双氯量计

明渠流量计是在非满管状敞开渠道中测量自由表面自然流的流量仪表，在生产和生活产生的废水污水排放量计量中应用广泛。当前，准确计量污水、废水排放量，是实现节能减排的重要环节之一。传统的接触式明渠流量计与 污水介质直接接触，在长期使用后导致传感器结垢或腐蚀，影响测量的准确性。超声波明渠流量计，采用非接触测量方式，避免被测介质对传感器的腐蚀，提高了测 量的可靠性，尤其适合对污水流量的测量，但是液位面的波动影响了测量精度。同时污水排放口一般位于厂外，环境较差，缺少外部电源。针对以上问题，本文提出了一种双路低功耗明渠流量计设计方法，采用2个超声波传感器测量流量槽内不同位置的液位，通过MSP430单片机计算出当前的流量。1、测量原理明渠流量的测量，一般采用流量槽装置，常见的有文丘里槽、巴歇尔槽。巴歇尔槽是由文丘里槽改进而成，在精度及实用性等方面，比文丘里槽要好些，而且能使流体在槽内流动速度加快，使流体中的固体颗粒不易沉淀和堆积。因此，常采用巴歇尔槽测量明渠流量。1.1、巴歇尔槽的结构http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/62203081.png图1巴歇尔槽结构图巴歇尔槽的具体结构如图1所示，为矩形横断面短喉道槽，由喉道上游均匀收缩段、喉道段和喉道下游均匀扩散段组成。由于实验条件的限制和实际需要，选用喉道为0.051m的巴歇尔槽进行研究。1.2、流量测量原理巴歇尔槽流量的理论计算公式为：http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/62203082.png（1）式中，Cv是流速系数；Ce是取决于摩擦和涡流的系数；b是喉部宽度；h是巴歇尔水槽上游侧的测量液位。实际应用时准巴歇尔槽的流量测量经验公式为：http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/62203083.png（2）对于一定喉部宽度的槽，b为常量，令http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/62203084.png（3）http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/62203085.png（4）则有http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/62203086.png（5）由式（3）知，流量qv只与液位高度h有关。因此，只需采用超声波传感器测量出巴歇尔槽的液位高度，通过单片机就可以计算出通过槽内的流量。2、系统设计整体电路结构包括两个超声波传感器、信号处理模块、单片机、液晶显示模块、电源模块以及通信模块（如图2所示）。http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/62203087.png图2明渠超声波流量计整体设计框图微处理机采用选择了TI公司的MSP430F413单片机作为核心，通过16位AD7705芯片采集2路超声波传感器信号，得到液位h1，h2，因此槽的液位高度为http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/62203088.png由式（5）计算出流量，同时计算累积流量。液晶显示模块采用液晶双列显示屏幕，同时显示瞬时流量和累积流量。总线通讯接口采用CAN总线通讯接口（如图3所示），与远程管理计算机的数据传输，实现对瞬时流量、累积流量、液位及仪表工作状态等参数的监控。http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/62203089.png图3明渠超声波流量计CAN总线接口电路电源模块采用双电源驱动。当外接电源时，系统由外接电源供电。当外接电源断开时，仪表内置电池自动开始给供电。3、实验研究http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/622030810.png图4实验装置示意图实验校准装置在中国计量学院水流量实验室进行（如图4所示），在超声波明渠流量计的直管段上游较长距离处，安装一个0.2级的电磁流量计，作为实验的标准表，用来对超声波明渠流量计进行校准。实验数据如表1所示，实际流量表示标准表的流量显示值，显示流量为明渠流量计显示的流量值，从表1中可以看出瞬时流量最大误差在2％以内。http://mq.llybw.com/up_files/image/Article/2013/11/26/622030811.png4、结束语本文提出了一种双路低功耗明渠流量计设计方法。实验结果表明，流量精度明显优于《国家环境保护行业标准》中超声波明渠污水流量计相关指标。系统实际工作电流为40mA，静态电流为10μA，能够采用电池供电。

1引言在流量测量领域.电磁流量计作为无能量损耗的流量测量仪表，已广泛地应用于工业过程中的各种导电液体的流量测量，形成了独特的应用领域目前国内的电磁流量计，普遍为工频交流供电或24V直流供电方式，功耗较大，在仪表便携式和低功耗的要求上没有得到实现。本文中采用电池供电电磁流量计，从励磁方式和测量电路及单片机微处理器方面进行了低功耗设计，同时满足测量的精度要求.使得电磁流量计可以更好地适应野外现场作业等环境，满足仪表便携式、低功耗的要求。2电磁流量计工作原理电磁流量计的工作原理是利用法拉第电磁感应定律，推得流体的体积流量为：http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647641.gif（1）式中：Uc为感应电压，单位V；B为磁感应强度，单位T；D为管道内径，即测量电极之间的距离，单位m；Q为流体体积流量，单位m3/s3硬件电路组成本设计是电池供电的小口径电磁流量计的设计。由于采用电池供电，必须进行低功耗设计。通过选用低功耗的集成芯片，采用低频三值矩形方波励磁（如图1所示1）以及对单片机的输入输出口进行控制实现分时供电与休眠，从而达到低功耗设计的要求。由于从前端传感器检测到的信号内阻一般为几MΩ要保证仪表的较高精度，则对整个放大电路的精度要求更高。测量电路如图2所示，主要由前置放大电路、二阶低通滤波器、电压高增益放大级和A/D转换电路以及单片机组成。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647642.gif3.1前置放大电路电磁流量传感器采用三值低频矩形方波的励磁方式，从而产生感应强度B。励磁信号的周期为160ms，即励磁频率为6.25Hz，为工频的8分频，可对工频干扰起到正负抵消的作用。且三值矩形方波可以较好地消除测量电极两端产生的极化效应。由于励磁产生的磁感应强度信号为6.25Hz，则感应电动势也为同频率的交流信号，即被测信号。由于被测流体的内阻很大（与流体的电导率直接相关），高达几MΩ，故测量电路的第一级A1。采用美国MAXIM公司的高精度增益可调的仪表放大器MAX4194，输入阻抗为1000MΩ，±2.5双电源供电，外接元件少，功耗低，符合仪表小型化的要求，并可通过外接精密电阻Rg1。来调节放大倍数。该放大增益的计算公式为：A=1+50（kΩ）/Rg1考虑到被测信号中强噪声的存在，减少噪声进入后续电路以及使得精密仪用放大器处于线性工作区，选第一级放大倍数约为10，即Rg1为4.7kΩ或5.1kΩ。http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647643.gif3.2二阶低通滤波器第二级采用典型的二阶低通滤波器。图2中R1、R2、C1、C2、A2构成了二阶压控电压源有源低通滤波器。A2为美国MAXIM公司低温漂的运算放大器MAX4477。由电路可知，传递函数为：http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647644.gif（2）其中特征角频率ωn=1/（R1R2C1C2），我们将f=f0时电压放大倍数的模与通带电压放大倍数之比称为Q值，即等效品质因数：http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647645.gif（3）根据式（2）求得低通滤波器的幅频特性：http://dc.llybw.com/up_files/image/Article/2011/06/22/36647646.gif（4）因此，当励磁频率选为6.25Hz时，取Q=0.707ωn=2πf=2π×6.25=39.27（5）综合式（3）、（4）、（5），选取适合的数值：R1=47kΩ，R2=47kΩ，C1=0.75μF，C2=0.39μF，使得低通滤波电路在6.25Hz的特征频率下有很好的低通滤波效果。3.3高增益放大级第三级采用可调高增益放大电路。由MAX4197和MAX4194组成，MAX4194外接精密电阻用来调节放大器的增益。在这一级的输出端用电容C3，结合由单片机控制输出信号的模拟开关，形成反馈将噪声信号取回，与待测的流量信号形成差动信号，有效减少噪声信号的干扰。由于是两个放大器级联，故可以满足电路对信号的放大要求，使得整体放大倍数达到5万倍左右，输出信号的幅值达到0.4~2.4V，进入后续的A/D转换部分。在没有流量信号进入测量电路时，令单片机输出信号使得开关K4闭合，则放大器与电容形成负反馈闭环电路，把测量电路的固有噪声信号反馈到输入端；待流量测量信号进入时，断开反馈回路，与电容上的噪声信号构成差动信号，有效抑制了干扰。3.4双积分A/D转换器由于本设计采用电池供电，主要的噪声干扰来自于外部的工频干扰，为了降低功耗，采用独立的外接双积分A/D转换器，选择高精度双积分转换器的基准电压源，利用单片机内部的定时器与计数器，并结合外部模拟开关的选通与截止达到对测量信号的A/D转换功能。双积分A/D转换器由R6、C4、A5、过零比较器以及单片机的内部计时器组成，双积分A/D转换器输入端的参考电压REF选用高精度的稳压基准电源LM285，A5为高增益低温漂的集成运放OP_90。过零比较器的输入端采用了输入保护，防止大电流损坏运放，输出端采用限幅措施，用以直接驱动后续的数字集成芯片。当开关K1闭合，在正向激磁信号下产生的正向流量测量信号被接入，积分电路对被测信号进行积分，经过T1的积分时间后，第一次积分结束，开关K_P闭合，积分器对参考电压-REF积分。同时单片机的内部计数器开始计时，当运放A5输出为零时，过零比较器的输出产生跳变，驱动与非门产生外部中断信号输入单片机，则单片机的内部计数器计数停止，第二次积分结束，由此被测的模拟信号电压值转变成了由单片机内部时钟脉冲CP计数的时间量，此计数值与被测输入信号的大小成比例关系。同理，当对反向激磁信号产生的正向流量测量信号进行测量时，即相应接通开关K-N，积分器对+REF进行积分，从而将测量信号的模拟电压值转换成时间量。双积分A/D转换器的工作性能稳定，两次积分只要积分常数τ=R6C4不变，转换结果与τ=R6C4无关，若时钟脉冲CP周期Tc不变，且在T1=2nTc条件下，转换结果也与时钟脉冲CP周期无关；转换器使用双积分A/D转换器，对交流噪声有极强的抗干扰能力，选积分时间为工频周期的整数倍，就可有效抑制工频干扰。由于主要的交流干扰来自工频，所以使用双积分A/D转换器可滤除50Hz的工频干扰。3.5单片机的选择一般CPU工作时要消耗较大的功耗，电池供电电磁流量计的选型对CPU要求是严格的。我们选择MICROCHIP公司的PIC系列单片机PIC16F877，它含有PWM、EEPROM等丰富的接口模块和FLASH程序存储器。其低功耗性能，在单片机时钟频率为2MHz，3V供电的情况下功耗低于1mA。4软件电路设计系统软件采用结构化、模块化设计方法，由主程序、中断服务程序、计算模块和控制模块组成。主程序为本仪表的检测程序，对系统

为了实现测量非Furupaipu，提高传感器的需要，在传统的电磁流量计的应用领域是满管流的量度。为了同时检测的流通面积流量乘以由水平传感器的两种类型之一，以测量流速由流量传感器电磁和面积法速度传统的能力（或对电极的流量传感器的电磁制根据其结构），配备了一个特殊的转换器通过流量。的电位的电极的横截面从电磁流量计检测器的原理的视图，感应的信号电极电压的观点考虑，是所有的点的集合。是否超过如何改变颗粒的热水总是有一个潜在的流体流检测，满管传感器，它必须是的电极电位，这些集合的范围。它没有明确不能以下方式获得，从流体中分离出来的电极，或电极诱导的流量信号。 在这之后，根据上述原理，总结了实验和长期的以往的经验的基础上改进的电极长弯曲着放置在原始电极的电磁流量计。电极的弯曲的长，向上延伸的管道横截面的液体表面，流体的电极相对应的纯电阻性的等效阻抗值对应于不同的液体水平的高度的10％，90％的液体水平长弧之间的电导值进行偏压从电磁流量计长管弧电极原始程序对得到的磁性部件的有效电压激励电平信息差距。通过使用技术双激发来消除干扰偏振，平行泵送模块，它相当于只传感器两端的电极的电弧长的管道，以这种方式，它们是低频率区域的低电压纯电阻Rx可以忽略的电容的，简化的电路图部分压力测量值的影响。此外，可以考虑水的电导率的等效阻抗之间的关系中的液面非Furupaipu不同的实验测量。由于不同的导电液体水，基本上相匹配，通过实验发现，和数据相对阻抗比的不同高度。此外，时的液面Furupaipu或更多的非-90％，高度不接触的小的变化相对电极圆弧状的长从流体组的测量数据被发现从仔细分析多个的液面非Furupaipu相对阻抗比，为约10％，因为流体的高度是在与电极相对阻抗比的变化只是长弧接触。 为了能够以对应于以下条件的情况下，相对应的纯电阻，我们，如果管道是筒管充满的状态，长加上的电弧管中的流体的流体的电极之间被证明的等效阻抗的电阻并联连接，被假定为相当于纯的3。电极板的电压的信号高于或低于10％的90％，比管平行的液体表面的原因，因为集管部电位点全部的电极板的横截面中诱导它是像一个三个电阻，被绑定到无接触的等效阻抗的电极板之间的差异是与流体和在中间的电极板接触。通过计算流体的等效阻抗，电极之间的，在实际应用中，是基于上述模型计算出的液体相的相应高度的比率测量的电压值的圆弧长是一个复杂的，但它的计算量也是相当大的。执行许多的导电性比较的实验不同，因此，孔板流量计数据的阻抗比相对数据的每个的相同的液体，液体与不同的拟合曲线的相对高度的高度的液面几乎发现的基础上是相同的阻抗比的数据，作为一个表单创建。与表中的数据相比，电极除以因子，后调零后的电压值，并过滤，很长一段时间来测量电弧可以快速，简单和有效的液体水平的速率。当然，通过除以不同的导热系数，I是不同的。检测方法电磁流量计满管双鼓励非知识产权的基础上，增加激励源电压，简单的改变一些电磁流量计的事情是完全独立的下来，为了实现了非Furupaipu的测量的电磁流量计测量液体通过一个多参数测量，的长弧电极，水平的管道。