[導(dǎo)讀] 論述了專門用于工礦企業(yè)自然管道（明渠）污水排放量計(jì)量的一種新型明渠流量計(jì)量儀表——LMC型超聲波明渠流量計(jì)。介紹了該流量計(jì)的功能與技術(shù)指標(biāo)、儀表系統(tǒng)構(gòu)成及測量原理，并給出了程序設(shè)計(jì)的部分流程圖。
0 引言
長期以來，由于沒有合適的儀表，對上海的工礦企業(yè)的污水排放一直投有得到很好的計(jì)量。隨著我國乃至全世界對環(huán)境保護(hù)越來越重視和上海對環(huán)境治理與保護(hù)的步伐不斷加快，就迫切需要對工礦企業(yè)的污水排放加以綜合管理和控制。我們在上海市環(huán)保局以及上海市環(huán)境監(jiān)測中心所屬上海市環(huán)境監(jiān)測技術(shù)裝備公司等單位的指導(dǎo)和關(guān)心下，終于研制出了適合上海地區(qū)特點(diǎn)的LMC系列超聲波明渠流量計(jì)。
1 任務(wù)的提出及目的和意義
根據(jù)調(diào)查，上海的工礦企業(yè)污水排放方式大部分是自然流下，也就是說污水在管路內(nèi)或渠道內(nèi)的流動(dòng)是非滿管的。以這種非滿管狀態(tài)流動(dòng)的水路，即具有自由表面的水路叫做明渠。即使在所謂暗渠的水路中，由于液體是自然流下，故也屬于明渠流動(dòng)。對于這樣的水路測量流量時(shí)，不能使用常規(guī)有壓的滿管流量計(jì)。
被測量的污水是含有各種雜質(zhì)，以及其他有機(jī)化學(xué)成分，雖然在污水排放前，已作了凈化處理，如果使用與污水介質(zhì)直接接觸的流量計(jì)，長期使用后，也難免在流量計(jì)內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢或被腐蝕，從而影響測量。所以，作為城市污水排放，特別是工礦企業(yè)污水排放的計(jì)量儀表，較適宜采用非接觸式測量儀表。為此，上海市環(huán)保部門也作了大量的調(diào)查研究工作，深入到上海市幾百家工礦企業(yè)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。經(jīng)過論證表明，應(yīng)用非接觸式的超聲波明渠流量計(jì)較適宜于本市工礦企業(yè)污水排放的計(jì)量。
經(jīng)過調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，由于上海地勢較低，而工廠污水排放口距江、河水位又較近，這樣，當(dāng)漲潮時(shí)，由于下游水位升高，使得安裝在明渠中的流量測量槽內(nèi)的流動(dòng)成為“淹沒流”。因此，為適應(yīng)上海地區(qū)的這一特點(diǎn)，要求流量計(jì)還具有能在“自由流”和“淹沒流”二種流態(tài)下均能正常測量的功能。
根據(jù)以上情況，我們進(jìn)行了LMC系列超聲波明渠流量計(jì)的研究。
2 儀表的主要功能與主要技術(shù)參數(shù)
2.1儀表的主要功能
（1）儀表專門用于工礦企業(yè)自然管道（明渠）的污水排放量的計(jì)量，并適用于淹沒流測量。
（2）儀表采用內(nèi)置溫度傳感器的氣介式集成超聲波傳感器進(jìn)行液位測量，從而實(shí)現(xiàn)非接觸測量。
（3）儀表采用了集成溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。傳感器測溫度范圍寬、精度高，易于遠(yuǎn)距離傳遞，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
（4）儀表采用單片微機(jī)及大規(guī)模CMOS電路，使該儀表智能化程度高，可靠性高，功耗低。
（5）儀表采用了多通道測量技術(shù)，即一臺(tái)儀表可以連接多達(dá)4個(gè)超聲波傳感器，可以實(shí)現(xiàn)多通道測量。
（6）儀表僅采用6個(gè)觸摸鍵即可完成所有操作，故儀表操作非常簡便。
（7）儀表設(shè)有RS-232通信接口及DC 0~5V電流輸出端口，使儀表具有與上位計(jì)算機(jī)通訊的功能。
（8）儀表可將每天、每月及每年的流量值（即污水排放量）保存三年，并可在任意時(shí)刻進(jìn)行查詢、打印。打印包括定時(shí)打印、每日趨勢曲線打印、隨時(shí)手動(dòng)打印及查詢打印等。
（9）儀表具有多參數(shù)駐留顯示功能，可駐留顯示瞬時(shí)流量、總累積流量、溫度、液位及計(jì)量時(shí)問等5個(gè)參數(shù)。
2.2 主要技術(shù)參數(shù)
（1）流量范圍：0.1×10-3 m3/s~93m3/s
（2）測量誤差：自由流<±3%
淹沒流<±5%
（3）顯示分辨率：瞬時(shí)流量：0.01m3/h
累積流量：1m3
液位：0.001m
溫度：1℃
計(jì)量時(shí)問：1h
（4）測量通道：1~4
（5）儀表工作條件：
一次儀表：環(huán)境溫度：-25℃~+70℃；
相對濕度：5~100%
介質(zhì)溫度：0~40℃
二次儀表：環(huán)境溫度：-10℃~+55℃
相對濕度：< 85%
（6）超聲波傳感器信號(hào)傳送距離：100m（更長需定制）
（7）輸出信號(hào)：a）RS232標(biāo)準(zhǔn)通信接口
b）DC 0~5V
（8）電源：交流：220V±10%50Hz±1Hz
直流：12V，6.5Ah（機(jī)內(nèi)自各）
3 儀表系統(tǒng)構(gòu)成及測量原理
LMC型明渠流量計(jì)由帕歇爾槽或薄壁堰槽（包括靜水井、測量筒）、集成超聲波液位傳感器（含溫度傳感器）、微機(jī)化測量儀表（內(nèi)裝面板式微型打印機(jī)）等組成。選用不同的測量槽可適合不同的流量測量范圍。
3.1 硬件組成
流量計(jì)主要結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示
流量計(jì)信息網(wǎng)內(nèi)容圖片 src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201207/20/11/03kly532wpo.gif" border=0>
儀表采用大規(guī)模CMOS電路，儀表關(guān)機(jī)或復(fù)位時(shí)，機(jī)內(nèi)CPU仍由后備電源以“掉電工作方式”運(yùn)行，并由后備電源對機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器實(shí)施保持。故儀表開機(jī)或復(fù)位后，儀表仍掉電或復(fù)位前的工作狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。
儀表特別設(shè)計(jì)了交流失電續(xù)測功能。當(dāng)儀表檢測到交流失電時(shí)，由機(jī)內(nèi)蓄電池繼續(xù)供電，而不影響測量，但顯示器將被關(guān)閉。按“顯示”鍵后，則可重新打開顯示器，約30秒后再次自動(dòng)關(guān)閉。交流失電后，打印機(jī)也自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)恢復(fù)供電后，打印機(jī)再次自動(dòng)打開。
儀表正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)內(nèi)蓄電池及后備鋰電池通過機(jī)內(nèi)充電電路對其繼續(xù)充電。當(dāng)機(jī)內(nèi)蓄電池充足電后（需在交流供電下，儀表連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)以上），可依靠機(jī)內(nèi)蓄電池續(xù)測50小時(shí)以上。
儀表還設(shè)計(jì)了打印機(jī)狀態(tài)自動(dòng)檢涌功能。當(dāng)打印機(jī)被關(guān)閉時(shí)，儀表自動(dòng)跳過打印程序，故不會(huì)出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。打印機(jī)也可以被“軟關(guān)閉”，即靠設(shè)置關(guān)閉打印機(jī)。故儀表允許在任意時(shí)刻對打印機(jī)進(jìn)行操作，如更換打印紙等。這也是本儀表的特色之一。
3.2 測量原理
流量計(jì)信息網(wǎng)內(nèi)容圖片 src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201207/20/11/1r3ao55ta4q.gif" border=0>
為了測量上、下游水位，我們設(shè)計(jì)了一臺(tái)以8051單片微機(jī)為核心的四通道超聲波信號(hào)采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)如圖3所示。
首先由超聲波傳感器在微機(jī)的控制下，發(fā)出接近100kHz的發(fā)射波，超聲波經(jīng)水面反射，超聲波傳感器再接收回波信號(hào)。通過微機(jī)計(jì)算出發(fā)射波與回波的時(shí)間差即可以算出水位高度。
hЛ=L-S=L-（1/2）C•T （1）
式中：hЛ——液位高度
L —— 超聲波傳感器的安裝高度（m）；
C —— 超聲波在空氣介質(zhì)中和測量溫度下的傳播速度（m/s）；
T —— 超聲波的發(fā)射波與回波的時(shí)間差（s）
這樣由（1）式就可以計(jì)算出流量了。
當(dāng)水槽下游側(cè)水位太幅度升高，而形成淹沒流時(shí)，需由淹沒流的流量公式計(jì)算流量。
儀表通過測量上游水位Ha和下游水位Hb之比，確定流動(dòng)為自由流動(dòng)或淹沒流動(dòng)。將上游水位Ha和下游水位Hb之比稱為淹沒度，用符號(hào)σ表示，即：
σ=Ha/Hb （2）
在淹沒流下，流量與下游水位有關(guān)，流量公式為
Qs=Q-QE=f（Ha，σ，b） （3）
式中： Qs —— 淹沒流流量；
Q —— 自由流流量；
QE—— 淹沒流折減流量；
σ —— 淹沒度；
b —— 帕歇爾水槽喉部流道寬度；
不同尺寸的帕歇爾水槽形成自由流條件與淹沒度有關(guān)，如表1所示。
表1 帕默爾木糟自由誡條件
帕歇爾水槽尺寸（mm） 淹沒度1/ б 25- 76 〈0.5 152- 228 〈0.6 〉305 〈0.7
3.2.1 多通道測量原理
儀表可用于多通道測量。儀表在用于多通道測量時(shí)，接收1~4通道的超聲波傳感器信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成流量后自動(dòng)將1~4通道中的流量相加。儀表顯示、儲(chǔ)存相加后的總流量。多通道測量時(shí)，每個(gè)通道應(yīng)選用相同規(guī)格的堰、槽流量計(jì)。多通道測量原理如圖2所示。
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儀表在單片微機(jī)的控制下，每秒鐘控制超聲波傳感器檢測一次水位，計(jì)算出一秒鐘的流量，并進(jìn)一步累積為時(shí)流量、日流量、月流量、年流量和總累積流量。儀表每秒鐘的測量值分辨率達(dá)0.00001m3。儀表將測量的散據(jù)存入內(nèi)存，存儲(chǔ)量可達(dá)三年（存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)由镲鎘電池保持）。
儀表可以顯示、打印當(dāng)前測量數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。儀表每天能自動(dòng)打印出總流量、總測量時(shí)間、日流量及一天的流量變化曲線。每天打印的時(shí)刻及時(shí)同間隔可由用戶自己設(shè)定。
圖3為4通道的超聲波信號(hào)采集電路（部分）原理示意圖。從圖中可見，通道的選擇是通過P1.4、P1.5實(shí)現(xiàn)的，如表2所示。
表2 微機(jī)通道選擇方洼
P1.4 P1.5 通道 0 0 1 0 1 2 1 0 3 1 1 4
3.2.2 溫度傳感器測量原理
本儀表采用了集成溫度傳感器對超聲波在空氣中的傳播速度進(jìn)行修正。集成溫度傳感器的硬件測量電路原理如圖4所示。
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4 軟件設(shè)計(jì)
流量計(jì)軟件由主程序和若干子程序組成，主程序采用模塊式結(jié)構(gòu)編寫，整個(gè)軟件采用MCS-51匯編語言編寫，約7.5KB，全部固化在EPROM2764中。限于篇幅，只給出部分程序流程圖。
4.1 單片微機(jī)淹沒流測量軟件框圖（見圖5）
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4.2 兩通道謝量的程序框圖（見圖6）
流量計(jì)信息網(wǎng)內(nèi)容圖片 src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201207/20/11/zr3hftap552.gif" border=0>
多通道（3，4通道）測量原理與2通道測量原理相同。
儀表在進(jìn)行采樣時(shí)，在軟件中分別采用了低通濾波及一階滯后濾波等效字濾波技術(shù)，提高了儀表的穩(wěn)定性和可靠性。
5 結(jié)束語
單就上海而言，需進(jìn)行污水排放計(jì)量的工礦企業(yè)就達(dá)4000多家，根據(jù)上海市環(huán)保局要求，這些企業(yè)都將按要求安裝污水排放檢測儀器。目前，本市尚無同類產(chǎn)品。如選用國外產(chǎn)品，以美國的伊思柯（ISCO）公司為例，其同類型的超聲波明渠流量計(jì)的價(jià)格為71300元。本成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品后，基本價(jià)格為17000元左右，低于國外產(chǎn)品約5.4萬元左右。以全市4000家企業(yè)計(jì)，可以節(jié)約資金2億元。
就工礦企業(yè)本身而言，安裝了LMC系列超聲波明渠流量計(jì)以后，由于它的獨(dú)特的存儲(chǔ)、顯示和通信功能，不但使環(huán)保人員能及時(shí)掌握廢永排放的瞬時(shí)值與累積值，而且能使企業(yè)上層的決策管理人員及時(shí)了解本單位的廢水排放量。結(jié)合輸入企業(yè)能源信息，及時(shí)了解企業(yè)的能耗及能源利用情況，為降低產(chǎn)品成本，及時(shí)采用合理的工藝手段，以達(dá)到最充分地利用能源，從中獲得經(jīng)濟(jì)效益.降低成本，使本單位的產(chǎn)品更具競爭力。該儀器已在上海市多家企業(yè)事業(yè)單位試用，取得令人滿意的效果