熱力驅(qū)動式無線蒸汽渦街流量計的設(shè)計
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圖4 安裝示意圖
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。
圖5 電源管理電路圖
圖6 冷端溫度30℃時，開路電壓與熱端溫度的關(guān)系
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1.5V～40V，提供5V恒定輸出電壓；升/降壓模式能自動切換，當(dāng)輸入電壓低于5.8V時，進(jìn)入升壓模式；當(dāng)輸入電壓超出5.8V時，進(jìn)入降壓模式。TPIC74100-Q1靜態(tài)工作電流為10μA，可通過時鐘調(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)蒸汽管道中沒有蒸汽流過以及蒸汽剛開始流過時，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(wěn)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(shù)為1000次左右。
鋰電池的充電過程是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程，過度充電和深度放電，都會使電池容量衰減較快，電池壽命縮短。因此需要監(jiān)測電池的電壓，在電池電壓達(dá)到額定值時停止充電。在進(jìn)行大電流充電時需要用熱敏電阻監(jiān)測電池的溫度，以調(diào)節(jié)充電電流，防止因電池內(nèi)部過熱而爆炸。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(shè)計選用MAX8606來管理鋰電池的充電過程。
3.3 電壓監(jiān)測和異常判斷
為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，圖5中，AD0、AD1與MCU的12bitA/D輸入端連接，分別監(jiān)測TEG和鋰電池的輸出電壓。當(dāng)AD0偏低且有流量信號時，表明TEG部分故障；當(dāng)通過AD1轉(zhuǎn)換值估算的鋰電池輸出電壓小于3.2V時，表明鋰電池輸出電壓不足，鋰電池有可能得不到及時地充電或內(nèi)部損壞。在這些異常情況下，MCU產(chǎn)生并發(fā)送報警信息，以便工作人員及時處理。
4 實(shí)驗
實(shí)驗時，渦街流量計在3.6V鋰電池供電的情況下進(jìn)行功耗測試，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30mA，即需要電源能輸出的功率為0.108W，其中無線通信電路連續(xù)運(yùn)行時大約占用了92.7%的整機(jī)功耗。
熱端溫度從室溫開始上升至135℃，此時冷端溫度約為30℃，流量計開始正常工作；當(dāng)鋰電池輸出電壓為3.6V（電量充滿）時，測試TEG輸出端的電壓為2.37V，整個系統(tǒng)電流消耗最大為30.72mA；沒有無線通信和采樣時，電流消耗為0.95mA。
表1 流量計在不同狀態(tài)下的功耗測試表
當(dāng)在有蒸汽流過管道、溫差發(fā)電片兩端的溫差至少在105℃時，能給系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定的電源；當(dāng)溫差至少在155℃時能給欠壓的鋰電池充電。
溫差發(fā)電和無線通信技術(shù)的應(yīng)用，摒棄了傳統(tǒng)自動化儀表布線繁鎖的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無電源線和數(shù)據(jù)線的新型蒸汽渦輪流量計，該流量計具有較好的實(shí)用價值。(end) 熱式質(zhì)量流量計相關(guān)文章:熱式質(zhì)量流量計原理 流量計相關(guān)文章:流量計原理 熱電偶相關(guān)文章:熱電偶原理
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