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针对工业污水流量的测量问题而研发超声波污水流量计

作者: 来源: 发布时间:2018-04-02 09:56:08

摘要:针对工业污水流量的测量问题,提出一种基于超声波的污水流量测量方法。通过对污水流量的测量原理的分析,设计出了以新型单片机PIC16C73为核心的流量测量系统。实践表明,该测量系统结构简单,测量准确度高,功耗低,适应性强,能在恶劣环境中工作。
 目前,工业污水一般经明渠排放,其流量测量包括接触式和非接触式两大类,其中接触式测量由于存在传感器受腐蚀,易被异物缠绕和损坏等问题,其应用受到很大局限,而非接触式测量技术随着电子器件迅速发展,将具有更大的应用潜力。针对此情况,研制开发了基于超声波的污水流量测量系统,其特点耐腐蚀、易安装,电路简单可靠,故障率低,测量准确度高。
1、污水流量测量基本原理:
 在污水排放口安装标准水堰槽(三角堰、矩形堰、巴歇尔槽等),利用安装在槽顶的超声波换能器向水面发射脉冲并接受反射波原理来测量液位高度。其污水测量原理图如图1所示。超声波在某环境温度下传播速度关系式为Vθ=331.5+0.607θ,(1)式中 θ为环境温度。

污水测量原理图
图1 污水测量原理图


 根据发射波与反射波的时间差和声波传播速度得到堰槽到液面的高度关系式为H1=12Vθt,(2)式中 Vθ是超声波在空气中某温度θ℃时的传播速度;t是回波时间。由图1可知液位高度关系式为H=L-H1,(3)式中 L是超声波换能器距堰槽底的高度。瞬时流量Qi关系式为Qi=CH,(4)式中 C为堰槽参数。累计流量Qm关系式为Qm=QiΔt,(5)式中 Δt为采样间隔时间。超声波传感器把测得液位信号式(3)通过调制解调器传送给上位机,上位机通过公式(4)、式(5)处理后,即可得到瞬时流量和累积流量数据显示。

2、测量系统的设计:
 该系统以PIC16C73单片机为核心,由超声波发射接收电路、信号处理电路、555振荡电路、测温电路、调制解调电路组成。系统结构框图如图2所示。

系统结构框图
图2 系统结构框图


 超声波产生和发射电路是由PIC16C73[1]单片机IO口连接555振荡器[2]使能端来控制超声波的发射,通过555振荡器产生35~40kHz脉冲信号作为发射激励信号,发射一束超声波,同时启动定时器1开始计数,当超声波遇测污水液面反射后又被接受换能器接受,经过信号处理集成电路CX20106/A处理后,把转换后脉冲信号送到单片机捕捉输入端,一旦到了该信号上升沿时,CPU产生中断,此时TMR1寄存器的值存入捕捉器中,该值就是回波计数值,从而可以计算出回波时间。
   超声波接收和信号处理电路是该流量计设计的关键技术。由于发射信号接触液体表面时会出现漫反射现象,以致接收到的信号仅是反射信号一部分,信号比较微弱,同时又存在信号失真情况,并且信号处理电路要求有一定通频带宽,另外,考虑成本及功耗,采用具有电压增益高、抗干扰能力强、低功耗等优点的接收处理集成电路CX20106/A[4]。它内部由前置放大电路、限幅电路、带通滤波、检波、积分和比较电路等部分组成。主要性能指标:带通滤波器的频率范围为30~60kHz、电压增益:大于74dB、低电压供电(V+=5V)、低功耗(V+=5V时,典型功耗为9mW)。如图3所示,该电路结构简单,避免了因电路设计复杂性而引起的系统误差,性能稳定,提高了测量的准确度。

信号处理电路原理图
图3 信号处理电路原理图


  调制解调电路采用FSK调制解调器MSM7512B,传送速率为1200BPS,通过电话线,将现场测得数据传送给上位机,由上位机处理、显示。测温电路采用电流输出型温度传感器AD590,进行环境温度测量,并把输出的电流转换成电压送给PIC16C73单片机A/D输入输出通道,进行A/D转换,实现温度测量,修正声速。

3、实验及结果分析:
 由于超声波传播速度直接影响发射波与反射波的时间差的测量,从而影响液位测量结果。实验表明,超声波传播速度会受环境温度、气压等影响。其变化规律为:温度变化1℃,声速变化约为0.17%;气压每变化0.1kPa,声速约变化0.05%,可见声速受温度影响最显著。因此,将超声波换能器固定标有刻度1m量程水箱顶端,通过空调和加温的办法改变环境温度,获得不同的液位高度,其结果如表1所示。

实验数据
表1 实验数据


 将上述数据运用最小二乘法进行直线拟合得Vθ=331.5+0.607θ,并对这些数据分析和验算得知声速与环境温度基本成线性关系,液位高度检测误差2mm,由此可知,超声波流量计检测准确度0.2%。工程实践证明,这样测量准确度已比较高,足以满足工业排放污水流量检测准确度要求。

4、结束语:
  该流量计采用了高性能微控制器PIC16C73,解决污水液位测量准确度问题,并且设计的硬件电路结构简单、体积小、功耗低、灵敏度高、性能稳定,已成功应用环保部门监测领域。使用情况表明,该系统能稳定正确跟踪水面变化,可靠性好,安装简便,成本低,具有较好的推广应用价值。

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