一種新型明渠流量計設(shè)計*

馬 珺，王龍山

(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，山西 太原030024)

0 引 言

經(jīng)濟發(fā)展不斷的工業(yè)化，使得環(huán)境遭到破壞，尤其是賴以生存的水資源更是污染嚴(yán)重。治理水污染的課題已經(jīng)被列入世界環(huán)保組織的工作日程。我國污水處理多年來一直沒有新的突破。因此，研制開發(fā)針對污水流量的計量系統(tǒng)，實現(xiàn)低成本，高精度有著很重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值［1］。

常用的污水流量測量方法是使用流量計配合明渠(如巴歇爾槽等)來測量［2］。配合這些方法使用的明渠流量計，有利用超聲波反射原理的超聲波流量計［3］;利用激光反射原理的激光流量計。這兩種方法雖然精度較高，其中，激光流量計達到0.1 mm，但是安裝維護復(fù)雜，設(shè)備昂貴［4］。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的電磁流量計，雖然應(yīng)用較廣，但是易受磁場影響［5］。利用浮力原理的浮力式流量計，成本較低，但是精度不高［6］。

本文介紹的板式流量計是在原有板式流量計的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)，進行了重新改進設(shè)計，使其更加智能高效。

1 板式流量計設(shè)計

1.1 板式流量計的設(shè)計原理

板式流量計是一種新型智能傳感器，是按照仿生學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理設(shè)計，配合特定槽體，直接將水位信號進行數(shù)字化取樣，并間接計算明渠流量的新型明渠流量傳感器［7］。

它是由幾排神經(jīng)元電路組成的密閉板式傳感器，板的正面是點陣式排列的觸點。將板式流量計嵌入堰槽側(cè)壁，污水流過時與觸點接觸，水位上下變化，這些觸點組成的神經(jīng)元電路直接進行數(shù)字化取樣，自動識別水位高低，并通過內(nèi)部取樣電路后，由微處理器根據(jù)不同堰槽內(nèi)水位與流量的單值函數(shù)關(guān)系，將水位信號轉(zhuǎn)換為流量信號，并以無線方式發(fā)送給上位機進行進一步的處理。

改進的板式流量計增加了一組板式傳感器，并利用無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)融合到一個處理器進行分析處理，提高了測量精度。改進了數(shù)據(jù)傳送上位機的方法，由GPRS 模塊進行傳送，更方便地擴展適用范圍，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備成熟，成本也得到降低。增加了顯示的功能，在程序設(shè)計之初設(shè)計了3 種堰體的流量計量模式，在顯示界面可以進行選擇;顯示流量圖形化，使得傳感器更加智能化。使用ARM 處理器，更加快速地處理數(shù)據(jù)，方便快捷，功耗低。

圖1 新型明渠流量計的工作原理Fig 1 Working principle of the new type of open channel flow meter

1.2 板式流量計的硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)智能化的設(shè)計，本新型板式流量計主要由一組板式水位傳感器A 和B，RF 通信，實時時鐘和微控制器電路，數(shù)據(jù)存儲和液晶顯示部分，GPRS 通信部分，電源電路、復(fù)位電路和抗雷擊電路組成。硬件功能框圖如圖2。

數(shù)據(jù)采集部分:板式水位傳感器A，B 分別在堰槽的2 個不同位置采集水位信息，這樣可以更好地提高測量精度。板式水位傳感器A，B 都是采用太原理工大學(xué)測控所自主研發(fā)的MFC7710 和MFC7720 數(shù)字水位取樣電路芯片，觸點采用既科學(xué)又合理的點陣式排列原理［8］。其中，板式水位傳感器A 與控制器部分集成在一塊板上;板式水位傳感器B 在另一個板上。2 個板之間集成RF 通信。

智能處理器:該設(shè)計采用Cortex-A8 處理器。該處理器使用了先進的分支預(yù)測技術(shù)，并且具有專用的NEON 整型和浮點型流水線進行媒體和信號處理。這是一種基于ARMv7 架構(gòu)的處理器，在65 nm 工藝下，功耗不到300 mW，具有高性能、低費用和低功耗的特點。

時鐘存儲芯片:采用SD2200ELPI 芯片，支持I2C 總線，內(nèi)部集成實時時鐘電路，保證精度月走時誤差不超過15 s，內(nèi)置電池可保證外部掉電時始終正常工作，且壽命超過10 a。

電源電路:2 個板式傳感器采用鋰電池供電，保證了測量的穩(wěn)定性，由于本系統(tǒng)的低功耗，電池的容量設(shè)計在半年的使用周期，可充電的鋰電池還具有環(huán)境保護的作用，大大提高了整個系統(tǒng)的方面使用。

數(shù)據(jù)存儲:由于采集到的數(shù)據(jù)可按要求隔段時間進行傳送，也可以進行實時傳送。但是為了保證傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在傳輸數(shù)據(jù)的同時板式流量計上還做了備份存儲。這樣既可以根據(jù)實時傳輸直接備份并發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以存儲簡單處理后定時發(fā)送。

無線通信:采集到的數(shù)據(jù)有2 種獲取方式:1)由工作人員到板式流量計安裝處取回存儲數(shù)據(jù)卡，可同時更換電池;2)數(shù)據(jù)直接發(fā)送至上位機，由整個系統(tǒng)進行下一步管理和處理。這里選用GPRS 通信技術(shù)，傳輸速率可以穩(wěn)定在115 kpbs，只要系統(tǒng)工作就可以聯(lián)網(wǎng)實時訪問傳輸，基站覆蓋率高，應(yīng)用范圍廣，按數(shù)據(jù)流量計費，這些都大大降低了傳輸數(shù)據(jù)的成本［9］。

液晶顯示:采用TBM12864-12 液晶模塊，可顯示漢字和圖形，工作電壓3.3 V，串行通信，使用方便。顯示內(nèi)容為實時水位數(shù)據(jù)，流速數(shù)據(jù)，特定時期累計流量，總累計流量，水位溢出報警值，以及工作狀態(tài)。在實際測量應(yīng)用中，為了降低功耗不點亮顯示，但發(fā)生故障或需要進行觀察時，通過按鍵點亮顯示。

系統(tǒng)還設(shè)計了防雷擊電路，避免了在明渠堰槽正常測量工作時惡劣天氣對儀器的影響。復(fù)位電路使得在一些特殊情況下，可以重新啟動本系統(tǒng)進行測量。

圖2 新型明渠流量計硬件功能框圖Fig 2 Hardware function block diagram of the new type of open channel flow meter

1.3 板式流量計的軟件設(shè)計

板式流量計的程序設(shè)計分2 部分，一部分是板式流量傳感器B，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，通過RF 與A 通信傳輸。另一部分是板式流量傳感器A，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，接收B 數(shù)據(jù)，并將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)換累計總流量，選擇發(fā)送模式，通過GPRS 與上位機進行通信傳輸。系統(tǒng)流程圖如圖3、圖4 所示。

圖3 板式流量計A 程序流程圖Fig 3 Program flow chart of A of slab flow meter

顯示屏的設(shè)計，為了降低功耗，在工作正常情況下，顯示屏處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)需要查看和維護時，可通過按鈕點亮顯示屏，查看水位、流量、電量和發(fā)送模式等信息。

2 實驗結(jié)果

流量實驗主要從兩方面進行:瞬時流量實驗和累計流量實驗。

瞬時流量實驗方法:選用超聲波流量計與本板式流量計同時放到巴歇爾槽內(nèi)進行測量，比較所得數(shù)據(jù)。

圖4 板式流量計B 程序流程圖Fig 4 Program flow chart of B of slab flow meter

累計流量實驗方法:在供水箱和下位水箱裝有精確到mm 的刻度尺，所標(biāo)水量與所測得的累計流量進行比較。

板式流量計A 板測得累計流量根據(jù)的是巴歇爾槽流量計量的經(jīng)驗公式

其中，b 為喉道的寬度(本實驗中取b =25)，h 為相對于喉管底的上游側(cè)的水位［10］。所設(shè)計的板式流量計的感應(yīng)點排列如圖5，一共可以檢測到160 mm 的水位高度，精度為2 mm。板式流量計的B 板與此基本相同。

圖5 板式流量計點陣設(shè)計Fig 5 Lattice design of the slab flow meter

在實驗室通過調(diào)節(jié)水流控制閥，得到不同的流速水流，多次實驗，得到超聲波流量計和板式流量計的瞬時流量，見表1。

表1 瞬時流量實驗結(jié)果比較Tab 1 Results comparison of the test of instantaneous flow

由實驗可知，當(dāng)水位較低(低于4 mm)，超聲波流量計不能測出數(shù)據(jù)，而板式流量計仍能正常計量，如表2。

表2 累計流量實驗結(jié)果比較Tab 2 Results comparison of the test of accumulative flow

該表可以得出板式流量計所測數(shù)據(jù)與實際累計流量相近，平均誤差為1.76%，證明本流量計測的流量是準(zhǔn)確、可行的。

3 結(jié)束語

明渠流量的測量一直難以被準(zhǔn)確測量。本文利用自主設(shè)計研發(fā)的板式流量計配合巴歇爾槽的使用，采用板式傳感器，ARM 處理器強大的運算能力，RF 和GPRS 無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了將水位直接數(shù)字化取樣，并轉(zhuǎn)換為流量，可及時顯示信息并報送上位機進一步處理。實現(xiàn)了流量計量領(lǐng)域的智能儀表化、無線通信化。此外，系統(tǒng)的低功耗和精確度也得到了實驗的證實，達到了98.24%的準(zhǔn)確率，整個設(shè)計簡單，使用方便，在明渠測量領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 王 輝，馬福昌.檢索式數(shù)字水位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低功耗途徑探討［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2008(3):119 －120.

［2］ 徐樂年，員玉良，陳 明.巴歇爾槽在智能流量傳感器中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(6):6 －7.

［3］ 蔣宇晨，趙順剛.超聲傳感器在明渠流量計中的應(yīng)用［J］.自動化儀表，2000(7):16 －18.

［4］ 常鳳筠，崔旭東.激光明渠流量計的設(shè)計［J］.應(yīng)用激光，2007(10):421 －424.

［5］ 宋海龍.智能電磁流量計設(shè)計［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010.

［6］ 李 剛，李巧真，張濤.浮力式明渠流量計的研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2002(6):873 －875.

［7］ 薛 敏.明渠流量計的智能化研究與開發(fā)［D］.太原:太原理工大學(xué)，2009.

［8］ 段陳杰.板式流量計的低功耗設(shè)計與無線射頻通信系統(tǒng)的研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2009.

［9］ 梁嵐珍，李 靖，朱棟升，等.基于GPRS 的明渠流速流量檢測系統(tǒng)研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009(5):81 －84.

［10］ 馬 珺，馬福昌.新型板式流量傳感器的設(shè)計［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2008(5):265 －266.