CN103196624A - 一种利用温差发电的无线压力变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用温差发电的无线压力变送器，其用于测量流体介质的压力，包括压力传感模块，电源模块、电路处理模块，其中压力传感模块感测介质压力，得到压力信号；电源模块包括温差供电单元与备用电源单元，所述温差供电单元感测介质与环境的温度差得到温度信号，并根据该温度差发电，所述电源模块为所述压力传感模块以及电路处理模块供电；电路处理模块，对所述压力信号与温度信号进行AD采样，将获得的压力采样信号与温度采样信号传送，并对所述压力传感模块与温差供电单元的采样时间以及采样信号的传送时间进行控制。本发明利用温差发电技术产生有效电源，供给仪表连续工作，同时给备用电池充电，可以终生工作无需更换。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线压力变送器，特别是一种利用温差发电的无线压力变送器。
背景技术
目前应用在工业领域的无线压力变送器，多以电池供电、或者有线电源外加的方式供电。有线电源用的较少，一般用在无人值守的地方。电池供电用的最多，从公开资料检索，都是以电池方式供电，而且多配备大容量的工业锂电池，寿命在2～5年。
电池的缺点是需要维护，在电量耗尽前需要更换电池，导致工作间断，不能用在无人值守的地方，维护成本偏高。如果增大电池容量，则仪表体积也会增大，导致安装困难，降低了无线网络的优势，而且太大容量也不能用在需要防爆的场合。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种利用温差发电的无线压力变送器，其包括压力传感模块，电源模块、电路处理模块，其中
压力传感模块，感测介质压力，得到压力信号；
电源模块，其包括温差供电单元与备用电源单元，所述温差供电单元感测介质与环境的温度差，得到温度信号，并根据该温度差进行发电，所述电源模块为所述压力传感模块以及电路处理模块供电；
电路处理模块，对所述压力信号与温度信号进行AD采样，获得压力采样
信号与温度采样信号，将获得的压力采样信号与温度采样信号进行传送；并对所述压力传感模块与温差供电单元的采样时间以及压力采样信号与温度采样信号的传送时间进行控制。
较佳地，所述电路处理模块包括AD采样单元、通信接口单元以及MCU；
所述AD采样单元对所述压力信号与温度信号进行AD采样，获得压力采样信号与温度采样信号;所述通信接口单元接收所述压力采样信号与温度采样信号并传送压力采样信号与温度采样信号；所述MCU对所述压力传感器模块与温差供电单元的采样时间以及通信接口单元的通信时间进行控制。
较佳地，所述电源模块还包括一电源比较电路，所述电源比较电路判断温差供电单元的发电量是否足够支持系统工作，当所述温差供电单元输出电量足够支持系统工作时，系统工作电源由所述温差供电单元单独提供，同时将多余的电量充给所述备用电源单元；当所述温差供电单元输出电量不足时，备用电池无缝切入，配合所述温差供电单元共同为系统供电。
较佳地，所述备用电池单元单独为所述压力传感模块以及电路处理模块供电。
较佳地，所述压力传感模块包括一压力芯体，所述温差供电单元包括一TEG，所述电路处理模块包括一电路板卡。
较佳地，其还包括一传感器基座与一散热壳体，所述传感器基座连接并承载所述TEG以及所述压力芯体，所述散热壳体与所述TEG以及电路处理模块连接并为所述TEG以及电路处理模块散热。
较佳地，所述传感器基座对外接口为螺纹状，承载TEG温差装置的结构为空腔，TEG温差装置的接线预埋在所述传感器基座中；
所述压力芯体包括与介质接触的接触膜片，所述接触膜片为波纹结构；
所述散热壳体与传感器基座接触，其与所述传感器基座接触部分为肋片式结构，所述散热壳体一体成型。
一种利用温差发电的无线压力变送器的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述传感器基座上安装TEG，连接面涂导热胶水，与所述传感器基座粘接为一体，所述TEG的引线与TEG之间以锡焊接；
将压力芯体装入所述传感器基座中，二者之间以激光焊接；
安装散热壳体，在散热壳体底面涂导热硅脂；
将所述电路板卡安装在散热壳体中。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明利用温差发电技术产生有效电源，供给仪表连续工作，同时给备用电池充电。电池在本发明中仅作为备用电源存在，用在仪表初期调试、或者温差发电量不足而需要快速通信的场合，可以终生工作无需更换。当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的利用温差发电的无线压力变送器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的传感器基座结构示意图；
图3为本发明实施例提供的散热壳体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的用温差发电的无线压力变送器系统原理图。
具体实施方式
本发明提供了一种利用温差发电的无线压力变送器，其用于流体介质的压力检测，包括压力传感模块，电源模块、电路处理模块，其中
压力传感模块，感测介质压力，得到压力信号；
电源模块，其包括温差供电单元与备用电源单元，所述温差供电单元感测介质与环境的温度差，得到温度信号，并根据该温度差进行发电，所述电源模块为所述压力传感模块以及电路处理模块供电；
电路处理模块，对所述压力信号与温度信号进行AD采样，获得压力采样
信号与温度采样信号，将获得的压力采样信号与温度采样信号进行传送；并对所述压力传感模块与温差供电单元的采样时间以及压力采样信号与温度采样信号的传送时间进行控制。
所述电路处理模块包括AD采样单元、通信接口单元以及MCU；
所述AD采样单元对所述压力信号与温度信号进行AD采样，获得压力采样信号与温度采样信号;所述通信接口单元接收所述压力采样信号与温度采样信号并传送压力采样信号与温度采样信号；所述MCU对所述压力传感器模块与温差供电单元的采样时间以及通信接口单元的通信时间进行控制。
所述电源模块还包括一电源比较电路，所述电源比较电路判断温差供电单元的发电量是否足够支持系统工作，当所述温差供电单元输出电量足够支持系统工作时，系统工作电源由所述温差供电单元单独提供，同时将多余的电量充给所述备用电源单元；当所述温差供电单元输出电量不足时，备用电池无缝切入，配合所述温差供电单元共同为系统供电。所述备用电源单元也可单独为所述压力传感模块以及电路处理模块供电。本发明中温差供电单元为TEG（Thermoelectric Power Generation），微控制单元为MCU（Micro Control Unit）
所述电路处理模块通过一电路板卡的形式安装在该无线压力变送器中。
如图4所示，本例中，电源模块输出三路电压，其中一路为连续电压供给低功耗的MCU，另两路由MCU控制输出，分别为AD采样单元以及通信接口单元供电；所述MCU控制所述电源模块的供电功率分配、压力传感模块与TEG的采样时间以及通信接口单元的通信时间。通信接口单元采用通用接口UART。
实施例
如图1所示，为本发明提供一种利用温差发电的无线压力变送器的实施例，其用于测量流体介质的压力，其通过传感器基座1安装在含流体介质的储槽中，传感器基座与流体介质接触，传感器基座上部的电源模块及电路处理模块处于外界环境中；所述温差发电单元为为TEG2，压力传感模块为压力芯体3，电路处理模块为电路板卡5，其还包括传感器基座1、散热壳体4；其中
传感器基座1，连接并承载TEG2以及压力芯体3；
TEG2，采集介质与环境的温度信号，利用介质与环境的温
度差产生温差电压并输出；
压力芯体3，采集介质压力信号并传送给电路板卡5；
散热壳体4，与TEG2以及电路板卡5连接并为TEG2以及电路板卡5散热；
电路板卡5，处理所述压力信号、温度信号以及温差电压，并与外接进行
通信。
如图2所示传感器基座1。传感器基座1的对外接口设计为螺纹形式，其包括导压腔8、压力芯体腔7；承载TEG的结构设计为空腔，目的是尽量减少介质热源损失，TEG引线6预埋在传感器基座1中；压力芯体3放置在传感器基座1的最顶端，尽量远离介质热源。传感器基座最高承受温度180℃，当介质温度高于180℃时，传感器基座与介质接口处应增加散热结构。高于180℃的基座设计不在本发明中体现。
TEG温差装置利用塞贝克温差效应制成，温差灵敏度优于30mV/℃，内阻约2Ω，内含1只测温二极管。输出的温差电压为双极性电压，即当介质温度高于环境温度时模块输出正电压，低于环境温度时模块输出负电压。模块的最高耐温180℃，装配散热壳体以后，实际有效温差（1～50）℃，输出电压约（30～750）mV，匹配输出功率约（0.6mW～4.5W）。
压力芯体，支持量程压力40MPa以下，输出信号的灵敏度优于10mV/V。与介质接触膜片设计为波纹结构，输出信号线直接连接至电路板卡。
散热壳体的结构请见图3，壳体材料AL6061。散热壳体与传感器基座的接触部分设计为肋片式结构，整个散热壳体一体成型。本发明中，散热壳体设计热阻略小于TEG热阻，约为2℃/W，落在TEG上温差约为总温差的一半。
该无线压力变送器的安装方法，包括以下步骤：
在所述传感器基座上安装TEG，连接面涂导热胶水，与所述传感器基座粘接为一体，所述TEG的引线与TEG之间以锡焊接；
将压力芯体装入所述传感器基座中，二者之间以激光焊接；
安装散热壳体，在散热壳体底面涂导热硅脂；
将所述电路板卡安装在散热壳体中。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种利用温差发电的无线压力变送器，其用于流体介质的压力测量，其特征在于，包括压力传感模块，电源模块、电路处理模块，其中
压力传感模块，感测介质压力，得到压力信号；
电源模块，其包括温差供电单元与备用电源单元，所述温差供电单元感测介质与环境的温度差，得到温度信号，并根据该温度差进行发电，所述电源模块为所述压力传感模块以及电路处理模块供电；
电路处理模块，对所述压力信号与温度信号进行AD采样，获得压力采样
信号与温度采样信号，将获得的压力采样信号与温度采样信号进行传送；并对所述压力传感模块与温差供电单元的采样时间以及压力采样信号与温度采样信号的传送时间进行控制。
2.如权利要求1所述的利用温差发电的无线压力变送器，其特征在于，所述电路处理模块包括AD采样单元、通信接口单元以及MCU；
所述AD采样单元对所述压力信号与温度信号进行AD采样，获得压力采样信号与温度采样信号;所述通信接口单元接收所述压力采样信号与温度采样信号并传送压力采样信号与温度采样信号；所述MCU对所述压力传感器模块与温差供电单元的采样时间以及通信接口单元的通信时间进行控制。
3.如权利要求1所述的利用温差发电的无线压力变送器，其特征在于，所述电源模块还包括一电源比较电路，所述电源比较电路判断所述温差供电单元的发电量是否足够支持系统工作，当所述温差供电单元输出电量足够支持系统工作时，系统工作电源由所述温差供电单元单独提供，同时将多余的电量充给所述备用电源单元；当所述温差供电单元输出电量不足时，备用电池无缝切入，配合所述温差供电单元共同为系统供电。
4.如权利要求1所述的利用温差发电的无线压力变送器，其特征在于，所述备用电池单元单独为所述压力传感模块以及电路处理模块供电。
5.如权利要求1所述的利用温差发电的无线压力变送器，其特征在于，所述压力传感模块包括一压力芯体，所述温差供电单元包括一TEG，所述电路处理模块包括一电路板卡。
6.如权利要求5所述的利用温差发电的无线压力变送器，其特征在于，其还包括一传感器基座与一散热壳体，所述传感器基座连接并承载所述TEG以及所述压力芯体，所述散热壳体与所述TEG以及电路处理模块连接并为所述TEG以及电路处理模块散热。
7.如权利要求6所述的利用温差发电的无线压力变送器，其特征在于，
所述传感器基座对外接口为螺纹状，承载TEG温差装置的结构为空腔，TEG温差装置的接线预埋在所述传感器基座中；
所述压力芯体包括与介质接触的接触膜片，所述接触膜片为波纹结构；
所述散热壳体与传感器基座接触，其与所述传感器基座接触部分为肋片式结构，所述散热壳体一体成型。
8.一种如权利要求6所述的利用温差发电的无线压力变送器的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述传感器基座上安装TEG，连接面涂导热胶水，与所述传感器基座粘接为一体，所述TEG的引线与TEG之间以锡焊接；
将压力芯体装入所述传感器基座中，二者之间以激光焊接；
安装散热壳体，在散热壳体底面涂导热硅脂；
将所述电路板卡安装在散热壳体中。
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