明渠流量计的设计.doc

明渠流量计明渠流量计是用于工矿企业渠道、管线供水和污水排放的流量测量仪表。是环境监测系统对污水排放总量控制和排污收费的必备工具。也可用于水源河流、农业水利灌溉方面的水量、制药和化工的液位测量等。为了加强对城市排水和企事业单位排水量的管理，需要有统一的排水流量测量方法。为此，参照国际标准ISO 4360-1984 堰槽明渠水流测量——三角形剖面堰等标准，我国制定了城市排水堰槽流量测量技术标准，包括：三角形薄壁堰测流、矩形薄壁堰测流等5种技术标准。 ????? 在我国，明渠流量计大部分引进国外产品，比较昂贵。而国内生产的空气式明渠流量计，由于超声波被水面悬浮的泡沫所吸收，无反射回波，导致不能测量。本文作者设计的流量计使用沉人式传感器，特别适合于表面多泡沫和漂浮物的流量测量。且结构简单、价格低，在测量精度方面能够达到工业应用的要求。 ????? 1 测量原理 ????? 超声波自补偿明渠流量计采用超声回波技术，通过测量标准流量堰（槽）的液位高度，由计算机运算得到流量。当被测液体介质通过流量槽（巴歇而槽）或堰（直角三角形缺口薄壁堰、矩形缺口薄壁堰、等宽箔壁堰等）形成自然流动时，以三角形薄壁堰测流为例（由我国制定的技术标准），三角形薄壁堰的形状见图1，图中，α为堰口角，（°）；h 为堰顶水头，m；P 为堰高，m；hmax，为堰顶最大水头，m；B 为行进渠道宽度，m；b 为堰口高度，m。 ????? 堰口角的使用范围为α=20o～100o，常用堰口角α=90o。 ????? 其流量Q与流量槽的水位h有如下关系 ????? ????? 式中Ce为流量系数；g为重力加速度，gn= 9.8 m/s2；he为有效水头，m。 ????? 当图1中α=90o时，Ce值由图2查得。 ????? he值按下式计算 ????? he=h+Kh， ????? 式中h为堰顶水头，m；Kh为粘滞力和表面张力综合影响的校正值，m。当α=90o时，Kh为0.00085 m。 ????? 当tg α/2 =1 时，流量公式转化为 ????? Q=2.3625 Ceh5/2， ????? 式中h为液位高度，m。 ????? 本仪表的超声测距原理是：通过安装在堰（槽）测流装置上的超声波传感器，由流量计内的单片机输出一定频率电信号，激励探头中压电晶体发射特定频率的超声波信号，并在发射时刻同时启动定时器开始计时，该超声波信号通过被测液体介质传播，遇到标准杆处，其中，一部分产生第一次反射回波，而其余部分继续在水中传播。反射部分反方向传播，进入探头，引起探头晶片振荡，产生声能—机械能—电能转换，使探头输出第一个电信号。而在水中继续传播的超声波到达水面时，由于水面以上是气体（空气），在气液交界面产生第二次反射回波，反射回波反方向传播反射到压电晶体上，使探头输出另一个电信号。即在参比面（标准杆）上产生第一次反射回波，在气液交界面上产生第二次反射回波，当探头接收到反射波后，立即停止计时，这时，计时器就记下了超声波从发送到接收的传播时间t0和t1，根据式（1）可算出探头到液面的高度。 ????? 水介质超声波液位传感器在超声流量计的控制下，进行超声波发射和接收，由反射波的传播时间来计算传感器与液面之间的距离和堰（槽）顶水头h，如图3。 ????? 由图3所示参数关系，有 ????? H1=h0t1/ t0???????????????????? （1） ????? H=h0t0/ t0- H0 ????? h=h0t1/ t0- H0- P?????????? ??（2） ????? 式中t1为传感器至液面的超声波传播时问；t0为传感器至标准反射体之间的超声波传播时间；h0，P，H0为实测值；P为堰高，m。 ????? 当有较多泥沙沉积时，采用静水井，静水井设在行进渠道的一侧。距堰板上游面（4~5）hmax处。渠道和静水井之间用连通管相连，管子尽量缩短，并定期清洗探头。行进渠道的长度不小于最大水头时水舌宽度的10倍，行进渠道的水流应为均匀稳定的亚临界流，若流速不能满足此规定时，可用导流板整流，使其形成自然流动，流速趋于平稳。 ????? 2 系统硬件的构成 ????? 超声波明渠流量计由超声波发送电路、超声波接收电路、电源、探头等构成，如图4。 ????? W77E58单片机是高速单片机，与传统的8052系列单片机相比，其机器周期仅包含4个时钟周期，执行指令速度是8052的1.5倍到3倍，晶体频率可达到40MHz，有3个16位的定时器/计数器，用做定时器时，可对4个时钟周期计数，其定时时钟为10MHz，测量时间的分辨力为0.1s。而AT89C52的晶振频率为24Hz，它的定时频率为2MHz，测量时间分辨力为0.5s。因此，利用W77E58可提高测量时间的精度。