明渠污水流量控制系統分析

王利潤　蘇家興　李勉

摘 要：國家對污水排放標準的要求越來越嚴格，于是開發采用低功耗智能芯片控制的新型數字式明渠污水流量計的數據采集處理系統。系統依據巴歇爾槽流量計量原理與超聲波流量計相結合，解決了模擬式污水流量計數據采集系統中存在的信號采集容易受到水質及水中泡沫影響，準確度低等問題。

關鍵詞：研究背景；流量傳感器；明渠流量計

1 明渠污水流量計量控制系統研究背景

21世紀，工業技術發展迅速，但隨之而來的環境污染問題也逐漸加劇，國家乃至全世界對環境保護問題都非常重視，“工業三廢” 之一的污水排放的規范化，科學化合定量化得管理已成為國家環境保護法規的一個重要方面，各地環保部門正在根據國家法規的要求，加強對排污口的規范化整治。

2 課題主要內容

根據污水排放政策，國家對排污實行了排污總量控制的政策，在全國范圍內推行水污染物排放許可證制度，污水的排放管理成為環保工作的當務之急，而準確計量核定污水流量就成為一項非常必要的基礎工作。針對國家污水流量計量技術發展的狀況，于是研發了檢索式數字水位傳感器的數字原理，并且使用低耗能智能芯片控制的數字式明渠污水流量計的數字處理系統。系統依據巴歇爾槽流量計量原理，與超聲波流量計結合使用，解決了模擬式明渠污水流量計采集系統中存在的問題，例如信號采集容易受水質及泡沫影響，抗信號干擾性能力差，準確度低，等問題。

3 系統控制原理

該系統由流量槽、超聲波傳感器和控制器組成。該系統與污水不接觸，能保持設備不受腐蝕。控制器用tma320lf2407a當主控芯片，進行數據運算處理，現場數據采集，其串口通訊可實現遠程監控和數據傳輸的功能。系統結構框圖如圖1。

當被測量的污水流過流量槽時，超聲探頭向液面發射一束超聲波信號，信號到達液面形成反射波，該波又被探頭攝取；計算機算出發射波與反射波的時差T，得到探頭與液面間的距離。若被測介質全部通過流量槽形成自然流動時其流量Q與流量槽上流水位H的關系為：

公式中：C為超聲波在空氣中的傳播速度，例如傳感器到流量槽零液位時距離為hmax，則液位高度H=hmax- h。

3.1 系統控制器的組成

數據處理能量是選擇主控芯片的首要條件，由于污水流量計一般情況下都安裝在室外，考慮檢測及維修的需要，控制器應具有遠程數據傳輸能力，具有較高的采樣速度、和采樣精度、綜合各種因素，選擇DSP數據信號處理器作為主控芯片。

3.2 主控芯片tma320lf2407a

在明渠污水流量計量系統中，經常利用tma320lf2407a主控芯片高速接口功能，可以簡化系統的硬件設計，其運算速度和高速傳輸能力等功能均可滿足各種測量儀器的要求。

3.3 數字濾波和模數轉換ADC

A/D模塊帶內置保持/采樣，包含2個單獨的最多可以選擇8個模擬量轉換通道的排序器，這兩個排序器可以連成一個16個轉換通道的排序器，如圖2。

4個排序控制器決定了模擬通道的轉換順序，該系統A/D采樣由定時器1（EVA）由軟件觸發，定時器設定周期為0.128ms，因此每0.128ms采樣一次，把存儲有16個結果的寄存器的采樣結果保存到系統內存中。

3.4 測量轉化電路

該系統采用UTG22-DD型超聲波明渠流量計，明渠污水流量計可以用來連續監測明渠中污水的流量并累計流量，還可以測量污水的瞬時流量。它輸出4～20mA信號連接到DSP中，圖3為把4至20mA電流信號轉化成0至3.0V電壓信號提供給DSP采樣的轉化電路。

在定點DSP芯片中，其操作數一般采用整型數來表示。水位的采樣頻率為8kHz，每個水位樣值按16位整型數存放在一個文件中，低通濾波的截止頻率為800Hz，濾波器采用19點的有限沖擊響應FIR濾波。

有限沖擊響應（FIR）濾波器廣泛應用于數字信號處理系統中。圖象處理以及數據傳輸，都要求信號通道具有線性相位特性，有限沖擊響應（FIR）濾波器具有很好的線性相位特性。

DSP的指令周期為25ns，使得流量的快速計算成為可能。程序每秒鐘控制超聲波傳感器檢測1次水位，計算出1s的流量，并進一步累積為瞬時流量、日流量和總累積流量，由串口傳給上位機并且顯示出數據，用于記錄。

為了實現對污水流量計量系統的實時監控，將運行參數實時地傳輸到液晶屏上進行顯示，同時通過RS-485接口可以連接打印機把污水流量等參數及時的打印出來。為了使系統更加智能化，發揮計算機的控制優勢，采用RS-485總線將多個子系統與上位機之間進行串行通信，tma320lf2407a串口SCI模塊接收器和發送器是雙緩沖的，每個都有自己單獨的使能和中斷標志位，串口經過一片MAX3082[2]和一個RS-485。485與RS-232的電平轉換器與上位機進行通信。

4 結語

超聲波流量計是一種先進的明渠測量儀器，由于采用非接觸測量方式，避免被測介質對傳感器的腐蝕，特別適合污水流量的測量。控制器采用DSP數字信息處理技術，集信號檢測、數據傳輸、顯示輸出、信號轉換、遠程監測等功能于一體，適用于不同槽和傳感器，具有通用性。

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