路旁通管路上的执行器进行相应动作，即阀前的旁通管路上的执行器动作使得隔膜下腔45的水流能沿该旁通管路流至阀前，而阀后的旁通管路上的执行器动作使得阀后的水流可沿该旁通管路流向隔膜上腔44，这样一来主阀板41将开始向下滑落，使水流过流量减少，从而实现多多功能减压阀的全自动控制。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。