[发明专利]一种自激式管道流体压电俘能器

说明书

技术领域

本发明属于压电发电领域，具体涉及一种自激式管道流体压电俘能器，用于油气管道监测系统。

背景技术

油气管道是国家能源和经济建设的命脉。因自然腐蚀、自然界不可抗力、尤其是人为偷盗等造成的油气管道泄漏事件时有发生，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对油气管线加以维护，但因其铺设距离长、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及时维修，故人们提出了多种类型的管道泄漏监测或防盗系统。虽所提出的某些管道泄漏或防盗监测报警方法在技术层面已较成熟，但目前我国长输管道防盗监测系统的应用还处于起步阶段、尚未得到广泛应用，其原因之一是其供电问题未得到很好的解决：采用铺设电缆的方法成本高、且已被不法分子切断而影响监测系统的正常运行；而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。因此，为使油气管道泄漏及防盗系统得以实际应用，必须首先解决其供电问题。近年来，为满足各类无线传感监测系统的自供电需求，人们提出了一种新型的微型压电发电装置，它具有结构简单、不发热、无电磁干扰、集成化高等特点，尤其适于无线传感监测系统供电。然而，现有的油气管道压电发电装置大都通过流体涡轮转动驱动压电振子振子发电的，结构复杂、体积大，不适于直径相对较小的管道；同时，工作中压电振子双向弯曲变形、承受交替拉-压应力，拉应力过大时压电晶片易破碎、可靠性低。

发明内容

针对输油气管线监测的供电难题以及现有压电发电装置应用上的局限性，本发明提出一种自激式管道流体压电俘能器。本发明采用的实施方案是：管道内壁经辐板一安装有圆柱形扰流器、经辐板二安装有壳体，扰流器与壳体的中心相互垂直；壳体筒壁右端经螺钉安装有右端盖、左端设有左侧板，左侧板上经螺钉安装有左端盖，左端盖上设有左凸台、右端盖上设有右凸台；销轴上设有连接块的一端置于壳体内，另一端经左端盖中心孔从壳体中伸出且端部经螺母安装有激励器，销轴上套有平衡弹簧和限位弹簧，平衡弹簧左右两端分别顶靠在激励器和左端盖上，限位弹簧左右两端分别顶靠在左端盖和连接块上，电路板经螺钉安装在连接块上；压电振子由金属基板和金属基板单侧所粘接的两片压电晶片构成，金属基板的左右两端及中间通过螺钉和压板分别固定在左右凸台和连接块上；压电振子装配前的自然状态下为平直结构，压电振子装配后变为弯曲结构、且压电晶片曲率半径小于金属基板曲率半径，压电晶片仅承受压应力；各压电振子置于连接块左右两侧的部分分别构成发电单元I和发电单元II。

俘能器组装后且无流体流动的非工作状态下，发电单元I和发电单元II的状态不同，发电单元I中压电振子弯曲变相量大、发电单元II中压电振子弯曲变形量小；激励器受过大的外力或平衡弹簧作用使限位弹簧被压死时，压电振子h处于发电单元II中的部分未被拉直、发电单元I中压电晶片所受应力小于许用压应力。

工作中有流体流过扰流器和激励器时，流体和扰流器及激励器之间都产生相互作用。流体动压力首先使激励器承受向右的推力，从而迫使平衡弹簧和发电单元II缩短、发电单元I伸长，流体速度过高且使平衡弹簧被压死时，压电振子在发电单元I中的部分未被拉直、发电单元II中压电晶片所受应力小于其许用应力；同时，流体流经扰流器和激励器时还会在其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，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；激励器左右往复振动经销轴和连接块传递给压电振子，迫使发电单元I和II交替地伸长和缩短：销轴及连接块向左运动时，平衡弹簧及发电单元II伸长、限位弹簧及发电单元I缩短，发电单元I中压电晶片所受压应力增加、发电单元II中压电晶片所受压应力减小；反之，销轴及连接块向右运动时，平衡弹簧及发电单元II缩短、限位弹簧及发电单元I伸长，发电单元I中压电晶片所受压应力减小、发电单元II中压电晶片所受压应力增加；上述压电晶片所受的应力交替增加和减小的过程中即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。

为提高压电振子发电能力及可靠性，额定流速且连接块处于动平衡位置时，发电单元I和II的形状及受力状态相同，且压电晶片所受的应力为其许用值的一半；压电晶片为0.1mm～0.2mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5。