CN113381641B - 一种流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流量计，属新能源与流量仪表技术领域。壳体含有流体腔和电控腔，流体腔底壁上设有轴孔、侧壁上设有进出口，电控腔底壁上设有环槽和沉腔；流体腔端部装有密封盖，盖板将电路板压接在电控腔内；带半轴和叶片的轮盘上装有磁铁，半轴装在轴孔内；设有沉槽的环板将弹性膜压在环槽底壁上；沉槽和沉腔底壁上设有限位垫或由定电极和定摩擦层构成的定复合膜；弹性膜为独立的金属层或金属层与压电层及动摩擦层构成的复合膜；金属层与动摩擦层构成动复合膜；金属层与压电层构成压电俘能单元、动定复合膜构成摩擦俘能单元，复合膜弯曲变形及与定复合膜间的接触与分离即将机械能转换成电能；单位时间内的脉冲电压信号数量用于表征流体流量。
Description
技术领域
本发明属于新能源与流量仪表技术领域，具体涉及一种流量计，用于居民燃气与自来水流量的计量。
背景技术
自来水是城镇居民日常生活不可或缺的消费品，其消耗量记录与统计目前还主要由人工来完成。人工抄表不仅效率低、浪费人力物力，更主要的是抄表员往往会因住户家中无人徒劳往返多次，严重地影响了数据统计的准确性及实时性,因此人们开始研制自来水和燃气远程自动抄表系统，并以在新建住宅获得应用。虽然现有抄表系统数据处理及传输技术已很成熟，但目前尚难以在老旧小区推广应用，原因之一是其供电问题未能很好地解决、老旧住宅不便为自动抄表系统预铺设电缆，因此人们正在尝试开发一种可以实现电能自给的流量计。
目前，人们已经开发出了多种形式的压电发电供电的煤气及自来水计量表，如中国专利ZL2015100072748等，现有计量表是利用激励磁铁与被激励磁铁间的间歇式耦合力实现动力传递的，启动阻力大，不适于低速水流及煤气流量的计量。因此，开发一种低启动力矩的流量计势在必行。
发明内容
本发明提出一种流量计，本发明采用的实施方案是：隔板将壳体分隔成同轴的流体腔和电控腔，电控腔为阶梯腔，隔板朝向流体腔的一侧称为流体腔底壁、朝向电控腔的一侧称为电控腔底壁；流体腔底壁上设有上挡流板和上轴孔,上轴孔与流体腔同轴，上轴孔位于上挡流板上；流体腔侧壁上设有同轴的进口和出口；电控腔底壁上设有环槽和沉腔，环槽宽度大于沉腔直径，沉腔圆心位于环槽宽度方向的对称中心线上，沉腔沿圆周方向均布。
流体腔侧壁端部经螺钉装有密封盖，密封盖与流体腔侧壁间设有密封垫；密封盖上设有下挡流板和下轴孔,下轴孔位于下挡流板上，安装后密封盖上的下挡流板与流体腔底壁上的上挡流板正对、密封盖上的下轴孔与流体腔底壁上的上轴孔同轴。
轮盘两侧设有同轴的半轴，轮盘轮缘上设有叶片，叶片沿圆周方向均布，半轴安装在上轴孔和下轴孔内，轮盘两侧分别与上下挡流板贴合；轮盘上靠流体腔底壁一侧的圆周上均布地镶嵌有磁铁，磁铁为圆形或弧形。
电控腔侧壁端部经螺纹安装有盖板,盖板经套筒将电路板压接在电控腔的侧壁凸台上，盖板上设有显示屏和光电池。
设有沉槽的环板经螺钉安装在电控腔的环槽内，环板将弹性膜压接在环槽底壁上，弹性膜将环槽和沉腔隔开；沉槽和沉腔底壁上设有限位垫或定复合膜，定复合膜由定电极和定摩擦层构成，定电极位于定摩擦层的内侧。
弹性膜为独立的金属层，也可以为金属层与压电层或动摩擦层构成的复合膜；弹性膜为复合膜时，金属层为中间层，金属层两侧可均为压电层、亦可以均为动摩擦层、或分别为压电层和动摩擦层；金属层与其一侧的动摩擦层构成动复合膜。
弹性膜为独立的金属层及弹性膜为由金属层与其两侧摩擦层构成的复合膜时，沉槽和沉腔的底壁上均设有定复合膜；弹性膜为由金属层与其两侧压电层构成的复合膜时，沉槽和沉腔的底壁上均设有限位垫；弹性膜为由金属层与压电层和动摩擦层构成的复合膜时，压电层位于沉槽的一侧，沉槽的底壁上设有限位垫、沉腔的底壁上设有定复合膜。
金属层的材料为Fe、Ni、Co、Mn等铁磁性材料或其合金，压电层的材料为PZT类晶片或PVDF类薄膜，动摩擦层和定摩擦层的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，如：动摩擦层的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，定摩擦层的材料为聚酰胺。
弹性膜为复合膜时，弹性膜的复合层部分的直径不大于磁铁的宽度尺寸、即不大于磁铁安装在轮盘上时的径向尺寸。
本发明中，金属层与压电层构成压电俘能单元，动复合膜与定复合膜构成摩擦俘能单元，压电俘能单元和摩擦俘能单元经不同的导线组及整流桥与电路板相连，电路板上设有能量转换单元、存储单元及发射单元，存储元件为超级电容，电路板经导线与显示屏及光电池相连。
本发明中，光电池将光能转换成电能存在电路板上的超级电容中，为低功率数据显示系统提供能量；有流体流过流量计时，流体经进口流入流体腔、再经出口流出，流体驱动叶片带动轮盘及磁铁转动，从而改变磁铁与弹性膜间的相对位置及相互作用力；轮盘连续转动时,弹性膜因受磁铁的吸引力而产生沿轮盘轴向的往复弯曲变形以及与定复合膜间的交替的接触与分离，压电俘能单元和摩擦俘能单元将机械能转换成电能，所生成的电能经转换处理后存储在电路板上的超级电容中，用于大功率信息采集、处理与发射；单位时间内压电俘能单元或摩擦俘能单元所生成的脉冲电压信号数量用于表征轮盘的转速及流体流量。
本发明中，弹性膜上复合层的金属层可变形部分的半径为沉腔的半径；压电层为PZT类晶片时压电层与限位垫间的距离应小于弹性膜的最大许用变形量，动摩擦层与定摩擦层间的距离应满足接触面积比的要求，面积比是指动摩擦层与定摩擦层的接触面积与定摩擦层面积之比；弹性膜不受磁铁作用时，压电层与限位垫的间距为
动摩擦层与定摩擦层的间距为
其中
为弹性膜所受磁力，R为沉腔半径，h为弹性膜厚度，λr为接触面积比，ν和E分别为弹性膜的等效泊松比和等效弹性模量，T*为压电材料许用应力。
本发明的特色是:能量回收与流量计量一体化，使用方便、免维护；非接触激励且弹性膜上无需附加磁铁，系统固有频率高且有效频带宽；激振力连续使叶轮运行平稳，叶轮的切向阻力及启动力矩低，适于低速环境；两种俘能原理有效结合、变形量可控、无滑移摩擦磨损，发电能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中流量计的结构原理简图；
图2是本发明一个较佳实施例中壳体的结构示意图；
图3是图2的A-A视图；
图4是图2的仰视图；
图5是本发明一个较佳实施例中安装有定复合膜的环板结构示意图；
图6是图5的仰视图；
图7是本发明一个较佳实施例中复合膜的结构示意图；
图8是图7的俯视图；
图9是本发明一个较佳实施例中叶轮上安装磁铁后的结构示意图；
图10是图9的俯视图；
图11是本发明一个较佳实施例中密封盖的结构示意图。
具体实施方式
隔板a1将壳体a分隔成同轴的流体腔C1和电控腔C2，电控腔C2为阶梯腔，隔板a1朝向流体腔C1的一侧称为流体腔底壁、朝向电控腔C2的一侧称为电控腔底壁；流体腔底壁上设有上挡流板a2和上轴孔a3,上轴孔a3与流体腔C1同轴，上轴孔a3位于上挡流板a2上；流体腔C1的侧壁上设有同轴的进口a4和出口a5；电控腔底壁上设有环槽a6和沉腔a7，环槽a6的宽度大于沉腔a7的直径，沉腔a7的圆心位于环槽a6的宽度方向的对称中心线上，沉腔a7沿圆周方向均布。
流体腔C1的侧壁端部经螺钉装有密封盖b，密封盖b与流体腔C1的侧壁之间设有密封垫o；密封盖b上设有下挡流板b1和下轴孔b2,下轴孔b2位于下挡流板b1上，安装后密封盖b上的下挡流板b1与流体腔底壁上的上挡流板a2正对、密封盖b上的下轴孔b2与流体腔底壁上的上轴孔a3同轴。
轮盘g的两侧设有同轴的半轴g1，轮盘g的轮缘上设有叶片g2，叶片g2沿圆周方向均布，半轴g1安装在上轴孔a3和下轴孔b2内，轮盘g的两侧分别与上挡流板a2和下挡流板b1贴合；轮盘g上靠流体腔底壁一侧圆周上均布地镶嵌有磁铁h，磁铁h为圆形或弧形。
电控腔C2的侧壁端部经螺纹安装有盖板c,盖板c经套筒d将电路板f压接在电控腔C2的侧壁凸台上，盖板c上设有显示屏e和光电池x。
设有沉槽j1的环板j经螺钉安装在电控腔C2的环槽a6内，环板j将弹性膜i压接在环槽a6的底壁上，弹性膜i将环槽a6和沉腔a7隔开；沉槽j1和沉腔a7的底壁上设有限位垫z或定复合膜k，定复合膜k由定电极k1和定摩擦层k2构成，定电极k1位于定摩擦层k2的内侧。
弹性膜i为独立的金属层i1，也可以为金属层i1与压电层i2或动摩擦层i3构成的复合膜；弹性膜i为复合膜时，金属层i1为中间层，金属层i1的两侧可均为压电层i2、亦可以均为动摩擦层i3、或分别为压电层i2和动摩擦层i3；金属层i1与其一侧的动摩擦层i3构成动复合膜K。
弹性膜i为独立的金属层i1及弹性膜i为由金属层i1与其两侧摩擦层i3构成的复合膜时，沉槽j1和沉腔a7的底壁上均设有定复合膜k；弹性膜i为由金属层i1与其两侧压电层i2构成的复合膜时，沉槽j1和沉腔a7的底壁上均设有限位垫z；弹性膜i为由金属层i1与压电层i2和动摩擦层i3构成的复合膜时，压电层i2位于沉槽j1的一侧，沉槽j1的底壁上设有限位垫z、沉腔a7的底壁上设有定复合膜k。
金属层i1的材料为Fe、Ni、Co、Mn等铁磁性材料或其合金，压电层i2的材料为PZT类晶片或PVDF类薄膜，动摩擦层i3和定摩擦层k2的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，如：动摩擦层i3的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，定摩擦层k2的材料为聚酰胺。
弹性膜i为复合膜时，弹性膜i的复合层部分的直径不大于磁铁h的宽度尺寸、即不大于磁铁h安装在轮盘g上时的径向尺寸。
本发明中，金属层i1与压电层i2构成压电俘能单元，动复合膜K与定复合膜k构成摩擦俘能单元，压电俘能单元和摩擦俘能单元经不同的导线组及整流桥与电路板f相连，电路板f上设有能量转换单元、存储单元及发射单元，存储元件为超级电容，电路板f经导线与显示屏e及光电池x相连。
本发明中，光电池x将光能转换成电能存在电路板f上的超级电容中，为低功率数据显示系统提供能量；有流体流过流量计时，流体经进口a4流入流体腔C1、再经出口a5流出，流体驱动叶片g2带动轮盘g及磁铁h转动，从而改变磁铁h与弹性膜i间的相对位置及相互作用力；轮盘g连续转动时,弹性膜i因受磁铁h的吸引力而产生沿轮盘g轴向的往复弯曲变形以及与定复合膜k间的交替的接触与分离，压电俘能单元和摩擦俘能单元将机械能转换成电能，所生成的电能经转换处理后存储在电路板f上的超级电容中，用于大功率信息采集、处理与发射；单位时间内压电俘能单元或摩擦俘能单元所生成的脉冲电压信号数量用于表征轮盘g的转速及流体流量。
本发明中，弹性膜i上复合层的金属层可变形部分的半径为沉腔a7的半径；压电层i2为PZT类晶片时压电层i2与限位垫z间的距离Hx应小于最大的许用变形量，动摩擦层i3与定摩擦层k2间的距离Hs应满足接触面积比的要求，面积比是指动摩擦层i3与定摩擦层k2间的接触面积与定摩擦层k2的面积之比；弹性膜i不受磁铁h作用的自然状态下，压电层i2与限位垫z间的距离为
动摩擦层i3与定摩擦层k2间的距离为
其中
为弹性膜i所受磁力，R为沉腔a7的半径，h为弹性膜i的厚度，λr为接触面积比，v和E分别为弹性膜i的等效泊松比和等效弹性模量，T*为压电材料的许用应力。
Claims (3)
1.一种流量计，其特征在于：隔板将壳体分隔成流体腔和电控腔，流体腔底壁上设有上轴孔,流体腔侧壁上设有同轴的进口和出口；电控腔底壁上设有环槽和沉腔；流体腔侧壁端部装有带下轴孔的密封盖，带显示屏和光电池的盖板将电路板压接在电控腔内；带有半轴和叶片的轮盘上均布有磁铁，半轴安装在上轴孔和下轴孔内；设有沉槽的环板装在电控腔的环槽内，环板将弹性膜压接在环槽底壁上；沉槽和沉腔底壁上设有限位垫或定复合膜，定复合膜由定电极和定摩擦层构成；弹性膜为独立的金属层，或金属层与压电层或动摩擦层构成的复合膜；金属层与其一侧的动摩擦层构成动复合膜；弹性膜为独立的金属层及弹性膜为由金属层与其两侧摩擦层构成的复合膜时，沉槽和沉腔的底壁上均设有定复合膜；弹性膜为由金属层与其两侧压电层构成的复合膜时，沉槽和沉腔的底壁上均设有限位垫；弹性膜为由金属层与压电层和动摩擦层构成的复合膜时，压电层位于沉槽的一侧，沉槽的底壁上设有限位垫、沉腔的底壁上设有定复合膜；弹性膜不受磁铁作用时，压电层与限位垫的间距为
动摩擦层与定摩擦层的间距为
其中Fm为弹性膜所受磁力，R为沉腔半径，h为弹性膜厚度，λr为接触面积比，ν和E分别为弹性膜的等效泊松比和等效弹性模量，T*为压电材料许用应力；金属层与压电层构成压电俘能单元，动复合膜与定复合膜构成摩擦俘能单元，流体流过流量计时驱动轮盘及磁铁转动，弹性膜受磁铁作用产生往复弯曲变形以及与定复合膜间的交替接触与分离，压电俘能单元和摩擦俘能单元将机械能转换成电能，用于信息采集、处理与发射；单位时间内压电俘能单元或摩擦俘能单元所生成的脉冲电压信号数量用于表征流体流量。
2.根据权利要求1所述的一种流量计，其特征在于：金属层为复合膜的中间层，金属层两侧均为压电层、均为动摩擦层、或分别为压电层和动摩擦层。
3.根据权利要求1所述的一种流量计，其特征在于：金属层的材料为铁磁性材料或其合金，压电层的材料为PZT类晶片或PVDF类薄膜，动摩擦层和定摩擦层的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，一个摩擦层的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，另一个摩擦层的材料为聚酰胺。
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