CN117553867B - 一种液体流量监测仪表 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流体计量技术领域，公开一种液体流量监测仪表，液体流量监测仪表包括：壳体、动能捕获组件、转子和定子；转子包括n个第一电极，定子包括b个第二电极，n个第一电极分布于b个第二电极的外围；第一电极和第二电极之间具有摩擦层，摩擦层贴于第一电极或者第二电极；壳体具有液体通道，动能捕获组件用于捕获液体通道内的液体动能，并驱动第一电极绕中心轴线相对于第二电极转动。动能捕获组件将捕获的动能用来驱动n个第一电极在外围绕中心轴线相对于b个第二电极转动，n个第一电极通过摩擦层对b个第二电极进行摩擦；摩擦层与第二电极的电负性不同，电荷在第二电极之间转移，导致电荷在b个第二电极间转移产生电信号。
Description
技术领域
本发明涉及流体计量技术领域，特别涉及一种液体流量监测仪表。
背景技术
水流量的测量和管理是多个领域的重要需求，如工业生产、城市供水、农业灌溉等。传统的水表主要依靠机械转子来测量水流量，但这种方式存在一些缺点，如摩擦磨损、测量不准确、寿命缩短和抗磁干扰能力差等。为了解决这些问题，一些新型的水表技术被提出。但智能水表解决抗磁干扰能力差的问题，所采用的技术复杂，成本高。
发明内容
本发明公开了一种液体流量监测仪表，用于以较低的成本实现抗磁干扰。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种液体流量监测仪表，包括：壳体、动能捕获组件、转子和定子；所述转子包括n个第一电极，所述定子包括b个第二电极，n和b均为大于或等于1的正整数，n个所述第一电极分布于b个所述第二电极的外围，且均绕所述中心轴线分布；所述第一电极和所述第二电极之间具有摩擦层，所述摩擦层贴于所述第一电极或者所述第二电极；所述壳体具有液体通道，所述动能捕获组件用于捕获所述液体通道内的液体动能，并驱动所述第一电极绕所述中心轴线相对于所述第二电极转动。
当液体通道内有液体流过时，动能捕获组件捕获液体通道内的液体动能，并将捕获的动能用来驱动n个第一电极在外围绕中心轴线相对于b个第二电极转动，n个第一电极反复地通过摩擦层对b个第二电极进行摩擦；摩擦层贴于第一电极时，第一电极带动摩擦层在第二电极之间移动，或者，摩擦层贴于第二电极时，第一电极在贴有摩擦层的第二电极之间移动，摩擦层与第二电极的电负性不同，电荷在第二电极之间转移，导致电荷在b个第二电极间转移产生电信号。
根据所产生的电信号大小可以判断液体通道中液体流量大小。以上，利用纳米摩擦发电机作为液体流量的传感器，可以抗磁场干扰，不易导致测量误差或损坏，保证液体流量计量的准确性。
可选地，所述转子还包括弹性复位件和转子转轴，所述转子转轴与所述中心轴线同轴；每个所述第一电极沿靠近或者远离所述转子转轴的方向与所述转子转轴滑动连接，所述弹性复位件用于为所述第一电极提供向靠近所述转子转轴的方向复位的弹性回复力；当所述第一电极位于靠近所述转子转轴的第一工位时，所述第一电极通过所述摩擦层与所述第二电极摩擦接触；当所述第一电极位于远离所述转子转轴的第二工位时，所述第一电极与所述第二电极之间形成预设间隙，以相互耦合，所述摩擦层的厚度小于所述预设间隙的宽度。
可选地，每个所述第一电极连接有朝向所述转子转轴的滑动部，所述转子转轴连接有开口朝向所述第一电极的滑槽结构，所述滑动部沿靠近或远离所述转子转轴的方向滑动连接于所述滑槽结构中。
可选地，所述弹性复位件连接于所述第一电极和所述转子转轴之间，所述弹性复位件提供的弹性回复力为拉力。
可选地，所述弹性复位件为螺旋弹簧、尼龙弹绳或者不锈钢弹片。
可选地，所述定子还包括盖板，所述盖板位于所述转子转轴的轴向上一侧，所述第二电极连接于所述盖板；所述转子转轴的一端与所述盖板转动连接。
可选地，所述壳体还具有与所述液体通道间隔设置的封闭空间，所述定子和所述转子均位于所述封闭空间内；所述转子转轴远离所述盖板的一端固定连接有开口方向朝向所述液体通道的安装盒，所述安装盒内固定安装有第一环形磁铁；所述动能捕获组件包括位于所述液体通道的螺翼，所述螺翼传动连接有第二环形磁铁，所述第二环形磁铁与所述第一环形磁铁相对设置，并磁耦合。
可选地，n大于或等于2，n个所述第一电极环绕所述中心轴线间隔设置。
可选地，所述预设间隙的尺寸d的取值介于所述摩擦层的厚度的10倍至100倍之间。
可选地，所述预设间隙的尺寸d的取值介于0.05mm至5mm之间。
可选地，b大于n，b个所述第二电极环绕所述中心轴线间隔设置。
可选地，n大于或等于2时，n个所述第一电极环绕所述中心轴线均匀分布；b大于或等于2时，b个所述第二电极环绕所述中心轴线均匀分布。
可选地，所述第一电极的材料为铜、铝或者银；所述第二电极的材料为铜、铝或者银；所述摩擦层的材料为聚四氟乙烯、纸、尼龙或者氟化乙烯丙烯共聚物。
附图说明
图1为本申请实施例提供的液体流量监测仪表的内部结构剖视图；
图2为图1中壳体1的内部结构剖视图；
图3为图1中动能捕获组件2的结构示意图；
图4为图1中传感组件3的结构示意图；
图5为图1中信号处理及显示组件4的结构示意图。
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。
结合图1至图4：
本申请实施例提供的液体流量监测仪表可以是智能水表，其包括：壳体1、动能捕获组件2、转子A和定子B；转子A包括n个第一电极35，定子B包括b个第二电极37，n和b均为大于或等于1的正整数，n个第一电极35分布于b个第二电极37的外围，且均绕中心轴线分布；第一电极35和第二电极37之间具有摩擦层36，摩擦层36贴于第一电极35或者第二电极37；壳体1具有液体通道T，动能捕获组件2用于捕获液体通道T内的液体动能，并驱动第一电极35绕中心轴线相对于第二电极37转动。
当液体通道T内有液体流过时，动能捕获组件2捕获液体通道T内的液体动能，并将捕获的动能用来驱动n个第一电极35在外围绕中心轴线相对于b个第二电极37转动，n个第一电极35反复地通过摩擦层36对b个第二电极37进行摩擦；摩擦层36贴于第一电极35时，第一电极35带动摩擦层36在第二电极37之间移动，或者，摩擦层36贴于第二电极37时，第一电极35在贴有摩擦层36的第二电极37之间移动，摩擦层36与第二电极37的电负性不同，电荷在第二电极37之间转移，导致电荷在b个第二电极37间转移产生电信号。通过对电信号进行傅里叶变换等信号处理手段，可以计算出水流量的大小和方向。
根据所产生的电信号大小可以判断液体通道T中液体流量大小。以上，利用纳米摩擦发电机作为液体流量的传感器，可以抗磁场干扰，不易导致测量误差或损坏，保证液体流量计量的准确性。
摩擦纳米发电机是一种将机械能转化为电能的发电装置，具有结构简单、输出电压高、响应速度快、可靠性高、环境友好等优点。
基于摩擦纳米发电机的智能水表主要优点是可以实现高精度的水流量测量，同时减少摩擦磨损，延长水表寿命，实现自供电和智能化。
在一个具体的实施例中，转子A还包括弹性复位件34和转子转轴33，转子转轴33与中心轴线同轴；每个第一电极35沿靠近或者远离转子转轴33的方向与转子转轴33滑动连接，弹性复位件34用于为第一电极35提供向靠近转子转轴33的方向复位的弹性回复力；当第一电极35位于靠近转子转轴33的第一工位时，第一电极35通过摩擦层36与第二电极37摩擦接触；当第一电极35位于远离转子转轴33的第二工位时，第一电极35与第二电极37之间形成预设间隙，以相互耦合，摩擦层36的厚度小于预设间隙的宽度。
在一个具体的实施例中，预设间隙的尺寸d的取值介于摩擦层36的厚度的10倍至100倍之间，可以是10倍、20倍、30倍、50倍、80倍和100倍等，若d取值过小，摩擦层36容易与原本需要间隔设置的第一电极35或者第二电极37接触，若d取值过大，TENG连续工作下感应电荷容易在空气中耗散，不利于信号稳定输出。
在一个具体的实施例中，预设间隙的尺寸d的取值介于0.05mm至5mm之间，可以是0.05mm、0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm和5mm等，若d取值过小，摩擦层36容易与原本需要间隔设置的第一电极35或者第二电极37接触，若d取值过大，TENG连续工作下感应电荷容易在空气中耗散，不利于信号稳定输出。
以摩擦纳米发电机（TENG）为基础理论，主要采用分级的思想，当液体通道T内有液体流速较慢时，由于转子转轴33转动较慢，电荷转移效率低，信号较小难以被监测，而且易受环境噪声干扰，但是，第一电极35处于靠近转子转轴33的第一工位，通过摩擦层36与第二电极37摩擦接触，保证传感组件3输出幅值较大，确保在低转速下液可以对液体通道T的液体流速稳定监测，保证传感信号稳定；同时，当液体通道T内有液体流速较快时，转子转轴33转动较高，第一电极35在高转速下受离心力的作用，向远离转子转轴33的第二工位滑动，第一电极35与第二电极37之间形成预设间隙，摩擦层36的厚度小于预设间隙的宽度，摩擦层36贴设于第一电极35时，可以与第二电极37保持一定间隙（例如该间隙距离可以是0.5mm），该间隙同发电量成反比，摩擦层36贴设于第二电极37时，可以与第一电极35保持一定间隙（例如该间隙距离可以是0.5mm），该间隙同发电量成反比，此时以非接触模式减小了摩擦磨损，提高其耐久性，有效提高传感寿命。使TENG能够适应不同的液体流动速度，保证液体流量监测仪表的输出电压和电流的稳定性，减少第一电极35与第二电极37之间的摩擦磨损，延长液体流量监测仪表的工作寿命。
在一个具体的实施例中，每个第一电极35连接有朝向转子转轴33的滑动部31a，转子转轴33连接有开口朝向第一电极35的滑槽结构32，第一电极35可以贴在弧形围壁31上，滑动部31a与弧形围壁31可以为一体式结构，滑动部31a沿靠近或远离转子转轴33的方向滑动连接于滑槽结构32中，可以在滑槽结构32中涂上润滑油保证其滑动平稳。在确保第一电极35随着滑动部31a在靠近或者远离转子转轴33的情况下，可以确保滑动部31a沿预定轨迹与滑槽结构32的相对滑动，稳定可靠，第一电极35不易沿轴向晃动，提高信号输出稳定性。
弹性复位件34的设置方式可以有多种，在一个具体的实施例中，弹性复位件34连接于第一电极35和转子转轴33之间，弹性复位件34提供的弹性回复力为拉力，始终保持将第一电极35拉向转子转轴33的趋势，以在慢速下，第一电极35自动回复至靠近转子转轴33的第一工位，通过摩擦层36与第二电极37摩擦接触。并且，弹性复位件34连接于第一电极35和转子转轴33之间可以减少占用空间。
在一个具体的实施例中，弹性复位件34为螺旋弹簧、尼龙弹绳或者不锈钢弹片，以上部件结构简单，性能可靠，可以在长时间内保持较好的弹性力，并且价格低廉，有利于实现液体流量监测仪表的低成本。
在一个具体的实施例中，定子B还包括盖板38，盖板38可以与壳体1固定连接，如卡接在后文的封闭空间K内壁的环形凸台13上，并通过螺栓固定在环形凸台13的固定孔17，盖板38位于转子转轴33的轴向上一侧，第二电极37连接于盖板38，例如，第二电极37贴在盖板38底部的侧壁上；转子转轴33的一端与盖板38转动连接。
在一个具体的实施例中，壳体1还具有与液体通道T间隔设置的封闭空间K，具体可以利用与壳体1卡接的密封板12将封闭空间K（位于液体通道T径向上一侧）和液体通道T隔离开来，转子转轴33的底部顶针放在密封板12的顶面的顶针槽定位并转动连接，壳体1具有位于封闭空间K的顶部的开口，玻璃罩15放置于该顶部开口处，玻璃罩15上面扣上数表显示板16，再将水表外壳盖板14拧紧在壳体1的顶部开口，保证封闭空间K内部的防潮与防尘。定子B和转子A均位于封闭空间K内，以确保液体通道T内的液体不易使定子B和转子A等带电部件受潮，确保TENG稳定性；转子转轴33远离盖板的一端固定连接有开口方向朝向液体通道T的安装盒331，安装盒331内固定安装有第一环形磁铁39；动能捕获组件2包括位于液体通道T的螺翼22，具体可以是螺翼式螺翼22，以形成螺翼式TENG智能水表，螺翼22传动连接有第二环形磁铁26，第二环形磁铁26与第一环形磁铁39相对设置，并磁耦合。当液体通道T内的液体驱动螺翼22转动时，螺翼22驱动第二环形磁铁26转动，第二环形磁铁26以异性相吸的方式磁驱动第一环形磁铁39同步转动，可以在不与转子转轴33直接接触的情况下带动其转动，为定子B和转子A的隔离创造条件。
具体地，动能捕获组件2包括前导流架21、螺翼22、水平传动轴23、后导流架24、垂直传动轴25、第二环形磁铁26以及顶紧螺母27；水平传动轴23上设有涡轮231和螺翼22，通过顶紧螺母27将螺翼22固定，水平传动轴23通过前导流架21和后导流架24进行固定，前导流架21固定于壳体1的入口处，后导流架24固定于壳体1的出口处，并且前导流架21和后导流架24保证液体可以更好地冲击涡轮231，使其在低流量下也可以转动，扩大流量监测范围；垂直传动轴25上设有齿轮251，齿轮251与涡轮231啮合，当流体驱动涡轮231旋转时，便带动垂直传动轴25转动；垂直传动轴25的顶部顶针与密封板12的顶针槽定位并转动连接，底部顶针与壳体1的主壳部分11的顶针槽定位并转动连接。
在一个具体的实施例中，n大于或等于2，n的取值可以是2、3、4、5、6、7、8、……、119和120等，n个第一电极35环绕中心轴线间隔设置。其中n的取值大于或等于2可以提高传感分辨率，且n越大其监测精度越高，有利于测量电导率低的液体，例如，n=6，在非接触式摩擦纳米发电机场景下，通过增加转子数量实现升频，有效提高分辨率传感分辨率。
可以通过调节转子转轴33的转速控制第一电极35和第二电极37之间的距离d，d的大小与发电量大小成反比。
在一个具体的实施例中，b大于n，b个第二电极37环绕中心轴线间隔设置。第二电极37数量多于第一电极35数量，可以确保电荷在第一电极35和第二电极37之间转移更加充分。
在一个具体的实施例中，n大于或等于2时，n个第一电极35环绕中心轴线均匀分布；b大于或等于2时，b个第二电极37环绕中心轴线均匀分布。第一电极35盒第二电极37的均匀分布有利于电信号输出的稳定性。
在一个具体的实施例中，第一电极35的材料为铜、铝或者银；第二电极37的材料为铜、铝或者银；摩擦层36的材料为聚四氟乙烯、纸、尼龙或者氟化乙烯丙烯共聚物。以上材料选择广泛、成本低廉，且工作稳定性好。
此外，盖板38的顶部设有两个相对设置的倒L弯折板381，以形成卡扣结构，卡扣结构两侧还设有支撑柱382。
参考图5，信号处理及显示组件4包括电池包41、电路保护板42以及信号处理与显示电路43，电池包41和信号处理与显示电路43分别连接于电路保护板42的两侧；电池包41为信号处理与显示电路43供电，保证其工作的连续性；电路保护板42通过螺栓固定在信号处理与显示电路43；信号处理与显示电路43对产生的电信号进行处理，得到流速和流量等相关参数通过显示屏实时显示，同时通过无线远传模块对数据远传到数据云端，进而实现对用水信息随时随地远程监控和抄表，可以提高水资源管理的效率、精确性和可视性，有助于更好地满足用户的需求，减少浪费，保护水资源，提高供水系统的可持续性。
该液体流量监测仪表可应用于工业生产、医药生产、农业灌溉以及城市管网等领域中。如在农业灌溉领域，水流量的测量和控制是实现节水灌溉和提高农业生产效益的重要手段。这种TENG的智能水表可以用于精确测量和调节灌溉量，以适应不同的作物和土壤条件。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种液体流量监测仪表，其特征在于，包括：壳体、动能捕获组件、转子和定子；
所述转子包括n个第一电极，所述定子包括b个第二电极，n和b均为大于或等于1的正整数，
n个所述第一电极分布于b个所述第二电极的外围，且均绕中心轴线分布；
所述第一电极和所述第二电极之间具有摩擦层，所述摩擦层贴于所述第一电极或者所述第二电极；
所述壳体具有液体通道，所述动能捕获组件用于捕获所述液体通道内的液体动能，并驱动所述第一电极绕所述中心轴线相对于所述第二电极转动，以使所述第一电极和所述第二电极之间摩擦产生用于经信号处理获得所述液体通道内液体流量的电信号；
所述转子还包括弹性复位件和转子转轴，所述转子转轴与所述中心轴线同轴；
每个所述第一电极沿靠近或者远离所述转子转轴的方向与所述转子转轴滑动连接，所述弹性复位件用于为所述第一电极提供向靠近所述转子转轴的方向复位的弹性回复力；
当所述第一电极位于靠近所述转子转轴的第一工位时，所述第一电极通过所述摩擦层与所述第二电极摩擦接触；
当所述第一电极位于远离所述转子转轴的第二工位时，所述第一电极与所述第二电极之间形成预设间隙，以相互耦合，所述摩擦层的厚度小于所述预设间隙的宽度；
每个所述第一电极连接有朝向所述转子转轴的滑动部，所述转子转轴连接有开口朝向所述第一电极的滑槽结构，所述滑动部沿靠近或远离所述转子转轴的方向滑动连接于所述滑槽结构中。
2.根据权利要求1所述的液体流量监测仪表，其特征在于，所述弹性复位件连接于所述第一电极和所述转子转轴之间，所述弹性复位件提供的弹性回复力为拉力。
3.根据权利要求2所述的液体流量监测仪表，其特征在于，所述弹性复位件为螺旋弹簧、尼龙弹绳或者不锈钢弹片。
4.根据权利要求1至3任一项所述的液体流量监测仪表，其特征在于，所述定子还包括盖板，所述盖板位于所述转子转轴的轴向上一侧，所述第二电极连接于所述盖板；
所述转子转轴的一端与所述盖板转动连接；
所述壳体还具有与所述液体通道间隔设置的封闭空间，所述定子和所述转子均位于所述封闭空间内；
所述转子转轴远离所述盖板的一端固定连接有开口方向朝向所述液体通道的安装盒，所述安装盒内固定安装有第一环形磁铁；
所述动能捕获组件包括位于所述液体通道的螺翼，所述螺翼传动连接有第二环形磁铁，所述第二环形磁铁与所述第一环形磁铁相对设置，并磁耦合。
5.根据权利要求1所述的液体流量监测仪表，其特征在于，所述预设间隙的尺寸d的取值介于所述摩擦层的厚度的10倍至100倍之间。
6.根据权利要求1所述的液体流量监测仪表，其特征在于，所述预设间隙的尺寸d的取值介于0.05mm至5mm之间。
7.根据权利要求1所述的液体流量监测仪表，其特征在于，n大于或等于2，n个所述第一电极环绕所述中心轴线间隔设置；
b大于n，b个所述第二电极环绕所述中心轴线间隔设置。
8.根据权利要求1所述的液体流量监测仪表，其特征在于，n大于或等于2时，n个所述第一电极环绕所述中心轴线均匀分布；
b大于或等于2时，b个所述第二电极环绕所述中心轴线均匀分布。
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