双路低功耗超声明渠流量计的研制

　

 明渠流量计是在非满管状敞开渠道中测量自由表面自然流的流量仪表，在生产和生活产生的废水污水排放量计量中应用广泛[1]。当前，准确计量污水、废水排放量，是实现节能减排的重要环节之一。传统的接触式明渠流量计与污水介质直接接触，在长期使用后导致传感器结垢或腐蚀，影响测量的准确性[2~5]。超声波明渠流量计，采用非接触测量方式，避免被测介质对传感器的腐蚀，提高了测量的可靠性，尤其适合对污水流量的测量，但是液位面的波动影响了测量精度。同时污水排放口一般位于厂外，环境较差，缺少外部电源。

    针对以上问题，本文提出了一种双路低功耗明渠流量计设计方法，采用2个超声波传感器测量流量槽内不同位置的液位，通过MSP430单片机计算出当前的流量。

    1 测量原理

    明渠流量的测量，一般采用流量槽装置，常见的有文丘里槽、巴歇尔槽[6~7]。巴歇尔槽是由文丘里槽改进而成，在精度及实用性等方面，比文丘里槽要好些，而且能使流体在槽内流动速度加快，使流体中的固体颗粒不易沉淀和堆积。因此，常采用巴歇尔槽测量明渠流量。

    1.1 巴歇尔槽的结构

图1 巴歇尔槽结构图    

    巴歇尔槽的具体结构如图1所示[1，6]，为矩形横断面短喉道槽，由喉道上游均匀收缩段、喉道段和喉道下游均匀扩散段组成。

    由于实验条件的限制和实际需要，选用喉道为0.051m的巴歇尔槽进行研究。

    1.2  流量测量原理

    巴歇尔槽流量的理论计算公式为[1]：

       （1）

    式中，

    Cv是流速系数；

    Ce是取决于摩擦和涡流的系数；

    b是喉部宽度；

    h是巴歇尔水槽上游侧的测量液位。

    实际应用时准巴歇尔槽的流量测量经验公式为[1]：

       （2）

    对于一定喉部宽度的槽，b为常量，令

       （3）

       （4）

    则有

       （5）

    由式（3）知，流量q_v只与液位高度h有关。因此，只需采用超声波传感器测量出巴歇尔槽的液位高度，通过单片机就可以计算出通过槽内的流量。

    2  系统设计

    整体电路结构包括两个超声波传感器、信号处理模块、单片机、液晶显示模块、电源模块以及通信模块（如图2所示）。

图2 明渠超声波流量计整体设计框图

    微处理机采用选择了TI公司的MSP430F413单片机作为核心[8]，通过16位AD7705芯片采集2路超声波传感器信号，得到液位h1，h2，因此槽的液位高度为

    

    由式（5）计算出流量，同时计算累积流量。

    液晶显示模块采用液晶双列显示屏幕，同时显示瞬时流量和累积流量。

    总线通讯接口采用CAN总线通讯接口（如图3所示），与远程管理计算机的数据传输，实现对瞬时流量、累积流量、液位及仪表工作状态等参数的监控。    

图3 明渠超声波流量计CAN总线接口电路

    电源模块采用双电源驱动。当外接电源时，系统由外接电源供电。当外接电源断开时，仪表内置电池自动开始给供电。

    3 实验研究

图4 实验装置示意图

    实验校准装置在中国计量学院水流量实验室进行（如图4所示），在超声波明渠流量计的直管段上游较长距离处，安装一个0.2级的电磁流量计，作为实验的标准表，用来对超声波明渠流量计进行校准。

    实验数据如表1所示，实际流量表示标准表的流量显示值，显示流量为明渠流量计显示的流量值，从表1中可以看出瞬时流量最大误差在2％以内。

    4 结束语

    本文提出了一种双路低功耗明渠流量计设计方法。实验结果表明，流量精度明显优于《国家环境保护行业标准》中超声波明渠污水流量计相关指标。系统实际工作电流为40mA，静态电流为10μA，能够采用电池供电。    

    参考文献：

    [1]梁国伟，蔡武昌.测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002.
    [2]李善征，张春义，吴敬东.明渠堰槽测流技术综述[J].北京水利，2003，（1）：29-31.
    [3]吴宗霞，蒋育翔.明渠流量非接触量测量[J].自动化仪表，1992，13（7）：4-7.
    [4]盛信.超声波明渠流量计在污水计量中的应用[J].中国仪器仪表，2005，（7）：98-99.
    [5]燕金刚.超声波流量计在污水处理厂中的应用[J].水泵技术，2003，（4）：45-46.
    [6]蒋宇晨，赵顺刚，蔡苑.超声传感器在明渠流量计中的应用[J].自动化仪表，2000，21（07）：16-18.
    [7]朱新勃，谢利理，仝美娟.基于超声波的污水流量测量系统[J].传感器技术，2004，（1）：66-69.
    [8]秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2007.