[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(wèn)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(kāi)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(zhǎng)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(wèn)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(guò)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(jiàn)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(guò)單片機(jī)就可以計(jì)算出通過(guò)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(guò)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(kāi)時(shí)，儀表內(nèi)置電池自動(dòng)開(kāi)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(guó)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(zhǎng)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(lái)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(yǔ)
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(guó)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(guó)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.
[2]李善征，張春義，吳敬東.明渠堰槽測(cè)流技術(shù)綜述[J].北京水利，2003，（1）：29-31.
[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(guó)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.