CN106439500B - 一种管道流状态监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管道流状态监测装置，属流体监测领域。管道内壁上经筋板装有扰流体和内筒，内筒隔板将内筒分隔成左腔和右腔；左腔内装有带发射单元的电路板、端部装有左端盖，左端盖上安装有压力和温度传感器；销轴轴肩将销轴分成左右半轴，左右半轴上分别套有缓冲弹簧和平衡弹簧；左半轴经左端盖中心孔伸出、端部装有激励器；右半轴经隔板上导向孔进入右腔并装有压电振子，各压电振子外缘上环形框质量不同。优势特色：利用扰流体及激励器与流体耦合作用发电，可实现真正意义的实时在线监测；监测装置沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小、易于通过多压电振子同步工作提高发电量和带宽；压电振子结构合理、能量转换效率高、发电量大。
Description
技术领域
本发明属于流体流动状态监测技术领域，具体涉及一种管道流状态监测装置。
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，本发明提出一种管道流状态监测装置。本发明采用的实施方案是：管道内壁上经筋板一固定有扰流体、经筋板二固定有内筒，扰流体轴线与管道轴线垂直，管道、经筋板一固定的扰流体及经筋板二固定的内筒共同构成主体框架；内筒筒壁内侧设有隔板，隔板将内筒分隔成左腔和右腔；隔板上设有导向孔和走线孔；左腔内经螺钉固定有带发射单元的电路板，左腔端部经螺钉安装有左端盖，左端盖上安装有压力传感器和温度传感器；销轴轴肩将销轴分成左半轴和右半轴，左半轴和右半轴上分别套有缓冲弹簧和平衡弹簧；左半轴经左端盖中心孔从左腔伸出，左半轴端部经螺母安装有激励器；右半轴经隔板上的导向孔伸入到右腔内，右半轴上经螺母安装有圆形压电振子，压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；压电振子与相邻的右半轴轴台或螺母之间安装有弹性垫、两相邻压电振子之间安装有弹性隔离套；各压电振子外缘上经螺钉所安装的环形框的质量不同；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、即有流体流过扰流体时，流体和扰流体之间将产生相互作用。在某些条件下，流体流经扰流体时会在扰流体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扰流体与激励器之间的流体压力的交替变化，从而使激励器前后两侧的流体压力差交替地变化，交替变化的流体压力使激励器产生左右往复振动。对于本发明，激励器的左右往复振动经销轴带动压电振子振动并产生弯曲变形，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，为压力传感器、温度传感器及信号发射单元供电；发射单元将流体压力、流量及温度等状态信号发射出去。
本发明中，道内流体实际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/Si，式中Si为与结构及流体相关的系数，fl为流体所引起的振动频率、即单位时间内所生成的电压波形数，D＝(200～5000)μ/(ρv0)为扰流体的直径，ρ为流体密度，μ为流体动力粘度，v0流体的额定流速。
本发明中，为提高压电振子发电能力，金属基板为0.2mm厚度的铍青铜、压电晶片为厚度0.3mm的PZT4；金属基板有效半径Rm给定时，合理的压电晶片半径Rp由压电振子能量计算式的导数求得，即由求得，式中δ为激励器振动所引起的压电振子中心点变形量，Kp为压电振子刚度，且
优势与特色：1)利用扰流体及激励器与流体的耦合作用发电并实现流体状态自动测量，无需外界能量供应、无电磁干扰，可实现真正意义的实时在线监测；2)监测装置沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小、易于通过多个具有不同附加质量的压电振子同步工作提高发电量和有效带宽；3)压电振子结构合理、能量转换效率高、发电量大。
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示意图；
图2是图1的左视图；
图3是图1的I部放大图；
图4是本发明一个较佳实施例中主体框架的结构示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中压电振子发电量与压电晶片半径的关系曲线。
具体实施方式
管道a的内壁上经筋板一b1固定有扰流体q、经筋板二b2固定有内筒c，扰流体q的轴线与管道a的轴线垂直，管道a、经筋板一b1固定的扰流体q及经筋板二b2固定的内筒c共同构成主体框架K；内筒c的筒壁c1内侧设有隔板c2，隔板c2将内筒c分隔成左腔c3和右腔c4；隔板c2上设有导向孔c5和走线孔c6；左腔c3内经螺钉固定有带发射单元P的电路板d，左腔c3端部经螺钉安装有左端盖k，左端盖k上安装有压力传感器S1和温度传感器S2；销轴m上的轴肩m1将销轴m分成左半轴m2和右半轴m3，左半轴m2和右半轴m3上分别套有缓冲弹簧j1和平衡弹簧j2；左半轴m2经左端盖k的中心孔从左腔c3伸出，左半轴m2端部经螺母安装有激励器n；右半轴m3经隔板c2上的导向孔c5伸入到右腔c4内，右半轴m3上经螺母安装有圆形压电振子h，压电振子h由金属基板h1和压电晶片h2粘接而成；压电振子h与相邻的右半轴m3的轴台或螺母之间安装有弹性垫e、两相邻压电振子h之间安装有弹性隔离套f；各压电振子h外缘上经螺钉所安装的环形框M1、M2及M3的质量不同；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、即有流体流过扰流体q时，流体和扰流体q之间将产生相互作用。在某些条件下，流体流经扰流体q时会在扰流体q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扰流体q与激励器n之间的流体压力的交替变化，从而使激励器n前后两侧的流体压力差交替地变化，交替变化的流体压力使激励器n产生左右往复振动。对于本发明，激励器n的左右往复振动经销轴m带动压电振子h振动并产生弯曲变形，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，为压力传感器S1、温度传感器S2及信号发射单元P供电；发射单元P将流体压力、流量及温度等状态信号发射出去。
本发明中，道内流体的实际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/Si，式中Si为与结构及流体相关的系数，fl为流体所引起的振动频率、即单位时间内所生成的电压波形数，D＝(200～5000)μ/(ρv0)为扰流体的直径，ρ为流体密度，μ为流体动力粘度，v0流体的额定流速。
本发明中，为提高压电振子h的发电能力，金属基板h1为0.2mm厚度的铍青铜、压电晶片h2为厚度0.3mm的PZT4；金属基板h1的有效半径Rm给定时，合理的压电晶片h2的半径Rp由压电振子h的能量计算式的导数求得，即由求得，式中δ为激励器n振动所引起的压电振子h中心点的变形量，Kp为压电振子h的刚度，且
显然，本发明利用扰流体及激励器与流体的耦合作用发电并实现流体状态自动测量与发射，无需外界能量供应、无电磁干扰，可实现真正意义的实时在线监测；监测装置沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小、易于通过多个具有不同附加质量的压电振子同步工作提高发电量和有效带宽；压电振子结构合理、能量转换效率高、发电量大。
Claims (1)
1.一种管道流状态监测装置，其特征在于：管道内壁上经筋板一固定有扰流体、经筋板二固定有内筒，扰流体轴线与管道轴线垂直；设有导向孔和走线孔的内筒隔板将内筒分隔成左腔和右腔；左腔内经螺钉固定有带发射单元的电路板、端部经螺钉安装有左端盖，左端盖上安装有压力和温度传感器；销轴轴肩将销轴分成左半轴和右半轴，左半轴和右半轴上分别套有缓冲弹簧和平衡弹簧；左半轴经左端盖中心孔从左腔伸出，左半轴端部经螺母安装有激励器；右半轴经隔板上的导向孔伸入到右腔内，右半轴上经螺母安装有圆形压电振子，压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；金属基板为0.2mm厚度的铍青铜、压电晶片为厚度0.3mm的PZT4；金属基板有效半径Rm给定时，合理的压电晶片半径Rp由压电振子能量计算式的导数求得，式中δ为激励器振动所引起的压电振子中心点变形量，Kp为压电振子刚度，且压电振子与相邻的右半轴轴台或螺母之间安装有弹性垫，两相邻压电振子之间安装有弹性隔离套；各压电振子外缘上经螺钉所安装的环形框的质量不同；各压电振子之间经导线相互并联后再与电路板连接；管道内流体实际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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