[分享]超声波传感器污水流量计的设计

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*H1.53B*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1。



     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—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—“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，DS1220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—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—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PIO向控制卡发控制脉冲的同时，通过P11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100ms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- Hn- 1 |≤△H，则Hn=H3；
     若| H3- H2 |≤△H，且| H2- H1 |≤△H，则Hn=H3
     否则，Hn=Hn- 1。

     其中△H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”。8031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明渠污水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。

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来源:中国超声波设备网