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

摘 要： 介紹了溫差發(fā)電的原理，應(yīng)用低功耗儀器的設(shè)計(jì)方法，研制了一套基于蒸汽的溫差發(fā)電、充電功能的低功耗無線渦街流量計(jì)。引入無線通信方式，摒棄了傳統(tǒng)自動(dòng)化儀表布線繁瑣的缺點(diǎn)。該流量計(jì)具有較好的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 溫差發(fā)電；電能管理；無線數(shù)據(jù)通信；低功耗；渦街流量計(jì)

　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，具有無噪音、無污染、無磨損、壽命長、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需更換電池的特點(diǎn)。美國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，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。
無線數(shù)據(jù)通信簡(jiǎn)化了布線問題。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，即在無需MCU干預(yù)下周期性地從睡眠模式醒來偵聽數(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納米克公司的耐高溫導(dǎo)熱硅脂無縫連接，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。