[導(dǎo)讀] 針對(duì)國(guó)家污水流量計(jì)量技術(shù)發(fā)展不完善的現(xiàn)狀，開發(fā)了一套依據(jù)檢索式數(shù)字水位傳感器的數(shù)字采樣原理，采用低功耗智能芯片控制的新型數(shù)字式明渠污水流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)依據(jù)巴歇爾槽流量計(jì)量原理，與巴歇爾槽結(jié)合使用，解決了模擬式明渠污水流量計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在的信號(hào)采集易受水質(zhì)及水中泡沫影響、抗干擾性能差、準(zhǔn)確度低、系統(tǒng)功耗大等問(wèn)題。
21世紀(jì)，工業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，但隨之而來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也逐漸加劇，國(guó)家乃至全世界對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)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(xué)化和定量化的管理已成為國(guó)家環(huán)境保護(hù)法規(guī)的一個(gè)重要方面，各地環(huán)保部門正在根據(jù)國(guó)家法規(guī)的要求，加強(qiáng)對(duì)排污口的規(guī)范化整治。
在污水流量計(jì)量領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外較多采用的是電磁式流量計(jì)、超聲波式流量計(jì)等技術(shù)，在一定程度上對(duì)污水流量的檢測(cè)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(shù)據(jù)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(jīng)過(guò)大量的實(shí)地考察和資料學(xué)習(xí)后，根據(jù)各部門對(duì)污水計(jì)量的急切要求，結(jié)合我們現(xiàn)有數(shù)字傳感器的技術(shù)思路，開發(fā)出了一套新型智能數(shù)字式明渠污水流量計(jì)量的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。
1 基本原理
1.1 巴歇爾槽流量計(jì)量原理的介紹
巴歇爾槽是在污水計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用較多的一種流量槽。其流量原理是，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽內(nèi)流過(guò)理想定常流體時(shí)，可以在實(shí)際工程中使用其經(jīng)驗(yàn)公式（1）對(duì)槽內(nèi)水體瞬時(shí)流量進(jìn)行計(jì)量。
（1）
式中：qv為槽體內(nèi)瞬時(shí)流量；b為喉道的寬度；h為相對(duì)于喉管底的上游側(cè)的水位。由公式（1）可知，只要測(cè)出巴歇爾槽上游側(cè)水位，即可得流體的瞬時(shí)流量qv。
1.2 巴歇爾槽在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
明渠中的流體可以看作是在無(wú)壓狀態(tài)下流動(dòng)，即理想定常流體，滿足巴歇爾槽公式的應(yīng)用條件，因此可以在明渠流量計(jì)量中使用巴歇爾槽。設(shè)計(jì)中，巴歇爾槽的喉道寬度b已知，數(shù)字式明渠污水流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集巴歇爾槽體內(nèi)的水位值高度h，并將此水位值傳入微處理器，進(jìn)入微處理器的水位數(shù)據(jù)可以根據(jù)公式（1）轉(zhuǎn)化成流量值，等待進(jìn)一步的綜合處理。
2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
2.1 低功耗、數(shù)字式水位采樣電路的設(shè)計(jì)
隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，在水位傳感領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新型的數(shù)字式水位傳感器[1]———檢索式數(shù)字水位傳感器，它是太原理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)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(hào)取樣電路[2]來(lái)采集水中傳播的電信號(hào)，從而確定水位。本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了檢索式水位傳感器的數(shù)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(hào)取樣電路，數(shù)字信號(hào)變送電路，微處理器電路構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)電路的微型化，低功耗，穩(wěn)定性，一致性等問(wèn)題，取樣電路和變送電路分別集成為數(shù)字化芯片MFC7710和MFC7720。每片MFC7710帶有8個(gè)水位感應(yīng)觸點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中我們將10片MFC7710級(jí)連，并將感應(yīng)觸點(diǎn)的排列方式由線式變?yōu)辄c(diǎn)陣式[3]，如圖2所示，這種點(diǎn)陣式的觸點(diǎn)排列方式能夠消除由于水的表面張力作用而使感應(yīng)觸點(diǎn)誤動(dòng)作，從而導(dǎo)致采集系統(tǒng)分辨率不高，易受水質(zhì)影響等缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，水位采樣的精度達(dá)到了2mm。
采集電路的工作原理[4]：水位信號(hào)取樣電路由數(shù)片MFC7710組成，片與片之間通過(guò)時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線級(jí)連而成。變送器與取樣電路之間也是通過(guò)時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊。每片MFC7710受變送器時(shí)鐘信號(hào)控制，通過(guò)數(shù)據(jù)線，逐級(jí)向上傳遞感應(yīng)觸點(diǎn)感知的包含水位信息的一系列0，1數(shù)字信號(hào)，變送器將此數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的16位的BCD碼。微控制器通過(guò)控制三級(jí)管，以間歇式供電方式向MFC7720發(fā)送采集時(shí)鐘（即只在微控制器發(fā)出采集水位信號(hào)時(shí)，給MFC7720供電，利于降低系統(tǒng)的功耗），并在時(shí)鐘的上升沿時(shí)逐位采集MFC7720發(fā)回的16位BCD碼，自動(dòng)識(shí)別其中包含的水位信息，計(jì)算出水位值，再經(jīng)公式（1）將水位值轉(zhuǎn)化為流量值，實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)量。
2.2 微處理器的低功耗設(shè)計(jì)[5]
污水流量計(jì)的安裝地點(diǎn)多為野外或條件惡劣的場(chǎng)所，因此整個(gè)系統(tǒng)采用電池供電，這樣可以避免長(zhǎng)距離的鋪設(shè)電纜，節(jié)省了安裝費(fèi)用。在電池供電的情況下，系統(tǒng)的電能利用無(wú)疑是關(guān)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(jī)系列中的MSP430F149。其工作電壓為3.3V，與5V電壓供電的單片機(jī)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(shí)設(shè)計(jì)中采用8MHz和32768kHz雙時(shí)鐘系統(tǒng)，配合微處理器本身具有的五種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在工作時(shí)程序高速運(yùn)行，休眠時(shí)超低功耗的特點(diǎn)。
2.3 其他外圍部件的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中，考慮到需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試，有些場(chǎng)合也需要有就地顯示部件，所以系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)時(shí)留有液晶拓展接口。液晶采用點(diǎn)陣式液晶塊CM12864，可顯示4×8四排32個(gè)字。監(jiān)控中心要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)調(diào)用，以進(jìn)行定期的進(jìn)行計(jì)量監(jiān)測(cè)，時(shí)鐘芯片SD2200具有32k的存儲(chǔ)空間，同時(shí)兼有實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，且內(nèi)置備用電池，滿足流量計(jì)的設(shè)計(jì)需求。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟、硬件設(shè)計(jì)的合理搭配，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗的一個(gè)重要因素，數(shù)字式明渠污水流量計(jì)采集處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)充分利用了微控制器的低功耗待機(jī)工作模式。由C語(yǔ)言編寫的程序分為主程序和中斷程序兩部分。主程序只負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)上電復(fù)位后的系統(tǒng)參數(shù)及功能部件的初始化設(shè)定，中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)執(zhí)行各種操作模塊功能。開放中斷后，單片機(jī)進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
4.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)采用比較法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)。為了能模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的污水排放，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了自循環(huán)明渠巴歇爾槽水流裝置，同時(shí)安裝有超聲波明渠流量計(jì)作為實(shí)驗(yàn)參照對(duì)象。
實(shí)驗(yàn)計(jì)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(shí)際總流量。實(shí)驗(yàn)中記錄智能數(shù)字式明渠污水流量計(jì)的累計(jì)流量與瞬時(shí)流量，超聲波流量計(jì)的累積流量與瞬時(shí)流量，下位水箱實(shí)際流量等五部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。累計(jì)流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，三次試驗(yàn)中超聲波與數(shù)字流量計(jì)的誤差數(shù)據(jù)如表2，三次實(shí)驗(yàn)中瞬時(shí)流量比較如表3所示。
4.2 實(shí)驗(yàn)分析
4.2.1 實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題及解決方案
實(shí)驗(yàn)初期，采樣電路與無(wú)線傳輸?shù)钠渌幚黼娐芬黄饾沧⒃诹髁坑?jì)中，構(gòu)成集成一體化儀器，取樣采用查詢方式，這樣需要對(duì)采樣電路持續(xù)供電。在這種情況下，MFC7720會(huì)由于散熱不充分而出現(xiàn)突然死機(jī)的現(xiàn)象，為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者將采集方式改為中斷式，對(duì)變送、取樣電路的供電方式改為由三級(jí)管控制的間歇式供電。解決了MFC7720的發(fā)熱死機(jī)現(xiàn)象，同時(shí)，間歇式的供電方式也大大降低了系統(tǒng)功耗。
軟件設(shè)計(jì)涉及的另一個(gè)問(wèn)題是采樣公式的參數(shù)調(diào)整問(wèn)題，初期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明流量計(jì)的計(jì)量存在一定的誤差。筆者認(rèn)為有三方面的原因：一是實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)水體的流動(dòng)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(cè)量不準(zhǔn)；三是流量計(jì)底部高度需要在程序中補(bǔ)償。針對(duì)這些可能的因素，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件一一進(jìn)行調(diào)整，最后得到了上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
目前，超聲波明渠流量計(jì)是市場(chǎng)上使用最多的流量計(jì)，因此實(shí)驗(yàn)中我們使用它作為比較儀器。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以觀察到，數(shù)字流量計(jì)的準(zhǔn)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(jì)的模擬式的信號(hào)采樣方式，容易受水流波動(dòng)影響，數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定，導(dǎo)致瞬時(shí)流量在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，也就帶來(lái)了累計(jì)流量的誤差較大，而數(shù)字流量計(jì)采用全數(shù)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(wèn)題。
5 結(jié)論
本設(shè)計(jì)針對(duì)目前明渠污水流量計(jì)量?jī)x表種類少（僅超聲波式一種），且數(shù)據(jù)采集易受水質(zhì)及水中泡沫影響、抗干擾性能差、準(zhǔn)確度低、系統(tǒng)功耗大等問(wèn)題，開發(fā)了數(shù)字式明渠污水流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字式明渠污水流量計(jì)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，解決了模擬式采樣系中存在的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中，采樣系統(tǒng)不受水中泡沫，水質(zhì)及其他環(huán)境因素的影響，能夠準(zhǔn)確，穩(wěn)定，可靠的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理。同時(shí)，時(shí)鐘及存儲(chǔ)部分的設(shè)計(jì)還在進(jìn)一步完善，以達(dá)到能夠滿足上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)調(diào)用等拓展功能。本系統(tǒng)可應(yīng)用于國(guó)家污水計(jì)量領(lǐng)域，科學(xué)有效的對(duì)明渠污水流量進(jìn)行計(jì)量。
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