面向遠程計量閘門的超聲波液位測量系統開發

毛 潭 周幫平 李 弘 李嘉曦

（北方工業大學 機械與材料工程學院，中國 北京 100144）

0　引言

遠程計量閘門是集遠程監控與聯動、水位和流量測量、閘門控制于一體的現代化水資源動態調度設備[1]，也是我國建設信息化灌區的關鍵設備[2]。對于提高灌區水資源的利用效率和節約用水具有重要作用。遠程計量閘門是通過對水位和閘門開度等信息的實時測量來實現閘門的分水控制和流量計量功能，目前常用投入式液位計測量閘門上下游的實時水位，但投入式液位計對我國黃河灌區的泥沙淤積環境存在測量失靈問題，而現有的非接觸式液位計存在可集成性差，精度漂移大的缺陷。因此本文面向遠程計量閘門的實際應用，開發具有良好集成性和環境適應性的高精度超聲波液位測量系統，具有重要工程意義。

1　超聲波液位測量系統構成

遠程計量閘門由安裝于各級渠道上的自動計量閘門集群和運行于調度中心的遠程調水控制系統組成[3]。超聲波液位測量系統用于測量閘前和閘后水位，通過Mod bus協議與閘門控制器進行通訊。整體的超聲波液位測量系統結構如圖1所示：

2　超聲波液位測量系統硬件電路

超聲波液位測量系統主要由硬件電路部分和軟件部分組成。硬件電路主要包括超聲波收發電路、溫度補償電路、電源電路和串口通訊電路。

圖1　超聲波液位測量系統結構圖

2.1　超聲波液位測量收發電路

超聲波發射電路主要由三極管Q2（S8050）和中周變壓器組成，頻率為40KHz的PWM波經過功率放大從而驅動超聲波換能器，R3為超聲波收發一體換能器匹配電阻。

接收回路主要包括放大電路，帶通濾波電路，比較電路和限幅電路。放大電路，帶通濾波電路和比較電路采用TL074四通道運放芯片搭建。TL074是一款高性能低功耗高速運算放大器，具有低輸入偏置電流和低電平轉換速率。低諧波失真和低噪聲使TL074非常適合高保真和音頻前置放大器應用。回波信號先經過電阻 R19和二極管 D1、D2（1N4148）組成的限幅電路，然后依次經過由TL074運放芯片搭建的前置放大電路、帶通濾波電路、比較電路，最后由三極管Q1組成的限幅電路將放大后的信號控制在3V3以內，經PA6傳送給ADC模塊。超聲波發射電路和接收電路分別如圖2和圖3所示：

圖2　超聲波發射電路

圖3　超聲波接收電路

2.2　串口通訊電路設計

為了便于超聲波液位計的測試，調試和數據傳輸，在硬件電路中設計了RS232接口和RS485接口。RS232選用遵循RS232通訊協議的MAX3232芯片，芯片的11、12引腳分別與主控芯片的 PA9、PA10相連。RS485選用遵循RS485通訊協議的MAX485芯片，芯片的1、2、4引腳分別連接芯片的 PA3、PA1、PA2。其電路原理圖分別如圖 4a、4b所示：

2.3　溫度補償電路設計

由c=331.4+0.607T（T為攝氏溫度）可知溫度對超聲波的傳播速度影響很大，所以為了提高測量精度，加入了溫度補償模塊以減小測量的誤差。DS18B20是單總線數字式溫度傳感器，具有體積小，電路簡單，抗干擾能力強，精度高等特點，其溫度測量范圍是－55～＋125℃ ，在－10～＋85 ℃，準確度為±0.5℃[4]，完全滿足明渠水溫的測量，所以在設計中采用DS18B20進行溫度測量。

圖4.a　RS232原理圖

圖4.b　RS485原理圖

3　軟件部分設計

軟件設計部分主要采用模塊化設計，包括主程序、超聲波發射和接收子程序、溫度采集子程序、定時器中斷子程序、信號處理子程序和串口通訊子程序。系統程序初始化之后先檢測溫感測量的環境溫度，因為環境的溫度對超聲波的傳播速度影響很大，為了及時修正測量數據，保證測量的精度，在程序設計中優先考慮測量環境溫度。如果檢測不到環境溫度，程序將會跳出主程序，不執行超聲波的發射和接收子程序。為了進一步提高測量精度，減小精度漂移，在接收子程序中加入了軟件濾波功能[5]。由于發射脈沖數為16個，所以在檢測接收回波時判斷接收的回波個數，回波個數大于6個的視之為有效回波。取連續10個有效回波，去掉最大值和最小值之后取平均值，得到一次有效的測量距離。這樣就有效的避免了某些偶然因素造成的測量精度漂移大的問題。流程圖如圖5所示：

4　實驗數據及結果

超聲波液位計的安裝高度為3米，安裝誤差±1mm。用投入式液位計作為標定，其量程為0-3米，標定誤差≤1mm，穩定性能≤0.2%Fs。兩者的測量數據直接在閘門控制器的閘前和閘后水位欄顯示，閘門處于全開度狀態，閘前和閘后水位相同。常溫下聲波的傳播速度通常取為固定值340m/s[6]，具體的超聲測量數據與投入式液位計的測量數據如表1所示，超聲波液位測量實物圖如圖6所示，現場試驗圖如圖7所示：

圖6　超聲波液位計實物圖

5　結束語

面向遠程計量閘門開發的超聲波液位測量系統，具有安裝簡單，接口嵌入方便的優點，采用智能環境補償算法提高了液位計的精度和測量穩定性。經實際工程應用，該液位測量系統性能穩定、環境適應性強、測量精度達到0.3%，滿足我國灌區信息化建設測控智能閘門的應用需求。

圖7　現場試驗圖

表1　超聲波液位計測量結果

【參考文獻】

［1］張從鵬，吳玉宣.基于ARM的明渠區域動態調水控制系統開發[J].中國農村水利水電，2016(10)：83-85.

［2］張從鵬，岳向泉，羅學科，等.基于ARM的遠程自動控制計量閘門控制系統[J].儀表技術與傳感器，2014(2)：57-58.

［3］張從鵬，羅學科，李玏一，等.面向灌區調水工程的遠程自動計量閘門研究[J].農業機械學報，2014(8)：172-177.

［4］龔志勇，程遠，勾勇華，等.采用DS18B20作溫度補償的超聲波液位計[J].測控技術，2004(11)：6-10.

［5］苑潔，常太華.基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統的設計[J].電子設計工程，2011(8)：76-78.

［6］張海鷹，高艷麗.超聲波測距技術研究[J].儀表技術，2011(9)：58-60.