流速仪检定车数据采集与处理系统研发与应用

陈立华 ，邓芳芳 ，郑应成

（1.广西大学土木建筑工程学院，广西省南宁市 530004 ；2. 广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西省南宁市 530004；3.广西壮族自治区水文水资源局， 广西省南宁市 530023）

流速仪检定车数据采集与处理系统研发与应用

陈立华1，2，邓芳芳1，2，郑应成3

（1.广西大学土木建筑工程学院，广西省南宁市 530004 ；2. 广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西省南宁市 530004；3.广西壮族自治区水文水资源局， 广西省南宁市 530023）

为了解决华南水文仪器检测中心仪器老化等的问题，研发了流速仪检定车数据采集与处理系统的硬件和上位机软件。本研究重点解决该系统改造过程中的采集系统硬件设计、通信协议、数据库库表结构及仪器常数a和水力螺距b的计算。硬件电路设计方面采用隔离变压器、核心电路与外围电路单独供电且通过磁耦合进行信号传输等措施防止干扰信号对数据采集电路的影响；选择不同的延时去抖动时间和延时判决时间实现去抖动。系统软件方面设计了ASCII编码的通信协议和数据库库表结构，实现了对数据的接收与解译、参数计算、数据库管理、信息查询、生成报表等功能。通过现场测试，验证了该系统能够精确、快速地运行。

检定；数据采集；信号处理；流速仪

1 研究背景

我国始于1943年模仿美国Price旋杯式流速仪生产转子式流速仪[1]，20世纪70年代后流速仪在我国的应用得到快速发展。流速仪长期在野外进行工作，为了保证测量的准确性，《中华人民共和国计量法》第九条规定需定期对其进行强制检定。为了规范流速仪检定行业的工作，国家颁布了一系列相关行业标准：1995年，水利部颁布《直线明槽中转子式流速仪的检定》[2]；2008年，对检定标准进行修订，颁布《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》[3]。现行标准规定了转子式流速仪检定的原理、设备、方法、证书、资料以及检定槽的验收等内容。

当前我国共10处水文仪器检测中心已经拥有流速仪检定系统。大多数检定车的数据采集与处理系统使用时间较长，华南水文仪器检测中心更是存在系统设备陈旧、检定效率较低等问题。1999年李琛[4]等人便对华东水文仪器检测中心流速仪检定车进行了全面的改造，2010年Qian Fei等[5]曾利用远程测控系统和PLC对流速仪检定车进行了改造，2012年周琪羽等[6]人也曾对东部水文仪器检测中心流速仪检定车进行了改造。本课题针对华南水文仪器检测中心对其流速仪检定车进行改造，研发流速仪检定车数据采集与处理系统硬件与上位机软件。

2 流速仪检定车工作原理

国内外流速仪的检定方法并无太大的区别[7]。目前国内外室内流速仪的检定设备由检定槽、检定车、轨道、控制系统、通信系统、数据处理系统、安全系统以及供排水系统等组成。流速仪检定车工作原理：在横断面均匀的检定槽中，在轨道上行驶的检定车以若干稳定速度牵引流速仪，使固定在测杆上的流速仪在静水中行进，测定检定车的速度和流速仪转子的转速，对这两组数据用方程式以及图表建立相关关系[3]。现行流速仪检定车可检测的流速仪型号主要有10种，分别是LS25-1-1、LS25-3、LS25-1-2、LS25-1-A、LS10、LS68、LS78、LS 45、LS1206B、LS20。

在检定流速仪过程中，将一定数量的流速仪悬挂于流速仪检定车上（一般是3台），通过测速轮测出前进的流速仪检定车的车速，并将单片机检测到的测试轮的脉冲、仪器的闭合周期送到计算机内。以LS25-1-1型流速仪为例，当车速一定时在水下的仪器桨叶每转20周，仪器内部就有一个触点闭合一次，时长是3转，然后断开，如此循环。张新书[8]所改造的流速仪检定车，所使用的二次仪表只能搭配固定型号。而本次研发的数据采集与处理系统并没有限定检测的流速仪型号，且新型号流速仪所有参数都可在以后检测需要时自行添加。当检测完毕时，将检测数据上传到计算机进行处理，采用最小二乘法拟合检定公式参数。

3 流速仪检定车数据采集与处理系统设计思路

根据华南水文仪器检测中心的功能需求，设计流速仪信号采集系统框图如图1所示。将流速仪检定车数据采集与处理系统分为两个部分：流速仪检定车数据采集与处理系统硬件和该系统上位机软件。上位机指数据处理计算机，即本地的PC机；下位机指该系统硬件，即电路板单元。

3.1 数据采集与处理系统硬件设计思路

数据采集与处理系统硬件采用磁耦合电路，可同时接入三台流速仪。信号采集系统是由数据采集接口电路，CPU（中心处理器）以及通信接口电路组成。流速仪脉冲信号经数据采集接口电路传入CPU，采集流速仪的速度以及转率，并将CPU计算的转率传到通信接口，然后经由串口通信上传至数据采集与处理系统上位机。

3.2 数据采集与处理系统上位机软件设计思路

软件开发和运行的操作系统为Windows 8；开发语言采用C#语言；开发平台为Visual Studio 2010。数据采集与处理系统上位机软件分为数据接收模块、数据计算模块、历史查询模块、信息管理模块4个模块。该系统软件采用ASCII编码的通信协议与硬件系统相连，实现对数据的发送与接收，上位机可实现数据解译、数据拟合计算、数据库管理、信息查询、生成报表等功能。上位机通过该系统硬件检测出的检定车速度v和流速仪转子转率n完成一系列的数据处理工作。根据计算处理得到的全线平均相对误差和全线相对均方差m数据可判断流速仪是否合格，然后自动生成检定报告，即完成检定工作。

4 流速仪检定车数据采集与处理系统改造关键技术

流速仪检定车数据采集与处理系统改造的关键点在于采集系统的硬件设计、通信协议、数据库库表结构设计及仪器常数a和水力螺距b的计算。

4.1 硬件设计

数据采集电路所在的工作现场电磁环境十分复杂，存在伺服电机辐射出的极强电磁谐波、导轨等机械摩擦产生的静电、滑动式供电回路产生的电磁火花干扰等，电路必须适应这种电磁环境并能稳定、可靠地工作，这是本次电路设计的重点。为了实现这一的目标，从以下几个方面对电路进行设计。

图1 流速仪信号采集系统框图Fig.1 Structure of signal acquisition system

4.1.1 抗干扰

从供电电路方面提高电路的抗干扰能力。数据采集电路与伺服电机等强电类设备共接一个电网，由于这些强电类设备的高能耗、强电磁辐射等特性会造成电网严重的干扰，数据采集电路直接连接这样的电网将有严重的不良后果。本课题采取了多重措施防止干扰信号对数据采集电路的影响。一方面是采用隔离变压器，充分利用其磁耦合、无电联系的特性，以解决数据采集电路与强电设备电网共线的问题，而且对一些尖峰脉冲能起到很好的抑制作用；另一方面是核心电路与外围电路单独供电，数据采集电路设计分成外围电路与核心电路两部分，外围电路是指与流速仪、检定车速度信号盘及通信接口相连接的部分电路，核心电路是指波形整形及CPU等部分电路，两者之间是通过光电耦合进行信号传输且没有直接的电联系，这个措施有效地抑制了干扰信号从地入侵的问题。

4.1.2 去抖动

数据采集与处理系统硬件应能根据不同型号的流速仪在不同的速度点，选择不同的“延时去抖动”时间和“延时判决”时间。目前使用的转叶式流速仪开关信号大多数为机械触点式，这类开关抖动性大，特别在开关接触及脱离的两个位置上抖动十分明显，这给准确判读开关信号带来了极大的困难，即便是相同型号的流速仪在不同的速度点上开关通断的周期也有所不同，最大相差可达一个数据量级。况且实际检定中流速仪的型号可能不同，不同的流速仪有着不同的转响比和不同的转率，因此用一个固定的延时去抖动时间和延时判决时间来判读一个开关信号是不行的。该系统硬件设计的核心就是根据不同的流速仪在不同的速度点，能够智能性地选择不同延时去抖动时间和延时判决时间。

图2 数据库库表关联图Fig.2 Relevance of database

4.2 数据库库表结构设计

本系统采用SQL Sever 2012数据库，主要包含计算成果表、检定计算表、基本信息类表，数据库库表关系如图2所示。其中基本信息类表包含流速仪型号、送检单位、仪器类型、检定单位等有关常用参数；计算成果表共有20个字段，储存计算信息；检定计算表有11个字段，储存计算数据；其余各只有一个字段，分别储存常用信息。

4.3 通信协议

此次串口通信采用ASCII编码的通信协议，波特率采用9600bps，8个数据位，1个停止位。通信协议中，上行（数据上行）是数据从下位机向上位机传送；下行（数据下行）是数据从上位机向下位机传送。以流速仪基本参数为例：

上行：AA AA+给定点速度+AB+Data_b+AC+Data_a+AD+转响比+AE+1号流速仪是否检定+AF+2号流速仪是否检定+BA+3号流速仪是否检定+BB+检定点顺序号（十六进制1个字节）+BC+采集信号个数（1个字节十六进制）+BD+参考转率+BE+型号+BF+参考周期（s）+FF FF。

例 如：AA AA 33 2E 35 30 30 30 30 30 AB 30 2E 32 37 38 30 30 30 AC 30 2E 36 39 38 30 30 30 AD 32 30 2E 30 30 30 30 30 30 AE 31 AF 30 BA 30 BB 01 BC 14 BD 31 30 2E 30 37 39 31 34 30 BE 4C 53 20 32 35 20 41 BF 31 2E 39 38 34 32 39 37 FF FF

下行：EE +89 +FF FC FF FF

参数说明：EE EE为开始标识符，FF FF为终止标识符（“+”号不传送）。

4.4 仪器常数a和水力螺距b的计算

拟合仪器常数a和水力螺距b时，根据《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》现行标准，不考虑低速和中高速对直线的影响度差别而对其直线部分统一拟合，用直线方程v=a+bn作为检定结果，用检定点拟合检定公式时采用最小二乘法计算a、b值。最小二乘法公式具体如式（1）所示：

式中：a——流速仪的仪器常数，m/s；

i——测点个数；

N——参与计算的点数；

vi——测点实测速度，m/s；

ni——测点转率，s-1；

b——仪器的水力螺距，m。

5 流速仪检定车数据采集与处理系统功能

5.1 流速仪检定车数据采集与处理系统硬件功能

该系统硬件功能主要为检测流速仪的速率，采用触摸式显示屏，如图3所示根据所测流速仪型号输入参数、检测序号、检测信号个数，并确认流速仪是否检测，则可点击确认输入参数。当检定时，显示屏将实时显示时间、给定检测点速度以及检定车当前的速度等。待检定车速稳定后，便可按下开始采集键开始采集数据，每采集一个数据便会有蜂鸣器及LED灯提醒；采集完毕后，系统将计算出实测转率和采集的平均速度，按下确认键将结果上传给上位机，然后进行下一检测点的检测。

5.2 流速仪检定车数据采集与处理系统上位机软件功能

上位机软件的四个模块主要功能如下：

5.2.1 数据接收模块

图3 硬件界面图Fig.3 Interface of hardware

本次研发采用Microsoft Communications Control控件（MSComm）[9]实现单片机与上位机的通信。该模块能实时接收数据采集与处理系统上传的数据，同时与下位机通信确认已接收数据。原软件输入检测数据采用人工输入浮点式数据，该次研发软件可自动接收采集数据，接收速度快且采集的数据精度更高。若接收数据时显示接收出错，可按确认结果键重新接收数据。对于未检测完毕的一组数据，可以选择在数据库中查找检测日期及型号，补全未检测完毕的数据。接收确认后对上传的数据解译，并将解译后的结果给定一个检定编号存入数据库，以供随时查询和调用。

5.2.2 数据计算模块

该模块可查询出数据解译后的结果，根据v、n值选择有效的检测点拟合检定参数a、b值，并在该界面输入相应流速仪常用参数，例如送检单位、检定单位等，如图4所示。根据拟合出的a、b值计算出仪器速度、相对误差、绝对误差等，绘出相关图，由计算结果判断检测的流速仪是否合格，并将计算结果与信息存入数据库，同时系统会自动根据计算结果生成Word文档格式的检定报告。

5.2.3 历史查询模块

该模块可查询数据库计算结果，共设有三个条件框可同时输入查询信息，支持按检定编号、仪器类型、仪器号码等条件进行查询。在条件框选定需查询的条件和输入查询关键字后，按下查询条件按钮后就可查询历史结果以及计算信息，右下角将显示查询出符合条件的数据记录数，并可根据需要将查询结果按Excel文件导出。

5.2.4 信息管理模块

该模块提供了强大的多数据表数据管理功能，可根据选择出的条件显示出相应的流速仪常用信息表，包括检定单位、送检单位、仪器类型等数据表，主要功能是对常用信息进行添加、修改、删除记录等管理操作，能满足用户大多数的要求。

6 应用与验证

根据华南水文仪器检测中心的要求，对研发的流速仪检定车数据采集与处理系统进行了测试。

（1）数据采集与处理系统硬件：经验证，流速仪检定车数据采集与处理系统硬件实现了设计的一系列功能，可实时获取流速仪车速以及转率，由此可以看出抗干扰措施、去抖动措施有效，该硬件可以正常使用。

图4 数据计算界面Fig.4 Interface of calculation

（2）数据采集与处理系统上位机软件：检定数据可上传到上位机；据测得的数据，在该上位机软件上可以正确的拟合出a、b、全线平均相对误差和全线相对均方差；计算完毕后，可将计算结果存入数据库，并可自动生成检定报告。以检定编号为2015101103为例，共测得21个点，使用19个点进行拟合，全线平均相对误差为0.8905，全线相对均方差为1.4586，该流速仪合格。

综上所述，本课题所研发的流速仪检定车数据采集与处理系统可有效地验证流速仪是否合格，达到了预期的设计目标，说明该系统确实可行。检定编号为2015101103的实例如图4所示，该图反映了在华南水文仪器检测中心测试的结果表明改造后的系统满足流速仪检定的要求，拟合后的流速仪速度曲线图与实测流速仪速度散点图如图5所示。

7 结束语

针对华南水文仪器检测中心仪器老化等问题，按照该检测中心的功能需求研发了流速仪检定车数据采集与处理系统的下位机硬件和上位机软件：

（1）针对数据采集电路所在的工作现场复杂的电磁环境，重点进行了硬件电路设计以适应现场电磁环境。采用隔离变压器解决数据采集电路与强电设备电网共线的问题；在电路设计中，将核心电路与外围电路单独供电，再通过光电耦合进行信号传输等措施防止干扰信号对数据采集电路的影响；选择不同的“延时去抖动”时间和“延时判决”时间实现“去抖动”。通过上述措施使得下位机能够稳定、可靠地工作。

图5 拟合速度与实测速度关系图Fig.5 Chart of fitting and the actual speed

（2）基于Visual Studio2010平台和SQL Server 2012数据库采用C#语言编写代码开发了系统软件。在开发过程主要解决了以下关键问题：根据ASCII编码的通信协议与该系统硬件进行数据通信；采用最小二乘法对检测数据拟合计算出a、b；针对采集数据特点对数据库库表结构进行了设计，主要包括计算成果表、检定计算表、基本信息类表。该软件实现了对数据的发送与接收、数据解译、数据计算、数据库管理、信息查询等功能。

（3）通过对研发的数据采集与处理系统的现场测试，能够快速、可靠地运行，验证了该系统可以取代原系统在华南水文仪器检测中心执行流速仪的检定工作。

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[2] SL/T 150—1995.直线明槽中转子式流速仪的检定方法[S].SL/T 150—1995.Calibration Method of Rotating-element Current-meters in Straight Open Tank[S].

[3] GB/T 21699—2008.直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法[S]. 北京：中国标准出版社.GB/T 21699—2008.Verification/Calibration Method of Rotatingelement Current Meters in Straight Open Tank[S].Standards Press of China.

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Research and Development of Data Acquisition and Processing System for Verification of Current Meter

CHEN Lihua1,2, DENG Fangfang1,2,ZHENG Yingcheng3
(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. Key Laboratory of Disaster

In order to solve aging equipment of the South China Hydrological Instrument Testing Center， the data acquisition and processing system hardware and software of current meter calibration vehicle are reformed. This study focused on solving the key technology of hardware design， the system transformation process in the system of data communication protocol， database table structure design and the calculation of instrument constants and hydraulic screw pitch. The design of hardware of the system using the isolation transformer， and the core circuit powering peripheral circuit alone and through the photocoupling for signal transmission and other measures to prevent the influence of interference data acquisition circuit，select a different time of “delay to the jitter and delay judgment”decision to achieve “jitter”. Software of the system is designed by communication protocol by ASCII code and database table structure，realizes sending and receiving， data interpretation， calculation of parameters， database management， information query， report generation function. Through test， it is proved that the system can work accurately and quickly and reliably.

calibration； data acquisition； signal processing；current meter

TV53+8.4

A

570.1020

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.013

国家自然科学基金项目（51469002）；广西科学研究与技术开发计划（桂科攻1298005-6）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51469002）;Guangxi Scientific Research and Technology Development Program（Guangxi Science and Technology Project 1298005-6）.

2016-04-09

2016-05-20

陈立华（1980—），男，教授，博士后，主要研究方向：流域水文预报和水资源优化配置。E-mail：zgfjclh@163.com

邓芳芳（1992—），女，硕士研究生，主要研究方向：流域水文预报与水资源优化配置。E-mail：1091763532@qq.com

郑应成（1960—），男，工程师，主要研究方向：水文仪器检测与管理。E-mail： 737894069@qq.comPrevention and Safety Engineering in Guangxi, Nanning 530004,China; 3. The Guangxi Zhuang Autonomous Region Hydrology and Water Resources Bureau, Nanning 530023, China)