防水型磁力耦合复合管道能量采集装置及自供能管道泄露监测方法与流程

防水型磁力耦合复合管道能量采集装置及自供能管道泄露监测方法
[技术领域]
[0001]
本发明涉及管道能量采集领域，具体地说是一种防水型磁力耦合复合管道能量采集装置及自供能管道泄露监测方法。
[

背景技术：
]
[0002]
随着社会发展，人类的生活已经建立在一个巨大的管道系统上，用来运输生活和工业生产物质，如水、气、油。然而，由于制造缺陷或腐蚀过程，管道可能破损。因为很多管道置于地下，管道破损泄漏具有很强的隐蔽性和危险性。虽通过传感器对管道进行实时监测可以及时发现管道破损泄露情况，但如何供电成为关键难题。管道监测需要传感器数量多且分布广，电缆供电存在成本高、实施困难等问题，电池供电存在不可持续、维护困难、化学污染等问题。若能通过管道能量采集装置将管道中流动能量转换为电能为传感器供电，则是一种可行的方案。然而，目前大部分管道能量采集装置防水性差、破坏了原有管道完整性、实施成本高、输出低、无法满足管道泄露监测供电需求。
[

技术实现要素：
]
[0003]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种防水型磁力耦合复合管道能量采集装置，能通过管道能量采集装置将管道中流动能量转换为电能，且对管道破坏性小，同时提高了输出功率。
[0004]
为实现上述目的设计一种防水型磁力耦合复合管道能量采集装置，包括管道能量采集单元1，若干个管道能量采集单元1安装在管道中且沿管道轴向间隔布置，所述管道能量采集单元1包括旋转组件3、发电组件4和安装组件5；所述旋转组件3包括旋转叶片盘6、激励磁铁7和磁铁安装板8，所述激励磁铁7相嵌安装在旋转叶片盘6中，并通过磁铁安装板8压紧定位；所述发电组件4包括屈曲梁11、压块12、一体化屈曲架13、被激励磁铁14、铜电极27、得电子驻极体板28、线圈15和压电片16，所述屈曲梁11通过压块12安装在一体化屈曲架13上，所述屈曲梁11的内侧中心设有被激励磁铁14，所述被激励磁铁14正对旋转叶片盘6，所述被激励磁铁14与激励磁铁7的磁极性互相吸引或排斥，所述铜电极27设置在屈曲梁11内侧，所述得电子驻极体板28设置在一体化屈曲架13内侧，所述屈曲梁11上被激励磁铁14受到旋转叶片盘6上激励磁铁7的磁力耦合作用进行两种稳态之间的来回跳跃，所述屈曲梁11上的铜电极27与一体化屈曲架13上的得电子驻极体板28发生快速摩擦接触分离，所述屈曲梁11两端对称安装有压电片16，所述一体化屈曲架13中心内侧置有线圈15，所述压电片16随屈曲梁11产生形变因压电效应而发电，且使得线圈15的磁通量变化，所述线圈15因电磁感应而发电。
[0005]
进一步地，所述安装组件5包括前板17、后板18和内密封环19，所述内密封环19安装在前板17、后板18和一体化屈曲架13内，且与管道同心。
[0006]
进一步地，所述旋转叶片盘6采用滚珠定位组件9定位，所述旋转叶片盘6、磁铁安
装板8、前板17和后板18上均加工有滚珠导轨，所述滚珠定位组件9包括前滚珠定位部分20和后滚珠定位部分21；所述前滚珠定位部分20包括滚珠22、内保持架23和外保持架24，若干个滚珠22通过内保持架23和外保持架24进行定位，前滚珠定位部分20通过滚珠22相嵌安装在前板17和旋转叶片盘6的滚珠导轨中；所述后滚珠定位部分21与前滚珠定位部分20结构和定位方式相同，所述后滚珠定位部分21通过若干个滚珠22相嵌安装在磁铁安装板8和后板18的滚珠导轨中；所述旋转叶片盘6通过滚珠导轨与滚珠定位组件9配合实现轴向定位，所述旋转叶片盘6外壁与内密封环19内壁配合连接，并通过旋转叶片盘6外壁与内密封环19内壁实现径向定位，使旋转叶片盘6低摩擦高速旋转。
[0007]
进一步地，所述旋转叶片盘6采用磁悬浮定位组件10定位，所述磁悬浮定位组件10包括前抗磁板25和后抗磁板26，所述前抗磁板25与前板17按对称中心重合方式固定，所述后抗磁板26与后板18按对称中心重合方式固定，通过旋转叶片盘6上的被激励磁铁14和前抗磁板25与后抗磁板26的磁力作用实现旋转叶片盘6的轴向定位，并通过旋转叶片盘6外壁与内密封环19内壁实现径向定位，使旋转叶片盘6无摩擦高速旋转。
[0008]
进一步地，所述旋转叶片盘6和磁铁安装板8外表面均设有用于减少摩擦的凸台，所述旋转叶片盘6在液体流量过大磁力不足以提供定位作用的情况下，通过凸台实现旋转叶片盘6与前抗磁板25、后抗磁板26的低摩擦高速旋转。
[0009]
进一步地，所述旋转叶片盘6上相邻激励磁铁7的磁性布置采用ns布置方式，当流量过大时，屈曲梁11在突跳过程中无法完全贴合一体化屈曲架13时，使用nnnnssss排布减小屈曲梁11突跳频率。
[0010]
进一步地，所述一体化屈曲架13内侧弧度与屈曲梁11稳态下内凹弧度相吻合，所述屈曲梁11受排斥力时处于工作稳态一，所述屈曲梁11受吸引力时处于工作稳态二。
[0011]
进一步地，所述旋转叶片盘6在旋转过程中，使一端屈曲梁11上的被激励磁铁14与激励磁铁7相吸，使对称的另外一端屈曲梁11上的被激励磁铁14与激励磁铁7相斥，以通过被激励磁铁14和激励磁铁7的磁力耦合作用减小旋转叶片盘6的反作用阻力矩。
[0012]
进一步地，所述一体化屈曲架13中心内侧设有四个发电线圈槽，四个发电线圈槽沿周向均匀分布，所述线圈15放置在一体化屈曲架13的发电线圈槽的槽中。
[0013]
本发明还提供了一种自供能管道泄露监测方法，包括以下步骤：
[0014]
1)管道能量采集单元内流体速度va＝q/d，其中，q：管道能量采集单元内体积流量；d：管道内径；
[0015]
2)管道能量采集单元内旋转叶片盘的转速r＝k*(v
a-v
t
)，其中，r:旋转叶片盘转速；k:系数；va:叶片对应的流体速度；v
t
:理论启动速度，与流体粘度、密度有关；
[0016]
3)管道能量采集单元的输出电压v与旋转叶片盘转速r相关；
[0017]
4)管道能量采集单元安装有电路处理模块、电源管理模块和无线发射模块，由上述公式可得输出电压v与流量q之间的关系，如果相邻两能量采集单元监测的流量存在差异，则说明两者之间的管道存在泄漏。
[0018]
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
[0019]
(1)本发明的旋转叶片盘定位方式新颖，采用磁力或滚珠定位，从而可减少叶片旋转的阻力，并且可实现对发电装置的全封装；
[0020]
(2)本发明独立性高，对管道破坏性小；集成度高，装置包括电源管理模块、电路处
理模块和无线发射模块，可实现自供能并且将管道能量采集信息输出；结构紧凑，旋转叶片盘上装有磁铁；
[0021]
(3)本发明采用摩擦-电磁-压电复合发电机制，提高了整体输出功率以及实际应用的灵活性；
[0022]
(4)本发明通过管道能量采集单元采集管道流体信息，既是传感单元又是发电单元，通过两管道能量采集单元之间的电压输出信息，实现自供能管道泄露监测；
[0023]
(5)本发明采用弯曲梁双稳态结构，通过俘获梁从两种稳态中来回切换产生大量能量，提高输出功率，通过接触分离式摩擦发电机制减小了材料磨损，提高了装置性能和使用寿命；
[0024]
(6)本发明通过旋转叶片盘的激励磁铁与被激励磁铁排布减少旋转阻力，使得该装置在流量较小时也能有效工作，通过调控叶片旋转盘激励磁铁排布，使得该装置在大流量时也能有效工作。
[附图说明]
[0025]
图1为本发明用于管道能量采集的应用示意图；
[0026]
图2为本发明整体结构示意图；
[0027]
图3为本发明旋转叶片盘定位方案一滚珠定位组件爆炸示意图；
[0028]
图4为本发明旋转叶片盘定位方案二磁力耦合旋转组件爆炸示意图；
[0029]
图5为本发明旋转叶片盘定位方案一内部结构剖视图；
[0030]
图6为本发明旋转叶片盘定位方案二内部结构剖视图；
[0031]
图7为本发明激励磁铁和被激励磁铁布置示意图；
[0032]
图8为本发明屈曲梁状态一和电磁发电示意图；
[0033]
图9为本发明屈曲梁状态二和摩擦发电示意图；
[0034]
图10为本发明压电发电示意图；
[0035]
图11为本发明管道流量与装置输出信号关系示意图；
[0036]
图12为本发明能量转换与利用示意图；
[0037]
图13为本发明管道泄露监测流程图；
[0038]
图中：1、管道能量采集单元 2、管道能量采集及管道泄漏监测系统 3、旋转组件 4、发电组件 5、安装组件 6、旋转叶片盘 7、激励磁铁 8、磁铁安装板 9、滚珠定位组件 10、磁悬浮定位组件 11、屈曲梁 12、压块 13、一体化屈曲架 14、被激励磁铁 15、线圈 16、压电片 17、前板 18、后板 19、内密封环 20、前滚珠定位部分 21、后滚珠定位部分 22、滚珠 23、内保持架 24、外保持架 25、前抗磁板 26、后抗磁板 27、铜电极 28、得电子驻极体板。
[具体实施方式]
[0039]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
[0040]
如附图所示，本发明提供了一种防水型磁力耦合复合管道能量采集装置，包括管道能量采集单元1，若干个管道能量采集单元1安装在管道中构成防水型磁力耦合复合管道能量采集及管道泄漏监测系统2，管道能量采集单元1在管道中按一定距离间隔布置；管道能量采集单元1包括旋转组件3、发电组件4和安装组件5，旋转组件3包括旋转叶片盘6、激励
磁铁7、磁铁安装板8及旋转叶片盘6定位方案一滚珠定位组件9和方案二磁悬浮定位组件10，激励磁铁7相嵌安装在旋转叶片盘6中，并通过磁铁安装板8压紧定位；发电组件4包括屈曲梁11、压块12、一体化屈曲架13、被激励磁铁14、铜电极27、得电子驻极体板28、线圈15和压电片16，屈曲梁11通过压块12安装在一体化屈曲架13上，屈曲梁11的内侧中心设有被激励磁铁14，被激励磁铁14正对旋转叶片盘6，被激励磁铁14与激励磁铁7的磁极性互相吸引或排斥，且在旋转叶片盘6旋转过程中，使一端屈曲梁11上的被激励磁铁14与激励磁铁7相吸，使对称的另外一端屈曲梁11上的被激励磁铁14与激励磁铁7相斥，通过被激励磁铁14和激励磁铁7的磁力耦合作用，减小旋转叶片盘6的反作用阻力矩；铜电极27设置在屈曲梁11内侧，得电子驻极体板28设置在一体化屈曲架13内侧，屈曲梁11上的被激励磁铁14受到旋转叶片盘6上激励磁铁7的磁力耦合作用进行两种稳态之间的来回跳跃，屈曲梁11上的铜电极27与一体化屈曲架13上的得电子驻极体板28发生快速摩擦接触分离；屈曲梁11两端对称安装有压电片16，一体化屈曲架13中心内侧置有线圈15，压电片16随屈曲梁11产生形变因压电效应而发电，且使得线圈15的磁通量变化，线圈15因电磁感应而发电；安装组件5包括前板17、后板18和内密封环19，内密封环19安装在前板17、后板18和一体化屈曲架13内，且与管道同心，实现装置发电组件4的全封闭封装。
[0041]
旋转叶片盘6定位方案一：旋转叶片盘6采用滚珠定位组件9定位，旋转叶片盘6、磁铁安装板8、前板17和后板18上均加工有滚珠导轨，滚珠定位组件9包括前滚珠定位部分20和后滚珠定位部分21；前滚珠定位部分20包括滚珠22、内保持架23和外保持架24，若干个滚珠22通过内保持架23和外保持架24进行定位，前滚珠定位部分20通过滚珠22相嵌安装在前板17和旋转叶片盘6的滚珠导轨中；后滚珠定位部分21与前滚珠定位部分20结构和定位方式相同，且后滚珠定位部分21通过若干个滚珠22相嵌安装在磁铁安装板8和后板18的滚珠导轨中；旋转叶片盘6通过滚珠导轨与滚珠定位组件9配合实现轴向定位，旋转叶片盘6外壁与内密封环19内壁配合连接，并通过旋转叶片盘6外壁与内密封环19内壁实现径向定位，使旋转叶片盘6低摩擦高速旋转。
[0042]
旋转叶片盘6定位方案二：旋转叶片盘6采用磁悬浮定位组件10定位，磁悬浮定位组件10包括前抗磁板25和后抗磁板26，前抗磁板25与前板17按对称中心重合方式固定，后抗磁板26与后板18按对称中心重合方式固定，通过旋转叶片盘6上的被激励磁铁14和前抗磁板25与后抗磁板26的磁力作用实现旋转叶片盘6的轴向定位，并通过旋转叶片盘6外壁与内密封环19内壁实现径向定位，使旋转叶片盘6无摩擦高速旋转。且旋转叶片盘6和磁铁安装板8外表面均设有用于减少摩擦的凸台，在液体流量过大磁力不足以提供定位作用的情况下，旋转叶片盘6通过凸台实现旋转叶片盘6与前抗磁板25、后抗磁板26的低摩擦接触高速旋转。
[0043]
其中，旋转叶片盘6上相邻激励磁铁7的磁性布置采用ns布置方式，可以根据风速变化进行相应调整(例如：ns、nnss、nnnnssss等)，当流量过大时，屈曲梁11在突跳过程中无法完全贴合一体化屈曲架13，可使用nnnnssss排布减小屈曲梁11突跳频率，使得该装置在大流量时也能有效工作。为配合屈曲梁11的双稳态，一体化屈曲架13内侧弧度与屈曲梁11稳态下内凹弧度相吻合，当一体化屈曲梁受排斥力时，处于工作稳态一；当一体化屈曲梁受吸引力时，处于工作稳态二。一体化屈曲架13中心内侧设有四个发电线圈槽，且四个发电线圈槽沿周向均匀分布，线圈15放置在一体化屈曲架13的发电线圈槽的槽中。
[0044]
本发明管道泄露监测方法如下：管道能量采集单元内流体速度va受体积流量q影响(va＝q/d，其中，q：管道能量采集单元内体积流量流量；d：管道内径)。旋转叶片盘的转速r受流体速度va影响(r＝k*(v
a-v
t
)(其中，r:转速；k:系数，依赖于装置结构；va:叶片对应的流体速度；v
t
:理论启动速度，与流体粘度、密度有关)。管道能量采集单元的输出电压v与旋转叶片盘转速r相关。
[0045]
管道能量采集单元安装有电路处理模块、电源管理模块和无线发射模块。由上述公式可得输出电压v与流量q之间的关系，如果相邻两能量采集单元监测的流量存在差异，则说明两者之间的管道存在泄漏。
[0046]
本发明的工作原理为：
[0047]
当液体流入管道时，如果使用旋转叶片盘固定方式一：通过滚珠导轨与滚珠定位组件配合实现对旋转叶片盘轴向定位，通过叶片磁铁盘外壁与内密封环内壁实现径向定位，可实现旋转叶片盘的低摩擦高速旋转；或者使用旋转叶片盘固定方式二：利用抗磁板与旋转叶片盘内的激励磁铁的磁力作用实现对旋转叶片盘的轴向定位，通过叶片磁铁盘外壁与内密封环内壁实现径向定位，可实现旋转叶片盘的无摩擦高速旋转，且旋转叶片盘和磁铁固定板外表面设有用于减少摩擦凸台，在液体流量过大磁力不足以提供定位作用的情况下，旋转叶片盘通过凸台实现旋转叶片盘与抗磁板的低摩擦高速旋转，旋转叶片盘旋转一周，激励磁铁对一体化屈曲梁上的被激励磁铁产生多次磁力激励，在压块的固定作用下，使得一体化屈曲梁产生两种稳态形式，当一体化屈曲梁受排斥力时，处于工作稳态一，一体化屈曲梁上的铜电极和一体化弯曲架上的得电子驻极体板用力拍打摩擦，产生电荷转移：当一体化屈曲梁受吸引力时，处于工作稳态二，一体化屈曲梁上的失电子板和弯曲架上的得电子板分离，因为静电效应，产生电压和电流，在此过程中，一体化屈曲梁从一种稳态突跳到另外一个稳态，产生更大形变，压电片会随之产生形变因为压电效应而发电，且使得线圈的磁通量变化，线圈因为电磁感应而发电。
[0048]
管道能量采集单元1安装有电路处理模块、电源管理模块和无线发射模块。由上述公式可得输出电压v与流量q之间的关系，如果相邻两能量采集单元监测的流量存在差异，则说明两者之间的管道存在泄漏。
[0049]
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。