CN104500985B - 一种基于流体发电的自供电油气管线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种基于流体发电的自供电油气管线监测装置，属油气管道监测领域。管道上设有圆台，圆台阶梯孔内装有带叶轮和磁环的主轴，磁环置于安装在内筒壁端部的轴套内；圆台底板上嵌有压力及流量传感器，外筒壁的内侧装有带信号发射模块的电路板、端部焊有圆筒；带有圆弧凸起的压电振子两端铆有楔块和磁块，磁块置于轴套的径向导向槽中，楔块置于圆筒的燕尾槽中并经端盖压在外筒壁端部；主轴转动时磁块始终承受来自磁环的吸力。特色与优势：通过非接触磁力耦合方法激励预弯型压电振子伸缩变形发电，运动部件密封在管道内、无泄漏、电路系统运转可靠性高，压电片仅承受压应力、机械可靠性高，磁环同时激励多个压电振子、发电能力强、且无噪音。

Description

一种基于流体发电的自供电油气管线监测装置

技术领域

本发明属于油气管道监测技术领域，具体涉及一种基于流体发电的自供电油气管线监测装置。

背景技术

油气管道在其长期服役的过程中，由于自然腐蚀、自然界不可抗力、尤其是人为偷盗等造成的泄漏事件时有发生，频繁的管道泄漏不仅造成了巨大的经济损失、同时也给其周边自然环境造成了严重的污染。以往，常采用定期人工巡检的方法加以维护，但因油气管道铺设距离长、且常处于人迹罕至或交通不便之处，定期巡检难以及时发现泄漏并加以维护。因此，人们提出了多种类型用于管道泄漏监测或防盗系统，如中国专利200810223454.X、200710064122.7、200610069554.2、200610109495.7、200610015202.9、200510043346.0、01120311.O，等等。虽然所提出的某些管道泄漏或防盗监测报警方法在技术层面已较成熟，但目前我国长输管道防盗监测系统的应用还处于初步阶段、尚未得到大面积的推广应用，其主要原因之一是监测系统的供电问题未能得到很好的解决：采用铺设电缆的方法成本高、且易被不法分子切断而影响监测系统的正常运行；而采用电池供电时使用时间有限、需经常更换，一旦电池电量不足且未及时更换时也无法完成监测信息的远程传输。因此，为使油气管道泄漏及防盗系统得以实际应用，必须首先解决其供电问题。为满足油气管道监测系统的供电需求，近年来人们已经提出了多种形式的压电发电装置为监测系统供电，如中国专利201210320120.0及201210320105.6等，但上述发电装置均利用压电振子的弯曲变形发电，发电能力较弱、且易因变形量过大而损坏。

发明内容

针对输油气管线监测与防盗报警系统的供电难题以及现有振动式压电发电装置应用上的局限性，本发明提出一种基于流体发电的自供电油气管线监测装置。本发明采用的实施方案是：圆形管道上设有圆台，圆台的内筒壁将圆台分隔成阶梯孔和阶梯环槽两部分；阶梯孔内镶嵌有两个轴承，所述两个轴承安装在主轴上、且分别置于主轴的轴肩两侧，主轴上置于管道内的一端安装有叶轮、另一端装有带内花键的磁环，磁环置于轴套的中心孔内，轴套的法兰经螺钉固定在内筒壁端部，轴套的法兰与内筒壁的端面间设有密封圈，轴套内孔直径小于轴承外圈直径、大于轴承内圈直径；圆台的底板上嵌有压力传感器和流量传感器，圆台的外筒壁内侧台阶上经螺钉安装有电路板，电路板置于阶梯环槽内，电路板上安装有信号发射模块，压力传感器及流量传感器通过不同的导线组与电路板连接；圆台外筒壁的端部焊接有圆筒，圆筒的端部经螺钉安装有端盖，圆筒的内壁上均布地设有轴向燕尾槽；两个在其圆弧凸起处粘接有压电片的金属片经铆钉铆接构成压电振子，压电振子经导线组与电路板连接，压电振子通过与其两端所铆接的楔块和磁块构成换能器；换能器上的磁块置于轴套的径向导向槽中，换能器上的楔块置于圆筒的轴向燕尾槽中并经端盖压在外筒壁端部；同一换能器上楔块的轴向宽度大于磁块的轴向宽度，各换能器上磁块的磁极配置方向相同、且与安装在主轴上的磁环的异性磁极靠近安装，主轴转动时磁块始终承受来自于磁环的吸引力。

为使压电振子最大限度地利用机械能量发电、并避免压电片因拉应力过大而损坏，装机前金属片上圆弧凸起的最小半径应为式中h_p和h_m分别为压电片和金属片的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)，β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。

在本发明中，利用压电振子将油气流动的动能转换成电能，无需铺设电缆或安装电池即可实现油气管道泄漏及盗窃等状态的实时监测。工作过程中，流动的油气驱动叶轮带动主轴及安装于主轴上的磁环转动，因磁环内孔中均匀地设有花键槽使其壁厚不等、即圆周方向各点的磁场强度不同，故所述磁环转动过程中与换能器上磁块之间的吸引力交替地增加和减小、即压电振子所受拉力及压电片所受的压应力交替地增加和减小，压电片所受压应力交替变化的过程中即将机械能转换成电能；压电振子生成的电能经导线组输出给电路板，经转换处理后用于压力传感器、流量传感器和信号发射模块驱动。

本发明的特色与优势：通过非接触磁力耦合的方法激励压电振子产生伸缩变形发电，具有以下优势：①叶轮、主轴及磁环等驱动部件都被轴套及密封圈封闭在流体流动的一侧，运动部分密封性好、不会发生流体泄露，从而提高电路板、信号发射模块及压电振子等发电与传感监测部件的运转可靠性；②压电振子为预弯曲结构，装机后非工作时压电振子始终受拉力作用、压电片始终承受压应力，从而提高了压电振子的机械可靠性；③主轴转动时磁环同时激励多个压电振子发电，故发电与供电能力较强、且无机械冲击及噪音。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中监测装置的结构原理简图；

图2是图1的A-A视图；

图3是本发明一个较佳实施例中圆台的结构示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中压电换能器的结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明一个较佳实施例中轴套的示意图；

图7是图6的A-A剖视图；

具体实施方式

圆形管道1上设有圆台2，圆台2的内筒壁2b将圆台2分隔成阶梯孔2d和阶梯环槽2e两部分；阶梯孔2d内镶嵌有两个轴承12，所述两个轴承12安装在主轴10上、且分别置于主轴10的轴肩10a的两侧，主轴10上置于管道1内的一端安装有叶轮13、另一端套有带内花键的磁环8，磁环8置于轴套6的中心孔6a内，轴套6的法兰6c经螺钉固定在内筒壁2b的端部，轴套6的法兰6c与内筒壁2b的端面间设有密封圈11，轴套6的内孔直径小于轴承12的外圈直径、大于轴承12的内圈直径；圆台2的底板2a上镶嵌有压力传感器S1和流量传感器S2，圆台2的外筒壁2c的内侧台阶上经螺钉安装有电路板3，电路板3置于阶梯环槽2e内，电路板3上安装有信号发射模块S3，压力传感器S1及流量传感器S2分别通过不同的导线组L1和L2与电路板3连接；圆台2的外筒壁2c的端部焊接有圆筒4，圆筒4的端部经螺钉安装有端盖7，圆筒4的内壁上均布地设有轴向燕尾槽；两个在其圆弧凸起处粘接有压电片h2的金属片h1经铆钉h3铆接构成压电振子h，压电振子h经导线组L3与电路板3连接，压电振子h通过与其两端所铆接的楔块5和磁块9构成换能器H；换能器H上的磁块9置于轴套6的径向导向槽6b中，换能器H上的楔块5置于圆筒4的轴向燕尾槽中并经端盖7压在外筒壁2c的端部；同一换能器H上楔块5的轴向宽度大于磁块9的轴向宽度，各换能器H上磁块9的磁极配置方向相同、且与安装在主轴10上的磁环8的异性磁极靠近安装，主轴10转动时磁块9始终承受来自于磁环8的吸引力。

为使压电振子h最大限度地利用机械能量发电、并避免压电片h2因拉应力过大而损坏，装机前金属片h1上圆弧凸起的最小半径应为式中h_p和h_m分别为压电片h2和金属片h1的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)，β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片h2和金属片h1的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。

在本发明中，利用压电振子h将油气流动的动能转换成电能，无需铺设电缆或安装电池即可实现油气管道泄漏及盗窃等状态的实时监测。总体方式是：通过流动的油气驱动叶轮13带动主轴10及安装于主轴10上的磁环8转动，因磁环8内孔中均匀地设有花键槽使其壁厚不等、即圆周方向各点的磁场强度不同，故磁环8转动过程中与换能器H上磁块9之间的吸引力交替地增加和减小、即压电振子h所受拉力及压电片h2所受的压应力交替地增加和减小，压电片h2所受压应力交替变化的过程中即将机械能转换成电能；压电振子h生成的电能经导线组L3输出给电路板3，转换处理后用于压力传感器S1、流量传感器S2和信号发射模块S3驱动。

本发明中通过非接触磁力耦合的方法激励压电振子h产生伸缩变形发电，具有以下优势：叶轮13、主轴10及磁环8等驱动部件都被轴套6及密封圈11封闭在流体流动的一侧，运动部分密封性好、不会发生流体泄露，从而提高电路板3、信号发射模块S3及压电振子h等发电与传感监测部件的运转可靠性；因压电振子h为预弯曲结构，装机前的自然状态下压电片h2不受外力作用，装机后非工作时压电振子h始终受拉力作用、压电片h2始终承受压应力，从而提高了压电振子的机械可靠性；主轴10转动时磁环8同时激励多个压电振子h发电，故发电与供电能力较强、且无机械冲击及噪音。

Claims (1)

1.一种基于流体发电的自供电油气管线监测装置，其特征在于：圆形管道上设有圆台，圆台内筒壁将圆台分隔成阶梯孔和阶梯环槽；阶梯孔内镶嵌有两个轴承，所述两个轴承安装在主轴的轴肩两侧，主轴上置于管道内的一端安装有叶轮、另一端装有带内花键的磁环，磁环置于轴套的中心孔内，轴套的法兰经螺钉固定在内筒壁端部，轴套的法兰与内筒壁端面间设有密封圈，轴套内孔直径小于轴承外圈直径、大于轴承内圈直径；圆台的底板上嵌有压力传感器和流量传感器，圆台的外筒壁内侧台阶上经螺钉安装有电路板，电路板置于阶梯环槽内，电路板上安装有信号发射模块，压力传感器及流量传感器经不同的导线组与电路板连接；外筒壁端部焊接有圆筒，圆筒端部经螺钉安装有端盖，圆筒内壁上均布地设有轴向燕尾槽；两个在其圆弧凸起处粘接有压电片的金属片经铆钉铆接构成压电振子，压电振子经导线组与电路板连接，压电振子通过与其两端所铆接的楔块和磁块构成换能器，磁块置于轴套的径向导向槽中，楔块置于圆筒的轴向燕尾槽中并经端盖压在外筒壁端部；楔块的轴向宽度大于磁块的轴向宽度，各换能器上磁块的磁极配置方向相同、且与安装在主轴上的磁环的异性磁极靠近安装，主轴转动时磁块始终承受来自于磁环的吸引力；装机前金属片上圆弧凸起的最小半径应为式中h_p和h_m分别为压电片和金属片的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)，β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。