熱力驅(qū)動(dòng)式無(wú)線蒸汽渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)
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(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。
圖5 電源管理電路圖
圖6 冷端溫度30℃時(shí),開(kāi)路電壓與熱端溫度的關(guān)系
3.1 TEG的電能采集
TEG的開(kāi)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(dòng)切換,當(dāng)輸入電壓低于5.8V時(shí),進(jìn)入升壓模式;當(dāng)輸入電壓超出5.8V時(shí),進(jìn)入降壓模式。TPIC74100-Q1靜態(tài)工作電流為10μA,可通過(guò)時(shí)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(méi)有蒸汽流過(guò)以及蒸汽剛開(kāi)始流過(guò)時(shí),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(jì)因工作不穩(wěn)定而產(chǎn)生計(jì)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(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程,過(guò)度充電和深度放電,都會(huì)使電池容量衰減較快,電池壽命縮短。因此需要監(jiān)測(cè)電池的電壓,在電池電壓達(dá)到額定值時(shí)停止充電。在進(jìn)行大電流充電時(shí)需要用熱敏電阻監(jiān)測(cè)電池的溫度,以調(diào)節(jié)充電電流,防止因電池內(nèi)部過(guò)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(duì)鋰電池進(jìn)行充電。本設(shè)計(jì)選用MAX8606來(lái)管理鋰電池的充電過(guò)程。
3.3 電壓監(jiān)測(cè)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(cè)TEG和鋰電池的輸出電壓。當(dāng)AD0偏低且有流量信號(hào)時(shí),表明TEG部分故障;當(dāng)通過(guò)AD1轉(zhuǎn)換值估算的鋰電池輸出電壓小于3.2V時(shí),表明鋰電池輸出電壓不足,鋰電池有可能得不到及時(shí)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(bào)警信息,以便工作人員及時(shí)處理。
4 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)時(shí),渦街流量計(jì)在3.6V鋰電池供電的情況下進(jìn)行功耗測(cè)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(wú)線通信電路連續(xù)運(yùn)行時(shí)大約占用了92.7%的整機(jī)功耗。
熱端溫度從室溫開(kāi)始上升至135℃,此時(shí)冷端溫度約為30℃,流量計(jì)開(kāi)始正常工作;當(dāng)鋰電池輸出電壓為3.6V(電量充滿)時(shí),測(cè)試TEG輸出端的電壓為2.37V,整個(gè)系統(tǒng)電流消耗最大為30.72mA;沒(méi)有無(wú)線通信和采樣時(shí),電流消耗為0.95mA。
表1 流量計(jì)在不同狀態(tài)下的功耗測(cè)試表
當(dāng)在有蒸汽流過(guò)管道、溫差發(fā)電片兩端的溫差至少在105℃時(shí),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(shí)能給欠壓的鋰電池充電。
溫差發(fā)電和無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用,摒棄了傳統(tǒng)自動(dòng)化儀表布線繁鎖的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了無(wú)電源線和數(shù)據(jù)線的新型蒸汽渦輪流量計(jì),該流量計(jì)具有較好的實(shí)用價(jià)值。(end) 熱式質(zhì)量流量計(jì)相關(guān)文章:熱式質(zhì)量流量計(jì)原理 流量計(jì)相關(guān)文章:流量計(jì)原理 熱電偶相關(guān)文章:熱電偶原理
評(píng)論