开发了一个自供电的无线传感器节点以测量水流量。它由涡轮流量计和IoT控制单元组成。涡轮流量计从转子的旋转中产生电能。物联网控制单元由微型计算机和低功率广域（LPWA）通信模块组成，它利用转子旋转产生的功率来检测转子的旋转速度（水流量）并与服务器进行无线通信。互联网。还进行了实验以评估传感器节点的性能。转子旋转产生的功率足以使无线传感器节点作为自供电单元运行。所测量流量的满刻度精度和指示精度为1.2％ 和2.8％，分别。无线传感器节点可以将测量的流量稳定地上传到Internet上的服务器。

 

1 。介绍

        涡轮流量计是叶轮式流量计[1]，其通过检测嵌入在通道内的转子的旋转速度来测量流过圆柱形通道的流体的流量。这种流量计结构简单，在大流量范围内具有很高的测量精度。因此，它们被广泛用于测量各种类型的流体的流量，例如水，液化气和石油。因此，自1790年发以来，涡轮流量计就得到了广泛的研究。特别是，流体粘度对测量精度的影响已通过实验[2]，[3]和数值模拟[3]进行了研究。。而且，已经研究了转子[4]，[5]，[6]，脉动流[7]，[8]和间歇流[9]上游的流体速度分布对性能的影响。

 

        在当今社会，包含大量有价值信息的大数据分析已变得十分普遍。为了获得这样的数据，在几种应用中使用了大量的传感器。特别是在工业领域，正在引入将多个传感器无线连接到Internet的系统，以远程监视制造过程[10]。这种无线传感器网络系统的基本设备被称为无线传感器节点。每个节点执行感测，数据处理和无线通信功能。例如，在涉及用于输送冷却水和排水的管道的制造工厂和化工厂中，需要在多个管道位置实时监控流量。但是，用于测量流量的传感器节点通常只能安装在有限的位置，因为节点需要电源，并且电源线的布局可能不利于这种安装。尽管可以使用电池供电的传感器，但是由于无法确保更换电池的工作空间，因此无法将它们安装在狭窄和狭窄空间的管道上。因此，为提高水流量的远程监控能力，期望开发一种流量计，该流量计既可以实现发电又可以在要安装在所有给定位置的传感器节点中使用的无线通信。这种自供电的无线传感器节点可以帮助实现无人操作，从而减少了工业过程中所需的劳动力和能源。此外，这些传感器节点可用于远程监控社会基础设施（如地下和雨水管道）中的流量，从而有助于防灾和减灾。从而减少了工业过程中所需的劳动力和能源。此外，这些传感器节点可用于远程监控社会基础设施（如地下和雨水管道）中的流量，从而有助于防灾和减灾。从而减少了工业过程中所需的劳动力和能源。此外，这些传感器节点可用于远程监控社会基础设施（如地下和雨水管道）中的流量，从而有助于防灾和减灾。

 

        在涉及超低功耗的电气设备的发展方面，能量收集[11]将周围环境中的微小能量（如振动和热量）转化为电能，已经引起了相当多的研究关注。特别地，已经报道了利用由气流引起的压电元件的共振[12]，[13]和激发振动[14]来发电。而且，压电元件的旋转运动已经用于发电[15]。具有压电元件的自供电传感器已用于检测汞离子[16]并监视汽车轮胎的气压[17]。然而，来自压电元件的电力不足以使其用作无线传感器节点的电源[18]，[19]。在这方面，自发以来，摩擦电纳米发电机[20]结合了摩擦电的充电和静电感应的作用，可以有效地从少量的机械能中有效地产生电能。 2012.此外，具有摩擦纳米发电机的自供电无线传感器节点可测量空气流量[18]，[21]和温度[19]，[21]，压力[22]和水的酸碱度[23]已通过实验制作，甚至应用于交通流量测量[24]。然而，尽管已经提出了许多涉及各种能量收集技术的传感器节点，但是尚未报道能够精确测量水流量的自供电无线传感器节点。

 

        为此，在本研究中，开发了由涡轮流量计和控制单元组成的自供电无线传感器节点，以测量水流量。特别地，涡轮流量计从转子的旋转产生电力。该控制单元称为物联网（IoT）控制单元，它使用由转子旋转产生的动力来检测转子转速，进而检测流量，并与Internet上的服务器进行无线通信。该通信系统基于低功耗广域（LPWA）通信标准，该标准可实现以低功耗进行数据的长距离传输。进行实验以评估发电性能，测量精度和无线通信能力。

 

2 。自供电的无线传感器节点以测量水流量

2.1 。涡轮流量计

其中一位作者[25]以前开发了一种小型液压发电机，该发电机通过嵌入圆形管内的转子（带有四个叶片）的旋转产生电能。这项工作中使用的涡轮流量计基于该液压发电机的设计技术。图1示出了具有发电功能的涡轮流量计的横截面。具体而言，在涡轮流量计的中心轴上安装有转子。刀片的外径，D,转子的轴向长度分别为30mm和34 mm。永磁体嵌入转子的外围，并由两个轴承支撑。转子被定子铁心包围，定子铁心由28块0.35毫米厚的电磁钢板组成。定子芯的轴向长度为9.8mm，并且定子芯与磁体之间的间隙为lmm。铜线缠绕在定子铁芯上。转子由于在轴向上流动的水而绕着中心轴旋转而产生电力。转子转速和水流量之间存在线性关系，如以下各节所述。通过检测转子转速，该关系可用于测量流量。以这种方式，本涡轮流量计可用于发电和流量测量。特别地，涡轮流量计输出三相交流电。

图2示出了涡轮流量计的三维剖视图，该涡轮流量计与圆形管串联连接，水通过圆形管流动。

图3显示了涡轮流量计的转子。特别地，转子具有四个叶片，其外径为53mm，并且在外周中嵌入有14个矩形钕磁铁。从转子中心轴到磁体的距离为24.5mm。每个磁体的轴向和圆周长度分别为10.2mm，厚度为2.2mm。

转子设计为平板级联形状。图4显示了转子叶片在外周（半径）的2D展开图。r/D=0.5）。进口和出口角度β1和 β在所有径向位置都相等。宽度B和厚度t刀片的直径分别为11毫米和1.6毫米。

图5显示了1和β2在径向（〉方向。转子中心的角度（r/D=0）和外围（r/D=0.5）分别是0度和65。

 

2.2 。涡轮流量计原理

考虑半径较小的刀片元件△r在径向位置r。图6示出了在径向位置处的两个叶片之间的流动通道的横截面。假定转子以恒定角速度旋转w。假定水速度在转子的入口和出口均匀分布，并且水在入口处沿转子轴线流动。水与转子的相对速度和绝对速度由下式表示w和v,分别。转子入口和出口的速度三角形如图6所示，其中下标1和2分别代表转子的入口和出口。假设水密度为p,扭矩△T水流在叶片元件上产生的应力可以表示为:

哪里v2t是...的圆周分量v在转子出口处△Q是通过环形导管的半径为△r。这些参数可以表示为