一种智能管道流速监测仪制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于管道流体监测
，具体涉及一种智能管道流速监测仪。
技术介绍
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以实际应用，仍需首先解决其供电问题。
技术实现思路
针对现有管道流体状态监测系统供电方面所存在的问题，本专利技术提出一种智能管道流速监测仪。本专利技术采用的实施方案是：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簧和平衡弹簧；左半轴经左端盖中心孔从左腔伸出，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、以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。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。对于本专利技术，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。本专利技术中，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Fl等于所受平衡弹簧力Fp与缓冲弹簧力Fh之差、即Fl＝Fp-Fh，压电振子静变形量为零、且激励器直径为D＝(200～5000)μ/(ρv0)，式中D为激励器的直径、ρ为流体密度、μ为流体动力粘度，v0为管道额定流速。本专利技术中，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＝flD/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，fl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。本专利技术中，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、金属基板为铍青铜，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；对于本专利技术利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子，限位面的合理曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片厚度。优势与特色：利用激励器与流体的耦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。附图说明图1是本专利技术一个较佳实施例中监测仪的结构示意图；图2是图1的左视图；图3是图1的I部放大图；图4是图1的A-A剖视图；图5是本专利技术一个较佳实施例中主体框架的结构示意图；图6是本专利技术一个较佳实施例中外框的结构示意图；图7是图6的右视图；图8是本专利技术一个较佳实施例中内框的结构示意图；图9是图8的右视图。具体实施方式管道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c1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m1将销轴m分成左半轴m2和右半轴m3，左半轴m2和右半轴m3上分别套有缓冲弹簧j1和平衡弹簧j2；左半轴m2经左端盖k的中心孔从左腔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g，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、以及两个相邻的内框f之间都压接有金属基板h1，金属基板h1上的金属悬臂梁h11与所粘接的压电晶片h2构成压电振子h，金属悬臂梁h11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h11；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h1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h1之间经导线相互连接。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。对于本专利技术，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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/(ρv0)，所测得管道内流体的流速为v＝flD/St，式中ρ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，fl为流体流过激励器时所引起的振动频率，v0为额定流速。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张忠华，文欢，程光明，王淑云，阚君武，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33