双路低功耗超声明渠流量计的研制

　　明渠流量计是在非满管状敞开渠道中测量自由表面自然流的流量仪表，在生产和生活产生的废水污水排放量计量中应用广泛[1]。当前，准确计量污水、废水排放量，是实现节能减排的重要环节之一。传统的接触式明渠流量计与污水介质直接接触，在长期使用后导致传感器结垢或腐蚀，影响测量的准确性[2~5]。超声波明渠流量计，采用非接触测量方式，避免被测介质对传感器的腐蚀，提高了测量的可靠性，尤其适合对污水流量的测量，但是液位面的波动影响了测量精度。同时污水排放口一般位于厂外，环境较差，缺少外部电源。

　　针对以上问题，本文提出了一种双路低功耗明渠流量计设计方法，采用 2 个超声波传感器测量流量槽内不同位置的液位，通过MSP430 单片机计算出当前的流量。

　　1测量原理

　　明渠流量的测量，一般采用流量槽装置，常见的有文丘里槽、巴歇尔槽[6~7]。巴歇尔槽是由文丘里槽改进而成，在精度及实用性等方面，比文丘里槽要好些，而且能使流体在槽内流动速度加快，使流体中的固体颗粒不易沉淀和堆积。因此，常采用巴歇尔槽测量明渠流量。

　　1.1 巴歇尔槽的结构

　　巴歇尔槽的具体结构如图1 所示[1,6]，为矩形横断面短喉道槽，由喉道上游均匀收缩段、喉道段和喉道下游均匀扩散段组成。

　　由于实验条件的限制和实际需要，选用喉道为0.051 m 的巴歇尔槽进行研究。

　　1.2 流量测量原理

　　巴歇尔槽流量的理论计算公式为[1]：

　　式中，Cv是流速系数;

　　Ce是取决于摩擦和涡流的系数;

　　b 是喉部宽度;

　　h 是巴歇尔水槽上游侧的测量液位。

　　实际应用时准巴歇尔槽的流量测量经验公式为[1]：

　　对于一定喉部宽度的槽，b 为常量，令

　　则有

　　由式(3)知，流量 qv只与液位高度 h 有关。因此，只需采用超声波传感器测量出巴歇尔槽的液位高度，通过单片机就可以计算出通槽内的流量。

　　2系统设计

　　整体电路结构包括两个超声波传感器、信号处理模块、单片机、液晶显示模块、电源模块以及通信模块(如图2所示)。

　　微处理机采用选择了TI公司的MSP430F413单片机作为核心[8]，通过16位AD7705芯片采集2路超声波传感器信号，得到液位h1，h2，因此槽的液位高度为

　　由式(5)计算出流量，同时计算累积流量。

　　液晶显示模块采用液晶双列显示屏幕，同时显示瞬时流量和累积流量。

　　总线通讯接口采用CAN 总线通讯接口(如图 3 所示)，与远程管理计算机的数据传输，实现对瞬时流量、累积流量、液位及仪表工作状态等参数的监控。