楊正宏，翟偉明

(1.山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030000；2. 山西辛安泉供水工程有限公司，山西 太原 030000)

水資源是促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所必須的基礎(chǔ)物質(zhì)，在我國(guó)的絕大多數(shù)地方，由于對(duì)地下水資源超負(fù)荷的開采以及群眾節(jié)約用水觀念的淡薄，造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為持續(xù)提升農(nóng)業(yè)灌溉用水效率，精確計(jì)量明渠流量，設(shè)計(jì)一種精度高、自動(dòng)化和智能化高同時(shí)便于攜帶的水量測(cè)流裝置就顯得尤為重要。農(nóng)業(yè)灌區(qū)傳統(tǒng)的量水方法有流速儀量水、量水槽、量水堰等幾種，這幾類量水方式對(duì)渠道形狀有一定的要求，并且在流量大、口徑大的明渠中安裝較為復(fù)雜，測(cè)量時(shí)也存在諸多不便。

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方式的弊端，本文設(shè)計(jì)了應(yīng)變電阻和單片機(jī)MSP430相結(jié)合的自動(dòng)流量測(cè)試系統(tǒng)。利用壓強(qiáng)隨水流深度變化從而引起應(yīng)變電阻變化的特點(diǎn)，以及MSP430F149單片機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、處理、存儲(chǔ)能力和時(shí)鐘頻率、時(shí)序的控制能力。它不僅能耗低、攜帶方便，同時(shí)測(cè)量精準(zhǔn)度高，實(shí)現(xiàn)了水位、流速、流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)化測(cè)量。

1 測(cè)流原理

1.1 明渠測(cè)量原理

在實(shí)際應(yīng)用中明渠橫斷面常設(shè)計(jì)為倒梯形較多，也有矩形、U型等形式的斷面。當(dāng)輸水明渠達(dá)到一定長(zhǎng)度、糙率不變、無(wú)建筑物干擾、水流為恒定流、流量沿程不變，就形成了均勻流或者近似均勻流，水流流量就能使用均勻流公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

再將曼寧公式與公式(1)相結(jié)合，即可得到。

(2)

式中，Q—水流流量，m3/s；R—水利半徑；n—渠道粗糙系數(shù)，與渠道材料本身相關(guān)；A—渠道過(guò)水橫斷面面積，m2；X—渠道濕周長(zhǎng)度，m；i—渠道縱坡系數(shù)。

從式(2)可以知道，渠道形狀大小、坡降比和糙率在工程設(shè)計(jì)時(shí)都是已知參數(shù)，那么渠道中流量值只和水深呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)測(cè)得渠道中的水流深度，進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算即可得出渠道水流流量。根據(jù)水流壓強(qiáng)公式可知，壓強(qiáng)與水流深度存在正比關(guān)系，其變化可以導(dǎo)致應(yīng)變電阻的阻值變化，阻值變化導(dǎo)致通過(guò)電流發(fā)生變化，可測(cè)得電流與水位高度的關(guān)系曲線。將水位高度代入上述公式(2)通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出渠道流量[1]。

式(2)中規(guī)則斷面物理參數(shù)，對(duì)于人工渠道粗糙系數(shù)n和水力半徑R以及縱坡系數(shù)i，在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中有大量的數(shù)據(jù)可供參考，實(shí)際應(yīng)用中n可根據(jù)渠道材料的不同參考選取；R則根據(jù)斷面形狀的不同代入公式即可，i則通過(guò)工程設(shè)計(jì)資料或?qū)崪y(cè)得到；對(duì)于不規(guī)則斷面的均勻流，粗糙系數(shù)n和縱坡系數(shù)i的選取與規(guī)則斷面相同，水利半徑R為過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA與濕周X的比，在設(shè)計(jì)上則采用類似于積分形式的分割法，將不規(guī)則斷面分割成若干個(gè)部分，每個(gè)部分根據(jù)不規(guī)則斷面的形狀近似的相似于矩形、梯形斷面，相應(yīng)的求出各部分濕周對(duì)所劃分面積的影響，得出該部分的水力半徑，總面積的水力半徑用各面積的水力半徑加權(quán)平均得到[2]，從而測(cè)得整個(gè)不規(guī)則斷面的實(shí)時(shí)流量。具體計(jì)算過(guò)程則通過(guò)軟件編程在上位機(jī)上自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

1.2 應(yīng)變電阻的應(yīng)用原理

應(yīng)變電阻采用特定的導(dǎo)電材料在受到外部應(yīng)力時(shí)改變自身形態(tài)的特點(diǎn)進(jìn)行研制的，將受力材料上產(chǎn)生的應(yīng)變力轉(zhuǎn)為電阻的變化。

明渠中一定深度的水壓強(qiáng)可以用以下公式表示。

p=p0+ρgh

(3)

式中，p—水的壓強(qiáng)，Pa；h—水深，m；P0—大氣壓強(qiáng)，Pa；ρ—水的密度，kg/m3。

應(yīng)變電阻測(cè)量采集部分如圖1所示，兩根引出線分別與電阻應(yīng)變片兩端相連，導(dǎo)氣孔則采用細(xì)塑料管與外界大氣相通，這樣應(yīng)變電阻向上的一面就是大氣壓；電阻應(yīng)變片的向下的一面與硅膠環(huán)采用膠水連在一起，硅膠環(huán)的下部與玻璃基板粘合在一起[3]。水流通過(guò)導(dǎo)流孔作用于硅膠環(huán)的下表面，水壓強(qiáng)使得硅膠環(huán)產(chǎn)生一定的變形，硅膠環(huán)的變形實(shí)時(shí)傳導(dǎo)到電阻片向水的一側(cè)。硅膠環(huán)的選取則要同時(shí)具備彈性好和厚度薄的特點(diǎn)。

圖1 應(yīng)變電阻測(cè)量部分結(jié)構(gòu)圖

此時(shí)電阻應(yīng)變片的上下表面存在的壓強(qiáng)差則為：

Δp=ρgh

式中，Δp—電阻應(yīng)變片上下表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)差，使得電阻片因受力而發(fā)生變形，從而導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變，如圖2所示。

圖2 電阻應(yīng)變片示意圖

在一個(gè)恒定電壓U時(shí)，依據(jù)歐姆定律，當(dāng)電阻應(yīng)變片的電阻改變時(shí)，電流也會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)實(shí)際測(cè)得電流的變化與水深的關(guān)系，即可通過(guò)電流大小信號(hào)來(lái)表達(dá)水深，如圖3所示。

圖3 電流與水位關(guān)系圖

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

明渠流量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖[4]如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)原理圖

2.1 信號(hào)采集和處理模塊

信號(hào)采集和處理電路的主要組成部分是一片電流傳感器ACS712ELCTR- 20A芯片和MSP430F149單片機(jī)。ACS712ELCTR- 20A是一種監(jiān)測(cè)裝置，能感受到被測(cè)電流的信息，然后通過(guò)相應(yīng)的規(guī)律，將檢測(cè)到的信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，從而使得信息具有分析優(yōu)化、傳輸以及顯示存儲(chǔ)的功能。ACS712ELCTR- 20A芯片具有靈敏度高、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)。MSP430F149單片機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)就是其超低的功耗[5]，為了提供“單片機(jī)”的解決方案，在芯片上集成各種不能功能的數(shù)字電路、微處理器、模擬電路等，其電壓需求僅為1.8～3.6V，很適合長(zhǎng)時(shí)間的電池供電；低功耗的選擇模式有5種，芯片待機(jī)電流通常小于1μA，可以支持各種喚醒、中斷的機(jī)制，喚醒只需6μS。其包含F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器是具有大容量、可點(diǎn)擦寫等特點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。MSP430F149芯片與上位機(jī)的通信有異步串行通訊模塊UART接口和同步串行通訊模塊SPI接口。使用JTAG接口作為調(diào)試和下載程序的接口。MSP430F149開發(fā)語(yǔ)言采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，信號(hào)處理模塊主控制器電路圖如圖5所示。

2.2 信號(hào)傳輸模塊

該系統(tǒng)為了能將測(cè)得數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸給上位機(jī)，供其進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理，采用了RS232通信接口[6]，CH430具有的USB轉(zhuǎn)串口實(shí)現(xiàn)了供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p項(xiàng)功能。接口芯片MAX3232CPE是為RS232設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)串口。設(shè)計(jì)上克服了信號(hào)在正負(fù)電平間擺動(dòng)導(dǎo)致通信不正常。該芯片接口簡(jiǎn)單、功耗極低，耗電0.3mA，電壓要求3.3V，內(nèi)置兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)外接4個(gè)0.1μF電容。經(jīng)過(guò)一定的擴(kuò)展后，為遠(yuǎn)程的無(wú)線傳輸預(yù)留了迭代可能性。通訊接口電路如圖6所示。

3 軟件開發(fā)

軟件的開發(fā)主要用于各部分硬件之間的協(xié)調(diào)工作以及實(shí)現(xiàn)對(duì)曼寧公式中固定參數(shù)的錄入。系統(tǒng)傳感器的編程語(yǔ)言使用C語(yǔ)言，Keil uVision4兼容各種微軟操作系統(tǒng)，其作為本系統(tǒng)語(yǔ)言開發(fā)的平臺(tái)，把各個(gè)功能部分有序組合起來(lái)，達(dá)到系統(tǒng)整體合一的功能效果。最后把處理完畢的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏上，同時(shí)數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。上位機(jī)軟件的開發(fā)使用Visual Basic，它具有面向?qū)ο?、模塊化、可視化的開發(fā)的特性，可在Windows操作系統(tǒng)上進(jìn)行高級(jí)程序的設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①可對(duì)矩形、U行、梯形以及不規(guī)則斷面形狀的渠道進(jìn)行選擇；②自動(dòng)進(jìn)行不規(guī)則明渠截面水力半徑的加權(quán)平均；③實(shí)現(xiàn)粗糙系數(shù)、縱坡系數(shù)、渠道寬度等參數(shù)的錄入；④計(jì)算生成水位、流量的信息、并加以分析，產(chǎn)生記錄日志。

圖5 主控制器電路

圖6 通信電路

4 應(yīng)用

裝置完成后，為測(cè)試系統(tǒng)的可行性，采用當(dāng)?shù)卣Ｊ褂玫拿髑M(jìn)行測(cè)試。明渠斷面為矩形，渠寬4m，邊坡系數(shù)1.5，渠道底坡查閱工程資料為1/2000的坡降。同時(shí)利用明渠流速儀在相同時(shí)間內(nèi)對(duì)渠道進(jìn)行了5次測(cè)量作為對(duì)比，流速儀測(cè)流則采用了傳統(tǒng)兩點(diǎn)法，換算成流量后與該測(cè)流系統(tǒng)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，相對(duì)誤差絕對(duì)值均小于3%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)已在各種不同形狀明渠均勻流進(jìn)行了相關(guān)性試驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)的可靠性，該裝置具有低能耗、便于攜帶等特點(diǎn)，測(cè)量的精度也有所保證。水位信息采集處理單元、流量的自動(dòng)計(jì)算、LED和上位機(jī)的顯示、以及流量數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)等功能均達(dá)到了預(yù)設(shè)目標(biāo)，進(jìn)一步論證了該測(cè)流系統(tǒng)對(duì)明渠均勻流的有效測(cè)量，可以滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。