0 引言

 

      由于全自動水質(zhì)在線分析系統(tǒng)價(jià)格昂貴且檢測參數(shù)有限，難以獲得推廣。為代替人工采樣方式對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，本研究提出了一種新型流量計(jì)的設(shè)計(jì)。該流量計(jì)采用了先進(jìn)的微處理器和機(jī)電一體化技術(shù)，具有時(shí)間比例、流量比例2種采樣模式，可全天候?qū)λ|(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并對采集樣品以恒定的低溫存貯。整機(jī)計(jì)量準(zhǔn)確、可靠，且操作簡單、維護(hù)方便。對自然水源、工業(yè)廢水、未處理污水及已處理污水均能實(shí)現(xiàn)水質(zhì)采樣與流量計(jì)量。可廣泛應(yīng)用于制藥、冶金、電鍍、造紙、化工、輕紡、食品、污水處理廠等行業(yè)和科研部。

 

      1 明渠污水流量計(jì)簡介

 

      1.1 明渠流量計(jì)

 

      明渠流量計(jì)是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。非滿管態(tài)流動的水路稱為明渠，測量明渠中水流流量的稱為明渠流量計(jì)。明渠流量計(jì)除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。

 

      明渠流量計(jì)應(yīng)用場所有城市供水引水渠；火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工礦企業(yè)水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道。國內(nèi)應(yīng)用數(shù)據(jù)估計(jì)約占流量儀表整體數(shù)據(jù)的1.6%。

 

      1.2 流量計(jì)結(jié)構(gòu)類型

 

      明渠流量計(jì)具有巴歇爾槽結(jié)構(gòu)和堰式槽結(jié)構(gòu)[1]2種，可以根據(jù)現(xiàn)場不同的情況進(jìn)行選用。如果下游水量暢通，場地寬敞，可以選用巴歇爾槽結(jié)構(gòu)，反之則可以選用堰式結(jié)構(gòu)。另外還帶有非滿管測量結(jié)構(gòu)，下游水位高低變化不會影響測量結(jié)果。一般的適用流量范圍為0.5～20000t/h。

 

      流量計(jì)在結(jié)構(gòu)上一般由流量計(jì)傳感器和流量計(jì)轉(zhuǎn)換器兩部分組成。通常，傳感器和轉(zhuǎn)換器是分體的，傳感器安裝在監(jiān)測過程感受流量信號；轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的流量信號進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號，以便進(jìn)行顯示、記錄、計(jì)算和調(diào)節(jié)控制。也有的流量計(jì)將轉(zhuǎn)換器和傳感器裝在-起，組成-體型流量計(jì)，可就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示及控制。

 

      流量計(jì)傳感器主要由測量管組件、磁路系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機(jī)構(gòu)部分組成。為了使傳感器穩(wěn)定可靠地工作，準(zhǔn)確地感受流量信號，傳感器應(yīng)滿足如下要求：① 能提供一個(gè)足夠大，且與流量成正比的電勢信號；② 能把干擾信號抑制到最小程度，使信噪比足夠大；③ 能適應(yīng)惡劣環(huán)境條件，工作可靠。

 

      2 系統(tǒng)控制原理

 

      本系統(tǒng)由槽（堰）、超聲波流量傳感器和控制器3部分組成。超聲波傳感器與污水不接觸，能保持傳感器不受腐蝕，但水中的漂浮物可能影響測量真實(shí)性。控制器以DSP TMS320LF2407A為主控芯片，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，其串口通訊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

 

 

 

      當(dāng)水通過流量槽（Parshall-巴歇爾槽）形成自然流動時(shí)，其流量Q與流量槽上流水位H的關(guān)系為：

 

      Q=KHn

 

      式中：K、n為流量系數(shù)，對于不同規(guī)格的槽或堰有不同的值，是液位高度，m。

 

      超聲波液位傳感器在DSP的控制下，進(jìn)行超聲發(fā)射和接收，由超聲波的傳播時(shí)間來計(jì)算傳感器與液面之間的距離：

 

      h=C•T/2

 

      式中：C為超聲波在空氣介質(zhì)中傳播速度，m/s，若傳感器至流量槽堰零液位時(shí)距離為hmax，則液位高度H=hmax- h。

 

      3 系統(tǒng)控制器的單元組成

 

      設(shè)計(jì)測量儀器，較高的采樣精度、較快的采樣速度、超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能量是選擇主控芯片的首要條件，由于污水流量計(jì)一般情況下都安裝在戶外，考慮檢測及維護(hù)的需要，控制器應(yīng)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，綜合各因素，選擇DSP數(shù)據(jù)信號處理器作為主控芯片。

 

      3.1 主控芯片TMS320LF2407A

 

      在明渠污水流量計(jì)系統(tǒng)中，主要利用TMS320LF2407A的高速A/D接口和通訊接口等，可以簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其運(yùn)算速度和3.3V電源供電的低功耗模式均可滿足測量儀器的要求。

 

      3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC及數(shù)字濾波

 

      A/D模塊帶內(nèi)置采樣/保持（S/H），包含2個(gè)獨(dú)立的最多可選擇8個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器（SEQ1和SEQ2），這兩個(gè)排序器可被級連成-個(gè)最多可選擇16個(gè)轉(zhuǎn)換通道的排序器（SEQ），如圖2。

 

 

 

      在給定的排序方式下，4個(gè)排序控制器決定了模擬通道轉(zhuǎn)換的順序，多個(gè)觸發(fā)源可以啟動A/D轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)A/D采樣由定時(shí)器1（EVA）來軟件觸發(fā)，定時(shí)器周期設(shè)為0.125ms，故每0.125ms采樣一次，在A/D中斷服務(wù)程序中，把存儲在16個(gè)結(jié)果寄存器（RESULT0-RESULT15）的采樣結(jié)果保存到內(nèi)存中去。

 

      若第1路信號的值A(chǔ)DC0_result為“0x0322”，因?yàn)長F2407A的A/D是10位精度的，最高輸入電壓為3.3V，則A/D通道0采集到的電壓值x可按下式計(jì)算：x/0x0322=3.3/0x3FF，得到采樣x值為：2.587V。

 

      本系統(tǒng)選用耐酸耐堿型的UTG21-DP型超聲波明渠流量計(jì)，該流量計(jì)可以用來連續(xù)監(jiān)測明渠中污水的流量并累計(jì)流量，也可以作為非接觸式液位計(jì)使用，適用于水利、水電、環(huán)保以及其它工農(nóng)業(yè)明渠條件下的流量測量。它輸出4~20mA信號連接到DSP中，圖3為把4~20mA電流信號轉(zhuǎn)化成0~3.3V電壓信號提供給DSP采樣的轉(zhuǎn)化電路。

 

 

 

      在定點(diǎn)DSP芯片中，采用定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，其操作數(shù)一般采用整型數(shù)來表示。水位的采樣頻率為8kHz，每個(gè)水位樣值按16位整型數(shù)存放在一個(gè)文件中，低通濾波的截止頻率為800Hz，濾波器采用19點(diǎn)的有限沖擊響應(yīng)FIR濾波。

 

      FIR濾波公式為：

 

      

 

      設(shè)

 

      

 

      且x（n）是模擬信號12位量化值，即有|x(n)|≤211，則|y(n)|≤211；

 

      根據(jù)采樣頻率和截至頻率以及濾波器的階數(shù)確定濾波器系數(shù)如下：

 

      static int h[19]={399，-296，-945，-1555，-1503，-285，2112，5061，7503，8450，7503，5061，2112，-285，-1503，-1555，-945，-296，399}；

 

      結(jié)合DSP的數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)，采用數(shù)字低通濾波對采樣信號進(jìn)行處理，濾除被檢測信號的高頻采樣干擾，對系統(tǒng)的檢測和計(jì)量有良好的效果。

 

      DSP的指令周期為25ns，使得流量的快速計(jì)算成為可能。程序每秒鐘控制超聲波傳感器檢測1次水位，計(jì)算出1s的流量，并進(jìn)一步累積為時(shí)流量、日流量、月流量、流量和總累積流量，由串口傳給上位機(jī)。

 

      3.3 串行通信設(shè)計(jì)

 

      為了實(shí)現(xiàn)對污水流量計(jì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)揭壕辽线M(jìn)行顯示，同時(shí)也可以方便地通過鍵盤對逆變系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行在線修改。為了使系統(tǒng)更加智能化，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的控制優(yōu)勢，采用RS-485總線將多個(gè)子系統(tǒng)與上位機(jī)之間進(jìn)行串行通信，TMS320LF2407A串口SCI模塊接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每個(gè)都有自己單獨(dú)的使能和中斷標(biāo)志位，串口經(jīng)過一片MAX3082[2]和一個(gè)RS-485。485與RS-232的電平轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)進(jìn)行通信。

 

      RS-485接口芯片適用于半雙工通信方式。它采用平衡驅(qū)動[3]和差分接收[4]，具有抑制共模干擾[5]的能力，可用于惡劣環(huán)境中，最長通信距離可達(dá)1200m。它具有發(fā)送使能和接收使能控制，當(dāng)使能無效時(shí)，發(fā)送和接收的輸出端呈高阻狀態(tài)。使用MAX3082構(gòu)成通信系統(tǒng)時(shí)，最大通信速率為0.125Mb/s，傳輸線上最多可掛128個(gè)收發(fā)器。

 

      在上位機(jī)的通訊接口中，本系統(tǒng)使用牛頓-7520作為RS-485與RS-232的電平轉(zhuǎn)換器，其接口為標(biāo)準(zhǔn)的RS-485和RS-232總線接口。它具有300~115200b/s的自適應(yīng)波特率，同時(shí)內(nèi)部在RS-232側(cè)加有3000V的直流隔離。

 

      4 結(jié)束語

 

      由于采用非接觸測量方式，避免被測介質(zhì)對傳感器的腐蝕，特別適合污水流量的測量。控制器采用DSP數(shù)字信息處理技術(shù)，集信號檢測、信號轉(zhuǎn)換、顯示輸出、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測等功能于一體，適用于不同槽（堰）和傳感器，具有通用性。

 

      由于DSP的工作頻率較高，如TMS320LF2407A時(shí)鐘頻率為40MHz，而普通單片機(jī)的時(shí)鐘頻率僅為11.2MHz，故其數(shù)據(jù)讀寫周期相對單片機(jī)而言很短，然而PC機(jī)串口讀寫速度較低，最大數(shù)據(jù)吞吐量約為115kb/s，盡管DSP在與這些慢速外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)可以加入額外的等待周期，但是在實(shí)時(shí)性要求苛刻、算法復(fù)雜的場合，將DSP從這些冗長的等待周期中解放出來，將其時(shí)間重點(diǎn)放在處理關(guān)鍵的實(shí)時(shí)任務(wù)中去，具有重要的實(shí)際意義。

 

      參考文獻(xiàn)

 

      [1] 劉和平，等．TMS320LF240xDSP 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002

      [2] MAXIM．Fail-Safe，High-Speed，Slew-Rate-Limited RS-485 Transceivers[DK]

      [3] 何為民．低功耗單片微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1994

      [4] 周航慈．單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M]．北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1991

      [5] 趙純．便攜式多功能測溫儀的設(shè)計(jì)[M]．電子與儀表，1997，5