热力驱动式无线蒸汽涡街流量计的设计

图4 安装示意图

3 电能管理

电能管理包括TEG的电能收集、锂电池充放电、TEG输出电压、锂电池状态检测和异常报警以及流量计各部件的工作状态控制等功能。如图5所示，电能管理电路由TEG、DC/DC、锂电池充电芯片、锂电池和稳压芯片组成。

图5 电源管理电路图

图6 冷端温度30℃时，开路电压与热端温度的关系

流量计电路的电源由TEG或电池提供。当管道中有蒸汽流过时TEG便发电，经二极管D1可向电路供电，此时二极管D2处于截止状态，锂电池不向电路供电；当管道中没有蒸汽流动时，TEG没有电压输出，此时D2导通，D1截止，锂电池向电路供电。

3.1 TEG的电能采集

TEG的开路电压与温差的关系如图6所示，输出电压具有较宽的范围。为充分利用热能，本文选取TI公司的升/降压型DC/DC电源芯片TPIC74100-Q1采集TEG产生的电能。该芯片的输入电压范围从1.5V～40V，提供5V恒定输出电压；升/降压模式能自动切换，当输入电压低于5.8V时，进入升压模式；当输入电压超出5.8V时，进入降压模式。TPIC74100-Q1静态工作电流为10μA，可通过时钟调制器及可调节压摆率，减小系统中的电磁干扰（EMI）。

3.2 锂电池充电电路

当蒸汽管道中没有蒸汽流过以及蒸汽刚开始流过时，在TEG上不能形成较大的温差，不能产生电能。为避免流量计因工作不稳定而产生计量误差，需要用后备电池。所选用的锂电池是UltraFire16340（3.7V，880mAH），其有效充放电次数为1000次左右。

锂电池的充电过程是一个复杂的电化学过程，过度充电和深度放电，都会使电池容量衰减较快，电池寿命缩短。因此需要监测电池的电压，在电池电压达到额定值时停止充电。在进行大电流充电时需要用热敏电阻监测电池的温度，以调节充电电流，防止因电池内部过热而爆炸。为保证锂电池的充电效率、使用寿命及安全性，常采取先恒流后恒压的两段式充电方式对锂电池进行充电。本设计选用MAX8606来管理锂电池的充电过程。

3.3 电压监测和异常判断

为保证系统的可靠运行，图5中，AD0、AD1与MCU的12bitA/D输入端连接，分别监测TEG和锂电池的输出电压。当AD0偏低且有流量信号时，表明TEG部分故障；当通过AD1转换值估算的锂电池输出电压小于3.2V时，表明锂电池输出电压不足，锂电池有可能得不到及时地充电或内部损坏。在这些异常情况下，MCU产生并发送报警信息，以便工作人员及时处理。

4 实验

实验时，涡街流量计在3.6V锂电池供电的情况下进行功耗测试，其结果如表1所示。由表可知，整机的最大工作电流接近30mA，即需要电源能输出的功率为0.108W，其中无线通信电路连续运行时大约占用了92.7%的整机功耗。

热端温度从室温开始上升至135℃，此时冷端温度约为30℃，流量计开始正常工作；当锂电池输出电压为3.6V（电量充满）时，测试TEG输出端的电压为2.37V，整个系统电流消耗最大为30.72mA；没有无线通信和采样时，电流消耗为0.95mA。

表1 流量计在不同状态下的功耗测试表

妆锂电池输出电压为3.2V（欠压状态）、热端温度上升到200℃时，此时的冷端温度约为45℃、TEG输出电压为4.13V，整个系统电流消耗最大为129.32mA；当锂电池输出电压为3.6V时（电量充满），电流消耗最大为32.52mA。

当在有蒸汽流过管道、温差发电片两端的温差至少在105℃时，能给系统提供持续、稳定的电源；当温差至少在155℃时能给欠压的锂电池充电。

温差发电和无线通信技术的应用，摒弃了传统自动化仪表布线繁锁的缺点，实现了无电源线和数据线的新型蒸汽涡轮流量计，该流量计具有较好的实用价值。(end)