Додавання бездротового датчика температури до занурювального нагрівача PTFE теоретично здається простим. На практиці прокладка дротів через корозійне технологічне середовище або заміна батарей у гарячих хімічних корпусах створює проблеми з обслуговуванням, проблеми з надійністю та ризики забруднення. Нова дослідницька концепція пропонує радикально інший підхід: дозволити самій поверхні PTFE генерувати електроенергію, необхідну для живлення датчика.
Коли рідина тече через PTFE, може виникнути крихітний статичний електричний заряд через явище, відоме як трибоелектрика. Цей заряд, хоч і надзвичайно малий, з часом може стати достатнім для роботи над-електроніки-потужності. Результатом може стати-саможивляча сенсорна платформа, у якій сама технологічна рідина стає джерелом енергії для бездротового моніторингу.
Концепція, що лежить в основітрибоелектричний датчик нагрівача PTFEявляє собою одне з найбільш інтригуючих перетинів передового матеріалознавства, термічної обробки та промислового Інтернету речей.
Розуміння трибоелектричного ефекту
Трибоелектрика означає генерування електричного заряду через контакт і розділення між різними матеріалами.
Трибоелектричні серії ранжують матеріали відповідно до їхньої тенденції отримувати або втрачати електрони під час цих взаємодій. ПТФЕ знаходиться в крайньому негативному кінці цієї серії і широко вважається одним із найбільш електронегативних матеріалів, відомих.
Коли молекули рідини рухаються через поверхню PTFE, на межі розділу може статися поділ зарядів. Залежно від хімічного складу рідини, умов потоку та концентрації іонів, електрони можуть переважно накопичуватися на PTFE, тоді як протилежні заряди залишаються в рідині.
За умов течії ця безперервна взаємодія створює невеликий, але постійний електричний потенціал.
У звичайних промислових системах такий статичний заряд зазвичай вважається небажаним і може потребувати заземлення або розсіювання. Однак у нових дослідженнях-збирання енергії цей заряд стає потенційним джерелом енергії.
Як може працювати трибоелектричний датчик нагрівача PTFE
Передбачена система концептуально проста, але технологічно складна.
ПТФЕ занурювальний нагрівач включатиме:
Вбудований провідний електрод
Схема збору енергії
Мініатюрний конденсатор або суперконденсатор
Датчик над-низької-потужності
Модуль бездротового зв’язку-з низьким споживанням енергії
Коли рідина тече по поверхні PTFE, трибоелектричний заряд накопичується на вбудованому електроді. Зібраний заряд потім повільно зберігається в невеликому резервуарі енергії.
З часом може накопичитися достатньо енергії, щоб ненадовго забезпечити:
Датчик температури
Монітор провідності
Датчик стану процесу
Bluetooth-з низьким споживанням енергії або бездротова передача
Рідина, що тече, стає шнуром живлення датчика, усуваючи потребу у звичайній зовнішній електропроводці.
Трибоелектричні наногенератори та PTFE
Багато з цих концепцій спираються на пристрої, відомі як трибоелектричні наногенератори, які зазвичай скорочено називають TENG.
TENG перетворює механічний рух або взаємодію рідини в корисну електричну енергію за допомогою трибоелектричного перенесення заряду та електростатичної індукції.
У системах на основі PTFE- надзвичайно негативна трибоелектрична поведінка матеріалу робить його дуже привабливим для таких застосувань.
Трибоелектричний наногенератор може генерувати напрочуд високі напруги за відповідних умов, але доступний струм залишається надзвичайно малим.
Типові вихідні характеристики включають:
НАПРУГА
Дуже низький струм
Періодична генерація енергії
Мікроват-рівні потужності
Цей робочий профіль погано узгоджується зі звичайною електронікою, але все краще збігається з сучасними технологіями сенсорів із ультра-низькою-потужністю.
Чому PTFE є особливо привабливим для збору енергії
PTFE вже займає центральну роль у хімічних системах опалення через:
Виняткова хімічна стійкість
Електроізоляційні властивості
Термостабільність
Антипригарна поверхня-
Відкриття того, що той самий матеріал може також генерувати корисний електричний заряд під час потоку рідини, створює переконливу багатофункціональну можливість.
Майбутній PTFE нагрівач потенційно може служити:
Нагрівальний прилад
Хімічно інертна технологічна поверхня
Електричний ізолятор
Структурний компонент
Автономне джерело живлення датчика
Ця конвергенція функцій тісно пов’язана з ширшими тенденціями інтелектуального виробництва, зосередженими на вбудованому інтелекті та розподіленому зондуванні.
Потенційне промислове застосування
Якщо достатньо зрілий, aтрибоелектричний датчик нагрівача PTFEплатформа може підтримувати численні промислові програми.
Резервуари для хімічної обробки
Бездротовий моніторинг температури всередині агресивних кислот або розчинників може стати простішим без вразливих проникнень проводів.
Вологі стенди напівпровідників
Ультра{0}}чисті сенсорні вузли-без батареї можуть зменшити занепокоєння забрудненням у висококонтрольованому технологічному середовищі.
Дистанційне технологічне обладнання
Датчики- з автономним живленням можуть бути корисними для установок, де звичайна проводка є дорогою або її важко обслуговувати.
Системи прогнозованого технічного обслуговування
Автономні мережі зондування могли б постійно контролювати:
Температура нагрівача
Умови течії
вібрація
Стабільність процесу
Хімічний вплив
Оскільки сенсорний вузол збирає енергію безпосередньо від руху рідини, вимоги до обслуговування можуть бути значно зменшені.
Поточні обмеження технології
Незважаючи на концептуальну привабливість, ця технологія в основному залишається на стадії досліджень і експериментальних розробок.
Кілька основних технічних проблем залишаються невирішеними.
Надзвичайно низька вихідна потужність
Сучасні трибоелектричні системи збирання зазвичай працюють у діапазоні мікроват.
Це обмеження суворо обмежує:
Складність датчика
Частота передачі даних
Дальність зв'язку
Можливість-моніторингу в реальному часі
У багатьох експериментальних системах енергія повинна накопичуватися протягом хвилин, перш ніж може відбутися одна коротка бездротова передача.
Залежність від властивостей рідини
Генерація заряду сильно залежить від:
Хімія рідини
провідність
Концентрація іонів
Швидкість течії
Стан поверхні
Деякі рідини створюють значно сильніші трибоелектричні ефекти, ніж інші.
Не-полярні розчинники та певні іонні розчини можуть спричиняти більш ефективне розподілення зарядів, ніж рідини з високою провідністю.
Екологічна стабільність
Промислове середовище створює такі ускладнення, як:
Обростання
Поверхневе забруднення
Мінливість вологості
Хімічна деградація
Електричний шум
Підтримка стабільної довгострокової-ефективності збору енергії в реальних промислових умовах залишається проблемою для досліджень.
Ефективність зберігання енергії
Оскільки трибоелектричні системи генерують крихітні струми, ефективна електроніка накопичення енергії стає критично важливою.
Втрати в ланцюзі заряджання можуть легко перевищити зібрану енергію, якщо електроніку не оптимізовано спеціально для роботи з над-низьким-потужністю.
З’єднання промислового Інтернету речей
Довгострокове значення-трибоелектричного збирання виходить за рамки лише обігрівачів.
Промислові об’єкти все більше покладаються на розподілені мережі зондування для:
Прогнозне обслуговування
Оптимізація процесів
Моніторинг активів
Енергоменеджмент
Системи безпеки
Розгортання традиційних датчиків часто обмежується:
Вартість проводки
Заміна батареї
Жорстке середовище
Доступність обслуговування
Архітектура сенсора з автономним-живленням може значно спростити широкомасштабне-розгортання бездротових промислових систем зондування.
Концепція збору енергії безпосередньо з технологічного потоку особливо приваблива, оскільки процес, що контролюється, одночасно забезпечує робочу потужність.
Чому бачення залишається переконливим
Хоча рівні потужності зараз невеликі, основна концепція залишається надзвичайно елегантною.
Хімічно інертна поверхня PTFE вже існує всередині технологічного середовища. Рідина вже безперервно тече по цій поверхні. Якщо завдяки цій взаємодії можна надійно отримати навіть невелику кількість електроенергії, стають можливими абсолютно нові класи автономних промислових пристроїв.
Відсутність батарей дає кілька переваг:
Відсутність деградації акумулятора
Без інтервалів заміни
Зменшені вимоги до обслуговування
Менший ризик зараження
Спрощені вимоги до ущільнення
Крім того, усунення зовнішньої проводки зменшує потенційні шляхи корозії та ускладнює монтаж.
Для жорстких хімічних середовищ ці переваги особливо привабливі.
Висновок
Концепція, що лежить в основітрибоелектричний датчик нагрівача PTFEпоєднує передове матеріалознавство, електроніку з ультра-низьким{1}}потужністю та інженерію промислових процесів у багатообіцяючу технологію майбутнього. Використовуючи природні трибоелектричні властивості PTFE, крихітні кількості електричного заряду, що генерується текучою рідиною, можуть зрештою живити автономні бездротові сенсорні вузли без батарей або зовнішньої проводки.
Хоча поточні системи трибоелектричних наногенераторів залишаються обмеженими рівнями потужності-в мікроватах і дослідницькими-етапами реалізації, довгострокове-бачення є переконливим. PTFE-нагрівач, який живить свою власну сенсорну систему, використовуючи саму рідину, яку він нагріває, представляє принципово новий підхід до промислового моніторингу.
Трибоелектричне збирання з робочої рідини нагрівача PTFE сьогодні залишається концепцією блакитного-неба, але з часом це може допомогти створити всеохоплюючі-мережі датчиків, які не потребують обслуговування, на всій підключеній фабриці. Майбутнє промислового зондування може зрештою отримувати живлення від статичної електрики.
