CN106197581B - 一种自供电管道流速监测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自供电管道流速监测仪，属流体监测领域。管道内的内筒被隔板隔成左右腔，左右腔端部都装有端盖，左腔内装有电路板；端部装有激励器且套有平衡弹簧和限位弹簧的阶梯轴左半轴经左端盖伸出；右半轴经隔板导向孔伸入装有换能器的右腔；金属基板及所粘接的压电晶片构成压电振子，两个压电振子及其两端安装的∏型框架构成换能器；右腔内左右两侧压电振子分别与右端盖及右半轴上的缓冲垫相连，不同换能器的相邻压电振子经隔离垫相连。优势特色：利用流固耦合作用实现发电及流速自测量，可实现真正的流速在线监测；监测仪沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小、易通过多压电振子获得所需能量；压电振子结构合理、发电量大、可靠性高。

Description

一种自供电管道流速监测仪
技术领域
本发明属于管道流体监测技术领域，具体涉及一种自供电管道流速监测仪。
背景技术
由于自然腐蚀、自然界不可抗力以及人为偷盗等原因所造成的石油及天然气等流体长输管道在使用过程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。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以较成熟，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：1)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；2)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；3)近年来，为满足相关无线传感监测系统的自供电需求，人们还提出了多种形式的涡轮式微小型发电装置，其最大的问题是结构复杂、体积相对较大，不适于管道直径较小的场合，某些结构的发电装置还存在电磁干扰等现象，推广应用受到了一定的制约。因此，为使石油及天然气管道泄漏及防盗系统得以实际应用，需首先解决其供电问题。
发明内容
针对现有管道流体状态监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种自供电管道流速监测仪。本发明采用的实施方案是：管道内壁上经筋板固定有内筒，管道、筋板及内筒构成主体框架；设有导向孔和导线孔的隔板将内筒分隔成左腔和右腔，左腔内部经螺钉安装有带发射单元的电路板、端部经螺钉安装有左端盖；阶梯轴的左半轴经左端盖中心孔从左腔伸出，左半轴端部安装有激励器；左半轴上套有平衡弹簧和限位弹簧，平衡弹簧左右两端分别顶靠在激励器和左端盖上，限位弹簧左右两端分别顶靠在左端盖和阶梯轴的右半轴侧面；右半轴经隔板导向孔伸入右腔，右腔内部安装有可滑动的换能器、端部经螺钉安装有右端盖，右端盖侧面及右半轴端部均镶嵌有缓冲垫；带圆弧凸起的金属基板及金属基板的凸面上所粘接的压电晶片构成压电振子，两个压电振子及其金属基板两端所安装的两个∏型框架构成换能器，同一换能器中两个压电振子的金属基板靠近安装；右腔内最左侧和最右侧的压电振子分别与右半轴和右端盖上的缓冲垫相连，两相邻换能器上的相邻压电振子经隔离垫相连；非工作时换能器中两个∏型框架上的限位框端部相互接触，以避免压电晶片因曲率半径减小而碎裂；各压电振子之间经导线相互并联后再与电路板连接，并联是指各压电晶片之间经导线相互连接、各金属基板之间经导线相互连接。
工作时、即有流体流过激励器时，流体和激励器之间将产生相互作用。在某些条件下流体流经激励器时会在激励器后面形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的漩涡，漩涡的交替脱落会引起流体压力的交替变化，即使激励器前后两侧的流体压力差交替地变化，从而使激励器产生左右方向的往复振动。对于本发明，激励器的左右往复振动经阶梯轴迫使压电振子产生变形、即曲率半径增加和减小，从而将机械能转换成电能；所生成电能经导线传输到电路板的能量转换与存储电路，为信号发射单元供电；同时，压电振子所生成的电压波形的数量也被提取出来，用于表征流体流速，流体流速信号被发射单元发射出去。
本发明中，为使压电振子能被有效激励，监测仪在额定流速v0下工作时压电振子的静变形量为其最大可变形量的一半、激励器的直径为D＝(200～5000)μ/(ρv0)，式中ρ为流体密度、μ为流体动力粘度。本发明中，管道内流体的流速由单位时间内压电振子的生成电压波形数量表征，即v＝flD/St，式中St为与结构及流体性能相关的系数，D为激励器直径，fl为流体流过激励器时所引起的振动频率、即单位时间内所生成的电压波形数。
本发明中，为提高压电振子发电能力和可靠性，压电晶片为0.2～0.3mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5，此时压电振子发电能力较强、能量比较大；能量比是指各不同厚度比的压电振子一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比较大；对于本发明利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子，自然状态下金属基板和压电晶片结合面处的合理曲率半径为
Figure BSA0000131439430000021
其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片的厚度。
优势与特色：利用激励器与流体的耦合作用实现自激振动发电和流速自动测量，无需外界能量供应、无电磁干扰，可实现真正意义的流速实时在线监测；监测仪沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小，易于通过采用多压电振子获得所需能量；压电振子结构合理、变形量可控且各点应力分布均匀，故发电量大、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中监测仪的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明一个较佳实施例中主体框架的结构示意图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是本发明一个较佳实施例中换能器的结构示意图；
图6是图5的左视图。
具体实施方式
管道a的内壁上经筋板b固定有内筒c，管道a、筋板b及内筒c构成主体框架K；设有导向孔c5和导线孔c6的隔板c2将内筒c分隔成左腔c3和右腔c4，左腔c3内部经螺钉安装有带发射单元P的电路板d、端部经螺钉安装有左端盖k：阶梯轴m的左半轴m1经左端盖k的中心孔从左腔c3伸出，左半轴m1端部安装有激励器n；左半轴m1上套有平衡弹簧j1和限位弹簧j2，平衡弹簧j1左右两端分别顶靠在激励器n和左端盖k上，限位弹簧j2左右两端分别顶靠在左端盖k和阶梯轴m的右半轴m2的侧面；右半轴m2经隔板c2的导向孔c5伸入右腔c4，右腔c4内部安装有可滑动的换能器H、端部经螺钉安装有右端盖g，右端盖g侧面及右半轴m2端部均镶嵌有缓冲垫e；带圆弧凸起的金属基板h1及金属基板h1的凸面上所粘接的压电晶片h2构成压电振子h，两个压电振子h及其金属基板h1两端所安装的两个∏型框架i构成换能器H，同一换能器H中两个压电振子h的金属基板h1靠近安装；右腔c4内最左侧和最右侧的压电振子h分别与右半轴m2和右端盖g上的缓冲垫e相连，两相邻换能器H上的相邻压电振子h经隔离垫f相连；非工作时换能器H中两个∏型框架i上的限位框i1的端部相互接触，以避免压电晶片h2因曲率半径减小而碎裂；各压电振子h之间经导线相互并联后再与电路板d连接，并联是指各压电晶片h2之间经导线相互连接、各金属基板h1之间经导线相互连接。
工作时、即有流体流过激励器n时，流体和激励器n之间将产生相互作用。在某些条件下流体流经激励器n时会在激励器n后面形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的漩涡，漩涡的交替脱落会引起流体压力的交替变化，即使激励器n前后两侧的流体压力差交替地变化，从而使激励器n产生左右方向的往复振动。对于本发明，激励器n的左右往复振动经阶梯轴m迫使压电振子h产生变形、即曲率半径增加和减小，从而将机械能转换成电能；所生成电能经导线传输到电路板d的能量转换与存储电路，为信号发射单元P供电；同时，压电振子h所生成的电压波形的数量也被提取出来，用于表征流体流速，流体流速信号被发射单元P发射出去。
本发明中，为使压电振子h能被有效激励，监测仪在额定流速v0下工作时压电振子h的静变形量为其最大可变形量的一半、激励器n的直径为D＝(200～5000)μ/(ρv0)，式中ρ为流体密度、μ为流体动力粘度。本发明中，管道内流体的流速由单位时间内压电振子的生成电压波形数量表征，即为v＝flD/St，式中St为与结构及流体性能相关的系数，D为激励器n的直径，fl为流体流过激励器时所引起的振动频率、即单位时间内所生成的电压波形数。
本发明中，为提高压电振子h的发电能力和可靠性，压电晶片h2为0.2～0.3mm的PZT4、金属基板h1为铍青铜，金属基板h1与压电晶片h2的厚度之比为1～2.5，此时压电振子h的发电能力较强、能量比较大；能量比是指各不同厚度比的压电振子h一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比较大；对于本发明利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子h，自然状态下金属基板h1和压电晶片h2结合面处的合理曲率半径为
Figure BSA0000131439430000031
其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板h1和压电晶片h2的厚度。
显然，本发明是利用激励器与流体的耦合作用实现自激振动发电和流速自动测量，无需外界能量供应、无电磁干扰，可实现真正意义的流速实时在线监测；监测仪沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小，易于通过采用多压电振子获得所需能量；压电振子结构合理、变形量可控且各点应力分布均匀，故发电量大、可靠性高。

Claims (1)

1.一种自供电管道流速监测仪，其特征在于：管道内经筋板固定有内筒，设有导向孔和导线孔的隔板将内筒分隔成左右腔，左腔内部安装有带发射单元的电路板、端部安装有左端盖；阶梯轴的左半轴经左端盖中心孔从左腔伸出，左半轴端部安装有激励器；左半轴上套有平衡弹簧和限位弹簧，平衡弹簧左右两端分别顶靠在激励器和左端盖上，限位弹簧左右两端分别顶靠在左端盖和阶梯轴的右半轴侧面；右半轴经隔板导向孔伸入右腔，右腔内部安装有可滑动的换能器、端部安装有右端盖，右端盖侧面及右半轴端部均镶嵌有缓冲垫；带圆弧凸起的金属基板及金属基板凸面上所粘接的压电晶片构成压电振子，两个压电振子及其金属基板两端所安装的两个∏型框架构成换能器，同一换能器中两个压电振子的金属基板靠近安装；右腔内最左侧和最右侧的压电振子分别与右半轴和右端盖上的缓冲垫相连，两相邻换能器上的相邻压电振子经隔离垫相连；利用PZT4和铍青铜基板构成压电振子，自然状态下金属基板和压电晶片结合面处的曲率半径为
Figure FDA0003951227660000011
其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片的厚度；非工作时换能器中两个∏型框架上的限位框端部相互接触；各压电振子之间经导线相互并联后再与电路板连接；额定流速时压电振子的静变形量为其最大可变形量的一半；管道内流体的流速由单位时间内压电振子的生成电压波形数量表征。
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