超聲波熱量表的工作原理與溫差發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)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(jì)的基礎(chǔ)上添加溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，通過測(cè)出流體的流量和供、回水的溫差來(lái)計(jì)算出向用戶提供的熱量。水流經(jīng)過熱交換系統(tǒng)時(shí)，依據(jù)流量傳感器測(cè)出的流量和溫度傳感器測(cè)出的供水溫度、回水溫度，以及TDC－GP22測(cè)出水流經(jīng)的時(shí)間，再通過CPU的計(jì)算就可以得到該系統(tǒng)所吸收或釋放的熱量。實(shí)際應(yīng)用中由于經(jīng)過熱交換系統(tǒng)水的質(zhì)量都是通過測(cè)量水的體積來(lái)得出的，因此熱量值的計(jì)算方法大多采用歐洲流行的k系數(shù)法，其數(shù)學(xué)表達(dá)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(shù)，它是載熱液體在相應(yīng)壓力、溫度以及溫差下的函數(shù)。

2.溫差發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

溫差發(fā)電也可以稱為熱能發(fā)電，是通過塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能與電能之間的轉(zhuǎn)換的。當(dāng)管道內(nèi)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(tǒng)功能框圖如圖1所示。本文采用型號(hào)為TEC112706的發(fā)電片，熱源經(jīng)過半導(dǎo)體發(fā)電片將熱能轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào)，由于電壓信號(hào)電壓較低，同時(shí)還夾雜著干擾信號(hào)，故不能直接供熱量表使用。將此電壓信號(hào)經(jīng)過DC－DC升壓電路升壓，整流后輸出較為平穩(wěn)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(tǒng)產(chǎn)生的電量不僅滿足熱量表的使用，而且可將多余的電量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)能元件中。而當(dāng)MSP430F4371單片機(jī)在AM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(dāng)轉(zhuǎn)化的電量不足，儲(chǔ)能元件將儲(chǔ)存的電量釋放出來(lái)，補(bǔ)充給熱表使用。

圖1 溫差發(fā)電系統(tǒng)功能框圖

熱表溫差發(fā)電電源系統(tǒng)硬件電路

超聲波熱量表中MSP430F4371單片機(jī)和計(jì)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(tǒng)。鋰電池與溫差發(fā)電系統(tǒng)共同為熱表供電。當(dāng)溫差發(fā)電的電量充足時(shí)，滿足熱表工作供電需求的同時(shí)還可以將多余電量?jī)?chǔ)存在可充電的鋰電池中；當(dāng)溫差較小、長(zhǎng)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(bǔ)溫差發(fā)電的不足。熱量表電源系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 熱量表電源系統(tǒng)電路圖

圖2中R₄、R₅作為限流電阻。電阻R2、R3連接內(nèi)部比較器A用來(lái)構(gòu)成電壓檢測(cè)模塊。比較器A由模擬輸入、比較器A核心、低通濾波器、基準(zhǔn)電壓部分和中斷這五部分組成。通過軟件設(shè)置將外部模擬輸入電壓與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，用來(lái)判斷系統(tǒng)電壓所處的狀態(tài)，以監(jiān)視系統(tǒng)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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。BTIBattery為3.6V鋰電池，用作系統(tǒng)主電源。VCC1和VCC2通過穩(wěn)壓器AME8800將3.6V的電壓轉(zhuǎn)化為3.3V，用來(lái)給TDC－GP22芯片和MSP430F4371單片機(jī)供電。當(dāng)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(hào)。此信號(hào)經(jīng)過電容Cin濾除高頻信號(hào)后，經(jīng)升壓變壓器一次線圈進(jìn)入LTC3108－1的SW端口，通過芯片內(nèi)部N通道產(chǎn)生自激振蕩信號(hào)，從而將直流信號(hào)變?yōu)榻涣餍盘?hào)進(jìn)行升壓。升壓后的電流經(jīng)電容C1進(jìn)入LTC3108－1內(nèi)部整流器和充電泵開始充電，然后經(jīng)過Vout端口輸出。當(dāng)Vaux端電壓大于2.5V時(shí)，Vout端口開始對(duì)電容Cout充電。當(dāng)充電完畢，就可對(duì)設(shè)備供電。當(dāng)供電能力大于其輸出能力時(shí)，多余的電能便會(huì)通過電容Cstore儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)溫差發(fā)電片供電能力消失或變?nèi)?，電容Cstore會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接供電或電壓補(bǔ)償。添加二極管VD是為了防止當(dāng)溫差發(fā)電系統(tǒng)電壓低于電池電壓時(shí)，鋰電池反作用于該系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果

1.超聲波熱量表功耗參數(shù)的測(cè)量

本文設(shè)計(jì)的超聲波熱量表采用MSP430F4371單片機(jī)作為微處理器，計(jì)時(shí)測(cè)量芯片選用的是ACAM公司推出的TDC－GP22。兩者的工作電壓均為3.3V，當(dāng)熱表處于休眠狀態(tài)時(shí)，平均電流功耗約為5μA，當(dāng)處于AM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(yàn)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(cè)量結(jié)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(tǒng)在管道內(nèi)水溫為70℃時(shí)，不但可以滿足熱表的用電，而且當(dāng)檢定狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)的信號(hào)采樣間隔時(shí)間統(tǒng)一設(shè)計(jì)為1s時(shí)，超聲熱量表內(nèi)置電池的使用壽命仍滿足（6＋1）年的標(biāo)準(zhǔn)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，滿足了相應(yīng)指標(biāo)的要求，避免了使用大容量電池帶來(lái)的資源浪費(fèi)，使用溫差發(fā)電節(jié)約了能源，同時(shí)保護(hù)了環(huán)境，更具有推廣價(jià)值。

2.流量的測(cè)量

在完成了溫差式超聲波熱量表的整體設(shè)計(jì)后，經(jīng)調(diào)試可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)熱量表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件CJ128—2007中的規(guī)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(cè)量，使用稱重法。在型號(hào)為RJZ15－25Z的熱能表檢定裝置測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 實(shí)際測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3.5塊DN25的熱量表校正后的誤差。

根據(jù)被檢測(cè)計(jì)的額定流量Qn在標(biāo)準(zhǔn)裝置上設(shè)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(cè)計(jì)的誤差。所測(cè)得的測(cè)量結(jié)果按下式計(jì)算誤差：E＝[（示值－標(biāo)準(zhǔn)值）/標(biāo)準(zhǔn)值]×，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yàn)結(jié)果表明，使用的溫差發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的條件下滿足了對(duì)準(zhǔn)確度的要求，在誤差范圍內(nèi)，性能可靠。