CN110454144A - 一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，包括中空外壳、底板和电路板，外壳固定于底板上，外壳内部设有曲柄滑块机构、支撑块、转轴、转子和定子，曲柄滑块机构连接转轴一端，转轴中部可转动穿过支撑块且另一端连接转子，支撑块固定设置，转轴平行于底板设置，转子设置于定子内，定子两端密封，定子内壁设有环绕其轴线均匀分布的多个金属片，转子一端设有摩擦材料层，电路板分别连接所有金属片和摩擦材料层，根据金属片和摩擦材料层摩擦生电频率计算气泡速度。本发明的有益效果：通过对电信号进行检测确定摩擦生电频率，间接计算测得两相流气泡速度，传输信号简单，不存在信号失真情况。
Description
技术领域
本发明涉及地质钻井及仪器仪表设备技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器。
背景技术
天然气是现在世界上非常重要的能源之一，是排名第三的消耗能源仅仅低于石油和煤炭，随着科学发展观的大力执行，我国的能源结构由经济型向低碳型转型，我们对于天然气的需求大大增加，随着对天然气的大力使用，也暴露出了一些潜在的问题，我们对于调峰能力上存在着不足，在一些季节的供气上没有实现平衡。对天然气的开发，运输成为了非常重要的问题，在这两个过程当中，往往伴随着气液两相流的存在。所以我们必须要研究关于两相流的特征参数。两相流气泡速度是两相流研究中一个极为重要的参数，根据此参数可以实现对煤层气资源开发工艺上的制定与改进。
现阶段常见的气泡检测方法有以下几种：基于光散射成像原理的气泡探测装置，相机尺寸较大，不利于安装。相机对光源要求较高，增加设备复杂程度。机器视觉原理的气泡探测装置，运用高速摄像机，与照相机的缺陷相同。基于信号衰减原理的气泡探测装置，必须保证发生器发射端与接收器接收端相对应，在空间不足的情况下，无法保证精确对准安装，而且信号发生器与接收器的尺寸也无法满足要求。基于层析成像技术的气泡探测装置，实时成像需要极高的数据采样频率，高频率的信号在井下传输到地表的时候，必定会产生信号衰减，导致信号失真。基于电导率原理的气泡探测装置电极会出现氧化的问题，导致灵敏度降低，所以我们需要开拓两相流测量的新方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器。
本发明的实施例提供一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，包括中空外壳、底板和电路板，所述外壳固定于所述底板上，所述外壳内部设有曲柄滑块机构、支撑块、转轴、转子和定子，所述曲柄滑块机构包括推板、滑动杆、连杆和曲柄，所述推板与所述底板平行设置，所述推板上部垂直连接所述滑动杆下端，所述底板底面设有向下延伸的导向块，所述滑动杆贯穿所述导向块且可滑动，所述连杆下端转动连接所述滑动杆上端，上端转动连接所述曲柄一端，所述曲柄另一端连接所述转轴一端，所述转轴中部可转动穿过所述支撑块且另一端连接所述转子，所述支撑块固定设置，所述转轴平行于所述底板设置，所述转子设置于所述定子内，所述定子两端密封，所述定子内壁设有环绕其轴线均匀分布的多个金属片，所述转子一端设有摩擦材料层，所述电路板分别连接所有金属片和所述摩擦材料层，所述推板用于接受气液两相流的气泡流的冲击，并使所述曲柄滑块机构驱动所述转子转动，所述摩擦材料层与各所述金属片摩擦生电，所述电路板用于监测摩擦生电频率，并根据摩擦生电频率计算出气泡上升速度。
进一步地，所述定子为套筒结构，所述定子两端密封，下部贯穿所述底板并固定连接，所述转子为矩形条，所述转子一端垂直连接所述转轴，另一端设有支撑板，所述摩擦材料层固定于所述支撑板上，所述转轴与所述定子的轴线重合。
进一步地，所述金属片为圆弧片，所述金属片与所述定子的内壁贴合并固定，所述支撑板外壁为弧形面，所述摩擦材料层与所述支撑板外壁贴合固定。
进一步地，所述金属片的数量至少为四个。
进一步地，所述底板上设有进气孔，所述外壳上设有出气孔。
进一步地，所述外壳为上端封口的筒体，且所述外壳侧壁设有缺口，所述定子固定于所述底板上且由所述缺口漏出。
进一步地，所述金属片为铜片，所述摩擦材料层为聚四氟乙烯材料层。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，根据摩擦纳米发电机原理，通过对电压信号进行检测确定摩擦生电频率，由曲柄滑块结构运动特性间接计算测得两相流气泡速度，传输信号简单，不存在信号失真等情况，且安装精度不需要非常精确也没有特殊的安装要求，可是实现自供电，不需要外接电源，尤其适用于对煤层气开发过程中的两相流气泡上升的速度参数进行测量。
附图说明
图1是本发明一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器的立体图；
图2是本发明一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器的左视图；
图3是本发明一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器的俯视图；
图4是本发明一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器的主视图；
图5是图4中的A-A剖面示意图；
图6是图4中的A-A剖面示意图。
图中：1-外壳、2-底板、3-转轴、4-曲柄滑块机构、5-定子、6-转子、7-导向块、8-推板、9-滑动杆、10-连杆、11-曲柄、12-支撑块、13-金属片、14-摩擦材料层、15-缺口、16-出气孔、17-进气孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，包括中空外壳1、底板2和电路板。
请参考图1和图3，所述外壳1为筒体，其上端封口，下端开口，且所述外壳的下端口为阶梯端口，所述外壳1的顶部设有出气孔16，所述外壳1侧壁设有缺口15，本实施例中所述缺,15为竖直剖切形成矩形缺口。
请参考图1和6，所述底板2为圆形板，所述底板2嵌入所述外壳1的下端口且二者焊接固定连接，使所述外壳1固定于所述底板2上，所述底板2与所述外壳1轴线重合。所述底板2底面设有向下延伸的导向块7，所述导向块7为矩形块，且设有竖直方向的穿孔，为减轻重量可将所述导向块7设置为中空结构。所述底板2上设有进气孔17，这里所述进气孔17包括设置于所述底板2中部的大进气孔17和设置于所述导向块两侧的两小进气孔17。
请参考图1和5，所述外壳1内部设有曲柄滑块机构4、支撑块12、转轴3、转子6和定子5，所述曲柄滑块机构4包括推板8、滑动杆9、连杆10和曲柄11，所述推板8设置于所述导向块7下方，且所述推板8与所述底板2平行设置，所述推板8上部顶面垂直连接所述滑动杆9下端，所述滑动杆9中部贯穿所述导向块7上的穿孔，所述导向块7使所述滑动杆9仅可沿着竖直方向滑动，所述连杆10设置于所述导向块7的上方，所述连杆10下端转动连接所述滑动杆9上端，上端转动连接所述曲柄11一端，这里的转动连接通过销轴实现，以所述连杆10与所述滑动杆9的连接为例进行说明，销轴同时垂直贯穿所述连杆10与所述滑动杆9，且销轴的两端分别设置限位块，使所述连杆10与所述滑动杆9可绕所述销轴转动。所述曲柄11另一端连接所述转轴3一端，这里所述曲柄11与所述转轴12垂直且固定连接。本实施例中所述滑动杆9设置于所述转轴3一侧的下方，便于所述滑动杆9滑动时所述曲柄滑块机构4运转。
请参考图1、3和5所述支撑块12设置于所述外壳1中部且固定于所述底板2，所述转轴3中部穿过所述支撑块12且可转动，所述转轴3另一端连接所述转子6，所述转轴3平行于所述底板2设置，且与所述外壳1的缺口垂直。
请参考图1～6，所述定子5为套筒结构，所述定子5下部贯穿所述底板2且外壁固定于所述底板2上，所述定子5两端密封。所述定子5内壁设有环绕其轴线均匀分布的多个金属片13，所述金属片13为圆弧片，所述金属片13与所述定子5的内壁贴合并粘接固定，为保证测量精度，所述金属片13的数量尽可能的多，本实施例中所述金属片13为铜片，所述金属片13的数量至少为四个，四所述金属片13四等分所述定子5内壁。
请参考图1～6，所述转子6设置于所述定子5内，所述转轴3一端穿入所述定子5内，所述转子6为矩形条，所述转子6一端垂直连接所述转轴3，另一端设有支撑板，所述支撑板外壁为弧形面，所述支撑板外壁设有摩擦材料层14，所述摩擦材料层14贴合粘接固定于所述支撑板外壁。所述转轴3与所述定子5轴线重合，所述定子5内径与所述支撑板的外径近似相等，所述转子6转动可使所述摩擦材料层14与各所述金属片13接触并摩擦生电。本实施例中，所述摩擦材料层14为纳米材料聚四氟乙烯材料层。
所述电路板分别连接所有金属片13和所述摩擦材料层14，所述电路板可设置于所述定子5内部，所述电路板可监测所述摩擦材料层14与所述金属片13摩擦生电频率，并根据该摩擦生电频率计算气泡上升速度。且所述摩擦材料层14与所述金属片13摩擦生电产生的电能还可为所述电路板供电。
本发明的一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器在测量气液两相流的气泡的上升速度时，将传感器置于井筒内，气液两相流的气泡流由所述底板2上的所述进气孔17进入所述外壳1内，由所述缺口15和所述出气孔16排出，所述推板8受到气液两相流的气泡流的冲击向上运动，使所述曲柄滑块机构4运转，所述曲柄11转动一定角度，且带动所述转轴3转动，所述转子6转动使所述摩擦材料层14与部分金属片13摩擦生电，所述电路板可监测所述摩擦材料层14与所述金属片13摩擦生电频率，本实施例中每发生一次摩擦生电，所述转轴3转过90°，因此可根据摩擦生电频率计算出所述转轴3转速，即确定所述曲柄11输出端转速，且由于所述曲柄滑块机构4中的曲柄11、连杆10和滑动杆9的长度，以及所述滑动杆9的运动方向均为确定的，因此可根据该曲柄滑块机构4的运动特性计算出所述滑动杆9的上升速度，该上升速度即为气泡的上升速度。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，其特征在于：包括中空外壳、底板和电路板，所述外壳固定于所述底板上，所述外壳内部设有曲柄滑块机构、支撑块、转轴、转子和定子，所述曲柄滑块机构包括推板、滑动杆、连杆和曲柄，所述推板与所述底板平行设置，所述推板上部垂直连接所述滑动杆下端，所述底板底面设有向下延伸的导向块，所述滑动杆贯穿所述导向块且可滑动，所述连杆下端转动连接所述滑动杆上端，上端转动连接所述曲柄一端，所述曲柄另一端连接所述转轴一端，所述转轴中部可转动穿过所述支撑块且另一端连接所述转子，所述支撑块固定设置，所述转轴平行于所述底板设置，所述转子设置于所述定子内，所述定子两端密封，所述定子内壁设有环绕其轴线均匀分布的多个金属片，所述转子一端设有摩擦材料层，所述电路板分别连接所有金属片和所述摩擦材料层，所述推板用于接受气液两相流的气泡流的冲击，并使所述曲柄滑块机构驱动所述转子转动，所述摩擦材料层与各所述金属片摩擦生电，所述电路板用于监测摩擦生电频率，并根据摩擦生电频率计算出气泡上升速度。
2.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，其特征在于：所述定子为套筒结构，所述定子两端密封，下部贯穿所述底板并固定连接，所述转子为矩形条，所述转子一端垂直连接所述转轴，另一端设有支撑板，所述摩擦材料层固定于所述支撑板上，所述转轴与所述定子的轴线重合。
3.如权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，其特征在于：所述金属片为圆弧片，所述金属片与所述定子的内壁贴合并固定，所述支撑板外壁为弧形面，所述摩擦材料层与所述支撑板外壁贴合固定。
4.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，其特征在于：所述金属片的数量至少为四个。
5.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，其特征在于：所述底板上设有进气孔，所述外壳上设有出气孔。
6.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，其特征在于：所述外壳为上端封口的筒体，且所述外壳侧壁设有缺口，所述定子固定于所述底板上且由所述缺口漏出。
7.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的曲柄滑块气泡速度测量传感器，其特征在于：所述金属片为铜片，所述摩擦材料层为聚四氟乙烯材料层。
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