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(wú)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(guò)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(wú)功損耗；最后通過(guò)研制一種節(jié)能電路降低采集器的無(wú)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(wú)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(lái)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(kāi)關(guān)控制水泵的啟動(dòng)和通過(guò)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(guò)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(wú)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(wèn)題。

針對(duì)該問(wèn)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(kāi)關(guān)控制節(jié)能電路的導(dǎo)通，當(dāng)浮子開(kāi)關(guān)檢測(cè)到降雨徑流后導(dǎo)通，電源通過(guò)節(jié)能電路開(kāi)始向采集器供電，采集器得電后開(kāi)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(guò)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(lái)主要通過(guò)討論電池容量的問(wèn)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(guò)電池的端電壓計(jì)算電池能夠釋放的容量，以下主要通過(guò)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(huà)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(guò)Matlab畫(huà)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(kāi)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(kāi)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(kāi)始采樣之前的待機(jī)時(shí)間T2隨采集器開(kāi)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(kāi)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(wú)功損耗，不但無(wú)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(kāi)始采樣之前的無(wú)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(wú)功損耗的問(wèn)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(kāi)，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(kāi)始向采集器控制系統(tǒng)供電，采集器開(kāi)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(kāi)，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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)始工作，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，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(kāi)、常開(kāi)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(kāi)，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(kāi)的狀態(tài)，此時(shí)液位浮子開(kāi)關(guān)再次接通也無(wú)法使采集器控制系統(tǒng)的負(fù)極接通；當(dāng)需要開(kāi)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(mén)=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(guò)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(guò)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(wú)功損耗；

2）采用研制的降雨徑流采集器的節(jié)能電路，通過(guò)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。