帶有溫差發電技術的超聲波熱量表的系統設計

陳慶偉，郭金建

（山東科技大學 電氣與自動化工程學院，青島266590）

引 言

按照我國建設節約型社會的精神要求，冬季取暖實行熱能計量收費顯得越來越重要，以超聲波熱量表為代表的熱量計量產品普及率也會越來越高。超聲波熱量表采用的是電池供電方式，雖然市面上設計的超聲波熱量表大多進行了低功耗的硬件和軟件設計，但由于電池容量有限，在熱量表長期使用期間仍然避免不了更換電池的麻煩?？紤]到供熱管道或暖氣片本身帶有熱能，設計了利用溫差發電技術來為系統供電。

通過查閱參考文獻以及分析比較，最終選用了賽貝克溫差發電片SP1848-27145作為熱電轉化器件。選用凌力爾特公司生產的超低電壓型升壓轉換器和電源管理芯片LTC3108來對溫差發電片輸出的電壓進行直流升壓，最后通過低功耗、低壓差的穩壓芯片BL8503-35進行穩壓，供給熱量表系統。該系統設計可以用來為熱量表系統供電，最后通過實驗給予驗證。

1 超聲波熱量表的原理與數學模型

如圖1所示超聲波熱量表的結構，主要由4部分組成：進、出水溫度測量模塊（進、出水溫度傳感器）、流量測量模塊（超聲波傳感器）、數據運算模塊（CPU）和電源模塊。

圖1 系統結構圖

用戶的進、出水端分別安裝配對溫度傳感器Pt1000，對管道水溫進行測量。在進水溫度傳感器與用戶管道之間安裝超聲波傳感器，對管道內流量進行測量。數據運算處理器對超聲波傳感器和配對溫度傳感器測出的數據進行分析處理，計算出用戶所消耗的熱量，并對數據存儲，且通過LCD液晶進行顯示。

數據處理器對用戶消耗熱量的計算依據行業標準CJ 128-2007給出的熱量計算公式[2]：

其中：Q為用戶消耗的熱量，單位為J；qm為流經熱量表的水的質量流量，單位為kg/h；qv為流經熱量表的水的體積流量，單位為 m3/h；ρ為水的密度，單位為kg/m3；Δh為水的焓差值，單位為J/kg；τ為時間，單位為h。

2 溫差發電片原理及安裝方法

對于熱量表自給供電問題，參考文獻[1]提到了兩種自給供電方法。其一利用管道中水的動能，在管道中安裝轉子來進行發電，但是正常供暖期間，管道中水流緩慢，不易用于帶動轉子發電，而且在管道中增加轉子會影響水流形態，不利于熱量表精度的提高。其二，水流流過管道時會使管道產生振動，利用此點在管道上安裝壓電陶瓷或壓電薄膜將振動轉化為電能。由于管道安裝時一般會考慮減震處理，所以水流轉化成的振動效果會減弱，減弱后的振動效果，不足以利用來進行電能轉化。

考慮到用戶管道或暖氣片與用戶室溫有較大溫差，利用此點設計了溫差發電電源模塊，用以補償超聲波熱量表電源系統，延長熱量表免維護電能使用年限。

溫差發電片的設計原理是利用賽貝克效應，也就是由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。當賽貝克溫差發電片冷熱兩面出現溫差時，在發電片輸出端就會產生可以被利用的電勢。

為增大溫差發電片兩面的溫差，提高發電片的效率，其簡易安裝示意圖如圖2所示。其中，散熱片是為了發電片一端能充分散熱，增大溫差。在溫差發電片兩面均勻地涂上導熱硅膠，是為了使發電片能緊密的貼合在管道和散熱片上，提升熱傳導效率。

圖2 溫差發電片簡易安裝示意圖

3 電源系統硬件電路設計

超聲波熱量表的整體供電方式分為兩種：溫差發電模塊供電和電池模塊供電。其整體系統結構圖如圖3所示。首先賽貝克溫差發電片利用溫差輸出電能，然后通過DC/DC升壓電路把發電片輸出的電能電壓提升到4.1 V，由于熱量表系統的CPU芯片和核心計時芯片TDC-GP22（或者GP2和GP22）的標準供電電壓為3.3 V，最后通過穩壓模塊將電源供給系統。考慮到供暖只在冬季進行，為此添加了電池，作為不供暖時期的供電方式。

圖3 電源系統結構圖

3.1 直流升壓電路設計

本文設計的DC/DC升壓電路選用的核心處理芯片為凌力爾特公司生產的超低壓升壓轉換器和電源管理芯片LTC3108。LTC3108是一款高度集成的、適用于直流變換的轉換器，由于采用了升壓拓撲，可允許最小低至20 m V輸入電源，因而非常適合于TEG（溫差發電器）、小型太陽能電池剩余能量轉換器等領域。其DC/DC升壓電路如圖4所示，Cin和變壓器比例還需調節。

圖4 DC/DC直流升壓電路

LTC3108利用SW端口內的MOSFET開關，并結合電容C2，形成一個諧振振蕩器，從而使變壓器的初級線圈端的直流變為交流電。為避免C2在充電過程中產生間歇性振蕩在C2兩端并聯了電阻R1。

3.2 穩壓電路

穩壓電路如圖5所示。

圖5 穩壓電路

4 系統軟件設計

系統軟件在IAR FOR MSP430環境下用C語言進行編寫，系統流程圖如圖6所示。首先系統進行數據初始化，包括TDC-GP21初始化、時鐘初始化等。之后進入主程序，處理器進入低功耗LPM3模式，等待中斷喚醒。若檢測到電源電壓較低，則進入欠壓中斷，停止對流量和溫度的數據采集，并報警提示電壓過低。若檢測到按鍵中斷觸發，則進入按鍵處理程序，根據按下按鍵的次數，相應地在LCD上顯示當前所用熱量、進水溫度以及出水溫度等內容。從功耗和測量精度綜合考慮，流量和溫度數據分別每隔1 s和30 s進行采集一次，為獲得更好的測量精度，每次測量前都初始化一次TDC-GP21。

圖6 系統流程圖

5 測試及結果

在完成對超聲波熱量表各模塊的硬件電路設計和系統軟件設計后，需要對其進行模塊化功能測試，本文主要對溫差發電模塊的發電性能方面進行實驗分析。

5.1 開路電壓的測試

為了驗證溫差發電模塊的發電能力，對其進行測試開路電壓的實驗。在室溫為10℃的環境中，將10 kΩ的電阻接Vout端，與地線之間作為負載，通過改變水循環管道內部水溫，直接由溫差發電片冷端向空氣散熱產生溫差，得到溫差發電片產生電動勢與冷熱端溫差的關系圖，如圖7所示，溫差發電片開路電壓隨熱水溫度的變化呈近似線性變化，接近理論曲線變化。

圖7 輸出電壓隨溫度變化曲線

5.2 帶負載能力的測試

為了測試溫差發電模塊的供電能力，對其進行帶負載能力的測試。測完開路電壓之后，將變阻器接入溫差發電電路作為電路負載，并調節其阻值變化范圍為10～100 kΩ，在循環管道通入熱水溫度分別為50℃、60℃、70℃時做多組實驗，可得到在不同負載、不同溫差的情況下溫差發電模塊的輸出電壓，見圖8～圖10。

圖8 水溫為50℃時負載的輸出電壓

從圖8中可以看出，熱水溫度為50℃，即溫差為40℃時，溫差發電模塊可以為73 kΩ的負載提供4.5 V的穩態電壓。由圖9可知，水溫為60℃時，溫差發電模塊可以為45 kΩ的負載提供4.5 V的穩態電壓。由圖10可知水溫為70℃時，溫差發電模塊可以為35 kΩ的負載提供4.5 V的穩態電壓。

圖9 水溫為60℃時負載的輸出電壓

圖10 水溫為70℃時負載的輸出電壓

結 語

溫差發電技術作為一種綠色環保的發電方式，具有廣闊的發展前景。本文利用溫差發電技術設計了一款新型的熱量表。利用管道熱水的余熱，溫差發電電源模塊可以補償超聲波熱量表的電源系統，延長熱量表免維護和電能使用年限，合理利用了非污染的能源。該基表的設計對于其他低壓供電設備具有一定的推廣意義。

[1]屈永.超聲波熱量表的技術研究與設計[D].南京：南京理工大學，2014.

[2]楊素文.中低溫溫差發電器系統性能研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[3]張騰，張征.溫差發電技術及其一些應用[J].能源技術，2009，30（1）：35-39.

[4]劉芳，陳向春，劉偉.基于無源技術的無線傳感器網絡節點設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2014，14（8）：17-19.

[5]李世光，孟強強.基于多串口的熱量表系數修正軟件[J].微型機與應用，2012（18）：1-4.