[導讀] 針對國家污水流量計量技術發(fā)展不完善的現(xiàn)狀，開發(fā)了一套依據檢索式數字水位傳感器的數字采樣原理，采用低功耗智能芯片控制的新型數字式明渠污水流量計的數據采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)依據巴歇爾槽流量計量原理，與巴歇爾槽結合使用，解決了模擬式明渠污水流量計數據采集系統(tǒng)中存在的信號采集易受水質及水中泡沫影響、抗干擾性能差、準確度低、系統(tǒng)功耗大等問題。
21世紀，工業(yè)技術發(fā)展迅速，但隨之而來的環(huán)境污染問題也逐漸加劇，國家乃至全世界對環(huán)境保護問題都非常重視，“工業(yè)三廢”之一的污水排放的規(guī)范化，科學化和定量化的管理已成為國家環(huán)境保護法規(guī)的一個重要方面，各地環(huán)保部門正在根據國家法規(guī)的要求，加強對排污口的規(guī)范化整治。
在污水流量計量領域，國內外較多采用的是電磁式流量計、超聲波式流量計等技術，在一定程度上對污水流量的檢測起到了一定的作用，但是由于其采集處理系統(tǒng)采用模擬式的數據采集傳輸方式，受環(huán)境因素的影響比較大，因此，其使用范圍受到了很大程度的限制。在經過大量的實地考察和資料學習后，根據各部門對污水計量的急切要求，結合我們現(xiàn)有數字傳感器的技術思路，開發(fā)出了一套新型智能數字式明渠污水流量計量的數據采集處理系統(tǒng)。
1 基本原理
1.1 巴歇爾槽流量計量原理的介紹
巴歇爾槽是在污水計量領域應用較多的一種流量槽。其流量原理是，當標準巴歇爾槽內流過理想定常流體時，可以在實際工程中使用其經驗公式（1）對槽內水體瞬時流量進行計量。
（1）
式中：qv為槽體內瞬時流量；b為喉道的寬度；h為相對于喉管底的上游側的水位。由公式（1）可知，只要測出巴歇爾槽上游側水位，即可得流體的瞬時流量qv。
1.2 巴歇爾槽在設計中的應用
明渠中的流體可以看作是在無壓狀態(tài)下流動，即理想定常流體，滿足巴歇爾槽公式的應用條件，因此可以在明渠流量計量中使用巴歇爾槽。設計中，巴歇爾槽的喉道寬度b已知，數字式明渠污水流量計的數據采集系統(tǒng)用于采集巴歇爾槽體內的水位值高度h，并將此水位值傳入微處理器，進入微處理器的水位數據可以根據公式（1）轉化成流量值，等待進一步的綜合處理。
2 系統(tǒng)軟硬件設計
2.1 低功耗、數字式水位采樣電路的設計
隨著傳感技術的不斷發(fā)展，在水位傳感領域出現(xiàn)了一種新型的數字式水位傳感器[1]———檢索式數字水位傳感器，它是太原理工大學測控技術研究所自主研發(fā)的一種新型水位傳感器，其基本原理是利用不同位置的信號取樣電路[2]來采集水中傳播的電信號，從而確定水位。本設計中應用了檢索式水位傳感器的數字采樣原理，采樣系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。
圖1 采集系統(tǒng)原理框圖
采樣電路主要由信號取樣電路，數字信號變送電路，微處理器電路構成。為了實現(xiàn)電路的微型化，低功耗，穩(wěn)定性，一致性等問題，取樣電路和變送電路分別集成為數字化芯片MFC7710和MFC7720。每片MFC7710帶有8個水位感應觸點，在實驗中我們將10片MFC7710級連，并將感應觸點的排列方式由線式變?yōu)辄c陣式[3]，如圖2所示，這種點陣式的觸點排列方式能夠消除由于水的表面張力作用而使感應觸點誤動作，從而導致采集系統(tǒng)分辨率不高，易受水質影響等缺點。實驗證明，水位采樣的精度達到了2mm。
采集電路的工作原理[4]：水位信號取樣電路由數片MFC7710組成，片與片之間通過時鐘線、數據線級連而成。變送器與取樣電路之間也是通過時鐘線，數據線進行數據的通訊。每片MFC7710受變送器時鐘信號控制，通過數據線，逐級向上傳遞感應觸點感知的包含水位信息的一系列0，1數字信號，變送器將此數字信號轉變成對應的16位的BCD碼。微控制器通過控制三級管，以間歇式供電方式向MFC7720發(fā)送采集時鐘（即只在微控制器發(fā)出采集水位信號時，給MFC7720供電，利于降低系統(tǒng)的功耗），并在時鐘的上升沿時逐位采集MFC7720發(fā)回的16位BCD碼，自動識別其中包含的水位信息，計算出水位值，再經公式（1）將水位值轉化為流量值，實現(xiàn)流量的計量。
2.2 微處理器的低功耗設計[5]
污水流量計的安裝地點多為野外或條件惡劣的場所，因此整個系統(tǒng)采用電池供電，這樣可以避免長距離的鋪設電纜，節(jié)省了安裝費用。在電池供電的情況下，系統(tǒng)的電能利用無疑是關鍵的因素，微處理器需要采用微功耗、微型化的控制芯片，本文采用了MSP430單片機系列中的MSP430F149。其工作電壓為3.3V，與5V電壓供電的單片機相比，在同等條件下，3.3V微控制器能夠節(jié)省一半以上的電能，同時設計中采用8MHz和32768kHz雙時鐘系統(tǒng)，配合微處理器本身具有的五種工作模式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)在工作時程序高速運行，休眠時超低功耗的特點。
2.3 其他外圍部件的設計
在設計中，考慮到需要對系統(tǒng)進行實時調試，有些場合也需要有就地顯示部件，所以系統(tǒng)電路設計時留有液晶拓展接口。液晶采用點陣式液晶塊CM12864，可顯示4×8四排32個字。監(jiān)控中心要對現(xiàn)場數據進行實時或歷史數據調用，以進行定期的進行計量監(jiān)測，時鐘芯片SD2200具有32k的存儲空間，同時兼有實時時鐘電路，且內置備用電池，滿足流量計的設計需求。
3 系統(tǒng)軟件設計
軟、硬件設計的合理搭配，是實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗的一個重要因素，數字式明渠污水流量計采集處理系統(tǒng)的軟件設計充分利用了微控制器的低功耗待機工作模式。由C語言編寫的程序分為主程序和中斷程序兩部分。主程序只負責對系統(tǒng)上電復位后的系統(tǒng)參數及功能部件的初始化設定，中斷服務程序負責執(zhí)行各種操作模塊功能。開放中斷后，單片機進入低功耗休眠狀態(tài)，等待中斷發(fā)生，處理完中斷后，微處理器繼續(xù)進入低功耗休眠狀態(tài)，這種工作方式大大減少了微控制器的非有效工作時間，與查詢等待方式相比，系統(tǒng)功耗減至非常低。主程序，中斷程序流程圖如圖2、圖3所示。
圖2 主程序流程圖
圖3 中斷處理流程圖
4 實驗驗證
4.1 試驗裝置及試驗方法
實驗采用比較法對實驗數據進行分析，驗證數據采集系統(tǒng)是否符合設計。為了能模擬工業(yè)現(xiàn)場的污水排放，實驗設計了自循環(huán)明渠巴歇爾槽水流裝置，同時安裝有超聲波明渠流量計作為實驗參照對象。
實驗計量裝置由上位水箱、流量槽、下位水箱、水泵四大部分組成。下位水箱水量作為實際總流量。實驗中記錄智能數字式明渠污水流量計的累計流量與瞬時流量，超聲波流量計的累積流量與瞬時流量，下位水箱實際流量等五部分實驗數據。累計流量實驗數據如表1，三次試驗中超聲波與數字流量計的誤差數據如表2，三次實驗中瞬時流量比較如表3所示。
4.2 實驗分析
4.2.1 實驗中的問題及解決方案
實驗初期，采樣電路與無線傳輸的其他處理電路一起澆注在流量計中，構成集成一體化儀器，取樣采用查詢方式，這樣需要對采樣電路持續(xù)供電。在這種情況下，MFC7720會由于散熱不充分而出現(xiàn)突然死機的現(xiàn)象，為了解決這個問題，筆者將采集方式改為中斷式，對變送、取樣電路的供電方式改為由三級管控制的間歇式供電。解決了MFC7720的發(fā)熱死機現(xiàn)象，同時，間歇式的供電方式也大大降低了系統(tǒng)功耗。
軟件設計涉及的另一個問題是采樣公式的參數調整問題，初期實驗數據證明流量計的計量存在一定的誤差。筆者認為有三方面的原因：一是實驗裝置內水體的流動狀態(tài)不能完全滿足理想定常流體的要求；二是巴歇爾槽喉道寬度b值測量不準；三是流量計底部高度需要在程序中補償。針對這些可能的因素，對實驗條件一一進行調整，最后得到了上述的實驗數據。
4.2.2 實驗結果分析
目前，超聲波明渠流量計是市場上使用最多的流量計，因此實驗中我們使用它作為比較儀器。從實驗結果我們可以觀察到，數字流量計的準確度、穩(wěn)定性、可靠性都較超聲波要高，其重要原因是超聲波流量計的模擬式的信號采樣方式，容易受水流波動影響，數據很不穩(wěn)定，導致瞬時流量在一個范圍內波動，也就帶來了累計流量的誤差較大，而數字流量計采用全數字式的采樣方式，從根本上克服了模擬采樣中存在的諸多問題。
5 結論
本設計針對目前明渠污水流量計量儀表種類少（僅超聲波式一種），且數據采集易受水質及水中泡沫影響、抗干擾性能差、準確度低、系統(tǒng)功耗大等問題，開發(fā)了數字式明渠污水流量計的數據采集系統(tǒng)。
實驗結果表明，數字式明渠污水流量計數據采集處理系統(tǒng)的達到了設計目標，解決了模擬式采樣系中存在的問題，實驗中，采樣系統(tǒng)不受水中泡沫，水質及其他環(huán)境因素的影響，能夠準確，穩(wěn)定，可靠的實現(xiàn)數據的采集處理。同時，時鐘及存儲部分的設計還在進一步完善，以達到能夠滿足上位機的實時數據及歷史數據調用等拓展功能。本系統(tǒng)可應用于國家污水計量領域，科學有效的對明渠污水流量進行計量。
參考文獻：
[1] 馬福昌.感應式數字水位數據采集及其系統(tǒng)研究[C].中國水利學學術會議論文集，2003：5012506.
[2] 張一兵.水位數據采集系統(tǒng)的研究[J].太原理工大學報，2005，35（3）：2862289.
[3] 馬珺，馬福昌.新型板式流量傳感器的設計[J].太原理工大學學報，2008，39（3）：2652267.
[4] 馬珺，王輝.檢索式數字水位傳感器智能變送器的設計[J].儀器儀表學報，2008，29（4）：7402744.[5] 黃志勇，鄒久朋.數據采集系統(tǒng)中低功耗設計[J].集成電路，2003，3（5）2：29231