降雨徑流采集器的無功損耗分析及節能電路設計

蘇成志，朱紅寧，侯代國

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

降雨徑流采集器的無功損耗分析及節能電路設計

蘇成志，朱紅寧，侯代國

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

為了延長降雨徑流采集器的待機時間研制一種節能電路。首先通過對采集器功耗的分析建立采集器的待機時間模型；再利用采集器待機時間模型確定影響采集器待機時間的關鍵因素是無功損耗；最后通過研制一種節能電路降低采集器的無功損耗，進而延長采集器的待機時間。實驗結果分析表明：當采用1500mA的鋰電池時，采集器的待機時間提高了837.15倍，達到1.65×104 h。該節能電路可有效地提高采集器的待機時間。

降雨徑流；采集器；待機時間；無功損耗；節能電路

0 引言

降雨徑流采集在水資源利用和環境監測領域具有重要的意義[1～3]，由于降雨的不確定性，傳統的人工采集不但很難及時采樣而且費時費力[4]。降雨徑流采集器作為降雨徑流采樣的常用設備[5,6]，通常需要在野外長時間待機，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采集器的待機時間，不僅會增大采集器的體積給野外采集工作增加困難，而且會增加成本，浪費資源，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，保證采集器的待機時間，曹建生[7,8]分別利用位于觀測井內的浮球控制行程開關控制水泵的啟動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，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，野外降雨徑流中會帶有大量雜物，容易造成觀測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]為采集器設置休眠功能使采集器按設定時間間隔自動進行休眠與喚醒，此方法雖然在一定程度上降低了采集器的功耗，但休眠狀態下的采集器仍然消耗能量，并未從根本上解決問題。

針對該問題，本文研制了一種適用于降雨徑流采集器的節能電路。該電路利用液位浮子開關控制節能電路的導通，當浮子開關檢測到降雨徑流后導通，電源通過節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，采集器向節能電路發送采水結束的反饋信號，節能電路收到反饋信號后停止向采集器供電。

1 采集器的功耗分析

采集器的待機時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驗測得。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稱容量，所以不能直接用電池的標稱容量求采集器的待機時間，故接下來主要通過討論電池容量的問題，進而建立采集器的待機時間模型。

1.1 電池端電壓與容量的關系

由于電池容量與電池端電壓可以建立對應關系[10,11]，故可以通過電池的端電壓計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。本文中對使用的新的鋰電池進行恒電阻放電，可以得到鋰電池端電壓與容量百分比的關系數據，如表1所示。利用Matlab畫出表1中數據的電池端電壓與容量百分比關系的實測曲線，如圖1所示。

表1 電壓與容量百分比的關系

圖1 電池電壓-容量百分比關系圖

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，鋰電池內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稱容量，要計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采集器停止工作時電池的電壓。

本文采用容量1500mAh、標稱電壓3.7V、充電截止電壓4.20V、放電截止電壓2.75V的新鋰電池。在實驗室對采集器進行模擬工作實驗，當采集器停止工作時測量并記錄鋰電池此時的端電壓，記為工作截止電壓，經多組實驗可得如表2所示數據。由表2可知當鋰電池端電壓降到3.50V左右時，采集器控制系統已停止工作，故這里只需考慮電池在3.5V～4.2V時電池的端電壓—容量百分比關系。

表2 鋰電池截止電壓

利用Matlab軟件對表1中電池端電壓在3.50V～4.20V之間的電池容量百分比進行多項式插值，并求出電池端電壓與容量之間的關系式，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 比較實測曲線與擬合曲線

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

圖2 實測曲線與擬合曲線圖

比較實測曲線與擬合曲線在不同電壓時的誤差，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 推導采集器的待機時間

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標稱容量為鋰電池的標稱容量，V。

采集器工作時消耗的工作容量為：

表3 擬合曲線的誤差

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

為了保證采集器在待機后還有足夠的電池容量進行工作，用于采集器待機的電池容量應是電池的可用容量減去采集器工作時所消耗的電池容量，故采集器的待機時間為：

式中：t為采集器的待機時間，h；T2為采集器開始采樣之前的待機時間，h。

由式(5)可知：采集器的待機時間t由電池的標稱容量C標稱容量及其容量百分比N5(x)、采集器的功耗I1、采集器的工作時間T1和采集器開始采樣之前的待機時間T2決定。電池的標稱容量C標稱容量及其容量百分比N5(x)在選定電池時已經確定；采集器的工作時間T1是根據采樣需求設定的，為定值；采集器開始采樣之前的待機時間T2隨采集器開始采樣的不同時刻為不同值，且會有較大的差異。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一段時間，即在T2時間內采集器雖然通電但不進行工作，所以，在T2時間內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，造成采集器待機時間短的主要原因是采集器在開始采樣之前的無功損耗。

2 節能電路的設計

為了延長采集器的待機時間，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能電路。具體是在電源與采集器控制系統之間增加節能電路，當采集器工作時電路導通，電源向采集器供電；當采集器處于待機狀態時電路斷開，電源不向采集器供電，進而實現采集器工作時供電，采集器待機時斷電的功能。

2.1 節能電路的節能原理

如圖3所示，在電源與采集器控制系統之間加入節能電路，節能電路在檢測到液位觸發信號后導通，電源開始向采集器控制系統供電，采集器開始工作；采集器完成工作后，采集器控制系統向節能電路發送反饋信號，節能電路收到反饋信號后斷開，電源停止向采集器控制系統供電。

圖3 采集器節能原理框圖

圖4 節能電路工作原理圖

2.2 節能電路設計

圖4所示為節能電路中各個觸點、開關的初始狀態，Q1為三極管，其可以在采集器控制系統的作用下導通。

利用液位浮子開關K0、復位按鈕S1、三極管及2個磁保持繼電器K1和K2構成的控制電路控制電源模塊是否給采集器控制系統供電，如圖4所示。液位浮子開關K0在降雨徑流的作用下導通，磁保持繼電器K1的工作線圈得電，此時K1的常開觸點接通，由此采集器控制系統負極導通，采集器控制系統開始工作，常閉觸點斷開，K1的工作線圈斷電，使其不會長時間接通燒壞磁保持繼電器的工作線圈；當采集器完成工作后，三極管Q1在采集器控制系統反饋信號的作用下接通，K2的工作線圈得電，其常閉觸點斷開、常開觸點閉合，然后K1的復位線圈得電，使K1的觸點復位，采集器控制系統的負極斷開，采集器控制系統斷電；此時，采水工作完成，電路中除K2的觸點外其他器件都處于初始狀態。由于K2的常閉觸點處于斷開的狀態，此時液位浮子開關再次接通也無法使采集器控制系統的負極接通；當需要開始下一次工作時，按動復位按鈕S1，使K2的所有觸點復位即可。

3 實驗與討論

3.1 計算采集器的待機時間

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

當鋰電池端電壓降到3.53V時，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)得待機時間為：

3.2 計算采用節能電路時采集器的待機時間

節能電路在采集器工作時也會消耗相應的電能，測得節能電路的功耗為I2=9.50mA，由(4)求得節能電路所消耗的鋰電池容量C'工作容量為：

采用節能電路后，采集器的待機時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。

故采集器的待機時間t2為：

式中：t2為采用節能電路時采集器的待機時間，h。

3.3 討論

通過實驗，在采集器中加入節能電路后采集器的待機時間大大提高，達到了提高采集器待機時間的預期效果。

4 結束語

1）通過對采集器待機時間模型的分析表明：采集器待機時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能電路，通過實驗結果分析表明：當采用標稱容量為1500mAh的鋰電池時，采集器的待機時間提高了837.15倍，達到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

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：1009-0134(2017)08-0145-04

2017-05-17

國際科技合作項目（20160414030GH）

蘇成志（1977 -），副教授，博士，主要從事機電系統控制與檢測的研究。