一种管道液体流量无源检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种管道液体流量无源检测装置，包括旋转式压电发电装置和流量检测装置，旋转式压电发电装置包括圆形外壳、叶片、端帽、旋转轴、轴承、拨片、防水圈、压电双晶悬臂梁和后端盖，圆形外壳固定于管道内，旋转轴通过轴承固定于圆形外壳上，叶片沿旋转轴上沟槽插入连接限位，端帽固定于旋转轴并对叶片进行固定，拨片固定于旋转轴，防水圈安装于圆形外壳的固定孔内，压电双晶悬臂梁固定于圆形外壳且绕旋转轴呈圆周阵列分布，后端盖固定于圆形外壳，压电双晶悬臂梁引出电极接入流量检测装置，流量检测装置检测流量并将流量实时数据发送至服务器。本发明专利技术还提供一种管道液体流量无源检测装置的检测方法。

【技术实现步骤摘要】
一种管道液体流量无源检测装置及方法
本专利技术涉及能量收集装置和管道液体流量检测方法，特别是涉及一种旋转式压电发电装置和流量检测装置，具体为一种管道液体流量无源检测装置及方法。
技术介绍
随着节水型社会的发展，对管道流量的检测装置和方法提出了更高的要求。微机电系统、无线通讯技术、低功耗嵌入式技术的飞速发展，无线传感器网络随之诞生。目前无线传感器节点多采用电池供电，这种供电方式存在寿命低、更换复杂的问题，管道布置的分散性导致检测装置电池更换的困难性。为了适应不同环境，管道流量无源检测成了一种新思路。为了解决低功耗的管道无线传感器网络的供电问题，需要一种可靠的能源。管道液体流动存在的动能是一种可靠的能量，将这部分能量收集起来并转换为电能的供电方式是一种持久的供电方式。压电晶体具有压电效应，对其施加一定压力时，晶体两端会产生电位差。利用晶体的正压电效应可以对环境的能量进行收集，压电晶体作为能量转换机制具有结构简单、清洁无污染、使用寿命长、抗电磁干扰等优点。压电晶体通过一定工艺加工成低功耗传感器设备的供电模块，能使管道流量检测无源化，降低维护成本。另外，根据旋转式压电发电装置的压电方程及机电耦合模型可以获得输出电压和液体流量的模型。因此，可以通过采集电压对流量进行换算，获得流量数据。基于以上两点，本专利技术提出了利用压电晶体作为换能环节，将管道液体的动能转换为电能。并利用流量检测装置对电能储存并采集流量数据，实现了无源管道流量检测的设想。公开号CN207485590U的中国专利公开了一种水流发电装置，该专利利用和收集涡激振动中所蕴含的能量，利用水流的冲击产生使得振动块振动来实现发电，并利用压电材料受力发生变形而产生电能的特性，实现动能转化给电能，但是该装置并不适用于管道流量检测中。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种管道液体流量无源检测装置及方法，利用压电晶体作为换能环节，将管道液体的动能转换为电能，通过采集电压对流量进行换算，获得流量数据，实现管道液体流量无源检测。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种管道液体流量无源检测装置，包括旋转式压电发电装置和流量检测装置，所述旋转式压电发电装置包括圆形外壳、叶片、端帽、旋转轴、轴承、拨片、防水圈、压电双晶悬臂梁和后端盖，所述圆形外壳固定于管道内，所述旋转轴通过轴承固定于圆形外壳上，所述叶片沿旋转轴上沟槽插入连接限位，所述端帽通过旋转轴上的螺纹固定于旋转轴并对叶片进行固定，所述拨片固定于旋转轴上，所述防水圈安装于圆形外壳的固定孔内，所述压电双晶悬臂梁固定于圆形外壳且绕旋转轴呈圆周阵列分布，所述后端盖固定于圆形外壳上，所述压电双晶悬臂梁引出电极接入流量检测装置的整流储能模块和采集处理模块，所述流量检测装置的通讯模块将采集处理模块获取的实时数据发送至服务器。本专利技术中，管道液体流动推转叶片转动，旋转轴上的拨片随着叶片的转动拨动压电双晶悬臂梁，压电片产生的能量经过收集后储存在电池中，采集处理模块收集每个压电片产生的电压信号，并将其转换为流量数据，通讯模块实现本地化的流量和远程流量在线监测。本专利技术既能实现管道液体动能的收集，又能实现流量的无源检测，且结构简单，装置对环境的适应性较强。优选地，所述压电双晶悬臂梁由三层组成，包括金属中间层和粘贴在金属中间层上下表面的压电晶体。优选地，所述金属中间层远离旋转轴固定于压电双晶悬臂梁上，两层压电晶体粘贴在金属中间层的上下表面且串联连接，并引出电极。所述压电晶体通过导电胶固定在梁上，每个压电晶体的电极面均通过导线连接至整流储能模块。优选地，两层压电晶体的极化方向相反，都垂直于金属中间层面。优选地，所述金属中间层为弹性金属片，所述压电晶体为压电陶片。具体地，所述金属中间层为薄铜片。优选地，所述压电双晶悬臂梁为4个。实际中，可以根据管道中流量的大小和梁换能效应适当调整梁个数，但要避免相邻梁之间振动时的干扰。优选地，所述压电双晶悬臂梁通过过盈配合固定于圆形外壳。利用压电双晶悬臂梁和圆形外壳的过盈配合来实现连接，根据过盈量的大小可将该连接设置为可拆卸连接或不可拆卸连接。装配后，压电双晶悬臂梁和圆形外壳的径向变形使配合面间产生很大的应变，依靠该应变产生的正压电效应获取能量。优选地，所述整流储能模块包括整流电路、稳压电路和电池充电电路。优选地，所述整流电路采用并联同步开关接口电路，即在压电发电装置和全桥整流桥之间并联放置一个开关和电感，全桥整流并联输出后接入稳压电路，通过电池充电电路对电池充电。具体地，全桥整流并联输出后接入稳压电路对幅值不同的直流电源进行稳定，采用MAX667集成芯片稳压并接入TP4057对电池充电。所述电池可选用锂电池。进一步地，为了防止锂电池的过冲和过放，在充电电路设有保护电路。一种管道液体流量无源检测装置的检测方法，基于所述的检测装置实现，包括：S1，通过检测装置获取交流电源，具体包括：叶片在液体流动作用下产生旋转运动，带动拨片对压电双晶悬臂梁产生周期性作用力，使其产生周期性振动，压电双晶悬臂梁在自由端受力产生变形，由于正压电效应产生交流电源；S2，整流储能，具体包括：交流电源经整流后转变为直流电源，通过模型建立或者数值分析求出管道液体流量和电压的关系，整流后的直流电源通过稳压电路对幅值进行规整获得幅值固定的直流电源，稳定直流电源通过充电电路对电池充电，电池为整个电路供电；S3，电压采集，具体包括：对整流后的电压进行采集，通过流量算法换算为流量；S4，数据上传，具体包括：对所述流量数据进行储存、完整性检查后，将所述流量数据传输至服务器。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术利用压电晶体作为换能环节，将管道液体的动能转换为电能，并利用流量检测装置对电能进行储存和流量数据采集，实现了管道液体流量无源检测，有效解决了管道液体流量检测的电源问题；2)本专利技术提出的压电发电装置结构简单可靠，流量采集装置元器件少，易于集成，符合低功耗的设计原则，适用于各种管道流量检测，形成无线管道流量传感器网络；3)本专利技术将管道液体流量检测的实时数据通过通讯模块传输至服务器，供工作人员本地查看及远程在线监测。附图说明图1为根据实施例的旋转式压电发电装置的结构示意图；图2为根据实施例的压电晶体与整流储能电路的连接示意图；图3为根据实施例的管道液体流量无源检测装置的检测流程示意图；其中：1、圆形外壳；2、叶片；3、端帽；4、旋转轴；5、轴承；6、拨片；7、防水圈；8、压电双晶悬臂梁；9、后端盖。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供一种管道液体流量无源检测装置，该装置由两部分组成：旋转式压电发电装置和流量检测装置。旋转式压电发电装置通过压电效应将管道内液体流动的动能转化为电能，流量检测装置对转化后的电能进行整流、储存和采集，并将采集的电压信号转换成管道液体流量数据，该流量数据被发送至服务器供本地查看和远程在线监测。参考图1，旋转式压电发电结构，该结构由以下几个部分组成：圆形外壳1、叶片2、端帽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道液体流量无源检测装置，其特征在于，包括旋转式压电发电装置和流量检测装置，所述旋转式压电发电装置包括圆形外壳、叶片、端帽、旋转轴、轴承、拨片、防水圈、压电双晶悬臂梁和后端盖，所述圆形外壳固定于管道内，所述旋转轴通过轴承固定于圆形外壳上，所述叶片沿旋转轴上沟槽插入连接限位，所述端帽通过旋转轴上的螺纹固定于旋转轴并对叶片进行固定，所述拨片固定于旋转轴上，所述防水圈安装于圆形外壳的固定孔内，所述压电双晶悬臂梁固定于圆形外壳且绕旋转轴呈圆周阵列分布，所述后端盖固定于圆形外壳上，所述压电双晶悬臂梁引出电极接入流量检测装置的整流储能模块和采集处理模块，所述流量检测装置的通讯模块将采集处理模块获取的实时数据发送至服务器。

【技术特征摘要】
1.一种管道液体流量无源检测装置，其特征在于，包括旋转式压电发电装置和流量检测装置，所述旋转式压电发电装置包括圆形外壳、叶片、端帽、旋转轴、轴承、拨片、防水圈、压电双晶悬臂梁和后端盖，所述圆形外壳固定于管道内，所述旋转轴通过轴承固定于圆形外壳上，所述叶片沿旋转轴上沟槽插入连接限位，所述端帽通过旋转轴上的螺纹固定于旋转轴并对叶片进行固定，所述拨片固定于旋转轴上，所述防水圈安装于圆形外壳的固定孔内，所述压电双晶悬臂梁固定于圆形外壳且绕旋转轴呈圆周阵列分布，所述后端盖固定于圆形外壳上，所述压电双晶悬臂梁引出电极接入流量检测装置的整流储能模块和采集处理模块，所述流量检测装置的通讯模块将采集处理模块获取的实时数据发送至服务器。2.根据权利要求1所述的一种管道液体流量无源检测装置，其特征在于，所述压电双晶悬臂梁由三层组成，包括金属中间层和粘贴在金属中间层上下表面的压电晶体。3.根据权利要求2所述的一种管道液体流量无源检测装置，其特征在于，所述金属中间层远离旋转轴端固定于压电双晶悬臂梁上，两层压电晶体粘贴在金属中间层的上下表面且串联连接，并引出电极。4.根据权利要求3所述的一种管道液体流量无源检测装置，其特征在于，两层压电晶体为极化方向相反的串联连接，都垂直于金属中间层面。5.根据权利要求4所述的一种管道液体流量无源检测装置，其特征在于，所述金属中间层为弹性金属片，所述压电晶体为压电陶片。6.根据权利要求1所述的一种管道...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩宇，彭利平，沈金荣，苏新，陈云峰，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32