一種自供電油氣管道監(jiān)測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種自供電油氣管道監(jiān)測裝置，屬流體監(jiān)測領(lǐng)域。管道內(nèi)壁上經(jīng)筋板一和二裝有擾流器和內(nèi)筒，內(nèi)筒兩端裝有端蓋；左端蓋上鑲嵌有溫度和壓力傳感器、裝有電路板，階梯軸左半軸經(jīng)左端蓋伸出、端部裝有激勵器，左半軸上套有平衡彈簧和限位彈簧；由金屬基板與壓電晶片粘接而成的壓電振子與其其端部安裝的∏型框架構(gòu)成換能器；內(nèi)筒中左右兩側(cè)的壓電振子分別與右半軸和右端蓋上的緩沖墊相連，兩不同換能器上相鄰壓電振子經(jīng)隔離墊相連。優(yōu)勢特色：利用流固耦合作用實現(xiàn)發(fā)電及流速自測量，可實現(xiàn)真正的流速在線監(jiān)測；監(jiān)測儀沿管道長度方向配置，結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺度小、易通過多壓電振子獲得所需能量；壓電振子結(jié)構(gòu)合理、發(fā)電量大、可靠性高。
【專利說明】
一種自供電油氣管道監(jiān)測裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型屬于管道流體監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自供電油氣管道監(jiān)測裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于自然腐蝕、自然界不可抗力以及人為偷盜等原因所造成的石油及天然氣等流 體長輸管道在使用過程的泄漏事件時有發(fā)生，頻繁的管道泄漏不僅造成了巨大的經(jīng)濟損 失、同時也給其周邊自然環(huán)境造成了嚴重的污染。以往，常采用定期人工巡檢的方法加以維 護，但因油氣管道鋪設距離長、且常處于人跡罕至或交通不便之處，定期巡檢難以及時發(fā)現(xiàn) 泄漏并加以維護。因此，人們提出了多種類型用于管道泄漏監(jiān)測或防盜系統(tǒng)。雖然所提出的 某些管道泄漏或防盜監(jiān)測報警方法在技術(shù)層面以較成熟，但目前我國長輸管道防盜監(jiān)測系 統(tǒng)的應用還處于初步階段、尚未得到大面積的推廣應用，其主要原因之一是監(jiān)測系統(tǒng)的供 電問題未能得到很好的解決：1)采用鋪設電纜的方法成本高且易被不法分子切斷而影響監(jiān) 測系統(tǒng)的正常運行;2)采用電池供電時使用時間有限、需經(jīng)常更換，一旦電池電量不足且未 及時更換時也無法完成監(jiān)測信息的遠程傳輸;3)近年來，為滿足相關(guān)無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的 自供電需求，人們還提出了多種形式的渦輪式微小型發(fā)電裝置，其最大的問題是結(jié)構(gòu)復雜、 體積相對較大，不適于管道直徑較小的場合，某些結(jié)構(gòu)的發(fā)電裝置還存在電磁干擾等現(xiàn)象， 推廣應用受到了一定的制約。因此，為使石油及天然氣管道泄漏及防盜系統(tǒng)得以實際應用， 仍需首先解決其供電問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有管道流體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本實用新型提出一種自 供電油氣管道監(jiān)測裝置。本實用新型采用的實施方案是:管道內(nèi)壁上經(jīng)筋板一和筋板二分 別安裝有圓柱形擾流器和內(nèi)筒，擾流器和內(nèi)筒的中心相互垂直，內(nèi)筒左右兩端分別經(jīng)螺釘 安裝有左端蓋和右端蓋;左端蓋上鑲嵌有溫度傳感器和壓力傳感器，左端蓋靠近內(nèi)筒的一 側(cè)經(jīng)螺釘安裝有帶發(fā)射單元的電路板，階梯軸的左半軸經(jīng)左端蓋中心孔從內(nèi)筒中伸出，左 半軸端部安裝有激勵器;左半軸上套有平衡彈簧和限位彈簧，平衡彈簧左右兩端分別頂靠 在激勵器和左端蓋上，限位彈簧左右兩端分別頂靠在左端蓋和階梯軸右半軸的側(cè)面，右半 軸端面及右端蓋側(cè)面均鑲嵌有緩沖墊;帶圓弧凸起的金屬基板及金屬基板凸面上所粘接的 壓電晶片構(gòu)成壓電振子，兩個壓電振子及其金屬基板兩端經(jīng)螺釘所安裝的兩個Π 型框架構(gòu) 成換能器，同一換能器中兩個壓電振子的金屬基板靠近安裝，換能器置于內(nèi)筒中且可沿內(nèi) 筒滑動；內(nèi)筒中最左側(cè)和最右側(cè)的壓電振子分別與右半軸和右端蓋上的緩沖墊相連，兩個 不同換能器上相鄰的壓電振子經(jīng)隔離墊相連;非工作時換能器中兩個Π 型框架上的限位框 的端部相互接觸，以避免壓電晶片因所受應力過大而碎裂;各壓電振子之間經(jīng)導線相互并 聯(lián)后再與電路板連接，并聯(lián)是指各壓電晶片之間經(jīng)導線相互連接、各金屬基板之間經(jīng)導線 相互連接。
[0004] 工作時、即有流體流過擾流器及激勵器時，流體和擾流器及激勵器之間將產(chǎn)生相 互作用。在某些條件下，流體流經(jīng)擾流器和激勵器時會在其后面形成兩行旋轉(zhuǎn)方向相反、且 周期性交替脫落的漩渦，漩渦的交替脫落會引起流體壓力的交替變化，即使激勵器前后兩 側(cè)的流體壓力差交替地變化，從而使激勵器產(chǎn)生左右方向的往復振動。對于本實用新型，激 勵器的左右往復振動經(jīng)階梯軸迫使壓電振子產(chǎn)生變形、即使壓電振子的曲率半徑增加和減 小，從而將機械能轉(zhuǎn)換成電能;所生成電能經(jīng)導線傳輸?shù)诫娐钒宓哪芰哭D(zhuǎn)換與存儲電路，為 溫度傳感器、壓力傳感器及信號發(fā)射單元供電；同時，壓電振子所生成的電壓波形的數(shù)量也 被提取出來，用于表征流體流速，流體流速信號、溫度信號及壓力信號被發(fā)射單元發(fā)射出 去。
[0005] 本實用新型中，為使壓電振子能被有效激勵，監(jiān)測儀在額定流速VQ下工作時壓電 振子的靜變形量為其最大可變形量的一半，擾流器的直徑為D=(200~5000)μ/(Ρνο)，式中 Ρ為流體密度、μ為流體動力粘度。
[0006] 本實用新型中，管道內(nèi)流體的流速由單位時間內(nèi)壓電振子的生成電壓波形數(shù)量表 征，即為v = fiD/St，式中St為與結(jié)構(gòu)及流體性能相關(guān)的系數(shù)，D為擾流器直徑為流體引起 的激勵器振動頻率、即單位時間內(nèi)壓電振子所生成的電壓波形數(shù)。
[0007] 本實用新型中，為提高壓電振子發(fā)電能力和可靠性，壓電晶片為0.2~0.3mm的PZT4、 金屬基板為鈹青銅，金屬基板與壓電晶片的厚度之比為1~2.5,此時壓電振子的發(fā)電能力較 強、能量比較大；能量比是指各不同厚度比的壓電振子一次彎曲變形所產(chǎn)生的電能與其中 的最大值之比較大;對于本實用新型利用PZT4和鈹青銅基板構(gòu)成的壓電振子，自然狀態(tài)下 金屬基板和壓電晶片結(jié)合面處的合理曲率半徑
其中a = hm/hp為厚度比，hm和hp分別為金屬基板hi和壓電晶片h2的厚度。
[0008] 優(yōu)勢與特色:利用利用擾流器及激勵器與流體間的流固耦合作用實現(xiàn)自激振動發(fā) 電和流速自動測量，無需外界能量供應、無電磁干擾，可實現(xiàn)真正意義的流速實時在線監(jiān) 測；監(jiān)測儀沿管道長度方向配置，結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺度小，易于通過采用多壓電振子獲得所 需能量;壓電振子結(jié)構(gòu)合理、變形量可控且各點應力分布均勻，故發(fā)電量大、可靠性高。
【附圖說明】

[0009] 圖1是本實用新型一個較佳實施例中監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2是圖1的左視圖；
[0011] 圖3是本實用新型一個較佳實施例中換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖4是圖3的左視圖；
[0013] 圖5是本實用新型一個較佳實施例中壓電振子能量比與厚度比的關(guān)系曲線圖。
【具體實施方式】
[0014] 管道a的內(nèi)壁上經(jīng)筋板一 bl安裝有圓柱形擾流器q、經(jīng)筋板二b2安裝有內(nèi)筒c，擾流 器q的中心與內(nèi)筒c的中心垂直，內(nèi)筒c左右兩端分別經(jīng)螺釘安裝有左端蓋k和右端蓋g;左端 蓋k上鑲嵌有溫度傳感器S1和壓力傳感器S2,左端蓋k靠近內(nèi)筒c的一側(cè)經(jīng)螺釘安裝有帶發(fā) 射單元P的電路板d，階梯軸m的左半軸ml經(jīng)左端蓋k的中心孔從內(nèi)筒c中伸出，左半軸ml端部 安裝有激勵器η;左半軸ml上套有平衡彈簧jl和限位彈簧j2,平衡彈簧jl左右兩端分別頂靠 在激勵器η和左端蓋k上，限位彈簧j2左右兩端分別頂靠在左端蓋k和階梯軸m的右半軸m2的 側(cè)面，右半軸m2端面及右端蓋g側(cè)面均鑲嵌有緩沖墊e;帶圓弧凸起的金屬基板hi及金屬基 板hi的凸面上所粘接的壓電晶片h2構(gòu)成壓電振子h，兩個壓電振子h及其金屬基板hi兩端經(jīng) 螺釘所安裝的兩個Π 型框架i構(gòu)成換能器H，同一換能器Η中兩個壓電振子h的金屬基板hi靠 近安裝，換能器Η置于內(nèi)筒c中且可沿內(nèi)筒c滑動；內(nèi)筒c中最左側(cè)和最右側(cè)的壓電振子h分別 與右半軸m2和右端蓋g上的緩沖墊e相連，兩個不同換能器Η上相鄰的壓電振子h經(jīng)隔離墊f 相連;非工作時換能器Η中兩個Π 型框架i上的限位框il的端部相互接觸，以避免壓電晶片 h2因所受應力過大而碎裂;各壓電振子h之間經(jīng)導線相互并聯(lián)后再與電路板d連接，并聯(lián)是 指各壓電晶片h2之間經(jīng)導線相互連接、各金屬基板hi之間經(jīng)導線相互連接。
[0015] 工作時、即有流體流過擾流器q及激勵器η時，流體和擾流器q及激勵器η之間將產(chǎn) 生相互作用。在某些條件下，流體流經(jīng)擾流器q和激勵器η時會在其后面形成兩行旋轉(zhuǎn)方向 相反、且周期性交替脫落的漩渦，漩渦的交替脫落會引起流體壓力的交替變化，即使激勵器 η前后兩側(cè)的流體壓力差交替地變化，從而使激勵器η產(chǎn)生左右方向的往復振動。對于本實 用新型，激勵器η的左右往復振動經(jīng)階梯軸m迫使壓電振子h產(chǎn)生變形、即使壓電振子h的曲 率半徑增加和減小，從而將機械能轉(zhuǎn)換成電能;所生成電能經(jīng)導線傳輸?shù)诫娐钒錮的能量轉(zhuǎn) 換與存儲電路，為溫度傳感器S1、壓力傳感器S2及信號發(fā)射單元P供電；同時，壓電振子h所 生成的電壓波形的數(shù)量也被提取出來，用于表征流體流速，流體流速信號、溫度信號及壓力 信號被發(fā)射單兀P發(fā)射出去。
[0016] 本實用新型中，為使壓電振子h能被有效激勵，監(jiān)測儀在額定流速vo下工作時壓電 振子h的靜變形量為其最大可變形量的一半，擾流器q的直徑為D=(200~5000)μ/(Ρνο)，式 中ρ為流體密度、μ為流體動力粘度。
[0017] 本實用新型中，管道內(nèi)流體的流速由單位時間內(nèi)壓電振子h的生成電壓波形數(shù)量 表征，即為v = f iD/St，式中St為與結(jié)構(gòu)及流體性能相關(guān)的系數(shù)，D為擾流器q的直徑，f 1為流 體引起的激勵器η的振動頻率、即單位時間內(nèi)壓電振子h所生成的電壓波形數(shù)。
[0018] 本實用新型中，為提高壓電振子h的發(fā)電能力和可靠性，壓電晶片h2為0.2~0.3mm的 PZT4、金屬基板hi為鈹青銅，金屬基板hi與壓電晶片h2的厚度之比為1~2.5,此時壓電振子h的 發(fā)電能力較強、能量比較大;能量比是指各不同厚度比的壓電振子h-次彎曲變形所產(chǎn)生的電能 與其中的最大值之比較大;對于本實用新型利用PZT4和鈹青銅基板構(gòu)成的壓電振子h，自然狀態(tài) 下金屬基板hi和壓電晶片h2結(jié)合面處的合理曲率半徑
其中a = hm/hp為厚度比，hm和hp分別為金屬基板hi和壓電晶片h2的厚度。
[0019] 顯然，本實用新型是利用擾流器q及激勵器η與流體間的流固耦合作用實現(xiàn)自激振 動發(fā)電和流速自動測量，無需外界能量供應、無電磁干擾，可實現(xiàn)真正意義的流速實時在線 監(jiān)測；監(jiān)測儀沿管道長度方向配置，結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺度小，易于通過采用多壓電振子獲得 所需能量;壓電振子結(jié)構(gòu)合理、變形量可控且各點應力分布均勻，故發(fā)電量大、可靠性高。
【主權(quán)項】
1. 一種自供電油氣管道監(jiān)測裝置，其特征在于:管道內(nèi)壁上經(jīng)筋板一和二分別安裝有 圓柱形擾流器和內(nèi)筒，擾流器和內(nèi)筒的中心相互垂直，內(nèi)筒左右兩端分別安裝有左端蓋和 右端蓋;左端蓋上鑲嵌有溫度傳感器和壓力傳感器，左端蓋靠近內(nèi)筒的一側(cè)安裝有帶發(fā)射 單元的電路板，階梯軸的左半軸經(jīng)左端蓋中心孔從內(nèi)筒中伸出，左半軸端部安裝有激勵器； 左半軸上套有平衡彈簧和限位彈簧，平衡彈簧左右兩端分別頂靠在激勵器和左端蓋上，限 位彈簧左右兩端分別頂靠在左端蓋和階梯軸右半軸的側(cè)面，右半軸端面及右端蓋側(cè)面均鑲 嵌有緩沖墊;帶圓弧凸起的金屬基板及金屬基板凸面上所粘接的壓電晶片構(gòu)成壓電振子， 兩個壓電振子及其金屬基板兩端所安裝的兩個Π 型框架構(gòu)成換能器，同一換能器中兩個壓 電振子的金屬基板靠近安裝，換能器置于內(nèi)筒中且可沿內(nèi)筒滑動；內(nèi)筒中最左側(cè)和最右側(cè) 的壓電振子分別與右半軸和右端蓋上的緩沖墊相連，兩個不同換能器上相鄰的壓電振子經(jīng) 隔離墊相連。
【文檔編號】H02N2/18GK205690087SQ201620626280
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月15日 公開號201620626280.1, CN 201620626280, CN 205690087 U, CN 205690087U, CN-U-205690087, CN201620626280, CN201620626280.1, CN205690087 U, CN205690087U
【發(fā)明人】曾平, 富佳偉, 闞君武, 王淑云, 李新輝
【申請人】浙江師范大學