一种新型明渠流量计设计*

马 珺，王龙山

(太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原030024)

0 引 言

经济发展不断的工业化，使得环境遭到破坏，尤其是赖以生存的水资源更是污染严重。治理水污染的课题已经被列入世界环保组织的工作日程。我国污水处理多年来一直没有新的突破。因此，研制开发针对污水流量的计量系统，实现低成本，高精度有着很重要的现实意义和应用价值［1］。

常用的污水流量测量方法是使用流量计配合明渠(如巴歇尔槽等)来测量［2］。配合这些方法使用的明渠流量计，有利用超声波反射原理的超声波流量计［3］;利用激光反射原理的激光流量计。这两种方法虽然精度较高，其中，激光流量计达到0.1 mm，但是安装维护复杂，设备昂贵［4］。根据法拉第电磁感应定律的电磁流量计，虽然应用较广，但是易受磁场影响［5］。利用浮力原理的浮力式流量计，成本较低，但是精度不高［6］。

本文介绍的板式流量计是在原有板式流量计的基础上，结合嵌入式技术和无线通信技术，进行了重新改进设计，使其更加智能高效。

1 板式流量计设计

1.1 板式流量计的设计原理

板式流量计是一种新型智能传感器，是按照仿生学和神经网络原理设计，配合特定槽体，直接将水位信号进行数字化取样，并间接计算明渠流量的新型明渠流量传感器［7］。

它是由几排神经元电路组成的密闭板式传感器，板的正面是点阵式排列的触点。将板式流量计嵌入堰槽侧壁，污水流过时与触点接触，水位上下变化，这些触点组成的神经元电路直接进行数字化取样，自动识别水位高低，并通过内部取样电路后，由微处理器根据不同堰槽内水位与流量的单值函数关系，将水位信号转换为流量信号，并以无线方式发送给上位机进行进一步的处理。

改进的板式流量计增加了一组板式传感器，并利用无线网络将数据融合到一个处理器进行分析处理，提高了测量精度。改进了数据传送上位机的方法，由GPRS 模块进行传送，更方便地扩展适用范围，数据传输设备成熟，成本也得到降低。增加了显示的功能，在程序设计之初设计了3 种堰体的流量计量模式，在显示界面可以进行选择;显示流量图形化，使得传感器更加智能化。使用ARM 处理器，更加快速地处理数据，方便快捷，功耗低。

图1 新型明渠流量计的工作原理Fig 1 Working principle of the new type of open channel flow meter

1.2 板式流量计的硬件设计

为了实现智能化的设计，本新型板式流量计主要由一组板式水位传感器A 和B，RF 通信，实时时钟和微控制器电路，数据存储和液晶显示部分，GPRS 通信部分，电源电路、复位电路和抗雷击电路组成。硬件功能框图如图2。

数据采集部分:板式水位传感器A，B 分别在堰槽的2 个不同位置采集水位信息，这样可以更好地提高测量精度。板式水位传感器A，B 都是采用太原理工大学测控所自主研发的MFC7710 和MFC7720 数字水位取样电路芯片，触点采用既科学又合理的点阵式排列原理［8］。其中，板式水位传感器A 与控制器部分集成在一块板上;板式水位传感器B 在另一个板上。2 个板之间集成RF 通信。

智能处理器:该设计采用Cortex-A8 处理器。该处理器使用了先进的分支预测技术，并且具有专用的NEON 整型和浮点型流水线进行媒体和信号处理。这是一种基于ARMv7 架构的处理器，在65 nm 工艺下，功耗不到300 mW，具有高性能、低费用和低功耗的特点。

时钟存储芯片:采用SD2200ELPI 芯片，支持I2C 总线，内部集成实时时钟电路，保证精度月走时误差不超过15 s，内置电池可保证外部掉电时始终正常工作，且寿命超过10 a。

电源电路:2 个板式传感器采用锂电池供电，保证了测量的稳定性，由于本系统的低功耗，电池的容量设计在半年的使用周期，可充电的锂电池还具有环境保护的作用，大大提高了整个系统的方面使用。

数据存储:由于采集到的数据可按要求隔段时间进行传送，也可以进行实时传送。但是为了保证传送数据的准确性，在传输数据的同时板式流量计上还做了备份存储。这样既可以根据实时传输直接备份并发送数据，也可以存储简单处理后定时发送。

无线通信:采集到的数据有2 种获取方式:1)由工作人员到板式流量计安装处取回存储数据卡，可同时更换电池;2)数据直接发送至上位机，由整个系统进行下一步管理和处理。这里选用GPRS 通信技术，传输速率可以稳定在115 kpbs，只要系统工作就可以联网实时访问传输，基站覆盖率高，应用范围广，按数据流量计费，这些都大大降低了传输数据的成本［9］。

液晶显示:采用TBM12864-12 液晶模块，可显示汉字和图形，工作电压3.3 V，串行通信，使用方便。显示内容为实时水位数据，流速数据，特定时期累计流量，总累计流量，水位溢出报警值，以及工作状态。在实际测量应用中，为了降低功耗不点亮显示，但发生故障或需要进行观察时，通过按键点亮显示。

系统还设计了防雷击电路，避免了在明渠堰槽正常测量工作时恶劣天气对仪器的影响。复位电路使得在一些特殊情况下，可以重新启动本系统进行测量。

图2 新型明渠流量计硬件功能框图Fig 2 Hardware function block diagram of the new type of open channel flow meter

1.3 板式流量计的软件设计

板式流量计的程序设计分2 部分，一部分是板式流量传感器B，负责采集数据，通过RF 与A 通信传输。另一部分是板式流量传感器A，负责采集数据，接收B 数据，并将两部分数据显示，转换累计总流量，选择发送模式，通过GPRS 与上位机进行通信传输。系统流程图如图3、图4 所示。

图3 板式流量计A 程序流程图Fig 3 Program flow chart of A of slab flow meter

显示屏的设计，为了降低功耗，在工作正常情况下，显示屏处于关闭状态。当需要查看和维护时，可通过按钮点亮显示屏，查看水位、流量、电量和发送模式等信息。

2 实验结果

流量实验主要从两方面进行:瞬时流量实验和累计流量实验。

瞬时流量实验方法:选用超声波流量计与本板式流量计同时放到巴歇尔槽内进行测量，比较所得数据。

图4 板式流量计B 程序流程图Fig 4 Program flow chart of B of slab flow meter

累计流量实验方法:在供水箱和下位水箱装有精确到mm 的刻度尺，所标水量与所测得的累计流量进行比较。

板式流量计A 板测得累计流量根据的是巴歇尔槽流量计量的经验公式

其中，b 为喉道的宽度(本实验中取b =25)，h 为相对于喉管底的上游侧的水位［10］。所设计的板式流量计的感应点排列如图5，一共可以检测到160 mm 的水位高度，精度为2 mm。板式流量计的B 板与此基本相同。

图5 板式流量计点阵设计Fig 5 Lattice design of the slab flow meter

在实验室通过调节水流控制阀，得到不同的流速水流，多次实验，得到超声波流量计和板式流量计的瞬时流量，见表1。

表1 瞬时流量实验结果比较Tab 1 Results comparison of the test of instantaneous flow

由实验可知，当水位较低(低于4 mm)，超声波流量计不能测出数据，而板式流量计仍能正常计量，如表2。

表2 累计流量实验结果比较Tab 2 Results comparison of the test of accumulative flow

该表可以得出板式流量计所测数据与实际累计流量相近，平均误差为1.76%，证明本流量计测的流量是准确、可行的。

3 结束语

明渠流量的测量一直难以被准确测量。本文利用自主设计研发的板式流量计配合巴歇尔槽的使用，采用板式传感器，ARM 处理器强大的运算能力，RF 和GPRS 无线通信技术，实现了将水位直接数字化取样，并转换为流量，可及时显示信息并报送上位机进一步处理。实现了流量计量领域的智能仪表化、无线通信化。此外，系统的低功耗和精确度也得到了实验的证实，达到了98.24%的准确率，整个设计简单，使用方便，在明渠测量领域有着广阔的应用前景。

［1］ 王 辉，马福昌.检索式数字水位数据采集系统的低功耗途径探讨［J］.太原理工大学学报，2008(3):119 －120.

［2］ 徐乐年，员玉良，陈 明.巴歇尔槽在智能流量传感器中的应用［J］.仪表技术与传感器，2007(6):6 －7.

［3］ 蒋宇晨，赵顺刚.超声传感器在明渠流量计中的应用［J］.自动化仪表，2000(7):16 －18.

［4］ 常凤筠，崔旭东.激光明渠流量计的设计［J］.应用激光，2007(10):421 －424.

［5］ 宋海龙.智能电磁流量计设计［D］.西安:西安电子科技大学，2010.

［6］ 李 刚，李巧真，张涛.浮力式明渠流量计的研究［J］.仪器仪表学报，2002(6):873 －875.

［7］ 薛 敏.明渠流量计的智能化研究与开发［D］.太原:太原理工大学，2009.

［8］ 段陈杰.板式流量计的低功耗设计与无线射频通信系统的研究［D］.太原:太原理工大学，2009.

［9］ 梁岚珍，李 靖，朱栋升，等.基于GPRS 的明渠流速流量检测系统研究［J］.电子技术应用，2009(5):81 －84.

［10］ 马 珺，马福昌.新型板式流量传感器的设计［J］.太原理工大学学报，2008(5):265 －266.