CN117629323A - 一种流体流量监测仪表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体计量技术领域，公开一种流体流量监测仪表，流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；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相对于所述第二电极移动；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。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。其中，n＝3，b＝2时，在保证电荷转移充足的情况下，扩大了流量监测精度。

Description

一种流体流量监测仪表

技术领域

本发明涉及流体计量技术领域，特别涉及一种流体流量监测仪表。

背景技术

流体流量监测在工业生产、日常生活和流体输送领域具有广泛应用，对于确保生产流程的正常运行和资源管理至关重要。传统的流量监测仪表主要是机械式水表，但随着“智慧城市”的发展，智能水表领域的发展也日益兴起，智能水表作为智慧水务行业的关键设备之一，它在用水流量计量、水费结算、用水控制以及实时监控等方面起到了重要作用。

在相关技术方案中，机械式水表容易受到磁场干扰，导致测量误差或损坏，难以保证水表计量的准确性。

发明内容

本发明公开了一种流体流量监测仪表，用于抗磁场干扰，缓解测量误差或损坏，保证液体流量计量的准确性。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种流体流量监测仪表，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；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相对于所述第二电极移动；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。

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，并利用捕获的动能，驱动第一电极相对于第二电极移动；由于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，第一电极带动摩擦层在第二电极之间移动，由于摩擦层与第二电极的电负性不同，导致电荷在b个第二电极间转移产生电信号；或者，摩擦层贴于第二电极，第一电极在贴有摩擦层的第二电极之间移动，使电荷在第二电极之间转移，从而，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，所述第一电极和所述第二电极相对时具有预设间隙，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，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；所述动能捕获组件用于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。

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，n个所述第一电极导电连接。

可选地，所述转子还包括第一转轴和支架，所述动能捕获组件与所述第一转轴传动连接；所述支架包括套设于所述第一转轴的固定部以及连接于所述固定部的n个支臂，每个所述支臂与一个对应的第一电极连接。

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＝3，且b＝2。

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，所述流体流量监测仪表还包括密封组件，所述密封组件具有密封空间，所述转子和所述定子均位于所述密封空间内；所述动能捕获组件用于磁驱动所述转子转动。

可选地，所述转子还包括第一转轴，所述密封空间内还设有第二转轴，第二转轴与第一转轴传动连接，所述第二转轴设有第一环形磁铁；所述动能捕获组件包括叶轮，所述叶轮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，所述第二转轴和所述第一转轴的传动比介于1：20至1：0.1之间。

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流体流量监测仪表的内部结构剖视图；

图2表示图1中壳体1的剖视图；

图3表示图1中动能捕获组件2的结构示意图；

图4表示图1中密封组件3的内部结构剖视图；

图5表示图4中密封壳36的内部结构剖视图；

图6表示图1中自传感组件4的内部结构剖视图；

图7表示图6中转子31的结构示意图；

图8表示图6中主动轴组件42的结构示意图；

图9表示图6中定子43的结构示意图；

图10表示图1中信号处理及显示组件5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、图6和图7，本申请实施例提供的流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和自传感组件4，自传感组件4包括转子41和定子43；转子41包括n个第一电极412，定子43包括b个第二电极432，n和b均为大于或等于1的正整数；如图2，壳体1具有液体通道T，参考图2，液体通道T形成于液体入口T1和液体出口T2之间，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412相对于第二电极432移动；第一电极412和第二电极432之间具有摩擦层411，摩擦层411贴于第一电极412或者第二电极432。

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，并利用捕获的动能，驱动第一电极412相对于第二电极432移动；由于第一电极412和第二电极432之间具有摩擦层411，摩擦层411贴于第一电极412，第一电极412带动摩擦层411在第二电极432之间移动，由于摩擦层411与第二电极432的电负性不同，导致电荷在b个第二电极432间转移产生电信号；或者，摩擦层411贴于第二电极432，第一电极412在贴有摩擦层411的第二电极432之间移动，使电荷在第二电极432之间转移，从而，产生电信号。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(TENG)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，有利于提高稳定性和可靠性，保证液体流量计量的准确性。

在一个具体的实施例中，第一电极412和第二电极432相对时具有预设间隙，以相互耦合；摩擦层411的厚度小于预设间隙的宽度，从而，保证摩擦层411贴于第一电极412时，与第二电极432不接触，摩擦层411与第二电极432之间的距离(例如该距离可以是0.5mm)同发电量成反比；摩擦层411贴于第二电极432时，与第一电极412不接触，摩擦层411与第一电极412之间的距离(例如该距离可以是0.5mm)同发电量成反比。以上，采用非接触模式，可以减小摩擦层411与第二电极432或者第一电极412之间的摩擦磨损，大幅提高摩擦纳米发电机的寿命。

在一个具体的实施例中，n个第一电极412分布于b个第二电极432的外围，且均绕中心轴线分布；动能捕获组件2用于驱动第一电极412绕中心轴线相对于第二电极432转动。第一电极412和第二电极432沿径向分布，可以减少占用轴向等其他方向上的空间，且第一电极312和第二电极432均可以是以上述中心轴线为轴的圆弧面，增加两者相对的面积，有利于电荷的充分转移，确保信号稳定性。

智能水表的主要功能是精确地测量和记录流量信息，因此，提高监测精度是提升智能制造水平和推动智能水表行业发展的关键。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412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，在图6、图7和图9中，n＝3，且b＝2，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，同时，2个第二电极432可以充分转移电荷。其中，可以在每个第一电极412用于朝向第二电极432的表面贴设有一个摩擦层411。

在一个具体的实施例中，n个第一电极412导电连接，如这n个第一电极412与同一个点导电连接，或者每相邻两个第一电极412导电连接，以使电荷分布均匀，每次电荷转移量相等，使信号输出更稳定。

例如，转子41还包括第一转轴L1和支架416，动能捕获组件2与第一转轴L1传动连接；支架416包括套设于第一转轴L1的固定部f以及连接于固定部f的n个支臂e，每个支臂e与一个对应的第一电极412连接，支架416同时起到物理支撑第一电极412的作用，以及导电连接各个第一电极412的作用。固定部f与各个支臂e可以是一体铸造成型的一体式结构，结构稳定性更好，不易在运行过程中，固定部f与支臂e之间缝隙变大，从而充分确保每次电荷转移量相等，保证了电信号的稳定性。

在一个具体的实施例中，b大于n，b个第二电极432环绕中心轴线间隔设置，定子43的第二电极432数量多于转子41的第一电极412数量，可以确保电荷在第一电极412和第二电极432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412环绕中心轴线均匀分布；b大于或等于2时，b个第二电极432环绕中心轴线均匀分布。第一电极412和第二电极432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，预设间隙的尺寸d的取值介于摩擦层411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411容易与原本需要间隔设置的第一电极412或者第二电极432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411容易与原本需要间隔设置的第一电极412或者第二电极432接触，装配间隙小、运行不顺畅，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，流体流量监测仪表还包括密封组件3，密封组件3具有密封空间K，转子41和定子43均位于密封空间K内；动能捕获组件2用于磁驱动转子41转动，在确保动能捕获组件2与转子41传动正常进行的情况，防止与液体通道T内的水等流体接触，导致无法正常工作。避免自传感组件4和信号处理及显示组件5受液体的干扰。

密封组件3可以包括密封壳36，密封壳36的开口方向背离液体通道T，密封壳36的开口外围具有向外凸出的环形侧壁凸台364，第一密封垫31位于环形侧壁凸台364的下方，并紧贴环形侧壁凸台364，第一密封垫31另一侧压紧在壳体1的围壁顶端12上；环形侧壁凸台364的内侧具有密封垫槽361，第二密封垫32位于密封垫槽361内，密封玻璃33搭接于环形侧壁凸台364，并压紧第二密封垫32，进行初步密封，装饰板34扣在密封玻璃33的外表面，第三密封垫35放在装饰板34边缘位置，密封罩13顶壁呈环形，且中部镂空，利用该环形结构压紧第三密封垫35，实现密封壳36的密封与防尘；密封壳36内底部具有自传感组件固定槽362和固定柱365，自传感组件4由自传感组件定位孔436通过固定柱365固定在密封壳自传感组件固定槽362上。环形侧壁凸台364下方设有定位柱367，用于卡住第一密封垫31。

参考图1和图10，流体流量监测仪表还包括信号处理及显示组件5，信号处理及显示组件5包括安装架51、信号处理与显示电路52和电池组53，其中信号处理与显示电路52的电路板通过螺栓固定在安装架51上，安装架51通过螺栓固定在密封壳36中的电路板支撑柱363的电路板固定孔；信号处理与显示电路52对第一电极412和第二电极432产生的电信号进行处理，得到流速和流量等相关参数，并通过显示屏实时显示，同时通过无线远传模块将数据远传到数据云端，实现对用水信息随时随地远程监控，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。其中装饰板34实现信号处理与显示电路52中数据的实时显示，以方便人工直接抄表。

在一个具体的实施例中，参考图4，转子41还包括第一转轴L1，密封空间K内还设有主动轴组件42，主动轴组件42包括第二转轴L2，第二转轴L2与第一转轴L1传动连接，第二转轴L2设有第一环形磁铁424；动能捕获组件2包括叶轮22，叶轮22连接有第二环形磁铁22a，第二环形磁铁22a与第一环形磁铁424相对设置，并磁耦合，具体可以是利用异性相吸的原理，第二环形磁铁22a可以磁驱动第一环形磁铁424同步旋转。

参考图3，动能捕获组件2还包括导流架21和滤水网23；同时参考图1和图5，导流架21由凹槽过盈配合在密封壳36底部的密封壳凸槽368上，液体通道T顶部具有固定于壳体1的内壁上的环形凸台11，滤水网23套在导流架21底部，并通过滤水网23顶部外沿搭接固定于环形凸台11上；壳体1顶部开口内侧还可以设有环形卡槽14；叶轮22的第三转轴L3放置在导流架21，第三转轴L3下端由叶轮底部顶针与导流架21转动连接，另一侧由叶轮顶部顶针转动连接于密封壳36底部的密封壳顶针槽366，流体从液体入口T1流入，流经导流架21，保证流体垂直冲击叶轮22。

参考图6、图7和图8，第一转轴L1上固定设有第一齿轮415，第二转轴L2上固定设有第二齿轮422，第一齿轮415与第二齿轮422啮合，第一转轴L1转动时，可以带动第二转轴L2转动。

在一个具体的实施例中，第二转轴L2和第一转轴L1的传动比介于1：20至1：0.1之间，如1：0.1、1：0.5、1：1、1：1.3、1：2、1：5、1：10、1：15、1：20等。传动比大降低分辨率，但是扩大了监测范围。传动比选择小可以扩大检测精度但是降低了监测范围。平衡上述因素，具体可以选择1:1.3。

结合图6支图9，定子43中包括主壳437、顶盖431和底座438；顶盖431扣合在主壳437顶部开口，底座438卡接在主壳437底部开口，主动轴组件42的第二转轴L2的第二顶部顶针421与位于主壳437顶壁的第二顶部顶针孔433定位并转动连接，第二转轴L2的第二底部顶针423与位于底座438的第二底部顶针孔434定位并转动连接；转子41中第一转轴L1的第一顶部顶针413与位于顶盖431的第一顶部顶针孔439定位并转动连接，第一转轴L1的第一底部顶针414与位于底座438的第一底部顶针孔435定位并转动连接。

在一个具体的实施例中，第一电极412的材料为铜、铝或者银；第二电极432的材料为铜、铝或者银；摩擦层411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。

同时，该流体流量监测仪表具有结构简单、低成本、高耐久、计量准确以及维护成本低等优点。

该流体流量监测仪表在农业灌溉、城市供水、环境监测等应用场景上具有良好的应用前景，如通过对流量的精准监测实现根据农作物特性调节灌溉流量，有助于更好地管理和利用水资源。

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 (12)

1.一种流体流量监测仪表，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；

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相对于所述第二电极移动；

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。

2.根据权利要求1所述的流体流量监测仪表，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极相对时具有预设间隙，以相互耦合；

所述摩擦层的厚度小于所述预设间隙的宽度。

3.根据权利要求1或2所述的流体流量监测仪表，其特征在于，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；

所述动能捕获组件用于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。

4.根据权利要求3所述的流体流量监测仪表，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。

5.根据权利要求4所述的流体流量监测仪表，其特征在于，n个所述第一电极导电连接。

6.根据权利要求5所述的流体流量监测仪表，其特征在于，所述转子还包括第一转轴和支架，所述动能捕获组件与所述第一转轴传动连接；

所述支架包括套设于所述第一转轴的固定部以及连接于所述固定部的n个支臂，每个所述支臂与一个对应的第一电极连接。

7.根据权利要求3至6任一项所述的流体流量监测仪表，其特征在于，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所述的流体流量监测仪表，其特征在于，n＝3，且b＝2。

9.根据权利要求3所述的流体流量监测仪表，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。

10.根据权利要求2至9任一项所述的流体流量监测仪表，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。

11.根据权利要求10所述的流体流量监测仪表，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。

12.根据权利要求3所述的流体流量监测仪表，其特征在于，所述流体流量监测仪表还包括密封组件，所述密封组件具有密封空间，所述转子和所述定子均位于所述密封空间内；

所述动能捕获组件用于磁驱动所述转子转动。