蔡玮

摘要：检测技术在自动化生产过程中，有着举足轻重的地位。检测仪表，在生产中，指能确定所感受的被测变量大小的仪表。它通过专门的检测元件去感受被测变量，转换成相应信号，经传送和放大，显示出其数值。它通常由检测、转换放大和显示三部分组成。而检测技术的硬件基础，即是各种检测仪表。在生产过程中，需要用到大量的测量仪表。这些检测仪表需要外部供电的支持，一般情况下，仪表需要的电能量并不大，但是由于供电布线的存在，却给设计和施工。安全、可靠、稳定的供电系统是仪表正常、安全运转的基础。为了保证仪表的供电，现已有较为完备的仪表供电规范。现有的自动化仪表供电设计可以为电动仪表、电动执行器或部件运行提供电源的设计。

若能够使得仪表在无外部供电的情况，能够提供常规的服务，系统的格局将更加灵活，适应性更强。同时，在能源成本与材料成本上都将得到降低。

为了使研究更加具有代表性，我们将首先列举生产过程中，各种典型的能量利用形式。对不同的能量利用形式，提出不同的设计方案。列举了温差发电式，压电陶瓷式，管道内发电式三种方式的利用形式。其中，我们将以冷热水共进管道为切入点，通过搭建试验台进行实验的方法进行验证。

关键词：无源仪表；检测技术；低品能源

1 绪论

1.1 研究背景

检测仪表，在生产中，指能确定所感受的被测变量大小的仪表。它通过专门的检测元件去感受被测变量，转换成相应信号，经传送和放大，显示出其数值。它通常由检测（实现被测变量的一次转换）、转换放大（或变送、实现信号的二次或多次转换）和显示三部分组成。在生产中，有高温、高压、深冷、剧毒、易燃、易爆、易结焦、易结垢、高粘度、强腐蚀性等情况，故须选择相适应的检测仪表。 [1]

无论是什么形式的仪表，在使用过程中，都需要供给电源。大多数情况下，其供电电源对测量精度与准确度有着极大的影响。

1.2 研究意义

在生产过程中，需要用到大量的测量仪表。大多数的检测仪表需要外部供电，一般情况下，仪表需要的电能量并不大，但是由于供电布线的存在，给设计和施工带来了很大的工作量。

若能够使得仪表在无外部供电的情况，能够提供常规的服务，这将对整个系统的布置方式造成深远的影响。系统的格局将更加灵活，适应性更强。同时，在能源成本与材料成本上都将得到降低。由于，目前对这一方向的研究还在表面阶段，所以这也是一个开拓新领域的时机。

1.3 研究现状

安全、可靠、稳定的供电系统是仪表正常、安全运转的基础。为了保证仪表的供电，现已有较为完备的仪表供电规范。

现有的自动化仪表供电设计可以为电动仪表、电动执行器或部件运行提供电源的设计。根据检测、控制设备的作用和生产过程的要求，以及断电后的影响来考虑供电负荷种类、供电容量、供电方式和供电设备选择等。

供电负荷种类仪表供电负荷可分为两类，第1类为影响安全生产的检测和控制设备，第Ⅱ类为不直接影响安全生产的检测和控制设备。

为了保证仪表的供电，现已有较为完备的仪表供电规范。现有的自动化仪表供电设计可以为电动仪表、电动执行器或部件运行提供电源的设计。

1.4 研究思路

为了使研究更加具有代表性，我们将首先列举生产过程中，各种典型的能量利用形式。对不同的能量利用形式，提出不同的设计方案。列举了温差发电式，压电陶瓷式，管道内发电式三种方式的利用形式，对这三种利用形式进行了简单的分析

其中，我们将以冷热水共进管道为切入点，通过搭建试验台进行实验的方法进行验证。我们将混水阀入水口处，改造成方形水管，便于安装温差发电片，温差发电片至于冷热方形水管之间。当使用温水时，冷热水管内的水流过，在温差发电片两端形成温差。温差发电片开始发电，电能经过稳压模块输送给显示屏和温度探头。温度探头将出水口处的温度进行测量，并返回给转换电路，在LCD显示屏上显示。最终完成测量。

2 相关技术概述

2.1 温差发电技术

温差电效应是德国科学家塞贝克于1821年首先发现的，人们称之为塞贝克 （Seebeck）效应，即两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应为温差发电技术奠定了基础。在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。这就是热电制冷的依据。

2.2 压电陶瓷技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离，这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。常用的压电陶瓷有 钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3（A表示二价 金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元系。

2.3 管道内发电技术

近年来，各种形式的管道内发电装置逐渐发展。设计师 Ryan Jongwoo Choi 在水管当中加上了水力发电机用的涡轮，拧开水龙头后，水流通过涡轮实现发电，点亮灯泡或者传导出来进行更多使用。现研究比较深入的形式，就是以液体动能为能量来源，通过涡轮，带动涡轮发电机发电。

类似的管道发电技术现在正在逐渐发展，这种发电量小的装置，更加适合在发电功率不大的场合使用。

3 典型能量利用形式

3.1 温差式

在常见的水温控制系统中，通过会有冷热水管道的引入。利用冷热水管道的温度差，将可以产生电能。例如实验中，浴室混水阀入口处，通常为冷热水管并行。这是极其适合温差发电式的应用场合。

3.2 压力式

在各种物料控制系统中，物料的投料操作，是一个典型的将重力势能转化为动能的过程。利用压电陶瓷的发电特性，我们可以将这一部分的动能，转化为电能

3.3管道式

在各種流体的流动管道场合，流体的动能也可以作为能量来源。例如，自来水的出水管道，雨水的集水管道或是生活用水的下水管道，都可以作为管道是发电机的使用场合。

近来，对于气体流动管道的发电研究也逐渐深入，管道式发电的场合也逐渐宽泛起来。

4 总结

检测仪表这类感受的被测变量大小的仪表。作为检测技术的硬件基础。而且在生产过程中，需要用到大量的测量仪表。这些检测仪表需要外部供电支持，我们所构想的是，若能够使得仪表在无外部供电的情况，能够提供常规的服务，系统的格局将更加灵活，适应性更强。同时，在能源成本与材料成本上都将得到降低。本研究具有代表性和典型性，我们首先列举生产过程中，各种典型的能量利用形式。对不同的能量利用形式，提出了不同的设计方案。列举了温差发电式，压电陶瓷式，管道内发电式三种方式的利用形式。其中重点以冷热水共进管道为切入点，通过搭建试验台进行实验的方法进行验证。无源仪表的可行性与适应性还需要更加深入的研究与讨论，同时也具有很大的发展空间。

参考文献：

[1]侯立宇. 我国仪器仪表行业现状及发展[J]. 机械工业标准化与质量， 2011（11）.

[2]常太华.苏杰.《过程参数检测及仪表》 2009-6-1

[3]陆会明.《控制装置与仪表》