摘　要:針對(duì)工業(yè)污水流量的測(cè)量問題,提出一種基于超聲波的污水流量測(cè)量方法。通過對(duì)污水流量的測(cè)量原理的分析,設(shè)計(jì)出了以新型單片機(jī)PIC16C73為核心的流量測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)踐表明,該測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量準(zhǔn)確度高,功耗低,適應(yīng)性強(qiáng),能在惡劣環(huán)境中工作。
 目前,工業(yè)污水一般經(jīng)明渠排放,其流量測(cè)量包括接觸式和非接觸式兩大類,其中接觸式測(cè)量由于存在傳感器受腐蝕,易被異物纏繞和損壞等問題,其應(yīng)用受到很大局限,而非接觸式測(cè)量技術(shù)隨著電子器件迅速發(fā)展,將具有更大的應(yīng)用潛力。針對(duì)此情況,研制開發(fā)了基于超聲波的污水流量測(cè)量系統(tǒng),其特點(diǎn)耐腐蝕、易安裝,電路簡(jiǎn)單可靠,故障率低,測(cè)量準(zhǔn)確度高。
1、污水流量測(cè)量基本原理：
 在污水排放口安裝標(biāo)準(zhǔn)水堰槽(三角堰、矩形堰、巴歇爾槽等),利用安裝在槽頂?shù)某暡〒Q能器向水面發(fā)射脈沖并接受反射波原理來(lái)測(cè)量液位高度。其污水測(cè)量原理圖如圖1所示。超聲波在某環(huán)境溫度下傳播速度關(guān)系式為Vθ=331.5+0.607θ,(1)式中　θ為環(huán)境溫度。

圖1　污水測(cè)量原理圖
　根據(jù)發(fā)射波與反射波的時(shí)間差和聲波傳播速度得到堰槽到液面的高度關(guān)系式為H1=12Vθt,(2)式中　Vθ是超聲波在空氣中某溫度θ℃時(shí)的傳播速度;t是回波時(shí)間。由圖1可知液位高度關(guān)系式為H=L-H1,(3)式中　L是超聲波換能器距堰槽底的高度。瞬時(shí)流量Qi關(guān)系式為Qi=CH,(4)式中　C為堰槽參數(shù)。累計(jì)流量Qm關(guān)系式為Qm=QiΔt,(5)式中　Δt為采樣間隔時(shí)間。超聲波傳感器把測(cè)得液位信號(hào)式(3)通過調(diào)制解調(diào)器傳送給上位機(jī),上位機(jī)通過公式(4)、式(5)處理后,即可得到瞬時(shí)流量和累積流量數(shù)據(jù)顯示。

2、測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：
 該系統(tǒng)以PIC16C73單片機(jī)為核心,由超聲波發(fā)射接收電路、信號(hào)處理電路、555振蕩電路、測(cè)溫電路、調(diào)制解調(diào)電路組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　超聲波產(chǎn)生和發(fā)射電路是由PIC16C73[1]單片機(jī)IO口連接555振蕩器[2]使能端來(lái)控制超聲波的發(fā)射,通過555振蕩器產(chǎn)生35～40kHz脈沖信號(hào)作為發(fā)射激勵(lì)信號(hào),發(fā)射一束超聲波,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1開始計(jì)數(shù),當(dāng)超聲波遇測(cè)污水液面反射后又被接受換能器接受,經(jīng)過信號(hào)處理集成電路CX20106/A處理后,把轉(zhuǎn)換后脈沖信號(hào)送到單片機(jī)捕捉輸入端,一旦到了該信號(hào)上升沿時(shí),CPU產(chǎn)生中斷,此時(shí)TMR1寄存器的值存入捕捉器中,該值就是回波計(jì)數(shù)值,從而可以計(jì)算出回波時(shí)間。
 超聲波接收和信號(hào)處理電路是該流量計(jì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。由于發(fā)射信號(hào)接觸液體表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)漫反射現(xiàn)象,以致接收到的信號(hào)僅是反射信號(hào)一部分,信號(hào)比較微弱,同時(shí)又存在信號(hào)失真情況,并且信號(hào)處理電路要求有一定通頻帶寬,另外,考慮成本及功耗,采用具有電壓增益高、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)的接收處理集成電路CX20106/A[4]。它內(nèi)部由前置放大電路、限幅電路、帶通濾波、檢波、積分和比較電路等部分組成。主要性能指標(biāo):帶通濾波器的頻率范圍為30～60kHz、電壓增益:大于74dB、低電壓供電(V+=5V)、低功耗(V+=5V時(shí),典型功耗為9mW)。如圖3所示,該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,避免了因電路設(shè)計(jì)復(fù)雜性而引起的系統(tǒng)誤差,性能穩(wěn)定,提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。

圖3　信號(hào)處理電路原理圖Fig3　Principlediagramofsignalproces
 　調(diào)制解調(diào)電路采用FSK調(diào)制解調(diào)器MSM7512B,傳送速率為1200BPS,通過電話線,將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī),由上位機(jī)處理、顯示。測(cè)溫電路采用電流輸出型溫度傳感器AD590,進(jìn)行環(huán)境溫度測(cè)量,并把輸出的電流轉(zhuǎn)換成電壓送給PIC16C73單片機(jī)A/D輸入輸出通道,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量,修正聲速。

3、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析：
 由于超聲波傳播速度直接影響發(fā)射波與反射波的時(shí)間差的測(cè)量,從而影響液位測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明,超聲波傳播速度會(huì)受環(huán)境溫度、氣壓等影響。其變化規(guī)律為:溫度變化1℃,聲速變化約為0.17%;氣壓每變化0.1kPa,聲速約變化0.05%,可見聲速受溫度影響***顯著。因此,將超聲波換能器固定標(biāo)有刻度1m量程水箱頂端,通過空調(diào)和加溫的辦法改變環(huán)境溫度,獲得不同的液位高度,其結(jié)果如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
　將上述數(shù)據(jù)運(yùn)用***小二乘法進(jìn)行直線擬合得Vθ=331.5+0.607θ,并對(duì)這些數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)算得知聲速與環(huán)境溫度基本成線性關(guān)系,液位高度檢測(cè)誤差2mm,由此可知,超聲波流量計(jì)檢測(cè)準(zhǔn)確度0.2%。工程實(shí)踐證明,這樣測(cè)量準(zhǔn)確度已比較高,足以滿足工業(yè)排放污水流量檢測(cè)準(zhǔn)確度要求。

4、結(jié)束語(yǔ)：
 該流量計(jì)采用了高性能微控制器PIC16C73,解決污水液位測(cè)量準(zhǔn)確度問題,并且設(shè)計(jì)的硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、靈敏度高、性能穩(wěn)定,已成功應(yīng)用環(huán)保部門監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。使用情況表明,該系統(tǒng)能穩(wěn)定正確跟蹤水面變化,可靠性好,安裝簡(jiǎn)便,成本低,具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。