CN109100050A - 采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统，技术方案是，温差发电模块的电能与升压模块的相连，升压模块与电源管理模块相连，电源管理模块的输出端分别与可充电锂电池的输入端、微处理器的供电输入端和温度传感器的供电输入端相连，可充电锂电池的输出端分别与微处理器的供电输入端和温度传感器的供电输入端相连，温度传感器的信号输出端与微处理器的信号输入端相连，本发明通过温差发电模块直接将热能转化为电能为微处理器和温度传感器供电，无需逆变、整流等环节，大大减少了测温布线的数量和距离；采用ZigBee无线传输技术实现微处理与分散控制系统的信号收发，响应速度较快、低功耗、传输距离远、灵活性强。
Description
技术领域
本发明涉及火电厂锅炉、汽轮机及其管道的壁温检测系统，特别是一种采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统。
背景技术
目前，在火电机组运行过程中，需要对锅炉、汽轮机及其管道的壁温进行长时间的监视，传统的监控系统通常采用热电阻或热电偶测温。一般需要布设大量的线缆，以此为系统提供电源和用于温度信号的传输。而在火电厂，由于测温度点众多，甚至多达上千个，若是布线就占用大量的桥架空间，浪费大量的线缆。因此，找出较完善且能适应火电厂环境条件的温度检测方法和信号传送方式，建立一种新型的、适用性更强的火电厂壁温智能测量装置是当前急需。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统，可有效解决火电厂壁温测量的问题。
本发明解决的技术方案是：一种采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统，包括温差发电模块、微处理器和温度传感器，温差发电模块紧贴在待测壁的外表面，温差发电模块与待测壁紧贴的一面作为热端，远离待测壁的一面作为冷端，冷端表面涂有导热硅脂层，导热硅脂层的外侧面覆盖有散热铝片，构成温差发电模块冷端的散热结构，温差发电模块一侧的待测壁表面设置有用于检测其表面温度的温度传感器，温差发电模块的电能输出端与升压模块的输入端相连，升压模块的输出端与电源管理模块的输入端相连，电源管理模块的输出端分别与可充电锂电池的输入端、微处理器的供电输入端和温度传感器的供电输入端相连，可充电锂电池的输出端分别与微处理器的供电输入端和温度传感器的供电输入端相连，温度传感器的信号输出端与微处理器的信号输入端相连，其中：
温差发电模块，用于发电，利用热端、冷端的温差直接将热能转化为电能，为微处理器和温度传感器供电以及为可充电锂电池充电；
升压模块，用于将温差发电模块输出的低电压升压输出高电压给电源管理模块；
电源管理模块，用于对升压模块升压后的电源进行管理，在温差发电模块电压输入充足时，为微处理器和温度传感器供电并给可充电锂电池充电，在温差发电模块电压输入不足时，可充电锂电池为微处理器和温度传感器供电；
可充电锂电池，用于储存在温差发电模块电压输入充足时多余的电能；
温度传感器，用于采集待测壁表面的壁温，并将该采集到的温度信号传输给微处理器；
微处理器，用于与分散控制系统(DCS)通过ZigBee无线传输实现信号收发。
所述温差供电模块、升压模块，电源管理模块、可充电锂电池、微处理器和温度传感器构成一个无线测温传感器节点，无线测温传感器节点有多个，分别设置在火电厂锅炉炉膛壁或汽轮机疏水管道壁的金属壁构成的待测壁上，每个无线测温传感器节点的微处理器均通过ZigBee无线传输与分散控制系统(DCS)实现信号收发，分散控制系统(DCS)与远程监控客户端实现数据收发；每个无线测温传感器节点可设置多种工作方式，休眠周期可随时调整，可以定时采集温度数据，动态调整信息，来实现低功耗运行。
一种采无源无线火电厂壁温测量系统的火电厂壁温测量方法，包括以下步骤：
A、将多个无线测温传感器节点分别设置在火电厂锅炉炉膛壁或汽轮机疏水管道壁的金属壁构成的各个待测壁上；
B、温差发电模块利用热端、冷端的温差直接将热能转化为电能，通过升压模块升压后为微处理器和温度传感器供电；
C、温度传感器采集待测壁表面的壁温，并将该采集到的温度信号传输给微处理器；
D、微处理器通过ZigBee无线传输与分散控制系统(DCS)实现信号收发；
E、分散控制系统对数据的接收和处理，并通过电力专用光缆将现场温度信息传送给远程监控客户端吗，实现数据远程监控。
温度传感器将测得的温度信号直接转化为数字信号，并传送给与其相连的微处理器，所有的无线测温传感器节点都将温度信号利用ZigBee无线传输技术传送给分散控制系统(DCS)，分散控制系统(DCS)对数据的接收和处理。分散控制系统(DCS)还可以通过电力专用光缆将现场温度信息传送给远程监控客户端(远程监控中心)，以实现火电厂壁温的远程监控。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过温差发电模块热端、冷端的温差直接将热能转化为电能，升压模块升压后直接为微处理器和温度传感器供电，无需逆变、整流等环节，只需要升压即可，输出电压可设定且输出电压不受输入电压影响；每个无线测温传感器节点均包含温差供电模块、升压模块，电源管理模块、可充电锂电池、微处理器和温度传感器，大大减少了测温布线的数量和距离；
(2)温差发电模块的冷端增加导热硅脂和散热铝片进行散热，增强温差发电模块冷端的散热能力，使热端、冷端两端温差尽可能的大，保证发电效果；
(3)温差发电模块紧贴待测管道壁，安装更方便；
(4)增加了可充电锂电池，在温差发电模块电压输入充足时，温差发电模块产生的电能升压后直接为微处理器和温度传感器供电并给可充电锂电池充电，在温差发电模块电压输入不足时，可充电锂电池为微处理器和温度传感器供电，维护人员可随时手动进行更换；如果与现有市场上常见的采用电容储能相比，电路板上电容不能更换，只能整体更换电路板或者专业人员焊接电容，本发明大大增加了系统的稳定性并且降低了维护成本；
(5)温度传感器为数字温度传感器，是一种串行通信数字温度传感器，内部温度检测元件输出的温度被直接转换成数据，通过与SPI和MICROWIRE兼容的接口来完成与微处理器的通信；
(6)采用ZigBee无线传输技术实现微处理与分散控制系统的信号收发，ZigBee无线传输是一种介于无线标记技术与蓝牙技术之间的技术方案，拥有自己的无线电标准，可以在多达几千个以上的微小传感器之间实现互相协调通信，而这些传感器只需要很少的能量，以一接一的传递方式将数据通过无线电波从一个传感器传给另一个，因此通信效率相当高，该ZigBee无线传输技术相对于传统常用的红外传输来说：
a、响应速度较快，ZigBee无线传输节点连接进入网络只需30ms，从休眠模式转入工作状态只需15ms，进一步节省了电能，相比较，红外技术或蓝牙则需要3～10s、WiFi需要3s；
b、低功耗，在低耗电待机模式下，两节5号干电池的电量可支持1个节点工作6个月到2年，甚至更长，这是ZigBee无线传输的独特优势，相比较，蓝牙和红外技术只能工作数周、WiFi则可工作数小时。
c、传输距离远，ZigBee无线传输技术传输范围一般介于10～100m之间,不受物体遮挡影响，在增加RF射频发射功率后，可增加到1～3km，若再增加路由，与节点间进行接力通信，则传输距离可以更远；红外传输距离近，一般为1～10m，受遮挡影响。
d、灵活性强，基于ZigBee技术的无线通信设备无须布线，可任意摆放，无线通信网络建立之后，在信号到达的区域内任何一个地方都可以无缝接入网络，还可以实现“漫游”，即ZigBee无线通信网络具有十分强和可靠的可扩展性。
附图说明
图1为本发明1个无线测温传感器节点的安装示意图。
图2为本发明的电路原理框式图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-2给出，本发明一种采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统，包括温差发电模块2、微处理器和温度传感器，温差发电模块2紧贴在待测壁1的外表面，温差发电模块与待测壁紧贴的一面作为热端，远离待测壁的一面作为冷端，冷端表面涂有导热硅脂层3，导热硅脂层3的外侧面覆盖有散热铝片4，构成温差发电模块冷端的散热结构，温差发电模块2一侧的待测壁表面设置有用于检测其表面温度的温度传感器，温差发电模块2的电能输出端与升压模块的输入端相连，升压模块的输出端与电源管理模块的输入端相连，电源管理模块的输出端分别与可充电锂电池的输入端、微处理器的供电输入端和温度传感器的供电输入端相连，可充电锂电池的输出端分别与微处理器的供电输入端和温度传感器的供电输入端相连，温度传感器的信号输出端与微处理器的信号输入端相连，其中：
温差发电模块，用于发电，利用热端、冷端的温差直接将热能转化为电能，为微处理器和温度传感器供电；该发电模块为现有技术，如型号为SP1848-27145的温差发电片，其为边长4cm、厚度4mm的方形，可采用两块温差发电片串联后构成一个面积为4cm×8cm的平面结构，直接粘贴在待测壁(1)的外表面即可满足供电需求；在温差发电模块的冷端表面涂抹导热硅脂构成导热硅脂层，然后在导热硅脂层外侧覆盖连接散热铝片(4)即可，导热硅脂层和散热铝片的作用是增强温差发电模块冷端的散热能力，使热端、冷端两端温差尽可能的大，保证发电效果；
升压模块，用于将温差发电模块输出的低电压升压输出高电压给电源管理模块；升压模块的最低输入电压为0.3V，输出电压为4.67V，温差模块产生的微弱电压不能为微处理器和温度传感器供电，也不能为可充电锂电池充电，所以需要通过升压模块升压至4.67V，该升压模块为现有技术，如采用TI公司(德州仪器)生产的型号为TPS61200的输入电压转换器。该输入电压转换器的最低输入电压为0.3V，可以将温差发电模块产生的电能升压以满足负载要求。该系列的输入电压转换器是一款超低输入电压升压式DC/DC转换器，该系列在Ta＝-40～+85℃工作温度范围内，启动电压0.6V，最低输入电压为0.3V；单个芯片就能组成升压式电源，效率较高。输出电压可根据需要设定。主要特点：效率高；根据输入电压的大小能自动转换成升压模式或降压模式；静态电流小(小于55μA)；输入电压在0.6V时，在满负载时也能启动工作；输入工作电压范围宽，从0.3～5.5V；输入低电压锁存的电压可设定；有输出短路保护；在输出功率较低时有节能模式，可提高效率；有可能强制按固定效率工作；在关闭电源时，负载与输入端断开；有过热保护；工作温度范围-40～+85℃；并且为小尺寸3mm×3mm QFN封装；可以和温度传感器、微处理器一起封装在壳体5内，体积小，拆装方便；
电源管理模块，用于对升压模块升压后的电源进行管理，在温差发电模块电压输入充足时，为微处理器和温度传感器供电并给可充电锂电池充电，在温差发电模块电压输入不足时，可充电锂电池为微处理器和温度传感器供电；采用这种温差发电模块和可充电锂电池的电源组合，完全可以保证给微处理器和温度传感器提供持续稳定的电源；
所述电源管理模块为现有技术，如可采用型号为CN3063的电池充电管理芯片，该型号的电池充电管理芯片内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管，内部的8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用温差发电模块、太阳能发电模块等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用；
可充电锂电池，用于储存在温差发电模块电压输入充足时多余的电能；
该可充电锂电池为现有技术，如可采用型号为LIR2032的可充电锂电池，电池容量40mAh,约为镍镉、镍氢电池的3倍，是普通银锌扣式电池(1.5V)的两倍。平均电压3.7V，充放电循环特性优秀,具有完善的过充，过放，短路保护电路,支持长期恒压浮充，自放电率小，低于5％/月，放电截止电压3.0V，循环次数>500次；
温度传感器，用于采集待测壁表面的壁温，并将该采集到的温度信号传输给微处理器；
该温度传感器为现有技术，如可采用型号为TC77的数字温度传感器，该传感器是一种串行通信数字温度传感器，内部温度检测元件输出的温度被直接转换成数据，通过与SPI和MICROWIRE兼容的接口来完成与未处理的通信；
微处理器，用于与分散控制系统(DCS)通过ZigBee无线传输实现信号收发。
该微处理器(单片机)为现有技术，如可采用型号为CC2430的芯片，该芯片通过很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能；
温度传感器将测得的温度信号直接转化为数字信号，并传送给与其相连的微处理器(单片机)，所有的无线测温传感器节点(可达数百个甚至上千个)都将温度信号利用ZigBee无线传输技术传送给分散控制系统(DCS)，分散控制系统(DCS)对数据的接收和处理，分散控制系统(DCS)还可以通过电力专用光缆将现场温度信息传送给远程监控客户端，以实现火电厂壁温的远程监控。
所述分散控制系统(DCS)支持上海新华、GE新华、和利时、Ovation、ABB等分散控制系统(DCS)厂家。
为保证使用效果，所述温差供电模块、升压模块，电源管理模块、可充电锂电池、微处理器和温度传感器构成一个无线测温传感器节点，无线测温传感器节点有多个，分别设置在火电厂锅炉炉膛壁或汽轮机疏水管道壁的金属壁构成的待测壁上，每个无线测温传感器节点的微处理器均通过ZigBee无线传输与分散控制系统(DCS)实现信号收发，分散控制系统(DCS)与远程监控客户端实现数据收发；每个无线测温传感器节点可设置多种工作方式，休眠周期可随时调整，可以定时采集温度数据，动态调整信息，来实现低功耗运行。
每个无线测温传感器节点的升压模块，电源管理模块、可充电锂电池、微处理器和温度传感器均封装在温差发电模块一侧的壳体5上；
所述温差发电模块的型号为SP1848-27145，所述升压模块的型号为TPS61200，所述电源管理模块的型号为CN3063，所述可充电锂电池的型号为LIR2032，所述温度传感器的型号为TC77，所述微处理器的型号为CC2430。
一种采用无源无线火电厂壁温测量系统的火电厂壁温测量方法，包括以下步骤：
A、将多个无线测温传感器节点分别设置在火电厂锅炉炉膛壁或汽轮机疏水管道壁的金属壁构成的各个待测壁上；
B、温差发电模块利用热端、冷端的温差直接将热能转化为电能，通过升压模块升压后为微处理器和温度传感器供电；
C、温度传感器采集待测壁表面的壁温，并将该采集到的温度信号传输给微处理器；
D、微处理器通过ZigBee无线传输与分散控制系统(DCS)实现信号收发；
E、分散控制系统对数据的接收和处理，并通过电力专用光缆将现场温度信息传送给远程监控客户端吗，实现数据远程监控。
温度传感器将测得的温度信号直接转化为数字信号，并传送给与其相连的微处理器，所有的无线测温传感器节点都将温度信号利用ZigBee无线传输技术传送给路由器，路由器再通过RF射频天线将温度信号传送给协调器。最后，协调器经过电平转换，将接收到的来自设备现场的温度信息通过RS-232串行通讯接口传送给分散控制系统(DCS)，分散控制系统(DCS)对数据的接收和处理。分散控制系统(DCS)还可以通过电力专用光缆将现场温度信息传送给远程监控客户端(远程监控中心)，以实现火电厂壁温的远程监控。整个ZigBee无线传感网络的流程如下：路由器通过基于ZigBee无线传输技术的射频PCB背板天线收集来自各个测温节点的测温数据，再通过射频天线将数据信息传送给协调器，协调器经过电平转换器将单片机TTL电平转换成和PC上位机兼容的RS232电平后，将温度信息传送给分散控制系统(DCS)，分散控制系统(DCS)实时处理温度信息。
经实际应用，温差发电模块的供电情况经试验如下表所示：
| 热端温度 | 62℃ | 75℃ | 84℃ | 90℃ | 100℃ | 104℃ | 108℃ |
| 冷端温度 | 41℃ | 49℃ | 50℃ | 50℃ | 51℃ | 57℃ | 60℃ |
| 温差 | 21℃ | 26℃ | 34℃ | 40℃ | 49℃ | 47℃ | 48℃ |
| 输出电压 | 0.63V | 0.68V | 0.74V | 0.96V | 1.15V | 1.25V | 1.65V |
由上表可以看出，输出电压均大于0.6V，完全满足升压模块输入电压的要求，整个系统经实际应用，温度采集稳定，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过温差发电模块热端、冷端的温差直接将热能转化为电能，升压模块升压后直接为微处理器和温度传感器供电，无需逆变、整流等环节，只需要升压即可，输出电压可设定且输出电压不受输入电压影响；每个无线测温传感器节点均包含温差供电模块、升压模块，电源管理模块、可充电锂电池、微处理器和温度传感器，大大减少了测温布线的数量和距离；
(2)温差发电模块的冷端增加导热硅脂和散热铝片进行散热，增强温差发电模块冷端的散热能力，使热端、冷端两端温差尽可能的大，保证发电效果；
(3)温差发电模块紧贴待测管道壁，安装更方便；
(4)增加了可充电锂电池，在温差发电模块电压输入充足时，温差发电模块产生的电能升压后直接为微处理器和温度传感器供电并给可充电锂电池充电，在温差发电模块电压输入不足时，可充电锂电池为微处理器和温度传感器供电，维护人员可随时手动进行更换；如果与现有市场上常见的采用电容储能相比，电路板上电容不能更换，只能整体更换电路板或者专业人员焊接电容，本发明大大增加了系统的稳定性并且降低了维护成本；
(5)温度传感器为数字温度传感器，是一种串行通信数字温度传感器，内部温度检测元件输出的温度被直接转换成数据，通过与SPI和MICROWIRE兼容的接口来完成与微处理器的通信；
(6)采用ZigBee无线传输技术实现微处理与分散控制系统的信号收发，ZigBee无线传输是一种介于无线标记技术与蓝牙技术之间的技术方案，拥有自己的无线电标准，可以在多达几千个以上的微小传感器之间实现互相协调通信，而这些传感器只需要很少的能量，以一接一的传递方式将数据通过无线电波从一个传感器传给另一个，因此通信效率相当高，该ZigBee无线传输技术相对于传统常用的红外传输来说：
a、响应速度较快，ZigBee无线传输节点连接进入网络只需30ms，从休眠模式转入工作状态只需15ms，进一步节省了电能，相比较，红外技术或蓝牙则需要3～10s、WiFi需要3s；
b、低功耗，在低耗电待机模式下，两节5号干电池的电量可支持1个节点工作6个月到2年，甚至更长，这是ZigBee无线传输的独特优势，相比较，蓝牙和红外技术只能工作数周、WiFi则可工作数小时。
c、传输距离远，ZigBee无线传输技术传输范围一般介于10～100m之间,不受物体遮挡影响，在增加RF射频发射功率后，可增加到1～3km，若再增加路由，与节点间进行接力通信，则传输距离可以更远；红外传输距离近，一般为1～10m，受遮挡影响。
d、灵活性强，基于ZigBee技术的无线通信设备无须布线，可任意摆放，无线通信网络建立之后，在信号到达的区域内任何一个地方都可以无缝接入网络，还可以实现“漫游”，即ZigBee无线通信网络具有十分强和可靠的可扩展性；
此外，需要说明的是，本申请上述指出的仅仅是一种实施例，并不是用于限制本申请的保护范围，凡是用等同或等同替代手段所做出与本申请技术方案本质上相同的技术方案均属于本申请的保护范围。
Claims (5)
1.一种采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统，其特征在于，包括温差发电模块(2)、微处理器和温度传感器，温差发电模块(2)紧贴在待测壁(1)的外表面，温差发电模块与待测壁紧贴的一面作为热端，远离待测壁的一面作为冷端，冷端表面涂有导热硅脂层(3)，导热硅脂层(3)的外侧面覆盖有散热铝片(4)，构成温差发电模块冷端的散热结构，温差发电模块(2)一侧的待测壁表面设置有用于检测其表面温度的温度传感器，温差发电模块(2)的电能输出端与升压模块的输入端相连，升压模块的输出端与电源管理模块的输入端相连，电源管理模块的输出端分别与可充电锂电池输入端、微处理器的供电输入端和温度传感器的供电输入端相连，可充电锂电池的输出端分别与微处理器的供电输入端和温度传感器的供电输入端相连，温度传感器的信号输出端与微处理器的信号输入端相连，其中：
温差发电模块，用于发电，利用热端、冷端的温差直接将热能转化为电能，为微处理器和温度传感器供电以及为可充电锂电池充电；
升压模块，用于将温差发电模块输出的低电压升压输出高电压给电源管理模块；
电源管理模块，用于对升压模块升压后的电源进行管理，在温差发电模块电压输入充足时，为微处理器和温度传感器供电并给可充电锂电池充电，在温差发电模块电压输入不足时，可充电锂电池为微处理器和温度传感器供电；
可充电锂电池，用于储存在温差发电模块电压输入充足时多余的电能；
温度传感器，用于采集待测壁表面的壁温，并将该采集到的温度信号传输给微处理器；
微处理器，用于与分散控制系统通过ZigBee无线传输实现信号收发。
2.根据权利要求1所述的采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统，其特征在于，所述温差供电模块、升压模块，电源管理模块、可充电锂电池、微处理器和温度传感器构成一个无线测温传感器节点，无线测温传感器节点有多个，分别设置在火电厂锅炉炉膛壁或汽轮机疏水管道壁的金属壁构成的待测壁上。
3.根据权利要求2所述的采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统，其特征在于，每个无线测温传感器节点的升压模块，电源管理模块、可充电锂电池、微处理器和温度传感器均封装在温差发电模块一侧的壳体5上。
4.根据权利要求1所述的采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统，其特征在于，所述温差发电模块的型号为SP1848-27145，所述升压模块的型号为TPS61200，所述电源管理模块的型号为CN3063，所述可充电锂电池的型号为LIR2032，所述温度传感器的型号为TC77，所述微处理器的型号为CC2430。
5.一种采用权利要求2所述的无源无线火电厂壁温测量系统的火电厂壁温测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将多个无线测温传感器节点分别设置在火电厂锅炉炉膛壁或汽轮机疏水管道壁的金属壁构成的各个待测壁上；
B、温差发电模块利用热端、冷端的温差直接将热能转化为电能，通过升压模块升压后为微处理器和温度传感器供电以及为可充电锂电池充电；
C、温度传感器采集待测壁表面的壁温，并将该采集到的温度信号传输给微处理器；
D、微处理器通过ZigBee无线传输与分散控制系统实现信号收发；
E、分散控制系统对数据的接收和处理，并通过电力专用光缆将现场温度信息传送给远程监控客户端吗，实现数据远程监控。
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| CN201811113622.XA CN109100050A (zh) | 2018-09-25 | 2018-09-25 | 采用温差模块供电的无源无线火电厂壁温测量系统 |
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