一种用于灌溉隔膜阀的阀门状态反馈装置的设计与实现

袁颖华，孙颖奇，苑宝玉，华 涛，魏韶辉 (南瑞集团公司(国网电子科学研究院)，南京 211000)

1 概 述

自动化精准灌溉技术是支撑现代化农业的一项基础性技术措施，通过对灌溉用水进行监测预报和自动遥控，对灌区实施智能化管理，从而提高水资源利用率，实现精准灌溉，发展高效节水灌溉农业[1,2]。灌溉阀作为自动化精准灌溉系统的主要控制设备，对整个系统的稳定运行起到了至关重要的作用。

现有的灌溉阀采用结构简单、低功耗、低成本的隔膜式水力控制阀(以下简称隔膜阀)，在实际灌溉系统中极易发生故障，此外灌区的隔膜阀空间分布范围较大，因此当控制中心下达指令后，需要隔膜阀能够及时反馈阀门对于相关指令的执行情况，以方便控制中心实时掌握其工作状态。目前的阀门状态反馈技术主要采用间接反馈，在隔膜阀上安装各种传感器，辅以相应的测量电路来实现阀门状态的反馈。例如新疆水科院采用了磁控传感器，使用了磁力球及干簧管作为检测元件，但仅能可靠辨识出全开状态，无法反馈全关及中间开度状态；西安灞桥热电厂使用2组光电接近开关来反馈全开全关信号。但灌区水压波动较大，隔膜阀的膜片极有可能处于全关与全开之间的中间开度状态，虽然使用高精度位移传感器，如差动式电感传感器(LVDT)、直滑电位器等，可以准确获取阀门的开度信息，但其结构复杂，动作可靠性低[3-6]。

本文针对这一情况，开发研制出了一种可用于灌溉隔膜阀的新型光电式阀门状态反馈装置，利用反射式光学位移传感器接收光强随距离的变化来反馈阀门的工作状态，具有结构简单，性能可靠，成本低廉的优点。

2 光电式阀门状态反馈装置

2.1 结构设计

阀门状态反馈装置主要用于获知灌溉系统中各节点隔膜阀的工作状态，便于工作人员及时排查及消除故障节点，其在隔膜阀中的位置如图1中所示。由于仪器长期工作于野外，需防水防潮防暴晒，故该装置的外壳采用了强度高、耐热性及耐磨性好的塑料材料，此外考虑到装置的外形美观及加工安装方便，将其整体设计为圆柱形，固定于隔膜阀阀盖上。

图1 灌溉隔膜阀Fig.1 The irrigation diaphragm valve

本文设计的光电式阀门状态反馈装置的结构如图2所示，主要由阀杆、密封组件、端盖、反射镜片、电路板、反射式光学位移传感器、护筒、底座、密封圈等部件组成。反射式光学位移传感器焊接于电路板上，电路板固定于阀杆顶端，并通过柔性扁平连接线缆与配备的阀门控制器实现电气连接，反射镜片胶黏于端盖下表面。阀杆通过螺纹连接于隔膜紧固芯上，隔膜阀阀盖与阀杆之间由密封组件实现密封。

图2 光电式阀门状态反馈装置结构示意图Fig.2 Structural diagram of the photoelectric state feedback device

2.2 工作原理

当隔膜阀处于全关状态，此时光经反射式光学位移传感器发射端发出，至反射镜片反射后，被传感器接收端所接收，其反射距离最长，接收到的光信号最弱；当阀门响应开启指令慢慢开启时，隔膜逐渐向上运动，带动其上的阀杆上升，使得反射距离逐渐变短，接收到的信号越来越强；直至阀门完全开启时，反射距离最短，接收的信号最强，其工作原理如图3所示。

图3 光电式阀门状态反馈装置工作原理图Fig.3 Working principle diagram of the photoelectric state feedback device

所选用的反射式光学位移传感器为Vishay公司的TCND5000，其接收光信号随反射距离的变化曲线如图4所示。本文设计的阀门状态反馈装置通过测量反射式光学位移传感器接收端的光电流，经电路处理后，反馈阀门开度信息。

图4 反射式光学位移传感器距离-相对光电流曲线图Fig.4 Distance-Relative photocurrent graph of reflective optical displacement sensor

3 性能试验与分析

本文参照阀门压力试验的相关标准搭建了如图5所示的试验装置[7,8]，以模拟隔膜阀在实际管线压力情况下的动作情况，进而对研制的阀门状态反馈装置的合理性及可靠性进行了验证。试验平台主要由空气压缩机、减压阀、压力表、计算机、法兰适配件等部件组成，通过调节减压阀以获得不同的试验压力开启或关闭隔膜阀，使得阀门状态反馈装置作出相应动作，通过记录阀门控制器反馈的阀门状态信号，分别对该状态反馈装置进行了严密性及响应性能试验。本次试验介质为空气，试验压力范围为0～8 bar，压力表精度等级为1.6级，最小刻度为0.1 bar，选用的隔膜阀工作压力范围为0.3～8 bar。

图5 阀门状态反馈装置性能试验示意图Fig.5 The performance test chart of valve state feedback device

将阀门状态反馈装置安装至隔膜阀上，隔膜阀初始处于关闭状态，系统压力作用于隔膜阀上游，隔膜阀通过线缆连接至阀门控制器，阀门控制器与计算机之间通过无线通讯进行数据传输。拆除反馈装置端盖、护筒及PG7接头，以方便观察试验现象及阀杆运动情况。严密性试验时，打开空压机，调整减压阀将试验压力逐渐增加至0.8 MPa，打开入口法兰处的开关阀，在隔膜阀的进口端逐渐加压，利用喷壶往装置中的阀杆及密封组件之间喷洒肥皂水，目测是否有气泡产生以判断该装置的密封性能。由试验现象可知，阀杆与密封组件之间密封良好，无明显肥皂泡产生。

响应性能试验时，将阀门控制器电源接口与锂亚干电池连接，确认极性正确后上电。打开空压机，调整减压阀以获取不同的试验压力，并通过计算机向阀门控制器下达指令，控制隔膜阀开启或关闭，观察并记录试验状态反馈装置能否在试验压力范围内准确产生反馈信号，且阀杆动作正常，无卡死等现象。试验结果如表1所示。

根据响应性能试验数据可知，当隔膜阀接收到关阀指令时，在各个试验压力下，获得的状态反馈信号均小于1.5 V，观察水槽中无气泡产生，说明阀门处于关闭状态。而当隔膜阀接收到开阀指令时，试验压力为0.2 bar，获得的状态反馈信号为1.08 V，小于1.5 V，且水槽中无气泡产生，说明此压力状态下阀门仍处于关闭状态；试验压力为0.3～0.5 bar，状态反馈信号在1.5～2.5 V之间，水槽中有少量气泡产生，此时阀门处于半开状态；试验压力为1～10 bar，状态反馈信号大于2.5 V，水槽中有大量气泡产生，阀门处于全开状态。试验结果表明，研制的阀门状态反馈装置能准确地反映出阀门全开、中间及全关各个状态，且阀杆动作正常，无卡死等现象。目前已成功应用于某智慧农业自动化滴灌工程项目中，运行状况良好。

表1 阀门状态反馈装置响应性能试验数据Tab.1 The Response performance test data of valve state feedback device

4 结 语

本文针对目前灌区控制中心无法准确获知灌溉隔膜阀工作状态的缺陷，设计了一种新型光电式阀门状态反馈装置。该装置利用反射式光学位移传感器接收光强随其安装平面到反射平面的间距变化来反馈阀门的工作状态，便于管理人员及时发现问题、排除故障，提高工作效率，降低运行维护成本。试验结果表明，该状态反馈装置满足设计要求，性能稳定，能可靠辨识隔膜阀的各开度信息，具有结构简单、成本低廉等特点，可较好的适用于农业自动化灌溉系统中，保证灌溉系统的运行效率与可靠性，提高灌区自动化灌溉管理水平。

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[1] 徐征和,吴俊河,丁若冰,等. 自动化灌溉控制工程技术的研究与应用[J].中国农村水利水电,2006,(6):66-68.

[2] 陈文清. 节水灌溉自动化控制系统研究与应用[J].节水灌溉, 2004,(6):27-28.

[3] 崔春亮,阿不都·沙拉木,雷建花,等.农用反馈式直流脉冲电磁阀[P].中国专利: 201120023925.X, 2011-08-17.

[4] 王树先.电磁阀[P].中国专利: 201320383401.0, 2014-01-29.

[5] 皮建民.光电信号反馈装置[P].中国专利: 200320109882.2, 2004-11-24.

[6] 孙茂钊.电子式阀位信号反馈装置[P].中国专利: 99225099.4, 2000-12-13.

[7] GB/T 13927-2008, 工业阀门的压力试验[S].

[8] JB/T 10674-2006, 水力控制阀[S].