Сборщики энергии вибраций от Mide Technology приходят на смену батарейкам
27 августа 2015
Построить систему мониторинга данных с автономным питанием, а именно – питающуюся от вибрации исследуемого оборудования? Эта задача становится реальной при использовании сборщиков пьезоэнергии (пьезогенераторов) Volture производства компании Mide Technology.
Все более актуальной задачей становится поиск альтернативных источников питания и построение на их основе разнообразных электронных устройств, использующих, например, энергию солнца или ветра. В случае построения подобных систем в промышленных помещениях, вагонах поездов, автомобилях, где есть наличие вибраций, наиболее приемлемым для питания электронных устройств является пьезоэлектричество. В основе пьезоэффекта лежит свойство некоторых кристаллов продуцировать электрический заряд при сжатии (прямой пьезоэффект) или под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект). Хотя первое исследование пьезоэлектрических эффектов сделано еще в 1880 году братьями Кюри, широкое распространение технология получила только в наши дни. Одним из приоритетных направлений исследований является разработка автономных беспроводных датчиков, получающих энергию от измеряемого сигнала или использующих другие пути получения механического воздействия на пьезоэлектрик. Актуальным их использование становится в считавшихся ранее нетиповыми задачах – в установленных в труднодоступных местах вращающихся механизмах, сейсмодатчиках и так далее. К примеру, в Великобритании уже прошли успешные испытания датчики износа колесной базы вагонов метро [1]. При движении поезда вибрации колесной базы вагона преобразовываются в электрическую энергию, которая используется для питания автономных датчиков. Датчик содержит микропроцессор с низким энергопотреблением для анализа вибраций и радиопередатчик, который посылает данные в концентратор. Все эти элементы объединены в узел беспроводного сбора данных, установленный на колесной базе. Такой подход позволяет осуществить установку системы в считанные минуты и при первом же пуске получить всю необходимую информацию. Детектируемые вибрации позволяют судить о величине износа колесной базы, снизить временные и финансовые затраты на проведение плановых диагностик, а также повысить безопасность использования поездов метрополитена.
Типовая структурная схема сборщика пьезоэнергии
Рис. 1. Виброгенераторы Volture
Одним из лидеров рынка по производству пьезоэлектрических сборщиков энергии является компания Mide Technologies, которая обеспечивает передовыми технологическими продуктами аэрокосмическую, морскую, автомобильную, научно-исследовательскую и производственную отрасли.
Выпускаемые Mide Technologies пьезоэлектрические генераторы серии Volture обладают высокими эксплуатационными характеристиками и безопасны для окружающей среды (рисунок 1). Отличительной чертой предлагаемых виброгенераторов серии Volture является наличие защитного кожуха из меди, который герметично запечатывает пьезоэлементы и соединения с разъемом. Такой подход делает устройства устойчивыми к воздействиям окружающей среды, что позволяет значительно продлить срок службы виброгенераторов и увеличить их надежность. Устройства предназначены для преобразования в электричество неиспользуемой ранее энергии вибрации. Такие устройства могут питать автономные системы сбора данных, закрепленные на узлах машин, станков, архитектурных конструкций [2].
Каждый виброгенератор Volture состоит из двух пьезоэлементов, которые могут подключаться независимо, параллельно (для удвоения тока, что рекомендуется для большинства применений) и последовательно (для удвоения напряжения). В обычном исполнении пьезоэлементы совершают колебания в двух противоположных направлениях относительно оси, поэтому на выходе генератора возникает переменный ток. Типичная схема включения виброгенератора содержит выпрямитель и контроллер зарядки аккумуляторов (рисунок 2).
Рис. 2. Типовая схема беспроводного устройства с виброгенератором
При установке генератора один конец закрепляется на вибрирующем основании, а другой остается свободным. Эффективность работы такой системы зависит от резонансной частоты получившегося маятника. Виброгенераторы Volture выпускаются нескольких форм и размеров и подходят для разных диапазонов рабочих частот. Точная настройка под параметры вибрации выполняется с помощью грузиков. От частоты колебаний и их амплитуды зависит и мощность генератора (рисунок 3).
Рис. 3. Зависимости мощности генератора V20W от частоты и амплитуды вибрации
Номенклатура и характеристики
В серии Volture производства компании Mide Technology представлены всего шесть модификаций виброгенераторов. Все представленные устройства имеют схожий форм-фактор и одинаковый температурный режим: для всех серий диапазон рабочих температур находится в пределах -40…90°С и -40…150°С без соединителя, температура пайки 300°С (до 10 секунд). Максимальное напряжение и ток каждого отдельного изделия зависит от вибрационных характеристик, к которым относится частота вибраций (таблица 1) и максимальная амплитуда отклонений кончика пластины устройства (таблица 2, рисунок 4).
Рис. 4. Пример предельного прогиба виброгенераторов Volture
Таблица 1. Электрические характеристики виброгенераторов Volture
| Наименование | Емкость одной пластины при 100 Гц, нФ | Сопротивление одной пластины при 100 Гц, Ом | Емкость одной пластины при 120 Гц, нФ | Сопротивление одной пластины при 120 Гц, Ом |
| V20W | 69 | 390 | 69 | 340 |
| V25W | 130 | 210 | 130 | 175 |
| V21B | 26 | 950 | 26 | 770 |
| V21BL | 26 | 950 | 26 | 770 |
| V22B | 9 | 2400 | 9 | 2000 |
| V22BL | 9 | 2400 | 9 | 2000 |
Таблица 2. Максимальная амплитуда вибраций виброгенераторов Volture
| Наименование | Максимальное отклонение кончика пластины, дюйм |
| V20W | 0,1 |
| V25W | 0,15 |
| V21B | 0,06 |
| V21BL | 0,18 |
| V22B | 0,03 |
| V22BL | 0,12 |
Надежность изделия
Несмотря на большую амплитуду вибраций, виброгенераторы Volture обладают достаточно высокой надежностью, которая основывается на особой запатентованной технологии производства. Пьезоэлектрические материалы заключены в защитный медный кожух с заранее прикрепленными электрическими выводами (рисунок 5). Защитный кожух обеспечивает электрическую изоляцию, защиту от влажности и активных загрязняющих веществ. Наличие выводов в форме соединителя позволяет производить подключение устройств без использования пайки. Обладая малой толщиной (порядка 0,61…0,86 мм), изделия обладают высокой надежностью и прочностью, что позволяет использовать их в устройствах сложных форм, а возможность создавать из них мульти-пьезомассивы делает их идеальными для использования в датчиках, исполнительных механизмах сбора энергии и других тактильных приложениях [3].
Рис. 5. Внутреннее строение виброгенераторов Volture
Тюнинг датчика – подбор резонансной частоты
Первый шаг в успешной реализации системы сбора энергии – максимальное использование характеристик среды, в которой будет работать устройство Volture. Наиболее эффективным средством для достижения этой цели является измерение вибрации с помощью акселерометра, сбор данных, а также выполнение БПФ (Быстрое преобразование Фурье) над данными для извлечения информации о частоте. Некоторые приложения не требуют этого шага, так как их доминирующие частоты известны. Примером этого могут быть промышленные двигатели частотой 100 Гц AC или бытовые, частотой 50 Гц. Тем не менее, у большинства устройств частота вибрации может значительно варьироваться. Например, вибрации автомобилей или вертолетов могут находиться в низком диапазоне порядка 30 Гц. Для максимальной эффективности работы виброгенераторы Volture должны быть настроены на частоту вибраций устройства, на которое они устанавливаются.
Простейшим и надежным средством для настройки Volture является использование дополнительных грузиков вдоль длины преобразователя. Помещение дополнительного веса на наконечник позволяет снизить естественную частоту работы Volture. Для этих целей компания Mide предлагает тонкие наконечники из вольфрама, которые проходят соответствующую обработку, чтобы поместиться в ультранизкий профиль виброгенераторов Volture. Изделия изготовлены из вольфрама для достижения наилучшего показателя соотношения массы и объема. Дополнительная масса может быть прикреплена к устройствам Volture с использованием клея для постоянной установки или пчелиного воска для исследования работы прототипа. Для каждой отдельно установленной дополнительной массы можно достигнуть точной настройки устройства на необходимую частоту путем простого перемещения массы вольфрама вдоль длины устройства [4].
Платы выпрямителя и накопителя – обзор, назначение
Представленные виброгенераторы Volture являются только первичными преобразователями энергии. Для питания электронных устройств преобразованную энергию нужно еще собрать, стабилизировать и аккумулировать. Для этого компания Mide Technology предлагает ряд выпрямительных и накопительных плат [5].
Рис. 6. Внешний вид платы выпрямителей
EHE001c и EHE001nc
Рис. 8. Внешний вид платы выпрямителя EHE004
Самым простым преобразователем является выпрямительная плата EHE001c и EHE001nc (рисунки 6 и 7). Этот двойной двухполупериодный выпрямитель подключается непосредственно к разъему любого Volture и обеспечивает на выходе нерегулируемый постоянный ток, что упрощает оценку продукта. Компания Mide в настоящее время предлагает две модификации этого выпрямителя. Различаются они только одним элементом в схеме. EHE001c имеет на выходе конденсатор 10 мкФ для сглаживания пульсаций, а EHE001nc не имеет данной емкости на выходе. На EHE001c выходное напряжение ограничивается стабилитроном на 15 В [6].
Рис. 7. Типовая схема построения платы выпрямителей EHE001c и EHE001nc
Выпрямительная плата EHE004 подключается непосредственно к любому пьезоэлектрическому преобразователю Volture и преобразует выходное переменное напряжение от виброгенератора в постоянное. EHE004 состоит из двухполупериодного выпрямителя, конденсатора емкостью 200 мкФ для накопления энергии и преобразователя с коммутируемым выходным напряжением (рисунки 8 и 9). Выход может быть настроен на уровни в 1,8; 2,5; 3,3 и 3,6 В. В случае необходимости в схему могут быть добавлены конденсаторы большей емкости. В качестве преобразователя используется микросхема контроля заряда Linear Technology LTC3588-1 – высокоэффективный преобразователь для работы с высокоимпендансными источниками энергии, такими как вибропреобразователи. Ввиду того, что каждый продукт сбора энергии Volture имеет две пьезоэлектрические пластины, EHE004 предоставляет пользователю возможность подключения этих пластин последовательно или параллельно [7].
Рис. 9. Схема построения платы выпрямителя EHE004
Накопительная плата EHE005 PEHBLE (Piezo-Energy Harvesting Battery Life Extender) – устройство управления питанием, которое сочетает в себе надежность литиевой батареи с возобновляемой энергией. Комбинированный подход использования преобразованной энергии и литиевой батареи (с возможностью замены) на борту гарантирует постоянную подачу мощности в нагрузку. В системе используется интеллектуальный подход к выбору источника питания: от источника колебаний или от встроенной батареи. В основе устройства лежит чип LTC3330 Linear Technology, который следит за уровнем входящего напряжения от Volture и в случае его падения ниже порогового значения переключает выход на питание от батареи (рисунок 10). Система идеально подойдет для таких приложений, как удаленные беспроводные зонды, где энергия вибрации может присутствовать в незначительной мере и необходимо обеспечить резервное батарейное питание для выполнения всего цикла работ [8].
Рис. 10. Схема построения платы выпрямителя EHE005
Области применения
Прочная герметичная конструкция с низким профилем, доступная в разных типоразмерах, обеспечивает широкий спектр использования виброгенераторов Volture:
- мониторинг в системах безопасности и промышленных сетях сбора данных;
- датчики систем обслуживания;
- беспроводные датчики HVAC;
- системы мобильного слежения;
- датчики давления в шинах;
- датчики в нефте- и газопроводах;
- все воздушные, земляные и водные датчики измерения климатических параметров;
- автомобильные датчики;
- применение в качестве замены батарейного и проводного питания в маломощных системах.
Наиболее популярной сферой использования устройств Volture является построение автономной беспроводной сети сбора данных о параметрах технологического оборудования. Такой подход позволяет производить установку измерительного оборудования без остановки как производства в целом, так и отдельных линий. Как известно, на производстве используется значительное количество кабельных соединений, и дополнение каждой новой линии значительно усложняет существующую кабельную систему, поэтому данные системы наиболее оптимальны в использовании с беспроводными модулями передачи данных. Собираемые данные могут быть достаточно разнообразными. Это могут быть технологические параметры, где наиболее ценной является информация о состоянии подвижных частей оборудования, ранее недоступная для автоматического контроля. Как в приведенном ранее примере об износе колесной базы вагонов метро, так и в промышленности величина вибраций характеризирует степень износа оборудования. На рисунках 11 и 12 приведены примеры использования виброгенераторов Volture на промышленных установках [9]. Наличие отклонений в характере выходного тока устройств уже может служить показателем характера функционирования и состояния контролируемого оборудования.
 |  |
| Рис. 11. Установка виброгенератора Volture на промышленный двигатель | |
 |  |
| Рис. 12. Контроль вибраций промышленной установки | |
При помощи специальных грузов вибропреобразователи могут быть настроены на частоту 50 Гц для достижения максимальной энергоэффективности при работе с отечественными промышленными установками.
Заключение
Рассмотренные высококачественные виброгенераторы Volture производства компании Mide Technology и их дополнительные платы преобразования и накопления энергии позволяют решить практически любую задачу построения автономной системы для работы в среде с наличием механических вибраций. Изолированный герметичный корпус, малая толщина и наличие целого ряда типоразмеров позволяют использовать устройства Volture для решения обширного круга задач – от установки в портативные приборы до построения биомедицинских и промышленных систем мониторинга данных.
Источник