[發明專利]一種基于時間反轉的管道無線能量收集方法

有效

• 申請號: 201810031666.1
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN108183561B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 芮小博;李一博;曾周末;劉悅;鄭曉雷;封皓;黃新敬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02J50/15
• 分類號: H02J50/15;H02N2/18
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 龐學欣

一種基于時間反轉的管道無線能量收集方法。該方法所用的裝置包括電源、信號發生電路、激發壓電陶瓷、金屬管道、接收壓電陶瓷、能量回收電路和儲能元件組成；本發明效果：以金屬管道中的超聲導波作為能量的載體，能夠以無線的方式進行能量傳輸，為金屬管道上的傳感器供電，降低了傳統傳感器系統的布線及維護成本，提高了系統的穩定性；以壓電陶瓷作為主要組成部分，換能效率高，體積小，成本低；通過時間反轉的方法確定了發射信號形式，彌補了頻散現象帶來的能量分散，可使激發的能量在金屬管道中同時聚焦，使系統傳輸效率較高。

技術領域

本發明屬于超聲波無線能量收集技術領域，特別是涉及一種基于時間反轉的管道無線能量收集方法。

背景技術

自十九世紀以來，石油和天然氣一直屬于重要的能源資源，也是世界各國經濟發展的重要戰略資源，其需求和消費一直保持著高速的增長趨勢。我國具有豐富的石油、天然氣儲量，除了進口時利用海上運輸以外，陸地上大部分采用管道運輸的方式來輸送石油和天然氣，這是因為石油、天然氣需求量極大，而且還具有安全等特殊性的要求。管道運輸具有運輸量大、安全性能高、不間斷和容易實現自動化管理等諸多優點，所以十分適合石油、天然氣的運輸。管道運輸是我國綜合運輸體系的重要組成部分，我國目前的石油、天然氣管道格局已經初步形成，總長超過10萬公里。

隨著管道運輸石油和天然氣應用的增加，因為石油與天然氣的特殊危險性，一些運輸時的風險也逐步呈現出來。例如在2013年11月，山東省青島市黃島區中石化輸油管道破裂，造成大范圍的路面被原油污染，部分原油進入膠州灣，并造成了人員傷亡。管道泄漏的原因很復雜，一方面可能是管道自身的缺陷，由于早些年我國管道生產技術不過關，再加上管道鋪設的環境一般都比較惡劣，所以管道自身就會出現問題。另一方面是人為因素的影響，管道鋪設完畢后，由于管線長度長、鋪設時間久，管線的管理會出現很大問題。另外，現場水電、熱力、道路、通訊光纜等隨意鋪設，違章建筑隨意建造，這些都會對管道的安全產生威脅。還有不法分子針對管理漏洞，直接對管線進行破壞，意圖獲取高額利潤。

由此可見，對于管道的泄漏檢測及安全狀態監測是非常重要的。目前常用的方法有模型分析法、光纖檢測法、聲學負壓波法等。但無論采用到哪一種方法，都需要在管線上布放傳感系統，利用集成或貼附于結構上的傳感系統，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息，并結合信號信息處理方法提取特征參數，實現管道的健康診斷及泄漏安全檢測。一個完整的傳感系統需要有電源線與數據線，不僅需要昂貴的通信供電電纜的安裝和維護費用，而且因為管線均在千米以上，其整體系統穩定性與魯棒性也受到電纜的限制。

后期發展出無線傳感器技術初步解決了以上問題，雖然目前無線通訊技術已經比較成熟，但其供電問題又成為制約其技術發展的一個瓶頸。目前使用較為成熟的供能方案為傳統的電池供電，該方案的缺點是成本較高、電池體積較大且需要定期替換，傳感器的使用壽命受限于有限的電量。此外，因為管道大部分埋在地下與野外環境中，電池的更換也相當困難。

最近發展出利用太陽能等環保能源進行能量補充的方法，在實際應用中遇到了困難，因為管道大部分鋪設在地下，太陽能設備需要布置在地上，在某些地區很難布置，而且維護起來成本也很高。同時，收集環境能量的方法具有不穩定性，在某些地區會有長時間的陰雨天，一旦傳感器失電，其數據與連接可能會丟失，因而對整體系統會產生影響。

目前在金屬薄板材料的近距離能量傳輸應用中，還有一種利用壓電陶瓷進行無線能量收集的方法，該方法利用壓電陶瓷激發超聲波，并在材料中以導波形式傳播，在另一處利用壓電陶瓷進行能量的收集。該方法在管道中應用的較少，因為應力波在圓柱形結構中傳播將會產生多模態頻散效應，將分為橫向、縱向和彎曲波進行傳播，每組都有一個獨特的波型，每種波的速度不同，這樣將會使得能量分散，因此難以對能量進行回收。

無論利用哪種原理進行管道安全監測，以上這些問題均限制了管道安全監測方法的發展，使得整體系統的維護周期短、維護成本高、系統穩定性較差。

發明內容