采集装置（通用8篇）
采集装置 篇1
1 引言
随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步, 能源危机和环境污染成为当今社会最重要的两个发展问题, 促进了海洋能的发展研究。海洋能指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源, 包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能和盐差能等。其中, 波浪能由于开发过程中对环境影响最小且以机械能的形式存在, 是品位最高的海洋能。据估算, 全世界波浪能的理论值约为量级, 是现在世界发电量的数百倍, 有着广阔的商用前景。
人类很早就从事波浪能的开发, 在20世纪60年代以前, 波浪能利用的研究主要集中在波浪能采集装置的发明方面, 有关波浪能技术的专利已超过1 000项[1];经过20世纪70年代对多种波浪能装置进行的实验室研究和80年代进行的海况试验及应用示范研究, 波浪发电技术已逐步接近实用化水平;20世纪90年代以来, 随着波浪能转换装置技术的日趋成熟以及在实用化方面取得的进步, 波浪能利用已朝着多元化和综合利用的方向发展。
2 典型波浪能采集装置
目前关于波浪能利用技术的研究大都源于以下几种基本原理:利用物体在波浪作用下的沉浮和摇摆运动, 将波浪能转换为机械能;利用波浪的爬升将波浪能转换成水的势能等。绝大多数波浪能转换系统由三级能量转换机构组成 (图1) 。其中, 一级能量转换机构 (波浪能采集装置) 将波浪能转换成某个载体的机械能;二级能量转换机构将一级能量转换所得到的能量转换成旋转机械 (如水力透平、空气透平、液压马达、齿轮增速机构等) 的机械能;三级能量转换通过发电机将旋转机械的机械能转换成电能。有些采用某种特殊发电机的波浪能转换系统, 可以实现波浪能俘获装置对发电机的直接驱动, 这些系统没有二级转换环节。
根据一级转换系统的转换原理, 可以将目前世界上的波浪能采集利用技术大致有振荡水柱式、收缩波道式、振荡浮子式 (点吸收式) 、摆式、筏式和鸭式等。下面对这几种波浪能采集技术进行介绍。
2.1 振荡水柱式
目前已建成的振荡水柱波浪能采集装置都利用空气作为转换的介质。其一级能量转换机构为气室, 二级能量转换机构为空气透平。气室的下部开口在水下与海水连通, 气室的上部也开口 (喷嘴) , 与大气连通。在波浪力的作用下, 气室下部的水柱在气室内做强迫振动, 压缩气室内的空气往复通过喷嘴, 将波浪能转换成空气的压能和动能。在喷嘴处安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连, 则可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电, 振荡水柱式波浪能装置的结构如图2所示。
振荡水柱波浪能装置的优点是:转动机构不与海水接触, 防腐性能比较好, 安全可靠, 维护方便。其缺点是:二级能量转换效率比较低, 施工难度很大, 发电成本比较高, 适用于大风浪区域。
近年研建的振荡水柱发电装置有:英国Wavegen公司研建的LIMPET沿岸固定式波浪能电站, 装机容量500kW;葡萄牙在Pico岛建造的沿岸固定式波浪能电站, 装机容量400kW;澳大利亚Energetec公司建造的离岸固定式波浪能电站, 装机容量500kW;英国布里斯维尔大学研制的Sperboy离岸漂浮式振荡水柱发电装置, 1/5尺度装机容量50kW等[2,3,4]。
2.2 收缩波道式
收缩波道式波浪能转换装置是基于波聚理论的一种波浪能转换装置。收缩波道式波浪能转换装置中, 波道与海连通的一面开口较宽, 然后逐渐收缩并流通至贮水库。波浪进入喇叭形的收缩波道时, 由于聚波效应, 波高不断地被放大, 直至波峰溢过边墙, 将波浪能转换成势能贮存在贮水库中。水库与外海间的水头落差可达3~8 m, 利用水轮发电机组可以发电。收缩波道式波浪装置的结构如图3所示。
收缩波道式波浪能转换装置的优点是:一级转换没有活动部件, 可靠性好, 维护费用低, 系统出力稳定。不足之处是:装置建造对地形有要求, 不易推广。
目前比较著名的收缩波道式波浪能转换装置主要有:挪威的350kW收缩波道式电站、丹麦的Wave Dragon波力装置、挪威的SSG槽式装置等。
2.3 振荡浮子式
现阶段比较典型的振荡浮子式波浪能转换装置主要有:瑞典的Aquabuoy、英国AWS Ocean Energy有限公司研制的阿基米德波浪摆装置、美国的OPT (ocean power technologies) 公司研制的装机容量40kW的PowerBuoy波力装置, 丹麦的Wave Star公司的Wavestar装置以及我国开发的50kW岸式振荡浮子式波浪能电站等。
振荡浮子式装置的结构如图4所示, 通过随浮子运动的电磁转换器将浮子吸收的波浪能转换成电能。
振荡浮子式波能采集装置的优点是:建造难度和成本较低, 施工容易;吸收波浪能的效率较高。其缺点是:浮子受过多的波浪冲击, 容易损坏[5,6,7]。振荡浮子式波浪能采集装置由于所占面积较小, 适用于一些为灯塔、浮标等提供电源的场合。
2.4 摆式
摆式波浪能采集装置最早由日本室兰工业大学的度部富治教授提出, 1983年, 日本在北海道建造了首座5kW的推摆式波力电站, 该电站运行了20个月, 最后毁于暴风雨;1987年, 日本在烧尻岛建造了一座20kW的推摆式波浪电站, 用来向渔民公寓提供热水, 但建成3个月后又被恶劣海况损毁;据报道, 日本近期准备在一个100 m长的防波堤上建造一座300~600kW摆式波能装置[8]。
摆式波浪能转换装置的结构如图5所示, 由摆板、液压泵、水室等组成。它利用装置的活动部件包括摆板和液压泵推杆等, 在波浪的推动下, 将其从波浪中吸收的能量转换成装置的机械能:在波浪的作用下, 摆体作前后或上下摆动, 将波浪能转换成摆轴的动能;而与摆轴相连的液压装置又将摆轴的动能转换成液力泵的动能, 并带动发电机发电。
摆式波浪能采集装置适用于建造在防波堤上, 装置的优点是:转换效率高, 可以方便地与相位控制技术相结合, 使波浪能装置能吸收到装置迎波宽度以外的波浪能;缺点是维护较为困难。
2.5 筏式
筏式波能发电装置是通过漂浮在水面、端部铰接的若干浮体 (筏) 俘获波浪能, 再通过液压系统驱动发电机发电, 其采能装置的结构如图6所示。筏通过铰链相互铰接在一起, 能量转换装置置于每一铰链处, 波浪运动引起筏产生沿铰接处 (轴) 的转动, 从而反复压缩液压活塞以输出机械能。筏式技术的优点是:筏体之间仅有角位移, 即使在大浪下, 该位移也不会过大, 故抗风浪性能较好;缺点是:装置顺着波浪方向布置, 单位功率下材料的用量比垂直于波浪方向布置的装置大, 因此装置成本较高。
目前比较知名的利用筏式技术建造的波浪能发电装置有:英国Cork大学和女王大学共同建成的McCabe Wave Pump波力装置;苏格兰Ocean Power Delivery Ltd开发的Pelamis (海蛇) 波力装置 (图7) 等。
2.6 鸭式
鸭式装置是英国Salter教授发明的、具有特殊外形的波浪能装置[9], 其原理如图8所示。在波浪作用下, 鸭体绕支撑轴作往复回转运动, 从而驱动连接鸭体与支撑轴之间的液压转换装置发电。
鸭式装置对于大部分波浪有较高的转换效率, 但抗浪能力有待提高。
丹麦Wave Plane能源公司正在开展WEP-TOS新型波浪能装置研发工作, WEPTOS由两条独立驱动轴的“Salter Ducks”式结构组成 (图9) , 随着波浪条件的变化, 两条链之间的角度可随之改变, 该装置于2011年9月完成了模型试验。
3 提高波能采集系统效率的研究
为了提高装置对波浪能的采集效率, 近年来人们做了很多研究:在理论计算方面, 梁贤光等[10]发现三维波下点吸收装置具有聚波效应, 当其与来波发生共振时, 辐射波和入射波的干涉效应使得装置能够吸收到迎波面之外的波浪能, 具有较高波能采集效率。为使浮体保持较高的转换效率, 应使其达到或接近共振条件;盛松伟等[11]对弹簧—质量—阻尼器系统下的振荡浮子型装置采用边界元法进行了计算, 在给定条件下对阻尼系数进行了优化;苏永玲等[12]对在港内的振荡浮子进行了优化设计, 发现前港长和浮子长对装置性能影响最大, 浮子吃水浓度和港内水深的影响相对较小;CANDIDO等[13]在频域、时域和随机模型下, 分别对浮子运动进行了计算, 主要比较了波浪周期、波长、阻尼系数与弹簧刚度对捕获宽度的影响;张弘弨等[14]研究了不同波浪条件、不同外力作用和不同尺寸对浮子吸收波浪能效率的影响。此外, 研究发现[15], 相位控制、无功负载控制和反馈调节控制等控制策略, 虽然能提高装置在变化频率下的转换效率, 但同时也增加了装置的复杂性, 耗费部分转换的电能。
在装置优化设计方面, 为提高浮子自适应性方面, SALTER[9]设计了一种点头鸭装置, 能减少装置向后兴波, 使得在相当宽的频谱内装置效率均可达到80%以上;梁贤光等[10]进行后弯管波力发电浮体模型试验研究, 发现适当地将后弯管水平段向后延伸, 可以提高峰值效率, 扩宽响应波周期范围;ENGSTRM等[16]发现通过在漂浮体下端悬挂一个悬浮的球体, 可极大地改进装置的吸波特性, 装置的转换效率可提高一倍, 同时带宽增加;苏永玲等[7]通过在不同波浪周期条件下, 改变浮子与发电机之间的中间转换装置参数来确定浮子的最优俘获宽度比;王凌宇[17]利用弗汝德—克雷洛夫假定法分别对长方体、垂直圆柱体、水平圆柱体和球体上的波浪力进行计算, 发现在基本海况、排水体积相同的情况下, 垂直圆柱形浮子所受的浮力最大, 为最佳浮子形状。
4 总结
波浪能采集是波浪能发电利用技术的研究核心。目前波浪能的采集利用技术大致有振荡水柱式、收缩波道式、振荡浮子式 (点吸收式) 、摆式、筏式和鸭式等。其中, 振荡浮子式和鸭式装置具有较高的波能采集效率。目前, 关于波能采集技术的研究重点主要集中在提高采能装置的效率和运行可靠性, 提高采能装置的抗风浪能力, 降低装置的建造和维修成本等方面。
采集装置 篇2
摘 要 网箱养殖具有节约资源、投资少、效益高、产品品质高等优点。针对目前网箱养殖过程中存在的网箱清洗困难，监测困难等问题，研究了一种深水网衣清洗装置、网衣破损监测及网箱状况监测的数据采集系统。经现场应用表明，这种带有清洗装置和数据采集系统的深水网箱明显降低了工人操作的劳动强度，降低了维护成本，提高了网箱的使用寿命。
关键词 深水网箱；数据采集系统；网衣破损监测
中图分类号：S959；TP274.2 文献标志码：A 文章编号：1673-890X（2016）01--03
近年来，由于过度捕捞，近海的渔业资源日益贫瘠。由捕到养，由近海向远海是未来渔业的经济的出路。深水网箱养殖是指在特定海域利用框架、网衣和锚固等相关配套设施，构成具有较强抗风浪性能的各种形状箱体，能在开放式离岸海区进行的一种养殖方式。由于深水网箱养殖具有节约资源、投资少、效益高、产品品质高等优点，深水网箱养殖在短短几十年内迅猛发展，在挪威、美国、意大利和日本等国家已先后开发出十几种性能优良的深水网箱并广泛应用[1]。我国深水网箱是从1998年海南引进挪威全浮式重力网箱开始的，截至2009年12月，我国深水网箱的应用总量超过5 000只。通过近几年的联合攻关，深水网箱的国家专利已达100多项，基本上掌握了深水网箱的设备研制和养殖的核心关键技术。
但目前，我国的深水网箱仍存在清洗困难、监测困难等难题。传统的深海网箱清洗一般采用人工方式进行：一种方式是把网箱浮到水面后，用高压水枪或者刷子清洗；另一种方式是潜水员签到水下网箱处，用刷子对网箱进行清洗。人工清洗占用人工费用很大，清洗所有时间长，并且对养殖物生长有影响。深水网箱由于网衣破损不能及时发现而造成箱内的鱼大量逃逸，使养殖户造成巨大损失，制约了网箱养殖的发展，而目前使用的红外监视器，若在混水中则光学系统不能奏效，如果使用声呐的方法则需要比较大的投资。因此，如何在深海高效地采集网箱数据成為一个非常有意义的研究方向[2]。目前，已有的深水网箱数据采集系统，其核心技术基本上都掌握在欧美等先进国家中，购买非常昂贵。本文重点研究了一种深水网箱清洗装置和数据采集系统。该技术的应用推广有利于海水养殖方式向集约化、规模化转变，大幅提升海州湾经济鱼种的养殖产量，推动我国海洋与渔业经济快速发展，实现海州湾海洋生物资源的可持续开发和保护。
1 深水网箱清洗装置
深水网箱的主体主要由网架、网衣、沉子和锚碇系统组成，网箱装备的发展在很大程度上依赖于配套设施的强力支持。网箱的主要配套装备有投饵装置、起捕设备、分级装置、水下监视系统、网衣清理机、换网设备、阻流设施等。网衣系统可以防止鱼类逃逸并使其不受外界干扰，是网箱系统必不可少的组成部分。在网箱养殖过程中，海水经常会有藤壶、青口螺、大型藻类等生物附着于框架管壁生长，这些附着物生长速度快，一段时间后几乎覆盖浮管水下的所有表面，随着生物附着物的大量增加，附着物本身的质量会严重影响整个深水网箱浮式框架的浮力性能，造成深水网箱框架受力过重且不均匀，导致深水网箱出现倾斜、下沉、抗风浪能力下降等突出问题；同时，影响工作人员投喂、换网等日常工作，为深水网箱的正常养殖带来不良影响[3]。目前，主要采取以下3类方法防止网衣污损。一是利用海区的生物消长规律，回避生物附着。二是浸泡防污涂料，达到有限度的防附着。NaPT是目前效果最佳的水溶性工业防霉防腐剂，具有高效、广谱、低毒、稳定的特点，被广泛地应用于医药、日化、金属加工、农产品、防腐涂料、皮革制品、纺织、造纸及竹、木、藤、草制品中。研究表明：NaPT还可以影响细胞膜保持合适的PH值的能力，导致细胞酸化并破坏新陈代谢过程，即吡啶硫酮钠不是通过杀死污损生物来实现材料表面的防污，而是通过破坏新陈代谢过程或麻痹等过程来实现对污损生物的趋避。三是定期清洗网箱附着生物。本论文研究的清洗装置如图1所示。在清洗管（1）上设有两组送气管（5），所述的两组送气管（5）的进气端通过三通乙（6）与气源（7）连接，这样可以大大增加气体的压力而产生更多的气泡。在使用时将本装置安装在网箱的底部[4]。当发现网箱的网衣上有海洋植物等杂物附着时，打开气源（7），气源（7）由送气管（5）将气体输送至清洗管（1）内，气体由于压力的作用，由清洗管（1）的微气孔（2）排出并生成气泡。气泡的浮游、爆破等会对附着在网衣上的杂质产生作用力，而达到清洁的目的。单向阀（4）的设置可以有效防止清洗管内的气体倒流，从而增加微气孔往外排出气泡的量。
2 数据采集系统
如图2所示，一种深水网箱数据采集系统，包括压力传感器（1）、位移传感器（2）、信号调理器（3）、数据采集卡（4）、以及计算机（5），其中压力传感器（1）和位移传感器（2）焊接固定在深水网箱（6）下方左右两侧，信号调理器（3）、数据采集卡（4）和计算机（5）放置在深水网箱（6）附近的数据采集船上，压力传感器（1）、位移传感器（2）和信号调理器（3）通过数据线相连接，再通过数据线与数据采集卡（4）相连接，最后数据采集卡（4）通过数据线与计算机（5）相连接。信号调理器（3）包括信号放大器和滤波器，对收集到的信号进行放大和过滤。为了使得监控效果更好，防止深水网箱在水中受各种干扰破坏，设置有防水摄像头（7）安装深水网箱上方左右两侧，通过数据线连接到计算机，更加方便观测深水网箱周围的环境。为了应对海浪等使得深水网箱打翻或者晃动影响监控，数据采集系统还包括位置平衡器（8），位置平衡器（8）安装在深水网箱底部，平衡深水网箱的位置。当然位置平衡器可以有很多种，如最简单的负重铁块，以及各种现有技术中的位置平衡器[5]。
本装置开始采集数据时，通过压力传感器接收深水网箱所受到的压力信号，通过位移传感器接收深水网箱升降位移信号，接收到的信号通过信号调理器进行调理，包括信号放大与一定的滤波，调理后的信号通过通过数据采集卡，再由数据采集卡传到计算机，安装有Labview的计算机可以显示所采集到的压力、位移信号曲线，达到数据采集、实时监控的效果。
另外，为了检测网衣破损情况，本文还设计了一个网衣破损检测装置，如图3所示。在每个网片的网线（1）中加入带绝缘保护层的金属导线（2），金属导线的走向与常规网片的编织方法相同，每根金属导线与网衣编织在一起的一端用耐海水密封胶密封住，另一端接在发射器（3）的一端。在信号发射器上还接有插入水下的电极（4）。在网片正常情况下，不导电；如果网衣破损，则电流通过海水、电极而导通，接通报警电路，然后以无线或有线的方式发送报警信号到信号接收器（5）。经解码可知是哪根金属导线破损，从而得知是哪个网片的网衣破损并采取措施进行修补。
3 结语
发展深水网箱是拓展食物生产空间的有效途径，有利于缓解近海养殖环境压力，保护海洋生态环境[6]。本文研究的装置经过在海州湾海域使用。结果表明，该种装置具有较好的性能，有效地降低了网箱清理的难度，及时获得了网箱的数据及网衣的破损情况，有利于操作人员及时采取补救措施。深水网箱下一步的发展趋势：一是采取数字化的设计、控制技术；二是养殖设施系统的大型化；三是养殖环境生态调控与保障技术；四是养殖地域向外海发展。
参考文献
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无线网络数据采集装置 篇3
1研究任务的来源
我们所在工厂,厂房2000多平方米,内部按区域划分有:新产品试制区间,成品试车区间,半成品加工车间,钳工加工车间,科研项目实验区间,实验室数据库区间。其中新产品试制车间,科研项目试验区间,成品试车区间,有大量的实验监测设备。为了将这些监测设备和实验室对接,实现实验室集中监控,数据库统一管理,零布线,无线信息传输,我们设计了这套无线网络数据采集装置。
2技术方案
(1)在三个区间,分别设置无线节点;
(2)节点处采用美国NI公司无线网络模块;
(3)现场数据采集采用厦门宇电AI-708二次仪表,配备压力,温度,液位,压差的传感器;
(4)无线模块与仪表通讯,采用MODBUS-RTU传输协议;
(5)无线模块与实验室通过Zig Bee无线网络协议传输信号;
(6)实验室计算机服务器配备NI Lab View-2012软件平台;
(7)各区间设计移动式电控柜,根据需要安装一定数量的宇电仪表,传感器信号通过端子直接传送到仪表,各仪表通过485接口连接在一起组成串行通讯网络。
3软件编程(如图1和图2)
一共编制:
(1)新产品试制区间通讯软件,下载到通讯模块;
(2)科研项目试验区间通讯软件,下载到通讯模块;
(3)成品试车区间通讯软件,下载到通讯模块;
(4)数据采集网关软件;
(5)实验室新产品试制区间监测软件;
(6)实验室科研项目试验区间监测软件;
(7)实验室新产品成品试车区间监测软件;
(8)实验室网关软件;
(9)实验室示波总览软件;
(10)实验室数据库软件。
4技术分析
(1)1WSN无线网络传输应用的是Zig Bee协议,基于2.4G的IEEE802.15.4标准。其特点是近距离,低复杂度,自组织,低功耗,低数据传输,低成本。从试验中反映的情况来看,距离远,信号弱,电池供电时间长,下载后程序自动实时运行。
(2)节点寻址,每个节点包含一个射频收发器,网关负责节点连接。
(3)电池供电和外电源相结合,节点工作状态不定,自动休眠。
(4)数据传输速率比较低,但是本试验能满足要求,试验距离50米左右。
5研制过程中所采取的措施及经验教训
5.1利用串行助手试验数据的收发,编制仪表驱动程序,利用NI MAX软件设置节点,利用Real Time模块实时采集数据,利用WLAN无线模块收发数据
5.2经验教训
(1)target@软件与传统的Lab View软件在理念上是不同的,编程的方法也不尽相同,刚开始编程时陷入误区,经过反复操作与验证,最终解决问题。
(2)2软件的不同版本是需要互相转换的,在12版编的软件要转换11版的才好用。
(3)无线传输数据有个别数据丢失现象,没有关系,正常现象,这类数据可以排除。
(4)有些例程软件需要核实,不能盲目套用,曾套用过串行通信例程,结果损坏485接口,这与我们没有搞清楚原意有关。
(5)多曲线实时示波显示,设置不好,容易死机,两条比较合适
6结论
经过研究和验证,无线网络数据采集系统可以在实际中应用,在现场的不同的方位设置节点,将数据通过无线的方式传输到控制室计算机中,利用Lab View软件的强大功能,进行数据分析,对于无法布线进行有线传输的地方,的确是一种比较好的方法。
摘要：介绍NI LabView无线技术在企业工厂产品数据监测中的应用。
关键词：NI LabView无线数据采集,实验室,数据库,生产车间
参考文献
[1]吴静编著.虚拟仪器设计基础教程/黄松龄[M].北京:清华大学出版社,2008(10).
一种锚式表层沉积物采集装置 篇4
传统的柱状采泥器、抓斗式采泥器是采用比重较大的, 如不锈钢或嵌入铅块的不锈钢做原料, 利用装置从水体表层向水体下的重力与浮力差, 获得足够的冲量后, 插入海床、河床或湖床下一定深度, 之后通过“关门”机构将沉积物封闭在装置内, 从而得到所需的沉积物样品。利用装置向下的冲量, 这一类型的采泥装置有2个明显的缺陷:一是在强海流区, 装置垂直向下的冲量大部分会被海流带来的横向的水平向冲量所抵消, 当装置触底后, 尤其冲量不够, 不能采集足够的样品量, 甚至一无所获, 采样效率较低;二是为了克服海流、地形等不利因素的制约, 此类采泥装置不得不加大装置的自重以获得足够大的冲量, 这样必须配套电动绞车等起重设备, 同时加大了操作人员的工作强度与难度。因此, 发明一种轻便高效易于操作的表层沉积物采集装置 (以下简称采泥器) 是非常有益且十分必要的。该研究发明的锚式表层沉积物采集装置正是基于上述问题进行了改进, 其克服了传统采泥器依赖完全自重的采样模式, 效仿类似船锚的原理工作, 经实际验证效果十分理想, 采样成功率近100%, 可以推广使用。
1 装置结构
针对上述现有技术的不足, 充分考虑了海洋、湖泊等水域的特征, 同时满足科学和现实应用的要求, 设计了锚式表层采泥器, 其基本原理类似船锚, 并因此命名 (图1、2) 。其大致可以分为4个主要组成部分: (1) 沉积物的容纳采集器———一个“V”型槽; (2) 平衡定向杆; (3) 垂直平衡定向杆可180°旋转的镇重杆; (4) 一个由机械连杆关联的焊接于“V”型槽的上、下盖。
注: (1) —下盖, (2) —上盖, (3) —“V”型槽, (4) —双向轴, (5) —镇重杆, (6) —平衡定向杆, (7) —机械连动杆, (8) —固定卡销。
“V”型槽由4片钢板组成, 其中2片一边焊接在一起, 形成一个90°的二面体, 另外2片将二面体的两侧封住;在“V”型槽的开口中心位置用一个宽度约5 cm的钢板焊住横梁, 横梁左右两侧对称用转轴焊接出采泥器2个上盖;在“V”型槽的开口与横梁平行的两边缘下部也对称用转轴焊接出2片钢板, 作为采泥器的下盖;一个机械连杆分别于上盖和下盖的中心位置用转轴焊接在一起。90°的二面体的缝合边下部两端各焊接一个带有环形孔洞的钢片, 一个钢制空心的定向平衡杆从孔洞穿过, 其对称的初露在“V”型槽的两边, 并用螺栓固定, 定向平衡杆使采泥器只能沿“V”型槽开口方向运动, 而不出现左右倾斜或反转的情况;一个钢制镇重杆从横梁中心焊出, 在镇重杆的下端长度约1/5处, 设置一个可以沿横梁长边垂直方向180°转动的轴。
2 工作过程
锚式表层沉积物采集装置工作过程类似于船锚收放。采样时, 将采泥器抛离船体, 采泥器会随水流远离采样船, 在弱流场区域, 可以在抛下采泥器后, 令采样船沿着抛离方向的相反方向行驶一段距离, 这样采泥器与海底面形成一个小角度, 增大拖拽过程的向下的抓力, 保证样品量。在此过程中, 当下盖与海底接触时, 通过机械连杆将上盖撑起, 随着装置的拖拽过程, 将底质沉积物挖进“V”型槽内;当下盖与海底脱离时, 由于其自身的自重力, 通过机械连杆将上盖拉下, 上盖与“V”型槽内闭合, 将沉积物锁在装置内。通过舟山市北部5~85 m深的强流近岸和离岸水域采样证明, 采样成功率达100%, 有效地克服了强海流和水深条件对表层沉积物的采集制约。
3 结语
锚式表层沉积物采集装置巧妙地借用了船锚的工作原理, 创造性地发明了上、下盖机械连杆系统, 实现了底质沉积物的采集与保存。由于其不同于传统采泥器的工作方式, 其仪器自重仅为抓斗式采泥器的1/3, 甚至更轻, 大大减轻了采样人员的工作强度, 提高了采样效率, 尤其是降低了强水流海域表层沉积物的采样条件, 样品规格符合相关实验和规范的要求, 具有应用和推广价值。
摘要：鉴于传统的柱状采泥器、抓斗式采泥器比重较大, 受海流、水深、底质情况制约, 采样成功率低的问题, 借鉴了船锚的工作原理, 研制了锚式表层沉积物采集装置。其重量为抓斗式采泥器的1/3, 操作简便, 成功率近100%, 可以推广使用。该文介绍其结构和工作过程。
关键词：锚式表层沉积物采集装置,结构,工作过程
参考文献
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采集装置 篇5
普洱供电局自2009年开始研究开发研究输电线路固定翼无人机故障应急排查系统, 经过三年多的开发研究, 开发出了应用于无人机巡视输电线路的固定翼无人机线路巡视数据远程采集装置技术。该系统在固定翼无人机上安装高清照相机和摄像机, 通过地面站对无人机控制, 无人机沿输电线路进行一定高度飞行, 并对线路全线进行拍摄, 实时或后续传回图片或视频数据。工作人员对图片数据进行分析处理后, 及时发现线路存在的缺陷或故障, 大大提高了效率, 为检修及抢修赢得宝贵时间。特别当自然灾害发生时, 往往伴随交通、通讯等中断情况, 无人机系统发挥的作用将尤其重要。
固定翼无人机线路巡视数据远程采集装置通过定点摄像机角度对准故障排查点, 进入自动拍摄状态, 或在地面站手动控制进入自动拍摄模式, 并将拍摄得到的视频图像传送至地面站;能够将无人机上拍摄输电线路的视频和图片, 实时传输到地面站, 地面站能实时看到故障点的视频图像, 初步确定故障情况, 系统在控制摄像机拍摄的同时控制高清相机拍照, 无人机返回后, 查看拍摄的高清照片, 并与摄像机拍摄的视频图像对照, 为后续故障检修工作提供依据。
将固定翼无人机线路巡视数据远程采集装置装设在无人机巡检设备上作为人工巡检方式的辅助巡检手段, 正逐步在各省市推广。无人机巡检既保障了巡检人员的人身安全、提高工作效率、节省巡检费用, 又可作为应急联动系统的一部分, 尤其人员无法到达事故现场的情况, 无人机通过携带摄像机、照相机等设备, 通过无线传输技术, 将拍摄的视频实时传回地面站, 取得第一手资料, 为做出科学的应急预案提供了有利保障。
传统的输电线路巡视, 因采用人工巡检方式, 除了工作效率低, 还需要外派大批的巡检人员去一线现场进行巡视, 巡检费用高, 人员安全风险高。
采用无人机巡检系统, 只需要3~4人就可以完成无人机巡检工作, 无人机巡检成本仅为人工巡检1/10左右, 按每月每百千米可节约成本10250元计算, 每年维护3000千米线路的供电局可节约成本369万元。
采集装置 篇6
在生命科学中, 对人类健康的研究离不开实验动物。在对人类各种生理现象、病理机制和疾病防治的研究中, 实验动物是人的替代者, 例如在战伤外科的研究中、在生化武器和强声武器损伤的研究中, 实验动物均被用来代替人类作为受难者来研究对各种战伤的有效防治措施。灵长目动物在亲缘关系上和人类最接近, 20世纪开始广泛应用于生物医学研究, 如猕猴在生理学上可以用来进行脑功能、血液循环、呼吸生理、内分泌等各项研究[1,2]。因此, 猕猴在军事医学研究上具有特殊的应用价值。而如何实时有效地获得自由活动状态下猕猴的生理参数成为一个至关重要的课题。
目前, 针对猕猴的生理参数测量通常有2种方式:以盐酸氯胺酮注射麻醉后测定, 或是在无麻醉情况下固定于木板或椅子上测定。但这2种方法均无法长时间获得自由活动猕猴的生命体征, 而且由于设备需要人为操作来辅助实现, 因而无法获得极端环境下的动物生理指标[3,4]。本文针对心电、心率、呼吸长期监测的需要, 研制了一种可穿戴式动物生理参数采集背心系统, 可实现活动状态下对心电、呼吸信号的无创监测。该技术不仅可以广泛应用于动物医学与军事医学中, 而且在睡眠医学、环境学以及民用领域都有广阔的应用前景和不可估量的社会效益。
1 系统总体设计
整个穿戴式动物生理参数采集装置系统由动物背心、信号采集记录电路以及传感器等构成。结构如图1所示。
系统工作时, 可以选择将数据存储至安全数码卡 (secure digital memory card, SD) 文件系统中, 待采集结束后再通过USB将数据上传至个人计算机 (personal computer, PC) , 使用MATLAB分析处理, 亦可在实验过程中通过蓝牙实时地将数据传至上位机, 通过上位机编写的Lab VIEW分析软件实时显示信号波形。
2 系统构成设计
2.1 模拟电路设计
模拟电路要实现心电、胸呼吸、腹呼吸、体位/体动 (三轴加速度传感器的3路输出信号) 6路信号的提取:对心电信号采用传统的体表电位提取技术, 针对动物皮毛厚的特点, 增加了仪表放大器的输入阻抗和共模抑制比;呼吸信号采用呼吸感应体积描记技术来提取胸腹呼吸运动, 针对动物的特点设计了专用的传感器;体位/体动信号通过三维加速度传感器的3个轴输出量来获得, 本系统使用了MMA7260Q来实现X、Y、Z 3个轴的加速度测量。模拟电路设计框图如图2所示。
2.2 数字电路设计
数字电路要实现6路信号采集、SD卡存储以及系统工作状态指示, 本设计使用了ARM7架构的LPC2131芯片, 64脚封装, 片内有32 KB Flash、8 KB RAM, 内置8通道10 bit ADC。系统设计框图如图3所示。
系统采用基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的ARM7微处理器LPC2131作为系统的主控芯片, 负责数据采集、SD卡读写、系统状态指示、系统通信等功能。为提高系统的可靠性、实时性, 使用实时嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ, 该操作系统具有一个完整的、可移植的、可固化的、可裁剪的抢占式实时多任务内核, 可以使各个任务独立工作, 互不干涉, 很容易实现准时而且无误执行。为提高系统使用的方便性, 使用插拔方便的SD卡存储数据, 采用了面向嵌入式系统开发的文件系统, 它可以直接与个人计算机交换文件, 是与FAT12、FAT16、FAT32高度兼容的文件系统[5,6,7]。
2.3 动物背心设计
系统将呼吸运动传感器嵌入到背心中。现有的呼吸感应体积描记技术的实现方法是:将附着在弹性缚带上的传感线圈作为电容三点式谐振电路的电感元件, 呼吸运动引起线圈电感量的改变, 导致电路谐振条件改变, 从而引起谐振幅度和谐振频率随呼吸运动而变化, 通过调幅检波或者调频检频的方法, 就可以完成对呼吸运动的检测[8,9,10]。鉴于猕猴的身体形态相比人类要小很多, 现有测量技术中用到的传感线圈的电感量将随之显著减小, 本系统采用三线编绳的方法以增大线圈的电感量。通过计算得出相应LC振荡回路的电容值, 在电路上予以匹配。设计的胸腹传感线圈如图4所示。
本穿戴式背心系统将呼吸感应体积描记的胸带、腹带分别移植到衣服的胸、腹位置上。以胸带走线为例:线圈绕胸部一圈后, 在前胸处贴近衣襟上行, 绕颈部一圈后, 贴近衣襟下行, 在另一侧与线圈另一端汇合, 接入信号采集记录电路。采用这种走线方式, 传感器可以嵌入在弹性背心中, 使用时如一件普通拉链背心, 穿脱方便, 不易损坏。此外, 在实际应用测试后, 将拉链设计改于背心侧面, 放置采集电路的口袋设置于背后, 以减少实验动物的活动干扰。改制后的背心如图5所示。
3 性能测试
3.1 测试目的
针对实验对象猕猴的特殊性, 研究生理参数采集技术, 通过现场实验的方法来确定生理参数采集电路的相关参数, 并验证各类生理参数采集技术的有效性和可靠性。针对自由活动状态下的猕猴, 使用自主研发的动物生理参数采集装置来采集心电、胸腹呼吸运动和体位/体动6路生理信号, 以检验实验装置能否完成数据采集、存储等各项预期功能, 检验实验装置是否达到设计要求, 验证以此装置为平台开展动物实验的可行性。
3.2 测试方法及过程
将猕猴胸部去毛, 用酒精擦拭脱脂后粘贴Ag/Ag Cl电极。电极连接方式与人类相同, 采用双极肢体导联。将背心系统穿于动物身上, 接上各类生理信号传感器, 连接整个实验系统, 使用SD卡存储动态生理参数。
3.3 测试结果
采用MATLAB编写了SD卡数据文件的提取及显示程序, 得到了实验动物心电、胸腹呼吸运动以及体位/体动信号。SD卡数据读取操作如图6所示, 信号显示分析画面如图7所示。
心电信号的数据表明通过体表电位提取的方法可以获得高质量的动物心电图, 如图8所示。胸腹呼吸数据表明呼吸感应体积描记技术能够有效地提取呼吸运动信息, 信号中的噪声来源于工频干扰以及动物毛皮与实验背心之间摩擦所产生的噪声。实验动物的活动会对呼吸信号产生较大的影响, 可以通过三轴加速度计的三维输出量来消除运动伪影, 滤波处理前后的胸呼吸运动信号如图9所示。
4 结语
本穿戴式动物生理参数采集装置可实现自由活动状态下的动物基本生命体征 (心电、胸腹呼吸、体位/体动) 的可靠提取。该装置的突出特点是使用方便, 可进行无创性动物生理指标监测;不需要进行外科手术, 符合动物福利要求;不依赖任何人为和环境的因素, 可随时根据需要方便开展实地测量;符合生理指标监测的发展趋势。本技术可发展为极端环境下的动物生理参数提取技术, 可对相关武器作战效能进行评估研究, 有着重要的军事医学价值以及基础研究科学价值。
摘要：目的:设计一种可用于实验动物猕猴的生理参数采集装置, 可采集心电、呼吸、体位/体动信号。方法:采用体表电位提取技术采集动物的心电信号, 采用呼吸感应体积描记技术来提取胸腹呼吸运动, 通过三维加速度传感器的三轴输出量来获得体位/体动信号。结果:在动物实验中成功采集到了自由活动猕猴的生理参数, 并将其存储于安全数码卡 (secure digital memory card, SD) 文件系统中, 保证了实验数据的完整准确。结论:该装置能够采集自由活动状态下动物的生命体征, 经过改制后亦可用于人类, 在动物医学及低负荷监测技术领域有着广阔的应用前景。
关键词：穿戴式,生理参数,低负荷
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采集装置 篇7
目前市场上的温度采集, 定点测量与无线测量的方式均已大为普及。但是为适合多种需求的温度检测方式, 仍需提供更多的设计方案。本设计采用GPS模块进行环境位置定位, 通过电动小车自动寻址到达指定地点, 使用DS18B20温度传感器设计电路采集当地温度数据[1], 并进行回传。完成危险地段、人员不宜介入等特殊环境下的温度采集。
1 总体设计方案
整个系统由单片机主控模块、温度检测模块、基于Si RFIII的GPS定位模块、无线收发模块、键盘模块、语音输出显示模块、电源及驱动模块等组成, 系统结构如图1所示。整个系统分为两大部分:一部分为手持终端, 另一部分为小车移动平台。手持终端包含单片机主控模块1及其外围所接语音输出显示模块、无线收发模块及矩阵键盘模块。按键功能包括:发送移动执行命令、发送采集命令、发送返回命令、发送播报命令。其功能为向小车发送一系列命令, 接收小车所传回的数据并语音播报。小车移动平台包含单片机主控模块2及其外围所接的基于Si RFII的GPS定位模块、温度采集模块、无线收发模块2、电源及驱动模块。其功能为在GPS引导下, 根据所输入的经纬度信息到达指定地点进行温度采集, 并根据手持终端命令进行一系列作业。
2 硬件设计
2.1 单片机主控模块
单片机主控模块采用单片机STC89C52实现, 它是STC公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器, 其提供的资源足够本系统运行。
2.2 温度检测模块
温度检测模块采用DS18B20单线总数字温度传感器。该传感器在使用中不需要任何外围元件, 全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内[2,3]。DS18B20在寄生电源方式下可由数据线供电。测温范围-55℃~+125℃, 增量值为0.5℃。
实际设计使用中, DS18B20传感器线路简单, 通过单线与单片机通信, 通信线上经5V电源接4.7k上拉电阻, 架于智能小车上方距离较远处, 避免电路发热引起的测量误差。
2.3 基于Si RFIII的GPS定位模块
全球定位系统 (简称GPS) 是美国第二代军用导航系统[4], 可实现全球范围内的实时导航和定位。GPS模块是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU并加上外围电路而组成的集成电路。它运算与每个卫星的伪距离, 采用距离交会法求出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数。本系统中GPS定位模块由Si RFIII主要构成, 在主控模块控制下协同工作。本系统中GPS模块采用串口方式1接受GPS信息。输入电压3.3-5.5 VDC输入, 输入电流少于80 m A, 波特率选择4800。本系统中使用的GPS模块采用TTL电平输出, 6引脚封装, 实际使用中只需将TX、RX引脚与单片机相应引脚直接相连并设计好电源电路。GPS定位模块实物图如图2所示。
2.4 无线收发模块
无线收发模块由无线模块n RF24L01及其外围电路构成, 承担手持终端与小车之间的通信任务。n RF24L01是工作在2.4GHz~2.5GHz ISM频段的单片无线收发器芯片[5]。无线收发器包括:频率发生器、增强型Schock Burst TM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。n RF24L01时序图如图3所示。
2.5 语音输出显示模块
语音输出显示模块由LCD12864液晶显示模块及语音芯片ISD4004主要构成。作用于手持终端, 提供良好的人机交互界面。LCD12864液晶模块采用HD44780控制器, HD44780具有简单而功能较强的指令集, 可以实现字符移动, 闪烁等功能。ISD4004储存时间可以达到8分钟~16分钟, 并且ISD4004有SPI接口, 可以串行控制, 且其只需很少外围器件就可构成完整音频录放系统。ISD4004后接功率放大芯片TDA2822连接扬声器, 语音录放电路如图4所示。
2.6 电源及驱动模块
本系统中, 手持端需提供5V及3.3V直流电压源供电, 该需求可由9V电池经稳压管LM7805和稳压管LM1117实现;小车上需9V、5V及3.3V直流电压供电, 仍可由9V电池经稳压管LM7805和稳压管LM1117实现。
驱动模块由芯片L298N实现。L298N最高工作电压46V;输出瞬间峰值电流可达3A, 持续工作电流为2A;额定功率25W。L298N的控制端口有六个, 通过控制单片机I/O口的高低电平即可控制电机的正、反转及停止。驱动模块电路连接如图5所示。
3 系统软件设计
本系统程序中硬件结构并不复杂, 原因为硬件集成度较高, 所需外围电路较少。同时, 系统模块较多, 所以采用模块化、结构化设计程序, 思路清晰, 且便于调用。
3.1 系统主程序结构
系统由手持端与智能小车终端组成, 表1为主要使用函数清单, 图6为手持端及小车函数结构及调用关系。
3.2 GPS数据采集程序
GPS模块外部硬件简单, 但是数据接收处理程序复杂, 本节主要强调GPS数据处理方式及过程。
数据传输采用NMEA0183标准语句, 输出ASCII码。数据接收处理模块负责处理从GPS接收到的数据。在单片机串口收到信息后, 先判别是否为语句引导头“”, 再接收信息内容, 然后根据语句标识区分出信息类别以对收到ASCII码进行处理[2]。若整个数据接收正确, 便对数据进行处理;若接收不正确, 则重新进行接收。图7为定位数据处理流程图。
4 结束语
本文提供了一种基于GPS定位与无线传输的温度采集装置。它可用范围广, GPS定位系统可进行全球定位, 灵活度高, 适应能力强, 使用迅速, 前期工作投入较少。检测范围广, 小车可由人控制在某区域内巡逻, 也可以根据GPS定位实现在视野外作业。操作简单, 使用者只需按动按键即可进行操作。人机交互好, 采用液晶及语音播报模块, 方便了数据的采集。
参考文献
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采集装置 篇8
目前,此类电源主要有三种形式:光伏-蓄电池供电、激光供电和从导线抽取电能供电(下文简称“取能装置”)[3]。光伏电源[4]虽然发展成熟,但其不能工作在阳光不足的条件下(如配电间、地下电缆)。激光供能输出功率较小,也不能满足供能需求。此外,也有学者提出利用压电取能装置从工频磁场产生的安培力中取能,但该方案输出功率小,且装置尺寸较大[5,6]。
互感取能装置(磁场取能) 体积小、结构紧凑、绝缘封装简单、使用安全,是该应用需求较为理想的取电方法,为输电线路监测和有源型电子式电流互感器经常采用的供电方案[7—9]。在输电线路上的运行情况表明,采用导线互感取能加锂电池的方式供电,在效率、可靠性、稳定性等方面均优于“风光互补”加蓄电池方式[10]。但国内对配电网的互感取电电源的研究较少,缺乏对其可靠性、安全性、经济性的全面评估。现在研制一种从配电柜进线上抽取能量的互感取能装置,从进线周围捕获磁场能量,解决了数据采集系统传感器的稳定供电问题。
1 用电安全数据采集系统对取能装置的要求
图1 所示的用户侧供电可靠性在线评估系统考虑各种因素对可靠性的影响,并在用户侧建立一套在线监测系统,对各影响因素进行实时监测。在线监测系统对配电网各节点的电压电流,设备运行温度,环境湿度,开关状态等数据进行监测,传感器配置置如如表表11。。
互感线圈安装于配电间进线三相电缆终端分接头上。城市中低压配电网一般采用三相绝缘电缆,进线接三相端子。由于电缆屏蔽层外表面接地,在电缆线路上套装取能线圈可减少对取能装置的绝缘设计[11]。若断路器和隔离开关或断路器和母排之间使用电缆连接,可安装在单相电缆上。由于采集系统总功率需求高达11. 7 W,为满足功率要求需要在三相进线均安装取能线圈。此外,由于数据采集系统要求不间断供电,取能装置需满足:1 启动电流较小时能在一定时间内提供足以驱动系统的功率;电流较大时,能够控制取能功率,防止铁芯深度饱和发热;2 配电线路出现较大的电流波动时,能够提供稳定输出;3 取能装置应集成化,便于安装于电缆进线。
2 互感取能装置取能原理及气隙效应分析
2. 1 铁芯尺寸对二次感应电压的影响
互感取能装置的工作原理与变压器类似,即通过电磁感应将导线周围的交变磁场能量转换为二次侧的电能。若线圈参数不变,二次侧电流和导线中电流成正比,存在大电流铁芯饱和问题。若采用无铁芯的空心线圈,没有饱和问题,但由于空气磁导率低,则二次匝数在数十万以上,难以实现[10]。因此,应采用有铁芯的设计方案。先考虑铁芯无气隙的情况。则交变磁通幅值为
式(1)中r为磁路半径,μr为未饱和时的相对磁导率,R1为铁芯内径,R2为外径,h为铁芯厚度。在工程上磁通幅值可简化为 Φm= KBmS。其中,S为铁芯截面积,K为叠片系数。中低压母线上的一次侧电流在磁路中产生交变磁通 Φ。则主磁通产生的感应电动势为
同理,二次感应电压为
由以上分析可知,在导线电流大小一定的情况下,二次感应电压幅值与二次匝数、磁导率、铁芯厚度成正比。增大铁芯截面积,可增大二次侧感应电动势。应根据配电间的实际情况选择铁芯尺寸,再根据二次侧对电压的需求计算二次匝数。
2. 2 感应取能装置环形铁芯饱和特性分析
随着母线电流的增大,铁芯饱和,磁导率减小,铁芯线圈的感应电压将随导线电流增长率减小。因此二次绕组的感应电势将呈尖顶波状[12]。除了基波外,还包含一系列的奇次谐波,所以e2将不能用式(2)和式(3)表示。此时二次电动势
取能线圈在外施电流下,每半周内磁化曲线的工作点由- Bs变到+ Bs,感应电势在半周内的积分为:
此结果表明处在饱和工作状态的铁芯,其线圈感应电压在半周内对时间的积分为常数,其大小仅与铁芯截面、最大磁感应强度以及线圈匝数有关,而与导线电流无关。当导线电流变化时,在线路中有其它阻抗存在的情况下,铁芯中的磁通波形和线圈中感应电压波形虽然都会发生畸变,但只要铁芯磁化曲线是理想的(有明显的饱和特性曲线),则感应电压在半周内的伏秒值就可保持不变。因此,铁芯饱和后,线圈输出功率趋于稳定。
若采用磁感应线圈工作在饱和区的方法,虽然将磁感应线圈的二次输出变化限制在一个相对较小的范围内,但由于谐波的影响取能效率将大大降低。此外,铁芯长期工作在过度饱和的状态会导致:1 铁芯损耗居高不下,输出效率低; 2 主磁通过大,线圈受安培力不均,引起高频振动;3 线圈温升严重,影响到装置的安全性。由于这些问题的存在,铁芯不宜长期工作在过度饱和的状态。
为探明铁芯饱和的位置分布,在分析铁芯磁化机理的基础上,采用有限元法计算了带气隙的互感取能装置铁芯,判定铁芯发热区域。设导线电流为100 A,计算不同气隙情况下,铁芯内的磁感应强度分布、以及涡流损耗情况,分别如图2 和图3 所示。
可见,铁芯内侧均优先饱和发热。而开气隙能够明显降低磁导率,延缓饱和。对于单气隙的情况,气隙另一侧发热严重。对于易发热的区域,可通过改变铁芯机械造型,如铁芯开槽提高散热能力。
3 取能铁芯结构参数对输出功率的影响
优化目的是提高取能效率,同时保证较低的启动电流。铁芯结构参数的选择是取能线圈设计的关键,参数包括气隙宽度、铁芯内外径、铁芯厚度,由式(2)可得到二次线圈感应磁动势
二次感应电流
取电线圈输出功率P可表示为
忽略磁芯磁滞损耗分量,且忽略磁感应强度在铁芯横截面上的分布
因此,不考虑磁感应强度在横截面上的分布,功率与一次电流的平方、铁芯截面积(外径减内径乘以厚度)成正比。而气隙宽度、磁路半径对功率的影响计算结果如图4、图5 所示。
可见气隙宽度对取能功率有显著影响。因此可在气隙处设计金属薄片,通过控制金属薄片与铁芯所在平面的相对位置来通过改变气隙宽度,从而控制取能功率。但这种设计对机械控制的精度要求较高,且增大了设备制造难度。
4 取能电路设计及试验验证
4. 1 取能电路
数据采集系统的设备多为低压直流负载,要求电源输出+ 5 V的直流电压。而母线电流波动较大,后端电路需对不同电流情况做出反应。当母线电流处于空载或小电流状态时,应保证正常取能;当配电线路停电时,投入备用电源以延长采集系统的工作时间;而当母线处于超过额定电流的大电流状态,甚至是短路故障电流时,要给予电源足够的保护,不能损坏器件。同时在大电流时要抑制铁芯饱和,防止铁芯过热烧坏线圈。要输出稳定直流,取能线圈得到的交流需经过整流、滤波变为直流,再经过降压模块、稳压模块后输出,如图6 所示。
取能整流模块由取能线圈、补偿线圈、补偿回路控制模块、EMI滤波器、过压保护以及整流滤波电路组成。如图7 所示,铁芯中的磁通在线圈上产生电动势驱动后端电路。当母线电流变化时,控制电路通过与参考电压对比,改变取能线圈和补偿线圈的连接方式,使电路工作在不同的状态。从而抑制磁通量变化,一定程度上稳定线圈的输出电压。EMI滤波器用于滤除共模干扰和差模干扰,在整流桥前使用了瞬变抑制二极管限制冲击电压。
补偿回路控制模块如图7 所示,通过超级电容的输出电压VC判定母线电流是否处于大电流状态。当VC小于整定值,双向可控硅TRIAC1 闭合,TRIAC2 关断,只有取能线圈工作。 母线电流峰值上升,VC峰值大于整定电压,控制电路将TRIAC1 关断,TRIAC2 闭合。补偿线圈接通,与取能线圈串联,等效于减小了线圈匝数,降低了线圈磁芯的饱和程度。当母线电流持续上升,VC大于第二整定电压时,控制电流将TRIAC1 闭合,TRIAC2 闭合。此时取能线圈与补偿线圈并联。由于补偿线圈回路只接了小电阻和交流斩波开关,流通大电流产生较大的反向磁通,削弱铁芯磁场,抑制铁芯饱和。
为控制补偿线圈中的电流从而控制反向磁通,电路中加入了PWM控制交流斩波开关。VC的变化将改变PWM波的占空比,进而控制双向开关开断时间,产生交流断续电流。产生的反向磁通改变了主磁通的大小,进而影响整流电路输出电压的大小,形成负反馈,进一步稳定整流后的电压。
为增大取能功率,将A、B、C相取能整流模块并联连接超级电容,如图8。三相并联后可消除部分谐波,配合滤波电路使波形更为平缓。为保证电源不间断性,加入超级电容和锂电池。投切控制电路根据母线电流情况切换三种工作状态:1 当母线电流足够大,电容充电功率大于输出功率时,电容充电,锂电池充电。继电器触头均接于触点2;2 当母线小电流时,电容放电,继电器2 转向触点1,电容只为负载供电;3 若电流继续减小,继电器1 接通触点1,负载由锂电池供电,电容由取能线圈充电,VC升高,继电器2 接通触点2,电容重新为负载供电。若电流恢复,继电器2 接通触点2,电容同时为锂电池和负载供电。
4. 2 试验验证
为减小启动电流并防止饱和,选择高磁导率的超薄冷轧硅钢片。综合线路电流变化范围和铁芯尺寸,选取铁芯外径为50. 0 mm,内径为25. 0 mm,厚度为20. 0 mm。磁路平均半径为0. 037 5 m,平均周长为0. 236 m。叠片系数为0. 97,考虑倒角后铁芯截面有效面积为4. 75 × 10- 4m2。考虑单侧2 mm气隙,工作磁通密度为0. 50 T,取二次电动势有效值E2= 10 V,可估算得到二次匝数约为200 匝。为满足信息采集系统的功率需要,采用三铁芯安装在电缆分接处,二次工作电流有效值为0. 40 A左右。
因此,根据以上计算,所测试的取能铁芯主要参数为:高导磁率超薄冷轧硅钢片25 mm ×30 mm;线圈匝数为220 匝; 选用三个5. 5 V标称容量为4 F的超级电容相互串联;采用四个电压为3. 7 V容量为4 000 m Ah相互串联。一次导线电流在50 A以上则可正常工作,即从一相导线上稳定抽取到4 W左右的功率。则经过三相并联整流后总共能得到约12 W的5 V直流电,能够满足传感器的功率需求。根据以上参数的测试结果如表2 所示。
在试验中,当一次导线电流达到50 A以上时,装置能够提供稳定的5 V直流输出。由此可见,加装了超级电容和锂电池,装置可以在20 ~ 300 A的电流范围内稳定地给后端的数据采集系统供能。
5 结论
针对中低压用户侧用电安全数据采集系统的电源问题,提出了一种新型感应取能装置的设计方案,从进线电缆处抽取磁场能量。结论如下。
(1) 计算并分析了铁芯参数对饱和效应对取能效率的影响。通过对比不同铁芯气隙情况下的磁感应强度分布,得到铁芯发热区域;论证了铁芯不能长期工作在饱和区;依据铁芯结构参数与取能功率的关系确定合适的气隙宽度和铁芯半径,取能功率可达到5 ~ 20 W,可满足数据采集系统的需求。
(2) 后端电路的设计采用了补偿回路控制模块控制补偿线圈的投切,实现了工作模式灵活切换。基于PWM交流斩波控制补偿线圈回路通过电流的大小,使得装置在大电流下铁芯不饱和;通过超级电容-锂电池投切电路,使装置可在小电流下启动,在导线无电的情况下能够工作一定时间。
(3) 设计提出从三相电缆分接头取电,每相取能功率为4 W。电流从单相导线上的取能线圈经过整流后三相并联,去除了部分谐波。经实验测试,导线电流50 A以上时能得到12 W的5 V直流输出。
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