渦輪流量計(jì)和IoT控制單元組成得自供電的測量水流量裝置概述

上海自動化儀表有限公司開發(fā)了一個(gè)自供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以測量水流量。它由渦輪流量計(jì)和IoT控制單元組成。渦輪流量計(jì)從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生電能。物聯(lián)網(wǎng)控制單元由微型計(jì)算機(jī)和低功率廣域（LPWA）通信模塊組成，它利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的功率來檢測轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度（水流量）并與服務(wù)器進(jìn)行無線通信?；ヂ?lián)網(wǎng)。還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以評估傳感器節(jié)點(diǎn)的性能。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的功率足以使無線傳感器節(jié)點(diǎn)作為自供電單元運(yùn)行。所測量流量的滿刻度精度和指示精度為1.2％ 和2.8％，分別。無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以將測量的流量穩(wěn)定地上傳到Internet上的服務(wù)器。

1 。介紹

渦輪流量計(jì)是葉輪式流量計(jì)[1]，其通過檢測嵌入在通道內(nèi)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度來測量流過圓柱形通道的流體的流量。這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，在大流量范圍內(nèi)具有很高的測量精度。因此，它們被廣泛用于測量各種類型的流體的流量，例如水，液化氣和石油。因此，自1790年發(fā)明以來，渦輪流量計(jì)就得到了廣泛的研究。特別是，流體粘度對測量精度的影響已通過實(shí)驗(yàn)2]，[3]和數(shù)值模擬[3]進(jìn)行了研究。。而且，已經(jīng)研究了轉(zhuǎn)子[4]，[5]，[6]，脈動流[7]，[8]和間歇流[9]上游的流體速度分布對性能的影響。

在當(dāng)今社會，包含大量有價(jià)值信息的大數(shù)據(jù)分析已變得十分普遍。為了獲得這樣的數(shù)據(jù)，在幾種應(yīng)用中使用了大量的傳感器。特別是在工業(yè)領(lǐng)域，正在引入將多個(gè)傳感器無線連接到Internet的系統(tǒng)，以遠(yuǎn)程監(jiān)視制造過程[10]。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本設(shè)備被稱為無線傳感器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行感測，數(shù)據(jù)處理和無線通信功能。例如，在涉及用于輸送冷卻水和排水的管道的制造工廠和化工廠中，需要在多個(gè)管道位置實(shí)時(shí)監(jiān)控流量。但是，用于測量流量的傳感器節(jié)點(diǎn)通常只能安裝在有限的位置，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)需要電源，并且電源線的布局可能不利于這種安裝。盡管可以使用電池供電的傳感器，但是由于無法確保更換電池的工作空間，因此無法將它們安裝在狹窄和狹窄空間的管道上。因此，為提高水流量的遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，期望開發(fā)一種流量計(jì)，該流量計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電又可以在要安裝在所有給定位置的傳感器節(jié)點(diǎn)中使用的無線通信。這種自供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以幫助實(shí)現(xiàn)無人操作，從而減少了工業(yè)過程中所需的勞動力和能源。此外，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可用于遠(yuǎn)程監(jiān)控社會基礎(chǔ)設(shè)施（如地下和雨水管道）中的流量，從而有助于防災(zāi)和減災(zāi)。從而減少了工業(yè)過程中所需的勞動力和能源。此外，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可用于遠(yuǎn)程監(jiān)控社會基礎(chǔ)設(shè)施（如地下和雨水管道）中的流量，從而有助于防災(zāi)和減災(zāi)。從而減少了工業(yè)過程中所需的勞動力和能源。此外，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可用于遠(yuǎn)程監(jiān)控社會基礎(chǔ)設(shè)施（如地下和雨水管道）中的流量，從而有助于防災(zāi)和減災(zāi)。

在涉及超低功耗的電氣設(shè)備的發(fā)展方面，能量收集[11]將周圍環(huán)境中的微小能量（如振動和熱量）轉(zhuǎn)化為電能，已經(jīng)引起了相當(dāng)多的研究關(guān)注。特別地，已經(jīng)報(bào)道了利用由氣流引起的壓電元件的共振[12]，[13]和激發(fā)振動[14]來發(fā)電。而且，壓電元件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動已經(jīng)用于發(fā)電[15]。具有壓電元件的自供電傳感器已用于檢測汞離子[16]并監(jiān)視汽車輪胎的氣壓[17]。然而，來自壓電元件的電力不足以使其用作無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電源[18]，[19]。在這方面，自發(fā)明以來，摩擦電納米發(fā)電機(jī)[20]結(jié)合了摩擦電的充電和靜電感應(yīng)的作用，可以有效地從少量的機(jī)械能中有效地產(chǎn)生電能。 2012.此外，具有摩擦納米發(fā)電機(jī)的自供電無線傳感器節(jié)點(diǎn)可測量空氣流量[18]，[21]和溫度[19]，[21]，壓力[22]和水的酸堿度[23]已通過實(shí)驗(yàn)制作，甚至應(yīng)用于交通流量測量[24]。然而，盡管已經(jīng)提出了許多涉及各種能量收集技術(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)，但是尚未報(bào)道能夠精確測量水流量的自供電無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

為此，在本研究中，開發(fā)了由渦輪流量計(jì)和控制單元組成的自供電無線傳感器節(jié)點(diǎn)，以測量水流量。特別地，渦輪流量計(jì)從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電力。該控制單元稱為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）控制單元，它使用由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動力來檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進(jìn)而檢測流量，并與Internet上的服務(wù)器進(jìn)行無線通信。該通信系統(tǒng)基于低功耗廣域（LPWA）通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)以低功耗進(jìn)行數(shù)據(jù)的長距離傳輸。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以評估發(fā)電性能，測量精度和無線通信能力。

2 。自供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以測量水流量

2.1 。渦輪流量計(jì)

其中一位作者[25]以前開發(fā)了一種小型液壓發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)通過嵌入圓形管內(nèi)的轉(zhuǎn)子（帶有四個(gè)葉片）的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。這項(xiàng)工作中使用的渦輪流量計(jì)基于該液壓發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)。圖1示出了具有發(fā)電功能的渦輪流量計(jì)的橫截面。具體而言，在渦輪流量計(jì)的中心軸上安裝有轉(zhuǎn)子。刀片的外徑，D,轉(zhuǎn)子的軸向長度分別為30mm和34 mm。永磁體嵌入轉(zhuǎn)子的外圍，并由兩個(gè)軸承支撐。轉(zhuǎn)子被定子鐵心包圍，定子鐵心由28塊0.35毫米厚的電磁鋼板組成。定子芯的軸向長度為9.8mm，并且定子芯與磁體之間的間隙為lmm。銅線纏繞在定子鐵芯上。轉(zhuǎn)子由于在軸向上流動的水而繞著中心軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電力。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和水流量之間存在線性關(guān)系，如以下各節(jié)所述。通過檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，該關(guān)系可用于測量流量。以這種方式，本渦輪流量計(jì)可用于發(fā)電和流量測量。特別地，渦輪流量計(jì)輸出三相交流電。

2.2 。渦輪流量計(jì)原理

考慮半徑較小的刀片元件△r在徑向位置r。在徑向位置處的兩個(gè)葉片之間的流動通道的橫截面。假定轉(zhuǎn)子以恒定角速度旋轉(zhuǎn)w。假定水速度在轉(zhuǎn)子入口和出口均勻分布，并且水在入口處沿轉(zhuǎn)子軸線流動。水與轉(zhuǎn)子的相對速度和絕對速度由下式表示w和v,分別。轉(zhuǎn)子入口和出口的速度三角形，其中下標(biāo)1和2分別代表轉(zhuǎn)子的入口和出口。

2.3 。發(fā)電效率

在這項(xiàng)工作中使用的渦輪流量計(jì)與圓管連接，水通過圓管流動。圖7顯示了渦輪流量計(jì)的圖像，該渦輪流量計(jì)的兩端均連接有兩個(gè)管道。在這種情況下，兩個(gè)壓力傳感器安裝在流量計(jì)上游30 mm和下游75 mm的管道上。因?yàn)榱髁坑?jì)是三相交流發(fā)電機(jī)，所以連接了三個(gè)輸出線。

當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出為P,發(fā)電效率n可以定義為

哪里Q是水流量，p1和p2分別表示流量計(jì)上游和下游的壓力。

2.4 。物聯(lián)網(wǎng)控制單元

設(shè)計(jì)并制造了控制單元，用于管理所產(chǎn)生的功率，檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)與Internet上服務(wù)器的無線通信。大小是100mm*1000mm*50mm。

路和電池提供給微型計(jì)算機(jī)。恒壓電路將電池的充電電壓和微機(jī)的供電電壓控制在6 V的恒定值。微機(jī)直接連接到渦輪流量計(jì)，通過計(jì)算零交叉點(diǎn)的數(shù)量來檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。在給定時(shí)間產(chǎn)生的電壓。在檢測過程中，微型計(jì)算機(jī)將升壓電路和恒壓電路去激活，并依靠電池供電。這方面確保了發(fā)電機(jī)保持在低負(fù)載條件下以獲得高的測量精度。將支持低功率廣域（LPWA）通信模塊的無線通信模塊連接到微型計(jì)算機(jī)，以將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電池輸出電壓（微型計(jì)算機(jī)的電源電壓）的數(shù)據(jù)上傳到Internet上的服務(wù)器。LPWA的通信速度較低，但是使用LPWA可以實(shí)現(xiàn)低功耗的長距離傳輸。在這項(xiàng)研究中，流量傳感器以小容量處理數(shù)據(jù)。因此，LPWA似乎有望有效利用。為了降低功耗，微型計(jì)算機(jī)僅在上載時(shí)才打開繼電器，以為無線通信模塊供電。

這項(xiàng)研究采用了用于Arduino的Sigfox Shield作為LPWA通信模塊。通信速度為100 bps，非常大傳輸距離為50 km。

LPWA通信模塊將測得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電池輸出電壓傳輸?shù)絀nternet上的服務(wù)器。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電池輸出電壓分別具有16位和8位。

圖當(dāng)微型計(jì)算機(jī)檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，升壓電路和恒壓電路停止工作，電池為微型計(jì)算機(jī)供電。在所有其他時(shí)間，升壓電路和恒壓電路均工作，并且電池處于充電狀態(tài)。當(dāng)LPWA通信模塊與Internet上的服務(wù)器通信時(shí)，繼電器打開，并且為LPWA通信模塊供電。IoT控制單元的功耗顯示在圖9的下部。上海自動化儀表有限公司具體而言，在檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)的功耗為40 mW，在通信期間的功耗為580 mW，在其他時(shí)間為10 mW。