一种带有温度、压力、流速监测及流量计量的电控闸阀的制作方法

本技术隶属阀门及其流体流量监控设备的，具体涉及一种带有温度、压力、流速监测及流量计量的电控闸阀。

背景技术：

1、阀门，特别是闸阀是管道流体输送过程中对流体流通状态控制的最常用设备。阀门常规的作用就是对流体的通、断或流通量限制的控制，其在工业领域及市政民生水、热、气输配管网上的使用范围广、数量大。

2、在步入物联网大数据及人工智能与工业自控时代，智慧城市系统建设，特别是关系民生的水、热、燃气供给；排水及污水处理等领域，对于一个庞大管网的管路系统来说，除了需要通过互联网对管路阀门的开、关及开度进行远程数据跟踪或控制以外，还需要实时掌握阀门所在位置管道内的温度、压力和流速(流量)等参数的数值，以便做到对管路及系统精准无误的控制和调节，起到平衡供给、保证系统安全运营的作用。

3、在工业生产与控制方面，例如化工领域，对于化工材料输送系统的精准控制、化学品泄露的安全监测与险情控制，采用带有超声波流量检测、计量的闸阀是一种满足客观需求、十分必要的系统控制设备。

4、带有超声波流量检测、计量的闸阀对管网供给的跑冒滴漏监测也是十分必要的。例如，民用供水系统，从水厂到用户，目前存在着产销差很大，贸易结算量仅占水厂供给的60～80％，也就是说有40～20％的水不知去向，目前所采用的流量计的计量量程比低和精度不够准确只是其中的一个原因。

5、智慧水务是智慧城市的一个组成部分，而dma是智慧水务中的核心架构之一。dma(district metering area，独立计量区域)，其概念1980年由英国水工业协会首次提出，现在较多的解释为分区管理+漏损检测，其范围含盖输水管、配水管和层叠式管路。如何减小水资源的产销差，是目前供水单位最关心和亟待解决的重要课题。

6、超声波流量计与电磁流量计是目前水计量领域最普遍使用的高精度、宽量程全电子模式流量计。电磁流量计的工作原理决定了需要在流量计管体外侧加装励磁线圈，所以不适合在阀门上加装应用。从技术先进性而言，用超声波测量流体流量，比电磁流量计有更小的始动流量、更宽的量程比，而且更重要的是它的流速测量部件体积小，便于在各种应用空间安置，就这点而言，电磁流量计无法安装在阀门内部来实现。因此在闸阀里安装体积小、流量测量精度高、量程宽的超声波流量测量装置是解决dma系统流量监测与控制、以及发现跑冒滴漏与解决供水产销差的有效途径。

7、目前，在流体输送管路上，能提供管道流体参数如流速、压力或温度的设备就是流量计，但流量计通常安装在管网的终端用户处，其作用是对用户的使用量进行贸易结算，所以，其数量有限。对于大量的输、配送管网，特别是管路铺设在路面以下情况，最想要知道的是管道内流体的流速/流量及压力、温度参数的变化情况，这样，才能即时掌握管网系统流道的流通状况及管道流体可能出线跑冒滴漏，能及时进行控制管理或维护。阀门，特别是闸阀是管道流体输送过程中，按照管网的不同口径、不同叠层对流体流通状态控制使用最多的必备设备，如果在闸阀上安装带有温度、压力、流速监测及流量计量的远程自动调节、控制装置，就能在不增加和改变现有管网设备的情况下，解决对管网系统的温度、压力、流速监测和调节的实时控制，实现dma手段。

8、通常，对于阀门内安装超声波流量测量装置，要兼顾两方面约束：一是保证阀门的正常工作，主要是不增加阀门水阻、不改变阀门的主要结构；二是要满足流量、温度、压力测量的条件，即对于采用超声波进行流速监测，要保证其测量参数有效性。为此，本发明提出以下原则：

9、(1)超声波测量的量程比最大化原则：采用超声波进行流量测量，其量程比的关系推导：增大两换能器间在流量计管路水流方向的投影距离，就可有效提高流量计的量程比。所以，阀门内安装超声波器件作为流量数据测量，必须满足在较宽流量值范围内都能进行超声波流量测量。即要满足超声波测量有较大的量程比，需尽量将超声波换能器安置在靠近管道口位置，使一对换能器间的声程最大化，以增大测量的量程范围即量程比。

10、有关超声波流量计量的程比与换能器之间的距离推到如下：

11、在水计量领域，量程比r定义为r＝q3/q1，其中，q3为对应某管径下的常用流量，它是一个给定值；q1为满足一定计量精度要求的最小流量(比如二级流量计的计量精度为±5％)。

12、以下本文经深入分析与推导，得出了一个重要的结论：对通过流量计管路内的流体而言，所计量的始动流量(即流量计可感知计量的最小流量)qq越低(对应其流速vq就越低，而vq与超声波流量计的时差芯片分辨率及流量计的管路结构有关)，与此对应，q1也成比例地对应变低(即对应的最小流速v1就变低)。通常，在实际应用中，其经验值是q1＝(5～10)qq(q1随超声波流量计电路及换能器产生总体零漂及流量计管路水阻设计不同而不同)。由此，可以导出在某个口径下(流过流量计管路的q3与q1所用的时间间隔相等)，量程比r与两换能器间距l之间的关系为：

13、

14、上式中，q3为某口径流量计的常用流量，v3为与q3相对应的流量计管路内流体的流速，q1为满足一定计量精度要求的最小流量，v1为与q1相对应的流量计管路内流体的流速，对某口径流量计而言，q3和v3为常量(选定值)，π为圆周率，r为流量计管路的内半径，t为计量用时，l为超声波流量计管路内两换能器对射面之间的间距，α为两换能器之间连线在流量计管路水流方向的夹角(α为锐角，当α＝0时，两换能器连线与水流方向一致，cos(α)＝1),k为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，β为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，令β＝v3/10k,为常数，而v1通过超声波流量计时差公式计算vq得出，即因而，在具体计算时，v1按照v1＝10vq代入。由上面r的关系式可得出如下结论：增大两换能器间在流量计管路水流方向的投影距离l·cos(α)，就可有效提高流量计的量程比r。

15、(2)超声波换能器间对射式安装原则：对射式安装的声波信号由一对换能器间相互直接发、收，这样，有效信号幅值就最强。在闸阀的情况下，最好采用与水流方向一致的对射安装结构。

16、(3)多声道原则：即在阀门管道内的不同高度设置多组成对的测量用换能器。一是对于阀门处在不同开度的情况下(包括开、关)，都能够对流动的流体流速/流量进行监测。为使阀门在不同开度的情况下，都能对通过闸阀的流体进行测量，必须在阀门闸板提升不同高度位置设置成对超声波换能器；二是对阀门内流量测量能有较高精度和可靠性。这是因为，对射式多声道换能器模式，除了能对流体在管道内不同层面进行分别计算，提高计量精度和准确性外，多声道还是计量安全、可靠性的重要保障，因为，只要有一对换能器工作，测量就能进行。

17、(4)低压损原则：为了不增加阀门的阻力，所设置的超声波换能器安装结构尽量有较小的尺寸。

18、(5)管体密封安全原则：无论是超声波换能器还是温度、压力传感器安装及其信号引出线的防护，都要做到有较高的安全性和防护等级，以保障设备的可靠性、耐久性。(6)结构简单(器件少)、方便装配原则：结构简约化、安装有唯一的确定性，从而整体易装配，有较高的一致性和较低的成本。

19、目前，对于在阀门内实现流量测量/计量自控的完整的技术解决方案的案例很少。其中，专利申请公布号cn 114110248 a，是目前成功实现在闸阀内安装超声波对流体测速监测和计量的装置，实现了用闸阀完成流量及温度、压力测量的技术方案。这个技术方案，基本满足所提出的关于超声波计量的6个原则。但是，通过对该专利的进一步分析可知，技术上仍有改进、提高的空间；1.该专利的换能器安装在圆形柱子内，而圆形柱子由法兰内侧、套管外侧的安装座固定，这样，一对换能器间的间距，小于阀体法兰内侧的距离，未达到闸阀管段的长度，仍有改进加长的空间；2.换能器安装在圆形柱子内，这种安装方式决定安装体直径仍相对较大，所以，固定、安装换能器的方式还需要进行优化，以进一步减少对水的阻力；3.换能器安装柱的固定座、压力及温度传感器的固定座，都在水平或垂直地安装在阀体套管的外侧，而闸阀的阀杆、阀板位于阀体中部且占用较大空间，法兰内侧与阀体的外壳间的距离空间较小，安装座的加工较困难，成本高，有待改进；4.该技术方案中的阀门调节仍然需要人力干预，可以改进为自动控制完成。

技术实现思路

1、针对专利申请公布号cn 114110248 a存在的不足，本技术提供一种运用超声波技术实现在闸阀内对流体流速监测和流量的计量的自控装置，其目的是为dma的实施提供管网中各个管路节点的实时流量、压力和温度数值和自动控制，除了用以流体调配、平衡用途之外，更重要的是解决dma的实施手段，即解决目前供水管网产销差失衡、漏损严重的问题。

2、按照上述6项原则的标准的要求对照，相对专利申请公布号cn 114110248 a的存在的不足，本实用新型提出全新的技术方案架构：采取用体积尺寸较小的带有换能器安装孔的换能器的安装支架安装换能器；而换能器的安装支架与圆形外环则通过注塑成型方式成为一体，在闸阀套管两侧的流道口，定位固定圆形外环及支架，从而实现定位固定换能器；通过在换能器的安装支架上的导流帽位置设置开口，就能方便换能器安装时信号线的引出；支架与外环结合处只有一个信号线输出口且输出口位置位于法兰在流道一侧即管道内侧，这样，信号线的引出是通过法兰内部完成的，不但不需要在阀体外侧设置安装座，而且还能做到按照原则一的要求，将一对换能器间的间距达到最大值；从而，在简化结构、减小换能器安装支架尺寸、减少安装器件的同时，实现测量/计量量程比最大化；另外，又通过在法兰内安装压力传感器、在阀杆驱动头上方安装了减速电机，至此，实现了用闸阀做到对流速/流量、温度、压力的实时采集和远程控制的目标。

3、本实用新型为一种带有温度、压力、流速监测及流量计量的电控闸阀，其特征是:包括法兰一和法兰二、套管、闸板、减速电机、外环、支架、嵌件、换能器、信号线、固定头、护管一、压力传感器、控制盒；在管体的套管两端带有法兰一和法兰二含有闸板的闸阀阀体两端的流道口内侧，分别嵌入、安装所述的外环，由该外环就固定了所述的支架，二者为一体化结构；所述的固定头位于孔一中，其伸入内腔一，可定位外环；所述的换能器嵌入、安装于支架上的凹形腔一内；所述的信号线由支架上端口的内腔一的通孔三穿过通孔五经由法兰内部孔一从套管外侧、法兰内侧的孔引出，通过护管一进入控制盒与其内部积算电路连接；所述的压力传感器安装于法兰的孔二内，其信号引出线经由法兰内部孔二从套管外侧、法兰内侧的孔引出，通过护管二进入控制盒与其内部积算电路连接；所述的减速电机安装在驱动头上方，从而构成一种带有温度、压力、流速监测及流量计量的电控闸阀。

4、所述的外环被定位固定在套管内侧流道口，圆形的内腔一与法兰内的孔一同轴；进一步，所述外环内侧边定位面二与套管内的定位面一重合；更进一步，螺丝一穿过通孔一进入孔三，将外环固定。

5、所述的固定头的下端在内腔一中，通过密封圈四与内腔一侧面与底面接触密封；进一步，所述的固定头的上端在法兰内的孔一中，由定位面六与孔一内的台阶重合定位；更进一步，所述的固定头的侧面与顶部分别由密封圈三和密封圈二与孔一内壁接触密封，所述的固定头由外丝螺母二通过弹性垫圈一压紧固定，外丝螺母一旋入孔一内封口。

6、所述的换能器嵌入、安装于支架的凹形腔一内，进一步，凸起一与槽一重合；定位面七与定位面四重合；所述的支架有两组，每组上面安装的换能器可以有多个且与另外一组支架上的换能器配对出现。

7、所述的嵌件嵌入安装于导流帽上的孔四内，进一步，侧面一与侧壁一重合，定位面五与定位面三重合。

8、所述的压力传感器安装于法兰的孔二内，由定位面八与孔二内的台阶重合定位，进一步，所述的压力传感器的侧面与顶部分别由密封圈三和密封圈二与孔二内壁接触密封，所述的压力传感器由外丝螺母二通过弹性垫圈一压紧固定，外丝螺母一旋入孔二内封口。

9、所述的减速电机安装在驱动头上方，电机与减速器为一体结构，阀杆的驱动头伸入到减速电机下方的减速器内由减速器驱动，进一步，减速电机由螺栓一伸入阀壳二的螺栓孔一内固定。

10、综上所述，本实用新型实现了一种带有温度、压力、流速监测及流量计量的电控闸阀，与专利申请公布号cn 114110248 a相比，有较大的实质性改进，具有显著的技术特点和有益之处，表现为：

11、第一，实现了测量的声程最大化即量程比达到最大值的目标：本实用新型中的超声波换能器安装在支架内，而支架与圆形外环为一体固定在闸阀套管两侧的流道口处，其位置与法兰位置对齐，这样，一对换能器间的间距达到最大值；而对比专利申请公布号cn114110248 a的换能器位置位于法兰的内侧，声程相对较短。

12、第二，实现了多声道且换能器间对射式安装：位于闸阀套管两侧流道口处支架上的两列换能器为对射式安装；每列上可安装多个换能器，这样可以实现在闸板全开、位于中间位置或关闭时对通过/断开时的流体流速/流量进行测量(闸板关闭时流速为零)；特别是当闸板位于某高度时，根据对射式换能器接收信号的通断判断，可以确定流道液体的高度，当经过一段时间t后，可计算出相应流过闸阀的流量。

13、第三，实现了低压损：本实用新型所采用的是一个等径换能器，直径为10mm，嵌入安装在凹形腔一内，其外径为12mm；而对比专利申请公布号cn 114110248 a的换能器嵌入安装在直径16mm的安装柱内(说明书0040)，显然直径12mm＜16mm，本发明的技术方案对流体流动的阻力更小。

14、第四，管体密封安全可靠：本实用新型的换能器与支架上的凹形腔一间为紧配合加上胶粘固定，十分牢靠；同理，在完成信号线走线后，嵌件点胶后嵌入安装于导流帽上的孔四内固定；唯一的信号线出口处，即内腔一由固定头定位，通过两道密封圈即密封圈四与内腔一侧面与底面接触密封；同理，安装在法兰内的温度传感器也采用两道密封圈密封，所以器件的管体密封安全可靠。

15、第五，结构简单、方便安装，低成本：本实用新型的技术方案，将换能器信号线引出的密封、固定以及压力传感器密封、固定，均放在法兰内完成，对比专利申请公布号cn114110248 a在阀门管体套管外侧设置安装座的技术方案(占用空间大且安装座焊接操作复杂)，大为简化，方便安装，节约成本。

16、第六，本实用新型的闸阀能够测量压力、温度参数：本实用新型将压力传感器安装在法兰内，其测压头不伸入管道，不影响流体流动；由于采用超声波时差法测量流体流动速度，而声速与温度呈线性的函数关系，所以通过测量顺流和逆流所用的时间t1、t2，换能器间距l，可以解出流体流速v以及在该温度下的声速cx，知道cx可通过线性关系表得到该工况下的温度tx，其精度值≤0.01，能满足大多数的实际应用。

17、第七，本实用新型在普通闸阀阀杆的驱动头处，安装了减速电机，该电机可以是伺服电机，其控制器安装在控制盒内，通过无线模块，能够对闸板开度进行远程调控。

18、第八，本实用新型将换能器的信号以及温度传感器的信号，从法兰内侧通过护管一、护管二送入控制盒内；将减速电机的控制信号通过护管三送入控制盒内，这样，可以用无线方式发送至管网的控制室，即可以远程监控闸阀开关状态及实时调节管网压力、温度、流速状态。