作者：權(quán)亞強(qiáng)

第一作者單位：成都秦川科技發(fā)展有限公司

摘自《煤氣與熱力》2016年10月刊

1   概述

當(dāng)前我國大力發(fā)展天然氣這種優(yōu)質(zhì)能源，天然氣消費(fèi)從城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)到農(nóng)村不斷普及。但是，隨著天然氣用戶數(shù)量的快速增加，燃?xì)馐褂冒踩渤蔀槿藗兠媾R的首要突出問題。在天然氣實(shí)際使用過程中，可能存在天然氣產(chǎn)量不足、供應(yīng)系統(tǒng)能力不夠或設(shè)備故障等各種原因引起的燃?xì)夤?yīng)不足或停氣等現(xiàn)象，尤其是在冬季天然氣使用高峰時段，燃?xì)夤?yīng)不足而引起的低壓力現(xiàn)象更為明顯。上述現(xiàn)象的存在為燃?xì)馐褂冒踩珟砹瞬豢珊鲆暤碾[患。例如，用戶在正常使用燃具過程中，遇到燃?xì)夤鈮毫Σ蛔慊蛲馇闆r時燃具會熄滅，此時若用戶未及時發(fā)現(xiàn)燃具熄滅并關(guān)閉燃具閥門，燃?xì)夤?yīng)恢復(fù)正常后的泄漏就可能會造成重大安全事故。

根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》，對于一般家庭用戶，天然氣供氣壓力應(yīng)控制在1.5~3 kPa。在該壓力范圍內(nèi)，家庭燃具能夠正常使用。但當(dāng)供氣壓力過低時，燃具無法點(diǎn)火或點(diǎn)火后易熄滅而造成燃?xì)庑孤?。根?jù)CJ/T 449—2014《切斷型膜式燃?xì)獗怼返囊螅細(xì)鈮毫Φ陀?span style="box-sizing: border-box !important; padding-bottom: 0px; margin: 0px; padding-left: 0px; padding-right: 0px; font-family: Calibri; max-width: 100%; word-wrap: break-word !important; padding-top: 0px">0.4 kPa時，燃?xì)獗響?yīng)切斷燃?xì)獠缶ａ槍ι鲜龉鈮毫Σ蛔慊蛲蝗煌饪赡芤鸬娜細(xì)庑孤┈F(xiàn)象，筆者及團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種適用于燃?xì)獗淼膲毫鞲衅鳎搲毫鞲衅饕勋@得國家專利^［1］。通過將該壓力傳感器與燃?xì)獗戆踩袛嗫刂萍夹g(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)獗淼牡蛪毫Π踩袛嗫刂乒δ堋?/span>

2   壓力傳感器 

2.1  壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)原理的不同，當(dāng)前市場上的壓力傳感器（壓力開關(guān)）主要有機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式壓力傳感器通常體積較大，不能安裝于燃?xì)獗韮?nèi)。而電子式壓力傳感器雖然可以安裝于燃?xì)獗韮?nèi)，但其在天然氣、人工煤氣、液化石油氣等腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下，使用壽命較短，易損壞，且其屬于有源測壓，使用過程中需持續(xù)供電，能耗高，斷電后不能正常工作，不滿足安全切斷的要求。

本文所使用的壓力傳感器是筆者及團(tuán)隊(duì)根據(jù)燃?xì)獗淼氖褂锰攸c(diǎn)所開發(fā)出的適用于燃?xì)獗淼膬?nèi)置機(jī)械式壓力傳感器，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)械式壓力傳感器無法安裝在燃?xì)獗韮?nèi)，電子式壓力傳感器能耗高、不可靠等問題。該壓力傳感器的結(jié)構(gòu)見圖1，主要由外殼體、單刀單擲開關(guān)組件、壓力傳感皮膜組件、壓力異常值微調(diào)組件四部分組成。

圖1   壓力傳感器的結(jié)構(gòu)
 

外殼體：由底座、上蓋、密封墊和密封蓋組成的具有燃?xì)膺M(jìn)氣口和空氣泄氣口的空腔。其中，燃?xì)膺M(jìn)氣口與燃?xì)獗淼某鰵馔玻ɑ頇C(jī)芯與外殼出氣口的連接部件）連接，流經(jīng)燃?xì)獗淼娜細(xì)饪梢酝ㄟ^燃?xì)膺M(jìn)氣口充入壓力傳感器的第一腔室；空氣泄氣口則與外界空氣連通，外界空氣可以由此進(jìn)入壓力傳感器的第二腔室。需要說明的是，由于圖1剖切面選擇的關(guān)系，空氣泄氣口不能直接展現(xiàn)出來，為便于理解，在圖1中用虛線簡單表示設(shè)置位置。

單刀單擲開關(guān)組件：由支架、彈簧片、壓片、觸片、第一導(dǎo)電觸點(diǎn)、第二導(dǎo)電觸點(diǎn)組成。其中，第一導(dǎo)電觸點(diǎn)為靜觸點(diǎn)，第二導(dǎo)電觸點(diǎn)為動觸點(diǎn)，它們均通過導(dǎo)線與燃?xì)獗淼碾娫催B接，當(dāng)它們相互接觸時，可形成閉合導(dǎo)電回路；反之，當(dāng)它們相互分離時，則導(dǎo)電回路將處于斷開狀態(tài)。

壓力傳感皮膜組件：由皮膜片和皮膜板組成，將外殼體分為第一腔室和第二腔室，并利用第一腔室與第二腔室中微調(diào)彈簧的壓力差來控制單刀單擲開關(guān)的斷開或閉合。

壓力異常值微調(diào)組件：由微調(diào)彈簧、微調(diào)螺栓、螺紋鑲件、導(dǎo)向柱組成，用于對壓力異常值的設(shè)定與調(diào)節(jié)。

2.2  壓力傳感器的工作原理

壓力傳感器的第一腔室與燃?xì)膺B通，其壓力與燃?xì)夤鈮毫Ρ３忠恢?；第二腔室與大氣連通，其壓力為零。壓力傳感皮膜組件所受到的力為第一腔室的燃?xì)夤鈮毫偷诙皇抑形⒄{(diào)彈簧的壓力，并在兩種力的作用下會進(jìn)行位置的調(diào)整以達(dá)到一個力的平衡狀態(tài)。而壓力傳感皮膜組件在位置調(diào)整過程中會帶動單刀單擲開關(guān)組件的閉合或斷開，從而實(shí)現(xiàn)異常壓力的感知。其具體過程為：在正常工作條件下，第一腔室的壓力與燃?xì)夤鈮毫Ρ３忠恢?，并隨燃?xì)夤鈮毫Φ淖兓兓?，?dāng)燃?xì)夤鈮毫φr，第一腔室施加給壓力傳感皮膜組件的壓力大于第二腔室中預(yù)先設(shè)定的微調(diào)彈簧的壓力（即預(yù)設(shè)的壓力異常值，根據(jù)CJ/T 449—2014《切斷型膜式燃?xì)獗怼返囊螅疚念A(yù)設(shè)的壓力異常值為0.4 kPa），此時，第一導(dǎo)電觸點(diǎn)與第二導(dǎo)電觸點(diǎn)處于分離狀態(tài)，它們所形成的導(dǎo)電回路是斷開的。在燃?xì)鈮毫档蜁r，第一腔室的壓力也隨著降低，此時為保持力的平衡，壓力傳感皮膜組件在第一腔室與第二腔室微調(diào)彈簧之間的壓力差作用下將向底座的方向移動，并帶動第二導(dǎo)電觸點(diǎn)向第一導(dǎo)電觸點(diǎn)靠近。當(dāng)燃?xì)鈮毫档椭令A(yù)先設(shè)定的壓力異常值時，第二導(dǎo)電觸點(diǎn)正好與第一導(dǎo)電觸點(diǎn)接觸，即此時它們所形成的導(dǎo)電回路處于閉合狀態(tài)，隨即產(chǎn)生的電信號被燃?xì)獗砦㈦娔X控制器所接收，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)猱惓５蛪毫Φ母兄?/span>

燃?xì)鈮毫Ξ惓Ｖ凳峭ㄟ^壓力異常值微調(diào)組件進(jìn)行設(shè)定與調(diào)節(jié)的。在壓力異常值微調(diào)組件中，微調(diào)螺栓與安裝在上蓋中的螺紋鑲件配合連接，利用螺紋的作用調(diào)節(jié)微調(diào)螺栓來壓緊或放松微調(diào)彈簧，而微調(diào)彈簧受壓所形成的壓力即為設(shè)定的壓力異常值。當(dāng)燃?xì)鈮毫Υ笥谠O(shè)定的壓力異常值時，第一導(dǎo)電觸點(diǎn)與第二導(dǎo)電觸點(diǎn)分離，燃?xì)獗碚９ぷ?；?dāng)燃?xì)鈮毫π∮诨虻扔谠O(shè)定的壓力異常值時，第一導(dǎo)電觸點(diǎn)與第二導(dǎo)電觸點(diǎn)接觸而形成閉合導(dǎo)電回路，產(chǎn)生電信號而被燃?xì)獗硭兄?/span>

3   燃?xì)獗淼蛪毫Π踩袛嗫刂萍夹g(shù)的原理

燃?xì)獗淼蛪毫Π踩袛嗫刂萍夹g(shù)是指當(dāng)燃?xì)夤?yīng)出現(xiàn)壓力不足（低于設(shè)定值）時，燃?xì)獗砟軌蜃詣雨P(guān)閉切斷閥（本文所采用的是安裝于燃?xì)獗磉M(jìn)氣口的內(nèi)置切斷閥，簡稱切斷閥）并進(jìn)行報警。燃?xì)獗淼蛪毫Π踩袛嗫刂萍夹g(shù)原理見圖2。其主要由壓力傳感器、壓力傳感器檢測模塊、燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器、切斷閥、切斷閥控制電路、液晶顯示屏、液晶顯示電路、蜂鳴器、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及狀態(tài)恢復(fù)電路等部分組成。

圖2   燃?xì)獗淼蛪毫Π踩袛嗫刂萍夹g(shù)原理
 

3.1  低壓力感知與安全切斷控制

燃?xì)獗淼蛪毫Π踩袛嗫刂萍夹g(shù)包括低壓力感知技術(shù)和安全切斷控制技術(shù)。其功能的實(shí)現(xiàn)原理首先是在感知單元部分，通過燃?xì)獗韮?nèi)置壓力傳感器對燃?xì)夤鈮毫M(jìn)行實(shí)時感知監(jiān)測，并通過傳感器檢測模塊將燃?xì)鈮毫Ξ惓Ｐ畔鬏斨寥細(xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器。在控制單元部分，燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器接收到燃?xì)鈮毫Ξ惓Ｐ畔⒑?，通過切斷閥控制電路向切斷閥發(fā)送關(guān)閥命令，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾淖詣忧袛?。同時，通過液晶顯示屏和蜂鳴器可以實(shí)現(xiàn)向燃?xì)庥脩舻妮o助報警，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊向燃?xì)夤緦?shí)時發(fā)送表端狀態(tài)，并受燃?xì)夤具h(yuǎn)程管理與控制。

3.2  安全復(fù)位功能

為了不影響燃?xì)庥脩舻恼Ｓ脷?，燃?xì)獗響?yīng)具有針對發(fā)生安全切斷之后的安全復(fù)位功能。本文中的燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器連接了狀態(tài)恢復(fù)電路，可以通過燃?xì)獗矶说臓顟B(tài)恢復(fù)按鈕啟動狀態(tài)恢復(fù)電路，以使燃?xì)獗磉M(jìn)行安全自檢，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗戆l(fā)生安全切斷后的燃?xì)夤?yīng)恢復(fù)。燃?xì)獗砭唧w的安全復(fù)位步驟如下：

第一步：首先由現(xiàn)場人員（燃?xì)夤?yīng)企業(yè)維護(hù)人員或燃?xì)庥脩簦╆P(guān)閉燃?xì)獗硐掠蔚娜細(xì)庠?、熱水器等所有燃具的閥門。

第二步：通過燃?xì)獗砩习惭b的狀態(tài)恢復(fù)按鈕啟動燃?xì)獗淼臓顟B(tài)恢復(fù)電路，此時燃?xì)獗韺⑦M(jìn)行安全自檢。其具體過程為：①安裝于燃?xì)獗磉M(jìn)氣口端的切斷閥自動短暫打開3 s左右，此時，燃?xì)鈱⒊淙肴細(xì)獗砑捌鋬?nèi)置壓力傳感器。②燃?xì)獬淙霑r間完成后，切斷閥自動關(guān)閉，使燃具與燃?xì)獗磉M(jìn)氣口之間形成封閉狀態(tài)。③燃?xì)獗韮?nèi)置壓力傳感器將開始對燃?xì)獗韮?nèi)的燃?xì)鈮毫M(jìn)行檢測，若在持續(xù)2 min的檢測時間內(nèi)燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器未收到壓力傳感器所產(chǎn)生的電信號，則說明燃?xì)夤?yīng)壓力正常并且燃?xì)獗磉M(jìn)氣口與燃具閥門之間沒有漏氣現(xiàn)象，燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器將向切斷閥發(fā)送開閥命令，燃?xì)夤?yīng)恢復(fù)正常。反之，當(dāng)燃?xì)鈮毫θ匀徊蛔慊蛘叽嬖谌細(xì)庑孤r，燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器將接收到壓力傳感器產(chǎn)生的電信號，燃?xì)獗韺⒗^續(xù)保持切斷和報警狀態(tài)。

4   切斷閥

4.1  切斷閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

切斷閥是安全切斷控制單元部分的重要部件，其本身性能的優(yōu)劣將直接影響燃?xì)獗懋惓顟B(tài)下安全切斷的安全性、可靠性和及時性。例如過大的開關(guān)閥電流易產(chǎn)生電火花，易引發(fā)燃?xì)馊紵踔帘ǖ任ｋU事故。切斷閥在關(guān)閉后的密封性優(yōu)劣也將決定燃?xì)獗黻P(guān)閥后是否能處于完全安全的狀態(tài)。本文所采用的切斷閥是筆者及團(tuán)隊(duì)研究出的具有先進(jìn)水平的“雙向無堵轉(zhuǎn)齒輪傳動的燃?xì)獗韺Ｓ脵C(jī)電閥”^［2］，其整體結(jié)構(gòu)見圖3，主要包括外殼體、齒輪變速箱、直流電動機(jī)、閥桿、密封帽等部件。

圖3   切斷閥整體結(jié)構(gòu)
 

切斷閥的基本工作原理：在正常用氣情況下，切斷閥處于開啟狀態(tài)，燃?xì)獍磮D3中箭頭依次從切斷閥進(jìn)氣口和出氣口流經(jīng)切斷閥。當(dāng)切斷閥接收到燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器的關(guān)閥指令時，則通過直流電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，將動力經(jīng)其傳動軸傳遞給齒輪變速箱，再由齒輪變速箱內(nèi)的多級齒輪傳動機(jī)構(gòu)將動力傳遞給閥桿，并控制閥桿帶動密封帽向出氣口移動，最終由密封帽完成出氣口的密封，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾那袛?。反之，?dāng)切斷閥需要再次開啟時，由微電腦控制器向切斷閥發(fā)送開閥指令，直流電動機(jī)通過相對于關(guān)閥時的反向運(yùn)轉(zhuǎn)，將動力傳遞給齒輪變速箱，再由齒輪變速箱將動力傳遞給閥桿，并控制閥桿帶動密封帽遠(yuǎn)離出氣口，從而恢復(fù)燃?xì)獾牧魍ā?/span>

4.2  切斷閥的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)及性能指標(biāo)

①開關(guān)閥電流小

通常開關(guān)閥電流大于300 mA時易產(chǎn)生電火花，具有安全隱患；開關(guān)閥電流大于100 mA時，如果電池和電容電量過低，易引起開關(guān)閥失靈的情況。本文燃?xì)獗硭褂玫那袛嚅y采用齒輪傳動，通過齒輪逐級傳動，將電動機(jī)輸出軸的扭矩放大，從而降低開關(guān)閥時所需要的動力，進(jìn)而降低開關(guān)閥所需要的電流及電壓，能夠防止電流過大產(chǎn)生電火花以及開關(guān)閥失靈而帶來的安全隱患。

對于具體的開關(guān)閥電流指標(biāo)，我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6968—2011《膜式燃?xì)獗怼分胁⑽醋骶唧w要求，只是規(guī)定了燃?xì)獗磔o助裝置的最大工作電流不大于500 mA。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 161：2007《燃?xì)馊紵骱腿細(xì)庥镁咦詣忧袛嚅y》以及日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS S 2151-1993《燃?xì)馊紵O(shè)備用自動燃?xì)忾y》中也未對開關(guān)閥電流作具體要求。而本文所采用的切斷閥，經(jīng)過試驗(yàn)檢測，其開閥電流≤40 mA，關(guān)閥電流≤20 mA，完全滿足燃?xì)獗淼姆辣蟆?/span>

②閥門內(nèi)泄漏量極低

切斷閥的內(nèi)泄漏量反映其關(guān)閥后的密封性，而密封性的高低決定了燃?xì)獗黻P(guān)閥后是否處于完全安全狀態(tài)。本文切斷閥通過相應(yīng)的靜密封和動密封手段，能夠有效保證切斷閥在泄漏量上的安全性。

對于具體的內(nèi)泄漏量指標(biāo)，GB/T 6968—2011中規(guī)定，當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)氣壓力為4.5~5 kPa時，閥門的允許內(nèi)泄漏量不應(yīng)大于550 mL/h。EN 161：2007中規(guī)定，對于閥門公稱口徑為10~25 mm的閥門，內(nèi)外泄漏量≤40 mL/h。JIS S 2151-1993中規(guī)定，當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)氣壓力為0.5~4.2 kPa時，閥門的允許內(nèi)外泄漏量≤0.03 L/h。而本文所采用的切斷閥，按照GB/T 6968—2011的規(guī)定，經(jīng)國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測，結(jié)果為內(nèi)泄漏量＜10 mL/h，滿足國內(nèi)、外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，保證了燃?xì)獗黻P(guān)閥后的完全安全性。

③雙向無堵轉(zhuǎn)

通過齒輪變速箱減速增力、不完整齒輪卸載、棘齒雙連齒鎖緊及解鎖，實(shí)現(xiàn)了雙向無堵轉(zhuǎn)，避免了普通螺桿傳動機(jī)電閥和蝸桿傳動機(jī)電閥在發(fā)生堵轉(zhuǎn)時引起的電流增大和機(jī)械損壞。

④開關(guān)閥時間短

開關(guān)閥時間在很大程度上決定了開關(guān)閥的可靠性。當(dāng)電池和電容電量低，供電不足時，如果開關(guān)閥時間過長，閥的開關(guān)動作可能無法完整地完成，會出現(xiàn)開關(guān)閥失靈的現(xiàn)象。對于開關(guān)閥時間的具體指標(biāo)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并未有明確規(guī)定。而本文所采用的切斷閥通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，具有極短的開關(guān)閥時間。其中，開閥時間為0.8 s，關(guān)閉時間為0.1 s，能夠有效保證開關(guān)閥的可靠性。

⑤使用壽命長

切斷閥的使用壽命決定了燃?xì)獗砜煽匦缘臅r間。若切斷閥使用壽命較短時，則在燃?xì)獗碚硎褂脡勖笃诳赡軙霈F(xiàn)切斷閥失控。本文使用的切斷閥通過優(yōu)化零件間相互配合尺寸，并選用高耐磨的、自潤性好的POM材料，以及配合雙向無堵轉(zhuǎn)齒輪傳動結(jié)構(gòu)，具有較長的使用壽命。

切斷閥的使用壽命通過耐用性指標(biāo)體現(xiàn)，其具體的指標(biāo)參數(shù)，GB/T 6968—2011中要求在室溫下開關(guān)2 000 次后，密封性符合要求。CJ/T 449—2014中要求切斷閥在2.5 kPa工作壓力下開關(guān)5 000 次后，切斷閥的內(nèi)泄漏量（即密封性）符合要求。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 16314：2013《燃?xì)獗砀郊庸δ堋分幸笤趯?shí)驗(yàn)室溫度開關(guān)3 200次后，密封性符合要求。日本標(biāo)準(zhǔn)JIA E 006-99《微電腦式燃?xì)獗頇z查規(guī)程》中要求在1.5 kPa的通氣壓力下反復(fù)開關(guān)500次，復(fù)位功能和密封性正常。而對于本文所采用的切斷閥，按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6968—2011《膜式燃?xì)獗怼返脑囼?yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，在開關(guān)30 000次后，其密封性也符合要求，耐用性遠(yuǎn)高于上述國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步保證了燃?xì)獗黹_關(guān)閥的可靠性、安全性。

5   結(jié)語

筆者及團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的燃?xì)獗韺Ｓ脡毫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，在克服了現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)械式壓力傳感器無法安裝于燃?xì)獗韮?nèi)，電子式壓力傳感器價格昂貴、能耗較高的問題的同時，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對燃?xì)猱惓５蛪毫Φ母兄?/span>

燃?xì)獗淼蛪毫Π踩袛嗫刂萍夹g(shù)是燃?xì)獾蛪毫Ω兄夹g(shù)與燃?xì)獗戆踩袛嗫刂萍夹g(shù)的結(jié)合，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)能夠保證對燃?xì)鈮毫M(jìn)行實(shí)時、有效的監(jiān)測，并在出現(xiàn)燃?xì)猱惓５蛪毫η闆r時，燃?xì)獗砟軌蜃詣油瓿扇細(xì)獾目煽俊踩图皶r切斷，從而防止因燃?xì)獾蛪毫σ鸬娜細(xì)庑孤苊馊細(xì)饣馂?zāi)、爆炸等安全事故的發(fā)生，保障燃?xì)庥脩羯敭a(chǎn)安全，加強(qiáng)燃?xì)夤?yīng)企業(yè)對安全用氣的管理。

參考文獻(xiàn)：

［1］任長清，邵澤華，權(quán)亞強(qiáng). 安全切斷型智能燃?xì)獗韺Ｓ脡毫鞲衅鳎?/span>201420306746.0［P］. 2014-12-10.

［2］邵澤華，吳岳飛，徐朝應(yīng)，等. 雙向無堵轉(zhuǎn)齒輪傳動的燃?xì)獗韺Ｓ脵C(jī)電閥：201010230368.9［P］.2010-01-04.