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          三暢創新研發儀表、助力工業自動化升級

          渦輪流量計和IoT控制單元組成得自供電的測量水流量裝置概述

          來源: 作者: 發布日期:2020-12-10

           摘要:

                  開發了一個自供電的無線傳感器節點以測量水流量。它由渦輪流量計和IoT控制單元組成。渦輪流量計從轉子的旋轉中產生電能。物聯網控制單元由微型計算機和低功率廣域(LPWA)通信模塊組成,它利用轉子旋轉產生的功率來檢測轉子的旋轉速度(水流量)并與服務器進行無線通信。互聯網。還進行了實驗以評估傳感器節點的性能。轉子旋轉產生的功率足以使無線傳感器節點作為自供電單元運行。所測量流量的滿刻度精度和指示精度為1.2% 和2.8%,分別。無線傳感器節點可以將測量的流量穩定地上傳到Internet上的服務器。
           
          1 。介紹
                  渦輪流量計是葉輪式流量計[1],其通過檢測嵌入在通道內的轉子的旋轉速度來測量流過圓柱形通道的流體的流量。這種流量計結構簡單,在大流量范圍內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年發明以來,渦輪流量計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驗[2],[3]和數值模擬[3]進行了研究。。而且,已經研究了轉子[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。
           
                  在當今社會,包含大量有價值信息的大數據分析已變得十分普遍。為了獲得這樣的數據,在幾種應用中使用了大量的傳感器。特別是在工業領域,正在引入將多個傳感器無線連接到Internet的系統,以遠程監視制造過程[10]。這種無線傳感器網絡系統的基本設備被稱為無線傳感器節點。每個節點執行感測,數據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,需要在多個管道位置實時監控流量。但是,用于測量流量的傳感器節點通常只能安裝在有限的位置,因為節點需要電源,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,為提高水流量的遠程監控能力,期望開發一種流量計,該流量計既可以實現發電又可以在要安裝在所有給定位置的傳感器節點中使用的無線通信。這種自供電的無線傳感器節點可以幫助實現無人操作,從而減少了工業過程中所需的勞動力和能源。此外,這些傳感器節點可用于遠程監控社會基礎設施(如地下和雨水管道)中的流量,從而有助于防災和減災。從而減少了工業過程中所需的勞動力和能源。此外,這些傳感器節點可用于遠程監控社會基礎設施(如地下和雨水管道)中的流量,從而有助于防災和減災。從而減少了工業過程中所需的勞動力和能源。此外,這些傳感器節點可用于遠程監控社會基礎設施(如地下和雨水管道)中的流量,從而有助于防災和減災。
           
                  在涉及超低功耗的電氣設備的發展方面,能量收集[11]將周圍環境中的微小能量(如振動和熱量)轉化為電能,已經引起了相當多的研究關注。特別地,已經報道了利用由氣流引起的壓電元件的共振[12],[13]和激發振動[14]來發電。而且,壓電元件的旋轉運動已經用于發電[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點的電源[18],[19]。在這方面,自發明以來,摩擦電納米發電機[20]結合了摩擦電的充電和靜電感應的作用,可以有效地從少量的機械能中有效地產生電能。 2012.此外,具有摩擦納米發電機的自供電無線傳感器節點可測量空氣流量[18],[21]和溫度[19],[21],壓力[22]和水的酸堿度[23]已通過實驗制作,甚至應用于交通流量測量[24]。然而,盡管已經提出了許多涉及各種能量收集技術的傳感器節點,但是尚未報道能夠精確測量水流量的自供電無線傳感器節點。
           
                  為此,在本研究中,開發了由渦輪流量計和控制單元組成的自供電無線傳感器節點,以測量水流量。特別地,渦輪流量計從轉子的旋轉產生電力。該控制單元稱為物聯網(IoT)控制單元,它使用由轉子旋轉產生的動力來檢測轉子轉速,進而檢測流量,并與Internet上的服務器進行無線通信。該通信系統基于低功耗廣域(LPWA)通信標準,該標準可實現以低功耗進行數據的長距離傳輸。進行實驗以評估發電性能,測量精度和無線通信能力。
           
          2 。自供電的無線傳感器節點以測量水流量
          2.1 。渦輪流量計
          其中一位作者[25]以前開發了一種小型液壓發電機,該發電機通過嵌入圓形管內的轉子(帶有四個葉片)的旋轉產生電能。這項工作中使用的渦輪流量計基于該液壓發電機的設計技術。圖1示出了具有發電功能的渦輪流量計的橫截面。具體而言,在渦輪流量計的中心軸上安裝有轉子。刀片的外徑,D,轉子的軸向長度分別為30mm和34 mm。永磁體嵌入轉子的外圍,并由兩個軸承支撐。轉子被定子鐵心包圍,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。轉子由于在軸向上流動的水而繞著中心軸旋轉而產生電力。轉子轉速和水流量之間存在線性關系,如以下各節所述。通過檢測轉子轉速,該關系可用于測量流量。以這種方式,本渦輪流量計可用于發電和流量測量。特別地,渦輪流量計輸出三相交流電。
          用于發電的渦輪流量計的橫截面。
          圖2示出了渦輪流量計的三維剖視圖,該渦輪流量計與圓形管串聯連接,水通過圓形管流動。
          用于發電的渦輪流量計的3D模型
          圖3顯示了渦輪流量計的轉子。特別地,轉子具有四個葉片,其外徑為53mm,并且在外周中嵌入有14個矩形釹磁鐵。從轉子中心軸到磁體的距離為24.5mm。每個磁體的軸向和圓周長度分別為10.2mm,厚度為2.2mm。
          帶有四個葉片和十四個永磁體的轉子
          轉子設計為平板級聯形狀。圖4顯示了轉子葉片在外周(半徑)的2D展開圖。r/D=0.5)。進口和出口角度β1和 β在所有徑向位置都相等。寬度B和厚度t刀片的直徑分別為11毫米和1.6毫米。
          轉子葉片在外周(半徑)的2D展開圖。r/D=0.5
          圖5顯示了1和β2在徑向(〉方向。轉子中心的角度(r/D=0)和外圍(r/D=0.5)分別是0度和65。
          角度變化 和  轉子葉片的
           
          2.2 。渦輪流量計原理
          考慮半徑較小的刀片元件△r在徑向位置r。圖6示出了在徑向位置處的兩個葉片之間的流動通道的橫截面。假定轉子以恒定角速度旋轉w。假定水速度在轉子的入口和出口均勻分布,并且水在入口處沿轉子軸線流動。水與轉子的相對速度和絕對速度由下式表示w和v,分別。轉子入口和出口的速度三角形如圖6所示,其中下標1和2分別代表轉子的入口和出口。假設水密度為p,扭矩△T水流在葉片元件上產生的應力可以表示為:
          水流在葉片元件上產生的應力公式
          哪里v2t是...的圓周分量v在轉子出口處△Q是通過環形導管的半徑為△r。這些參數可以表示為
          圓周分量v在轉子出口處△Q是通過環形導管的半徑為△r公式
          機械摩擦力矩的總和
          2.3 。發電效率
          在這項工作中使用的渦輪流量計與圓管連接,水通過圓管流動。圖7顯示了渦輪流量計的圖像,該渦輪流量計的兩端均連接有兩個管道。在這種情況下,兩個壓力傳感器安裝在流量計上游30 mm和下游75 mm的管道上。因為流量計是三相交流發電機,所以連接了三個輸出線。
          渦輪流量計與壓力傳感器一起安裝在管道內
          當發電機的輸出為P,發電效率n可以定義為
          發電效率n公式
          哪里Q是水流量,p1和p2分別表示流量計上游和下游的壓力。
           
          2.4 。物聯網控制單元
          設計并制造了控制單元,用于管理所產生的功率,檢測轉子轉速并實現與Internet上服務器的無線通信。大小是100mm*1000mm*50mm。這種物聯網控制單元的電路元件如圖8所示。。渦輪流量計產生的電能通過升壓電路,恒壓電路和電池提供給微型計算機。恒壓電路將電池的充電電壓和微機的供電電壓控制在6 V的恒定值。微機直接連接到渦輪流量計,通過計算零交叉點的數量來檢測轉子轉速。在給定時間產生的電壓。在檢測過程中,微型計算機將升壓電路和恒壓電路去激活,并依靠電池供電。這方面確保了發電機保持在低負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算機,以將轉子轉速和電池輸出電壓(微型計算機的電源電壓)的數據上傳到Internet上的服務器。LPWA的通信速度較低,但是使用LPWA可以實現低功耗的長距離傳輸。在這項研究中,流量傳感器以小容量處理數據。因此,LPWA似乎有望有效利用。為了降低功耗,微型計算機僅在上載時才打開繼電器,以為無線通信模塊供電。
          物聯網控制單元的電路元件
          這項研究采用了用于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子轉速和電池輸出電壓傳輸到Internet上的服務器。轉子轉速和電池輸出電壓分別具有16位和8位。
           
          圖9示出了構成IoT控制單元的電路元件的操作時序。當微型計算機檢測轉子轉速時,升壓電路和恒壓電路停止工作,電池為微型計算機供電。在所有其他時間,升壓電路和恒壓電路均工作,并且電池處于充電狀態。當LPWA通信模塊與Internet上的服務器通信時,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。具體而言,在檢測轉子轉速時的功耗為40 mW,在通信期間的功耗為580 mW,在其他時間為10 mW。

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