简述智能蒸汽涡街流量计的设计方案
发布时间：2022-03-29 10:58:18 浏览量：2025
摘要：介绍了温差发电的原理，运用低功耗仪器的规划办法，研制了一套根据蒸汽的温差发电、充电功用的低功耗无线涡街流量计。引进无线通信方法，摒弃了传统自动化仪器布线繁琐的缺点。该流量计具有较好的实用价值。
要害字：温差发电电能处理无线数据通信低功耗智能涡街流量计
温差发电是运用热电改换材料将热能转化为电能的全静态发电方法，具有无噪音、无污染、无磨损、寿数长、体积小等利益，但其输出电压动摇大、输出功率小，适用于细小功率的设备运用。
温差发电有完善的物理理论基础和成熟的温差发电片制造技术的支撑，从20世纪60年代初步，连续有一批温差发电机成功用于航天飞机和军事领域。近几年跟着温差发电片出产成本的下降与改换功率的不断提高，温差发电技术在工业和民用方面体现出了杰出的运用远景。
德国Micropelt公司用MEMS薄膜热电技术，在1mm2的面积内安置了100多个热电偶。该公司的温差发电片MPG-D651，面积仅为8.4mm2，每10℃的温差能产生1.4V电压。该公司与施耐德公司协作出产的用于设备在电力母线上的温度传感器具有无需替换电池的特征。美国Hi-Z公司为车辆余热改换研制的一种热电模块，由71对碲化铋热电偶联接起来，模块在温差200℃时，输出电压为2.38V，功率为19W。日本精工仪器公司研制出一种运用人的体温发电的手表用电池，是运用Bi-Te材料制成的温差发电部件，电池标准为2mm×2mm×1.3mm，由50个热电偶串联组成，1℃的温差可产生20mV的电压，输出功率为1μW。
温差发电的底子原理是塞贝克效应。当温差发电片热端置于高温环境（TH）中、冷端置于低温环境（TL）（相对于热端）中时，就会产生电势差VOC。其间，S标明温差发电片的塞贝克系数，它是由材料本身的电子能带结构决定的系数。
如图1所示，温差发电片的底子单元是热电偶，它由P型、N型半导体经过金属导流片联接在一起，当给热端施加热源时，N型半导体中带负电的自由电子会向冷端涣散，P型半导体中带正电的空穴向冷端涣散，这样构成了由N向P的电流，在冷端构成电势差。如图2所示，一个成型的温差发电片是由若干个这样的热电偶对串联而成。1蒸汽涡街流量计的低功耗规划
低功耗仪器的规划技术其电路选用低功耗器件、低电压、较低的作业频率以及部件可睡觉的作业方法。图3是本文研制的低功耗蒸汽涡街流量计的组成框图，从功用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器。
图3无线涡街流量计框图压电晶体用于检测涡街频率、核算蒸汽的体积流量。由低功耗运放组成的前置扩展电路可以做到约30μA电流，传感部分的低功耗是研制低功耗涡街流量计的前提条件。
微控制器（MCU）的选择是智能仪器规划的要害之一。本文选用TI公司的16bit超低功耗微处理器MSP430-F5438A，它具有集成度高、性价比好等利益。
涡街流量计检测流体的流量为体积流量，而在蒸汽贸易结算时选用质量流量，因此需求根据蒸汽的温度和压力求取蒸汽的密度。温度传感器选用PT1000，压力传感器选用涣散硅压阻式传感器MB18，传感信号调度电路选用MAXIM公司的18bitA/D改换器MAX1403。MAX1403包括恒流激励源、程控扩展器、多个差分输入通道等资源，作业电流约为250μA，在低功耗方式下仅为2μA。为了下降整个系统的功耗，A/D采样的时间距离是可以设定的，不采样时关断MAX1403。
无线数据通信简化了布线问题。CC1101是TI公司的低成本单片UHF收发器，具有功耗低、运用简略等特征；支撑多种调制格式，载波频率可在300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz等规划内选择；数据传输率最高可达500Kb/s。本文选用433MHz载波，用SPI接口与CC1101联接。运用CC1101的Wake-On-Radio（WOR）功用，即在无需MCU干与下周期性地从睡觉方式醒来侦听数据包。一旦侦听到有用数据，向MCU产生间断，MCU可及时接纳数据，数据处理完毕后进入CC1101的发送方式，数据发送完毕，再进入侦听方式，以下降功耗。通信协议的运用层选用MODBUS协议。
为保证低功耗和宽温的功用，流量计需求根据显现内容而定制LCD，因此选用集成串行接口的LCD驱动芯片HT1621；4个按键分别为功用键、移位键、数字键和退出键，用于参数设置；被设置的参数以及记载的数据存放在I2C接口、容量为128KB的E2PROM芯片FM25V10中。
2温差发电片的选择和设备
常用蒸汽的温度在400℃以下。本规划所选用的我国纳米克公司的温差发电片（TEG），型号为TEP1-1263-3.4，标准为3cm×3cm×0.4cm，基片选用耐高温热电Bi-Te组成材料，热面可以在高达380℃的高温环境下连续作业，冰脸则可以在高达180℃的环境下作业；由126个热电偶组成，最大能产生5W左右的功率，有满足的余量满意流量计的需求。
温差发电片设备示意图如图4所示。为避开太阳光的直射而升高冰脸温度，取热方位选在涡街流量计的下方。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，规划了一个导热功用好的铜质弧形导热体，该弧形导热体的弧面与管道经过纳米克公司的耐高温导热硅脂无缝联接，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，需求在TEG冰脸选用导热功用好的散热片，且散热面积尽可能大。用保温材料包牢弧形导热体，以削减热量的流失。
图4设备示意图3电能处理
电能处理包括TEG的电能搜集、锂电池充放电、TEG输出电压、锂电池情况检测和失常报警以及流量计各部件的作业情况控制等功用。如图5所示，电能处理电路由TEG、DC/DC、锂电池充电芯片、锂电池和稳压芯片组成。
图5电源处理电路图
图6冷端温度30℃时，开路电压与热端温度的联络流量计电路的电源由TEG或电池供应。当管道中有蒸汽流过期TEG便发电，经二极管D1可向电路供电，此时二极管D2处于截止情况，锂电池不向电路供电；当管道中没有蒸汽活动时，TEG没有电压输出，此时D2导通，D1截止，锂电池向电路供电。
3.1TEG的电能采集
TEG的开路电压与温差的联络如图6所示，输出电压具有较宽的规划。为充分运用热能，本文选取TI公司的升/降压型DC/DC电源芯片TPIC74100-Q1采集TEG产生的电能。该芯片的输入电压规划从1.5V～40V，供应5V稳定输出电压；升/降压方式能自动切换，当输入电压低于5.8V时，进入升压方式；当输入电压超出5.8V时，进入降压方式。TPIC74100-Q1静态作业电流为10μA，可经过期钟调制器及可调度压摆率，减小系统中的电磁搅扰（EMI）。
3.2锂电池充电电路
当蒸汽管道中没有蒸汽流过以及蒸汽刚初步流过期，在TEG上不能构成较大的温差，不能产生电能。为防止流量计因作业不安稳而产生计量差错，需求用后备电池。所选用的锂电池是UltraFire16340（3.7V，880mAH），其有用充放电次数为1000次左右。
锂电池的充电进程是一个凌乱的电化学进程，过度充电和深度放电，都会使电池容量衰减较快，电池寿数缩短。因此需求监测电池的电压，在电池电压达到额定值时间断充电。在进行大电流充电时需求用热敏电阻监测电池的温度，以调度充电电流，防止因电池内部过热而爆破。为保证锂电池的充电功率、运用寿数及安全性，常采纳先恒流后恒压的两段式充电方法对锂电池进行充电。本规划选用MAX8606来处理锂电池的充电进程。
3.3电压监测和失常判别
为保证系统的牢靠运转，图5中，AD0、AD1与MCU的12bitA/D输入端联接，分别监测TEG和锂电池的输出电压。当AD0偏低且有流量信号时，标明TEG部分毛病；当经过AD1改换值预算的锂电池输出电压小于3.2V时，标明锂电池输出电压缺少，锂电池有可能得不到及时地充电或内部损坏。在这些失常情况下，MCU产生并发送报警信息，以便作业人员及时处理。
4试验
试验时，涡街流量计在3.6V锂电池供电的情况下进行功耗测验，其效果如表1所示。由表可知，整机的最大作业电流挨近30mA，即需求电源能输出的功率为0.108W，其间无线通信电路连续运转时大约占用了92.7%的整机功耗。
热端温度从室温初步上升至135℃，此时冷端温度约为30℃，流量计初步正常作业；当锂电池输出电压为3.6V（电量布满）时，测验TEG输出端的电压为2.37V，整个系统电流消耗最大为30.72mA；没有无线通信和采样时，电流消耗为0.95mA。
表1流量计在不同情况下的功耗测验表妆锂电池输出电压为3.2V（欠压情况）、热端温度上升到200℃时，此时的冷端温度约为45℃、TEG输出电压为4.13V，整个系统电流消耗最大为129.32mA；当锂电池输出电压为3.6V时（电量布满），电流消耗最大为32.52mA。
当在有蒸汽流过管道、温差发电片两头的温差至少在105℃时，能给系统供应持续、安稳的电源；当温差至少在155℃时能给欠压的锂电池充电。
温差发电和无线通信技术的运用，摒弃了传统自动化仪器布线繁锁的缺点，完结了无电源线和数据线的新式蒸汽涡轮流量计，该流量计具有较好的实用价值。