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  • 超聲波明渠流量計

    發布時間:2014.10.31 新聞來源: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渠道、管線供水和污水排放的流量測量儀表。是環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,參照國際標準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標準,包括:三角形薄壁堰測流、矩形薄壁堰測流等5種技術標準。
          在我國,明渠流量計大部分引進國外產品,比較昂貴。而國內生產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。且結構簡單、價格低,在測量精度方面能夠達到工業應用的要求。
          1 測量原理
          超聲波自補償明渠流量計采用超聲回波技術,通過測量標準流量堰(槽)的液位高度,由計算機運算得到流量。當被測液體介質通過流量槽(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)形成自然流動時,以三角形薄壁堰測流為例(由我國制定的技術標準),三角形薄壁堰的形狀見圖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,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,Kh為0.00085 m。
          當tg α/2 =1 時,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射特定頻率的超聲波信號,并在發射時刻同時啟動定時器開始計時,該超聲波信號通過被測液體介質傳播,遇到標準桿處,其中,一部分產生******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,進入探頭,引起探頭晶片振蕩,產生聲能—機械能—電能轉換,使探頭輸出******個電信號。而在水中繼續傳播的超聲波到達水面時,由于水面以上是氣體(空氣),在氣液交界面產生第二次反射回波,反射回波反方向傳播反射到壓電晶體上,使探頭輸出另一個電信號。即在參比面(標準桿)上產生******次反射回波,在氣液交界面上產生第二次反射回波,當探頭接收到反射波后,立即停止計時,這時,計時器就記下了超聲波從發送到接收的傳播時間t0和t1,根據式(1)可算出探頭到液面的高度。
          水介質超聲波液位傳感器在超聲流量計的控制下,進行超聲波發射和接收,由反射波的傳播時間來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問;t0為傳感器至標準反射體之間的超聲波傳播時間;h0,P,H0為實測值;P為堰高,m。
          當有較多泥沙沉積時,采用靜水井,靜水井設在行進渠道的一側。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。行進渠道的長度不小于***大水頭時水舌寬度的10倍,行進渠道的水流應為均勻穩定的亞臨界流,若流速不能滿足此規定時,可用導流板整流,使其形成自然流動,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個時鐘周期,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16位的定時器/計數器,用做定時器時,可對4個時鐘周期計數,其定時時鐘為10MHz,測量時間的分辨力為0.1μs。而AT89C52的晶振頻率為24Hz,它的定時頻率為2MHz,測量時間分辨力為0.5μs。因此,利用W77E58可提高測量時間的精度。
          2.1 超聲波發送電路和接收電路
          由單片機W77E58的P1.0管腳產生周期為20ms的方波,當P1.0由低變高時,通過高速光耦6N137產生觸發脈沖信號加到發射板的可控硅的控制端上,使發射板上的2個可控硅導通,產生一60OV窄脈沖電信號加到探頭的壓電晶片上,使其振蕩,發出頻率為1 MHz的超聲波,該超聲波在水中傳播,遇參比面(標準桿)產生******次反射回波,在氣液交界面處產生第二次反射回波,兩次回波分別在壓電晶體上,產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)經接收板接收放大、倍壓及檢波后,在水深980mm時,已達到17.3V,輸出信噪比l5.78,比較理想。
          當P1.0由低變高時,開始發射,并立即啟動定時器Tl計時。接收到的兩次電信號經接收電路進行三級放大、比較器比較(門坎電壓設置是為了去掉噪聲電壓),光耦和開關電路送回單片機作為外中斷INT0的觸發信號,引起CPU兩次中斷。在中斷程序里,分別讀取定時器的計數值,即為探頭從發射到接收標準桿和水面的反射回波的傳播時間。
          2.2 發射回波和標準桿反射回波振蕩的消除
          當發射電路產生-600V窄脈沖電信號加到探頭,使其發射超聲波,同時,-600V窄脈沖電信號經過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******個脈沖,采用的方法是單片機發射超聲波,立刻啟動定時器計時,當計時時間T<μs時,回波信號的通道關閉,關閉中斷;當T>60μs,采集回波信號的通道打開,開中斷,準備接收標準桿的中斷,進入桿中斷后,讀取定時器計數值t0,采集回波信號的通道關閉,關閉中斷;當T>60μs,采集回波信號的通道打開,開中斷,準備接收水面中斷后,停止定時器計時,并讀取定時器計數值t1
          3 實驗結果
          單片機的晶振頻率為40MHz,經過四分頻后,機器周期為0.1μs。因此,該系統的***小時間分辨力是一個機器周期,即T=0.1μs,所測液位的***小分辨力為L=TV=0.074 mm。表1為該流量計的實測數據。
    表1 明渠流量計實測數據 

    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,實驗結果證明:測量誤差均小于2%。
          4 結束語
          該流量計在硬件設計上進行溫度、濕度補償,對反射信號進行了濾波,放大與檢波處理,在軟件上對采集數據進行求平均值的處理,提高了測量精度。該測量計結構簡單、安裝方便、運行可靠,是一種應用廣泛的計量裝置。
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