標(biāo)準(zhǔn)表法明渠流量在在線校準(zhǔn)裝置的設(shè)計

上海上自儀公司為解決現(xiàn)場評定廢水在線自動監(jiān)測系統(tǒng)中明渠流量計準(zhǔn)確度的技術(shù)難題，設(shè)計了一套以高精度管道式流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)表法明渠流量計在線校準(zhǔn)裝置，研制了專用的現(xiàn)場流量信號采集測量系統(tǒng)，進(jìn)行了硬件電路設(shè)計，并采用Qt開發(fā)了配套的上位機(jī)操作軟件。通過大量不同條件下的現(xiàn)場對比試驗，驗證了系統(tǒng)的可靠性和裝置的有效性，為準(zhǔn)確實現(xiàn)廢水流量在線監(jiān)測提供了技術(shù)墓礎(chǔ)。

0、引言

近年來，隨著國家對環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量的重視，明渠流量計作為廢水在線自動監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣的流量計，在各種環(huán)境場合下得到了大量的推廣和應(yīng)用。明渠流量計在試驗室內(nèi)的計量性能評價依據(jù)及方法在相應(yīng)的國家計量檢定規(guī)程中已有洋細(xì)、明確的規(guī)定，但安裝在環(huán)境條件復(fù)雜的現(xiàn)場后，由于受到各種影響因素的干擾，如何評定明渠流量計的準(zhǔn)確度成為一個受到廣泛關(guān)注的技術(shù)難題。

針對明渠流量計的現(xiàn)場校準(zhǔn)〔I -2]，目前國內(nèi)常用的測量方法是在被測明渠流量計的特定位置安裝比被測明渠流量計精度更高的液位傳感器，測出的數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)液位值，然后利用各種堰槽的經(jīng)驗公式計算出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流量值，與被測明渠流量計的示值進(jìn)行比對，得到相應(yīng)的測量誤差。這種方法得到被測流量值和標(biāo)準(zhǔn)流量值的原理是一樣的，但由于現(xiàn)場渠道中相同的位置一般不可能再安裝一個標(biāo)準(zhǔn)的堰槽，因此，在影響現(xiàn)場流量測量準(zhǔn)確度的主要因素中，此方法僅解決了液位對測量結(jié)果的影響問題，由堰槽的類型、堰槽幾何尺寸不標(biāo)準(zhǔn)引人的測量誤差及水流擾動帶來的液位測量重復(fù)性等均無法解決。針對上述問題，本文設(shè)計了以高精度管道式超聲流量計為標(biāo)準(zhǔn)表的測量裝置，在一定條件下可以對明渠流量計進(jìn)行現(xiàn)場實流校準(zhǔn)。由于管道式超聲波流量計和明渠流量計測量原理不同，因此可以從根本上避免上述因素對誤差測量的影響。通過開展大1 4的現(xiàn)場試驗，驗證了該裝置的可靠性與準(zhǔn)確性。

1、裝置原理

基于標(biāo)準(zhǔn)表法的明渠流量計在線校準(zhǔn)裝TL，參考了國家計量檢定規(guī)程JJG77 I一1990《明渠堰槽流量計試行檢定規(guī)程》[3]的要求，以高精度超聲流量計為標(biāo)準(zhǔn)流量計，將其安裝在被測明渠流量計的上游或下游直管段上，根據(jù)流體的連續(xù)性原理，直管段處的流量和經(jīng)過明渠的流量是相同的，因此，可用標(biāo)準(zhǔn)流量計的流量值對明渠流量計進(jìn)行校準(zhǔn)。裝置的原理為:水流由水泵抽取進(jìn)人封閉的直管段;標(biāo)準(zhǔn)流量計安裝在直管段上，安裝位置處應(yīng)符合介質(zhì)滿管的要求，并保證上游直管段的長度滿足超聲流量計的使用要求[[4];水流進(jìn)人安裝有被校明渠流量計的明渠渠道中，且應(yīng)保證明渠流量計正常運行;非常后水流由明渠段后端流走。開始校準(zhǔn)時，首先將標(biāo)準(zhǔn)流量計的標(biāo)準(zhǔn)值輸出信號及明渠流量計的被測值輸出信號接人信號采集測量系統(tǒng)中;然后待水流平穩(wěn)流動一段時問，流場穩(wěn)定后，由信號采集測量系統(tǒng)控制開始同時采集標(biāo)準(zhǔn)值及被測值信號;根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求的運行時間，采集到足夠的信號后，完成整個測量過程。

廢水流量在線監(jiān)測中明渠流量計的非常大允許誤差范圍一般為:土(2 -6)%，，為了滿足量值溯源的要求，標(biāo)準(zhǔn)流量計選擇準(zhǔn)確度等級為0.5級的超聲流量計。

為了保證測量時間的同步性，且能滿足標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中對系統(tǒng)計時器的計量要求鬧，研制了現(xiàn)場流量信號采集測量系統(tǒng)。系統(tǒng)通過專用的板卡采集被測及標(biāo)準(zhǔn)信號，其采集頻率滿足裝置計時器引人的擴(kuò)展不確定度，并能夠在PC端軟件實現(xiàn)程序設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、計算存儲等相關(guān)功能。

2、流量信號采集測量系統(tǒng)

作為在線校準(zhǔn)裝置的核心，流量信號采集測量系統(tǒng)主要由硬件電路和PC端軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件電路主要由電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等部分組成;PC端軟件系統(tǒng)主要由前端界面、后臺數(shù)據(jù)處理、本地存儲等模塊組成。

2.1硬件電路設(shè)計

采集電路兼容標(biāo)準(zhǔn)表、被測表通訊協(xié)議，支持4-20 mA信號、脈沖信號、RS485標(biāo)準(zhǔn)Modbus采集;內(nèi)置24位高精度ADC，降低測試誤差，滿足模擬信號的高精度采集需求;通過PC端后臺軟件控制采集板卡采集儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)定、顯示、計算、分析、存儲等相關(guān)功能。電源系統(tǒng)具有防反接、防過壓、防過流等防護(hù)設(shè)計，通訊模塊采用抗干擾設(shè)計，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

電路采用實時操作系統(tǒng)設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)表、被測表滿足同步實時數(shù)據(jù)采集上傳功能，有效解決了數(shù)據(jù)不同步問題，為實驗提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來源。并且預(yù)置了Wi-Fi遠(yuǎn)程通訊，支持TC P/IP通訊方式，可通過遠(yuǎn)程電腦端進(jìn)行命令交互、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集等操作，實現(xiàn)便捷、高效、遠(yuǎn)距離的設(shè)備操控。

2.1.1實現(xiàn)方案

測控系統(tǒng)中，PC端后臺控制系統(tǒng)采用Qt開發(fā)，支持跨平臺使用(Windows 32/64位、Linux, Android等)，后期寬展性強。板載卡處理器采用ARM公司Cortx-m3架構(gòu)處理器，處理器片上集成多路串口、定時器、SPI和IIC等，滿足本設(shè)計需求。采集電路預(yù)留模擬量采集接口，采用ADS1231高精度24位ADC片子，滿足對高精度小信號的采集需求。采集電路中兩路RS485接口分別接被測裝咒，其中:脈沖信號采集接口，負(fù)責(zé)采集標(biāo)準(zhǔn)裝置脈沖信號;TTL轉(zhuǎn)USB接口與PC端后臺軟件進(jìn)行通訊。

采集電路通過USB接口與PC端后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采集電路收到PC端測試、停止、復(fù)位、檢測等指令后執(zhí)行相應(yīng)的動作，同時將必要的數(shù)據(jù)實時反饋給PC后臺端，后臺端依據(jù)用戶的操作和采集電路反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和計算，然后顯示到前端，同時將數(shù)據(jù)按照一定的格式實時保存到本地指定的路徑中。

2.1.2硬件組成

1)主處理器采用STM32 F103 R8T6，處理速度、抗干擾能力等綜合性能好，適合本設(shè)計需求;

2) RS485模組，RS485一Modbus協(xié)議，硬件抗干擾設(shè)計;

3)模擬信號采集模組，支持4一20 mA信號采集;

4)頻率采集模組，頻率范圍為0 -7500 Hz，高電平為3一36 V，低電平在IV以下;

5)電源適配模組，板卡支持USB供電或者外接12V DC供電，兩種供電方式，具備過壓過流等相關(guān)防護(hù);

6) USB通訊模組，采集板與PC端采用USB直插通訊(串口協(xié)議)。

2.2軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計主要功能為:用戶通過前端的參數(shù)設(shè)定框?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定，然后系統(tǒng)會自動將用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)導(dǎo)到后臺端，后臺依據(jù)用戶的設(shè)定需求啟動采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時后臺將會按照用戶約定的參數(shù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后在前端的顯示界面中顯示出來，并且進(jìn)行本地存儲。

2.2. 1軟件前端

用戶通過上位機(jī)軟件的前端界面可以方便、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在開始測試前需要先連接設(shè)備(設(shè)備連接到電腦端后會自動顯示連接成功)，之后設(shè)定“參數(shù)設(shè)置”一、“測試設(shè)置”欄內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)置完成后即可點擊開始測試。如果參數(shù)設(shè)置不正確或者未設(shè)置，在點擊開始測試時系統(tǒng)會自動提示，并且不允許測試，直到設(shè)置滿足正確要求系統(tǒng)才允許進(jìn)行測試。

2.2.2設(shè)備后臺

設(shè)備后臺用于執(zhí)行用戶需要的動作，并處理excel表格數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)聽、設(shè)備連接狀態(tài)和設(shè)備數(shù)據(jù)都是通過后臺的進(jìn)程進(jìn)行處理的，后臺會對表格進(jìn)行創(chuàng)建、讀、寫、保存等操作。設(shè)備后臺會根據(jù)用戶在界面端設(shè)i`的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行表格控件類型的選擇。

后臺設(shè)計架構(gòu)流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化完成后會等待用戶的前臺界面命令，收到命令后開始執(zhí)行。如果執(zhí)行錯誤，則在前臺界面提示相應(yīng)的錯誤。如果執(zhí)行成功，系統(tǒng)會依據(jù)前臺參數(shù)進(jìn)行表格創(chuàng)建，并向設(shè)備下發(fā)動作命令，然后等待設(shè)備回應(yīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)寫人表格，并刷新界面顯示。

3、試驗驗證

為了驗證明渠流量計在線校準(zhǔn)裝置的有效性，設(shè)計了一組對比試驗。針對同一明渠堰槽(喉道寬度b二152 mm )，采用兩種不同的液位測量方式，安裝了兩種明渠流量計。一種是在渠道上水位觀測斷面處用超聲波液位計測量渠槽中的水位，另一種是在渠道旁邊建靜水井，利用連通管使之與渠道水流相通，用磁致伸縮液位計在靜水井中測量水位。由于靜水井可以有效地隔離渠道中水流的脈動、漩渦和波浪，因此，安裝在靜水井中的液位測量會更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

明渠流量計安裝位置前端的行進(jìn)渠道長度對流場的穩(wěn)定性也有影響，根據(jù)規(guī)程要求，巴歇爾槽的安裝條件為前端順直行進(jìn)渠道長度應(yīng)不小于5倍的行進(jìn)渠道寬度。因此，試驗設(shè)計了在不同行進(jìn)渠道長度下的比對試驗，驗證其對明渠流量計測量誤差的影響。試驗數(shù)據(jù)如表I所示，其中D為行進(jìn)渠道寬度。

分析上述數(shù)據(jù)，首先，在同樣條件(相同流量及相同行進(jìn)渠道長度)下，靜水井內(nèi)液位測量的明渠流量計誤差及重復(fù)性均優(yōu)于渠道斷面液位測量的明渠流量計，驗證了靜水井穩(wěn)定液面的作用;其次，同一流量計在不同行進(jìn)渠道的影響下，測量誤差曲線規(guī)律基本一致(如圖4所示)，證明基于標(biāo)準(zhǔn)表法的明渠校準(zhǔn)裝置可以在現(xiàn)場測量中體現(xiàn)出不同影響量對明渠流量計測量誤差的影響。

4結(jié)束語

上海上自儀公司針對廢水在線自動監(jiān)測系統(tǒng)中，如何在現(xiàn)場評定明渠流量計準(zhǔn)確度的問題，提出了以高精度管道式流量計為標(biāo)準(zhǔn)表的在線校準(zhǔn)裝咒，簡述了裝界的基本原理，設(shè)計了應(yīng)用于裝置上的流量信號采集測量系統(tǒng)，研制出信號采集系統(tǒng)的硬件電路及應(yīng)用軟件，通過開展現(xiàn)場實驗，驗證了該裝置的有效性和可靠性。利用此在線校準(zhǔn)裝置，可以方便地在現(xiàn)場實現(xiàn)對廢水明渠流量計的校準(zhǔn)和溯源，為計量技術(shù)機(jī)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測部門保證環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實準(zhǔn)確提供了一種有效的技術(shù)手段。