張新書

（河北省水文水資源勘測局，河北 石家莊 050031）

0 引言

我國是一個水資源豐富的國家，在水文工作中流速儀被廣泛應用于河流及海流流速的測量。流速儀在出廠前或在野外使用過一段時間后需要進行檢測檢定，以確定流速儀轉速和水流速度之間的關系。近年來，隨著計算機技術在流速儀檢定行業(yè)的廣泛應用，尤其是直線明槽中轉子式流速儀的檢定方法（GB/T 21699-2008）及轉子式流速儀（GB/T 11826-2002）標準的出臺，人們對流速儀檢定及測流設備的可靠性和自動化程度的要求越來越高。

流速儀脈沖信號比較復雜，信號調理及采集工作既是流速儀檢定和使用中的重點也是難點。本文提出了 1 種軟硬結合的流速儀信號調理方法，應用在檢定槽改造及智能流量測算儀中并取得較好的效果。

1 流速儀檢定介紹

流速儀旋漿的轉速和水流流速在臨界點以上滿足線性關系：v = a + bn，其中 n 為轉子轉率，v 是水流流速，b 為水力螺距，a 為儀器常數。流速儀檢定的目的，簡單的說就是為了確定檢定公式中的 a，b 值。

目前 a，b 值是通過流速儀檢定水槽進行實際測量的，也就是靜水槽檢定法。檢定程序如下：在橫斷面均勻一致的直線靜水槽 2 側鋪有軌道，導軌上運行檢定車。將流速儀懸掛在檢定車上并深入水中一定位置（通常在水下 0.6～0.8 m），人工或自動控制檢定車以各種檢定速度牽引流速儀，從而使流速儀和靜水產生相對運動，當運行平穩(wěn)后，計算機發(fā)出指令進入轉速/轉率測量單元，測出流速儀儀器轉率，而把檢定車相對于靜水的速度作為水流速度，進而確定 v - n 關系，用方程式與圖表建立相關關系，最后根據檢定結果對流速儀各項性能給出定量評定[1]。

2 流速儀信號調理

2.1 流速儀信號特點

流速儀信號是通過干簧管吸合或機械觸絲的通斷產生，在理想狀態(tài)下應該是規(guī)則的脈沖。但是流速儀信號容易受到以下因素的干擾：1）干簧管觸絲在完全吸合或脫離前的臨界狀態(tài)下，2 個觸點會產生非良好接觸，因而在流速儀脈沖信號前沿和后沿都會有一定時間長度的抖動信號；2）流速儀檢定槽長期使用后，水會變得不純凈導致水的導電率增加，這樣就相當于在流速儀的 2 個水下接線柱之間存在水電阻從而影響到流速儀輸出信號；3）流速儀檢定車上裝有大功率同步電機及變頻器，流速儀信號從接線端取出，經導線與連接板連接，然后經過電機、變頻器、接觸器等大電流交流器件的過程中容易受到電磁干擾，因此流速儀信號中常常會竄入尖峰干擾[2]。

由于以上干擾，實際環(huán)境中測量到得流速儀信號與理論中的相距甚遠，流速儀信號波形對比如圖 1 所示。如果直接把這種脈沖信號送入計算機處理器，將會導致計算機重復計數從而影響到流速儀檢定精度；同時脈沖信號中的尖峰干擾對計算機硬件也會產生致命損害。因此需要針對流速儀信號的特點，采用軟硬結合的方法在流速儀信號和計算機計數接口之間設計 1 套合理的信號調理系統(tǒng)。

圖1 流速儀信號波形對比

2.2 硬件信號調理

從流速儀接線柱引出的脈沖信號不能直接接入計算機處理器，需要經過信號轉換、濾波、隔離、去抖動、放大、整形等硬件電路后才等滿足計算機的采集要求。流速儀硬件信號調理流程如圖 2 所示。

圖2 流速儀硬件信號調理流程

信號轉換電路負責把流速儀干簧管的吸合轉換為相應的脈沖形式；利用 RC 電路的濾波特性組成簡單的衰減濾波網絡，對竄入接口的強干擾脈沖進行衰減和抑制，并利用二極管的特性進一步限幅，克服水的導電性帶來的干擾，使電路的干擾信號得到最大的抑制，同時利用電容的隔直特性把流速儀電信號與計算機系統(tǒng)上的電器分離，然后采用三極管進行信號變換，使之適應計算機系統(tǒng)的脈沖幅度后再進行整形。

流速儀信號經過處理后，信號已基本滿足計算機處理的要求，并有效防止了干擾，可以接入計算機計數器接口。流速儀信號調理原理如圖 3 所示。

圖3 流速儀信號調理原理圖

2.3 軟件濾波

由于流速儀型號眾多，儀器狀態(tài)也各不相同，這就決定了每架流速儀的干擾及抖動情況也各不相同，因此為了保證在采集流速儀信號過程中的準確可靠性，彌補硬件電路的不足，使其接口適合各種流速儀，還要通過軟件濾波的方法提高信號質量。

在對流速儀信號進行軟件濾波處理時，要根據不同的應用場合采用不同的濾波方法。在流速儀檢定車上時，由于 1 次要檢測多個不同的速度，而儀器型號基本相同，就應該根據不同的儀器類型，選擇不同的距離延遲防止抖動，這是流速儀檢定車進行軟件濾波的首選措施。而在實際流速測量時，由于已經沒有了距離信號再加上 1 個斷面有可能使用各種不同的流速儀，因此必須靈活設置濾波措施，而能靈活設置的流速儀參數只有時間，所以在軟件的編寫過程中流速儀記錄信號的儀表必須能隨時改變信號采集的延遲時間，最大限度地提高信號采集的可靠性和準確性。軟件濾波的信號示意圖如圖 4 所示。

圖4 軟件濾波示意圖

3 設計應用情況

基于以上理論，有 2 種應用。1）在檢定車上進行應用，用圖 3 所示的 3 套電路分別對應 3 架流速儀，制作成可以同時懸掛 3 架流速儀的檢定車檢定系統(tǒng)，硬件電路整形完畢后進入可編程控制器及工業(yè)控制計算機，然后用軟件對流速儀信號進行濾波，同時對檢定車進行控制。經過多年的使用，取得了較好的效果。2）研制開發(fā)了利用單片機的智能流量測算儀，有效解決了流速儀信號的干擾問題，及流速儀測流中二次儀表設計中的難點，經過幾年的使用驗證，徹底解決了流速儀測流中二次儀表只能搭配固定型號的流速儀的問題，該智能流量測算儀能適應現在使用中的大部分流速儀型號。

4 結語

針對流速儀信號的特點，采用了轉換、濾波、隔離、去抖動、放大、整形等硬件電路調理信號以適應計算機處理，計算機軟件編寫過程中流速儀記錄信號的儀表能隨時改變信號采集時的延遲時間，最大限度地提高信號采集的可靠性和準確性。解決了流速儀信號干擾，以及測流中二次儀表只能搭配固定型號的流速儀的問題，并在實際運用中得到了驗證。

[1]直線明槽中轉子式流速儀的檢定方法. GB/T 21699-2008[S]. 北京：中華人民共和國水利部，1995.

[2]梁嵐珍，陳志軍，南新元. 流速儀信號計算機采集系統(tǒng)設計[J]. 自動化儀表，2002, 23 (9): 38-41.