利用温差发电供电的无线限位装置的制作方法

本实用新型属于利用温差发电供电的装置领域，特别涉及利用温差发电供电的无线限位装置。

背景技术：

在目前工业4.0的趋势下，自动化起重机应用越来越广泛，但是在炼钢或者热轧产线中，起重机吊运的载荷往往是炽热的板坯，如果需要检测这些炽热的载荷的一些吊运信息，往往因为环境温度的原因无法实施，比如热轧的红坯的夹取吊具，目前还是以机械重力夹钳为主，即使采用动力夹钳也无法在夹钳前脚部位安装电子传感器进行状态检测，这导致热轧红坯吊运夹钳因为信息的缺失而无法投入自动化。但目前自动化起重机的普及是大势所趋，热轧和炼钢厂势必也要投入自动化的改革潮流中，所以目前急需一种能够适应高温作业环境的检测设备来实现诸如红坯吊运等高温载荷的吊运状态的检测。

在红坯吊运夹钳中实现前脚部位的状态检测主要有以下两个个难点：

1）、直接面对高温物体，对传感器的高温耐受是一种考验，电子传感器基本无法达到要求，只有机械限位能够实现。

2）、电缆敷设困难，由于频繁工作与高温环境，所以需要增加隔热护套，但这又导致电缆无法弯曲伸展，而夹钳需要频繁开闭，需要电缆必须要能够灵活弯曲和伸展，否则就会造成电缆损坏，所以很难增加防护措施，但不加护套又将导致电缆急剧老化，有导致安全系数降低，维护工作量增大。

综上所述，如果要给夹钳增加钳脚的检测限位，只能采用机械限位，机械限位可以通过传动机构实现钳脚部位的状态检测，但电缆敷设仍然是一个难点，如果能够通过无线信号将限位状态传递出去，即可解决电缆敷设的问题，但是采用无线设备由需要电源供应，又需要电缆，这便成为了一个矛盾问题。

众所周知热量也是一种能量，尤其在红坯表面温度可达700摄氏度以上，其热量相当可观，如果能够利用这部分的能量转换为电能为无线信号提供能源，即可解决无线设备的电源问题，同时也解决了电缆敷设的难题。

热量在空气中传递有两种方式，一种是辐射传递，为直线传递，传递迅速，但很容易被遮挡而无法传递，另一种是对流形式传递，传递缓慢，可以绕开障碍物，所以不能被遮挡。遮挡热量的物体，会因为热量的这两种传递方式导致面对热源的一面温度很高，而背对热源的一面温度要低很多，两面温差很大，不过两面的温差会因为热量在遮挡物体内的传递而慢慢缩小，如果时间足够长，两面的温差也将趋于相同，这个时间与遮挡物体的热传导系数有关，通常金属热传导特性好，这个时间就比较短，而非金属，或者热传导特性很差的物体（如石棉），这个时间就会很长。有效利用这个物理特性可以制造一个两面温差较大的环境，而这个温差是温差发电的基本条件。

本实用新型通过采用半导体制冷块实现温差发电，进而为无线设备进行供电，再通过无线设备将限位的信息通过无线的方式发送到接收设备，从而解决炽热载荷吊运时，载荷状态无法检测的难题，从而为红坯搬运等高温载荷搬运的起重机实施自动化改造提供了基础条件。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供利用温差发电供电的无线限位装置，通过采用半导体制冷块实现温差发电，进而为无线设备进行供电，再通过无线设备将限位的信息通过无线的方式发送到接收设备，从而解决炽热载荷吊运时，载荷状态无法检测的难题。

利用温差发电供电的无线限位装置，有半导体制冷片、热管、散热器和无线发射器。

其技术要点在于：

热管的一端嵌入半导体制冷片的冷端，热管的另一端嵌入在散热器的内部。

半导体制冷片引出电源线连接到无线发射器的电源连接处。

限位开关引出限位信号线连接到无线发射器信号连接处。

无线发射器和无线发射器的发射天线置于密闭隔热空间内部。密闭隔热空间为隔热棉材质。

半导体制冷片周围紧密贴合隔热层，隔热层为隔热棉。

有跟无线发射器对应的无线接收器。

无线发射器和无线接收器主控芯片型号均为nfr24le1e。

1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，柏尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）这就是热电制冷的依据。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应（thomsoneffect)，成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectriceffect)。汤姆逊效应是导体两端有温差时产生电势的现象，帕尔帖效应是带电导体的两端产生温差（其中的一端产生热量，另一端吸收热量）的现象，两者结合起来就构成了塞贝克效应。这就是温差发电的原理。

半导体制冷片正是利用这一原理进行制冷或者发电，在给半导体制冷片提供电源时，其一端发热一端制冷，而反之，在半导体制冷片的一端进行加热，另一端进行散热，造成一定的温差时，半导体制冷片将会输出一定的电压，并且能够具有一定的驱动能力，当温差变大时驱动能力也将变大。

其优点在于：

本实用新型利用上述的原理，将半导体制冷片应用为半导体发电片，为无线发射装置提供电能。由于半导体制冷片应用为半导体发电片时功率并不是很大，所以本实用新型采用了超低功耗的无线发射芯片，实现无线信息的发送，有效提高系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的发电装置的结构示意图。

图3为本实用新型的无线发射器-电源电路。

图4为本实用新型的无线发射器-主控电路。

图5为本实用新型的无线接收器-电源电路。

图6为本实用新型的无线接收器-主控电路。

图7为本实用新型的一个无线接收器-继电器输出电路。

半导体制冷片1、热管2、散热器3、无线发射器4、隔热层5、密闭隔热空间6、限位开关7、电源线8、限位信号线9、发射天线10、钳腿11、接收天线12、继电器输出13。

具体实施方式

利用温差发电供电的无线限位装置，有半导体制冷片1、热管2、散热器3和无线发射器4。

半导体制冷片1的热端齐平安装于钳腿11的内侧腹板上，半导体制冷片1周围紧密贴合隔热层5。

热管2的一端嵌入半导体制冷片1的冷端。

散热器3齐平安装于钳腿11的外侧腹板上，热管2的另一端嵌入在散热器3的内部。

散热器3上方，紧贴钳腿11的外侧腹板采用隔热材料制作一个密闭隔热空间6，该密闭隔热空间6除紧贴腹板一面不设隔热材料外，其他五面均设置隔热材料。

无线发射器4安装于密闭隔热空间6内。

半导体制冷片1引出电源线8连接到无线发射器4的电源连接处。

限位开关7（机械限位开关）安装于钳腿11底部，并引出限位信号线9连接到无线发射器4信号连接处。

发射天线10连接在无线发射器4外部，同样置于密闭隔热空间6内部。

隔热材料为石棉类的隔热棉。

因为热辐射的特性，导致物体直线距离到热源越近，其受到的热量越高，而红坯的吊运都是在钳脚处进行夹取和吊运，所以距离钳脚越近温度也越高。所以为了提高温差，本实用新型将半导体制冷片1安装于钳腿11下部，距离钳脚较近的位置，更多接收辐射热量，而将散热器3安装到钳腿11靠上的位置，尽量远离热源，降低温度，而且要将半导体制冷片1贴近钳腿11内侧，靠近热源，而将散热器3安装于钳腿11外侧，远离热源。散热器3与半导体制冷片1有了距离，将无法把半导体制冷片1的温度传递到散热器3，为了解决这个问题，本实用新型采用了热管2导热技术，将半导体制冷片1与散热器3通过热管2进行连接。热管2具有超高的热量传递特性，热量会迅速的从高温端传递到低温端，这样，半导体制冷片1的高温将会被传递到散热器3，散热器3将热量散出去后，将导致半导体制冷片1的冷面温度降低，与热面形成较大的温差，半导体制冷片1因为温差的存在变为发电片，可以从其供电线路中输出电压，为其他设备提供电源。

本实用新型的无线发射器-电源电路如图3所示，左侧为温差发电电源半导体制冷片1，右侧为3.3v稳压电源。

半导体制冷片1的1号脚连接led1的负极，半导体制冷片的1号脚还同时连接二极管d11的正极。

led1的正极通过电阻r12连接半导体制冷片1的2号脚。

二极管d11的负极连接二极管d12的负极，并通过电容c16连接半导体制冷片1的2号脚。

二极管d12的正极连接半导体制冷片1的2号脚。

二极管d11的负极还同时连接芯片u12的1号脚和4号脚。

芯片u12的2号脚连接半导体制冷片的2号脚。

电阻r13和电阻r14串联以后并联电容c112和电容c113。

芯片u12的3号脚通过线圈l14连接电阻r13的一端。

电阻r14的一端连接半导体制冷片1的2号脚。

电阻r13和电阻r14中点连接芯片u12的5号脚。

电容c112负极和电容c113负极连接半导体制冷片1的2号脚，半导体制冷片1的2号脚接地。

电容c112正极和电容c113正极输出3.3伏电压。

半导体制冷片1工作在发电状态下效率还是很低的，12v的半导体制冷片1在温差发电的状态下，输出电压在4~6v,并且随着温差变化,电压变动很大,这种电源是无法直接为控制电路所用的,必须经过电源电路处理之后才能被使用。由于半导体制冷片1工作在发电状态下效率低下，所以驱动能力也较弱，所以需要采用超低功耗的控制芯片，不然就需要更大的半导体制冷片和更大的散热器，无论从成本和施工难度方面来说都增加了很多，但系统稳定性和可靠性却提升有限，性价比大幅度降低。

低功耗设备要求的电源电压也低，本实用新型采用的控制器的电源要求为3.3v，低于半导体制冷片1的发电电压，需要通过稳压芯片将该电压将至3.3v。

本实用新型采用了单输出高效同步降压芯片u12型号为：m3406，该芯片具有800ma负载能力，2v-6v输入，1.5mhz频率。m3406是采用固定频率，电流模式的降压转换器。采用内部同步开关，无需肖特基二极管就能提供高效的转换效率，可以调节输出电压最低0.6v，m3406有pwm和pfm控制模式切换控制。转换效率可达96%，静态电流只有20μa，具有短路保护、内部失效保护、脉冲电流限制和软启动功能，关断电流＜1μa，所以非常适合低功耗场合使用。

在m3406电源输入端并联了一个钳位二极管d12，型号为：smaj6.8a，该二极管是一个tvs瞬变二极管，其瞬变电压为6.8v，当其两端电压高于6.8v时可以瞬间导通将电源拉低至6.8v，有效保护后端电路不会被高压损坏。

l14、r13和r14构成m3406的电压调节回路，将m3406的输出电压调节在3.3v，c112和c113为输出电压滤波电容，用于对m3406的输出电压进行滤波，保证供电的稳定性。

图4为本实用新型的无线发射器-主控电路（mcu射频电路）。

芯片u11的30号脚通过电容c12接地。

芯片u11的31号脚通过电容c11接地。

芯片u11的30号脚和31号脚之间连接晶振y11。

芯片u11的27号脚和24号脚连接3.3伏电压输入。

芯片u11的26号脚通过电容c13连接3.3伏电压输入，芯片u11的26号脚接地。

芯片u11的25号脚连接电阻r11以后和芯片u11的23号脚共同连接电容c13的负极。

芯片u11的22号脚通过线圈l12电容和c17连接发射天线10。

芯片u11的21号脚通过线圈l11连接芯片u11的20号脚。

芯片u11的20号脚通过电容c15接地。

芯片u11的22号脚和21号脚之间连接线圈l13。

发射天线10通过电容c18接地。

芯片u11的2号脚通过电容c111接地。

芯片u11的3号脚通过电容c110接地。

芯片u11的4号脚通过电容c19接地。

芯片u11的8号脚接地。

芯片u11的9号脚连接3.3伏电压输入，9号脚还通过电容c14接地。

芯片u11的i/o接口共有12个，可以连接12个限位开关7（s），本图4中以芯片u11的10、11、12和13示意的连接设置在一个钳腿11上的四个限位开关7。

本实用新型采用了超低功耗的2.4g无线芯片nfr24le1作为主控芯片，该芯片采用了nordic最新的无线和超低功耗技术，在一个极小封装中集成了包括2.4ghz无线传输，增强型51flash高速单片机，丰富外设及接口等的单片flash芯片，是一个综合了性能及成本的完美结合，很适合应用于各种2.4ghz的产品设计。在其最大功率进行信号发射时电流仅为11.1毫安。使用的电线可以加对应护套。

nfr24le1只需要少许的外围元件即可实现2.4g的无线发射。由于nfr24le1具有增强型51flash高速单片机内核，具有12个io接口，所以外围理论上可以连接12个限位，本实用新型连接了4个限位，基本可以满足现场的应用。

发射控制器将连接的4个限位通过编码以无线的方式发射出去，由接收器进行接收和解码，并交由后级设备处理。

图5为本实用新型的无线接收器-电源电路。

电容c26的正极连接vcc，电容c26的负极接地。

电容c26的正极连接芯片u22的5号脚，电容c26的正极还通过电阻r22连接芯片u22的4号脚。

芯片u22的1号脚通过电容c212连接芯片u22的6号脚，芯片u22的6号脚通过二极管d21接地。二极管d21的正极接地。

电阻r23和电阻r24串联，和电容c213并联。

电阻r25和led21串联，和电容c213并联。

芯片u22的6号脚通过线圈l24连接电阻r23一端，电阻r24一端接地。

电容c213负极接地。led21负极接地。

电阻r23和电阻r24的中点连接芯片u22的3号脚。

电容c213和电阻r25间输出3.3伏电压。

vcc通过供电插座j引入。

图6为本实用新型的接收器-主控电路。

芯片u21的30号脚通过电容c22接地。

芯片u21的31号脚通过电容c21接地。

芯片u21的30号脚和31号脚之间连接晶振y21。

芯片u21的27号脚和24号脚连接3.3伏电压输入。

芯片u21的26号脚通过电容c23连接3.3伏电压输入，芯片u21的26号脚接地。

芯片u21的25号脚连接电阻r21以后和芯片u21的23号脚共同连接电容c23的负极。

芯片u21的22号脚通过线圈l22电容和c27连接接收天线12。

芯片u21的21号脚通过线圈l21连接芯片u21的20号脚。

芯片u21的20号脚通过电容c25接地。

芯片u21的22号脚和21号脚之间连接线圈l23。

接收天线12通过电容c28接地。

芯片u21的2号脚通过电容c211接地。

芯片u21的3号脚通过电容c210接地。

芯片u21的4号脚通过电容c29接地。

芯片u21的8号脚接地。

芯片u21的9号脚连接3.3伏电压输入，9号脚还通过电容c24接地。

芯片u11的多个io接口可以连接多个继电器输出13（k），本图6中以芯片u21的10、11、12和13示意的连接四个继电器输出13。

图7为本实用新型的一个无线接收器-继电器输出13电路。

电阻r26一端和电阻r27的一端连接三极管q21的基极。

电阻r27的另一端接地。

三极管q21的发射极接地。

三极管的q21集电极连接继电器k的2号脚。

电阻r26另一端用于连接u21的一个io接口。

发射控制器将连接的4个限位通过编码以无线的方式发射出去，由接收器进行接收和解码，并交由后级设备处理。

接收器仍然采用nfr24le1作为主控芯片，通过nfr24le1解码发射器的信息，并将发射器限位的状态通过io端口输出到继电器输出电路，将限位信息通过继电器传递到后续设备中，以供其他设备对限位信息进行处理。