面向遠程計量閘門的超聲波液位測量系統(tǒng)開發(fā)

毛 潭 周幫平 李 弘 李嘉曦

（北方工業(yè)大學(xué) 機械與材料工程學(xué)院，中國 北京 100144）

0　引言

遠程計量閘門是集遠程監(jiān)控與聯(lián)動、水位和流量測量、閘門控制于一體的現(xiàn)代化水資源動態(tài)調(diào)度設(shè)備[1]，也是我國建設(shè)信息化灌區(qū)的關(guān)鍵設(shè)備[2]。對于提高灌區(qū)水資源的利用效率和節(jié)約用水具有重要作用。遠程計量閘門是通過對水位和閘門開度等信息的實時測量來實現(xiàn)閘門的分水控制和流量計量功能，目前常用投入式液位計測量閘門上下游的實時水位，但投入式液位計對我國黃河灌區(qū)的泥沙淤積環(huán)境存在測量失靈問題，而現(xiàn)有的非接觸式液位計存在可集成性差，精度漂移大的缺陷。因此本文面向遠程計量閘門的實際應(yīng)用，開發(fā)具有良好集成性和環(huán)境適應(yīng)性的高精度超聲波液位測量系統(tǒng)，具有重要工程意義。

1　超聲波液位測量系統(tǒng)構(gòu)成

遠程計量閘門由安裝于各級渠道上的自動計量閘門集群和運行于調(diào)度中心的遠程調(diào)水控制系統(tǒng)組成[3]。超聲波液位測量系統(tǒng)用于測量閘前和閘后水位，通過Mod bus協(xié)議與閘門控制器進行通訊。整體的超聲波液位測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2　超聲波液位測量系統(tǒng)硬件電路

超聲波液位測量系統(tǒng)主要由硬件電路部分和軟件部分組成。硬件電路主要包括超聲波收發(fā)電路、溫度補償電路、電源電路和串口通訊電路。

圖1　超聲波液位測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1　超聲波液位測量收發(fā)電路

超聲波發(fā)射電路主要由三極管Q2（S8050）和中周變壓器組成，頻率為40KHz的PWM波經(jīng)過功率放大從而驅(qū)動超聲波換能器，R3為超聲波收發(fā)一體換能器匹配電阻。

接收回路主要包括放大電路，帶通濾波電路，比較電路和限幅電路。放大電路，帶通濾波電路和比較電路采用TL074四通道運放芯片搭建。TL074是一款高性能低功耗高速運算放大器，具有低輸入偏置電流和低電平轉(zhuǎn)換速率。低諧波失真和低噪聲使TL074非常適合高保真和音頻前置放大器應(yīng)用?；夭ㄐ盘栂冉?jīng)過電阻 R19和二極管 D1、D2（1N4148）組成的限幅電路，然后依次經(jīng)過由TL074運放芯片搭建的前置放大電路、帶通濾波電路、比較電路，最后由三極管Q1組成的限幅電路將放大后的信號控制在3V3以內(nèi)，經(jīng)PA6傳送給ADC模塊。超聲波發(fā)射電路和接收電路分別如圖2和圖3所示：

圖2　超聲波發(fā)射電路

圖3　超聲波接收電路

2.2　串口通訊電路設(shè)計

為了便于超聲波液位計的測試，調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸，在硬件電路中設(shè)計了RS232接口和RS485接口。RS232選用遵循RS232通訊協(xié)議的MAX3232芯片，芯片的11、12引腳分別與主控芯片的 PA9、PA10相連。RS485選用遵循RS485通訊協(xié)議的MAX485芯片，芯片的1、2、4引腳分別連接芯片的 PA3、PA1、PA2。其電路原理圖分別如圖 4a、4b所示：

2.3　溫度補償電路設(shè)計

由c=331.4+0.607T（T為攝氏溫度）可知溫度對超聲波的傳播速度影響很大，所以為了提高測量精度，加入了溫度補償模塊以減小測量的誤差。DS18B20是單總線數(shù)字式溫度傳感器，具有體積小，電路簡單，抗干擾能力強，精度高等特點，其溫度測量范圍是－55～＋125℃ ，在－10～＋85 ℃，準(zhǔn)確度為±0.5℃[4]，完全滿足明渠水溫的測量，所以在設(shè)計中采用DS18B20進行溫度測量。

圖4.a　RS232原理圖

圖4.b　RS485原理圖

3　軟件部分設(shè)計

軟件設(shè)計部分主要采用模塊化設(shè)計，包括主程序、超聲波發(fā)射和接收子程序、溫度采集子程序、定時器中斷子程序、信號處理子程序和串口通訊子程序。系統(tǒng)程序初始化之后先檢測溫感測量的環(huán)境溫度，因為環(huán)境的溫度對超聲波的傳播速度影響很大，為了及時修正測量數(shù)據(jù)，保證測量的精度，在程序設(shè)計中優(yōu)先考慮測量環(huán)境溫度。如果檢測不到環(huán)境溫度，程序?qū)鲋鞒绦颍粓?zhí)行超聲波的發(fā)射和接收子程序。為了進一步提高測量精度，減小精度漂移，在接收子程序中加入了軟件濾波功能[5]。由于發(fā)射脈沖數(shù)為16個，所以在檢測接收回波時判斷接收的回波個數(shù)，回波個數(shù)大于6個的視之為有效回波。取連續(xù)10個有效回波，去掉最大值和最小值之后取平均值，得到一次有效的測量距離。這樣就有效的避免了某些偶然因素造成的測量精度漂移大的問題。流程圖如圖5所示：

4　實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

超聲波液位計的安裝高度為3米，安裝誤差±1mm。用投入式液位計作為標(biāo)定，其量程為0-3米，標(biāo)定誤差≤1mm，穩(wěn)定性能≤0.2%Fs。兩者的測量數(shù)據(jù)直接在閘門控制器的閘前和閘后水位欄顯示，閘門處于全開度狀態(tài)，閘前和閘后水位相同。常溫下聲波的傳播速度通常取為固定值340m/s[6]，具體的超聲測量數(shù)據(jù)與投入式液位計的測量數(shù)據(jù)如表1所示，超聲波液位測量實物圖如圖6所示，現(xiàn)場試驗圖如圖7所示：

圖6　超聲波液位計實物圖

5　結(jié)束語

面向遠程計量閘門開發(fā)的超聲波液位測量系統(tǒng)，具有安裝簡單，接口嵌入方便的優(yōu)點，采用智能環(huán)境補償算法提高了液位計的精度和測量穩(wěn)定性。經(jīng)實際工程應(yīng)用，該液位測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強、測量精度達到0.3%，滿足我國灌區(qū)信息化建設(shè)測控智能閘門的應(yīng)用需求。

圖7　現(xiàn)場試驗圖

表1　超聲波液位計測量結(jié)果

【參考文獻】

［1］張從鵬，吳玉宣.基于ARM的明渠區(qū)域動態(tài)調(diào)水控制系統(tǒng)開發(fā)[J].中國農(nóng)村水利水電，2016(10)：83-85.

［2］張從鵬，岳向泉，羅學(xué)科，等.基于ARM的遠程自動控制計量閘門控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(2)：57-58.

［3］張從鵬，羅學(xué)科，李玏一，等.面向灌區(qū)調(diào)水工程的遠程自動計量閘門研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014(8)：172-177.

［4］龔志勇，程遠，勾勇華，等.采用DS18B20作溫度補償?shù)某暡ㄒ何挥媅J].測控技術(shù)，2004(11)：6-10.

［5］苑潔，常太華.基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011(8)：76-78.

［6］張海鷹，高艷麗.超聲波測距技術(shù)研究[J].儀表技術(shù)，2011(9)：58-60.