CN111322415B - 一种能够自供电的控制阀***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够自供电的控制阀***及方法,包括：控制阀：包括阀体，阀体内设置有阀芯，阀体顶部固定有下阀盖，下阀盖顶面固定有阀杆套，阀杆套套在阀杆外周，阀杆底端与阀芯固定连接，下阀盖与活塞套底部固定连接，活塞套顶部固定有上阀盖，下阀盖、上阀盖、活塞套及阀杆套形成安装空间，安装空间内设置有活塞，活塞将安装空间分隔为第一空间和第二空间，第二空间与阀体内空间连通，第一空间内设置有压电发电组件，压电发电组件与弹性件的底端接触，弹性件的顶端与上阀盖连接；监测元件：包括压力传感器及位移传感器，压力传感器及位移传感器与充电电源连接，充电电源与发电组件连接，本发明的控制阀***能够自供电，无需铺设电缆。

Description

一种能够自供电的控制阀***及方法

技术领域

本发明涉及控制阀技术领域，具体涉及一种能够自供电的控制阀***及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

控制阀在当今的流体控制***中得到广泛的应用，随着技术的升级，发明人发现，控制阀上安装的传感器越来越多，这些传感器的正常工作需要外界的电力供应。有些控制阀，例如安装在石油、天然气管线上的控制阀，其工作环境往往是在荒无人烟的地带或是海底，向阀供电必须铺设电缆，增加了运行成本。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种能够自供电的控制阀***，能够对控制阀的传感器进行自供电，无需铺设电缆，运行成本低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种能够自供电的控制阀***，包括：

控制阀：包括阀体，阀体内设置有阀芯，阀体顶部固定有下阀盖，下阀盖顶面固定有阀杆套，阀杆套套在阀杆外周，阀杆底端与阀芯固定连接，能够带动阀芯运动，下阀盖与活塞套底部固定连接，活塞套顶部固定有上阀盖，下阀盖、上阀盖、活塞套及阀杆套形成安装空间，所述安装空间内设置有能够沿阀杆轴线方向运动的活塞，活塞将安装空间分隔为第一空间和第二空间，第二空间与阀体内空间连通，第一空间内设置有与活塞固定连接的压电发电组件，压电发电组件与弹性件的底端接触，弹性件的顶端与上阀盖固定；

监测元件：包括用于检测阀体内流体压力的压力传感器及用于检测阀杆位移的位移传感器，压力传感器及位移传感器与充电电源连接，充电电源与压电发电组件连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种能够自供电的控制阀***的供电方法：活塞在阀体内流体振荡冲击作用下沿阀杆轴线方向振动，压电发电组件随活塞振动，弹性件对压电发电组件施加弹力，压电发电组件产生电流对充电电源进行充电，充电电源对压力传感器和位移传感器进行供电。

本发明的有益效果：

1.本发明的能够自供电的控制阀***，流体振荡能够通过活塞带动压电发电组件振动，弹性件与压电发电组件接触，能够对压电发电组件产生作用力，使得压电发电组件产生电流对充电电源进行供电，充电电源对压力传感器和位移传感器进行供电，实现了压力传感器和位移传感器的自供电，无需铺设电缆，降低了控制阀的运行成本。

2.本发明的能够自供电的控制阀***，流体产生振荡时，能够带动活塞进行沿阀杆轴线方向的往复运动，活塞通过压电发电组件带动弹性件产生变形，对流体的振荡冲击进行缓冲，避免了阀芯不能正常移动，保证了控制阀的控制精度，避免了控制阀***所连接管路的安全隐患。

3.本发明的能够自供电的控制阀***，具有监测元件，能够对阀体内流体压力进行实时监测，便于了解阀体内流场状况，方便对阀杆的运动进行自动化控制。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1整体结构剖视图；

图3为本发明实施例1压电振子单元剖视图；

图4为本发明实施例1压电振子单元俯视图；

图5为本发明实施例1下阀盖与阀杆套组件示意图；

图6为本发明实施例1下阀盖俯视图；

图7为本发明实施例1监测元件供电原理示意图；

图8为本发明实施例1控制阀***控制原理示意图；

其中，1.阀体，2.阀套，3.阀芯，4.阀杆，5.下阀盖，6.阀杆套，7.气动驱动件，8.联轴器，9.活塞套，10.上阀盖，11.第一活塞部，12.第二活塞部，13.第一空间，14.第二空间，15.第一通孔，16.第二通孔，17.压电振子总成，17-1.套筒，17-2.压电环固定板，17-3.压电环，17-4.配重环，17-5.接线端子，17-6.接线插口，18.集电器，19.弹簧，20.调节套筒，21.压力传感器，22.位移传感器，23.连接座，24.信号收集处理器，25.控制器，26.整流滤波稳压电路，27.充电电池，28.分压模块，29.电源控制模块，30.电压检测模块，31.手控装置，32.显示装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，目前控制阀上安装的传感器供电必须铺设电缆，增加了运行成本，针对上述问题，本申请提出了一种能够自供电的控制阀***。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-8所示，一种能够自供电的控制阀***，包括控制阀及监测元件。

所述控制阀包括阀体1，所述阀体内部具有空腔形成用于流体流过的流道，流体能够从阀体一端流入阀体，从阀体的另一端流出。

所述阀体内部固定有阀套2，所述阀套内部设置有阀芯3，阀芯与阀杆4的底端固定连接，阀杆能够带动阀芯在阀套内运动，所述阀套上设置有用于流体流过的开口，阀芯在阀套内的运动能够调节用于流体流过的开口的面积大小，进而调节流体流量的大小。

所述阀体的顶部设置有安装口，所述安装口处通过螺栓可拆卸的固定连接有下阀盖5，所述下阀盖上表面的中心部位一体式固定有阀杆套6，所述阀杆穿过下阀盖和阀杆套，其顶端与驱动件连接，阀杆套能够对阀杆的运动进行导向。

本实施例中，所述驱动件采用现有控制阀用的气动驱动件7，其具体结构在此不进行详细叙述，气动驱动件的输出轴通过联轴器8与阀杆的顶端固定连接。

当然驱动件也可采用直线电机或液压缸等其他驱动件，只要能够输出直线运动即可。

所述下阀盖通过螺栓与活塞套9的底部可拆卸固定连接，活塞套的顶部通过螺栓可拆卸的连接有上阀盖10。

下阀盖、活塞套及阀体可采用不同套螺栓进行固定，也可采用同一套螺栓进行固定，降低零件使用量。

所述活塞套、阀杆套、上阀盖及下阀盖形成安装空间，所述安装空间内设置有活塞，所述活塞包括第一活塞部11和第二活塞部12，所述第二活塞部的直径小于第一活塞部的直径，所述第一活塞部的外周面与活塞套的内侧面贴紧接触，活塞能够在活塞套内沿阀杆的轴线方向运动。

本实施例中，所述活塞套为圆柱型或长方体型，活塞为相匹配的圆柱形或长方体型，当然也可采用其他形状，只要能够满足活塞与活塞套内侧面贴紧接触，且能够沿阀杆轴线方向运动即可。

所述第一活塞部将所述的密闭空间分隔为第一空间13和第二空间14，所述阀芯上设置有第一通孔15、下阀盖上设置有第二通孔16，第二空间能够通过第一通孔和第二通孔与阀体内流道的空间相连通。

所述第一通孔和第二通孔设置一个或多个，可采用圆形孔或方形孔或三角形孔或其他形状孔，第一通孔的数量、大小和形状可根据工况不同而选用不同的设计，本实施例中，所述第二通孔设置两个，为月牙型孔，相对于下阀盖的中心对称设置。

所述第一空间内设置有压电发电组件，所述压电发电组件与活塞固定连接。

所述压电发电组件包括压电振子总成17及设置在压电振子总成上方且与其连接的集电器18。

所述压电振子总成包括上下设置且串联连接的多个压电振子单元，所述压电振子单元包括与第二活塞部外周面固定连接的套筒17-1，所述套筒的外周面一体式固定有环状的压电环固定板17-2，所述压电环固定板的上下表面均固定有由压电材料制成的压电环17-3，本实施例中，所述压电环采用压电陶瓷，也可选用其他压电材料，所述压电环固定板的外周面与配重环17-4固定连接。

所述套筒的上下两端分别设置有相匹配的接线端子17-5和接线插口17-6，相邻的压电振子单元能够通过接线端子和接线插口串联连接。

当振动由套筒和压电环固定板输入时，附在压电环固定板两侧的压电环也上下振动，同时发生应变，根据材料特性在压电环的上下表面产生电压，此电压经接线端子输出，并通过接线插口传输给与其串联的压电振子单元。

本实施例中，为了避免每个压电振子单元在振动的过程中因频率相同对整个控制阀造成耦合共振以致损坏其内部件，每一个单压电振子单元的大小不同。

压电振子总成产生的电流能够通过集电器输出。

所述集电器的上方设置有弹性件，所述弹性件顶端与上阀盖连接，底端与压电发电组件的集电器接触，能够对集电器输出弹力，本实施例中，所述弹性件采用弹簧19，所述弹簧套在阀杆套的外周，弹簧顶端与上阀盖连接，底端与集电器接触。

活塞能够在第二空间内流体和弹簧的作用下，沿阀杆轴线方向振动，流体产生振荡时，能够带动活塞振动，同时弹簧产生变形，缓冲流体振荡时产生的冲击载荷，保证了阀芯的正常工作，保证了控制阀的控制精度，避免了控制阀***所连接管路的安全隐患，压电振子单元能够随活塞振动，同时发生应变，产生电流。

本实施例中，所述上阀盖的中心部位螺纹连接有调节套筒20，所述调节套筒套在阀杆套外周，转动调节套筒，调节套筒能够沿阀杆轴线方向运动，所述弹簧顶端与调节套筒固定连接，通过调节套筒，能够调节弹簧的松紧度。

本实施例中，所述阀杆套顶部与阀盖之间利用填料套、填料及填料压盖进行密封，填料套、填料及填料压盖的设置方式采用现有的设置方式即可，在此不进行详细叙述。

所述监测元件包括多个压力传感器21及一个位移传感器22，所述阀体的通过连接座23固定有多个压力传感器，所述气动驱动件的输出轴的设置有位移传感器，压力传感器及位移传感器均通过信号收集处理器与控制器连接，所述信号收集处理器采用单片机控制芯片，压力传感器能够采集流道内的流体压力信息并传输给信号收集处理器24，信号收集处理器能够根据采集的压力信息分析得到流道内的流场状况，并传送给控制器25，所述控制器与气动驱动件连接，通过气动驱动件带动阀杆运动，进而带动阀芯运动，调节流体的流量，工作人员也可直接向控制器发送指令，控制阀杆工作，对流量进行调节。

本实施例中，信号收集处理器设置若干压力传感器信号输入端，一个位移传感器输入端，一个外部信号输入端，一个反馈信号输出端，若干计算结果输出端和一个扩展通信接口。其具体工作原理为：若干压力传感器将检测的压力信号实时传输到信号收集处理器，信号收集处理器对这些信号进行整合、计算分析，按其内部程序或外接计算机生成此时流道内的流场状况，并通过位移传感器的信号记录此时阀芯的位移。流场状况可以通过计算结果输出端输出到不同的外部分析软件，可导出不同的状态参数。当一个收集处理器的输入端不够，可通过扩展通信接口与下一个同型号的收集处理器相连，使之成为一个整体。

本实施例中，操作人员可通过程序输入不同工况下的流场的相关参数特性，并选择一种工况执行。信号收集处理器在获取相关参数后，与上一时刻的参数和预置参数进行对比，通过计算，自动生成下一时刻的反馈信号，并通过反馈输出端传送至控制器。此过程为自动执行，操作人员仅能通过编程将工况输入以及选择工况，无法通过信号收集处理器进行手动控制。

当反馈信号输入控制器，控制器对此信号进行解算和转换，并生成控制信号传至气动驱动件。气动驱动件按照信号动作，以推动阀杆带动阀芯发生微小位移，进而改善阀内部的流体振荡冲击。此时的信号收集处理器可看作指令、监控者，控制器为执行者。

若需要人工控制阀芯的位移，则通过手控装置31将信号输入到控制器。手控装置可采用按钮或遥控器等，此时控制器收到两路输入信号：处理器反馈信号与手控信号。控制器设定为手控信号的优先级高于反馈信号，因此控制器将只执行手控信号，切断处理器反馈信号。执行手控信号时，位移传感器的信号同时进入控制器，进行控制信号的反馈，直至阀芯位移达到手动设置的长度后，处理器反馈信号重新接通。此过程中，手控装置为指令者，控制器为执行者，信号收集处理器仅为监控者。

本实施例中，信号收集处理器还与显示装置32连接，显示装置能够显示压力传感器和位移传感器采集的参数信息，显示装置采用现有的显示屏即可。

所述集电器的输出端通过整流滤波稳压电路26与充电电源连接，所述充电电源采用充电电池27，压电振子总成产生的电流能够通过集电器输出，对充电电池进行充电，所述整流滤波稳压电路采用现有电路即可，在此不进行详细叙述。

所述充电电池通过分压模块28，所述分压模块采用PLC芯片，分压模块与电源控制模块29连接，电源控制模块采用PLC芯片，电源控制模块的输出端与压力传感器、位移传感器连接，对其进行供电，充电电池的输出端通过分压模块与电源控制模块的电压输入端连接，分压模块的信号端与电源控制模块的信号输入端和信号输出端连接，用于接收电源控制模块的信号和向电源控制模块发送信号。电源控制模块的多个电压输出端分别连接多个压力传感器、位移传感器，用于对压力传感器、位移传感器进行供电，压力传感器和位移传感器均连接有电压检测模块30，电压检测模块的输出端与电源控制模块的信号输入端连接。

供电时，电源控制模块向分压模块发出信号，充电电池输出电流，按照设定的各传感器的额定电压、电流值分配到各组电压输出端，为传感器供电。

传感器工作时，电压检测模块检测其电压信号并传回电源控制模块，电源控制模块动态调整各输出电压以保持在传感器工作的正常电压范围。

实施例2：

本实施例公开了一种实施例1所述的能够自供电的控制阀***的供电方法：流体从阀体一端流入，从阀体的另一端流出，流道内的流体能够进入第二空间，当流体发生振荡时，对活塞产生作用力，活塞在流体载荷和弹簧弹力的共同作用下，沿阀杆的轴线方向振动，活塞带动压电振子总成振动，压电振子单元产生形变，输出电流给集电器，集电器将电流输出给充电电池，充电电池通过电源控制模块向监测元件及气动驱动件进行供电，充分利用了流体振荡产生的机械能，转换为电能对传感器及驱动件进行供电，无需铺设电缆，降低了运营成本。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种能够自供电的控制阀***，包括：

控制阀：包括阀体，阀体内设置有阀芯，阀体顶部固定有下阀盖，下阀盖顶面固定有阀杆套，阀杆套套在阀杆外周，阀杆底端与阀芯固定连接，能够带动阀芯运动，下阀盖与活塞套底部固定连接，活塞套顶部固定有上阀盖，下阀盖、上阀盖、活塞套及阀杆套形成安装空间，所述安装空间内设置有能够沿阀杆轴线方向运动的活塞，活塞将安装空间分隔为第一空间和第二空间，第二空间与阀体内空间连通，第一空间内设置有与活塞固定连接的压电发电组件，压电发电组件与弹性件的底端接触，弹性件的顶端与上阀盖固定；

所述压电发电组件包括压电发电总成及设置在压电发电总成上部的集电器，所述集电器与压电发电总成连接，压电发电总成产生的电流能够通过集电器输出，所述压电发电总成包括多个上下设置且串联连接的压电振子单元，压电振子单元受到作用力产生形变后能够产生电流；

监测元件：包括用于检测阀体内流体压力的压力传感器及用于检测阀杆位移的位移传感器，压力传感器及位移传感器与充电电源连接，充电电源与压电发电组件连接。

2.如权利要求1所述的一种能够自供电的控制阀***，其特征在于，所述压电振子单元包括与活塞固定连接的套筒，套筒外周面固定有压电环安装板，压电环安装板上下表面设置有由压电材料制成的压电环，压电环安装板的外周面与配重环固定连接。

3.如权利要求2所述的一种能够自供电的控制阀***，其特征在于，所述套筒的上下端面分别设置有相匹配的接线端子和接线插口，相邻压电振子单元能够通过接线端子和接线插口串联连接。

4.如权利要求1所述的一种能够自供电的控制阀***，其特征在于，所述压电发电组件通过整流滤波稳压电路与充电电源连接，充电电源通过分压模块与电源控制模块连接，电源控制模块的多个输出端分别与压力传感器和位移传感器连接，对压力传感器和位移传感器进行供电。

5.如权利要求1所述的一种能够自供电的控制阀***，其特征在于，所述阀杆底端与阀芯固定连接，阀杆穿过下阀盖、活塞套及上阀盖，其顶端与驱动件连接，驱动件能够驱动阀杆运动。

6.如权利要求5所述的一种能够自供电的控制阀***，其特征在于，所述驱动件与控制器连接，控制器能够控制驱动件的工作，所述控制器还通过信号收集处理器与压力传感器及位移传感器连接，压力传感器及位移传感器采集的信息能够传输给信号收集处理器进行分析，信号收集处理器能够将分析的流场状况传输给控制器。

7.如权利要求1所述的一种能够自供电的控制阀***，其特征在于，所述上阀盖螺纹连接有调节套筒，所述调节套筒套在阀杆套外周，弹性件的顶端与调节套筒连接，调节套筒能够沿阀杆套的轴线方向运动，调节弹性件的松紧度。

8.如权利要求1所述的一种能够自供电的控制阀***，其特征在于，所述阀芯设置有第一通孔，下阀盖设置有第二通孔，第二空间通过第一通孔和第二通孔与阀体内用于流体通过的空间相连通。

9.一种权利要求1-8任一项所述的能够自供电的控制阀***的供电方法，其特征在于，活塞在阀体内流体振荡冲击作用下沿阀杆轴线方向振动，压电发电组件随活塞振动，弹性件对压电发电组件施加弹力，压电发电组件产生电流对充电电源进行充电，充电电源对压力传感器和位移传感器进行供电。

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