基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)

勞志寧

摘 要：在明渠流量測量的過程中，如果要想使得測量結(jié)果的精確度不斷提高，一定程度上使得測流裝置的成本有所降低，那么必須實(shí)現(xiàn)明渠流量測量的自動(dòng)化。本文以此為基礎(chǔ)，深入研發(fā)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)。本次研究中所開發(fā)的系統(tǒng)所使用的測流原理為伯努利方程并且以此為基礎(chǔ)，將機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與壓力傳感器裝置二者相結(jié)合，通過流速與面積測量法，從而得到明渠流量測量的精確值。在系統(tǒng)中所使用的控制系統(tǒng)為擁有A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)裝置，在運(yùn)行過程中對(duì)電壓信號(hào)值進(jìn)行采集，在完成后以內(nèi)部程序?yàn)檗D(zhuǎn)化，將流量值顯示在屏幕上，實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)化操作。

關(guān)鍵詞：明渠矩形渠道;自動(dòng)檢測系統(tǒng);壓力傳感器;伯努利方程;流量測量

眾所周知，我國屬于農(nóng)業(yè)大國，但是與此同時(shí)，我國的水資源總體呈匱乏趨勢。在農(nóng)作物種植的過程中，對(duì)作物進(jìn)行灌溉是必不可少的緩解，但是通過相關(guān)調(diào)查可知目前灌區(qū)用水存在一定程度的浪費(fèi)現(xiàn)象，這也是我國農(nóng)業(yè)水資源存在流失的關(guān)鍵性原因。為了解決這一現(xiàn)狀問題，對(duì)于存在不足的傳統(tǒng)式水流測量裝備以及測量方法的改進(jìn)是不可避免的。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，明渠流量檢測具有著關(guān)鍵性地位，這一環(huán)節(jié)對(duì)于灌溉管理水平的提高具有重要影響，并且對(duì)于灌溉用水的利用率是否提高也會(huì)起到一定的影響作用。但是目前的明渠流量檢測裝置會(huì)受到多種因素的影響，存在著一定的條件制約，存在成本造價(jià)相對(duì)較高、抗干擾能力相對(duì)不足、在安裝過程中要有較高的技術(shù)水平、測量精度有待提升等眾多不足。為了解決目前明渠測量裝置存在的不足，本文結(jié)合矩形斷面形式渠道的特點(diǎn)，以壓力傳感器為基礎(chǔ)，研發(fā)并設(shè)計(jì)出一種流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)。

一、測流原理

本研究中所開發(fā)的基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)所使用的測量原理是以伯努利方程為基礎(chǔ)的。伯努利方程作為基本原理，在水力學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛，在該方程中所涉及到的水力學(xué)知識(shí)較為全面，因此在水力學(xué)領(lǐng)域也是具有較高的應(yīng)用率。

伯努利方程作為動(dòng)力學(xué)方程之一，主要為理想流體定常流動(dòng)原理，具體而言，是在不考慮粘性損失的流體中，流體流線中不同兩點(diǎn)之間所存在的壓力勢能、位勢能與動(dòng)能的和較為穩(wěn)定，始終保持恒定。

二、壓力傳感器

在自動(dòng)測量系統(tǒng)系統(tǒng)研發(fā)過程中，壓力式測流裝置所采用的基本原理為伯努利方程，感應(yīng)裝置所采用的壓力片為MPX53GP壓力片。系統(tǒng)中所使用的壓力片具有較強(qiáng)的工作性能，該壓力片的工作原理為將收到的壓力信號(hào)，通過該裝置轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。在使用后可以為系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確度較高的線性電壓輸出，并且會(huì)與所施加的壓力形成正比關(guān)系。本次所研發(fā)的壓力傳感器共使用了十個(gè)MPX53GP壓力片，其中兩個(gè)壓力片為一組，其中的一個(gè)壓力片要正面迎向水流的沖擊，另外一個(gè)壓力片與水流的方向成垂直關(guān)系。10個(gè)壓力片為5組，分別放置于板子的5個(gè)位置點(diǎn)，在放置過程中要盡量均勻放置。

本研究中所使用的采集板高度可達(dá)58厘米，在測量過程中可以對(duì)液位高約50厘米的流量進(jìn)行測量，形成明渠流量值。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。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（一）系統(tǒng)框架

本次所開發(fā)的矩形明渠流量自動(dòng)測量裝置共有5大部分組成，主要包括壓力傳感器、驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械傳動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)與微處理器，系統(tǒng)框架如下圖1所示。在系統(tǒng)中所選取的微處理器為STC12C5A60S2芯片，該8051單片機(jī)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，運(yùn)行速度快、所產(chǎn)生的功耗較低并且擁有較強(qiáng)的抗干擾能力。

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

在本流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上共放置10個(gè)壓力片。壓力片在運(yùn)行過程中與機(jī)械傳動(dòng)裝置相配合，共同實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的橫向移動(dòng)，從而對(duì)明渠矩形斷面中不同點(diǎn)位的流速進(jìn)行測量。

在測量過程中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如下：在測量過程中應(yīng)用流速面積法對(duì)斷面的流量進(jìn)行測量。傳感器在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上共放置10個(gè)，其中兩個(gè)壓力片也就是壓力傳感器為一組共分為5組，分別對(duì)動(dòng)水壓力與進(jìn)水壓力進(jìn)行測量。根據(jù)點(diǎn)、線、面的思想，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中主要通過以下三個(gè)步驟得到流量值：首先，測點(diǎn)流速。兩個(gè)壓力傳感器測得的動(dòng)水壓力和靜水壓，用伯努利方程計(jì)算出一個(gè)測點(diǎn)的流速。根據(jù)該方法，可以獲得每個(gè)測量點(diǎn)的流速;其次，測線速度。根據(jù)水下傳感器的測點(diǎn)數(shù)，分別計(jì)算水下測點(diǎn)的速度，對(duì)每個(gè)測點(diǎn)的速度進(jìn)行加權(quán)平均，得到測線速度;最后，測面流速。以機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行全自動(dòng)化的橫向移動(dòng)，從而得到不同測線的流速值。在獲取到全部測線的流速值后，進(jìn)行加權(quán)平均從而得到測面的流速值。

四、實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)本研究中所開發(fā)的流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行驗(yàn)證，本研究以我省某矩形斷面明渠為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，明渠的底部寬度為43.8厘米，在研究試驗(yàn)中將系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)與流量儀所測的數(shù)值進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。

結(jié)束語

綜上所述，為了改進(jìn)原有明渠流量檢測裝置的不足，本研究以伯努利方程為測量原理，開發(fā)出一種基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)，并且以我省某明渠為實(shí)際研究對(duì)象進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，將自動(dòng)測量系統(tǒng)所測量出的數(shù)值與流量儀的測量值進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者的誤差相對(duì)較小，可控制在3%以內(nèi)，因此本研究中所開發(fā)的流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)具有較高的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，無論是實(shí)用性還是數(shù)值準(zhǔn)確性都相對(duì)較高。

本研究中所研發(fā)的系統(tǒng)在開發(fā)過程中設(shè)計(jì)思路主要為：在明確流量速度檢測過程中，從點(diǎn)流速測起逐漸過渡至線流速，最終測量面流速，從而實(shí)現(xiàn)橫斷面內(nèi)不同點(diǎn)之間的綜合測量，這會(huì)使得測量精度大大提高。除此之外，在本流量自動(dòng)測量系統(tǒng)中，將機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)相融合，從而實(shí)現(xiàn)下面內(nèi)測線選擇的任意性，大大降低操作難度。除此之外，本系統(tǒng)的研究成本相較于傳統(tǒng)的流量測速儀相比較低，裝置內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，有利于人工成本的降低。

總而言之，本文提出一種創(chuàng)新型矩形渠道流量自動(dòng)檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)以壓力傳感器為基礎(chǔ)，可以適應(yīng)不同的使用環(huán)境，測量結(jié)果的精確度相對(duì)較高，因此具有較高的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，可進(jìn)一步應(yīng)用與推廣。

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