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(chǎn)和生活產(chǎn)生的廢水污水排放量計量中應(yīng)用廣泛[1]。當(dāng)前，準(zhǔn)確計量污水、廢水排放量，是實現(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，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，但是液位面的波動影響了測量精度。同時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設(shè)計方法，采用2個超聲波傳感器測量流量槽內(nèi)不同位置的液位，通過MSP430單片機計算出當(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。

    由于實驗條件的限制和實際需要，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。

    實際應(yīng)用時準(zhǔn)巴歇爾槽的流量測量經(jīng)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(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，通過單片機就可以計算出通過槽內(nèi)的流量。

    2  系統(tǒng)設(shè)計

    整體電路結(jié)構(gòu)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(shè)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(yuǎn)程管理計算機的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對瞬時流量、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CAN總線接口電路

    電源模塊采用雙電源驅(qū)動。當(dāng)外接電源時，系統(tǒng)由外接電源供電。當(dāng)外接電源斷開時，儀表內(nèi)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(zhǔn)裝置在中國計量學(xué)院水流量實驗室進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)表，用來對超聲波明渠流量計進(jìn)行校準(zhǔn)。

    實驗數(shù)據(jù)如表1所示，實際流量表示標(biāo)準(zhǔn)表的流量顯示值，顯示流量為明渠流量計顯示的流量值，從表1中可以看出瞬時流量**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設(shè)計方法。實驗結(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相關(guān)指標(biāo)。系統(tǒng)實際工作電流為40mA，靜態(tài)電流為10μA，能夠采用電池供電。