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科技日益创新无线发射渦街流量計为人们带来极

來源:江蘇創輝自動化儀表有限公司 時間:2019-11-08
摘 要:介绍了温差发电的原理,应用低功耗仪器的设计方法,研制了一套基于蒸汽的温差发电、充电功能的低功耗无线渦街流量計。引入無線通信方式。 
关键字: 温差发电 电能管理 无线数据通信 低功耗 渦街流量計 
溫差發電是利用熱電轉換材料將熱能轉化爲電能的全靜態發電方式,具有無噪音、無汙染、無磨損、壽命長、體積小等優點,但其輸出電壓波動大、輸出功率小,適用于微小功率的設備使用。 
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持,從20世紀60年代開始,陸續有一批溫差發電機成功用于航天飛機和軍事領域。近幾年隨著溫差發電片生産成本的降低與轉換效率的不斷提高,溫差發電技術在工業和民用方面表現出了良好的應用前景。 
德國Micropelt公司用MEMS薄膜熱電技術,在1mm2的面積內布置了100多個熱電偶。該公司的溫差發電片MPG-D651,面積僅爲8.4mm2,每10℃的溫差能産生1.4V電壓。該公司與施耐德公司合作生産的用于安裝在電力母線上的溫度傳感器具有無需更換電池的特點。美國Hi-Z公司爲車輛余熱轉換研制的一種熱電模塊,由71對碲化铋熱電偶連接起來,模塊在溫差200℃時,輸出電壓爲2.38V,功率爲19W。日本精工儀器公司研制出一種利用人的體溫發電的手表用電池,是使用Bi-Te材料制成的溫差發電部件,電池尺寸爲2mm×2mm×1.3mm,由50個熱電偶串聯組成,1℃的溫差可産生20mV的電壓,輸出功率爲1μW。 
溫差發電的基本原理是塞貝克效應。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,就會産生電勢差VOC。 
其中,S表示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,溫差發電片的基本單元是熱電偶,它由P型、N型半導體通過金屬導流片連接在一起,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擴散,P型半導體中帶正電的空穴向冷端擴散,這樣形成了由N向P的電流,在冷端形成電勢差。如圖2所示,一個成型的溫差發電片是由若幹個這樣的熱電偶對串聯而成。 
1 蒸汽渦街流量計的低功耗设计 
低功耗仪表的设计技术其电路采用低功耗器件、低电压、较低的工作频率以及部件可睡眠的工作方式。图3是本文研制的低功耗蒸汽渦街流量計的组成框图,从功能看相当于把温度传感器、压力传感器、涡街流量变送器、流量积算仪集成在一起的可电池供电的自动化仪表。 
图3 无线渦街流量計框图 
压电晶体用于检测涡街频率、计算蒸汽的体积流量。由低功耗运放组成的前置放大电路可以做到约30μA电流,传感部分的低功耗是研制低功耗渦街流量計的前提条件。 
微控制器(MCU)的選擇是智能儀器設計的關鍵之一。本文采用TI公司的16bit超低功耗微處理器MSP430-F5438A,它具有集成度高、性價比好等優點。 
渦街流量計测量流体的流量为体积流量,而在蒸汽贸易结算时采用质量流量,因此需要根据蒸汽的温度和压力求取蒸汽的密度。温度传感器采用PT1000,压力传感器采用扩散硅压阻式传感器MB18,传感信号调理电路采用MAXIM公司的18bitA/D转换器MAX1403。MAX1403包含恒流激励源、程控放大器、多个差分输入通道等资源,工作电流约为250μA,在低功耗模式下仅为2μA。为了降低整个系统的功耗,A/D采样的时间间隔是可以设定的,不采样时关断MAX1403。 
無線數據通信簡化了布線問題。CC1101是公司的低成本單片UHF收發器,具有功耗低、使用簡單等特點;支持多種調制格式,載波頻率可在300~348MHz、400~464MHz和800~928MHz等範圍內選擇;數據傳輸率***可達500Kb/s。本文采用433MHz載波,用SPI接口與CC1101連接。應用CC1101的Wake-On-Radio(WOR)功能,即在無需MCU幹預下周期性地從睡眠模式醒來偵聽數據包。一旦偵聽到有效數據,向MCU産生中斷,MCU可及時接收數據,數據處理完畢後進入CC1101的發送模式,數據發送完畢,再進入偵聽模式,以降低功耗。通信協議的應用層采用MODBUS協議。 
爲保證低功耗和寬溫的性能,流量計需要根據顯示內容而定制LCD,因此采用集成串行接口的LCD驅動芯片HT1621;4個按鍵分別爲功能鍵、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錄的數據存放在I2C接口、容量爲128KB的E2PROM芯片FM25V10中。 
2 温差发电片的选择和安装 
常用蒸汽的溫度在400℃以下。本設計所選用的中國納米克公司的溫差發電片(TEG),型號爲TEP1-1263-3.4,尺寸爲3cm×3cm×0.4cm,基片采用耐高溫熱電Bi-Te合成材料,熱面可以在高達380℃的高溫環境下連續工作,冷面則可以在高達180℃的環境下工作;由126個熱電偶組成,***能産生5W左右的功率,有充足的余量滿足流量計的需要。 
温差发电片安装示意图如图4所示。为避开太阳光的直射而升高冷面温度,取热位置选在渦街流量計的下方。由于TEG不能弯曲,而管道是圆柱形,为保证发电片充分受热和均匀受热,设计了一个导热性能好的铜质弧形导热体,该弧形导热体的弧面与管道通过纳米克公司的耐高温导热硅脂无缝连接,上平面则与温差发电片的热面贴在一起。为得到较大的温差,需要在TEG冷面采用导热性能好的散热片,且散热面积尽可能大。用保温材料包牢弧形导热体,以减少热量的散失。 
图4 安装示意图 
3 电能管理 
電能管理包括TEG的電能收集、锂電池充放電、TEG輸出電壓、锂電池狀態檢測和異常報警以及流量計各部件的工作狀態控制等功能。如圖5所示,電能管理電路由TEG、DC/DC、锂電池充電芯片、锂電池和穩壓芯片組成。 
图5 电源管理电路图 
图6 冷端温度30℃时,开路电压与热端温度的关系 
流量計電路的電源由TEG或電池提供。當管道中有蒸汽流過時TEG便發電,經二極管D1可向電路供電,此時二極管D2處于截止狀態,锂電池不向電路供電;當管道中沒有蒸汽流動時,TEG沒有電壓輸出,此時D2導通,D1截止,锂電池向電路供電。 
3.1 TEG的电能采集 
TEG的開路電壓與溫差的關系如圖6所示,輸出電壓具有較寬的範圍。爲充分利用熱能,本文選取TI公司的升/降壓型DC/DC電源芯片TPIC74100-Q1采集TEG産生的電能。該芯片的輸入電壓範圍從1.5V~40V,提供5V恒定輸出電壓;升/降壓模式能自動切換,當輸入電壓低于5.8V時,進入升壓模式;當輸入電壓超出5.8V時,進入降壓模式。TPIC74100-Q1靜態工作電流爲10μA,可通過時鍾調制器及可調節壓擺率,減小系統中的電磁幹擾(EMI)。 
3.2 锂电池充电电路 
當蒸汽管道中沒有蒸汽流過以及蒸汽剛開始流過時,在TEG上不能形成較大的溫差,不能産生電能。爲避免流量計因工作不穩定而産生計量誤差,需要用後備電池。所選用的锂電池是UltraFire16340(3.7V,880mAH),其有效充放電次數爲1000次左右。 
锂電池的充電過程是一個複雜的電化學過程,過度充電和深度放電,都會使電池容量衰減較快,電池壽命縮短。因此需要監測電池的電壓,在電池電壓達到額定值時停止充電。在進行大電流充電時需要用熱敏電阻監測電池的溫度,以調節充電電流,防止因電池內部過熱而爆炸。爲保證锂電池的充電效率、使用壽命及安全性,常采取先恒流後恒壓的兩段式充電方式對锂電池進行充電。本設計選用MAX8606來管理锂電池的充電過程。 
3.3 电压监测和异常判断 
爲保證系統的可靠運行,圖5中,AD0、AD1與MCU的12bitA/D輸入端連接,分別監測TEG和锂電池的輸出電壓。當AD0偏低且有流量信號時,表明TEG部分故障;當通過AD1轉換值估算的锂電池輸出電壓小于3.2V時,表明锂電池輸出電壓不足,锂電池有可能得不到及時地充電或內部損壞。在這些異常情況下,MCU産生並發送報警信息,以便工作人員及時處理。 
4 实验 
实验时,渦街流量計在3.6V锂电池供电的情况下进行功耗测试,其结果如表1所示。由表可知,整机的***工作电流接近30mA,即需要电源能输出的功率为0.108W,其中无线通信电路连续运行时大约占用了92.7%的整机功耗。 
熱端溫度從室溫開始上升至135℃,此時冷端溫度約爲30℃,流量計開始正常工作;當锂電池輸出電壓爲3.6V(電量充滿)時,測試TEG輸出端的電壓爲2.37V,整個系統電流消耗***爲30.72mA;沒有無線通信和采樣時,電流消耗爲0.95mA。 
表1 流量计在不同状态下的功耗测试表 
妝锂電池輸出電壓爲3.2V(欠壓狀態)、熱端溫度上升到200℃時,此時的冷端溫度約爲45℃、TEG輸出電壓爲4.13V,整個系統電流消耗***爲129.32mA;當锂電池輸出電壓爲3.6V時(電量充滿),電流消耗***爲32.52mA。 
當在有蒸汽流過管道、溫差發電片兩端的溫差至少在105℃時,能給系統提供持續、穩定的電源;當溫差至少在155℃時能給欠壓的锂電池充電。 
温差发电和无线通信技术的应用,摒弃了传统自动化仪表布线繁锁的缺点,实现了无电源线和数据线的新型蒸汽渦輪流量計,该流量计具有较好的实用价值。
 
摘 要:介绍了温差发电的原理,应用低功耗仪器的设计方法,研制了一套基于蒸汽的温差发电、充电功能的低功耗无线渦街流量計。引入無線通信方式。 
关键字: 温差发电 电能管理 无线数据通信 低功耗 渦街流量計 
溫差發電是利用熱電轉換材料將熱能轉化爲電能的全靜態發電方式,具有無噪音、無汙染、無磨損、壽命長、體積小等優點,但其輸出電壓波動大、輸出功率小,適用于微小功率的設備使用。 
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持,從20世紀60年代開始,陸續有一批溫差發電機成功用于航天飛機和軍事領域。近幾年隨著溫差發電片生産成本的降低與轉換效率的不斷提高,溫差發電技術在工業和民用方面表現出了良好的應用前景。 
德國Micropelt公司用MEMS薄膜熱電技術,在1mm2的面積內布置了100多個熱電偶。該公司的溫差發電片MPG-D651,面積僅爲8.4mm2,每10℃的溫差能産生1.4V電壓。該公司與施耐德公司合作生産的用于安裝在電力母線上的溫度傳感器具有無需更換電池的特點。美國Hi-Z公司爲車輛余熱轉換研制的一種熱電模塊,由71對碲化铋熱電偶連接起來,模塊在溫差200℃時,輸出電壓爲2.38V,功率爲19W。日本精工儀器公司研制出一種利用人的體溫發電的手表用電池,是使用Bi-Te材料制成的溫差發電部件,電池尺寸爲2mm×2mm×1.3mm,由50個熱電偶串聯組成,1℃的溫差可産生20mV的電壓,輸出功率爲1μW。 
溫差發電的基本原理是塞貝克效應。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,就會産生電勢差VOC。 
其中,S表示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,溫差發電片的基本單元是熱電偶,它由P型、N型半導體通過金屬導流片連接在一起,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擴散,P型半導體中帶正電的空穴向冷端擴散,這樣形成了由N向P的電流,在冷端形成電勢差。如圖2所示,一個成型的溫差發電片是由若幹個這樣的熱電偶對串聯而成。 
1 蒸汽渦街流量計的低功耗设计 
低功耗仪表的设计技术其电路采用低功耗器件、低电压、较低的工作频率以及部件可睡眠的工作方式。图3是本文研制的低功耗蒸汽渦街流量計的组成框图,从功能看相当于把温度传感器、压力传感器、涡街流量变送器、流量积算仪集成在一起的可电池供电的自动化仪表。 
图3 无线渦街流量計框图 
压电晶体用于检测涡街频率、计算蒸汽的体积流量。由低功耗运放组成的前置放大电路可以做到约30μA电流,传感部分的低功耗是研制低功耗渦街流量計的前提条件。 
微控制器(MCU)的選擇是智能儀器設計的關鍵之一。本文采用TI公司的16bit超低功耗微處理器MSP430-F5438A,它具有集成度高、性價比好等優點。 
渦街流量計测量流体的流量为体积流量,而在蒸汽贸易结算时采用质量流量,因此需要根据蒸汽的温度和压力求取蒸汽的密度。温度传感器采用PT1000,压力传感器采用扩散硅压阻式传感器MB18,传感信号调理电路采用MAXIM公司的18bitA/D转换器MAX1403。MAX1403包含恒流激励源、程控放大器、多个差分输入通道等资源,工作电流约为250μA,在低功耗模式下仅为2μA。为了降低整个系统的功耗,A/D采样的时间间隔是可以设定的,不采样时关断MAX1403。 
無線數據通信簡化了布線問題。CC1101是公司的低成本單片UHF收發器,具有功耗低、使用簡單等特點;支持多種調制格式,載波頻率可在300~348MHz、400~464MHz和800~928MHz等範圍內選擇;數據傳輸率***可達500Kb/s。本文采用433MHz載波,用SPI接口與CC1101連接。應用CC1101的Wake-On-Radio(WOR)功能,即在無需MCU幹預下周期性地從睡眠模式醒來偵聽數據包。一旦偵聽到有效數據,向MCU産生中斷,MCU可及時接收數據,數據處理完畢後進入CC1101的發送模式,數據發送完畢,再進入偵聽模式,以降低功耗。通信協議的應用層采用MODBUS協議。 
爲保證低功耗和寬溫的性能,流量計需要根據顯示內容而定制LCD,因此采用集成串行接口的LCD驅動芯片HT1621;4個按鍵分別爲功能鍵、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錄的數據存放在I2C接口、容量爲128KB的E2PROM芯片FM25V10中。 
2 温差发电片的选择和安装 
常用蒸汽的溫度在400℃以下。本設計所選用的中國納米克公司的溫差發電片(TEG),型號爲TEP1-1263-3.4,尺寸爲3cm×3cm×0.4cm,基片采用耐高溫熱電Bi-Te合成材料,熱面可以在高達380℃的高溫環境下連續工作,冷面則可以在高達180℃的環境下工作;由126個熱電偶組成,***能産生5W左右的功率,有充足的余量滿足流量計的需要。 
温差发电片安装示意图如图4所示。为避开太阳光的直射而升高冷面温度,取热位置选在渦街流量計的下方。由于TEG不能弯曲,而管道是圆柱形,为保证发电片充分受热和均匀受热,设计了一个导热性能好的铜质弧形导热体,该弧形导热体的弧面与管道通过纳米克公司的耐高温导热硅脂无缝连接,上平面则与温差发电片的热面贴在一起。为得到较大的温差,需要在TEG冷面采用导热性能好的散热片,且散热面积尽可能大。用保温材料包牢弧形导热体,以减少热量的散失。 
图4 安装示意图 
3 电能管理 
電能管理包括TEG的電能收集、锂電池充放電、TEG輸出電壓、锂電池狀態檢測和異常報警以及流量計各部件的工作狀態控制等功能。如圖5所示,電能管理電路由TEG、DC/DC、锂電池充電芯片、锂電池和穩壓芯片組成。 
图5 电源管理电路图 
图6 冷端温度30℃时,开路电压与热端温度的关系 
流量計電路的電源由TEG或電池提供。當管道中有蒸汽流過時TEG便發電,經二極管D1可向電路供電,此時二極管D2處于截止狀態,锂電池不向電路供電;當管道中沒有蒸汽流動時,TEG沒有電壓輸出,此時D2導通,D1截止,锂電池向電路供電。 
3.1 TEG的电能采集 
TEG的開路電壓與溫差的關系如圖6所示,輸出電壓具有較寬的範圍。爲充分利用熱能,本文選取TI公司的升/降壓型DC/DC電源芯片TPIC74100-Q1采集TEG産生的電能。該芯片的輸入電壓範圍從1.5V~40V,提供5V恒定輸出電壓;升/降壓模式能自動切換,當輸入電壓低于5.8V時,進入升壓模式;當輸入電壓超出5.8V時,進入降壓模式。TPIC74100-Q1靜態工作電流爲10μA,可通過時鍾調制器及可調節壓擺率,減小系統中的電磁幹擾(EMI)。 
3.2 锂电池充电电路 
當蒸汽管道中沒有蒸汽流過以及蒸汽剛開始流過時,在TEG上不能形成較大的溫差,不能産生電能。爲避免流量計因工作不穩定而産生計量誤差,需要用後備電池。所選用的锂電池是UltraFire16340(3.7V,880mAH),其有效充放電次數爲1000次左右。 
锂電池的充電過程是一個複雜的電化學過程,過度充電和深度放電,都會使電池容量衰減較快,電池壽命縮短。因此需要監測電池的電壓,在電池電壓達到額定值時停止充電。在進行大電流充電時需要用熱敏電阻監測電池的溫度,以調節充電電流,防止因電池內部過熱而爆炸。爲保證锂電池的充電效率、使用壽命及安全性,常采取先恒流後恒壓的兩段式充電方式對锂電池進行充電。本設計選用MAX8606來管理锂電池的充電過程。 
3.3 电压监测和异常判断 
爲保證系統的可靠運行,圖5中,AD0、AD1與MCU的12bitA/D輸入端連接,分別監測TEG和锂電池的輸出電壓。當AD0偏低且有流量信號時,表明TEG部分故障;當通過AD1轉換值估算的锂電池輸出電壓小于3.2V時,表明锂電池輸出電壓不足,锂電池有可能得不到及時地充電或內部損壞。在這些異常情況下,MCU産生並發送報警信息,以便工作人員及時處理。 
4 实验 
实验时,渦街流量計在3.6V锂电池供电的情况下进行功耗测试,其结果如表1所示。由表可知,整机的***工作电流接近30mA,即需要电源能输出的功率为0.108W,其中无线通信电路连续运行时大约占用了92.7%的整机功耗。 
熱端溫度從室溫開始上升至135℃,此時冷端溫度約爲30℃,流量計開始正常工作;當锂電池輸出電壓爲3.6V(電量充滿)時,測試TEG輸出端的電壓爲2.37V,整個系統電流消耗***爲30.72mA;沒有無線通信和采樣時,電流消耗爲0.95mA。 
表1 流量计在不同状态下的功耗测试表 
妝锂電池輸出電壓爲3.2V(欠壓狀態)、熱端溫度上升到200℃時,此時的冷端溫度約爲45℃、TEG輸出電壓爲4.13V,整個系統電流消耗***爲129.32mA;當锂電池輸出電壓爲3.6V時(電量充滿),電流消耗***爲32.52mA。 
當在有蒸汽流過管道、溫差發電片兩端的溫差至少在105℃時,能給系統提供持續、穩定的電源;當溫差至少在155℃時能給欠壓的锂電池充電。 
温差发电和无线通信技术的应用,摒弃了传统自动化仪表布线繁锁的缺点,实现了无电源线和数据线的新型蒸汽渦輪流量計,该流量计具有较好的实用价值。
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