本發(fā)明屬于管道流體監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自供電管道流速監(jiān)測儀。

背景技術(shù)：

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輸管道在使用過程的泄漏事件時有發(fā)生，頻繁的管道泄漏不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失、同時也給其周邊自然環(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、且常處于人跡罕至或交通不便之處，定期巡檢難以及時發(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)測或防盜系統(tǒng)。雖然所提出的某些管道泄漏或防盜監(jiān)測報警方法在技術(shù)層面以較成熟，但目前我國長輸管道防盜監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)的供電問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)測系統(tǒng)的正常運行；2)采用電池供電時使用時間有限、需經(jīng)常更換，一旦電池電量不足且未及時更換時也無法完成監(jiān)測信息的遠(yuǎn)程傳輸；3)近年來，為滿足相關(guān)無線傳感監(jiān)測系統(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，其最大的問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積相對較大，不適于管道直徑較小的場合，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)得以實際應(yīng)用，需首先解決其供電問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有管道流體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本發(fā)明提出一種自供電管道流速監(jiān)測儀。本發(fā)明采用的實施方案是：管道內(nèi)壁上經(jīng)筋板固定有內(nèi)筒，管道、筋板及內(nèi)筒構(gòu)成主體框架；設(shè)有導(dǎo)向孔和導(dǎo)線孔的隔板將內(nèi)筒分隔成左腔和右腔，左腔內(nèi)部經(jīng)螺釘安裝有帶發(fā)射單元的電路板、端部經(jīng)螺釘安裝有左端蓋；階梯軸的左半軸經(jīng)左端蓋中心孔從左腔伸出，左半軸端部安裝有激勵器；左半軸上套有平衡彈簧和限位彈簧，平衡彈簧左右兩端分別頂靠在激勵器和左端蓋上，限位彈簧左右兩端分別頂靠在左端蓋和階梯軸的右半軸側(cè)面；右半軸經(jīng)隔板導(dǎo)向孔伸入右腔，右腔內(nèi)部安裝有可滑動的換能器、端部經(jīng)螺釘安裝有右端蓋，右端蓋側(cè)面及右半軸端部均鑲嵌有緩沖墊；帶圓弧凸起的金屬基板及金屬基板的凸面上所粘接的壓電晶片構(gòu)成壓電振子，兩個壓電振子及其金屬基板兩端所安裝的兩個∏型框架構(gòu)成換能器，同一換能器中兩個壓電振子的金屬基板靠近安裝；右腔內(nèi)最左側(cè)和最右側(cè)的壓電振子分別與右半軸和右端蓋上的緩沖墊相連，兩相鄰換能器上的相鄰壓電振子經(jīng)隔離墊相連；非工作時換能器中兩個∏型框架上的限位框端部相互接觸，以避免壓電晶片因曲率半徑減小而碎裂；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。

工作時、即有流體流過激勵器時，流體和激勵器之間將產(chǎn)生相互作用。在某些條件下流體流經(jīng)激勵器時會在激勵器后面形成兩行旋轉(zhuǎn)方向相反、且周期性交替脫落的漩渦，漩渦的交替脫落會引起流體壓力的交替變化，即使激勵器前后兩側(cè)的流體壓力差交替地變化，從而使激勵器產(chǎn)生左右方向的往復(fù)振動。對于本發(fā)明，激勵器的左右往復(fù)振動經(jīng)階梯軸迫使壓電振子產(chǎn)生變形、即曲率半徑增加和減小，從而將機械能轉(zhuǎn)換成電能；所生成電能經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)诫娐钒宓哪芰哭D(zhuǎn)換與存儲電路，為信號發(fā)射單元供電；同時，壓電振子所生成的電壓波形的數(shù)量也被提取出來，用于表征流體流速，流體流速信號被發(fā)射單元發(fā)射出去。

本發(fā)明中，為使壓電振子能被有效激勵，監(jiān)測儀在額定流速v₀下工作時壓電振子的靜變形量為其最大可變形量的一半、激勵器的直徑為D＝(200～5000)μ/(ρv₀)，式中ρ為流體密度、μ為流體動力粘度。本發(fā)明中，管道內(nèi)流體的流速由單位時間內(nèi)壓電振子的生成電壓波形數(shù)量表征，即v＝f_lD/S_t，式中S_t為與結(jié)構(gòu)及流體性能相關(guān)的系數(shù)，D為激勵器直徑，f_l為流體流過激勵器時所引起的振動頻率、即單位時間內(nèi)所生成的電壓波形數(shù)。

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PZT4、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，此時壓電振子發(fā)電能力較強、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；對于本發(fā)明利用PZT4和鈹青銅基板構(gòu)成的壓電振子，自然狀態(tài)下金屬基板和壓電晶片結(jié)合面處的合理曲率半徑為其中α＝h_m/h_p為厚度比，h_m和h_p分別為金屬基板和壓電晶片的厚度。

優(yōu)勢與特色：利用激勵器與流體的耦合作用實現(xiàn)自激振動發(fā)電和流速自動測量，無需外界能量供應(yīng)、無電磁干擾，可實現(xiàn)真正意義的流速實時在線監(jiān)測；監(jiān)測儀沿管道長度方向配置，結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺度小，易于通過采用多壓電振子獲得所需能量；壓電振子結(jié)構(gòu)合理、變形量可控且各點應(yīng)力分布均勻，故發(fā)電量大、可靠性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個較佳實施例中監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的左視圖；

圖3是本發(fā)明一個較佳實施例中主體框架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3的A-A剖視圖；

圖5是本發(fā)明一個較佳實施例中換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是圖5的左視圖。

具體實施方式

管道a的內(nèi)壁上經(jīng)筋板b固定有內(nèi)筒c，管道a、筋板b及內(nèi)筒c構(gòu)成主體框架K；設(shè)有導(dǎo)向孔c5和導(dǎo)線孔c6的隔板c2將內(nèi)筒c分隔成左腔c3和右腔c4，左腔c3內(nèi)部經(jīng)螺釘安裝有帶發(fā)射單元P的電路板d、端部經(jīng)螺釘安裝有左端蓋k：階梯軸m的左半軸m1經(jīng)左端蓋k的中心孔從左腔c3伸出，左半軸m1端部安裝有激勵器n；左半軸m1上套有平衡彈簧j1和限位彈簧j2，平衡彈簧j1左右兩端分別頂靠在激勵器n和左端蓋k上，限位彈簧j2左右兩端分別頂靠在左端蓋k和階梯軸m的右半軸m2的側(cè)面；右半軸m2經(jīng)隔板c2的導(dǎo)向孔c5伸入右腔c4，右腔c4內(nèi)部安裝有可滑動的換能器H、端部經(jīng)螺釘安裝有右端蓋g，右端蓋g側(cè)面及右半軸m2端部均鑲嵌有緩沖墊e；帶圓弧凸起的金屬基板h1及金屬基板h1的凸面上所粘接的壓電晶片h2構(gòu)成壓電振子h，兩個壓電振子h及其金屬基板h1兩端所安裝的兩個∏型框架i構(gòu)成換能器H，同一換能器H中兩個壓電振子h的金屬基板h1靠近安裝；右腔c4內(nèi)最左側(cè)和最右側(cè)的壓電振子h分別與右半軸m2和右端蓋g上的緩沖墊e相連，兩相鄰換能器H上的相鄰壓電振子h經(jīng)隔離墊f相連；非工作時換能器H中兩個∏型框架i上的限位框i1的端部相互接觸，以避免壓電晶片h2因曲率半徑減小而碎裂；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h1之間經(jīng)導(dǎo)線相互連接。

工作時、即有流體流過激勵器n時，流體和激勵器n之間將產(chǎn)生相互作用。在某些條件下流體流經(jīng)激勵器n時會在激勵器n后面形成兩行旋轉(zhuǎn)方向相反、且周期性交替脫落的漩渦，漩渦的交替脫落會引起流體壓力的交替變化，即使激勵器n前后兩側(cè)的流體壓力差交替地變化，從而使激勵器n產(chǎn)生左右方向的往復(fù)振動。對于本發(fā)明，激勵器n的左右往復(fù)振動經(jīng)階梯軸m迫使壓電振子h產(chǎn)生變形、即曲率半徑增加和減小，從而將機械能轉(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)換與存儲電路，為信號發(fā)射單元P供電；同時，壓電振子h所生成的電壓波形的數(shù)量也被提取出來，用于表征流體流速，流體流速信號被發(fā)射單元P發(fā)射出去。

本發(fā)明中，為使壓電振子h能被有效激勵，監(jiān)測儀在額定流速v₀下工作時壓電振子h的靜變形量為其最大可變形量的一半、激勵器n的直徑為D＝(200～5000)μ/(ρv₀)，式中ρ為流體密度、μ為流體動力粘度。本發(fā)明中，管道內(nèi)流體的流速由單位時間內(nèi)壓電振子的生成電壓波形數(shù)量表征，即為v＝f_lD/S_t，式中S_t為與結(jié)構(gòu)及流體性能相關(guān)的系數(shù)，D為激勵器n的直徑，f_l為流體流過激勵器時所引起的振動頻率、即單位時間內(nèi)所生成的電壓波形數(shù)。

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h1為鈹青銅，金屬基板h1與壓電晶片h2的厚度之比為1～2.5，此時壓電振子h的發(fā)電能力較強、能量比較大；能量比是指各不同厚度比的壓電振子h一次彎曲變形所產(chǎn)生的電能與其中的最大值之比較大；對于本發(fā)明利用PZT4和鈹青銅基板構(gòu)成的壓電振子h，自然狀態(tài)下金屬基板h1和壓電晶片h2結(jié)合面處的合理曲率半徑為其中α＝h_m/h_p為厚度比，h_m和h_p分別為金屬基板h1和壓電晶片h2的厚度。

顯然，本發(fā)明是利用激勵器與流體的耦合作用實現(xiàn)自激振動發(fā)電和流速自動測量，無需外界能量供應(yīng)、無電磁干擾，可實現(xiàn)真正意義的流速實時在線監(jiān)測；監(jiān)測儀沿管道長度方向配置，結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺度小，易于通過采用多壓電振子獲得所需能量；壓電振子結(jié)構(gòu)合理、變形量可控且各點應(yīng)力分布均勻，故發(fā)電量大、可靠性高。