曩一。 曩曩一 蠢 ｊ薯＿ ≥¨ ｊ 麴．墨鲑堑 Ｊ 带有温差发电技术的超声波热量表的系统设计 陈庆伟，郭金建 （山东科技大学电气与自动化工程学院，青岛２６６５９０） 摘要：设计了一款基于温差发电技术的超声波热量表。热量表的热电转化器件选用赛贝克温差发电片ＳＰ１８４８—２７１４５， 直流升压电路处理芯片选用超低电压型升压转换器和电源管理器ＬＴＣ３１０８，稳压芯片选用ＢＬ８５０３—３５稳压。从超声 波热量表的原理与数学模型、温差发电片的原理、电源硬件电路设计以及系统软件设计等方面进行详细的阐述。测试结 果表明，温差发电技术在供电能力方面能够满足超声波热量表的供电需求。 关键词：超声波热量表；温差发电；升压转换器；ＳＰ１８４８ 中图分类号：ＴＭ９１３ 文献标识码：Ａ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｈｅａｔ Ｍｅｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｈｅｎ Ｑｉｎｇｗｅｉ，Ｇｕｏ Ｊｉｎｊｉａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｈｅａｔ ｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｓｅｅｂｅｃｋ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎ— ｅｒａｔｉｏｎ ｔａｂｌｅｔ ＳＰ１８４８—２７１４５ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｍｅｔｅｒ，ｕｌｔｒａ—ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｍａｎ— ａｇｅｒ ＬＴＣ３１０８ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ＤＣ ｂｏｏｓｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｈｉｐ，ａｎｄ ＢＬ８５０３—３５ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｃｈｉｐ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｈｅａｔ ｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｉｅｃｅ，ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｈｅａｔ ｍｅｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｈｅａｔ ｍｅｔｅｒ；ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＳＰ１８４８—２７１４５；ＬＴＣ３１０８ 引 言 按照我国建设节约型社会的精神要求，冬季取暖实 行热能计量收费显得越来越重要，以超声波热量表为代表 的热量计量产品普及率也会越来越高。超声波热量表采 用的是电池供电方式，虽然市面上设计的超声波热量表大 多进行了低功耗的硬件和软件设计，但由于电池容量有 限，在热量表长期使用期间仍然避免不了更换电池的麻 成：进、出水温度测量模块（进、出水温度传感器）、流量测 量模块（超声波传感器）、数据运算模块（ＣＰＵ）和电源 模块。 烦。考虑到供热管道或暖气片本身带有热能，设计了利用 温差发电技术来为系统供电。 通过查阅参考文献以及分析比较，最终选用了赛贝克 温差发电片ＳＰ１８４８—２７１４５作为热电转化器件。选用凌 图１ 系统结构图 用户的进、出水端分别安装配对温度传感器Ｐｔｌ０００， 对管道水温进行测量。在进水温度传感器与用户管道之 力尔特公司生产的超低电压型升压转换器和电源管理芯 片ＬＴＣ３１０８来对温差发电片输出的电压进行直流升压， 间安装超声波传感器，对管道内流量进行测量。数据运算 处理器对超声波传感器和配对温度传感器测出的数据进 行分析处理，计算出用户所消耗的热量，并对数据存储，且 通过ＬＣＤ液晶进行显示。 数据处理器对用户消耗热量的计算依据行业标准ＣＪ 最后通过低功耗、低压差的稳压芯片ＢＬ８５０３—３５进行稳 压，供给热量表系统。该系统设计可以用来为热量表系统 供电，最后通过实验给予验证。 １ 超声波热量表的原理与数学模型 如图１所示超声波热量表的结构，主要由４部分组 １２８—２００７给出的热量计算公式 ］： 敬请登录网站在线投稿 ２０１５＃－ｇ ９期 《平哼机 嵌入式条鬣－应冈》 ６１ 新器件新技术 ■■■■■■■■ ｉ 。 Ｑ—ｒ ｑ ．△ｈ 一ｒ Ｐ．ｑｖ．△ｈ．ｄ √ｔ ｔ 块供电和电池模块供电。其整体系统结构图如图３所示。 首先赛贝克温差发电片利用温差输出电能，然后通过ＤＣ／ 其中：Ｑ为用户消耗的热量，单位为Ｊ；ｑ 为流经热量表的 水的质量流量，单位为ｋｇ／ｈ；ｑ 为流经热量表的水的体积 流量，单位为ｍ。／ｈ；ｐ为水的密度，单位为ｋｇ／ｍ。；Ａｈ为水 ＤＣ升压电路把发电片输出的电能电压提升到４．１ Ｖ，由 于热量表系统的ＣＰＵ芯片和核心计时芯片ＴＤＣ—ＧＰ２２ （或者ＧＰ２和ＧＰ２２）的标准供电电压为３．３ Ｖ，最后通过 的焓差值，单位为Ｊ／ｋｇ；ｒ为时间，单位为ｈ。 稳压模块将电源供给系统。考虑到供暖只在冬季进行，为 ２温差发电片原理及安装方法 对于热量表白给供电问题，参考文献［１］提到了两种 自给供电方法。其一利用管道中水的动能，在管道中安装 转子来进行发电，但是正常供暖期间，管道中水流缓慢，不 易用于带动转子发电，而且在管道中增加转子会影响水流 形态，不利于热量表精度的提高。其二，水流流过管道时 此添加了电池，作为不供暖时期的供电方式。 会使管道产生振动，利用此点在管道上安装压电陶瓷或压 电薄膜将振动转化为电能。由于管道安装时一般会考虑 减震处理，所以水流转化成的振动效果会减弱，减弱后的 图３ 电源系统结构图 ３．１直流升压电路设计 本文设计的ＤＣ／ＤＣ升压电路选用的核心处理芯片 振动效果，不足以利用来进行电能转化。 考虑到用户管道或暖气片与用户室温有较大温差，利 用此点设计了温差发电电源模块，用以补偿超声波热量表 电源系统，延长热量表免维护电能使用年限。 温差发电片的设计原理是利用赛贝克效应，也就是由 为凌力尔特公司生产的超低压升压转换器和电源管理芯 片ＬＴＣ３１０８。ＬＴＣ３１０８是一款高度集成的、适用于直流 变换的转换器，由于采用了升压拓扑，可允许最小低至 ２０ ｍＶ输入电源，因而非常适合于ＴＥＧ（温差发电器）、小 型太阳能电池剩余能量转换器等领域。其ＤＣ／ＤＣ升压 电路如图４所示，Ｃｉｎ和变压器比例还需调节。 于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质 间的电压差的热电现象。当赛贝克温差发电片冷热两面 出现温差时，在发电片输出端就会产生可以被利用的 电势。 为增大温差发电片两面的温差，提高发电片的效率， 其简易安装示意图如图２所示。其中，散热片是为了发电 片一端能充分散热，增大温差。在温差发电片两面均匀地 涂上导热硅胶，是为了使发电片能紧密的贴合在管道和散 热片上，提升热传导效率。 散热片 图４ ＤＯ／ＤＯ直流升压电路 ＬＴＣ３１０８利用ＳＷ端口内的ＭＯＳＦＥＴ开关，并结合 温差发电 导热硅胶 电容Ｃ２，形成一个谐振振荡器，从而使变压器的初级线圈 端的直流变为交流电。为避免Ｃ２在充电过程中产生间 歇性振荡在Ｃ２两端并联了电阻Ｒ１。 ３．２ 稳压电路 稳压电路如图５所示。 图２温差发电片简易安装示意图 ４系统软件设计 ３ 电源系统硬件电路设计 超声波热量表的整体供电方式分为两种：温差发电模 系统软件在ＩＡＲ ＦＯＲ ＭＳＰ４３０环境下用Ｃ语言进行 编写，系统流程图如图６所示。首先系统进行数据初始 ６ ２ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １５年第９期 ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ ｉ 新器件新技术 ５．１ 开路电压的测试 为了验证温差发电模块的发电能力，对 其进行测试开路电压的实验。在室温为 １Ｏ℃的环境中，将１０ ｋＱ的电阻接Ｖ。 端，与 ‘ 地线之间作为负载，通过改变水循环管道内 部水温，直接由温差发电片冷端向空气散热 图５稳压电路 产生温差，得到温差发电片产生电动势与冷 化，包括ＴＤＣ—ＧＰ２１初始化、时钟初始化等。之后进人 主程序，处理器进入低功耗ＬＰＭ３模式，等待中断唤醒。 若检测到电源电压较低，则进入欠压中断，停止对流量和 温度的数据采集，并报警提示电压过低。若检测到按键中 断触发，则进入按键处理程序，根据按下按键的次数，相应 地在ＬＣＤ上显示当前所用热量、进水温度以及出水温度 曲线变化。 热端温差的关系图，如图７所示，温差发电 片开路电压随热水温度的变化呈近似线性变化，接近理论 丽 ／。 》 等内容。从功耗和测量精度综合考虑，流量和温度数据分 别每隔１ ｓ和３０ ｓ进行采集一次，为获得更好的测量精 度，每次测量前都初始化一次ＴＤＣ—ＧＰ２１。 ／ ．／ ／。 ／。— 一ｒ 笛 箨 ／ ．／ ／ ｒＩ参数处理Ｉ —ｊ１＋ Ｊ ／ Ｉ 厂 ＬＰＭ３模式Ｉ 图７输出电压随温度变化曲线 厂 ５．２带负载能力的测试 为了测试温差发电模块的供电能力，对其进行带负载 能力的测试。测完开路电压之后，将变阻器接人温差发电 电路作为电路负载，并调节其阻值变化范围为１Ｏ～ １００ ｋＱ，在循环管道通人热水温度分别为５Ｏ℃、６０℃、 Ｙ — ７Ｏ℃时做多组实验，可得到在不同负载、不同温差的情况 下温差发电模块的输出电压，见图８～图１０。 Ｎ Ｙ ５ Ｎ ４ ；３ｏｓ定时到？＞— 温度数据采集 数据计算并存储 言３ ２ １ 图６系统流程图 时间 ｓ ５测试及结果 在完成对超声波热量表各模块的硬件电路设计和系 统软件设计后，需要对其进行模块化功能测试，本文主要 图８水温为５０℃时负载的输出电压 从图８中可以看出，热水温度为５Ｏ℃，即温差为 ４Ｏ℃时，温差发电模块可以为７３ ｋＱ的负载提供４．５ ｖ 的稳态电压。由图９可知，水温为６０℃时，温差发电模块 可以为４５ ｋＱ的负载提供４．５ Ｖ的稳态电压。由图１０可 对温差发电模块的发电性能方面进行实验分析。 敬请登录网站在线投稿 ２０１５年第９期 《平 机 嵌入式条碗应冈》 ６３
