[導(dǎo)讀] 介紹了一種超聲波明渠流量計(jì)。首先，闡述了三角形薄壁堰的流量計(jì)算方法，說明了超聲波傳感器的測量原理及以W77E58作為主控元件的超聲波明渠流量計(jì)的原理、系統(tǒng)構(gòu)成和硬件設(shè)計(jì)，最后，給出了流量計(jì)的實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)表明：該流量計(jì)具有較高的準(zhǔn)確度和可靠性，且價(jià)格低廉。
0 引言
明渠流量計(jì)是用于工礦企業(yè)渠道、管線供水和污水排放的流量測量儀表。是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對污水排放總量控制和排污收費(fèi)的必備工具。也可用于水源河流、農(nóng)業(yè)水利灌溉方面的水量、制藥和化工的液位測量等。為了加強(qiáng)對城市排水和企事業(yè)單位排水量的管理，需要有統(tǒng)一的排水流量測量方法。為此，參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4360-1984 堰槽明渠水流測量——三角形剖面堰等標(biāo)準(zhǔn)，我國制定了城市排水堰槽流量測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括：三角形薄壁堰測流、矩形薄壁堰測流等5種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
在我國，明渠流量計(jì)大部分引進(jìn)國外產(chǎn)品，比較昂貴。而國內(nèi)生產(chǎn)的空氣式明渠流量計(jì)，由于超聲波被水面懸浮的泡沫所吸收，無反射回波，導(dǎo)致不能測量。本文作者設(shè)計(jì)的流量計(jì)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(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低，在測量精度方面能夠達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求。
1 測量原理
超聲波自補(bǔ)償明渠流量計(jì)采用超聲回波技術(shù)，通過測量標(biāo)準(zhǔn)流量堰（槽）的液位高度，由計(jì)算機(jī)運(yùn)算得到流量。當(dāng)被測液體介質(zhì)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(shí)，以三角形薄壁堰測流為例（由我國制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)），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，為堰頂最大水頭，m；B 為行進(jìn)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(guān)系
式中Ce為流量系數(shù)；g為重力加速度，gn= 9.8 m/s2；he為有效水頭，m。
當(dāng)圖1中α=90o時(shí)，Ce值由圖2查得。
he值按下式計(jì)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(dāng)α=90o時(shí)，Kh為0.00085 m。
當(dāng)tg α/2 =1 時(shí)，流量公式轉(zhuǎn)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(jì)內(nèi)的單片機(jī)輸出一定頻率電信號，激勵探頭中壓電晶體發(fā)射特定頻率的超聲波信號，并在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)啟動定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，該超聲波信號通過被測液體介質(zhì)傳播，遇到標(biāo)準(zhǔn)桿處，其中，一部分產(chǎn)生第一次反射回波，而其余部分繼續(xù)在水中傳播。反射部分反方向傳播，進(jìn)入探頭，引起探頭晶片振蕩，產(chǎn)生聲能—機(jī)械能—電能轉(zhuǎn)換，使探頭輸出第一個(gè)電信號。而在水中繼續(xù)傳播的超聲波到達(dá)水面時(shí)，由于水面以上是氣體（空氣），在氣液交界面產(chǎn)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(gè)電信號。即在參比面（標(biāo)準(zhǔn)桿）上產(chǎn)生第一次反射回波，在氣液交界面上產(chǎn)生第二次反射回波，當(dāng)探頭接收到反射波后，立即停止計(jì)時(shí)，這時(shí)，計(jì)時(shí)器就記下了超聲波從發(fā)送到接收的傳播時(shí)間t0和t1，根據(jù)式（1）可算出探頭到液面的高度。
水介質(zhì)超聲波液位傳感器在超聲流量計(jì)的控制下，進(jìn)行超聲波發(fā)射和接收，由反射波的傳播時(shí)間來計(jì)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(shù)關(guān)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(shí)問；t0為傳感器至標(biāo)準(zhǔn)反射體之間的超聲波傳播時(shí)間；h0，P，H0為實(shí)測值；P為堰高，m。
當(dāng)有較多泥沙沉積時(shí)，采用靜水井，靜水井設(shè)在行進(jìn)渠道的一側(cè)。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(jìn)渠道的長度不小于最大水頭時(shí)水舌寬度的10倍，行進(jìn)渠道的水流應(yīng)為均勻穩(wěn)定的亞臨界流，若流速不能滿足此規(guī)定時(shí)，可用導(dǎo)流板整流，使其形成自然流動，流速趨于平穩(wěn)。
2 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成
超聲波明渠流量計(jì)由超聲波發(fā)送電路、超聲波接收電路、電源、探頭等構(gòu)成，如圖4。
W77E58單片機(jī)是高速單片機(jī)，與傳統(tǒng)的8052系列單片機(jī)相比，其機(jī)器周期僅包含4個(gè)時(shí)鐘周期，執(zhí)行指令速度是8052的1.5倍到3倍，晶體頻率可達(dá)到40MHz，有3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，用做定時(shí)器時(shí)，可對4個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)，其定時(shí)時(shí)鐘為10MHz，測量時(shí)間的分辨力為0.1μs。而AT89C52的晶振頻率為24Hz，它的定時(shí)頻率為2MHz，測量時(shí)間分辨力為0.5μs。因此，利用W77E58可提高測量時(shí)間的精度。
2.1 超聲波發(fā)送電路和接收電路
由單片機(jī)W77E58的P1.0管腳產(chǎn)生周期為20ms的方波，當(dāng)P1.0由低變高時(shí)，通過高速光耦6N137產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號加到發(fā)射板的可控硅的控制端上，使發(fā)射板上的2個(gè)可控硅導(dǎo)通，產(chǎn)生一60OV窄脈沖電信號加到探頭的壓電晶片上，使其振蕩，發(fā)出頻率為1 MHz的超聲波，該超聲波在水中傳播，遇參比面（標(biāo)準(zhǔn)桿）產(chǎn)生第一次反射回波，在氣液交界面處產(chǎn)生第二次反射回波，兩次回波分別在壓電晶體上，產(chǎn)生聲能一機(jī)械能一電能轉(zhuǎn)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(jīng)接收板接收放大、倍壓及檢波后，在水深980mm時(shí)，已達(dá)到17.3V，輸出信噪比l5.78，比較理想。
當(dāng)P1.0由低變高時(shí)，開始發(fā)射，并立即啟動定時(shí)器Tl計(jì)時(shí)。接收到的兩次電信號經(jīng)接收電路進(jìn)行三級放大、比較器比較（門坎電壓設(shè)置是為了去掉噪聲電壓），光耦和開關(guān)電路送回單片機(jī)作為外中斷INT0的觸發(fā)信號，引起CPU兩次中斷。在中斷程序里，分別讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，即為探頭從發(fā)射到接收標(biāo)準(zhǔn)桿和水面的反射回波的傳播時(shí)間。
2.2 發(fā)射回波和標(biāo)準(zhǔn)桿反射回波振蕩的消除
當(dāng)發(fā)射電路產(chǎn)生-600V窄脈沖電信號加到探頭，使其發(fā)射超聲波，同時(shí)，-600V窄脈沖電信號經(jīng)過限幅電路回送到接收電路，將有60μs的震蕩，標(biāo)準(zhǔn)桿的反射回波也將有60μs的震蕩，對于這些震蕩必須消除，只用反射回波的第一個(gè)脈沖，采用的方法是單片機(jī)發(fā)射超聲波，立刻啟動定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間T<μs時(shí)，回波信號的通道關(guān)閉，關(guān)閉中斷；當(dāng)T>60μs，采集回波信號的通道打開，開中斷，準(zhǔn)備接收標(biāo)準(zhǔn)桿的中斷，進(jìn)入桿中斷后，讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值t0，采集回波信號的通道關(guān)閉，關(guān)閉中斷；當(dāng)T>60μs，采集回波信號的通道打開，開中斷，準(zhǔn)備接收水面中斷后，停止定時(shí)器計(jì)時(shí)，并讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值t1。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
單片機(jī)的晶振頻率為40MHz，經(jīng)過四分頻后，機(jī)器周期為0.1μs。因此，該系統(tǒng)的最小時(shí)間分辨力是一個(gè)機(jī)器周期，即T=0.1μs，所測液位的最小分辨力為L=TV=0.074 mm。表1為該流量計(jì)的實(shí)測數(shù)據(jù)。
表1 明渠流量計(jì)實(shí)測數(shù)據(jù)
標(biāo)準(zhǔn)表流量（m3/d）
樣機(jī)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(biāo)準(zhǔn)流量由電磁流量計(jì)給出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：測量誤差均小于2%。
4 結(jié)束語
該流量計(jì)在硬件設(shè)計(jì)上進(jìn)行溫度、濕度補(bǔ)償，對反射信號進(jìn)行了濾波，放大與檢波處理，在軟件上對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值的處理，提高了測量精度。該測量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、運(yùn)行可靠，是一種應(yīng)用廣泛的計(jì)量裝置。
參考文獻(xiàn)
[1] 黃明明，張?zhí)N華，給水排水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)施手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.1996，201-209.
[2] 常鳳筠.超聲波多通道智能探傷儀[D].鞍山：鞍山科技大學(xué)圖書館.1999，1-33，
作者簡介
常風(fēng)筠（1964-），女，遼寧海城人，鞍山科技大學(xué)副教授，碩士學(xué)位，主要從事計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的教學(xué)和科研工作，發(fā)表論文6篇。