馬 珺，王龍山

(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030024)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷的工業(yè)化，使得環(huán)境遭到破壞，尤其是賴以生存的水資源更是污染嚴(yán)重。治理水污染的課題已經(jīng)被列入世界環(huán)保組織的工作日程。我國污水處理多年來一直沒有新的突破。因此，研制開發(fā)針對(duì)污水流量的計(jì)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低成本，高精度有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值［1］。

常用的污水流量測(cè)量方法是使用流量計(jì)配合明渠(如巴歇爾槽等)來測(cè)量［2］。配合這些方法使用的明渠流量計(jì)，有利用超聲波反射原理的超聲波流量計(jì)［3］;利用激光反射原理的激光流量計(jì)。這兩種方法雖然精度較高，其中，激光流量計(jì)達(dá)到0.1 mm，但是安裝維護(hù)復(fù)雜，設(shè)備昂貴［4］。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的電磁流量計(jì)，雖然應(yīng)用較廣，但是易受磁場(chǎng)影響［5］。利用浮力原理的浮力式流量計(jì)，成本較低，但是精度不高［6］。

本文介紹的板式流量計(jì)是在原有板式流量計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)，進(jìn)行了重新改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其更加智能高效。

1 板式流量計(jì)設(shè)計(jì)

1.1 板式流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理

板式流量計(jì)是一種新型智能傳感器，是按照仿生學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理設(shè)計(jì)，配合特定槽體，直接將水位信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化取樣，并間接計(jì)算明渠流量的新型明渠流量傳感器［7］。

它是由幾排神經(jīng)元電路組成的密閉板式傳感器，板的正面是點(diǎn)陣式排列的觸點(diǎn)。將板式流量計(jì)嵌入堰槽側(cè)壁，污水流過時(shí)與觸點(diǎn)接觸，水位上下變化，這些觸點(diǎn)組成的神經(jīng)元電路直接進(jìn)行數(shù)字化取樣，自動(dòng)識(shí)別水位高低，并通過內(nèi)部取樣電路后，由微處理器根據(jù)不同堰槽內(nèi)水位與流量的單值函數(shù)關(guān)系，將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為流量信號(hào)，并以無線方式發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

改進(jìn)的板式流量計(jì)增加了一組板式傳感器，并利用無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)融合到一個(gè)處理器進(jìn)行分析處理，提高了測(cè)量精度。改進(jìn)了數(shù)據(jù)傳送上位機(jī)的方法，由GPRS 模塊進(jìn)行傳送，更方便地?cái)U(kuò)展適用范圍，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備成熟，成本也得到降低。增加了顯示的功能，在程序設(shè)計(jì)之初設(shè)計(jì)了3 種堰體的流量計(jì)量模式，在顯示界面可以進(jìn)行選擇;顯示流量圖形化，使得傳感器更加智能化。使用ARM 處理器，更加快速地處理數(shù)據(jù)，方便快捷，功耗低。

圖1 新型明渠流量計(jì)的工作原理Fig 1 Working principle of the new type of open channel flow meter

1.2 板式流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能化的設(shè)計(jì)，本新型板式流量計(jì)主要由一組板式水位傳感器A 和B，RF 通信，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和微控制器電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和液晶顯示部分，GPRS 通信部分，電源電路、復(fù)位電路和抗雷擊電路組成。硬件功能框圖如圖2。

數(shù)據(jù)采集部分:板式水位傳感器A，B 分別在堰槽的2 個(gè)不同位置采集水位信息，這樣可以更好地提高測(cè)量精度。板式水位傳感器A，B 都是采用太原理工大學(xué)測(cè)控所自主研發(fā)的MFC7710 和MFC7720 數(shù)字水位取樣電路芯片，觸點(diǎn)采用既科學(xué)又合理的點(diǎn)陣式排列原理［8］。其中，板式水位傳感器A 與控制器部分集成在一塊板上;板式水位傳感器B 在另一個(gè)板上。2 個(gè)板之間集成RF 通信。

智能處理器:該設(shè)計(jì)采用Cortex-A8 處理器。該處理器使用了先進(jìn)的分支預(yù)測(cè)技術(shù)，并且具有專用的NEON 整型和浮點(diǎn)型流水線進(jìn)行媒體和信號(hào)處理。這是一種基于ARMv7 架構(gòu)的處理器，在65 nm 工藝下，功耗不到300 mW，具有高性能、低費(fèi)用和低功耗的特點(diǎn)。

時(shí)鐘存儲(chǔ)芯片:采用SD2200ELPI 芯片，支持I2C 總線，內(nèi)部集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，保證精度月走時(shí)誤差不超過15 s，內(nèi)置電池可保證外部掉電時(shí)始終正常工作，且壽命超過10 a。

電源電路:2 個(gè)板式傳感器采用鋰電池供電，保證了測(cè)量的穩(wěn)定性，由于本系統(tǒng)的低功耗，電池的容量設(shè)計(jì)在半年的使用周期，可充電的鋰電池還具有環(huán)境保護(hù)的作用，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的方面使用。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ):由于采集到的數(shù)據(jù)可按要求隔段時(shí)間進(jìn)行傳送，也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。但是為了保證傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)板式流量計(jì)上還做了備份存儲(chǔ)。這樣既可以根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸直接備份并發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以存儲(chǔ)簡單處理后定時(shí)發(fā)送。

無線通信:采集到的數(shù)據(jù)有2 種獲取方式:1)由工作人員到板式流量計(jì)安裝處取回存儲(chǔ)數(shù)據(jù)卡，可同時(shí)更換電池;2)數(shù)據(jù)直接發(fā)送至上位機(jī)，由整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行下一步管理和處理。這里選用GPRS 通信技術(shù)，傳輸速率可以穩(wěn)定在115 kpbs，只要系統(tǒng)工作就可以聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)訪問傳輸，基站覆蓋率高，應(yīng)用范圍廣，按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，這些都大大降低了傳輸數(shù)據(jù)的成本［9］。

液晶顯示:采用TBM12864-12 液晶模塊，可顯示漢字和圖形，工作電壓3.3 V，串行通信，使用方便。顯示內(nèi)容為實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)，流速數(shù)據(jù)，特定時(shí)期累計(jì)流量，總累計(jì)流量，水位溢出報(bào)警值，以及工作狀態(tài)。在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，為了降低功耗不點(diǎn)亮顯示，但發(fā)生故障或需要進(jìn)行觀察時(shí)，通過按鍵點(diǎn)亮顯示。

系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了防雷擊電路，避免了在明渠堰槽正常測(cè)量工作時(shí)惡劣天氣對(duì)儀器的影響。復(fù)位電路使得在一些特殊情況下，可以重新啟動(dòng)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

圖2 新型明渠流量計(jì)硬件功能框圖Fig 2 Hardware function block diagram of the new type of open channel flow meter

1.3 板式流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)

板式流量計(jì)的程序設(shè)計(jì)分2 部分，一部分是板式流量傳感器B，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，通過RF 與A 通信傳輸。另一部分是板式流量傳感器A，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，接收B 數(shù)據(jù)，并將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)換累計(jì)總流量，選擇發(fā)送模式，通過GPRS 與上位機(jī)進(jìn)行通信傳輸。系統(tǒng)流程圖如圖3、圖4 所示。

圖3 板式流量計(jì)A 程序流程圖Fig 3 Program flow chart of A of slab flow meter

顯示屏的設(shè)計(jì)，為了降低功耗，在工作正常情況下，顯示屏處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)需要查看和維護(hù)時(shí)，可通過按鈕點(diǎn)亮顯示屏，查看水位、流量、電量和發(fā)送模式等信息。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

流量實(shí)驗(yàn)主要從兩方面進(jìn)行:瞬時(shí)流量實(shí)驗(yàn)和累計(jì)流量實(shí)驗(yàn)。

瞬時(shí)流量實(shí)驗(yàn)方法:選用超聲波流量計(jì)與本板式流量計(jì)同時(shí)放到巴歇爾槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，比較所得數(shù)據(jù)。

圖4 板式流量計(jì)B 程序流程圖Fig 4 Program flow chart of B of slab flow meter

累計(jì)流量實(shí)驗(yàn)方法:在供水箱和下位水箱裝有精確到mm 的刻度尺，所標(biāo)水量與所測(cè)得的累計(jì)流量進(jìn)行比較。

板式流量計(jì)A 板測(cè)得累計(jì)流量根據(jù)的是巴歇爾槽流量計(jì)量的經(jīng)驗(yàn)公式

其中，b 為喉道的寬度(本實(shí)驗(yàn)中取b =25)，h 為相對(duì)于喉管底的上游側(cè)的水位［10］。所設(shè)計(jì)的板式流量計(jì)的感應(yīng)點(diǎn)排列如圖5，一共可以檢測(cè)到160 mm 的水位高度，精度為2 mm。板式流量計(jì)的B 板與此基本相同。

圖5 板式流量計(jì)點(diǎn)陣設(shè)計(jì)Fig 5 Lattice design of the slab flow meter

在實(shí)驗(yàn)室通過調(diào)節(jié)水流控制閥，得到不同的流速水流，多次實(shí)驗(yàn)，得到超聲波流量計(jì)和板式流量計(jì)的瞬時(shí)流量，見表1。

表1 瞬時(shí)流量實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Tab 1 Results comparison of the test of instantaneous flow

由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)水位較低(低于4 mm)，超聲波流量計(jì)不能測(cè)出數(shù)據(jù)，而板式流量計(jì)仍能正常計(jì)量，如表2。

表2 累計(jì)流量實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Tab 2 Results comparison of the test of accumulative flow

該表可以得出板式流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際累計(jì)流量相近，平均誤差為1.76%，證明本流量計(jì)測(cè)的流量是準(zhǔn)確、可行的。

3 結(jié)束語

明渠流量的測(cè)量一直難以被準(zhǔn)確測(cè)量。本文利用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的板式流量計(jì)配合巴歇爾槽的使用，采用板式傳感器，ARM 處理器強(qiáng)大的運(yùn)算能力，RF 和GPRS 無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將水位直接數(shù)字化取樣，并轉(zhuǎn)換為流量，可及時(shí)顯示信息并報(bào)送上位機(jī)進(jìn)一步處理。實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)量領(lǐng)域的智能儀表化、無線通信化。此外，系統(tǒng)的低功耗和精確度也得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，達(dá)到了98.24%的準(zhǔn)確率，整個(gè)設(shè)計(jì)簡單，使用方便，在明渠測(cè)量領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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