標(biāo)準(zhǔn)表法明渠流量在在線校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

上海上自儀公司為解決現(xiàn)場評定廢水在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中明渠流量計(jì)準(zhǔn)確度的技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了一套以高精度管道式流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)表法明渠流量計(jì)在線校準(zhǔn)裝置，研制了專用的現(xiàn)場流量信號采集測量系統(tǒng)，進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，并采用Qt開發(fā)了配套的上位機(jī)操作軟件。通過大量不同條件下的現(xiàn)場對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和裝置的有效性，為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)廢水流量在線監(jiān)測提供了技術(shù)墓礎(chǔ)。

0、引言

近年來，隨著國家對環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量的重視，明渠流量計(jì)作為廢水在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣的流量計(jì)，在各種環(huán)境場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)程中已有洋細(xì)、明確的規(guī)定，但安裝在環(huán)境條件復(fù)雜的現(xiàn)場后，由于受到各種影響因素的干擾，如何評定明渠流量計(jì)的準(zhǔn)確度成為一個(gè)受到廣泛關(guān)注的技術(shù)難題。

針對明渠流量計(jì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)〔I -2]，目前國內(nèi)常用的測量方法是在被測明渠流量計(jì)的特定位置安裝比被測明渠流量計(jì)精度更高的液位傳感器，測出的數(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，與被測明渠流量計(jì)的示值進(jìn)行比對，得到相應(yīng)的測量誤差。這種方法得到被測流量值和標(biāo)準(zhǔn)流量值的原理是一樣的，但由于現(xiàn)場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)場流量測量準(zhǔn)確度的主要因素中，此方法僅解決了液位對測量結(jié)果的影響問題，由堰槽的類型、堰槽幾何尺寸不標(biāo)準(zhǔn)引人的測量誤差及水流擾動(dòng)帶來的液位測量重復(fù)性等均無法解決。針對上述問題，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)表的測量裝置，在一定條件下可以對明渠流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)流校準(zhǔn)。由于管道式超聲波流量計(jì)和明渠流量計(jì)測量原理不同，因此可以從根本上避免上述因素對誤差測量的影響。通過開展大1 4的現(xiàn)場試驗(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TL，參考了國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG77 I一1990《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)人封閉的直管段;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度滿足超聲流量計(jì)的使用要求[[4];水流進(jìn)人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;非常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)值輸出信號及明渠流量計(jì)的被測值輸出信號接人信號采集測量系統(tǒng)中;然后待水流平穩(wěn)流動(dòng)一段時(shí)問，流場穩(wěn)定后，由信號采集測量系統(tǒng)控制開始同時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)值及被測值信號;根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求的運(yùn)行時(shí)間，采集到足夠的信號后，完成整個(gè)測量過程。

廢水流量在線監(jiān)測中明渠流量計(jì)的非常大允許誤差范圍一般為:土(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)確度等級為0.5級的超聲流量計(jì)。

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

2、流量信號采集測量系統(tǒng)

作為在線校準(zhǔn)裝置的核心，流量信號采集測量系統(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)、信號采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等部分組成;PC端軟件系統(tǒng)主要由前端界面、后臺數(shù)據(jù)處理、本地存儲等模塊組成。

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

采集電路兼容標(biāo)準(zhǔn)表、被測表通訊協(xié)議，支持4-20 mA信號、脈沖信號、RS485標(biāo)準(zhǔn)Modbus采集;內(nèi)置24位高精度ADC，降低測試誤差，滿足模擬信號的高精度采集需求;通過PC端后臺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TC P/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

測控系統(tǒng)中，PC端后臺控制系統(tǒng)采用Qt開發(fā)，支持跨平臺使用(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，滿足對高精度小信號的采集需求。采集電路中兩路RS485接口分別接被測裝咒，其中:脈沖信號采集接口，負(fù)責(zé)采集標(biāo)準(zhǔn)裝置脈沖信號;TTL轉(zhuǎn)USB接口與PC端后臺軟件進(jìn)行通訊。

采集電路通過USB接口與PC端后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采集電路收到PC端測試、停止、復(fù)位、檢測等指令后執(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后臺端，后臺端依據(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STM32 F103 R8T6，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，RS485一Modbus協(xié)議，硬件抗干擾設(shè)計(jì);

3)模擬信號采集模組，支持4一20 mA信號采集;

4)頻率采集模組，頻率范圍為0 -7500 Hz，高電平為3一36 V，低電平在IV以下;

5)電源適配模組，板卡支持USB供電或者外接12V 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)會自動(dòng)將用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)導(dǎo)到后臺端，后臺依據(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)后臺將會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。

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。

在開始測試前需要先連接設(shè)備(設(shè)備連接到電腦端后會自動(dòng)顯示連接成功)，之后設(shè)定“參數(shù)設(shè)置”一、“測試設(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)擊開始測試時(shí)系統(tǒng)會自動(dòng)提示，并且不允許測試，直到設(shè)置滿足正確要求系統(tǒng)才允許進(jìn)行測試。

2.2.2設(shè)備后臺

設(shè)備后臺用于執(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)都是通過后臺的進(jìn)程進(jìn)行處理的，后臺會對表格進(jìn)行創(chuàng)建、讀、寫、保存等操作。設(shè)備后臺會根據(jù)用戶在界面端設(shè)i`的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行表格控件類型的選擇。

后臺設(shè)計(jì)架構(gòu)流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化完成后會等待用戶的前臺界面命令，收到命令后開始執(zhí)行。如果執(zhí)行錯(cuò)誤，則在前臺界面提示相應(yīng)的錯(cuò)誤。如果執(zhí)行成功，系統(tǒng)會依據(jù)前臺參數(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)寫人表格，并刷新界面顯示。

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)了一組對比試驗(yàn)。針對同一明渠堰槽(喉道寬度b二152 mm )，采用兩種不同的液位測量方式，安裝了兩種明渠流量計(jì)。一種是在渠道上水位觀測斷面處用超聲波液位計(jì)測量渠槽中的水位，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量會更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

明渠流量計(jì)安裝位置前端的行進(jìn)渠道長度對流場的穩(wěn)定性也有影響，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)渠道長度下的比對試驗(yàn)，驗(yàn)證其對明渠流量計(jì)測量誤差的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表I所示，其中D為行進(jìn)渠道寬度。

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)渠道長度)下，靜水井內(nèi)液位測量的明渠流量計(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)場測量中體現(xiàn)出不同影響量對明渠流量計(jì)測量誤差的影響。

4結(jié)束語

上海上自儀公司針對廢水在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中，如何在現(xiàn)場評定明渠流量計(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)裝咒，簡述了裝界的基本原理，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于裝置上的流量信號采集測量系統(tǒng)，研制出信號采集系統(tǒng)的硬件電路及應(yīng)用軟件，通過開展現(xiàn)場實(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)場實(shí)現(xiàn)對廢水明渠流量計(jì)的校準(zhǔn)和溯源，為計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測部門保證環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確提供了一種有效的技術(shù)手段。