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明渠流量测量系统的研究与开发 摘要 ，r、k k 明渠( o p e n c h a n n e l ) 流动指的是具有自由流动表面的水流形式。) 本文所描述 的明渠流量测量系统是用于对属于明渠流动范畴的城市和工矿企业的污水排放 进行流量计量的。该流量测量系统采用卡发基水槽作为次敏感器件实现了流 量水位的信号转换，并通过浮子一杠杆测量机构和磁阻式角度传感器对水位信 号进行拾取并转化为电压信号输出。以单片机应用系统为核心的智能测量仪表 负责对传感器的电压输出信号进行采集和处理，计算和显示出被测水流的瞬时 流量和累积流量，并可根据所设定的单价实现水费的自动计价。本文对槽式流 量测量的基本原理、卡发基槽和浮杆测量机构的设计、角度传感器的信号转换 以及流量计算公式的推导做了全面的阐述；详细介绍了智能仪表应用系统的硬 件电路设计和应用软件的开发及仿真调试；最后对测量系统的各项误差进行了 分析和计算。 关键词：明渠卡发基槽角度传感器瞬时流量累积流量 砼丫 延 t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o i lo p e n c h a n n e l f l o w m e a s u r i n gs y s t e m a b s t r a c t t h e o p e n c h a n n e lf l o w i n g r e f e r st oak i n do f f l o w a g e w h i c hh a st h ef r e es u r f a c e t h eo p e n c h a n n e lf l o w m e a s u r i n gs y s t e md e s c r i b e di n t h i s p a p e ri s u s e df o rt h e m e a s u r e m e n to ft h ew a s t ed i s c h a r g e i nt h e c i t y o rf r o mt h ef a c t o r i e s t h e f l o w m e a s u r i n gs y s t e ma d o p t st h ek h a f a g if l u m ea s t h ef i r s ts e n s eo r g a nt or e a l i z e t h ef l o w h e a ds i g n a lc o n v e r s i o n t h eh e a ds i g n a li sp i c k e du pa n dc o n v e r t e di n t o v o l t a g es i g n a lb y t h e b u o y - l e v e l m e c h a n i s ma n dt h e m a g n e t r e s i s t a n ta n g l e m e a s u r i n gs e n s o r t h ei n t e l l i g e n tm e a s u r i n gm e t e rc o n f i g u r e db ys c m ( s i n g l ec h i p m i c r o p r o c e s s o r ) s y s t e mi s t o s a m p l ea n dp r o c e s st h e 、7 0 l t a g es i g n a lo u t p u tb yt h e s e n s o r c a l c u l a t ea n dd i s p l a yt h ev a l u eo fi n s t a n tf l o wa n dt o t a lf l o w f u r t h e r m o r e ，i t c a ns h o wt h ec h a r g e m e n ta c c o r d i n gt ot h ep r i c eo fw a t e rs e tt h r o u g ht h ek e y b o a r d t h i s p a p e rg i v e s a c o m p r e h e n s i v ep r e s e n t a t i o n a b o u tt h ef u n d a m e n t a lo ft h e f l o , 一m e a s u r i n gm e t h o db yf l u m e ，t h ed e s i g no fk h a f a g if l u m ea n dt h eb u o y - l e v e l m e c h a n i s m ，t h es i g n a lc o n v e r s i o nb yt h ea n g l em e a s u r i n gs e n s o ra n dt h ed e d u c eo f t h ef l o we q u a t i o n i ta l s oi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g n t h ed e v e l o p m e n ta n d e m u l a t i o no ns o f t w a r eo ft h ei n t e l l i g e n tm e a s u r i n gm e t e ri nd e t a i l t h ee r r o ro ff l o w m e a s u r e m e mi sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e di nt h ee n de i t h e r k e 3 uo r d s ：o p e nc h a n n e l ，k h a f a g if l u m e ，m a g n e t r e s i s t a n ta n g l e m e a s u r i n g s e n s o r ，i n s t a n tf l o w , t o t a lf l o w 致谢 在研究生阶段这两年半的时间里，通过系统的学习和对课题的研究，本人 在理论、科研以及实践能力等方面都取得了长足的进步，顺利的完成了研究生 阶段的学习任务，这一切都是与曾经关心和帮助我的老师和同学是分不开的。 首先衷心感谢我的导师一苏梅俊老师。在这两年半的时间里，特别是在课 题研究阶段，苏老师不但为我提供了良好的学习与实践条件，并耐心的帮助我 解决工作中遇到的各种困难。在本课题的研究工作中，苏老师严谨求实的治学 态度，循循善诱的长者风范给我流下了深刻的印象。虽然在工作中我遇到了不 少困难和挫折，是苏老师耐心的教导和鼓励以及身体力行的帮助使我克服一个 个困难从而顺利的完成研究任务。而且，苏老师为了减轻我的工作负担，亲自 为我解决了许多实际问题，使我能够全力投入到课题的研究，为此我表示深深 的歉意。值此论文完成之际，谨向导师表示最诚挚的谢意和崇高的敬意。 其次，非常感谢尹志强老师在课题研究工作中给予我的有益的指导以及无 私的帮助。 最后，感谢蒋怀伟、李多扬同学在工作中和我共同钻研与提高，并在各方 面给予我的支持与帮助。 曹涌 2 0 0 2 年5 月9 日 插图清单 图1 1 堰式流量测量原理 图1 2 各种标准形式的堰 图1 3 文丘莉水槽的基本结构 图1 4 超声渡明渠流量计的工作原理 图1 - 5 超声波明渠流量计的系统结构 图1 - 6 测量系统的流量测量原理 图2 1 流量测量系缔龅总体结构。； 图3 1 文丘利水槽啦原理图 图3 - 2 卡发基槽的形状与基本尺寸 图3 - 3 浮杆测量机静简图 图3 4 浮子一杠杆组啥体重力矩分析图 图3 5 磁阻式角度传感器的工作原理 图3 - 6 螺旋型角度传感器的工作原理 图3 7 角度传感器输入输出特性曲线 图3 - 8 被测流量q 一输出电压u 的理论变化曲线 图4 - 1 智能仪表硬件系统的总体结构 图4 2r a m 的掉电保护电路示意图 图4 3 测量信号的滤波电路 图4 4 智能仪表的操作面板 图4 - 5 键盘显示器接口电路 图4 - 6 发光二极管指示器的驱动电路 图4 ，7 共阴极l e d 显示器的驱动电路 图5 1 系统应用软件流程图 图5 2 单字节的压缩b c d 数 图5 - 3 参数设置区主程序流程 图5 - 4 键输入的中断处理程序流程 图5 5 水费单价修改模块程序流程一 图5 - 6 流量计量区程序流程 图5 7 伟福仿真调试系统的操作界面 图5 8 仿真器设置对话框 图5 - 9 调试系统的各工具窗口 图6 1 累积流量计算方法的原理误差 _寸；o“卜j_加m“邶m埘似筋刀加m讲舶粥躬钙钉犍”弱鲋 插表清单 表3 1 冬种型号卡发基槽的基本尺寸 表3 2w y t 一2 型角度传感器的主要技术指标 表4 0 1 应用索统各扩展芯片的地址或地址范围 表5 - 1 系统代码转换表： 。 _ n 、 r ， 1 1 t _ 17 2 5 3 9 4 4 第一章绪论 1 1 研究任务的提出及意义 在科学技术日新月异、飞速发展的今天，随着生产水平的提高，现代化生 产的规模不断扩大，涉及到的领域不断增多，所耗费资源的种类与数量迅速上 升，因而带来了当今世界范围内严重的环境污染问题。随着我国乃至全世界对 环境保护问题的重视，城市环境治理与保护的步伐不断加快。为了更有效的推 进城市规划和污染治理等工作，就迫切需要对工业“三废”之一的工矿企业污 水排放加以综合管理与控制。当前，对工业废水排放量的监测以及污水的净化 处理已经成为环境保护的重要问题，而对这方面的流量计量的需求也不断增多。 因此，研制开发针对污水排放这种较大流量形式的简单实用、工作可靠的流量 计具有很强的现实意义和应用价值。 1 2 流量测量概述 在研制开发整个流量测量系统的过程中，选择适合于被测流体的性质和流 动状态，并能满足系统测量精度的测量方法是测量系统实现准确、有效的流量 计量的前提条件和关键性因素之一。因此，在进行整个测量系统的设计时，首 先要根据要求和实际情况准确把握被测流体的流动形式与特点，并以此为基础 确定合适的测量方法和器件。为此，我们在这里对有关流量测量的基本理论做 必要性的阐述。 1 2 1 流量测量的基本概念 流量测量是一项与国民经济的各个部门以及我们的日常生活密切相关的技 术。它具有较长的发展历史，并且与其它多种先进的科学技术，如：电磁学、 超声波、计算机等紧密融合，因而是一个跨越多个学科，具有广泛应用基础的 科研领域。下面简要介绍一下有关流量测量的一些基本概念。 在流体的流动中，将流过具有某确定截面的流体的体积或质量与时间之 比称为流量。其中，用流体通过的体积与时间之比来表示流量时，称为体积流 量；如果用流体的质量与时间之比表示流量时，则称为质量流量。设流束以流 速y 通过通流截面中的某一微面积d a ，则流体通过该微面积d a 的体积流量为： d q 2 v d a ( 1 1 ) 因而，流体在整个截面上的体积流量q 可通过对通流截面a 积分而求得： q = ，a vd a( 1 2 ) 如果整个通流截面上各点流速相同，则体积流量q 可以表示为： q = v a ( 1 3 ) 质量流量可以用体积流量和流体的密度之积来表示。如果流体的密度为p ，则 流体的质量流量g 可以表示为： g = p q = p v 。a ( 14 ) 我们在这里描述的流量，根据其定义表示的是流过通流截面的流体的体积 或质量随时间的变化率，体现的是一种时问特性。然而对于大多数的应用场合， 需要测量出一段时间内被测流体通过的体积或质量。尤其是在工业计量中，测 量被测流体的流量是手段而不是目的，最终是要根据所测得的流量推算出流体 通过的体积或质量。根据流量的定义，如果流体的体积流量为q ，质量流量为 g ，则在时间t 内流体通过的体积v 和质量m 可通过以下的积分算式求得： v = ，t q d tm = ，t g d t( 1 5 ) 如果流动为稳定流，即流量q ( 或g ) 为一定值，并且在流体密度一定的情况下， 可以推导出如下的流体体积与质量的计算公式： v = q tm = g t = p q t( 1 6 ) 通常，为了便于描述，将一段时间内流体通过的体积或质量也称为流量。 由于通过的体积或质量是流体的体积流量或质量流量对时间的积分，因此为了 便于区分，把它们称为累积流量；而实际的体积流量或质量流量被称为瞬时流 量。体积瞬时流量的单位有：米3 小时、厘米3 秒、升秒等；质量瞬时流量的 单位有：吨小时、克秒等；累积流量的单位与体积和质量的单位是致的。 1 2 2 流量测量的一般性问题 在各种流量测量的方法中存在很多具有共性的问题，妥善的处理这些问题 是提高流量测量精度和改善流量计工作特性的有效途径。 1 流量测量的影响因素 很多传统的流量测量方法，如节流流量测量、面积流量测量等均是应用流 体力学中的伯努利原理实现的。伯努利原理适用于流动为稳定流，并且不具有 粘性的流体。但从实际的角度来讲，完全满足这些条件的流体是不存在的。因 此在运用伯努利原理进行流量测量时，必须要根据由实验所得到的修正系数对 测量结果进行修正。这些影响因素主要包括：流体的流动状况与流速分布，流 体的成分、密度、粘度等特性因素。 2 流量基本测量方式的选择 ( 1 ) 体积流量测量与质量流量测量的选择 根据前文所述，流体的流量可以表示为体积流量和质量流量两种形式。如 果从流量测量的目的来考虑，多数场合下测量质量流量是合理的。但由于流体 的密度受温度和压力的影响，因而在流体的温度和压力变化时即便我们测出 了体积流量，如果不通过自动的温度和压力补偿从而将其换算为标准状态下的 体积漉量，我们就不能通过前面所提到的体积流量一质量流量( g = p q ) 计算公 式求出流体的质量流量。鉴于这种情况，采用体积流量还是质量流量的测量方 式应根据测量目的和流体的状态来决定。在多数场合下，如果流体流动状态稳 定，涯变和压力变化较小时，流体密度变化也小，因而测出流体的体积流量就 可以达到目的；而在流体温度和压力变化很大或要求精密测量的情况下，测量 体积漉量时必须同时测出流体的温度和压力，从而通过温度、压力补偿求出其 质量流量。只有这样，测量的结果才有实际意义。 ( 2 ) 流量的直接测量和间接测量的选择 对物理量的测量有直接测量和间接测量两种方式。所谓直接测量，就是将 被测量与同类的标准量进行比较而实现测量的方法；而间接测量就是首先测量 出与被测量具有一定关系的几个量，然后从这几个量导出被测量的值的测量方 法。对于流量测量而言，直接测量一般是采用实验校准的方法，即是以预先已 知流量的流体通过流量计，据此对流量计进行分度，然后再用比较法测出未知 流量。采用直接测量的方式，测量值即可靠又准确，但是对于大流量测量，如 工业方面大规模的石油、水、煤气的输送，采用直接方式测量是非常困难的， 因此必须采用间接测量的方式。流量的间接测量是指首先测出能够表征流量变 化的柜关物理量，再根据计算公式求出流量。例如在采用电磁流量计进行测量 时，首先测出感应电动势e 以求得流体的平均流速，进而计算出流量。为了满 足测量精度的要求，在采用间接方式测量时，首先要明确流量和所测定的其它 物理量之间的函数关系，并同时使测量状态和测量机构能充分满足该关系式严 格成立的必要条件。如上所述，利用间接测量方式进行精密流量的测量存在许 多需要解决的问题和困难，因而采用直接与间接测量相结合的方法可以作为对 间接流量测量的一项弥补措施。 1 23 明渠流量测量的方法与器件 在日常的工业生产和生活中，工厂排水和城市下水道中的水流是自然排放 的，医此是以非满水状态自由流动的。以这种非满水状态流通的水路，即具有 自由水面的水路称为明渠( o p e n c h a n n e l ) 。由此可以看出，明渠流动的本质特征 是流体具有自由流动表面，从物理学的角度讲是指流体在无压状态下流动，即 压力能为零。即便对于我们平常所讲的暗渠( 非露天形式) 中的流体流动，由于 是自然流动的，并具有自由表面，因此也属于明渠流动。 迄今为止，明渠流量测量的基本方式可分为两大类，即堰式流量测量和槽 式流量泓量。堰式测量是早已为人们所熟知的明渠流量测量方法，实验资料非 常丰富，也提出了各种实验公式。槽式测量虽然起步较晚，但发展迅速，自1 9 1 0 年美国开始研制槽式流量计并投入应用以来，它在美国和欧洲极为普及，并迅 速推广到日本等世界上多个国家。 1 堰式流量测量 堰式流量测量的基本方法是在水路的中途或末段设置上部有缺口的板或 壁，这个板或壁叫作堰，流束在这里被堰挡住，然后通过这个缺1 3 向下流侧流 去。此时，堰的上流侧水位和这个流束的流量具有一定的关系，所以通过测量 这一水位就可以间接得到流量。图1 - 1 描绘了堰式测量的基本原理，其中d 为 堰缺口底端的相对高度，h 为上流侧水位距堰口的相对高度。 图1 一l 堰式流量测量原理 堰式流量测量的基本部件构造简单、价格便宜并且可靠性高，因此被广泛 用于明渠流量的测量。根据缺口部的形状，堰可分为三角形堰、矩形堰、全宽 堰以及梯型堰等，如图i 一2 所示： 9 0 4 1 糍 图1 2 各种标准型式的堰 2 槽式流量测量 对于堰式测量，由于堰的设置会使水头损失很大，并且上流侧的固态物易 于沉积。因此，对于平坦地面上的水渠以及工厂排水的流量测量常采用槽式测 量的方法。槽式流量测量的基本原理是这样的：在通流渠路中安装具有某一特 定形状的水槽，使得渠路中的水流在流经水槽喉管部时产生节流，从而引起流 速的变化。根据伯努利原理，节流处的水位能转化为流速能，因此流速的增大 将导致节流处水位的下降。通过测量这个水位的下降量，并在已知测量槽各部 分尺寸参数的条件下便可利用相关公式计算出流量。 在槽式流量测量中，文丘利槽是测量水槽的最基本形式。现今，许多被广 泛使用的测量水槽都是以文丘利槽为原型的。如图1 3 所示，文丘利水槽的总 体结构可分为收缩部、喉管部( 即节流部) 以及放大部三个组成部分。文丘利水 槽按照其喉管部节流形式的不同可分为：侧壁节流、底部隆起节流、以及侧壁 与底部隆起节流相结合三种形式。图1 3 表示的是侧壁与底部隆起节流相结合 的文丘利水槽的基本结构形式。 一 l 厂 收缩部喉管部放大部 图1 3 文丘利水槽的基本结构 随着文丘利水槽在槽式流量测量领域中应用的深入，许多由文丘利水槽演 变而来的新型测量水槽应运而生并得到普及。其中最有名的是产生于美国的帕 歇尔p a r s h a l l ) 水槽，它到目前为止仍是最为普及的测量水槽。此外还有适用于 圆形管路的美国帕尔默( h k p a l m e r ) 玻鲁丝( f ，d b o w l u s ) 水槽：西德市售的卡 发基( k h a f a g i ) n 4 量水槽：以及其它具有特殊截面，如梯形截面、u 形截面、抛 物面等形式的测量水槽也不同程度的在世界上的一些国家得以推广和应用。 测量水槽由于形状复杂，比堰的价格贵，而且为了提高测量精度，要求水 槽各部分尺寸准确，这是其缺点；但它也有这样一些优点：水位损失小、水中 固态物质不易沉淀堆积、接近流速影响小等，所以被用来测量工业用水、农业 用水和上下水的流量。以前，测量水槽是用木头或金属板制造的，而现在玻璃 钢制整体成型的测量水槽也已经在市场上销售，并得到普及。 1 3 先进的流量测量技术与流量计 流量测量是项与其它多种先进的工程技术紧密结合的综合性技术领域。 现今，睫着国民经济与工业生产中各项技术科学的不断发展与创新，流量测量 技术在溅量原理、实现手段、以及测量系统的结构与功能等方面都产生了巨大 的发展与深刻的变革。许多运用高新科技的新型流量计不断涌现并应用在社会 生产与生活的各个部门。这些新型的流量计包括：应用流体振动原理制成的直 管科氏力流量计( c m f ) 、涡街流量计、射流流量计；应用多普勒效应的超声波或 激光多普勒流量计；应用光纤的光反射原理制成的光波式流量计，它适用于测 量含悬浮介质流体的流量，如工业纸浆的流量测量：以及属于明渠流量测量范 畴的超声波明渠流量计等等。下面就对超声波明渠流量计的工作原理及系统构 成做典型性的介绍。 根据明渠流量的堰式、槽式测量原理可知：明渠流量测量都是将流体的流 量信号转化成水位信号，因此只需测量出这一水位量便可间接获得被测流量的 值。超声波流量计则是利用气介式超声波传感器进行水位的测量的。 流量堰槽 超声波传感嚣 图1 - 4 超声明渠流量计工作原理 图1 4 给出了超声波流量计的工作原理。如图所示，安装在测量堰、槽上 方的超声传感器在微机系统的控制下向堰、槽内的流体发射并接收超声波，然 后根据传感器发送与接收超声波的时间差t 计算出传感器距被测液面的距离 h - 。在超声波的传播速度c 已知的条件下，有如下公式成立： h l 。c t 2 ( 1 7 ) 如果超声波传感器的安装高度为h ，则流体的液位高度h a 为： h a 2 h h i ( 1 _ 8 ) 最后，在流量计微机系统的数据处理中根据流量计算公式q = k h 。( k ，n 为特定 的参数) 即可求得流体的流量。图1 - 5 描绘出超声波明渠流量计的系统构成： 图1 5 超声波明渠流量计的系统结构 1 4 本课题的研究对象及主要研究内容 本课题所研究开发的流量测量系统是针对工矿企业的污水排放以及工、农 业用水而进行流量测量的，因此从测量原理上讲属于明渠流量测量的范畴。本 课题听开发的流量测量系统应用槽式测量的基本方法，选用卡发基测量水槽作 为基本测量部件，并利用磁阻式角度传感器和浮杆测量机构进行测量信号的拾 取与转换。如图1 - 6 所示，被测水流在经过卡发基槽并产生节流后，流量q 的 变化转化为上流侧水位h 的变化；通过浮杆测量机构，水位h 的变化又被转化 为与浮杆机构相联的角度传感器测量端的角度变化；最后，根据磁阻效应的原 理，角度传感器将这一角度信号转换为电压信号输出，并送入微机控制系统进 行处理。 浮杆机构 角度传感器卡发基槽 图1 6 测量系统的流量测量原理 本课题所开发的这种流量测量系统与其它明渠流量计相比，具有简单实用、 且成本较低的优点。例如以超声波流量计而言，测量系统中必须设计出超声波 信号的发射与接收电路，并且考虑到超声波在气介质中传播强度的衰减以及相 干干抗等问题，还必须进行声学匹配层的设计等。而在本课题所研究的测量系 统中，己于角度传感器输出的是大电压信号，因此在室外环境下工作可靠性高， 抗干扰旋力强，有利于实现信号的远传功能，并且在对微机控制系统进行信号 传递时无需调节与放大电路，从而简化了微机系统的设计。与超声波明渠流量 计相比较而言，虽然本流量测量系统的测量方式属于接触式测量，但由于角度 传感器与被测水流以及传感器的动片与定片都是非接触的，因此测量系统的关 键性部件的工作不会受到影响。并且浮杆机构设计成可拆卸的结构形式，利于 清洗，故而可以提高其使用寿命。 本课题的主要研究内容是对明渠流量测量系统的各个组成部分进行具体的 研制与开发。其中包括： 1 ) 根据实际的测量要求和流量的测量范围对基本测量部件一卡发基水槽进行 选型与相关尺寸设计。 2 ) 对由测量浮子、转动杠杆以及角度传感器组成的测量机构进行结构、尺寸 和安装定位等方面的设计计算。 3 ) 完成卡发基槽及测量机构各组成部分的零件、装配等机械图的绘制与出图。 4 ) 逆行系统微机化智能仪表的硬件电路设计，并完成印刷线路板的制作、元 器件的焊接以及电路的调试。 5 ) 编制系统的应用软件，并利用仿真器进行程序的调试及对硬件的仿真。 6 ) 对测量系统的误差进行分析计算，并确定出系统的各项技术指标。 本课题研究工作的关键性问题主要有以下几方面： 1 信号转换的量化对应关系 如前面所提到的，被测流量信号经水位信号和角度信号两个中间环节才能 转化成为微机系统所识别的电压信号。因此，为明确流量电压信号转换的量化 对应关系，需要通过多个中间过程的分析与计算。这就要求在各测量部件的安 装、定位、以及尺寸设计方面实现优化，从而方便与合理的反映出各阶信号转 化的对应关系。 2 累积流量的计算方法 本课题所开发的流量测量系统的最终目的是对被测水流的累积流量进行计 量，并以此作为相关商业活动( 如收费计价) 的依据。根据流量的基本概念可知： 累积流量是瞬时流量对时间的积分。由于测量系统所实际测量的是水流的瞬时 流量，因此，选择一种合适的近似计算积分的方法就成为关系到系统的测量精 度及应用软件构成的关键性问题之一。对于本测量系统，我们采用的是机械求 积的方法，即以相等的时间间隔对流量信号进行采样与处理，再用各时刻的瞬 时流量的值乘以该时间间隔并依次累加从而得到累积流量的值。 3 微机系统的网络通讯 随着明渠流量计在城市环境规划与治理中应用的深入以及计算机通讯技术 发展的促进作用，具有多点测量功能的网络化流量测量系统已成为必然的发展 趋势。基于扩展应用的需要，在微机系统的硬件电路中应设计出相应的通讯接 口电路使其具有与上位计算机链接通讯的功能。在这方面，本系统采用的是 目前最为成熟与实用的r s 一2 3 2 串行通信。因此，根据r s 2 3 2 串行通信的功能 要求设计出与上位机通信的子程序模块是系统软件开发的重要工作之一。 9 第二章流量测量系统的总体方案设计 2 1 测量系统的总体结构 左课题所开发的流量测量系统主要是由流量测量的基本部件、测量信号的 拾取与转换部分、以及微机化智能仪表三个相互联系的部分所组成。图2 - 1 给 出了流量测量系统的总体结构框图。 ：信号筻拾取与转换部分微机化测量仪表 i 誊龋牛 八ja i d 卜j - 1 转换单元卜_ i i 单片机系统 l 际磊删l 、u 一 l 厂 l 卡发善i t ii ；妄意件 键盘控制e ： l j ” 图2 - 1 流量测量系统的总体结构 1 流量的基本测量部件 根据明渠流量测量的基本原理和实际情况的需要，本系统选用卡发基测量 水槽作为流量测量系统的一次敏感器件，其作用是使渠路中流经卡发基槽的水 流产生节流，从而将被测水流的流量信号转化为卡发基槽上流侧的水位信号。 2 测量信号的拾取与转换部分 系统测量信号的拾取与转换部分是由磁阻式角度传感器以及浮杆测量机构 两个单元组成的。所设计的浮杆测量机构作为转换元件，利用几何学的原理将 上流侧水位信号转化为与浮杆机构相连的角度传感器测量端的角度信号：而作 为测量系统二次敏感元件的磁阻式角度传感器的作用是将这一角度信号转化为 满足数字电路使用要求的电压信号并传递给微杌系统进行处理，从而完成系统 前向测量通道中流量电压的信号转换过程。 3 微机化智能测量仪表 测量系统的微机化智能仪表为一单片机应用系统，其主要功能是对测量信 号进行实时采集和处理，并完成数据运算、参数显示等相关任务。微机化智能 仪表主要是由以下几个单元模块所构成： 】) a t ) 转换单元：a d 转换单元的作用是将由角度传感器输出的模拟电压信 号转挨为可为微机系统所识别的数字信号。由于角度传感器输出的是大电压信 号f 2 5 v ) ，可以直接满足电路的电平要求，因此在微机系统的前向通道中不需 要信号的调节与放大电路。 2 ) 主控单元：主控单元是微机系统的核心，它是由m c s - 5 1 系列单片机及其 外部扩展芯片( r o m ，r a m ) 所组成，负责对微机系统各组成部分进行协调和控 制以及完成全部的数据处理与计算工作。主控单元在进行流量计量工作的同时 还负责与上位计算机之间的数据通信。 3 ) 参数显示单元：参数显示单元的作用是根据要求完成对系统各项参数的实 时显示，其中最主要的是对由测量和计算得到的流量数据的显示。由于被测水 流的流量数据包括瞬时流量和累积流量两部分，因此显示单元应能够分别对这 两项参数进行显示。 4 ) 键盘控制单元：键盘控制单元是由一系列数字键和功能键所组成，主要完 成系统的参数设定、功能控制、以及状态切换等任务。它与显示单元联系在 起，共同实现了智能仪表的人机交互功能。 5 ) 退讯接口单元：微机系统的通讯接口电路是根据所采用的通信标准而设计 的。该单元作为微机系统与上位计算机之间的通信接口，能够自动实现信号电 平的转换，即将数字电路中所使用的信号电平( 如1 v r l 电平) 转化为符合通信标 准所规定的信号电平，以完成在通信信道中的数据传输。 2 2 智能测量仪表的基本功能设计 在整个流量测量系统中，智能测量仪表作为人与系统交互的中介，是整个 系统行为的最终目标和表现形式。因此，设计出功能完备并且操作简便的测量 仪表是整个测量系统开发中的一项非常重要的工作。 根据实际应用的需要，且本着简单实用的原则，所设计的智能测量仪表具 有以下三种基本功能： 1 参数的设定、修改与显示功能 根据商业行为活动的需要，并体现集成化和智能化的特点，系统的智能测 量仪表内部所驻留的各项数据成员中除了被测水流的瞬时流量以及由此计算出 的累积流量之外，还包括水费单价和总费用两项参数。因此，智能仪表在这一 部分所实现的功能包括： ( 】) 水费单价的设定、修改与显示：对于象工矿企业污水治理以及工农业用水 等商业计费活动，首先要确定其收费的标准，即单位体积排( 用) 水量的费用。因 此，智能仪表中应包含对水费单价参数的设定与显示功能，从而为以后的计量 与收费叠供依据。出于对价格的市场调节性的考虑，在系统设计中必须将水费 单价定义成可修改的参数，以便根据实际情况做相应的调整。 ( 2 ) 惠费用的显示与清除：在确定了水费单价以后，测量系统就可以在测量瞬 时流量的同时计算出当前时刻业已累积产生的总费用数据了。为了计费的需要， 智能仪表可以根据使用人员的要求显示出当前时刻总费用的值。根据水利部门 定期收费这一特点，在次收费完毕后应清除总费用数据，以便进行下一阶段 的计费，因此系统中此项参数的值具有可清除性。但出于对收费公正性的考虑， 总费用参数的值是不能加以修改的。 2 流量计量功能 流量计量功能是系统的智能测量仪表所具有的最主要功能，其中包括对被 测水流瞬时流量和累积流量的测量与显示。 3 状态控制功能 这一功能指的是智能仪表可根据使用者的要求和相关操作实现系统工作状 态的转换。例如从对水费单价等参数的设定工作状态切换到流量计量工作状态； 或中断流量计量工作，返回参数设定状态。 2 3 测量系统主要技术参数的确定 运过对实际情况的调查和分析，可确定出所开发的流量测量系统的以下几 项主要技术参数： 1 测量与计算数据的范围 ( 1 ) 基本数据的范围：测量系统的基本数据包括被测水流的瞬时流量和水费单 价两项。根据实际应用情况，这两项基本数据的范围为： 瞬时流量：0 2 0 1 s ( 升秒)水费单价：o 0 0 9 9 9 9 元 ( 2 ) 计算数据的范围：系统中被测水流的累积流量以及总费用两参数的值是由 以上两项基本数据经计算而得的，因此被称为计算数据。如果假设有关商业部 门是按月定期收费的，则可用月累积流量和总费用近似指示出这两项计算数据 的范围： 累积流量：0 0 9 9 9 9 9 9 m 3总费用：0 9 9 9 9 9 9 元 2 显示分辨率 根据流量测量的精度需求，智能仪表对测量系统的四项基本参数的显示分 辨率分别为： 瞬时流量：0 0 1 1 s ( 升秒)累积流量：0 1 m 3 水费单价：o 0 1 元m 3总费用：1 元 第三章流量测量系统的前置级设计 流量测量系统的前置级指的是系统中测量信号的产生、拾取与转换部分， 因此它是由测量系统的基本测量部件和测量信号的拾取与转换这两个紧密联系 的部分所组成的。对测量系统前置级的设计包括对基本测量部件的选型和对传 感器以及相关测量机构的设计。 3 1 基本测量部件的选型与一阶流量公式的确定 本课题所开发的流量测量系统应用槽式明渠流量测量的原理，选取卡发基 水槽作为基本测量部件。因而在这一部分，应根据明渠流量测量的原理以及实 际情况的需要对卡发基槽进行选型与尺寸规划，并由此得出一阶流量公式，即 流量q 一水位h 的具体函数关系。 3 1 1 槽式明渠流量测量的原理 由于大部分测量水槽都是以文i f - 利( v e n t u r i ) 水槽为原型发展而来的，因此我 们通过对文丘利槽中水流的流动分析来阐述槽式明渠流量测量的基本原理。 l? 正 t 一 、 f v 1 上 皇 ， 一v 2 j t 夕汐砌， 截面1 图3 - 1 文丘利水槽的原理图 如图3 1 所示，文丘利水槽采用的是侧壁与底部隆起相结合的节流形式， 并且其内部各段的横截面均为矩形。图中所标注的b 和b 分别为文丘利水槽非 节流部( 截面1 处) 和节流部( 截面2 处) 的水路宽度：t 为底部隆起距水路底面的 高度。现假设流量为q 的水流流经文丘利槽，在截面1 和2 处，水流的流速分 别为v l 和v 2 ；距底面的水位高度分别为h l 和h 2 。取文丘利水槽的底面为基准 面，根据伯努利能量方程可得： h i + p l pg + v 1 2 2 9 = v 2 2 2 9 + ( h 2 + t ) + p 2 pg ( 3 1 ) 这里的p l ，p 2 指代的是截面1 ，2 处的水流压力，由于是明渠流动，水流不具有 压力能，即p l = 1 9 2 = 0 ，故而伯努利方程可以简化为下式： h l + v 1 2 2 9 = v 2 2 2 9 + h 2 + t ( 3 2 ) 现假设已知水流截面1 ，2 处的截面积为a l 和a 2 ，对式3 2 进行整理可得： h 】一h 2 一t = q 2 ( a 2 2 2 9 ) 一q 2 ( a 1 l 2 9 ) q = 2 9 磊鸣 在如图3 - 1 所示的水路中，a l - h l b i ， q - c 。i2 9 虿 i h 2 一t ( 3 3 ) a 2 = h 2 b 2 ，因此可推出下式： b ：h ：- 瓶i -( 3 4 ) 在实际水路中，由于测量水槽的节流部存在水位损失( h e a dl o s s ) ，c 则是由此所 确定的流量系数。从上式可以看出，为了求出流量必须测量h 1 和h 2 两个参数， 这样就给测量带来很大的不便。 一般而言，在坡度平缓的水路中，水流缓慢，经水面传播的波的速度比水 流的平均流速快，这种状态叫做稳定流。把这种水流在中途用堰挡住时，水面 的升高会产生波，并一直传播到上流侧很远的地方，从而使上流侧的水位升高： 另一方面，在坡度很陡的水路中，水的流动速度比经水面传播的波的速度快， 这种状态叫做射流。把这种水流也在中途用堰挡住时，水越过障碍物而流动， 水的增高不向上流侧传播。在如图3 - 1 所示的水路的节流部位( 喉管处) ，若使水 流在此处由稳定流变为射流，则下流侧水位的影响不向上流侧传去。因此，只 要测量上流侧水位h 1 就可以求出流量q 。从稳定流变为射流的流动叫做临界流， 临界流处的水深叫做临界水深。在矩形截面的水路中，水力学中的下式成立： k = g h 。( 3 5 ) 式中，v c 为临界流时的流速，它与波的传播速度相等 水深处的水流截面积为a c ，则可得下式： q v ia 1v 2 a 2 = v c a c q = 再? a 。 l l c 为临界水深。若临界 假设临界水深处为截面2 的话，则a c = h c b c ，取c 为流量系数可得下式 1 4 ( 3 6 ) q = c 占：括 ? ” ( 3 7 ) 由上式可知：流量q 可根据临界水深h c 求得。由于文丘利水槽是通过在水路中 产生临界流的方法来测量流量的，因而又称为临界流水槽。 然而，临界水深的位置随着除流量以外的其它条件的变化而变化。由于它 不能被限定在某一确定的位置上，因此正确测定临界水深是很困难的。我们可 以由式3 2 和3 3 导出下式： v 1 2 2 9 + h l = v c 2 2 9 + h c - i t h l = v c 2 2 9 + h c + t v 1 2 2 9 = ( 3 2 ) h c + t - v i 。2 9 ( 3 8 ) 根据上式，在水路的截面形状一定的情况下，h c 和v l 与流量q 有一定的关系， 因此0 是上流侧水位h 1 的函数，即可以表示为这样的关系： q = f ( h i ) 测定了上流侧水位h l 就可以求得流量q ，这虽然在理论上可以求解，但在 实际的水路中，根据喉管形状和水深得到的理论值与实际值不完全相同。因此， 一般都是根据实验来求这些关系的。在i s 0 1 4 3 8 1 9 7 5 中，对于矩形截面的i 临界 流水槽，给出了下面的流量计算公式： 一 q = ( 妄) 引2 c ，c 。譬6 h 2 ( 3 9 ) j 在上式中，q 为水流的体积瞬时流量；g 为重力加速度的值：b 为水槽喉管部的 宽度：h 为相对于喉管底面的上流侧水位；c v 是取决于测量水槽上流接近渠路 中水流的流速系数；c e 是取决于水路中的摩擦和湍流的流量系数。c v ，c e 两 个参数与测量水槽的几项基本尺寸( 如喉管部宽度b 、长度l ；接近渠路宽度b 等) 相关联，因而可以根据这些尺寸在i s 0 1 4 3 8 标准中通过查表求得这两个参数。 在这里必须指出的是：i s 0 1 4 3 8 标准中所确定的流量基本计算公式( 式3 9 ) 只适用于渠路和测量水槽中的水流为自由流的情况。根据前文的有关叙述，文 丘利水槽节流的目的是为了将渠路中的水流由测量槽上流侧的稳定流变为下流 侧的射流，从而在节流部产生l 艋界流。在这种情况下，下流侧的水位变化不会 影响上流侧，水流的这种流动形式称之为“自由流”；如果测量水槽下流侧的水 位变化影响上流侧时，这种水流形式则称为“淹没流”。对于淹没流的情况，必 须测出上流侧水位h 。和下流侧水位h b 两个参数才能根据相关公式计算出流量。 决定水流形式为自由流还是淹没流的依据是上流侧水位与下流侧水位之比，即 h 。h b ，这一参数被称为淹没度。i s 0 1 4 3 8 标准中规定：通常在淹没度不低于1 2 5 的情况下，水流的流动形式为自由流，但是这一数字又是随着流量范围的变化 而变化的。由此可以看出：下流侧水位h b 是决定水流为自由流或是淹没流形式 的重要因素。在实际应用中，由于下流侧水位的变化而引起水流形式的改变是 我们在进行流量测量中所必须注意的问题。例如，在地势较低的地区，工厂的 污水排放口距江、河水位较近，因而在涨潮时，下流侧水位大幅升高，使得测 量水槽中水流流动由自由流变为淹没流。对于这种情况，则必须用淹没流的计 算公式来计算流量。本课题所开发的流量测量系统是针对水流形式为自由流的 情况，因此在测出测量水槽上流侧水位以后，通过i s 0 1 4 3 8 给出的流量公式便 可以计算出被测水流的流量。 3 1 2 卡发基测量水槽的选型 卡发基槽是在欧洲国家特别是在德国应用较为广泛的一种明渠流量测量水 槽。它是由德国学者卡发基( k h a f a g i ) 于1 9 4 2 年在苏黎士工业大学研究文丘利水 槽时发明的。如图3 2 所示，卡发基槽是一种没有底部隆起而仅用侧壁进行节 流的矩形截面的水槽。 _ fi i 。 q 卜i l l 一。1 l i 收缩部喉管部放大都 图3 - 2 卡发基槽的形状与基本尺寸 从图中可以看出：卡发基槽和文丘利水槽一样，其外形结构可分为收缩部、 喉管部和放大部三个组成部分。由于卡发基槽是由文丘利水槽发展而来的，因 此其各部分的基本尺寸及各尺寸之间的相互关系应遵循i s 0 1 4 3 8 标准中对矩形 截面文丘利水槽的相关规定。其中b l 为进流水渠的宽度；b 2 为卡发基槽喉管部 的宽度；l 为喉管部的长度，该长度值应大于或等于最大被测水位的1 5 倍；l 。 为卡发基槽收缩部的长度；卡发基槽的放大部是从喉管部的末端开始，并以一 定的斜率线性扩大至其宽度恢复到渠路的宽度b 1 为止。i s 0 1 4 3 8 标准中规定： 6 放大部的斜率不超过1 6 ，并且在水位恢复不重要的情况下，其纵向长度可以减 半。由此不难推算出：对于如图3 2 所示的卡发基槽，其放大部末端的宽度 b 3 = f f l + b 2 ) 2 ，长度l z = 3 ( b 3 - b 2 ) 2 3 ( b l b 2 ) 2 。 表3 - 1 给出了对应不同流量范围的几种基本型号的卡发基槽的尺寸一览： 表3 1 各种型号卡发基槽的基本尺寸( 单位：c m 和1 s ) 4 06 08 01 0 01 3 01 6 0 q n 5 01 0 02 5 05 0 08 0 01 5 0 0 h l n o r 3 143 8 25 8 07 9 19 1 i1 2 0 5 h i ma ) 3 5 04 0 06 0 o8 0 o9 5 o1 2 5 0 b l 4 06 08 01 0 01 3 01 6 0 b 2 1 62 43 2 4 05 26 4 b 3 2 84 25 67 09 1 1 1 2 r7 5 1 1 01 4 51 8 02 3 52 9 0 l 1 4 0 6 08 01 0 01 3 01 6 0 l 2 9 21 3 81 8 4 2 3 02 9 93 6 8 h4 04 56 7 8 71 0 21 3