一种基于压电梁的智能管道流监测仪制造技术

本发明专利技术涉及一种基于压电梁的智能管道流监测仪，属流体监测领域。管道内壁上装有扰流体和内筒，内筒两端装有端盖，左端盖上装有传感器及电路板；左端盖中心孔中套有销轴，销轴两端套有弹簧；销轴左端装有激励器、右端焊有左侧板，左侧板外缘上依次装有隔板和右侧板；左右侧板与隔板间及两相邻隔板间压接有金属基板，基板上的悬臂梁与压电晶片粘接成压电振子，压电振子端部装有质量块；左右侧板一侧及隔板两侧都设有限位面和沉槽。优势特色：利用耦合作用同步实现发电及流速自测量，可实现真正意义的流速在线监测；监测仪沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小、易通过多压电振子获得所需能量及带宽；压电振子结构合理，发电量大、可靠性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于流体状态监测
，具体涉及一种基于压电梁的智能管道流监测仪。
技术介绍
由于自然腐蚀、自然界不可抗力以及人为偷盗等原因所造成的石油及天然气等流体长输管道在使用过程的泄漏事件时有发生，频繁的管道泄漏不仅造成了巨大的经济损失、同时也给其周边自然环境造成了严重的污染。以往，常采用定期人工巡检的方法加以维护，但因油气管道铺设距离长、且常处于人迹罕至或交通不便之处，定期巡检难以及时发现泄漏并加以维护。因此，人们提出了多种类型用于管道泄漏监测或防盗系统。虽然所提出的某些管道泄漏或防盗监测报警方法在技术层面以较成熟，但目前我国长输管道防盗监测系统的应用还处于初步阶段、尚未得到大面积的推广应用，其主要原因之一是监测系统的供电问题未能得到很好的解决：1)采用铺设电缆的方法成本高且易被不法分子切断而影响监测系统的正常运行；2)采用电池供电时使用时间有限、需经常更换，一旦电池电量不足且未及时更换时也无法完成监测信息的远程传输；3)近年来，为满足相关无线传感监测系统的自供电需求，人们还提出了多种形式的涡轮式微小型发电装置，其最大的问题是结构复杂、体积相对较大，不适于管道直径较小的场合，某些结构的发电装置还存在电磁干扰等现象，推广应用受到了一定的制约。因此，为使石油及天然气管道泄漏及防盗系统得以实际应用，需首先解决其供电问题。
技术实现思路
针对现有管道流体状态监测系统供电方面所存在的问题，本专利技术提出一种基于压电梁的智能管道流监测仪。本专利技术采用的实施方案是：管道内壁上经筋板一和筋板二分别安装有圆柱形扰流体和内筒，扰流体轴心与内筒中线相互垂直；内筒两端分别经螺钉安装有左右端盖，左端盖上安装有温度传感器、压力传感器及带有发射单元的电路板；左端盖中心孔中套有销轴，销轴左右两端分别套有缓冲弹簧和平衡弹簧，销轴左端安装有激励器、右端焊接有左侧板；缓冲弹簧两端分别顶靠在激励器和左端盖上，平衡弹簧两端分别顶靠在左端盖和左侧板上；左侧板外缘上经螺钉依次安装有隔板和右侧板；左右侧板与隔板之间、以及两相邻隔板之间均压接有金属基板，金属基板上的悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子，压电振子自由端安装有用于调节基频的质量块，各压电振子端部的质量块质量不同；左右侧板与压电振子相邻的一侧、以及隔板的两侧都设有形状尺度及数量相同的限位面和沉槽；沉槽用于容纳压电晶片，其平面尺寸大于压电晶片、小于金属悬臂梁；限位面用于限制压电振子变形量，限位面为圆弧面且其合理的曲率半径取决于金属基板及压电晶片的材料及厚度；各压电振子之间经导线相互并联后再与电路板连接，并联是指各压电晶片之间经导线相互连接、各金属基板之间经导线相互连接。工作时、即有流体流过扰流体时，流体和扰流体之间将产生相互作用。在某些条件下，流体流经扰流体时会在扰流体和激励器之间形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的漩涡，漩涡的交替脱落会引起流体压力的交替变化，使激励器左右两侧的流体压力差交替地变化，从而使激励器产生左右方向的往复振动。对于本专利技术，激励器左右往复振动经销轴迫使压电振子产生弯曲变形，从而将机械能转换成电能；所生成电能经导线传输到电路板的能量转换与存储电路，为温度传感器、压力传感器及信号发射单元供电；同时，压电振子所生成的电压波形的数量也被提取出来，用于表征流体流速，流体的相关参数被发射单元发射出去。本专利技术中，管道内流体的实际流速由单位时间内压电振子的生成电压波形数量表征，即v＝flD/Si，式中si为与结构及流体相关的系数，fl为流体所引起的激励器的振动频率、即单位时间内所生成的电压波形数，D＝(200～5000)μ/(ρv0)为扰流体的直径，ρ为流体密度，μ为流体动力粘度，v0流体的额定流速。本专利技术中，为提高压电振子发电能力和可靠性，压电晶片为0.2～0.3mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5，此时压电振子发电能力较强、能量比较大；能量比是指各不同厚度比的压电振子一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比较大；对于本专利技术利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子，限位面的合理曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片厚度。优势与特色：利用流固耦合作用同步实现发电供电及流速自动测量，无需外界能量供应、无电磁干扰，可实现真正意义的流速实时在线监测；监测仪沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小，易于通过采用具有不同端部质量的多压电振子获得所需能量及频带宽度；压电振子结构合理、变形量受限位面制约且各点变形曲率相等，故发电量大、可靠性高。附图说明图1是本专利技术一个较佳实施例中监测仪的结构示意图；图2是图1的左视图；图3是图1的A-A剖视图；图4是本专利技术一个较佳实施例中左侧板的结构示意图；图5是图4的右视图；图6是本专利技术一个较佳实施例中隔板的结构示意图；图7是图6的右视图；图8是本专利技术一个较佳实施例中压电振子能量比与厚度比关系曲线。具体实施方式管道a的内壁上经筋板一b1安装有圆柱形扰流体q、经筋板二b2安装有内筒c，扰流体q的轴心与内筒c的中线相互垂直；内筒c的左右两端分别经螺钉安装有左端盖k和右端盖g，左端盖k上安装有温度传感器S1、压力传感器S2及带有发射单元P的电路板d；左端盖k的中心孔中套有销轴m，销轴m左右两端分别套有缓冲弹簧j1和平衡弹簧j2，销轴m的左端安装有激励器n、右端焊接有左侧板e；缓冲弹簧j1两端分别顶靠在激励器n和左端盖k上，平衡弹簧j2两端分别顶靠在左端盖k和左侧板e上；左侧板e的外缘上经螺钉依次安装有隔板f和右侧板e’；左侧板e及右侧板e’与隔板f之间、以及两个相邻隔板f之间均压接有金属基板h1，金属基板h1上的悬臂梁h11与所粘接的压电晶片h2构成压电振子h，压电振子h的自由端安装有用于调节基频的质量块i，各压电振子h端部的质量块i的质量不同；左侧板e及右侧板e’与压电振子h相邻的一侧、及隔板f的两侧都设有形状尺度及数量相同的限位面M和沉槽C；沉槽C用于容纳压电晶片h2，其平面尺寸大于压电晶片h2、小于金属悬臂梁h11；限位面M用于限制压电振子h的变形量，限位面M为圆弧面且其合理的曲率半径取决于金属基板h1及压电晶片h2的材料及厚度；各压电振子h之间经导线相互并联后再与电路板d连接，并联是指各压电晶片h2之间经导线相互连接、各金属基板h1之间经导线相互连接。工作时、即有流体流过扰流体q时，流体和扰流体q之间将产生相互作用。在某些条件下，流体流经扰流体q时会在扰流体q和激励器n之间形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的漩涡，漩涡的交替脱落会引起流体压力的交替变化，使激励器n左右两侧的流体压力差交替地变化，从而使激励器n产生左右方向的往复振动。对于本专利技术，激励器n的左右往复振动经销轴m迫使压电振子h产生弯曲变形，从而将机械能转换成电能；所生成电能经导线传输到电路板d的能量转换与存储电路，为温度传感器S1、压力传感器S2、及信号发射单元P供电；同时，压电振子h所生成的电压波形的数量也被提取出来，用于表征流体流速，流体的相关参数被发射单元P发射出去。本专利技术中，道内流体的实际流速由单位时间内压电振子的生成电压波形数量表征，即v＝flD/Si，式中Si为与结构及流体相关的系数，fl为流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压电梁的智能管道流监测仪，其特征在于：管道内壁上安装有圆柱形扰流体和内筒，扰流体轴心与内筒中线相互垂直；内筒两端安装有左右端盖，左端盖上安装有温度传感器、压力传感器及带有发射单元的电路板；左端盖中心孔中套有销轴，销轴左右两端分别套有缓冲弹簧和平衡弹簧，销轴左端安装有激励器、右端焊接有左侧板；缓冲弹簧两端分别顶靠在激励器和左端盖上，平衡弹簧两端分别顶靠在左端盖和左侧板上；左侧板外缘上依次安装有隔板和右侧板；左右侧板与隔板之间、以及两相邻隔板之间均压接有金属基板，金属基板上的悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子，压电振子自由端安装有质量块，各压电振子端部的质量块质量不同；左右侧板的一侧及隔板两侧都设有形状尺度及数量相同的限位面和沉槽；沉槽平面尺寸大于压电晶片、小于金属悬臂梁，限位面为圆弧面；各压电振子之间经导线相互并联后再与电路板连接；管道流速为v＝flD/St，式中St为与结构及流体相关的系数，fl为流体所引起的激励器振动频率，D＝(200～5000)μ/(ρv0)为扰流体的直径，ρ为流体密度，μ为流体动力粘度，v0流体的额定流速。

【技术特征摘要】
1.一种基于压电梁的智能管道流监测仪，其特征在于：管道内壁上安装有圆柱形扰流体和内筒，扰流体轴心与内筒中线相互垂直；内筒两端安装有左右端盖，左端盖上安装有温度传感器、压力传感器及带有发射单元的电路板；左端盖中心孔中套有销轴，销轴左右两端分别套有缓冲弹簧和平衡弹簧，销轴左端安装有激励器、右端焊接有左侧板；缓冲弹簧两端分别顶靠在激励器和左端盖上，平衡弹簧两端分别顶靠在左端盖和左侧板上；左侧板外缘上依次安装有隔板和右侧板；左右侧板与隔板之间、以及两相邻隔板之间均压接有金属基板，金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：马继杰，阚君武，王淑云，王鸿云，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33