便攜式矩形渠道自動測流裝置的研究

許苗苗，周義仁，李 浩(.太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西水利職業技術學院，山西 運城 044004)

我國既是一個農業大國又是一個缺水大國，而農業用水占了70%左右。為了節約用水，必須對灌區灌溉用水進行計量控制，因此對農田灌區明渠流量的測量至關重要[1]。現在農田灌區常用的量水方法一般有以下幾種：水工建筑物量水、儀表類量水、特設量水設備量水、流速儀量水等。從總體情況來看，我國灌區量水的測量技術和設備都比較落后，而且一些測量儀器價格昂貴，灌區承擔不起[2]。比如水工建筑物量水雖然簡單可行，但是需要人工操作，達不到量水與監測的自動化要求，加上水工建筑物的老化、變形等原因，測量的精度得不到保障；而流速儀量水對測流的斷面條件要求極高，所以在灌區量水中用流速儀量水的情況比較少見，通常在試驗室中應用，作為一種標準來率定其他測流裝置。我國灌區迫切需要的是根據實際需求，盡快地研制和開發既經濟、又實用的灌區測流裝置[3]。

針對灌區明渠渠道，設計了一種便攜式矩形渠道自動測流裝置，并采用自主研發的流量傳感器，根據伯努利方程測出流速，再用流速面積法算出流量，最后通過有線或者無線的方式將液位值傳送到上位機。這種自動測流裝置能夠在一定程度上解決傳統的量水方法存在的弊端，并且能實現水位、流速、流量的自動化測量和實時監測。同時價格相對其他量水方法低廉很多，具有廣闊的應用前景。

1 測流原理

伯努利原理的實質是流體的機械能守恒，即動能、重力勢能、壓力勢能三者之和等于一個常數[4]。它是水力學中最常見的基本原理之一，廣泛地應用于水力學、科研領域及生活當中。本系統所采用的自主研發壓力傳感器的測量部分就是利用伯努利原理[5]。其表達式為：

(1)

(2)

式中：p、ρ、v分別為流體所受的壓強、密度和流動的速度；h為流體所處的高度；g為當地重力加速度，為常量；c也為常量。

式中的各項分別表示單位體積流體的壓力勢能、重力勢能及動能，其沿流線運動的過程中，和值保持不變，此即總能量的守恒；式(2)中，等號的左邊與右邊分別表示沿流線運動過程中的任意兩點的機械能之和。由伯努利方程可以看出，流速大處壓強低，流速小處壓強高。本裝置的測流原理基于式(2)，在同一高度處放置兩個壓力傳感器，一個平行于水流的方向，正對水流的沖擊，測水流的動力勢能；另一個和水流方向垂直，測出在這一點水流的靜水壓力勢能。以式(2)等號左邊表示測水的靜水壓力勢能，則v1=0，且h1=h2，即壓差Δp與流速v能一一對應，求得壓差就能求得流速，從而就能算出流量。

2 壓力式流量傳感器的設計

2.1 傳感器的外形設計

便攜式矩形渠道自動測流裝置的感應部分采用MPX53GP的壓力片，它的外表面是一個外徑為60 mm，內徑為54 mm的PVC管(便于一組壓力傳感器中的兩個處在同一弧度上，減少水的阻力)，在距離最底端2 cm處是第一組測點，以此往上每隔5 cm處放置一組測點，總共10組，此壓力式流量傳感器總體長度為50 cm，對于一般的明渠水位應該在其測量量程范圍以內。每組測點上有兩個壓力傳感器，呈垂直放置(一個測水體的靜水壓力，一個測水體的動水壓力)。每個采集點測孔的直徑為6 mm(壓力傳感器的探頭需要裸露出來)。采集板的外表除了壓力片的受力面以外其余部分均由絕緣材料環氧樹脂進行澆注，這樣克服了采集板采集水壓信號時受水流導電性的影響并可防止電腐蝕現象的發生，增強了采集板的抗干擾能力，提高了感應部分的穩定性與可靠性。采集板的頂端布置有5V直流穩壓模塊和LCD1602液晶顯示屏[6]。

2.2 傳感器的電氣結構原理

該傳感器的電氣結構原理圖如圖1所示。

圖1 傳感器的電氣結構原理圖Fig.1 Schematic of the Sensor's Electrical Structure

2.3 傳感器的電路設計

2.3.1主控電路的設計

本裝置所采用的傳感器是自主研發的壓力式流量傳感器，整個傳感器的核心部分就是STC12C5A60AD單片機控制的主控電路。該電路主要通過控制多路模擬開關(CD4052和CD4097)對檢測電路中的MPX53GP傳感器依次選通，使MPX53GP采集到的水位壓力信號依次傳送到放大電路，放大電路將信號放大之后輸送給單片機，由于單片機自帶A/D轉換，單片機將數據進行處理，最終將需要的數據直觀地顯示在LCD1602液晶顯示屏上，主控電路如圖2所示。

在時鐘電路的設計上，該單片機接了一個18.432MHz晶振，外接兩個20PF電容。由于該單片機自帶復位電路，P4.7直接接了一個10K電阻到地。液晶顯示部分：單片機的P0端口、P4.3、P3.2 和P3.3用來驅動LCD1602。P1.0～P1.3和P2.1～P2.4接多路模擬開關CD4097，P2.5～P2.7接多路模擬開關CD4052，改變這幾個端口就能控制多路模擬開關的選通，具體如何控制將在3.5.2中介紹。P3.0和P3.1這兩個IO口用來控制與上位機的通信或程序的下載，P1.4為A/D轉換的模擬量輸入口。

圖2 主制電路Fig.2 The Circuit of Main Controller

2.3.2檢測電路的設計

檢測電路由20個MPX53DP CASE 344B壓力傳感器并聯在一起。檢測電路如圖3所示，20個壓力傳感器兩兩一組：一個平行于水流方向，測出動水壓力；另一個于水流方向垂直，測出靜水壓力。由靜水壓力可以算出水位高度，動水壓力和靜水壓力之差可以根據伯努利方程算出水流流速。

圖3 傳感器的檢測電路Fig.3 Detecting Circuit of the Sensor

2.3.3通信接口的電路設計

為了能使壓力式流量傳感器采集到的數據傳送到上位機，設計了通信接口。現在無線、藍牙等通信手段的發展，致使傳統的通信模式發生了較大的改變。本通信電路的設計是基于RS232傳統的通訊方式，稍加改變，利用現在廣泛應用的USB技術，CH340芯片能夠實現USB轉串口，設計了USB接口，既能通過USB供電，又能通過USB傳送數據。

RS232通信的基本原理：由于單片機的I/O口與RS-232串口通信的電平是不同的，所以要使兩者之間能夠正常通信，必須進行電平轉換，使得RS-232串口通信的電平與單片機的I/O口的電平相匹配[7]。本設計采用了MAX3232CPE轉換芯片來實現電平的轉換。

MAX3232CPE具有匹配時與其他類型的RS232芯片相比功耗更低，但功能是基本相同的，硬件接口簡單，器件僅需四個0.1 μF的電容[8]。通過RS232將數據遠傳到上位機進行觀察，達到流量測量的智能化[9]。

通訊接口電路如圖4所示。

圖4 通信電路Fig.4 Circuit of Communication

3 便攜式測流裝置的結構設計

便攜式明渠自動測量裝置如圖5所示。

(1)手柄。由于本裝置是便攜式的，手柄的設計使裝置更方便的攜帶。

(2)液晶顯示屏。可以根據觀測員所站的位置，通過左右移動載物臺來調節液晶顯示屏的位置顯示水位、流量值。

(3)載物臺。載物臺可以在固定裝置板上來回移動。

(4)伸縮桿。可以根據明渠的寬度來調節裝置的寬度，使裝置能夠固定在明渠上。

(5)壓力式流量傳感器。壓力式流量傳感器的頂端通過固定裝置而固定，使傳感器不會因為水流的沖擊而移動。

(6)固定裝置。把整個便攜式測流裝置固定在明渠上。

1-手柄；2-液晶顯示器；3-載物臺；4-伸縮桿；5-壓力式流量傳感器；6-固定裝置圖5 便攜式明渠自動測量裝置圖Fig.5 Automatic Measuring Device for Portable Channel

4 應 用

圖6為實驗室安裝測試現場圖及實物照片

圖6 安裝測試現場圖Fig.6 Field test photo

為了測試本裝置的可行性，選取了山西某灌區矩形斷面明渠進行了試驗，經過本裝置最終轉換成流量，所測數據如表1所示。Q1為裝置所測流量，Q2為流速儀所測得的流量。

表1 實驗數據Tab.1 Testing data

5 結 語

通過在實際渠道進行的功能性試驗，該裝置的信號的檢測模塊，流量的計算和顯示模塊，數據的傳輸、接收、處理和存儲等模塊均實現了既定的功能，驗證了該裝置的實用性與準確性，具有廣闊的市場發展前景。

本文研究設計的便攜式矩形渠道自動測流裝置通過實驗證明基本符合明渠測流的要求，并且精度比較高，實現了灌區明渠自動測流的目標，對推動灌區測流自動化以及灌區信息化的發展起到了重要作用。

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[1] 元江博. 基于RS-485總線的智能變送器設計[D]. 太原：太原理工大學, 2011.

[2] 季仁保. 灌區量水調配與量測技術[M]．鄭州：黃河水利出版社，2012.

[3] 默 月，周義仁. 基于電容水位計的明渠流量實時監測系統研究[J]. 中國農村水利水電，2013，(6)：106-109.

[4] 余學昌. 伯努利及伯努利方程的應用[J].中學物理教學參考，2001，30(7)：21-22.

[5] 陳燕黎. 伯努利方程的原理及運用淺析[J].漯河職業技術學院學報，2012，11(2)：86-88.

[6] 王慧聰,周義仁. 基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動檢測系統[J]. 制造業自動 化,2015,(6):115-116,126.

[7] 袁家貝. 串口通信在單片機開發中的應用[J].信息技術應用研究，2011,(6)：19.

[8] 王 林,周義仁. 基于毫米級數字水位計的明渠測流系統的研究[J]. 中國農村水利水電,2015,(2):105-107,111.

[9] 周義仁,呂 青,馬福昌. 數字式物位傳感器的智能化研究[J]. 傳感器與微系統,2006,(6):22-24.