一种管道流流速监测仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种管道流流速监测仪，属流体监测领域。管道内壁经筋板装有内筒，内筒左腔装有电路板、端部装有左端盖；端部带激励器的施力杆左端杆经左端盖伸出；套有平衡弹簧的施力杆右端杆置于隔板上导向孔内且端部装有缓冲垫；右腔内套有由滑架及压电振子构成的换能器，压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；两换能器的相邻压电振子间设有隔离垫；右腔两端的压电振子分别与右端杆和右端盖上的缓冲垫相接触。优势特色：利用激励器与流体耦合作用发电并实现流速自动测量，可实现真正意义的流速实时监测；沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小、易于通过采用多换能器获得所需能量；压电振子结构合理且具自保护功能，发电量大、可靠性高。
【专利说明】
一种管道流流速监测仪
技术领域
[0001] 本实用新型属于流体流动状态监测技术领域，具体涉及一种管道流流速监测仪。
【背景技术】
[0002] 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、尚未得到大面的积推广应用，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， 推广应用收到了一定的制约。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。
【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，本实用新型提出一种管 道流流速监测仪。本实用新型采用的实施方案是: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，左腔端部经螺钉安装有左端 盖;施力杆上的轴肩将施力杆分成左端杆和右端杆;左端杆经左端盖中心孔伸出左腔，左端 杆端部经螺母安装有激励器;右端杆上套有平衡弹簧，右端杆置于隔板上的导向孔内，右端 杆端部装有缓冲垫;右腔内套有换能器，换能器由滑架及滑架环形隔板两侧所安装的压电 振子构成，压电振子经螺钉与滑架的环形隔板相连;压电振子由金属基板和压电晶片粘接 而成;一个换能器中两个压电振子的金属基板靠近安装，两个相邻换能器的相邻压电振子 之间设有隔离垫;右腔左右两端的压电振子分别与右端杆和右端盖上的缓冲垫相接触;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漩涡， 漩涡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。对于本实用新型，激励器的左右往复振动经施 力杆、缓冲垫及隔离垫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，用于表征流体流速信号，流体流速信号被发射单元发射 出去。
[0005] 本实用新型中，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： 压电振子所受激振力FP等于施力杆所受流体作用力Fi与平衡弹簧力F s之差、8卩匕=^-^，压 电振子中心的静变形量为其许用变形量的一半，且激励器直径为D=(200~5000)μ/(Ρν〇)， 式中D为激励器的直径、Ρ为流体密度、μ为流体动力粘度，νο为额定流速。
[0006] 本实用新型中，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/St，式中St为与结构及流体相关的系数，D为激励器直径，^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]本实用新型中，为提高压电振子h的发电能力，金属基板为0.2mm厚度的铍青铜、压 电晶片为厚度〇.3mm的PZT4;金属基板的有效半径Rm给定时，合理的压电晶片2的半径RP由压 电振子的能量计算式
的导数求得，即由/anp = 0求得，式 中δ为激励器振动所引起的压电振子中心变形量，心为压电振子刚度，且
[0009] 优势与特色：1)利用激励器与流体的耦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;2)激励器及换能 器沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小、易于通过采用多换能器获得所需能量;3) 压电振子结构合理、且仅工作在压应力条件下，故发电量大、可靠性高;4)换能器具有自保 护功能，即当激振力达到一定程度时换能器中两个金属基板相互接触、压电振子变形量不 再继续增大。
【附图说明】
[0010] 图1是本实用新型一个较佳实施例中监测仪的结构示意图；
[0011] 图2是图1的左视图；
[0012] 图3是本实用新型一个较佳实施例中主体框架的结构示意图；
[0013] 图4是本实用新型一个较佳实施例中换能器的结构示意图；
[0014] 图5是本实用新型一个较佳实施例中压电振子发电量与压电晶片半径的关系曲 线。
【具体实施方式】
[0015] 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Κ;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，左腔c3端部经螺钉安装有左 端盖k;施力杆m上的轴肩m 1将施力杆m分成左端杆m2和右端杆m3;左端杆m2经左端盖k的中 心孔伸出左腔c3，左端杆m2端部经螺母p安装有激励器η;右端杆m3上套有平衡弹簧j，右端 杆m3置于隔板c2上的导向孔c5内，右端杆m3端部安装有缓冲垫e;平衡弹簧j的左右两端分 别顶靠在施力杆m的轴肩ml和隔板c2上;右腔c4端部经螺钉安装有右端盖g，右端盖g上镶嵌 有缓冲垫e;右腔c4内套有换能器H，换能器Η由滑架i及滑架i的环形隔板il两侧所安装的压 电振子h构成，压电振子h经螺钉与滑架i的环形隔板il相连;压电振子h由金属基板hi和压 电晶片h2粘接而成;一个换能器Η中两个压电振子h的金属基板hi靠近安装，两个相邻换能 器Η的相邻压电振子h之间设有隔离垫f;右腔c4内最左端和最右端压电振子h分别与右端杆 m3和右端盖g上的缓冲垫e相接触；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。
[0016] 工作时、即有流体流过激励器η时，流体和激励器η之间将产生相互作用。在某些条 件下流体流经激励器η时会在激励器η后面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，即使激励器η前后两侧的流体压力差交替 地变化，从而使激励器η产生左右方向的往复振动。对于本实用新型，激励器η的左右往复振 动经施力杆m、缓冲垫e及隔离垫f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，用于表征流体流速信号，流体流速信号被 发射单兀P发射出去。
[0017] 本实用新型中，为使压电振子h能被有效激励，监测仪在额定流速下工作时应满 足:压电振子h所受激振力FP等于施力杆m所受流体作用力?:与平衡弹簧力F s之差、即F^Fr Fs，压电振子h的中心的静变形量为其最大许用变形量的一半，且激励器η的直径为D=(200 ~5000)μ/(ρ ν〇)，式中D为激励器的直径、P为流体密度、μ为流体动力粘度，vo为额定流速。
[0018] 本实用新型中，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/St，式中St为与结构及流体相关的系数，D为激励器直径，FA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。
[0019] 本实用新型中，为提高压电振子h的发电能力，金属基板h 1为0.2mm厚度的铍青铜、 压电晶片h2为厚度0.3mm的PZT4;金属基板h 1的有效半径Rm给定时，合理的压电晶片h2的半 径"由压电振子h的能量计算式
的导数求得，即由 5Eg / = 0求得，式中δ为激励器n振动所引起的压电振子h中心点的变形量，KP为压电振 子h的刚度，且
[0021]显然，本实用新型是利用激励器与流体的耦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;激励器及换 能器沿管道长度方向配置，结构简单、径向尺度小、易于通过采用多换能器获得所需能量； 压电振子结构合理、且仅工作在压应力条件下，故发电量大、可靠性高;换能器具有自保护 功能，即当激振力达到一定程度时换能器中两个金属基板相互接触、压电振子变形量不再 继续增大。
【主权项】
1. 一种管道流流速监测仪，其特征在于:管道内壁经筋板固定有内筒，内筒内侧设有隔 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，左腔端部经螺钉安装有左端盖;施力杆上的轴肩将施力杆分成左端杆和 右端杆;左端杆经左端盖中心孔伸出左腔，左端杆端部经螺母安装有激励器;右端杆上套有 平衡弹簧，右端杆置于隔板上的导向孔内且端部装有缓冲垫;右腔内套有换能器，换能器由 滑架及滑架环形隔板两侧所安装的压电振子构成，压电振子由金属基板和压电晶片粘接而 成;一个换能器中两个压电振子的金属基板靠近安装，两个相邻换能器的相邻压电振子之 间设有隔离垫;右腔内左右两端的压电振子分别与右端杆和右端盖上的缓冲垫相接触。
【文档编号】G01P5/08GK205679634SQ201620625821
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日 公开号201620625821.9, CN 201620625821, CN 205679634 U, CN 205679634U, CN-U-205679634, CN201620625821, CN201620625821.9, CN205679634 U, CN205679634U
【发明人】朱贝贝, 费翔, 吕鹏, 陈日成, 马继杰, 王淑云
【申请人】浙江师范大学