排水流量测量用声学多普勒流速仪设计及实现

赵军华 ，冯 阳 ，李 丛 ，刘广山

（1. 深圳市宏电技术股份有限公司，广东 深圳 518112；2. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098）

0 引言

随着城市化进程的加快，城市排水管网的长度快速增长，雨污水的排放对城市水环境造成的影响日益严重，准确测量排水流量对雨污水排放控制、污水处理厂水量水质调度、管网水动力模拟、洪涝模拟与预报具有重要意义。排水管网的淤积检测和维护耗费巨大的人力、物力，若能通过流量计实现淤积深度的测算，可实现对管网的有效清淤及定期维护，保障管网的设计排水能力，有效支撑汛期的城市排涝工作。

由于排水管道处于非满管、高浊度、管底淤积、水面油污与漂浮物多、易燃/易爆气体充斥的恶劣工况，因此流量测量的难度大。近年来，基于声学多普勒原理的流速测量技术得到了快速发展，并陆续应用于流速、流量测量[1–3]，但声学多普勒流速仪在国内应用于排水管道流量测量的案例还比较少，国外有流速仪设备供应商提供排水管网某时期流量测量数据服务（设备租赁）的案例。电波流速仪虽然测速时不受水面漂浮物、水质、水流状态的影响，但其在排水井中的安装不易实施，且发射功率较高，更适合于作手持式测流应用。转子式流速仪由于转子部件易被排水管中的纤维、布条、杂物等缠绕而无法正常工作，因此不适合用于排水管道的流量在线监测。为适应排水管道的恶劣工况，针对排水流量测量仪器应易于快速安装部署，不受淤积物的影响，且保证测量精度等要求，设计了新型声学多普勒流速仪（以下简称多普勒流速仪）用于排水流量测量。

1 多普勒流速仪硬件设计

多普勒流速仪的硬件电路主要包括超声波发射、接收和水位测量等电路[4]。发射和接收信号均由STM32L486 微控制器产生和处理计算。硬件电路功能框图如图1 所示。

1.1 超声波发射电路设计

主要包含 PWM 信号产生、驱动、光耦信号隔离、功率匹配等电路设计。由 STM32L486 产生一个1MHz 的推挽 PWM 输出信号，经功率放大后输入至驱动电路，增加 PWM 信号的带载能力。发射信号经过功率匹配电路后，可提高超声波发射时的能量转换比[5]。发射驱动电路如图2 所示。

图1 硬件电路功能框图

PWM 信号由 STM32L486 微处理器产生，由于微处理器管脚驱动能力有限，须通过与非门增加带载能力，再进入光耦隔离电路，实现驱动信号电路与超声波发射电路的隔离，进而消除负载变化对前端电路的影响。

超声换能器的能量转换比代表发射功率的转换效率，通过合理设计保证发射电路的阻抗与换能器匹配，使之处于谐振状态，可以最大程度地提高能量转换效率，降低能耗。

1.2 超声波接收电路设计

接收模块主要包含小信号放大、带通滤波、混频、低通滤波等模拟电路。水中悬浮物散射回来的超声波信号是非常微弱的高频小信号[6]，幅度只有几十到几百微伏，不能直接进入混频电路进行降频处理。而且接收回来的超声波信号包含大量的噪声，需经过小信号放大和带通滤波后才能进行降频和低通滤波处理。混频电路如图3所示。

1.3 水位测量电路设计

为进行排水管网断面流量计算，除需要水流速度外，计算测量断面面积时还需要水位高度。由于水位高度和流速仪安装位置决定流速仪测量速度值与面等效流速的率定关系，因此水位的精确测量在流量计算中非常重要。本设计中水位采用集成的压力采集模块测量（通过 I2 C 接口与嵌入式微控制器通信），此模块主要基于压阻式膜片实现排水管道水位测量，由于内置温度传感器，可实现水位和流速的温度补偿。

图2 发射驱动电路图

图3 混频处理电路图

压力采集模块中的压力膜片属于表压式测量元件，通过线缆内的导气管与井口处大气压连通，省去了大气压测量电路，减少了电路设计的复杂性。由于导气管内置于线缆之中，与线缆中的电源线、通信线一起引到井口的电池处，因此工艺生产上也易实现。

针对排水管道中的淤积问题，压力采集模块放置于流速仪底部专门设计的安装孔内，压力膜片透过两级保护隔离层与雨污水接触，保证膜片不被污染物覆盖与侵蚀，从而保障水位测量的精度。靠近压力膜片的保护层是一片内嵌若干细小针孔的不锈钢圆片（直径为 2 cm），接触污水的保护层是一片带有若干稍大圆孔（孔径为 3 mm）的橡胶塞（直径为2.5 cm），这样的结构设计既保证膜片与污染物的隔绝，又便于拔出塞子进行清洗维护。

针对压力膜片可能产生的精度漂移，每次安装前都会通过配置管理软件对流速仪执行一次自动校准操作，以保证入水测量前的大气压测量值的准确性。对压力测量的温度漂移，通过压力采集模块内置的温度传感器根据压力元件的温度曲线进行温度补偿。

1.4 流速仪结构设计

按 IP68 防护等级进行流速仪结构设计，采用STM32 系列微控制器和 ZoomFFT 选带傅里叶变换算法，有效保证测量结果的稳定性并具有毫米级别的速度分辨率；电路具有过电压、浪涌电压及电源极性反接等保护功能，可避免操作失误而引起的电气损坏。尤其适用于浊度 ＞ 20 mg/L 的流体流速、流量测量，同系列产品也可应用于固液两相流的流速、流量测量。

安装到水底的流速仪，避开了表面油污和漂浮物的影响，但会面临管底淤积的考验。由于污水中充斥着各类纤维、布条、毛发、塑料袋等杂物，如果通过机械清洗装置进行自清理维护，各类纤维可能会缠绕住机械动件，为流速仪附带的清理设备带来更大的故障隐患。因此考虑到管道淤积对超声换能器的遮挡和覆盖威胁，流速仪的外壳结构采用流线性设计，尽量减少在水中的阻力，降低形成淤积的概率。同时 2 个超声换能器的最优间距、2 探头轴线平行且与安装底面呈特定夹角的设计，除可保证声波信号的最佳质量外，还可形成涡流冲刷效应，从而保证超声换能器不被污浊物质覆盖。流速仪产品实物图如图4 所示。

流速仪内部全部灌封环氧树脂胶，固化后壳体结构达到 IP68 防水等级，悬挂于井口的电池设备箱按照 ExiaIICT5 标准设计，整机装备满足排水管道测量应用的防水、防爆等级要求。

图4 流速仪产品实物图

流速水位一体化的设计，以及置于水底的安装，通过速度面积法可有效测量排水管道中的非满管浑浊液体的流量，克服了时差法超声波流量计对流体满管、浊度低的苛刻要求。

2 多普勒流速仪嵌入式软件设计

多普勒流速仪嵌入式软件包括超声发射驱动信号产生、发射与接收逻辑时序控制、温度与压力采集计算、信号频谱分析 4 个部分。嵌入式微处理器STM32 内置的模/数转换器（ADC）对接收到的多普勒频偏信号进行采样量化，然后对离散化后的数据进行 ZoomFFT[7]变换，得到频率变化量，通过以下公式可求水流速度v：

式中：f为测量的回波频率；f0为超声换能器中心频率；c为超声波在水中传播速度；θ为换能器与水流速度之间夹角。

再通过自适应中位值平均滤波算法进行处理，就可得到相对精准的流速值。

2.1 ZoomFFT 算法原理

设模拟信号为X(t)，经过抗混叠滤波采样后的序列为

式中：D为细化倍数；M为滤波器阶数；N为 FFT频率分析的点数。

ZoomFFT 算法实现流程可概括如下：

1）构造复解析带通滤波器。

2）选抽滤波。

3）复调制移频。将细化后的起始频率移到零频处，频移量为 Δf。

4）进行 FFT 频谱分析。直接做N点 FFT 频谱分析时，频率分辨率F0与 ADC 的采样频率fs有关，即F0=fs/N，而 ZoomFFT 变换获得的频率分辨率F′0=fs/(N×D) =F0/D，因此分辨率提高了D倍。

根据 ZoomFFT 频谱分析，后频点i与信号频率关系为

式中：fl为带通滤波器的下限频率。

得到此时回波多普勒频率f后，可通过公式（1）推导出水流速度 ，再对v进行补偿校正，从而得到精确的流速测量值。

2.2 自适应中位值平均滤波算法

对于偶然出现的脉冲干扰，移动中位值平均滤波算法可有效地消除脉冲干扰所引起的偏差。若脉冲（干扰值）在空间上出现的概率较大时，移动中位值平均滤波算法则可能导致窗口内脉冲值未能滤除；若窗口过大，则会导致滤波结果失真且降低计算速度[8]。为了改善滤波效果，引入自适应中位值平均滤波算法，该方法综合了中位值和算术平均 2 种滤波法的特性，改变滤波窗口的大小，在中位值平均滤波算法中引入判断操作，以判断窗口内的流速值是否为干扰脉冲。

令初始窗口大小值为W0，最大窗口值为Wmax，vi为窗口内第i个流速值，vmid为窗口内流速中位值，A为门限阈值，vmin为窗口内最小流速值，vmax为窗口内最大流速值。则基本滤波过程如下：

1）若vmin＜vmid＜vmax，则转向步骤（2），否则窗口尺寸增加；当窗口的尺寸 ≤Wmax时，重复判断（1），否则输出vmid。

2）若 |vi-vmid| ≤A，则输出vi，否则输出vmid。

依上述步骤滤波处理后得到不含脉冲干扰的数据，再对数据进行数字滤波处理就可以得到准确的流速值。

3 试验方法与数据分析

为验证硬件设计并优化软件算法，分别进行水槽走车和河道流速测量试验。水槽走车试验的目的是确定相对理想测速条件下流速仪内部电路和算法等参数的最优值，河道实验主要解决实际环境中紊流、层流交织状态给流速滤波算法带来的困难。

3.1 水槽走车试验

水槽走车试验基于相对运动的原理设计，即水槽中水保持静止，而走车以设定的恒定速度带动流速仪在水槽中运动。由于走车速度可设定在全量程范围内（本设计中自行设计制作的走车装置额定速度为 5 m/s，不锈钢水槽长度为 10 m，宽度为 1 m）的任何恒定速度值，为电路和算法的验证带来便利，对于低稳定流速时硬件接收电路的信号灵敏度验证、ZFFT 变换点数的优化尤其有效。通过大量试验，最终确定接收信号放大电路可调增益的放大倍数范围为 5～20，ZFFT 变换的采样点数为 2 048 点。

在华南水文仪器检测中心国家一级水槽测试实验室，将本款流速仪流速测量值与走车标准速度进行流速对比测试，测试数据如表 1 所示。流速仪流速测量值与走车标准速度值的拟合线性度达到99.99%，拟合曲线如图5 所示。即本流速仪的流速校正系数为 1.079 9，线性校正后流速仪流速测量误差 ＜ 2%，满足绝大多数流量测量场合对测量精度的要求。

表1 测试数据 m/s

图5 走车标准速度与流速仪测量值线性度拟合结果

3.2 河道流速测量试验

由于河道中水流伴随着紊流与层流交织的状态，更具有实际应用代表性，因此河道试验可验证流速仪的抗干扰性及动态测量结果。在龙岗河龙城广场段测量处（此段上下游长度接近 300 m，覆盖了各种流态和断面）获取到大量实测数据，为了便于展示，仅截取某测量过程中间段的 85 个测量值进行分析。

图6 是未经过自适应中位值滤波算法进行平滑的原始测量值，可见测量数据波动比较大，测量精度较低，最大与最小值之间的差值也比较大；图7 是利用综合滤波法与自适应窗口后的效果图，从对比结果看，能有效滤除杂波干扰，使数据更加平滑，稳定性和准确度得到大幅提升，滤波效果显著。

图6 未经滤波平滑处理的数据

图7 经过自适应滤波处理的数据

4 结语

多普勒流速仪目前已安装应用于内蒙古灌区信息化工程和部分城市的排水流量监测项目中，可适应各种复杂应用环境和多种测量断面形状的要求，在应用现场数据测量稳定，运行效果良好，有效支撑了农业水价综合改革的灌溉水量计量工作。这些应用表明采用超声波多普勒效应进行流速测量是一种有效的方法，多普勒效应与速度呈现强线性相关性，易于进行流速修正。但在明渠和排水管道流量测量应用中仍无法省略流速标定与对比试验，这源于渠道形状的不规则和管道淤积的变动性，因此后续在多普勒流速仪流速测量功能之外实现断面形状的自动测量具有重要意义。

参考文献：

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[2] 刘阳明，李加伟，吴高庄. 声学多普勒流速仪在封冻期流量测验关键技术探索[J]. 东北水利水电，2010，28 (1) :4-6，15.

[3] 王玉平，谢源源. 声学多普勒流速仪在新疆河流流量测验中的应用及分析[J]. 新疆水利， 2011 (6) : 14-17.

[4] 梁璐，高国旺，殷光，等. 超声波多普勒流量计性能的改进研究[J]. 电子测试，2013 (2): 117-120.

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