面向远程计量闸门的超声波液位测量系统开发

毛 潭 周帮平 李 弘 李嘉曦

（北方工业大学 机械与材料工程学院，中国 北京 100144）

0　引言

远程计量闸门是集远程监控与联动、水位和流量测量、闸门控制于一体的现代化水资源动态调度设备[1]，也是我国建设信息化灌区的关键设备[2]。对于提高灌区水资源的利用效率和节约用水具有重要作用。远程计量闸门是通过对水位和闸门开度等信息的实时测量来实现闸门的分水控制和流量计量功能，目前常用投入式液位计测量闸门上下游的实时水位，但投入式液位计对我国黄河灌区的泥沙淤积环境存在测量失灵问题，而现有的非接触式液位计存在可集成性差，精度漂移大的缺陷。因此本文面向远程计量闸门的实际应用，开发具有良好集成性和环境适应性的高精度超声波液位测量系统，具有重要工程意义。

1　超声波液位测量系统构成

远程计量闸门由安装于各级渠道上的自动计量闸门集群和运行于调度中心的远程调水控制系统组成[3]。超声波液位测量系统用于测量闸前和闸后水位，通过Mod bus协议与闸门控制器进行通讯。整体的超声波液位测量系统结构如图1所示：

2　超声波液位测量系统硬件电路

超声波液位测量系统主要由硬件电路部分和软件部分组成。硬件电路主要包括超声波收发电路、温度补偿电路、电源电路和串口通讯电路。

图1　超声波液位测量系统结构图

2.1　超声波液位测量收发电路

超声波发射电路主要由三极管Q2（S8050）和中周变压器组成，频率为40KHz的PWM波经过功率放大从而驱动超声波换能器，R3为超声波收发一体换能器匹配电阻。

接收回路主要包括放大电路，带通滤波电路，比较电路和限幅电路。放大电路，带通滤波电路和比较电路采用TL074四通道运放芯片搭建。TL074是一款高性能低功耗高速运算放大器，具有低输入偏置电流和低电平转换速率。低谐波失真和低噪声使TL074非常适合高保真和音频前置放大器应用。回波信号先经过电阻 R19和二极管 D1、D2（1N4148）组成的限幅电路，然后依次经过由TL074运放芯片搭建的前置放大电路、带通滤波电路、比较电路，最后由三极管Q1组成的限幅电路将放大后的信号控制在3V3以内，经PA6传送给ADC模块。超声波发射电路和接收电路分别如图2和图3所示：

图2　超声波发射电路

图3　超声波接收电路

2.2　串口通讯电路设计

为了便于超声波液位计的测试，调试和数据传输，在硬件电路中设计了RS232接口和RS485接口。RS232选用遵循RS232通讯协议的MAX3232芯片，芯片的11、12引脚分别与主控芯片的 PA9、PA10相连。RS485选用遵循RS485通讯协议的MAX485芯片，芯片的1、2、4引脚分别连接芯片的 PA3、PA1、PA2。其电路原理图分别如图 4a、4b所示：

2.3　温度补偿电路设计

由c=331.4+0.607T（T为摄氏温度）可知温度对超声波的传播速度影响很大，所以为了提高测量精度，加入了温度补偿模块以减小测量的误差。DS18B20是单总线数字式温度传感器，具有体积小，电路简单，抗干扰能力强，精度高等特点，其温度测量范围是－55～＋125℃ ，在－10～＋85 ℃，准确度为±0.5℃[4]，完全满足明渠水温的测量，所以在设计中采用DS18B20进行温度测量。

图4.a　RS232原理图

图4.b　RS485原理图

3　软件部分设计

软件设计部分主要采用模块化设计，包括主程序、超声波发射和接收子程序、温度采集子程序、定时器中断子程序、信号处理子程序和串口通讯子程序。系统程序初始化之后先检测温感测量的环境温度，因为环境的温度对超声波的传播速度影响很大，为了及时修正测量数据，保证测量的精度，在程序设计中优先考虑测量环境温度。如果检测不到环境温度，程序将会跳出主程序，不执行超声波的发射和接收子程序。为了进一步提高测量精度，减小精度漂移，在接收子程序中加入了软件滤波功能[5]。由于发射脉冲数为16个，所以在检测接收回波时判断接收的回波个数，回波个数大于6个的视之为有效回波。取连续10个有效回波，去掉最大值和最小值之后取平均值，得到一次有效的测量距离。这样就有效的避免了某些偶然因素造成的测量精度漂移大的问题。流程图如图5所示：

4　实验数据及结果

超声波液位计的安装高度为3米，安装误差±1mm。用投入式液位计作为标定，其量程为0-3米，标定误差≤1mm，稳定性能≤0.2%Fs。两者的测量数据直接在闸门控制器的闸前和闸后水位栏显示，闸门处于全开度状态，闸前和闸后水位相同。常温下声波的传播速度通常取为固定值340m/s[6]，具体的超声测量数据与投入式液位计的测量数据如表1所示，超声波液位测量实物图如图6所示，现场试验图如图7所示：

图6　超声波液位计实物图

5　结束语

面向远程计量闸门开发的超声波液位测量系统，具有安装简单，接口嵌入方便的优点，采用智能环境补偿算法提高了液位计的精度和测量稳定性。经实际工程应用，该液位测量系统性能稳定、环境适应性强、测量精度达到0.3%，满足我国灌区信息化建设测控智能闸门的应用需求。

图7　现场试验图

表1　超声波液位计测量结果

【参考文献】

［1］张从鹏，吴玉宣.基于ARM的明渠区域动态调水控制系统开发[J].中国农村水利水电，2016(10)：83-85.

［2］张从鹏，岳向泉，罗学科，等.基于ARM的远程自动控制计量闸门控制系统[J].仪表技术与传感器，2014(2)：57-58.

［3］张从鹏，罗学科，李玏一，等.面向灌区调水工程的远程自动计量闸门研究[J].农业机械学报，2014(8)：172-177.

［4］龚志勇，程远，勾勇华，等.采用DS18B20作温度补偿的超声波液位计[J].测控技术，2004(11)：6-10.

［5］苑洁，常太华.基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计[J].电子设计工程，2011(8)：76-78.

［6］张海鹰，高艳丽.超声波测距技术研究[J].仪表技术，2011(9)：58-60.