一种基于磁场强度差值的阀芯卡滞偏心自检测电磁阀

技术领域

本发明涉及电磁阀监控技术领域，尤其涉及一种基于磁场强度差值的阀芯卡滞偏心自检测电磁阀。

背景技术

电磁阀是用来控制流体流动的自动化基础元件，在液压、气动等各类工程机械与生产装备的运动控制、生产控制中大量应用。在工程中若不能及时判断电磁阀是否出已经出现或将要出现故障，不仅影响工程效率、提高维修成本，严重时更会导致安全事故与财产损失。因此，对于电磁阀的故障快速检测与预测极为重要。

电磁阀的故障种类有很多，但在工业使用中，最为常见的故障为阀芯与阀体之间密封效果不佳导致的液体泄漏，以及由于阀体内部存在异物造成的阀芯卡滞或阀芯卡死，而上述故障状态均与阀芯阀套的间隙异常相关。因此，针对上述问题，本发明提出了一种基于磁场检测的阀芯卡滞及偏心检测阀及阀块新结构，实现对阀芯卡滞及偏心故障的无拆解实时检测。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于磁场强度差值的阀芯卡滞偏心自检测电磁阀，包括阀块和阀芯；

所述阀芯包括圆柱体I、圆柱体II和圆柱体III；

所述圆柱体I与所述圆柱体II的一端一体连接；

所述圆柱体II的另一端与所述圆柱体III一体连接；

所述圆柱体I与所述圆柱体III的半径相等；

所述圆柱体III的半径小于圆柱体I的半径；

所述圆柱体III的下半部分固定有永磁铁；

所述阀块的正中心设置有便于所述阀芯纵向移动的圆柱形空洞；

在所述阀块的中间位置水平设置有流道；

在所述阀块的下半部分设置关于所述阀芯分别相对称的四个水平等距螺纹孔；

在所述水平等距螺纹孔内部分别固定有第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第四线性霍尔元件；

所述第一线性霍尔元件连接到外部测量电路I；

所述第二线性霍尔元件连接到外部测量电路II；

所述第三线性霍尔元件连接到外部测量电路III；

第四线性霍尔元件分别连接到外部测量电路IV；

所述外部测量电路I、外部测量电路II、外部测量电路III和外部测量电路IV结构相同；

所述外部测量电路I、外部测量电路II、外部测量电路III和外部测量电路IV分别测得线性霍尔元件的输出电压，输出电压反比于霍尔元件与永磁铁之间的距离，阀芯通过开闭会带动永磁铁产生垂直位移，阀芯的偏心会带动永磁铁产生水平位移，比较不同线性霍尔元件的输出电压可得到阀心偏心距离及方向，实现对阀芯卡滞状态及偏心故障快速检测的目的。

进一步地：所述圆柱体I的高度小于流道中心至阀块顶部的距离。

进一步地：所示阀块选用低磁导率材质制造，选用铝合金或铝镁合金或不锈钢或铜合金。

进一步地：所示阀块为长方体。

进一步地：所述外部测量电路I包括为第一线性霍尔元件供电的外部电源、测量电阻和电压表；

第一线性霍尔元件的正引脚1并联接入外部电源的正极；

第一线性霍尔元件的接地引脚2并联接入外部电源负极；

第一线性霍尔元件的输出引脚3接入测量电阻的一端，测量电阻另一端接地；

电压表与测量电阻是并联关系；

第一线性霍尔元件在外部电源的供电下，会根据磁场强度输出电压信号，输出电压作用在测量电阻上，并通过电压表读取。

进一步地：所述测量阀芯卡滞状态的计算公式如下：

电磁阀非偏心状态下，第一霍尔元件输出输出电压U

当阀芯垂直位移时，第一霍尔元件输出电压U

根据式(1)，式(2)可推得永磁铁位移Δz：

式中，K

公式(3)的Δz反映了所述阀芯位移，即反映了所述电磁阀阀芯磨损卡滞故障的程度。

进一步地：所述阀芯的偏心方向及距离的方法如下：

电磁阀非偏心状态下，外部测量电路I、外部测量电路II、外部测量电路III、外部测量电路IV输出电压相同，即：

u

式中，u

若四个测量电路输出电压各不相同，则判断阀芯偏心，首先计算阀芯在第一线性霍尔元件中心和第三线性霍尔元件中心连线上的位移，当阀芯在该连线上偏心Δl

第三线性霍尔元件(4)输出电压u

根据式(5)，式(6)计算可得该方向上偏心位移Δl

同理可计算阀芯在第二线性霍尔元件中心和第四线性霍尔元件中心连线上的位移，阀芯在该连线上偏心位移Δl

因第一霍尔元件与第三霍尔元件中心的连线与第二霍尔元件与第四霍尔元件中心的连线互为中垂线，根据平面向量基本定理可计算阀芯总偏心距离l如下。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于磁场强度差值的阀芯卡滞偏心自检测电磁阀，其阀芯及阀块内部集成了线性霍尔元件和永磁铁，减小了阀块体积，阀块选用低磁导率材质制造，以保障磁信号传递。本发明能利用简易的故障监测电路，既可以通过快速计算阀芯位移，也可以通过对比不同电路输出电压实现对阀芯偏心方向及程度的实时监测，结构简单，易于应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于磁场强度差值的阀芯卡滞偏心自检测电磁阀的主视图示意图；

图2为本发明一种基于磁场强度差值的阀芯卡滞偏心自检测电磁阀俯视图示意图；

图3为本发明的外部测量电路示意图；

图4为本发明一种基于磁场强度差值的阀芯卡滞偏心自检测电磁阀简略示意图I；

图5为本发明一种基于磁场强度差值的阀芯卡滞偏心自检测电磁阀简略示意图II。

图中：1、阀芯，2、阀块，3、永磁铁，4、第一线性霍尔元件，5、第二线性霍尔元件，6、第三线性霍尔元件，7、第四线性霍尔元件，8、外部电源，9、测量电阻，10、电压表。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

一种基于磁场强度差值的阀芯卡滞偏心自检测电磁阀，包括阀块2和阀芯1；

所述阀芯1采用普通合金或者不锈钢；

所述阀芯1包括圆柱体I、圆柱体II和圆柱体III；

所述圆柱体I、圆柱体II和圆柱体III这个三个圆柱体是属于一个长的圆柱体阀芯，工艺上在阀芯1的中部附近车出一个半径略小的圆柱体II，当电磁阀关闭时，电磁阀常开，阀芯位置如图1所示，此时圆柱体I顶部到阀体顶部的距离为阀芯1开关的位移，圆柱体I的高度无明确要求，只需保证圆柱体II在此时有部分或全部高度处于阀体流道同一高度，因圆柱体II半径小，无法堵住流道，流道中的液压油或其他流道介质可以流道左侧流通到流道右侧，此时电磁阀导通，圆柱体III高度满足大于流道高度，即液压阀打开后，阀芯在电磁力的作用下向上移动，圆柱体III需要完整堵住流道，此时电磁阀不导通，此外，圆柱体III的高度应足够开孔安装永磁铁。

所述圆柱体I与所述圆柱体II的一端一体连接；

所述圆柱体II的另一端与所述圆柱体III一体连接；

所述圆柱体I与所述圆柱体III的半径相等；

所述圆柱体III的半径小于圆柱体I的半径；

所述圆柱体III的下半部分固定有永磁铁3；所述永磁铁3通过螺纹孔安装固定；从而使阀芯1位移等效于永磁铁3位移，此外，永磁铁3上加工有配套外螺纹，便于安装。

所述阀块2的正中心设置有便于所述阀芯1纵向移动的圆柱形空洞；

在所述阀块2的中间位置水平设置有液压油或其他液压介质的流通的流道；

在所述阀块2的下半部分设置有分别关于阀芯1相对称的四个水平等距螺纹孔；

所述四个水平等距螺纹孔分别位于同一水平面前后左右四个位置；

在所述水平等距螺纹孔内部分别固定有第一线性霍尔元件4、第二线性霍尔元件5、第二线性霍尔元件5和第四线性霍尔元件7；

所述第一线性霍尔元件4连接到外部测量电路I；

所述第二线性霍尔元件5连接到外部测量电路II；

所述第三线性霍尔元件6连接到外部测量电路III；

第四线性霍尔元件7分别连接到外部测量电路IV；

所述外部测量电路I、外部测量电路II、外部测量电路III和外部测量电路IV结构相同；

所述外部测量电路I、外部测量电路II、外部测量电路III和外部测量电路IV分别测得线性霍尔元件的输出电压，输出电压反比于霍尔元件与永磁铁之间的距离，阀芯1开闭会带动永磁铁3产生垂直位移，阀芯1的偏心会带动永磁铁3产生水平位移，即测量线性霍尔元件的输出电压可计算得到阀芯位移，比较不同线性霍尔元件的输出电压可得到阀心偏心距离及方向，实现对阀芯卡滞状态及偏心故障快速检测的目的。

当电磁阀关闭时，电磁阀常开，阀芯位置如图1所示，此时圆柱体I顶部到阀体顶部的距离为阀芯开关的位移，圆柱体II在此时有部分处于阀体流道同一高度，因圆柱体II半径小，无法堵住流道，流道中的液压油或其他流道介质可以流道左侧流通到流道右侧，此时液压阀导通，即液压阀打开后，阀芯在电磁力的作用下向上移动，圆柱体III完整堵住流道，此时电磁阀不导通。

进一步地：所述圆柱体I的高度小于流道中心至阀块2顶部的距离。因为阀芯1中心处流道中心之阀块2顶部的距离由三部分组成，从上至下分别是，一块用于圆柱体I上下移动的位移，圆柱体I和部分圆柱体II，如图1所示。

进一步地：所述阀块2选用低磁导率材质制造，选用铝合金或铝镁合金或不锈钢或铜合金，用以保障磁信号传递。

进一步地：所述阀块2为长方体。

进一步地：所述外部测量电路I包括为第一线性霍尔元件4进行供电的外部电源8、测量电阻9和电压表10；

所述第一线性霍尔元件4的正引脚1并联接入外部电源8的正极；

所述第一线性霍尔元件4的接地引脚2并联接入外部电源8的负极；

所述第一线性霍尔元件4的输出引脚3接入测量电阻9的一端，测量电阻9另一端接地；

所述测量电阻9的电阻阻值大小应远远大于测试电路中电线的阻值，可以为几千欧；

所述电压表10与测量电阻9是并联关系；

所述第一线性霍尔元件4在外部电源8的供电下，会根据磁场强度输出电压信号，输出电压作用在测量电阻9上，并通过电压表10读取。

进一步地：所述测量阀芯1卡滞状态的计算公式如下：

所述电磁阀非偏心状态是指阀芯不偏心，排除阀芯偏心导致永磁铁水平位移，从而影响阀芯卡滞状态的计算，电磁阀非偏心状态下，第一霍尔元件4输出输出电压U

当阀芯1垂直位移时，第一霍尔元件(4)输出电压U

根据式(1)，式(2)可推得永磁铁位移Δz：

式中，K

公式(3)的Δz反映了所述阀芯位移，即反映了所述电磁阀阀芯磨损卡滞故障的程度。

进一步地：所述阀芯1的偏心方向及距离的方法如下：

电磁阀非偏心状态下，外部测量电路I、外部测量电路II、外部测量电路III、外部测量电路IV输出电压相同，即：

u

式中，u

若四个测量电路输出电压各不相同，则判断阀芯1偏心，首先计算阀芯在第一线性霍尔元件4中心和第三线性霍尔元件6中心连线上的位移，当阀芯在该连线上偏心Δl

第三线性霍尔元件4输出电压u

根据式(5)，式(6)计算可得该方向上偏心位移Δl

同理可计算阀芯1在第二线性霍尔元件5中心和第四线性霍尔元件7中心连线上的位移，阀芯1在该连线上偏心位移Δl

因第一线性霍尔元件与第三线性霍尔元件中心的连线与第二线性霍尔元件与第四线性霍尔元件中心的连线互为中垂线，根据平面向量基本定理可计算阀芯总偏心距离l如下：

本发明能利用简易的测量电路，既可以通过快速计算阀芯位移，也可以通过对比不同电路输出电压实现对阀芯偏心方向及程度的实时监测，结构简单，易于集成和应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。