一种基于PDV测量快开阀开启特性的系统及方法与流程

一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种阀门开启特性的测量装置及方法，具体涉及一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统及方法。


背景技术：

2.快开阀具有动作迅捷、运行可靠、远程可控等优点，因此被广泛应用于管路系统的开关控制，以及激波管、轻气炮、燃烧风洞等强冲击模拟装置的驱动控制。对快开阀开启特性的测量是快开阀性能研究的主要内容及方法。
3.目前，公开发表的文献对快开阀开启特性测量基本采用加速度计或位移传感器等常规接触式测试元件，然后通过积分或微分得到阀门速度、位移。由于快开阀开启速度较快，在其阀芯运动过程中会对测试元件的引线产生较强的拖拽力或剪切力。此外，当驱动源为高压介质时，随着快开阀的开启动作会对测试元件产生强烈的干扰与冲击，从而影响测试元件的测量精度与使用寿命，甚至直接破坏测试元件结构，导致无法获得实验数据。因此，有必要寻找一种新的测量快开阀开启特性的方法。
4.光子多普勒测速(photonic doppler velocimetry，pdv)是一种新型激光干涉测速技术，具有测量精度高、动态响应快等优点，其主要由激光器和光纤探头组成，现广泛应用于爆轰波、冲击波以及其他短时高速运动的测量。但目前尚未见有将光子多普勒测速(pdv)技术应用于快开阀开启特性测试研究的相关报道。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有技术存在快开阀开启时，其阀芯运动过程中会对测试元件的引线产生较强的拖拽力或剪切力，以及当驱动源为高压介质时，高压高速流体会对接触式测试元件产生强烈的干扰与冲击，导致测试元件的测量精度降低及使用寿命较短的技术问题，而提供一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统及方法。
6.为完成上述发明目的，本发明所提供的技术解决方案是：
7.一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统，包括快开阀，所述快开阀包括阀体、设置在阀体内的高压气室，位于高压气室内的气缸、阀芯、设置于气缸底部用于连通气缸内排气腔与高压气室的溢流阀、设置在阀体前端的阀座，以及设置在阀体上并与气缸连通的进/排气管，其特征在于：还包括探头固定单元、防护单元、阀芯运动测量单元和压力监测单元；
8.所述探头固定单元包括光纤探头安装法兰盘、连接螺杆及管体，光纤探头安装法兰盘通过至少2个沿其周向均匀设置的连接螺杆与阀座固定连接，光纤探头安装法兰盘安装在管体上；
9.所述阀芯运动测量单元包括光纤探头和激光器，光纤探头通过测量光缆与激光器连接，激光器通过测量电缆依次连接有第一示波器和第二示波器；所述光纤探头设置在光纤探头安装法兰盘上与阀芯同轴的位置；光纤探头用于采集阀芯的运动信息，即阀芯的运动速度和位移信息；光纤探头设置在光纤探头安装法兰盘的中心位置上并与阀芯处于同轴
的位置。
10.所述防护单元包括防护罩，防护罩设置在光纤探头安装法兰盘上，且位于阀芯和光纤探头之间，防护罩上设置有与光纤探头、阀芯同轴的透光孔；所述光纤探头将激光器发出的激光通过透光孔入射到阀芯的中央位置上。
11.所述压力监测单元包括设置于进/排气管上的第一压力传感器和设置于阀体上的第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器通过测量电缆连接到第二示波器上。
12.进一步地，所述光纤探头通过探头安装座固定设置在光纤探头安装法兰盘上与阀芯同轴的位置，探头安装座上设置有安装孔，安装孔的孔径大于光纤探头的外径，光纤探头通过沿探头安装座径向安装的调节螺钉固定在探头安装座的安装孔内，调节螺钉用于对光纤探头与阀芯的同轴度进行调整。
13.进一步地，所述调节螺钉为4个，其沿光纤探头的周向均匀设置。4个调节螺钉可以对光纤探头进行上下左右的调节，使光纤探头与阀芯处于同轴位置上，减少激光回波损耗。
14.进一步地，所述连接螺杆为4个，且沿光纤探头安装法兰盘周向均匀设置；通过阀体前端的阀座与光纤探头安装法兰盘用连接螺杆进行固定连接的方式保证了阀体与光纤探头安装法兰盘的稳固性。也可以根据实际需要设置6个连接螺杆，其中设置4个连接螺杆的优势在于安装结构较为方便简洁，设置6个连接螺杆的优势在于使光纤探头安装法兰盘与阀体前端的阀座之间的连接更为稳固，减轻了高速高压气体在快速释放时对测量快开阀开启特性系统的冲击。
15.进一步地，所述光纤探头安装法兰盘通过螺纹连接在管体上。由于管体和快开阀均沿垂直方向固定于支撑基座上，二者之间的同轴度较好。因此，将光纤探头安装法兰盘通过螺纹连接在管体上，可以有效的保证光纤探头与阀芯之间的同轴性，减小了pdv系统的回波损耗，从而提高快开阀开启特性的测量精度。
16.进一步地，还包括螺母，所述螺母安装在连接螺杆上，使得快开阀沿轴向固定于光纤探头安装法兰盘及管体上。可以减小阀芯开启运动过程中高压高速气流对快开阀结构的后座力影响。
17.进一步地，所述透光孔呈圆锥台状设置，其大径端与光纤探头相对，小径端与阀芯相对。
18.所述透光孔也可以设置为光学透光件，由于激光经过光学透光件入射到阀芯上时会产生一定的折射角度，影响测量精度，因此优选的使用透光孔。
19.同时，本发明还提供了一种基于pdv测量快开阀开启特性的方法，采用上述一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
20.步骤一、将阀芯运动测量单元的光纤探头及防护单元上的透光孔与快开阀内的阀芯调整到同轴位置上，使激光器提供给光纤探头上的激光通过透光孔入射到阀芯的中央位置上；
21.步骤二、通过进/排气管向气缸中的排气腔充入高压气体，气缸中的活塞驱动阀芯向靠近阀座一侧运动，阀芯关闭；排气腔中的高压气体通过溢流阀流入高压气室中，当高压气室内的气体压力上升到指定值时，停止充气；
22.步骤三、通过进/排气管释放排气腔内的高压气体，使得排气腔内的气体压力下降，当排气腔内的气体压力下降至可以使阀芯打开的状态时，气缸中的活塞驱动阀芯开始
运动，阀芯打开；高压气室内的高压气体向外涌出，使得高压气室内的气体压力开始下降；
23.步骤四、通过进/排气管上的第一压力传感器和阀体上的第二压力传感器分别采集排气腔和高压气室内的气体压力信号，并将采集到的排气腔和高压气室内的气体压力信号通过测量电缆传输到第二示波器上，从而得到排气腔和高压气室内气体压力变化数据，并予以保存；
24.步骤五、将第二示波器采集到的高压气室内气体压力信号的下降沿作为第一示波器的负延时触发信号，第一示波器开始记录，光纤探头将采集到的阀芯运动数据通过激光器传输给第一示波器，通过数据处理软件对第一示波器记录的阀芯运动信号进行处理，得到阀芯开启运动的速度和位移曲线，从而完成快开阀开启特性的测量。
25.进一步地，所述步骤一和步骤二之间还包括以下步骤：
26.通过测量光纤探头到阀芯中央位置的回波损耗，检验光纤探头与透光孔、阀芯是否处于同轴位置上；若回波损耗大于检验值，则通过探头安装座上的调节螺钉对光纤探头的安装位置进行调整，使得光纤探头与透光孔、阀芯处于同轴的位置。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
28.【1】本发明通过光纤探头安装在光纤探头安装法兰盘上对快开阀的阀芯运动进行非接触测量，从而得到阀芯开启运动的速度和位移，避免了在阀芯开启运动过程中产生的高压高速气流对测量系统产生破坏，延长了测量系统的使用寿命。
29.【2】本发明通过第一压力传感器和第二压力传感器对快开阀内的气体压力进行监测，利用快开阀内高压气室的气体压力信号的下降沿对记录阀芯运动信息的第一示波器进行负延时触发，有效的保证了对阀芯运动时零点数据的采集。
30.【3】本发明设计了将光纤探头设置在光纤探头安装法兰盘的中央位置并与阀芯处于同轴的位置，然后再通过螺纹连接的方式与管体进行固定，该固定方式可以有效地保证光纤探头与阀芯之间的同轴性，减小了pdv系统的回波损耗，从而提高了对快开阀开启特性的测量精度。
31.【4】本发明将阀座与光纤探头安装法兰盘用多个连接螺杆进行连接，可以有效减轻高压气体快速释放时后座力对快开阀的影响，增强系统的稳定性。
32.【5】本发明在光纤探头与阀芯之间加装防护罩，防护罩上设置透光孔，可以有效避免高压高速气流对光纤探头的冲击与破坏，提高光纤探头的使用寿命，提高测量精度。
33.【6】本发明通过探头安装座将光纤探头固定在光纤探头安装法兰盘上，并在探头安装座上设置调节螺钉用于对光纤探头的安装位置进行微调，进一步的保证了光纤探头与阀芯的同轴性，提高了系统的测量精度。
附图说明
34.图1为本发明一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统实施例的结构剖面示意图；
35.图2为本发明图1中i的放大图；
36.图3为本发明实施例中快开阀的结构示意图；
37.图4为本发明实施例在2.4mpa氮气驱动条件下，其快开阀开启运动的实验波形图；其中(a)为高压气室压力时间历程曲线图；(b)为排气腔压力时间历程曲线图；(c)为阀芯开启运动速度曲线图；(d)为阀芯开启运动位移曲线图。
38.其中附图标记说明如下：
39.1-快开阀；2-防护罩；3-光纤探头；4-光纤探头安装法兰盘；5-螺母；6-连接螺杆；7-管体；8-测量光缆；9-激光器；10-第一示波器；11-第二示波器；12-第一压力传感器；13-第二压力传感器；14-测量电缆；15-透光孔；16-探头安装座；161-调节螺钉；17-阀体；18-高压气室；19-排气腔；20-气缸；21-阀芯；22-阀座；23-进/排气管；24-溢流阀；25-活塞。
具体实施方式
40.实施例一
41.由图1可以看出，光纤探头3通过探头安装座16固定安装于光纤探头安装法兰盘4的中心位置，测量光缆8从管体7的侧壁开口处引出，然后测量光缆8与激光器9连接，再将光纤探头安装法兰盘4通过螺纹固定连接在管体7上。
42.光纤探头安装法兰盘4通过2个以上连接螺杆6与阀体17前端的阀座22进行固定连接，本实施例中根据具体情况使用了6个连接螺杆6进行连接，6个连接螺杆6沿光纤探头安装法兰盘4的周向均匀分布，光纤探头安装法兰盘4与连接螺杆6的连接处安装有螺母5，使得快开阀1固定连接于光纤探头安装法兰盘4及管体7上，减轻了阀芯21开启运动的过程中高压气体在快速释放时所产生的后座力对快开阀1的影响，进一步保证了测量系统的稳定性。
43.光纤探头3通过探头安装座16安装在光纤探头安装法兰盘4的中央位置上并与阀芯21设置在同轴位置上，探头安装座16上设置有安装孔，安装孔的孔径大于光纤探头3的外径，光纤探头3通过沿探头安装座16径向安装的调节螺钉161固定在探头安装座16的安装孔内，探头安装座16上设置有调节螺钉161用于对光纤探头3的安装位置进行微调。
44.探头安装座16上的调节螺钉161为4个，其沿光纤探头3的周向均匀设置，用于对光纤探头3的安装位置进行微调。4个调节螺钉161可以对光纤探头3安装位置进行上下左右的调节，使其与阀芯21处于同轴位置上，减少激光回波损耗。
45.将防护罩2安装在光纤探头安装法兰盘4上，防护罩2设置在光纤探头3和阀芯21之间，防护罩2的中央位置开设有透光孔15，透光孔15、光纤探头3与阀芯21处于同轴位置上。透光孔15呈圆锥台状设置，其大径端与光纤探头相对，小径端与阀芯21相对。
46.测量光纤探头3到阀芯21中央位置的回波损耗，当回波损耗低于45db时，说明光纤探头3和测量光缆8的性能正常，光纤探头3与透光孔15、阀芯21处于同轴位置上，测量系统可正常工作。当回波损耗不低于45db时，先检查光纤探头3和测量光缆8是否存在质量问题，若存在质量问题及时更换光纤探头3和测量光缆8，若两者不存在质量问题，则通过探头安装座16上的4个调节螺钉161对光纤探头3的安装位置进行上下左右的调节，使其调整到与透光孔15、阀芯21处于同轴的位置，确保测量系统可正常工作。
47.光纤探头3通过测量光缆8与激光器9连接，激光器9通过测量电缆14依次与第一示波器10和第二示波器11连接，激光器9提供给光纤探头3的激光通过透光孔15入射到阀芯21的中央位置上。
48.如图1、图2所示，将第一压力传感器12和第二压力传感器13分别安装于进/排气管23侧壁和阀体17底端，以便对快开阀1中气缸20内排气腔19和阀体17内的高压气室18的气体压力进行测量。将第一压力传感器12和第二压力传感器13通过测量电缆14连接到第二示
波器11上。
49.利用第二示波器11采集到的高压气室18的气体压力信号的下降沿对第一示波器10进行负延时触发。
50.快开阀开启特性测量系统调试完成后，通过进/排气管23向气缸20中的排气腔19内充入高压气体，气缸20中的活塞25驱动阀芯21向靠近阀座22一侧运动，阀芯21关闭；排气腔19中的高压气体通过溢流阀24流入高压气室18中，当高压气室18内的气体压力上升到指定值时，停止向快开阀1中的排气腔19和高压气室18充气；
51.通过进/排气管23释放排气腔19内的高压气体，使得排气腔19内的气体压力下降，当排气腔19内的气体压力下降至可以使阀芯21打开的状态时，气缸20中的活塞25驱动阀芯21开始运动，阀芯21打开；高压气室18内的高压气体向外涌出，使得高压气室18内的气体压力开始下降；
52.通过进/排气管23上的第一压力传感器12和阀体17上的第二压力传感器13分别采集排气腔19和高压气室18内的气体压力信号，并将采集到的排气腔19和高压气室18内的气体压力信号通过测量电缆14传输到第二示波器11上，从而得到排气腔19和高压气室18内气体压力变化数据，并予以保存；
53.将第二示波器11采集到高压气室18的气体压力信号的下降沿作为第一示波器10的负延时触发信号，第一示波器10开始记录，光纤探头3将采集到的阀芯21运动数据通过激光器9传输给第一示波器10，通过数据处理软件对第一示波器10记录的阀芯21开启运动信号进行处理，得到阀芯21开启运动的速度和位移曲线，从而完成快开阀1开启特性的测量。
54.如图3所示，通过进/排气管23向排气腔19和高压气室18中充入高压氮气，使得排气腔19和高压气室18内的气体压力上升到指定值2.4mpa，气缸20中的活塞25驱动阀芯21向靠近阀座22一侧运动，阀芯21关闭，停止向快开阀1中的排气腔19和高压气室18充气；然后通过进/排气管23向周围环境空气中排气，当排气腔19中气体压力下降到0.54mpa时，阀芯21处于临开启状态，随着排气腔19内气体压力的进一步下降，即排气腔19内的气体压力下降至可以使阀芯21打开的状态时，气缸20中的活塞25驱动阀芯21开始向左运动，阀芯21打开；高压气室18内的高压气体向外涌出，使得高压气室18内的气体压力开始下降，第二示波器11将采集到的高压气室18内气体压力信号的下降沿作为第一示波器10的负延时触发信号，第一示波器10开始记录，光纤探头3将采集到的阀芯21运动数据通过激光器9传输给第一示波器10；
55.由图3可以看出，对第二示波器11采集到的排气腔19和高压气室18内的气体压力变化信号进行处理，可以得到排气腔19和高压气室18内气体压力的时间历程曲线图；通过数据处理软件，对第一示波器10采集到的阀芯21开启运动信号进行处理，得到阀芯21开启运动的速度和位移曲线图，从而得到快开阀1开启特性的相关数据。

技术特征：
1.一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统，包括快开阀(1)，所述快开阀(1)包括阀体(17)、设置在阀体(17)内的高压气室(18)，位于高压气室(18)内的气缸(20)、阀芯(21)、设置于气缸(20)底部用于连通气缸(20)内排气腔(19)与高压气室(18)的溢流阀(24)、设置在阀体(17)前端的阀座(22)，以及设置在阀体(17)上并与气缸(20)连通的进/排气管(23)，其特征在于：还包括探头固定单元、防护单元、阀芯运动测量单元和压力监测单元；所述探头固定单元包括光纤探头安装法兰盘(4)、连接螺杆(6)及管体(7)，光纤探头安装法兰盘(4)通过至少2个沿其周向均匀设置的连接螺杆(6)与阀座(22)固定连接，光纤探头安装法兰盘(4)安装在管体(7)上；所述阀芯运动测量单元包括光纤探头(3)和激光器(9)，光纤探头(3)通过测量光缆(8)与激光器(9)连接，激光器(9)通过测量电缆(14)依次连接有第一示波器(10)和第二示波器(11)；所述光纤探头(3)设置在光纤探头安装法兰盘(4)上与阀芯(21)同轴的位置；光纤探头(3)用于采集阀芯(21)的运动信息；所述防护单元包括防护罩(2)，防护罩(2)设置在光纤探头安装法兰盘(4)上，且位于阀芯(21)和光纤探头(3)之间，防护罩(2)上设置有与光纤探头(3)、阀芯(21)同轴的透光孔(15)；所述光纤探头(3)将激光器(9)发出的激光通过透光孔(15)入射到阀芯(21)的中央位置上；所述压力监测单元包括设置于进/排气管(23)上的第一压力传感器(12)和设置于阀体(17)上的第二压力传感器(13)，第一压力传感器(12)和第二压力传感器(13)通过测量电缆(14)连接到第二示波器(11)上。2.根据权利要求1所述一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统，其特征在于：所述光纤探头(3)通过探头安装座(16)固定设置在光纤探头安装法兰盘(4)上与阀芯(21)同轴的位置，探头安装座(16)上设置有安装孔，安装孔的孔径大于光纤探头(3)的外径，光纤探头(3)通过沿探头安装座(16)径向安装的调节螺钉(161)固定在探头安装座(16)的安装孔内，调节螺钉(161)用于对光纤探头(3)与阀芯(21)的同轴度进行调整。3.根据权利要求2所述一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统，其特征在于：所述调节螺钉(161)为4个，其沿光纤探头(3)的周向均匀设置。4.根据权利要求1-3任一所述一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统，其特征在于：所述连接螺杆(6)为4个，且沿光纤探头安装法兰盘(4)周向均匀设置。5.根据权利要求4所述一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统，其特征在于：所述光纤探头安装法兰盘(4)通过螺纹连接在管体(7)上。6.根据权利要求5所述一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统，其特征在于：还包括螺母(5)，所述螺母(5)安装在连接螺杆(6)上，使得快开阀(1)沿轴向固定于光纤探头安装法兰盘(4)及管体(7)上。7.根据权利要求6所述一种基于pdv测量快开阀开启特性的系统，其特征在于：所述透光孔(15)呈圆锥台状设置，其大径端与光纤探头(3)相对，小径端与阀芯(21)相对。8.一种基于pdv测量快开阀开启特性的方法，采用权利要求1-7任一所述的基于pdv测量快开阀开启特性的系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将阀芯运动测量单元的光纤探头(3)及防护单元上的透光孔(15)与快开阀(1)内的阀芯(21)设置到同轴位置上，使激光器(9)提供给光纤探头(3)上的激光通过透光孔
(15)入射到阀芯(21)的中央位置上；步骤二、通过进/排气管(23)向气缸(20)中的排气腔(19)充入高压气体，气缸(20)中的活塞(25)驱动阀芯(21)向靠近阀座(22)一侧运动，阀芯(21)关闭；排气腔(19)中的高压气体通过溢流阀(24)流入高压气室(18)中，当高压气室(18)内的气体压力上升到指定值时，停止充气；步骤三、通过进/排气管(23)释放排气腔(19)内的高压气体，使得排气腔(19)内的气体压力下降，当排气腔(19)内的气体压力下降至可以使阀芯(21)打开的状态时，气缸(20)中的活塞(25)驱动阀芯(21)开始运动，阀芯(21)打开；高压气室(18)内的高压气体向外涌出，使得高压气室(18)内的气体压力开始下降；步骤四、通过进/排气管(23)上的第一压力传感器(12)和阀体(17)上的第二压力传感器(13)分别采集排气腔(19)和高压气室(18)内的气体压力信号，并将采集到的排气腔(19)和高压气室(18)内的气体压力信号通过测量电缆(14)传输到第二示波器(11)上，从而得到排气腔(19)和高压气室(18)内气体压力变化数据，并予以保存；步骤五、将第二示波器(11)采集到的高压气室(18)内气体压力信号的下降沿作为第一示波器(10)的负延时触发信号，第一示波器(10)开始记录，光纤探头(3)将采集到的阀芯(21)运动数据通过激光器(9)传输给第一示波器(10)，通过数据处理软件对第一示波器(10)记录的阀芯(21)运动信号进行处理，得到阀芯(21)开启运动的速度和位移曲线，从而完成快开阀(1)开启特性的测量。9.根据权利要求8所述一种基于pdv测量快开阀开启特性的方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二之间还包括以下步骤：通过测量光纤探头(3)到阀芯(21)中央位置的激光回波损耗，检验光纤探头(3)与透光孔(15)、阀芯(21)是否处于同轴位置上；若回波损耗大于检验值，则通过探头安装座(16)上的调节螺钉(161)对光纤探头(3)的安装位置进行调整，使得光纤探头(3)与透光孔(15)、阀芯(21)处于同轴的位置。

技术总结
本发明提供了一种基于PDV测量快开阀开启特性的系统和方法，用于解决快开阀开启时高压高速气流对接触式测试元件的干扰与破坏，导致测试元件的测量精度降低及使用寿命较短的问题。本发明主要利用PDV系统对快开阀中的阀芯运动进行非接触式测量，通过快开阀中的排气腔向外排气，使得阀芯在气压差的作用下进行开启运动，通过激光器提供给光纤探头上的激光经过透光孔入射到阀芯的中央位置上，入射激光经反射传输至光纤探头，然后光纤探头将采集到的阀芯运动信息传输给激光器，与激光器连接的示波器采集并记录阀芯开启运动信息。本发明可有效避免快开阀在开启运动过程中所产生的高压高速气流对测量系统的破坏，延长了测量系统的使用寿命，提高了测量精度。提高了测量精度。提高了测量精度。


技术研发人员：师莹菊 刘文祥 程帅 马艳军 朱玉荣 赵奇峰 姜万春 梁志刚 秦学军 廖真 金龙 李琦
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/24