[导读] 介绍了一种超声波明渠流量计。首先，阐述了三角形薄壁堰的流量计算方法，说明了超声波传感器的测量原理及以W77E58作为主控元件的超声波明渠流量计的原理、系统构成和硬件设计，最后，给出了流量计的实测数据，实验表明：该流量计具有较高的准确度和可靠性，且价格低廉。
0 引言
明渠流量计是用于工矿企业渠道、管线供水和污水排放的流量测量仪表。是环境监测系统对污水排放总量控制和排污收费的必备工具。也可用于水源河流、农业水利灌溉方面的水量、制药和化工的液位测量等。为了加强对城市排水和企事业单位排水量的管理，需要有统一的排水流量测量方法。为此，参照国际标准ISO 4360-1984 堰槽明渠水流测量——三角形剖面堰等标准，我国制定了城市排水堰槽流量测量技术标准，包括：三角形薄壁堰测流、矩形薄壁堰测流等5种技术标准。
在我国，明渠流量计大部分引进国外产品，比较昂贵。而国内生产的空气式明渠流量计，由于超声波被水面悬浮的泡沫所吸收，无反射回波，导致不能测量。本文作者设计的流量计使用沉人式传感器，特别适合于表面多泡沫和漂浮物的流量测量。且结构简单、价格低，在测量精度方面能够达到工业应用的要求。
1 测量原理
超声波自补偿明渠流量计采用超声回波技术，通过测量标准流量堰（槽）的液位高度，由计算机运算得到流量。当被测液体介质通过流量槽（巴歇而槽）或堰（直角三角形缺口薄壁堰、矩形缺口薄壁堰、等宽箔壁堰等）形成自然流动时，以三角形薄壁堰测流为例（由我国制定的技术标准），三角形薄壁堰的形状见图1，图中，α为堰口角，（°）；h 为堰顶水头，m；P 为堰高，m；hmax，为堰顶最大水头，m；B 为行进渠道宽度，m；b 为堰口高度，m。
堰口角的使用范围为α=20o～100o，常用堰口角α=90o。
其流量Q与流量槽的水位h有如下关系
式中Ce为流量系数；g为重力加速度，gn= 9.8 m/s2；he为有效水头，m。
当图1中α=90o时，Ce值由图2查得。
he值按下式计算
he=h+Kh，
式中h为堰顶水头，m；Kh为粘滞力和表面张力综合影响的校正值，m。当α=90o时，Kh为0.00085 m。
当tg α/2 =1 时，流量公式转化为
Q=2.3625 Ceh5/2，
式中h为液位高度，m。
本仪表的超声测距原理是：通过安装在堰（槽）测流装置上的超声波传感器，由流量计内的单片机输出一定频率电信号，激励探头中压电晶体发射特定频率的超声波信号，并在发射时刻同时启动定时器开始计时，该超声波信号通过被测液体介质传播，遇到标准杆处，其中，一部分产生第一次反射回波，而其余部分继续在水中传播。反射部分反方向传播，进入探头，引起探头晶片振荡，产生声能—机械能—电能转换，使探头输出第一个电信号。而在水中继续传播的超声波到达水面时，由于水面以上是气体（空气），在气液交界面产生第二次反射回波，反射回波反方向传播反射到压电晶体上，使探头输出另一个电信号。即在参比面（标准杆）上产生第一次反射回波，在气液交界面上产生第二次反射回波，当探头接收到反射波后，立即停止计时，这时，计时器就记下了超声波从发送到接收的传播时间t0和t1，根据式（1）可算出探头到液面的高度。
水介质超声波液位传感器在超声流量计的控制下，进行超声波发射和接收，由反射波的传播时间来计算传感器与液面之间的距离和堰（槽）顶水头h，如图3。
由图3所示参数关系，有
H1=h0t1/ t0 （1）
H=h0t0/ t0- H0
h=h0t1/ t0- H0- P （2）
式中t1为传感器至液面的超声波传播时问；t0为传感器至标准反射体之间的超声波传播时间；h0，P，H0为实测值；P为堰高，m。
当有较多泥沙沉积时，采用静水井，静水井设在行进渠道的一侧。距堰板上游面（4~5）hmax处。渠道和静水井之间用连通管相连，管子尽量缩短，并定期清洗探头。行进渠道的长度不小于最大水头时水舌宽度的10倍，行进渠道的水流应为均匀稳定的亚临界流，若流速不能满足此规定时，可用导流板整流，使其形成自然流动，流速趋于平稳。
2 系统硬件的构成
超声波明渠流量计由超声波发送电路、超声波接收电路、电源、探头等构成，如图4。
W77E58单片机是高速单片机，与传统的8052系列单片机相比，其机器周期仅包含4个时钟周期，执行指令速度是8052的1.5倍到3倍，晶体频率可达到40MHz，有3个16位的定时器/计数器，用做定时器时，可对4个时钟周期计数，其定时时钟为10MHz，测量时间的分辨力为0.1μs。而AT89C52的晶振频率为24Hz，它的定时频率为2MHz，测量时间分辨力为0.5μs。因此，利用W77E58可提高测量时间的精度。
2.1 超声波发送电路和接收电路
由单片机W77E58的P1.0管脚产生周期为20ms的方波，当P1.0由低变高时，通过高速光耦6N137产生触发脉冲信号加到发射板的可控硅的控制端上，使发射板上的2个可控硅导通，产生一60OV窄脉冲电信号加到探头的压电晶片上，使其振荡，发出频率为1 MHz的超声波，该超声波在水中传播，遇参比面（标准杆）产生第一次反射回波，在气液交界面处产生第二次反射回波，两次回波分别在压电晶体上，产生声能一机械能一电能转换，使探头输出电信号，此电信号仅50～100mV左右，且伴随一定的噪声，因此，接收电路主要功能是信号的放大，抑制噪声，提高信噪比。在此超声波接收电路前两极放大器选用OPA37，后一级选用AD811，前两极之间外接RC电路组成高通滤波器，后两级之间外接选频电路，有效地抑制噪声。反射的电信号（50~100mV）经接收板接收放大、倍压及检波后，在水深980mm时，已达到17.3V，输出信噪比l5.78，比较理想。
当P1.0由低变高时，开始发射，并立即启动定时器Tl计时。接收到的两次电信号经接收电路进行三级放大、比较器比较（门坎电压设置是为了去掉噪声电压），光耦和开关电路送回单片机作为外中断INT0的触发信号，引起CPU两次中断。在中断程序里，分别读取定时器的计数值，即为探头从发射到接收标准杆和水面的反射回波的传播时间。
2.2 发射回波和标准杆反射回波振荡的消除
当发射电路产生-600V窄脉冲电信号加到探头，使其发射超声波，同时，-600V窄脉冲电信号经过限幅电路回送到接收电路，将有60μs的震荡，标准杆的反射回波也将有60μs的震荡，对于这些震荡必须消除，只用反射回波的第一个脉冲，采用的方法是单片机发射超声波，立刻启动定时器计时，当计时时间T<μs时，回波信号的通道关闭，关闭中断；当T>60μs，采集回波信号的通道打开，开中断，准备接收标准杆的中断，进入杆中断后，读取定时器计数值t0，采集回波信号的通道关闭，关闭中断；当T>60μs，采集回波信号的通道打开，开中断，准备接收水面中断后，停止定时器计时，并读取定时器计数值t1。
3 实验结果
单片机的晶振频率为40MHz，经过四分频后，机器周期为0.1μs。因此，该系统的最小时间分辨力是一个机器周期，即T=0.1μs，所测液位的最小分辨力为L=TV=0.074 mm。表1为该流量计的实测数据。
表1 明渠流量计实测数据
标准表流量（m3/d）
样机流量（m3/d）
误差（%）
20.35
20.75
1.97
59.84
61.00
1.94
70.44
71.80
1.93
99.99
101.70
1.71
标准流量由电磁流量计给出，实验结果证明：测量误差均小于2%。
4 结束语
该流量计在硬件设计上进行温度、湿度补偿，对反射信号进行了滤波，放大与检波处理，在软件上对采集数据进行求平均值的处理，提高了测量精度。该测量计结构简单、安装方便、运行可靠，是一种应用广泛的计量装置。
参考文献
[1] 黄明明，张蕴华，给水排水标准规范实施手册[M].北京：中国建筑工业出版社.1996，201-209.
[2] 常凤筠.超声波多通道智能探伤仪[D].鞍山：鞍山科技大学图书馆.1999，1-33，
作者简介
常风筠（1964-），女，辽宁海城人，鞍山科技大学副教授，硕士学位，主要从事计算机控制技术的教学和科研工作，发表论文6篇。