基于溫差發(fā)電的超聲波熱量表設計

在我國北方地區有較長(cháng)的寒冷季節，供暖供熱是城鎮居民冬季生產(chǎn)生活的基本需求。熱量表是測量熱交換系統釋放或吸收熱量多少的關(guān)鍵設備。受限于供電電池的容量，超聲波熱量表的使用周期較短，如何利用供熱管道中熱水自身帶有的能量，將其轉換為電能，再供給熱量表的電源系統是一個(gè)新的課題。本文首次采用了一種新穎的溫差發(fā)電技術(shù)來(lái)解決熱量表不能長(cháng)期供電的問(wèn)題。

超聲波熱量表的工作原理與溫差發(fā)電系統的系統組成

1.超聲波熱量表的工作原理

超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎上添加溫度傳感器實(shí)現溫度的測量，通過(guò)測出流體的流量和供、回水的溫差來(lái)計算出向用戶(hù)提供的熱量。水流經(jīng)過(guò)熱交換系統時(shí)，依據流量傳感器測出的流量和溫度傳感器測出的供水溫度、回水溫度，以及TDC－GP22測出水流經(jīng)的時(shí)間，再通過(guò)CPU的計算就可以得到該系統所吸收或釋放的熱量。實(shí)際應用中由于經(jīng)過(guò)熱交換系統水的質(zhì)量都是通過(guò)測量水的體積來(lái)得出的，因此熱量值的計算方法大多采用歐洲流行的k系數法，其數學(xué)表達式如式（1）所示

    （1）

式中，Q為吸收或釋放的熱量，J；V為載熱液體流經(jīng)的體積，m³；Δθ為熱交換回路中載熱液體供回水的溫差，℃；k為熱系數，它是載熱液體在相應壓力、溫度以及溫差下的函數。

2.溫差發(fā)電系統的系統組成

溫差發(fā)電也可以稱(chēng)為熱能發(fā)電，是通過(guò)塞貝克效應實(shí)現熱能與電能之間的轉換的。當管道內水溫與室溫存在一定溫差時(shí)，溫差發(fā)電片兩端就可產(chǎn)生直流電壓，可靠性較高，溫差為1℃時(shí)就可產(chǎn)生70mV左右的電壓。溫差發(fā)電系統功能框圖如圖1所示。本文采用型號為T(mén)EC112706的發(fā)電片，熱源經(jīng)過(guò)半導體發(fā)電片將熱能轉化為微弱的電壓信號，由于電壓信號電壓較低，同時(shí)還夾雜著(zhù)干擾信號，故不能直接供熱量表使用。將此電壓信號經(jīng)過(guò)DC－DC升壓電路升壓，整流后輸出較為平穩的電壓，可以被超聲波熱量表直接使用。由于超聲波熱量表采用的是分離型休眠工作模式，大部分時(shí)間處于LPM3模式，即處于休眠狀態(tài)，此時(shí)功耗很低，溫差發(fā)電系統產(chǎn)生的電量不僅滿(mǎn)足熱量表的使用，而且可將多余的電量?jì)Υ娴絻δ茉�件中。而當MSP430F4371單片機在A(yíng)M模式下，進(jìn)行流量和溫度信息采集或者檢定狀態(tài)時(shí)，起動(dòng)高速時(shí)鐘帶來(lái)較大功耗，當轉化的電量不足，儲能元件將儲存的電量釋放出來(lái)，補充給熱表使用。

圖1 溫差發(fā)電系統功能框圖

熱表溫差發(fā)電電源系統硬件電路

超聲波熱量表中MSP430F4371單片機和計時(shí)芯片TDC－GP22的供電主要來(lái)源于兩部分：3.6V、2200mA·h的可充電鋰電池和溫差發(fā)電系統。鋰電池與溫差發(fā)電系統共同為熱表供電。當溫差發(fā)電的電量充足時(shí)，滿(mǎn)足熱表工作供電需求的同時(shí)還可以將多余電量?jì)Υ嬖诳沙潆姷匿囯姵刂�；當溫差較小、長(cháng)時(shí)間處于檢定狀態(tài)，或者起動(dòng)LCD液晶屏的瞬間，溫差發(fā)電會(huì )產(chǎn)生供電不足的情況下，鋰電池就會(huì )作為主電源供電，來(lái)彌補溫差發(fā)電的不足。熱量表電源系統電路圖如圖2所示。

圖2 熱量表電源系統電路圖

圖2中R₄、R₅作為限流電阻。電阻R2、R3連接內部比較器A用來(lái)構成電壓檢測模塊。比較器A由模擬輸入、比較器A核心、低通濾波器、基準電壓部分和中斷這五部分組成。通過(guò)軟件設置將外部模擬輸入電壓與內部的基準電壓進(jìn)行比較，用來(lái)判斷系統電壓所處的狀態(tài)，以監視系統電壓。低頻濾波電容C7用來(lái)減小輸出紋波電壓，高頻濾波電容C₉和C₁₀用來(lái)改善負載的瞬態(tài)響應。BTIBattery為3.6V鋰電池，用作系統主電源。VCC1和VCC2通過(guò)穩壓器AME8800將3.6V的電壓轉化為3.3V，用來(lái)給TDC－GP22芯片和MSP430F4371單片機供電。當溫差發(fā)電片兩端有一定溫差時(shí)，其兩端就會(huì )產(chǎn)生一定的直流電壓信號。此信號經(jīng)過(guò)電容Cin濾除高頻信號后，經(jīng)升壓變壓器一次線(xiàn)圈進(jìn)入LTC3108－1的SW端口，通過(guò)芯片內部N通道產(chǎn)生自激振蕩信號，從而將直流信號變?yōu)榻涣餍盘栠M(jìn)行升壓。升壓后的電流經(jīng)電容C1進(jìn)入LTC3108－1內部整流器和充電泵開(kāi)始充電，然后經(jīng)過(guò)Vout端口輸出。當Vaux端電壓大于2.5V時(shí)，Vout端口開(kāi)始對電容Cout充電。當充電完畢，就可對設備供電。當供電能力大于其輸出能力時(shí)，多余的電能便會(huì )通過(guò)電容Cstore儲存起來(lái)，當溫差發(fā)電片供電能力消失或變弱，電容Cstore會(huì )對系統進(jìn)行直接供電或電壓補償。添加二極管VD是為了防止當溫差發(fā)電系統電壓低于電池電壓時(shí)，鋰電池反作用于該系統。

實(shí)驗數據測量結果

1.超聲波熱量表功耗參數的測量

本文設計的超聲波熱量表采用MSP430F4371單片機作為微處理器，計時(shí)測量芯片選用的是ACAM公司最新推出的TDC－GP22。兩者的工作電壓均為3.3V，當熱表處于休眠狀態(tài)時(shí)，平均電流功耗約為5μA，當處于A(yíng)M狀態(tài)時(shí)，平均電流功耗功耗約為10μA。MCU間歇式工作，實(shí)驗中超聲波熱量表每隔10s采集一次溫度，每隔1s采集一次流量，不工作時(shí)處于睡眠狀態(tài)。具體測量結果如表1所示。

表1 不同狀態(tài)下超聲波熱量表功耗

溫差發(fā)電系統在管道內水溫為70℃時(shí)，不但可以滿(mǎn)足熱表的用電，而且當檢定狀態(tài)和現場(chǎng)工作狀態(tài)的信號采樣間隔時(shí)間統一設計為1s時(shí)，超聲熱量表內置電池的使用壽命仍滿(mǎn)足（6＋1）年的標準要求，使用的溫差發(fā)電裝置在使用較小容量電池的情況下，滿(mǎn)足了相應指標的要求，避免了使用大容量電池帶來(lái)的資源浪費，使用溫差發(fā)電節約了能源，同時(shí)保護了環(huán)境，更具有推廣價(jià)值。

2.流量的測量

在完成了溫差式超聲波熱量表的整體設計后，經(jīng)調試可以長(cháng)時(shí)間穩定運行。根據熱量表行業(yè)標準文件CJ128—2007中的規定，本文采用管徑為DN25的熱表，溫度保持在55℃左右的情況下，分別在5個(gè)不同的流量點(diǎn)進(jìn)行了測量，使用稱(chēng)重法。在型號為RJZ15－25Z的熱能表檢定裝置測得實(shí)驗數據如圖3所示。

圖3 實(shí)際測量結果與標準數據對比圖

3.5塊DN25的熱量表校正后的誤差。

根據被檢測計的額定流量Qn在標準裝置上設定不同的流量點(diǎn)（流速）和不同的溫度條件，來(lái)綜合考察被檢測計的誤差。所測得的測量結果按下式計算誤差：E＝[（示值－標準值）/標準值]×100%，具體實(shí)驗數據如表2所示。

表2 5塊DN25熱量表在校正后各自的誤差

實(shí)驗結果表明，使用的溫差發(fā)電系統在實(shí)驗室的條件下滿(mǎn)足了對準確度的要求，在誤差范圍內，性能可靠。

結束語(yǔ)

實(shí)驗表明此溫差發(fā)電不僅可以滿(mǎn)足低功耗要求也可以保證其測量的準確性。此方法有效解決了更換電池的實(shí)質(zhì)性問(wèn)題，滿(mǎn)足（6＋1）年的標準要求，同時(shí)降低了污染源的使用，綠色環(huán)保，有效延長(cháng)了熱量表的使用壽命，保證測量準確度，有望推廣應用。