智能球阀研究进展

黄海亮 宋科明 李统一 陈旭东

（1 广东联塑科技实业有限公司；2 中山大学化学学院）

1 前言

智慧塑料管网作为智慧城市的重要部分[1-3]，是塑料管道行业在未来的重要发展方向。阀门作为塑料管网组成部分，其智能化工作也受到广泛关注[4-5]。

目前行业内的智能阀门一般是指在普通阀门上安装控制器从而能实现遥控功能的阀门。在此基础上，如果能在阀门上安装传感器，不仅能提高阀门的元件集成度，减少管材管件上的开孔数目，还能降低智慧塑料管网的组装难度与成本，有利于智慧塑料管网的推广应用。

球阀作为常用的阀门种类之一，具有耐磨、密封性好、开关轻以及使用寿命长等多个特点，在建筑供水、市政供水、石化输油、工业排污等多个领域都有广泛用途[6-8]，不少学者对智能化球阀进行了研究并取得一定成果[9-10]。本文主要总结了行业内在球阀上安装传感器的多种方式，希望能为行业研发新型的智能球阀提供参考。

2 传感器安装方案

2.1 在阀门两端安装传感器

为了不影响球阀的正常开关功能，同时又能安装传感器获取流体的数据，在球阀两端承插段安装传感器是最容易实现的思路，不少科研人员也按照这思路提出了具体的解决方案[11-13]。

田洪卫[14]提出了一种可以实现自动调压的阀门，压力传感器安装在流体流动的安装管上，并通过压力传感器和驱动器控制与阀体转动轴连接的伺服电机，可通过球阀控制管道内的流体压力。盛斌[15]则是提出一种模块化新型球阀结构，如图1 所示。这种球阀在出水部位于水平方向上距离阀芯3cm～10cm 处设置一个传感器安装孔，水质传感器或者电磁流量传感器可以通过磁性在安装孔中快速安装或拆卸。传感器还连接有wifi 或者蓝牙无线通讯模块，便于向外界终端传输信号。这种阀门各个模块之间通过螺纹或者磁性连接，当某以模块出现问题的时候能进行快速更换，不需要将阀门整体更换，能极大地简化操作，有效降低产品后期维护成本。

图1 一种模块化功能组合式球阀结构图

在球阀两端的承插段安装传感器，不仅能满足数据采集的要求，结合控制器以及执行器等组件还能实现管网流体动态调控的目的。不过，由于常规球阀的承插段长度有限，容易对传感器尺寸形成限制，还会影响阀门与管材管件的连接。为了解决这个问题，有学者提出可以通过一个壳体将常规尺寸的球阀与传感器封装在一起从而形成一个一体化组件[16]。如图2 所示，采用这种方案，可以在保证球阀正常工作的前提下与不同尺寸的传感器实现一体化设计，满足不同的监控要求。这种结构的组件省去了外装端盖的连接环节，增加了结构的刚性，同时降低生产成本，同时能增加组件的整体刚性及抗破坏能力，还能避免现场安装时出现的端盖渗漏的问题。

图2 一体化流量传感器- 球阀组件结构图

2.2 在阀体底部安装传感器

对于在球阀上安装传感器的位置，除了可以选择球阀两端的承插口以外，相关学者还提出可以在球阀底部以球体中轴线作为中心开孔安装传感器[17-19]，在做好严格的密封处理后就能保证球阀正常工作的同时还能实现流体参数监控。

图3 测温球阀结构图

卓旦春[20]提出一种底部安装温度传感器的球阀结构（如图3）。在这种球阀中，导温件设置在底部并同时穿过阀体外壳和阀芯，且其内端位于流体通道处，外端则伸出阀体，整体通过内螺纹与阀体连接，方便安装与拆卸。导温件内部的测温孔装有温度传感器，内侧壁上设有内向的挡沿，当温度传感器装入测温孔内，再在挡沿口处安装固定帽堵塞温度传感器，防止温度传感器从测温孔上脱落。导温件与凸边的连接处还设置有密封圈，一方面增强了导温件与阀体之间的密封性，另一方面方便导温件的连接。这种结构的优点在于在球阀底部开孔并安装温度传感器，能有效对球阀内部温度实现精确测量，同时不影响阀门正常开关功能。

汪晓岗等人[21]提出了一种新型智能燃气球阀，结构如图4。在球阀下侧设置一个定位孔，用于放置智能模块。在智能模块中，可以写入该产品的生产时间、生产过程参数、出厂时间等信息，在施工方安装后可以写入施工时间施工责任人等信息，并在后期对管线维护过程中，该智能模块可以安装全球定位（GPS）芯片，实现阀门快速定位，并通过蓝牙或者wifi 等方式与终端设备进行连接并写入相应信息。在该模块中，也可以设置气压传感器监控燃气传输过程中的气压值。当阀体与阀芯呈断开状态时，连接通道与输气通道错开，阀体内腔与智能模块的容置槽也断开，便于智能模块取出维护或更换，有效降低产品维护成本，具有较强灵活性。

图4 一种智能燃气球阀结构图

2.3 在球体上安装传感器

为了保证球阀正常工作的情况下实现数据采集的功能，除了可以考虑在球阀底部的中心安装传感器以外，还可以直接将传感器与球阀芯体做成一体化器件[22]。齐宽宽[23]提出了一种防冻结球阀（图5），球阀壳体内部设置球阀芯体，温度传感器安装在球阀芯体内，在球阀的支撑承轴底部以及阀杆有加热装置。传感器与加热装置都与控制装置连接，一旦球阀内部温度过低能开启加热功能实现保温防冻结，同时阀体外部包裹保温层，能有效防止球阀被冻结，避免事故出现。这种结构有利于减少了阀体的开孔，降低泄漏风险。

图5 防冻结球阀结构图

2.4 阀杆中安装传感器

在前面的方案中，虽然在阀体底部中心开孔接入传感器，或者将传感器与球体做成一体化的结构，能有效实现数据采集的目的，但这两个方案都涉及对阀芯（球体）进行改动。前者涉及在阀体外壳以及球体两层结构上开孔，对密封工艺要求高；后者涉及电子元件的集成，对制作工艺要求高。这两种解决方案执行难度较高，轻微的失误都可能对球体结构以及球阀使用寿命产生不良影响。为此，有学者提出了其他的思路[24]。

周盈裕[25]提出了一种用于天然气管道的智能球阀结构（图6）。这种球阀采用间隙配合的连接方式，并结合有预紧力弹簧、支撑柱技术方案结合的方法，同样达到阀杆与凹槽过赢配合的技术效果，解决扳手、阀杆以及球体转动不同步的问题，延长了球阀使用寿命。阀杆的中心具有轴向贯通孔贯穿球体端部。阀杆还开设有轴向贯通孔相连的径向泄漏检测微孔。阀杆的轴向贯通孔内安装有气体传感器。传感器、阀体上的自动控制器以及蜂鸣报警器通过导线相连。当球体球座之间出现漏气现象时，气体通过阀杆与凹槽经后期磨损后的间隙以及检测微孔到达轴向贯通孔并被传感器监测。传感器检测得信息转换为电信号并传输到控制器，从而实现报警功能，避免事故的发生。

图6 天然气管道用智能球阀结构图

2.5 多功能球阀

随着技术的不断进步，产品上元件的集成度也随之提升。如果球阀上能集成多个传感器[26-27]，就能在一个监控点实现多参数监控，系统平台可以通过综合分析多种数据更快发现管网异常事件，同时也能提高工作人员处理异常事件的效率。另外，球阀上元件集成度的提升能减少管网上的开孔数目，降低构建智慧塑料管网的难度与成本，有利于智慧管网的推广建设。

陶岳杰等人提出了一种智能管道漏水保护器（图7），包括球阀阀体、球阀控制器、电路主板、温度传感器、流量传感器以及压力传感器等元件[28]。传感器与控制器都通过导线与主板相连。球阀外壳安装有LED 屏幕，可以显示流体参数。通过相应的旋钮以及按钮能直接控制球阀，也能通过终端（手机等）以wifi 或者GPRS 等方式对其进行遥控。这种保护器可以对家庭用水的压力、流量、温度进行实时检测，智能判断家庭是否漏水，并能通过手动或者软件远程控制阀门开关，方便安全，符合智慧家庭的发展趋势。

图7 智能管道漏水保护器

3 总结

球阀作为常用的阀门之一，是塑料管网中重要组成部分，其智能化研究是塑料管道领域的热点。通过在球阀中安装传感器，赋予其采集数据的功能，有效提高阀门产品的元件集成度。这类新型的智能化球阀，不仅能提高塑料管网的调控效率，还能减少管材管件上的开孔数目，降低构建智慧塑料管网的组装难度与成本，有利其推广应用，具有重要的实际意义。