胡博，馮鑫，張朋

（河南省計(jì)量科學(xué)研究院，河南鄭州450000）

0 引言

近年來，隨著國家對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量的重視，明渠流量計(jì)作為廢水在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的流量計(jì)，在各種環(huán)境場(chǎng)合下得到了大量的推廣和應(yīng)用。明渠流量計(jì)在試驗(yàn)室內(nèi)的計(jì)量性能評(píng)價(jià)依據(jù)及方法在相應(yīng)的國家計(jì)量檢定規(guī)程中已有詳細(xì)、明確的規(guī)定，但安裝在環(huán)境條件復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)后，由于受到各種影響因素的干擾，如何評(píng)定明渠流量計(jì)的準(zhǔn)確度成為一個(gè)受到廣泛關(guān)注的技術(shù)難題。

針對(duì)明渠流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)［1-2］，目前國內(nèi)常用的測(cè)量方法是在被測(cè)明渠流量計(jì)的特定位置安裝比被測(cè)明渠流量計(jì)精度更高的液位傳感器，測(cè)出的數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)液位值，然后利用各種堰槽的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流量值，與被測(cè)明渠流量計(jì)的示值進(jìn)行比對(duì)，得到相應(yīng)的測(cè)量誤差。這種方法得到被測(cè)流量值和標(biāo)準(zhǔn)流量值的原理是一樣的，但由于現(xiàn)場(chǎng)渠道中相同的位置一般不可能再安裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的堰槽，因此，在影響現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素中，此方法僅解決了液位對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響問題，由堰槽的類型、堰槽幾何尺寸不標(biāo)準(zhǔn)引入的測(cè)量誤差及水流擾動(dòng)帶來的液位測(cè)量重復(fù)性等均無法解決。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了以高精度管道式超聲流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表的測(cè)量裝置，在一定條件下可以對(duì)明渠流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流校準(zhǔn)。由于管道式流量計(jì)和明渠流量計(jì)測(cè)量原理不同，因此可以從根本上避免上述因素對(duì)誤差測(cè)量的影響。通過開展大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置的可靠性與準(zhǔn)確性。

1 裝置原理

基于標(biāo)準(zhǔn)表法的明渠流量計(jì)在線校準(zhǔn)裝置，參考了國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG771-1990《明渠堰槽流量計(jì)試行檢定規(guī)程》［3］的要求，以高精度超聲流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，將其安裝在被測(cè)明渠流量計(jì)的上游或下游直管段上，根據(jù)流體的連續(xù)性原理，直管段處的流量和經(jīng)過明渠的流量是相同的，因此，可用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量值對(duì)明渠流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

裝置的原理為：水流由水泵抽取進(jìn)入封閉的直管段；標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)安裝在直管段上，安裝位置處應(yīng)符合介質(zhì)滿管的要求，并保證上游直管段的長(zhǎng)度滿足超聲流量計(jì)的使用要求［4］；水流進(jìn)入安裝有被校明渠流量計(jì)的明渠渠道中，且應(yīng)保證明渠流量計(jì)正常運(yùn)行；最后水流由明渠段后端流走。開始校準(zhǔn)時(shí)，首先將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值輸出信號(hào)及明渠流量計(jì)的被測(cè)值輸出信號(hào)接入信號(hào)采集測(cè)量系統(tǒng)中；然后待水流平穩(wěn)流動(dòng)一段時(shí)間，流場(chǎng)穩(wěn)定后，由信號(hào)采集測(cè)量系統(tǒng)控制開始同時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)值及被測(cè)值信號(hào)；根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求的運(yùn)行時(shí)間，采集到足夠的信號(hào)后，完成整個(gè)測(cè)量過程。裝置原理圖如圖1所示。

圖1 基于標(biāo)準(zhǔn)表法的明渠流量計(jì)在線校準(zhǔn)裝置原理示意圖

廢水流量在線監(jiān)測(cè)中明渠流量計(jì)的最大允許誤差范圍一般為：±（2～6）%，為了滿足量值溯源的要求，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)選擇準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)的超聲流量計(jì)［5］。

為了保證測(cè)量時(shí)間的同步性，且能滿足標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中對(duì)系統(tǒng)計(jì)時(shí)器的計(jì)量要求［6］，研制了現(xiàn)場(chǎng)流量信號(hào)采集測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)通過專用的板卡采集被測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其采集頻率滿足裝置計(jì)時(shí)器引入的擴(kuò)展不確定度，并能夠在PC端軟件上實(shí)現(xiàn)程序設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算存儲(chǔ)等相關(guān)功能。

2 流量信號(hào)采集測(cè)量系統(tǒng)

作為在線校準(zhǔn)裝置的核心，流量信號(hào)采集測(cè)量系統(tǒng)主要由硬件電路和PC端軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件電路主要由電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等部分組成［7］；PC端軟件系統(tǒng)主要由前端界面、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理、本地存儲(chǔ)等模塊組成。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

采集電路兼容標(biāo)準(zhǔn)表、被測(cè)表通訊協(xié)議，支持4～20 mA信號(hào)、脈沖信號(hào)、RS485標(biāo)準(zhǔn)Modbus采集；內(nèi)置24位高精度ADC，降低測(cè)試誤差，滿足模擬信號(hào)的高精度采集需求；通過PC端后臺(tái)軟件控制采集板卡采集儀表數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)定、顯示、計(jì)算、分析、存儲(chǔ)等相關(guān)功能。電源系統(tǒng)具有防反接、防過壓、防過流等防護(hù)設(shè)計(jì)，通訊模塊采用抗干擾設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

電路采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)表、被測(cè)表滿足同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集上傳功能，有效解決了數(shù)據(jù)不同步問題，為實(shí)驗(yàn)提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來源。并且預(yù)置了Wi-Fi遠(yuǎn)程通訊，支持TCP/IP通訊方式，可通過遠(yuǎn)程電腦端進(jìn)行命令交互、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集等操作，實(shí)現(xiàn)便捷、高效、遠(yuǎn)距離的設(shè)備操控。

2.1.1 實(shí)現(xiàn)方案

測(cè)控系統(tǒng)中，PC端后臺(tái)控制系統(tǒng)采用Qt開發(fā)，支持跨平臺(tái)使用（Windows 32/64位、Linux、Android等），后期寬展性強(qiáng)。板載卡處理器采用ARM公司Cortx-m3架構(gòu)處理器，處理器片上集成多路串口、定時(shí)器、SPI和IIC等，滿足本設(shè)計(jì)需求。采集電路預(yù)留模擬量采集接口，采用ADS1231高精度24位ADC片子，滿足對(duì)高精度小信號(hào)的采集需求。采集電路中兩路RS485接口分別接被測(cè)裝置，其中：脈沖信號(hào)采集接口，負(fù)責(zé)采集標(biāo)準(zhǔn)裝置脈沖信號(hào)；TTL轉(zhuǎn)USB接口與PC端后臺(tái)軟件進(jìn)行通訊。

采集電路通過USB接口與PC端后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采集電路收到PC端測(cè)試、停止、復(fù)位、檢測(cè)等指令后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)將必要的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給PC后臺(tái)端，后臺(tái)端依據(jù)用戶的操作和采集電路反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和計(jì)算，然后顯示到前端，同時(shí)將數(shù)據(jù)按照一定的格式實(shí)時(shí)保存到本地指定的路徑中。

2.1.2 硬件組成

1）主處理器采用STM32F103R8T6，處理速度、抗干擾能力等綜合性能好，適合本設(shè)計(jì)需求；

2）RS485模組，RS485-Modbus協(xié)議，硬件抗干擾設(shè)計(jì)；

3）模擬信號(hào)采集模組，支持4～20 mA信號(hào)采集；

4）頻率采集模組，頻率范圍為0～7500 Hz，高電平為3～36 V，低電平在1 V以下；

5）電源適配模組，板卡支持USB供電或者外接12 V DC供電，兩種供電方式，具備過壓過流等相關(guān)防護(hù)；

6）USB通訊模組，采集板與PC端采用USB直插通訊（串口協(xié)議）。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要功能為：用戶通過前端的參數(shù)設(shè)定框?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定，然后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)導(dǎo)到后臺(tái)端，后臺(tái)依據(jù)用戶的設(shè)定需求啟動(dòng)采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)后臺(tái)將會(huì)按照用戶約定的參數(shù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后在前端的顯示界面中顯示出來，并且進(jìn)行本地存儲(chǔ)。

2.2.1 軟件前端

用戶通過上位機(jī)軟件的前端界面可以方便、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。前端界面如圖2所示。

圖2 上位機(jī)軟件主界面

在開始測(cè)試前需要先連接設(shè)備（設(shè)備連接到電腦端后會(huì)自動(dòng)顯示連接成功），之后設(shè)定“參數(shù)設(shè)置”、“測(cè)試設(shè)置”欄內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)置完成后即可點(diǎn)擊開始測(cè)試。如果參數(shù)設(shè)置不正確或者未設(shè)置，在點(diǎn)擊開始測(cè)試時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示，并且不允許測(cè)試，直到設(shè)置滿足正確要求系統(tǒng)才允許進(jìn)行測(cè)試。

2.2.2 設(shè)備后臺(tái)

設(shè)備后臺(tái)用于執(zhí)行用戶需要的動(dòng)作，并處理excel表格數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)聽、設(shè)備連接狀態(tài)和設(shè)備數(shù)據(jù)都是通過后臺(tái)的進(jìn)程進(jìn)行處理的，后臺(tái)會(huì)對(duì)表格進(jìn)行創(chuàng)建、讀、寫、保存等操作。設(shè)備后臺(tái)會(huì)根據(jù)用戶在界面端設(shè)置的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行表格控件類型的選擇。

后臺(tái)設(shè)計(jì)架構(gòu)流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化完成后會(huì)等待用戶的前臺(tái)界面命令，收到命令后開始執(zhí)行。如果執(zhí)行錯(cuò)誤，則在前臺(tái)界面提示相應(yīng)的錯(cuò)誤。如果執(zhí)行成功，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)前臺(tái)參數(shù)進(jìn)行表格創(chuàng)建，并向設(shè)備下發(fā)動(dòng)作命令，然后等待設(shè)備回應(yīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)寫入表格，并刷新界面顯示。

圖3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)流程圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證明渠流量計(jì)在線校準(zhǔn)裝置的有效性，設(shè)計(jì)了一組對(duì)比試驗(yàn)。針對(duì)同一明渠堰槽（喉道寬度b=152 mm），采用兩種不同的液位測(cè)量方式，安裝了兩種明渠流量計(jì)。一種是在渠道上水位觀測(cè)斷面處用超聲波液位計(jì)測(cè)量渠槽中的水位，另一種是在渠道旁邊建靜水井，利用連通管使之與渠道水流相通，用磁致伸縮液位計(jì)在靜水井中測(cè)量水位。由于靜水井可以有效地隔離渠道中水流的脈動(dòng)、漩渦和波浪，因此，安裝在靜水井中的液位測(cè)量會(huì)更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確［8］。

明渠流量計(jì)安裝位置前端的行進(jìn)渠道長(zhǎng)度對(duì)流場(chǎng)的穩(wěn)定性也有影響［9］，根據(jù)規(guī)程要求，巴歇爾槽的安裝條件為前端順直行進(jìn)渠道長(zhǎng)度應(yīng)不小于5倍的行進(jìn)渠道寬度。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了在不同行進(jìn)渠道長(zhǎng)度下的比對(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證其對(duì)明渠流量計(jì)測(cè)量誤差的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，其中D為行進(jìn)渠道寬度。

表1 兩種明渠流量計(jì)在線校準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)

分析上述數(shù)據(jù)，首先，在同樣條件（相同流量及相同行進(jìn)渠道長(zhǎng)度）下，靜水井內(nèi)液位測(cè)量的明渠流量計(jì)誤差及重復(fù)性均優(yōu)于渠道斷面液位測(cè)量的明渠流量計(jì)，驗(yàn)證了靜水井穩(wěn)定液面的作用；其次，同一流量計(jì)在不同行進(jìn)渠道的影響下，測(cè)量誤差曲線規(guī)律基本一致（如圖4所示），證明基于標(biāo)準(zhǔn)表法的明渠校準(zhǔn)裝置可以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中體現(xiàn)出不同影響量對(duì)明渠流量計(jì)測(cè)量誤差的影響。

圖4 兩種不同液位測(cè)量方式的明渠流量計(jì)在不同行進(jìn)渠道下的測(cè)量誤差圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)廢水在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，如何在現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定明渠流量計(jì)準(zhǔn)確度的問題，提出了以高精度管道式流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表的在線校準(zhǔn)裝置，簡(jiǎn)述了裝置的基本原理，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于裝置上的流量信號(hào)采集測(cè)量系統(tǒng)，研制出信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件電路及應(yīng)用軟件，通過開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置的有效性和可靠性。利用此在線校準(zhǔn)裝置，可以方便地在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水明渠流量計(jì)的校準(zhǔn)和溯源［10］，為計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測(cè)部門保證環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確提供了一種有效的技術(shù)手段。