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超声波明渠流量计的设计
更新时间:2019-5-13 10:47:55 浏览:316 关闭窗口 打印此页
 [导读] 介绍了一种超声波明渠流量计。首先,阐述了三角形薄壁堰的流量计算方法,说明了超声波传感器的测量原理及以W77E58作为主控元件的超声波明渠流量计的原理、系统构成和硬件设计,最后,给出了流量计的实测数据,实验表明:该流量计具有较高的准确度和可靠性,且价格低廉。
 
      0 引言
 
      明渠流量计是用于工矿企业渠道、管线供水和污水排放的流量测量仪表。是环境监测系统对污水排放总量控制和排污收费的必备工具。也可用于水源河流、农业水利灌溉方面的水量、制药和化工的液位测量等。为了加强对城市排水和企事业单位排水量的管理,需要有统一的排水流量测量方法。为此,参照国际标准ISO 4360-1984 堰槽明渠水流测量——三角形剖面堰等标准,我国制定了城市排水堰槽流量测量技术标准,包括:三角形薄壁堰测流、矩形薄壁堰测流等5种技术标准。
 
      在我国,明渠流量计大部分引进国外产品,比较昂贵。而国内生产的空气式明渠流量计,由于超声波被水面悬浮的泡沫所吸收,无反射回波,导致不能测量。本文作者设计的流量计使用沉人式传感器,特别适合于表面多泡沫和漂浮物的流量测量。且结构简单、价格低,在测量精度方面能够达到工业应用的要求。
 
      1 测量原理
 
      超声波自补偿明渠流量计采用超声回波技术,通过测量标准流量堰(槽)的液位高度,由计算机运算得到流量。当被测液体介质通过流量槽(巴歇而槽)或堰(直角三角形缺口薄壁堰、矩形缺口薄壁堰、等宽箔壁堰等)形成自然流动时,以三角形薄壁堰测流为例(由我国制定的技术标准),三角形薄壁堰的形状见图1,图中,α为堰口角,(°);h 为堰顶水头,m;P 为堰高,m;hmax,为堰顶最大水头,m;B 为行进渠道宽度,m;b 为堰口高度,m。
 
 
 
      堰口角的使用范围为α=20o~100o,常用堰口角α=90o。
 
      其流量Q与流量槽的水位h有如下关系
 
      
 
      式中Ce为流量系数;g为重力加速度,gn= 9.8 m/s2;he为有效水头,m。
 
      当图1中α=90o时,Ce值由图2查得。
 
 
 
      he值按下式计算
 
      he=h+Kh,
 
      式中h为堰顶水头,m;Kh为粘滞力和表面张力综合影响的校正值,m。当α=90o时,Kh为0.00085 m。
 
      当tg α/2 =1 时,流量公式转化为
 
      Q=2.3625 Ceh5/2,
 
      式中h为液位高度,m。
 
      本仪表的超声测距原理是:通过安装在堰(槽)测流装置上的超声波传感器,由流量计内的单片机输出一定频率电信号,激励探头中压电晶体发射特定频率的超声波信号,并在发射时刻同时启动定时器开始计时,该超声波信号通过被测液体介质传播,遇到标准杆处,其中,一部分产生第一次反射回波,而其余部分继续在水中传播。反射部分反方向传播,进入探头,引起探头晶片振荡,产生声能—机械能—电能转换,使探头输出第一个电信号。而在水中继续传播的超声波到达水面时,由于水面以上是气体(空气),在气液交界面产生第二次反射回波,反射回波反方向传播反射到压电晶体上,使探头输出另一个电信号。即在参比面(标准杆)上产生第一次反射回波,在气液交界面上产生第二次反射回波,当探头接收到反射波后,立即停止计时,这时,计时器就记下了超声波从发送到接收的传播时间t0和t1,根据式(1)可算出探头到液面的高度。
 
      水介质超声波液位传感器在超声流量计的控制下,进行超声波发射和接收,由反射波的传播时间来计算传感器与液面之间的距离和堰(槽)顶水头h,如图3。
 
 
 
      由图3所示参数关系,有
 
      H1=h0t1/ t0                     (1)
 
      H=h0t0/ t0- H0
 
      h=h0t1/ t0- H0- P             (2)
 
      式中t1为传感器至液面的超声波传播时问;t0为传感器至标准反射体之间的超声波传播时间;h0,P,H0为实测值;P为堰高,m。
 
      当有较多泥沙沉积时,采用静水井,静水井设在行进渠道的一侧。距堰板上游面(4~5)hmax处。渠道和静水井之间用连通管相连,管子尽量缩短,并定期清洗探头。行进渠道的长度不小于最大水头时水舌宽度的10倍,行进渠道的水流应为均匀稳定的亚临界流,若流速不能满足此规定时,可用导流板整流,使其形成自然流动,流速趋于平稳。
 
      2 系统硬件的构成
 
      超声波明渠流量计由超声波发送电路、超声波接收电路、电源、探头等构成,如图4。
 
 
 
      W77E58单片机是高速单片机,与传统的8052系列单片机相比,其机器周期仅包含4个时钟周期,执行指令速度是8052的1.5倍到3倍,晶体频率可达到40MHz,有3个16位的定时器/计数器,用做定时器时,可对4个时钟周期计数,其定时时钟为10MHz,测量时间的分辨力为0.1μs。而AT89C52的晶振频率为24Hz,它的定时频率为2MHz,测量时间分辨力为0.5μs。因此,利用W77E58可提高测量时间的精度。
 
      2.1 超声波发送电路和接收电路
 
      由单片机W77E58的P1.0管脚产生周期为20ms的方波,当P1.0由低变高时,通过高速光耦6N137产生触发脉冲信号加到发射板的可控硅的控制端上,使发射板上的2个可控硅导通,产生一60OV窄脉冲电信号加到探头的压电晶片上,使其振荡,发出频率为1 MHz的超声波,该超声波在水中传播,遇参比面(标准杆)产生第一次反射回波,在气液交界面处产生第二次反射回波,两次回波分别在压电晶体上,产生声能一机械能一电能转换,使探头输出电信号,此电信号仅50~100mV左右,且伴随一定的噪声,因此,接收电路主要功能是信号的放大,抑制噪声,提高信噪比。在此超声波接收电路前两极放大器选用OPA37,后一级选用AD811,前两极之间外接RC电路组成高通滤波器,后两级之间外接选频电路,有效地抑制噪声。反射的电信号(50~100mV)经接收板接收放大、倍压及检波后,在水深980mm时,已达到17.3V,输出信噪比l5.78,比较理想。
 
      当P1.0由低变高时,开始发射,并立即启动定时器Tl计时。接收到的两次电信号经接收电路进行三级放大、比较器比较(门坎电压设置是为了去掉噪声电压),光耦和开关电路送回单片机作为外中断INT0的触发信号,引起CPU两次中断。在中断程序里,分别读取定时器的计数值,即为探头从发射到接收标准杆和水面的反射回波的传播时间。
 
      2.2 发射回波和标准杆反射回波振荡的消除
 
      当发射电路产生-600V窄脉冲电信号加到探头,使其发射超声波,同时,-600V窄脉冲电信号经过限幅电路回送到接收电路,将有60μs的震荡,标准杆的反射回波也将有60μs的震荡,对于这些震荡必须消除,只用反射回波的第一个脉冲,采用的方法是单片机发射超声波,立刻启动定时器计时,当计时时间T<μs时,回波信号的通道关闭,关闭中断;当T>60μs,采集回波信号的通道打开,开中断,准备接收标准杆的中断,进入杆中断后,读取定时器计数值t0,采集回波信号的通道关闭,关闭中断;当T>60μs,采集回波信号的通道打开,开中断,准备接收水面中断后,停止定时器计时,并读取定时器计数值t1。
 
      3 实验结果
 
      单片机的晶振频率为40MHz,经过四分频后,机器周期为0.1μs。因此,该系统的最小时间分辨力是一个机器周期,即T=0.1μs,所测液位的最小分辨力为L=TV=0.074 mm。表1为该流量计的实测数据。
 
表1 明渠流量计实测数据 
 
标准表流量(m3/d)
 
样机流量(m3/d)
 
误差(%)
 
20.35
 
20.75
 
1.97
 
59.84
 
61.00
 
1.94
 
70.44
 
71.80
 
1.93
 
99.99
 
101.70
 
1.71
 
      标准流量由电磁流量计给出,实验结果证明:测量误差均小于2%。
 
      4 结束语
 
      该流量计在硬件设计上进行温度、湿度补偿,对反射信号进行了滤波,放大与检波处理,在软件上对采集数据进行求平均值的处理,提高了测量精度。该测量计结构简单、安装方便、运行可靠,是一种应用广泛的计量装置。
 
      参考文献
 
      [1] 黄明明,张蕴华,给水排水标准规范实施手册[M].北京:中国建筑工业出版社.1996,201-209.
      [2] 常凤筠.超声波多通道智能探伤仪[D].鞍山:鞍山科技大学图书馆.1999,1-33,
 
      作者简介
 
      常风筠(1964-),女,辽宁海城人,鞍山科技大学副教授,硕士学位,主要从事计算机控制技术的教学和科研工作,发表论文6篇。
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