無線水污染超聲波明渠水量檢測儀|廠家原理
摘 要：超聲波明渠流量計是目前在環(huán)保行業(yè)檢測水污染用的***多的一種檢測方法。這里提出了一種新的以ARM Cortex-M3為核心，通過利用超聲波的波長和時間相關(guān)的向量差的算法，可以精準的算出當前水污染的排水速度和高度，同時通過無線GPRS將該數(shù)據(jù)實時上傳到服務(wù)器，從而達到對監(jiān)測點水污染實時檢測的目的。通過比較發(fā)現(xiàn)，和目前流行的檢測儀方法相比，本文提出的方法精準度可以提高50%左右，而成本下降30%，具有極佳的性價比和市場效益。
1、導(dǎo)言：
工業(yè)廢水是水體主要污染源，它面廣、量大、含污染物質(zhì)多、組成復(fù)雜，有的毒性大，處理困難，流量測量一直困擾著工業(yè)、市政、水利等領(lǐng)域。盡管許多先進技術(shù)在流量測量領(lǐng)域中有較廣泛的應(yīng)用于業(yè)績，但在上述測量方面仍進展不大，也缺乏創(chuàng)新。明渠流量檢測作為流量測量的一大分支，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快?；诓煌恚m用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用于給排水、污水處理等各個行業(yè)。工業(yè)和共用事業(yè)目前應(yīng)用較多的明渠流量儀是超聲波流量計，其測量方法主要有時差法[ 1 ] 、多普勒效應(yīng)法[ 2 ] [ 3 ] 、相關(guān)法、噪聲法[ 5 ] 、波束偏移法等，其中時差法應(yīng)用***為普遍。超聲波流量計的時差測量法是基于超聲波在具有流速的媒質(zhì)里傳播時，其傳播時間(速率)會隨著媒質(zhì)流速的變化而變化的原理來實現(xiàn)媒質(zhì)流速測量的方法。
但是利用目前通用的時差法還存在一些問題，其中***突出的問題主要如下：
（1）水的流速和高度的矢量關(guān)系無法的算出。
（2）當前的處理器的速度都比較慢，而且沒有采取無線信號傳輸方式來實時檢測。
本文提出了一種新的基于32位ARM Cortex-M3內(nèi)核和uClinux系統(tǒng)的利用超聲波波長在不同時間段內(nèi)多次檢測的的向量差，得出水的流速和高度之間的矢量關(guān)系，同時將該矢量關(guān)系以數(shù)組數(shù)據(jù)方式通過GPRS無線信號實時上傳到服務(wù)器，從而解決了通用時差法無法解決的兩個問題。***后的實時數(shù)據(jù)分析表明，采用本文提出的向量差方法得到的水的高度和速度之間的矢量關(guān)系數(shù)據(jù)比單用時差法要很多。
2、超聲波明渠流量測量原理：
采用波長和時間的向量差的實現(xiàn)原理如上圖1所示。假設(shè)當水通過流量槽形成自然流動時，其流量Q與流量槽上流水位H的關(guān)系為：
Q=K*Hn （2.1）
式中的K，n分別是流量系數(shù)和槽結(jié)構(gòu)的喉部尺寸，實際現(xiàn)場依據(jù)不同的情況，不同的尺寸賦予不同的值；H為液位的高度（m）.超聲波傳感器在單片機的控制下，進行超聲波的發(fā)送和接收，由超聲波的傳播時間T來計算傳感器和液面之間的距離：
h(t)=(c*t)/2 （2.2）
式中，c為超聲波在空氣介質(zhì)中得傳播速度（m/s），若傳感
器距流量槽的零液位距離為L，則液位的高度
H(t)=L- h(t) （2.3）
如果我們對上述的數(shù)據(jù)連續(xù)檢測，在時間T 內(nèi)做一個連續(xù)時間上的平均，基本就可以得到在一個周期內(nèi)的液位高度值：
| H | T | T | H (t)dt | 2.4 |
| ³0 | ||||
| 1 |
超聲波傳感器發(fā)射電路中的振蕩器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，作為發(fā)射的激勵信號，當超聲波遇到被測液面發(fā)射被接收電路接收，由單片機機處理后，算出回波的時間間隔T，由公式 (2.1)、（2.2）、（2.3）和（2.4）***終算出瞬時的流量速度，從而得到水的速度和高度的矢關(guān)系。
圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
3、系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方案：
系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射電路，接收電路，核心功能模塊單片機控制器，數(shù)據(jù)的傳輸和上位機的顯示。利用超聲波探頭測得高精度的液位信息，再將液位信息與堰槽的類型尺寸相結(jié)合，送入ARM處理算出流量，通過串口，傳輸?shù)缴衔粰C，從而完成了污水流量計量體統(tǒng)的設(shè)計。
圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖
其中超聲波發(fā)射電路和接收電路都采用了philip公司的集成芯片TCRT16-40，通過UART接口直接和Cortex M3 CPU連接，在提供2路模擬通道給超聲波探頭完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,模數(shù)轉(zhuǎn)換采取12位高精度的，電流感應(yīng)電路。通過一定的放大功能完成信號采集和轉(zhuǎn)換。電源電路這里采用了National Semi公司的TD1583 雙路DCDC完成高效率，低紋波的電源電平轉(zhuǎn)換，將輸入的+5V電源，一路給系統(tǒng)3.3V電壓，1.5A電流，然后通過電感完成模擬電源和數(shù)字電源隔離，一路給GPRS，4.0V電壓和2.5A電流，GPRS模塊這里采取了SIMCOM公司的SIM900A模塊，集成tcp/ip協(xié)議棧，通過5線UART口和ARM Cortex M3 CPU完成數(shù)據(jù)交互。波特率在115200bps。
4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計:
系統(tǒng)的軟件設(shè)計完成了系統(tǒng)的初始化，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的參數(shù)配置，GPRS協(xié)議棧初始化以及算法處理、數(shù)據(jù)保存和無線傳輸?shù)?。整個軟件在uClinux系統(tǒng)上完成，由操作系統(tǒng)內(nèi)部完成任務(wù)調(diào)度和轉(zhuǎn)換，通過一定的優(yōu)化完成，整個流程如下圖3所示：
5、測試到的數(shù)據(jù)度分析:
我們將采集到的數(shù)據(jù)和通用的時差法（傳統(tǒng)算法）得到的數(shù)據(jù)通過對比，得到了如下數(shù)據(jù)表格：
從上圖可以看出，采取我們當前的算法更加逼近實際的數(shù)據(jù)，這個也表明了采用我們的向量差的算法的測試儀數(shù)據(jù)更加。
6、總結(jié):
| 表1 | 測試到的數(shù)據(jù)分析 | |||
| / | ||||
| 1 | 0.7, 12 | 0.65, 11.82 | 0.58, 11.32 | |
| 8 | 0.5, 10.5 | 0.47, 10.33 | 0.42, 9.87 | |
| 24 | 0.6, 10.8 | 0.58, 10.45 | 0.46, 10.39 | |
| 48 | 0.6,10.5 | 0.57, 10.29 | 0.52,9.88 | |
| 1 | 0.5, 11 | 0.47, 10.82 | 0.39, 10.12 | |
本文提出了一種新的以ARM Cortex-M3為核心，通過利用超聲波的波長和時間相關(guān)的向量差的算法，可以精準的算出當前水污染的排水速度和高度，同時通過無線GPRS將該數(shù)據(jù)實時上傳到服務(wù)器，從而達到對監(jiān)測點水污染實時檢測的目的。從實際情況來看，采用該算法和該系統(tǒng)的測試儀，無論是在成本上，還是在性能上，都比目前市場上的測試儀都要好的多，這個也表明了該算法測試儀具有十分廣闊的市場應(yīng)用價值。