當(dāng)前位置:首頁(yè) > 嵌入式 > 嵌入式硬件

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(wú)線渦街流量計(jì)。引入無(wú)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(wú)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(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。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉