CN111076780A - 一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，包括流体振荡器以及设置在流体振荡器上的压电膜发电器和无线传感器。流体振荡器包括动力嘴、反馈通道、主混合室、出口喉道；压电膜发电器设置在出口喉道末端与管道的连接处，其因流体振荡器内的摆动射流压力作用产生形变，将机械能转化为交流电并转变为直流电存储，为无线传感器供电；无线传感器采集压电膜发电器内周期性振荡的电流信号并转化为数字信号传输至接收装置。本发明通过设置在出口喉道处的压电膜发电器可以通过射流振荡引起的机械形变来进行发电为设置的无线传感器进行供电，同时无线传感器可采集压电膜发电器内产生的周期性振荡的电流信息号向外传输，降低了布线成本，同时又可以自供电。
Description
技术领域
本发明涉及流量测量领域,具体涉及一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器。
背景技术
在工业生产中，计量有着举足轻重的地位，流量计自身的精度和测量方法的科学性直接影响着***的控制和稳定性。目前在工业生产中，流量计的信号传输多采用线路连接方式，在一般生产场合中现场安装的流量计与中控***距离远，线路布置复杂，布线成本高，后期线路老化毁损难以确定具***置，维护困难成本较高。
在流体振荡器中，由于科安达效应，从动力喷嘴流出的流体附着在混合室左右任一侧壁上，这导致进入两个反馈通道的流体质量流量不同，由来自两个反馈通道的部分回流流体与入口连接区域中的主喷嘴主流流体之间的相互作用引发了射流方向的转换，在混合室内的射流执行振荡运动，从而通过出口喉部产生具有一定频率的振荡射流。
压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷，这就是压电效应的机理。冲击射流在压电材料上周期性的扫描可以转化为周期性振荡的电流信号，该电流信号又可以反映出射流的振荡频率，而振荡频率与雷诺数成线性相关，根据雷诺数大小进而可以直接计算得到流体流量。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，通过设置在流体振荡器上的压电材料进行发电为无线传感器供电，同时通过无线传感器向外发送流体流量参数。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，包括连接在管道上的作为流量计主体的流体振荡器以及设置在流体振荡器上的压电膜发电器和无线传感器；其中，
所述流体振荡器包括动力嘴、反馈通道、主混合室以及出口喉道；
所述压电膜发电器设置在所述出口喉道的末端与管道的连接处，其因流体振荡器内的摆动射流压力作用而产生形变，将机械能转化为交流电并转变为直流电存储，为所述无线传感器供电；
所述无线传感器采集压电膜发电器内周期性振荡的电流信号并转化为数字信号传输至接收装置。
进一步地，压电膜发电器包括基底，所述基底上设有压电薄膜，所述压电薄膜的两端分别垂直地设有薄膜电极，所述压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接形成闭合回路，所述闭合回路中接入蓄电设备；所述基底的一侧与外部动力机构连接，所述外部动力机构为基底提供机械能；
所述压电薄膜采用低熔点金属油墨在所述基底上印刷或涂覆而成。
进一步地，所述无线传感器包括蓄电池、电压转换模块、信号转换模块、传感器以及信号发射模块；
所述电压转换模块可将所述压电膜发电器产生的交流电转化为直流电，由所述蓄电池存储；
所述传感器采集所述压电膜发电器内周期性振荡的电流信号；
所述信号转换模块将传感器采集的信号转化为数字信号由所述信号发射模块传输至接收装置。
进一步地，所述动力喷嘴包括入口和喷嘴喉道；
所述动力喷嘴用于输送流体和产生相对于纵向平面作横向振荡的准二维射流；
所述主混合室是所述射流流过的腔体结构；
所述反馈通道包括反馈通道一和反馈通道二分别位于所述主混合室的两侧对称配置，与所述动力喷嘴、主混合室和出口喉道相互连通。
进一步地，所述反馈通道一和反馈通道二结构尺寸相同且对称布置，所述反馈通道在流体流动过程中因两侧流量分配不均会产生压力差，为所述主混合室中产生的射流摆动提供动力。
进一步地，所述主混合室的腔体空间由顶部到末端宽度逐渐变大。
进一步地，所述出口喉道包括收缩段、喉口以及扩散段，三者之间平滑过渡连接构成沙漏状通道。
进一步地，所述入口的宽度为2D，喷嘴喉道的宽度为0.7D～1D，流体振荡器的厚度为0.5D～2D，反馈通道一和反馈通道二的宽度为0.25D～1D，流体振荡器的壳体厚度0.02D～0.3D；
其中，D的取值范围为1mm～1m。
进一步地，所述主混合室和反馈通道整体采用角度设计或是曲线设计。
本发明有益效果：
本发明中流体振荡器由于存在流体的振荡射流从而形成一定的射流振荡频率，该射流振荡频率与雷诺数呈线性关系，可以根据雷诺数的大小经过计算得到流体流量。而通过设置在出口喉道处的压电膜发电器可以通过射流振荡引起的机械形变来进行发电为设置的无线传感器进行供电，同时无线传感器可采集压电膜发电器内产生的周期性振荡的电流信息号向外传输，降低了布线成本，同时又可以自供电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例和本技术中的技术方案，下面将对实施例和本技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
图3为本发明中基于实施例二的管道安装示意图；
图中：1动力喷嘴；11入口；12喷嘴喉道；2反馈通道；21反馈通道一；22反馈通道二；3主混合室；4出口喉道；5压电膜发电器；6无线传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供的一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，包括动力喷嘴1、反馈通道2、主混合室3，出口喉道4、压电膜发电器5以及无线传感器6。
动力喷嘴1包括入口11和喷嘴喉道12，用于输送流体和产生射流。主混合室3是所述射流流过的腔体结构，用于为射流提供摆动的空间。反馈通道2位于主混合室的两侧对称配置；反馈通道2包括反馈通道一21和反馈通道二22。反馈通道一21和反馈通道二22对称布置。出口喉道4收缩段、喉口以及扩散段之间平滑过渡连接构成沙漏状通道。压电膜发电器5位于出口喉道4末端与管道连接处，压电膜发电器5在受到摆动射流压力作用时会产生形变，因机械变形产生电场。无线传感器6连接压电膜发电器5安装于管道外，用于传输采集数字信号。其中，所述压电膜发电器5采用现有技术手段，具体可参考发明专利“压电膜发电器及其制作方法”(授权公告号：CN103684044B),在该专利中所述压电膜发电器所产生的电流直接由蓄电设备存储，而在本申请中，所述压电膜发电器由于受到流体振荡器***流的作用其所产生的电流是周期性的，属于交流电，因此在所述无线传感器6中本发明加入了电压转换模块，其可将压电膜发电器5产生的交流电转化为直流电通过设置在无线传感器6内的蓄电池进行存储。同时，所述无线传感器6还包括信号转换模块、传感器以及信号发射模块，所述电压转换模块以及信号转换模块、传感器以及信号发射模块均采用现有技术手段。
在本实例中，主混合室3及反馈通道2采用角度设计。
在本实施例中流体振荡器部分可通过铸造或者3D打印技术打印获得。在流体振荡器中从动力喷嘴流出的流体在混合室内的射流执行振荡运动，从而通过出口喉部产生具有一定频率的振荡射流。冲击射流在压电材料上周期性的扫描可以转化为周期性振荡的电流信号，射流振荡频率与雷诺数成线性关系，根据雷诺数大小进而计算得到流体流量。压电材料产生的交流电通过直流电压转换器转化成直流电，直流电可储存至电池内直接为无线传感器提供电源，以此实现自供能。
实施例二
如图2所示，本实施例二与实施例一的不同之处在于：本实例中，主混合室3和反馈通道2采用曲线设计。较实施例一而言，曲线设计在振荡期间压力波动更大，两个反馈通道2之间更大的压差有助于扩大射流的扫掠角。相同总体尺寸条件下，本实施例设计的流动阻力更小，振荡信号更强烈。
以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理,而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，包括连接在管道上的作为流量计主体的流体振荡器，所述流体振荡器包括动力嘴、反馈通道、主混合室以及出口喉道；
其特征在于：还包括设置在流体振荡器上的压电膜发电器和无线传感器；其中，
所述压电膜发电器设置在所述出口喉道的末端与管道的连接处，其因流体振荡器内的摆动射流压力作用而产生形变，将机械能转化为交流电并转变为直流电存储，为所述无线传感器供电；
所述无线传感器采集压电膜发电器内周期性振荡的电流信号并转化为数字信号传输至接收装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，其特征在于：压电膜发电器包括基底，所述基底上设有压电薄膜，所述压电薄膜的两端分别垂直地设有薄膜电极，所述压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接形成闭合回路，所述闭合回路中接入蓄电设备；所述基底的一侧与外部动力机构连接，所述外部动力机构为基底提供机械能；
所述压电薄膜采用低熔点金属油墨在所述基底上印刷或涂覆而成。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，其特征在于：所述无线传感器包括蓄电池、电压转换模块、信号转换模块、传感器以及信号发射模块；
所述电压转换模块可将所述压电膜发电器产生的交流电转化为直流电，由所述蓄电池存储；
所述传感器采集所述压电膜发电器内周期性振荡的电流信号；
所述信号转换模块将传感器采集的信号转化为数字信号由所述信号发射模块传输至接收装置。
4.根据权利要求3所述的一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，其特征在于：所述动力喷嘴包括入口和喷嘴喉道；
所述动力喷嘴用于输送流体和产生相对于纵向平面作横向振荡的准二维射流；
所述主混合室是所述射流流过的腔体结构；
所述反馈通道包括反馈通道一和反馈通道二分别位于所述主混合室的两侧对称配置，与所述动力喷嘴、主混合室和出口喉道相互连通。
5.根据权利要求4所述的一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，其特征在于：所述反馈通道一和反馈通道二结构尺寸相同且对称布置，所述反馈通道在流体流动过程中因两侧流量分配不均会产生压力差，为所述主混合室中产生的射流摆动提供动力。
6.根据权利要求5所述的一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，其特征在于：所述主混合室的腔体空间由顶部到末端宽度逐渐变大。
7.根据权利要求6所述的一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，其特征在于：所述出口喉道包括收缩段、喉口以及扩散段，三者之间平滑过渡连接构成沙漏状通道。
8.根据权利要求7所述的一种基于流体振荡器的自供能流量无线传感器，其特征在于：所述入口的宽度为2D，喷嘴喉道的宽度为0.7D～1D，流体振荡器的厚度为0.5D～2D，反馈通道一和反馈通道二的宽度为0.25D～1D，流体振荡器的壳体厚度0.02D～0.3D；
其中，D的取值范围为1mm～1m。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200428 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |