超聲波明渠流量計
發(fā)布時(shí)間：2014.10.31 新聞來(lái)源：超聲波流量計_超聲波明渠流量計_多普勒流速儀-南京卓瑪機電有限公司 瀏覽次數：
明渠流量計是用于工礦企業(yè)渠道、管線(xiàn)供水和污水排放的流量測量?jì)x表。是環(huán)境監測系統對污水排放總量控制和排污收費的必備工具。也可用于水源河流、農業(yè)水利灌溉方面的水量、制藥和化工的液位測量等。為了加強對城市排水和企事業(yè)單位排水量的管理，需要有統一的排水流量測量方法。為此，參照******標準ISO 4360-1984 堰槽明渠水流測量——三角形剖面堰等標準，我國制定了城市排水堰槽流量測量技術(shù)標準，包括：三角形薄壁堰測流、矩形薄壁堰測流等5種技術(shù)標準。
在我國，明渠流量計大部分引進(jìn)國外產(chǎn)品，比較昂貴。而國內生產(chǎn)的空氣式明渠流量計，由于超聲波被水面懸浮的泡沫所吸收，無(wú)反射回波，導致不能測量。本文作者設計的流量計使用沉人式傳感器，特別適合于表面多泡沫和漂浮物的流量測量。且結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低，在測量精度方面能夠達到工業(yè)應用的要求。
1 測量原理
超聲波自補償明渠流量計采用超聲回波技術(shù)，通過(guò)測量標準流量堰（槽）的液位高度，由計算機運算得到流量。當被測液體介質(zhì)通過(guò)流量槽（巴歇而槽）或堰（直角三角形缺口薄壁堰、矩形缺口薄壁堰、等寬箔壁堰等）形成自然流動(dòng)時(shí)，以三角形薄壁堰測流為例（由我國制定的技術(shù)標準），三角形薄壁堰的形狀見(jiàn)圖1，圖中，α為堰口角，（°）；h 為堰頂水頭，m；P 為堰高，m；hmax，為堰頂***大水頭，m；B 為行進(jìn)渠道寬度，m；b 為堰口高度，m。
堰口角的使用范圍為α=20o～100o，常用堰口角α=90o。
其流量Q與流量槽的水位h有如下關(guān)系
式中Ce為流量系數；g為重力加速度，gn= 9.8 m/s2；he為有效水頭，m。
當圖1中α=90o時(shí)，Ce值由圖2查得。
he值按下式計算
he=h+Kh，
式中h為堰頂水頭，m；Kh為粘滯力和表面張力綜合影響的校正值，m。當α=90o時(shí)，Kh為0.00085 m。
當tg α/2 =1 時(shí)，流量公式轉化為
Q=2.3625 Ceh5/2，
式中h為液位高度，m。
本儀表的超聲測距原理是：通過(guò)安裝在堰（槽）測流裝置上的超聲波傳感器，由流量計內的單片機輸出一定頻率電信號，激勵探頭中壓電晶體發(fā)射特定頻率的超聲波信號，并在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，該超聲波信號通過(guò)被測液體介質(zhì)傳播，遇到標準桿處，其中，一部分產(chǎn)生******次反射回波，而其余部分繼續在水中傳播。反射部分反方向傳播，進(jìn)入探頭，引起探頭晶片振蕩，產(chǎn)生聲能—機械能—電能轉換，使探頭輸出******個(gè)電信號。而在水中繼續傳播的超聲波到達水面時(shí)，由于水面以上是氣體（空氣），在氣液交界面產(chǎn)生第二次反射回波，反射回波反方向傳播反射到壓電晶體上，使探頭輸出另一個(gè)電信號。即在參比面（標準桿）上產(chǎn)生******次反射回波，在氣液交界面上產(chǎn)生第二次反射回波，當探頭接收到反射波后，立即停止計時(shí)，這時(shí)，計時(shí)器就記下了超聲波從發(fā)送到接收的傳播時(shí)間t0和t1，根據式（1）可算出探頭到液面的高度。
水介質(zhì)超聲波液位傳感器在超聲流量計的控制下，進(jìn)行超聲波發(fā)射和接收，由反射波的傳播時(shí)間來(lái)計算傳感器與液面之間的距離和堰（槽）頂水頭h，如圖3。
由圖3所示參數關(guān)系，有
H1=h0t1/ t0 （1）
H=h0t0/ t0- H0
h=h0t1/ t0- H0- P （2）
式中t1為傳感器至液面的超聲波傳播時(shí)問(wèn)；t0為傳感器至標準反射體之間的超聲波傳播時(shí)間；h0，P，H0為實(shí)測值；P為堰高，m。
當有較多泥沙沉積時(shí)，采用靜水井，靜水井設在行進(jìn)渠道的一側。距堰板上游面（4~5）hmax處。渠道和靜水井之間用連通管相連，管子盡量縮短，并定期清洗探頭。行進(jìn)渠道的長(cháng)度不小于***大水頭時(shí)水舌寬度的10倍，行進(jìn)渠道的水流應為均勻穩定的亞臨界流，若流速不能滿(mǎn)足此規定時(shí)，可用導流板整流，使其形成自然流動(dòng)，流速趨于平穩。
2 系統硬件的構成
超聲波明渠流量計由超聲波發(fā)送電路、超聲波接收電路、電源、探頭等構成，如圖4。
W77E58單片機是高速單片機，與傳統的8052系列單片機相比，其機器周期僅包含4個(gè)時(shí)鐘周期，執行指令速度是8052的1.5倍到3倍，晶體頻率可達到40MHz，有3個(gè)16位的定時(shí)器/計數器，用做定時(shí)器時(shí)，可對4個(gè)時(shí)鐘周期計數，其定時(shí)時(shí)鐘為10MHz，測量時(shí)間的分辨力為0.1μs。而AT89C52的晶振頻率為24Hz，它的定時(shí)頻率為2MHz，測量時(shí)間分辨力為0.5μs。因此，利用W77E58可提高測量時(shí)間的精度。
2.1 超聲波發(fā)送電路和接收電路
由單片機W77E58的P1.0管腳產(chǎn)生周期為20ms的方波，當P1.0由低變高時(shí)，通過(guò)高速光耦6N137產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號加到發(fā)射板的可控硅的控制端上，使發(fā)射板上的2個(gè)可控硅導通，產(chǎn)生一60OV窄脈沖電信號加到探頭的壓電晶片上，使其振蕩，發(fā)出頻率為1 MHz的超聲波，該超聲波在水中傳播，遇參比面（標準桿）產(chǎn)生******次反射回波，在氣液交界面處產(chǎn)生第二次反射回波，兩次回波分別在壓電晶體上，產(chǎn)生聲能一機械能一電能轉換，使探頭輸出電信號，此電信號僅50～100mV左右，且伴隨一定的噪聲，因此，接收電路主要功能是信號的放大，抑制噪聲，提高信噪比。在此超聲波接收電路前兩極放大器選用OPA37，后一級選用AD811，前兩極之間外接RC電路組成高通濾波器，后兩級之間外接選頻電路，有效地抑制噪聲。反射的電信號（50~100mV）經(jīng)接收板接收放大、倍壓及檢波后，在水深980mm時(shí)，已達到17.3V，輸出信噪比l5.78，比較理想。
當P1.0由低變高時(shí)，開(kāi)始發(fā)射，并立即啟動(dòng)定時(shí)器Tl計時(shí)。接收到的兩次電信號經(jīng)接收電路進(jìn)行三級放大、比較器比較（門(mén)坎電壓設置是為了去掉噪聲電壓），光耦和開(kāi)關(guān)電路送回單片機作為外中斷INT0的觸發(fā)信號，引起CPU兩次中斷。在中斷程序里，分別讀取定時(shí)器的計數值，即為探頭從發(fā)射到接收標準桿和水面的反射回波的傳播時(shí)間。
2.2 發(fā)射回波和標準桿反射回波振蕩的消除
當發(fā)射電路產(chǎn)生-600V窄脈沖電信號加到探頭，使其發(fā)射超聲波，同時(shí)，-600V窄脈沖電信號經(jīng)過(guò)限幅電路回送到接收電路，將有60μs的震蕩，標準桿的反射回波也將有60μs的震蕩，對于這些震蕩須***消除，只用反射回波的******個(gè)脈沖，采用的方法是單片機發(fā)射超聲波，立刻啟動(dòng)定時(shí)器計時(shí)，當計時(shí)時(shí)間T<μs時(shí)，回波信號的通道關(guān)閉，關(guān)閉中斷；當T>60μs，采集回波信號的通道打開(kāi)，開(kāi)中斷，準備接收標準桿的中斷，進(jìn)入桿中斷后，讀取定時(shí)器計數值t0，采集回波信號的通道關(guān)閉，關(guān)閉中斷；當T>60μs，采集回波信號的通道打開(kāi)，開(kāi)中斷，準備接收水面中斷后，停止定時(shí)器計時(shí)，并讀取定時(shí)器計數值t1。
3 實(shí)驗結果
單片機的晶振頻率為40MHz，經(jīng)過(guò)四分頻后，機器周期為0.1μs。因此，該系統的***小時(shí)間分辨力是一個(gè)機器周期，即T=0.1μs，所測液位的***小分辨力為L(cháng)=TV=0.074 mm。表1為該流量計的實(shí)測數據。
表1 明渠流量計實(shí)測數據
|
標準表流量（m3/d） |
樣機流量（m3/d） |
誤差（%） |
|
20.35 |
20.75 |
1.97 |
|
59.84 |
61.00 |
1.94 |
|
70.44 |
71.80 |
1.93 |
|
99.99 |
101.70 |
1.71 |
標準流量由電磁流量計給出，實(shí)驗結果證明：測量誤差均小于2%。
4 結束語(yǔ)
該流量計在硬件設計上進(jìn)行溫度、濕度補償，對反射信號進(jìn)行了濾波，放大與檢波處理，在軟件上對采集數據進(jìn)行求平均值的處理，提高了測量精度。該測量計結構簡(jiǎn)單、安裝方便、運行可靠，是一種應用廣泛的計量裝置。
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