基于工質特性的無源儀表

蔡瑋

摘要：檢測技術在自動化生產過程中，有著舉足輕重的地位。檢測儀表，在生產中，指能確定所感受的被測變量大小的儀表。它通過專門的檢測元件去感受被測變量，轉換成相應信號，經傳送和放大，顯示出其數(shù)值。它通常由檢測、轉換放大和顯示三部分組成。而檢測技術的硬件基礎，即是各種檢測儀表。在生產過程中，需要用到大量的測量儀表。這些檢測儀表需要外部供電的支持，一般情況下，儀表需要的電能量并不大，但是由于供電布線的存在，卻給設計和施工。安全、可靠、穩(wěn)定的供電系統(tǒng)是儀表正常、安全運轉的基礎。為了保證儀表的供電，現(xiàn)已有較為完備的儀表供電規(guī)范。現(xiàn)有的自動化儀表供電設計可以為電動儀表、電動執(zhí)行器或部件運行提供電源的設計。

若能夠使得儀表在無外部供電的情況，能夠提供常規(guī)的服務，系統(tǒng)的格局將更加靈活，適應性更強。同時，在能源成本與材料成本上都將得到降低。

為了使研究更加具有代表性，我們將首先列舉生產過程中，各種典型的能量利用形式。對不同的能量利用形式，提出不同的設計方案。列舉了溫差發(fā)電式，壓電陶瓷式，管道內發(fā)電式三種方式的利用形式。其中，我們將以冷熱水共進管道為切入點，通過搭建試驗臺進行實驗的方法進行驗證。

關鍵詞：無源儀表；檢測技術；低品能源

1 緒論

1.1 研究背景

檢測儀表，在生產中，指能確定所感受的被測變量大小的儀表。它通過專門的檢測元件去感受被測變量，轉換成相應信號，經傳送和放大，顯示出其數(shù)值。它通常由檢測（實現(xiàn)被測變量的一次轉換）、轉換放大（或變送、實現(xiàn)信號的二次或多次轉換）和顯示三部分組成。在生產中，有高溫、高壓、深冷、劇毒、易燃、易爆、易結焦、易結垢、高粘度、強腐蝕性等情況，故須選擇相適應的檢測儀表。 [1]

無論是什么形式的儀表，在使用過程中，都需要供給電源。大多數(shù)情況下，其供電電源對測量精度與準確度有著極大的影響。

1.2 研究意義

在生產過程中，需要用到大量的測量儀表。大多數(shù)的檢測儀表需要外部供電，一般情況下，儀表需要的電能量并不大，但是由于供電布線的存在，給設計和施工帶來了很大的工作量。

若能夠使得儀表在無外部供電的情況，能夠提供常規(guī)的服務，這將對整個系統(tǒng)的布置方式造成深遠的影響。系統(tǒng)的格局將更加靈活，適應性更強。同時，在能源成本與材料成本上都將得到降低。由于，目前對這一方向的研究還在表面階段，所以這也是一個開拓新領域的時機。

1.3 研究現(xiàn)狀

安全、可靠、穩(wěn)定的供電系統(tǒng)是儀表正常、安全運轉的基礎。為了保證儀表的供電，現(xiàn)已有較為完備的儀表供電規(guī)范。

現(xiàn)有的自動化儀表供電設計可以為電動儀表、電動執(zhí)行器或部件運行提供電源的設計。根據(jù)檢測、控制設備的作用和生產過程的要求，以及斷電后的影響來考慮供電負荷種類、供電容量、供電方式和供電設備選擇等。

供電負荷種類儀表供電負荷可分為兩類，第1類為影響安全生產的檢測和控制設備，第Ⅱ類為不直接影響安全生產的檢測和控制設備。

為了保證儀表的供電，現(xiàn)已有較為完備的儀表供電規(guī)范。現(xiàn)有的自動化儀表供電設計可以為電動儀表、電動執(zhí)行器或部件運行提供電源的設計。

1.4 研究思路

為了使研究更加具有代表性，我們將首先列舉生產過程中，各種典型的能量利用形式。對不同的能量利用形式，提出不同的設計方案。列舉了溫差發(fā)電式，壓電陶瓷式，管道內發(fā)電式三種方式的利用形式，對這三種利用形式進行了簡單的分析

其中，我們將以冷熱水共進管道為切入點，通過搭建試驗臺進行實驗的方法進行驗證。我們將混水閥入水口處，改造成方形水管，便于安裝溫差發(fā)電片，溫差發(fā)電片至于冷熱方形水管之間。當使用溫水時，冷熱水管內的水流過，在溫差發(fā)電片兩端形成溫差。溫差發(fā)電片開始發(fā)電，電能經過穩(wěn)壓模塊輸送給顯示屏和溫度探頭。溫度探頭將出水口處的溫度進行測量，并返回給轉換電路，在LCD顯示屏上顯示。最終完成測量。

2 相關技術概述

2.1 溫差發(fā)電技術

溫差電效應是德國科學家塞貝克于1821年首先發(fā)現(xiàn)的，人們稱之為塞貝克 （Seebeck）效應，即兩種不同的金屬構成閉合回路，當兩個接頭存在溫差時，回路中將產生電流，這一效應為溫差發(fā)電技術奠定了基礎。在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，在將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電后，發(fā)現(xiàn)一個接頭變熱，另一個接頭變冷。這說明兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過時，兩個接頭處分別發(fā)生了吸放熱現(xiàn)象。這就是熱電制冷的依據(jù)。

2.2 壓電陶瓷技術

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機械振動轉換成電信號，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護、家用電器等。壓電陶瓷對外力的敏感使它可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動，用它來制作壓電地震儀，能精確地測出地震強度，指示出地震的方位和距離，這不能不說是壓電陶瓷的一大奇功。常用的壓電陶瓷有 鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3（A表示二價 金屬離子，B表示四價金屬離子或幾種離子總和為正四價）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等組成的三元系。

2.3 管道內發(fā)電技術

近年來，各種形式的管道內發(fā)電裝置逐漸發(fā)展。設計師 Ryan Jongwoo Choi 在水管當中加上了水力發(fā)電機用的渦輪，擰開水龍頭后，水流通過渦輪實現(xiàn)發(fā)電，點亮燈泡或者傳導出來進行更多使用。現(xiàn)研究比較深入的形式，就是以液體動能為能量來源，通過渦輪，帶動渦輪發(fā)電機發(fā)電。

類似的管道發(fā)電技術現(xiàn)在正在逐漸發(fā)展，這種發(fā)電量小的裝置，更加適合在發(fā)電功率不大的場合使用。

3 典型能量利用形式

3.1 溫差式

在常見的水溫控制系統(tǒng)中，通過會有冷熱水管道的引入。利用冷熱水管道的溫度差，將可以產生電能。例如實驗中，浴室混水閥入口處，通常為冷熱水管并行。這是極其適合溫差發(fā)電式的應用場合。

3.2 壓力式

在各種物料控制系統(tǒng)中，物料的投料操作，是一個典型的將重力勢能轉化為動能的過程。利用壓電陶瓷的發(fā)電特性，我們可以將這一部分的動能，轉化為電能

3.3管道式

在各種流體的流動管道場合，流體的動能也可以作為能量來源。例如，自來水的出水管道，雨水的集水管道或是生活用水的下水管道，都可以作為管道是發(fā)電機的使用場合。

近來，對于氣體流動管道的發(fā)電研究也逐漸深入，管道式發(fā)電的場合也逐漸寬泛起來。

4 總結

檢測儀表這類感受的被測變量大小的儀表。作為檢測技術的硬件基礎。而且在生產過程中，需要用到大量的測量儀表。這些檢測儀表需要外部供電支持，我們所構想的是，若能夠使得儀表在無外部供電的情況，能夠提供常規(guī)的服務，系統(tǒng)的格局將更加靈活，適應性更強。同時，在能源成本與材料成本上都將得到降低。本研究具有代表性和典型性，我們首先列舉生產過程中，各種典型的能量利用形式。對不同的能量利用形式，提出了不同的設計方案。列舉了溫差發(fā)電式，壓電陶瓷式，管道內發(fā)電式三種方式的利用形式。其中重點以冷熱水共進管道為切入點，通過搭建試驗臺進行實驗的方法進行驗證。無源儀表的可行性與適應性還需要更加深入的研究與討論，同時也具有很大的發(fā)展空間。

參考文獻：

[1]侯立宇. 我國儀器儀表行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 機械工業(yè)標準化與質量， 2011（11）.

[2]常太華.蘇杰.《過程參數(shù)檢測及儀表》 2009-6-1

[3]陸會明.《控制裝置與儀表》