CN115388961A - 一种摩擦电传感与自供电智能水表 - Google Patents

一种摩擦电传感与自供电智能水表 Download PDF

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方荣坤
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Abstract

本发明涉及一种摩擦电传感与自供电智能水表，包括表壳，表壳上设置有防护罩，表壳的两端分别固定连接有进水部和出水部，表壳内设置有密封隔层和叶轮组件，叶轮组件中固定设置有转轴，叶轮组件在水流的带动下转动以带动转轴转动；密封隔层的上方设置摩擦纳米发电模块，摩擦纳米发电模块通过转轴的转动进行发电和传感。本发明依靠转轴将水流机械能传递给摩擦纳米发电模块，利用水流的动能带动摩擦纳米发电模块进行发电，即利用水流的机械能转换为电能，同时提供摩擦电传感信号以指示流量，从而改变传统水表的能源供给与信号传感方式，减少化学电池与传感器使用及其可能造成的重金属等二次污染，实现水表水量自采集、数字化、低碳化的目标。

Description

一种摩擦电传感与自供电智能水表
技术领域
本发明涉及一种摩擦电传感与自供电智能水表。
背景技术
水资源短缺和能源危机是人类发展面临的巨大挑战，据2020年联合国世界水资源报告显示，到2050年全球淡水资源再度紧缺，570个国家淡水资源将减少10％。水资源从大自然到用户再到大自然借助管道输送，据调查统计我国城镇管网漏失率在16％以上的有500多个城市，甚至部分城市超过30％，农村管网漏失率更是高达40％，据《中国城乡建设统计年鉴》(2020)数据显示，2020年全国城市和县城综合漏损率为13.26％，部分城市漏损率甚至超过25％。这不仅造成了水资源巨大浪费，也导致给水系统能耗和碳排放量增加。水量漏失控制过程中水表起着重要作用，它是供水系统账面漏失的直接依据和节水、高效用水的重要保障手段，亦是水量漏失的重要部位。另一方面，能源危机与全球碳中和要求人类减少化石燃料使用以降低化学碳排，文献资料表明我国2060年实现碳中和目标需每年规划2.5Gt CO2的负排放量。能源转型成为世界各国竞相发展的目标，如太阳能、风能、氢能等，利用各种新型能源成为支撑人类生活、生产等活动的必然选择。在此巨大压力下，传统能源供给方式不再适宜于“双碳”背景下水表行业发展。
传统水表是一种基于水流机械能带动水表壳体内齿轮转动，以记录水量数据的机械式仪表。上门抄表难度大、工人调度小，长时间使用造成机械磨损而导致示数不准确、水量漏失等，随着全球水资源短缺的紧迫局势发展，该种水表逐渐退出市场。在传统水表基础上加装智能IC卡、无线传感等是目前主要采用的水表，即智能水表，可实现远程操控供断水、智能抄表等目标。同时，近几年发展较快的电子式水表(利用电磁效应、超声波原理测流速)，因容易受到环境中噪声、震动等干扰、费用昂贵、相关技术标准规范少，造成其使用率低、缺乏市场。据估计，2028年智能水表市值将超过70亿美元，全球水需求、水节约以及大数据智能化管控无疑是推动智能水表行业发展的内在动力。然而，现有的智能水表中的电控设备均需电池或市电供能，电池使用与更换成本以及可能带来的二次污染不容小觑，而市电存在近距离供电局限性，并且智能水表中电控设备额外增加的体积也降低了安装的便携性并增加制造成本。因此，亟需研发一种水量实时反馈、新型供能方式、体积小的新型智能水表。
最近，自供电与传感的摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerators，TENG)的产能形式被推上浪尖，研究涉及领域众多，如海浪能、雨滴能收集等微频机械能。调查传统智能水表发现，电池容量为800mAh的锂电池，可供智能水表传感与数显使用5年以上。基于此，依托实际摩擦产电性能测试数据，本发明创造性提出一种摩擦电传感与自供电智能水表。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种摩擦电传感与自供电智能水表。
本发明的技术方案是这样的：
一种摩擦电传感与自供电智能水表，包括表壳，所述表壳上设置有防护罩，所述表壳的两端分别固定连接有进水部和出水部，所述进水部中设置有进水口，所述出水部中设置有出水口，所述表壳的上部设置有示数表盘，所述表壳的顶部螺纹连接有镜面视窗，所述表壳内设置有密封隔层，所述防护罩位于所述镜面视窗的一侧，所述防护罩内部设置有控制电路板和充电电池；所述出水部中设置有电子阀门，所述电子阀门通过导线与所述控制电路板电连接，且所述电子阀门的上端位于所述防护罩内部；
所述表壳内位于所述密封隔层的下方设置有叶轮组件，所述叶轮组件中固定设置有转轴，所述叶轮组件在所述表壳内流经的水流的带动下进行转动以带动所述转轴转动；所述转轴的下端与所述表壳的底部转动连接，所述转轴贯穿所述密封隔层并向上延伸，所述转轴与所述密封隔层转动连接，所述密封隔层的上方设置有摩擦纳米发电模块；
所述摩擦纳米发电模块包括第一组件和第二组件，所述第一组件包括第一摩擦层和第一支撑层，所述第一摩擦层位于所述第一支撑层的侧面，所述第二组件包括第二摩擦层和第二支撑层，所述第二摩擦层位于所述第二支撑层的侧面，且所述第二摩擦层位于靠近所述第一摩擦层的一侧；
所述摩擦纳米发电模块通过所述转轴的转动进行发电，所述摩擦纳米发电模块通过导线与控制电路板电连接，且所述控制电路板通过导线与充电电池电连接；通过利用水流冲击所述叶轮组件转动，以带动所述摩擦纳米发电模块进行发电并储存于所述充电电池；同时，依靠所述摩擦纳米发电模块的摩擦产电信号，根据摩擦纳米发电模块的电信号频率、大小与水量关系以实现水量信号传感。
所述第一组件设置在所述第二组件的上方，所述第一组件还包括第一缓冲层和电路金属层，所述第二组件还包括第二缓冲层，其中：所述电路金属层位于所述第一摩擦层与所述第一支撑层之间，所述第一支撑层的上表面通过连接杆与所述镜面视窗的下表面固定连接，所述第一缓冲层固定设置在所述第一支撑层的下表面，所述电路金属层固定设置在所述第一缓冲层的下表面，所述第一摩擦层固定设置在所述电路金属层的下表面；所述第二摩擦层固定设置在所述第二缓冲层的上表面，所述第二支撑层固定设置所述第二缓冲层的下表面。
所述转轴的上端与所述第二支撑层的下表面固定连接，所述第二支撑层在所述转轴的转动下进行旋转运动，进而带动所述第二摩擦层与所述第一摩擦层实现摩擦接触。
所述第一组件还包括第一金属层，所述第一金属层位于所述第一摩擦层与所述第一缓冲层之间，所述第二组件还包括第二金属层，所述第二金属层设置在所述第二摩擦层和第二缓冲层之间。
所述第一组件设置在所述第二组件的上方，所述转轴的上端设置有旋转组件，所述旋转组件包括第一旋转圆盘和第二旋转圆盘，所述第一旋转圆盘设置在所述第二旋转圆盘的上方。
所述第一旋转圆盘包括第一旋转圆盘本体，所述第一旋转圆盘本体的下表面沿圆周方向均匀设置有多个第一旋转齿；所述第二旋转圆盘包括第二旋转圆盘本体，所述第二旋转圆盘本体的上表面沿圆周方向均匀设置有多个第二旋转齿，且所述第二旋转齿与所述第一旋转齿啮合传动；所述第一旋转圆盘本体的上表面与所述第二支撑层的下表面固定连接，所述转轴的上端与所述第二旋转圆盘本体的下表面固定连接。
所述第二旋转圆盘在所述转轴的转动下进行旋转运动，所述第二旋转圆盘在旋转运动的过程中，通过所述第二旋转齿与所述第一旋转齿的啮合连接，以使所述第一旋转圆盘进行上升和下降的往复运动，进而带动所述第二摩擦层，使其与所述第一摩擦层实现接触与分离。
所述第一组件设置在所述第二组件的右侧，其中：所述第一摩擦层固定设置在所述第一金属层的左侧面，所述第一金属层的右侧面固定设置在所述第一缓冲层的左侧面，所述第一缓冲层的右侧面固定设置在所述第一支撑层的左侧面；
所述第二摩擦层固定设置在所述第二金属层的右侧面，所述第二金属层的左侧面固定设置在所述第二缓冲层的右侧面，所述第二缓冲层的左侧面固定设置在所述第二支撑层的右侧面。
所述第二支撑层的左侧面与第一连杆的右端固定连接，所述第一连杆滑动设置在限位块的限位滑道中，所述第一连杆的左端与第二连杆的右端活动连接，所述第二连杆的左端活动连接有固定螺栓，所述固定螺栓的一端固定设置在连接块中，所述连接块与所述转轴的顶端固定连接；
所述转轴在转动的过程中，通过所述连接块、固定螺栓、第二连杆、限位块以及第一连杆的配合，带动所述第一连杆在所述限位块的所述限位滑道中进行水平方向的往复运动，进而在所述转轴旋转运动的过程中所述第二摩擦层与所述第一摩擦层实现接触与分离。
所述表壳内还设置有密封壳，所述密封壳的上端开口，所述第二组件通过所述开口设置在所述密封壳内，所述转轴的上端贯穿所述密封壳并向上延伸，所述转轴与所述密封壳的底部为转动连接，且所述转轴与所述密封壳连接处设置有密封圈以实现密封。
本发明具有以下优点和有益效果：本发明提供的摩擦电传感与自供电智能水表，通过水表壳体内的叶轮受进水水流冲击旋转，依靠转轴将这种水流机械能传递给摩擦纳米发电模块，即利用水流动能带动摩擦纳米发电机旋转摩擦或接触—分离，将机械能转化为电能，同时获取摩擦电信号，从而改变水表传统的能源供给与信号传感方式，减少化石燃料使用及化学电池造成的重金属等二次污染，实现水表水量自采集、数字化、低碳化的目标。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的摩擦电传感与自供电智能水表的剖视结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的摩擦纳米发电模块的结构示意图。
图3为本发明实施例1提供的摩擦纳米发电模块中第一组件的分解结构示意图。
图4为本发明实施例1提供的摩擦纳米发电模块中第二组件的分解结构示意图。
图5为本发明实施例1提供的摩擦纳米发电模块与叶轮组件相配合的结构示意图。
图6为本发明实施例1提供的摩擦纳米发电模块的旋转转速与电压、电流关系的示意图。
图7为本发明实施例2提供的摩擦纳米发电模块与旋转组件相配合的结构示意图。
图8为本发明实施例2提供的旋转组件与转轴相配合的分解结构示意图。
图9为本发明实施例2提供的旋转组件与转轴相配合的剖视结构示意图。
图10为本发明实施例2提供的摩擦纳米发电模块中第一组件的剖视结构示意图。
图11为本发明实施例2提供的摩擦纳米发电模块中第二组件的剖视结构示意图。
图12为本发明实施例3提供的摩擦纳米发电模块与连接块、固定螺栓、第二连杆、限位块以及第一连杆相配合的结构示意图。
图13为本发明实施例3提供的摩擦纳米发电模块中第一组件的剖视结构示意图。
图14为本发明实施例3提供的摩擦纳米发电模块中第二组件的剖视结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1至图5所示：为本发明实施例1提供的摩擦电传感与自供电智能水表，包括表壳1，所述表壳1上设置有防护罩2，所述表壳1的两端分别固定连接有进水部3和出水部4，所述进水部3中设置有进水口5，所述出水部4中设置有出水口6，所述表壳1的上部设置有示数表盘7，所述表壳1的顶部螺纹连接有镜面视窗8，所述表壳1内设置有密封隔层9，所述防护罩2位于所述镜面视窗8的一侧，所述防护罩2的内部设置有控制电路板13和充电电池14；
所述表壳1内位于所述密封隔层9的下方设置有叶轮组件11，所述叶轮组件11中固定设置有转轴12，所述叶轮组件11在所述表壳1内流经的水流的带动下进行转动以带动所述转轴12转动；
所述转轴12的下端与所述表壳1的底部转动连接，所述转轴12贯穿所述密封隔层9并向上延伸，所述转轴12与所述密封隔层9转动连接，所述密封隔层9的上方设置有摩擦纳米发电模块20；
所述摩擦纳米发电模块20包括第一组件21和第二组件22，所述第一组件21包括第一摩擦层211、第一缓冲层213和第一支撑层214，所述第一缓冲层213位于所述第一摩擦层211与所述第一支撑层214之间，所述第二组件22包括第二摩擦层221、第二缓冲层223和第二支撑层224，所述第二缓冲层223位于所述第二摩擦层221与所述第二支撑层224之间，且所述第二摩擦层221位于靠近所述第一摩擦层211的一侧；
所述摩擦纳米发电模块20通过所述转轴12的转动进行发电，所述摩擦纳米发电模块20通过导线与所述控制电路板13电连接，且所述控制电路板13通过导线与充电电池14电连接。
所述第一组件21设置在所述第二组件22的上方，所述第一组件21还包括电路金属层212，其中：
所述电路金属层212位于所述第一摩擦层211与所述第一缓冲层213之间，且所述电路金属层212通过导线与所述控制电路板13电连接，所述第一支撑层214的上表面通过连接杆(图中未示出)与所述镜面视窗8的下表面固定连接，所述第一缓冲层213固定设置在所述第一支撑层214的下表面，所述电路金属层212固定设置在所述第一缓冲层213的下表面，所述第一摩擦层211固定设置在所述电路金属层212的下表面；
所述第二摩擦层221固定设置在所述第二缓冲层223的上表面，所述第二支撑层224固定设置在所述第二缓冲层223的下表面。
所述转轴12的上端与所述第二支撑层224的下表面固定连接，所述第二支撑层224在所述转轴12的转动下进行旋转运动，进而带动所述第二摩擦层221与所述第一摩擦层211实现摩擦接触。
所述表壳1内还设置有密封壳50，所述密封壳50的上端开口，所述第二组件22通过所述开口设置在所述密封壳50内，所述转轴12的上端贯穿所述密封壳50并向上延伸，所述转轴12与所述密封壳50的底部为转动连接，且所述转轴12与所述密封壳50连接处设置有密封圈(图中未示出)以实现密封。
所述第二摩擦层221由120个中心角为1.5°的扇形尼龙薄膜或扇形铜片构成，相邻两个所述扇形尼龙薄膜或扇形铜片之间的夹角为3°，且所述扇形铜片的厚度≤75μm。
所述电路金属层212由120个中心角为1.5°的扇形铜电极构成，每个所述扇形铜电极的厚度≤75μm，相邻两个所述扇形铜电极之间通过扇形槽分隔开且形成叉指结构，分别形成正电极和负电极，所述电路金属层212的正电极与所述充电电池14的正极电连接，且所述电路金属层212的负电极与所述充电电池14的负极电连接。
所述出水部4中设置有电子阀门16，所述电子阀门16通过导线与所述控制电路板13电连接。
所述第一支撑层214和第二支撑层224均由亚克力板构成，所述第一缓冲层213和第二缓冲层223均由缓冲泡棉构成。通过上述设计，也即第一支撑层214和第二支撑层224均由亚克力板构成，因此可对第一组件21和第二组件22起到良好的支撑作用；第一缓冲层213和第二缓冲层223均由缓冲泡棉构成，进而可对第一组件21和第二组件22起到良好的缓冲作用，并且增强第一摩擦层211和第二摩擦层221的摩擦产电效果，同时延长第一组件21和第二组件22的使用寿命。
如图1所示，镜面视窗8与表壳1之间通过内螺纹连接，在镜面视窗8上下均垫有密封胶圈保证密封性，转轴12依靠叶轮组件11的转动力以带动摩擦纳米发电模块20中的第二组件22进行转动，通过流量、转速与摩擦产电信号关系换算，将流量、水量、电量等信息显示于示数表盘7上。通过设置的密封隔层9，可保证摩擦发电模块20、控制电路板13、充电电池14等构件不受水流影响。通过设置密封壳50，可进一步保证摩擦纳米发电模块20的密封性，转轴12贯穿密封壳50的底部并向上延伸，转轴12与密封隔层9、密封壳50之间通过密封圈进行密封，同时涂覆防水层，起到防水和润滑的作用，杜绝转轴12和密封壳50连接处浸水，并保证连接处低阻力转动。
具体的，摩擦纳米发电模块20分为上部的固定端(也即第一组件)和下部的驱动端(也即第二组件)两部分，如图3所示，固定端的主要部件由下至上依次为第一摩擦层211、电路金属层212、第一缓冲层213和第一支撑层214，其中，所述电路金属层212为PCB叉指电路板；如图4所示，驱动端的主要部件由上至下依次为第二摩擦层221、第二缓冲层223和第二支撑层224。该实施例的智能水表的自供电实现是利用水流冲击所述叶轮组件11转动，以带动所述摩擦纳米发电模块20中驱动端的转动进行发电并储存于所述充电电池14；同时，依靠所述摩擦纳米发电模块20的摩擦产电信号，根据摩擦纳米发电模块20的电信号频率、大小与水量关系以实现水量信号传感。
摩擦纳米发电模块(也即摩擦纳米发动机)的发电原理是以摩擦起电和静电感应为依据，当定子(也即固定端)与转子(也即驱动端)接触摩擦时，在定子的两电极中会感应出电子，从而在外电路中形成电流。本发明的智能水表产生的电能经电路管理器整理稳定后输送给充电电池14进行储存，以持续不断地供给智能水表用电需求；同时，水流作用引起的摩擦电信号实时传送至控制电路板13与智能芯片(图中未示出)，从而处理和记录流量、水量等信息，并数显于示数表盘7。
本发明智能水表的巧妙之处是借助水流机械能损失部位的水表叶轮转动作为动力源，且摩擦纳米发电模块相比电磁发电具有可收集低频性机械能的优点，故只要叶轮组件转动，发电装置(也即摩擦纳米发电模块)就会输出电能。摩擦纳米发电模块的产电信号(如频率、电流、电压等)受水流冲击叶轮组件转速的影响，实验表明水流流速(叶轮转速)与摩擦电信号的频率、电流或电压大小成一定关系，当水流冲击叶轮组件时，在控制电路板13中会采集到摩擦纳米发电模块传来的此时水流对应的电流或电压以及频率信息，经换算得到的电流、电压、电量、流量、水量等数字信号显示于示数表盘上，供用户查看。如图6所示，显示了摩擦纳米发电模块的旋转转速与电压、电流关系。特别地，当本发明智能水表作为预付费水表时，用水量超出预支付水量后，通过智能芯片电控操作可启动电子阀门闭阀。
同时，摩擦纳米发电模块的接触摩擦面为耐磨的尼龙(或径向铜片)和聚四氟乙烯(PTFE)膜，摩擦系数低，故水表的水头损失小。注意到，任何供水系统都必须保证用户水流出口处一定的水压，均存在局部水头损失，这部分压损随水龙头等用水口打开而白白被浪费掉，因此，在不增加供水压力情况下，保证正常出水的同时收集水流机械能的微型发电机有望成为新型智能水表的有效供能方式。相比于传统机械齿轮传动和电池供能的水表而言，将齿轮组部件去掉，转轴不再驱动齿轮转动，而是带动摩擦纳米发电模块转动以产能发电，不仅简化智能水表的构造、减小水表尺寸、安装使用便携，同时实现分散式机械能收集以摩擦纳米发电、摩擦电传感以记录流量信号。控制电路板13包含电信号采集与计算处理单元，实现智能水表的电子阀门控制电路功能。
实施例2
如图7至图11所示，为本发明实施例2提供的摩擦电传感与自供电智能水表，其与实施例1的区别为：
所述转轴12的上端设置有旋转组件30，所述旋转组件30包括第一旋转圆盘31和第二旋转圆盘32，所述第一旋转圆盘31设置在所述第二旋转圆盘32的上方，其中：
所述第一旋转圆盘31包括第一旋转圆盘本体310，所述第一旋转圆盘本体310的下表面沿圆周方向均匀设置有多个第一旋转齿311；
所述第二旋转圆盘32包括第二旋转圆盘本体320，所述第二旋转圆盘本体320的上表面沿圆周方向均匀设置有多个第二旋转齿321，且所述第二旋转齿321与所述第一旋转齿311啮合传动。
所述第一组件21还包括第一金属层215，所述第一金属层215设置在所述第一摩擦层211和第一缓冲层213之间；
所述第二组件22还包括第二金属层222，所述第二金属层222设置在所述第二摩擦层221和第二缓冲层223之间；
所述第一旋转圆盘本体310的上表面与所述第二支撑层224的下表面固定连接，所述转轴12的上端与所述第二旋转圆盘本体320的下表面固定连接；
所述第二旋转圆盘32在所述转轴12的转动下进行旋转运动，所述第二旋转圆盘32在旋转运动的过程中，通过所述第二旋转齿321与所述第一旋转齿311的啮合连接，以使所述第一旋转圆盘31进行上升和下降的往复运动，进而带动所述第二摩擦层221，使其与所述第一摩擦层211实现接触与分离；同时通过设置阻挡(图中未示出)，来限制第一旋转圆盘31的圆周运动。
本发明实施例2中的摩擦纳米发电模块利用转轴的圆周转动驱动摩擦纳米发电模块在竖直方向上进行上下运动，以实现接触摩擦发电与信号传感，即为接触—分离式摩擦纳米发电智能水表。该设计可避免摩擦接触面切线方向的摩擦阻力，减少摩擦层(也即第一摩擦层和第二摩擦层)的磨损。通过调节旋转圆盘上旋转齿的个数可实现摩擦层相互接触的频率，进而调控摩擦产电信号的频率与摩擦产电效率；根据接触频率可反推转速以定量叶轮组件的转速，从而通过转速与水量关系换算获得流量、水量等信息，实现流量、水量等参数的摩擦电信号在线实时传感。
叶轮组件转动产生的圆周运动使摩擦纳米发电模块竖直方向的上下接触模型，以及摩擦纳米发电模块和转轴的连接，如图7、图8和图9所示。与实施例1中的摩擦纳米发电模块不同的是，本发明实施例2中的第一金属层215和第二金属层222均为铜电极，无需做成叉指结构的铜栅结构，只用通过贴上大小合适的铜箔即可，摩擦纳米发电模块中的第二摩擦层221设置为与第一摩擦层211(如PTFE膜)电负性或极性相差较大的尼龙膜。设第一旋转圆盘31上的第一旋转齿311和第二旋转圆盘32上的第二旋转齿321的每个高度均为d，当第一旋转齿311和第二旋转齿321恰好啮合时，第一组件21中第一摩擦层211和第二组件22中第二摩擦层221之间的间距为d；当第二旋转圆盘32随转轴12旋转时，第二旋转齿321推动第一旋转齿311，使第一旋转圆盘31向上运动，从而带动第二组件22向上运动，第一摩擦层211和第二摩擦层221之间的间距d1＜d，直至d1＝0，第一摩擦层211与第二摩擦层221接触；第二旋转圆盘32继续随转轴12旋转后，第一摩擦层211与第二摩擦层221又分离开来，如此往复，实现两个摩擦层的接触-分离频繁更迭以摩擦接触产电。
由于旋转齿的坡度越小阻力越小，上下运动幅度越小越节能，故坡度与d的大小应根据垂直接触—分离摩擦纳米发电情况确定；一定范围内，电能输出性能随坡度与d的增加而增加，但坡度与d过大，将消耗更多的能量。实施例2中的第一旋转齿和第二旋转齿的坡度设计为30°，高度设计为5mm。
本发明实施例2中，摩擦纳米发电模块的发电原理是以摩擦起电和静电感应为依据，当摩擦纳米发电模块20中的第一组件21和第二组件22相互接触时，在第一金属层215和第二金属层222上的铜片中会感应出电荷，进而由于电势差而在外通路中形成电流。当该摩擦纳米发电模块20的第一组件21中的第一摩擦层211与第二组件22中的第二摩擦层221接触时，因两接触面材料的电负性不同，会在两表面形成符合相反的表面电荷；当两摩擦层(也即第一摩擦层211和第二摩擦层221)发生分离时，两摩擦层中间形成空气间隙，在第一组件中的第一金属层215与第二组件中的第二金属层222之间形成感应电势差。当第一金属层215和第二金属层222通过负载或充电电池连接在一起，电子将通过负载或充电电池从一个金属电极层流向另一个金属电极层，形成一个反向的电势差以平衡静电场。当两个摩擦层间距为零(即相互接触)时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子发生回流。基于此，在外电路便形成电流，可将该模式产生的电能进行原位利用供给水表使用或充电电池储能。
本发明实施例2提供的接触—分离式摩擦纳米发电智能水表，其动力源来自叶轮组件在水流下的轴向转动，经旋转组件带动摩擦接触面上下运动，如图7所示。将旋转组件制作为类齿轮结构，旋转组件将轴向圆周运动传递为上下运动，带动摩擦纳米发电模块中的第一组件和第二组件实现接触-分离的往复运动，实现接触起电。由于每次接触—分离都会产生波动的电信号且电信号的峰值与接触—分离频率相关，故根据产生电信号频率、峰值与叶轮组件转动的圈数、转速的关系，经换算可获得流量、水量与电信号(电流、电压、频率)的关系，从而实现水量的在线实时检测。该过程省去二次信号的传递转化过程，减少了信号损失。
实施例3
如图12至图14所示，为本发明实施例3提供的摩擦电传感与自供电智能水表，其与实施例2的区别为：
所述第一组件21设置在所述第二组件22的右侧，其中：所述第一摩擦层211固定设置在所述第一金属层215的左侧面，所述第一金属层215的右侧面固定设置在所述第一缓冲层213的左侧面，所述第一缓冲层213的右侧面固定设置在所述第一支撑层214的左侧面。
所述第二摩擦层221固定设置在所述第二金属层222的右侧面，所述第二金属层222的左侧面固定设置在所述第二缓冲层223的右侧面，所述第二缓冲层223的左侧面固定设置在第二支撑层224的右侧面；所述第二支撑层224的左侧面与第一连杆41的右端固定连接，所述第一连杆41滑动设置在限位块43的限位滑道46中，所述第一连杆41的左端与第二连杆42的右端活动连接，所述第二连杆42的左端活动连接有固定螺栓44，所述固定螺栓44的一端固定设置在连接块45中，所述连接块45与所述转轴12的顶端固定连接，也即固定螺栓44的一端固定设置在连接块45中，且固定螺栓44的另一端与所述第二连杆42的一端活动连接，同时限位块43与表壳1固定连接，对第一连杆41起到限位和支撑的作用；
所述转轴12在转动的过程中，通过所述连接块45、固定螺栓44、第二连杆42、限位块43以及第一连杆41的配合，带动所述第一连杆41在所述限位块43的所述限位滑道46中进行水平方向的往复运动，进而在所述转轴12旋转运动的过程中所述第二摩擦层221与所述第一摩擦层211实现接触与分离。
本发明实施例3的摩擦纳米发电模块发电原理同实施例2。所述摩擦纳米发电模块的往复运动的动力靠借限位块43-第一连杆41-第二连杆42-固定螺栓44-连接块45-转轴12所传动。具体的，摩擦纳米发电模块的接触拍打通过第一连杆41和第二连杆42之间的活动连接，以及第二连杆42通过固定螺栓44与连接块45活动连接，且转轴12的顶端与所述连接块45固定连接，同时第一连杆41在限位块43中的限位滑道46中滑动连接，由叶轮组件11的转动带动转轴12旋转运动，进而通过连接块45带动固定螺栓44进行圆周运动，同时由于第二连杆42的两端分别与固定螺栓44和第一连杆41活动连接，可带动第一连杆41在限位块43中的限位滑道46中进行水平方向上的往复运动，进而实现摩擦纳米发电模块20中的第二组件22在水平方向上的往复运动，也即转轴12旋转运动的过程中实现第二摩擦层221与所述第一摩擦层211接触与分离。
根据水流速不同，转轴12的转速不同，则电信号频率不同，以此为依据，实现电信号与水量间的关系换算。该实施例中摩擦电信号传感水流量主要取决于水流带动叶轮旋转速度，巧妙的将传动组件的机械能转化为电能；同时，摩擦纳米发电模块的运动为水平往复运动，故有望减小智能水表的纵向空间，实现水表的扁平化设计，特别适用于竖向空间窄小场景下智能水表的安装与应用。
本发明实施例提供的摩擦电传感与自供电智能水表，将助力“3060”双碳目标下智慧水务建设。依托传统机械水表、智能传感水表相关设计，基于接触起电和静电感应原理，通过摩擦纳米发电模块实现自传感与自供电功能。水表表壳内的叶轮组件受进水水流冲击进行旋转，依靠转轴将这种水流机械能传递给摩擦纳米发电模块，即利用水流动能带动摩擦纳米发电机旋转摩擦或接触—分离将机械能转化为电能。一方面，改变水表传统能源的供给方式，减少大量分散式水表使用过程中能源消耗，减少化学电池使用及其带来的二次污染，并回避市电远距离供能困难问题；另一方面，拓展智能水表流量采集方式为摩擦电信号传感，减小水表的体积与制作成本。通过摩擦层新材料选择与开发，以及水表结构创新性设计，使本发明实施例提供的摩擦电传感与自供电智能水表的水头损失不高于传统智能水表，依托摩擦接触产电以及摩擦电信号传感，实现智能水表的自采集、数字化、小型化与低碳化。
本发明实施例提供的一种摩擦电传感与自供电智能水表，具有以下特点：
(1)能源零输入、减少污染。传统的智能水表需要靠电池或市电维持正常工作，受限于电池的使用寿命与二次污染、搭建电网高昂的费用等，一旦在市外或电池不能及时供电的情况下，信号采集将面临瘫痪状态。本发明无需外界电力，在不增加水表水头损失的情况下，依托接触起电、静电感应，利用水流机械能发电，供水表信号采集与传感系统使用，节约能源，助力碳中和；同时，减少电池使用并避免电池的二次污染；
(2)提供一种新型的流量检测装置。本发明基于摩擦纳米发电模块产生的电信号(电压或电流)与水流流量的关系，将电信号直接转化水流流量信号，运行过程无二次信号转化，避免传统传感信号经多次转换失真的问题；
(3)体积小、成本低。本发明减少了水表中电池与机械传动构件使用，故可大幅降低传统智能水表的制作成本，系统更简单，体积更小；同时，摩擦纳米发电模块制作简单，结构简易，接触层材料为常见的聚合高分子物质，原材料价格低廉、极易获取。
本发明实施例提供的一种摩擦电传感与自供电智能水表，其技术要求符合《饮用冷水水表和热水水表第1部分：计量要求和技术要求》(GB/T778.1-2018)、智能水表型式及功能技术规范(CMA/WM004-2014)等，在测量条件下，能连续测量、记录和显示流量，实现参数识别、数据处理、数据通信及电控阀受控起闭。电源系统由摩擦产电提供，可分为无源电源(摩擦产电直接供能)和可充电电源(摩擦产电给充电电池充电)两种形式，亦可两种电源并联供电，充电电池的电能源于摩擦电直供水表外富余能量。电源管理器可调整正常输出电压3.6V、静态工作电流≤10μA，正常工作电流≤20μA，满足GB/T778.1-2018规范中第5章电源要求。过水流量Q1、Q2、Q3、Q4参考《饮用冷水水表检定规程》(JJG162-2019)、《建筑给水排水工程》第七版设计，水表设计工程口径：15mm≤DN≤250mm。建筑小区家用时，设计常用流量Q3＝6.3m3/h，公称口径DN＝25mm。参考GB/T 778.1-2018、《建筑给水排水设计标准》(GB 50015-2019)、《封闭满管道中水流量的测量饮用冷水水表和热水水表》(GB/T778.1-2007)，本发明智能水表压力损失等级设置为△p63，温度等级T30，准确度一级±3％。
本发明实施例提供的一种摩擦电传感与自供电智能水表，不局限于供水管网水流机械能收集，其他一切能带动旋转叶轮转动使摩擦纳米发电机产生电信号的任何溶液、气体等方式亦属于被专利保护内容。
本发明实施例提供的一种摩擦电传感与自供电智能水表，并不局限于所举例子，其他原理与工作方式相同的过程亦属于保护范围。
本发明实施例提供的一种摩擦电传感与自供电智能水表，不仅针对弱水流机械能的利用，也适用于机械能损失较大的场景。
本发明实施例提供的一种摩擦电传感与自供电智能水表，利用摩擦纳米材料及结构设计以收集分散式水流机械能，应用于智能水表，拓展了摩擦纳米发电应用场景，助力智慧水务中水表行业的“碳中和”实现。
本发明实施例提供的一种摩擦电传感与自供电智能水表，对水系统中的水流机械能收集利用，供给同场景下传感器等仪表用电；将特定场景收集的水流机械能直接就近储存于可充电电池中，实现能量利用与收集一体化。
本发明实施例提供的一种摩擦电传感与自供电智能水表，直接采集摩擦电信号并换算成流量、水量等信息，无需经过其他形式的信号转换即可反馈实际水流工况。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于：包括表壳，所述表壳上设置有防护罩，所述表壳的两端分别固定连接有进水部和出水部，所述进水部中设置有进水口，所述出水部中设置有出水口，所述表壳的上部设置有示数表盘，所述表壳的顶部螺纹连接有镜面视窗，所述表壳内设置有密封隔层，所述防护罩位于所述镜面视窗的一侧，所述防护罩内部设置有控制电路板和充电电池；所述出水部中设置有电子阀门，所述电子阀门通过导线与所述控制电路板电连接，且所述电子阀门的上端位于所述防护罩内部；
所述表壳内位于所述密封隔层的下方设置有叶轮组件，所述叶轮组件中固定设置有转轴，所述叶轮组件在所述表壳内流经的水流的带动下进行转动以带动所述转轴转动；所述转轴的下端与所述表壳的底部转动连接，所述转轴贯穿所述密封隔层并向上延伸，所述转轴与所述密封隔层转动连接，所述密封隔层的上方设置有摩擦纳米发电模块；
所述摩擦纳米发电模块包括第一组件和第二组件，所述第一组件包括第一摩擦层、第一缓冲层和第一支撑层，所述第一缓冲层位于所述第一摩擦层和所述第一支撑层之间，所述第二组件包括第二摩擦层、第二缓冲层和第二支撑层，所述第二缓冲层位于所述第二摩擦层与所述第二支撑层之间，且所述第二摩擦层位于靠近所述第一摩擦层的一侧；
所述摩擦纳米发电模块通过所述转轴的转动进行发电，所述摩擦纳米发电模块通过导线与控制电路板电连接，且所述控制电路板通过导线与充电电池电连接；通过利用水流冲击所述叶轮组件转动，以带动所述摩擦纳米发电模块进行发电并储存于所述充电电池；同时，依靠所述摩擦纳米发电模块的摩擦产电信号，根据摩擦纳米发电模块的电信号频率、大小与水量关系以实现水量信号传感。
2.根据权利要求1所述的摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于，所述第一组件设置在所述第二组件的上方，所述第一组件还包括电路金属层，其中：
所述电路金属层位于所述第一摩擦层与所述第一支撑层之间，所述第一支撑层的上表面通过连接杆与所述镜面视窗的下表面固定连接，所述第一缓冲层固定设置在所述第一支撑层的下表面，所述电路金属层固定设置在所述第一缓冲层的下表面，所述第一摩擦层固定设置在所述电路金属层的下表面；
所述第二摩擦层固定设置在所述第二缓冲层的上表面，所述第二支撑层固定设置所述第二缓冲层的下表面。
3.根据权利要求2所述的摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于，所述转轴的上端与所述第二支撑层的下表面固定连接，所述第二支撑层在所述转轴的转动下进行旋转运动，进而带动所述第二摩擦层与所述第一摩擦层实现摩擦接触。
4.根据权利要求1所述的摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于，所述第一组件还包括第一金属层，所述第一金属层位于所述第一摩擦层与所述第一缓冲层之间，所述第二组件还包括第二金属层，所述第二金属层设置在所述第二摩擦层和第二缓冲层之间。
5.根据权利要求4所述的摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于，所述第一组件设置在所述第二组件的上方，所述转轴的上端设置有旋转组件，所述旋转组件包括第一旋转圆盘和第二旋转圆盘，所述第一旋转圆盘设置在所述第二旋转圆盘的上方。
6.根据权利要求5所述的摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于，所述第一旋转圆盘包括第一旋转圆盘本体，所述第一旋转圆盘本体的下表面沿圆周方向均匀设置有多个第一旋转齿；
所述第二旋转圆盘包括第二旋转圆盘本体，所述第二旋转圆盘本体的上表面沿圆周方向均匀设置有多个第二旋转齿，且所述第二旋转齿与所述第一旋转齿啮合传动；
所述第一旋转圆盘本体的上表面与所述第二支撑层的下表面固定连接，所述转轴的上端与所述第二旋转圆盘本体的下表面固定连接。
7.根据权利要求6所述的摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于，所述第二旋转圆盘在所述转轴的转动下进行旋转运动，所述第二旋转圆盘在旋转运动的过程中，通过所述第二旋转齿与所述第一旋转齿的啮合连接，以使所述第一旋转圆盘进行上升和下降的往复运动，进而带动所述第二摩擦层，使其与所述第一摩擦层实现接触与分离。
8.根据权利要求4所述的摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于，所述第一组件设置在所述第二组件的右侧，其中：
所述第一摩擦层固定设置在所述第一金属层的左侧面，所述第一金属层的右侧面固定设置在所述第一缓冲层的左侧面，所述第一缓冲层的右侧面固定设置在所述第一支撑层的左侧面；
所述第二摩擦层固定设置在所述第二金属层的右侧面，所述第二金属层的左侧面固定设置在所述第二缓冲层的右侧面，所述第二缓冲层的左侧面固定设置在所述第二支撑层的右侧面。
9.根据权利要求8所述的摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于，所述第二支撑层的左侧面与第一连杆的右端固定连接，所述第一连杆滑动设置在限位块的限位滑道中，所述第一连杆的左端与第二连杆的右端活动连接，所述第二连杆的左端活动连接有固定螺栓，所述固定螺栓的一端固定设置在连接块中，所述连接块与所述转轴的顶端固定连接；
所述转轴在转动的过程中，通过所述连接块、固定螺栓、第二连杆、限位块以及第一连杆的配合，带动所述第一连杆在所述限位块的所述限位滑道中进行水平方向的往复运动，进而在所述转轴旋转运动的过程中所述第二摩擦层与所述第一摩擦层实现接触与分离。
10.根据权利要求1所述的摩擦电传感与自供电智能水表，其特征在于，所述表壳内还设置有密封壳，所述密封壳的上端开口，所述第二组件通过所述开口设置在所述密封壳内，所述转轴的上端贯穿所述密封壳并向上延伸，所述转轴与所述密封壳的底部为转动连接，且所述转轴与所述密封壳连接处设置有密封圈以实现密封。
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