便携式矩形渠道自动测流装置的研究

许苗苗，周义仁，李 浩(.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004)

我国既是一个农业大国又是一个缺水大国，而农业用水占了70%左右。为了节约用水，必须对灌区灌溉用水进行计量控制，因此对农田灌区明渠流量的测量至关重要[1]。现在农田灌区常用的量水方法一般有以下几种：水工建筑物量水、仪表类量水、特设量水设备量水、流速仪量水等。从总体情况来看，我国灌区量水的测量技术和设备都比较落后，而且一些测量仪器价格昂贵，灌区承担不起[2]。比如水工建筑物量水虽然简单可行，但是需要人工操作，达不到量水与监测的自动化要求，加上水工建筑物的老化、变形等原因，测量的精度得不到保障；而流速仪量水对测流的断面条件要求极高，所以在灌区量水中用流速仪量水的情况比较少见，通常在试验室中应用，作为一种标准来率定其他测流装置。我国灌区迫切需要的是根据实际需求，尽快地研制和开发既经济、又实用的灌区测流装置[3]。

针对灌区明渠渠道，设计了一种便携式矩形渠道自动测流装置，并采用自主研发的流量传感器，根据伯努利方程测出流速，再用流速面积法算出流量，最后通过有线或者无线的方式将液位值传送到上位机。这种自动测流装置能够在一定程度上解决传统的量水方法存在的弊端，并且能实现水位、流速、流量的自动化测量和实时监测。同时价格相对其他量水方法低廉很多，具有广阔的应用前景。

1 测流原理

伯努利原理的实质是流体的机械能守恒，即动能、重力势能、压力势能三者之和等于一个常数[4]。它是水力学中最常见的基本原理之一，广泛地应用于水力学、科研领域及生活当中。本系统所采用的自主研发压力传感器的测量部分就是利用伯努利原理[5]。其表达式为：

(1)

(2)

式中：p、ρ、v分别为流体所受的压强、密度和流动的速度；h为流体所处的高度；g为当地重力加速度，为常量；c也为常量。

式中的各项分别表示单位体积流体的压力势能、重力势能及动能，其沿流线运动的过程中，和值保持不变，此即总能量的守恒；式(2)中，等号的左边与右边分别表示沿流线运动过程中的任意两点的机械能之和。由伯努利方程可以看出，流速大处压强低，流速小处压强高。本装置的测流原理基于式(2)，在同一高度处放置两个压力传感器，一个平行于水流的方向，正对水流的冲击，测水流的动力势能；另一个和水流方向垂直，测出在这一点水流的静水压力势能。以式(2)等号左边表示测水的静水压力势能，则v1=0，且h1=h2，即压差Δp与流速v能一一对应，求得压差就能求得流速，从而就能算出流量。

2 压力式流量传感器的设计

2.1 传感器的外形设计

便携式矩形渠道自动测流装置的感应部分采用MPX53GP的压力片，它的外表面是一个外径为60 mm，内径为54 mm的PVC管(便于一组压力传感器中的两个处在同一弧度上，减少水的阻力)，在距离最底端2 cm处是第一组测点，以此往上每隔5 cm处放置一组测点，总共10组，此压力式流量传感器总体长度为50 cm，对于一般的明渠水位应该在其测量量程范围以内。每组测点上有两个压力传感器，呈垂直放置(一个测水体的静水压力，一个测水体的动水压力)。每个采集点测孔的直径为6 mm(压力传感器的探头需要裸露出来)。采集板的外表除了压力片的受力面以外其余部分均由绝缘材料环氧树脂进行浇注，这样克服了采集板采集水压信号时受水流导电性的影响并可防止电腐蚀现象的发生，增强了采集板的抗干扰能力，提高了感应部分的稳定性与可靠性。采集板的顶端布置有5V直流稳压模块和LCD1602液晶显示屏[6]。

2.2 传感器的电气结构原理

该传感器的电气结构原理图如图1所示。

图1 传感器的电气结构原理图Fig.1 Schematic of the Sensor's Electrical Structure

2.3 传感器的电路设计

2.3.1主控电路的设计

本装置所采用的传感器是自主研发的压力式流量传感器，整个传感器的核心部分就是STC12C5A60AD单片机控制的主控电路。该电路主要通过控制多路模拟开关(CD4052和CD4097)对检测电路中的MPX53GP传感器依次选通，使MPX53GP采集到的水位压力信号依次传送到放大电路，放大电路将信号放大之后输送给单片机，由于单片机自带A/D转换，单片机将数据进行处理，最终将需要的数据直观地显示在LCD1602液晶显示屏上，主控电路如图2所示。

在时钟电路的设计上，该单片机接了一个18.432MHz晶振，外接两个20PF电容。由于该单片机自带复位电路，P4.7直接接了一个10K电阻到地。液晶显示部分：单片机的P0端口、P4.3、P3.2 和P3.3用来驱动LCD1602。P1.0～P1.3和P2.1～P2.4接多路模拟开关CD4097，P2.5～P2.7接多路模拟开关CD4052，改变这几个端口就能控制多路模拟开关的选通，具体如何控制将在3.5.2中介绍。P3.0和P3.1这两个IO口用来控制与上位机的通信或程序的下载，P1.4为A/D转换的模拟量输入口。

图2 主制电路Fig.2 The Circuit of Main Controller

2.3.2检测电路的设计

检测电路由20个MPX53DP CASE 344B压力传感器并联在一起。检测电路如图3所示，20个压力传感器两两一组：一个平行于水流方向，测出动水压力；另一个于水流方向垂直，测出静水压力。由静水压力可以算出水位高度，动水压力和静水压力之差可以根据伯努利方程算出水流流速。

图3 传感器的检测电路Fig.3 Detecting Circuit of the Sensor

2.3.3通信接口的电路设计

为了能使压力式流量传感器采集到的数据传送到上位机，设计了通信接口。现在无线、蓝牙等通信手段的发展，致使传统的通信模式发生了较大的改变。本通信电路的设计是基于RS232传统的通讯方式，稍加改变，利用现在广泛应用的USB技术，CH340芯片能够实现USB转串口，设计了USB接口，既能通过USB供电，又能通过USB传送数据。

RS232通信的基本原理：由于单片机的I/O口与RS-232串口通信的电平是不同的，所以要使两者之间能够正常通信，必须进行电平转换，使得RS-232串口通信的电平与单片机的I/O口的电平相匹配[7]。本设计采用了MAX3232CPE转换芯片来实现电平的转换。

MAX3232CPE具有匹配时与其他类型的RS232芯片相比功耗更低，但功能是基本相同的，硬件接口简单，器件仅需四个0.1 μF的电容[8]。通过RS232将数据远传到上位机进行观察，达到流量测量的智能化[9]。

通讯接口电路如图4所示。

图4 通信电路Fig.4 Circuit of Communication

3 便携式测流装置的结构设计

便携式明渠自动测量装置如图5所示。

(1)手柄。由于本装置是便携式的，手柄的设计使装置更方便的携带。

(2)液晶显示屏。可以根据观测员所站的位置，通过左右移动载物台来调节液晶显示屏的位置显示水位、流量值。

(3)载物台。载物台可以在固定装置板上来回移动。

(4)伸缩杆。可以根据明渠的宽度来调节装置的宽度，使装置能够固定在明渠上。

(5)压力式流量传感器。压力式流量传感器的顶端通过固定装置而固定，使传感器不会因为水流的冲击而移动。

(6)固定装置。把整个便携式测流装置固定在明渠上。

1-手柄；2-液晶显示器；3-载物台；4-伸缩杆；5-压力式流量传感器；6-固定装置图5 便携式明渠自动测量装置图Fig.5 Automatic Measuring Device for Portable Channel

4 应 用

图6为实验室安装测试现场图及实物照片

图6 安装测试现场图Fig.6 Field test photo

为了测试本装置的可行性，选取了山西某灌区矩形断面明渠进行了试验，经过本装置最终转换成流量，所测数据如表1所示。Q1为装置所测流量，Q2为流速仪所测得的流量。

表1 实验数据Tab.1 Testing data

5 结 语

通过在实际渠道进行的功能性试验，该装置的信号的检测模块，流量的计算和显示模块，数据的传输、接收、处理和存储等模块均实现了既定的功能，验证了该装置的实用性与准确性，具有广阔的市场发展前景。

本文研究设计的便携式矩形渠道自动测流装置通过实验证明基本符合明渠测流的要求，并且精度比较高，实现了灌区明渠自动测流的目标，对推动灌区测流自动化以及灌区信息化的发展起到了重要作用。

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[1] 元江博. 基于RS-485总线的智能变送器设计[D]. 太原：太原理工大学, 2011.

[2] 季仁保. 灌区量水调配与量测技术[M]．郑州：黄河水利出版社，2012.

[3] 默 月，周义仁. 基于电容水位计的明渠流量实时监测系统研究[J]. 中国农村水利水电，2013，(6)：106-109.

[4] 余学昌. 伯努利及伯努利方程的应用[J].中学物理教学参考，2001，30(7)：21-22.

[5] 陈燕黎. 伯努利方程的原理及运用浅析[J].漯河职业技术学院学报，2012，11(2)：86-88.

[6] 王慧聪,周义仁. 基于压力传感器的矩形渠道流量自动检测系统[J]. 制造业自动 化,2015,(6):115-116,126.

[7] 袁家贝. 串口通信在单片机开发中的应用[J].信息技术应用研究，2011,(6)：19.

[8] 王 林,周义仁. 基于毫米级数字水位计的明渠测流系统的研究[J]. 中国农村水利水电,2015,(2):105-107,111.

[9] 周义仁,吕 青,马福昌. 数字式物位传感器的智能化研究[J]. 传感器与微系统,2006,(6):22-24.