一種基于壓電梁的智能管道流監(jiān)測(cè)儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于壓電梁的智能管道流監(jiān)測(cè)儀，屬流體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。管道內(nèi)壁上裝有擾流體和內(nèi)筒，內(nèi)筒兩端裝有端蓋，左端蓋上裝有傳感器及電路板；左端蓋中心孔中套有銷軸，銷軸兩端套有彈簧；銷軸左端裝有激勵(lì)器、右端焊有左側(cè)板，左側(cè)板外緣上依次裝有隔板和右側(cè)板；左右側(cè)板與隔板間及兩相鄰隔板間壓接有金屬基板，基板上的懸臂梁與壓電晶片粘接成壓電振子，壓電振子端部裝有質(zhì)量塊；左右側(cè)板一側(cè)及隔板兩側(cè)都設(shè)有限位面和沉槽。優(yōu)勢(shì)特色：利用耦合作用同步實(shí)現(xiàn)發(fā)電及流速自測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)真正意義的流速在線監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)儀沿管道長(zhǎng)度方向配置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、徑向尺度小、易通過(guò)多壓電振子獲得所需能量及帶寬；壓電振子結(jié)構(gòu)合理，發(fā)電量大、可靠性高。
【專利說(shuō)明】
一種基于壓電梁的智能管道流監(jiān)測(cè)儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于流體狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電梁的智能管道流監(jiān)測(cè) 儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于自然腐蝕、自然界不可抗力以及人為偷盜等原因所造成的石油及天然氣等流 體長(zhǎng)輸管道在使用過(guò)程的泄漏事件時(shí)有發(fā)生，頻繁的管道泄漏不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損 失、同時(shí)也給其周邊自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。以往，常采用定期人工巡檢的方法加以維 護(hù)，但因油氣管道鋪設(shè)距離長(zhǎng)、且常處于人跡罕至或交通不便之處，定期巡檢難以及時(shí)發(fā)現(xiàn) 泄漏并加以維護(hù)。因此，人們提出了多種類型用于管道泄漏監(jiān)測(cè)或防盜系統(tǒng)。雖然所提出的 某些管道泄漏或防盜監(jiān)測(cè)報(bào)警方法在技術(shù)層面以較成熟，但目前我國(guó)長(zhǎng)輸管道防盜監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)的應(yīng)用還處于初步階段、尚未得到大面積的推廣應(yīng)用，其主要原因之一是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供 電問(wèn)題未能得到很好的解決：1)采用鋪設(shè)電纜的方法成本高且易被不法分子切斷而影響監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行;2)采用電池供電時(shí)使用時(shí)間有限、需經(jīng)常更換，一旦電池電量不足且未 及時(shí)更換時(shí)也無(wú)法完成監(jiān)測(cè)信息的遠(yuǎn)程傳輸;3)近年來(lái)，為滿足相關(guān)無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 自供電需求，人們還提出了多種形式的渦輪式微小型發(fā)電裝置，其最大的問(wèn)題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 體積相對(duì)較大，不適于管道直徑較小的場(chǎng)合，某些結(jié)構(gòu)的發(fā)電裝置還存在電磁干擾等現(xiàn)象， 推廣應(yīng)用受到了一定的制約。因此，為使石油及天然氣管道泄漏及防盜系統(tǒng)得以實(shí)際應(yīng)用， 需首先解決其供電問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有管道流體狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電方面所存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于壓 電梁的智能管道流監(jiān)測(cè)儀。本發(fā)明采用的實(shí)施方案是:管道內(nèi)壁上經(jīng)筋板一和筋板二分別 安裝有圓柱形擾流體和內(nèi)筒，擾流體軸心與內(nèi)筒中線相互垂直；內(nèi)筒兩端分別經(jīng)螺釘安裝 有左右端蓋，左端蓋上安裝有溫度傳感器、壓力傳感器及帶有發(fā)射單元的電路板;左端蓋中 心孔中套有銷軸，銷軸左右兩端分別套有緩沖彈簧和平衡彈簧，銷軸左端安裝有激勵(lì)器、右 端焊接有左側(cè)板;緩沖彈簧兩端分別頂靠在激勵(lì)器和左端蓋上，平衡彈簧兩端分別頂靠在 左端蓋和左側(cè)板上;左側(cè)板外緣上經(jīng)螺釘依次安裝有隔板和右側(cè)板;左右側(cè)板與隔板之間、 以及兩相鄰隔板之間均壓接有金屬基板，金屬基板上的懸臂梁與所粘接的壓電晶片構(gòu)成壓 電振子，壓電振子自由端安裝有用于調(diào)芐基頻的質(zhì)量塊，各壓電振子端部的質(zhì)量塊質(zhì)量不 同；左右側(cè)板與壓電振子相鄰的一側(cè)、以及隔板的兩側(cè)都設(shè)有形狀尺度及數(shù)量相同的限位 面和沉槽;沉槽用于容納壓電晶片，其平面尺寸大于壓電晶片、小于金屬懸臂梁；限位面用 于限制壓電振子變形量，限位面為圓弧面且其合理的曲率半徑取決于金屬基板及壓電晶片 的材料及厚度;各壓電振子之間經(jīng)導(dǎo)線相互并聯(lián)后再與電路板連接，并聯(lián)是指各壓電晶片 之間經(jīng)導(dǎo)線相互連接、各金屬基板之間經(jīng)導(dǎo)線相互連接。
[0004] 工作時(shí)、即有流體流過(guò)擾流體時(shí)，流體和擾流體之間將產(chǎn)生相互作用。在某些條件 下，流體流經(jīng)擾流體時(shí)會(huì)在擾流體和激勵(lì)器之間形成兩行旋轉(zhuǎn)方向相反、且周期性交替脫 落的漩渦，漩渦的交替脫落會(huì)引起流體壓力的交替變化，使激勵(lì)器左右兩側(cè)的流體壓力差 交替地變化，從而使激勵(lì)器產(chǎn)生左右方向的往復(fù)振動(dòng)。對(duì)于本發(fā)明，激勵(lì)器左右往復(fù)振動(dòng)經(jīng) 銷軸迫使壓電振子產(chǎn)生彎曲變形，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能;所生成電能經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)诫?路板的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路，為溫度傳感器、壓力傳感器及信號(hào)發(fā)射單元供電；同時(shí)，壓電 振子所生成的電壓波形的數(shù)量也被提取出來(lái)，用于表征流體流速，流體的相關(guān)參數(shù)被發(fā)射 單元發(fā)射出去。
[0005] 本發(fā)明中，管道內(nèi)流體的實(shí)際流速由單位時(shí)間內(nèi)壓電振子的生成電壓波形數(shù)量表 征，即vifd/Si，式中Sl為與結(jié)構(gòu)及流體相關(guān)的系數(shù)為流體所引起的激勵(lì)器的振動(dòng)頻 率、即單位時(shí)間內(nèi)所生成的電壓波形數(shù)，D=(200~5000)μ/(Ρν〇)為擾流體的直徑，P為流體 密度，μ為流體動(dòng)力粘度，νο流體的額定流速。
[0006] 本發(fā)明中，為提高壓電振子發(fā)電能力和可靠性，壓電晶片為0.2~0.3mm的ΡΖΤ4、金 屬基板為鈹青銅，金屬基板與壓電晶片的厚度之比為1~2.5,此時(shí)壓電振子發(fā)電能力較強(qiáng)、 能量比較大;能量比是指各不同厚度比的壓電振子一次彎曲變形所產(chǎn)生的電能與其中的最 大值之比較大;對(duì)于本發(fā)明利用PZT4和鈹青銅基板構(gòu)成的壓電振子，限位面的合理曲率半 徑為
，其中a = hm/hP為厚度比，hm和hp分別為金屬基板 和壓電晶片厚度。
[0007] 優(yōu)勢(shì)與特色:利用流固耦合作用同步實(shí)現(xiàn)發(fā)電供電及流速自動(dòng)測(cè)量，無(wú)需外界能 量供應(yīng)、無(wú)電磁干擾，可實(shí)現(xiàn)真正意義的流速實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)儀沿管道長(zhǎng)度方向配置， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、徑向尺度小，易于通過(guò)采用具有不同端部質(zhì)量的多壓電振子獲得所需能量及頻 帶寬度;壓電振子結(jié)構(gòu)合理、變形量受限位面制約且各點(diǎn)變形曲率相等，故發(fā)電量大、可靠 性尚。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中監(jiān)測(cè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009] 圖2是圖1的左視圖；
[0010]圖3是圖1的A-A剖視圖；
[0011]圖4是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中左側(cè)板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖5是圖4的右視圖；
[0013] 圖6是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中隔板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖7是圖6的右視圖；
[0015] 圖8是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中壓電振子能量比與厚度比關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 管道a的內(nèi)壁上經(jīng)筋板一 bl安裝有圓柱形擾流體q、經(jīng)筋板二b2安裝有內(nèi)筒c，擾流 體q的軸心與內(nèi)筒c的中線相互垂直；內(nèi)筒c的左右兩端分別經(jīng)螺釘安裝有左端蓋k和右端蓋 g，左端蓋k上安裝有溫度傳感器S1、壓力傳感器S2及帶有發(fā)射單元P的電路板d;左端蓋k的 中心孔中套有銷軸m，銷軸m左右兩端分別套有緩沖彈簧jl和平衡彈簧j2,銷軸m的左端安裝 有激勵(lì)器η、右端焊接有左側(cè)板e(cuò);緩沖彈簧j 1兩端分別頂靠在激勵(lì)器η和左端蓋k上，平衡彈 簧j2兩端分別頂靠在左端蓋k和左側(cè)板e(cuò)上；左側(cè)板e(cuò)的外緣上經(jīng)螺釘依次安裝有隔板f和右 側(cè)板e(cuò) '；左側(cè)板e(cuò)及右側(cè)板e(cuò) '與隔板f之間、以及兩個(gè)相鄰隔板f之間均壓接有金屬基板hi， 金屬基板hi上的懸臂梁hll與所粘接的壓電晶片h2構(gòu)成壓電振子h，壓電振子h的自由端安 裝有用于調(diào)芐基頻的質(zhì)量塊i，各壓電振子h端部的質(zhì)量塊i的質(zhì)量不同；左側(cè)板e(cuò)及右側(cè)板 e'與壓電振子h相鄰的一側(cè)、及隔板f的兩側(cè)都設(shè)有形狀尺度及數(shù)量相同的限位面Μ和沉槽 C;沉槽C用于容納壓電晶片h2,其平面尺寸大于壓電晶片h2、小于金屬懸臂梁hll;限位面Μ 用于限制壓電振子h的變形量，限位面Μ為圓弧面且其合理的曲率半徑取決于金屬基板hi及 壓電晶片h2的材料及厚度;各壓電振子h之間經(jīng)導(dǎo)線相互并聯(lián)后再與電路板d連接，并聯(lián)是 指各壓電晶片h2之間經(jīng)導(dǎo)線相互連接、各金屬基板hi之間經(jīng)導(dǎo)線相互連接。
[0017]工作時(shí)、即有流體流過(guò)擾流體q時(shí)，流體和擾流體q之間將產(chǎn)生相互作用。在某些條 件下，流體流經(jīng)擾流體q時(shí)會(huì)在擾流體q和激勵(lì)器η之間形成兩行旋轉(zhuǎn)方向相反、且周期性交 替脫落的漩渦，漩渦的交替脫落會(huì)引起流體壓力的交替變化，使激勵(lì)器η左右兩側(cè)的流體壓 力差交替地變化，從而使激勵(lì)器η產(chǎn)生左右方向的往復(fù)振動(dòng)。對(duì)于本發(fā)明，激勵(lì)器η的左右往 復(fù)振動(dòng)經(jīng)銷軸m迫使壓電振子h產(chǎn)生彎曲變形，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能;所生成電能經(jīng)導(dǎo) 線傳輸?shù)诫娐钒錮的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路，為溫度傳感器S1、壓力傳感器S2、及信號(hào)發(fā)射單 元P供電；同時(shí)，壓電振子h所生成的電壓波形的數(shù)量也被提取出來(lái)，用于表征流體流速，流 體的相關(guān)參數(shù)被發(fā)射單元P發(fā)射出去。
[0018] 本發(fā)明中，道內(nèi)流體的實(shí)際流速由單位時(shí)間內(nèi)壓電振子的生成電壓波形數(shù)量表 征，即vifd/Si，式中SiS與結(jié)構(gòu)及流體相關(guān)的系數(shù)，心為流體所引起的激勵(lì)器η的振動(dòng)頻 率、即單位時(shí)間內(nèi)所生成的電壓波形數(shù)，D=(200~5000)μ/(Ρν〇)為擾流體的直徑，Ρ為流體 密度，μ為流體動(dòng)力粘度，νο流體的額定流速。
[0019] 本發(fā)明中，為提高壓電振子h的發(fā)電能力和可靠性，壓電晶片h2為0.2~0.3mm的 PZT4、金屬基板hi為鈹青銅，金屬基板hi與壓電晶片h2的厚度之比為1~2.5,此時(shí)壓電振子 h的發(fā)電能力較強(qiáng)、能量比較大;能量比是指各不同厚度比的壓電振子h-次彎曲變形所產(chǎn) 生的電能與其中的最大值之比較大;對(duì)于本發(fā)明利用PZT4和鈹青銅基板構(gòu)成的壓電振子h， 限位面Μ的合理曲率半徑為
，其中a = hm/hP為厚度比， ^和心分別為金屬基板hi和壓電晶片h2的厚度。
[0020] 顯然，本發(fā)明是利用激勵(lì)器與流體的耦合作用發(fā)電并實(shí)現(xiàn)流速自動(dòng)測(cè)量，無(wú)需外 界能量供應(yīng)、無(wú)電磁干擾，可實(shí)現(xiàn)真正意義的流速實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè);監(jiān)測(cè)儀沿管道長(zhǎng)度方向配 置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、徑向尺度小，易于通過(guò)采用具有不同端部質(zhì)量的多壓電振子獲得所需能量及 頻帶寬度;壓電振子結(jié)構(gòu)合理、變形量受限位面制約且各點(diǎn)變形曲率相等，故發(fā)電量大、可 靠性高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于壓電梁的智能管道流監(jiān)測(cè)儀，其特征在于：管道內(nèi)壁上安裝有圓柱形擾流 體和內(nèi)筒，擾流體軸心與內(nèi)筒中線相互垂直；內(nèi)筒兩端安裝有左右端蓋，左端蓋上安裝有溫 度傳感器、壓力傳感器及帶有發(fā)射單元的電路板;左端蓋中心孔中套有銷軸，銷軸左右兩端 分別套有緩沖彈簧和平衡彈簧，銷軸左端安裝有激勵(lì)器、右端焊接有左側(cè)板;緩沖彈簧兩端 分別頂靠在激勵(lì)器和左端蓋上，平衡彈簧兩端分別頂靠在左端蓋和左側(cè)板上；左側(cè)板外緣 上依次安裝有隔板和右側(cè)板；左右側(cè)板與隔板之間、以及兩相鄰隔板之間均壓接有金屬基 板，金屬基板上的懸臂梁與所粘接的壓電晶片構(gòu)成壓電振子，壓電振子自由端安裝有質(zhì)量 塊，各壓電振子端部的質(zhì)量塊質(zhì)量不同；左右側(cè)板的一側(cè)及隔板兩側(cè)都設(shè)有形狀尺度及數(shù) 量相同的限位面和沉槽;沉槽平面尺寸大于壓電晶片、小于金屬懸臂梁，限位面為圓弧面； 各壓電振子之間經(jīng)導(dǎo)線相互并聯(lián)后再與電路板連接;管道流速為 V = fiD/St，式中St為與結(jié) 構(gòu)及流體相關(guān)的系數(shù)，fi為流體所引起的激勵(lì)器振動(dòng)頻率，D=(200~5000)μ/(ρ ν〇)為擾流 體的直徑，Ρ為流體密度，μ為流體動(dòng)力粘度，νο流體的額定流速。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK105974153SQ201610459750
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】馬繼杰, 闞君武, 王淑云, 王鴻云
【申請(qǐng)人】浙江師范大學(xué)