基于压力传感器的矩形渠道流量自动检测系统

王慧聪，周义仁

（太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引言

我国是一个农业大国同时也是一个水资源匮乏的国家。现阶段灌区用水的浪费是造成农业水资源大量流失的主要原因，对传统水流测量的设备及方法的革新势在必行。明渠流量检测在农业生产中有着举足轻重的地位，它直接关系着灌溉管理水平及灌溉用水利用率的效率。而当前常见类型的流量检测装置的适用范围常常受到自身不足之处和使用条件的制约，如造价高、安装的技术性要求较高、抗干扰能力差，测量精度低等。

针对这些存在的问题，结合当前国内外输配水渠道普遍采用的是矩形断面形式的特点，本文研究并设计了一种基于压力传感器的矩形渠道流量自动检测系统。

1 测流原理

本系统的测流部分是基于伯努利方程进行的流速测量[1]。伯努利方程在水力学中常常被提及，涉及到很多方面的水力学知识，是水力学长久以来所采用的基本原理。

伯努利方程是理想流体定常流动中的动力学方程，即在忽略粘性损失的流体中，其流线上任意两点之间的压力势能、动能及位势能之和保持恒定[2]。对于重力场中的不可压缩的均质流体，其表达式为：

上述两式均为伯努利方程，式(1)中p、ρ、v分别为流体所受的压强、密度和流动的速度；h为流体所处的高度；g为当地重力加速度，为常量；c也为常量，式中的各项分别表示单位体积流体的压力势能、重力势能及动能，其沿流线运动的过程中，和值保持不变，此即总能量的守恒；式(2)中，等号的左边与右边分别表示沿流线运动过程中的任意两点的机械能之和。由伯努利方程可以看出，流速大处压强低，流速小处压强高。

如若在渠道中的同一高度处放置两个MPX53GP压力片，一个正对水流的冲击、一个垂直于水流的方向。以式(2)等号左边表示正对水流冲击压力片的受力情况、等号右边表示垂直于水流方向压力片的受力情况，则v1=0，且h1=h2，则式(2)可简化为：

即：

式(4)表明两个压力片的压差与水流流速的平方成正比，即压差Δp与流速v是一一对应的关系。

2 压力传感器

本系统采用的是自主研发的基于伯努利方程的压力式测流装置，该装置的感应部分采用型号为MPX53GP的压力片，该压力片可提供非常精确的线性电压输出，与施加的压力成正比，其工作原理是将压力信号转换成电压信号，转换压力值为0～0.5个大气压[3]。电压信号为毫伏级别，经一级运算放大器放大后，再经AD转换后采样处理成为可显示的数值。该装置采用十个MPX53GP压力片，两两一组，每组中一个正对水流的冲击、一个垂直于水流的方向，均匀布置于板子的五个点处，整个采集板的高度约为58cm，该流量计可测取约50cm液位高的明渠流量值。采集板的外表除了压力片的受力面以外其余部分均由绝缘材料环氧树脂进行浇注，这样克服了采集板采集水压信号时受水流导电性的影响并可防止电腐蚀现象的发生，使得采集板的抗干扰能力大大增强，提高了感应部分的稳定性与可靠性。采集板的顶端布置有5V直流稳压模块和LCD1602液晶显示屏，整个采集板呈现长方形棒状的结构。控制板是该测流装置的核心部分，是由STC12C5A60S2单片机组成的控制中心，具有信号的处理、数据的传输等功能，其外形结构为13cm×12cm的长方形PCB板。压力传感器产生的信号经过AD623放大电路，放大之后传输给单片机（因为STC12C5A60S2单片机具有自带A/D转换功能），由液晶显示屏显示出来流速值及液位值[4]。压力传感器的控制电路如图1所示。

本系统的数据输出电路是运用MAX3232CP芯片为核心设计而成的串口通讯电路，负责与控制板上的显示仪表或上位机进行通信，电路图如图2所示。

图2 输出电路图

3 系统结构

1）系统框架

该系统由一套压力传感器，机械传动装置、驱动器、微处理器和计算机组成。该系统的微处理器选用STC12C5A60S2芯片，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换[5]。控制工作台动作的步进电机受单片机的程控，有着时序性的工作方式。单片机发出的脉冲信号驱动横轴步进电机，经过联轴器带动横轴的滚珠丝杠，带动装置横向运动[6]。系统框架如图3所示。

图3 系统框架图

2）系统结构图

该传动机构上载有十个压力片，与机械传动装置结合可横向自动移动，实现对渠道矩形断面内任一点处流速的测量。系统结构如图4所示。

图4 系统结构图

该系统结构的工作原理为：本系统的测量部分采用“流速—面积法”[7]对矩形断面渠道进行流量的测量，在本装置的传动机构上载有十个压力传感器，两两一组，共有五组，垂直于水平面的传感器，测出动水压力；平行于水平面的传感器，测出静水压力。根据点线面的思路，可以分为以下三步得到流量值：1）测点流速：由两个压力传感器测得的动水压力和静水压力，其压力差通过伯努利方程算出一个测点的流速，根据此方法，可以得到每个测点的流速；2）测线流速：根据水淹没传感器的测点数，分别求出淹没测点的流速，把每个测点的流速加权求平均得到该条测线的流速；3）测面流速：通过机械传动机构横向自动移动，得到第二条，第三条…第N条测线的流速，所得N条测线的流速加权平均得到该测面的流速v。由公式Qv=vA即求得该矩形断面的流量（v为矩形断面的平均流速，A为矩形断面的面积）。

4 实验结果

为验证该流量自动检测系统的运行情况，选取了山西某矩形断面明渠进行了试验，试验所用明渠底宽43.8cm，并将数据与流速仪所测数值进行了对比。数据如表1所示。

表1 实验数据

5 结论

本系统通过在实际矩形明渠段进行了功能性的实验，测量结果与采用流速仪测得的流量值相对误差在3%以内，验证了该系统的实用性与准确性[8]。

本系统在明渠流速检测中采用由点流速到线流速到面流速的思路，实现了断面内的多点测量，比传统的测量精度更高，并且该系统与机械传动机构相结合，可以横向自动移动实现断面内测线的任意选择，使得技术人员更易操作，系统内的传感器均可通过RS232总线与上位机连接，操作更加简便，整套系统装置结构简单，与传统的流速仪相比，大大降低了成本，减少了人力的投入。该系统能使用于各种复杂的使用环境，使得该系统有着良好的应用与推广前景。

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