新型智能流速流量仪系统设计

2010-11-20龙金平潘学民

水利信息化 2010年3期

孟兵，田乐，龙金平，潘学民，武桦

（新疆水文水资源局，新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

流速流量测量是水利、水文及环保等部门的一项重要工作，随着信息和网络化技术的迅速发展，对数据测量的准确度和时效性、仪表功耗、通信、数据存贮和管理等提出了新的要求。转子式流速仪是用于明渠流速测量的主要仪器。在转子式流速仪基础上开发设计的智能流速流量仪系统（以下简称系统），既可用于明渠流速流量测量计算，也可用于管道流速流量测量。能够在流速测量完毕后自动进行流量的计算和相关数据的保存，并将数据上传至计算机，存贮到已经建立好的 Acess 数据库中，并自动生成打印报表，提高了工作效率和管理水平。

1 流速、流量测量原理

流速仪测流的基本原理是通过采集流速仪脉冲信息后计算得到测点流速，测点流速v可用式（1）计算得出：

式中：K为水力螺距；n为每信号转数，K和n为流速仪固有的2个参数；C为流速仪系数，是流速仪检定部门在对给定的流速仪检定后给出的校正量；T为单次测量的实际延时；A为在实际测量过程中流速仪发出的信号脉冲数。

在实际的河流流量测量中，测点流速一般不等于截面平均流速，河道的截面积也不是规则的矩形或梯形，用1个测点的流速取代整个河道截面的平均流速直接计算时误差很大。通过部分平均流速与部分面积相乘，可得部分流量[1]。部分面积法计算明渠流量示意图如图1所示。

图1 部分面积法计算明渠流量示意图

2 系统功能及组成结构

2.1 系统功能

针对目前市场新型流速仪基本都可通过配置2次仪表解决流速直读的问题，但对直接流量计算，在便携式流速仪中还不多见的现状，我们确定研发了既可直读流速，又可通过对已知断面参数手工置数的方式直接在2次仪表中计算并显示流量的便携式智能流速流量仪。智能流速流量仪是一种利用流速仪法测流时能自动快速显示测点流速和全断面流量的仪器。

系统测量过程如下：1）将流速流量仪与流速仪联结；2）把事先测量到的测验断面各类参数（各起点距、水深）及流速仪公式输入流速流量仪；3）在用流速仪测量各测点流速时，流速流量仪就会自动显示该测点的流速；4）每个测次所有测点流速测完之后，流速流量仪就会自动显示该测次全断面的流量。

系统主要功能如下：

1）直读功能。可直接读出各垂线测点流速（1点法时为垂线平均流速）；在将断面相关参数通过直接置数到2次仪表后，可直接读出该断面流量。

2）交互功能。可在测量过程中实现对仪表和明渠测验断面等参数的边测量边设置，可以通过键盘来选择不同的仪表用户界面。

3）通讯功能。仪器增设通用型 USB 接口，能方便与上位机连接和通讯。

4）多组测量数据的保存功能。1组测量指完成1次河道截面流量测量中所产生的所有参数设置和原始数据，系统可实现10份测量结果的数据保存。

5）人机界面及数据管理功能。

在上位机中开发设计人机界面，实现与仪表的通讯，仪表内数据读取、显示，生成站测深、测速记载及流量计算表见数据报表。数据报表能够自动对相关数据进行计算。

6）明渠流量计算（部分面积法），在2测速点间增加间距不等的测深垂线。

提高了测量准确度及精度，流速、流量显示小数点后4位有效数字。水力螺距K、阻力系数C，保留4位有效数字。可在水面宽小于90m 的明渠测验中使用。

2.2 系统结构

系统主要由仪表、上位机及数据库 Excel 表等部分组成。系统结构框图如图2所示。仪表部分主要由信号采集、按键、汉字显示等电路组成[2]。

2.3 流速仪信号的处理

智能仪表适用于转子式流速仪，这种仪器内部为机械式触点，由于触点闭合时，存在抖动现象，1次动作会引起若干次电平信号变化，从而产生误记信号次数的现象。系统采用硬件、软件双重滤波方式消除抖动现象。

图2 系统结构图

硬件方面由信号转换、光电隔离、电平转换、信号滤波和放大电路组成。信号调理最大限度地抑制由于水电阻变化而引起的电信号的变化；高质量的光电隔离将流速仪的电信号与2次仪表在电气上完全隔离；硬件滤波实现滤除高频扰动信号和触点抖动信号。

软件滤波采用变系数滤波方法。不同型号的仪器，按下式决定滤波系数：

式中：Rν为流速仪转子转率；CS为流速因子；di、Ci分别为流速仪的水力螺距系数和仪器常数。所测水流速度不同时，软件滤波的脉冲宽度随之改变，从而得到准确且不失真的信号脉冲序列。

3 通信与上位机软件

通信部分主要指数据格式转换和串口通信。数据在单片机 Flash 中的存贮格式以 BCD 码和浮点数方式存贮，数据以 ASCII 码格式送单片机发送缓冲区，通过 USB 总线依次将数据发送到计算机中。传送过程中数据是以 1 组测量结果为单位上传，依次传送，这样便于上位机数据处理，方便编程。

当将仪表与计算机连接好之后，打开计算机通信界面后，将仪表切换到通信界面下，此时按下确认键，便可将仪表内大量数据上传计算机，数据会显示在下图所示窗口中，当点击 Access 按钮时，数据便会自动录入数据库，实现数据的保存，当依次点击 Excel 输入按钮时数据将会自动水文部门规定的数据报表格式，并将数据添加到报表中。

系统采用 ADO 数据库访问技术。在 VB 的控件窗口中用 ADO Data 控件来实现 VB 与 Access 数据库的连接。ADO Data 控件是使用 ADO 技术访问数据库的具体实现，用户可以使用 ADO Data 控件快速创建 1 个到数据库的连接[3]。连接后在系统中的体现如图 3 所示。

图3 数据库操作窗口

系统中具有添加、修改、删除等按纽，可以随时对数据库中的参数和数据进行修改等操作。

在报表生成时，将采集到的数据导入到事先制作好的 Excel 表中，然后将所得到的数据在表中用编辑公式进行计算，得到所需的结果。具体报表如图 4所示。

图4 数据报表图

4 仪表推广应用

由于新疆是以灌溉农业为主，各地区、州的水文和水管部门基本上都是使用流速仪法核定水量，而且是以 20 转 1 个信号的流速仪为主，该产品在流速流量仪Ⅰ型的基础上，又将流速流量仪Ⅱ型开发为汉字显示，并且新增了通信接口和测量数据传递到计算机管理，操作起来比流速流量仪Ⅰ型更为直观、方便。这样将更好地解决广大水管部门和农民用水用户用水计量和流量计算难的问题，对其他科研、工矿、环保等单位也可以普遍使用此系统。由于该系统价格适中，又属于配套产品，老旧流速仪器仍能使用，因此，市场潜力巨大，极具市场竞争力，有广阔的应用前景。