关于地下污水管道流量计的设计原理

摘要：介绍了一种地下污水流量计的设计。采用超声波传感器，利用单片机进行数据采集与处理，并提出了抑制干扰的方法。
1、明渠污水流量测量的基本方法
工业污水一般经明渠排放，其流量测量的一般方法是在污水排放口安装特殊结构的测量槽，通过测量槽的液位即可计算出瞬时流量，进而算出累计流量。可见明渠流量测量的关键是液位的测量。以常见的巴歇尔槽为例，其流量的计算公式如下：
Q=1.541*H1.538*10—3/60
Q——瞬时流量(m³/s)，H——液位(mm)。
2、超声波传感器的基本特性
常见的液位传感器有磁浮筒式、压力式等，磁浮筒式传感器要安装在被测介质中，长时间使用易被腐蚀，而压力传感器输出线性较差且成本较高。超声波传感器的特点是使用时与液面脱离接触，无腐蚀问题，且价格低廉。超声波传感器由控制卡及换能器构成，如图I。

其外部特性如图2所示。其工作原理是，每当在“控制信号”端加一正脉冲(宽度0.2ms)，控制卡便通过换能器发一束超声波，当超声波遇被测污水反射后又被换能器接收，控制卡便通过“逻辑输出”端输出一“返回脉冲”。通过计量“控制信号”到“返回脉冲”之间的时间T便可按下式计算出换能器距被测污水表面的距离H，由于安装时换能器固定在污水的上方(高度不变)，因此，换能器距污水底部的距离HO(其值已知)减去H即为污水液位H1。

H=I/(2*V*T)

Hl=HO—H

其中：V=344m/s为声波的传播速度，T为声波传输时间。可见，我们可通过单片机测出T，进而算出H1。

3、流量计的工作原理

根据超声波传感器的特性，采用单片机作为整个流量计的控制器，系统的硬件原理图如下：

图3中，单片机8031、74373和2764组成单片机核心电路，8255为显示电路接口，DSl220为不挥发RAM，用其存储流量可保证断电后流量不丢失。工作时8031每隔一个采样周期先启动定时器T1，然后通过PIO引脚向控制卡发控制信号，换能器发一声波经被测污水反射由换能器接收，控制卡的逻辑输出端输出一脉冲，脉冲信号经过或门进入INTO脚，引起中断请求。在中断服务程序中从定时器中取出定时值，计算出对应的液位。由于传感器在发出声波后，在4MS以内会产生无用的盲区脉冲，所以在P10向控制卡发控制脉冲的同时，通过P11引脚发一个4ms的高电平封锁信号，防止“盲区脉冲”通过或门进入INTO引脚。
由于污水表面有各种漂浮物，会产生“漂浮物干扰”，使液位产生误差，因此在软件设计中必须采用相应抗干扰措施。考虑液位变化慢的特点，在软件设计中采用“限速滤波”。利用8031的定时器TO获得lOOms定时基准，再获得3s的采样周期，每隔一个采样周期获得一个采样Hi，每次获得采样值后都对其进宪“限速滤波”。设最近三次采样值分别为H1、H2、H3，本次滤波值为Hn，上次滤波值为Hn-I，则滤波算法如下：
若|H3一Hn一1|≤△H，则Hn=H3；
若|H3一H2|≤△H，且|H2一H1|≤△H，则Hn=H3
否则，Hn=Hn-1。
其中AH为根据实际情况经实验确定的液位变化值。此算法经实践证明可有效滤除“漂浮物干扰”。803I的定时器TI作为对超声波往返时间的计时器，每个计数值代表2ms。限于篇幅，控制程序就不在此给出。
4、结束语
采用超声波传感器的地下污水管道流量计经现场实际运行性能良好，在精度、稳定性等主要技术指标方面均达到设计要求。