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）

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，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。

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Pt1000，对管道水温进行测量。在进水温度传感器与用户管道之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 128-2007给出的热量计算公式[2]：

其中：Q为用户消耗的热量，单位为J；qm为流经热量表的水的质量流量，单位为kg/h；qv为流经热量表的水的体积流量，单位为 m3/h；ρ为水的密度，单位为kg/m3；Δh为水的焓差值，单位为J/kg；τ为时间，单位为h。

2 温差发电片原理及安装方法

对于热量表自给供电问题，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。

图2 温差发电片简易安装示意图

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/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，最后通过稳压模块将电源供给系统。考虑到供暖只在冬季进行，为此添加了电池，作为不供暖时期的供电方式。

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 m V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。

图4 DC/DC直流升压电路

LTC3108利用SW端口内的MOSFET开关，并结合电容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5 稳压电路

4 系统软件设计

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化，包括TDC-GP21初始化、时钟初始化等。之后进入主程序，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。

图6 系统流程图

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，本文主要对温差发电模块的发电性能方面进行实验分析。

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10℃的环境中，将10 kΩ的电阻接Vout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产生温差，得到温差发电片产生电动势与冷热端温差的关系图，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，接近理论曲线变化。

图7 输出电压随温度变化曲线

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，将变阻器接入温差发电电路作为电路负载，并调节其阻值变化范围为10～100 kΩ，在循环管道通入热水温度分别为50℃、60℃、70℃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。

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50℃，即温差为40℃时，温差发电模块可以为73 kΩ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 kΩ的负载提供4.5 V的稳态电压。由图10可知水温为70℃时，温差发电模块可以为35 kΩ的负载提供4.5 V的稳态电压。

图9 水温为60℃时负载的输出电压

图10 水温为70℃时负载的输出电压

结 语

温差发电技术作为一种绿色环保的发电方式，具有广阔的发展前景。本文利用温差发电技术设计了一款新型的热量表。利用管道热水的余热，温差发电电源模块可以补偿超声波热量表的电源系统，延长热量表免维护和电能使用年限，合理利用了非污染的能源。该基表的设计对于其他低压供电设备具有一定的推广意义。

[1]屈永.超声波热量表的技术研究与设计[D].南京：南京理工大学，2014.

[2]杨素文.中低温温差发电器系统性能研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[3]张腾，张征.温差发电技术及其一些应用[J].能源技术，2009，30（1）：35-39.

[4]刘芳，陈向春，刘伟.基于无源技术的无线传感器网络节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2014，14（8）：17-19.

[5]李世光，孟强强.基于多串口的热量表系数修正软件[J].微型机与应用，2012（18）：1-4.