CN110657847A - 摩擦电式浮子流量传感装置及流量检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦电式浮子流量传感装置及流量检测设备。该摩擦电式浮子流量传感装置包括：机体，内部具备容纳空间，机体在第一方向上的第一端设置有流体入口、第二端设置有流体出口；及浮子结构，设置于容纳空间内，能够在流体流经容纳空间时沿第一方向移动并在某一位置保持平衡；其中，容纳空间的侧壁设置有第一摩擦发电副，浮子结构的对应第一摩擦发电副的侧壁设置有第二摩擦发电副，当浮子结构移动时第一摩擦发电副与第二摩擦发电副相互摩擦而发电，且电压随浮子结构位置的变化而变化。本发明的摩擦电式浮子流量传感装置，通过检测摩擦发电产生的电压可得知流体的流量，装置结构简单、功耗小、成本低，且可实现自驱动。

Description

摩擦电式浮子流量传感装置及流量检测设备

技术领域

本发明涉及流量检测技术领域，尤其涉及一种摩擦电式浮子流量传感装置及流量检测设备。

背景技术

流量监测在自动控制、医药健康、能量测量、流量安全和管道泄漏早期预警等应用中的作用非常重要。在流量测量领域，浮子流量传感器因其简单的测量原理和相对成熟的技术而被广泛使用。然而，传统的浮子流量计，大都属于纯机械式，存在着结构复杂、机械磨损和机械滞后等问题；纯电子式和机电混合式的浮子流量计，因其相对高的测量精度和相对低的磨损等优点近年来被广泛应用，但是都需要复杂的控制电路和程序，功耗大、成本高、维修困难，这严重限制了流量计的发展。

发明内容

本发明实施例提供一种摩擦电式浮子流量传感装置及流量检测设备，结构简单、功耗小、成本低，且可自驱动传感。

一方面，本发明实施例提出了一种摩擦电式浮子流量传感装置，包括：机体，内部具备容纳空间，机体在第一方向上的第一端设置有流体入口、第二端设置有流体出口；及浮子结构，设置于容纳空间内，能够在流体流经容纳空间时沿第一方向移动并在某一位置保持平衡；其中，容纳空间的侧壁设置有第一摩擦发电副，浮子结构的对应第一摩擦发电副的侧壁设置有第二摩擦发电副，当浮子结构移动时第一摩擦发电副与第二摩擦发电副相互摩擦而发电，且电压随浮子结构位置的变化而变化。

根据本发明实施例的一个方面，浮子结构包括依次设置的摩擦副固定部及浮子本体，第二摩擦发电副设置于摩擦副固定部。

根据本发明实施例的一个方面，浮子本体沿第一方向的截面形状为等腰梯形。

根据本发明实施例的一个方面，摩擦副固定部沿第一方向的截面形状为矩形，第二摩擦发电副设置于摩擦副固定部的侧壁。

根据本发明实施例的一个方面，浮子本体与摩擦副固定部同轴设置。

根据本发明实施例的一个方面，第一摩擦发电副在容纳空间侧壁的投影形状为三角形，该三角形的其中一条边垂直于第一方向，第二摩擦发电副的长度大于或等于该三角形的其中另两条边共同在第一方向上的投影的长度。

根据本发明实施例的一个方面，容纳空间内沿第一方向设置有杆状结构，浮子结构通过杆状结构设置于容纳空间内，浮子结构能够在流体流经容纳空间时在杆状结构上移动并在某一位置保持平衡。

根据本发明实施例的一个方面，容纳空间至少部分的内壁沿第一方向的截面形状与浮子本体沿第一方向的截面形状相匹配。

根据本发明实施例的一个方面，第一摩擦发电副的材料为具有电正性的材料，第二摩擦发电副的材料为具有电负性的材料。

另一方面，本发明实施例提出了一种流量检测设备，包括如前述的摩擦电式浮子流量传感装置。

本发明实施例提供的摩擦电式浮子流量传感装置，浮子结构在流体的冲击下在容纳空间内移动并在某一位置保持平衡，浮子结构移动时第一摩擦发电副与第二摩擦发电副相互摩擦而发电，且电压随浮子结构位置的变化而变化，流经容纳空间的流体的流量不同，则浮子结构达到平衡的位置不同，摩擦发电产生的电压也不同，从而通过检测摩擦发电产生的电压可得知流体的流量，装置结构简单、功耗小、成本低，且可实现自驱动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的内部结构示意图。

图2为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的浮子结构的结构示意图。

图3为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的浮子结构的结构示意图。

图4为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的底座组件的结构示意图。

图5为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的端盖的结构示意图。

图6为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的机体的结构示意图。

图7为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的支架的结构示意图。

图8为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的插板的结构示意图。

图9为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的浮子结构的受力分析示意图。

图10为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的浮子结构的结构参数示意图。

图11为图10中2-2截面对应的参数示意图。

图12为本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的第一摩擦发电副的结构参数示意图。

附图中：

1-机体，2-浮子结构，3-杆状结构，4-底座组件，5-端盖；

11-第一摩擦发电副，12-插板，13-支架，14-外伸沿，15-槽体结构；

21-第二摩擦发电副，22-摩擦副固定部，23-浮子本体；

41-底座基体，42-凸架，43-支撑座，44-管接头；

51-凸台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1及图2，本发明实施例的摩擦电式浮子流量传感装置，包括：机体1，内部具备容纳空间，机体1在第一方向上的第一端设置有流体入口、第二端设置有流体出口；及浮子结构2，设置于容纳空间内，能够在流体流经容纳空间时沿第一方向移动并在某一位置保持平衡；其中，容纳空间的侧壁设置有第一摩擦发电副11，浮子结构2的对应第一摩擦发电副11的侧壁设置有第二摩擦发电副21，当浮子结构2移动时第一摩擦发电副11与第二摩擦发电副21相互摩擦而发电，且电压随浮子结构2位置的变化而变化。本实施例的摩擦电式浮子流量传感装置，用于检测流体的流量，当流体由流体入口进入并由流体出口流出时，流体流经容纳空间，容纳空间内的浮子结构2在流体的冲击下移动并在某一位置保持平衡，浮子结构2移动时第一摩擦发电副11与第二摩擦发电副21相互摩擦而发电，且电压随浮子结构2位置的变化而变化，流经容纳空间的流体的流量不同，则浮子结构2达到平衡的位置不同，摩擦发电产生的电压也不同，从而通过实时检测摩擦发电产生的电压可得知流体的瞬时流量，相较于传统的浮子流量计，结构简单，磨损损耗小，反应灵敏，相较于纯电子式和机电混合式的浮子流量计，可实现自驱动，不需要复杂的控制电路和程序，功耗小，成本低，便于维修。

本实施例的摩擦电式浮子流量传感装置，采用的是单电极发电模式，第一摩擦发电副11通过导线外接电压检测装置，能够测得摩擦发电的电压幅值，进而通过推导可得知流体的瞬时流量。

可以理解，使用时，将本流量传感装置安装于流体管道内，可选地，使得第一方向与竖直方向平行，流体由下而上流经容纳空间，部分流体被浮子结构2截流，浮子结构2的上、下游之间产生压力差，浮子结构2在压力差的作用下上升，此时作用于浮子结构2上的力主要为重力G、浮力F₁以及压差阻力F₂(第一摩擦发电副11与第二摩擦发电副21处于临界接触状态，摩擦力小，可忽略)，当这三个力平衡时，浮子结构2稳定地浮在容纳空间内某一位置处。

对于给定的本摩擦电式浮子流量传感装置，浮子结构2的大小和形状已经确定，因此浮子结构2在流体中的浮力和自身重力都是已知的，即浮力F₁和重力G是常量，而流体对浮子结构2的压差阻力F₂随流体来流大小而变化，因此，当来流速度变化时，浮子结构2将在其平衡位置上作向上或向下的移动，当来流重新稳定时浮子结构2在新的位置上稳定，所以，对于给定的本摩擦电式浮子流量传感装置，浮子结构2在容纳空间中的位置与流体流经容纳空间的流量大小成一一对应关系。

结合图3，作为一个可选实施例，浮子结构2包括依次设置的摩擦副固定部22及浮子本体23，第二摩擦发电副21设置于摩擦副固定部22。

本实施例的浮子结构2依据流体来流方向设置，可选地，浮子本体23更靠近来流方向，流体依次流经浮子本体23和摩擦副固定部22。

作为一个可选实施例，浮子本体23沿第一方向的截面形状为等腰梯形。流体冲击时，浮子本体23更容易保持平稳，包括平稳地移动及平稳地保持在平衡位置。

在本实施例中，可选地，浮子本体23在垂直于第一方向的方向上的截面形状为正方形或矩形，即浮子本体23为方锥台状或四棱锥台状。

当浮子本体23为方锥台状或四棱锥台状时，浮子本体23的侧壁所在平面与第一方向之间的夹角为α，α的取值范围可为2°～8°。

作为一个可选实施例，摩擦副固定部22沿第一方向的截面形状为矩形，第二摩擦发电副21设置于摩擦副固定部22的侧壁。

本实施例的摩擦副固定部22可选为长方体状，第二摩擦发电副21设置于摩擦副固定部22的至少一个侧壁。

可选地，摩擦副固定部22沿垂直于第一方向的截面形状为正方形或矩形。

作为一个可选实施例，浮子本体23与摩擦副固定部22同轴设置。浮子结构2的形状更加规则，重心位置更加合适，更容易平稳地移动及保持平衡。

作为一个可选实施例，第一摩擦发电副11在容纳空间侧壁的投影形状为三角形，该三角形的其中一条边垂直于第一方向，第二摩擦发电副21的长度大于或等于该三角形的其中另两条边共同在第一方向上的投影的长度。

本实施例的第一摩擦发电副11在容纳空间侧壁的投影形状为三角形，当浮子结构2在容纳空间内移动时，第一摩擦发电副11与浮子结构2上的第二摩擦发电副21的重叠面积大小能够发生变化，摩擦发电产生的电压随之发生变化，从而建立电压幅值与浮子结构2位置的比例关系；第二摩擦发电副21的长度大于或等于该三角形的其中另两条边共同在第一方向上的投影的长度，第二摩擦发电副21能够在垂直于第一方向的方向上完全覆盖对应部分的第一摩擦发电副11，当浮子结构2在容纳空间内移动时，第一摩擦发电副11的形状变化能够作为决定第一摩擦发电副11与第二摩擦发电副21的重叠面积大小的单一变量，使得比例关系能够得到简化，从而能够更加精准地利用电压信号检测流量的大小。

可选地，第一摩擦发电副11通过镶嵌的形式设置于容纳空间的侧壁。

可以理解，第一摩擦发电副11的形状或者为梯形，该梯形的其中一条底边垂直于第一方向，第二摩擦发电副21的长度大于或等于该梯形的其中另三条边共同在第一方向上的投影的长度，同样地，当浮子结构2在容纳空间内移动时，第一摩擦发电副11的形状变化能够作为决定第一摩擦发电副11与第二摩擦发电副21的重叠面积大小的单一变量。

作为一个可选实施例，容纳空间内沿第一方向设置有杆状结构3，浮子结构2通过杆状结构3设置于容纳空间内，浮子结构2能够在流体流经容纳空间时在杆状结构3上移动并在某一位置保持平衡。

本实施例的浮子结构2通过杆状结构3设置于容纳空间内，杆状结构3对浮子结构2的移动进行限位，使得浮子结构2的移动更加平稳。可选地，浮子结构2通过直线轴承设置于杆状结构3上，摩擦力小。

可选地，浮子本体23及摩擦副固定部22均与杆状结构3同轴设置。

作为一个可选实施例，容纳空间至少部分的内壁沿第一方向的截面形状与浮子本体23沿第一方向的截面形状相匹配。容纳空间至少部分的内壁相对第一方向是倾斜的，与浮子结构2的对应的侧壁匹配，能够帮助平衡浮子结构2的受力，尤其是受到的流体的冲击力，浮子结构2在容纳空间内更容易保持平衡。

在本实施例中，沿第一方向，容纳空间内壁轮廓形状的变化趋势与浮子本体23形状的变化趋势相同，可选地，容纳空间至少部分的内壁与第一方向之间的夹角为β，且β的取值与α相同。

可以理解，浮子本体23可为方锥台状或四棱锥台状，容纳空间内壁轮廓形状为方锥台状或四棱锥台状，而摩擦副固定部22为长方体状。

或者，浮子本体23在垂直于第一方向的方向上的截面形状可为圆形或椭圆形，即浮子本体23为圆锥台状或椭圆锥台状，容纳空间内壁轮廓形状为圆锥台状或椭圆锥台状，而摩擦副固定部22为圆柱体状或椭圆柱体状。

需要说明的是，第一摩擦发电副11与第二摩擦发电副21均可为多个，且数量相同，一一匹配，环绕第一方向对称分布，形成一对摩擦发电副；多对摩擦发电副并联，电压信号更强。

作为一个可选实施例，第一摩擦发电副11的材料为具有电正性的材料，第二摩擦发电副21的材料为具有电负性的材料。

本实施例的第一摩擦发电副11的材料可为铜、铝等具有电正性的材料，第二摩擦发电副21的材料可为PTFE(聚四氟乙烯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PVC(聚氯乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)、Kapton(聚酰亚胺薄膜材料)等电负性强的材料。

作为可选实施例，本实施例的摩擦电式浮子流量传感装置还包括：底座组件4，设置于机体1的第一端，具有流体入口；以及端盖5，设置于机体1的第二端，具有流体出口。可选地，底座组件4和端盖5均通过螺栓或螺钉与机体1连接。

结合图4，底座组件4包括依次连接的底座基体41和凸架42，底座基体41连接有管接头44，管接头44与流体入口连通，凸架42的外轮廓形状与机体1第一端的内壁轮廓形状相匹配，机体1的第一端可套接于凸架42，凸架42设置有用于支撑及限位杆状结构3的支撑座43。结合图5，端盖5设置有凸台51，凸台51的轮廓形状与机体1第二端的内壁轮廓形状相匹配，机体1的第二端可套接于凸台51。

结合图6、图7及图8，作为可选实施例，机体1包括支架13、插板12及外伸沿14，插板12通过槽体结构15插接于支架13而构成封闭的管体结构，端盖5通过外伸沿14连接于机体1的第二端，第一摩擦发电副11可设置于插板12。

关于浮子结构2在容纳空间内的位置与流体流经容纳空间的流量大小的对应关系，以第一摩擦发电副11在容纳空间侧壁的投影形状为等腰三角形、浮子本体23为方锥台状、容纳空间内壁轮廓形状为四棱锥台状为例，其理论推导过程如下：

首先，定性分析本实施例的摩擦电式浮子流量传感装置的流量测量原理：对浸没于流体内的浮子结构2的受力情况作一个简单分析，请继续参阅图9，浮子结构2在垂直放置的机体1中随着流体流量的变化而上下移动，此时，作用在浮子结构2上的力主要有三个，即重力G、浮力F₁以及压差阻力F₂，当这三个力平衡时，浮子结构2将平稳地悬浮在容纳空间内的某一位置上，此时浮子结构2的高度h对应于通过容纳空间的瞬时流量q_v，当浮子结构2上下移动时，电压信号将随着两个摩擦发电副的重叠区域的变化而变化，从而可通过电压信号检测系统的瞬时流量。

进一步地，由流量方程式的推导说明流量测量原理：

用伯努利平衡方程直接推导流量测量原理，结合图10，容纳空间内的浮子结构2悬浮在某一固定的高度，取浮子结构2上端所在的水平面为2-2截面，浮子结构2下端所在的水平面为1-1截面，假设在所测量的流量范围内前述两截面处的流体密度变化很小而可以忽略，在不考虑能量损失的情况下，对1-1截面和2-2截面作能量换算：

式中，P₁为1-1截面处的压强，P₂为2-2截面处的压强，v₁为1-1截面处的流速，v₂为2-2截面处的流速，h₁为1-1截面所在的高度，h₂为2-2截面所在的高度，ρ为流体的密度，移项整理得：

从等式(2)可以看出，浮子结构2的上下端处流体的压力差一部分由位移差转换而来，另一部分由速度差转换而来。

对于等式(2)，将等号两边同时乘以

得到：

式中，

为浮子结构2的平均截面积；等式(3)的左侧表示浮子结构2所受总的上托力，等式(3)右侧的第一项实际上是与浮子结构2相同体积的流体的重量，即浮子结构2所受的浮力F₁，等式(3)的后一项是动压力转换而来的压差阻力F₂，当浮子结构2在流体中处于相对静止状态时，浮子结构2在垂直方向上受力是平衡的，在不考虑浮子结构2的侧面上的力的情况下，有：

式中，ρ_f为浮子结构2的密度，V_f为浮子结构2的体积，将等式(4)带入等式(3)并加以整理得：

设在1-1截面和2-2截面处，流体的流通面积分别为A₁、A₂，当流量一定时，假设两截面处流体密度变化可以忽略，则根据连续性方程A₁v₁＝A₂v₂有：

将等式(6)带入等式(5)并加以整理得：

为了校正因实际流体压力损失而引起的误差，引入一个流量系数ξ进行修正，将压力损失和

项考虑到流量系数ξ内，则瞬时流量q_v可表示为：

式中，ξ为流量系数，可根据实验实测效果得出，q_v为流体流过流通面积的瞬时流量，A为流体的流通面积，根据等式(8)可知，瞬时流量q_v与流体流过的流通面积A成正比。

结合图11，流通面积A由浮子结构2和容纳空间的尺寸确定，即：

A＝ab-a² (9)

式中，b为浮子结构2所在处所对应的容纳空间的矩形截面边长，a为浮子结构2的最大边长。

设容纳空间内壁的锥角为β，则在浮子结构2高度为h处有：

b＝a+2htanβ (10)

将等式(10)代入等式(9)并加以整理得：

A＝a(b-a)＝2ahtanβ (11)

将等式(11)代入等式(8)，则瞬时流量q_v可表示为：

从等式(12)可以看出，瞬时流量q_v与高度h成正比。

结合图12，第一摩擦发电副11中转移的电荷总量Q(h)与电荷密度σ₀和摩擦发电副重叠面积S(h)有关，假设摩擦电荷均匀地分布在第一摩擦发电副11和第二摩擦发电副21表面上，则浮子结构2运动到高度h时，转移的电荷总量为：

在等式(13)中，Q(h)为转移电荷总量，σ₀为电荷密度，h为浮子结构2上升的高度，Δs为浮子结构2端面的宽度，D为第一摩擦发电副11底边长的一半，H为第一摩擦发电副11的高度，根据该等式，短路电流I_SC可由下式给出：

其中t为时间，将等式(13)代入等式(14)中，则短路电流可表示为：

其中，v为移动速度，此外，根据单电极发电模式的理论，电极和大地之间的开路电压V_OC与转移电荷量Q(h)有关，即:

V_OC(h)＝k_qQ(h) (16)

式中，k_q为相关因子，V_OC为开路电压，将等式(13)代入等式(16)，则开路电压V_OC可表示为：

从等式(15)和等式(17)可以看出，短路电流I_SC和开路电压V_OC分别是速度v和位移h的线性函数，因此，具有等腰三角形形状的电极可以分别通过短路电流I_SC和开路电压V_OC来检测速度v和位移h。

将等式(12)和等式(17)联立，则瞬时流量q_v可表示为：

对于给定的本实施例的摩擦电式浮子流量传感装置，等式(18)中的所有参数都是确定的。因此，等式(18)可以进一步简化为：

q_v＝K₁V_OC(h)+K₂ (19)

式中，K₁、K₂均为常数，从等式(19)可以看出，输出电压将随着瞬时流量q_v线性变化。

因此，采用本实施例的摩擦电式浮子流量传感装置，可以通过检测输出电压而得到瞬时流量q_v，能够通过电压信号实时反馈流量的变化情况。

以下，提供一种流量检测设备，包括上述实施例的摩擦电式浮子流量传感装置，以及电压检测装置，第一摩擦发电副11通过导线与电压检测装置电性连接。

本实施例的流量检测设备在接入流体通路后，能够实时反馈流体流量的变化情况，结构简单、功耗小、成本低，且可实现自驱动，同时还具有极好的耐久性和可加工性，可轻松地融入其他产品的设计当中，便于进行大规模生产及应用。

本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种摩擦电式浮子流量传感装置，其特征在于，包括：

机体，内部具备容纳空间，所述机体在第一方向上的第一端设置有流体入口、第二端设置有流体出口；及

浮子结构，设置于所述容纳空间内，能够在流体流经所述容纳空间时沿第一方向移动并在某一位置保持平衡；

其中，所述容纳空间的侧壁设置有第一摩擦发电副，所述浮子结构的对应所述第一摩擦发电副的侧壁设置有第二摩擦发电副，当所述浮子结构移动时所述第一摩擦发电副与所述第二摩擦发电副相互摩擦而发电，且电压随所述浮子结构位置的变化而变化。

2.根据权利要求1所述的摩擦电式浮子流量传感装置，其特征在于，所述浮子结构包括依次设置的摩擦副固定部及浮子本体，第二摩擦发电副设置于所述摩擦副固定部。

3.根据权利要求2所述的摩擦电式浮子流量传感装置，其特征在于，所述浮子本体沿第一方向的截面形状为等腰梯形。

4.根据权利要求2或3所述的摩擦电式浮子流量传感装置，其特征在于，所述摩擦副固定部沿第一方向的截面形状为矩形，所述第二摩擦发电副设置于所述摩擦副固定部的侧壁。

5.根据权利要求2所述的摩擦电式浮子流量传感装置，其特征在于，所述浮子本体与所述摩擦副固定部同轴设置。

6.根据权利要求1所述的摩擦电式浮子流量传感装置，其特征在于，所述第一摩擦发电副在所述容纳空间侧壁的投影形状为三角形，该三角形的其中一条边垂直于第一方向，所述第二摩擦发电副的长度大于或等于该三角形的其中另两条边共同在第一方向上的投影的长度。

7.根据权利要求1所述的摩擦电式浮子流量传感装置，其特征在于，所述容纳空间内沿第一方向设置有杆状结构，所述浮子结构通过所述杆状结构设置于所述容纳空间内，所述浮子结构能够在流体流经所述容纳空间时在所述杆状结构上移动并在某一位置保持平衡。

8.根据权利要求1或3所述的摩擦电式浮子流量传感装置，其特征在于，所述容纳空间至少部分的内壁沿第一方向的截面形状与浮子本体沿第一方向的截面形状相匹配。

9.根据权利要求1所述的摩擦电式浮子流量传感装置，其特征在于，所述第一摩擦发电副的材料为具有电正性的材料，所述第二摩擦发电副的材料为具有电负性的材料。

10.一种流量检测设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的摩擦电式浮子流量传感装置。

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