آینده برداشت انرژی تریبوالکتریک از جریان سیال به سنسورهای گرمکن PTFE چیست؟

افزودن سنسور دمای بی سیم به بخاری غوطه وری PTFE از نظر تئوری ساده به نظر می رسد. در عمل، مسیریابی سیم‌ها از طریق محیط‌های فرآیند خورنده یا تعویض باتری‌ها در داخل محفظه‌های گرم شیمیایی، موانع نگهداری، مشکلات قابلیت اطمینان و خطرات آلودگی ایجاد می‌کند. اما یک ایده مطالعاتی جدید رویکردی اساسا متفاوت را پیشنهاد می‌کند: اینکه سطح PTFE خودش برق را برای کارکرد حسگر ایجاد کند.

تریبوالکتریکی، پدیده ای که در آن یک بار الکتریکی ساکن کوچک هنگام عبور مایع از PTFE ایجاد می شود، می تواند رخ دهد. این هزینه، هر چند اندک، در نهایت می‌تواند برای تامین انرژی ابزارهای{1} بسیار کم مصرف کافی باشد. چنین سناریویی می‌تواند منجر به یک پلت‌فرم حسگر خود- شود که در آن سیال فرآیند خود منبع انرژی برای نظارت بی‌سیم است.

اصل کار سنسور گرمکن PTFE جمع‌آوری انرژی سه‌الکتریک یکی از جالب‌ترین تقاطع‌های علم مواد پیشرفته، پردازش حرارتی و اینترنت صنعتی اشیا است.

اثر تریبوالکتریک توضیح داده شد
تریبوالکتریسیته ایجاد بار الکتریکی در اثر تماس و جداسازی مواد غیرمشابه است.

سری تریبوالکتریک لیستی از مواد است که بر اساس احتمال به دست آوردن یا از دست دادن الکترون در این برهمکنش ها رتبه بندی شده اند. PTFE در انتهای منفی شدید این سری قرار دارد و یکی از الکترونگاتیوترین مواد شناخته شده محسوب می شود.

هنگامی که مولکول های سیال در سطح PTFE جریان می یابند، ممکن است جداسازی بار در سطح مشترک رخ دهد. بسته به شیمی سیال، شرایط جریان و غلظت یون، الکترون ها ممکن است ترجیحاً روی PTFE جمع شوند و بارهای مخالف را در مایع باقی بگذارند.

این تماس مداوم منجر به یک پتانسیل الکتریکی کوچک اما ثابت در شرایط جریان می شود.

در سیستم‌های صنعتی معمولی، چنین بار استاتیکی اغلب نامطلوب است و ممکن است نیاز به زمین یا تخلیه داشته باشد. اما در مطالعات برداشت{1} انرژی جدید، شارژ به یک منبع توان بالقوه تبدیل می‌شود.

سنسور بخاری PTFE Triboelectric چگونه کار می کند؟
سیستم طراحی شده از نظر ایده ساده اما از نظر فناوری پیشرفته است.

یک بخاری غوطه وری PTFE شامل موارد زیر است:

یک الکترود رسانای کاشته شده

مدار برداشت انرژی

یک خازن کوچک یا ابرخازن

یک سنسور بسیار کم توان

ماژول ارتباط بی سیم کم مصرف

با عبور مایع از سطح PTFE، بار تریبوالکتریک روی الکترود تعبیه شده انباشته می شود. بار جمع آوری شده به طور پیوسته در یک ذخیره انرژی کوچک انباشته می شود.

با توجه به زمان، ممکن است برای مدت کوتاهی انرژی کافی تولید کنید:

یک دماسنج

مانیتور هدایت

سنسور شرایط فرآیند

انتقال بی سیم یا بلوتوث کم مصرف

مایع جاری به عنوان کابل برق سنسور عمل می کند و نیاز به سیم کشی برق خارجی معمولی را از بین می برد.

نانو ژنراتورهای تریبوالکتریک و PTFE
بسیاری از این ایده ها بر اساس دستگاه هایی به نام نانو ژنراتورهای تریبوالکتریک یا به اختصار TENG هستند.

یک TENG حرکت مکانیکی یا برهمکنش با یک سیال را با استفاده از انتقال بار تریبوالکتریک و القای الکترواستاتیک به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل می کند.

رفتار تریبوالکتریک منفی قوی سیستم‌های مبتنی بر PTFE-مواد را برای چنین اهدافی بسیار مناسب می‌سازد.

یک نانو ژنراتور تریبوالکتریک ممکن است در شرایط ایده آل ولتاژهای بسیار بالایی ایجاد کند، اگرچه جریان موجود هنوز بسیار کم است.

مشخصه های خروجی معمولی عبارتند از:

ولتاژ بالا

جریان بسیار کم

تولید برق متناوب

سطوح توان میکرو وات

این نمایه عملیاتی برای وسایل الکترونیکی معمولی تطابق ضعیفی دارد، اما برای فناوری‌های حسگر فوق‌العاده-کم- فعلی، به‌طور فزاینده‌ای مناسب است.

چرا PTFE به ویژه برای برداشت انرژی جذاب است
PTFE در سیستم های گرمایش شیمیایی مهم است زیرا:

مقاومت شیمیایی عالی

• خاصیت عایق الکتریکی

پایداری حرارتی

رفتار سطوح نچسب-

چشم انداز هیجان انگیز چند منظوره این است که همان ماده همچنین می تواند بار الکتریکی قابل استفاده را هنگامی که سیال روی آن جریان می یابد ایجاد کند.

بخاری PTFE را می توان برای موارد زیر استفاده کرد:

یک وسیله گرمایشی

یک لاینر فرآیند بی اثر شیمیایی

یک نارسانای الکتریکی

یک عنصر ساختاری

منبع تغذیه برای حسگر{0}خودکار

این تلاقی قابلیت ها به خوبی با روندهای بزرگتر در تولید هوشمند با تأکید بر هوش تعبیه شده و سنجش توزیع شده هماهنگ است.

کاربردهای صنعتی احتمالی
هنگامی که به اندازه کافی بالغ شد، یک فناوری حسگر گرمکن PTFE جمع آوری انرژی تریبوالکتریک می تواند یک نامزد امیدوارکننده برای پشتیبانی از بسیاری از کاربردهای صنعتی باشد.

کشتی های پردازش شیمیایی
این امر می‌تواند نظارت بی‌سیم دما را در اسیدهای خشن یا حلال‌ها بدون هیچ گونه نفوذ سیم‌کشی آسیب‌پذیر آسان‌تر کند.

نیم رسانای مرطوب
گره‌های حسگر{0}}آزاد-باتری می‌توانند به رفع نگرانی‌های آلودگی در محیط‌های صنعتی بسیار تنظیم‌شده کمک کنند.

تجهیزات فرآیند از راه دور
«سنسورهای-خودکار ممکن است برای تأسیساتی که سیم کشی سنتی گران است و نگهداری آن دشوار است مفید باشد.

سیستم های پیش بینی تعمیر و نگهداری
شبکه‌های حسگر مستقل می‌توانند به طور مداوم نظارت کنند:

دمای بخاری

شرایط جریان

ارتعاشات

قابلیت اطمینان فرآیند

تماس با مواد شیمیایی

گره حسگر انرژی را مستقیماً از حرکت سیال جمع آوری می کند و بنابراین نیاز به تعمیر و نگهداری می تواند به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

محدودیت های فعلی فناوری
این فناوری از نظر مفهومی جذاب است اما هنوز عمدتاً در مرحله تحقیق و توسعه تجربی است.

بسیاری از چالش های فنی اولیه حل نشده باقی می مانند.

مصرف برق بسیار کم
دروگرهای تریبوالکتریک موجود معمولاً در سطح میکرووات کار می کنند.

این محدودیت بسیار محدود می کند:

پیچیدگی سنسورها

فرکانس انتقال داده ها

دامنه ارتباط

قابلیت نظارت در زمان واقعی-

در بسیاری از سیستم‌های آزمایشی، چند دقیقه طول می‌کشد تا انرژی جمع شود تا یک انتقال بی‌سیم کوتاه انجام شود.

وابستگی به خصوصیات سیالات
تولید شارژ بیشتر به موارد زیر بستگی دارد:

شیمی سیالات

رسانایی (

غلظت یونی

سرعت جریان

وضعیت سطح

برخی از مایعات از نظر تریبوالکتریکی بسیار فعال تر از بقیه هستند.

توانایی آن برای جدا کردن بار در حلال‌های غیر قطبی و برخی محلول‌های یونی ممکن است مفیدتر از مایعات با رسانایی بالا باشد.

پایداری محیطی
عوارض در محیط های صنعتی عبارتند از:

رسوب کردن

آلودگی روی سطوح

تنوع در رطوبت

تجزیه شیمیایی

سر و صدای الکتریکی

با این حال، حفظ عملکرد پایدار در بلندمدت برداشت انرژی در شرایط صنعتی واقعی هنوز یک مشکل تحقیقاتی است.

بهره وری ذخیره انرژی
از آنجایی که سیستم های تریبوالکتریک جریان های بسیار کمی ایجاد می کنند، داشتن تجهیزات الکترونیکی ذخیره انرژی خوب بسیار ضروری است.

اگر وسایل الکترونیکی به‌درستی برای کارکرد با انرژی بسیار کم--کم{1} طراحی نشده باشند، تلفات در مدار شارژ می‌تواند به سرعت از انرژی گرفته شده بیشتر شود.

اتصال صنعتی به اینترنت اشیا
برداشت تریبوالکتریک پیامدهای طولانی مدتی فراتر از بخاری ها دارد.

تاسیسات صنعتی به طور فزاینده ای به شبکه های حسگر توزیع شده برای موارد زیر متکی هستند:

تعمیر و نگهداری پیش بینی

بهینه سازی فرآیند

نظارت بر دارایی

مدیریت انرژی

وسایل ایمنی

استقرار سنسور سنتی معمولاً از موارد زیر رنج می برد:

هزینه سیم کشی

باتری را تعویض کنید

محیط های افراطی

دسترسی به تعمیر و نگهداری

یک معماری حسگر{0}خودکار می‌تواند تا حد زیادی استقرار-در مقیاس وسیع سیستم‌های حسگر صنعتی بی‌سیم را تسهیل کند.

ایده استخراج مستقیم انرژی از جریان فرآیند بسیار جذاب است زیرا فرآیند نظارت شده به طور همزمان توان عملیاتی را تامین می کند.

چرا چشم انداز هنوز جذاب است
سطوح قدرت در این مرحله کوچک است، اما ایده اصلی هنوز هم بسیار زیبا است.

محیط فرآیند از قبل دارای سطح PTFE بی اثر شیمیایی است. آن سطح قبلاً با سیال جاری پوشیده شده است. اگر بتوانیم به طور مداوم حتی مقادیر کمی از انرژی الکتریکی را از آن تعامل برداشت کنیم، کلاس های کاملاً جدیدی از دستگاه های صنعتی مستقل را قابل تصور می کند.

مزایا: بدون نیاز به باتری.

بدون خراب شدن باتری

بدون دوره تعویض

دسترسی کمتری به تعمیر و نگهداری مورد نیاز است.

احتمال آلودگی کمتر

الزامات آب بندی آسان تر

همچنین عدم سیم کشی بیرونی مسیرهای خوردگی بالقوه و پیچیدگی نصب را کاهش می دهد.

این مزایا به ویژه در شرایط شیمیایی شدید مطلوب هستند.

نتیجه گیری:
مفهوم حسگر گرمکن PTFE جمع‌آوری انرژی سه‌الکتریک، یک فناوری آینده بسیار امیدوارکننده است که علم مواد پیچیده، الکترونیک-کم-و مهندسی فرآیند صنعتی را با هم ترکیب می‌کند. مقادیر ناچیزی از بار الکتریکی ایجاد شده توسط مایع جاری می‌تواند روزی گره‌های حسگر بی‌سیم مستقل را بدون باتری یا کابل خارجی تغذیه کند و از ویژگی‌های تریبوالکتریک ذاتی PTFE استفاده کند.

سیستم‌های نانو ژنراتور تریبوالکتریک کنونی هنوز به سطوح توان میکرووات و پیاده‌سازی‌های تحقیقاتی-محدود می‌شوند، اما چشم‌انداز بلندمدت-ش جالب است. یک رویکرد جدید برای نظارت صنعتی یک بخاری PTFE با یک سیستم{3}}خود حسگر است که توسط سیال در حال گرم شدن هدایت می شود.

اما امروزه استخراج تریبوالکتریک از سیال کار بخاری PTFE هنوز یک مفهوم آسمان آبی-است که در نهایت می‌تواند به ایجاد شبکه‌های حسگر گسترده و رایگان-در سراسر کارخانه متصل کمک کند. الکتریسیته ساکن روزی می تواند آینده حسگرهای صنعتی را تامین کند.