新型智能流速流量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟 兵，田 樂(lè)，龍金平，潘學(xué)民，武 樺

（新疆水文水資源局，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

流速流量測(cè)量是水利、水文及環(huán)保等部門(mén)的一項(xiàng)重要工作，隨著信息和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確度和時(shí)效性、儀表功耗、通信、數(shù)據(jù)存貯和管理等提出了新的要求。轉(zhuǎn)子式流速儀是用于明渠流速測(cè)量的主要儀器。在轉(zhuǎn)子式流速儀基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的智能流速流量?jī)x系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)），既可用于明渠流速流量測(cè)量計(jì)算，也可用于管道流速流量測(cè)量。能夠在流速測(cè)量完畢后自動(dòng)進(jìn)行流量的計(jì)算和相關(guān)數(shù)據(jù)的保存，并將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，存貯到已經(jīng)建立好的 Acess 數(shù)據(jù)庫(kù)中，并自動(dòng)生成打印報(bào)表，提高了工作效率和管理水平。

1 流速、流量測(cè)量原理

流速儀測(cè)流的基本原理是通過(guò)采集流速儀脈沖信息后計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)流速，測(cè)點(diǎn)流速v可用式（1）計(jì)算得出：

式中：K為水力螺距；n為每信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)，K和n為流速儀固有的2個(gè)參數(shù)；C為流速儀系數(shù)，是流速儀檢定部門(mén)在對(duì)給定的流速儀檢定后給出的校正量；T為單次測(cè)量的實(shí)際延時(shí)；A為在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中流速儀發(fā)出的信號(hào)脈沖數(shù)。

在實(shí)際的河流流量測(cè)量中，測(cè)點(diǎn)流速一般不等于截面平均流速，河道的截面積也不是規(guī)則的矩形或梯形，用1個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速取代整個(gè)河道截面的平均流速直接計(jì)算時(shí)誤差很大。通過(guò)部分平均流速與部分面積相乘，可得部分流量[1]。部分面積法計(jì)算明渠流量示意圖如圖1所示。

圖1 部分面積法計(jì)算明渠流量示意圖

2 系統(tǒng)功能及組成結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)功能

針對(duì)目前市場(chǎng)新型流速儀基本都可通過(guò)配置2次儀表解決流速直讀的問(wèn)題，但對(duì)直接流量計(jì)算，在便攜式流速儀中還不多見(jiàn)的現(xiàn)狀，我們確定研發(fā)了既可直讀流速，又可通過(guò)對(duì)已知斷面參數(shù)手工置數(shù)的方式直接在2次儀表中計(jì)算并顯示流量的便攜式智能流速流量?jī)x。智能流速流量?jī)x是一種利用流速儀法測(cè)流時(shí)能自動(dòng)快速顯示測(cè)點(diǎn)流速和全斷面流量的儀器。

系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程如下：1）將流速流量?jī)x與流速儀聯(lián)結(jié)；2）把事先測(cè)量到的測(cè)驗(yàn)斷面各類(lèi)參數(shù)（各起點(diǎn)距、水深）及流速儀公式輸入流速流量?jī)x；3）在用流速儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)流速時(shí)，流速流量?jī)x就會(huì)自動(dòng)顯示該測(cè)點(diǎn)的流速；4）每個(gè)測(cè)次所有測(cè)點(diǎn)流速測(cè)完之后，流速流量?jī)x就會(huì)自動(dòng)顯示該測(cè)次全斷面的流量。

系統(tǒng)主要功能如下：

1）直讀功能?？芍苯幼x出各垂線測(cè)點(diǎn)流速（1點(diǎn)法時(shí)為垂線平均流速）；在將斷面相關(guān)參數(shù)通過(guò)直接置數(shù)到2次儀表后，可直接讀出該斷面流量。

2）交互功能。 可在測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表和明渠測(cè)驗(yàn)斷面等參數(shù)的邊測(cè)量邊設(shè)置，可以通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)選擇不同的儀表用戶界面。

3）通訊功能。儀器增設(shè)通用型 USB 接口，能方便與上位機(jī)連接和通訊。

4）多組測(cè)量數(shù)據(jù)的保存功能。1組測(cè)量指完成1次河道截面流量測(cè)量中所產(chǎn)生的所有參數(shù)設(shè)置和原始數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10份測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)保存。

5）人機(jī)界面及數(shù)據(jù)管理功能。

在上位機(jī)中開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)與儀表的通訊，儀表內(nèi)數(shù)據(jù)讀取、顯示，生成站測(cè)深、測(cè)速記載及流量計(jì)算表見(jiàn)數(shù)據(jù)報(bào)表。數(shù)據(jù)報(bào)表能夠自動(dòng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

6）明渠流量計(jì)算（部分面積法），在2測(cè)速點(diǎn)間增加間距不等的測(cè)深垂線。

提高了測(cè)量準(zhǔn)確度及精度，流速、流量顯示小數(shù)點(diǎn)后4位有效數(shù)字。水力螺距K、阻力系數(shù)C，保留4位有效數(shù)字?？稍谒鎸捫∮?0m 的明渠測(cè)驗(yàn)中使用。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由儀表、上位機(jī)及數(shù)據(jù)庫(kù) Excel 表等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。儀表部分主要由信號(hào)采集、按鍵、漢字顯示等電路組成[2]。

2.3 流速儀信號(hào)的處理

智能儀表適用于轉(zhuǎn)子式流速儀，這種儀器內(nèi)部為機(jī)械式觸點(diǎn)，由于觸點(diǎn)閉合時(shí)，存在抖動(dòng)現(xiàn)象，1次動(dòng)作會(huì)引起若干次電平信號(hào)變化，從而產(chǎn)生誤記信號(hào)次數(shù)的現(xiàn)象。系統(tǒng)采用硬件、軟件雙重濾波方式消除抖動(dòng)現(xiàn)象。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件方面由信號(hào)轉(zhuǎn)換、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)濾波和放大電路組成。信號(hào)調(diào)理最大限度地抑制由于水電阻變化而引起的電信號(hào)的變化；高質(zhì)量的光電隔離將流速儀的電信號(hào)與2次儀表在電氣上完全隔離；硬件濾波實(shí)現(xiàn)濾除高頻擾動(dòng)信號(hào)和觸點(diǎn)抖動(dòng)信號(hào)。

軟件濾波采用變系數(shù)濾波方法。不同型號(hào)的儀器，按下式?jīng)Q定濾波系數(shù)：

式中：Rν為流速儀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)率；CS為流速因子；di、Ci分別為流速儀的水力螺距系數(shù)和儀器常數(shù)。所測(cè)水流速度不同時(shí)，軟件濾波的脈沖寬度隨之改變，從而得到準(zhǔn)確且不失真的信號(hào)脈沖序列。

3 通信與上位機(jī)軟件

通信部分主要指數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和串口通信。數(shù)據(jù)在單片機(jī) Flash 中的存貯格式以 BCD 碼和浮點(diǎn)數(shù)方式存貯，數(shù)據(jù)以 ASCII 碼格式送單片機(jī)發(fā)送緩沖區(qū)，通過(guò) USB 總線依次將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。傳送過(guò)程中數(shù)據(jù)是以 1 組測(cè)量結(jié)果為單位上傳，依次傳送，這樣便于上位機(jī)數(shù)據(jù)處理，方便編程。

當(dāng)將儀表與計(jì)算機(jī)連接好之后，打開(kāi)計(jì)算機(jī)通信界面后，將儀表切換到通信界面下，此時(shí)按下確認(rèn)鍵，便可將儀表內(nèi)大量數(shù)據(jù)上傳計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)會(huì)顯示在下圖所示窗口中，當(dāng)點(diǎn)擊 Access 按鈕時(shí)，數(shù)據(jù)便會(huì)自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，當(dāng)依次點(diǎn)擊 Excel 輸入按鈕時(shí)數(shù)據(jù)將會(huì)自動(dòng)水文部門(mén)規(guī)定的數(shù)據(jù)報(bào)表格式，并將數(shù)據(jù)添加到報(bào)表中。

系統(tǒng)采用 ADO 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)。在 VB 的控件窗口中用 ADO Data 控件來(lái)實(shí)現(xiàn) VB 與 Access 數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。ADO Data 控件是使用 ADO 技術(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的具體實(shí)現(xiàn)，用戶可以使用 ADO Data 控件快速創(chuàng)建 1 個(gè)到數(shù)據(jù)庫(kù)的連接[3]。連接后在系統(tǒng)中的體現(xiàn)如圖 3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)操作窗口

系統(tǒng)中具有添加、修改、刪除等按紐，可以隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行修改等操作。

在報(bào)表生成時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到事先制作好的 Excel 表中，然后將所得到的數(shù)據(jù)在表中用編輯公式進(jìn)行計(jì)算，得到所需的結(jié)果。具體報(bào)表如圖 4所示。

圖4 數(shù)據(jù)報(bào)表圖

4 儀表推廣應(yīng)用

由于新疆是以灌溉農(nóng)業(yè)為主，各地區(qū)、州的水文和水管部門(mén)基本上都是使用流速儀法核定水量，而且是以 20 轉(zhuǎn) 1 個(gè)信號(hào)的流速儀為主，該產(chǎn)品在流速流量?jī)xⅠ型的基礎(chǔ)上，又將流速流量?jī)xⅡ型開(kāi)發(fā)為漢字顯示，并且新增了通信接口和測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)管理，操作起來(lái)比流速流量?jī)xⅠ型更為直觀、方便。這樣將更好地解決廣大水管部門(mén)和農(nóng)民用水用戶用水計(jì)量和流量計(jì)算難的問(wèn)題，對(duì)其他科研、工礦、環(huán)保等單位也可以普遍使用此系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)價(jià)格適中，又屬于配套產(chǎn)品，老舊流速儀器仍能使用，因此，市場(chǎng)潛力巨大，極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

高性能低功耗智能流速流量?jī)x系統(tǒng)，成本低，體積小、重量輕，功耗低、便于隨身攜帶，穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)，提高了數(shù)據(jù)測(cè)量精度采用 USB總線通信提了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度和速度，可保存多組數(shù)據(jù)，并生成相關(guān)報(bào)表，大大增加了實(shí)測(cè)流量使用的時(shí)效性，提高了數(shù)據(jù)管理質(zhì)量。

[1] 水利部.GB 50179-93河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1993.

[2] 梁嵐珍，陳志軍，南新元.流速儀信號(hào)計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2002,23（9）：38-41.

[3] 李江全，張麗，岑紅蕾.Visual Basic 串口通信與測(cè)控應(yīng)用技術(shù)實(shí)戰(zhàn)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2007.