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        面向遠(yuǎn)程計(jì)量閘門的超聲波液位測量系統(tǒng)開發(fā)

        2018-04-02 07:29:34周幫平李嘉曦
        科技視界 2018年3期
        關(guān)鍵詞:液位測量

        毛 潭 周幫平 李 弘 李嘉曦

        (北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院,中國 北京 100144)

        0 引言

        遠(yuǎn)程計(jì)量閘門是集遠(yuǎn)程監(jiān)控與聯(lián)動(dòng)、水位和流量測量、閘門控制于一體的現(xiàn)代化水資源動(dòng)態(tài)調(diào)度設(shè)備[1],也是我國建設(shè)信息化灌區(qū)的關(guān)鍵設(shè)備[2]。對(duì)于提高灌區(qū)水資源的利用效率和節(jié)約用水具有重要作用。遠(yuǎn)程計(jì)量閘門是通過對(duì)水位和閘門開度等信息的實(shí)時(shí)測量來實(shí)現(xiàn)閘門的分水控制和流量計(jì)量功能,目前常用投入式液位計(jì)測量閘門上下游的實(shí)時(shí)水位,但投入式液位計(jì)對(duì)我國黃河灌區(qū)的泥沙淤積環(huán)境存在測量失靈問題,而現(xiàn)有的非接觸式液位計(jì)存在可集成性差,精度漂移大的缺陷。因此本文面向遠(yuǎn)程計(jì)量閘門的實(shí)際應(yīng)用,開發(fā)具有良好集成性和環(huán)境適應(yīng)性的高精度超聲波液位測量系統(tǒng),具有重要工程意義。

        1 超聲波液位測量系統(tǒng)構(gòu)成

        遠(yuǎn)程計(jì)量閘門由安裝于各級(jí)渠道上的自動(dòng)計(jì)量閘門集群和運(yùn)行于調(diào)度中心的遠(yuǎn)程調(diào)水控制系統(tǒng)組成[3]。超聲波液位測量系統(tǒng)用于測量閘前和閘后水位,通過Mod bus協(xié)議與閘門控制器進(jìn)行通訊。整體的超聲波液位測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:

        2 超聲波液位測量系統(tǒng)硬件電路

        超聲波液位測量系統(tǒng)主要由硬件電路部分和軟件部分組成。硬件電路主要包括超聲波收發(fā)電路、溫度補(bǔ)償電路、電源電路和串口通訊電路。

        圖1 超聲波液位測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        2.1 超聲波液位測量收發(fā)電路

        超聲波發(fā)射電路主要由三極管Q2(S8050)和中周變壓器組成,頻率為40KHz的PWM波經(jīng)過功率放大從而驅(qū)動(dòng)超聲波換能器,R3為超聲波收發(fā)一體換能器匹配電阻。

        接收回路主要包括放大電路,帶通濾波電路,比較電路和限幅電路。放大電路,帶通濾波電路和比較電路采用TL074四通道運(yùn)放芯片搭建。TL074是一款高性能低功耗高速運(yùn)算放大器,具有低輸入偏置電流和低電平轉(zhuǎn)換速率。低諧波失真和低噪聲使TL074非常適合高保真和音頻前置放大器應(yīng)用?;夭ㄐ盘?hào)先經(jīng)過電阻 R19和二極管 D1、D2(1N4148)組成的限幅電路,然后依次經(jīng)過由TL074運(yùn)放芯片搭建的前置放大電路、帶通濾波電路、比較電路,最后由三極管Q1組成的限幅電路將放大后的信號(hào)控制在3V3以內(nèi),經(jīng)PA6傳送給ADC模塊。超聲波發(fā)射電路和接收電路分別如圖2和圖3所示:

        圖2 超聲波發(fā)射電路

        圖3 超聲波接收電路

        2.2 串口通訊電路設(shè)計(jì)

        為了便于超聲波液位計(jì)的測試,調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸,在硬件電路中設(shè)計(jì)了RS232接口和RS485接口。RS232選用遵循RS232通訊協(xié)議的MAX3232芯片,芯片的11、12引腳分別與主控芯片的 PA9、PA10相連。RS485選用遵循RS485通訊協(xié)議的MAX485芯片,芯片的1、2、4引腳分別連接芯片的 PA3、PA1、PA2。其電路原理圖分別如圖 4a、4b所示:

        2.3 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

        由c=331.4+0.607T(T為攝氏溫度)可知溫度對(duì)超聲波的傳播速度影響很大,所以為了提高測量精度,加入了溫度補(bǔ)償模塊以減小測量的誤差。DS18B20是單總線數(shù)字式溫度傳感器,具有體積小,電路簡單,抗干擾能力強(qiáng),精度高等特點(diǎn),其溫度測量范圍是-55~+125℃ ,在-10~+85 ℃,準(zhǔn)確度為±0.5℃[4],完全滿足明渠水溫的測量,所以在設(shè)計(jì)中采用DS18B20進(jìn)行溫度測量。

        圖4.a RS232原理圖

        圖4.b RS485原理圖

        3 軟件部分設(shè)計(jì)

        軟件設(shè)計(jì)部分主要采用模塊化設(shè)計(jì),包括主程序、超聲波發(fā)射和接收子程序、溫度采集子程序、定時(shí)器中斷子程序、信號(hào)處理子程序和串口通訊子程序。系統(tǒng)程序初始化之后先檢測溫感測量的環(huán)境溫度,因?yàn)榄h(huán)境的溫度對(duì)超聲波的傳播速度影響很大,為了及時(shí)修正測量數(shù)據(jù),保證測量的精度,在程序設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮測量環(huán)境溫度。如果檢測不到環(huán)境溫度,程序?qū)?huì)跳出主程序,不執(zhí)行超聲波的發(fā)射和接收子程序。為了進(jìn)一步提高測量精度,減小精度漂移,在接收子程序中加入了軟件濾波功能[5]。由于發(fā)射脈沖數(shù)為16個(gè),所以在檢測接收回波時(shí)判斷接收的回波個(gè)數(shù),回波個(gè)數(shù)大于6個(gè)的視之為有效回波。取連續(xù)10個(gè)有效回波,去掉最大值和最小值之后取平均值,得到一次有效的測量距離。這樣就有效的避免了某些偶然因素造成的測量精度漂移大的問題。流程圖如圖5所示:

        4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

        超聲波液位計(jì)的安裝高度為3米,安裝誤差±1mm。用投入式液位計(jì)作為標(biāo)定,其量程為0-3米,標(biāo)定誤差≤1mm,穩(wěn)定性能≤0.2%Fs。兩者的測量數(shù)據(jù)直接在閘門控制器的閘前和閘后水位欄顯示,閘門處于全開度狀態(tài),閘前和閘后水位相同。常溫下聲波的傳播速度通常取為固定值340m/s[6],具體的超聲測量數(shù)據(jù)與投入式液位計(jì)的測量數(shù)據(jù)如表1所示,超聲波液位測量實(shí)物圖如圖6所示,現(xiàn)場試驗(yàn)圖如圖7所示:

        圖6 超聲波液位計(jì)實(shí)物圖

        5 結(jié)束語

        面向遠(yuǎn)程計(jì)量閘門開發(fā)的超聲波液位測量系統(tǒng),具有安裝簡單,接口嵌入方便的優(yōu)點(diǎn),采用智能環(huán)境補(bǔ)償算法提高了液位計(jì)的精度和測量穩(wěn)定性。經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用,該液位測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、測量精度達(dá)到0.3%,滿足我國灌區(qū)信息化建設(shè)測控智能閘門的應(yīng)用需求。

        圖7 現(xiàn)場試驗(yàn)圖

        表1 超聲波液位計(jì)測量結(jié)果

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]張從鵬,吳玉宣.基于ARM的明渠區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)水控制系統(tǒng)開發(fā)[J].中國農(nóng)村水利水電,2016(10):83-85.

        [2]張從鵬,岳向泉,羅學(xué)科,等.基于ARM的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制計(jì)量閘門控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(2):57-58.

        [3]張從鵬,羅學(xué)科,李玏一,等.面向灌區(qū)調(diào)水工程的遠(yuǎn)程自動(dòng)計(jì)量閘門研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014(8):172-177.

        [4]龔志勇,程遠(yuǎn),勾勇華,等.采用DS18B20作溫度補(bǔ)償?shù)某暡ㄒ何挥?jì)[J].測控技術(shù),2004(11):6-10.

        [5]苑潔,常太華.基于STM32單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011(8):76-78.

        [6]張海鷹,高艷麗.超聲波測距技術(shù)研究[J].儀表技術(shù),2011(9):58-60.

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