0 引言

 

      由于全自動水質在線分析系統價格昂貴且檢測參數有限，難以獲得推廣。為代替人工采樣方式對水質進行監測，本研究提出了一種新型流量計的設計。該流量計采用了先進的微處理器和機電一體化技術，具有時間比例、流量比例2種采樣模式，可全天候對水質進行實時采樣，并對采集樣品以恒定的低溫存貯。整機計量準確、可靠，且操作簡單、維護方便。對自然水源、工業廢水、未處理污水及已處理污水均能實現水質采樣與流量計量。可廣泛應用于制藥、冶金、電鍍、造紙、化工、輕紡、食品、污水處理廠等行業和科研部。

 

      1 明渠污水流量計簡介

 

      1.1 明渠流量計

 

      明渠流量計是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。非滿管態流動的水路稱為明渠，測量明渠中水流流量的稱為明渠流量計。明渠流量計除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。

 

      明渠流量計應用場所有城市供水引水渠；火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工礦企業水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道。國內應用數據估計約占流量儀表整體數據的1.6%。

 

      1.2 流量計結構類型

 

      明渠流量計具有巴歇爾槽結構和堰式槽結構[1]2種，可以根據現場不同的情況進行選用。如果下游水量暢通，場地寬敞，可以選用巴歇爾槽結構，反之則可以選用堰式結構。另外還帶有非滿管測量結構，下游水位高低變化不會影響測量結果。一般的適用流量范圍為0.5～20000t/h。

 

      流量計在結構上一般由流量計傳感器和流量計轉換器兩部分組成。通常，傳感器和轉換器是分體的，傳感器安裝在監測過程感受流量信號；轉換器將傳感器送來的流量信號進行放大，并轉換成標準電信號，以便進行顯示、記錄、計算和調節控制。也有的流量計將轉換器和傳感器裝在-起，組成-體型流量計，可就地顯示和遠傳顯示及控制。

 

      流量計傳感器主要由測量管組件、磁路系統、電極及干擾調整機構部分組成。為了使傳感器穩定可靠地工作，準確地感受流量信號，傳感器應滿足如下要求：① 能提供一個足夠大，且與流量成正比的電勢信號；② 能把干擾信號抑制到最小程度，使信噪比足夠大；③ 能適應惡劣環境條件，工作可靠。

 

      2 系統控制原理

 

      本系統由槽（堰）、超聲波流量傳感器和控制器3部分組成。超聲波傳感器與污水不接觸，能保持傳感器不受腐蝕，但水中的漂浮物可能影響測量真實性?？刂破饕訢SP TMS320LF2407A為主控芯片，完成現場數據采樣、數據運算處理，其串口通訊可實現遠程數據傳輸和監控功能。系統結構框圖如圖1。

 

 

 

      當水通過流量槽（Parshall-巴歇爾槽）形成自然流動時，其流量Q與流量槽上流水位H的關系為：

 

      Q=KHn

 

      式中：K、n為流量系數，對于不同規格的槽或堰有不同的值，是液位高度，m。

 

      超聲波液位傳感器在DSP的控制下，進行超聲發射和接收，由超聲波的傳播時間來計算傳感器與液面之間的距離：

 

      h=C•T/2

 

      式中：C為超聲波在空氣介質中傳播速度，m/s，若傳感器至流量槽堰零液位時距離為hmax，則液位高度H=hmax- h。

 

      3 系統控制器的單元組成

 

      設計測量儀器，較高的采樣精度、較快的采樣速度、超強的數據處理能量是選擇主控芯片的首要條件，由于污水流量計一般情況下都安裝在戶外，考慮檢測及維護的需要，控制器應具有遠程數據傳輸功能，綜合各因素，選擇DSP數據信號處理器作為主控芯片。

 

      3.1 主控芯片TMS320LF2407A

 

      在明渠污水流量計系統中，主要利用TMS320LF2407A的高速A/D接口和通訊接口等，可以簡化系統的硬件設計，其運算速度和3.3V電源供電的低功耗模式均可滿足測量儀器的要求。

 

      3.2 模數轉換ADC及數字濾波

 

      A/D模塊帶內置采樣/保持（S/H），包含2個獨立的最多可選擇8個模擬轉換通道的排序器（SEQ1和SEQ2），這兩個排序器可被級連成-個最多可選擇16個轉換通道的排序器（SEQ），如圖2。

 

 

 

      在給定的排序方式下，4個排序控制器決定了模擬通道轉換的順序，多個觸發源可以啟動A/D轉換，本系統A/D采樣由定時器1（EVA）來軟件觸發，定時器周期設為0.125ms，故每0.125ms采樣一次，在A/D中斷服務程序中，把存儲在16個結果寄存器（RESULT0-RESULT15）的采樣結果保存到內存中去。

 

      若第1路信號的值ADC0_result為“0x0322”，因為LF2407A的A/D是10位精度的，最高輸入電壓為3.3V，則A/D通道0采集到的電壓值x可按下式計算：x/0x0322=3.3/0x3FF，得到采樣x值為：2.587V。

 

      本系統選用耐酸耐堿型的UTG21-DP型超聲波明渠流量計，該流量計可以用來連續監測明渠中污水的流量并累計流量，也可以作為非接觸式液位計使用，適用于水利、水電、環保以及其它工農業明渠條件下的流量測量。它輸出4~20mA信號連接到DSP中，圖3為把4~20mA電流信號轉化成0~3.3V電壓信號提供給DSP采樣的轉化電路。

 

 

 

      在定點DSP芯片中，采用定點數進行數值運算，其操作數一般采用整型數來表示。水位的采樣頻率為8kHz，每個水位樣值按16位整型數存放在一個文件中，低通濾波的截止頻率為800Hz，濾波器采用19點的有限沖擊響應FIR濾波。

 

      FIR濾波公式為：

 

      

 

      設

 

      

 

      且x（n）是模擬信號12位量化值，即有|x(n)|≤211，則|y(n)|≤211；

 

      根據采樣頻率和截至頻率以及濾波器的階數確定濾波器系數如下：

 

      static int h[19]={399，-296，-945，-1555，-1503，-285，2112，5061，7503，8450，7503，5061，2112，-285，-1503，-1555，-945，-296，399}；

 

      結合DSP的數據處理特點，采用數字低通濾波對采樣信號進行處理，濾除被檢測信號的高頻采樣干擾，對系統的檢測和計量有良好的效果。

 

      DSP的指令周期為25ns，使得流量的快速計算成為可能。程序每秒鐘控制超聲波傳感器檢測1次水位，計算出1s的流量，并進一步累積為時流量、日流量、月流量、流量和總累積流量，由串口傳給上位機。

 

      3.3 串行通信設計

 

      為了實現對污水流量計系統的實時監控，將運行參數實時地傳輸到液晶屏上進行顯示，同時也可以方便地通過鍵盤對逆變系統的參數進行在線修改。為了使系統更加智能化，發揮計算機的控制優勢，采用RS-485總線將多個子系統與上位機之間進行串行通信，TMS320LF2407A串口SCI模塊接收器和發送器是雙緩沖的，每個都有自己單獨的使能和中斷標志位，串口經過一片MAX3082[2]和一個RS-485。485與RS-232的電平轉換器與上位機進行通信。

 

      RS-485接口芯片適用于半雙工通信方式。它采用平衡驅動[3]和差分接收[4]，具有抑制共模干擾[5]的能力，可用于惡劣環境中，最長通信距離可達1200m。它具有發送使能和接收使能控制，當使能無效時，發送和接收的輸出端呈高阻狀態。使用MAX3082構成通信系統時，最大通信速率為0.125Mb/s，傳輸線上最多可掛128個收發器。

 

      在上位機的通訊接口中，本系統使用牛頓-7520作為RS-485與RS-232的電平轉換器，其接口為標準的RS-485和RS-232總線接口。它具有300~115200b/s的自適應波特率，同時內部在RS-232側加有3000V的直流隔離。

 

      4 結束語

 

      由于采用非接觸測量方式，避免被測介質對傳感器的腐蝕，特別適合污水流量的測量。控制器采用DSP數字信息處理技術，集信號檢測、信號轉換、顯示輸出、數據傳輸、遠程監測等功能于一體，適用于不同槽（堰）和傳感器，具有通用性。

 

      由于DSP的工作頻率較高，如TMS320LF2407A時鐘頻率為40MHz，而普通單片機的時鐘頻率僅為11.2MHz，故其數據讀寫周期相對單片機而言很短，然而PC機串口讀寫速度較低，最大數據吞吐量約為115kb/s，盡管DSP在與這些慢速外設進行數據交換時可以加入額外的等待周期，但是在實時性要求苛刻、算法復雜的場合，將DSP從這些冗長的等待周期中解放出來，將其時間重點放在處理關鍵的實時任務中去，具有重要的實際意義。

 

      參考文獻

 

      [1] 劉和平，等．TMS320LF240xDSP 結構、原理及應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002

      [2] MAXIM．Fail-Safe，High-Speed，Slew-Rate-Limited RS-485 Transceivers[DK]

      [3] 何為民．低功耗單片微機系統設計[M]．北京：北京航天航空大學出版社，1994

      [4] 周航慈．單片機應用程序設計技術[M]．北京：北京航天航空大學出版社，1991

      [5] 趙純．便攜式多功能測溫儀的設計[M]．電子與儀表，1997，5