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        為工業物聯網供電的鎧裝熱電阻以及為它們供電的電池

        發布時間:2019-11-22 08:53:56來源:


              工業物聯網(IIoT)通常被稱為工業4.0,代表著第四次工業革命,即通過云連接產品、機器、服務和人員的革命。IIoT正朝著互連性增強的時代邁進,預計這一趨勢將很快超過消費者物聯網。如今,智能制造的新時代要求新的生態系統來促進全面的工廠自動化和實時監控,以提高生產率、實現預測性維護、優化供應鏈和資產可追溯性,同時開發更安全的環境。
              機器的互連需要部署鎧裝熱電阻,進行測量的設備(例如,寶貴資產的位置、食品存儲的環境條件或損壞的泵散發出的熱量),這些鎧裝熱電阻可以存儲或傳輸到集線器以進行進一步處理。當前,許多鎧裝熱電阻都進行了電纜連接,這在需要移動設備的零件并需要完全重新布線時通常是不切實際的。當需要在移動部件或熱機器附近采集數據時,用鎧裝熱電阻改造老化的生產線可能很困難,即使不是完全不可能。對于監視管道或火車軌道等基礎設施,這些電纜的布線成本可能太高而無法實現。因此,在許多情況下,使設備在供電方式方面具有自主性,
              使用電池還有助于滿足鎧裝熱電阻的關鍵要求及其尺寸。由于這些鎧裝熱電阻的數量預計將迅速增加,因此對它們的尺寸提出了新的要求,并朝著小型化的方向發展,以使它們變得不顯眼,幾乎不可見并且可以放置在渦輪葉片上難以到達的地方。隨著電池的可用空間越來越少,很難為設備提供足夠的能量并使其進行測量和傳輸數據。
              在普遍不利的工業環境中,這甚至更加棘手,在這種環境中,鎧裝熱電阻(以及為它們供電的電池)預計將在持續移動或振動的機械附近,有時在高濕度和多塵的環境中以24/7工作。溫度也可能變得很高—紡織工業中的機器可能達到100°C或塑料包裝工業中的機器可能達到150°C;或非常低,在2月的早晨,當您的車停在外面時,在管道附近或離家較近的地方。當然,為此目的存在“工業”或“汽車”級電池,但是這些電池通常更昂貴且體積更大。那是因為它們的包裝和保護得到了強有力的保護,因為您想要的最后一件事就是讓電池泄漏,著火甚至爆炸。
              電池的優點之一是其成本相對較低。但是重要的是總數設備擁有成本。當然,紐扣電池現在已經高度商品化,通常只需不到一美元即可購買。但是,當您增加費用以支付技術人員更換有故障的電池時,實際成本會大大增加。在可能安裝了數百甚至數千個鎧裝熱電阻的工廠中,這可能最終成為某人的全職工作。但是,除了安裝成本之外,對公司而言,更昂貴的是電池即將失效或已經失效的時期。在注意到這一點并更換電池之前,關鍵數據可能已經丟失。實際上,大多數電池只能使用2到5年,與它們供電的設備的預期壽命(可能是10到15年)相比,這太短了。因此,一種不斷為越來越小的設備供電的方法。
              一種解決方案是通過將小型但壽命長的能量存儲組件(例如可充電固態電池)與能量收集器結合起來,為這些鎧裝熱電阻供電。有很多方法可以從環境中收集能量,可以使用光伏板從太陽能中獲取能量,也可以使用熱發電機(TEG)來獲取熱量,并利用壓電設備進行振動。也可以從無線電或超聲波信號中獲取能量。因此,如果正確地平衡了能量預算,則電池和能量收集器這兩個組件不需要很大就可以長時間工作。例如,太陽能電池可以向鎧裝熱電阻提供足夠的能量,并在白天為電池充電,而在晚上,電池可以提供電能。
              實際上,現在是超低功耗電子產品激動人心的時刻。一方面,能量收集裝置的效率不斷提高,而高效的室內太陽能電池可提供至少20 mW / cm 2的能量。另一方面,鎧裝熱電阻和電源管理集成組件的耗電量越來越少,有些消耗的功率不到1 mW。新的無線電傳輸技術和協議也正在出現,有助于平衡封裝尺寸,范圍和功耗。例如,藍牙低功耗通常用于短距離低功率傳輸,僅需要5到10 mA的電流脈沖。
              然后,存在能量緩沖的問題。我已經提到過,傳統的一次電池或可充電電池(紐扣電池,圓柱形電池,鋰離子電池等)可能是一個很好的解決方案,但是由于包裝方式的原因,它們不易小型化。大多數鉆頭的工作溫度也高達70°C至80°C,這在您需要監控達到數百攝氏度的鉆尖效率時是一個限制。造成這些限制的是液體或聚合物電解質,也是其安全問題和壽命有限的根源。超級電容器是另一個有用的選擇,因為它們具有高脈沖電流能力,但通常每單位體積的能量消耗要少于電池。不過,更重要的是,超級電容(在較小程度上)是傳統電池,具有較高的泄漏電流。這意味著能量收集器提供的一部分能量很小,會在超級電容內部的電化學反應中損失掉,這使其效率降低。隨著溫度的升高,情況變得更糟。
              在過去的幾年中,已針對其構造為固態電池系列優化了化學和合成工藝。這些固態可充電電池的最大長度為1 cm 2,且厚度小于1毫米。它們也不會爆炸或著火。由于它們沒有液體成分,因此使用壽命長,可以再充電數千次(如果一個充放電“循環”是一天,則相當于長達10年的使用壽命),并且泄漏極低電流,在nA范圍內。如上所述,這些特性使它們成為小型能量收集器“ tri流充電”時的理想能量存儲設備。最新固態電池是一種180 mAh的電池,由于選用了多種材料,因此可以在-40°C至+ 150°C的溫度范圍內工作。此操作范圍允許它們部署在工業IoT應用程序中,還可以部署在汽車、航空航天(引擎或排氣口附近)以及對基礎設施(如橋梁,管道和火車軌道)的監控。
              隨著這些感測設備的數量有望迅速增加,隨著尺寸的縮小,在其日益惡劣的條件下,尤其是在越來越低的溫度和更高的溫度下,其性能也出現了新的要求。小型固態電池與能量收集器(例如小型光伏面板或熱或振動收集器)相結合,為鎧裝熱電阻的長壽命供電提供了獨特的解決方案。
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