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雙路低功耗超聲明渠流量計(jì)的研制
Updated:2019-5-13 10:15:11 Browse:1935 Close window Print this page
 [導(dǎo)讀] 針對(duì)超聲波明渠流量測(cè)量中液位面波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響,以及電池供電的問題,提出了一種雙路低功耗超聲明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)方法。采用2個(gè)超聲波傳感器,設(shè)計(jì)了基于MSP430單片機(jī)為核心的低功耗超聲明渠流量計(jì),實(shí)驗(yàn)表明該流量計(jì)測(cè)量精度高,功耗低。
 
    明渠流量計(jì)是在非滿管狀敞開渠道中測(cè)量自由表面自然流的流量?jī)x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(cè)量的準(zhǔn)確性[2~5]。超聲波明渠流量計(jì),采用非接觸測(cè)量方式,避免被測(cè)介質(zhì)對(duì)傳感器的腐蝕,提高了測(cè)量的可靠性,尤其適合對(duì)污水流量的測(cè)量,但是液位面的波動(dòng)影響了測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量原理
 
    明渠流量的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量液位。
 
    實(shí)際應(yīng)用時(shí)準(zhǔn)巴歇爾槽的流量測(cè)量經(jīng)驗(yàn)公式為[1]:
 
       (2)
 
    對(duì)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qv只與液位高度h有關(guān)。因此,只需采用超聲波傳感器測(cè)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(hào)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(hào),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(duì)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(jí)的電磁流量計(jì),作為實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)表,用來對(duì)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。    
 
    參考文獻(xiàn):
 
    [1]梁國偉,蔡武昌.測(cè)量技術(shù)及儀表[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.
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    [3]吳宗霞,蔣育翔.明渠流量非接觸量測(cè)量[J].自動(dòng)化儀表,1992,13(7):4-7.
    [4]盛信.超聲波明渠流量計(jì)在污水計(jì)量中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2005,(7):98-99.
    [5]燕金剛.超聲波流量計(jì)在污水處理廠中的應(yīng)用[J].水泵技術(shù),2003,(4):45-46.
    [6]蔣宇晨,趙順剛,蔡苑.超聲傳感器在明渠流量計(jì)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2000,21(07):16-18.
    [7]朱新勃,謝利理,仝美娟.基于超聲波的污水流量測(cè)量系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù),2004,(1):66-69.
    [8]秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.
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