雙路低功耗超聲明渠流量計(jì)的研制

明渠流量計(jì)是在非滿管狀敞開渠道中測量自由表面自然流的流量儀表，在生產(chǎn)和生活產(chǎn)生的廢水污水排放量計(jì)量中應(yīng)用廣泛[1]。當(dāng)前，準(zhǔn)確計(jì)量污水、廢水排放量，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的接觸式明渠流量計(jì)與污水介質(zhì)直接接觸，在長期使用后導(dǎo)致傳感器結(jié)垢或腐蝕，影響測量的準(zhǔn)確性[2~5]。超聲波明渠流量計(jì)，采用非接觸測量方式，避免被測介質(zhì)對傳感器的腐蝕，提高了測量的可靠性，尤其適合對污水流量的測量，但是液位面的波動(dòng)影響了測量精度。同時(shí)污水排放口一般位于廠外，環(huán)境較差，缺少外部電源。

    針對以上問題，本文提出了一種雙路低功耗明渠流量計(jì)設(shè)計(jì)方法，采用2個(gè)超聲波傳感器測量流量槽內(nèi)不同位置的液位，通過MSP430單片機(jī)計(jì)算出當(dāng)前的流量。

    1 測量原理

    明渠流量的測量，一般采用流量槽裝置，常見的有文丘里槽、巴歇爾槽[6~7]。巴歇爾槽是由文丘里槽改進(jìn)而成，在精度及實(shí)用性等方面，比文丘里槽要好些，而且能使流體在槽內(nèi)流動(dòng)速度加快，使流體中的固體顆粒不易沉淀和堆積。因此，常采用巴歇爾槽測量明渠流量。

    1.1 巴歇爾槽的結(jié)構(gòu)

圖1 巴歇爾槽結(jié)構(gòu)圖    

    巴歇爾槽的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1，6]，為矩形橫斷面短喉道槽，由喉道上游均勻收縮段、喉道段和喉道下游均勻擴(kuò)散段組成。

    由于實(shí)驗(yàn)條件的限制和實(shí)際需要，選用喉道為0.051m的巴歇爾槽進(jìn)行研究。

    1.2  流量測量原理

    巴歇爾槽流量的理論計(jì)算公式為[1]：

       （1）

    式中，

    Cv是流速系數(shù)；

    Ce是取決于摩擦和渦流的系數(shù)；

    b是喉部寬度；

    h是巴歇爾水槽上游側(cè)的測量液位。

    實(shí)際應(yīng)用時(shí)準(zhǔn)巴歇爾槽的流量測量經(jīng)驗(yàn)公式為[1]：

       （2）

    對于一定喉部寬度的槽，b為常量，令

       （3）

       （4）

    則有

       （5）

    由式（3）知，流量q_v只與液位高度h有關(guān)。因此，只需采用超聲波傳感器測量出巴歇爾槽的液位高度，通過單片機(jī)就可以計(jì)算出通過槽內(nèi)的流量。

    2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    整體電路結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)超聲波傳感器、信號處理模塊、單片機(jī)、液晶顯示模塊、電源模塊以及通信模塊（如圖2所示）。

圖2 明渠超聲波流量計(jì)整體設(shè)計(jì)框圖

    微處理機(jī)采用選擇了TI公司的MSP430F413單片機(jī)作為核心[8]，通過16位AD7705芯片采集2路超聲波傳感器信號，得到液位h1，h2，因此槽的液位高度為

    由式（5）計(jì)算出流量，同時(shí)計(jì)算累積流量。

    液晶顯示模塊采用液晶雙列顯示屏幕，同時(shí)顯示瞬時(shí)流量和累積流量。

    總線通訊接口采用CAN總線通訊接口（如圖3所示），與遠(yuǎn)程管理計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對瞬時(shí)流量、累積流量、液位及儀表工作狀態(tài)等參數(shù)的監(jiān)控。    

圖3 明渠超聲波流量計(jì)CAN總線接口電路

    電源模塊采用雙電源驅(qū)動(dòng)。當(dāng)外接電源時(shí)，系統(tǒng)由外接電源供電。當(dāng)外接電源斷開時(shí)，儀表內(nèi)置電池自動(dòng)開始給供電。

    3 實(shí)驗(yàn)研究

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

    實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)裝置在中國計(jì)量學(xué)院水流量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行（如圖4所示），在超聲波明渠流量計(jì)的直管段上游較長距離處，安裝一個(gè)0.2級的電磁流量計(jì)，作為實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)表，用來對超聲波明渠流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

    實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，實(shí)際流量表示標(biāo)準(zhǔn)表的流量顯示值，顯示流量為明渠流量計(jì)顯示的流量值，從表1中可以看出瞬時(shí)流量最大誤差在2％以內(nèi)。

    4 結(jié)束語

    本文提出了一種雙路低功耗明渠流量計(jì)設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流量精度明顯優(yōu)于《國家環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中超聲波明渠污水流量計(jì)相關(guān)指標(biāo)。系統(tǒng)實(shí)際工作電流為40mA，靜態(tài)電流為10μA，能夠采用電池供電。    

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