Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

АВТОНОМНОЕ ПИТАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМАХ ОРОШЕНИЯ

Авторы:
Город:
Москва
ВУЗ:
Дата:
23 апреля 2016г.

AUTONOMOUS POWER SUPPLY FOR THE ELECTRON MEASUREMENT DEVICES IN IRRIGATION SYSTEMS

 

This article describes the ability to use an electromagnetic background of artificial origin for the supply of electronic measuring devices. An example of practical implementation of this approach. As well as proposals and described the working scheme that allows to achieve the necessary results.

Keywords: electromagnetic radiation, oscillatory circuit, alternative energy

Реализация принципа дифференцированного учета потребления воды в оросительных системах предполагает установку измерительных устройств на многочисленных концах разветвленных водопроводных линий. При этом измерительные устройства должны не только выполнять роль расходомеров, но и передавать полученную информацию на удаленный сервер. Последнее неминуемо сопряжено с затратами энергии, которая должна обеспечивать бесперебойную работоспособность этих устройств.

Эксплуатация оросительных систем зачастую осуществляется в условиях отсутствия сетевого электроснабжения, а значительные разветвленность и протяженность водопроводных линий ставят под сомнение экономическую эффективность проводного подведения электроэнергии. По этой причине электропитание измерительных устройств целесообразно осуществляться автономно.

Использование химических источников энергии для автономного электропитания надо признать неперспективным, так как они требуют периодического обслуживания или замены. Иногда небольшое количество электрической энергии удается получить за счет преобразования кинетической энергии потока воды. Однако при массовом использовании такой способ оказывается неэффективным вследствие повышенной нагрузки на водопроводные линии и насосы [1]. Известен положительный опыт некоторых фирм, использующих солнечные батареи для питания датчиков в системах орошения [ 6]. В то же время непостоянство солнечного излучения, а также небольшое количество солнечных дней в Центральной части России делают этот способ не вполне пригодным.

Перспективный прием получения электрической энергии для питания измерительных устройств заключается в преобразовании электромагнитного фона искусственного происхождения. Источником этого фона являются местные радиостанции, телевизионные передатчики, Wi-Fi роутеры и другие высокочастотные излучатели.

Практическое использование электромагнитного фона началось еще в начале 60-х годов ХХ века. Именно тогда, с появлением дешевых полупроводниковых приборов, были разработаны и подробно описаны разнообразные схемы полезных устройств (радиоприемников, генераторов, электронных часов и т.д.), питаемых от окружающей нас энергией электромагнитных полей [4, 5]. Разумеется, речь шла исключительно о низких уровнях энергии, способных обеспечить потребляемую мощность в несколько десятков миллиВатт.

За прошедшие десятилетия уровень электромагнитного фона в местах обитания людей вырос в несколько раз. К существовавшим в середине ХХ столетия источникам электромагнитного излучения добавились многочисленные радиоретрансляторы, базовые станции мобильной связи, транкинговые приемно-передающие узлы, всевозможное навигационное, охранное, информационно-оповещательное и прочее радиофицированное оборудование. При этом произошло как увеличение уровня фона, так и заметное смещение максимума излучения в область более коротких волн.

В последнее время интерес к практическому использованию электромагнитного фона искусственного происхождения заметно возрос. Идею преобразования электромагнитного фона в энергию питания маломощных потребителей начинают применять в самых различных областях. Так, например, исследователь из университета штата Вашингтон Шьям Голлакота руководит проектом по использованию рассеянной энергии для питания мобильного оборудования в системах бесконтактных платежей [2]. Созданные им миниатюрные устройства позволяют осуществлять переводы виртуальных денежных средств при полном отсутствии аккумуляторов или внешних источников питания. При демонстрации устройств все встроенные светодиоды, сенсоры, микроконтроллеры и блоки связи нормально функционируют за счет энергии местных телевизионных станций.

Интересны исследования корпорации Powercast, которая еще в 2010 году выпустила приемник P2110B Powerharvester Receiver, способный собирать направленную и рассеянную электромагнитную энергию и преобразовывать ее в постоянное напряжение. Полученная энергия обеспечивает подзарядку аккумуляторных батарей для питания слаботочной радиоаппаратуры. По заявлениям разработчика приемник генерирует напряжение 5,24\5 В и обеспечивает ток порядка 50 мА [7].

Использование рассеянной электромагнитной энергии для питания измерительных устройств в системах орошения оказывается привлекательным, по ряду причин:

1.     измерительные устройства установлены неподвижно, что определяет постоянство условий приема электромагнитного фона:

2.       интенсивность электромагнитного фона оказывается во многом прогнозируемой, поскольку работа большинства его источников подчиняются известным графикам;

3.       мощность, потребляемая передающими модулями, является соизмеримой с мощностными характеристиками приемного устройства;

4.     специфика эксплуатации измерительных устройств позволяет осуществлять передачу  данных на удаленный сервер в периодическом режиме, что определяет возможность чередовать режимы накопления и использования преобразованной энергии электромагнитного фона;

5.     приемные устройства легко настраиваются на частоту доминирующего источника, что открывает возможность эффективного использования энергии электромагнитного фона; переход от одной доминирующей частоты к другой несложно осуществлять в автоматическом режиме.

На Рисунке 1 представлена функциональная схема измерительного устройства, осуществляющего замеры расхода воды и передачу информации на удаленный сервер, а на рпс.2 – принципиальная электрическая схема блока подзарядки [3].


Измерительное устройство содержит корпус 1, имеющий входное отверстие 2 и выходное отверстие 3. В полости корпуса 1 расположен вал 4, продольная ось которого перпендикулярна потоку жидкости. На валу 4 жестко закреплены крыльчатка 5 и магнит 6 с возможностью вращения относительно продольной оси вала 4. В качестве магнита 6 в разработанной конструкции использован постоянный магнит из композиционного материала 
Счетный геркон 7 (магнитоуправляемый контакт) установлен в зоне уверенного воздействия магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 6 ( с зазором 0,8…2,0 мм от окружности, описываемой магнитом 6 при вращении вала 4). Счетный геркон 7 связан с вычислительным устройством 8, представляющим собой микросхему, реализующую функции суммирования импульсов. Выход вычислительного устройства 8 подключен к жидкокристаллическому индикатору 9 и блоку 10 управления. В качестве блока 10 управления использован каскад микросхем, реализующий функции хранения информации и формирования файлов для их периодической передачи во внешнюю информационную сеть.
Вычислительное устройство 8, жидкокристаллический индикатор 9 и блок 10 управления подключены к источнику 11 электропитания. В качестве источника 11 электропитания использован литиевый микроаккумулятор CR2032


Блок 12 подзарядки содержит антенну 13, колебательный контур14, выпрямитель 15 и стабилизатор 16 напряжения. Антенна 13 представляет собой сверхщирокополосный приемный элемент, в качестве которого использован отрезок провода произвольного диаметра. Антенна 13 через колебательный контур 14 подсоединена ко входу выпрямителя 15.Колебательный контур 14 образован совокупностью емкостей параллельно соединенных конденсаторов С1 и С2 и индуктивности катушки L1. В разработанной конфструкции использована однополупериодная схема выпрямителя 15 на диодах Шотки VD1 и VD2. Выход выпрямителя 15 через стабилизатор 16 напряжения соединен с источником электропитания 11.Стабилизатор 11 напряжения включает в себя стабилитрон VD3, компенсационную схему на полупроводниковых триодах VT1 и VT2 и сглаживающий конденсатор С5.

Номиналы емкостей конденсаторов С1, С2 и индуктивности катушки L1 подобраны таким образом, чтобы в образуемой ими цепи возникал резонанс на частоте превалирующего электромагнитного фона промышленного происхождения. Такой  фон  может  создаваться несущей  частотой  ближайших радиостанций, телевизионных передатчиков, Wi-Fi-роутеров и другими излучателями радиоволн. При этом вид модуляции (амплитудная или фазовая) принципиального значения не имеет. В разработанной конструкции использовался электромагнитный фон промышленного происхождения, создаваемый местной радиостанцией средневолнового диапазона (несущая частота 1370 МГц). При этом для достижения резонанса суммарная емкость конденсаторов С1 и С2 составляет 950 пФ, а индуктивность катушки L1 – 39 мкГн. Катушка индуктивности L1 намотана на каркасе диаметром 50 мм и содержит 60 витков провода диаметром 1,6 мм с длиной намотки  - 250 мм (шаг - примерно 4 мм). Магнитопровод дросселя L2 - кольцевой Т-106-2 (27x14,5x11,1 мм) из карбонильного железа, обмотка состоит из 88 витков провода диаметром 0,4 мм.

Измерительное устройство работает следующим образом.

Измерительное устройство устанавливается в трубопроводе. Текущая вода попадает в корпус 1 через входное отверстие 2 и удаляется из него через выходное отверстие 3 (на Рисунке 1 направление движения жидкости показано стрелками слева направо). Перемещаясь в полости корпуса 1, вода взаимодействует с лопастями крыльчатки 5 и приводит ее во вращательное движение. Одновременно с крыльчаткой 5 происходит вращение вала 4 и магнита 6. При каждом обороте магнита 6 вокруг продольной оси вала 4 происходит срабатывание счетного геркона 7. На выходе счетного геркона 7 формируются импульсы, которые поступают на вход вычислительного устройства 8. В вычислительном устройстве 8 осуществляется суммирование импульсов в течение заданного интервала времени. С выхода вычислительного устройства 8 результаты суммирования импульсов в двоичном коде подаются на входы жидкокристаллического индикатора 9 и блока 10 управления. В жидкокристаллическом индикаторе 9 происходит преобразование поступивших сигналов в десятеричную форму и их подача на жидкокристаллические элементы для визуального контроля текущего расхода воды. В блоке 10 управления осуществляется хранение информации, а также формирование файлов для их периодической передачи на удаленный сервер. Питание вычислительного устройства 8, блока 10 управления и жидкокристаллического индикатора 9 осуществляется от источника 11 электропитания.

Электромагнитный фон промышленного происхождения воспринимается антенной 13 блока 12 подзарядки. В колебательном контуре 14 возникает явление резонанса и на его выходе появляется переменное электрическое напряжение. Это электрическое напряжение поступает на выпрямитель 15, где происходит его выпрямление (детектирование).


Постоянное напряжение с выхода выпрямителя 15 поступает на стабилизатор 16 напряжения, в котором осуществляется его поддержание на заданном уровне, защита источника 11 электропитания от перезарядки и защита диодов VD1 и VD2 при отключении источника 11 электропитания (из-за возможного их пробоя обратным напряжением). При напряжении на нагрузке (на входных клеммах источника 11 электропитания) установленного значения ток через стабилитрон VD3 не протекает, и поэтому полупроводниковые триоды VT1 и VT2 остаются в закрытом состоянии. При увеличении напряжения сверх установленного значения они открываются и резистор R4 шунтирует выход стабилизатора 16 напряжения.

С выхода стабилизатора 16 электрическая энергия подается на источник 11 электропитания, осуществляя его подзарядку.

За счет работы блока 12 подзарядки измерительное устройство не требует обслуживания на протяжении всего срока службы источника 11 электропитания. Кроме того, при подключении блока 11 управления к внешнему контроллеру (или компьютеру) оказывается возможным извлечение информации о расходе воды в произвольный момент времени в период работы устройства, а также о количестве расходуемой воды за произвольный интервал времени. При подключении блока 11 управления во внешнюю информационную сеть, оказывается возможным использование измерительного устройства в системе коммерческого учета. При этом устройство измерения расхода воды выполняет функцию первичного преобразователя, а учет расхода осуществляется централизованно на удаленном сервере.



Список литературы

1.     Матвеев А.И., Андреев С.А. Использование генераторных расходомеров в автоматизированных системах учета воды // А.И.Матвеев, С.А.Андреев // Инновационные технологии в АПК: теория и практика: Сборник статей III Всероссийской научно-практической конференции / МНИЦ ПГСХА.-Пенза: РИО ПГСХА, 2015.- с.94-97

2.     Наука  21  век,  Август  15th,  2013,  Новые  устройства  берут  энергию  из  радиосигналов.  URL: http://nauka21vek.ru/archives/51808

3.     Патент   №155165 Российская Федерация. МПК G01F1/00 (2006,01) Устройство для измерения расхода жидкости / Андреев С.А., Матвеев А.И. – № 2015100179/28; заявл. 13.01.2015; опубл. 27.09.2015. Бюл. № 27.

4.     Транзисторные приемники без источников энергии // Радио 1962, №6 – С.53.

5.     О питании радиоприемников «свободной энергией» //Радио 1997, № 1 – С. 22…23.

6.     ITU NEWS. No. 1 January 2014.Big data, big deal, big challenge. Smart irrigation for sustainable agriculture in Abu Dhabi. URL: https://itunews.itu.int/ru/Note.aspx?Note=4884

7.     Product Datasheet P2110 – 915 MHz RF Powerharvester™ Receiver, SPECIFICATIONS