基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動檢測系統

勞志寧

摘 要：在明渠流量測量的過程中，如果要想使得測量結果的精確度不斷提高，一定程度上使得測流裝置的成本有所降低，那么必須實現明渠流量測量的自動化。本文以此為基礎，深入研發了一種基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動檢測系統。本次研究中所開發的系統所使用的測流原理為伯努利方程并且以此為基礎，將機械傳動機構與壓力傳感器裝置二者相結合，通過流速與面積測量法，從而得到明渠流量測量的精確值。在系統中所使用的控制系統為擁有A/D轉換功能的單片機裝置，在運行過程中對電壓信號值進行采集，在完成后以內部程序為轉化，將流量值顯示在屏幕上，實現裝置自動化操作。

關鍵詞：明渠矩形渠道;自動檢測系統;壓力傳感器;伯努利方程;流量測量

眾所周知，我國屬于農業大國，但是與此同時，我國的水資源總體呈匱乏趨勢。在農作物種植的過程中，對作物進行灌溉是必不可少的緩解，但是通過相關調查可知目前灌區用水存在一定程度的浪費現象，這也是我國農業水資源存在流失的關鍵性原因。為了解決這一現狀問題，對于存在不足的傳統式水流測量裝備以及測量方法的改進是不可避免的。

在農業生產過程中，明渠流量檢測具有著關鍵性地位，這一環節對于灌溉管理水平的提高具有重要影響，并且對于灌溉用水的利用率是否提高也會起到一定的影響作用。但是目前的明渠流量檢測裝置會受到多種因素的影響，存在著一定的條件制約，存在成本造價相對較高、抗干擾能力相對不足、在安裝過程中要有較高的技術水平、測量精度有待提升等眾多不足。為了解決目前明渠測量裝置存在的不足，本文結合矩形斷面形式渠道的特點，以壓力傳感器為基礎，研發并設計出一種流量自動檢測系統。

一、測流原理

本研究中所開發的基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動檢測系統所使用的測量原理是以伯努利方程為基礎的。伯努利方程作為基本原理，在水力學領域中應用較為廣泛，在該方程中所涉及到的水力學知識較為全面，因此在水力學領域也是具有較高的應用率。

伯努利方程作為動力學方程之一，主要為理想流體定常流動原理，具體而言，是在不考慮粘性損失的流體中，流體流線中不同兩點之間所存在的壓力勢能、位勢能與動能的和較為穩定，始終保持恒定。

二、壓力傳感器

在自動測量系統系統研發過程中，壓力式測流裝置所采用的基本原理為伯努利方程，感應裝置所采用的壓力片為MPX53GP壓力片。系統中所使用的壓力片具有較強的工作性能，該壓力片的工作原理為將收到的壓力信號，通過該裝置轉化為電壓信號。在使用后可以為系統進行準確度較高的線性電壓輸出，并且會與所施加的壓力形成正比關系。本次所研發的壓力傳感器共使用了十個MPX53GP壓力片，其中兩個壓力片為一組，其中的一個壓力片要正面迎向水流的沖擊，另外一個壓力片與水流的方向成垂直關系。10個壓力片為5組，分別放置于板子的5個位置點，在放置過程中要盡量均勻放置。

本研究中所使用的采集板高度可達58厘米，在測量過程中可以對液位高約50厘米的流量進行測量，形成明渠流量值。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，使得采集板的抗干擾能力大大增強，提高了感應部分的穩定性與可靠性。

三、系統結構

（一）系統框架

本次所開發的矩形明渠流量自動測量裝置共有5大部分組成，主要包括壓力傳感器、驅動器、機械傳動裝置、計算機與微處理器，系統框架如下圖1所示。在系統中所選取的微處理器為STC12C5A60S2芯片，該8051單片機具有較強的優勢，運行速度快、所產生的功耗較低并且擁有較強的抗干擾能力。

（二）系統結構原理

在本流量自動檢測系統中，傳動機構上共放置10個壓力片。壓力片在運行過程中與機械傳動裝置相配合，共同實現自動的橫向移動，從而對明渠矩形斷面中不同點位的流速進行測量。

在測量過程中系統結構原理如下：在測量過程中應用流速面積法對斷面的流量進行測量。傳感器在傳動機構上共放置10個，其中兩個壓力片也就是壓力傳感器為一組共分為5組，分別對動水壓力與進水壓力進行測量。根據點、線、面的思想，在系統運行過程中主要通過以下三個步驟得到流量值：首先，測點流速。兩個壓力傳感器測得的動水壓力和靜水壓，用伯努利方程計算出一個測點的流速。根據該方法，可以獲得每個測量點的流速;其次，測線速度。根據水下傳感器的測點數，分別計算水下測點的速度，對每個測點的速度進行加權平均，得到測線速度;最后，測面流速。以機械傳動機構為基礎進行全自動化的橫向移動，從而得到不同測線的流速值。在獲取到全部測線的流速值后，進行加權平均從而得到測面的流速值。

四、實際實驗結果

為了對本研究中所開發的流量自動檢測系統的運行情況進行驗證，本研究以我省某矩形斷面明渠為試驗對象進行了相關試驗。在試驗過程中，明渠的底部寬度為43.8厘米，在研究試驗中將系統獲取到的數據與流量儀所測的數值進行了詳細對比。

結束語

綜上所述，為了改進原有明渠流量檢測裝置的不足，本研究以伯努利方程為測量原理，開發出一種基于壓力傳感器的矩形渠道流量自動檢測系統，并且以我省某明渠為實際研究對象進行了現場實驗，將自動測量系統所測量出的數值與流量儀的測量值進行比較，結果發現二者的誤差相對較小，可控制在3%以內，因此本研究中所開發的流量自動檢測系統具有較高的現實應用價值，無論是實用性還是數值準確性都相對較高。

本研究中所研發的系統在開發過程中設計思路主要為：在明確流量速度檢測過程中，從點流速測起逐漸過渡至線流速，最終測量面流速，從而實現橫斷面內不同點之間的綜合測量，這會使得測量精度大大提高。除此之外，在本流量自動測量系統中，將機械傳動機構與系統相融合，從而實現下面內測線選擇的任意性，大大降低操作難度。除此之外，本系統的研究成本相較于傳統的流量測速儀相比較低，裝置內部的結構相對簡單，有利于人工成本的降低。

總而言之，本文提出一種創新型矩形渠道流量自動檢測系統，系統以壓力傳感器為基礎，可以適應不同的使用環境，測量結果的精確度相對較高，因此具有較高的現實應用價值，可進一步應用與推廣。

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