發布日期：2022-04-27 點擊率：78
摘 要：介紹了溫差發電的原理，應用低功耗儀器的設計方法，研制了一套基于蒸汽的溫差發電、充電功能的低功耗無線渦街流量計。引入無線通信方式，摒棄了傳統自動化儀表布線繁瑣的缺點。該流量計具有較好的實用價值。
關鍵字： 溫差發電 電能管理 無線數據通信 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為電能的全靜態發電方式，具有無噪音、無污染、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產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，面積僅為8.4mm2，每10℃的溫差能產生1.4V電壓。該公司與施耐德公司合作生產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公司為車輛余熱轉換研制的一種熱電模塊，由71對碲化鉍熱電偶連接起來，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，就會產生電勢差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設計
低功耗儀表的設計技術其電路采用低功耗器件、低電壓、較低的工作頻率以及部件可睡眠的工作方式。圖3是本文研制的低功耗蒸汽渦街流量計的組成框圖，從功能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表。
圖3 無線渦街流量計框圖
壓電晶體用于檢測渦街頻率、計算蒸汽的體積流量。由低功耗運放組成的前置放大電路可以做到約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。
渦街流量計測量流體的流量為體積流量，而在蒸汽貿易結算時采用質量流量，因此需要根據蒸汽的溫度和壓力求取蒸汽的密度。溫度傳感器采用PT1000，壓力傳感器采用擴散硅壓阻式傳感器MB18，傳感信號調理電路采用MAXIM公司的18bitA/D轉換器MAX1403。MAX1403包含恒流激勵源、程控放大器、多個差分輸入通道等資源，工作電流約為250μA，在低功耗模式下僅為2μA。為了降低整個系統的功耗，A/D采樣的時間間隔是可以設定的，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、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等范圍內選擇；數據傳輸率最高可達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干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產生中斷，MCU可及時接收數據，數據處理完畢后進入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。
為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個按鍵分別為功能鍵、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、容量為128KB的E2PROM芯片FM25V10中。
2 溫差發電片的選擇和安裝
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），型號為TEP1-1263-3.4，尺寸為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，最大能產生5W左右的功率，有充足的余量滿足流量計的需要。
溫差發電片安裝示意圖如圖4所示。為避開太陽光的直射而升高冷面溫度，取熱位置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，設計了一個導熱性能好的銅質弧形導熱體，該弧形導熱體的弧面與管道通過納米克公司的耐高溫導熱硅脂無縫連接，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，需要在TEG冷面采用導熱性能好的散熱片，且散熱面積盡可能大。用保溫材料包牢弧形導熱體，以減少熱量的散失。
圖4 安裝示意圖
3 電能管理
電能管理包括TEG的電能收集、鋰電池充放電、TEG輸出電壓、鋰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、鋰電池充電芯片、鋰電池和穩壓芯片組成。
圖5 電源管理電路圖
圖6 冷端溫度30℃時，開路電壓與熱端溫度的關系
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，鋰電池不向電路供電；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，鋰電池向電路供電。
3.1 TEG的電能采集
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范圍。為充分利用熱能，本文選取TI公司的升/降壓型DC/DC電源芯片TPIC74100-Q1采集TEG產生的電能。該芯片的輸入電壓范圍從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靜態工作電流為10μA，可通過時鐘調制器及可調節壓擺率，減小系統中的電磁干擾（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開始流過時，在TEG上不能形成較大的溫差，不能產生電能。為避免流量計因工作不穩定而產生計量誤差，需要用后備電池。所選用的鋰電池是UltraFire16340（3.7V，880mAH），其有效充放電次數為1000次左右。
鋰電池的充電過程是一個復雜的電化學過程，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。為保證鋰電池的充電效率、使用壽命及安全性，常采取先恒流后恒壓的兩段式充電方式對鋰電池進行充電。本設計選用MAX8606來管理鋰電池的充電過程。
3.3 電壓監測和異常判斷
為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和鋰電池的輸出電壓。當AD0偏低且有流量信號時，表明TEG部分故障；當通過AD1轉換值估算的鋰電池輸出電壓小于3.2V時，表明鋰電池輸出電壓不足，鋰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產生并發送報警信息，以便工作人員及時處理。
4 實驗
實驗時，渦街流量計在3.6V鋰電池供電的情況下進行功耗測試，其結果如表1所示。由表可知，整機的最大工作電流接近30mA，即需要電源能輸出的功率為0.108W，其中無線通信電路連續運行時大約占用了92.7%的整機功耗。
熱端溫度從室溫開始上升至135℃，此時冷端溫度約為30℃，流量計開始正常工作；當鋰電池輸出電壓為3.6V（電量充滿）時，測試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 流量計在不同狀態下的功耗測試表
妝鋰電池輸出電壓為3.2V（欠壓狀態）、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（電量充滿），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℃時能給欠壓的鋰電池充電。
溫差發電和無線通信技術的應用，摒棄了傳統自動化儀表布線繁鎖的缺點，實現了無電源線和數據線的新型蒸汽渦輪流量計，該流量計具有較好的實用價值。
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