許苗苗，周義仁，李 浩(.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004)

我國(guó)既是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)又是一個(gè)缺水大國(guó)，而農(nóng)業(yè)用水占了70%左右。為了節(jié)約用水，必須對(duì)灌區(qū)灌溉用水進(jìn)行計(jì)量控制，因此對(duì)農(nóng)田灌區(qū)明渠流量的測(cè)量至關(guān)重要[1]。現(xiàn)在農(nóng)田灌區(qū)常用的量水方法一般有以下幾種：水工建筑物量水、儀表類(lèi)量水、特設(shè)量水設(shè)備量水、流速儀量水等。從總體情況來(lái)看，我國(guó)灌區(qū)量水的測(cè)量技術(shù)和設(shè)備都比較落后，而且一些測(cè)量?jī)x器價(jià)格昂貴，灌區(qū)承擔(dān)不起[2]。比如水工建筑物量水雖然簡(jiǎn)單可行，但是需要人工操作，達(dá)不到量水與監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化要求，加上水工建筑物的老化、變形等原因，測(cè)量的精度得不到保障；而流速儀量水對(duì)測(cè)流的斷面條件要求極高，所以在灌區(qū)量水中用流速儀量水的情況比較少見(jiàn)，通常在試驗(yàn)室中應(yīng)用，作為一種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)率定其他測(cè)流裝置。我國(guó)灌區(qū)迫切需要的是根據(jù)實(shí)際需求，盡快地研制和開(kāi)發(fā)既經(jīng)濟(jì)、又實(shí)用的灌區(qū)測(cè)流裝置[3]。

針對(duì)灌區(qū)明渠渠道，設(shè)計(jì)了一種便攜式矩形渠道自動(dòng)測(cè)流裝置，并采用自主研發(fā)的流量傳感器，根據(jù)伯努利方程測(cè)出流速，再用流速面積法算出流量，最后通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的方式將液位值傳送到上位機(jī)。這種自動(dòng)測(cè)流裝置能夠在一定程度上解決傳統(tǒng)的量水方法存在的弊端，并且能實(shí)現(xiàn)水位、流速、流量的自動(dòng)化測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)價(jià)格相對(duì)其他量水方法低廉很多，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 測(cè)流原理

伯努利原理的實(shí)質(zhì)是流體的機(jī)械能守恒，即動(dòng)能、重力勢(shì)能、壓力勢(shì)能三者之和等于一個(gè)常數(shù)[4]。它是水力學(xué)中最常見(jiàn)的基本原理之一，廣泛地應(yīng)用于水力學(xué)、科研領(lǐng)域及生活當(dāng)中。本系統(tǒng)所采用的自主研發(fā)壓力傳感器的測(cè)量部分就是利用伯努利原理[5]。其表達(dá)式為：

(1)

(2)

式中：p、ρ、v分別為流體所受的壓強(qiáng)、密度和流動(dòng)的速度；h為流體所處的高度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋瑸槌Ａ?；c也為常量。

式中的各項(xiàng)分別表示單位體積流體的壓力勢(shì)能、重力勢(shì)能及動(dòng)能，其沿流線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，和值保持不變，此即總能量的守恒；式(2)中，等號(hào)的左邊與右邊分別表示沿流線(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的任意兩點(diǎn)的機(jī)械能之和。由伯努利方程可以看出，流速大處壓強(qiáng)低，流速小處壓強(qiáng)高。本裝置的測(cè)流原理基于式(2)，在同一高度處放置兩個(gè)壓力傳感器，一個(gè)平行于水流的方向，正對(duì)水流的沖擊，測(cè)水流的動(dòng)力勢(shì)能；另一個(gè)和水流方向垂直，測(cè)出在這一點(diǎn)水流的靜水壓力勢(shì)能。以式(2)等號(hào)左邊表示測(cè)水的靜水壓力勢(shì)能，則v1=0，且h1=h2，即壓差Δp與流速v能一一對(duì)應(yīng)，求得壓差就能求得流速，從而就能算出流量。

2 壓力式流量傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的外形設(shè)計(jì)

便攜式矩形渠道自動(dòng)測(cè)流裝置的感應(yīng)部分采用MPX53GP的壓力片，它的外表面是一個(gè)外徑為60 mm，內(nèi)徑為54 mm的PVC管(便于一組壓力傳感器中的兩個(gè)處在同一弧度上，減少水的阻力)，在距離最底端2 cm處是第一組測(cè)點(diǎn)，以此往上每隔5 cm處放置一組測(cè)點(diǎn)，總共10組，此壓力式流量傳感器總體長(zhǎng)度為50 cm，對(duì)于一般的明渠水位應(yīng)該在其測(cè)量量程范圍以?xún)?nèi)。每組測(cè)點(diǎn)上有兩個(gè)壓力傳感器，呈垂直放置(一個(gè)測(cè)水體的靜水壓力，一個(gè)測(cè)水體的動(dòng)水壓力)。每個(gè)采集點(diǎn)測(cè)孔的直徑為6 mm(壓力傳感器的探頭需要裸露出來(lái))。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(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行澆注，這樣克服了采集板采集水壓信號(hào)時(shí)受水流導(dǎo)電性的影響并可防止電腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，增強(qiáng)了采集板的抗干擾能力，提高了感應(yīng)部分的穩(wěn)定性與可靠性。采集板的頂端布置有5V直流穩(wěn)壓模塊和LCD1602液晶顯示屏[6]。

2.2 傳感器的電氣結(jié)構(gòu)原理

該傳感器的電氣結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 傳感器的電氣結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic of the Sensor's Electrical Structure

2.3 傳感器的電路設(shè)計(jì)

2.3.1主控電路的設(shè)計(jì)

本裝置所采用的傳感器是自主研發(fā)的壓力式流量傳感器，整個(gè)傳感器的核心部分就是STC12C5A60AD單片機(jī)控制的主控電路。該電路主要通過(guò)控制多路模擬開(kāi)關(guān)(CD4052和CD4097)對(duì)檢測(cè)電路中的MPX53GP傳感器依次選通，使MPX53GP采集到的水位壓力信號(hào)依次傳送到放大電路，放大電路將信號(hào)放大之后輸送給單片機(jī)，由于單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將需要的數(shù)據(jù)直觀地顯示在LCD1602液晶顯示屏上，主控電路如圖2所示。

在時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)上，該單片機(jī)接了一個(gè)18.432MHz晶振，外接兩個(gè)20PF電容。由于該單片機(jī)自帶復(fù)位電路，P4.7直接接了一個(gè)10K電阻到地。液晶顯示部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)的P0端口、P4.3、P3.2 和P3.3用來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD1602。P1.0～P1.3和P2.1～P2.4接多路模擬開(kāi)關(guān)CD4097，P2.5～P2.7接多路模擬開(kāi)關(guān)CD4052，改變這幾個(gè)端口就能控制多路模擬開(kāi)關(guān)的選通，具體如何控制將在3.5.2中介紹。P3.0和P3.1這兩個(gè)IO口用來(lái)控制與上位機(jī)的通信或程序的下載，P1.4為A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入口。

圖2 主制電路Fig.2 The Circuit of Main Controller

2.3.2檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路由20個(gè)MPX53DP CASE 344B壓力傳感器并聯(lián)在一起。檢測(cè)電路如圖3所示，20個(gè)壓力傳感器兩兩一組：一個(gè)平行于水流方向，測(cè)出動(dòng)水壓力；另一個(gè)于水流方向垂直，測(cè)出靜水壓力。由靜水壓力可以算出水位高度，動(dòng)水壓力和靜水壓力之差可以根據(jù)伯努利方程算出水流流速。

圖3 傳感器的檢測(cè)電路Fig.3 Detecting Circuit of the Sensor

2.3.3通信接口的電路設(shè)計(jì)

為了能使壓力式流量傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，設(shè)計(jì)了通信接口。現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)、藍(lán)牙等通信手段的發(fā)展，致使傳統(tǒng)的通信模式發(fā)生了較大的改變。本通信電路的設(shè)計(jì)是基于RS232傳統(tǒng)的通訊方式，稍加改變，利用現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的USB技術(shù)，CH340芯片能夠?qū)崿F(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，設(shè)計(jì)了USB接口，既能通過(guò)USB供電，又能通過(guò)USB傳送數(shù)據(jù)。

RS232通信的基本原理：由于單片機(jī)的I/O口與RS-232串口通信的電平是不同的，所以要使兩者之間能夠正常通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使得RS-232串口通信的電平與單片機(jī)的I/O口的電平相匹配[7]。本設(shè)計(jì)采用了MAX3232CPE轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。

MAX3232CPE具有匹配時(shí)與其他類(lèi)型的RS232芯片相比功耗更低，但功能是基本相同的，硬件接口簡(jiǎn)單，器件僅需四個(gè)0.1 μF的電容[8]。通過(guò)RS232將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到上位機(jī)進(jìn)行觀察，達(dá)到流量測(cè)量的智能化[9]。

通訊接口電路如圖4所示。

圖4 通信電路Fig.4 Circuit of Communication

3 便攜式測(cè)流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式明渠自動(dòng)測(cè)量裝置如圖5所示。

(1)手柄。由于本裝置是便攜式的，手柄的設(shè)計(jì)使裝置更方便的攜帶。

(2)液晶顯示屏?？梢愿鶕?jù)觀測(cè)員所站的位置，通過(guò)左右移動(dòng)載物臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示屏的位置顯示水位、流量值。

(3)載物臺(tái)。載物臺(tái)可以在固定裝置板上來(lái)回移動(dòng)。

(4)伸縮桿。可以根據(jù)明渠的寬度來(lái)調(diào)節(jié)裝置的寬度，使裝置能夠固定在明渠上。

(5)壓力式流量傳感器。壓力式流量傳感器的頂端通過(guò)固定裝置而固定，使傳感器不會(huì)因?yàn)樗鞯臎_擊而移動(dòng)。

(6)固定裝置。把整個(gè)便攜式測(cè)流裝置固定在明渠上。

1-手柄；2-液晶顯示器；3-載物臺(tái)；4-伸縮桿；5-壓力式流量傳感器；6-固定裝置圖5 便攜式明渠自動(dòng)測(cè)量裝置圖Fig.5 Automatic Measuring Device for Portable Channel

4 應(yīng) 用

圖6為實(shí)驗(yàn)室安裝測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖及實(shí)物照片

圖6 安裝測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.6 Field test photo

為了測(cè)試本裝置的可行性，選取了山西某灌區(qū)矩形斷面明渠進(jìn)行了試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)本裝置最終轉(zhuǎn)換成流量，所測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。Q1為裝置所測(cè)流量，Q2為流速儀所測(cè)得的流量。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在實(shí)際渠道進(jìn)行的功能性試驗(yàn)，該裝置的信號(hào)的檢測(cè)模塊，流量的計(jì)算和顯示模塊，數(shù)據(jù)的傳輸、接收、處理和存儲(chǔ)等模塊均實(shí)現(xiàn)了既定的功能，驗(yàn)證了該裝置的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。

本文研究設(shè)計(jì)的便攜式矩形渠道自動(dòng)測(cè)流裝置通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明基本符合明渠測(cè)流的要求，并且精度比較高，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)明渠自動(dòng)測(cè)流的目標(biāo)，對(duì)推動(dòng)灌區(qū)測(cè)流自動(dòng)化以及灌區(qū)信息化的發(fā)展起到了重要作用。

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