關于地下污水管道流量計的設計原理

摘要：介紹了一種地下污水流量計的設計。采用超聲波傳感器，利用單片機進行數據采集與處理，并提出了抑制干擾的方法。
1、明渠污水流量測量的基本方法
工業污水一般經明渠排放，其流量測量的一般方法是在污水排放口安裝特殊結構的測量槽，通過測量槽的液位即可計算出瞬時流量，進而算出累計流量。可見明渠流量測量的關鍵是液位的測量。以常見的巴歇爾槽為例，其流量的計算公式如下：
Q=1.541*H1.538*10—3/60
Q——瞬時流量(m³/s)，H——液位(mm)。
2、超聲波傳感器的基本特性
常見的液位傳感器有磁浮筒式、壓力式等，磁浮筒式傳感器要安裝在被測介質中，長時間使用易被腐蝕，而壓力傳感器輸出線性較差且成本較高。超聲波傳感器的特點是使用時與液面脫離接觸，無腐蝕問題，且價格低廉。超聲波傳感器由控制卡及換能器構成，如圖I。

其外部特性如圖2所示。其工作原理是，每當在“控制信號”端加一正脈沖(寬度0.2ms)，控制卡便通過換能器發一束超聲波，當超聲波遇被測污水反射后又被換能器接收，控制卡便通過“邏輯輸出”端輸出一“返回脈沖”。通過計量“控制信號”到“返回脈沖”之間的時間T便可按下式計算出換能器距被測污水表面的距離H，由于安裝時換能器固定在污水的上方(高度不變)，因此，換能器距污水底部的距離HO(其值已知)減去H即為污水液位H1。

H=I/(2*V*T)

Hl=HO—H

其中：V=344m/s為聲波的傳播速度，T為聲波傳輸時間。可見，我們可通過單片機測出T，進而算出H1。

3、流量計的工作原理

根據超聲波傳感器的特性，采用單片機作為整個流量計的控制器，系統的硬件原理圖如下：

圖3中，單片機8031、74373和2764組成單片機核心電路，8255為顯示電路接口，DSl220為不揮發RAM，用其存儲流量可保證斷電后流量不丟失。工作時8031每隔一個采樣周期先啟動定時器T1，然后通過PIO引腳向控制卡發控制信號，換能器發一聲波經被測污水反射由換能器接收，控制卡的邏輯輸出端輸出一脈沖，脈沖信號經過或門進入INTO腳，引起中斷請求。在中斷服務程序中從定時器中取出定時值，計算出對應的液位。由于傳感器在發出聲波后，在4MS以內會產生無用的盲區脈沖，所以在P10向控制卡發控制脈沖的同時，通過P11引腳發一個4ms的高電平封鎖信號，防止“盲區脈沖”通過或門進入INTO引腳。
由于污水表面有各種漂浮物，會產生“漂浮物干擾”，使液位產生誤差，因此在軟件設計中必須采用相應抗干擾措施。考慮液位變化慢的特點，在軟件設計中采用“限速濾波”。利用8031的定時器TO獲得lOOms定時基準，再獲得3s的采樣周期，每隔一個采樣周期獲得一個采樣Hi，每次獲得采樣值后都對其進憲“限速濾波”。設*近三次采樣值分別為H1、H2、H3，本次濾波值為Hn，上次濾波值為Hn-I，則濾波算法如下：
若|H3一Hn一1|≤△H，則Hn=H3；
若|H3一H2|≤△H，且|H2一H1|≤△H，則Hn=H3
否則，Hn=Hn-1。
其中AH為根據實際情況經實驗確定的液位變化值。此算法經實踐證明可有效濾除“漂浮物干擾”。803I的定時器TI作為對超聲波往返時間的計時器，每個計數值代表2ms。限于篇幅，控制程序就不在此給出。
4、結束語
采用超聲波傳感器的地下污水管道流量計經現場實際運行性能良好，在精度、穩定性等主要技術指標方面均達到設計要求。