CN112161199A - 一种自供电的矿用管道监测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请揭示了一种自供电的矿用管道监测装置，该装置包括防护壳、能量收集系统、电源转换与存储系统、传感与采集传输系统，能量收集系统包括转轴、叶轮、转子盘和定子组件，叶轮在流体流经内腔时产生阻力差，驱动转轴以带动转子盘旋转产生变化的磁场，在定子组件的线圈绕组中产生交流电；电源转换与存储系统将定子组件输出的交流电转变为稳定的直流电，为可充式电池充电、为传感与采集传输系统供电。本申请中叶轮在流体流经内腔时带动转子盘旋转，在定子组件的线圈绕组中产生交流电，电源转换与存储系统将定子组件输出的交流电转变为稳定的直流电，为可充式电池充电、为传感与采集传输系统供电，实现了矿用管道监测的自供电。
Description
技术领域
本发明属于矿用监测技术领域，涉及一种自供电的矿用管道监测装置。
背景技术
煤矿企业必须按照《煤矿安全规程》要求建立完善的压风系统、供水系统。煤矿井下生产建设需要大量洁净水，部分煤机设备以压风系统供应的压缩空气为动力。并且，基于压风的压风自救系统、基于供水的供水施救系统是矿山六大安全避险系统中的两个安全保障系统。另一方面，建设和生产过程中进入矿井的地下水和地表水需要排出，煤层中的瓦斯需要抽放。压风、供水、排水和瓦斯抽放等各系统均需要大量的管道。为确保供水与供风的压力平衡和流量稳定、污水与高浓度瓦斯气体输送过程不泄漏，需要对管道的压力、流量等信息进行实时监测。
煤矿井下巷道复杂，沿巷道铺设的管网随之复杂，输送管道的距离长、分支多，随着矿井的开拓延伸，需要部署的管道监测装置不断增多。煤矿井下的ZigBee、WiFi、3G/4G等各式无线通信系统已相对完善，无线传输能力能够满足管网监测的要求。供电成为制约管道监测设备大量安装使用的“短板”。
井下管道监测装置供电需要敷设矿用电缆、配备矿用电源，当监测设备增多时，矿用电源用量和电缆敷设量剧增，管网监测的建设成本高、维护工作量大。使用电池为监测装置供电时，需要定期为电池充电，维护工作量极大。
发明内容
为了解决相关技术中使用电池为监测装置供电时，需要定期为电池充电，维护工作量极大的问题，本申请提供了一种自供电的矿用管道监测装置。技术方案如下：
一种自供电的矿用管道监测装置，包括防护壳、能量收集系统、电源转换与存储系统、传感与采集传输系统，其中：
所述防护壳的内腔安装有所述能量收集系统，所述能量收集系统包括转轴、安装在所述转轴上的叶轮、安装在所述转轴上的转子盘和与所述转子盘相对设置的定子组件，所述叶轮在流体流经所述内腔时产生阻力差，所述阻力差驱动所述转轴以带动所述转子盘旋转，所述转子盘旋转产生变化的磁场，在所述定子组件的线圈绕组中产生交流电；
所述能量收集系统与所述电源转换与存储系统电性连接，所述电源转换与存储系统将所述定子组件输出的交流电转变为稳定的直流电，所述直流电为所述电源转换与存储系统中的可充式电池充电、为所述传感与采集传输系统供电。
可选的，所述防护壳包括第一法兰、第二法兰、第一引流管道、第二引流管道、所述内腔、非安外腔和本安外腔，其中：
所述第一引流管道通过所述第一法兰与管道连接紧固，所述第二引流管道通过所述第二法兰与管道连接紧固；所述内腔位于所述第一引流管道和第二引流管道之间，所述内腔连通所述第一引流管道和所述第二引流管道；
所述内腔内安装所述能量收集系统，所述非安外腔内安装所述电源转换与存储系统，所述本安外腔内安装所述传感与采集传输系统中的采集与无线传输电路；
所述内腔与所述非安外腔之间留有1个非安线缆穿孔，所述非安外腔与所述本安外腔之间留有1个本安线缆穿孔，所述本安外腔留有多个出线嘴。
可选的，所述第二引流管道的长度大于所述第一引流管道的长度。
可选的，所述能量收集系统还包括两个轴承，所述转轴的第一端通过一个轴承固定在所述内腔第一侧壁的中心位置，所述转轴的第二端通过另一个轴承嵌在所述定子组件的中心位置；
所述叶轮具有多个均匀排布于同一圆周的半球圆杯，固定在所述转轴的中间位置；
所述转子盘固定在所述转轴的第二端，所述转子盘镶嵌偶数个永磁体，所述永磁体按照N/S、S/N、N/S的方式均匀间隔周向分布在所述转子盘上；
所述定子组件固定于所述内腔与所述第一侧壁相对的第二侧壁的中心位置，所述定子组件的内部为线圈绕组，所述线圈绕组的中心轴与所述转子盘上各个永磁体形成的圆周的轴心重合；所述线圈绕组的输出线缆通过所述非安线缆穿孔引出到所述非安外腔。
可选的，所述转子盘永磁体突出的一面朝向所述定子组件，所述转子盘与所述定子组件之间的距离不大于2mm，所述定子组件通过紧固螺栓固定于所述内腔的底板内壁上。
可选的，所述电源转换与存储系统安装在所述非安外腔内，所述电源转换与存储系统包括电源转换电路、可充式电池和本安保护电路，其中：
所述电源转换电路分别连接所述线圈绕组、所述蓄电池和所述本安保护电路；所述电源转换电路将所述线圈绕组产生的交流电变为稳定的直流电输出，所述电源转换电路输出的第一路直流电为所述可充式电池充电，所述电源转换电路输出的第二路直流电经所述本安保护电路变为本质安全的直流电；
当所述线圈绕组无电能输出时，所述电源转换电路从所述可充式电池中提取电能，输出稳定的直流电；
所述本质安全的直流电的输出线缆通过所述本安线缆穿孔引出到所述本安外腔。
可选的，所述可充式电池为可充式锂离子电池、镍氢电池或超级电容。
可选的，所述电源转换与存储系统中的电源转换电路、可充式电池和本安保护电路均通过浇封剂密封在所述非安外腔中，所述本质安全的直流电的输出线缆与所述本安线缆穿孔之间的间隙通过所述浇封剂填充，所述浇封剂的材料和浇封的厚度均符合防爆要求。
可选的，所述传感与采集传输系统包括管道监测传感元件、采集与无线传输电路，其中：
所述管道监测传感元件固定在所述第二引流管道内，将所述第二引流管道内的压力、流量变换为电信号，所述电信号的信号线缆通过所述本安外腔的出线嘴进入所述本安腔内和所述采集与无线传输电路连接；
所述采集与无线传输电路安装在所述本安外腔内，由所述电源转换与存储系统输出的本质安全的直流电供电，采集所述管道监测传感元件的电信号、计算所述第二引流管道内的压力和流量值、通过无线信号进行传输，实现监测功能。
可选的，所述定子组件中的线圈绕组通过浇封剂密封在所述定子组件内；所述定子组件紧固在所述内腔侧壁上，所述线圈绕组的输出线缆与所述非安线缆穿孔的间隙通过所述浇封剂填充，所述浇封剂的材料和浇封的厚度均符合防爆要求。
本申请至少可以实现如下有益效果：
通过将发电机的转轴、叶轮、转子和定子组件置于管道内部的内腔中，叶轮在流体流经内腔时产生阻力差，阻力差驱动转轴以带动转子盘旋转，转子盘旋转产生变化的磁场，在定子组件的线圈绕组中产生交流电，电源转换与存储系统将定子组件输出的交流电转变为稳定的直流电，直流电为电源转换与存储系统中的可充式电池充电、为传感与采集传输系统供电，实现了矿用管道监测的自供电。
通过浇封方法对管道内的定子线圈和管道外部的电源转换电路、蓄电池、电源保护电路等带电部件进行整体密闭、仅输出本质安全型直流电，为本质安全的监测传感元件和采集与无线传输电路供电。自供电装置无需厚重的隔爆外壳，内部无需齿轮传动，阻尼小、易驱动，结构简单稳定、成本低，有利于大量使用。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置的结构示意图；
图2是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置的结构剖面图；
图3是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置中叶轮的结构示意图；
图4是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置中发电机转子的结构示意图；
图5是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置中发电机定子组件的结构示意图。
其中，附图标记如下：
100、管道；110、流体；11、内腔；121、第一法兰；122、第二法兰；131、第一引流管道；132、第二引流管道；14、非安外腔；141、非安线缆穿孔；15、本安外腔；151、本安线缆穿孔；152、出线嘴；21、转轴；22、叶轮；23、转子盘；231、永磁体；24、定子组件；241、线圈绕组；242、紧固螺栓；25、轴承；31、电源转换电路；32、可充式电池；33、本安保护电路；41、管道监测传感元件；42、采集与无线传输电路；43、本安信号电缆；44、本安电源输出电缆；50、胶封剂。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
结合图1和图2所示，图1是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置的结构示意图，图2是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置的结构剖面图，本申请提供的自供电的矿用管道监测装置可以包括防护壳、能量收集系统、电源转换与存储系统、传感与采集传输系统。
所述防护壳的内腔11安装有所述能量收集系统，所述能量收集系统包括转轴21、安装在所述转轴21上的叶轮22、安装在所述转轴21上的转子盘23和与所述转子盘23相对设置的定子组件24，所述叶轮22在流体110流经所述内腔11时产生阻力差，所述阻力差驱动所述转轴21以带动所述转子盘23旋转，所述转子盘23旋转产生变化的磁场，在所述定子组件24的线圈绕组241中产生交流电。
所述能量收集系统与所述电源转换与存储系统电性连接，所述电源转换与存储系统将所述定子组件24输出的交流电转变为稳定的直流电，所述直流电为所述电源转换与存储系统中的可充式电池32充电、为所述传感与采集传输系统供电。
在一种可能的实现中，本申请提供的防护壳可以包括第一法兰121、第二法兰122、第一引流管道131、第二引流管道132、所述内腔11、非安外腔14和本安外腔15。
所述第一引流管道131通过所述第一法兰121与管道100连接紧固，所述第二引流管道132通过所述第二法兰122与管道100连接紧固。
所述内腔11位于所述第一引流管道131和第二引流管道132之间，所述内腔11连通所述第一引流管道131和所述第二引流管道132，这样流体110可以从所述第一引流管道131经所述内腔11流入所述第二引流管道132。
一般的，所述第二引流管道132的长度大于所述第一引流管道131的长度。
所述能量收集系统安装于所述内腔11中，所述非安外腔14内安装所述电源转换与存储系统，所述本安外腔15内安装所述传感与采集传输系统中的采集与无线传输电路42。
所述内腔11与所述非安外腔14之间留有1个非安线缆穿孔141，所述非安外腔14与所述本安外腔15之间留有1个本安线缆穿孔151，所述本安外腔15留有多个出线嘴152。
所述能量收集系统还包括两个轴承25，所述转轴21的第一端通过一个轴承25固定在所述内腔11第一侧壁的中心位置，所述转轴21的第二端通过另一个轴承25嵌在所述定子组件24的中心位置。
如图3所示，其是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置中叶轮的结构示意图，所述叶轮22具有多个均匀排布于同一圆周的半球圆杯，固定在所述转轴21的中间位置。半球圆杯由于面积较大，可以在流体100的作用下产生阻力差。
所述转子盘23固定在所述转轴21的第二端，所述转子盘23镶嵌偶数个永磁体，请参见图4所示，其是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置中发电机转子的结构示意图，所述永磁体231按照N/S、S/N、N/S的方式均匀间隔周向分布在所述转子盘23上。即可以理解为，任意相邻的两个永磁体231中第一个永磁体231的N极安装于转子盘23上，S极露出于转子盘23；第二个永磁体231的S极安装于转子盘23上，N极露出于转子盘23。各个永磁体231安装于转子盘23同一圆周上，也即各个永磁体231到转子盘23中心的距离相同。
所述定子组件24固定于所述内腔11与所述第一侧壁相对的第二侧壁的中心位置，请参见图5所示，其是本申请一个实施例中提供的自供电的矿用管道监测装置中发电机定子组件的结构示意图，所述定子组件24的内部为线圈绕组241，所述线圈绕组241的中心轴与所述转子盘23上各个永磁体231形成的圆周的轴心重合；所述线圈绕组241的输出线缆通过所述非安线缆穿孔141引出到所述非安外腔14，轴承25安装于定子组件24的中心位置。
在一种可能的实现中，可以通过紧固螺栓242将定子组件24固定于内腔11的底板内壁上。
可选的，所述电源转换与存储系统安装在所述非安外腔14内，所述电源转换与存储系统包括电源转换电路31、可充式电池32和本安保护电路33。
所述电源转换电路31分别连接所述线圈绕组241、所述蓄电池和所述本安保护电路33；所述电源转换电路31将所述线圈绕组241产生的交流电变为稳定的直流电输出，所述电源转换电路31输出的第一路直流电为所述可充式电池32充电，所述电源转换电路31输出的第二路直流电经所述本安保护电路33变为本质安全的直流电。
当所述线圈绕组241无电能输出时，所述电源转换电路31从所述可充式电池32中提取电能，输出稳定的直流电，所述本质安全的直流电的输出线缆(也可称为本安电源输出电缆44)通过所述本安线缆穿孔151引出到所述本安外腔15。
本申请中所讲的可充式电池32可以为可充式锂离子电池、镍氢电池或超级电容。
为了保证矿用管道监测装置的防爆特性，所述电源转换与存储系统中的电源转换电路31、可充式电池32和本安保护电路33均通过浇封剂50密封在所述非安外腔14中，所述本质安全的直流电的输出线缆与所述本安线缆穿孔151之间的间隙通过所述浇封剂50填充，所述浇封剂50的材料和浇封的厚度均符合防爆要求。
所述传感与采集传输系统包括管道监测传感元件41、采集与无线传输电路42。
所述管道监测传感元件41固定在所述第二引流管道132内，将所述第二引流管道132内的压力、流量变换为电信号，所述电信号的信号线缆(也可称为本安信号电缆43)通过所述本安外腔15的出线嘴152进入所述本安腔内和所述采集与无线传输电路42连接。
所述采集与无线传输电路42安装在所述本安外腔15内，由所述电源转换与存储系统输出的本质安全的直流电供电，采集所述管道监测传感元件41的电信号、计算所述第二引流管道132内的压力和流量值、通过无线信号进行传输，实现监测功能。
类似的，为了保证矿用管道监测装置的防爆特性，所述定子组件24中的线圈绕组241可以通过浇封剂50密封在所述定子组件24内；所述定子组件24紧固在所述内腔11侧壁上，所述线圈绕组241的输出线缆与所述非安线缆穿孔141的间隙也可以通过所述浇封剂50填充，所述浇封剂50的材料和浇封的厚度均符合防爆要求。
通过上述结构，管道100中的流体110流经矿用管道监测装置的内腔11，在具有多个半球杯的叶轮22上产生阻力差，阻力差驱动转轴21并带动转子盘23旋转，转子盘23旋转产生变化的磁场、在定子组件24的线圈绕组241中产生交流电。定子组件24输出的交流电经电源转换电路31变为稳定的直流电，直流电可为蓄电池充电、可经本安保护电路33变为本质安全的电源。当定子组件24无输出时，电源转换电路31从电池中抽取电能，保持本安电源输出的稳定。本安电源为传感元件、采集与无线传输电路42供电。以此，管道监测装置实现了自供电。
综上所述，本发明提供的矿用管道监测装置，能够借助管道中的流体发电，为监测传感元件、采集与无线传输电路供电，多余的电能能够保存在蓄电池中，当流体不流动、装置不发电时由蓄电池为监测和传输电路供电。本发明公开的管道监测装置实现了自供电，无需外部供电、无需更换电池。
本发明提供的矿用管道监测装置中的能量收集系统的优点在于：不需要齿轮等复杂的传动机构，简单、耐磨损；完全内置于管道内部，有利于保持管道密闭性；与涡轮等方式相比，系统使用的半球形叶轮横截面较小、对管道输送阻力小，有利于保持管道输送的压力。
本发明提供的矿用管道监测装置中的能量收集系统不使用传统隔爆发电机的防爆方式，通过浇封方式对带有非本安电的部件、器件和电路进行整体封闭，简单轻巧、成本低。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种自供电的矿用管道监测装置，其特征在于，所述矿用管道监测装置包括防护壳、能量收集系统、电源转换与存储系统、传感与采集传输系统，其中：
所述防护壳的内腔安装有所述能量收集系统，所述能量收集系统包括转轴、安装在所述转轴上的叶轮、安装在所述转轴上的转子盘和与所述转子盘相对设置的定子组件，所述叶轮在流体流经所述内腔时产生阻力差，所述阻力差驱动所述转轴以带动所述转子盘旋转，所述转子盘旋转产生变化的磁场，在所述定子组件的线圈绕组中产生交流电；
所述能量收集系统与所述电源转换与存储系统电性连接，所述电源转换与存储系统将所述定子组件输出的交流电转变为稳定的直流电，所述直流电为所述电源转换与存储系统中的可充式电池充电、为所述传感与采集传输系统供电。
2.根据权利要求1所述的矿用管道监测装置，其特征在于，所述防护壳包括第一法兰、第二法兰、第一引流管道、第二引流管道、所述内腔、非安外腔和本安外腔，其中：
所述第一引流管道通过所述第一法兰与管道连接紧固，所述第二引流管道通过所述第二法兰与管道连接紧固；所述内腔位于所述第一引流管道和第二引流管道之间，所述内腔连通所述第一引流管道和所述第二引流管道；
所述内腔内安装所述能量收集系统，所述非安外腔内安装所述电源转换与存储系统，所述本安外腔内安装所述传感与采集传输系统中的采集与无线传输电路；
所述内腔与所述非安外腔之间留有1个非安线缆穿孔，所述非安外腔与所述本安外腔之间留有1个本安线缆穿孔，所述本安外腔留有多个出线嘴。
3.根据权利要求2所述的矿用管道监测装置，其特征在于，所述第二引流管道的长度大于所述第一引流管道的长度。
4.根据权利要求2所述的矿用管道监测装置，其特征在于，所述能量收集系统还包括两个轴承，所述转轴的第一端通过一个轴承固定在所述内腔第一侧壁的中心位置，所述转轴的第二端通过另一个轴承嵌在所述定子组件的中心位置；
所述叶轮具有多个均匀排布于同一圆周的半球圆杯，固定在所述转轴的中间位置；
所述转子盘固定在所述转轴的第二端，所述转子盘镶嵌偶数个永磁体，所述永磁体按照N/S、S/N、N/S的方式均匀间隔周向分布在所述转子盘上；
所述定子组件固定于所述内腔与所述第一侧壁相对的第二侧壁的中心位置，所述定子组件的内部为线圈绕组，所述线圈绕组的中心轴与所述转子盘上各个永磁体形成的圆周的轴心重合；所述线圈绕组的输出线缆通过所述非安线缆穿孔引出到所述非安外腔。
5.根据权利要求4所述的矿用管道监测装置，其特征在于，所述转子盘永磁体突出的一面朝向所述定子组件，所述转子盘与所述定子组件之间的距离不大于2mm，所述定子组件通过紧固螺栓固定于所述内腔的底板内壁上。
6.根据权利要求2所述的矿用管道监测装置，其特征在于，所述电源转换与存储系统安装在所述非安外腔内，所述电源转换与存储系统包括电源转换电路、可充式电池和本安保护电路，其中：
所述电源转换电路分别连接所述线圈绕组、所述蓄电池和所述本安保护电路；所述电源转换电路将所述线圈绕组产生的交流电变为稳定的直流电输出，所述电源转换电路输出的第一路直流电为所述可充式电池充电，所述电源转换电路输出的第二路直流电经所述本安保护电路变为本质安全的直流电；
当所述线圈绕组无电能输出时，所述电源转换电路从所述可充式电池中提取电能，输出稳定的直流电；
所述本质安全的直流电的输出线缆通过所述本安线缆穿孔引出到所述本安外腔。
7.根据权利要求6所述的矿用管道监测装置，其特征在于，所述可充式电池为可充式锂离子电池、镍氢电池或超级电容。
8.根据权利要求6所述的矿用管道监测装置，其特征在于，所述电源转换与存储系统中的电源转换电路、可充式电池和本安保护电路均通过浇封剂密封在所述非安外腔中，所述本质安全的直流电的输出线缆与所述本安线缆穿孔之间的间隙通过所述浇封剂填充，所述浇封剂的材料和浇封的厚度均符合防爆要求。
9.根据权利要求2所述的矿用管道监测装置，其特征在于，所述传感与采集传输系统包括管道监测传感元件、采集与无线传输电路，其中：
所述管道监测传感元件固定在所述第二引流管道内，将所述第二引流管道内的压力、流量变换为电信号，所述电信号的信号线缆通过所述本安外腔的出线嘴进入所述本安腔内和所述采集与无线传输电路连接；
所述采集与无线传输电路安装在所述本安外腔内，由所述电源转换与存储系统输出的本质安全的直流电供电，采集所述管道监测传感元件的电信号、计算所述第二引流管道内的压力和流量值、通过无线信号进行传输，实现监测功能。
10.根据权利要求2所述的矿用管道监测装置，其特征在于，所述定子组件中的线圈绕组通过浇封剂密封在所述定子组件内；所述定子组件紧固在所述内腔侧壁上，所述线圈绕组的输出线缆与所述非安线缆穿孔的间隙通过所述浇封剂填充，所述浇封剂的材料和浇封的厚度均符合防爆要求。
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