摘　要:針對工業污水流量的測量問題,提出一種基于超聲波的污水流量測量方法。通過對污水流量的測量原理的分析,設計出了以新型單片機PIC16C73為核心的流量測量系統。實踐表明,該測量系統結構簡單,測量準確度高,功耗低,適應性強,能在惡劣環境中工作。
 目前,工業污水一般經明渠排放,其流量測量包括接觸式和非接觸式兩大類,其中接觸式測量由于存在傳感器受腐蝕,易被異物纏繞和損壞等問題,其應用受到很大局限,而非接觸式測量技術隨著電子器件迅速發展,將具有更大的應用潛力。針對此情況,研制開發了基于超聲波的污水流量測量系統,其特點耐腐蝕、易安裝,電路簡單可靠,故障率低,測量準確度高。
1、污水流量測量基本原理：
 在污水排放口安裝標準水堰槽(三角堰、矩形堰、巴歇爾槽等),利用安裝在槽頂的超聲波換能器向水面發射脈沖并接受反射波原理來測量液位高度。其污水測量原理圖如圖1所示。超聲波在某環境溫度下傳播速度關系式為Vθ=331.5+0.607θ,(1)式中　θ為環境溫度。

圖1　污水測量原理圖
　根據發射波與反射波的時間差和聲波傳播速度得到堰槽到液面的高度關系式為H1=12Vθt,(2)式中　Vθ是超聲波在空氣中某溫度θ℃時的傳播速度;t是回波時間。由圖1可知液位高度關系式為H=L-H1,(3)式中　L是超聲波換能器距堰槽底的高度。瞬時流量Qi關系式為Qi=CH,(4)式中　C為堰槽參數。累計流量Qm關系式為Qm=QiΔt,(5)式中　Δt為采樣間隔時間。超聲波傳感器把測得液位信號式(3)通過調制解調器傳送給上位機,上位機通過公式(4)、式(5)處理后,即可得到瞬時流量和累積流量數據顯示。

2、測量系統的設計：
 該系統以PIC16C73單片機為核心,由超聲波發射接收電路、信號處理電路、555振蕩電路、測溫電路、調制解調電路組成。系統結構框圖如圖2所示。

圖2　系統結構框圖
　超聲波產生和發射電路是由PIC16C73[1]單片機IO口連接555振蕩器[2]使能端來控制超聲波的發射,通過555振蕩器產生35～40kHz脈沖信號作為發射激勵信號,發射一束超聲波,同時啟動定時器1開始計數,當超聲波遇測污水液面反射后又被接受換能器接受,經過信號處理集成電路CX20106/A處理后,把轉換后脈沖信號送到單片機捕捉輸入端,一旦到了該信號上升沿時,CPU產生中斷,此時TMR1寄存器的值存入捕捉器中,該值就是回波計數值,從而可以計算出回波時間。
 超聲波接收和信號處理電路是該流量計設計的關鍵技術。由于發射信號接觸液體表面時會出現漫反射現象,以致接收到的信號僅是反射信號一部分,信號比較微弱,同時又存在信號失真情況,并且信號處理電路要求有一定通頻帶寬,另外,考慮成本及功耗,采用具有電壓增益高、抗干擾能力強、低功耗等優點的接收處理集成電路CX20106/A[4]。它內部由前置放大電路、限幅電路、帶通濾波、檢波、積分和比較電路等部分組成。主要性能指標:帶通濾波器的頻率范圍為30～60kHz、電壓增益:大于74dB、低電壓供電(V+=5V)、低功耗(V+=5V時,典型功耗為9mW)。如圖3所示,該電路結構簡單,避免了因電路設計復雜性而引起的系統誤差,性能穩定,提高了測量的準確度。

圖3　信號處理電路原理圖Fig3　Principlediagramofsignalproces
 　調制解調電路采用FSK調制解調器MSM7512B,傳送速率為1200BPS,通過電話線,將現場測得數據傳送給上位機,由上位機處理、顯示。測溫電路采用電流輸出型溫度傳感器AD590,進行環境溫度測量,并把輸出的電流轉換成電壓送給PIC16C73單片機A/D輸入輸出通道,進行A/D轉換,實現溫度測量,修正聲速。

3、實驗及結果分析：
 由于超聲波傳播速度直接影響發射波與反射波的時間差的測量,從而影響液位測量結果。實驗表明,超聲波傳播速度會受環境溫度、氣壓等影響。其變化規律為:溫度變化1℃,聲速變化約為0.17%;氣壓每變化0.1kPa,聲速約變化0.05%,可見聲速受溫度影響***顯著。因此,將超聲波換能器固定標有刻度1m量程水箱頂端,通過空調和加溫的辦法改變環境溫度,獲得不同的液位高度,其結果如表1所示。

表1　實驗數據
　將上述數據運用***小二乘法進行直線擬合得Vθ=331.5+0.607θ,并對這些數據分析和驗算得知聲速與環境溫度基本成線性關系,液位高度檢測誤差2mm,由此可知,超聲波流量計檢測準確度0.2%。工程實踐證明,這樣測量準確度已比較高,足以滿足工業排放污水流量檢測準確度要求。

4、結束語：
 該流量計采用了高性能微控制器PIC16C73,解決污水液位測量準確度問題,并且設計的硬件電路結構簡單、體積小、功耗低、靈敏度高、性能穩定,已成功應用環保部門監測領域。使用情況表明,該系統能穩定正確跟蹤水面變化,可靠性好,安裝簡便,成本低,具有較好的推廣應用價值。