明渠污水流量控制系統(tǒng)分析

王利潤(rùn)　蘇家興　李勉

摘 要：國(guó)家對(duì)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求越來越嚴(yán)格，于是開發(fā)采用低功耗智能芯片控制的新型數(shù)字式明渠污水流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)依據(jù)巴歇爾槽流量計(jì)量原理與超聲波流量計(jì)相結(jié)合，解決了模擬式污水流量計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在的信號(hào)采集容易受到水質(zhì)及水中泡沫影響，準(zhǔn)確度低等問題。

關(guān)鍵詞：研究背景；流量傳感器；明渠流量計(jì)

1 明渠污水流量計(jì)量控制系統(tǒng)研究背景

21世紀(jì)，工業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，但隨之而來的環(huán)境污染問題也逐漸加劇，國(guó)家乃至全世界對(duì)環(huán)境保護(hù)問題都非常重視，“工業(yè)三廢” 之一的污水排放的規(guī)范化，科學(xué)化合定量化得管理已成為國(guó)家環(huán)境保護(hù)法規(guī)的一個(gè)重要方面，各地環(huán)保部門正在根據(jù)國(guó)家法規(guī)的要求，加強(qiáng)對(duì)排污口的規(guī)范化整治。

2 課題主要內(nèi)容

根據(jù)污水排放政策，國(guó)家對(duì)排污實(shí)行了排污總量控制的政策，在全國(guó)范圍內(nèi)推行水污染物排放許可證制度，污水的排放管理成為環(huán)保工作的當(dāng)務(wù)之急，而準(zhǔn)確計(jì)量核定污水流量就成為一項(xiàng)非常必要的基礎(chǔ)工作。針對(duì)國(guó)家污水流量計(jì)量技術(shù)發(fā)展的狀況，于是研發(fā)了檢索式數(shù)字水位傳感器的數(shù)字原理，并且使用低耗能智能芯片控制的數(shù)字式明渠污水流量計(jì)的數(shù)字處理系統(tǒng)。系統(tǒng)依據(jù)巴歇爾槽流量計(jì)量原理，與超聲波流量計(jì)結(jié)合使用，解決了模擬式明渠污水流量計(jì)采集系統(tǒng)中存在的問題，例如信號(hào)采集容易受水質(zhì)及泡沫影響，抗信號(hào)干擾性能力差，準(zhǔn)確度低，等問題。

3 系統(tǒng)控制原理

該系統(tǒng)由流量槽、超聲波傳感器和控制器組成。該系統(tǒng)與污水不接觸，能保持設(shè)備不受腐蝕。控制器用tma320lf2407a當(dāng)主控芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，其串口通訊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｏ到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

當(dāng)被測(cè)量的污水流過流量槽時(shí)，超聲探頭向液面發(fā)射一束超聲波信號(hào)，信號(hào)到達(dá)液面形成反射波，該波又被探頭攝取；計(jì)算機(jī)算出發(fā)射波與反射波的時(shí)差T，得到探頭與液面間的距離。若被測(cè)介質(zhì)全部通過流量槽形成自然流動(dòng)時(shí)其流量Q與流量槽上流水位H的關(guān)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(shí)距離為hmax，則液位高度H=hmax- h。

3.1 系統(tǒng)控制器的組成

數(shù)據(jù)處理能量是選擇主控芯片的首要條件，由于污水流量計(jì)一般情況下都安裝在室外，考慮檢測(cè)及維修的需要，控制器應(yīng)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信號(hào)處理器作為主控芯片。

3.2 主控芯片tma320lf2407a

在明渠污水流量計(jì)量系統(tǒng)中，經(jīng)常利用tma320lf2407a主控芯片高速接口功能，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其運(yùn)算速度和高速傳輸能力等功能均可滿足各種測(cè)量?jī)x器的要求。

3.3 數(shù)字濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC

A/D模塊帶內(nèi)置保持/采樣，包含2個(gè)單獨(dú)的最多可以選擇8個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換通道的排序器，這兩個(gè)排序器可以連成一個(gè)16個(gè)轉(zhuǎn)換通道的排序器，如圖2。

4個(gè)排序控制器決定了模擬通道的轉(zhuǎn)換順序，該系統(tǒng)A/D采樣由定時(shí)器1（EVA）由軟件觸發(fā)，定時(shí)器設(shè)定周期為0.128ms，因此每0.128ms采樣一次，把存儲(chǔ)有16個(gè)結(jié)果的寄存器的采樣結(jié)果保存到系統(tǒng)內(nèi)存中。

3.4 測(cè)量轉(zhuǎn)化電路

該系統(tǒng)采用UTG22-DD型超聲波明渠流量計(jì)，明渠污水流量計(jì)可以用來連續(xù)監(jiān)測(cè)明渠中污水的流量并累計(jì)流量，還可以測(cè)量污水的瞬時(shí)流量。它輸出4～20mA信號(hào)連接到DSP中，圖3為把4至20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成0至3.0V電壓信號(hào)提供給DSP采樣的轉(zhuǎn)化電路。

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

有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中。圖象處理以及數(shù)據(jù)傳輸，都要求信號(hào)通道具有線性相位特性，有限沖擊響應(yīng)（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(jì)算成為可能。程序每秒鐘控制超聲波傳感器檢測(cè)1次水位，計(jì)算出1s的流量，并進(jìn)一步累積為瞬時(shí)流量、日流量和總累積流量，由串口傳給上位機(jī)并且顯示出數(shù)據(jù)，用于記錄。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)污水流量計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)揭壕辽线M(jìn)行顯示，同時(shí)通過RS-485接口可以連接打印機(jī)把污水流量等參數(shù)及時(shí)的打印出來。為了使系統(tǒng)更加智能化，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的控制優(yōu)勢(shì)，采用RS-485總線將多個(gè)子系統(tǒng)與上位機(jī)之間進(jìn)行串行通信，tma320lf2407a串口SCI模塊接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每個(gè)都有自己?jiǎn)为?dú)的使能和中斷標(biāo)志位，串口經(jīng)過一片MAX3082[2]和一個(gè)RS-485。485與RS-232的電平轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)進(jìn)行通信。

4 結(jié)語

超聲波流量計(jì)是一種先進(jìn)的明渠測(cè)量?jī)x器，由于采用非接觸測(cè)量方式，避免被測(cè)介質(zhì)對(duì)傳感器的腐蝕，特別適合污水流量的測(cè)量。控制器采用DSP數(shù)字信息處理技術(shù)，集信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、顯示輸出、信號(hào)轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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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