一种基于物联网的超声流量测量及实验标定

2021-08-03刘远林黄鹏年徐进超

科学技术与工程 2021年19期

刘恒, 刘康, 刘远林, 黄鹏年，徐进超

(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044；2.江苏长三角智慧水务研究院，南京 210044)

目前城市管网排水系统的运营现状态有些不尽如人意，时常发生雨天道路积水等现象，给城市环境和市民生活带来较为严重影响。发生上述现象主要由于雨、污水管道混接，地下水过量渗入，已建管道系统不完善，管道淤积和堵塞等原因导致排水能力下降[1]。地下管网排水管道系统的情况比较复杂，系统的图纸档案缺失现象较多，又缺乏科学可靠的手段进行检测，因此排水系统的状况往往凭借经验判断而缺乏科学的诊断依据，给系统的维护、管理与改造的方案决策带来困难[2]。

利用流量计进行组网观测，流量计上传的信息被传输到后台服务器以后被存储在系统里，并可显示在屏幕上，便于监控中心值班人员实时监测。系统根据流量判断管网液位流量变化异常或超过预警线实时报警。综合多个监测点的信息后，根据污水管网的分布与多点之间流量的变化情况，可以判断污水管网中出现堵塞点或溢流点的情况。监控值班人员可以图上定位，启动应急事件处理工作流，监控事件处理全过程，城市污水管网监测系统是实现智慧城市的重要组成部分。

在相对低速的流量计量技术中，三角堰制作和安装简便、测量精度高，只要安装位置正确可用理论公式直接求得结果，被广泛应用于径流实验、水土保持实验等工作中，但测量自动化程度低。

电磁流量计测量时无压力损失，耐腐蚀且不受流体温度、压力和密度等影响，具有较高的测量准确度[3]，但是易受外界电磁干扰的影响，无法测量电导率很低的液体介质并且安装较烦琐。

针对上述问题，设计一种基于物联网的超声波多普勒水流速流量测量仪并进行了实验标定，旨在克服电磁干扰以及测量安装复杂问题，在准确获得水流速流量数据的同时，将数据同步到云端服务器，通过万维网(World Wide Web，WEB)端即可查看实时和历史流速流量数据。

1 水流量测量原理

1.1 薄壁三角堰

薄壁堰具有稳定的水头与流量关系，常用于实验标定和小型渠道流量测量。按堰口形状的不同，薄壁堰可分为矩形堰、三角形堰(图1)、梯形堰等[4]。三角形堰通常用于量测较小流量，矩形堰和梯形堰用于量测较大流量。

图1 薄壁三角堰结构

薄壁三角堰的流量[5]表达式为

(1)

(2)

将式(2)代入式(1)可得

(3)

式(3)中：θ为堰角，(°)；K为堰上水头，m。

1.2 电磁流量计原理

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律测量流速，感应电动势的大小与感应强度和运动速度成正比[6]，流速和流通面积两者相乘得到所测流量，电磁流量计是一种速度式流量计，原理如图2所示，有

图2 电磁流量计测量原理

Ue=αBLν

(4)

qV=L2νπ/4

(5)

式中：α为与磁场分布及轴向长度有关的系数；Ue为感应电动势，即流量信号，V；B为磁感应强度，T；L为电极间距，管内径，m；ν为液体平均流速，m/s；qV为液体体积流量，m3/s。

将式(5)代入式(4)，有：

Ue=4αBqV/πL

(6)

1.3 超声波多普勒流量计原理

超声信号以定义的频率和已知角度发送到液体中。超声波能量的一部分从液体中包含的颗粒或气泡反射。由于粒子运动，这导致频率偏移[7]。频移与颗粒速度成正比，从而超声波流量计可以测量流速[8]。设计选择在渠底安装楔形超声波多普勒流速传感器，测量原理如图3所示，根据多普勒效应有

图3 超声波多普勒流量计测量示意图

(7)

式(7)中：VP为流速，m/s；fa为多普勒频移，Hz；c为被测流体介质中的声速，m/s；f0为传感器探头发射频率，Hz；a为发射超声波与水管道轴线平行方向的角度，(°)。

根据式(7)知流体速度VP与频移fa成正比关系，通过测量频移即可求出流速，最后通过流速与测量截面的乘积就可以得到瞬时流量[9]。

图4为简化后的非满管状态下的管道测量模型，超声波多普勒流量计安装于底部A点，阴影部分为水流截面积，有

图4 管道中水流横截面图

(8)

(9)

式中：θ为液面到圆心与半径的夹角，(°)；S为过水截面积，m2；R为管道半径，m；H为液面高度，m。在非满管状态下，在管道参数确定，测量当前液位高度就可结合式(7)～式(9)求得瞬时流量，瞬时流量乘以时间就可以得到累计流量[10]。

2 硬件系统设计

测量仪控制器选用STM32F103单片机，24 V蓄电池供电，通过CN3722充电电路接入市电即可完成充电，板载电池的模拟数字转换器(analog to digital converter，ADC)电压采样电路，电量过低时主动上报服务器端提醒维护人员更换电池。KDO型多普勒超声波流量计通过RS485模块接入微控制单元(microcontroller unit，MCU)，经过MCU处理运算后将所得的液位、流速、流量以及电池电量等信息显示在本地液晶显示器(liquid crystal display，LCD)上[11]。

除了本地显示功能，还基于GPRS(general packet radio service)数据传输单元(data transfer unit，DTU)通信模块在2G信号覆盖范围内，将采集数据发送至云端服务器，并在WEB端显示出液位、流量、流速、日累计流量以及电池电量，以便工程师和客户直观进行数据监测和历史数据回顾。硬件框图5所示，预留传感器接口如图6所示，可扩展接口传感器便于测量其他水质参数。

图5 测量仪硬件框图

图6 测量仪控制器

2.1 超声波多普勒流量计模块

测量仪采用Nivus公司的KDO型超声波多普勒传感器，工作电压为8～24 V，典型功耗为1.3 W，工作温度为-20～+50 ℃，测量频率为1 MHz。可测量满管与非满管的轻微污染到重污染介质的流动。如图7所示，两个压电晶体在传感器中朝着45°的水流方向。两个晶体的表面平行于流速传感器的斜率。晶体中的一个连续作为超声波发射器工作，另一个接收反射的超声信号。

①为流速测量传感器；②为压力水位测量传感器；③为传感器本体；④为接地板；⑤为电缆；⑥为电缆压盖

传感器和上位机间的通信使用NIVUS协议的串行接口，只允许主机启动通信，上位机始终是主机，传感器是从机，RS-485串行接口，9 600 bps，8 bit的数据位，没有校验位，1个停止位，采用“点对点”的固定寻址的数据传输。流速测量范围为-6～6 m/s，分辨率为0.1 m/s，相对误差小于1%，温度测量范围为-20～60 ℃，绝对误差小于0.5 ℃。

水中声速C决定着流速，声速又与水温有关[12]，传感器对水中声速进行了修正，有

C=1 402.4+5.01T-0.055 1T2+

0.000 22T3+1.33S+0.000 13S2-

0.013TS+0.000 1T2S+0.016d

(10)

式(10)中：C为水中声速，m/s；T为水温，℃；S为水的盐度，g/L；d为水的深度，m。压力水位测量范围为5～5 000 mm，零点漂移小于最大测量值的0.75%，测量不确定度小于测量值的0.5%。

2.2 GPRS DTU通信模块

GPRS具有实时在线、传输率大、频率利用率高、数据传输可靠性好的特点。文中设计的基于物联网的超声波多普勒水流速流量测量仪是利用现有的GPRS网实现对水利流量流速的数据采集和实时远程监控，通过Internet与数据系统相连，最终实现城市污水管网消息化管理的目的[13]。GPRS DTU模块内部封装了传输控制协议/网际协议(transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP)等协议栈，为无线传输提供透明的TCP/IP通道。在软件设计上，它封装了协议栈内容并且具有嵌入式操作系统，通过MCU的串口可以直接与GPRS DTU模块进行通信，完成数据的发送与接收。在设计中，选用SIM800C通信模块，通过通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)与MCU进行通信，模块电路如图8所示。

图8 SIM800C模块电路图

3 系统软件设计

以KEIL5作为整个系统软件的开发环境，采用C语言编程，软件流程如图9所示。

图9 程序流程图

初始化一系列外设，包括传感器的初始化，显示屏、存储芯片等外部器件的初始化以及从备份寄存器中读出上次上报的数据次数；初始化完毕后，首先判断电池电量是否达到最低报警阈值，如果达到，则向服务器上报电池电量低的信息并提醒替换，反之则通过通信协议读取传感器的液位、流速等实时数据。得到有效测量数据后，显示在本地LCD屏上便于本地查看，等LCD背光熄灭且按键无操作后由GPRS模块通过2G网络将流量等数据发送至云端服务器存储显示。一个采集流程结束后更新数据的上报次数，并重新写入备份寄存器中，随后由软件进行复位，复位完毕后重复上述采集流程。

4 实验测试及标定

实验结构框图如图10所示，两个水泵在下面蓄水池向上泵水，到达上面蓄水池后通过一个薄壁三角堰进行液位高度的目视测量，流经超声波多普勒流量计后下落到底部电磁流量计，最终汇入到下面的蓄水池，形成整个循环流程。搭建完成加工后的实验平台如图11所示，采用耐腐蚀、高透光的2 cm厚亚力克板为基材，数控机床切割而成。

图10 实验平台结构框图

图11 实验平台示实物图

实验选用Endress+Hauser的10L1H系列电磁流量计，内衬PTFE，316 L电极，精度为0.5%，可对液体的双向流量测量，被测液体最小电导率≥50 μS/cm，工作温度为-10～+90 ℃，过程压力可达16 bar(232 psi)，流量量程可达4 700 dm3/min。在同一时刻下，对实验平台的三种测量方式进行流量测量并分析误差。

4.1 三角堰水流量计算

由式(3)知，当堰角θ及堰上水头K已知，即可求得当前水流量。开启实验平台中的两台水泵，等待一段时间后水流稳定时进行三角堰口标尺的读数。

实验平台所用三角堰堰角θ=90°，由图12可知，在水流稳定时堰上水头K读数为0.093 m，代入式(3)求得水流量Q=0.003 70 m3/s。

图12 液位标尺

4.2 电磁流量计验证

为了消除液体非满管带来的读数误差，通过调节电磁流量计进水口前的水阀来实现对流速流量的控制，将水阀旋转至合适角度即可实验液体的满管，等待一段时间水流稳定后对电磁流量计进行读数。示数如图13所示，当前水流量为208.77 dm3/min，换算后为0.003 48 m3/s。

图13 电磁流量计示数

4.3 超声波多普勒流量计

流量等数据通过GPRS DTU模块接入云端服务器后显示在WEB界面上，界面显示当前节点设备对应的液位、流量、流速、日累计流量及电量信息，页面左侧日期选择可实现对历史数据的回查。

在水流稳定时进行读数，由图14可得当前的实时流速为0.306 m/s，液面高度为0.08 m，流量为0.003 59 m3/s。

图14 WEB界面显示

4.4 结果分析

在不同水流速下，同时记录多组流量数据，三种方式测量数据如表1所示。

表1 流量记录与误差分析

考虑到三角堰实验平台因制造工艺产生的偏差，堰上水头读数存在0.005 m范围内的不准确度；平台管道的粗细变化导致水流流体动力损失[14]；水流落差后产生的气泡造成电磁流量计的细微非满管误差。分析上述存在的误差，比对表明三角堰测量法偏大，电磁流量计测量计数偏小的情况。用超声多普勒测得流量数据分别与三角堰和电磁流量计数据做差后再百分率化得到百分比误差值，两者百分比误差值相加后再二等分即为相对平均误差。最终结合实验结果，设计测量仪平均误差范围在3%以内。