一种基于温差发电的电解铝数据监测装置的制作方法

本实用新型涉及数据监测技术领域，特别是指一种基于温差发电的电解铝数据监测装置。

背景技术：

由于铝电解工业现场环境复杂，对铝电解数据的采集往往伴随着各种困难。其中最常见问题就是为采集设备供电时在厂区内的布线问题，为了为采集设备供电，往往需要外接许多电源线，不仅面对一个电解槽有多对导杆的施工困难，还要面对导杆本身的高温问题。针对上述问题，需要一套功能完善并且运行可靠的设备，对采集现场出现的布线问题进行解决。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于温差发电的电解铝数据监测装置。

该装置包括温差发电模块、主控制板、电源模块、电子开关和检测模块，温差发电模块与电源模块相连，电源模块连接电子开关，电源模块为主控制板供电，主控制板连接检测模块，电子开关还连接主控制板和检测模块；其中，温差发电模块包括半导体温差发电片、散热肋片、超级电容和电源管理芯片，半导体温差发电片的热端经过导热及固定材料与现场的产热设备贴合，半导体温差发电片的冷端使用导热材料与散热肋片贴合。

主控制板包括主控MCU和时钟管理芯片；主控MCU使用ST公司Cortex-M3内核的STM32F103芯片，由该芯片对整个电路进行驱动并完成逻辑实现；时钟管理芯片选用RX8025SA。

电源模块对半导体温差发电片产生的电能升压，升压时能够产生2.35V和3.3V的电压，其中2.35V供主控制板使用，3.3V供检测模块工作时使用；在电源模块线路中串接超级电容；电源模块还配备一块纽扣电池，纽扣电池输出3V电压，用于维持该装置的时钟运行。

主控制板控制电子开关完成检测模块的间歇性工作。

检测模块包括温度检测部分和电压检测部分，其中，温度检测部分由PT100热电偶以及MAX31855芯片组成，PT100热电偶用于测量目标设备的温度，将PT100热电偶接入MAX31855芯片接口，MAX31855芯片以只读方式在SPI接口输出温度的转换值；电压检测部分由仪表运算放大器INA333和RC无源低通滤波电路组成，仪表运算放大器按照预先规定的放大倍数将外部小电压值放大，经过RC无源低通滤波电路后，滤除高频信号，将输出值直接与主控制板的ADC接口相连，转换为数字量后对电压进行计算。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

(1)本实用新型使用温差发电以及电池供电的方式，非常适合铝电解现场导杆的高产热情况，能够通过利用阳极导杆产生的热量，以温差发电的方式产生电能，供整个系统使用。使用此方式，能够避免使用电力线供电带来的布线问题。

(2)本实用新型的供电方式为能量收集方式，即收集环境中的能量产生电力，为设备供电。相较于传统的电池供电设备，本方案能够实现电池永不更换，设备无人值守工作。

附图说明

图1为本实用新型的基于温差发电的电解铝数据监测装置结构示意图；

图2为本实用新型的主控制板硬件设计资源分配示意图；

图3为本实用新型的主控制板硬件设计资源分配电路图；

图4为本实用新型的温差发电模块示意图；

图5为本实用新型的电源模块设计原理图；

图6为本实用新型的电源模块电路图；

图7为本实用新型的电子开关模块电路图；

图8为本实用新型的温度检测部分电路图；

图9为本实用新型的电压检测部分电路图；

图10为本实用新型的基于温差发电的电解铝数据监测装置程序流程图。

其中：1-温差发电模块；2-主控制板；3-电源模块；4-电子开关；5-检测模块；6-主控MCU；7-时钟管理芯片；8-数据处理接口。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种基于温差发电的电解铝数据监测装置。

如图1所示，该装置包括温差发电模块1、主控制板2、电源模块3、电子开关4和检测模块5，温差发电模块1与电源模块3相连，电源模块3连接电子开关4，电源模块3为主控制板2供电，主控制板2连接检测模块5，电子开关4还连接主控制板2和检测模块5，主控制板2对外连接数据处理接口8。

主控制板2主要是微控制器资源分配以及外围电路设计。主控制板2包括主控MCU6、时钟管理芯片7。作为主控制器的主控芯片主控MCU6使用ST公司Cortex-M3内核的STM32F103芯片，由主控芯片对整个电路的设备进行驱动并完成逻辑实现；时钟管理芯片7选用RX8025SA。在此基础上，设计主控芯片的硬件资源分配方案，即完成了主控制板的设计。主控制板2硬件设计资源分配如图2所示，电路图如图3所示。

温差发电模块1用于为整个系统提供电力来源。模块主要由半导体温差发电片、散热肋片、超级电容以及电源管理芯片组成。当半导体温差发电片冷热端之间出现温差时，在发电片的两个输出端能够产生电压差，而且温差越大，产生电力的能力越强。使用时，将温差发电片的热端经过导热及固定材料与现场的产热设备贴合，冷端使用导热材料与散热肋片贴合，散热片将冷端温度降低，产生更大的温差，用以尽可能输出电能。温差发电模块示意图如图4所示。

由于温差发电片产生的电能是不稳定的，因此使用电源管理芯片，将微小的电能进行收集，一方面储存在超级电容中，另一方面直接对温差发电片产生的电能升压。升压时能够产生2.35V和3.3V不同的电压，其中2.35V供处理器使用，维持处理器长期运行，3.3V供温度、电压检测模块工作时使用。与此同时，在线路中串接超级电容，一旦直接供电时产生电能不足，电容能够立即给予补充。

电源模块3除使用温差发电供电外，还配备了一块纽扣电池，纽扣电池输出3V电压，用于维持系统的时钟运行，即使发生意外断电，系统仍能在重新上电后获取准确时间，按照预先设定完成任务。

电源部分的设计原理图如图5所示。电源模块的电路图如图6所示。

由于温差发电模块产生的电能是有限的，因此使用电子开关4，对用电设备的通断进行控制，实现处理器长期工作，由处理器控制电子开关4，完成检测模块的间歇性工作，用以节省电能。电子开关模块电路图如图7所示。

检测模块5的温度检测部分由PT100热电偶以及MAX31855组成。其中热电偶用于测量目标设备的温度，将三线热电偶接值MAX31855芯片接口，芯片能够直接以只读方式在SPI接口输出温度的转换值。温度检测模块电路图如图8所示。

检测模块5的电压检测部分由仪表运算放大器INA333和RC无源低通滤波电路组成。运算放大器按照预先规定的放大倍数将外部小电压值放大，经过低通滤波器后，滤除高频信号，将输出值直接与主控芯片的ADC接口相连，转换为数字量后对电压进行计算。电压检测模块电路图如图9所示。

图10为基于温差发电的电解铝数据监测装置程序流程图。

本装置上电后，会先完成各模块的驱动，在此过程中，若模块驱动失败，设备会自动重启，并重新执行模块驱动，重复此过程，直至所有驱动成功。若驱动未成功，模块将不能完成数据的传输，以此发现节点异常，进行异常处理。

在装置完成模块驱动后，需要先进行参数初始化过程。由于无时间基准，首先需要对设备进行集中校时，统一各采集节点的实时时钟。校时结束后设备进入正常采集模式。

设备进行采集与数据传输的工作流程在出厂时已进行初始化。以温差发电的发电能力以及设备运行的耗电情况为参考，设定采集的时间间隔，使产能与耗能能够达到动态平衡。由于现场环境与测试环境有所不同，因此需要在现场对于某一节点进行现场测试，并将新的采集参数发送给设备。设备在接收到新的参数后，会按照新的参数运行。

以设备自身已初始化过的实时时钟为基准，设备将在某一设定时间对温度和电压数据进行采集，采集后将数据存储到存储芯片中。

为节省电能，除采集过程，主控MCU会控制电子开关将采集模块断电，并设置自身工作在低功耗模式，到达任务时间后再使用时钟唤醒。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。