工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代的簡易式鎧裝熱電偶以及為它們供電的方式

      機(jī)器的互連需要部署鎧裝簡易式熱電偶，進(jìn)行測量的設(shè)備（例如，寶貴資產(chǎn)的位置、食品存儲的環(huán)境條件或損壞的泵散發(fā)出的熱量），這些鎧裝簡易式熱電偶可以存儲或傳輸?shù)郊€器以進(jìn)行進(jìn)一步處理。當(dāng)前，許多鎧裝熱電阻都進(jìn)行了電纜連接，這在需要移動設(shè)備的零件并需要完全重新布線時通常是不切實際的。當(dāng)需要在移動部件或熱機(jī)器附近采集數(shù)據(jù)時，用鎧裝熱電阻改造老化的生產(chǎn)線可能很困難，即使不是完全不可能。對于監(jiān)視管道或火車軌道等基礎(chǔ)設(shè)施，這些電纜的布線成本可能太高而無法實現(xiàn)。因此，在許多情況下，使設(shè)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簡易式熱電偶的關(guān)鍵要求及其尺寸。由于這些鎧裝簡易式熱電偶的數(shù)量預(yù)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(fā)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(dá)的地方。隨著電池的可用空間越來越少，很難為設(shè)備提供足夠的能量并使其進(jìn)行測量和傳輸數(shù)據(jù)。
      在普遍不利的工業(yè)環(huán)境中，這甚至更加棘手，在這種環(huán)境中，鎧裝簡易式熱電偶（以及為它們供電的電池）預(yù)計將在持續(xù)移動或振動的機(jī)械附近，有時在高濕度和多塵的環(huán)境中以24/7工作。溫度也可能變得很高—紡織工業(yè)中的機(jī)器可能達(dá)到100°C或塑料包裝工業(yè)中的機(jī)器可能達(dá)到150°C；或非常低，在2月的早晨，當(dāng)您的車停在外面時，在管道附近或離家較近的地方。當(dāng)然，為此目的存在“工業(yè)”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(hù)得到了強(qiáng)有力的保護(hù)，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(yōu)點之一是其成本相對較低。但是重要的是總數(shù)設(shè)備擁有成本。當(dāng)然，紐扣電池現(xiàn)在已經(jīng)高度商品化，通常只需不到一美元即可購買。但是，當(dāng)您增加費用以支付技術(shù)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(shù)百甚至數(shù)千個鎧裝簡易式熱電偶的工廠中，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(jīng)失效的時期。在注意到這一點并更換電池之前，關(guān)鍵數(shù)據(jù)可能已經(jīng)丟失。實際上，大多數(shù)電池只能使用2到5年，與它們供電的設(shè)備的預(yù)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(shè)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(tài)電池）與能量收集器結(jié)合起來，為這些鎧裝簡易式熱電偶供電。有很多方法可以從環(huán)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(fā)電機(jī)（TEG）來獲取熱量，并利用壓電設(shè)備進(jìn)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(yù)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簡易式熱電偶提供足夠的能量，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(xiàn)在是超低功耗電子產(chǎn)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(nèi)太陽能電池可提供至少20 mW / cm 2的能量。另一方面， 鎧裝簡易式熱電偶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(shù)和協(xié)議也正在出現(xiàn)，有助于平衡封裝尺寸，范圍和功耗。例如，藍(lán)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(jīng)提到過，傳統(tǒng)的一次鎧裝簡易式熱電偶電池或可充電電池（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(shù)鉆頭的工作溫度也高達(dá)70°C至80°C，這在您需要監(jiān)控達(dá)到數(shù)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(zhì)，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(tǒng)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(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)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(gòu)造為固態(tài)電池系列優(yōu)化了化學(xué)和合成工藝。這些固態(tài)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，因此鎧裝簡易式熱電偶使用壽命長，可以再充電數(shù)千次（如果一個充放電“循環(huán)”是一天，則相當(dāng)于長達(dá)5年的使用壽命），并且泄漏極低電流，在nA范圍內(nèi)。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(shè)備。最新固態(tài)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(nèi)工作。此鎧裝簡易式熱電偶操作范圍允許它們部署在工業(yè)IoT應(yīng)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(chǔ)設(shè)施（如橋梁，管道和火車軌道）的監(jiān)控。
      隨著這些感測設(shè)備的數(shù)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，其鎧裝簡易式熱電偶性能也出現(xiàn)了新的要求。小型固態(tài)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(jié)合，為鎧裝簡易式熱電偶的長壽命供電提供了獨特的解決方案。