智能电气阀门定位器的创新设计

王日君 杨浩栋 沈舒阳

摘要：在对阀门定位器的安全性、可靠性问题进行分析的基础上，综合运用TRIZ理论中发明原理和物场模型两种方法，对现有定位器的气源和外壳进行改进，设计得到一种具有防水功能外壳和多腔体结构气源的智能电气阀门定位器，有效提升了定位器壳体的安全性及气源气体输出的稳定性。

关键词：定位器；TRIZ；发明原理；物场模型

一、引言

阀门定位器是阀门关键附件。智能阀门定位器运用人工智能技术，实现电气化信号的智能处理，其利用通信协议，具有数字通信功能，有很大的市场开发前景[1]。智能电气阀门定位器目前智能化、自动化程度较高，但是稳定性和安全性仍有缺陷[2]，且在阴暗潮湿的区域会因为空气中湿度过大而导致内部电子元件受损失灵，气源输出的气流会因外部温度的变化而产生流速不稳定的问题，从而降低安全性和稳定性。

发明问题解决理论（TRIZ）作为一种创新方法，揭示了创造发明的内在规律和原理，能够大大加快人们创造发明的进程并得到高质量的创新产品，在机械、管理等领域广泛应用。本文应用TRIZ理论对智能电气阀门定位器的气源的内部腔体结构和壳体进行改进，以提高其安全性和稳定性。

二、当前问题的描述

阀门定位器壳体为非密封结构，如图1所示，在阴暗潮湿的区域会因空气中湿度过大导致其内部电子元件受损失灵。另外，阀门定位器的气源大多为金属外壳，导热性较好，易受外部温度变化造成内部气压不稳定，气源输出的气流会因外部温度的变化而产生流速不稳定的问题。图2为阀门定位器的气源示意图。

三、基于发明原理的阀门定位器气源的改进

技术系统和生物有机体相似，改变系统的某一部分可能会对系统的另一些部分产生负面影响。系统中一部分的改善引起其他部分或相关部分的恶化，便产生了技术冲突。作为TRIZ理论的重要工具之一——发明原理，其针对的便是技术冲突类问题[3]。

基于当前问题分析，阀门定位器的气源在内部结构设计、可操作性方面存在着技术冲突。欲改善气源腔体结构，由多腔体结构代替单一腔体，但会导致气源的制造难度增加，系统复杂性提高，即存在如下的冲突：

改善的参数：通用技术参数26（物质的量）；恶化的参数：通用技术参数（33）操作流程的方便性。由沖突矩阵查找到以下发明原理。

（1）10号原理（预先作用）：改进气源腔体，在腔体内部安装限速板与测速装置，端口处安装分流管道。限速器根据气体流经的距离和时间差计算气体流速，规定速度的气流从喷口输出，大于限速的气流从分流管道流出，限速器内部设置超速导气口与限速导气口，高于限速的气流变道至超速导气口，经分流管流出；符合限速的气流由限速导气口进入，最终从气源喷口输出，如图3所示。

（2）35号原理（状态或参数的变化）：将气源内腔体外壳的材料更换为散热性较高的材料，增强导热性，降低外界温度对腔体内气流的影响，但该方法会增加气源的制造成本，故不予考虑。

四、基于物场模型的壳体的改进

1.物场模型

物场模型是TRIZ理论中一种重要的问题分析和求解工具，其描述了技术系统建立、发展的实质。明确物场模型的类型，运用相应的标准解，即可找到问题的解决方案[4]。

2.基于物场模型的改进设计

从物场模型的角度，每一个系统是由三个基本元素组成：S1、S2和F。定位器内部电子元件为S1，壳体为S2，由于壳体防水性能不足，导致雨水进入，电子元件损坏。由此构成一个防水性能不足的物场模型，如图4所示。

根据物场模型标准解法，如图5所示，添加一种新物质S3，即在电子元件表面覆盖防水外壳，使其与外界水分隔绝，防止其受损。

3.解决方案

改进现有壳体构造，在内部电路板表面添加防水外壳，保证电路板表面干燥，从而保护电子元件的正常运行，如图6所示。

五、改进后的整体结构

如图7所示，气体从进气口进入气源，经限速板测速，流速不稳定的气流通过分流管进入超速导气口（或限速导气口）流出气源，流速稳定的气流通过喷口进入阀门定位器。若阀门定位器处于潮湿环境，电路板的防水外壳将雨水阻挡至壳体表面，壳体侧面为向上倾斜的设计并设置引水槽，雨水通过引水槽流至下方，保护电路板正常运行。

六、结论

论文在对现有的智能电气阀门定位器进行分析的基础上，针对其气流流速不稳定和在潮湿环境中电子元件受损的问题，分别应用TRIZ理论的发明原理和物场模型两种工具对这两个问题进行分析、改进，最终通过改进气源内部的腔体结构以及在壳体内部添加防水外壳的方式，有效地解决了智能电气阀门定位器缺乏安全性和稳定性的问题。

参考文献

[1]高院生. 智能阀门定位器的研究与设计[J]. 河南科技，2013（11）：95，105.

[2]王志刚，俞利明，胡孟杰，等. 智能电气阀门定位器的研制[J]. 化工自动化及仪表，2020，47（2）：127-130.

[3]张瑞红，檀润华，陈铁锋，等. 技术冲突解决原理及其应用[C]机械设计 2001专集.天津：《机械设计》杂志社， 2001：142-143.

[4]朱宏峰，李彦，李文强，等. 基于物-场模型的理想化设计[J]. 机械设计与制造，2010（12）：6-8.

[5]SIDDHANT S，ABHISHEK V，JANAKARAJAN R. Design and development of IV fluid warming system using TRIZ methodology[J]. Engineering Research Express，2023，5（1）.

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