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熱力驅動(dòng)式無(wú)線(xiàn)蒸汽渦街流量計的設計
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時(shí)間：2013-11-30
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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溫差發(fā)電是利用熱電轉換材料將熱能轉化為電能的全靜態(tài)發(fā)電方式，具有無(wú)噪音、無(wú)污染、無(wú)磨損、壽命長(cháng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但其輸出電壓波動(dòng)大、輸出功率小，適用于微小功率的設備使用。
溫差發(fā)電有完善的物理理論基礎和成熟的溫差發(fā)電片制造技術(shù)的支持，從20世紀60年代開(kāi)始，陸續有一批溫差發(fā)電機成功用于航天飛機和軍事領(lǐng)域。近幾年隨著(zhù)溫差發(fā)電片生產(chǎn)成本的降低與轉換效率的不斷提高，溫差發(fā)電技術(shù)在工業(yè)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(shù)，在1mm2的面積內布置了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合作生產(chǎn)的用于安裝在電力母線(xiàn)上的溫度傳感器具有無(wú)需更換電池的特點(diǎn)。美國Hi-Z公司為車(chē)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(lái)，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利用人的體溫發(fā)電的手表用電池，是使用Bi-Te材料制成的溫差發(fā)電部件，電池尺寸為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)電的基本原理是塞貝克效應。當溫差發(fā)電片熱端置于高溫環(huán)境（TH）中、冷端置于低溫環(huán)境（TL）（相對于熱端）中時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生電勢差VOC。 
其中，S表示溫差發(fā)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(fā)電片的基本單元是熱電偶，它由P型、N型半導體通過(guò)金屬導流片連接在一起，當給熱端施加熱源時(shí)，N型半導體中帶負電的自由電子會(huì )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(gè)成型的溫差發(fā)電片是由若干個(gè)這樣的熱電偶對串聯(lián)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(shù)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(dòng)化儀表。 
圖3 無(wú)線(xiàn)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(guān)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?xún)r(jià)比好等優(yōu)點(diǎn)。
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(shí)采用質(zhì)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(gè)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(gè)系統的功耗，A/D采樣的時(shí)間間隔是可以設定的，不采樣時(shí)關(guān)斷MAX1403。
無(wú)線(xiàn)數據通信簡(jiǎn)化了布線(xiàn)問(wèn)題。CC1101是TI公司的低成本單片UHF收發(fā)器，具有功耗低、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；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(wú)需MCU干預下周期性地從睡眠模式醒來(lái)偵聽(tīng)數據包。一旦偵聽(tīng)到有效數據，向MCU產(chǎn)生中斷，MCU可及時(shí)接收數據，數據處理完畢后進(jìn)入CC1101的發(fā)送模式，數據發(fā)送完畢，再進(jìn)入偵聽(tīng)模式，以降低功耗。通信協(xié)議的應用層采用MODBUS協(xié)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(dòng)芯片HT1621；4個(gè)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(fā)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(fā)電片（TEG），型號為T(mén)EP1-1263-3.4，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(huán)境下連續工作，冷面則可以在高達180℃的環(huán)境下工作；由126個(gè)熱電偶組成，最大能產(chǎn)生5W左右的功率，有充足的余量滿(mǎn)足流量計的需要。
溫差發(fā)電片安裝示意圖如圖4所示。為避開(kāi)太陽(yáng)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(fā)電片充分受熱和均勻受熱，設計了一個(gè)導熱性能好的銅質(zhì)弧形導熱體，該弧形導熱體的弧面與管道通過(guò)納米克公司的耐高溫導熱硅脂無(wú)縫連接，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。
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