降雨径流采集器的无功损耗分析及节能电路设计

苏成志，朱红宁，侯代国

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

降雨径流采集器的无功损耗分析及节能电路设计

苏成志，朱红宁，侯代国

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

为了延长降雨径流采集器的待机时间研制一种节能电路。首先通过对采集器功耗的分析建立采集器的待机时间模型；再利用采集器待机时间模型确定影响采集器待机时间的关键因素是无功损耗；最后通过研制一种节能电路降低采集器的无功损耗，进而延长采集器的待机时间。实验结果分析表明：当采用1500mA的锂电池时，采集器的待机时间提高了837.15倍，达到1.65×104 h。该节能电路可有效地提高采集器的待机时间。

降雨径流；采集器；待机时间；无功损耗；节能电路

0 引言

降雨径流采集在水资源利用和环境监测领域具有重要的意义[1～3]，由于降雨的不确定性，传统的人工采集不但很难及时采样而且费时费力[4]。降雨径流采集器作为降雨径流采样的常用设备[5,6]，通常需要在野外长时间待机，此外，采集器一般采用电池供电，如果依靠增大电池的容量来延长采集器的待机时间，不仅会增大采集器的体积给野外采集工作增加困难，而且会增加成本，浪费资源，因此研制一种适用于野外降雨径流的低功耗采样器尤为重要。

为了降低采集器的功耗，保证采集器的待机时间，曹建生[7,8]分别利用位于观测井内的浮球控制行程开关控制水泵的启动和通过集水漏斗将降雨收集到集水翻斗中，集水漏斗在力矩的作用下翻转，集水漏斗中的水通过水道流入集水容器，这两种采样方法虽然可以降低损耗，但可靠性都不高，野外降雨径流中会带有大量杂物，容易造成观测井和集水漏斗的堵塞，一旦堵塞，采集器将完全丧失功能，无法采样。温立民[9]为采集器设置休眠功能使采集器按设定时间间隔自动进行休眠与唤醒，此方法虽然在一定程度上降低了采集器的功耗，但休眠状态下的采集器仍然消耗能量，并未从根本上解决问题。

针对该问题，本文研制了一种适用于降雨径流采集器的节能电路。该电路利用液位浮子开关控制节能电路的导通，当浮子开关检测到降雨径流后导通，电源通过节能电路开始向采集器供电，采集器得电后开始工作；采水工作完成后，采集器向节能电路发送采水结束的反馈信号，节能电路收到反馈信号后停止向采集器供电。

1 采集器的功耗分析

采集器的待机时间等于电源电池的容量除以采集器的功耗，采集器的功耗可以通过实验测得。但由于电池的容量并不能被完全释放，电池能够释放的容量并不等于电池的标称容量，所以不能直接用电池的标称容量求采集器的待机时间，故接下来主要通过讨论电池容量的问题，进而建立采集器的待机时间模型。

1.1 电池端电压与容量的关系

由于电池容量与电池端电压可以建立对应关系[10,11]，故可以通过电池的端电压计算电池能够释放的容量，以下主要通过建立电池端电压与容量的模型求出电池能够释放的能量。本文中对使用的新的锂电池进行恒电阻放电，可以得到锂电池端电压与容量百分比的关系数据，如表1所示。利用Matlab画出表1中数据的电池端电压与容量百分比关系的实测曲线，如图1所示。

表1 电压与容量百分比的关系

图1 电池电压-容量百分比关系图

1.2 确定锂电池的工作截止电压

由于电池的容量并不能被完全释放，随着电池可释放容量的降低，电池的端电压也逐渐下降，直到电池电压降到截止电压，电池停止释放电能，此时，锂电池内部还留有一部分不能被释放的电能，故锂电池能够释放的容量并不等于电池的标称容量，要计算电池能够释放的容量就得确定电池的工作截止电压，此处的工作截止电压是指当采集器停止工作时电池的电压。

本文采用容量1500mAh、标称电压3.7V、充电截止电压4.20V、放电截止电压2.75V的新锂电池。在实验室对采集器进行模拟工作实验，当采集器停止工作时测量并记录锂电池此时的端电压，记为工作截止电压，经多组实验可得如表2所示数据。由表2可知当锂电池端电压降到3.50V左右时，采集器控制系统已停止工作，故这里只需考虑电池在3.5V～4.2V时电池的端电压—容量百分比关系。

表2 锂电池截止电压

利用Matlab软件对表1中电池端电压在3.50V～4.20V之间的电池容量百分比进行多项式插值，并求出电池端电压与容量之间的关系式，如式(1)所示。

式中：N5(x)为电池容量的释放量，%；x为电池端电压，V。

1.3 比较实测曲线与拟合曲线

通过Matlab画出公式(1)的拟合曲线，并与电池端电压-容量百分比的实测曲线进行比较，如图2所示。由图2可知：在锂电池端电压为3.5V～4.2V时，公式(1)可以很好的反映电池端电压-容量百分比关系。

图2 实测曲线与拟合曲线图

比较实测曲线与拟合曲线在不同电压时的误差，如表3所示，其中，容量百分比的最大误差为1.00%，平均误差为0.1675%，最大误差度为1%。

1.4 推导采集器的待机时间

由式(1)得锂电池的可用容量百分比为：

式中：n为电池可用容量的百分比，1。

锂电池的可用容量为：

式中：C可用容量为锂电池的可被释放的容量，V；C标称容量为锂电池的标称容量，V。

采集器工作时消耗的工作容量为：

表3 拟合曲线的误差

式中：C工作容量为采集器工作时消耗的容量，mAh；I1为采集器的功耗，mA；T1为采集器的工作时间，h。

为了保证采集器在待机后还有足够的电池容量进行工作，用于采集器待机的电池容量应是电池的可用容量减去采集器工作时所消耗的电池容量，故采集器的待机时间为：

式中：t为采集器的待机时间，h；T2为采集器开始采样之前的待机时间，h。

由式(5)可知：采集器的待机时间t由电池的标称容量C标称容量及其容量百分比N5(x)、采集器的功耗I1、采集器的工作时间T1和采集器开始采样之前的待机时间T2决定。电池的标称容量C标称容量及其容量百分比N5(x)在选定电池时已经确定；采集器的工作时间T1是根据采样需求设定的，为定值；采集器开始采样之前的待机时间T2随采集器开始采样的不同时刻为不同值，且会有较大的差异。由于降雨的不确定性，采集器在开始采样之前往往需要待机一段时间，即在T2时间内采集器虽然通电但不进行工作，所以，在T2时间内采集器损耗的电能是无功损耗，不但无用，而且损耗的量大。

综上所述，造成采集器待机时间短的主要原因是采集器在开始采样之前的无功损耗。

2 节能电路的设计

为了延长采集器的待机时间，解决采集器无功损耗的问题，本文研制了一种用于降雨径流采集器的节能电路。具体是在电源与采集器控制系统之间增加节能电路，当采集器工作时电路导通，电源向采集器供电；当采集器处于待机状态时电路断开，电源不向采集器供电，进而实现采集器工作时供电，采集器待机时断电的功能。

2.1 节能电路的节能原理

如图3所示，在电源与采集器控制系统之间加入节能电路，节能电路在检测到液位触发信号后导通，电源开始向采集器控制系统供电，采集器开始工作；采集器完成工作后，采集器控制系统向节能电路发送反馈信号，节能电路收到反馈信号后断开，电源停止向采集器控制系统供电。

图3 采集器节能原理框图

图4 节能电路工作原理图

2.2 节能电路设计

图4所示为节能电路中各个触点、开关的初始状态，Q1为三极管，其可以在采集器控制系统的作用下导通。

利用液位浮子开关K0、复位按钮S1、三极管及2个磁保持继电器K1和K2构成的控制电路控制电源模块是否给采集器控制系统供电，如图4所示。液位浮子开关K0在降雨径流的作用下导通，磁保持继电器K1的工作线圈得电，此时K1的常开触点接通，由此采集器控制系统负极导通，采集器控制系统开始工作，常闭触点断开，K1的工作线圈断电，使其不会长时间接通烧坏磁保持继电器的工作线圈；当采集器完成工作后，三极管Q1在采集器控制系统反馈信号的作用下接通，K2的工作线圈得电，其常闭触点断开、常开触点闭合，然后K1的复位线圈得电，使K1的触点复位，采集器控制系统的负极断开，采集器控制系统断电；此时，采水工作完成，电路中除K2的触点外其他器件都处于初始状态。由于K2的常闭触点处于断开的状态，此时液位浮子开关再次接通也无法使采集器控制系统的负极接通；当需要开始下一次工作时，按动复位按钮S1，使K2的所有触点复位即可。

3 实验与讨论

3.1 计算采集器的待机时间

采集器功耗为I1=70mA，采集器工作时间为T=30min，代入式(4)求得采集器工作时消耗容量为：

当锂电池端电压降到3.53V时，锂电池的剩余容量已不能为采集器所用，代入式(1)求得锂电池的剩余容量为：

代入式(2)求得锂电池的可用容量百分比为：

将结果代入式(3)求得锂电池的可用容量为：

由于电源直接向采集器供电，此处T2=0h，故由式(5)得待机时间为：

3.2 计算采用节能电路时采集器的待机时间

节能电路在采集器工作时也会消耗相应的电能，测得节能电路的功耗为I2=9.50mA，由(4)求得节能电路所消耗的锂电池容量C'工作容量为：

采用节能电路后，采集器的待机时间主要取决于锂电池的自放电，锂电池的自放电率约为4%（月）[12]，故每月的自放电量C自放电量为：

式中：C自放电量为锂电池的自放电量，mAh。

故采集器的待机时间t2为：

式中：t2为采用节能电路时采集器的待机时间，h。

3.3 讨论

通过实验，在采集器中加入节能电路后采集器的待机时间大大提高，达到了提高采集器待机时间的预期效果。

4 结束语

1）通过对采集器待机时间模型的分析表明：采集器待机时间短的主要原因是采集器的无功损耗；

2）采用研制的降雨径流采集器的节能电路，通过实验结果分析表明：当采用标称容量为1500mAh的锂电池时，采集器的待机时间提高了837.15倍，达到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

国际科技合作项目（20160414030GH）

苏成志（1977 -），副教授，博士，主要从事机电系统控制与检测的研究。