開發(fā)了一個自供電的無線傳感器節(jié)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(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生電能。物聯(lián)網(wǎng)控制單元由微型計算機和低功率廣域（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。互聯(lián)網(wǎng)。還進(jìn)行了實驗以評估傳感器節(jié)點的性能。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(jié)點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

        渦輪流量計是葉輪式流量計[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)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(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。每個節(jié)點執(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，需要在多個管道位置實時監(jiān)控流量。但是，用于測量流量的傳感器節(jié)點通常只能安裝在有限的位置，因為節(jié)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(yuǎn)程監(jiān)控能力，期望開發(fā)一種流量計，該流量計既可以實現(xiàn)發(fā)電又可以在要安裝在所有給定位置的傳感器節(jié)點中使用的無線通信。這種自供電的無線傳感器節(jié)點可以幫助實現(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)點的電源[18]，[19]。在這方面，自發(fā)以來，摩擦電納米發(fā)電機[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械能中有效地產(chǎn)生電能。 2012.此外，具有摩擦納米發(fā)電機的自供電無線傳感器節(jié)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(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，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(jié)點。

 

        為此，在本研究中，開發(fā)了由渦輪流量計和控制單元組成的自供電無線傳感器節(jié)點，以測量水流量。特別地，渦輪流量計從轉(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)可實現(xiàn)以低功耗進(jìn)行數(shù)據(jù)的長距離傳輸。進(jìn)行實驗以評估發(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)點以測量水流量

2.1 。渦輪流量計

其中一位作者[25]以前開發(fā)了一種小型液壓發(fā)電機，該發(fā)電機通過嵌入圓形管內(nèi)的轉(zhuǎn)子（帶有四個葉片）的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。這項工作中使用的渦輪流量計基于該液壓發(fā)電機的設(shè)計技術(shù)。圖1示出了具有發(fā)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(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，本渦輪流量計可用于發(fā)電和流量測量。特別地，渦輪流量計輸出三相交流電。

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(lián)連接，水通過圓形管流動。

圖3顯示了渦輪流量計的轉(zhuǎn)子。特別地，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

轉(zhuǎn)子設(shè)計為平板級聯(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(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。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