CN206804688U - 一种自供能液体流速计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自供能液体流速计，其包括：壳体、涡轮、传动轴、摩擦纳米发电机构、储能机构、数字显示屏以及管路系统；其中所述壳体为圆柱形空腔结构，所述空腔结构分成上腔室、中腔室和下腔室；所述上腔室内固定安装有储能机构及集成电路结构，所述储能机构通过设置于隔离板上的线孔与摩擦纳米发电机构电连接，所述集成电路结构用于数据转换并与内嵌安装于壳体上表面的数字显示屏连接；所述中腔室内设置有摩擦纳米发电机构，所述摩擦纳米发电机构包括同轴设置的尺寸相同的上摩擦片和下摩擦片；所述下摩擦片通过传动轴与涡轮轴连接随涡轮做同步旋转运动；所述下腔式内安装有涡轮，且腔室侧壁连接管路系统，所述管路系统包括进液管路和出液管路。

Description

一种自供能液体流速计

技术领域

本实用新型涉及仪器仪表领域，具体说涉及一种自供能液体流量计。

背景技术

随着现代工业和信息行业的迅速发展，流速计、液体压力、温度表等常用工业仪表的需求连年攀升，传统的检测仪表多依靠电池供电，电池类产品的大量使用不仅消耗大量能源，废弃电池的后续处理也成了环境保护领域的一项亟待解决的难题。为了减少环境能源消耗，设计研究仪器仪表的新型功能方案成为国内外学者的重点研究方向。

摩擦纳米发电机(TENG)是美国佐治亚理工学院的王中林教授研究组在2012年研制出的一种新型发电机。TENG是一种利用纳米材料摩擦起电和静电感应耦合效应将机械能转换成电能的装置，其工作方式与现有技术中已知的各种发电技术均不同。这项技术利用铝膜和聚酰亚胺(PTFE)表面上的纳米结构发生接触摩擦，使两接触表面分别带有不同的电荷，通过电荷的转移形成电流。

目前常用的液体流量计一般有涡轮式、激光式、超声波式和电磁式流量计等，这些已有的流量计需要大量电能以保证其工作效果，特别是涡轮式流量计在工作过程中会产生巨大压降。

纳米摩擦发电机具有结构简单，发电电压高、成本低、寿命长等优点。其与用电器相结合可有效缓解全球能源危机和全球环境污染等问题，具有广泛的推广意义。

发明内容

鉴于已有技术存在的不足，本实用新型的目的是要提供一种新型多用途自供能液体流速计，除了能够测量液体流速外还可以做智能液体表，并且克服了以上技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型技术方案如下：

一种自供能液体流速计，其特征在于，其包括：壳体、涡轮、传动轴、摩擦纳米发电机构、储能机构、数字显示屏以及管路系统；其中

所述壳体为圆柱形空腔结构，所述空腔结构被从上至下依次设置的隔离板和密封板分成上腔室、中腔室和下腔室；

所述上腔室内固定安装有所述储能机构及集成电路结构，所述储能机构通过设置于隔离板上的线孔与所述摩擦纳米发电机构电连接，所述集成电路结构用于数据转换与内嵌安装于壳体上表面的数字显示屏连接；

所述中腔室内设置有摩擦纳米发电机构，所述摩擦纳米发电机构包括同轴设置的尺寸相同的上摩擦片和下摩擦片；所述下摩擦片通过随涡轮轴与涡轮做同步旋转运动；

所述下腔式内安装有涡轮，且腔室侧壁连接管路系统，所述管路系统包括进液管路和出液管路。

进一步地，所述摩擦纳米发电机构的上摩擦片附着有两片尺寸相同的扇叶形电极膜且两扇形电极膜角平分线处于一条直线；所述摩擦纳米发电机构的下摩擦片附着有一尺寸与上述扇叶型电极膜相同的扇叶形绝缘膜。

进一步地，所述密封板中心位置设置有密封孔，所述密封孔尺寸与所述传动轴紧密配合，所述传动轴穿过所述密封板与涡轮轴栓接。

进一步地，所述储能机构还包括变压电路、整流电路以及蓄电池；

所述集成电路模块将摩擦纳米发电机构的输出电压频率转化为液体流速数据传输给数字显示屏显示；

所述蓄电池给所述数字显示屏供电。

进一步地，所述集成电路模块还包括压力转换电路和温度转换电路。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型应用了摩擦纳米发电技术，当液体流过流速计时带动内部涡轮旋转，涡轮轴带动摩擦纳米发电机构发电，通过其产生交变电压的频率即可以确定涡轮转速从而确定液体流速。本发明不需要外部电源供电，即可将液体流速、压力、温度等信息传输到显示屏上显示。

(2)在本实用新型基础上，通过添加温度传感器、压力传感器等组件，即得到多用途、高集成度的液体检测仪表，满足工业现场的各种检测需求。

(3)本实用新型公开的流速计可以广泛结合计算机技术、物联网技术及大数据技术并采用可视化方式有机整合水务管理部门与供排水设施，以形成“城市水务物联网”，并可将海量水务信息进行及时分析与处理，以更加高效准确的方式管理水务系统的整个生产、管理和服务流程，从而成为“智慧城市”管理体系的重要组成部分。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型自供能液体流速计基本结构分解示意图；

图2是本实用新型自供能液体流速计整体结构示意图；

图3是本实用新型纳米摩擦发电机构工作流程示意图；

图4是本实用新型纳米摩擦发电机构结构示意图；

图5是本实用新型纳米摩擦发电机构发电原理图；

图6是本实用新型自供能液体流速计内部等效电路示意图；

图7是本实用新型实施例3中数据采集系统原理图；

图8是本实用新型实施例3中分布式数据采集系统原理图；

图9是本实用新型涡轮叶片结构示意图。

附图标号说明：

1、壳体上盖，2、数字显示屏，3、电路腔室，4、隔离板，5、线孔，6、上摩擦片，7、摩擦片中心孔，8、电极膜，9、绝缘膜；10、下摩擦片，11、密封板，12、密封孔，13、涡轮，14、涡轮轴，15、壳体，16、进液管路，17、出液管路，18、下腔室，19、储能机构，20、摩擦纳米发电机构，21、变压器电路，22、整流器电路，23、发电端开关，24、充电电源Ⅰ，25、充电电源Ⅱ，26、发电电路开关Ⅰ、27发电电路开关Ⅱ，28、电路模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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。

实施例1

本实用新型设计了一种自供能液体流量计，下面结合附图以及具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案：

图1所示为本实用新型自供能液体流速计基本结构分解示意图,图2为本实用新型自供能液体流速计整体结构示意图。流速计包括：壳体15、涡轮13、传动轴14、摩擦纳米发电机构20、储能机构19、数字显示屏2以及管路系统；其中壳体15为圆柱形空腔结构，空腔结构被从上至下依次设置的隔离板4和密封板11分成上腔室、中腔室和下腔室18；上腔室内固定安装有所述储能机构19及集成电路结构，集成电路结构安放在电路腔室3内，储能机构19为蓄电池，其通过设置于隔离板4上的线孔5与摩擦纳米发电机构20电连接，给所述数字显示屏供电。集成电路结构用于数据转换与内嵌安装于壳体上盖1的数字显示屏2连接。集成电路模块将摩擦纳米发电机构的输出电压频率转化为液体流速数据传输给数字显示屏显示，其包括变压电路、整流电路，此外集成电路模块还包括压力转换电路和温度转换电路。所述中腔室内设置有摩擦纳米发电机构19。摩擦纳米发电机构包括同轴设置的尺寸相同的上摩擦片6和下摩擦片10；所述下摩擦片10通过涡轮轴14连接涡轮13做同步旋转运动；密封板中心位置设置有密封孔，密封孔尺寸与传动轴紧密配合，传动轴穿过所述密封板与涡轮轴14栓接。

如图2所示，下腔室18内安装有涡轮13，且腔室侧壁连接管路系统，述管路系统包括进液管路16和出液管路17。本流速计中通过改善涡轮结构，设计符合流体流动特性的涡轮叶片，降低涡轮对液体流速的阻力，涡轮叶片机构如图9所示。

摩擦纳米发电机构20的上摩擦片6附着有两片尺寸相同的扇叶形电极膜且两扇形电极膜角平分线处于一条直线；所述摩擦纳米发电机构的下摩擦片10附着有一尺寸与上述扇叶型电极膜相同的扇叶形绝缘膜。通过电极膜表面的图案化设计和摩擦层相对旋转速度的提高，增加电流的输出效率。

密封板中心位置设置有密封孔，所述密封孔尺寸与所述传动轴紧密配合，传动轴穿过所述密封板与涡轮轴14栓接。

如图3所示为摩擦纳米发电机构的工作流程，图4所示为纳米摩擦发电机构结构示意图；液体经进液管路进入流量计推动涡轮旋转再有出液管路流出，在这个过程中液体的动能转化为涡轮机械能，又经过传动轴转化为摩擦纳米发电机构的电能。摩擦纳米机构包括上摩擦片和下摩擦片两部分，下摩擦片通过传动轴与涡轮连接并随涡轮做同步旋转运动。上摩擦片上附着两块电极薄膜，下摩擦片上附着一片绝缘薄膜。所述的电极薄膜为两个接近半圆的扇形且扇形边长与上摩擦片半径一致；绝缘薄膜与任意电极薄膜形状和尺寸相同，以使得绝缘薄膜能够与电极薄膜在接触时能够达到完全重合，有效摩擦面积最大。绝缘薄膜优选为聚四氟乙烯薄膜(PTFE)，当液体流过流速计时，带动涡轮及下摩擦片绝缘薄膜旋转并与上摩擦片电极薄膜摩擦后分别带上不同的电荷。所述电极膜和绝缘膜均采用可弹性压缩薄膜材料，大大减小两圆盘之间的压力摩擦阻力，同时由于涡轮采用轻质塑料叶轮，从而使流速计整体对液体的阻力减到最小，也提高了流速计的精度。

本实用新型纳米摩擦发电机构发电原理如图5所示，PTFE带负电荷，相对应的电极薄膜带正电荷，随着液体继续流动，两接触摩擦的薄膜做相对的转动，当PTFE膜转到另一个电极膜时，该电极膜便在PTFE膜所带负电荷的影响下通过外电路排斥电子，转移到原接触的电极膜上并带上相应的正电荷，原接触的电极膜带电量逐渐减少至最少量。当上圆板PTFE膜重新接触开始到初始位置时，初始电极膜开始通过外电路排斥电子到另一电极膜上，从而带正电荷量逐渐增多至最多，依次循环。

当外电路有电子转移时，即有了电流，我们将该部分电能储存到储能模块中以供用电模块使用。由于本发明中摩擦纳米发电机构输出的电压较高，因此需要通过变压器将电压降低，储存到蓄电池中以便使用。

摩擦纳米发电机构的输出电压频率与流速有关，通过实验将输出电压频率与液体流速的关系曲线标定好，烧结到集成电路模块中。当流速计有液体流过时，集成电路模块中就会得到电压频率信号，然后将其转化为流速信号传送给显示屏，这样就可以直观的看到液体的流速。

如图6所示为自供能液体流速计内部电路等效示意图。当有液体流过经流速计时，带动涡轮旋转，摩擦纳米发电机构20产生电流，电流经变压器电路21、整流器电路22、作用后给蓄电池充电，由蓄电池向用电器供电，保证了供电效果的稳定性。

实施例2

本实施方式是在实施例1的基础上改进得到的，作为本实用新型一种优选实施方案，在自供能液体流量计的基础上，在进液管路和出液管路上设置液压传感器，以构成新型多功能液体表。所述液压传感器线路通过流速计内腔、密封板及密封板上密封孔传出液体内腔，再经摩擦纳米发电机构以及摩擦片中心孔和线孔5连接到电路腔室中的电路模块，最后将液压信息转化为数字信息显示到显示屏上。新型多用途自供能液体流速计还可以做液体表。本发明做液体表还可测量液温，在流速计内腔密封板上嵌有温度传感器，线路经密封孔、TENG中心孔及线孔连接到电路模块中，电路模块将温度信息转化为电子信息再传到显示屏上。

将新型多功能液体表应用于城市污水排水管路中时，全管路系统中所有水表采集的数据都通过流速计中集成电路集中传输到网络控制终端，通过终端控制，将城市下水道状况完全显示到主控制器上，提高城市地下水的监测和控制效率。通过自供能流速计组成智能水务，在线监测设备实时感知城市供排水系统的运行状态，并采用可视化的方式有机整合水务管理部门与供排水设施，形成“城市水务物联网”，并可将海量水务信息进行及时分析与处理，并做出相应的处理结果辅助决策建议，以更加精细和动态的方式管理水务系统的整个生产、管理和服务流程，从而达到“智慧”的状态。

实施例3

本实施方式是在实施例2的基础上改进得到的，作为本实用新型一种优选实施方案，在自供能液体流量计的基础上结合GPS定位技术，通过网络终端取代人类实现自动抄表，从而实现整个水管管路的全局网络控制，通过管路液压温度等信息的采集判断，及时发现管路阻或液体异常现象，从而能够及时维修保养，尽可能减少管路异常对管路系统的影响。本发明中多用途自供能液体流速计内部有采集器，能将水表数据保存下来，并能智能传输给互联网，通过后台软件操作系统对数据进行分析处理，从而构成智慧水务系统。

利用数据采集系统对该自供能流速计收集的相应的数据进行提取，通过传感器以及相应的电路模块设备对其产生的电压信号或者电流信号进行采样、保持，并送入A/D转换器变成数字信号，然后将该信号送到FIFO(FIFO的一端为AD数据采集，另一端时计算机的PCI总线)中，图7给出了数据采集系统的工作原理。当FIFO中存放的数据到了一定数目时，可由ARM7处理器从FIFO中读出，然后通过ARM7的相应接口传送给相应的水务平台或者其相应的服务器。考虑到要监控的设备数量众多，因此采用多路采集通道，经过模拟开关后再进入A/D转换器。CPLD(数字集成电路)是整个系统的控制核心，他控制采集通道的切换、A/D转换器的启/停、转换后的数据在FIFO中的存放地址发生器、产生中断请求以通知ARM7读取存放在FIFO中的数据等。

同时，在面对大量的水务系统时，单一数据采集系统不能满足使用需求，可以基于分布式思想将一个庞大的水务系统进行科学的进行数据采集划分，再将其采集的数据发布于相应服务器。这样可以高效的管理大型的水务系统。图8所示为分布式数据采集系统的工作原理。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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 (5)

1.一种自供能液体流速计，其特征在于，其包括：壳体、涡轮、传动轴、摩擦纳米发电机构、储能机构、数字显示屏以及管路系统；其中，

所述壳体为圆柱形空腔结构，所述空腔结构被从上至下依次设置的隔离板和密封板分成上腔室、中腔室和下腔室；

所述上腔室内固定安装有所述储能机构及集成电路结构，所述储能机构通过设置于隔离板上的线孔与所述摩擦纳米发电机构电连接，所述集成电路结构用于数据转换与内嵌安装于壳体上表面的数字显示屏连接；

所述中腔室内设置有摩擦纳米发电机构，所述摩擦纳米发电机构包括同轴设置的尺寸相同的上摩擦片和下摩擦片；所述下摩擦片通过随涡轮轴与涡轮做同步旋转运动；

所述下腔式内安装有涡轮，且腔室侧壁连接管路系统，所述管路系统包括进液管路和出液管路。

2.根据权利要求1所述的自供能液体流速计，其特征在于：所述摩擦纳米发电机构的上摩擦片附着有两片尺寸相同的扇叶形电极膜且两扇形电极膜角平分线处于一条直线；所述摩擦纳米发电机构的下摩擦片附着有一尺寸与上述扇叶型电极膜相同的扇叶形绝缘膜。

3.根据权利要求1所述的自供能液体流速计，其特征在于：所述密封板中心位置设置有密封孔，所述密封孔尺寸与所述传动轴紧密配合，所述传动轴穿过所述密封板与涡轮轴栓接。

4.根据权利要求1所述的自供能液体流速计，其特征在于：所述集成电路结构还包括变压电路、整流电路；

所述集成电路结构将摩擦纳米发电机构的输出电压频率转化为液体流速数据传输给数字显示屏显示；所述储能机构为蓄电池，其给所述数字显示屏供电。

5.根据权利要求4所述的自供能液体流速计，其特征在于：所述集成电路模块还包括压力转换电路和温度转换电路。