一种智能管道流速监测仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种智能管道流速监测仪，属流体监测领域。管道内的内筒被隔板分成左右腔，左腔内装有电路板、端部装有左端盖；销轴的左右半轴上分别套有缓冲弹簧和平衡弹簧，左半轴经左端盖伸出、端部安装有激励器，右半轴从隔板伸入右腔；右端盖将两个外框和至少一个内框压接在右腔内；相邻内外框及内框间都压接有金属基板，金属基板的悬臂梁与压电晶片粘接成压电振子，悬臂梁另一端固定在右半轴上；外框一侧及内框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；压电振子结构合理，发电量大、可靠性高。
【专利说明】
-种智能管道流速监测仪
技术领域
[0001] 本发明属于管道流体监测技术领域，具体设及一种智能管道流速监测仪。
【背景技术】
[0002] 由于自然腐蚀、自然界不可抗力W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。W往，常采用定期人工巡检的方法加W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W及时发现 泄漏并加W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W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满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W实际应用， 仍需首先解决其供电问题。
【发明内容】
[0003] 针对现有管道流体状态监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种智能管 道流速监测仪。本发明采用的实施方案是:管道内壁经筋板固定有内筒，管道、筋板及内筒 构成主体框架；内筒筒壁内侧设有隔板，隔板将内筒分隔成左腔和右腔;隔板上设有导向孔 和走线孔;左腔内经螺钉固定有带发射单元的电路板、端部经螺钉安装有左端盖;销轴轴肩 将销轴分成左半轴和右半轴，左右半轴上分别套有缓冲弹黃和平衡弹黃;左半轴经左端盖 中屯、孔从左腔伸出，左半轴端部安装有激励器;右半轴从隔板的导向孔伸入右腔，右腔端部 经螺钉安装有右端盖，右端盖将两个外框和至少一个内框压接在右腔内；外框和相邻的内 框之间、W及两个相邻的内框之间都压接有金属基板，金属基板上的金属悬臂梁与所粘接 的压电晶片构成压电振子，金属悬臂梁的另一端经螺母、短轴套和长轴套固定在右半轴上； 外框的一侧及内框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。
[0004] 工作时、即有流体流过激励器时，流体和激励器之间将产生相互作用。在某些条件 下，流体流经激励器时会在激励器后面形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的縱满， 縱满的交替脱落会引起流体压力的交替变化，即使激励器前后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。对于本发明，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，流体流速信号被发射单元发射出去。
[0005] 本发明中，为使压电振子能被有效激励，监测仪在额定流速下工作时应满足:销轴 所受流体作用力Fi等于所受平衡弹黃力Fp与缓冲弹黃力Fh之差、即Fi = Fp-Fh,压电振子静变 形量为零、且激励器直径为D= (200~5000)y/(Pv〇)，式中D为激励器的直径、P为流体密度、 y为流体动力粘度，VO为管道额定流速。
[0006] 本发明中，管道内流体的流速由单位时间内压电振子的生成电压波形数量表征， 即为v = fiD/Si，式中Si为与结构及流体性能相关的系数，D为激励器直径，fi为流体流过激 励器时所引起的振动频率、即单位时间内所生成的电压波形数。
[0007] 本发明中，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 属基板为被青铜，金属基板与压电晶片的厚度比为1~2.5,此时压电振子的发电能力较强、 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;对于本发明利用PZT4和被青铜基板构成的压电振子，限位面的合理曲率半 径为
，其中a = hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板 和压电晶片厚度。
[0008] 优势与特色:利用激励器与流体的禪合作用同步实现发电供电及流速自动测量， 无需外界能量供应和传感器、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，易于通过采用多压电振子获得所需能量;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】
[0009] 图1是本发明一个较佳实施例中监测仪的结构示意图；
[0010] 图2是图1的左视图；
[0011] 图3是图1的I部放大图；
[0012]图4是图1的A-A剖视图；
[0013] 图5是本发明一个较佳实施例中主体框架的结构示意图；
[0014] 图6是本发明一个较佳实施例中外框的结构示意图；
[0015] 图7是图6的右视图；
[0016] 图8是本发明一个较佳实施例中内框的结构示意图；
[0017] 图9是图8的右视图。
【具体实施方式】
[0018] 管道a的内壁上经筋板b固定有内筒C，管道a、筋板b及内筒C构成主体框架K;内筒C 的筒壁Cl内侧设有隔板c2,隔板c2将内筒C分隔成左腔c3和右腔c4;隔板c2上设有导向孔c5 和走线孔c6;左腔c3内经螺钉固定有带发射单元P的电路板d、端部经螺钉安装有左端盖k; 销轴m上的轴肩ml将销轴m分成左半轴m2和右半轴m3，左半轴m2和右半轴m3上分别套有缓冲 弹黃jl和平衡弹黃j2;左半轴m2经左端盖k的中屯、孔从左腔c3伸出，左半轴m2端部安装有激 励器n;右半轴m3从隔板c2上的导向孔c5伸入右腔c4,右腔c4的端部经螺钉安装有右端盖邑， 右端盖g将两个外框e和至少一个内框f压接在右腔c4内；外框e和相邻的内框f之间、W及两 个相邻的内框f之间都压接有金属基板hi,金属基板hi上的金属悬臂梁hll与所粘接的压电 晶片h2构成压电振子h，金属悬臂梁hll的另一端经螺母P、短轴套i'和长轴套i固定在右半 轴m3上;外框e的一侧及内框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hll;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hi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hi之间经导线相互连接。
[0019]工作时、即有流体流过激励器n时，流体和激励器n之间将产生相互作用。在某些条 件下流体流经激励器n时会在激励器n后面形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的縱 满，縱满的交替脱落会引起流体压力的交替变化，即使激励器n前后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。对于本发明，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，流体流速信号被发射单元P发射出去。
[0020] 本发明中，为使压电振子h能被有效激励，监测仪在额定流速VO下工作时应满足： 销轴m所受流体作用力Fi等于所受平衡弹黃力Fp与缓冲弹黃力Fh之差、即Fi = Fp-Fh,压电振 子h的静变形量为零、且激励器n的直径为D=(200~5000)ii/(Pvo)，式中D为激励器的直径、 P为流体密度、y为流体动力粘度。
[0021] 本发明中，管道内流体的流速由单位时间内压电振子的生成电压波形数量表征， 即为v = fiD/Si，式中Si为与结构及流体性能相关的系数，D为激励器直径，fi为流体流过激 励器时所引起的振动频率、即单位时间内所生成的电压波形数。
[0022] 本发明中，为提高压电振子h的发电能力和可靠性，压电晶片h2为0.2~0.3mm的 PZT4、金属基板hi为被青铜，金属基板hi与压电晶片h2的厚度之比为1~2.5,此时压电振子 h的发电能力较强、能量比较大;能量比是指各不同厚度比的压电振子h-次弯曲变形所产 生的电能与其中的最大值之比较大;对于本发明利用PZT4和被青铜基板构成的压电振子h， 限位面M的合理曲率半径关
，其中Q = Whp为厚度比， hm和hp分别为金属基板hi和压电晶片h2的厚度。
[0023] 显然，本发明是利用激励器与流体的禪合作用发电并实现流速自动测量，无需外 界能量供应和传感器、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，易于通过采用多压电振子获得所需能量;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。
【主权项】
1. 一种智能管道流速监测仪，其特征在于:管道内壁经筋板固定有内筒，设有导向孔和 走线孔内的隔板将内筒分隔成左腔和右腔;左腔内部安装有带发射单元的电路板、端部安 装有左端盖;销轴轴肩将销轴分成左半轴和右半轴，左右半轴上分别套有缓冲弹簧和平衡 弹簧;左半轴经左端盖中心孔从左腔伸出、端部安装有激励器;右半轴从隔板导向孔伸入右 腔，右腔端部安装有右端盖，右端盖将两个外框和至少一个内框压接在右腔内；外框和相邻 的内框之间、以及两相邻内框之间都压接有金属基板，金属基板上的金属悬臂梁与所粘接 的压电晶片构成压电振子，金属悬臂梁的另一端固定在右半轴上;外框一侧及内框两侧都 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;额定流速下销轴所 受流体力等于所受平衡弹簧力与缓冲弹簧力之差、压电振子静变形量为零、且激励器直径 为D=(200~5000)μ/(Ρνο)，所测得管道内流体的流速为v = fiD/St，式中P为流体密度、μ为 流体动力粘度，St为与结构及流体性能相关的系数，fi为流体流过激励器时所引起的振动频 率，v〇为额定流速。
【文档编号】G01P5/01GK106018870SQ201610459668
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】张忠华, 文欢, 程光明, 王淑云, 阚君武
【申请人】浙江师范大学