摘 要： 介紹了溫差發(fā)電的原理，應(yīng)用低功耗儀器的設(shè)計方法，研制了一套基于蒸汽的溫差發(fā)電、充電功能的低功耗無線渦街流量計。引入無線通信方式，摒棄了傳統(tǒng)自動化儀表布線繁瑣的缺點。該流量計具有較好的實用價值。
關(guān)鍵詞： 溫差發(fā)電；電能管理；無線數(shù)據(jù)通信；低功耗；渦街流量計

　溫差發(fā)電是利用熱電轉(zhuǎn)換材料將熱能轉(zhuǎn)化為電能的全靜態(tài)發(fā)電方式，具有無噪音、無污染、無磨損、壽命長、體積小等優(yōu)點，但其輸出電壓波動大、輸出功率小，適用于微小功率的設(shè)備使用。
溫差發(fā)電有完善的物理理論基礎(chǔ)和成熟的溫差發(fā)電片制造技術(shù)的支持，從20世紀60年代開始，陸續(xù)有一批溫差發(fā)電機成功用于航天飛機和軍事領(lǐng)域[1]。近幾年隨著溫差發(fā)電片生產(chǎn)成本的降低與轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，溫差發(fā)電技術(shù)在工業(yè)和民用方面表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。
德國Micropelt公司用MEMS薄膜熱電技術(shù)，在1 mm2的面積內(nèi)布置了100多個熱電偶。該公司的溫差發(fā)電片MPG-D651，面積僅為8.4 mm2，每10 ℃的溫差能產(chǎn)生1.4 V電壓。該公司與施耐德公司合作生產(chǎn)的用于安裝在電力母線上的溫度傳感器具有無需更換電池的特點。美國Hi-Z公司為車輛余熱轉(zhuǎn)換研制的一種熱電模塊，由71對碲化鉍熱電偶連接起來，模塊在溫差200 ℃時，輸出電壓為2.38 V，功率為19 W[2]。日本精工儀器公司研制出一種利用人的體溫發(fā)電的手表用電池，是使用Bi-Te材料制成的溫差發(fā)電部件，電池尺寸為2 mm×2 mm×1.3 mm，由50個熱電偶串聯(lián)組成，1 ℃的溫差可產(chǎn)生20 mV的電壓，輸出功率為1 μW[1]。
溫差發(fā)電的基本原理是塞貝克效應(yīng)。當溫差發(fā)電片熱端置于高溫環(huán)境(TH)中、冷端置于低溫環(huán)境(TL)（相對于熱端）中時，就會產(chǎn)生電勢差VOC。

其中，S表示溫差發(fā)電片的塞貝克系數(shù)，它是由材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)[3]。
如圖1所示，溫差發(fā)電片的基本單元是熱電偶，它由P型、N型半導體通過金屬導流片連接在一起，當給熱端施加熱源時，N型半導體中帶負電的自由電子會向冷端擴散，P型半導體中帶正電的空穴向冷端擴散，這樣形成了由N向P的電流，在冷端形成電勢差[4-5]。如圖2所示，一個成型的溫差發(fā)電片是由若干個這樣的熱電偶對串聯(lián)而成。

1 蒸汽渦街流量計的低功耗設(shè)計
低功耗儀表的設(shè)計技術(shù)其電路采用低功耗器件、低電壓、較低的工作頻率以及部件可睡眠的工作方式。圖3是本文研制的低功耗蒸汽渦街流量計的組成框圖，從功能看相當于把溫度傳感器、壓力傳感器、渦街流量變送器、流量積算儀集成在一起的可電池供電的自動化儀表。

壓電晶體用于檢測渦街頻率、計算蒸汽的體積流量。由低功耗運放組成的前置放大電路可以做到約30 μA電流，傳感部分的低功耗是研制低功耗渦街流量計的前提條件。
微控制器(MCU)的選擇是智能儀器設(shè)計的關(guān)鍵之一。本文采用TI公司的16 bit超低功耗微處理器MSP430-F5438A，它具有集成度高、性價比好等優(yōu)點。
渦街流量計測量流體的流量為體積流量，而在蒸汽貿(mào)易結(jié)算時采用質(zhì)量流量，因此需要根據(jù)蒸汽的溫度和壓力求取蒸汽的密度。溫度傳感器采用PT1000，壓力傳感器采用擴散硅壓阻式傳感器MB18，傳感信號調(diào)理電路采用MAXIM公司的18 bit A/D轉(zhuǎn)換器MAX1403。MAX1403包含恒流激勵源、程控放大器、多個差分輸入通道等資源，工作電流約為250 μA，在低功耗模式下僅為2 μA。為了降低整個系統(tǒng)的功耗，A/D采樣的時間間隔是可以設(shè)定的，不采樣時關(guān)斷MAX1403。
無線數(shù)據(jù)通信簡化了布線問題。CC1101是TI公司的低成本單片UHF收發(fā)器，具有功耗低、使用簡單等特點；支持多種調(diào)制格式，載波頻率可在300～348 MHz、400～464 MHz和800～928 MHz等范圍內(nèi)選擇；數(shù)據(jù)傳輸率最高可達500 Kb/s。本文采用433 MHz載波，用SPI接口與CC1101連接。應(yīng)用CC1101的Wake-On-Radio(WOR)功能，即在無需MCU干預(yù)下周期性地從睡眠模式醒來偵聽數(shù)據(jù)包。一旦偵聽到有效數(shù)據(jù)，向MCU產(chǎn)生中斷，MCU可及時接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理完畢后進入CC1101的發(fā)送模式，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再進入偵聽模式，以降低功耗。通信協(xié)議的應(yīng)用層采用MODBUS協(xié)議。
為保證低功耗和寬溫的性能，流量計需要根據(jù)顯示內(nèi)容而定制LCD，因此采用集成串行接口的LCD驅(qū)動芯片HT1621；4個按鍵分別為功能鍵、移位鍵、數(shù)字鍵和退出鍵，用于參數(shù)設(shè)置；被設(shè)置的參數(shù)以及記錄的數(shù)據(jù)存放在I2C接口、容量為128 KB的E2PROM芯片F(xiàn)M25V10中。
2 溫差發(fā)電片的選擇和安裝
常用蒸汽的溫度在400 ℃以下。本設(shè)計所選用的中國納米克公司的溫差發(fā)電片(TEG)，型號為TEP1-1263-3.4，尺寸為3 cm×3 cm×0.4 cm，基片采用耐高溫熱電Bi-Te合成材料，熱面可以在高達380 ℃的高溫環(huán)境下連續(xù)工作，冷面則可以在高達180 ℃的環(huán)境下工作；由126個熱電偶組成，最大能產(chǎn)生5 W左右的功率，有充足的余量滿足流量計的需要。
溫差發(fā)電片安裝示意圖如圖4所示。為避開太陽光的直射而升高冷面溫度，取熱位置選在渦街流量計的下方。由于TEG不能彎曲，而管道是圓柱形，為保證發(fā)電片充分受熱和均勻受熱，設(shè)計了一個導熱性能好的銅質(zhì)弧形導熱體，該弧形導熱體的弧面與管道通過納米克公司的耐高溫導熱硅脂無縫連接，上平面則與溫差發(fā)電片的熱面貼在一起。為得到較大的溫差，需要在TEG冷面采用導熱性能好的散熱片，且散熱面積盡可能大。用保溫材料包牢弧形導熱體，以減少熱量的散失。

3 電能管理
電能管理包括TEG的電能收集、鋰電池充放電、TEG輸出電壓、鋰電池狀態(tài)檢測和異常報警以及流量計各部件的工作狀態(tài)控制等功能。如圖5所示，電能管理電路由TEG、DC/DC、鋰電池充電芯片、鋰電池和穩(wěn)壓芯片組成。