1 引言
在水文测验诸多项目中,河流测试是最主要项目之一,至今国内仍以转子流速仪作为常规流量测验的基本手段。流速剖面仪(ADCP)的引进,在全国各地很多水文站作了许多有益的应用研究试验,取得了许多应用经验和成果,目前应用范围仍局限于工程测量方面［5］,未能作为水文的基本测验手段。便携式电磁流速仪有着体积小、操作简单、测量时间短、数据存储量大,投入人员少(一人便可测流)等优点,所以市场前景很好。
2 系统设计原理及功能
法拉第(英国)1831年首先发现电磁感应定律,次年曾构想利用地球磁场来测速,以确定英国泰晤士河的流量,并进行现场试验。这一创举拉开了电磁测速的序幕。
但凡电磁测速都是基于法拉第电磁感应定律。
本文设计的便携式电磁流速仪(简称BX流速仪),工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在其探头产生交变磁场,流动着的速度为V的液体(电导率﹥5μs/cm)切割磁力线,探头两侧的电极检测出感应电动势,其大小为:
E=kBDV
式中:E棗感应电动势;
k－－-仪表系数;
B－－-磁感应强度;
D－－-探头外径;
V－－-垂直于磁力线方向的液体速度;
可见感应电动势E与流体速度V成正比［3］［4］。经取样放大、运算处理,再经单片机处理转换成与速度信号成正比的数字量信号,从而实现流速的测量。
电磁流速仪的组成:电磁流速仪由流速传感探头、激磁电路、三值波电路、流速信号处理电路、单片机、通讯接口、触摸显示屏、电源模块等组成,流速仪组成框图如图1所示:
3 系统硬件设计实现
3.1 设计信号获取
流速传感器探头为卧式,呈流线型,内有激磁线圈,具有磁场强度大,灵敏度高,抗干扰性好等技术优势,轻便灵活,不怕磕碰及水草缠绕。流速传感器探头为牡丹江电子仪器有限责任公司的专利技术,实用新型专利号:002477300。
3.2 先进的三值波激磁技术
由单片机时序程序控制产生的方波,周期为200ms,波形宽度为50ms,经恒流源驱动电路输出给传感器激磁线组,以+A,0,-A三值进行激磁,通过多次试验采用三值方波激磁技术,系统抗干扰能力强,三值波激磁波形如图2所示。
3.3 速度信号处理
以高阻、高共模抑制比、低噪和低线性误差特性的仪表放大器构成前置放大级通过对获取随流速变化的正-零-负-零-正规律的三种状态的感应信号进行节拍极性采样和处理测量精度进一步提高,提取信号之后由,再经滤波、电平平衡、调整零点和增益,完成信号处理,送至单片机的A/D端。前置放大电路如图3所示
3.4 系统核心处理器
本文设计采用了低电源电压范围;1.8~3.6V,超低功耗16位混合信号处理器MSP430F149,(60KBFLASH,2048字节RAM,8通道12位A/D转换,超强大的处理能力,自带硬件乘法器,高性能模拟技术及丰富的片上外围模块,高稳定性工业级产品运行环境温度为-40~+85℃)［2］,完成建立系统工作节拍、A/D变换、信号采样、流速及误差修正运算处理、数据存储与查询调用的实现,操作界面及显示界面、串行通讯、欠压报警等软件的实现,电路原理图如图4所示;
3.5 485通讯及RS232串行接口实现主从结构串行半双工通讯。与上位机(主机)可以构建主从结构的网络。
3.6 键盘操作、数据显示采用了3.5英寸触摸屏,人性化的操作界面,操作简便,同时显示瞬时流速和平均流速。
3.7 为适合多种应用场合的需要,本文设计了多种测杆结构选择。
3.8 供电系统设计了三种电源组块模式:聚合物锂电池,太阳能电池,～220V。
4 系统软件设计
本设计运用IAR集成开发环境,对MSP430F149编程,完成软件系统设计各功能实现。
主程序流程图如图5所示:
系统主程序
／＊ * * *主程序* * * */
#include <msp430x14x.h>
int dianya,y,y1 y2;
void main(void)
{ ｃｈａｒm=0;
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
TIMERST(0);
P1DIR=0xfF;
P1OUT=0xfB;
P2DIR=0xf0;
P1DIR=0xfF;
P4DIR=0XFf;
P5DIR=0xff;
P6DIR=0x00;
P6SEL=0x4b;
BCSCTL1=0X7;
BCSCTL2=0X06;
U0TCTL = SSEL0;
U0CTL =CHAR;
U0CTL &= ~SWRST;
U0BR0 = 3;
U0BR1 = 0x00;
U0MCTL= 0x4a;
ME1 |= UTXE0 + URXE0;
IE1 |= URXIE0;
P3SEL |= 0x30;
P3DIR |= 0xdf;
P3OUT=0xdf;
ADC12CTL0 =MSC +SHT0_0+ ADC12ON+REF2_5V +REFON; ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_1;
ADC12MCTL0 = INCH_0+SREF_1;
ADC12MCTL1 = INCH_1+SREF_1;
ADC12MCTL2 = INCH_3+SREF_1;
ADC12MCTL3 = INCH_6+SREF_1+EOS;
ADC12IE = 0x02;
}
A/D转换子程序
void A/D(void)
{
P1OUT |= 0x10;
ADC12CTL0 |= ENC+ADC12SC;
while ((ADC12CTL1 & ADC12BUSY) == 1);
y=ADC12MEM0;
dianya=ADC12MEM1;
y1=ADC12MEM2;
y2=ADC12MEM3;
}
5 试验标定及现场比对测试
1） 通过POTOK静水槽(精度0.1%)如图6所示,标定和检定,实测数据(未修正)如表1所示,标定曲线图7所示。
2) 与水文常规转子流速仪LS-251比测,系统误差均小于2%,
比测数据如表2所示:
6 结束语
综上所述,系统设计实现了测速稳定,一致性好,功能优化,测量精度高,重复性好,体积小、操作简单,轻便灵活,不怕碰撞及水草缠绕,达到了国内前沿测流仪器 。 本设计符合《水文巡测规范》(SL195-97)可用于水文流量自动监测站［6］。是旋翼式转子流速仪的一种升级替代选择。
参考文献:
［1］ 胡大可.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京航空航天大学出版社,2000.
［2］ 沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].清华大学出版.2004.
［3］ 范玉久.主编.化工测量及仪表[M].化学工业出版社.1981.
［4］ 梁国伟,蔡武昌.流量测量技术及仪表[M].机械工业出版社.2005;
［5］ 尹建国,蒋佑华,陈含华.走航式多普勒剖面流速仪测流应用与分析[J].水文水利自动化,2004,(3):40-42,50.
［6］ 中华人民共和国行业标准[S].SL.195-97.水文巡测规范.中国水利水电出版社.1997.5.
［7］ [苏]П.В.诺维茨基主编.非电量的电测量[M].机械工业出版社.1983.
作者简介:宁丽娟(1957-),女,工程师,研究方向:自动化控制设计。