电力仪表的新方法

在传统仪器的硬连线世界里，为单个设备供电不是问题。主电源或现场总线都可以连接到变送器，或携带所需的电流。唯一担心远程仪器的人涉及到孤立的装置，如油井或类似的。机械仪表可以满足大多数需求，只要有人定期阅读它。

一切都变了。一个给定的工厂可以充满“远程”仪器，即使它在一个设备密集的地区。越来越多的无线选择带来了不同的、更独立的电源，这些电源不依赖于电源、现场总线或环路电源来运行。由于无线仪器的一个主要卖点是消除有线的成本，用户和供应商正在寻找与传统不同的方法。利用能量收集技术，工程师们在许多他们以前从未考虑过的地方发现了电流来源。

在许多方面，无线技术和自备电源的发展是并行的。无线设备制造商意识到，某些类型的仪器仪表比其他类型的更容易适应，这就是为什么温度传感器等耗电设备在早期与无线电发射机配合使用的原因。无线通信的优势随着每根电缆连接到一个仪器而降低。即便如此，在许多工厂环境中，与将信号线连接到遥远的I/O点相比，120 V交流线路的可用性可能是一个小问题。这一想法一直是在现场使用动力路由器的无线网状网络的基本原理。

仪器仪表的变化

虽然供电方式已经发生了变化，但仪器仪表和无线发射器正在发生更根本的变化。设备设计人员在重新思考仪器的作用时，已经找到了提高电力利用效率的方法。

在有线世界中，电源可用，设备通过直接I/O布线或现场总线进行通信，仪器仪表可以连续报告。无论流量、压力或其他变量如何，数据供应永远不会停止。但是标准的4-20 mA信号会消耗电池的大量电流。连续20毫安的负载将在几天内耗尽大部分电池。但是，如果测量可以在一定的时间间隔内进行，则该设备可以间歇性地运行并节省电源。间歇性通信已经成为实用无线仪器新浪潮的关键。

有些过程变量非常关键，值得持续监控，这些变量可能是硬连接的。其他点可能只需要每几秒、每分钟、每小时或更长时间检查一次。如果一个设备可以自动唤醒，读取一次读数，传输数字，然后回到睡眠状态，直到下一个小时重复这一过程，与连续运行相比，功耗可以降低99%。这样的设备，使用目前的设计和合适的电池，可以在不需要维护的情况下运行20年。

Dust Networks营销副总裁罗布•科南特表示:“无线通信使电力成为关键问题。“它为设计传感器创造了一个全新的范式。”Dust Networks在为工业仪器创造极其高效的通信技术方面取得了重大进展。它的嵌入式无线电能够在10毫秒内打开、上传过程变量、传输变量和关闭所有这些。接收器同步打开在同一时间捕获信号。在正常的工作周期中，设备每10秒更新一次，设备99.9%的时间处于睡眠模式。这种类型的电力利用使得自给自足的电源非常实用。

异国情调的电池

替代电力方法还必须满足消除任何维护需求的愿望。一个必须每月甚至一年更换一次电池的仪器，除非它的需求非常关键，否则是不会安装的。工厂运营商想要的设备几乎不需要注意，电池寿命以年计。虽然笔记本电脑和混合动力汽车的可充电电池备受关注，但一次性电池的技术已经有了长足的进步。标准的碱性电池(碱性二氧化锰)适用于手电筒和便携式电子产品等大多数消费类应用，但在要求苛刻的工业仪器仪表领域却无法胜任。

间歇性地操作设备，只在必要时打开设备，可以大大降低功耗。Dust Networks将这种方法用于发射器和接收器，使通信同步，以便两个设备都能尽可能长时间地处于睡眠模式。该图说明了带有传感器的终端节点和将信号中继到网关的路由节点之间的交互。路由节点由于必须接收和传输而消耗更多的能量，但这可以通过减少接收时间来最小化。

电池失效有两个原因。首先，它们会自行放电，这意味着它们只是坐在架子上死去。制造商对设计进行评级，并知道它们的储存时间，因此大多数包装上都有“使用前”日期。不同类型之间的差异是巨大的，越复杂的化学反应持续的时间越长。其次，当它们的能量被消耗掉时，它们就会死亡。一些廉价的设计经历了这种逐渐的、一致的向零倾斜的过程。另一些则保持相当恒定的电压，直到耗尽，电压下降很快。

在苛刻的工业应用中，锂配方由于其高功率密度和长寿命而在很大程度上占据了主导地位。有很多类型，功能也有很大差异。在你的药店里可以买到的锂-二氧化锰电池在数码相机中肯定会胜过它们的碱性竞争对手，但与更先进的技术相比，它们就相形见绌了。目前无线产品中常用的类型是亚硫酰氯锂(Li/SOCl12)。这个术语只描述化学;有几种内部配置电池的方法。现在最流行的是筒管类型，由于一个有益的组合的性能权衡。

亚硫酰氯锂电池非常强大。碱性电池的最大输出电压为1.5 V，而锂电池的最大输出电压为3.6 V，并一直保持到耗尽点。它们可以在-55至150°C(-67至302°F)的温度下工作，每年自放电率&1%，寿命可能超过20年。

电池真的能用20年吗?“是的，”塔迪兰电池公司副总裁兼总经理索尔·雅各布斯说。“据我们所知，一些水表抄表设备的原始电池已经使用了23年，而我们20年前生产的电池还不如我们今天生产的好。”

当然，任何电池都有限制，所以重要的是选择与应用相匹配。由于电池的功率输出可以很好地量化使用寿命，因此根据负载预测寿命并不困难。供应和需求可以精确匹配，以达到预期的运行寿命。但是，如果情况发生变化，原来的计算可能不适用。例如，如果你有一个无线温度传感器，它的设计是每小时传输一次读数，而你重新编程为每分钟发送两次读数，电池寿命将成比例地减少。

太阳能收集器

光伏板已经存在了几十年，如果在正确的位置使用，通常是所有类型远程设备的首选。它们的表现取决于是否有阳光，所以有些地方比其他地方好。面板供应商已经研究了典型的天气和日照可用性，他们根据冬季日照高峰小时来描述位置，这实际上是日照可用性的最坏情况。

面板有各种形状和大小，使用各种技术，来自大量的制造商。效率范围为4-24%，价格与效率相关。大多数具有成本竞争力的技术的效率都在15%左右。面板可以连接在一起，以提供任何所需的电压和安培。在良好的阳光条件下，每平方英尺可以产生约12瓦的功率，但由于太阳的可用性决定了实际的输出功率，因此很难给出一个特定应用需要多大的功率的经验法则。

太阳能定位指南根据平均“太阳小时数”计算可用能量，或每天辐照度至少为每平方米1,000 W的小时数。这张地图是根据夏季的历史天气数据绘制的。

对于远程仪表，典型的安装包括馈电控制器的面板，控制器调节一组电池的充电。仪器和发射机由电池供电，而不是直接由电池供电。面板输出和电池尺寸的组合应该能够提供持续的电力，即使在长时间的恶劣天气或下雪，所以在凤凰城安装的相同设备可以比西雅图拥有更小的面板和更少的电池。

京瓷太阳能(Kyocera Solar)工业销售经理里奇•格里斯沃尔德(Rich Griswold)表示:“我们设计的系统在最差月份中最糟糕的一天运行，所以其他一切都很轻松。”“如果电池充满电，调节器将能量送回面板，在那里它以热量的形式消散。”设备供应商设计了适合现场和应用的预包装系统，消除了采购各种项目的需要。

这种方法最适合于有一组设备可以从一个公共电源供电，并且功耗相对较高的情况。光电池体积大，有点贵，偶尔需要低级维护，并需要防止损坏。尽管如此，太阳能电池板可以使用几十年，而且在正确的应用中，很容易收回成本。

力量清除

清除振动和热量等环境能源的想法已经存在一段时间了。应用变得越来越实用。例如，压缩机附近的仪器可以由一个小型发电机供电，发电机利用机械振动产生电流。

Perpetuum Ltd.目前正在生产供销售的设备，同时开发这项技术。它的PMG7振动微发生器是可用的，更新的型号正在管道中。这些装置不会产生大量的能量。上面提到的锂电池输出的电压大致相同(~3.4 V)，所以它们可以用于类似的应用。微型发电机的电流输出可以高达1.2 mA，通常馈电电容器为仪器提供额外的浪涌容量。

微型发电机在特定频率下运行最好，因此它们被调谐以响应通常由工业应用中常用的60赫兹感应和同步电机产生的振动。安装后，可以调整调优，以最大化特定安装的输出。这种装置非常小(大约只有半个c型电池的大小)，可以安装在任何位置，而且不需要维护。它们确实依赖于设备的运行，所以如果主机压缩机或其他设备关闭，电源就会停止。

这项技术是否被接受取决于可靠性和成本效益。以目前的技术，微型发电机的功率输出可以与一个d型亚硫酰氯锂电池相同。在0.5 mA的连续负载下，在任何一种设备的舒适水平内，电池可以持续使用30,000小时，因此电力收割机将不得不与这种性能竞争。

随着电力无线传输实验的继续，向自给自足和无线仪器的趋势将继续下去，这将迫使设备设计师提高效率，并创造新的方式来收集和通信数据，以最低的功耗。这一进程才刚刚开始，新的事态发展可以带来很多好处。

作者信息

彼得·韦兰德是过程工业编辑。联络他的地址是PWelander@cfemedia.com．

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