流速儀信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張新書(shū)

（河北省水文水資源勘測(cè)局，河北 石家莊 050031）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)水資源豐富的國(guó)家，在水文工作中流速儀被廣泛應(yīng)用于河流及海流流速的測(cè)量。流速儀在出廠前或在野外使用過(guò)一段時(shí)間后需要進(jìn)行檢測(cè)檢定，以確定流速儀轉(zhuǎn)速和水流速度之間的關(guān)系。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在流速儀檢定行業(yè)的廣泛應(yīng)用，尤其是直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法（GB/T 21699-2008）及轉(zhuǎn)子式流速儀（GB/T 11826-2002）標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，人們對(duì)流速儀檢定及測(cè)流設(shè)備的可靠性和自動(dòng)化程度的要求越來(lái)越高。

流速儀脈沖信號(hào)比較復(fù)雜，信號(hào)調(diào)理及采集工作既是流速儀檢定和使用中的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。本文提出了 1 種軟硬結(jié)合的流速儀信號(hào)調(diào)理方法，應(yīng)用在檢定槽改造及智能流量測(cè)算儀中并取得較好的效果。

1 流速儀檢定介紹

流速儀旋漿的轉(zhuǎn)速和水流流速在臨界點(diǎn)以上滿足線性關(guān)系：v = a + bn，其中 n 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)率，v 是水流流速，b 為水力螺距，a 為儀器常數(shù)。流速儀檢定的目的，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是為了確定檢定公式中的 a，b 值。

目前 a，b 值是通過(guò)流速儀檢定水槽進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的，也就是靜水槽檢定法。檢定程序如下：在橫斷面均勻一致的直線靜水槽 2 側(cè)鋪有軌道，導(dǎo)軌上運(yùn)行檢定車。將流速儀懸掛在檢定車上并深入水中一定位置（通常在水下 0.6～0.8 m），人工或自動(dòng)控制檢定車以各種檢定速度牽引流速儀，從而使流速儀和靜水產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)行平穩(wěn)后，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令進(jìn)入轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)率測(cè)量單元，測(cè)出流速儀儀器轉(zhuǎn)率，而把檢定車相對(duì)于靜水的速度作為水流速度，進(jìn)而確定 v - n 關(guān)系，用方程式與圖表建立相關(guān)關(guān)系，最后根據(jù)檢定結(jié)果對(duì)流速儀各項(xiàng)性能給出定量評(píng)定[1]。

2 流速儀信號(hào)調(diào)理

2.1 流速儀信號(hào)特點(diǎn)

流速儀信號(hào)是通過(guò)干簧管吸合或機(jī)械觸絲的通斷產(chǎn)生，在理想狀態(tài)下應(yīng)該是規(guī)則的脈沖。但是流速儀信號(hào)容易受到以下因素的干擾：1）干簧管觸絲在完全吸合或脫離前的臨界狀態(tài)下，2 個(gè)觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生非良好接觸，因而在流速儀脈沖信號(hào)前沿和后沿都會(huì)有一定時(shí)間長(zhǎng)度的抖動(dòng)信號(hào)；2）流速儀檢定槽長(zhǎng)期使用后，水會(huì)變得不純凈導(dǎo)致水的導(dǎo)電率增加，這樣就相當(dāng)于在流速儀的 2 個(gè)水下接線柱之間存在水電阻從而影響到流速儀輸出信號(hào)；3）流速儀檢定車上裝有大功率同步電機(jī)及變頻器，流速儀信號(hào)從接線端取出，經(jīng)導(dǎo)線與連接板連接，然后經(jīng)過(guò)電機(jī)、變頻器、接觸器等大電流交流器件的過(guò)程中容易受到電磁干擾，因此流速儀信號(hào)中常常會(huì)竄入尖峰干擾[2]。

由于以上干擾，實(shí)際環(huán)境中測(cè)量到得流速儀信號(hào)與理論中的相距甚遠(yuǎn)，流速儀信號(hào)波形對(duì)比如圖 1 所示。如果直接把這種脈沖信號(hào)送入計(jì)算機(jī)處理器，將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)重復(fù)計(jì)數(shù)從而影響到流速儀檢定精度；同時(shí)脈沖信號(hào)中的尖峰干擾對(duì)計(jì)算機(jī)硬件也會(huì)產(chǎn)生致命損害。因此需要針對(duì)流速儀信號(hào)的特點(diǎn)，采用軟硬結(jié)合的方法在流速儀信號(hào)和計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)接口之間設(shè)計(jì) 1 套合理的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。

圖1 流速儀信號(hào)波形對(duì)比

2.2 硬件信號(hào)調(diào)理

從流速儀接線柱引出的脈沖信號(hào)不能直接接入計(jì)算機(jī)處理器，需要經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換、濾波、隔離、去抖動(dòng)、放大、整形等硬件電路后才等滿足計(jì)算機(jī)的采集要求。流速儀硬件信號(hào)調(diào)理流程如圖 2 所示。

圖2 流速儀硬件信號(hào)調(diào)理流程

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)把流速儀干簧管的吸合轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖形式；利用 RC 電路的濾波特性組成簡(jiǎn)單的衰減濾波網(wǎng)絡(luò)，對(duì)竄入接口的強(qiáng)干擾脈沖進(jìn)行衰減和抑制，并利用二極管的特性進(jìn)一步限幅，克服水的導(dǎo)電性帶來(lái)的干擾，使電路的干擾信號(hào)得到最大的抑制，同時(shí)利用電容的隔直特性把流速儀電信號(hào)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的電器分離，然后采用三極管進(jìn)行信號(hào)變換，使之適應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的脈沖幅度后再進(jìn)行整形。

流速儀信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，信號(hào)已基本滿足計(jì)算機(jī)處理的要求，并有效防止了干擾，可以接入計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)器接口。流速儀信號(hào)調(diào)理原理如圖 3 所示。

圖3 流速儀信號(hào)調(diào)理原理圖

2.3 軟件濾波

由于流速儀型號(hào)眾多，儀器狀態(tài)也各不相同，這就決定了每架流速儀的干擾及抖動(dòng)情況也各不相同，因此為了保證在采集流速儀信號(hào)過(guò)程中的準(zhǔn)確可靠性，彌補(bǔ)硬件電路的不足，使其接口適合各種流速儀，還要通過(guò)軟件濾波的方法提高信號(hào)質(zhì)量。

在對(duì)流速儀信號(hào)進(jìn)行軟件濾波處理時(shí)，要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合采用不同的濾波方法。在流速儀檢定車上時(shí)，由于 1 次要檢測(cè)多個(gè)不同的速度，而儀器型號(hào)基本相同，就應(yīng)該根據(jù)不同的儀器類型，選擇不同的距離延遲防止抖動(dòng)，這是流速儀檢定車進(jìn)行軟件濾波的首選措施。而在實(shí)際流速測(cè)量時(shí)，由于已經(jīng)沒(méi)有了距離信號(hào)再加上 1 個(gè)斷面有可能使用各種不同的流速儀，因此必須靈活設(shè)置濾波措施，而能靈活設(shè)置的流速儀參數(shù)只有時(shí)間，所以在軟件的編寫(xiě)過(guò)程中流速儀記錄信號(hào)的儀表必須能隨時(shí)改變信號(hào)采集的延遲時(shí)間，最大限度地提高信號(hào)采集的可靠性和準(zhǔn)確性。軟件濾波的信號(hào)示意圖如圖 4 所示。

圖4 軟件濾波示意圖

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用情況

基于以上理論，有 2 種應(yīng)用。1）在檢定車上進(jìn)行應(yīng)用，用圖 3 所示的 3 套電路分別對(duì)應(yīng) 3 架流速儀，制作成可以同時(shí)懸掛 3 架流速儀的檢定車檢定系統(tǒng)，硬件電路整形完畢后進(jìn)入可編程控制器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，然后用軟件對(duì)流速儀信號(hào)進(jìn)行濾波，同時(shí)對(duì)檢定車進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)多年的使用，取得了較好的效果。2）研制開(kāi)發(fā)了利用單片機(jī)的智能流量測(cè)算儀，有效解決了流速儀信號(hào)的干擾問(wèn)題，及流速儀測(cè)流中二次儀表設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)幾年的使用驗(yàn)證，徹底解決了流速儀測(cè)流中二次儀表只能搭配固定型號(hào)的流速儀的問(wèn)題，該智能流量測(cè)算儀能適應(yīng)現(xiàn)在使用中的大部分流速儀型號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)流速儀信號(hào)的特點(diǎn)，采用了轉(zhuǎn)換、濾波、隔離、去抖動(dòng)、放大、整形等硬件電路調(diào)理信號(hào)以適應(yīng)計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)軟件編寫(xiě)過(guò)程中流速儀記錄信號(hào)的儀表能隨時(shí)改變信號(hào)采集時(shí)的延遲時(shí)間，最大限度地提高信號(hào)采集的可靠性和準(zhǔn)確性。解決了流速儀信號(hào)干擾，以及測(cè)流中二次儀表只能搭配固定型號(hào)的流速儀的問(wèn)題，并在實(shí)際運(yùn)用中得到了驗(yàn)證。

[1]直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法. GB/T 21699-2008[S]. 北京：中華人民共和國(guó)水利部，1995.

[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)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化儀表，2002, 23 (9): 38-41.