開發(fā)了一個(gè)自供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以測(cè)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(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度（水流量）并與服務(wù)器進(jìn)行無(wú)線通信。互聯(lián)網(wǎng)。還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以評(píng)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)作為自供電單元運(yùn)行。所測(cè)量流量的滿刻度精度和指示精度為1.2％ 和2.8％，分別。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可以將測(cè)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(cè)嵌入在通道內(nèi)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)測(cè)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(jiǎn)單，在大流量范圍內(nèi)具有很高的測(cè)量精度。因此，它們被廣泛用于測(cè)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)以來(lái)，渦輪流量計(jì)就得到了廣泛的研究。特別是，流體粘度對(duì)測(cè)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(dòng)流[7]，[8]和間歇流[9]上游的流體速度分布對(duì)性能的影響。

 

        在當(dāng)今社會(huì)，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(wú)線連接到Internet的系統(tǒng)，以遠(yuǎn)程監(jiān)視制造過程[10]。這種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本設(shè)備被稱為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行感測(cè)，數(shù)據(jù)處理和無(wú)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(cè)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(wú)法確保更換電池的工作空間，因此無(wú)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(wú)線通信。這種自供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可以幫助實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，從而減少了工業(yè)過程中所需的勞動(dòng)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(huì)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(dòng)[14]來(lái)發(fā)電。而且，壓電元件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(cè)汞離子[16]并監(jiān)視汽車輪胎的氣壓[17]。然而，來(lái)自壓電元件的電力不足以使其用作無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的電源[18]，[19]。在這方面，自發(fā)以來(lái)，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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可測(cè)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(cè)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(cè)量水流量的自供電無(wú)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，以測(cè)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(dòng)力來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進(jìn)而檢測(cè)流量，并與Internet上的服務(wù)器進(jìn)行無(wú)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(zhǎng)距離傳輸。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以評(píng)估發(fā)電性能，測(cè)量精度和無(wú)線通信能力。

 

2 。自供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)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(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，該關(guān)系可用于測(cè)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(cè)量。特別地，渦輪流量計(jì)輸出三相交流電。

圖2示出了渦輪流量計(jì)的三維剖視圖，該渦輪流量計(jì)與圓形管串聯(lián)連接，水通過圓形管流動(dòng)。

圖3顯示了渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)子。特別地，轉(zhuǎn)子具有四個(gè)葉片，其外徑為53mm，并且在外周中嵌入有14個(gè)矩形釹磁鐵。從轉(zhuǎn)子中心軸到磁體的距離為24.5mm。每個(gè)磁體的軸向和圓周長(zhǎng)度分別為10.2mm，厚度為2.2mm。

轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為平板級(jí)聯(lián)形狀。圖4顯示了轉(zhuǎn)子葉片在外周（半徑）的2D展開圖。r/D=0.5）。進(jìn)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。

圖5顯示了1和β2在徑向（〉方向。轉(zhuǎn)子中心的角度（r/D=0）和外圍（r/D=0.5）分別是0度和65。

 

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。圖6示出了在徑向位置處的兩個(gè)葉片之間的流動(dòng)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)子的入口和出口均勻分布，并且水在入口處沿轉(zhuǎn)子軸線流動(dòng)。水與轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度和絕對(duì)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如圖6所示，其中下標(biāo)1和2分別代表轉(zhuǎn)子的入口和出口。假設(shè)水密度為p,扭矩△T水流在葉片元件上產(chǎn)生的應(yīng)力可以表示為:

哪里v2t是...的圓周分量v在轉(zhuǎn)子出口處△Q是通過環(huán)形導(dǎo)管的半徑為△r。這些參數(shù)可以表示為