基于压力传感器的矩形渠道流量自动检测系统

劳志宁

摘 要：在明渠流量测量的过程中，如果要想使得测量结果的精确度不断提高，一定程度上使得测流装置的成本有所降低，那么必须实现明渠流量测量的自动化。本文以此为基础，深入研发了一种基于压力传感器的矩形渠道流量自动检测系统。本次研究中所开发的系统所使用的测流原理为伯努利方程并且以此为基础，将机械传动机构与压力传感器装置二者相结合，通过流速与面积测量法，从而得到明渠流量测量的精确值。在系统中所使用的控制系统为拥有A/D转换功能的单片机装置，在运行过程中对电压信号值进行采集，在完成后以内部程序为转化，将流量值显示在屏幕上，实现装置自动化操作。

关键词：明渠矩形渠道;自动检测系统;压力传感器;伯努利方程;流量测量

众所周知，我国属于农业大国，但是与此同时，我国的水资源总体呈匮乏趋势。在农作物种植的过程中，对作物进行灌溉是必不可少的缓解，但是通过相关调查可知目前灌区用水存在一定程度的浪费现象，这也是我国农业水资源存在流失的关键性原因。为了解决这一现状问题，对于存在不足的传统式水流测量装备以及测量方法的改进是不可避免的。

在农业生产过程中，明渠流量检测具有着关键性地位，这一环节对于灌溉管理水平的提高具有重要影响，并且对于灌溉用水的利用率是否提高也会起到一定的影响作用。但是目前的明渠流量检测装置会受到多种因素的影响，存在着一定的条件制约，存在成本造价相对较高、抗干扰能力相对不足、在安装过程中要有较高的技术水平、测量精度有待提升等众多不足。为了解决目前明渠测量装置存在的不足，本文结合矩形断面形式渠道的特点，以压力传感器为基础，研发并设计出一种流量自动检测系统。

一、测流原理

本研究中所开发的基于压力传感器的矩形渠道流量自動检测系统所使用的测量原理是以伯努利方程为基础的。伯努利方程作为基本原理，在水力学领域中应用较为广泛，在该方程中所涉及到的水力学知识较为全面，因此在水力学领域也是具有较高的应用率。

伯努利方程作为动力学方程之一，主要为理想流体定常流动原理，具体而言，是在不考虑粘性损失的流体中，流体流线中不同两点之间所存在的压力势能、位势能与动能的和较为稳定，始终保持恒定。

二、压力传感器

在自动测量系统系统研发过程中，压力式测流装置所采用的基本原理为伯努利方程，感应装置所采用的压力片为MPX53GP压力片。系统中所使用的压力片具有较强的工作性能，该压力片的工作原理为将收到的压力信号，通过该装置转化为电压信号。在使用后可以为系统进行准确度较高的线性电压输出，并且会与所施加的压力形成正比关系。本次所研发的压力传感器共使用了十个MPX53GP压力片，其中两个压力片为一组，其中的一个压力片要正面迎向水流的冲击，另外一个压力片与水流的方向成垂直关系。10个压力片为5组，分别放置于板子的5个位置点，在放置过程中要尽量均匀放置。

本研究中所使用的采集板高度可达58厘米，在测量过程中可以对液位高约50厘米的流量进行测量，形成明渠流量值。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。

三、系统结构

（一）系统框架

本次所开发的矩形明渠流量自动测量装置共有5大部分组成，主要包括压力传感器、驱动器、机械传动装置、计算机与微处理器，系统框架如下图1所示。在系统中所选取的微处理器为STC12C5A60S2芯片，该8051单片机具有较强的优势，运行速度快、所产生的功耗较低并且拥有较强的抗干扰能力。

（二）系统结构原理

在本流量自动检测系统中，传动机构上共放置10个压力片。压力片在运行过程中与机械传动装置相配合，共同实现自动的横向移动，从而对明渠矩形断面中不同点位的流速进行测量。

在测量过程中系统结构原理如下：在测量过程中应用流速面积法对断面的流量进行测量。传感器在传动机构上共放置10个，其中两个压力片也就是压力传感器为一组共分为5组，分别对动水压力与进水压力进行测量。根据点、线、面的思想，在系统运行过程中主要通过以下三个步骤得到流量值：首先，测点流速。两个压力传感器测得的动水压力和静水压，用伯努利方程计算出一个测点的流速。根据该方法，可以获得每个测量点的流速;其次，测线速度。根据水下传感器的测点数，分别计算水下测点的速度，对每个测点的速度进行加权平均，得到测线速度;最后，测面流速。以机械传动机构为基础进行全自动化的横向移动，从而得到不同测线的流速值。在获取到全部测线的流速值后，进行加权平均从而得到测面的流速值。

四、实际实验结果

为了对本研究中所开发的流量自动检测系统的运行情况进行验证，本研究以我省某矩形断面明渠为试验对象进行了相关试验。在试验过程中，明渠的底部宽度为43.8厘米，在研究试验中将系统获取到的数据与流量仪所测的数值进行了详细对比。

结束语

综上所述，为了改进原有明渠流量检测装置的不足，本研究以伯努利方程为测量原理，开发出一种基于压力传感器的矩形渠道流量自动检测系统，并且以我省某明渠为实际研究对象进行了现场实验，将自动测量系统所测量出的数值与流量仪的测量值进行比较，结果发现二者的误差相对较小，可控制在3%以内，因此本研究中所开发的流量自动检测系统具有较高的现实应用价值，无论是实用性还是数值准确性都相对较高。

本研究中所研发的系统在开发过程中设计思路主要为：在明确流量速度检测过程中，从点流速测起逐渐过渡至线流速，最终测量面流速，从而实现横断面内不同点之间的综合测量，这会使得测量精度大大提高。除此之外，在本流量自动测量系统中，将机械传动机构与系统相融合，从而实现下面内测线选择的任意性，大大降低操作难度。除此之外，本系统的研究成本相较于传统的流量测速仪相比较低，装置内部的结构相对简单，有利于人工成本的降低。

总而言之，本文提出一种创新型矩形渠道流量自动检测系统，系统以压力传感器为基础，可以适应不同的使用环境，测量结果的精确度相对较高，因此具有较高的现实应用价值，可进一步应用与推广。

参考文献：

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