一种户用智能全效安全装置

技术领域

本发明属于燃气阀门技术领域，具体涉及一种户用智能全效安全装置。

背景技术

我国民用天然气入户使用普及率日益提高，全国各地大部分城乡居民住宅内均有天然气应用。天然气除了是易燃易爆气体外，还存在压力等级的安全要求，例如居民住宅的民用天然气通常为2.5kPa左右压力值，而其上游管道天然气压力通常为100~400kPa，因存在上下游极大的压差，故天然气使用过程中，一旦出现上游设备故障，则极易发生民用低压端超压或者失压的情况。当低压端发生超压时，过高的气压易对户内仪表、燃具、软管、接头等造成冲击甚至损坏，从而导致天然气的快速泄漏；当低压端发生失压时，低压管道会长时间处于低压力状态，一旦上游恢复压力后，更高的气压会对低压状态管道造成冲击，户内软管、接头容易松动甚至损坏，从而导致天然气的快速泄漏。因此低压端天然气无论发生超压还是失压，均会对户内用气安全产生极大的隐患。

对于户内天然气安全保护而言，目前常用措施有：可燃气体泄漏报警器、燃气电磁阀、自闭阀等。其中，燃气电磁阀是一种反应迅速，并且安全可靠的切断型安全保护设备，可通过电源的通断迅速切断从而能起到良好的安全保护作用，但燃气电磁阀做监测时，需要有外部信号输出才能触发其切断动作，而居民住宅缺少天然气压力感应装置的配置，因此燃气电磁阀往往仅被应用于与可燃气体泄漏报警器连锁，只有当报警器检测到可燃气体浓度时才能触发电磁阀切断，这就限制了电磁阀作为良好切断设备的功能，并且只能在天然气发生泄漏之后才能有所反应，这就拖延了安全保护的时机，造成隐患发生的最大化。

因此，需要一种可靠、灵敏且低成本的可监测天然气压力值并进行安全控制的安全保护设备。

发明内容

针对现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种户用智能全效安全装置，目的是为了在对户内天然气设备实现高效的安全保护，同时降低成本。

为了实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种户用智能全效安全装置，其至少包括管道主体、电磁阀和压力感应组件，管道主体内具有供流体流动的流体通道，电磁阀和压力感应组件均安装在管道主体上并均与管道主体的流体通道连通，在流体流动的方向上，电磁阀位于管道主体的上游侧，压力感应组件位于管道主体的下游侧，电磁阀和压力感应组件均连接至控制单元，并且其中，压力感应组件包括活塞杆、超压反馈点、失压反馈点和检测单元，超压反馈点和失压反馈点均设置在活塞杆上，活塞杆能够在流体通道中的流体的压力作用下而滑动，在活塞杆滑动时，超压反馈点和失压反馈点能够被检测单元检测到，并且，当超压反馈点和失压反馈点中的任意一处被检测单元检测到时，控制单元能够控制电磁阀将管道主体的流体通道关闭。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明的户用智能全效安全装置采用皮膜弹簧式感压结构，不需要高精度昂贵的电子传感器以及复杂的电路来实现控制逻辑；通过将压力感应组件与电磁阀组成一体式设备，不需要连锁外部设备或其它感应控制装置，集成度高，对安装条件要求低；通过超压反馈点和失压反馈点的设置，使得压力感应组件的灵敏度及准确度提高，对于数据的处理要求大大降低；压力感应组件受压受力的可计算性，可通过计算设计出不同压力环境使用的尺寸，拓展应用场景；活塞腔的设置，对膜片起到了一定的保护作用，提高了设备的使用寿命；检测柱的设置在方便进行检测的同时也方便进行外部观察，利于设备故障诊断；本发明在降低防护成本的情况下实现了对户内天然气设备高效且安全的保护。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明的户用智能全效安全装置的主体结构示意图；

图2是本发明的户用智能全效安全装置处在正常状态下的结构示意图；

图3是本发明的户用智能全效安全装置处在超压状态下的结构示意图；

图4是本发明的户用智能全效安全装置处在失压状态下的结构示意图；

图5是本发明的户用智能全效安全装置中压力感应组件上所使用的盖体的结构示意图；

图6是本发明的户用智能全效安全装置中压力感应组件上所使用的活塞杆的结构示意图；

图7是图5所示盖体与图6所示活塞杆相配合的结构示意图；

图8是图5所示盖体上的检测柱的侧视结构示意图；

图9是本发明的户用智能全效安全装置中压力感应组件的受力分析原理图；

图10是本发明又一优选的户用智能全效安全装置的主体结构示意图；

其中，1-管道主体，2-盖体，3-膜片，4-托盘，5-活塞杆，6-顶盖，7-弹簧，8-超压反馈点，9-失压反馈点，10-检测单元，11-电磁阀，12-电缆，13-开口，14-弹簧腔，15-压力传感器，

21-壳体，22-检测柱，211-连接部，212-弹簧安装槽，213-限位板，214-活塞腔，215-连接柱，221-滑动孔，222-径向孔，223-间隙，

51-底板，52-螺接部，53-第一滑动杆，54-活塞盘，55-第二滑动杆。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图9所示，本发明提供了一种户用智能全效安全装置，其至少包括管道主体1、电磁阀11和压力感应组件，管道主体1内具有供流体流动的流体通道，电磁阀11和压力感应组件均安装在管道主体1上并均与管道主体1的流体通道连通，在流体流动的方向上，电磁阀11位于管道主体1的上游侧，压力感应组件位于管道主体1的下游侧，电磁阀11和压力感应组件均通过电缆12连接至控制单元，并且其中，压力感应组件包括活塞杆5、超压反馈点8、失压反馈点9和检测单元10，超压反馈点8和失压反馈点9均设置在活塞杆5上，活塞杆5能够在流体通道中的流体的压力作用下而滑动，在活塞杆5滑动时，超压反馈点8和失压反馈点9能够被检测单元10检测到，并且，当超压反馈点8和失压反馈点9中的任意一处被检测单元10检测到时，控制单元能够控制电磁阀11将管道主体1的流体通道关闭。

需要说明的是，现有技术中，在户内天然气使用过程，当存在超压或失压而需要进行电磁阀的切断时，通常依据的是外部信号输出（例如报警器检测到的可燃气体浓度等）而进行触发，电磁阀的切断具有滞后性，不能及时进行安全保护；此外，由于户内天然气的压力通常较低，若采用压力检测传感器进行检测，则需要的压力检测传感器（包括压力开关和压力变送器等）的精度非常高（相应的成本就提高了），因其成本较高、安装条件苛刻，导致在居民住宅中无法推广。本发明利用将活塞杆5伸入至管道主体1内的流体通道中，活塞杆5能够在流体通道中的流体的压力作用下而滑动，将流体通道中流体的压力直接转换为对活塞杆5的推动力，活塞杆5上设置有超压反馈点8和失压反馈点9，依据活塞杆5移动的点位来判断超压、失压，不需要使用高精度昂贵的电子传感器，也不需要使用复杂的电路来实现逻辑控制，即可实现对电磁阀11的精准、高效的切断。

为了更好的实现本发明的目的，本实施例中，在管道主体1上形成有开口13（沿管道主体1的径向方向设置，例如图1中在竖直方向上），压力感应组件安装在开口13处，压力感应组件还包括盖体2、膜片3、托盘4和弹簧7，其中，盖体2包括向下开放（向下的凹槽）的壳体21和设置在壳体21上方中部的检测柱22，壳体21通过其底部外侧的连接部211（例如连接螺栓，等）连接在管道主体1上，膜片3横跨设置在开口13上，膜片3的外缘卡接在壳体21的底部与管道主体1之间，膜片3的中部通过托盘4固定连接在活塞杆5的底部，膜片3能够随着管道主体1的流体通道内的流体压力变化而形变进而带动活塞杆5偏离其初始位置而滑动，膜片3与壳体21之间形成有弹簧腔14，弹簧腔14通过膜片3与开口13相隔离，弹簧腔14内设置有弹簧7，弹簧7能够对活塞杆5偏离其初始位置的滑动进行阻碍。示例性的，如图1和图5所示，位于弹簧腔14内的壳体21顶部设置有弹簧安装槽212，弹簧7的顶端连接安装在弹簧安装槽212内，托盘4与活塞杆5的底部固定连接，弹簧7的底端与托盘4的顶部固定连接。通过这样的设置，当流体通道内出现超压时，活塞杆5会向上移动压缩弹簧7，而弹簧7会阻碍这种压缩；当流体通道内出现失压时，活塞杆5会向下移动拉伸弹簧7，而弹簧7也会阻碍这种拉伸（由于活塞杆5、托盘4等的自重以及活塞杆5的滑动摩擦力等相较于超压、失压而产生的力而言很小，可忽略，因此，以上作用过程以及接下来的描述中，均将这些因素忽略，下文不再赘述）。本发明通过膜片3感应管道主体1的流体通道内的流体压力变化，其好处在于，使得压力感应组件对流体通道内流体压力变化的感应更加灵敏，同时，由于膜片3的阻挡作用，减少了流体通道内的流体进入弹簧腔14的可能，避免了可能带来的腐蚀性问题（例如当流体中含有水或其他酸性气体等）。

进一步优选的，检测柱22固定连接在壳体21上方的中部，检测柱22内设置有沿其轴向方向设置的滑动孔221，活塞杆5在穿过壳体21的中部后延伸至滑动孔221内并在滑动孔221内可滑动的设置，检测柱22上设置有检测单元10，初始时，超压反馈点8和失压反馈点9位于检测单元10的感应方向的两侧（参见图1，检测单元10的感应方向为沿着水平方向，而超压反馈点8和失压反馈点9位于其所在水平面的上下两侧）；当活塞杆5在流体通道内的流体压力作用下而上下滑动时，设置在活塞杆5上的超压反馈点8和失压反馈点9能够被检测单元10检测到。本发明的超压反馈点8和失压反馈点9的设置，能够确保检测更为精确及时和简单，同时，相较于直接检测流体的压力值而进行动态解析、判断和计算，其对于处理单元的要求更低，例如，若采用直接检测流体的压力值而进行动态解析、判断和计算，其需要将所检测到的所有流体压力值送入处理单元中与预先设定的压力值进行比较，这一过程将涉及大量的数据解析、判断和计算；而本发明通过超压反馈点8和失压反馈点9的设置，只有当检测单元10检测到对应的反馈点时，才会向处理单元发送数据，示例性的，以数字1代表检测到反馈点，数字0代表未检测到反馈点，则在检测过程中，检测单元10只有获得“1”的数字信号时才会向处理单元发送数据，这与现有技术发送压力值的方式是完全不同的；此外，如前所述，采用现有的普通压力传感器方式存在灵敏度不足的问题，若要在发生超压、失压时及时作出响应，势必需要增加所采用的压力传感器的灵敏度和精度，而若要提高灵敏度和检测精度，势必会增加成本，本发明通过以上设置，膜片3等直接作用在流体通道内，能够针对流体通道内流体压力的变化及时作出响应，膜片3的形变能带动活塞杆5偏离其初始位置而滑动，通过活塞杆5上设置的超压反馈点8和失压反馈点9，能够精准的确定超压、失压问题的发生，因此能够在较低的成本下实现高灵敏度和高精度的检测。

进一步优选的，检测柱22上形成有贯穿滑动孔221的两侧的径向孔222，两侧的径向孔222形状尺寸相同且具有同一穿过检测柱22轴心的中心轴线，两侧径向孔222中的其中一侧径向孔222中安装有所述检测单元10，径向孔222的直径大于滑动孔221的直径，检测单元10与滑动孔221中的活塞杆5之间具有检测间隙。需要说明的是，本发明的检测单元10与超压反馈点8和失压反馈点9之间可以采用电磁感应、位置感应、光电感应等技术进行检测，例如可以通过将超压反馈点8和失压反馈点9设置为凹槽等形式，通过声波及其反馈来检测位置，或者，通过在相应位置设置磁块，利用磁信号大小来判断其位置；但本发明更优选的采用光电信号进行检测，例如通过检测单元10发送出光信号，然后利用不同材料对光的吸收不同，借助于光的反射等方式，在检测单元10处接收反射光信号，进而确定是否到达对应的反馈点；本发明之所以采用这种方式，还有一个好处在于，本发明所特殊设置的径向孔222，在实现反馈点检测的同时，能够方便人员借助于位于检测单元10另一侧的径向孔222进行可视观察，判定装置是否处于工作状态，例如参见图8，采用本发明的径向孔222设置方式，由于滑动孔221一侧的径向孔222中安装有所述检测单元10，而径向孔222是贯穿滑动孔221的两侧而设置的，因此，滑动孔221的另一侧径向孔222为空置的，由于径向孔222的直径大于滑动孔221的直径，而活塞杆5是在滑动孔221内滑动的，因此，活塞杆5并不能将径向孔222处的检测单元10所发散出的光完全遮挡，检测单元10处的光线会透过间隙223发射出来，这样，当透过该空置的径向孔222看到光亮时，即可确定检测单元10处在正常工作状态。进一步的，为了防止外部环境对检测单元10等的影响，在壳体21的上部还设置有顶盖6，顶盖6罩在检测柱22的外侧，且顶盖6采用为透明材料制作，例如PC板。

在一个优选的实施方式中，壳体21上方的中部向上延伸形成有连接柱215，检测柱22通过连接柱215螺纹连接在壳体21上，两者可拆卸连接，方便维护和调节。

为了更好的实现本发明的目的，在一个优选的实施方式中，参见图5，壳体21的中部还设置有供活塞杆5滑动的活塞腔214，壳体21上位于活塞腔214的底部固定设置有限位板213，限位板213与活塞杆5相对滑动设置（限位板213固定，而活塞杆5上下滑动），如图6所示，活塞杆5包括由下向上依次设置的底板51、螺接部52、第一滑动杆53、活塞盘54和第二滑动杆55，其中，托盘4通过螺接部52固定连接至活塞杆5的底板51上，膜片3的中部卡接在托盘4与底板51之间（参见图1），此外，活塞盘54被限制在活塞腔214内滑动，活塞杆5通过第一滑动杆53滑动设置在限位板213中部，通过第二滑动杆55滑动设置在滑动孔221内，活塞腔214的内径大于限位板213中部与第一滑动杆53滑动配合的通孔的内径，并大于活塞腔214顶端用于与第二滑动杆55滑动配合的通孔的内径（例如滑动孔221），由此，通过活塞腔214的长度限制活塞杆5在竖直方向上的行程；活塞腔214的长度大于或等于超压反馈点8和失压反馈点9之间的距离，初始时，活塞盘54位于活塞腔214内在竖直方向上的中部。为了方便安装，限位板213采用为两块半环形结构拼接而成。

需要说明的是，由于在活塞杆5滑动时，超压反馈点8和失压反馈点9需要被检测单元10检测到，因此，当活塞腔214的长度恰好等于超压反馈点8和失压反馈点9之间的距离时（这里是忽略了活塞盘54的厚度而言的，方便原理描述），对应的可以得到，活塞盘54运动至活塞腔214顶部时，此时正好对应超压反馈点8被检测单元10检测到，当活塞盘54运动至活塞腔214底部时，此时正好对应失压反馈点9被检测单元10检测到。在本实施例，优选的是，活塞腔214的长度略大于超压反馈点8和失压反馈点9之间的距离，例如，活塞腔214的长度L为超压反馈点8和失压反馈点9之间距离S的1.1~1.3倍，或者，在活塞腔214长度L的基础上增加以附加长度K，即，L=（1.1~1.3）*S，或，L=S+K。上述附加长度的设置，目的是为了提供一定的预留行程，避免因安装精度等原因而导致超压反馈点8和失压反馈点9无法被检测单元10检测到的情况。另外，本发明将活塞杆的活塞盘54限制在活塞腔214内滑动，这样，活塞杆5的行程就受到了限制，在满足超压反馈点8和失压反馈点9被检测单元10检测到的前提下，通过限制活塞杆5的行程，能够在一定程度上避免因天然气压力突变等原因而导致对膜片3等的损坏，例如，实际的使用过程中，管道主体1的流体通道内的压力除了会存在超压、失压以外，还可能会出现欠压，同时，这种超压、失压和欠压可能是缓慢形成的，也可能是突变形成，膜片3的设置虽然提高了灵敏度，但膜片3也容易疲劳失效或损坏，通过限制活塞杆5的行程，能够在一定程度上限制膜片3的形变幅度，因而能够起到一定的保护作用。此外，在活塞杆5的行程被限定在预定的范围内后，可以方便的限定，活塞杆5在滑动过程中，其顶端端面始终位于径向孔222的上方。由于径向孔222的直径大于滑动孔221的直径，若活塞杆5的行程未被限定，则由于超压、失压和欠压的压力并不确定，可能会因为欠压压力过大，导致活塞杆5在滑动过程中其顶端端面低于径向孔222的上方，若活塞杆5与滑动孔221之间存在滑动间隙，加之天然气压力的各向不稳定性，当活塞杆5需要恢复初始状态，即，使得活塞杆5的顶端滑动进入径向孔222上方的滑动孔221时，可能会被径向孔222与滑动孔221之间的交界处卡住，通过对活塞杆5行程的限定，能够避免该问题的发生。

为了更好的实现本发明的目的，在电磁阀11的上游侧还设置有用于检测电磁阀11上游侧的流体通道内流体压力的压力传感器15（参见图10），该压力传感器15与控制单元相连接，并且，压力传感器15仅在管道主体1的流体通道被电磁阀11关闭时才启动以进行压力数据采集；在电磁阀11关闭后，当且仅当压力传感器15所采集到的压力数据在预定时间内维持在预定的压力范围内（例如，在2min内，均维持在2.3~2.6kPa）并且检测单元10未检测到超压反馈点8和失压反馈点9时，控制单元才控制电磁阀11打开。

需要说明的是，现有技术中在进行阀门的通断控制时，通常将压力感应装置等设置在关断阀（对应本发明的电磁阀11）的上游侧，在关断阀关闭前后，压力感应装置均需要进行关断阀上游侧的压力检测，以通过压力感应装置所检测的数据来进行关断阀的通断，但现有技术的这种技术方案，其所采用的压力感应装置的耐压要求较高，灵敏度和检测精度都要求很高（不仅要检测数据准确，还要求能快速作出响应），因而其成本也是非常高的，这在居民住宅燃气中是很不适用的，另外，民用天然气的压力值通常在2.5kPa左右，其上游管道天然气压力通常为100~400kPa，压力较低，若要让其满足在出现超压、失压等情况时作出及时响应，这就要求其在低压工作环境下具有很高的灵敏度和检测精度，其成本显然会进一步提高，这也是为何目前的压力开关和压力变送器等在居民住宅中无法推广的原因之一。本发明所采用的带膜片3的压力感应组件适用于低压环境下的压力检测，在低压环境下，其相较于常规的压力感应装置更为灵敏，且其成本很低，因此适用于在民用天然气入户管道中推广，但由于其耐压偏低，也很容易损坏，因此本发明将带膜片3的压力感应组件设置在管道主体1的下游侧，将电磁阀11设置在上游侧（通常电磁阀11的耐压相对较高），这样，当出现超压、失压时，这种超压、失压现象能够被带膜片3的压力感应组件快速的捕捉，进而实现电磁阀11被快速关闭，而在电磁阀11关闭后，由上游侧引起的超压、失压的压力无法再继续作用在位于下游侧的压力感应组件的膜片3上，因而压力感应组件得到了保护，在电磁阀11关闭时，位于电磁阀11上游的压力传感器15被控制单元所启动，该压力传感器15由于只需进行压力数据采集而无需用于根据超压、失压现象而对电磁阀11作出快速响应调控，因此无需其具有较高的精度，采用普通的压力传感器即可，因此，不会存在高成本问题。另外，由于本发明通过超压反馈点8和失压反馈点9的设置，只有当检测单元10检测到对应的反馈点时，才会向处理单元发送数据，同时，压力传感器15只有在电磁阀11关闭时是才会启动，且其无需进行大量的数据解析、比对和计算，因此本发明的装置对控制单元的数据处理能力要求不高，因此可以在电磁阀11附近直接设置自主控制的MCU单片机即可。

作为进一步优选的实施方式，本发明还涉及超压反馈点8和失压反馈点9的尺寸确定方法，其包括（参见图9）：

S1、进行初始状态和正常工作状态下的受力分析：

初始状态时，检测单元10对准初始位置，膜片3两侧受力分别为：弹簧7作用于膜片3产生的向下推力F

在正常工作状态下时，天然气推力与弹簧推力互为对抗力，始终保持平衡并且相等；

因此具有：

F

F

……（3），

式中，k为弹簧刚度，N/mm；x为弹簧压缩量，mm；P为天然气的气压值，bar；D为膜片有效受力直径，cm；

S2、进行超压状态下的受力分析：

当发生超压时，检测单元10与超压位置对准，相对于初始位置发生位移为h1（弹簧压缩量增加h1），天然气气压值P升高，变为P

则超压状态的天然气推力：

……（4），

则超压状态下的弹簧推力变为：

……（5），

因超压状态下，弹簧推力与天然气推力相互平衡，故，

，

则，

……（6），

S3、进行失压状态下的受力分析：

当发生失压时，检测单元10与失压位置对准，相对于初始位置发生位移为h2（弹簧压缩量减少h2），天然气气压值P降低，变为P

则失压状态的天然气推力：

……（7），

则失压状态下的弹簧推力变为：

……（8），

因失压状态下，弹簧推力与天然气推力相互平衡，故，

，

则，

……（9）；

S4、确定超压反馈点8和失压反馈点9的位置：

将需要设定的超压气压值、失压气压值分别代入式（6）、式（9），计算出弹簧7在超压、失压状态下所发生的位移变化量h1、h2，根据初始时检测单元10与活塞杆5的位置关系确定初始位置，根据初始位置和以上位移变化量h1、h2，即可确定超压反馈点8和失压反馈点9的位置，得到即满足超压检测，又满足失压检测的尺寸和结构。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。