Un monitor remoto di pressione o portata, imbullonato a una tubazione interrata o fuori terra, deve funzionare per anni con la propria batteria mentre campiona un trasduttore alimentato e riporta tramite NB-IoT o LoRa. Il suo profilo di carico è uno studio di contrasti: una corrente di riposo di decine di microampere, una eccitazione del trasduttore di pressione di diversi milliampere per circa un secondo per campione, un burst cellulare che in media è di decine di milliampere per un paio di secondi con picchi oltre cento milliampere, e – quando colpisce un transitorio di pressione o un colpo d'ariete – un breve e intenso burst di campionamento ad alta velocità. Questo articolo scompone quel profilo e il ruolo di un buffer nichel-metallo idruro ricaricabile, specialmente nei terminali assistiti da solare.
Un terminale di monitoraggio moderno abbina un trasduttore di pressione (e talvolta portata o livello) a un microcontrollore a bassa potenza, datalogger e radio cellulare o LPWAN, sigillato a IP66–IP68 secondo IEC 60529 e classificato per un'ampia temperatura di campo – le schede dati coprono comunemente da −30 a +70 °C. Registra un profilo di pressione secondo un programma (ogni ora è tipico), genera allarmi su eventi di soglia o tasso di variazione e carica tramite NB-IoT, LTE-M o LoRaWAN. Esempi commerciali illustrano l'inviluppo di potenza: un datalogger di pressione NB-IoT che usa tre celle AA sostituibili di pochi ampere-ora dichiara fino a cinque anni, e le varianti LoRa con pacchi più grandi si estendono oltre.
Diversamente da un contatore di fatturazione legale, questa è apparecchiatura di monitoraggio industriale, governata più da EMC (serie IEC 61000), tenuta stagna e requisiti radio del gestore cellulare che dal diritto metrologico – ma la sua disciplina della batteria è altrettanto severa.
La prima figura animata traccia la corrente nel tempo. Il riposo domina sotto poche decine di microampere (i progetti migliori si avvicinano a un microampere). A ogni campione il trasduttore è eccitato – un sensore piezoresistivo o ceramico richiede diversi milliampere per la stabilizzazione, circa un secondo – mentre l'ADC prende una lettura. Secondo il programma di rapporto la radio si connette e invia, con NB-IoT mediamente dell'ordine di 35 mA per un paio di secondi in una trasmissione compatta o fino a circa 15 mA per 90 secondi in una sessione online più pesante, con picchi di 100–200 mA.
L'incognita è l'evento: un colpo d'ariete o l'arresto di una pompa innesca un campionamento rapido ad alta velocità per secondi, che è sia elaborazione sia picco di corrente. Una fonte di energia incapace di fornire quel burst in modo pulito perderà il transitorio per catturare il quale il terminale è stato installato.
La seconda figura mostra la relazione ormai familiare ma decisiva: a energia immagazzinata fissa, la vita sul campo crolla quando l'intervallo passa da giornaliero a orario a quasi continuo, perché ogni rapporto porta un'energia di aggancio cellulare fissa e ogni campione una eccitazione del trasduttore. Le valutazioni dei fornitori da due a dieci anni non sono contraddittorie – stanno in punti diversi di questa superficie, e l'estremità ad alta frequenza è dove un progetto a sola batteria primaria si esaurisce in uno o due anni.
È proprio qui che un'architettura ricaricabile cambia l'economia: abbinare un piccolo pannello solare a un buffer ricaricabile permette al terminale di campionare e riportare tanto spesso quanto la rete richiede senza penalità di vita della cella primaria.
L'impostazione predefinita per un luogo interrato senza luce è un pacco litio primario da 3,6 V di 8,5–19 Ah, scelto per densità di energia, con lo stesso problema del serbatoio di impulsi dei contatori intelligenti: la cella primaria è ricca di energia ma debole negli impulsi e si passiva, così i burst radio e di evento beneficiano di un serbatoio a bassa impedenza. Per camere fuori terra, pozzetti dei contatori con accesso leggero o montaggi su tetto/ponte tubi, un piccolo pannello fotovoltaico più un buffer ricaricabile diventa attraente e può supportare tassi di campionamento molto più alti indefinitamente.
Il NiMH sigillato è qui un eccellente buffer ricaricabile: accetta la carica irregolare del pannello, fornisce i burst di stabilizzazione del trasduttore, radio ed evento da un plateau piatto a bassa impedenza, cicla ogni giorno per anni, si scarica affidabilmente in un pozzetto invernale freddo, e usa una chimica acquosa sicura in un contenitore sigillato e incustodito.
Gli algoritmi di transitorio di pressione e rilevamento perdite necessitano di un burst di campioni rapidi quando qualcosa cambia, e la radio potrebbe dover inviare un allarme immediatamente invece di attendere il caricamento programmato. Quel campionamento ad alta velocità simultaneo più trasmissione è l'impulso di corrente del caso peggiore e non è negoziabile: un buffer dimensionato solo per il rapporto orario di routine si abbasserà o si resetterà sull'unico evento che giustifica lo strumento.
La bassa resistenza interna del NiMH e l'elevata capacità di impulso, rispetto alle sue dimensioni, consentono a un pacco modesto di coprire sia rapporti di routine sia allarmi transitori, mentre un supercondensatore sarebbe ingombrante per il carico combinato di più secondi e una cella litio primaria vedrebbe la sua tensione collassare sotto il picco.
Il brief di progettazione registra la corrente di riposo, la corrente e il tempo di eccitazione del trasduttore, gli intervalli di campionamento e rapporto, la tecnologia radio con correnti di aggancio e picco, il burst di evento del caso peggiore, l'energia solare disponibile (se presente), il grado di protezione e l'intervallo di temperatura da −30 a +70 °C. L'articolo B li trasforma in un bilancio energetico e in una decisione primaria contro ricaricabile; l'articolo C mappa il progetto su tenuta stagna, EMC ed evidenze a livello di cella.
Weijiang Power costruisce celle sigillate nichel-metallo idruro e pacchi buffer compatibili con il solare per terminali di monitoraggio pressione e portata NB-IoT e LoRa. Condivida la corrente di eccitazione del trasduttore, intervallo di campionamento e rapporto, profilo radio, dimensione del pannello solare e intervallo di temperatura, e i nostri ingegneri progetteranno un buffer NiMH saldato capace al freddo o un pacco sostituibile con gestione della carica e protezione. Vedi formati nella pagina prodotti.
