一种电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统及方法

本发明涉及阀门及执行器扭矩和行程的测量领域，具体涉及一种电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统及方法。

背景技术：

能源化工行业(尤其是核电行业)中电动阀门作为控制管路内易燃易爆、有毒有害或有腐蚀性介质通断、流向、流量、压力和温度等的关键元件，一旦出现卡阻等故障，会造成巨大经济损失甚至人员伤亡。电动阀的连续和正常运行对能源化工行业中设备的安全可靠运行至关重要。与电动阀运行状态和综合性能息息相关的诸多参数中，动态变化的阀门扭矩和行程是两个重要参数。因此，有必要对电动阀及其执行器输出轴扭矩和行程进行实时、在线、精确测量。这将为阀门的设计制造提供重要基础数据，亦为阀门的预防性维护提供有力技术支持。

阀门扭矩是驱动阀门开启或关闭动作所须施加的作用力或扭矩。现有直接或间接测量电动阀及其执行器扭矩的方法包括：扭矩传感器法、应变片法、力传感器、表面声波法和电参量法等。现有技术公开了：在电动执行器输出轴与待测阀门阀杆之间安装扭矩传感器，直接测量阀门动态过程中的扭矩(具体被以下文件所公开：专利文件cn101943636a“全自动阀门电动装置试验台及其测试方法”；专利文件cn102012291a“大扭矩阀门扭矩监测系统”；专利文件cn105759786a“基于物联网技术的阀门远程故障诊断系统”；专利文件cn106197558b“一种阀门状态在线监测系统及其工作方法”；专利文件cn106353018a“一种复杂工况下电动阀门动态扭矩连续测试装置”；专利文件cn109974770a“一种电动阀状态检测系统及方法”；专利文件cn110579345a“回转式阀门电动执行器综合测试装置”；以及专利文件cn111272414a“高压阀寿命试验装置”)；或在电动执行器输出轴与待测阀门之间安装粘贴有应变片的从动轴，通过测量与从动轴成45°方向的应力，测量电动执行器的输出扭矩(被专利文件cn201921394201.9“一种具有扭矩测量功能的电动执行器”所公开)，但这两种方法破坏了原系统的完整性，不适用于在线测量，且动态扭矩传感器不适用于超过5万nm的扭矩测量。此外，现有技术也公开了通过测定阀门电动执行器输出扭矩与电机电、磁信号之间关系，间接测量阀门扭矩(具体被专利文件cn2583652y“一种阀杆扭矩测量装置”和专利文件cn201220119820.9“电动执行机构阀杆扭矩测量控制装置”所公开)，但这种方法易受电磁干扰。另外，现有技术还公开了利用安装阀门电动执行器蜗杆轴端面的压力传感器测量蜗杆轴向推力(被专利文件cn2508079y“压力传感测扭矩的装置”公开)或电感式传感器测量蜗杆轴向位移，间接测量电动执行器输出扭矩，但电类传感器易受电磁干扰，且不耐辐照，在核电环境中无法适用。

行程是指阀门执行器输出轴在转动时带动配套的阀门阀杆动作所产生的直位移或角位移。阀门行程测量对于精准获取实时阀位，保证阀门开度有重要作用。目前阀门行程测量领域应用最广泛的是电类传感器，比如电位器、编码器、霍尔传感器等，但电类传感器易受电磁干扰，且不耐辐照，在核电等恶劣环境下无法适用。

目前，表征阀门状态的扭矩和行程参数往往由不同传感装置测定，没有一种系统及方法可以利用一种传感装置实现电动阀及其执行器扭矩和行程同步测量。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统及方法，以实时、在线、精确的测量电动阀及其执行器运行状态。

为达到上述目的，本发明提供一种电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统，所述装置基于光纤光栅传感器，包括：一电动阀门执行器，其与待测阀门相连接，用于驱动待测阀门开启与关闭，其包括：一蜗杆以及一与该蜗杆配合连接的蜗轮，蜗轮的输出轴与待测阀门的阀杆相连接；一光纤光栅传感器，其沿所述蜗杆的轴线方向埋设在所述蜗杆的外周面上，使得其中心波长随蜗杆旋转作周期性变化；一光信号旋转耦合组件，其转子出线与所述光纤光栅传感器的尾纤相连接，其定子出线与一光纤光栅解调仪相连接，用于所述光纤光栅传感器与所述光纤光栅解调仪之间的光纤信号传输；以及一上位机，其与所述光纤光栅解调仪相连接，用于实时采集所述光纤光栅传感器的中心波长。

所述上位机设置为通过光纤光栅传感器的中心波长以及光纤光栅传感器的中心波长偏移量与电动阀门执行器的输出扭矩之间的关系来确定待测阀门扭矩；所述上位机设置为通过光纤光栅传感器的中心波长的变化周期的数值实现对待测阀门的行程的测量。

所述光纤光栅传感器的中心波长偏移量与电动阀门执行器的输出扭矩之间的关系通过采用标定装置对光纤光栅传感器和电动阀门执行器进行标定来得到。

所述光信号旋转耦合组件包括：光纤旋转接头以及用于光纤旋转接头的固定连接的工装左外壳、工装右外壳、左套管、右套管、第一固定板、第二固定板和弹簧；工装左外壳与电动阀门执行器外壳通过螺栓固定连接；工装右外壳与工装左外壳通过螺栓固定连接；左套管与蜗杆螺纹连接，右套管与左套管通过螺栓固定连接；右套管的右侧与光纤旋转接头的转子侧通过螺栓连接；第一固定板与光纤旋转接头的定子侧通过螺栓固定连接；第一固定板与第二固定板之间安装有弹簧，弹簧与第一固定板、第二固定板均采用焊接固定连接；第二固定板与工装右外壳通过螺栓固定连接；光纤旋转接头具有所述转子出线和定子出线。

所述蜗杆的外周面上，沿其轴线方向开设有一安装槽，所述光纤光栅传感器采用施胶或电镀工艺埋设在所述安装槽中。

另一方面，本发明提供一种电动阀及其执行器的扭矩和行程测量方法，包括：

s1：将光纤光栅传感器沿蜗杆的轴线方向，埋设于蜗杆的外周面上；

s2：完成包括所述蜗杆、与蜗杆配合连接的蜗轮以及与蜗杆连接的电机的电动阀门执行器的装配；

s3：将所述光纤光栅传感器的尾纤与一光信号旋转耦合组件的转子出线相连接；将光信号旋转耦合组件的定子出线与光纤光栅解调仪相连接，光纤光栅解调仪与上位机相连接；

s4：获得不同负载下光纤光栅传感器的中心波长偏移量与电动阀门执行器的输出扭矩之间的关系；

s5：将所述电动阀门执行器与待测阀门相连接；

s6：采用电动阀门执行器驱动待测阀门动作，在待测阀门动作时，利用上位机采集光纤光栅传感器的中心波长，根据光纤光栅传感器的中心波长以及光纤光栅传感器的中心波长偏移量与电动阀门执行器的输出扭矩之间的关系，确定待测阀门的扭矩；同时，根据光纤光栅传感器的中心波长的变化周期的数值，确定待测阀门的行程。

所述步骤s1包括：在电动阀门执行器的蜗杆的外周面上，沿轴线方向开设一安装槽，采用施胶或电镀工艺方法将光纤光栅传感器埋设在安装槽内。

在所述步骤s4中，通过对电动阀门执行器和光纤光栅传感器进行标定，获得不同负载下光纤光栅传感器的中心波长偏移量与电动阀门执行器的输出扭矩之间的关系。

本发明的电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统通过实时测量埋设于蜗杆外周面的光纤光栅传感器的中心波长，可实现电动阀及其执行器动作过程中的动态扭矩的测量；同时，通过测量埋设于蜗杆表面光纤光栅传感器的中心波长随蜗杆旋转而发生周期性变化，可实现电动阀及其执行器行程的测量。本发明由于采用光纤光栅传感器，因此，具有抗电磁干扰、耐辐照的功能，操作方便，测量精度高，可广泛应用于电动阀及其执行器扭矩和行程测量领域，具有很高的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的一种电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统的结构示意图；

图2是本发明的电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统中光信号旋转耦合组件的结构示意图。

图3为根据本发明的一个实施例的电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统的标定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明，即一种电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统，其基于光纤光栅传感器11，包括：

阀门底座1，其通过地脚螺栓2固定在一平面上；

固定连接在阀门底座1上的待测阀门3；

固定连接在阀门底座1上的安装支架4；

固定在安装支架4顶端的一电动阀门执行器5，其与待测阀门3相连接，其用于驱动待测阀门3开启与关闭；所述电动阀门执行器5包括：蜗杆6、与蜗杆6配合连接的蜗轮(图中未示)以及与蜗杆6连接的电机(图中未示)，其中：

蜗杆6为一根直径约为2cm、长约25cm、转速约为600r/min的水平转轴，其外周面上设有一宽度约为1mm、长度约为10cm的安装槽7；

蜗轮的输出轴与待测阀门3的阀杆之间通过联轴器8连接；

光纤光栅传感器11，其沿所述蜗杆6的轴线方向埋设在蜗杆6的外周面上，使得光纤光栅传感器11随蜗杆6高速旋转，且其中心波长随蜗杆旋转作周期性变化；在本实施例中，光纤光栅传感器11有两种封装方式，一是光纤光栅传感器11使用环氧树脂胶埋设在蜗杆6的外周面的安装槽7中；二是光纤光栅传感器11表层采用电镀工艺埋设在蜗杆6的外周面的安装槽7中；

光信号旋转耦合组件12，其转子出线(图中左侧)与蜗杆6外周面的光纤光栅传感器11的尾纤相连接，其定子出线13(图中右侧)与光纤光栅解调仪14相连接，用于随所述蜗杆6高速旋转的光纤光栅传感器11与静置的光纤光栅解调仪之间的光纤信号传输；

如图2所示，所述光信号旋转耦合组件12包括：光纤旋转接头125以及用于光纤旋转接头的固定连接的工装左外壳123、工装右外壳124、左套管121、右套管122、第一固定板126、第二固定板128、弹簧127等。具体地，工装左外壳123与电动阀门执行器5的外壳通过螺栓连接固定连接；工装右外壳124与工装左外壳123通过螺栓固定连接；左套管121与蜗杆6螺纹连接，右套管122与左套管121通过螺栓固定连接；右套管122的右侧与光纤旋转接头125的转子侧通过螺栓连接；第一固定板126与光纤旋转接头125的定子侧通过螺栓固定连接；第一固定板126与第二固定板128之间安装有弹簧127，弹簧与第一固定板126、第二固定板128均采用焊接固定连接，因此第一固定板126、弹簧127和第二固定板128是一个整体；第二固定板128与工装右外壳124通过螺栓固定连接。光纤旋转接头125为光信号旋转耦合组件12的核心部件，其具有上文所述的转子出线和定子出线13。在本实施例中，转子出线通过光纤耦合器与光纤光栅传感器11的尾纤相连接，定子出线13通过光纤耦合器与光纤光栅解调仪14相连接。在其他实施例中，转子出线与光纤光栅传感器11的尾纤、定子出线13与光纤光栅解调仪14也可以通过其他方式相连接。

电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统还包括一上位机16，其与所述光纤光栅解调仪14相连接，用于实时采集并记录光纤光栅传感器11的中心波长。

当蜗杆6的轴向力发生变化时，光纤光栅传感器11的中心波长会随之变化，因此上位机16可以通过光纤光栅传感器11的中心波长以及光纤光栅传感器11的中心波长偏移量与电动阀门执行器5的输出扭矩(即待测阀门3的扭矩)之间的关系来确定待测阀门3的扭矩。

其中，光纤光栅传感器11的中心波长偏移量与电动阀门执行器5的输出扭矩(即待测阀门3的扭矩)之间的关系可以通过采用标定装置对光纤光栅传感器11和电动阀门执行器5进行标定来得到，由此，在经过标定装置标定后，可以得到光纤光栅传感器11的中心波长偏移量与电动阀门执行器5的输出扭矩(即待测阀门3的扭矩)之间的关系，故光纤光栅传感器11的中心波长变化可直接映射得到待测阀门3的扭矩变化。

此外，由于光纤光栅传感器11埋设在蜗杆6的外周面上，在电动阀门执行器5的蜗轮和蜗杆6啮合传动时，因蜗杆6的横截面上的轴向力不均匀，故光纤光栅传感器11的中心波长随着电动阀门执行器中蜗轮蜗杆啮合位置的变化而周期性变化，即光纤光栅传感器11的中心波长随蜗杆6旋转而周期性变化，由此，上位机16设置为通过光纤光栅传感器的中心波长的变化周期的数值实现对待测阀门3的行程的测量。

在本实施例中，如图3所示，通过将本发明的电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统的待测阀门3替换成一个摩擦式扭矩限制器31，联轴器8替换成固定安装在安装支架4上的扭矩传感器81，且扭矩传感器81通过第一联轴器9与蜗轮的输出轴相连接，并通过第二联轴器10与摩擦式扭矩限制器31相连接，同时将扭矩传感器81与一扭矩信号检测模块15相连接，扭矩信号检测模块15与上位机16相连接，来得到所述标定装置。在其他实施例中，也可能通过其他标定装置来得到光纤光栅传感器11的中心波长偏移量与电动阀门执行器5的输出扭矩(即待测阀门3的扭矩)之间的关系。

另外，在本实施例中所采用的光纤为单模光纤，初始中心波长为1550nm。

基于上文所述的电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统，所实现的电动阀及其执行器的扭矩和行程测量方法具体包括如下步骤：

步骤s1：将光纤光栅传感器11沿蜗杆6的轴线方向，埋设于蜗杆6的外周面上；

所述步骤s1具体包括：

在电动阀门执行器5的蜗杆6的外周面上，沿轴线方向开设一安装槽7，采用施胶或电镀工艺方法将光纤光栅传感器埋设在安装槽7内。

步骤s2：完成包括所述蜗杆6、与蜗杆6配合连接的蜗轮以及与蜗杆6连接的电机的电动阀门执行器5的装配。

步骤s3：将所述步骤s1中的光纤光栅传感器11的尾纤与一光纤旋转接头连接工装12的转子出线相连接，从而实现随蜗杆6高速旋转的光纤光栅传感器11与静置的光纤光栅解调仪14之间的光纤信号传输；将光纤旋转接头连接工装12的定子出线与光纤光栅解调仪14相连接，光纤光栅解调仪14与上位机16相连接，用于之后实时采集所述光纤光栅传感器11的中心波长；

步骤s4：对安装完成的电动阀门执行器5和光纤光栅传感器11进行标定，获得不同负载下光纤光栅传感器11的中心波长偏移量与电动阀门执行器5的输出扭矩之间的关系；

所述步骤s4具体包括：

步骤s41：将一扭矩传感器81与待标定的电动阀门执行器5连接，并设置摩擦式扭矩限制器31，以形成一标定装置；

所述步骤s41具体包括：蜗轮6的输出轴通过一第一联轴器9与固定安装在安装支架4上的一扭矩传感器81的一端相连接，扭矩传感器81的另一端通过一第二联轴器10与固定安装于安装支架4上的一摩擦式扭矩限制器31相连接；此外，所述步骤s41还可以包括：将扭矩传感器81与一扭矩信号检测模块15相连接，扭矩信号检测模块15与上位机16相连接，用于下文的对电动阀门执行器5的输出扭矩的采集；

步骤s42：开启电动阀门执行器5，通过一个扭矩传感器81采集电动阀门执行器5的输出扭矩，通过光纤光栅传感器11采集中心波长变化；

步骤s43：通过调节一个摩擦式扭矩限制器31，改变电动阀门执行器5的负载大小，重复所述步骤s42；

步骤s44：重复所述步骤s43，获得不同负载下光纤光栅传感器11的中心波长偏移量与电动阀门执行器5的输出扭矩之间的关系，以标定电动阀门执行器5和光纤光栅传感器11。

在其他某些实施例中，也可以不进行标定，采用其他方法例如有限元模拟等方式来确定不同负载下光纤光栅传感器11的中心波长偏移量与电动阀门执行器5的输出扭矩之间的关系，因而步骤s4也可以省略。

步骤s5：将所述电动阀门执行器5与待测阀门3相连接，以形成本发明的电动阀及其执行器的扭矩和行程测量系统；

步骤s6：采用电动阀门执行器5驱动待测阀门3动作，在待测阀门3动作时，采用上位机16采集光纤光栅传感器11的中心波长，根据光纤光栅传感器11的中心波长以及光纤光栅传感器的中心波长偏移量与电动阀门执行器的输出扭矩之间的关系，计算出待测阀门3的扭矩；同时，根据光纤光栅传感器11的中心波长的变化周期的数值，计算出待测阀门3的行程。

综上所述，本发明将光纤光栅传感器埋设于蜗杆的外周面，利用光纤旋转接头，使得其转子出线与蜗杆固定，定子出线与光纤光栅解调仪相连接；进一步光纤光栅解调仪与上位机相连，可以利用上位机实时监测光纤光栅传感器的中心波长，从而实现电动阀及其执行器扭矩和行程的同步测量。与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、采用光纤光栅传感器，精度高于目前的传感器，传输损耗小；

2、不受辐照、电磁等运行环境因素的干扰；

3、可实现超远距离的数据传输；

4、体积非常小，重量轻，对现有阀门的设计无影响；

5、成本低，寿命长，故障率低。

6、相对现有的扭矩测量装置，本技术方案具有远程、实时、在线监控、准确性高等优点。

7、相对于现有的行程测量装置，本技术方案具有分辨率高等优点。

8、利用一种测量装置实现扭矩和行程的同步测量。

本发明符合国家智能制造方向，是具有工业4.0以及物联网特征的新技术，通过此技术的实施将会显著提升我国高端电动阀及其执行器的技术水平，实现传统工业产品的技术升级。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。