簡(jiǎn)述智能蒸汽渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案
發(fā)布時(shí)間：2022-03-29 10:58:18 瀏覽量：5053
摘要：介紹了溫差發(fā)電的原理，運(yùn)用低功耗儀器的規(guī)劃辦法，研制了一套根據(jù)蒸汽的溫差發(fā)電、充電功用的低功耗無(wú)線渦街流量計(jì)。引進(jìn)無(wú)線通信方法，摒棄了傳統(tǒng)自動(dòng)化儀器布線繁瑣的缺點(diǎn)。該流量計(jì)具有較好的實(shí)用價(jià)值。
要害字：溫差發(fā)電電能處理無(wú)線數(shù)據(jù)通信低功耗智能渦街流量計(jì)
溫差發(fā)電是運(yùn)用熱電改換材料將熱能轉(zhuǎn)化為電能的全靜態(tài)發(fā)電方法，具有無(wú)噪音、無(wú)污染、無(wú)磨損、壽數(shù)長(zhǎng)、體積小等利益，但其輸出電壓動(dòng)搖大、輸出功率小，適用于細(xì)小功率的設(shè)備運(yùn)用。
溫差發(fā)電有完善的物理理論基礎(chǔ)和成熟的溫差發(fā)電片制造技術(shù)的支撐，從20世紀(jì)60年代初步，連續(xù)有一批溫差發(fā)電機(jī)成功用于航天飛機(jī)和軍事領(lǐng)域。近幾年跟著溫差發(fā)電片出產(chǎn)成本的下降與改換功率的不斷提高，溫差發(fā)電技術(shù)在工業(yè)和民用方面體現(xiàn)出了杰出的運(yùn)用遠(yuǎn)景。
德國(guó)Micropelt公司用MEMS薄膜熱電技術(shù)，在1mm2的面積內(nèi)安置了100多個(gè)熱電偶。該公司的溫差發(fā)電片MPG-D651，面積僅為8.4mm2，每10℃的溫差能產(chǎn)生1.4V電壓。該公司與施耐德公司協(xié)作出產(chǎn)的用于設(shè)備在電力母線上的溫度傳感器具有無(wú)需替換電池的特征。美國(guó)Hi-Z公司為車輛余熱改換研制的一種熱電模塊，由71對(duì)碲化鉍熱電偶聯(lián)接起來，模塊在溫差200℃時(shí)，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(yùn)用人的體溫發(fā)電的手表用電池，是運(yùn)用Bi-Te材料制成的溫差發(fā)電部件，電池標(biāo)準(zhǔn)為2mm×2mm×1.3mm，由50個(gè)熱電偶串聯(lián)組成，1℃的溫差可產(chǎn)生20mV的電壓，輸出功率為1μW。
溫差發(fā)電的底子原理是塞貝克效應(yīng)。當(dāng)溫差發(fā)電片熱端置于高溫環(huán)境（TH）中、冷端置于低溫環(huán)境（TL）（相對(duì)于熱端）中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差VOC。其間，S標(biāo)明溫差發(fā)電片的塞貝克系數(shù)，它是由材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)。
如圖1所示，溫差發(fā)電片的底子單元是熱電偶，它由P型、N型半導(dǎo)體經(jīng)過金屬導(dǎo)流片聯(lián)接在一起，當(dāng)給熱端施加熱源時(shí)，N型半導(dǎo)體中帶負(fù)電的自由電子會(huì)向冷端渙散，P型半導(dǎo)體中帶正電的空穴向冷端渙散，這樣構(gòu)成了由N向P的電流，在冷端構(gòu)成電勢(shì)差。如圖2所示，一個(gè)成型的溫差發(fā)電片是由若干個(gè)這樣的熱電偶對(duì)串聯(lián)而成。1蒸汽渦街流量計(jì)的低功耗規(guī)劃
低功耗儀器的規(guī)劃技術(shù)其電路選用低功耗器件、低電壓、較低的作業(yè)頻率以及部件可睡覺的作業(yè)方法。圖3是本文研制的低功耗蒸汽渦街流量計(jì)的組成框圖，從功用看相當(dāng)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(dòng)化儀器。
圖3無(wú)線渦街流量計(jì)框圖壓電晶體用于檢測(cè)渦街頻率、核算蒸汽的體積流量。由低功耗運(yùn)放組成的前置擴(kuò)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(jì)的前提條件。
微控制器（MCU）的選擇是智能儀器規(guī)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(jià)比好等利益。
渦街流量計(jì)檢測(cè)流體的流量為體積流量，而在蒸汽貿(mào)易結(jié)算時(shí)選用質(zhì)量流量，因此需求根據(jù)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(hào)調(diào)度電路選用MAXIM公司的18bitA/D改換器MAX1403。MAX1403包括恒流激勵(lì)源、程控?cái)U(kuò)展器、多個(gè)差分輸入通道等資源，作業(yè)電流約為250μA，在低功耗方式下僅為2μA。為了下降整個(gè)系統(tǒng)的功耗，A/D采樣的時(shí)間距離是可以設(shè)定的，不采樣時(shí)關(guān)斷MAX1403。
無(wú)線數(shù)據(jù)通信簡(jiǎn)化了布線問題。CC1101是TI公司的低成本單片UHF收發(fā)器，具有功耗低、運(yùn)用簡(jiǎn)略等特征；支撐多種調(diào)制格式，載波頻率可在300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz等規(guī)劃內(nèi)選擇；數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)500Kb/s。本文選用433MHz載波，用SPI接口與CC1101聯(lián)接。運(yùn)用CC1101的Wake-On-Radio（WOR）功用，即在無(wú)需MCU干與下周期性地從睡覺方式醒來偵聽數(shù)據(jù)包。一旦偵聽到有用數(shù)據(jù)，向MCU產(chǎn)生間斷，MCU可及時(shí)接納數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理完畢后進(jìn)入CC1101的發(fā)送方式，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再進(jìn)入偵聽方式，以下降功耗。通信協(xié)議的運(yùn)用層選用MODBUS協(xié)議。
為保證低功耗和寬溫的功用，流量計(jì)需求根據(jù)顯現(xiàn)內(nèi)容而定制LCD，因此選用集成串行接口的LCD驅(qū)動(dòng)芯片HT1621；4個(gè)按鍵分別為功用鍵、移位鍵、數(shù)字鍵和退出鍵，用于參數(shù)設(shè)置；被設(shè)置的參數(shù)以及記載的數(shù)據(jù)存放在I2C接口、容量為128KB的E2PROM芯片F(xiàn)M25V10中。
2溫差發(fā)電片的選擇和設(shè)備
常用蒸汽的溫度在400℃以下。本規(guī)劃所選用的我國(guó)納米克公司的溫差發(fā)電片（TEG），型號(hào)為TEP1-1263-3.4，標(biāo)準(zhǔn)為3cm×3cm×0.4cm，基片選用耐高溫?zé)犭夿i-Te組成材料，熱面可以在高達(dá)380℃的高溫環(huán)境下連續(xù)作業(yè)，冰臉則可以在高達(dá)180℃的環(huán)境下作業(yè)；由126個(gè)熱電偶組成，最大能產(chǎn)生5W左右的功率，有滿足的余量滿意流量計(jì)的需求。
溫差發(fā)電片設(shè)備示意圖如圖4所示。為避開太陽(yáng)光的直射而升高冰臉溫度，取熱方位選在渦街流量計(jì)的下方。由于TEG不能彎曲，而管道是圓柱形，為保證發(fā)電片充分受熱和均勻受熱，規(guī)劃了一個(gè)導(dǎo)熱功用好的銅質(zhì)弧形導(dǎo)熱體，該弧形導(dǎo)熱體的弧面與管道經(jīng)過納米克公司的耐高溫導(dǎo)熱硅脂無(wú)縫聯(lián)接，上平面則與溫差發(fā)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(dǎo)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(dǎo)熱體，以削減熱量的流失。
圖4設(shè)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(cè)和失常報(bào)警以及流量計(jì)各部件的作業(yè)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(wěn)壓芯片組成。
圖5電源處理電路圖
圖6冷端溫度30℃時(shí)，開路電壓與熱端溫度的聯(lián)絡(luò)流量計(jì)電路的電源由TEG或電池供應(yīng)。當(dāng)管道中有蒸汽流過期TEG便發(fā)電，經(jīng)二極管D1可向電路供電，此時(shí)二極管D2處于截止情況，鋰電池不向電路供電；當(dāng)管道中沒有蒸汽活動(dòng)時(shí)，TEG沒有電壓輸出，此時(shí)D2導(dǎo)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(lián)絡(luò)如圖6所示，輸出電壓具有較寬的規(guī)劃。為充分運(yùn)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(chǎn)生的電能。該芯片的輸入電壓規(guī)劃從1.5V～40V，供應(yīng)5V穩(wěn)定輸出電壓；升/降壓方式能自動(dòng)切換，當(dāng)輸入電壓低于5.8V時(shí)，進(jìn)入升壓方式；當(dāng)輸入電壓超出5.8V時(shí)，進(jìn)入降壓方式。TPIC74100-Q1靜態(tài)作業(yè)電流為10μA，可經(jīng)過期鐘調(diào)制器及可調(diào)度壓擺率，減小系統(tǒng)中的電磁攪擾（EMI）。
3.2鋰電池充電電路
當(dāng)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(gòu)成較大的溫差，不能產(chǎn)生電能。為防止流量計(jì)因作業(yè)不安穩(wěn)而產(chǎn)生計(jì)量差錯(cuò)，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(shù)為1000次左右。
鋰電池的充電進(jìn)程是一個(gè)凌亂的電化學(xué)進(jìn)程，過度充電和深度放電，都會(huì)使電池容量衰減較快，電池壽數(shù)縮短。因此需求監(jiān)測(cè)電池的電壓，在電池電壓達(dá)到額定值時(shí)間斷充電。在進(jìn)行大電流充電時(shí)需求用熱敏電阻監(jiān)測(cè)電池的溫度，以調(diào)度充電電流，防止因電池內(nèi)部過熱而爆破。為保證鋰電池的充電功率、運(yùn)用壽數(shù)及安全性，常采納先恒流后恒壓的兩段式充電方法對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。本規(guī)劃選用MAX8606來處理鋰電池的充電進(jìn)程。
3.3電壓監(jiān)測(cè)和失常判別
為保證系統(tǒng)的牢靠運(yùn)轉(zhuǎn)，圖5中，AD0、AD1與MCU的12bitA/D輸入端聯(lián)接，分別監(jiān)測(cè)TEG和鋰電池的輸出電壓。當(dāng)AD0偏低且有流量信號(hào)時(shí)，標(biāo)明TEG部分毛病；當(dāng)經(jīng)過AD1改換值預(yù)算的鋰電池輸出電壓小于3.2V時(shí)，標(biāo)明鋰電池輸出電壓缺少，鋰電池有可能得不到及時(shí)地充電或內(nèi)部損壞。在這些失常情況下，MCU產(chǎn)生并發(fā)送報(bào)警信息，以便作業(yè)人員及時(shí)處理。
4試驗(yàn)
試驗(yàn)時(shí)，渦街流量計(jì)在3.6V鋰電池供電的情況下進(jìn)行功耗測(cè)驗(yàn)，其效果如表1所示。由表可知，整機(jī)的最大作業(yè)電流挨近30mA，即需求電源能輸出的功率為0.108W，其間無(wú)線通信電路連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)大約占用了92.7%的整機(jī)功耗。
熱端溫度從室溫初步上升至135℃，此時(shí)冷端溫度約為30℃，流量計(jì)初步正常作業(yè)；當(dāng)鋰電池輸出電壓為3.6V（電量布滿）時(shí)，測(cè)驗(yàn)TEG輸出端的電壓為2.37V，整個(gè)系統(tǒng)電流消耗最大為30.72mA；沒有無(wú)線通信和采樣時(shí)，電流消耗為0.95mA。
表1流量計(jì)在不同情況下的功耗測(cè)驗(yàn)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(shí)，此時(shí)的冷端溫度約為45℃、TEG輸出電壓為4.13V，整個(gè)系統(tǒng)電流消耗最大為129.32mA；當(dāng)鋰電池輸出電壓為3.6V時(shí)（電量布滿），電流消耗最大為32.52mA。
當(dāng)在有蒸汽流過管道、溫差發(fā)電片兩頭的溫差至少在105℃時(shí)，能給系統(tǒng)供應(yīng)持續(xù)、安穩(wěn)的電源；當(dāng)溫差至少在155℃時(shí)能給欠壓的鋰電池充電。
溫差發(fā)電和無(wú)線通信技術(shù)的運(yùn)用，摒棄了傳統(tǒng)自動(dòng)化儀器布線繁鎖的缺點(diǎn)，完結(jié)了無(wú)電源線和數(shù)據(jù)線的新式蒸汽渦輪流量計(jì)，該流量計(jì)具有較好的實(shí)用價(jià)值。