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熱力驅動(dòng)式無(wú)線(xiàn)蒸汽渦街流量計的設計

作者: 時(shí)間:2013-11-30 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

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圖4 安裝示意圖

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包括TEG的電能收集、鋰電池充放電、TEG輸出電壓、鋰電池狀態(tài)檢測和異常報警以及流量計各部件的工作狀態(tài)控制等功能。如圖5所示,電路由TEG、DC/DC、鋰電池充電芯片、鋰電池和穩壓芯片組成。

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圖5 電源管理電路圖

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圖6 冷端溫度30℃時(shí),開(kāi)路電壓與熱端溫度的關(guān)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(guò)時(shí)TEG便發(fā)電,經(jīng)二極管D1可向電路供電,此時(shí)二極管D2處于截止狀態(tài),鋰電池不向電路供電;當管道中沒(méi)有蒸汽流動(dòng)時(shí),TEG沒(méi)有電壓輸出,此時(shí)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(kāi)路電壓與溫差的關(guān)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(chǎn)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(dòng)切換,當輸入電壓低于5.8V時(shí),進(jìn)入升壓模式;當輸入電壓超出5.8V時(shí),進(jìn)入降壓模式。TPIC74100-Q1靜態(tài)工作電流為10μA,可通過(guò)時(shí)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(méi)有蒸汽流過(guò)以及蒸汽剛開(kāi)始流過(guò)時(shí),在TEG上不能形成較大的溫差,不能產(chǎn)生電能。為避免流量計因工作不穩定而產(chǎn)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(guò)程是一個(gè)復雜的電化學(xué)過(guò)程,過(guò)度充電和深度放電,都會(huì )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(shí)停止充電。在進(jìn)行大電流充電時(shí)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(guò)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(jìn)行充電。本設計選用MAX8606來(lái)管理鋰電池的充電過(guò)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(shí),表明TEG部分故障;當通過(guò)AD1轉換值估算的鋰電池輸出電壓小于3.2V時(shí),表明鋰電池輸出電壓不足,鋰電池有可能得不到及時(shí)地充電或內部損壞。在這些異常情況下,MCU產(chǎn)生并發(fā)送報警信息,以便工作人員及時(shí)處理。

4 實(shí)驗

實(shí)驗時(shí),在3.6V鋰電池供電的情況下進(jìn)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(wú)線(xiàn)通信電路連續運行時(shí)大約占用了92.7%的整機功耗。

熱端溫度從室溫開(kāi)始上升至135℃,此時(shí)冷端溫度約為30℃,流量計開(kāi)始正常工作;當鋰電池輸出電壓為3.6V(電量充滿(mǎn))時(shí),測試TEG輸出端的電壓為2.37V,整個(gè)系統電流消耗最大為30.72mA;沒(méi)有無(wú)線(xiàn)通信和采樣時(shí),電流消耗為0.95mA。

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表1 流量計在不同狀態(tài)下的功耗測試表

妝鋰電池輸出電壓為3.2V(欠壓狀態(tài))、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)系統電流消耗最大為129.32mA;當鋰電池輸出電壓為3.6V時(shí)(電量充滿(mǎn)),電流消耗最大為32.52mA。

當在有蒸汽流過(guò)管道、片兩端的溫差至少在105℃時(shí),能給系統提供持續、穩定的電源;當溫差至少在155℃時(shí)能給欠壓的鋰電池充電。

和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應用,摒棄了傳統自動(dòng)化儀表布線(xiàn)繁鎖的缺點(diǎn),實(shí)現了無(wú)電源線(xiàn)和數據線(xiàn)的新型蒸汽渦輪流量計,該流量計具有較好的實(shí)用價(jià)值。(end)
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