雙路低功耗超聲明渠流量計的研制

 明渠流量計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，在生產和生活產生的廢水污水排放量計量中應用廣泛[1]。當前，準確計量污水、廢水排放量，是實現節能減排的重要環節之一。傳統的接觸式明渠流量計與污水介質直接接觸，在長期使用后導致傳感器結垢或腐蝕，影響測量的準確性[2~5]。超聲波明渠流量計，采用非接觸測量方式，避免被測介質對傳感器的腐蝕，提高了測量的可靠性，尤其適合對污水流量的測量，但是液位面的波動影響了測量精度。同時污水排放口一般位于廠外，環境較差，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設計方法，采用2個超聲波傳感器測量流量槽內不同位置的液位，通過MSP430單片機計算出當前的流量。

    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而成，在精度及實用性等方面，比文丘里槽要好些，而且能使流體在槽內流動速度加快，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 巴歇爾槽的結構

圖1 巴歇爾槽結構圖    

    巴歇爾槽的具體結構如圖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散段組成。

    由于實驗條件的限制和實際需要，選用喉道為0.051m的巴歇爾槽進行研究。

    1.2  流量測量原理

    巴歇爾槽流量的理論計算公式為[1]：

       （1）

    式中，

    Cv是流速系數；

    Ce是取決于摩擦和渦流的系數；

    b是喉部寬度；

    h是巴歇爾水槽上游側的測量液位。

    實際應用時準巴歇爾槽的流量測量經驗公式為[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。因此，只需采用超聲波傳感器測量出巴歇爾槽的液位高度，通過單片機就可以計算出通過槽內的流量。

    2  系統設計

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

圖2 明渠超聲波流量計整體設計框圖

    微處理機采用選擇了TI公司的MSP430F413單片機作為核心[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）計算出流量，同時計算累積流量。

    液晶顯示模塊采用液晶雙列顯示屏幕，同時顯示瞬時流量和累積流量。

    總線通訊接口采用CAN總線通訊接口（如圖3所示），與遠程管理計算機的數據傳輸，實現對瞬時流量、累積流量、液位及儀表工作狀態等參數的監控。    

圖3 明渠超聲波流量計CAN總線接口電路

    電源模塊采用雙電源驅動。當外接電源時，系統由外接電源供電。當外接電源斷開時，儀表內置電池自動開始給供電。

    3 實驗研究

圖4 實驗裝置示意圖

    實驗校準裝置在中國計量學院水流量實驗室進行（如圖4所示），在超聲波明渠流量計的直管段上游較長距離處，安裝一個0.2級的電磁流量計，作為實驗的標準表，用來對超聲波明渠流量計進行校準。

    實驗數據如表1所示，實際流量表示標準表的流量顯示值，顯示流量為明渠流量計顯示的流量值，從表1中可以看出瞬時流量**誤差在2％以內。

    4 結束語

    本文提出了一種雙路低功耗明渠流量計設計方法。實驗結果表明，流量精度明顯優于《國家環境保護行業標準》中超聲波明渠污水流量計相關指標。系統實際工作電流為40mA，靜態電流為10μA，能夠采用電池供電。