Автоматизовані системи обліку ресурсів вимагають лічильників, здатних працювати з автономним електроживленням від батарей в жорстких умовах експлуатації більше 15 років. Літієві батарейки для цієї мети випускають такі великі світові виробники, як EEMB, SAFT, EVE, Varta, Tekcell, Robiton, Minamoto. Але довгоживуча батарейка - це тільки перший крок в непростому проектуванні таких систем.
Глобальні економічні та екологічні кризи стимулюють розробку і впровадження технологій раціонального використання ресурсів. Одним з напрямків вирішення цього завдання є використання локального устаткування збору і обробки даних (ЛУЗОД) та автоматизованих систем комерційного обліку енергоресурсів (АСКОЕ). Використання ЛОСОД / АСКОЕ дозволяє в режимі реального часу контролювати, аналізувати, прогнозувати і оптимізувати величину споживання різних видів ресурсів, а також оперативно виявляти виникнення аварійних ситуацій, наприклад, витоків або несанкціонованого підключення.
Мал. 1. Лічильник РЄ 303 виробництва компанії «Енергоміра»
Основою ЛОСОД / АСКОЕ є прилади обліку кількості ресурсів - лічильники. Сучасні лічильники, крім визначення кількості спожитого ресурсу, дозволяють вимірювати і зберігати у власній незалежній пам'яті велику кількість різних параметрів. Для дистанційного керування і передачі інформації про результати вимірювань прилади обліку обладнуються як дротовими, так і бездротовими інтерфейсами передачі даних, серед яких можна виділити як широко використовуються в техніці (RS-485, WiFi, BlueTooth, Ethernet), так і спеціально розроблені для цих завдань малопотребляющіе рішення: PLC, ZigBee, LPWAN і інші. Наприклад, трифазний багатотарифний електричний лічильник СЕ303 виробництва компанії «Енергоміра» (рисунок 1) дозволяє передавати інформацію про результати вимірювання через оптичний порт, по дротових (RS-232/485, Ethernet) або бездротовим (RF433 МГц, GSM / GPRS) інтерфейсів, а також по інтерфейсу з використанням ліній електропередач (PLC).
На сьогоднішній день обладнання для автоматизованих систем обліку ресурсів випускається більшістю провідних світових і російських виробників. У таблиці 1 наведені короткі характеристики деяких сучасних лічильників, призначених для вимірювання кількості електроенергії, природного газу, теплової енергії, гарячих і холодних рідин, які можуть використовуватися в складі ЛУЗОД / АСКОЕ.
Таблиця 1. Лічильники для ЛОСОД / АСКОЕ
Виробник Енергоміра ТОВ НПК «Инкотекс» ТОВ НВП «Ірвіс» ТОВ НВП «ТЕПЛОВОДОХРАН» Найменування CE303 Меркурій 230 ІРВІС-РС4 «Пульсар» Призначення Трифазний багатотарифний лічильник активної і реактивної електричної енергії трифазний багатотарифний лічильник активної і реактивної електричної енергії Вимірювач витрати водяної пари, неагресивних горючих та інертних газів Кількість теплової енергії, енергії охолодження, теплової потужності, об'ємної витрати, температури, різниці температури теплоносія Інтерфейси передачі даних Оп ический порт, RS-485, Ethernet, RF-433 МГц, GSM / GPRS, PLC Імпульсний вихід, RS-485, CAN, IrDA, PLC-I RS-232/485 Імпульсний вихід (енергія), M-BUS, Wireless M -BUS, RS485, оптичний, радіоканал Діапазон робочих температур, ° С -40 ... 60 -40 ... 55 -40 ... 45 5 ... 50 Міжповірочний
інтервал, років 16 10 4 (обмежений терміном служби батареї) 6 (обмежений терміном служби батареї) Середній термін служби, років 30 30 15 12
У нормальному режимі харчування лічильників може здійснюватися як від промислової мережі змінного струму, так і від джерел постійного струму. Наприклад, більшість витратомірів групи російських компаній «Зліт» (малюнок 2) живиться від мережі постійного струму напругою 24 В, а більшість електролічильників харчується безпосередньо від мережі, в якій проводяться вимірювання.
а)
б)
Мал. 2. Теплосчетчик-реєстратор ТСР-042 (а) і витратомір-лічильник електромагнітний ВЗЛЕТ ЕР
(Лайт М) (б) виробництва компанії «Зліт»
Важливим моментом експлуатації подібних лічильників є функціонування в автономному режимі, який може виникнути, наприклад, в результаті аварії основного джерела живлення. Для систем ЛОСОД / АСКОЕ важливим параметром є час виконання вимірювання або виявлення події, до якого також прив'язуються тарифні сітки постачальників енергоресурсів. Таким чином, до складу будь-якого лічильника, як мінімум, повинні входити годинник реального часу, здатні працювати цілодобово і безперебійно протягом усього часу його експлуатації. Наприклад, в електролічильнику СОЕБ-2П виробництва ЗАТ «Радіо і Мікроелектроніка» годинник реального часу виконані на основі мікросхеми M41T56M6 компанії STMicroelectronics, що забезпечує мале споживання від батареї і високу стабільність вимірювань часу за рахунок цифрової корекції добового ходу годинника. В ідеальному випадку лічильник, призначений для роботи в складі ЛУЗОД / АСКОЕ, незалежно від наявності або стану зовнішнього джерела живлення, повинен постійно перебувати в складі системи, забезпечуючи передачу даних і, при необхідності, управління окремими елементами системи.
Одним з напрямків подальшого розвитку систем ЛОСОД / АСКОЕ може стати використання сучасних економічних технологій передачі даних, наприклад, глобальних бездротових мереж з малим споживанням LPWAN (Low Power Wide Area Network). На сьогоднішній день по всьому світу розгортається інфраструктура для передачі даних пристроїв Інтернету речей, число яких вже обчислюється мільйонами. Для цієї мети в 2015 році була створена некомерційна організація LoRa Alliance, що об'єднує операторів зв'язку, виробників мікроелектроніки та програмного забезпечення, до складу якої входять компанії IBM, Semtech, Cisco, Inmarsat, Swisscom і інші. Основною місією LoRa Alliance є просування протоколу LoRaWAN (рисунок 3), який може бути прийнятий в якості єдиного стандарту для пристроїв Інтернету речей. В рамках цього напрямку в 2016 році компанією «Лартех Телеком» розпочато будівництво мережевої інфраструктури мережі LoRaWAN на території Росії.
Мал. 3. Архітектура мережі LoRaWAN
Використання сучасних технологій вимірювання та передачі даних дозволить зменшити енергоспоживання електронної частини лічильників до величин, при яких стане можливим створювати прилади, здатні роками працювати в автономному режимі, а відсутність будь-яких сполучних проводів спростить вимоги до монтажу та експлуатації облікових систем. Фактично перетворення існуючих систем обліку в системи ЛОСОД / АСКОЕ буде полягати лише в організації центру збору та обробки даних і заміні лічильників без прокладки будь-яких додаткових комунікацій.
Очевидно, що основною проблемою при розробці лічильників, призначених для тривалої автономної роботи, є організація харчування електронної частини, вимоги до якого є дуже жорсткими і часом - взаємовиключними.
Лічильники є малогабаритними пристроями, і можливість збільшення їх габаритів для розміщення джерела живлення великої ємності обмежена існуючими технічними умовами. Часто лічильники розташовуються в місцях з малим об'ємом (шафах, нішах, колодязях, технологічних коридорах), і лічильник великих розмірів може просто не поміститися в потрібному місці, тому елемент живлення повинен бути по можливості компактним.
Заміна елемента живлення зазвичай є частиною регламенту повірки лічильника і повинна проводитися кваліфікованим персоналом в спеціалізованих сервісних центрах. Тому термін служби елемента повинен бути не менше, ніж тривалість міжповірочного інтервалу, який для електролічильників може досягати 16 років. Для деяких приладів, наприклад, газового лічильника ІРВІС-РС4, тривалість інтервалу між перевірками становить 4 роки і, як зазначено в технічній документації, визначається терміном служби батареї. Таким чином, збільшення часу роботи від батареї призводить до збільшення міжповірочного інтервалу і, відповідно, до підвищення надійності та зменшення витрат на обслуговування системи.
Лічильники працюють в жорстких умовах експлуатації. Як видно з таблиці 1, діапазон робочих температур всіх видів приладів, крім водомірів, знаходиться в діапазоні -40 ... 60 ° С (для водомірів нижній поріг органічний температурою замерзання рідини). Причому лічильники, розташовані поза приміщеннями, піддаються ще й різких перепадів вологості і температури. Наприклад, температура електролічильника, розташованого в вуличному шафі, може змінюватися на 40 ° С, двічі за стуки переходячи точку замерзання води.
Ще однією особливістю роботи елементів живлення лічильників, зумовленої наявністю бездротових інтерфейсів, є складний характер споживання енергії. При виконанні вимірювань енергоспоживання лічильника невелика, але при передачі даних по радіоканалу воно може зрости на кілька порядків. Це накладає додаткові вимоги до характеристик елемента живлення, оскільки внутрішній опір, яке обмежує величину максимального струму, і струм саморозряду, від якого залежить термін служби, взаємопов'язані: при зменшенні внутрішнього опору струм саморозряду зазвичай збільшується.
Таким чином, організація харчування лічильника вимагає високого професіоналізму розробника, врахування великої кількості взаємопов'язаних параметрів і глибокого розуміння процесів, що відбуваються як в елементі живлення, так і в усьому пристрої. У цій статті розглянуті основні моменти і особливості вибору елемента живлення, що дозволяють зменшити кількість помилок при проектуванні і скоротити час на розробку сучасних лічильників.
Аналізуючи номенклатуру провідних виробників хімічних джерел струму, що випускаються вже більше 100 років, можна відзначити, що вони діляться на дві великі категорії: первинні (невідновлювані, незаряжаемие), які прийнято називати «батарейками», і вторинні (акумуляторні) - акумулятори. Очевидно, що акумулятори має сенс використовувати при наявності деякого первинного джерела енергії, який при автономному використанні лічильника відсутня. Тому харчування електроніки лічильника протягом усього терміну експлуатації зазвичай здійснюється від первинних джерел струму.
В апаратурі, яка не призначена для роботи в жорстких умовах, зазвичай використовують недорогі сольові або лужні батарейки, проте через малу терміну зберігання і експлуатації для використання в лічильниках вони не підходять, і найкращим рішенням є використання літієвих джерел струму. Літієві батарейки випускаються як невеликими маловідомими компаніями (в основному, розташованими в Китаї), так і великими світовими виробниками хімічних джерел струму, що користуються заслуженою популярністю серед виробників електроніки, в числі яких EVE, SAFT, Varta, Tekcell, Robiton, Minamoto і інші.
Наприклад, компанія EEMB, штат якої складається з приблизно 1600 чоловік, виробляє й акумулятори з 1995 року. У каталогах компанії присутній широкий асортимент хімічних джерел струму для промислових і спеціальних додатків. Висока надійність продукції виробництва EEMB багато в чому обумовлена використанням системи контролю якості, що відповідає стандарту ISO9001, яка впроваджена на всіх етапах виробничого процесу.
Для використання в лічильниках (Meter Battery) компанія EEMB позиціонує широкий асортимент високоемкостних (Enegry Type) літієвих батарей бобінного типу (таблиця 2). Крім батарейок великої місткості, компанія EEMB пропонує джерела струму підвищеної потужності (High Power Type), а також елементи живлення з розширеним діапазоном робочих температур (High Temperature), верхня межа якого досягає 150 ° С.
Таблиця 2. Асортимент батарейок EEMB для лічильників
Завдяки високій якості виробництва літієві елементи живлення EEMB можна використовувати в медичному обладнанні, касових апаратах, пошуково-рятувальному обладнанні, бездротових системах безпеки, наземних сенсорах, мобільних системах стеження, приладах нічного бачення, пристроях автоматизованого віддаленого управління, автомобільних пристроях стеження і багатьох інших.
Французька компанія SAFT виробляє хімічні джерела струму з 1918 року. За практично вікової період компанія стала заслуженим світовим лідером в даній галузі. На сьогоднішній день компанія виробляє свою продукцію в 18 країнах, розташованих по всьому світу. Вироби SAFT мають найвищий рівень надійності, безпеки та екологічної чистоти. Компанії SAFT належить перший міжнародний патент на літієві джерела струму, який був отриманий в 1965 році. Завдяки тісній взаємодії зі споживачами своєї продукції, компанія здатна пропонувати готові рішення, максимально адаптовані для кожного конкретного завдання. Наприклад, в асортименті SAFT присутній ряд батарейок, спеціально розроблених для автономного живлення різних приладів обліку (таблиця 3).
Таблиця 3. Асортимент батарейок SAFT для лічильників
Найменування Технологія Номінальна напруга, В Номінальна
ємність, А • год Розмір Призначення LS14250 Li-SOCI2 3,6 1,2 1 / 2АА електролічильники LS14500 3,6 2,6 АА Лічильники всіх типів LS17500 3,6 3,6 А Водоміри, газові, теплолічильники LS26500 3,6 7,7 З LS33600 3,6 17 D LSH14 3,6 5,8 C Телекомунікації, мережева інфраструктура LSH20 3,6 13 D LM17500 Li-MnO2 3 3 A Водоміри, газові, теплолічильники LM26500 7 C LM33600 13 D M52EX SV 5,6 C Газові лічильники M20EX SV 12,4 D
Літієві батарейки виробництва компанії SAFT володіють кількістю енергії і потужність, достатню для застосування в побутових і промислових лічильниках, які працюють в жорстких умовах і не підключених до джерел постійного або змінного струму. Основними перевагами даних батарейок є:
- тривалий термін служби завдяки високій питомій ємності (малюнок 4) і малому саморазряду (малюнок 5);
- відсутність необхідності додаткового обслуговування;
- гарантовану високу і стабільну напругу під навантаженням навіть у вуличних умовах;
- широкий діапазон рішень для використання у всіх видах вимірювальних приладів;
- екологічна чистота завдяки відсутності важких металів і можливості повторного використання матеріалів батарейок;
- відповідність стандартам безпеки літієвих технологій UL, IEC та UN;
- відповідність вимогам IEC 60079-11 "Intrinsic Safety" і ATEX - директивам ЄС, що визначає вимоги до обладнання, що працює в потенційно вибухонебезпечному середовищі.
Мал. 4. Порівняння графіків розряду батарей LM17500 виробництва компанії SAFT і CR17450 іншого виробника
Мал. 5. Порівняння графіків саморазряда літій-тіонілхлорідних елементів бобінного типу виробництва SAFT і іншого виробника при температурі 20 ° С
Як приклад можна порівняти графіки розряду батарей LM17500 виробництва компанії SAFT і CR17450 іншого виробника при температурі 20 ° С, постійному розрядному струмі 5 мА і імпульсах амплітудою 150 мА / 300 мА / 450 мА / 600 мА / 1,4 Вт по 10 імпульсів в кожній серії (рисунок 4).
Однак використання найдорожчою, самої ємної літієвої батарейки найвищої якості найвідомішого виробника не гарантує тривалої і стабільної роботи лічильника. На практиці періодично виникають випадки, коли час автономної роботи в реальних режимах експлуатації відрізняється від розрахункового в кілька разів. Оскільки тривалість міжповірочного інтервалу обчислюється роками, а заміна батареї пов'язана з великою кількістю додаткових організаційних заходів, така розбіжність зменшує рівень довіри до виробників батарейок і, як наслідок, стримує широке поширення лічильників з автономним живленням і зменшує тривалість міжповірочного інтервалу.
Коли тривалість роботи від батареї обчислюється роками, не завжди є можливість відразу перевірити на практиці правильність проектування профілю харчування. Тому виникнення масових відмов дуже болісно сприймається як виробниками приладів обліку, так і кінцевими споживачами. При аналізі причин виниклої ситуації першими під підозру зазвичай потрапляють виробники елементів живлення, оскільки після розряду перевірити якість виготовлення батарейки вже не представляється можливим. Однак в більшості випадків після підключення до аналізу представників компанії, що виробляє батарейки, виявляється, що проблема полягала або в неправильному виборі батарейки, або в інших помилках проектування лічильника.
На сьогоднішній день проектування будь-якого приладу, здатного працювати більше 10 років від однієї батарейки в складних умовах навколишнього середовища, більше схоже на мистецтво, ніж на рутинну інженерну роботу, оскільки будь-якої чіткої методики розрахунку часу роботи батареї на такий строк не існує. Розглянемо основні особливості використання літієвих батарей, які необхідно враховувати при проектуванні лічильників з тривалим часом автономної роботи.
Літієві елементи діляться на три основні групи, які мають різний хімічний склад, характеристики і, відповідно, різні особливості і сфери застосування.
- Елементи на основі діоксиду сірки (Li-SO2) мають напругу 2,9 В, тривалий термін зберігання (до 20 років) і здатні працювати в умовах екстремально низьких температур. Вони в основному застосовуються у військових додатках. Для цивільного і комерційного застосування, як правило, використовуються елементи на основі діоксиду марганцю і тіонілхлориду.
- Елементи на основі діоксиду марганцю (Li-MnO2) є найбільш вивченими як з точки зору технології виготовлення, так і особливостей експлуатації і, відповідно, найбільш затребуваними на ринку. Ці елементи мають номінальну напругу 3,0 В і здатні, залежно від конструкції, забезпечувати струм від 0,1 до декількох ампер. Термін зберігання даних елементів становить 5 ... 10 років, тривалість роботи - 5 ... 15 років при температурі навколишнього середовища до -40 ° С.
- Елементи на основі тіонілхлориду (Li-SOCl2) мають найбільшу питому ємність. Тіонілхлорідний елемент, в залежності від конструкції, здатний генерувати струм від декількох мікроампер до декількох сотень міліампер при напрузі 3,6 В. Тривалість зберігання цих елементів становить 10 ... 15 років, а термін експлуатації - 10 ... 20 років. Завдяки низькій температурі замерзання тіонілхлориду, який дорівнює -130 ° С, ці елементи мають найширший діапазон робочих температур. Звичайний тіонілхлорідний елемент здатний ефективно функціонувати при температурі -55 ... 85 ° С. При цьому існують елементи, здатні працювати в умовах як екстремально низькою (-150 ° С), так і високою (200 ° С) температури.
Максимальний струм, який може віддавати літієвий елемент, залежить від його конструкції, яка може бути Бобін або спіральної (рисунок 6).
а)
б)
Мал. 6. Конструкція літієвих елементів SAFT: а) бобінного і б) спірального типу
Елементи з бобіни конструкцією мають низький рівень саморозряду і призначені для тривалого застосування в додатках з невеликим, що не перевищує 150 мА, струмом постійного або імпульсного характеру. При правильній експлуатації термін служби бобінного елемента може досягати більше 20 років.
Елементи спіральної конструкції, завдяки більшій площі літієвого контакту, в імпульсному режимі здатні забезпечити струм до 4 А, а в режимі постійного розряду - 0,1 ... 1,8 А, однак саморазряд спіральних елементів на порядок більше, ніж у бобінних (до 10% в рік при несприятливих умовах зберігання або експлуатації), що не дозволяє їх використовувати в додатках, що вимагають наддовго часу роботи без заміни батареї.
Особливістю літієвих батарей є змінюється значення внутрішнього опору через пасивації анода, яка найбільш яскраво проявляється в тіонілхлорідних елементах. Літій і тіонілхлорид мають високий рівень хімічної активності. При складанні батарейки ці дві речовини реагують один з одним, в результаті чого на поверхні анода утворюється плівка хлориду літію, що не розчиняється в тіонілхлоридом. Ця плівка зупиняє реакцію, запобігаючи слушні витрата літію. Аналогічна реакція відбувається з алюмінієм, який також є надзвичайно активним металом. При зіткненні з повітрям на поверхні алюмінієвих виробів утворюється міцна, хімічно пасивна плівка, що припиняє подальше окислення. Завдяки їй алюмінієві вироби можна використовувати як в повітрі, так і у воді без будь-якої додаткової захисту від корозії.
Товщина ізолюючої плівки тіонілхлорідних елементів непостійна і залежить від великої кількості факторів. Освіта плівки відбувається безперервно, незалежно від того, використовується батарейка чи ні. Оскільки плівка утворюється в результаті хімічної реакції, то швидкість її утворення безпосередньо залежить від температури навколишнього середовища. При збільшенні температури швидкість утворення плівки збільшується, тому чим довше зберігається елемент і чим вище температура його зберігання - тим більше товщина плівки. Зменшити товщину плівки можна або шляхом механічного впливу, або шляхом пропускання через елемент розрядного струму. Ізолюючу плівку ефективно розчиняє навіть невеликий розрядний струм.
Оскільки пассивация призводить до збільшення внутрішнього опору, то після тривалого зберігання при високих температурах батарейка, незважаючи на наявність достатнього запасу енергії, в перший час не здатна забезпечити прилад харчуванням потрібної якості. Під час розряду на внутрішньому опорі батарейки виникає падіння напруги, пропорційне величині розрядного струму. При невеликих токах розряду просадка напруги незначна і не призводить до відмови приладу, але при збільшенні струму напруга на висновках батарейки може виявитися менше напруги відключення приладу (рисунок 7). У цьому випадку перед установкою батарейки необхідно попередньо виконати її депассівацію, яка полягає в розряді невеликим струмом до тих пір, поки напруга на її висновках не стабілізується.
Мал. 7. Напруга на висновках пасированого літій-тіонілхлорідного елемента
Більш складні процеси відбуваються під час роботи приладу. При розряді постійним струмом величини, яка відповідає струмом саморозряду батареї, що характерно для лічильників з провідними інтерфейсами передачі даних, що працюють автономно (поза систем ЛОСОД / АКУЕ) або використовують батарейку в якості аварійного джерела енергії, швидкість наростання плівки може виявитися більше швидкості її розчинення. Якщо не вживати ніяких заходів, то наростання плівки і, відповідно, зменшення напруги батарейки будуть відбуватися безперервно аж до відмови приладу, який зазвичай настає набагато раніше запланованого часу. Час настання відмови в чому залежить від температури зберігання і експлуатації і може сильно відрізнятися навіть для лічильників з однієї партії. Оскільки відмова приладу стався через пасивації елемента живлення, а не через його розряду, то вирішення проблеми «в лоб» - установкою батарейки більшої місткості - може тільки погіршити ситуацію, оскільки більш ємкі елементи, як правило, мають велику швидкість наростання плівки . Тому при такому підході може вийти парадоксальна ситуація, при якій прилад з більш ємною батареєю буде працювати меншу кількість часу, ніж з елементом меншої ємності.
Для продовження часу життя лічильника, яке споживає постійний струм невеликої величини, під час роботи необхідно виконувати періодичну депассівацію елемента живлення шляхом збільшення споживаного струму. Частоту виконання депассіваціі і величину розрядного струму в більшості випадків необхідно підбирати експериментально, в залежності від реальних умов експлуатації. Рекомендується плавне збільшення розрядного струму з обов'язковим контролем напруги живлення до моменту його стабілізації на деякому рівні. Депассівацію імпульсним струмом великої величини для подібних приладів робити не рекомендується, оскільки в цьому випадку напруга живлення може істотно зменшитися, що призведе до відмови приладу. Також слід пам'ятати, що на депассівацію витрачається частина енергії батарейки, тому занадто часте її виконання також призводить до зменшення часу автономної роботи.
Ще більш складна ситуація в лічильниках, обладнаних радіомодулями або оптичними інтерфейсами. Передача даних по цих інтерфейсів вимагає великої витрати енергії, тому такі лічильники мають яскраво виражений імпульсний характер споживання струму. З одного боку, такий характер споживання усуває проблему депассіваціі - під час сеансу передачі даних ізолює плівка в більшості випадків розчиняється без залишку. З іншого боку, повне розчинення плівки також негативно позначається на терміні служби елемента. Після закінчення токового імпульсу літій і тіонілхлорид відразу ж вступають в хімічну реакцію, швидкість якої через відсутність захисного бар'єру набагато більше, ніж швидкість утворення плівки при розряді постійним струмом. Таким чином, при кожному сеансі зв'язку енергія батарейки витрачається не тільки на передачу даних, а й на її подальшу пасивацію (рисунок 8). При частих сеансах зв'язку цей додатковий витрата енергії необхідно обов'язково враховувати при проектуванні, оскільки він може призвести до помітного скорочення часу роботи батарейки.
Кількість літію, який витрачається на освіту плівки після токового імпульсу, також залежить від багатьох параметрів, які зазвичай в технічній документації не наводяться. Тому при яскраво вираженому імпульсному характері споживання для розрахунку середнього терміну служби батареї слід звернутися до виробника, оскільки тільки він знає всі особливості фізико-хімічних процесів, що відбуваються всередині неї. Наприклад, компанія SAFT для своїх клієнтів розрахунок терміну служби батареї може виконати безкоштовно.
При імпульсному характері споживання ще однією проблемою може виявитися тривалість часу між сеансами зв'язку. При регулярному обміні даними з невеликими проміжками часу, наприклад, при безперервному моніторингу системи, пассивации елемента може не відбутися. Однак якщо тривалість між інтервалами зв'язку становить місяць і більше, що для лічильників цілком нормально, то за цей час може статися пассивация, і батарейка виявиться не в змозі забезпечити лічильник енергією, достатньою для обміну даними (малюнок 9). Ця ж ситуація може статися, якщо лічильник тривалий час не використовується, наприклад, при моніторингу сезонних об'єктів. В цьому випадку в прилад також необхідно вбудовувати необхідні вузли, і при великих перервах між сеансами зв'язку періодично проводити депассівацію.
Мал. 8. Пассивация елемента після розряду великим струмом
Мал. 9. Пассивация елемента при тривалій перерві між сеансами зв'язку
Термін служби елемента живлення, особливо в разі приладів з оптичними або радіоінтерфейсом, безпосередньо пов'язаний з кількістю сеансів обміну даними. При визначенні їх ймовірної кількості слід звертати увагу на особливості роботи лічильника в аварійних режимах роботи системи. Наприклад, при використанні GSM / GPRS-технологій енергія батареї витрачається не тільки на передачу даних, а й на пошук і реєстрацію приладу в мережі мобільного оператора. Якщо лічильник розташований в зоні невпевненого прийому або мобільний оператор в цій соте працює нестабільно, то кількість сеансів обміну, в тому числі - і невдалих, може істотно перевищувати розрахункове значення.
У будь-якому випадку кількість енергії рекомендується ретельно контролювати. Для цієї мети можна використовувати спеціалізовані мікросхеми, наприклад, MAX17хх виробництва компанії MAXIM Integrated, які для оцінки заряду батареї використовують спеціально розроблену математичну модель літієвого елемента ModelGauge ™ (рисунок 10). Мікросхеми визначають кількість енергії, спожитої від батареї, в тому числі - і з урахуванням температури навколишнього середовища. На підставі цих даних можна прогнозувати, що залишився роботи.
Мал. 10. Схема включення витратоміра MAX17040 / MAX17041
І останній момент, на який необхідно звернути увагу при проектуванні лічильників - величина саморозряду батареї і струму витоку приладу. Якщо планується експлуатувати прилад без заміни елемента живлення більше 10 років, необхідно звернути увагу на струм витоку всіх елементів ланцюга харчування (розв'язують конденсаторів, мікроконтролера, друкованої плати і так далі), оскільки значний струм витоку може скоротити час роботи від батареї на кілька років. У будь-якому випадку за паспортними даними елементів для відповідної температури необхідно визначити кількість енергії, яке буде витрачено на витік за весь термін експлуатації.
Підводячи підсумки, можна відзначити наступне. Розробка лічильника ресурсів для автоматизованих систем ЛОСОД / АСКОЕ, здатного в жорстких умовах експлуатації відпрацювати без заміни батареї 15 років і більше, на сьогоднішній день цілком реальна. Однак без глибокого розуміння всіх процесів, що протікають як в приладі, так і в елементі живлення, результат проектування буде, швидше за все, незадовільним. На сьогоднішній день батарейки, здатні ефективно віддавати енергію протягом тривалого часу, випускаються багатьма провідними світовими виробниками хімічних джерел струму. Однак брак досвіду розробників подібного обладнання призводить до того, що рівень довіри до таких батареям поки недостатньо високий, навіть незважаючи на те, що більшість виробників відкрито для діалогу і може надати необхідну консультацію. І якщо в даному матеріалі виділити універсальну рекомендацію для розробників, то вона буде полягати в наступному: при складних умовах експлуатації протягом тривалого часу батарейка, втім, як і будь-який інший елемент, стає важливою, а часом і унікальною частиною вашого приладу, а виробник батарейки мимоволі ставиться повноцінним співавтором вашого пристрою. Тому найкращим рішенням у складній ситуації є звернення до виробника елемента живлення для отримання необхідних консультацій, які допоможуть вам швидко і ефективно вирішити поставлену задачу.