CN210604681U

CN210604681U - 一种流体监测的智能管道

Info

Publication number: CN210604681U
Application number: CN201921344429.7U
Authority: CN
Inventors: 吴化平; 孔琨; 裘烨; 王有岩; 蒋正扬; 王怡超
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2019-08-19
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2029-08-19

Abstract

本实用新型为一种流体监测的智能管道，包括：管道、数据采集模块、数据处理模块、无线发射模块、无线接收模块、显示屏和供电模块。所述供电模块、数据采集模块、无线发射模块依次连接，所述数据采集模块垂直固定于管道内壁，所述供电模块和无线发射模块密封固定于管道内侧上壁；所述无线接收模块、数据处理模块、显示屏依次连接，固定于管道外侧。数据采集模块随着流体的运动而发生弯曲形变，而后产生与之相关的电信号，从而实现对管道内流体状态的监测。本实用新型能够有效的检测与监测常规管道系统难以收集的流体状态信号，适用于很多复杂状态下的管道系统需求。

Description

一种流体监测的智能管道

技术领域

本实用新型属于智能管道领域，具体地涉及一种流体监测的智能管道。

背景技术

在工业生产生活中，管道系统因其自身的特点广泛应用于多种行业与多种领域中，如固体颗粒，粉体，浆体，流体，气体等等的运输。在实际的工业生产中，像石油化工运输，污水处理，天然气运输这些重要的具体的场景中，管道系统扮演者极其重要的角色。可以说管道是这些行业的生命线，然而，由于管道系统的庞大特征及其复杂性，对管道内流体或气体的状态监测成为一个难题，每年由于相关的监测不到位导致的一些大大小小的事故不胜其数，例如在油气领域，其后果不仅是经济上的损失，更会给环境带来巨大的污染。

传统的管道监测主要通过人工巡检的方式和阶段性的检查管内物质状态的方式来进行判断流体状态，这些方式不仅费时费力更缺乏一定的及时性，难以迅速快捷的找到相关问题和实时进行监测。而随着技术的发展也出现了一些新的技术，如通过管道内流体质量与体积分析，电磁分析，管道压力分析等等方式，其中类似于质量与体积分析这样的方式往往是等管内流体状态已经发生变化或是说一些故障已经发生后才能监测到，而后面两种方式其主要存在的问题也是在实时监测方面方式缺少一定的优越性，同时，监测范围小，设备需要经常性的维护也是这些技术的一些不足之处。

发明内容

本实用新型的目的是针对传统的较为旧式的管道流体监测方式而提供一种以新型传感器感知为基础的一种流体监测的智能管道，具有能够实时监测管道流体的速度，方向和流动状态的功能。

为到达到上述功能，本监测系统通过以下系列技术方案实现：一种流体监测的智能管道，包括：管道、数据采集模块、数据处理模块、无线发射模块、无线接收模块、显示屏和供电模块。所述供电模块、数据采集模块、无线发射模块依次连接，所述数据采集模块垂直固定于管道内壁，所述供电模块和无线发射模块密封固定于管道内侧上壁；所述无线接收模块、数据处理模块、显示屏依次连接，固定于管道外侧。所述数据采集模块采集管道内流体的力电信号，经无线发射模块发射，由无线接收模块接收力电信号，再经数据处理模块信号处理将力电信号转化成流速数据，最终由显示屏显示。

所述数据采集模块为压电/压阻双模式柔性传感器，所述传感器包括压电层和压阻层；所述压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；所述压阻层是由喷涂在具有微结构的金电极表面和具有微结构的PDMS的石墨烯薄膜构成；所述微阵列结构为正四棱台微阵列，所述阵列上底面边长与下底面边长的比值k与阵列高度h满足：

其中，

为第一变量，具体为

为第二变量，具体为

为第三变量，具体为

c_ij、e_ij和k_ij分别是弹性劲度常数、压电应力常数和介电常数；a₂为正四棱台底面边长；F表示为压力，t为时间，R为电压表内阻，V为压电层的输出电压。

进一步地，所述正四棱台微阵列优选为金字塔形微阵列。

进一步地，所述正四棱台微阵列高度优选为h＝40μm。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：本申请采用的数据采集模块为压电/压阻双模式柔性传感器，从传感器自身的结构来看，由于压电层和压阻层的传感信号通过不同的电极输出，避免了两组信号的相互干扰，保证了收集到的管道流体状态相关数据的准确性。双模式传感器使压电传感机理与压阻传感机理相互协作，完成单一模式传感器无法实现的功能，既能够检测出静态力变化，又能反馈高频信号刺激，在检测物体的受力或者变形过程中，得到更多的信息，结合了压电式传感器和压阻式传感器的优点。在传感性能方面，双模式传感器的传感性能不但没有下降，而且由于双模式传感器比单一模式组合传感器更薄更轻便，双模式传感器表现出了更优的传感性能。并通过计算分析了传感器中正四棱台微阵列对压电层传感性能的影响，当正四棱台微结构的几何参数k和h增大时，压电层输出电压值增大，灵敏度升高。确定了最优的微结构—金字塔微结构，并通过倒膜的方法制备了具有金字塔微结构阵列的传感层，不仅能实时监测管道的受力情况，而且能实时检测出流体的流速。该智能管道具有能够实时监测管道流体的速度，方向和流动状态的特点。

附图说明

图1是本实用新型智能管道的工作流程框图；

图2是本实用新型压电/压阻双模式传感器的工作原理图；

图3双模式传感器与单一模式传感器压力与弯曲形变传感性能对比实验数据；

图4是双模式传感器与管道连接以及各模块连接的模拟效果图；

图5是一种管道系统整体及局部外观图。

具体实施方式

如图1、4所示，为本实用新型一种流体监测的智能管道，包括：管道、数据采集模块、数据处理模块、无线发射模块、无线接收模块、显示屏和供电模块。所述供电模块、数据采集模块、无线发射模块依次连接，所述数据采集模块垂直固定于管道内壁，所述供电模块和无线发射模块密封固定于管道内侧上壁；所述无线接收模块、数据处理模块、显示屏依次连接，固定于管道外侧。所述数据采集模块采集管道内流体的力电信号，经无线发射模块发射，由无线接收模块接收力电信号，再经数据处理模块信号处理将力电信号转化成流速数据，最终由显示屏显示。

所述数据采集模块为压电/压阻双模式柔性传感器，如图2所示，包括压电层和压阻层；所述压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；所述压阻层是由喷涂在具有微结构的金电极表面和具有微结构的PDMS的石墨烯薄膜构成；所述微阵列结构为正四棱台微阵列。根据压电效应的本构方程：

其中c_ij、e_ij和k_ij分别是弹性劲度常数、压电应力常数和介电常数，σ_ij为应力，ε_ij为应变，D为电位移，E为电场强度。

当压电薄膜受到法向力作用时，σ11和σ22都等于0，上式(2)和(3)联立，表示为：

消去ε11，ε22和ε33得：

其中：D₃为法相电位移，

又根据电场和电势之间的关系：

进一步得到压电薄膜的法相电位移为：

V为压电薄膜的输出电压，l为P(VDF-TrFE)膜的厚度。

根据麦克斯韦方程和欧姆定律，电流I的大小与电位移D₃、电压V和电阻R有关，根据它们之间的关系：

其中，t为时间，A为压电薄膜受力面积。将电流I和电位移D₃的消除后得到：

又

根据初始条件V_(t＝0)＝0，输出电压V为：

式中：

为了进一步提高压电薄膜的压电效应，在平面薄膜表面引入正四棱台微阵列结构，相对于平面薄膜结构，如图1所示，四棱台结构在垂直方向上的截面积是不同的，压电薄膜受到的法向应力σ₃₃在垂直方向上是相等的，而四棱台在垂直截面上的应力σ₃₃是不同的。

设四棱台上表面的边长为a₁，底部边长为高度为h(图1)。则四棱台的平均应力可表示为：

式中，定义几何参数k＝a₂/a₁。当k＝1时，正四棱台的上顶面的面积等于下底面的面积，可以看作为平面薄膜的一个微单元。从式(17)中可以看出当四棱台的高度h和底部边长a₂不变时，上顶面边长a₁越小，平均应力σ'₃₃越大。为了得到正四棱台上下端面之间的输出电压值，将平均应力σ'33带入

从而得出：

从公式(1)中可以看到压电传感器的输出电压与正四棱台微结构与几何参数k和高度h成正比。所以为了提高压电传感层的传感性能，应该尽可能减小微结构上顶面的面积与增大微结构的高度。因此，当正四棱台为金字塔结构时，压电层传感性能达到最优。当金字塔微结构的底边变长为60μm时，目前的微结构加工技术可制备的最大高度为40μm。

所述压电层通过以下方法制备：

(1)将1g BTO纳米颗粒浸泡于10mL H₂O₂，在90℃条件下浸泡6h使BTO纳米颗粒表面改性，烘干得到h-BTO粉末。

(2)取步骤(1)制备得到的h-BTO粉末0.025g，溶解于10mL的DMF中，同时取0.225gP(VDF-TrFE)粉末溶解于另一份10mL的DMF中，随后将两份DMF溶液混合均匀；

(3)将步骤(2)中的混合溶液旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm×1cm，恒温干燥至固化成膜，再在120℃下退火处理2h随后降温，冷却到室温后，将复合薄膜从硅模板上剥离。

(4)在步骤(3)得到的复合薄膜的两个表面采用电子束蒸发技术分别镀上100nm厚度的金电极，分别连接一根引线，制备得到具有正四棱台微阵列的压电薄膜。

所述压阻层包括以下制备方法：

(1)所述PDMS采用的是美国道康宁公司型号为DC184，将PDMS与固化剂按照质量比10:1混合均匀，真空除气泡；

(2)将除去气泡的PDMS旋涂在具有正四棱台微阵列的硅模板上，硅模板尺寸为1cm×1cm，恒温干燥至固化成膜，并从硅模板上剥离；

(3)将10mL 0.75mg/mL石墨烯溶液滴涂至具有微阵列的PDMS表面和金电极表面，并烘干，并在石墨烯表面引出一根引线，得到具有正四棱台微阵列的压阻层。

实施例

本实施例的数据采集模块为压电/压阻双模式柔性传感器，其微阵列结构采用的是底边边长60μm,高度40μm的金字塔形微阵列。如图2所示压电/压阻双模式压力传感器包括压电层和压阻层两部分。在压电层的上、下两面制备了金电极，压电层输出的压电信号通过金电极接入电压表。在压电层和压阻层的微结构表面都覆盖了一层rGO。压阻信号通过两层rGO输入到电流表。压电层和压阻层的传感信号通过不同的电极输出，避免了两组信号的相互干扰，确保了测试的准确性。

为了对比双模式传感器与单模式传感器性能，在相同的实验条件下，将单一模式的压阻式传感器和压电式传感器贴在一起，对组合传感器的压力与弯曲应变传感性能做了测试。实验数据图如图3，对压力的加载速率进行检测时，电压表内阻R＝10MΩ，如图3(a)所示，双模式传感器压电层能感知的最小加载速率为0.1kPa/s，而且双模式传感器的灵敏度S＝0.23，线性度L＝0.98；单一模式压电传感器的传感灵敏度S＝0.18，双模式传感器在检测压力加载速率时具有更高的灵敏度。同样对两种传感器的弯曲应变检测性能做了对比，从图3(b)中可以看到双模式中压电层的传感灵敏度为0.18V/(％s^-1)，最高检测应变速率为10％s^-1。而单模式组合传感的灵敏度较低(0.12V/(％s^-1))，最高检测应变速率为9％s^-1。此外，双模式传感器中压阻层对弯曲应变的传感灵敏度为2.16，单模式组合传感器的灵敏度为1.85。因此，在弯曲应变检测实验中，双模式传感器比单一模式组合传感器表现出了更优越的传感性能。此外，根据进一步的相关实验，通过具体的模拟管道与结日常常识，管道内的流体的流动速率与与上述数据图中的传感器的应变速率实际上存在着一种线性关系，即当管道内流体流动速率越大时，传感器的应变速率(变化的程度与变化的时间的比值)也会随着越来越大，相反，流动速率越小的时候，相应的应变速率也会随之变小，进一步的，由传感器的应变速率与两种不同模式传感器的传感特性的关系，我们可以建立管道内流体流动速率与传感器监测到的信号与输出信号之间的关系，为整个管道系统的监测提供依据。

如图5所示，首先将管道图的各个连接处编号，以此从整体上进一步描述此管道监测系统的具体实施方式。从图中左上方管口处通入某种流体(气体或液体),其通过管道会经过各个编号的连接处，①②③④⑤处分别监测到流体在处于稳定时的信号并将其转化为相关数据，此时五个地方的传感器所输送到PC端最终生成的结果应是大致相同的，若此时②③④⑤的某个地认为的调整连接处的管道内部出口或其他原因使得管道中的流体的速度和方向发生一定的改变，这种条件下，②③④⑤处的传感器不仅会监测到不同的流体状态而使稳定时的数据发生改变，①处的传感器同样也会因此而输出不同的信号状态，通过这些最终输出到PC端的信号变化的采集与对比，进一步的计算机的分析最终可以监测处是哪个编号的部位的管道状态变化导致流体的流动状态发生改变，更进一步的，以此可以分析管道的哪个具体的连接处出现问题或故障，达到本智能管道监测系统的目的。

Claims

1.一种流体监测的智能管道，其特征在于,包括：管道、数据采集模块、数据处理模块、无线发射模块、无线接收模块、显示屏和供电模块；所述供电模块、数据采集模块、无线发射模块依次连接，所述数据采集模块垂直固定于管道内壁，所述供电模块和无线发射模块密封固定于管道内侧上壁；所述无线接收模块、数据处理模块、显示屏依次连接，固定于管道外侧；所述数据采集模块采集管道内流体的力电信号，经无线发射模块发射，由无线接收模块接收力电信号，再经数据处理模块信号处理将力电信号转化成流速数据，最终由显示屏显示；

所述数据采集模块为压电/压阻双模式柔性传感器，所述传感器包括压电层和压阻层；所述压电层由具有微结构的压电复合薄膜，以及喷涂在复合薄膜上金电极构成；所述压阻层是由喷涂在具有微结构的金电极表面和具有微结构的PDMS的石墨烯薄膜构成；所述微结构为正四棱台微阵列，所述阵列上底面边长与下底面边长的比值k与阵列高度h满足：

其中，

为第一变量，具体为

为第二变量，具体为

为第三变量，具体为

2.根据权利要求1所述智能管道，其特征在于，所述正四棱台微阵列优选为金字塔形微阵列。

3.根据权利要求1所述智能管道，其特征在于，所述正四棱台微阵列高度优选为h＝40μm。