[發明專利]一種基于瞬變流的閥門狀態探測系統和方法

在審

• 申請號: 202110688546.0
• 申請日: 2021-06-21
• 公開（公告）號: CN113639987A
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 龍志宏;俞亭超;朱子朋;周毓;李煜;陳小燕
• 申請（專利權）人: 廣州市自來水有限公司;浙江大學
• 主分類號: G01M13/003
• 分類號: G01M13/003
• 代理公司: 廣州浩泰知識產權代理有限公司 44476
• 代理人: 楊喆

1.一種基于瞬變流的閥門狀態探測系統，包括：

試驗管路；

上游供水設備，包括變頻泵、氣壓罐、穩壓水箱和控制柜，變頻水泵和控制柜調節水泵頻率，保證穩定的壓力水頭及管道流速；

上下游閥門，調節管道中的流量大小；

中間閥門，用于改變閥門的工作狀態，引起不同的試驗工況；

末端電動調速球閥，用來在管道末端產生水錘波，由控制系統和機械系統組成，可以實現閥門的啟閉作業，關閥時間需要比較快；

電磁流量計，實時測量管道流量；

壓力傳感器，安裝在管道上，用于測量管道中的壓力信號。

2.如權利要求1所述的基于瞬變流的閥門狀態探測系統，其特征在于，末端電動調速球閥用來在管路末端產生水錘波，由控制系統和機械系統組成，在閥門啟閉作業的一定行程時間范圍內，可進行無級調節；閥門啟閉作業的一定開度調節范圍，可進行無級調節；閥門可以實現正反轉，便于啟閉控制；包括閥體、用來驅動閥體開閉的步進電機、控制步進電機的驅動器、連接驅動器的控制器、觸摸屏、控制柜以及連接各電路和電機啟閉的開關元件；試驗管網運行時，將電動球閥接入電路，在觸摸屏設置需要的關閥時間，控制器會將相應的脈沖個數和頻率傳遞給驅動器，然后驅動電機按照指令工作，電機動作帶動閥門轉動實現球閥的啟閉動作。

3.如權利要求1所述的基于瞬變流的閥門狀態探測系統，其特征在于，在管路的上游靠近穩壓水箱以及下游排水孔處都有設置閘閥以調節不同流量。

4.如權利要求1所述的基于瞬變流的閥門狀態探測系統，其特征在于，中間閥門規格為球閥，用于改變閥門的工作狀態，引起不同的試驗工況。

5.如權利要求1～4任一權利要求所述的基于瞬變流的閥門狀態探測系統，其特征在于，試驗裝置內的壓力變化情況由壓力測量系統監測并記錄，該系統包括壓力傳感器、穩壓電源、數據采集卡、計算機(數據采集軟件)等，信號處理軟件為LabVIEW。

6.如權利要求1所述的基于瞬變流的閥門狀態探測系統，其特征在于，通過快速關閥引起水錘。

7.一種基于瞬變流的閥門狀態探測方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)試驗前，根據所需工況調節中間閥門的開度；

(2)試驗過程中，打開水泵向管道系統供水，調節控制柜以及管道中的閘閥，得到所需的初始流量或流速；

(3)在末端電動球閥的控制屏上調整設置所需的關閥時間；

(4)壓力傳感器采集壓力信號，信號由壓力監測系統收集處理；

(5)啟動數據采集軟件，記錄管道系統內的流量以及壓力變化；穩定5s后，關閉電動球閥，在管道內產生瞬態壓力；當管內壓力再次穩定，流量為0時，停止數據采集，保存數據；

(6)整理試驗數據，進行下一個工況的試驗，直到全部測試完成；

(7)根據測得的壓力信息，得到初次、二次升壓值與時間信息，計算得到閥門的位置與開度情況。

8.如權利要求7所述的基于瞬變流的閥門狀態探測方法，其特征在于，在步驟(6)中，可以使用下面的關系來評估被檢測到的閥門的位置，

式中L₁為管道中間閥與末端壓力監測點之間的距離，L為上游穩壓水箱與末端壓力監測點之間的距離；每一個急劇變化的壓力信號對應于一個壓力波穿過末端壓力監測點的測量截面：在t₁，電動球閥的快速完全關閉產生的瞬態波通過末端壓力監測點的測量截面；當壓力波抵達管道中部分關閉的中間閥門時，它被部分反射，在t₂時間返回到末端壓力監測點的測量截面，透射波繼續向上游傳去，直到被上游穩壓水箱反射；在t₃時，由于反射、摩擦等引起的壓力振幅減小的波返回到末端壓力監測點。

9.如權利要求7所述的基于瞬變流的閥門狀態探測方法，其特征在于，在步驟(6)中，可以通過閥門水頭損失系數K來評估評估閥門開度情況：

其中，閥門快速關閉可以產生入射壓力波，H_W和V_W即為入射波的壓力和速度；a為瞬態壓力波波速；ΔH_R＝H_R-H_W，H_R和V為閥門處反射后的水頭和速度；管道初始流速為V₀；ΔH_R,a和V₀已知，通過以上兩式可以采用試算法計算得到閥門水頭損失系數K；當末端閥門瞬時完全關閉時，則有V_W＝0，