一种自供电智能阀门定位器及其实现方法与流程

1.本发明涉及阀门定位器控制技术领域，尤其涉及一种用于气动阀门调节的自供电智能阀门定位器。


背景技术：

2.智能阀门定位器是控制管道中阀门工作的重要部件之一，通常与调节阀配套使用，智能阀门定位器与气动执行机构(一般为气缸等)相连，气动执行机构与调节阀相连，智能阀门定位器接收来自控制器或控制系统的给定信号(即4～20ma信号)，通过控制气动执行机构的进气或排气，使调节阀中的阀杆移动进而改变开度大小。智能阀门定位器与执行机构联动，使调节阀的阀杆位移，阀位检测装置将位移转换为电信号并反馈至控制器，控制器将该电信号与设定信号进行比较，当两者有偏差时，控制器改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，进而调节气动调节阀的开度至设定值。换言之，阀门定位器是以阀杆位移作为反馈控制的信号，实现对调节阀的反馈控制。
3.更为具体的，智能阀门定位器包括反馈机构及压电阀，反馈机构连接至执行机构，随执行机构动作而将调节阀的阀杆的位移转换为电信号，并反馈至控制器，控制器根据该电信号对压电阀进行开关控制。压电阀连接至执行机构，当压电阀开启时可为执行机构提供高压气体进而推动执行机构动作，执行机构再进一步推动调节阀的阀杆，进而调节气动调节阀的开度，以此实现对气动调节阀的反馈控制。
4.智能阀门定位器在工作中有两个特征：一是需要有电源，接收来自控制器或者控制系统中的弱电信号；二是需要有气源，向气动执行机构输送气动信号，以此来控制阀门开合的程度。现有的智能阀门定位器厂家，普遍采用外接电源和外接气源的方式。通过外接电源给智能阀门定位器的主机板和oled屏等供电，使得主机板能接收4～20(ma)信号，并向压电阀输出指令，控制气流大小来控制阀门开合的程度，并通过oled显示控制内容。压电阀接收外来气源，并控制输出气源的大小，控制阀门开合。此类智能阀门定位器需要外接电源，在某些场合，只有气源，没有电源的情况下，想要外接一条电路，成本非常高昂。再例如在防爆环境下进行应用时，很难推广至无线应用，因为阀门定位器的功耗相对一般仪表(如温度、压力仪表)更高，在相同的电池容量的情况下，更换电池的周期更短，采用电池的方式也不能有效的解决供电问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供一种自供电智能阀门定位器及其实现方法，以解决在无线应用环境下，智能阀门定位器的供电问题。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
7.一种自供电智能阀门定位器，其特征在于，所述自供电智能阀门定位器至少包括：压电阀、气路切换控制模块、发电装置、电源管理模块；其中，
8.所述压电阀与气源相连，用于接收压缩气体的输入，并受控制信号的控制，输出气
源；
9.所述气路切换控制模块，与所述压电阀连接，用于控制所述压电阀输出气源的输出通路，一路连接至所述发电装置，另一路连接至执行机构；
10.所述发电装置，接受来自输出通路的压缩气体作为风能，用于将风能转换成电能，并输出至所述电源管理模块；
11.所述电源管理模块，用于将所述发电装置产生的交流电压转换成直流电压，提供阀门定位器所需的工作电压。
12.可选的，所述发电装置采用微型风力发电机，包括：风力机和发电机，所述风力机将风能转换为机械能，所述发电机将机械能转换为电能。
13.可选的，所述电源管理模块，包括：整流稳压单元、储能单元、电压检测单元、mcu单元；其中，
14.所述整流稳压单元，至少包括整流桥堆、稳压管，用于将所述发电装置产生的交流电压通过整流桥堆转换成直流电压，再通过稳压管限压保护，输出第一目标电压至所述储能单元；
15.所述储能单元，至少包括有过压过充保护功能的充电电路、储能器件，用于存储电量，并输出第二目标电压为阀门定位器提供工作电压；
16.所述电压检测单元，至少包括电压检测电路、a/d转换电路，用于监测所述储能器件的电量存储情况，并通过a/d转换电路将电量存储信息传输至所述mcu单元进行处理；
17.所述mcu单元，根据所述处理后的电量存储信息，向所述压电阀发送控制信号，控制压电阀的开启或关闭，以及向所述气路切换模块发送控制信号，控制气路切换模块输出通路的选择。
18.一种自供电智能阀门定位器的实现方法，其特征在于，所述自供电智能阀门定位器的实现方法至少包括：
19.s210：提供如权利要求1所述的自供电智能阀门定位器，将储能电量的至少一个目标设定值信息存入mcu单元的存储空间中，阀位检测模块检测到调节阀阀位处于稳态，不需要使用气源调整阀位时，进入发电状态；
20.s220：mcu单元判断当前储能器件中的电量是否低于第一目标设定值，若判断结果为否，则不需要启动发电程序，压电阀关闭，若判断结果为是，则向压电阀发送控制信号，启动发电程序，压电阀开启，压缩空气进气；
21.s230：mcu单元判断需启动发电程序的同时，向气路切换模块发送控制信号，压缩空气输出通路连接至发电装置；
22.s240：发电装置采用微型风力发电机，将作为风能的压缩空气，转换为机构能，再将机械能转换为交流电；
23.s250：发电装置产生的交流电通过整流稳压单元，转换成第一目标电压，对储能单元进行充电；
24.s260：储能单元存储电量，第一目标电压输入到充电电路，根据储能器件的存储量相应输出第二目标电压对储能器件进行充电，同时输出第三目标的电压为智能阀门定位器的主控板、oled等器件提供工作电压；
25.s270：电压检测单元监测储能器件的电量存储情况，并通过a/d转换电路将电量存
储信息传输至mcu单元进行处理，当电量存储达到第二目标设定值时，充电完成，mcu向压电阀发送控制信号，关闭压电阀，停止发电；当储能器件的电量降到第一设定值时，重复所述步骤s220至s270。
26.可选的，所述mcu单元判断当前储能器件中的电量是否低于第一目标设定值，若判断结果为否，则不需要启动发电程序，压电阀关闭，若判断结果为是，则向压电阀发送控制信号，启动发电程序，压电阀开启，压缩空气进气，进一步包括：
27.mcu单元判断储能器件中的电量的高低，根据电量存储信息，向压电阀发送对应的控制信号，分段控制压电阀进气开度的大小，进而控制发电能量。
28.可选的，所述mcu单元判断储能器件中的电量的高低，当电量存储在40％以下阶段，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀全开进气，在40％～70％阶段，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀80％开度进气，在70％～90％阶段，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀60％开度进气，在90％～100％(不含100％)阶段，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀60％开度进气。
29.本发明所述的一种自供电智能阀门定位器及其实现方法，其有益效果是在缺少电源的情况下，能实现阀门定位器的自供电，保证自身所需的工作电源，特别在防爆环境下实现无线应用，具有更佳的经济性、便利性和实用价值。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例提供的一种自供电智能阀门定位器的结构示意图。
32.图2为本发明实施例提供的一种自供电智能阀门定位器实现方法的流程示意图。
33.图3为本发明实施例提供的发电装置的结构示意图。
34.图4为本发明实施例提供的发电装置进排气的示意图。
35.图5为本发明实施例提供的电源管理模块的原理图。
36.图6为本发明实施例提供的一种自供电智能阀门定位器的组件装配示意图。
具体实施方式
37.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
38.实施例一
39.如图1所示，为本发明实施例提供的一种自供电智能阀门定位器的结构示意图。该自供电智能阀门定位器包括：压电阀110、气路切换控制模块120、发电装置130、电源管理模块140。其中，压电阀110与气源相连，用于接收压缩气体的输入，并受控制信号的控制，输出气源；气路切换控制模块120，与压电阀110连接，用于控制压电阀输出气源的输出通路，一
路连接至所述发电装置130，另一路连接至执行机构；发电装置130，接受来自输出通路的压缩气体作为风能，用于将风能转换成电能，并输出至所述电源管理模块140；电源管理模块140，用于将发电装置产生的交流电压转换成直流电压，提供阀门定位器所需的工作电压。
40.发电装置130采用微型风力发电机，其结构示意见图3。微型风力发电机包括发电机组310、叶轮320和支架330。支架330上设有进气孔410和排气孔420，其结构示意图见图4。压缩空气经进气孔410进入微型风力发电机从排气孔420输出，形成气流进而推动叶轮320，叶轮320转动(转子)形成变化的磁场，发电机组310中轴承及端盖将发电机的定子、转子连接组装，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，即产生了电流，输出交流电压。
41.电源管理模块140包括整流稳压单元141、储能单元142、电压检测单元143、mcu单元144；其中，
42.整流稳压单元141，包括整流桥堆、稳压管，用于将发电装置产生的交流电压通过整流桥堆转换成直流电压，再通过稳压管限压保护，输出第一目标电压(例如7v)至储能单元。
43.储能单元142，包括有过压过充保护功能的充电电路、储能器件(例如充电电池、超级电容等)，用于存储电量，第一目标电压(例如7v)输入到充电电路并根据储能器件的存储量相应输出第二目标电压(例如6v～6.6v)对储能器件进行充电，同时输出第三目标电压(例如6v～6.6v)为阀门定位器(主控板、oled、按键、无线通信电路等器件)提供工作电压。
44.电压检测单元143，包括电压检测电路、a/d转换电路，用于监测所述储能器件的电量存储情况，并通过a/d转换电路将电量存储信息传输至所述mcu单元进行处理。
45.mcu单元144，根据所述处理后的电量存储信息，向所述压电阀发送控制信号，控制压电阀的开启或关闭，以及向所述气路切换模块发送控制信号，控制气路切换模块输出通路的选择。
46.基于上述本发明实施例公开的一种自供电智能阀门定位器，本发明实施例还对应公开了一种自供电智能阀门定位器的实现方法。
47.如图2所示，为本发明实施例提供的一种自供电智能阀门定位器实现方法的流程示意图。该自供电智能阀门定位器的实现方法包括以下步骤：
48.步骤s210：将储能电量的至少一个目标设定值信息存入mcu单元的存储空间中，阀位检测模块检测到调节阀阀位处于稳态，不需要使用气源调整阀位时，进入发电状态；
49.步骤s220：mcu单元判断当前储能器件中的电量是否低于第一目标设定值(例如总储能电量的40％)，若判断结果为否，则不需要启动发电程序，压电阀关闭，若判断结果为是，则向压电阀发送控制信号，启动发电程序，压电阀开启，压缩空气进气；
50.步骤s230：mcu单元判断需启动发电程序的同时，向气路切换模块发送控制信号，压缩空气输出通路连接至发电装置；
51.步骤s240：发电装置采用微型风力发电机，将作为风能的压缩空气，转换为机构能，再将机械能转换为交流电；
52.步骤s250：由发电装置产生的交流电通过整流稳压单元，转换成第一目标电压(例如7v)，对储能单元进行充电；
53.步骤s260：储能单元存储电量，第一目标电压(例如7v)输入到充电电路，根据储能
器件的存储量相应输出第二目标电压(例如6v～6.6v)对储能器件进行充电，同时输出第三目标电压(例如6v～6.6v)为智能阀门定位器的主控板、oled、按键、无线通信电路等器件提供工作电压；
54.步骤s270：电压检测单元监测储能器件的电量存储情况，并通过a/d转换电路将电量存储信息传输至mcu单元进行处理，当电量存储达到第二设定值(例如总储能电量的100％)时，充电完成，mcu向压电阀发送控制信号，关闭压电阀，停止发电；当储能器件的电量降到第一设定值(例如总储能电量的40％)时，重复所述步骤s220至s280。
55.实施例二
56.本实施例提供一种自供电智能阀门定位器的一例具体工作过程。参见图1、图3及图5，设置气路切换模块120初始状态为：通往执行机构的气路为常闭；通往发电装置130的气路为常开。这样设置是因为压电阀型的阀门定位器只有当阀位需要调整时才需要向执行机构充气或排气，平时阀位处于稳态的时候不需要使用气源。外部气源(0.2mpa～0.7mpa)输入，气源通过压电阀110进入气路切换模块120后，直接通往发电装置130，通过微型风力发电机将气能转换为电能，发电装置130输出交流电压通过整流桥堆501转换成直流电压，再通过稳压管502限压保护，输出7v电压至充电电路503，充电电路503启动过压过保护并根据储能器件的存储量输出6v～6.6v电压对充电电池或超级电容504进行充电，同时输出6v～6.6v的电压为阀门定位器整机提供工作电压。阀门定位器正常工作后，电压检测电路505检测到充电电池或超级电容504的电量存储情况(5.6v～6.6v电压对应电量存储0～100％)，并通过a/d转换电路506将电量存储信息传输到mcu，mcu根据电量存储信息分段控制压电阀110的开度来控制进气量，进而控制发电能量，例如当电量存储在40％以下阶段，mcu输出相应的pwm(脉冲宽度调制)信号控制压电阀全开进气，在40％～70％阶段，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀80％开度进气(参照下表一进行压电阀110开度的控制)。当充电电池或超级电容504输出电压达到设定值6.6v(储能电量的100％)时，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀关闭，发电装置停止工作，储能单元停止充电，此时充电电池或超级电容504输出6.6v电压继续为阀门定位器提供工作电压，当充电电池或超级电容504输出电压下降到设定值6v(储能电量的40％)时，mcu控制打开压电阀110进气及气路切换模块120通往发电装置的气路开启，发电装置130工作，储能单元142开始充电，充电过程中储能单元142输出6v～6.6v电压继续为阀门定位器提供工作电压。当mcu接收到需改变阀门位置的信息时，输出控制信号控制气路切换模块导通通往执行机构的气路，关闭通往发电装置的气路，并输出相应的pwm信号控制压电阀进气使调节阀移到目标位置，此时储能单元处于停止充电状态。当通过阀位检测模块确认调节阀移到目标位置并稳定后，mcu控制气路切换模块关闭通往执行机构的气路并随后关闭压电阀进气，此时储能单元处于待充电状态。
57.表一：
58.[0059][0060]
本实施例中对压电阀的进气开度进行动态控制，能实现相对经济的能耗管理，节约能耗，减少器件损耗。
[0061]
实施例三
[0062]
如图6所示，为本发明实施例提供的一种自供电智能阀门定位器的组件装配示意图。自供电智能阀门定位器的组件包括显示盖610、压力模块620、阀门定位器外壳630、气路切换控制模块640、压电阀650、发电装置660、功能组件670、封盖680。
[0063]
显示盖610，设置在阀门定位器外壳630的外表面，用于显示控制内容，以及控制设置；
[0064]
压力模块620，设置在进气端，用于引入外部气源，并将通过压电阀650调整后的气源输出到执行机构，控制阀门开合；
[0065]
阀门定位器外壳630，用于保护内部元件；
[0066]
气路切换控制模块640，与所述压电阀650连接，用于控制所述压电阀输出气源的输出通路，一路连接至所述发电装置，另一路连接至执行机构；
[0067]
压电阀650，用于接收压缩气体的输入，并受控制信号的控制，输出气源；
[0068]
发电装置660，接受来自输出通路的压缩气体作为风能，用于将风能转换成电能，并输出至功能组件670；
[0069]
功能组件670，主要包括主机板、阀门开合反馈接收装置、电压检测电路、a/d转换电路、mcu单元等，用于接收阀门开合的反馈，并通过主机板调整压电阀，控制输出的气源大小，来控制执行机构；通过电压检测电路、a/d转换电路、mcu单元等控制发电装置发电及储能；
[0070]
封盖680，用于保护内部元件。
[0071]
上述本发明实施例公开的一种自供电智能阀门定位器及其实现方法，对于在缺少电源的情况下，能够实现阀门定位器的自供电，保证自身所需的工作电源，特别在防爆环境下实现无线应用，具有更佳的经济性、便利性和实用价值。
[0072]
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种自供电智能阀门定位器，其特征在于，所述自供电智能阀门定位器至少包括：压电阀、气路切换控制模块、发电装置、电源管理模块；其中，所述压电阀与气源相连，用于接收压缩气体的输入，并受控制信号的控制，输出气源；所述气路切换控制模块，与所述压电阀连接，用于控制所述压电阀输出气源的输出通路，一路连接至所述发电装置，另一路连接至执行机构；所述发电装置，接受来自输出通路的压缩气体作为风能，用于将风能转换成电能，并输出至所述电源管理模块；所述电源管理模块，用于将所述发电装置产生的交流电压转换成直流电压，提供阀门定位器所需的工作电压。2.如权利要求1所述的自供电智能阀门定位器，其特征在于，所述发电装置采用微型风力发电机，包括：风力机和发电机，所述风力机将风能转换为机械能，所述发电机将机械能转换为电能。3.如权利要求1所述的自供电智能阀门定位器，其特征在于，所述电源管理模块，包括：整流稳压单元、储能单元、电压检测单元、mcu单元；其中，所述整流稳压单元，至少包括整流桥堆、稳压管，用于将所述发电装置产生的交流电压通过整流桥堆转换成直流电压，再通过稳压管限压保护，输出第一目标电压至所述储能单元；所述储能单元，至少包括有过压过充保护功能的充电电路、储能器件，用于存储电量，并输出第二目标电压为阀门定位器提供工作电压；所述电压检测单元，至少包括电压检测电路、a/d转换电路，用于监测所述储能器件的电量存储情况，并通过a/d转换电路将电量存储信息传输至所述mcu单元进行处理；所述mcu单元，根据所述处理后的电量存储信息，向所述压电阀发送控制信号，控制压电阀的开启或关闭，以及向所述气路切换模块发送控制信号，控制气路切换模块输出通路的选择。4.一种自供电智能阀门定位器的实现方法，其特征在于，所述自供电智能阀门定位器的实现方法至少包括：s210：提供如权利要求1所述的自供电智能阀门定位器，将储能电量的至少一个目标设定值信息存入mcu单元的存储空间中，阀位检测模块检测到调节阀阀位处于稳态，不需要使用气源调整阀位时，进入发电状态；s220：mcu单元判断当前储能器件中的电量是否低于第一目标设定值，若判断结果为否，则不需要启动发电程序，压电阀关闭，若判断结果为是，则向压电阀发送控制信号，启动发电程序，压电阀开启，压缩空气进气；s230：mcu单元判断需启动发电程序的同时，向气路切换模块发送控制信号，压缩空气输出通路连接至发电装置；s240：发电装置采用微型风力发电机，将作为风能的压缩空气，转换为机构能，再将机械能转换为交流电；s250：发电装置产生的交流电通过整流稳压单元，转换成第一目标电压，对储能单元进行充电；s260：储能单元存储电量，第一目标电压输入到充电电路，根据储能器件的存储量相应
输出第二目标电压对储能器件进行充电，同时输出第三目标的电压为智能阀门定位器的主控板、oled等器件提供工作电压；s270：电压检测单元监测储能器件的电量存储情况，并通过a/d转换电路将电量存储信息传输至mcu单元进行处理，当电量存储达到第二目标设定值时，充电完成，mcu向压电阀发送控制信号，关闭压电阀，停止发电；当储能器件的电量降到第一设定值时，重复所述步骤s220至s270。5.如权利要求4所述的自供电智能阀门定位器的实现方法，其特征在于，所述mcu单元判断当前储能器件中的电量是否低于第一目标设定值，若判断结果为否，则不需要启动发电程序，压电阀关闭，若判断结果为是，则向压电阀发送控制信号，启动发电程序，压电阀开启，压缩空气进气，进一步包括：mcu单元判断储能器件中的电量的高低，根据电量存储信息，向压电阀发送对应的控制信号，分段控制压电阀进气开度的大小，进而控制发电能量。6.如权利要求5所述的自供电智能阀门定位器的实现方法，其特征在于，所述mcu单元判断储能器件中的电量的高低，当电量存储在40％以下阶段，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀全开进气，在40％～70％阶段，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀80％开度进气，在70％～90％阶段，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀60％开度进气，在90％～100％(不含100％)阶段，mcu输出相应的pwm信号控制压电阀60％开度进气。

技术总结
本发明公开了阀门定位器控制技术领域一种自供电智能阀门定位器及其实现方法，该自供电智能阀门定位器至少包括：压电阀、气路切换控制模块、发电装置、电源管理模块；其中，所述压电阀与气源相连，用于接收压缩气体的输入，并受控制信号的控制，输出气源；所述气路切换控制模块，与所述压电阀连接，用于控制所述压电阀输出气源的输出通路，一路连接至所述发电装置，另一路连接至执行机构；所述发电装置，接受来自输出通路的压缩气体作为风能，用于将风能转换成电能，并输出至所述电源管理模块；所述电源管理模块，用于将所述发电装置产生的交流电压转换成直流电压，提供阀门定位器所需的工作电压。该定位器能够在缺少电源的情况下，实现自供电，保证自身所需的工作电源，特别在防爆环境下实现无线应用，具有更佳的经济性、便利性和实用价值。便利性和实用价值。便利性和实用价值。


技术研发人员：俞利明 徐江均 薛斌 朱练
受保护的技术使用者：浙江中控自动化仪表有限公司
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/3/8