簡述智能蒸汽渦街流量計的設計方案
發布時間：2022-03-29 10:58:18 瀏覽量：4347
摘要：介紹了溫差發電的原理，運用低功耗儀器的規劃辦法，研制了一套根據蒸汽的溫差發電、充電功用的低功耗無線渦街流量計。引進無線通信方法，摒棄了傳統自動化儀器布線繁瑣的缺點。該流量計具有較好的實用價值。
要害字：溫差發電電能處理無線數據通信低功耗智能渦街流量計
溫差發電是運用熱電改換材料將熱能轉化為電能的全靜態發電方法，具有無噪音、無污染、無磨損、壽數長、體積小等利益，但其輸出電壓動搖大、輸出功率小，適用于細小功率的設備運用。
溫差發電有完善的物理理論基礎和成熟的溫差發電片制造技術的支撐，從20世紀60年代初步，連續有一批溫差發電機成功用于航天飛機和軍事領域。近幾年跟著溫差發電片出產成本的下降與改換功率的不斷提高，溫差發電技術在工業和民用方面體現出了杰出的運用遠景。
德國Micropelt公司用MEMS薄膜熱電技術，在1mm2的面積內安置了100多個熱電偶。該公司的溫差發電片MPG-D651，面積僅為8.4mm2，每10℃的溫差能產生1.4V電壓。該公司與施耐德公司協作出產的用于設備在電力母線上的溫度傳感器具有無需替換電池的特征。美國Hi-Z公司為車輛余熱改換研制的一種熱電模塊，由71對碲化鉍熱電偶聯接起來，模塊在溫差200℃時，輸出電壓為2.38V，功率為19W。日本精工儀器公司研制出一種運用人的體溫發電的手表用電池，是運用Bi-Te材料制成的溫差發電部件，電池標準為2mm×2mm×1.3mm，由50個熱電偶串聯組成，1℃的溫差可產生20mV的電壓，輸出功率為1μW。
溫差發電的底子原理是塞貝克效應。當溫差發電片熱端置于高溫環境（TH）中、冷端置于低溫環境（TL）（相對于熱端）中時，就會產生電勢差VOC。其間，S標明溫差發電片的塞貝克系數，它是由材料本身的電子能帶結構決定的系數。
如圖1所示，溫差發電片的底子單元是熱電偶，它由P型、N型半導體經過金屬導流片聯接在一起，當給熱端施加熱源時，N型半導體中帶負電的自由電子會向冷端渙散，P型半導體中帶正電的空穴向冷端渙散，這樣構成了由N向P的電流，在冷端構成電勢差。如圖2所示，一個成型的溫差發電片是由若干個這樣的熱電偶對串聯而成。1蒸汽渦街流量計的低功耗規劃
低功耗儀器的規劃技術其電路選用低功耗器件、低電壓、較低的作業頻率以及部件可睡覺的作業方法。圖3是本文研制的低功耗蒸汽渦街流量計的組成框圖，從功用看相當于把溫度傳感器、壓力傳感器、渦街流量變送器、流量積算儀集成在一起的可電池供電的自動化儀器。
圖3無線渦街流量計框圖壓電晶體用于檢測渦街頻率、核算蒸汽的體積流量。由低功耗運放組成的前置擴展電路可以做到約30μA電流，傳感部分的低功耗是研制低功耗渦街流量計的前提條件。
微控制器（MCU）的選擇是智能儀器規劃的要害之一。本文選用TI公司的16bit超低功耗微處理器MSP430-F5438A，它具有集成度高、性價比好等利益。
渦街流量計檢測流體的流量為體積流量，而在蒸汽貿易結算時選用質量流量，因此需求根據蒸汽的溫度和壓力求取蒸汽的密度。溫度傳感器選用PT1000，壓力傳感器選用渙散硅壓阻式傳感器MB18，傳感信號調度電路選用MAXIM公司的18bitA/D改換器MAX1403。MAX1403包括恒流激勵源、程控擴展器、多個差分輸入通道等資源，作業電流約為250μA，在低功耗方式下僅為2μA。為了下降整個系統的功耗，A/D采樣的時間距離是可以設定的，不采樣時關斷MAX1403。
無線數據通信簡化了布線問題。CC1101是TI公司的低成本單片UHF收發器，具有功耗低、運用簡略等特征；支撐多種調制格式，載波頻率可在300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz等規劃內選擇；數據傳輸率最高可達500Kb/s。本文選用433MHz載波，用SPI接口與CC1101聯接。運用CC1101的Wake-On-Radio（WOR）功用，即在無需MCU干與下周期性地從睡覺方式醒來偵聽數據包。一旦偵聽到有用數據，向MCU產生間斷，MCU可及時接納數據，數據處理完畢后進入CC1101的發送方式，數據發送完畢，再進入偵聽方式，以下降功耗。通信協議的運用層選用MODBUS協議。
為保證低功耗和寬溫的功用，流量計需求根據顯現內容而定制LCD，因此選用集成串行接口的LCD驅動芯片HT1621；4個按鍵分別為功用鍵、移位鍵、數字鍵和退出鍵，用于參數設置；被設置的參數以及記載的數據存放在I2C接口、容量為128KB的E2PROM芯片FM25V10中。
2溫差發電片的選擇和設備
常用蒸汽的溫度在400℃以下。本規劃所選用的我國納米克公司的溫差發電片（TEG），型號為TEP1-1263-3.4，標準為3cm×3cm×0.4cm，基片選用耐高溫熱電Bi-Te組成材料，熱面可以在高達380℃的高溫環境下連續作業，冰臉則可以在高達180℃的環境下作業；由126個熱電偶組成，最大能產生5W左右的功率，有滿足的余量滿意流量計的需求。
溫差發電片設備示意圖如圖4所示。為避開太陽光的直射而升高冰臉溫度，取熱方位選在渦街流量計的下方。由于TEG不能彎曲，而管道是圓柱形，為保證發電片充分受熱和均勻受熱，規劃了一個導熱功用好的銅質弧形導熱體，該弧形導熱體的弧面與管道經過納米克公司的耐高溫導熱硅脂無縫聯接，上平面則與溫差發電片的熱面貼在一起。為得到較大的溫差，需求在TEG冰臉選用導熱功用好的散熱片，且散熱面積盡可能大。用保溫材料包牢弧形導熱體，以削減熱量的流失。
圖4設備示意圖3電能處理
電能處理包括TEG的電能搜集、鋰電池充放電、TEG輸出電壓、鋰電池情況檢測和失常報警以及流量計各部件的作業情況控制等功用。如圖5所示，電能處理電路由TEG、DC/DC、鋰電池充電芯片、鋰電池和穩壓芯片組成。
圖5電源處理電路圖
圖6冷端溫度30℃時，開路電壓與熱端溫度的聯絡流量計電路的電源由TEG或電池供應。當管道中有蒸汽流過期TEG便發電，經二極管D1可向電路供電，此時二極管D2處于截止情況，鋰電池不向電路供電；當管道中沒有蒸汽活動時，TEG沒有電壓輸出，此時D2導通，D1截止，鋰電池向電路供電。
3.1TEG的電能采集
TEG的開路電壓與溫差的聯絡如圖6所示，輸出電壓具有較寬的規劃。為充分運用熱能，本文選取TI公司的升/降壓型DC/DC電源芯片TPIC74100-Q1采集TEG產生的電能。該芯片的輸入電壓規劃從1.5V～40V，供應5V穩定輸出電壓；升/降壓方式能自動切換，當輸入電壓低于5.8V時，進入升壓方式；當輸入電壓超出5.8V時，進入降壓方式。TPIC74100-Q1靜態作業電流為10μA，可經過期鐘調制器及可調度壓擺率，減小系統中的電磁攪擾（EMI）。
3.2鋰電池充電電路
當蒸汽管道中沒有蒸汽流過以及蒸汽剛初步流過期，在TEG上不能構成較大的溫差，不能產生電能。為防止流量計因作業不安穩而產生計量差錯，需求用后備電池。所選用的鋰電池是UltraFire16340（3.7V，880mAH），其有用充放電次數為1000次左右。
鋰電池的充電進程是一個凌亂的電化學進程，過度充電和深度放電，都會使電池容量衰減較快，電池壽數縮短。因此需求監測電池的電壓，在電池電壓達到額定值時間斷充電。在進行大電流充電時需求用熱敏電阻監測電池的溫度，以調度充電電流，防止因電池內部過熱而爆破。為保證鋰電池的充電功率、運用壽數及安全性，常采納先恒流后恒壓的兩段式充電方法對鋰電池進行充電。本規劃選用MAX8606來處理鋰電池的充電進程。
3.3電壓監測和失常判別
為保證系統的牢靠運轉，圖5中，AD0、AD1與MCU的12bitA/D輸入端聯接，分別監測TEG和鋰電池的輸出電壓。當AD0偏低且有流量信號時，標明TEG部分毛病；當經過AD1改換值預算的鋰電池輸出電壓小于3.2V時，標明鋰電池輸出電壓缺少，鋰電池有可能得不到及時地充電或內部損壞。在這些失常情況下，MCU產生并發送報警信息，以便作業人員及時處理。
4試驗
試驗時，渦街流量計在3.6V鋰電池供電的情況下進行功耗測驗，其效果如表1所示。由表可知，整機的最大作業電流挨近30mA，即需求電源能輸出的功率為0.108W，其間無線通信電路連續運轉時大約占用了92.7%的整機功耗。
熱端溫度從室溫初步上升至135℃，此時冷端溫度約為30℃，流量計初步正常作業；當鋰電池輸出電壓為3.6V（電量布滿）時，測驗TEG輸出端的電壓為2.37V，整個系統電流消耗最大為30.72mA；沒有無線通信和采樣時，電流消耗為0.95mA。
表1流量計在不同情況下的功耗測驗表妝鋰電池輸出電壓為3.2V（欠壓情況）、熱端溫度上升到200℃時，此時的冷端溫度約為45℃、TEG輸出電壓為4.13V，整個系統電流消耗最大為129.32mA；當鋰電池輸出電壓為3.6V時（電量布滿），電流消耗最大為32.52mA。
當在有蒸汽流過管道、溫差發電片兩頭的溫差至少在105℃時，能給系統供應持續、安穩的電源；當溫差至少在155℃時能給欠壓的鋰電池充電。
溫差發電和無線通信技術的運用，摒棄了傳統自動化儀器布線繁鎖的缺點，完結了無電源線和數據線的新式蒸汽渦輪流量計，該流量計具有較好的實用價值。