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热力驱动式无线蒸汽涡街流量计的设计构成

发表时间:2019-08-08
热力驱动式无线蒸汽涡街流量计的设计构成
1、
蒸汽涡街流量计的低功耗设计
低功耗仪表的设计技术其电路采用低功耗器件低电压、较低的工作频率以及部件可睡眠的工作方式。

上图是本文研制的低功耗蒸汽涡街流量计的组成框图,从功能看相当于把温度传感器、压力传感器、涡街流量变送器、流量积算仪集成在一起的可电池供电的自动化仪表。
压电晶体用于检测涡街频率、计算蒸汽的体积流量。由低功耗运放组成的前置放大电路可以做到约30μA电流,传感部分的低功耗是研制低功耗涡街流量计的前提条件。微控制器(MCU)的选择是智能仪器设计的关键之一。本文采用T公司的16bit超低功耗微处理器MSP430F5438A,它具有集成度高、性价比好等优点。
涡街流量计测量流体的流量为体积流量,而在蒸汽贸易结算时采用质量流量,因此需要根据蒸汽的温度和压力求取蒸汽的密度。温度传感器采用PT1000,压力传感器采用扩散硅压阻式传感器MB18,传感信号调理电路采用 MAX公司的18bitA/D转换器MAX1403。MAX1403包含恒流激励源、程控放大器、多个差分输入通道等资源,工作电流约为250uA,在低功耗模式下仅为2uA。为了降低整个系统的功耗,A/D采样的时间间隔是可以设定的,不采样时关断MAX1403。
 
2、温差发电片的选择和安装
常用蒸汽的温度在400℃以下。本设计所选用的中国纳米克公司的温差发电片(TFEC),型号为TEPI-12633.4,尺寸为3cmx3cmx0.4cm,基片采用耐高温热电Bi-Te合成材料,热面可以在高达380℃的高温环境下连续工作,冷面则可以在高达180℃的环境下工作;由126个热电偶组成,***能产生5W左右的功率,有充足的余量满足流量计的需要。

温差发电片安装示意图如图所示。为避开太阳光的直射而升高冷面温度,取热位置选在涡街流量计的下方。由于TEG不能弯曲,而管道是圆柱形,为保证发电片充分受热和均匀受热,设计了一个导热性能好的铜质弧形导热体,该弧形导热体的弧面与管道通过纳米克公司的耐高温导热硅脂无缝连接,上平面则与温差发电片的热面贴在一起。为得到较大的温差,需要在TEC冷面采用导热性能好的散热片,且散热面积尽可能大。用保温材料包牢弧形导热体,以减少热量的散失。
 
3、电能管理
电能管理包括TEG的电能收集、锂电池充放电TEG输出电压、锂电池状态检测和异常报警以及流量计各部件的工作状态控制等功能。电能管理电路由TEG、DC/DC、锂电池充电芯片、锂电池和稳压芯片组成。流量计电路的电源由TEG或电池提供。当管道中有蒸汽流过时TEG便发电,经二极管Dl可向电路供电,此时二极管D2处于截止状态,锂电池不向电路供电;当管道中没有蒸汽流动时,TEG没有电压输出,此时D2导通,D1截止,锂电池向电路供电。当锂电池输出电压为3.2V(欠压状态)、热端温度上升到200℃时,此时的冷端温度约为45℃、TEC输出电压为4.13V,整个系统电流消耗ZUI大为129.32mA;当锂电池输出电压为3.6V时(电量充满),电流消耗ZUI大为32.52mA。当在有蒸汽流过管道、温差发电片两端的温差至少在105℃时,能给系统提供持续、稳定的电源;当温差至少在155℃时能给欠压的锂电池充电。温差发电和无线通信技术的应用,摒弃了传统自动化仪表布线繁锁的缺点,实现了无电源线和数据线的新型热力驱动式无线蒸汽涡街流量计,该流量计具有较好的实用价值。
 

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