【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于流体测量领域，涉及新型流量测量装置，特别是无需外界能源即可实现自主供电的宽量程流量测量装置及方法。
技术介绍
1、在偏远地区和一些特殊场合市电难以接入，尤其在大范围、分布式测量系统中，远距离铺设电缆成本较高，而用电池供电需要定期大量更换，耗时耗力又会造成环境污染。在流体测量中，流体能作为重要的清洁能源，可以通过俘能装置将其转化为电能为流量计供电，从而实现自主供电流量计量装置量。
2、专利cn201420816935.2提出了一种带有叶轮的微型电机安装在涡街发生体下游用于收集流体能，为涡街流量计供电，其对流速的要求较高，低速时俘能效率较低，且含有转动部件结构较为复杂、需要定期维护，对被测介质清洁度要求也较高。除此之外，传统涡街流量计由于在低速时频率特性呈非线性，即无量纲频率斯特劳哈尔数并非常数，导致仪表测量下限偏高，限制了仪表的测量范围。
3、本专利技术针对上述问题，提出了一种基于压电俘能的宽量程自主供电流量计量装置。利用流致振动原理进行流体能源收集，其启动流速较旋转机械低，可有效利用低速时的流体能。通过上游固定发生体和下游振子的组合，并合理选择振子结构，可有效提高俘能输出功率和效率。融合涡街频率和俘能器振动频率进行分段流量测量，可有效降低流速测量下限，拓展仪表测量范围。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于压电俘能的宽量程自主供电流量计量装置，其通过收集流体引起的振动能，进而转化为电能，不依赖外部电源的情况下实现流体流量的计量，通过
2、一种基于压电俘能的自主供电流量计量装置，包括固定发生体、涡街压电探头、信号处理模块a、能量管理模块、信号处理模块b、选择控制模块、计算单元和俘能器；俘能器包括振动发生体、悬臂梁和俘能器压电转换元件，悬臂梁的一端固定，另一端连接振动发生体，俘能器压电转换元件设置在悬臂梁上；涡街压电探头位于固定发生体的下游，俘能器的振动发生体位于涡街压电探头的下游；涡街压电探头的输出信号经过信号处理模块a后被送入计算单元，俘能器压电转换元件的输出经由选择控制模块，要么经过经过信号处理模块b后被送入计算单元，要么向能量管理模块充电；计算单元用于积算瞬时和累积流量。
3、进一步的：振动发生体4的主体为横在测量管路里的含两条凸起物的柱状结构，其凸起物为带状凸起物，两条带状凸起物沿柱状结构轴向分布在靠近柱状结构来流面的两侧。
4、进一步的：所述的柱状结构为圆柱结构，两条带状凸起物沿圆柱结构轴向对称分布在靠近柱状结构来流面的两侧，每条带状凸起物的覆盖角度为11.5°，所设置位置与来流的夹角为60°。
5、进一步的：设d为管路公称直径，压电探头与固定发生体后缘距离<1d，俘能器振动发生体与固定发生体距离4-6d。
6、进一步的：固定发生体位于测量管路中轴线上；振动发生体的长度小于测量管路直径的二分之一，振动发生体的迎流面宽度与测量管路截面积的比值小于15％。
7、进一步的：计算单元根据信号处理模块a的输入信号提取涡街频率f1，根据信号处理模块b的输入信号提取振动频率f2；进而进行流量测量。
8、进一步的：能量管理模块用于将俘能器输出的交流电转为直流电，并进行电能的储存充电与供能放电；计算单元根据能量管理模块输出电压和预设的阈值电压的比对控制选择控制模块，若判断信号处理模块b的输入信号小于预设的阈值电压，则将俘能器压电转换元件的输出切换到为能量管理模块充电。
9、本专利技术同时提供一种基于压电俘能的自主供电流量计量方法，该方法融合涡街频率和俘能器振动频率信息进行流量测量，包括以下步骤和处理流程：
10、1)计算涡街频率f1、俘能器振动频率f2，根据标定实验得到涡街线性段高雷诺数区间的斯特劳哈儿数均值sr1mean，俘能器线性段低雷诺数区间的斯特劳哈儿数均值sr2mean；设定临界雷诺数recrit；
11、2)利用涡街频率计算来流平均流速u＝f1d/sr1mean，进而计算雷诺数re＝ud/v，其中v为介质的动力粘度；
12、3)如果re>recrit，则认为此时雷诺数位于sr1的线性段，此时，利用涡街压电探头频率计算体积流量，有q＝af1d/sr1mean，其中a为管路截面积，a＝πd2/4；如果re<recrit，则认为此时雷诺数位于sr1的非线性段，采集振动频率f2，有q＝af2d/sr2mean。
13、进一步的：临界雷诺数recrit＝5×104。
14、本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
15、1.本专利技术充分利用流体能源，提出了基于压电俘能的自主供电流量计量装置，解决了特殊场合和偏远地区市电无法接入，电池更换频繁，以及天气恶劣导致太阳能等供电方式无法正常工作时的流量计供电问题，节约了能耗，同时减少了供电设备维护成本。
16、2.本专利技术通过增加俘能器前方固定安装的旋涡发生体，可产生稳定的脱落漩涡用于检测涡街频率，又可以增强后方俘能器的振动，提升俘能效率。
17、3.本专利技术融合涡街频率和俘能器频率进行分段流量测量，测量量程由2:1拓展到7:1，适用范围更广。
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1.一种基于压电俘能的自主供电流量计量装置，其特征在于：包括固定发生体、涡街压电探头、信号处理模块A、能量管理模块、信号处理模块B、选择控制模块、计算单元和俘能器；俘能器包括振动发生体、悬臂梁和俘能器压电转换元件，悬臂梁的一端固定，另一端连接振动发生体，俘能器压电转换元件设置在悬臂梁上；涡街压电探头位于固定发生体的下游，俘能器的振动发生体位于涡街压电探头的下游；涡街压电探头的输出信号经过信号处理模块A后被送入计算单元，俘能器压电转换元件的输出经由选择控制模块，要么经过经过信号处理模块B后被送入计算单元，要么向能量管理模块充电；计算单元用于积算瞬时和累积流量。
2.根据权利要求1所述的自主供电流量计量装置，其特征在于：振动发生体的主体为横在测量管路里的含两条凸起物的柱状结构，其凸起物为带状凸起物，两条带状凸起物沿柱状结构轴向分布在靠近柱状结构来流面的两侧。
3.根据权利要求1所述的自主供电流量计量装置，其特征在于：所述的柱状结构为圆柱结构，两条带状凸起物沿圆柱结构轴向对称分布在靠近柱状结构来流面的两侧，每条带状凸起物的覆盖角度为11.5°，所设置位置与来流的
4.根据权利要求3所述的自主供电流量计量装置，其特征在于：设D为管路公称直径，压电探头与固定发生体后缘距离<1D，俘能器振动发生体与固定发生体距离4-6D。
5.根据权利要求1所述的自主供电流量计量装置，其特征在于：固定发生体位于测量管路中轴线上；振动发生体的长度小于测量管路直径的二分之一，振动发生体的迎流面宽度与测量管路截面积的比值小于15％。
6.根据权利要求1所述的自主供电流量计量装置，其特征在于：计算单元根据信号处理模块A的输入信号提取涡街频率f1，根据信号处理模块B的输入信号提取振动频率f2；进而进行流量测量。
7.根据权利要求1所述的自主供电流量计量装置，其特征在于：能量管理模块用于将俘能器输出的交流电转为直流电，并进行电能的储存充电与供能放电；计算单元根据能量管理模块输出电压和预设的阈值电压的比对控制选择控制模块，若判断信号处理模块B的输入信号小于预设的阈值电压，则将俘能器压电转换元件的输出切换到为能量管理模块充电。
8.一种基于压电俘能的自主供电流量计量方法，其特征在于：该方法基于权利要求1-7中流量计量，融合涡街频率和俘能器振动频率信息进行流量测量，包括以下步骤和处理流程：
9.根据权利要求8所述的自主供电流量计量方法，其特征在于，临界雷诺数Recrit＝5×104。
...【技术特征摘要】
1.一种基于压电俘能的自主供电流量计量装置，其特征在于：包括固定发生体、涡街压电探头、信号处理模块a、能量管理模块、信号处理模块b、选择控制模块、计算单元和俘能器；俘能器包括振动发生体、悬臂梁和俘能器压电转换元件，悬臂梁的一端固定，另一端连接振动发生体，俘能器压电转换元件设置在悬臂梁上；涡街压电探头位于固定发生体的下游，俘能器的振动发生体位于涡街压电探头的下游；涡街压电探头的输出信号经过信号处理模块a后被送入计算单元，俘能器压电转换元件的输出经由选择控制模块，要么经过经过信号处理模块b后被送入计算单元，要么向能量管理模块充电；计算单元用于积算瞬时和累积流量。
2.根据权利要求1所述的自主供电流量计量装置，其特征在于：振动发生体的主体为横在测量管路里的含两条凸起物的柱状结构，其凸起物为带状凸起物，两条带状凸起物沿柱状结构轴向分布在靠近柱状结构来流面的两侧。
3.根据权利要求1所述的自主供电流量计量装置，其特征在于：所述的柱状结构为圆柱结构，两条带状凸起物沿圆柱结构轴向对称分布在靠近柱状结构来流面的两侧，每条带状凸起物的覆盖角度为11.5°，所设置位置与来流的夹角为60°。
4.根据权利要求3所述的自主供电流量计量装置，其特征在于：设d为管路公称直...
【专利技术属性】
技术研发人员：李金霞，吴逸蒙，朱震豪，陈文政，于越，宋佳旭，张昱昊，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：
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