明渠非接触式流量计的相关设计介绍

阅读次数: 更新时间:2019-05-07

  为了对腐蚀性较强的流体进行流量计量,本研讨提出了一种新式非接触式流量计的规划。该流量计选用了先进的微处理器和机电一体化技术,具有时间份额、流量份额两种采样方式,可全天候对流体流量进行实时采样。整机准确、牢靠、且操作简略、保护便利。对天然水源、工业废水、未处理污水及以处理污水均能完结水质采样进程中的流量计量。可广泛运用于制药、冶金、电镀、造纸、化工、轻纺、食物、污水处理厂等行业和科研部运用。

  1 明渠污水流量计简介

  1.1 明渠流量计

  明渠流量计是在非满管状打开途径测量自在表面天然流的流量仪表。非满管态活动的水路称作明渠,测量明渠中水流流量的称作明渠流量计(openchannelflowmeter)。明渠流量计除圆形外,还有U字形、梯形、矩形等多种形状。明渠流量计运用场所有城市供水引水渠、火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用途径。国内运用数据估计约占流量仪表整体数据的1.6%。

  1.2 流量计结构类型

  明渠流量计具有巴歇尔槽结构和堰式槽结构两种,可以依据现场不同的状况进行选用。假设下贱水量疏通,场所宽广,可以选用巴歇尔槽结构,反之则可以选用堰式结构。别的还带有非满管测量结构,下贱水位凹凸改变不会影响测量效果。一般的适用流量规模为0.5吨/小时~20000吨/小时。

  流量计在结构上一般由流量计传感器和流量计转化器两部分组成。一般状况下,传感器和转化器是分体的,传感器装置在监测进程感受流量信号;转化器将传感器送来的流量信号进行扩大,并转化成标准电信号,以便进行闪现、记载、积算和调理控制。也有的流量计将转化器和传感器装在一同,组成一体型流量计,可就地闪现和远传闪现及控制。

  流量计传感器首要由测量管组件、磁路系统、电极及烦扰调整组织部分组成。为了使传感器安稳牢靠地作业,准确地感受流量信号,传感器应满意如下要求:

  1)能供给一个足够大的且与流量成正比的电势信号;

  2)能把烦扰信号按捺到最小程度,使信噪比足够大;

  3)能习气恶劣环境条件,作业牢靠。

  2 系统的控制原理

  对明渠流量的测量办法首要有直接法和间接法两大类。

  直接法是对明渠中某些质点的运动速度进行测量,找出这些质点的运动速度与流体在明渠中的均匀速度之间的联络,以及明渠的横截面积,然后得到经过明渠的流量。直接法由于很难找出某些质点的运动速度与流体在明渠中的均匀流速之间的对应联络,因而很少被选用。

  间接法是在明渠中装置水量具,使之对明渠中的被测流体构成束缚阻力,然后在水量具的上、下贱构成与明渠横截面上均匀流速有关的液位差。假设可以保证水量具下贱出口处的液位不变,测量水量具的上游液位即可反映明渠横截面上的均匀流速。找出其对应联络,用测量水量具上游液位的办法即可得到明渠截面上的均匀流速,然后达到明渠流量测量的目的。上游测定点处的水位h与瞬时流量q有确认的对应联络:h=f(q),只需测出该点的水位即可测出该点的流量。间接法在明渠测量中首要靠测量液位高度h来完结,运用比较广泛,是现在明渠流量计的首要测量办法。

  实践运用中,明渠中的水质多有污染,特别是含油废水的测量,往往由于浮力的改变,使得传感器遭到烦扰而测量不准确。因而本文提出用非接触式的超声波传感器替代现在流量计中广泛运用的接触式液位传感器。

  本系统由槽(堰)、超声波流量传感器和控制器三部分组成。超声波传感器与污水不接触,能坚持传感器的不受腐蚀,但水中的漂浮物可能影响测量真实性。控制器以DSPTMS320LF2407A为主控芯片,完结现场数据采样、数据运算处理,其串口通讯可完结长途数据传输和监控功用。系统结构框图如图1所示。

  当水经过流量槽(Parshall-巴歇尔槽)构成天然活动时,其流量Q与流量槽上流水位H的联络为:

  Q=KHn

  式中K、n分别是流量系数和巴歇尔槽结构的喉部尺寸,实践现场依据不同的状况,不同的尺寸赋予不同的值。关于不同标准的槽或堰有不同的值,H是液位高度(m)。

  超声波液位传感器在DSP的控制下,进行超声发射和接收,由超声波的传播时间T来核算传感器与液面之间的距离:

  h=(C*T)/2

  式中C为超声波在空气介质中传播速度(m/s),若传感器至流量槽堰零液位时距离为hmax,则液位高度H=hmax-h。

  3 系统控制器的单元组成

  规划流量测量仪器,采样精度要求较高,采样速度较快,并且由于现场存在烦扰,需求对测量数据进行滤波处理,数据处理量较大。并且由于污水流量计一般状况下都装置在户外,考虑检测及保护的需求,控制器应具有长途数据传输功用,综合以上各因素,选择DSP数据信号处理器作为主控芯片。

  3.1 主控芯片

  DSP控制器,具有处理功用更好(30MIPS)、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转化速度更快等特征,FLASH芯片有高达32K字的储存器,1.5K字的数据/程序RAM,544字双口RAM(DRAM)和2K字的单口RAMSRAM),其灵活的指令集、高速的运算才干、改进的并行结构为系统规划供给了经济的可编程解决方案。其功用首要有:

  高功用16路10位A/D转化器,适用与多路数据搜集和控制系统,A/D转化时间为500ns。具有主动排序功用,使最大为16路的转化在同一转化期间进行而不会添加CPU的开支。

  集成有串行通讯接口(SCI),使之可以与系统中的其他控制器进行异步通讯以及多处理机通讯。

  16位的串行外设(SPI)接口模块,可用于闪现驱动器、日历时钟等器材的扩展。

  两个事情办理模块EVA和EVB,每个包括:两个16位通用定时器;8个16位的脉宽调制(PWM)通道。

  电源办理包括3种低功耗方式,能独登时将外设器材转入低功耗作业方式。

  在明渠污水流量计系统中,首要运用其高速A/D接口和通讯接口等,可以简化系统的硬件规划,其运算速度和3.3V电源供电的低功耗方式均可满意测量仪器的要求。

  3.2 模数转化ADC及数字滤波

  模数转化模块带内置采样/坚持(S/H),包括两个独立的最多可选择8个模仿转化通道的排序器,这两个排序器可被级连成一个最多可选择16个转化通道的排序器,如图2所示。

  在给定的排序办法下,4个排序控制器决议了模仿通道转化的次第,多个触发源可以发动AD转化,本系统AD采样由定时器1(EVA)来软件触发,定时器周期设为0.125毫秒,故每0.125毫秒采样一次,在AD间断服务程序中,把存储在16个效果寄存器(RESULT0-RESULT15)采样效果保存到内存中去。

  若第一路信号的值ADC0_result为“0x0322”,由于LF2407A的AD是12位精度的,最高输入电压为3。3V,则AD通道0搜集到的电压值x可按下式核算:

  本系统选用耐酸耐碱型的超声波明渠流量计,该流量计可以用来接连监测明渠中污水的流量并累计流量,也可以作为非接触式液位计运用,适用于水利、水电、环保以及其它工农业明渠条件下的流量测量。它输出4?20mA信号连接到DSP中,图3为把4?20mA电流信号转化成0-3.3V电压信号供给给DSP采样的转化电路,其间:R1?R4阻值为1kΩ,R5为10kΩ,C1为22μ/35v。

  在定点DSP芯片中,选用定点数进行数值运算,其操作数一般选用整型数来表明。水位的采样频率为8kHz,每个水位样值按16位整型数存放在一个文件中,低通滤波的截止频率为800Hz,滤波器选用19点的有限冲击呼应FIR滤波。

  FIR 滤波公式为

  依据采样频率和到频率以及滤波器的阶数确认滤波器系数如下:

  结合DSP的数据处理特征,选用数字低通滤波对采样信号进行处理,滤除被检测信号的高频采样烦扰,对系统的检测和计量有良好的效果。

  DSP的指令周期为25ns,使得流量的快速核算成为可能。程序每秒钟控制超声波传感器检测一次水位,核算出一秒种的流量,并进一步累积为时流量、日流量、月流量、年流量和总累积流量,由串行口传给上位机。

  3.3 串行通讯规划

  为了完结对污水流量计系统的实时监控,将运转参数实时的传输到液晶屏上进行闪现,一同也可以便利的经过键盘对逆变系统的参数进行在线修正。为了使系统愈加智能化,发挥核算机的控制优势,选用RS-485总线将多个子系统与上位机之间串行通讯,串行通讯接口SCI模块接收器和发送器是双缓冲的,每一个都有自己单独的使能和间断标志位,串行口经过一片MAX3082和一个RS-485与RS-232的电平转化器与上位机进行通讯。其485接口电路如图4所示。

  图4中作为RS-485接口芯片,适用于半双工通讯办法。它选用平衡驱动和差分接收,具有按捺共模烦扰的才干,可用于恶劣环境中,最大通讯距离可达1200米。它具有发送使能和接收使能控制,当使能无效时,发送和接收的输出端呈高阻状况。运用MAX3082构成通讯系统时,最大通讯速率为0.125Mb/s,传输线上最多可挂128个收发器。

  在上位机的通讯接口中,本系统运用牛顿-7520作为RS-485与RS-232的电平转化器,其接口为标准的RS-485和RS-232总线接口。它具有300bps~115200bps的自习气波特率,一同内部在RS-232侧加有3000V的直流阻隔。

  DSP串行口初始化:

  4 结束语

  由于选用非接触测量办法,防止被测介质对传感器的腐蚀,特别合适污水流量的测量。控制器选用DSP数字信息处理技术,集信号检测、信号转化、闪现输出、数据传输、长途监测等功用于一体,适用于不同槽(堰)和传感器,具有通用性。

  由于DSP的作业频率较高,如TMS320LF2407A时钟频率为40MHz,而一般单片机的时钟频率仅为11.2MHz,故其数据读写周期相对单片机而言很短,然而PC机串口读写速度较低,最大数据吞吐量约为115kbps,虽然DSP在与这些慢速外设进行数据交换时可以参加额定的等候周期,但是在实时性要求苛刻,算法复杂的场合,将DSP从这些冗长的等候周期中解放出来,将其时间要点放在处理要害的实时使命中去,有着重要的实践意义

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