[导读] 论述了专门用于工矿企业自然管道（明渠）污水排放量计量的一种新型明渠流量计量仪表——LMC型
超声波明渠流量计。介绍了该流量计的功能与技术指标、仪表系统构成及测量原理，并给出了程序设计的部分流程图。
0 引言
长期以来，由于没有合适的仪表，对上海的工矿企业的污水排放一直投有得到很好的计量。随着我国乃至全世界对环境保护越来越重视和上海对环境治理与保护的步伐不断加快，就迫切需要对工矿企业的污水排放加以综合管理和控制。我们在上海市环保局以及上海市环境监测中心所属上海市环境监测技术装备公司等单位的指导和关心下，终于研制出了适合上海地区特点的LMC系列超声波明渠流量计。
1 任务的提出及目的和意义
根据调查，上海的工矿企业污水排放方式大部分是自然流下，也就是说污水在管路内或渠道内的流动是非满管的。以这种非满管状态流动的水路，即具有自由表面的水路叫做明渠。即使在所谓暗渠的水路中，由于液体是自然流下，故也属于明渠流动。对于这样的水路测量流量时，不能使用常规有压的满管流量计。
被测量的污水是含有各种杂质，以及其他有机化学成分，虽然在污水排放前，已作了净化处理，如果使用与污水介质直接接触的流量计，长期使用后，也难免在流量计内产生结垢或被腐蚀，从而影响测量。所以，作为城市污水排放，特别是工矿企业污水排放的计量仪表，较适宜采用非接触式测量仪表。为此，上海市环保部门也作了大量的调查研究工作，深入到上海市几百家工矿企业进行实地调查。经过论证表明，应用非接触式的超声波明渠流量计较适宜于本市工矿企业污水排放的计量。
经过调查还发现，由于上海地势较低，而工厂污水排放口距江、河水位又较近，这样，当涨潮时，由于下游水位升高，使得安装在明渠中的流量测量槽内的流动成为“淹没流”。因此，为适应上海地区的这一特点，要求流量计还具有能在“自由流”和“淹没流”二种流态下均能正常测量的功能。
根据以上情况，我们进行了LMC系列超声波明渠流量计的研究。
2 仪表的主要功能与主要技术参数
2.1仪表的主要功能
（1）仪表专门用于工矿企业自然管道（明渠）的污水排放量的计量，并适用于淹没流测量。
（2）仪表采用内置温度传感器的气介式集成超声波传感器进行液位测量，从而实现非接触测量。
（3）仪表采用了集成温度传感器进行温度补偿。传感器测温度范围宽、精度高，易于远距离传递，且具有较强的抗干扰能力。
（4）仪表采用单片微机及大规模CMOS电路，使该仪表智能化程度高，可靠性高，功耗低。
（5）仪表采用了多通道测量技术，即一台仪表可以连接多达4个超声波传感器，可以实现多通道测量。
（6）仪表仅采用6个触摸键即可完成所有操作，故仪表操作非常简便。
（7）仪表设有RS-232通信接口及DC 0~5V电流输出端口，使仪表具有与上位计算机通讯的功能。
（8）仪表可将每天、每月及每年的流量值（即污水排放量）保存三年，并可在任意时刻进行查询、打印。打印包括定时打印、每日趋势曲线打印、随时手动打印及查询打印等。
（9）仪表具有多参数驻留显示功能，可驻留显示瞬时流量、总累积流量、温度、液位及计量时问等5个参数。
2.2 主要技术参数
（1）流量范围：0.1×10-3 m3/s~93m3/s
（2）测量误差：自由流<±3%
淹没流<±5%
（3）显示分辨率：瞬时流量：0.01m3/h
累积流量：1m3
液位：0.001m
温度：1℃
计量时问：1h
（4）测量通道：1~4
（5）仪表工作条件：
一次仪表：环境温度：-25℃~+70℃；
相对湿度：5~100%
介质温度：0~40℃
二次仪表：环境温度：-10℃~+55℃
相对湿度：< 85%
（6）超声波传感器信号传送距离：100m（更长需定制）
（7）输出信号：a）RS232标准通信接口
b）DC 0~5V
（8）电源：交流：220V±10%50Hz±1Hz
直流：12V，6.5Ah（机内自各）
3 仪表系统构成及测量原理
LMC型明渠流量计由帕歇尔槽或薄壁堰槽（包括静水井、测量筒）、集成超声波液位传感器（含温度传感器）、微机化测量仪表（内装面板式微型打印机）等组成。选用不同的测量槽可适合不同的流量测量范围。
3.1 硬件组成
流量计主要结构和工作原理如图1所示
仪表采用大规模CMOS电路，仪表关机或复位时，机内CPU仍由后备电源以“掉电工作方式”运行，并由后备电源对机内数据存储器实施保持。故仪表开机或复位后，仪表仍掉电或复位前的工作状态继续运行。
仪表特别设计了交流失电续测功能。当仪表检测到交流失电时，由机内蓄电池继续供电，而不影响测量，但显示器将被关闭。按“显示”键后，则可重新打开显示器，约30秒后再次自动关闭。交流失电后，打印机也自动关闭。当恢复供电后，打印机再次自动打开。
仪表正常运行时，机内蓄电池及后备锂电池通过机内充电电路对其继续充电。当机内蓄电池充足电后（需在交流供电下，仪表连续运行24小时以上），可依靠机内蓄电池续测50小时以上。
仪表还设计了打印机状态自动检涌功能。当打印机被关闭时，仪表自动跳过打印程序，故不会出现“死机”现象。打印机也可以被“软关闭”，即靠设置关闭打印机。故仪表允许在任意时刻对打印机进行操作，如更换打印纸等。这也是本仪表的特色之一。
3.2 测量原理
为了测量上、下游水位，我们设计了一台以8051单片微机为核心的四通道超声波信号采集系统，该采集系统如图3所示。
首先由超声波传感器在微机的控制下，发出接近100kHz的发射波，超声波经水面反射，超声波传感器再接收回波信号。通过微机计算出发射波与回波的时间差即可以算出水位高度。
hЛ=L-S=L-（1/2）C•T （1）
式中：hЛ——液位高度
L —— 超声波传感器的安装高度（m）；
C —— 超声波在空气介质中和测量温度下的传播速度（m/s）；
T —— 超声波的发射波与回波的时间差（s）
这样由（1）式就可以计算出流量了。
当水槽下游侧水位太幅度升高，而形成淹没流时，需由淹没流的流量公式计算流量。
仪表通过测量上游水位Ha和下游水位Hb之比，确定流动为自由流动或淹没流动。将上游水位Ha和下游水位Hb之比称为淹没度，用符号σ表示，即：
σ=Ha/Hb （2）
在淹没流下，流量与下游水位有关，流量公式为
Qs=Q-QE=f（Ha，σ，b） （3）
式中： Qs —— 淹没流流量；
Q —— 自由流流量；
QE—— 淹没流折减流量；
σ —— 淹没度；
b —— 帕歇尔水槽喉部流道宽度；
不同尺寸的帕歇尔水槽形成自由流条件与淹没度有关，如表1所示。
表1 帕默尔木糟自由诫条件
帕歇尔水槽尺寸（mm） 淹没度1/ б 25- 76 〈0.5 152- 228 〈0.6 〉305 〈0.7
3.2.1 多通道测量原理
仪表可用于多通道测量。仪表在用于多通道测量时，接收1~4通道的超声波传感器信号，并转换成流量后自动将1~4通道中的流量相加。仪表显示、储存相加后的总流量。多通道测量时，每个通道应选用相同规格的堰、槽流量计。多通道测量原理如图2所示。
仪表在单片微机的控制下，每秒钟控制超声波传感器检测一次水位，计算出一秒钟的流量，并进一步累积为时流量、日流量、月流量、年流量和总累积流量。仪表每秒钟的测量值分辨率达0.00001m3。仪表将测量的散据存入内存，存储量可达三年（存储器数据由镲镉电池保持）。
仪表可以显示、打印当前测量数据和存储的数据。仪表每天能自动打印出总流量、总测量时间、日流量及一天的流量变化曲线。每天打印的时刻及时同间隔可由用户自己设定。
图3为4通道的超声波信号采集电路（部分）原理示意图。从图中可见，通道的选择是通过P1.4、P1.5实现的，如表2所示。
表2 微机通道选择方洼
P1.4 P1.5 通道 0 0 1 0 1 2 1 0 3 1 1 4
3.2.2 温度传感器测量原理
本仪表采用了集成温度传感器对超声波在空气中的传播速度进行修正。集成温度传感器的硬件测量电路原理如图4所示。
4 软件设计
流量计软件由主程序和若干子程序组成，主程序采用模块式结构编写，整个软件采用MCS-51汇编语言编写，约7.5KB，全部固化在EPROM2764中。限于篇幅，只给出部分程序流程图。
4.1 单片微机淹没流测量软件框图（见图5）
4.2 两通道谢量的程序框图（见图6）
多通道（3，4通道）测量原理与2通道测量原理相同。
仪表在进行采样时，在软件中分别采用了低通滤波及一阶滞后滤波等效字滤波技术，提高了仪表的稳定性和可靠性。
5 结束语
单就上海而言，需进行污水排放计量的工矿企业就达4000多家，根据上海市环保局要求，这些企业都将按要求安装污水排放检测仪器。目前，本市尚无同类产品。如选用国外产品，以美国的伊思柯（ISCO）公司为例，其同类型的超声波明渠流量计的价格为71300元。本成果转化为产品后，基本价格为17000元左右，低于国外产品约5.4万元左右。以全市4000家企业计，可以节约资金2亿元。
就工矿企业本身而言，安装了LMC系列超声波明渠流量计以后，由于它的独特的存储、显示和通信功能，不但使环保人员能及时掌握废永排放的瞬时值与累积值，而且能使企业上层的决策管理人员及时了解本单位的废水排放量。结合输入企业能源信息，及时了解企业的能耗及能源利用情况，为降低产品成本，及时采用合理的工艺手段，以达到最充分地利用能源，从中获得经济效益.降低成本，使本单位的产品更具竞争力。该仪器已在上海市多家企业事业单位试用，取得令人满意的效果。
参考文献
[1] 超声波明渠污水流量什．中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T15-1996
[2] 沈德金等编著．MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例．北京：北京航空航天大学出版社，1990
[3] 杨振江编著．A/D，D/A转换器接口技术．西安：西安电子科技大学出版社，1996