CN108548097B - 基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道 - Google Patents

基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道 Download PDF

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Abstract

基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道，包括圆环形管道、位于圆环形管道内外侧的电极，电荷放大器，信息采集和后处理部分；其中圆环形管道材料为电介质材料，管道可用于传输液体、气体，电荷放大器负端与圆形管道内侧的电极相连，电荷放大器正端与管道外侧电极均接地，电荷放大器输出端与信息采集和后处理部分相连。当管道无损坏、外部无载荷，流体正常在管道内传输时，管道不会产生电荷，无电荷信号通过电极传输至电荷放大器，电荷放大器无输出；当管道由于缺陷在正常使用时突然断裂或管道受到冲击载荷、周期载荷时，由于挠曲电效应的存在，管道会发生极化，产生极化电荷，通过对比信号采集和后处理部分的电压信号可以得知管道破坏或受到载荷的位置。

Description

基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体涉及基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道。
背景技术
油气管道输送是国内能量传输的主要手段，而现有传输管道中多不包含监测功能，具有监测功能的传输管道多监测的为流量，并且需要在管道内置多个探头，测量较为复杂。针对传输管道自检测的研究极少，但传输管道自检测十分重要，如油气管道因缺陷而产生断裂或破损，大量能源将流失，国家利益也将受到损害。因此有必要对传输管道的自检测功能开展研究。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供基于挠曲电原理的具有自检测功能的传输管道，为监测传输管道因缺陷而产生断裂或破损、传输管道受到外部载荷的位置提供了有效的解决方案。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道，包括圆环形管道1、位于圆环形管道1环形内腔内外侧的外侧电极2和内侧电极3，电荷放大器4以及信息采集和后处理部分5；圆环形管道1中心腔体用于传输液体和气体，电荷放大器4负端与圆环形管道1的内侧电极3相连，电荷放大器4正端与圆环形管道1的外侧电极2均接地，电荷放大器4输出端与信息采集和后处理部分5相连；当圆环形管道1无损坏、外部无载荷，流体正常在圆环形管道1内传输时，圆环形管道1不会产生电荷，无电荷信号通过内侧电极3传输至电荷放大器4，电荷放大器4无输出；当圆环形管道1由于缺陷在正常使用时突然断裂或圆环形管道1受到冲击载荷、周期载荷时，由于挠曲电效应的存在，圆环形管道1会发生极化，产生极化电荷，通过圆环形管道外侧电极2和内侧电极3传输至电荷放大器4，电荷放大器4输出电压信号至信息采集和后处理部分5，通过对比电压信号能够得知圆环形管道1破坏或受到载荷的位置；该传输管道具有自检测功能、传感单元无需电源激励、计算简单的特点。
所述圆环形管道1的材料根据实际情况选择，圆环形管道1正常工作时会产生大变形时，选用弹性模量较小、高伸展性的材料；当不希望圆环形管道1变形时，选用弹性模量大的材料。
所述圆环形管道1材料为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的电介质材料，且不具备压电效应。
所述电介质材料是力电功能材料，其具有挠曲电效应，由挠曲电效应导致的极化强度为：
其中Pl为极化强度、μiijkl为挠曲电系数、εij为应变、为应变梯度、xl为位置坐标；
因此，当圆环形管道1由于缺陷在正常使用时突然断裂或圆环形管道1受到冲击载荷、周期载荷时，由于挠曲电效应的存在，产生极化电荷Q；
圆环形管道1受载位置可视为电荷源，产生极化电荷Q，而极化电荷Q将通过两侧的圆环形管道1传输至电荷放大器4，极化电荷Q两侧的圆环形管道1等效为两部分电容为：
其中C1、C2分别为电荷Q两侧的圆环形管道1等效的电容，ε为圆环形管道1的介电常数，S为电极等效面积，d为圆环形管道1厚度，L1、L2分别为电荷Q处至圆环形管道1左右端的距离；
极化电荷Q两侧的圆环形管道1对应的极化电荷Q1，Q2分别传输至电荷放大器4中：
经由电荷放大器4放大后，Vout1与Vout2的关系为：
其中Vout1、Vout2分别为极化电荷Q1、Q2经过电荷放大器4后的输出电压；
因此，根据Vout1与Vout2的比值确定圆环形管道1缺陷或者受外载作用的位置，从而实现电介质材料传输管道的自检测。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)相比于传统的传输管道，本发明具有自检测功能，实现了管道确定因缺陷导致的断裂或外界载荷作用的位置。
2)本发明传感单元无需电源激励、计算简单，同时对管道材料无特殊限定。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
图2为本发明的等效电路。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道，包括圆环形管道1、位于圆环形管道1环形内腔内外侧的外侧电极2和内侧电极3，电荷放大器4以及信息采集和后处理部分5；圆环形管道1中心腔体用于传输液体和气体，电荷放大器4负端与圆环形管道1的内侧电极3相连，电荷放大器4正端与圆环形管道1的外侧电极2均接地，电荷放大器4输出端与信息采集和后处理部分5相连；当圆环形管道1无损坏、外部无载荷，流体正常在圆环形管道1内传输时，圆环形管道1不会产生电荷，无电荷信号通过内侧电极3传输至电荷放大器4，电荷放大器4无输出；当圆环形管道1由于缺陷在正常使用时突然断裂或圆环形管道1受到冲击载荷、周期载荷时，由于挠曲电效应的存在，圆环形管道1会发生极化，产生极化电荷，通过圆环形管道外侧电极2和内侧电极3传输至电荷放大器4，电荷放大器4输出电压信号至信息采集和后处理部分5，通过对比电压信号能够得知圆环形管道1破坏或受到载荷的位置；该传输管道具有自检测功能、传感单元无需电源激励、计算简单的特点。
所述圆环形管道1的材料根据实际情况选择，圆环形管道1正常工作时会产生大变形时，选用弹性模量较小、高伸展性的材料；当不希望圆环形管道1变形时，选用弹性模量大的材料。
所述圆环形管道1材料为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的电介质材料，且不具备压电效应。
作为本发明的优选实施方式，所述外侧电极2和内侧电极3具有良好的导电性能和低的附着刚度，同时不会因流体传输而冲刷掉。
所述电介质材料是力电功能材料，其具有挠曲电效应，由挠曲电效应导致的极化强度为：
其中Pl为极化强度、μijkl为挠曲电系数、εij为应变、为应变梯度、xl为位置坐标；
因此，当圆环形管道1由于缺陷在正常使用时突然断裂或圆环形管道1受到冲击载荷、周期载荷时，由于挠曲电效应的存在，产生极化电荷Q；
如图2所示，圆环形管道1受载位置可视为电荷源，产生极化电荷Q，而极化电荷Q(Q1，Q2)将通过两侧的圆环形管道1传输至电荷放大器4，极化电荷Q两侧的圆环形管道1可等效为两部分电容为：
其中C1、C2分别为电荷Q两侧的圆环形管道1等效的电容，ε为圆环形管道1的介电常数，S为电极等效面积，d为圆环形管道1厚度，L1、L2分别为电荷Q处至圆环形管道1左右端的距离。
极化电荷Q两侧的圆环形管道1对应的电荷Q1，Q2分别传输至电荷放大器4中：
经由电荷放大器4放大后，Vout1与Vout2的关系为：
其中Vout1、Vout2分别为极化电荷Q1、Q2经过电荷放大器4后的输出电压。
因此，根据Vout1与Vout2的比值确定圆环形管道1缺陷或者受外载作用的位置，从而实现电介质材料传输管道的自检测。

Claims (4)

1.基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道，其特征在于：包括圆环形管道(1)、位于圆环形管道(1)环形内腔内外侧的外侧电极(2)和内侧电极(3)，电荷放大器(4)以及信息采集和后处理部分(5)；圆环形管道(1)中心腔体用于传输液体和气体，电荷放大器(4)负端与圆环形管道(1)的内侧电极(3)相连，电荷放大器(4)正端与圆环形管道(1)的外侧电极(2)均接地，电荷放大器(4)输出端与信息采集和后处理部分(5)相连；当圆环形管道(1)无损坏、外部无载荷，流体正常在圆环形管道(1)内传输时，圆环形管道(1)不会产生电荷，无电荷信号通过内侧电极(3)传输至电荷放大器(4)，电荷放大器(4)无输出；当圆环形管道(1)由于缺陷在正常使用时突然断裂或圆环形管道(1)受到冲击载荷、周期载荷时，由于挠曲电效应的存在，圆环形管道(1)会发生极化，产生极化电荷，通过圆环形管道外侧电极(2)和内侧电极(3)传输至电荷放大器(4)，电荷放大器(4)输出电压信号至信息采集和后处理部分(5)，通过对比电压信号能够得知圆环形管道(1)破坏或受到载荷的位置。
2.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道，其特征在于：所述圆环形管道(1)的材料根据实际情况选择，圆环形管道(1)正常工作时会产生大变形时，选用弹性模量较小、高伸展性的材料；当不希望圆环形管道(1)变形时，选用弹性模量大的材料。
3.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道，其特征在于：所述圆环形管道(1)材料为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的电介质材料，且不具备压电效应。
4.根据权利要求3所述的基于挠曲电原理具有自检测功能的传输管道，其特征在于：所述电介质材料是力电功能材料，其具有挠曲电效应，由挠曲电效应导致的极化强度为：
其中Pl为极化强度、μijkl为挠曲电系数、eij为应变、为应变梯度、xl为位置坐标；
因此，当圆环形管道(1)由于缺陷在正常使用时突然断裂或圆环形管道(1)受到冲击载荷、周期载荷时，由于挠曲电效应的存在，产生极化电荷Q；
圆环形管道(1)受载位置视为电荷源，产生极化电荷Q，而极化电荷Q将通过两侧的圆环形管道(1)传输至电荷放大器(4)，极化电荷Q两侧圆环形管道(1)等效为两部分电容为：
其中C1、C2分别为极化电荷Q两侧的圆环形管道(1)等效的电容，ε为圆环形管道(1)的介电常数，S为电极等效面积，d为圆环形管道(1)厚度，L1、L2分别为极化电荷Q处至圆环形管道(1)左右端的距离；
极化电荷Q两侧的圆环形管道(1)对应的极化电荷Q1，Q2分别传输至电荷放大器(4)中：
经由电荷放大器(4)放大后，Vout1与Vout2的关系为：
其中Vout1、Vout2分别为极化电荷Q1、Q2经过电荷放大器(4)后的输出电压；
因此，根据Vout1与Vout2的比值确定圆环形管道(1)缺陷或者受外载作用的位置，从而实现电介质材料传输管道的自检测。
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