CN116256028A - 一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置及方法，包括旋涡、管壁、振动发生体、悬臂梁、压电元件、固定柱、选择控制模块、能量管理模块、信号处理模块、流量积算模块、显示通讯模块和流量计本体；所述振动发生体、悬臂梁、压电元件位于流量计本体内，所述选择控制模块、能量管理模块、信号处理模块和流量积算模块和显示通讯模块位于流量计本体外；所述能量管理模块与压电元件电性连接，所述信号处理模块与压电元件信号连接。本发明解决了特殊场合和偏远地区市电无法接入，电池更换频繁，以及天气恶劣导致太阳能等供电方式无法正常工作时的流量计供电问题，节约了能耗，同时减少了供电设备维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及流体测量技术领域，具体为一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置及方法。
背景技术
为解决偏远地区流量计的供电困难问题，提出了很多自供电流量计结构与测量方法，其中申请号为CN202110016091.8公开了“一种自发电涡街流量计”，提出将振动发生体后方气体涡流的动能转化为电能，为涡街流量计供电，申请号为CN201420816935.2公开了“一种自供电式涡街流量计”提出了一种带有叶轮的微型电机，安装在振动发生体下游，流体带动叶轮转动，从而构成微型发电机，为涡街流量计供电。
上述两个专利都是直接利用流体能进行设备供电，其中专利CN201420816935.2利用转动叶轮结构做功，其对流速和管道尺寸要求都较高，由于含有转动部件，结构较为复杂、需要定期维护，而且对被测介质清洁度要求较高。专利CN202110016091.8只笼统介绍编号5代表自发电模块，并没有介绍核心的自发电方法和设备。上述两个专利都是利用旋涡发生体后方的流体振动进行发电的，要想获得较为理想的发电效果，需要将俘能装置放置在旋涡区，也即发生体后方距离较近的区域，这势必会影响频率检测元件附近的流场，从而影响涡街频率检测精度以及涡街仪表系数，使得涡街计量精度降低，这显示有悖于自供电流量计的设计初衷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于流致振动俘能的自供电流量计，其通过收集流体引起的振动能，进而转化为电能，不依赖外部电源的情况下实现流体流量的计量。采用悬臂梁式结构，梁一端固定，另一端连接柱状发生体，在运动流体中产生周期性振动，采用压电原理将振动能转化为电能，其中周期振动产生的交流电压既包含流量信息，同时又可以为后方的信号处理、积算等模块供电。设计了集能量管理和信号处理于一体的自供电模块，压电俘能输出电压先向存储模块充电，充电量可驱动信号处理模块时，切换为信号处理模式，进行流量测量及输出。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括旋涡、管壁、振动发生体、悬臂梁、压电元件、固定柱、选择控制模块、能量管理模块、信号处理模块、流量积算模块、显示通讯模块和流量计本体；所述振动发生体、悬臂梁、压电元件位于流量计本体内，所述选择控制模块、能量管理模块、信号处理模块和流量积算模块和显示通讯模块位于流量计本体外；所述能量管理模块与压电元件电性连接，所述信号处理模块与压电元件信号连接，所述流量积算模块与信号处理模块和显示通讯模块信号连接，所述选择控制模块与能量管理模块和压电元件信号连接，所述能量管理模块与信号处理模块、流量积算模块和显示通讯模块均通过电性连接，所述悬臂梁连接有固定柱。
优选的，所述悬臂梁一端固定，另一端与所述振动发生体连接。
优选的，所述振动发生体的振动方向平行于管壁径向，所述振动发生体长度小于管道直径的二分之一，所述振动发生体的截面直径远小于其长度，所述振动发生体迎流面宽度与管道截面积的比值即阻塞比设为小于15％，以获得稳定的来流速度，所述振动发生体上开有浅凹槽，所述悬臂梁插入凹槽后通过胶水与振动发生体连接。
优选的，所述固定柱固定高度与测量管路半径等高，使得静止时所述悬臂梁位于管道中心位置。
优选的，所述压电元件采用PZT压电陶瓷，所述压电元件粘贴于悬臂梁上下两侧。
优选的，所述振动发生体为含突起物的圆柱结构，其中凸起物为带状结构，对称分布在圆柱截面上下两侧，覆盖角度11.5°，对称凸起物与来流的夹角为30°，凸起物高度为1mm。
优选的，所述能量管理模块以大容量电容作为充放电元件，实现电能的储存充电过程与供能放电过程。
优选的，所述信号处理模块将压电片输出的压电信号转化为周期性的正电压信号，并提取频率信息。
一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置的使用方法，其特征在于：包括以下工作步骤：
S1.监测能量管理电路的输出电压，当放电电压低于阈值电压时，选择控制模块切换为能量收集模式，能量管理电路充电；当输出电压高于阈值电压时，选择控制模块切换为信号处理模式，能量管理电路放电，为信号处理模块、流量积算模块和显示通讯模块供电；
S2.当处于信号处理模式时，信号处理模块将压电元件输出的正负电压信号转换为同频率变化的正电压信号，并提取信号频率，由流量积算模块根据内置的仪表系数，计算当前流体的瞬时流量，并计算时间累积流量；
S3.显示通讯模块接收瞬时和累积流量信息并通过显示设备进行显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明充分利用流体能源，提出了基于流致振动俘能的自供电流量计，解决了特殊场合和偏远地区市电无法接入，电池更换频繁，以及天气恶劣导致太阳能等供电方式无法正常工作时的流量计供电问题，节约了能耗，同时减少了供电设备维护成本；
2、本发明同时通过对振动发生体进行优化设计，通过引入对称突起物结构，使得振动幅值增大、提高了俘能输出功率，并对突起物放置角度、高度、覆盖角度进行合理配置，提高了输出频率单调段范围和线性度，拓宽了测量的量程比和测量精度。
3、本发明还利用测量控制模块切换装置的工作状态，分时实现俘能存储和流量测量功能，同时，可根据俘能工况和测量需求改变阈值电压，具有较好的灵活性，介质和工况适应范围大。
附图说明
图1为本发明一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置自供电涡街流量计结构图；
图2为本发明一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置振动发生体三视图；
图3为本发明一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置振动发生体尺寸图；
图4为本发明一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置流量计模块之间的电学和信号关系图；
图5为本发明一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置充放电过程切换示意图；
图6为本发明一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置流速-信号频率变化图；
图7为本发明一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置流体流量测量误差。
图中：1、振动发生体；2、旋涡；3、悬臂梁；4、压电元件；5、管壁；6、固定柱；7、选择控制模块；8、能量管理模块；9、信号处理模块；10、流量积算模块；11、显示通讯模块。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：包括振动发生体1、旋涡2、悬臂梁3、压电元件4、管壁5、固定柱6、选择控制模块7、能量管理模块8、信号处理模块9、流量积算模块10、显示通讯模块11和流量计本体；振动发生体1、悬臂梁3、压电元件4位于流量计本体内，选择控制模块7、能量管理模块8、信号处理模块9和流量积算模块10和显示通讯模块11位于流量计本体外；能量管理模块8与压电元件4电性连接，信号处理模块9与压电元件4信号连接，流量积算模块10与信号处理模块9和显示通讯模块11信号连接，选择控制模块7与能量管理模块8和压电元件4信号连接，能量管理模块8与信号处理模块9、流量积算模块10和显示通讯模块11均通过电性连接，悬臂梁3一端固定，另一端与振动发生体1连接，振动发生体1的振动方向平行于管壁5径向，振动发生体1长度小于管道直径的二分之一，振动发生体1的截面直径远小于其长度，发生体迎流面宽度与管道截面积的比值即阻塞比设为小于15％，以获得稳定的来流速度。振动发生体1上开有浅凹槽，悬臂梁3插入凹槽后通过胶水与振动发生体1连接，悬臂梁3连接有固定柱6，固定柱6固定高度与测量管路半径等高，使得静止时悬臂梁3位于管道中心位置，压电元件4采用PZT压电陶瓷，压电元件4粘贴于悬臂梁3上下两侧，振动发生体1为含突起物的圆柱结构，其中凸起物为带状结构，对称分布在圆柱截面上下两侧，覆盖角度11.5°，对称凸起物与来流的夹角为30°，凸起物高度为1mm，能量管理模块8以大容量电容作为充放电元件，实现电能的储存充电过程与供能放电过程，信号处理模块9将压电片输出的压电信号转化为周期性的正电压信号，并提取频率信息，选择控制模块7采用模拟开关，实现充电过程和供电过程的切换，阈值电压可根据俘能工况和目标进行调整。
本发明的具体使用方法步骤如下：
S1.监测能量管理模块8输出电压，当放电电压低于阈值电压时，选择控制模块7切换为能量收集模式，能量管理模块8充电；当输出电压高于阈值电压时，选择控制模块7切换为信号处理模式，能量管理模块8放电，为信号处理模块9、流量积算模块10和显示通讯模块11供电；
S2.当处于信号处理模式时，信号处理模块9将压电元件4输出的正负电压信号转换为同频率变化的正电压信号，并提取信号频率，由流量积算模块10根据内置的仪表系数，计算当前流体的瞬时流量，并计算时间累积流量；
S3.显示通讯模块11接收瞬时和累积流量信息并通过显示设备进行显示。
现结合附图和实施对本发明做进一步说明：
如附图1所示，本发明利用流致振动原理，将来流的流体能转化为振动能，进而转化为电能，同时，利用振动频率与来流速度呈单调关系测量流体流量，从而成为自发电流量计。本发明基于悬臂梁结构和压电原理进行俘能：流体与旋涡发生体相互作用产生流致振动现象，通过悬臂梁结构传递振动，并通过压电原理转化为电能。更具体的，悬臂梁一端固定到管道中，另一端连接振动发生体。压电元件粘贴于悬臂梁上下两侧，以提高压电输出电压。振动发生体后产生交替脱落的旋涡，旋涡的产生会导致发生体两侧的压力不同，而导致发生体发生垂直于流体流动方向的振动，进而导致与之相连的悬臂梁发生形变，从而拉伸压电片以产生电能，为流量计各模块供电。
压电元件输出电压除了可提供电能外，其电压信号还包含振动频率、幅值等信号。其中，振动频率测量更加方便，且不易受外界变化影响，因此选择基于频率的流量测量方法。本发明利用单片机进行信号采集和处理，因此将压电输出信号进行处理，在不改变频率特性的前提下使之成为0-5V之间的周期性信号。通过合理设置振动发生体的形状和尺寸，可使得在一定流速范围内，振动频率与来流速度呈单调关系。通过标定来流速度-振动频率曲线，结合检测到的频率信息，即可得到来流速度，进而得到流体流量。
采用带有对称突起物的圆柱体作为发生体，如附图2所示。对称突起物引起改变发生体周围流场，进而影响旋涡脱落模式，最后改变振动幅频特性，这种控制技术称为被动湍流控制(Passive Turbulence Control，PTC)。通过设置合适的凸起物的放置角度、高度、覆盖角度等参数，可使得振幅较大、提高俘能输出功率，同时振动频率随来流速度单调变化，且单调区间范围较宽，进而拓宽仪表测量范围和线性度。如附图3所示，经过优化设计，本发明采用的振动发生体直径10mm，凸起物为带状结构，对称分布在圆柱截面上下两侧，覆盖角度11.5°，对称凸起物与来流的夹角为30°，凸起物高度为1mm。
如附图4所示，所设计的压电俘能器为能量管理模块提供电能，同时为信号处理模块提供电压信号。信号处理模块提取涡频率，流量积算模块积算瞬时和累积流量后，进行显示和通讯。能量管理模块为信号处理模块、流量积算模块和显示通讯模块供电。装置充放电过程的切换如附图5所示。当压电元件输出电压幅值小于5V时，向能量管理模块充电，进行能量存储；当输出电压幅值大于5V时，能量管理模块放电，进行信号采集、处理、积算与显示。
利用上述装置进行自供电流量计测量，具体步骤和处理流程为：
S1.监测能量管理模块8的输出电压，当放电电压低于5V时，选择控制模块7切换为能量收集模式，能量管理模块8充电；当输出电压高于5V时，选择控制模块7切换为信号处理模式，能量管理模块8放电，为信号处理模块9、流量积算模块10和显示通讯模块11供电；
S2.当处于信号处理模式时，信号处理模块9将压电元件输出的正负电压信号转换为同频率变化的正电压信号，并提取信号频率，由流量积算模块10根据内置的仪表系数，计算当前流体的瞬时流量，并计算时间累积流量；
S3.显示通讯模块11接收瞬时和累积流量信息并通过显示设备进行显示。
利用上述测量装置和方法进行了实流测试，流速随频率的变化如附图6所示，两者呈单调变化特性，利用二阶多项式进行拟合，确定性系数R2＝0.998，均方根误差RMSE＝0.022。流体流量测量误差如附图7所示，83％的流速点相对误差在±2.0％以内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置，包括旋涡(2)和管壁(5)，其特征在于：包括振动发生体(1)、悬臂梁(3)、压电元件(4)、固定柱(6)、选择控制模块(7)、能量管理模块(8)、信号处理模块(9)、流量积算模块(10)、显示通讯模块(11)和流量计本体；
所述振动发生体(1)、悬臂梁(3)、压电元件(4)位于流量计本体内，所述选择控制模块(7)、能量管理模块(8)、信号处理模块(9)和流量积算模块(10)和显示通讯模块(11)位于流量计本体外；
所述能量管理模块(8)与压电元件(4)电性连接，所述信号处理模块(9)与压电元件(4)信号连接，所述流量积算模块(10)与信号处理模块(9)和显示通讯模块(11)信号连接，所述选择控制模块(7)与能量管理模块(8)和压电元件(4)信号连接，所述能量管理模块(8)与信号处理模块(9)、流量积算模块(10)和显示通讯模块(11)均通过电性连接，所述悬臂梁(3)连接有固定柱(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置，其特征在于：所述悬臂梁(3)一端固定，另一端与所述振动发生体(1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置，其特征在于：所述振动发生体(1)的振动方向平行于管壁(5)径向，所述振动发生体(1)长度小于管道直径的二分之一，所述振动发生体(1)的截面直径远小于其长度，所述振动发生体(1)迎流面宽度与管道截面积的比值即阻塞比设为小于15％，以获得稳定的来流速度，所述振动发生体(1)上开有浅凹槽，所述悬臂梁(3)插入凹槽后通过胶水与振动发生体(1)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置，其特征在于：所述固定柱(6)固定高度与测量管路半径等高，使得静止时所述悬臂梁(3)位于管道中心位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置，其特征在于：所述压电元件(4)采用PZT压电陶瓷，所述压电元件(4)粘贴于悬臂梁(3)上下两侧。
6.根据权利要求1所述的一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置，其特征在于：所述振动发生体(1)为含突起物的圆柱结构，其中凸起物为带状结构，对称分布在圆柱截面上下两侧，覆盖角度11.5°，对称凸起物与来流的夹角为30°，凸起物高度为1mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置，其特征在于：所述能量管理模块(8)以大容量电容作为充放电元件，实现电能的储存充电过程与供能放电过程。
8.根据权利要求1所述的一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置，其特征在于：所述信号处理模块(9)将压电片输出的压电信号转化为周期性的正电压信号，并提取频率信息。
9.根据权利要求1所述的一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置，其特征在于：所述选择控制模块(7)采用模拟开关，实现充电过程和供电过程的切换，阈值电压可根据俘能工况和目标进行调整。
10.根据权利要求1-9所述的一种基于流致振动俘能的自供电涡街流量计量装置的使用方法，其特征在于：包括以下工作步骤：
S1.监测能量管理模块(8)的输出电压，当放电电压低于阈值电压时，选择控制模块(7)切换为能量收集模式，能量管理模块(8)充电；当输出电压高于阈值电压时，选择控制模块(7)切换为信号处理模式，能量管理模块(8)放电，为信号处理模块(9)、流量积算模块(10)和显示通讯模块(11)供电；
S2.当处于信号处理模式时，信号处理模块(9)将压电元(4)件输出的正负电压信号转换为同频率变化的正电压信号，并提取信号频率，由流量积算模块(10)根据内置的仪表系数，计算当前流体的瞬时流量，并计算时间累积流量；
S3.显示通讯模块(11)接收瞬时和累积流量信息并通过显示设备进行显示。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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