帶有溫差發(fā)電技術(shù)的超聲波熱量表的系統(tǒng)設(shè)計

陳慶偉，郭金建

（山東科技大學 電氣與自動化工程學院，青島266590）

引 言

按照我國建設(shè)節(jié)約型社會的精神要求，冬季取暖實行熱能計量收費顯得越來越重要，以超聲波熱量表為代表的熱量計量產(chǎn)品普及率也會越來越高。超聲波熱量表采用的是電池供電方式，雖然市面上設(shè)計的超聲波熱量表大多進行了低功耗的硬件和軟件設(shè)計，但由于電池容量有限，在熱量表長期使用期間仍然避免不了更換電池的麻煩?？紤]到供熱管道或暖氣片本身帶有熱能，設(shè)計了利用溫差發(fā)電技術(shù)來為系統(tǒng)供電。

通過查閱參考文獻以及分析比較，最終選用了賽貝克溫差發(fā)電片SP1848-27145作為熱電轉(zhuǎn)化器件。選用凌力爾特公司生產(chǎn)的超低電壓型升壓轉(zhuǎn)換器和電源管理芯片LTC3108來對溫差發(fā)電片輸出的電壓進行直流升壓，最后通過低功耗、低壓差的穩(wěn)壓芯片BL8503-35進行穩(wěn)壓，供給熱量表系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計可以用來為熱量表系統(tǒng)供電，最后通過實驗給予驗證。

1 超聲波熱量表的原理與數(shù)學模型

如圖1所示超聲波熱量表的結(jié)構(gòu)，主要由4部分組成：進、出水溫度測量模塊（進、出水溫度傳感器）、流量測量模塊（超聲波傳感器）、數(shù)據(jù)運算模塊（CPU）和電源模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

用戶的進、出水端分別安裝配對溫度傳感器Pt1000，對管道水溫進行測量。在進水溫度傳感器與用戶管道之間安裝超聲波傳感器，對管道內(nèi)流量進行測量。數(shù)據(jù)運算處理器對超聲波傳感器和配對溫度傳感器測出的數(shù)據(jù)進行分析處理，計算出用戶所消耗的熱量，并對數(shù)據(jù)存儲，且通過LCD液晶進行顯示。

數(shù)據(jù)處理器對用戶消耗熱量的計算依據(jù)行業(yè)標準CJ 128-2007給出的熱量計算公式[2]：

其中：Q為用戶消耗的熱量，單位為J；qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，單位為kg/h；qv為流經(jīng)熱量表的水的體積流量，單位為 m3/h；ρ為水的密度，單位為kg/m3；Δh為水的焓差值，單位為J/kg；τ為時間，單位為h。

2 溫差發(fā)電片原理及安裝方法

對于熱量表自給供電問題，參考文獻[1]提到了兩種自給供電方法。其一利用管道中水的動能，在管道中安裝轉(zhuǎn)子來進行發(fā)電，但是正常供暖期間，管道中水流緩慢，不易用于帶動轉(zhuǎn)子發(fā)電，而且在管道中增加轉(zhuǎn)子會影響水流形態(tài)，不利于熱量表精度的提高。其二，水流流過管道時會使管道產(chǎn)生振動，利用此點在管道上安裝壓電陶瓷或壓電薄膜將振動轉(zhuǎn)化為電能。由于管道安裝時一般會考慮減震處理，所以水流轉(zhuǎn)化成的振動效果會減弱，減弱后的振動效果，不足以利用來進行電能轉(zhuǎn)化。

考慮到用戶管道或暖氣片與用戶室溫有較大溫差，利用此點設(shè)計了溫差發(fā)電電源模塊，用以補償超聲波熱量表電源系統(tǒng)，延長熱量表免維護電能使用年限。

溫差發(fā)電片的設(shè)計原理是利用賽貝克效應(yīng)，也就是由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。當賽貝克溫差發(fā)電片冷熱兩面出現(xiàn)溫差時，在發(fā)電片輸出端就會產(chǎn)生可以被利用的電勢。

為增大溫差發(fā)電片兩面的溫差，提高發(fā)電片的效率，其簡易安裝示意圖如圖2所示。其中，散熱片是為了發(fā)電片一端能充分散熱，增大溫差。在溫差發(fā)電片兩面均勻地涂上導熱硅膠，是為了使發(fā)電片能緊密的貼合在管道和散熱片上，提升熱傳導效率。

圖2 溫差發(fā)電片簡易安裝示意圖

3 電源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

超聲波熱量表的整體供電方式分為兩種：溫差發(fā)電模塊供電和電池模塊供電。其整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。首先賽貝克溫差發(fā)電片利用溫差輸出電能，然后通過DC/DC升壓電路把發(fā)電片輸出的電能電壓提升到4.1 V，由于熱量表系統(tǒng)的CPU芯片和核心計時芯片TDC-GP22（或者GP2和GP22）的標準供電電壓為3.3 V，最后通過穩(wěn)壓模塊將電源供給系統(tǒng)?？紤]到供暖只在冬季進行，為此添加了電池，作為不供暖時期的供電方式。

圖3 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 直流升壓電路設(shè)計

本文設(shè)計的DC/DC升壓電路選用的核心處理芯片為凌力爾特公司生產(chǎn)的超低壓升壓轉(zhuǎn)換器和電源管理芯片LTC3108。LTC3108是一款高度集成的、適用于直流變換的轉(zhuǎn)換器，由于采用了升壓拓撲，可允許最小低至20 m V輸入電源，因而非常適合于TEG（溫差發(fā)電器）、小型太陽能電池剩余能量轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。其DC/DC升壓電路如圖4所示，Cin和變壓器比例還需調(diào)節(jié)。

圖4 DC/DC直流升壓電路

LTC3108利用SW端口內(nèi)的MOSFET開關(guān)，并結(jié)合電容C2，形成一個諧振振蕩器，從而使變壓器的初級線圈端的直流變?yōu)榻涣麟?。為避免C2在充電過程中產(chǎn)生間歇性振蕩在C2兩端并聯(lián)了電阻R1。

3.2 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路如圖5所示。

圖5 穩(wěn)壓電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件在IAR FOR MSP430環(huán)境下用C語言進行編寫，系統(tǒng)流程圖如圖6所示。首先系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)初始化，包括TDC-GP21初始化、時鐘初始化等。之后進入主程序，處理器進入低功耗LPM3模式，等待中斷喚醒。若檢測到電源電壓較低，則進入欠壓中斷，停止對流量和溫度的數(shù)據(jù)采集，并報警提示電壓過低。若檢測到按鍵中斷觸發(fā)，則進入按鍵處理程序，根據(jù)按下按鍵的次數(shù)，相應(yīng)地在LCD上顯示當前所用熱量、進水溫度以及出水溫度等內(nèi)容。從功耗和測量精度綜合考慮，流量和溫度數(shù)據(jù)分別每隔1 s和30 s進行采集一次，為獲得更好的測量精度，每次測量前都初始化一次TDC-GP21。

圖6 系統(tǒng)流程圖

5 測試及結(jié)果

在完成對超聲波熱量表各模塊的硬件電路設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計后，需要對其進行模塊化功能測試，本文主要對溫差發(fā)電模塊的發(fā)電性能方面進行實驗分析。

5.1 開路電壓的測試

為了驗證溫差發(fā)電模塊的發(fā)電能力，對其進行測試開路電壓的實驗。在室溫為10℃的環(huán)境中，將10 kΩ的電阻接Vout端，與地線之間作為負載，通過改變水循環(huán)管道內(nèi)部水溫，直接由溫差發(fā)電片冷端向空氣散熱產(chǎn)生溫差，得到溫差發(fā)電片產(chǎn)生電動勢與冷熱端溫差的關(guān)系圖，如圖7所示，溫差發(fā)電片開路電壓隨熱水溫度的變化呈近似線性變化，接近理論曲線變化。

圖7 輸出電壓隨溫度變化曲線

5.2 帶負載能力的測試

為了測試溫差發(fā)電模塊的供電能力，對其進行帶負載能力的測試。測完開路電壓之后，將變阻器接入溫差發(fā)電電路作為電路負載，并調(diào)節(jié)其阻值變化范圍為10～100 kΩ，在循環(huán)管道通入熱水溫度分別為50℃、60℃、70℃時做多組實驗，可得到在不同負載、不同溫差的情況下溫差發(fā)電模塊的輸出電壓，見圖8～圖10。

圖8 水溫為50℃時負載的輸出電壓

從圖8中可以看出，熱水溫度為50℃，即溫差為40℃時，溫差發(fā)電模塊可以為73 kΩ的負載提供4.5 V的穩(wěn)態(tài)電壓。由圖9可知，水溫為60℃時，溫差發(fā)電模塊可以為45 kΩ的負載提供4.5 V的穩(wěn)態(tài)電壓。由圖10可知水溫為70℃時，溫差發(fā)電模塊可以為35 kΩ的負載提供4.5 V的穩(wěn)態(tài)電壓。

圖9 水溫為60℃時負載的輸出電壓

圖10 水溫為70℃時負載的輸出電壓

結(jié) 語

溫差發(fā)電技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式，具有廣闊的發(fā)展前景。本文利用溫差發(fā)電技術(shù)設(shè)計了一款新型的熱量表。利用管道熱水的余熱，溫差發(fā)電電源模塊可以補償超聲波熱量表的電源系統(tǒng)，延長熱量表免維護和電能使用年限，合理利用了非污染的能源。該基表的設(shè)計對于其他低壓供電設(shè)備具有一定的推廣意義。

[1]屈永.超聲波熱量表的技術(shù)研究與設(shè)計[D].南京：南京理工大學，2014.

[2]楊素文.中低溫溫差發(fā)電器系統(tǒng)性能研究[D].重慶：重慶大學，2012.

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