CN107688100B - 一种基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，外筒管道内壁上装有内筒，侧壁中装有引线密封塞；内筒中装有钝体、传感和俘能单元；振动发电片通过夹具组件装夹固定在内筒中，其端部粘接在受激振动板上；受激振动板两侧粘接上下对称布置的质量块；振动发电片的正负引线通过引线密封塞穿过外筒筒壁与外部电路组件连接。本发明无需外部电源，利用流固耦合作用可同步实现流速在线测量以及对流速信号无线发射单元的供能，真正意义上实现管内流速的在线测量；通过调节自身固有频率与相对钝体的距离，提升供电能力，结构简单可微型化，发电功能材料的可选性广，在管道内兼容扩展性强，易实现管内的阵列化布置和多点布置。
Description
技术领域
本发明属于流体状态监测技术领域，具体涉及一种基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器。
背景技术
随着煤炭资源的不断消耗和枯竭，石油和天然气逐渐成为我国现阶段的重要能源和战略储备资源。油气和天然气管路作为国家能源供给和经济发展的基石，在市场供求矛盾凸显和稳产能力逐年下降的双重问题影响下，面临着诸多新的挑战。由于自然腐蚀、意外破坏和人为破坏等原因所引起的输油输气管道的损坏，是如今石油和天然气管路最迫切需要解决的重大问题之一。管路系统的泄露，不仅造成了巨大的能源和经济损失，污染了周边的自然环境，还给技术人员的维护和修理工作增大了难度和工作量。因此，管道流的状态监测和事故报警对管路系统的持续正常工作显得非常重要。目前，油田和气田通常采用管路电控监测工具对油气管路系统进行监控和泄露报警预测。虽然不同种类的管路电控工具所利用的各种检测技术在原理层面已日趋成熟，但是仍然尚未得到大范围的推广和应用，其主要因素是电控监测工具系统所面临的共性问题尚未得到较好解决：目前在石油和天然气的传输管路中，电控监测工具分布铺设在管路系统的多个关键位置处，且多采用一次性电池或充电电池供电，使用寿命有限。油气管道铺设距离长，现场工况复杂，且部分管路处于交通不便之处，电池的更换或充电需将分布在数千米长的管路系统中的所有电控工具逐一取出，操作过程非常不方便。一旦电池电量不足，没有及时更换，就无法完成管道流状态的持续监测和监测数据的无线传输。近年来，人们提出可通过回收管道流的流体动能来为监测系统中的传感器供电，以及为管内其它电控工具的电池续航。所提出较多的解决方案是采用传统的涡轮式小型发电装置，它的最大问题是结构复杂，导致使用寿命有限和不利于微型化，同时还存在着电磁干扰等问题，其推广和应用受到了很大限制。因此，为实现管道流流体状态的持续性监测，特别是对流速参数的在线监测，首先应解决电控监测工具中流速传感器的自供电问题。
发明内容
鉴于目前输油输气管道内电控监测工具中流速传感器所存在的供电难问题，本发明提出一种基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器。本发明的基本原理是，功能材料制成的俘能元件，通过涡激振动流固耦合作用来俘获并表征管道内的流体动能，实现管道流流速传感器的自监测和自供能功能。
本发明所采用的具体技术方案是：
一种基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，包括外筒、内筒、钝体、传感及俘能组件、夹具组件以及外部电路组件；其中：
所述内筒通过孔用弹性挡圈轴向固定在外筒的内壁上；
所述钝体、传感及俘能组件以及夹具组件从流体入口一端开始依次设置于内筒内；
所述传感及俘能组件的后端与夹具组件相连接；
所述传感及俘能组件通过两个引线密封塞与外部电路组件相连接；
所述外部电路组件设置于外筒的外部；
所述钝体用于产生两行对称且旋向相反的旋涡，并作为流体流动形式的动能传递至传感及俘能组件；
所述传感及俘能组件用于将流体流动形式的动能转换为固体振动形式的机械能，并将固体振动形式的机械能转换为电能输出至外部电路组件。
优选地，所述外筒在流体入口一端的筒壁上开有阶梯孔(所述阶梯孔用于安装内筒)和用于安装孔用弹性挡圈的圆孔内槽，所述外筒在与流体入口相对一端的筒壁内部开有两个用于安装引线密封塞的轴向阶梯孔和与轴向阶梯孔相连通的用于引线通过的径向连接孔；
优选地，两个所述用于安装引线密封塞的轴向阶梯孔和与轴向阶梯孔相连通的用于引线通过的径向连接孔沿轴线对称设置。
优选地，所述内筒在流体入口一端的侧壁上开有沿轴线对称设置的V型槽，钝体通过穿过V型槽的沉头螺钉径向可移动地设置于内筒内；和/或
所述内筒在与流体入口相对一端的侧壁上开有沿轴线对称设置的椭圆孔，所述夹具组件与该椭圆孔之间形成可装配拆卸的过度配合。
优选地，所述传感及俘能组件包括振动发电片、上受激振动板、下受激振动板和矩形质量块；其中，所述振动发电片的前端胶粘于上受激振动板与下受激振动板之间，所述矩形质量块为四块，并对称设置于上受激振动板与下受激振动板胶粘连接所形成的受激振动板上下表面的轴向边缘处；所述振动发电片的后端与夹具组件相连接；所述振动发电片的正负电极通过引线密封塞与外部电路组件相连接；
所述上受激振动板、下受激振动板和矩形质量块所形成的结构用于将流体流动形式的动能转换为固体振动形式的机械能；所述振动发电片用于将固体振动形式的机械能转换为电能，并输出至外部电路组件；
所述振动发电片的长度方向与内筒的轴向中心线重合。
优选地，夹具组件包括夹具主体、上绝缘板、下绝缘板、盖板以及夹具支撑轴；其中，所述夹具主体水平固定于夹具支撑轴上；所述下绝缘板固定于夹具主体内槽底面上，所述上绝缘板和盖板依次安装于下绝缘板上；所述上绝缘板和盖板上的中间位置开有通孔；所述传感及俘能组件的后端设置于上绝缘板和下绝缘板之间；所述夹具支撑轴与内筒之间形成可装配拆卸的过渡配合；
所述钝体和/或夹具组件的长度方向与内筒的轴向中心线垂直。
优选地，任意一个所述引线密封塞的主体采用导电铜材质，引线密封塞设有两个密封圈，两个密封圈与外筒之间形成静密封；
两个引线密封塞的一端分别连接传感及俘能组件的正负电极，两个引线密封塞的另一端分别对应连接外部电路组件输入端口的正负极。
优选地，所述外部电路组件包括外部整流电路模块和充电电源；其中，所述传感及俘能组件通过引线密封塞与外部整流电路模块输入端口的正负极相连，所述充电电源与外部整流电路模块电连接；
所述整流电路单元用于提取传感及俘能组件所产生的电压波形信号；
所述无线发射单元用于将电压波形信号发射出去，形成在线表征管内流速的实时状态信息；
所述充电电源用于储存电能，并提供给无线发射单元。
优选地，与流体相接触的任意一个或任意多个部件表面设置有三防漆层。
工作时，流体从入口流入内筒中，当流体绕过钝体时，流体和钝体产生流固耦合作用。在流速和钝体几何尺寸满足某些条件下，流体流经钝体后将周期性脱落两行对称且旋向相反的旋涡，周期性脱落的旋涡对将会引起受激振动板上下两侧的周期性压力差，从而激励受激振动板使其产生上下方向的往复振动，在该过程中流体流动形式的动能转换为固体振动形式的机械能。在本发明压电振子所构成的核心传感和俘能单元中，周期性振动的受激振动板使振动发电片产生交替弯曲变形，振动发电片通过正压电效应将振动机械能转换为电能，并通过引线密封塞经导线将电能传输到外部整流电路模块，最终将能量储蓄在充电电源中。与此同时，振动发电片所产生的电压波形信号经整流电路单元处理后被提取出来，通过外部电路模块中的无线发射单元将其发射出去，用于在线表征管内流速的实时状态，充电电源中存储的电能将给无线发射单元供电，从而最终实现本发明所提出的传感器的自供能功能。
本发明中，管道内的流体的实时流速v可用振动发电片所产生的电压波形信号的周期时间来表征，即v＝D/StT，式中St是与流体及流固耦合特征面相关的常数，D是钝体(802)的直径，T是电压波形信号的周期。正常情况下，油气管道内流体具有在一定范围内相对稳定的额定流速v0，本发明可通过调节长方体质量块的几何结构尺寸来调节核心传感和俘能单元的固有频率，从而使其固有频率与旋涡的额定脱落频率f0相匹配(额定脱落频率f0满足f0＝Stv0/D条件)，通过共振作用提升振动发电片的俘能能力。与此同时，在该共振状态下，本发明振动发电片的俘能能力还可通过调整其相对钝体所在位置的实际距离来进一步优化；实际操作中，可通过内筒壁上的V型槽上的沉头螺钉来调整两者之间的相对距离，找到相对距离的最优值dmax(该值与额定流速v0和钝体的直径D有关，满足dmax＝a0v0D，式中a0为额定流速v0状态下所标定的比例系数)，从而最大化振动发电片在额定流速下的输出功率。
本发明提供的一种基于涡激振动的管道流流速监测自供电压电传感器，外筒管道内壁上装有内筒，侧壁中装有引线密封塞；内筒中装有钝体、包括振动发电片在内的核心传感和俘能单元；振动发电片通过一套专用夹具组件装夹固定在内筒中，其端部粘接在受激振动板上；受激振动板两侧粘接上下对称布置的矩形质量块；振动发电片的正负引线通过引线密封塞穿过外筒筒壁与外部电路模块连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明利用钝体脱落的旋涡与功能材料发电单元的耦合作用来实现流速的自动测量与流体能量的采集，流速传感器无需提供外部电源，且还可对外部电路模块中的无线发射单元供电，所实现的自感知和自供能功能可从根本上解决目前输油输气管道内电控监测工具中流速传感器所存在的供电难问题。
2、本发明结构简单可微型化，在管道内兼容扩展性强，易实现管内的阵列化布置和多点布置，无需外部电源供能，无电磁干扰，可实现真正意义的流速在线监测，同时兼顾较好的可靠性。
3、本发明无需外部电源，利用流固耦合作用可同步实现流速在线测量，以及对流速信号无线发射单元的供能，真正意义上实现管内流速的在线测量；传感器可通过调节自身固有频率与相对钝体的距离，从而提升对外部电路单元的供电能力，结构简单可微型化，发电功能材料的可选性广，在管道内兼容扩展性强，易实现管内的阵列化布置和多点布置。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中传感器的结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中内筒和钝体的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中传感器的核心传感和俘能单元的结构示意图；
图4是图1中外筒和内筒的A-A剖视图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
下面结合附图对本实施例进行详细说明。
如图1所示，外筒1中一侧开有阶梯孔和用于安装孔用弹性挡圈2的圆孔内槽，另外一侧在筒壁内部开有用于安装引线密封塞503的轴向阶梯孔与径向连接孔；引线密封塞503主体由导电铜材构成，通过螺纹配合轴向安装在外筒1的轴向阶梯孔中，引线密封塞503上的第一密封圈501和第二密封圈502与阶梯孔内表面形成静密封；引线密封塞503对称布置在外筒1的内壁中，两个引线密封塞503的一端的导电铜针分别连接振动发电片6的正负电极，另外一端分别对应连接外部整流电路模块903中整流电路单元的输入端口正负极引线901、902，整流电路单元的输出端口与充电电源904连接；外部整流电路模块903主要包括整流电路单元和无线发射单元两个部分。其中：
所述整流电路单元用于提取传感及俘能组件所产生的电压波形信号；
所述无线发射单元用于将电压波形信号发射出去，形成在线表征管内流速的实时状态信息。
如图2所示，内筒3通过孔用弹性挡圈2轴向固定在外筒1的内壁孔中。内筒3侧壁的一侧开有V型槽，钝体802通过穿过V型槽的沉头螺钉801径向固定在内筒3内；内筒3侧壁的另一侧开有椭圆孔，夹具支撑轴408与该椭圆孔形成可装配拆卸的过渡配合。
如图3所示，夹具主体401通过紧定定位螺钉407水平固定在夹具支撑轴408上；下绝缘板402用螺钉406固定在夹具主体401内槽底面上，上绝缘板403和盖板404一并用螺栓405安装在下绝缘板402上，上绝缘板403和盖板404的中间开有规则形状通孔，为振动发电片6的基板负极引线902焊点留出空间；振动发电片6自身基板层的一侧放置在上绝缘板403和下绝缘板402之间，通过螺栓405夹紧水平安装，另一侧直接与上受激振动板702、下受激振动板703胶粘连接；上受激振动板702与下受激振动板703之间通过胶粘连接成受激振动板，并在表面两侧胶粘相同形状的长方体质量块701，长方体质量块701在受激振动板上呈上下左右均对称布置。
如图3所示，所述振动发电片6、上受激振动板702、下受激振动板703和长方体质量块701共同构成自供电压电传感器的核心传感和俘能单元，振动发电片6的长度方向与内筒3的轴向中心线重合，钝体802和夹具的长度方向与内筒3的轴向中心线垂直。
工作时，如图1所示，流体从入口流入内筒3中，当流体绕过钝体802时，流体和钝体802产生流固耦合作用。在流速和钝体几何尺寸满足某些条件下，流体流经钝体802后将周期性脱落两行对称且旋向相反的旋涡，周期性脱落的旋涡对将会引起受激振动板上下两侧的周期性压力差，从而激励受激振动板使其产生上下方向的往复振动，在该过程中流体流动形式的动能转换为固体振动形式的机械能。在本发明压电振子所构成的核心传感和俘能单元中，周期性振动的受激振动板使振动发电片6产生交替弯曲变形，振动发电片6通过正压电效应将振动机械能转换为电能，并通过引线密封塞503经导线将电能传输到外部整流电路模块903，最终将能量储蓄在充电电源904中。与此同时，振动发电片6所产生的电压波形信号经整流电路单元处理后被提取出来，通过外部整流电路模块903中的无线发射单元将其发射出去，用于在线表征管内流速的实时状态，充电电源904中存储的电能将给无线发射单元供电，从而最终实现本发明所提出的压电传感器的自供能功能。
本实施例中，管道内的流体的实时流速v可用振动发电片6所产生的电压波形信号的周期时间来表征，即v＝D/StT，式中St是与流体及流固耦合特征面相关的常数，D是钝体802的直径，T是电压波形信号的周期。正常情况下，油气管道内流体具有在一定范围内相对稳定的额定流速v0，本实施例可通过调节长方体质量块701的几何结构尺寸来调节核心传感和俘能单元的固有频率，从而使其固有频率与旋涡的额定脱落频率f0相匹配(额定脱落频率f0满足f0＝Stv0/D条件)，通过共振作用提升振动发电片6的俘能能力。与此同时，在该共振状态下，本实施例振动发电片6的俘能能力还可通过调整其相对钝体802所在位置的实际距离来进一步优化；实际操作中，可通过内筒3壁上的V型槽上的沉头螺钉801来调整两者之间的相对距离，找到相对距离的最优值dmax该值与额定流速v0和钝体802的直径D有关，满足dmax＝a0v0D，式中a0为额定流速v0状态下所标定的比例系数，从而最大化振动发电片6在额定流速下的输出功率。
为提高本实施例中振动发电片6的使用寿命和可靠性，所有与流体接触的固体表面均喷有三防漆，起到绝缘和保护作用，防止振动发电片6所收集的电荷泄露在流体环境中。此外，所有引线焊点和引线密封塞503的导电铜针表面也均喷有三防漆来绝缘和保护。
本实施例利用钝体脱落的旋涡与振动发电片的耦合作用来实现流速的自动测量与流体能量的采集，压电流速传感器无需提供外部电源，且还可对外部电路模块中的无线发射单元供电，所实现的自感知和自供能功能可从根本上解决目前输油输气管道内电控监测工具中流速传感器所存在的供电难问题。总体来说，本实施例结构简单可微型化，在管道内兼容扩展性强，易实现管内的阵列化布置和多点布置，无需外部电源供能，无电磁干扰，可实现真正意义的流速在线监测，同时兼顾较好的可靠性。
本实施例提供的基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器：
可实现流速监测功能，同时实现自供电功能；
传感及俘能组件中的发电单元可利用多种可实现振动发电功能的功能材料，如压电材料、磁致伸缩材料、摩擦电材料、介电材料等，功能材料的可选择范围广，兼容性强；
在结构上，外筒中一侧开有阶梯孔和圆孔内槽，另一侧在内壁中开有轴向阶梯孔与径向连接孔；两个引线密封塞对称布置，安装在外筒内壁的轴向阶梯孔中形成静密封，两个密封塞一端的导电铜针分别连接振动发电片的正负电极，另外一端分别对应连接外部电路模块输入端口的正负极；内筒通过孔用弹性挡圈固定在外筒中；钝体通过内筒中的V型槽安装在内筒，夹具支撑轴与内筒中另一侧的椭圆孔形成过渡配合；夹具主体通过紧定螺钉水平固定在夹具支撑轴上；下绝缘板用螺钉固定在夹具主体底面上，上绝缘板和盖板用螺栓安装在下绝缘板上；振动发电片一侧通过螺栓装夹在上下绝缘板之间固定，另一侧与受激振动板粘接；受激振动板表面两侧粘接有上下对称布置的质量块；管道内的流体的实时流速v为v＝D/StT，式中St是与流体及流固耦合特征面相关的常数，D是钝体的直径，T是电压波形信号的周期。
可通过调节矩形质量块(即长方体质量块)的几何结构尺寸、调节钝体和振动发电片的相对位置距离，来最大化振动发电片的发电能力。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，其特征在于，包括外筒、内筒、钝体、传感及俘能组件、夹具组件以及外部电路组件；其中：
所述内筒通过孔用弹性挡圈轴向固定在外筒的内壁上；
所述钝体、传感及俘能组件以及夹具组件从流体入口一端开始依次设置于内筒内；
所述传感及俘能组件的后端与夹具组件相连接；
所述传感及俘能组件通过两个引线密封塞与外部电路组件相连接；
所述外部电路组件设置于外筒的外部；
所述钝体用于产生两行对称且旋向相反的旋涡，并作为流体流动形式的动能传递至传感及俘能组件；
所述传感及俘能组件用于将流体流动形式的动能转换为固体振动形式的机械能，并将固体振动形式的机械能转换为电能，并输出至外部电路组件。
2.根据权利要求1所述的基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，其特征在于，所述外筒在流体入口一端的筒壁上开有用于安装内筒的阶梯孔和用于安装孔用弹性挡圈的圆孔内槽，所述外筒在与流体入口相对一端的筒壁内部开有两个用于安装引线密封塞的轴向阶梯孔和与轴向阶梯孔相连通的用于引线通过的径向连接孔。
3.根据权利要求2所述的基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，其特征在于，两个所述用于安装引线密封塞的轴向阶梯孔和与轴向阶梯孔相连通的用于引线通过的径向连接孔沿轴线对称设置。
4.根据权利要求1所述的基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，其特征在于，所述内筒在流体入口一端的侧壁上开有沿轴线对称设置的V型槽，钝体通过穿过V型槽的沉头螺钉轴向可移动地设置于内筒内；和/或
所述内筒在与流体入口相对一端的侧壁上开有沿轴线对称设置的椭圆孔，所述夹具组件与该椭圆孔之间形成可装配拆卸的过渡配合。
5.根据权利要求1所述的基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，其特征在于，所述传感及俘能组件包括振动发电片、上受激振动板、下受激振动板和矩形质量块；其中，所述振动发电片的前端胶粘于上受激振动板与下受激振动板之间，所述矩形质量块为四块，并对称设置于上受激振动板与下受激振动板胶粘连接所形成的受激振动板上下表面的轴向边缘处；所述振动发电片的后端与夹具组件相连接；所述振动发电片的正负电极通过引线密封塞与外部电路组件相连接；
所述振动发电片的长度方向与内筒的轴向中心线重合；
所述上受激振动板、下受激振动板和矩形质量块所形成的结构用于将流体流动形式的动能转换为固体振动形式的机械能；所述振动发电片用于将固体振动形式的机械能转换为电能，并输出至外部电路组件。
6.根据权利要求1所述的基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，其特征在于，夹具组件包括夹具主体、上绝缘板、下绝缘板、盖板以及夹具支撑轴；其中，所述夹具主体水平固定于夹具支撑轴上；所述下绝缘板固定于夹具主体内槽底面上，所述上绝缘板和盖板依次安装于下绝缘板上；所述上绝缘板和盖板上的中间位置开有通孔；所述传感及俘能组件的后端设置于上绝缘板和下绝缘板之间；所述夹具支撑轴与内筒之间形成可装配拆卸的过渡配合；
所述钝体和/或夹具组件的长度方向与内筒的轴向中心线垂直。
7.根据权利要求1所述的基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，其特征在于，任意一个所述引线密封塞的主体采用导电铜材质，引线密封塞设有两个密封圈，两个密封圈与外筒之间形成静密封；
两个引线密封塞的一端分别连接传感及俘能组件的正负电极，两个引线密封塞的另一端分别对应连接外部电路组件输入端口的正负极。
8.根据权利要求1所述的基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，其特征在于，所述外部电路组件包括外部整流电路模块和充电电源；其中，所述传感及俘能组件通过引线密封塞与外部整流电路模块输入端口的正负极相连，所述充电电源与外部整流电路模块电连接；
所述外部整流电路模块包括整流电路单元和无线发射单元；其中：
所述整流电路单元用于提取传感及俘能组件所产生的电压波形信号；
所述无线发射单元用于将电压波形信号发射出去，形成在线表征管内流速的实时状态信息；
所述充电电源用于储存电能，并提供给无线发射单元。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的基于涡激振动的管道流流速监测自供电传感器，其特征在于，与流体相接触的任意一个或任意多个部件表面设置有三防漆层。
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