明渠非接触式流量计的设计

        为了对腐蚀性较强的流体进行流量计量，本研究提出了一种新型非接触式流量计的设计。该流量计采用了先进的微处理器和机电一体化技术，具有时间比例、流量比例两种采样模式，可全天候对流体流量进行实时采样。整机准确、可靠、且操作简单、维护方便。对自然水源、工业废水、未处理污水及以处理污水均能实现水质采样过程中的流量计量。可广泛应用于制药、冶金、电镀、造纸、化工、轻纺、食品、污水处理厂等行业和科研部使用。

    1 明渠污水流量计简介

    1.1 明渠流量计

        明渠流量计是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。非满管态流动的水路称作明渠，测量明渠中水流流量的称作明渠流量计（openchannelflowmeter）。明渠流量计除圆形外，还有U字形、梯形、矩形等多种形状。明渠流量计应用场所有城市供水引水渠、火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。国内应用数据估计约占流量仪表整体数据的1.6%。

    1.2 流量计结构类型

        明渠流量计具有巴歇尔槽结构和堰式槽结构两种，可以根据现场不同的情况进行选用。如果下游水量畅通，场地宽敞，可以选用巴歇尔槽结构，反之则可以选用堰式结构。另外还带有非满管测量结构，下游水位高低变化不会影响测量结果。一般的适用流量范围为0.5吨/小时～20000吨/小时。

        流量计在结构上一般由流量计传感器和流量计转换器两部分组成。一般情况下，传感器和转换器是分体的，传感器安装在监测过程感受流量信号；转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成标准电信号，以便进行显示、记录、积算和调节控制。也有的流量计将转换器和传感器装在一起，组成一体型流量计，可就地显示和远传显示及控制。

        流量计传感器主要由测量管组件、磁路系统、电极及干扰调整机构部分组成。为了使传感器稳定可靠地工作，准确地感受流量信号，传感器应满足如下要求：

    1）能提供一个足够大的且与流量成正比的电势信号；

    2）能把干扰信号抑制到最小程度，使信噪比足够大；

    3）能适应恶劣环境条件，工作可靠。

    2 系统的控制原理

    对明渠流量的测量方法主要有直接法和间接法两大类。

        直接法是对明渠中某些质点的运动速度进行测量，找出这些质点的运动速度与流体在明渠中的平均速度之间的关系，以及明渠的横截面积，进而得到通过明渠的流量。直接法由于很难找出某些质点的运动速度与流体在明渠中的平均流速之间的对应关系，因此很少被采用。

        间接法是在明渠中安装水量具，使之对明渠中的被测流体形成约束阻力，从而在水量具的上、下游形成与明渠横截面上平均流速有关的液位差。如果能够保证水量具下游出口处的液位不变，测量水量具的上游液位即可反映明渠横截面上的平均流速。找出其对应关系，用测量水量具上游液位的方法即可得到明渠截面上的平均流速，进而达到明渠流量测量的目的。上游测定点处的水位h与瞬时流量q有确定的对应关系：h=f（q），只要测出该点的水位即可测出该点的流量。间接法在明渠测量中主要靠测量液位高度h来实现，应用比较广泛，是目前明渠流量计的主要测量方法。

        实际应用中，明渠中的水质多有污染，特别是含油废水的测量，往往由于浮力的变化，使得传感器受到干扰而测量不准确。因此本文提出用非接触式的超声波传感器代替目前流量计中普遍使用的接触式液位传感器。

        本系统由槽（堰）、超声波流量传感器和控制器三部分组成。超声波传感器与污水不接触，能保持传感器的不受腐蚀，但水中的漂浮物可能影响测量真实性。控制器以DSPTMS320LF2407A为主控芯片，完成现场数据采样、数据运算处理，其串口通讯可实现远程数据传输和监控功能。系统结构框图如图1所示。

       当水通过流量槽（Parshall-巴歇尔槽）形成自然流动时，其流量Q与流量槽上流水位H的关系为：

    Q=KHⁿ

    式中K、n分别是流量系数和巴歇尔槽结构的喉部尺寸，实际现场依据不同的情况，不同的尺寸赋予不同的值。对于不同规格的槽或堰有不同的值，H是液位高度（m）。

    超声波液位传感器在DSP的控制下，进行超声发射和接收，由超声波的传播时间T来计算传感器与液面之间的距离：

    h=（C^*T）/2

        式中C为超声波在空气介质中传播速度（m/s），若传感器至流量槽堰零液位时距离为h_max，则液位高度H=h_max-h。

    3 系统控制器的单元组成

        设计流量测量仪器，采样精度要求较高，采样速度较快，而且由于现场存在干扰，需要对测量数据进行滤波处理，数据处理量较大。并且由于污水流量计一般情况下都安装在户外，考虑检测及维护的需要，控制器应具有远程数据传输功能，综合以上各因素，选择DSP数据信号处理器作为主控芯片。

    3.1 主控芯片

        DSP控制器，具有处理性能更好（30MIPS）、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等特点，FLASH芯片有高达32K字的储存器，1.5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM（DRAM）和2K字的单口RAMSRAM），其灵活的指令集、高速的运算能力、改进的并行结构为系统设计提供了经济的可编程解决方案。其功能主要有：

    高性能16路10位A/D转换器，适用与多路数据采集和控制系统，A/D转换时间为500ns。具有自动排序功能，使最大为16路的转换在同一转换期间进行而不会增加CPU的开销。

    集成有串行通讯接口（SCI），使之能够与系统中的其他控制器进行异步通信以及多处理机通信。

    16位的串行外设（SPI）接口模块，可用于显示驱动器、日历时钟等器件的扩展。

    两个事件管理模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制（PWM）通道。

    电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。

        在明渠污水流量计系统中，主要利用其高速A/D接口和通讯接口等，可以简化系统的硬件设计，其运算速度和3.3V电源供电的低功耗模式均可满足测量仪器的要求。

    3.2 模数转换ADC及数字滤波

        模数转换模块带内置采样/保持（S/H），包含两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器，这两个排序器可被级连成一个最多可选择16个转换通道的排序器，如图2所示。

        在给定的排序方式下，4个排序控制器决定了模拟通道转换的顺序，多个触发源可以启动AD转换，本系统AD采样由定时器1（EVA）来软件触发，定时器周期设为0.125毫秒，故每0.125毫秒采样一次，在AD中断服务程序中，把存储在16个结果寄存器（RESULT0-RESULT15）采样结果保存到内存中去。

        若第一路信号的值ADC0_result为“0x0322”，因为LF2407A的AD是12位精度的，最高输入电压为3。3V，则AD通道0采集到的电压值x可按下式计算：

        本系统选用耐酸耐碱型的超声波明渠流量计，该流量计可以用来连续监测明渠中污水的流量并累计流量，也可以作为非接触式液位计使用，适用于水利、水电、环保以及其它工农业明渠条件下的流量测量。它输出4?20mA信号连接到DSP中，图3为把4?20mA电流信号转化成0-3.3V电压信号提供给DSP采样的转化电路，其中：R1?R4阻值为1kΩ，R5为10kΩ，C1为22μ/35v。

    在定点DSP芯片中，采用定点数进行数值运算，其操作数一般采用整型数来表示。水位的采样频率为8kHz，每个水位样值按16位整型数存放在一个文件中，低通滤波的截止频率为800Hz，滤波器采用19点的有限冲击响应FIR滤波。

    FIR 滤波公式为

    根据采样频率和截至频率以及滤波器的阶数确定滤波器系数如下：

    结合DSP的数据处理特点，采用数字低通滤波对采样信号进行处理，滤除被检测信号的高频采样干扰，对系统的检测和计量有良好的效果。

    DSP的指令周期为25ns，使得流量的快速计算成为可能。程序每秒钟控制超声波传感器检测一次水位，计算出一秒种的流量，并进一步累积为时流量、日流量、月流量、年流量和总累积流量，由串行口传给上位机。

    3.3 串行通信设计

    为了实现对污水流量计系统的实时监控，将运行参数实时的传输到液晶屏上进行显示，同时也可以方便的通过键盘对逆变系统的参数进行在线修改。为了使系统更加智能化，发挥计算机的控制优势，采用RS-485总线将多个子系统与上位机之间串行通信，串行通信接口SCI模块接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有自己单独的使能和中断标志位，串行口经过一片MAX3082和一个RS-485与RS-232的电平转换器与上位机进行通信。其485接口电路如图4所示。

    图4中作为RS-485接口芯片，适用于半双工通信方式。它采用平衡驱动和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，可用于恶劣环境中，最大通信距离可达1200米。它具有发送使能和接收使能控制，当使能无效时，发送和接收的输出端呈高阻状态。使用MAX3082构成通信系统时，最大通信速率为0.125Mb/s，传输线上最多可挂128个收发器。

    在上位机的通讯接口中，本系统使用牛顿-7520作为RS-485与RS-232的电平转换器，其接口为标准的RS-485和RS-232总线接口。它具有300bps～115200bps的自适应波特率，同时内部在RS-232侧加有3000V的直流隔离。

    DSP串行口初始化：

    4 结束语

    由于采用非接触测量方式，避免被测介质对传感器的腐蚀，特别适合污水流量的测量。控制器采用DSP数字信息处理技术，集信号检测、信号转换、显示输出、数据传输、远程监测等功能于一体，适用于不同槽（堰）和传感器，具有通用性。

    由于DSP的工作频率较高，如TMS320LF2407A时钟频率为40MHz，而普通单片机的时钟频率仅为11.2MHz，故其数据读写周期相对单片机而言很短，然而PC机串口读写速度较低，最大数据吞吐量约为115kbps，尽管DSP在与这些慢速外设进行数据交换时可以加入额外的等待周期，但是在实时性要求苛刻，算法复杂的场合，将DSP从这些冗长的等待周期中解放出来，将其时间重点放在处理关键的实时任务中去，有着重要的实际意义