基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)

王慧聰，周義仁

（太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國同時(shí)也是一個(gè)水資源匱乏的國家?，F(xiàn)階段灌區(qū)用水的浪費(fèi)是造成農(nóng)業(yè)水資源大量流失的主要原因，對(duì)傳統(tǒng)水流測量的設(shè)備及方法的革新勢在必行。明渠流量檢測在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位，它直接關(guān)系著灌溉管理水平及灌溉用水利用率的效率。而當(dāng)前常見類型的流量檢測裝置的適用范圍常常受到自身不足之處和使用條件的制約，如造價(jià)高、安裝的技術(shù)性要求較高、抗干擾能力差，測量精度低等。

針對(duì)這些存在的問題，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外輸配水渠道普遍采用的是矩形斷面形式的特點(diǎn)，本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)。

1 測流原理

本系統(tǒng)的測流部分是基于伯努利方程進(jìn)行的流速測量[1]。伯努利方程在水力學(xué)中常常被提及，涉及到很多方面的水力學(xué)知識(shí)，是水力學(xué)長久以來所采用的基本原理。

伯努利方程是理想流體定常流動(dòng)中的動(dòng)力學(xué)方程，即在忽略粘性損失的流體中，其流線上任意兩點(diǎn)之間的壓力勢能、動(dòng)能及位勢能之和保持恒定[2]。對(duì)于重力場中的不可壓縮的均質(zhì)流體，其表達(dá)式為：

上述兩式均為伯努利方程，式(1)中p、ρ、v分別為流體所受的壓強(qiáng)、密度和流動(dòng)的速度；h為流體所處的高度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋瑸槌Ａ?；c也為常量，式中的各項(xiàng)分別表示單位體積流體的壓力勢能、重力勢能及動(dòng)能，其沿流線運(yùn)動(dòng)的過程中，和值保持不變，此即總能量的守恒；式(2)中，等號(hào)的左邊與右邊分別表示沿流線運(yùn)動(dòng)過程中的任意兩點(diǎn)的機(jī)械能之和。由伯努利方程可以看出，流速大處壓強(qiáng)低，流速小處壓強(qiáng)高。

如若在渠道中的同一高度處放置兩個(gè)MPX53GP壓力片，一個(gè)正對(duì)水流的沖擊、一個(gè)垂直于水流的方向。以式(2)等號(hào)左邊表示正對(duì)水流沖擊壓力片的受力情況、等號(hào)右邊表示垂直于水流方向壓力片的受力情況，則v1=0，且h1=h2，則式(2)可簡化為：

即：

式(4)表明兩個(gè)壓力片的壓差與水流流速的平方成正比，即壓差Δp與流速v是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

2 壓力傳感器

本系統(tǒng)采用的是自主研發(fā)的基于伯努利方程的壓力式測流裝置，該裝置的感應(yīng)部分采用型號(hào)為MPX53GP的壓力片，該壓力片可提供非常精確的線性電壓輸出，與施加的壓力成正比，其工作原理是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換壓力值為0～0.5個(gè)大氣壓[3]。電壓信號(hào)為毫伏級(jí)別，經(jīng)一級(jí)運(yùn)算放大器放大后，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后采樣處理成為可顯示的數(shù)值。該裝置采用十個(gè)MPX53GP壓力片，兩兩一組，每組中一個(gè)正對(duì)水流的沖擊、一個(gè)垂直于水流的方向，均勻布置于板子的五個(gè)點(diǎn)處，整個(gè)采集板的高度約為58cm，該流量計(jì)可測取約50cm液位高的明渠流量值。采集板的外表除了壓力片的受力面以外其余部分均由絕緣材料環(huán)氧樹脂進(jìn)行澆注，這樣克服了采集板采集水壓信號(hào)時(shí)受水流導(dǎo)電性的影響并可防止電腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，使得采集板的抗干擾能力大大增強(qiáng)，提高了感應(yīng)部分的穩(wěn)定性與可靠性。采集板的頂端布置有5V直流穩(wěn)壓模塊和LCD1602液晶顯示屏，整個(gè)采集板呈現(xiàn)長方形棒狀的結(jié)構(gòu)?？刂瓢迨窃摐y流裝置的核心部分，是由STC12C5A60S2單片機(jī)組成的控制中心，具有信號(hào)的處理、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ埽渫庑谓Y(jié)構(gòu)為13cm×12cm的長方形PCB板。壓力傳感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過AD623放大電路，放大之后傳輸給單片機(jī)（因?yàn)镾TC12C5A60S2單片機(jī)具有自帶A/D轉(zhuǎn)換功能），由液晶顯示屏顯示出來流速值及液位值[4]。壓力傳感器的控制電路如圖1所示。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出電路是運(yùn)用MAX3232CP芯片為核心設(shè)計(jì)而成的串口通訊電路，負(fù)責(zé)與控制板上的顯示儀表或上位機(jī)進(jìn)行通信，電路圖如圖2所示。

圖2 輸出電路圖

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)由一套壓力傳感器，機(jī)械傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)器、微處理器和計(jì)算機(jī)組成。該系統(tǒng)的微處理器選用STC12C5A60S2芯片，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換[5]?？刂乒ぷ髋_(tái)動(dòng)作的步進(jìn)電機(jī)受單片機(jī)的程控，有著時(shí)序性的工作方式。單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)橫軸步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)過聯(lián)軸器帶動(dòng)橫軸的滾珠絲杠，帶動(dòng)裝置橫向運(yùn)動(dòng)[6]。系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖

2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上載有十個(gè)壓力片，與機(jī)械傳動(dòng)裝置結(jié)合可橫向自動(dòng)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道矩形斷面內(nèi)任一點(diǎn)處流速的測量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工作原理為：本系統(tǒng)的測量部分采用“流速—面積法”[7]對(duì)矩形斷面渠道進(jìn)行流量的測量，在本裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上載有十個(gè)壓力傳感器，兩兩一組，共有五組，垂直于水平面的傳感器，測出動(dòng)水壓力；平行于水平面的傳感器，測出靜水壓力。根據(jù)點(diǎn)線面的思路，可以分為以下三步得到流量值：1）測點(diǎn)流速：由兩個(gè)壓力傳感器測得的動(dòng)水壓力和靜水壓力，其壓力差通過伯努利方程算出一個(gè)測點(diǎn)的流速，根據(jù)此方法，可以得到每個(gè)測點(diǎn)的流速；2）測線流速：根據(jù)水淹沒傳感器的測點(diǎn)數(shù)，分別求出淹沒測點(diǎn)的流速，把每個(gè)測點(diǎn)的流速加權(quán)求平均得到該條測線的流速；3）測面流速：通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)橫向自動(dòng)移動(dòng)，得到第二條，第三條…第N條測線的流速，所得N條測線的流速加權(quán)平均得到該測面的流速v。由公式Qv=vA即求得該矩形斷面的流量（v為矩形斷面的平均流速，A為矩形斷面的面積）。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證該流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)的運(yùn)行情況，選取了山西某矩形斷面明渠進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)所用明渠底寬43.8cm，并將數(shù)據(jù)與流速儀所測數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本系統(tǒng)通過在實(shí)際矩形明渠段進(jìn)行了功能性的實(shí)驗(yàn)，測量結(jié)果與采用流速儀測得的流量值相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性與準(zhǔn)確性[8]。

本系統(tǒng)在明渠流速檢測中采用由點(diǎn)流速到線流速到面流速的思路，實(shí)現(xiàn)了斷面內(nèi)的多點(diǎn)測量，比傳統(tǒng)的測量精度更高，并且該系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，可以橫向自動(dòng)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)斷面內(nèi)測線的任意選擇，使得技術(shù)人員更易操作，系統(tǒng)內(nèi)的傳感器均可通過RS232總線與上位機(jī)連接，操作更加簡便，整套系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)的流速儀相比，大大降低了成本，減少了人力的投入。該系統(tǒng)能使用于各種復(fù)雜的使用環(huán)境，使得該系統(tǒng)有著良好的應(yīng)用與推廣前景。

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[7]胡云進(jìn),陳國偉,郜會(huì)彩.明渠規(guī)則斷面流量測量方法研究[J].水文,2009,29(5):39-41.

[8]費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004.