采用部分面积法的流量计算仪设计

　　如何在野外恶劣的自然条件下对流速分布不均匀、河道截面不规则的河流实施精确的测量是有待解决的问题。目前针对流量测量有超声波测量法—利用超声波时差法先测出流速，进而计算出流量;压力差测量法—测量流速转换产生的压力差，反过来转换成流速和流量。这两种方法适用于流速均匀且截面形状规则的渠道，但用于流速不均匀、河床起伏不平的河流时就会出现误差。流速仪法测流是国家标准《河流流量测量规范》推荐的测量方法之一。

　　本文基于河流流量测量的部分面积法，采用单片机设计实现便携式智能流量计算仪，适应野外测量的要求，提高了测流的精度，而且具备历史数据的自动保存功能，方便用户作进一步的误差分析。

　　1部分面积法测量河流流量的原理

　　流速仪法测流的基本原理是通过流速仪测出平均流速，平均流速与河道截面积相乘得到流量。测点流速可用式(1)计算得出。

　　式中：K 为水利螺距、n 为每转信号数是流速仪固有的两个参数;

　　C 为阻力系数是流速仪检定部门在对给定的流速仪检定后给出的校正量;

　　T 为单次测量的实际延时;

　　A 为实际测量过程中流速仪发出的信号脉冲数。

　　然而，在实际的河流流量测量中，测点流速一般不等于平均流速，河道的截面积也不是规则的矩形或梯形，用一个测点的流速取代整个河道截面的平均流速直接计算时误差很大。

　　设河道截面形状如图 1 所示，图中设置了 n 条测线将河道截面分割成 n+1 个梯形部分。当 h0=hn+1=0 时，两侧为三角形。

　　(1)梯形部分 Si(i=1，2, , n-1)的平均流速取第 i、i+1 条测线流速的平均值，按照梯形近似计算面积，该部分的流量为：

　　(2)岸边部分 S0采用测线 1 流速作为平均流速，Sn采用测线 n 流速作为平均流速。由于河岸倾斜度和建筑材料等因素的影响，计算靠近岸边的截面部分流量时应当乘以适当的岸边系数 ，选取的方法见《河流流量测量规范》。S0和 Sn部分的流量如下：

　　(3)按照部分面积法计算总的河流流量如(4)式：

　　2硬件组成

　　系统硬件组成如图 2 所示。

　　在图中 P0 口连接 LCD 的数据总线 D0~D7，P1.5、P1.6 和P1.7 分别是LCD 显示控制位RS、RW 和E。P2.0~P2.4 分别连接 5 个按键：↑、↓、←、→和“确定”。流速仪LS25 发出的信号经过光电耦合器和NE555 送到 P1.3 引脚。MAX813 是一个 WATCHDOG 芯片，当单片机正常工作时，由用户程序从 P1.4 发出周期性的脉冲信号;当用户程序发生异常，P1.4 引脚就不再有脉冲信号，而此时 MAX813 就会发出复位信号，使系统重新恢复初始状态。MAX232是一个串口通信芯片。