蘇成志，朱紅寧，侯代國(guó)

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

降雨徑流采集器的無功損耗分析及節(jié)能電路設(shè)計(jì)

蘇成志，朱紅寧，侯代國(guó)

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

為了延長(zhǎng)降雨徑流采集器的待機(jī)時(shí)間研制一種節(jié)能電路。首先通過對(duì)采集器功耗的分析建立采集器的待機(jī)時(shí)間模型；再利用采集器待機(jī)時(shí)間模型確定影響采集器待機(jī)時(shí)間的關(guān)鍵因素是無功損耗；最后通過研制一種節(jié)能電路降低采集器的無功損耗，進(jìn)而延長(zhǎng)采集器的待機(jī)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：當(dāng)采用1500mA的鋰電池時(shí)，采集器的待機(jī)時(shí)間提高了837.15倍，達(dá)到1.65×104 h。該節(jié)能電路可有效地提高采集器的待機(jī)時(shí)間。

降雨徑流；采集器；待機(jī)時(shí)間；無功損耗；節(jié)能電路

0 引言

降雨徑流采集在水資源利用和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要的意義[1～3]，由于降雨的不確定性，傳統(tǒng)的人工采集不但很難及時(shí)采樣而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力[4]。降雨徑流采集器作為降雨徑流采樣的常用設(shè)備[5,6]，通常需要在野外長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，此外，采集器一般采用電池供電，如果依靠增大電池的容量來延長(zhǎng)采集器的待機(jī)時(shí)間，不僅會(huì)增大采集器的體積給野外采集工作增加困難，而且會(huì)增加成本，浪費(fèi)資源，因此研制一種適用于野外降雨徑流的低功耗采樣器尤為重要。

為了降低采集器的功耗，保證采集器的待機(jī)時(shí)間，曹建生[7,8]分別利用位于觀測(cè)井內(nèi)的浮球控制行程開關(guān)控制水泵的啟動(dòng)和通過集水漏斗將降雨收集到集水翻斗中，集水漏斗在力矩的作用下翻轉(zhuǎn)，集水漏斗中的水通過水道流入集水容器，這兩種采樣方法雖然可以降低損耗，但可靠性都不高，野外降雨徑流中會(huì)帶有大量雜物，容易造成觀測(cè)井和集水漏斗的堵塞，一旦堵塞，采集器將完全喪失功能，無法采樣。溫立民[9]為采集器設(shè)置休眠功能使采集器按設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)進(jìn)行休眠與喚醒，此方法雖然在一定程度上降低了采集器的功耗，但休眠狀態(tài)下的采集器仍然消耗能量，并未從根本上解決問題。

針對(duì)該問題，本文研制了一種適用于降雨徑流采集器的節(jié)能電路。該電路利用液位浮子開關(guān)控制節(jié)能電路的導(dǎo)通，當(dāng)浮子開關(guān)檢測(cè)到降雨徑流后導(dǎo)通，電源通過節(jié)能電路開始向采集器供電，采集器得電后開始工作；采水工作完成后，采集器向節(jié)能電路發(fā)送采水結(jié)束的反饋信號(hào)，節(jié)能電路收到反饋信號(hào)后停止向采集器供電。

1 采集器的功耗分析

采集器的待機(jī)時(shí)間等于電源電池的容量除以采集器的功耗，采集器的功耗可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。但由于電池的容量并不能被完全釋放，電池能夠釋放的容量并不等于電池的標(biāo)稱容量，所以不能直接用電池的標(biāo)稱容量求采集器的待機(jī)時(shí)間，故接下來主要通過討論電池容量的問題，進(jìn)而建立采集器的待機(jī)時(shí)間模型。

1.1 電池端電壓與容量的關(guān)系

由于電池容量與電池端電壓可以建立對(duì)應(yīng)關(guān)系[10,11]，故可以通過電池的端電壓計(jì)算電池能夠釋放的容量，以下主要通過建立電池端電壓與容量的模型求出電池能夠釋放的能量。本文中對(duì)使用的新的鋰電池進(jìn)行恒電阻放電，可以得到鋰電池端電壓與容量百分比的關(guān)系數(shù)據(jù)，如表1所示。利用Matlab畫出表1中數(shù)據(jù)的電池端電壓與容量百分比關(guān)系的實(shí)測(cè)曲線，如圖1所示。

表1 電壓與容量百分比的關(guān)系

圖1 電池電壓-容量百分比關(guān)系圖

1.2 確定鋰電池的工作截止電壓

由于電池的容量并不能被完全釋放，隨著電池可釋放容量的降低，電池的端電壓也逐漸下降，直到電池電壓降到截止電壓，電池停止釋放電能，此時(shí)，鋰電池內(nèi)部還留有一部分不能被釋放的電能，故鋰電池能夠釋放的容量并不等于電池的標(biāo)稱容量，要計(jì)算電池能夠釋放的容量就得確定電池的工作截止電壓，此處的工作截止電壓是指當(dāng)采集器停止工作時(shí)電池的電壓。

本文采用容量1500mAh、標(biāo)稱電壓3.7V、充電截止電壓4.20V、放電截止電壓2.75V的新鋰電池。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)采集器進(jìn)行模擬工作實(shí)驗(yàn)，當(dāng)采集器停止工作時(shí)測(cè)量并記錄鋰電池此時(shí)的端電壓，記為工作截止電壓，經(jīng)多組實(shí)驗(yàn)可得如表2所示數(shù)據(jù)。由表2可知當(dāng)鋰電池端電壓降到3.50V左右時(shí)，采集器控制系統(tǒng)已停止工作，故這里只需考慮電池在3.5V～4.2V時(shí)電池的端電壓—容量百分比關(guān)系。

表2 鋰電池截止電壓

利用Matlab軟件對(duì)表1中電池端電壓在3.50V～4.20V之間的電池容量百分比進(jìn)行多項(xiàng)式插值，并求出電池端電壓與容量之間的關(guān)系式，如式(1)所示。

式中：N5(x)為電池容量的釋放量，%；x為電池端電壓，V。

1.3 比較實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線

通過Matlab畫出公式(1)的擬合曲線，并與電池端電壓-容量百分比的實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行比較，如圖2所示。由圖2可知：在鋰電池端電壓為3.5V～4.2V時(shí)，公式(1)可以很好的反映電池端電壓-容量百分比關(guān)系。

圖2 實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線圖

比較實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線在不同電壓時(shí)的誤差，如表3所示，其中，容量百分比的最大誤差為1.00%，平均誤差為0.1675%，最大誤差度為1%。

1.4 推導(dǎo)采集器的待機(jī)時(shí)間

由式(1)得鋰電池的可用容量百分比為：

式中：n為電池可用容量的百分比，1。

鋰電池的可用容量為：

式中：C可用容量為鋰電池的可被釋放的容量，V；C標(biāo)稱容量為鋰電池的標(biāo)稱容量，V。

采集器工作時(shí)消耗的工作容量為：

表3 擬合曲線的誤差

式中：C工作容量為采集器工作時(shí)消耗的容量，mAh；I1為采集器的功耗，mA；T1為采集器的工作時(shí)間，h。

為了保證采集器在待機(jī)后還有足夠的電池容量進(jìn)行工作，用于采集器待機(jī)的電池容量應(yīng)是電池的可用容量減去采集器工作時(shí)所消耗的電池容量，故采集器的待機(jī)時(shí)間為：

式中：t為采集器的待機(jī)時(shí)間，h；T2為采集器開始采樣之前的待機(jī)時(shí)間，h。

由式(5)可知：采集器的待機(jī)時(shí)間t由電池的標(biāo)稱容量C標(biāo)稱容量及其容量百分比N5(x)、采集器的功耗I1、采集器的工作時(shí)間T1和采集器開始采樣之前的待機(jī)時(shí)間T2決定。電池的標(biāo)稱容量C標(biāo)稱容量及其容量百分比N5(x)在選定電池時(shí)已經(jīng)確定；采集器的工作時(shí)間T1是根據(jù)采樣需求設(shè)定的，為定值；采集器開始采樣之前的待機(jī)時(shí)間T2隨采集器開始采樣的不同時(shí)刻為不同值，且會(huì)有較大的差異。由于降雨的不確定性，采集器在開始采樣之前往往需要待機(jī)一段時(shí)間，即在T2時(shí)間內(nèi)采集器雖然通電但不進(jìn)行工作，所以，在T2時(shí)間內(nèi)采集器損耗的電能是無功損耗，不但無用，而且損耗的量大。

綜上所述，造成采集器待機(jī)時(shí)間短的主要原因是采集器在開始采樣之前的無功損耗。

2 節(jié)能電路的設(shè)計(jì)

為了延長(zhǎng)采集器的待機(jī)時(shí)間，解決采集器無功損耗的問題，本文研制了一種用于降雨徑流采集器的節(jié)能電路。具體是在電源與采集器控制系統(tǒng)之間增加節(jié)能電路，當(dāng)采集器工作時(shí)電路導(dǎo)通，電源向采集器供電；當(dāng)采集器處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)電路斷開，電源不向采集器供電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采集器工作時(shí)供電，采集器待機(jī)時(shí)斷電的功能。

2.1 節(jié)能電路的節(jié)能原理

如圖3所示，在電源與采集器控制系統(tǒng)之間加入節(jié)能電路，節(jié)能電路在檢測(cè)到液位觸發(fā)信號(hào)后導(dǎo)通，電源開始向采集器控制系統(tǒng)供電，采集器開始工作；采集器完成工作后，采集器控制系統(tǒng)向節(jié)能電路發(fā)送反饋信號(hào)，節(jié)能電路收到反饋信號(hào)后斷開，電源停止向采集器控制系統(tǒng)供電。

圖3 采集器節(jié)能原理框圖

圖4 節(jié)能電路工作原理圖

2.2 節(jié)能電路設(shè)計(jì)

圖4所示為節(jié)能電路中各個(gè)觸點(diǎn)、開關(guān)的初始狀態(tài)，Q1為三極管，其可以在采集器控制系統(tǒng)的作用下導(dǎo)通。

利用液位浮子開關(guān)K0、復(fù)位按鈕S1、三極管及2個(gè)磁保持繼電器K1和K2構(gòu)成的控制電路控制電源模塊是否給采集器控制系統(tǒng)供電，如圖4所示。液位浮子開關(guān)K0在降雨徑流的作用下導(dǎo)通，磁保持繼電器K1的工作線圈得電，此時(shí)K1的常開觸點(diǎn)接通，由此采集器控制系統(tǒng)負(fù)極導(dǎo)通，采集器控制系統(tǒng)開始工作，常閉觸點(diǎn)斷開，K1的工作線圈斷電，使其不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間接通燒壞磁保持繼電器的工作線圈；當(dāng)采集器完成工作后，三極管Q1在采集器控制系統(tǒng)反饋信號(hào)的作用下接通，K2的工作線圈得電，其常閉觸點(diǎn)斷開、常開觸點(diǎn)閉合，然后K1的復(fù)位線圈得電，使K1的觸點(diǎn)復(fù)位，采集器控制系統(tǒng)的負(fù)極斷開，采集器控制系統(tǒng)斷電；此時(shí)，采水工作完成，電路中除K2的觸點(diǎn)外其他器件都處于初始狀態(tài)。由于K2的常閉觸點(diǎn)處于斷開的狀態(tài)，此時(shí)液位浮子開關(guān)再次接通也無法使采集器控制系統(tǒng)的負(fù)極接通；當(dāng)需要開始下一次工作時(shí)，按動(dòng)復(fù)位按鈕S1，使K2的所有觸點(diǎn)復(fù)位即可。

3 實(shí)驗(yàn)與討論

3.1 計(jì)算采集器的待機(jī)時(shí)間

采集器功耗為I1=70mA，采集器工作時(shí)間為T=30min，代入式(4)求得采集器工作時(shí)消耗容量為：

當(dāng)鋰電池端電壓降到3.53V時(shí)，鋰電池的剩余容量已不能為采集器所用，代入式(1)求得鋰電池的剩余容量為：

代入式(2)求得鋰電池的可用容量百分比為：

將結(jié)果代入式(3)求得鋰電池的可用容量為：

由于電源直接向采集器供電，此處T2=0h，故由式(5)得待機(jī)時(shí)間為：

3.2 計(jì)算采用節(jié)能電路時(shí)采集器的待機(jī)時(shí)間

節(jié)能電路在采集器工作時(shí)也會(huì)消耗相應(yīng)的電能，測(cè)得節(jié)能電路的功耗為I2=9.50mA，由(4)求得節(jié)能電路所消耗的鋰電池容量C'工作容量為：

采用節(jié)能電路后，采集器的待機(jī)時(shí)間主要取決于鋰電池的自放電，鋰電池的自放電率約為4%（月）[12]，故每月的自放電量C自放電量為：

式中：C自放電量為鋰電池的自放電量，mAh。

故采集器的待機(jī)時(shí)間t2為：

式中：t2為采用節(jié)能電路時(shí)采集器的待機(jī)時(shí)間，h。

3.3 討論

通過實(shí)驗(yàn)，在采集器中加入節(jié)能電路后采集器的待機(jī)時(shí)間大大提高，達(dá)到了提高采集器待機(jī)時(shí)間的預(yù)期效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）通過對(duì)采集器待機(jī)時(shí)間模型的分析表明：采集器待機(jī)時(shí)間短的主要原因是采集器的無功損耗；

2）采用研制的降雨徑流采集器的節(jié)能電路，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：當(dāng)采用標(biāo)稱容量為1500mAh的鋰電池時(shí)，采集器的待機(jī)時(shí)間提高了837.15倍，達(dá)到1.65×104h。

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Analysis on reactive power loss of rainfall-runo ff sampler and its design on energy-saving circuit

SU Cheng-zhi, ZHU Hong-ning, HOU Dai-guo

TP24

：A

：1009-0134(2017)08-0145-04

2017-05-17

國(guó)際科技合作項(xiàng)目（20160414030GH）

蘇成志（1977 -），副教授，博士，主要從事機(jī)電系統(tǒng)控制與檢測(cè)的研究。