熱力驅(qū)動(dòng)式無(wú)線蒸汽渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)

劉 涵，楊 江，張 龍

（浙江大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)系，浙江 杭州310027）

溫差發(fā)電是利用熱電轉(zhuǎn)換材料將熱能轉(zhuǎn)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(zhǎng)、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(shè)備使用。

溫差發(fā)電有完善的物理理論基礎(chǔ)和成熟的溫差發(fā)電片制造技術(shù)的支持，從20世紀(jì)60年代開始，陸續(xù)有一批溫差發(fā)電機(jī)成功用于航天飛機(jī)和軍事領(lǐng)域[1]。近幾年隨著溫差發(fā)電片生產(chǎn)成本的降低與轉(zhuǎn)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(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

德國(guó)Micropelt公司用MEMS薄膜熱電技術(shù)，在1 mm2的面積內(nèi)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 8.4 mm2，每 10℃的溫差能產(chǎn)生1.4 V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上的溫度傳感器具有無(wú)需更換電池的特點(diǎn)。美國(guó)Hi-Z公司為車輛余熱轉(zhuǎn)換研制的一種熱電模塊，由71對(duì)碲化鉍熱電偶連接起來(lái)，模塊在溫差200℃時(shí)，輸出電壓為2.38 V，功率為19 W[2]。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2 mm×2 mm×1.3 mm，由50個(gè)熱電偶串聯(lián)組成，1℃的溫差可產(chǎn)生20 mV的電壓，輸出功率為 1 μW[1]。

溫差發(fā)電的基本原理是塞貝克效應(yīng)。當(dāng)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(duì)于熱端）中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差VOC。

其中，S表示溫差發(fā)電片的塞貝克系數(shù)，它是由材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)[3]。

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(dǎo)體通過(guò)金屬導(dǎo)流片連接在一起，當(dāng)給熱端施加熱源時(shí)，N型半導(dǎo)體中帶負(fù)電的自由電子會(huì)向冷端擴(kuò)散，P型半導(dǎo)體中帶正電的空穴向冷端擴(kuò)散，這樣形成了由N向P的電流，在冷端形成電勢(shì)差[4-5]。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(duì)串聯(lián)而成。

1 蒸汽渦街流量計(jì)的低功耗設(shè)計(jì)

低功耗儀表的設(shè)計(jì)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(jì)的組成框圖，從功能看相當(dāng)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。

壓電晶體用于檢測(cè)渦街頻率、計(jì)算蒸汽的體積流量。由低功耗運(yùn)放組成的前置放大電路可以做到約30 μA電流，傳感部分的低功耗是研制低功耗渦街流量計(jì)的前提條件。

微控制器(MCU)的選擇是智能儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。本文采用TI公司的16 bit超低功耗微處理器MSP430-F5438A，它具有集成度高、性價(jià)比好等優(yōu)點(diǎn)。

渦街流量計(jì)測(cè)量流體的流量為體積流量，而在蒸汽貿(mào)易結(jié)算時(shí)采用質(zhì)量流量，因此需要根據(jù)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(kuò)散硅壓阻式傳感器MB18，傳感信號(hào)調(diào)理電路采用MAXIM公司的18 bit A/D轉(zhuǎn)換器MAX1403。MAX1403包含恒流激勵(lì)源、程控放大器、多個(gè)差分輸入通道等資源，工作電流約為 250 μA，在低功耗模式下僅為2 μA。為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，A/D采樣的時(shí)間間隔是可以設(shè)定的，不采樣時(shí)關(guān)斷MAX1403。

無(wú)線數(shù)據(jù)通信簡(jiǎn)化了布線問(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(diào)制格式，載波頻率可在300～348 MHz、400～464 MHz和 800～928 MHz等范圍內(nèi)選擇；數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá) 500 Kb/s。本文采用 433 MHz載波，用SPI接口與CC1101連接。應(yīng)用CC1101的Wake-On-Radio(WOR)功能，即在無(wú)需MCU干預(yù)下周期性地從睡眠模式醒來(lái)偵聽數(shù)據(jù)包。一旦偵聽到有效數(shù)據(jù)，向MCU產(chǎn)生中斷，MCU可及時(shí)接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理完畢后進(jìn)入CC1101的發(fā)送模式，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再進(jìn)入偵聽模式，以降低功耗。通信協(xié)議的應(yīng)用層采用MODBUS協(xié)議。

為保證低功耗和寬溫的性能，流量計(jì)需要根據(jù)顯示內(nèi)容而定制LCD，因此采用集成串行接口的LCD驅(qū)動(dòng)芯片HT1621；4個(gè)按鍵分別為功能鍵、移位鍵、數(shù)字鍵和退出鍵，用于參數(shù)設(shè)置；被設(shè)置的參數(shù)以及記錄的數(shù)據(jù)存放在I2C接口、容量為128 KB的E2PROM芯片F(xiàn)M25V10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(shè)計(jì)所選用的中國(guó)納米克公司的溫差發(fā)電片 (TEG)，型號(hào)為TEP1-1263-3.4，尺寸為 3 cm×3 cm×0.4 cm，基片采用耐高溫?zé)犭夿i-Te合成材料，熱面可以在高達(dá)380℃的高溫環(huán)境下連續(xù)工作，冷面則可以在高達(dá)180℃的環(huán)境下工作；由126個(gè)熱電偶組成，最大能產(chǎn)生5 W左右的功率，有充足的余量滿足流量計(jì)的需要。

溫差發(fā)電片安裝示意圖如圖4所示。為避開太陽(yáng)光的直射而升高冷面溫度，取熱位置選在渦街流量計(jì)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(shè)計(jì)了一個(gè)導(dǎo)熱性能好的銅質(zhì)弧形導(dǎo)熱體，該弧形導(dǎo)熱體的弧面與管道通過(guò)納米克公司的耐高溫導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱體，以減少熱量的散失。

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(tài)檢測(cè)和異常報(bào)警以及流量計(jì)各部件的工作狀態(tài)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(wěn)壓芯片組成。

流量計(jì)電路的電源由TEG或電池提供。當(dāng)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?fàn)顟B(tài)，鋰電池不向電路供電；當(dāng)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(dǎo)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(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1.5 V～40 V，提供5 V恒定輸出電壓；升/降壓模式能自動(dòng)切換，當(dāng)輸入電壓低于5.8 V時(shí)，進(jìn)入升壓模式；當(dāng)輸入電壓超出5.8 V時(shí)，進(jìn)入降壓模式。TPIC74100-Q1靜態(tài)工作電流為10 μA，可通過(guò)時(shí)鐘調(diào)制器及可調(diào)節(jié)壓擺率，減小系統(tǒng)中的電磁干擾(EMI)。

3.2 鋰電池充電電路

當(dāng)蒸汽管道中沒(méi)有蒸汽流過(guò)以及蒸汽剛開始流過(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(jì)因工作不穩(wěn)定而產(chǎn)生計(jì)量誤差，需要用后備電池。所選用的鋰電池是UltraFire 16340(3.7 V，880 mAH)，其有效充放電次數(shù)為1 000次左右。

鋰電池的充電過(guò)程是一個(gè)復(fù)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(jiān)測(cè)電池的電壓，在電池電壓達(dá)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(jiān)測(cè)電池的溫度，以調(diào)節(jié)充電電流，防止因電池內(nèi)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[6]對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。本設(shè)計(jì)選用MAX8606來(lái)管理鋰電池的充電過(guò)程。

3.3 電壓監(jiān)測(cè)和異常判斷

為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，圖5中，AD0、AD1與MCU的12 bit A/D輸入端連接，分別監(jiān)測(cè)TEG和鋰電池的輸出電壓。當(dāng)AD0偏低且有流量信號(hào)時(shí)，表明TEG部分故障；當(dāng)通過(guò)AD1轉(zhuǎn)換值估算的鋰電池輸出電壓小于3.2 V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(nèi)部損壞。在這些異常情況下，MCU產(chǎn)生并發(fā)送報(bào)警信息，以便工作人員及時(shí)處理。

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，渦街流量計(jì)在3.6 V鋰電池供電的情況下進(jìn)行功耗測(cè)試，其結(jié)果如表1所示。由表可知，整機(jī)的最大工作電流接近30 mA，即需要電源能輸出的功率為0.108 W，其中無(wú)線通信電路連續(xù)運(yùn)行時(shí)大約占用了92.7%的整機(jī)功耗。

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

表1 流量計(jì)在不同狀態(tài)下的功耗測(cè)試表

妝鋰電池輸出電壓為3.2 V（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4.13 V，整個(gè)系統(tǒng)電流消耗最大為 129.32 mA；當(dāng)鋰電池輸出電壓為3.6 V時(shí)(電量充滿)，電流消耗最大為32.52 mA。

當(dāng)在有蒸汽流過(guò)管道、溫差發(fā)電片兩端的溫差至少在105℃時(shí)，能給系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定的電源；當(dāng)溫差至少在155℃時(shí)能給欠壓的鋰電池充電。

溫差發(fā)電和無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用，摒棄了傳統(tǒng)自動(dòng)化儀表布線繁鎖的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)電源線和數(shù)據(jù)線的新型蒸汽渦輪流量計(jì)，該流量計(jì)具有較好的實(shí)用價(jià)值。

[1]欒偉玲，涂善東.溫差電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào)，2004(11)：1011.

[2]鄭藝華，馬永志.溫差發(fā)電技術(shù)及其在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2006(2)：142.

[3]TAN Y K，PANDA S K.Energy harvesting from hybrid indoor ambient light and thermal energy sources for enhanced performance of wireless sensor nodes[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，46：333-341.

[4]RAMADASS Y K，CHANDRAKASAN A P.A battery-less thermoelectric energy harvesting interface circuit with 35 mV startup voltage[J].IEEE Journal of solid-state circuits，2011：3045-3052.

[5]Lu Xin，Yang Shuanghua.Thermal energy harvesting for WSNs[C].Italy：2010 IEEE International Conference on Systems，Man，and Cybernetics，2010：3045.

[6]胡清琮，陳琛，王菁.基于恒流/恒壓方式的鋰電池充電保護(hù)芯片設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008(4)：632.