標準表法明渠流量計在線校準裝置的設計

胡博，馮鑫，張朋

（河南省計量科學研究院，河南鄭州450000）

0 引言

近年來，隨著國家對環(huán)境監(jiān)測質量的重視，明渠流量計作為廢水在線自動監(jiān)測系統(tǒng)中應用最廣的流量計，在各種環(huán)境場合下得到了大量的推廣和應用。明渠流量計在試驗室內(nèi)的計量性能評價依據(jù)及方法在相應的國家計量檢定規(guī)程中已有詳細、明確的規(guī)定，但安裝在環(huán)境條件復雜的現(xiàn)場后，由于受到各種影響因素的干擾，如何評定明渠流量計的準確度成為一個受到廣泛關注的技術難題。

針對明渠流量計的現(xiàn)場校準［1-2］，目前國內(nèi)常用的測量方法是在被測明渠流量計的特定位置安裝比被測明渠流量計精度更高的液位傳感器，測出的數(shù)值作為標準液位值，然后利用各種堰槽的經(jīng)驗公式計算出相應的標準流量值，與被測明渠流量計的示值進行比對，得到相應的測量誤差。這種方法得到被測流量值和標準流量值的原理是一樣的，但由于現(xiàn)場渠道中相同的位置一般不可能再安裝一個標準的堰槽，因此，在影響現(xiàn)場流量測量準確度的主要因素中，此方法僅解決了液位對測量結果的影響問題，由堰槽的類型、堰槽幾何尺寸不標準引入的測量誤差及水流擾動帶來的液位測量重復性等均無法解決。

針對上述問題，本文設計了以高精度管道式超聲流量計為標準表的測量裝置，在一定條件下可以對明渠流量計進行現(xiàn)場實流校準。由于管道式流量計和明渠流量計測量原理不同，因此可以從根本上避免上述因素對誤差測量的影響。通過開展大量的現(xiàn)場試驗，驗證了該裝置的可靠性與準確性。

1 裝置原理

基于標準表法的明渠流量計在線校準裝置，參考了國家計量檢定規(guī)程JJG771-1990《明渠堰槽流量計試行檢定規(guī)程》［3］的要求，以高精度超聲流量計為標準流量計，將其安裝在被測明渠流量計的上游或下游直管段上，根據(jù)流體的連續(xù)性原理，直管段處的流量和經(jīng)過明渠的流量是相同的，因此，可用標準流量計的流量值對明渠流量計進行校準。

裝置的原理為：水流由水泵抽取進入封閉的直管段；標準流量計安裝在直管段上，安裝位置處應符合介質滿管的要求，并保證上游直管段的長度滿足超聲流量計的使用要求［4］；水流進入安裝有被校明渠流量計的明渠渠道中，且應保證明渠流量計正常運行；最后水流由明渠段后端流走。開始校準時，首先將標準流量計的標準值輸出信號及明渠流量計的被測值輸出信號接入信號采集測量系統(tǒng)中；然后待水流平穩(wěn)流動一段時間，流場穩(wěn)定后，由信號采集測量系統(tǒng)控制開始同時采集標準值及被測值信號；根據(jù)相應規(guī)范要求的運行時間，采集到足夠的信號后，完成整個測量過程。裝置原理圖如圖1所示。

圖1 基于標準表法的明渠流量計在線校準裝置原理示意圖

廢水流量在線監(jiān)測中明渠流量計的最大允許誤差范圍一般為：±（2～6）%，為了滿足量值溯源的要求，標準流量計選擇準確度等級為0.5級的超聲流量計［5］。

為了保證測量時間的同步性，且能滿足標準表法流量標準裝置中對系統(tǒng)計時器的計量要求［6］，研制了現(xiàn)場流量信號采集測量系統(tǒng)。系統(tǒng)通過專用的板卡采集被測及標準信號，其采集頻率滿足裝置計時器引入的擴展不確定度，并能夠在PC端軟件上實現(xiàn)程序設定、數(shù)據(jù)顯示、計算存儲等相關功能。

2 流量信號采集測量系統(tǒng)

作為在線校準裝置的核心，流量信號采集測量系統(tǒng)主要由硬件電路和PC端軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件電路主要由電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等部分組成［7］；PC端軟件系統(tǒng)主要由前端界面、后臺數(shù)據(jù)處理、本地存儲等模塊組成。

2.1 硬件電路設計

采集電路兼容標準表、被測表通訊協(xié)議，支持4～20 mA信號、脈沖信號、RS485標準Modbus采集；內(nèi)置24位高精度ADC，降低測試誤差，滿足模擬信號的高精度采集需求；通過PC端后臺軟件控制采集板卡采集儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)設定、顯示、計算、分析、存儲等相關功能。電源系統(tǒng)具有防反接、防過壓、防過流等防護設計，通訊模塊采用抗干擾設計，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

電路采用實時操作系統(tǒng)設計，標準表、被測表滿足同步實時數(shù)據(jù)采集上傳功能，有效解決了數(shù)據(jù)不同步問題，為實驗提供更為精準的數(shù)據(jù)來源。并且預置了Wi-Fi遠程通訊，支持TCP/IP通訊方式，可通過遠程電腦端進行命令交互、設備控制、數(shù)據(jù)采集等操作，實現(xiàn)便捷、高效、遠距離的設備操控。

2.1.1 實現(xiàn)方案

測控系統(tǒng)中，PC端后臺控制系統(tǒng)采用Qt開發(fā)，支持跨平臺使用（Windows 32/64位、Linux、Android等），后期寬展性強。板載卡處理器采用ARM公司Cortx-m3架構處理器，處理器片上集成多路串口、定時器、SPI和IIC等，滿足本設計需求。采集電路預留模擬量采集接口，采用ADS1231高精度24位ADC片子，滿足對高精度小信號的采集需求。采集電路中兩路RS485接口分別接被測裝置，其中：脈沖信號采集接口，負責采集標準裝置脈沖信號；TTL轉USB接口與PC端后臺軟件進行通訊。

采集電路通過USB接口與PC端后臺進行數(shù)據(jù)交互，采集電路收到PC端測試、停止、復位、檢測等指令后執(zhí)行相應的動作，同時將必要的數(shù)據(jù)實時反饋給PC后臺端，后臺端依據(jù)用戶的操作和采集電路反饋的數(shù)據(jù)進行相應的數(shù)據(jù)處理，對數(shù)據(jù)進行解析和計算，然后顯示到前端，同時將數(shù)據(jù)按照一定的格式實時保存到本地指定的路徑中。

2.1.2 硬件組成

1）主處理器采用STM32F103R8T6，處理速度、抗干擾能力等綜合性能好，適合本設計需求；

2）RS485模組，RS485-Modbus協(xié)議，硬件抗干擾設計；

3）模擬信號采集模組，支持4～20 mA信號采集；

4）頻率采集模組，頻率范圍為0～7500 Hz，高電平為3～36 V，低電平在1 V以下；

5）電源適配模組，板卡支持USB供電或者外接12 V DC供電，兩種供電方式，具備過壓過流等相關防護；

6）USB通訊模組，采集板與PC端采用USB直插通訊（串口協(xié)議）。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)設計主要功能為：用戶通過前端的參數(shù)設定框實現(xiàn)系統(tǒng)工作參數(shù)設定，然后系統(tǒng)會自動將用戶設定的數(shù)據(jù)導到后臺端，后臺依據(jù)用戶的設定需求啟動采集電路進行數(shù)據(jù)采集，同時后臺將會按照用戶約定的參數(shù)格式進行數(shù)據(jù)處理，然后在前端的顯示界面中顯示出來，并且進行本地存儲。

2.2.1 軟件前端

用戶通過上位機軟件的前端界面可以方便、高效地進行數(shù)據(jù)交互。前端界面如圖2所示。

圖2 上位機軟件主界面

在開始測試前需要先連接設備（設備連接到電腦端后會自動顯示連接成功），之后設定“參數(shù)設置”、“測試設置”欄內(nèi)的關鍵參數(shù)，設置完成后即可點擊開始測試。如果參數(shù)設置不正確或者未設置，在點擊開始測試時系統(tǒng)會自動提示，并且不允許測試，直到設置滿足正確要求系統(tǒng)才允許進行測試。

2.2.2 設備后臺

設備后臺用于執(zhí)行用戶需要的動作，并處理excel表格數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)聽、設備連接狀態(tài)和設備數(shù)據(jù)都是通過后臺的進程進行處理的，后臺會對表格進行創(chuàng)建、讀、寫、保存等操作。設備后臺會根據(jù)用戶在界面端設置的相應參數(shù)進行表格控件類型的選擇。

后臺設計架構流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化完成后會等待用戶的前臺界面命令，收到命令后開始執(zhí)行。如果執(zhí)行錯誤，則在前臺界面提示相應的錯誤。如果執(zhí)行成功，系統(tǒng)會依據(jù)前臺參數(shù)進行表格創(chuàng)建，并向設備下發(fā)動作命令，然后等待設備回應相應數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)寫入表格，并刷新界面顯示。

圖3 軟件系統(tǒng)設計架構流程圖

3 試驗驗證

為了驗證明渠流量計在線校準裝置的有效性，設計了一組對比試驗。針對同一明渠堰槽（喉道寬度b=152 mm），采用兩種不同的液位測量方式，安裝了兩種明渠流量計。一種是在渠道上水位觀測斷面處用超聲波液位計測量渠槽中的水位，另一種是在渠道旁邊建靜水井，利用連通管使之與渠道水流相通，用磁致伸縮液位計在靜水井中測量水位。由于靜水井可以有效地隔離渠道中水流的脈動、漩渦和波浪，因此，安裝在靜水井中的液位測量會更加穩(wěn)定和準確［8］。

明渠流量計安裝位置前端的行進渠道長度對流場的穩(wěn)定性也有影響［9］，根據(jù)規(guī)程要求，巴歇爾槽的安裝條件為前端順直行進渠道長度應不小于5倍的行進渠道寬度。因此，試驗設計了在不同行進渠道長度下的比對試驗，驗證其對明渠流量計測量誤差的影響。試驗數(shù)據(jù)如表1所示，其中D為行進渠道寬度。

表1 兩種明渠流量計在線校準的測量數(shù)據(jù)

分析上述數(shù)據(jù)，首先，在同樣條件（相同流量及相同行進渠道長度）下，靜水井內(nèi)液位測量的明渠流量計誤差及重復性均優(yōu)于渠道斷面液位測量的明渠流量計，驗證了靜水井穩(wěn)定液面的作用；其次，同一流量計在不同行進渠道的影響下，測量誤差曲線規(guī)律基本一致（如圖4所示），證明基于標準表法的明渠校準裝置可以在現(xiàn)場測量中體現(xiàn)出不同影響量對明渠流量計測量誤差的影響。

圖4 兩種不同液位測量方式的明渠流量計在不同行進渠道下的測量誤差圖

4 結束語

本文針對廢水在線自動監(jiān)測系統(tǒng)中，如何在現(xiàn)場評定明渠流量計準確度的問題，提出了以高精度管道式流量計為標準表的在線校準裝置，簡述了裝置的基本原理，設計了應用于裝置上的流量信號采集測量系統(tǒng)，研制出信號采集系統(tǒng)的硬件電路及應用軟件，通過開展現(xiàn)場實驗，驗證了該裝置的有效性和可靠性。利用此在線校準裝置，可以方便地在現(xiàn)場實現(xiàn)對廢水明渠流量計的校準和溯源［10］，為計量技術機構和環(huán)境監(jiān)測部門保證環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實準確提供了一種有效的技術手段。