明渠污水流量控制系统分析

王利润　苏家兴　李勉

摘 要：国家对污水排放标准的要求越来越严格，于是开发采用低功耗智能芯片控制的新型数字式明渠污水流量计的数据采集处理系统。系统依据巴歇尔槽流量计量原理与超声波流量计相结合，解决了模拟式污水流量计数据采集系统中存在的信号采集容易受到水质及水中泡沫影响，准确度低等问题。

关键词：研究背景；流量传感器；明渠流量计

1 明渠污水流量计量控制系统研究背景

21世纪，工业技术发展迅速，但随之而来的环境污染问题也逐渐加剧，国家乃至全世界对环境保护问题都非常重视，“工业三废” 之一的污水排放的规范化，科学化合定量化得管理已成为国家环境保护法规的一个重要方面，各地环保部门正在根据国家法规的要求，加强对排污口的规范化整治。

2 课题主要内容

根据污水排放政策，国家对排污实行了排污总量控制的政策，在全国范围内推行水污染物排放许可证制度，污水的排放管理成为环保工作的当务之急，而准确计量核定污水流量就成为一项非常必要的基础工作。针对国家污水流量计量技术发展的状况，于是研发了检索式数字水位传感器的数字原理，并且使用低耗能智能芯片控制的数字式明渠污水流量计的数字处理系统。系统依据巴歇尔槽流量计量原理，与超声波流量计结合使用，解决了模拟式明渠污水流量计采集系统中存在的问题，例如信号采集容易受水质及泡沫影响，抗信号干扰性能力差，准确度低，等问题。

3 系统控制原理

该系统由流量槽、超声波传感器和控制器组成。该系统与污水不接触，能保持设备不受腐蚀。控制器用tma320lf2407a当主控芯片，进行数据运算处理，现场数据采集，其串口通讯可实现远程监控和数据传输的功能。系统结构框图如图1。

当被测量的污水流过流量槽时，超声探头向液面发射一束超声波信号，信号到达液面形成反射波，该波又被探头摄取；计算机算出发射波与反射波的时差T，得到探头与液面间的距离。若被测介质全部通过流量槽形成自然流动时其流量Q与流量槽上流水位H的关系为：

公式中：C为超声波在空气中的传播速度，例如传感器到流量槽零液位时距离为hmax，则液位高度H=hmax- h。

3.1 系统控制器的组成

数据处理能量是选择主控芯片的首要条件，由于污水流量计一般情况下都安装在室外，考虑检测及维修的需要，控制器应具有远程数据传输能力，具有较高的采样速度、和采样精度、综合各种因素，选择DSP数据信号处理器作为主控芯片。

3.2 主控芯片tma320lf2407a

在明渠污水流量计量系统中，经常利用tma320lf2407a主控芯片高速接口功能，可以简化系统的硬件设计，其运算速度和高速传输能力等功能均可满足各种测量仪器的要求。

3.3 数字滤波和模数转换ADC

A/D模块带内置保持/采样，包含2个单独的最多可以选择8个模拟量转换通道的排序器，这两个排序器可以连成一个16个转换通道的排序器，如图2。

4个排序控制器决定了模拟通道的转换顺序，该系统A/D采样由定时器1（EVA）由软件触发，定时器设定周期为0.128ms，因此每0.128ms采样一次，把存储有16个结果的寄存器的采样结果保存到系统内存中。

3.4 测量转化电路

该系统采用UTG22-DD型超声波明渠流量计，明渠污水流量计可以用来连续监测明渠中污水的流量并累计流量，还可以测量污水的瞬时流量。它输出4～20mA信号连接到DSP中，图3为把4至20mA电流信号转化成0至3.0V电压信号提供给DSP采样的转化电路。

在定点DSP芯片中，其操作数一般采用整型数来表示。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，滤波器采用19点的有限冲击响应FIR滤波。

有限冲击响应（FIR）滤波器广泛应用于数字信号处理系统中。图象处理以及数据传输，都要求信号通道具有线性相位特性，有限冲击响应（FIR）滤波器具有很好的线性相位特性。

DSP的指令周期为25ns，使得流量的快速计算成为可能。程序每秒钟控制超声波传感器检测1次水位，计算出1s的流量，并进一步累积为瞬时流量、日流量和总累积流量，由串口传给上位机并且显示出数据，用于记录。

为了实现对污水流量计量系统的实时监控，将运行参数实时地传输到液晶屏上进行显示，同时通过RS-485接口可以连接打印机把污水流量等参数及时的打印出来。为了使系统更加智能化，发挥计算机的控制优势，采用RS-485总线将多个子系统与上位机之间进行串行通信，tma320lf2407a串口SCI模块接收器和发送器是双缓冲的，每个都有自己单独的使能和中断标志位，串口经过一片MAX3082[2]和一个RS-485。485与RS-232的电平转换器与上位机进行通信。

4 结语

超声波流量计是一种先进的明渠测量仪器，由于采用非接触测量方式，避免被测介质对传感器的腐蚀，特别适合污水流量的测量。控制器采用DSP数字信息处理技术，集信号检测、数据传输、显示输出、信号转换、远程监测等功能于一体，适用于不同槽和传感器，具有通用性。

参考文献：

[1] 李晶，王斌，朴顺姬.数据库安全技术的研究与实现[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版）. 2008（06）.

[2] 马珺，马福昌.新型板式流量传感器的设计[J]. 太原理工大学学报. 2008（03）.

[3] 邓文艳. SQL Server数据库备份和还原[J]. 山西财经大学学报. 2007（S2）.

[4] 肖汉敏，冯毅.串行通信在实时数据采集中的应用[J]. 微计算机信息. 2007（13）.

[5] 贾轶然，邱玲，王寒梅. 抚顺市污水流量监测技术研究[J]. 辽宁化工. 2006（07） .

[6] 赵宁燕.巧用SQL Server触发器保持数据完整性[J]. 起重运输机械. 2006（04）

[7] 朱武，钟瑜，陈涛.基于VB的石油馏程仪智能监控系统的通信与数据处理[J]. 自动化技术与应用. 2006（02）.

[8] 王万里，郑扣根，姚翔，吴朝晖.无线网络传感器及其微型操作系统的研究[J].计算机应用研究. 2005（09）.

[9] 柯炜. 无线传感器网络关键技术及其研究难点[J]. 电信科学. 2005（06） .

[10] 徐曉光.基于VB的通信系统研究与开发[J]. 安徽工程科技学院学报（自然科学版）. 2004（03）.

[11] 李荣国，王见. MySQL数据库在自动测试系统中的应用[J]. 计算机应用. 2011（S2） .

[12] 陶德志，王莉. 超声波明渠流量计的设计[J]. 声学与电子工程. 2011（01）.

[13] 孙其博，刘杰，黎羴，范春晓，孙娟娟.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J]. 北京邮电大学学报. 2010（03）.

[14] 苏国良.无线通信技术发展趋势[J]. 移动通信. 2010（10）.

[15] 陈福彬，伍毅，王铁流.基于STM32的人行通道智能控制与管理系统设计[J]. 自动化与仪表. 2010（01） .

[16] 马福昌，姜乐，马珺. 数字式明渠污水流量计数据采集处理系统研究[J]. 太原理工大学学报. 2009（02）

[17] 谢东坡，余成波.基于LabVIEW的信号与系统实验平台的关键技术[J]. 重庆工学院学报（自然科学版）. 2008（05）.

[18] 马珺，马福昌. 新型板式流量传感器的设计[J]. 太原理工大学学报. 2008（03）.

[19] 马珺，王辉. 检索式数字水位传感器智能变送器的设计[J]. 仪器仪表学报. 2008（04）.