一種基于物聯網的超聲流量測量及實驗標定

劉 恒, 劉 康, 劉遠林, 黃鵬年，徐進超

(1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京 210044；2.江蘇長三角智慧水務研究院，南京 210044)

目前城市管網排水系統的運營現狀態有些不盡如人意，時常發生雨天道路積水等現象，給城市環境和市民生活帶來較為嚴重影響。發生上述現象主要由于雨、污水管道混接，地下水過量滲入，已建管道系統不完善，管道淤積和堵塞等原因導致排水能力下降[1]。地下管網排水管道系統的情況比較復雜，系統的圖紙檔案缺失現象較多，又缺乏科學可靠的手段進行檢測，因此排水系統的狀況往往憑借經驗判斷而缺乏科學的診斷依據，給系統的維護、管理與改造的方案決策帶來困難[2]。

利用流量計進行組網觀測，流量計上傳的信息被傳輸到后臺服務器以后被存儲在系統里，并可顯示在屏幕上，便于監控中心值班人員實時監測。系統根據流量判斷管網液位流量變化異常或超過預警線實時報警。綜合多個監測點的信息后，根據污水管網的分布與多點之間流量的變化情況，可以判斷污水管網中出現堵塞點或溢流點的情況。監控值班人員可以圖上定位，啟動應急事件處理工作流，監控事件處理全過程，城市污水管網監測系統是實現智慧城市的重要組成部分。

在相對低速的流量計量技術中，三角堰制作和安裝簡便、測量精度高，只要安裝位置正確可用理論公式直接求得結果，被廣泛應用于徑流實驗、水土保持實驗等工作中，但測量自動化程度低。

電磁流量計測量時無壓力損失，耐腐蝕且不受流體溫度、壓力和密度等影響，具有較高的測量準確度[3]，但是易受外界電磁干擾的影響，無法測量電導率很低的液體介質并且安裝較煩瑣。

針對上述問題，設計一種基于物聯網的超聲波多普勒水流速流量測量儀并進行了實驗標定，旨在克服電磁干擾以及測量安裝復雜問題，在準確獲得水流速流量數據的同時，將數據同步到云端服務器，通過萬維網(World Wide Web，WEB)端即可查看實時和歷史流速流量數據。

1 水流量測量原理

1.1 薄壁三角堰

薄壁堰具有穩定的水頭與流量關系，常用于實驗標定和小型渠道流量測量。按堰口形狀的不同，薄壁堰可分為矩形堰、三角形堰(圖1)、梯形堰等[4]。三角形堰通常用于量測較小流量，矩形堰和梯形堰用于量測較大流量。

圖1 薄壁三角堰結構

薄壁三角堰的流量[5]表達式為

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)可得

(3)

式(3)中：θ為堰角，(°)；K為堰上水頭，m。

1.2 電磁流量計原理

電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律測量流速，感應電動勢的大小與感應強度和運動速度成正比[6]，流速和流通面積兩者相乘得到所測流量，電磁流量計是一種速度式流量計，原理如圖2所示，有

圖2 電磁流量計測量原理

Ue=αBLν

(4)

qV=L2νπ/4

(5)

式中：α為與磁場分布及軸向長度有關的系數；Ue為感應電動勢，即流量信號，V；B為磁感應強度，T；L為電極間距，管內徑，m；ν為液體平均流速，m/s；qV為液體體積流量，m3/s。

將式(5)代入式(4)，有：

Ue=4αBqV/πL

(6)

1.3 超聲波多普勒流量計原理

超聲信號以定義的頻率和已知角度發送到液體中。超聲波能量的一部分從液體中包含的顆粒或氣泡反射。由于粒子運動，這導致頻率偏移[7]。頻移與顆粒速度成正比，從而超聲波流量計可以測量流速[8]。設計選擇在渠底安裝楔形超聲波多普勒流速傳感器，測量原理如圖3所示，根據多普勒效應有

圖3 超聲波多普勒流量計測量示意圖

(7)

式(7)中：VP為流速，m/s；fa為多普勒頻移，Hz；c為被測流體介質中的聲速，m/s；f0為傳感器探頭發射頻率，Hz；a為發射超聲波與水管道軸線平行方向的角度，(°)。

根據式(7)知流體速度VP與頻移fa成正比關系，通過測量頻移即可求出流速，最后通過流速與測量截面的乘積就可以得到瞬時流量[9]。

圖4為簡化后的非滿管狀態下的管道測量模型，超聲波多普勒流量計安裝于底部A點，陰影部分為水流截面積，有

圖4 管道中水流橫截面圖

(8)

(9)

式中：θ為液面到圓心與半徑的夾角，(°)；S為過水截面積，m2；R為管道半徑，m；H為液面高度，m。在非滿管狀態下，在管道參數確定，測量當前液位高度就可結合式(7)～式(9)求得瞬時流量，瞬時流量乘以時間就可以得到累計流量[10]。

2 硬件系統設計

測量儀控制器選用STM32F103單片機，24 V蓄電池供電，通過CN3722充電電路接入市電即可完成充電，板載電池的模擬數字轉換器(analog to digital converter，ADC)電壓采樣電路，電量過低時主動上報服務器端提醒維護人員更換電池。KDO型多普勒超聲波流量計通過RS485模塊接入微控制單元(microcontroller unit，MCU)，經過MCU處理運算后將所得的液位、流速、流量以及電池電量等信息顯示在本地液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)上[11]。

除了本地顯示功能，還基于GPRS(general packet radio service)數據傳輸單元(data transfer unit，DTU)通信模塊在2G信號覆蓋范圍內，將采集數據發送至云端服務器，并在WEB端顯示出液位、流量、流速、日累計流量以及電池電量，以便工程師和客戶直觀進行數據監測和歷史數據回顧。硬件框圖5所示，預留傳感器接口如圖6所示，可擴展接口傳感器便于測量其他水質參數。

圖5 測量儀硬件框圖

圖6 測量儀控制器

2.1 超聲波多普勒流量計模塊

測量儀采用Nivus公司的KDO型超聲波多普勒傳感器，工作電壓為8～24 V，典型功耗為1.3 W，工作溫度為-20～+50 ℃，測量頻率為1 MHz。可測量滿管與非滿管的輕微污染到重污染介質的流動。如圖7所示，兩個壓電晶體在傳感器中朝著45°的水流方向。兩個晶體的表面平行于流速傳感器的斜率。晶體中的一個連續作為超聲波發射器工作，另一個接收反射的超聲信號。

①為流速測量傳感器；②為壓力水位測量傳感器；③為傳感器本體；④為接地板；⑤為電纜；⑥為電纜壓蓋

傳感器和上位機間的通信使用NIVUS協議的串行接口，只允許主機啟動通信，上位機始終是主機，傳感器是從機，RS-485串行接口，9 600 bps，8 bit的數據位，沒有校驗位，1個停止位，采用“點對點”的固定尋址的數據傳輸。流速測量范圍為-6～6 m/s，分辨率為0.1 m/s，相對誤差小于1%，溫度測量范圍為-20～60 ℃，絕對誤差小于0.5 ℃。

水中聲速C決定著流速，聲速又與水溫有關[12]，傳感器對水中聲速進行了修正，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為水中聲速，m/s；T為水溫，℃；S為水的鹽度，g/L；d為水的深度，m。壓力水位測量范圍為5～5 000 mm，零點漂移小于最大測量值的0.75%，測量不確定度小于測量值的0.5%。

2.2 GPRS DTU通信模塊

GPRS具有實時在線、傳輸率大、頻率利用率高、數據傳輸可靠性好的特點。文中設計的基于物聯網的超聲波多普勒水流速流量測量儀是利用現有的GPRS網實現對水利流量流速的數據采集和實時遠程監控，通過Internet與數據系統相連，最終實現城市污水管網消息化管理的目的[13]。GPRS DTU模塊內部封裝了傳輸控制協議/網際協議(transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP)等協議棧，為無線傳輸提供透明的TCP/IP通道。在軟件設計上，它封裝了協議棧內容并且具有嵌入式操作系統，通過MCU的串口可以直接與GPRS DTU模塊進行通信，完成數據的發送與接收。在設計中，選用SIM800C通信模塊，通過通用異步收發傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)與MCU進行通信，模塊電路如圖8所示。

圖8 SIM800C模塊電路圖

3 系統軟件設計

以KEIL5作為整個系統軟件的開發環境，采用C語言編程，軟件流程如圖9所示。

圖9 程序流程圖

初始化一系列外設，包括傳感器的初始化，顯示屏、存儲芯片等外部器件的初始化以及從備份寄存器中讀出上次上報的數據次數；初始化完畢后，首先判斷電池電量是否達到最低報警閾值，如果達到，則向服務器上報電池電量低的信息并提醒替換，反之則通過通信協議讀取傳感器的液位、流速等實時數據。得到有效測量數據后，顯示在本地LCD屏上便于本地查看，等LCD背光熄滅且按鍵無操作后由GPRS模塊通過2G網絡將流量等數據發送至云端服務器存儲顯示。一個采集流程結束后更新數據的上報次數，并重新寫入備份寄存器中，隨后由軟件進行復位，復位完畢后重復上述采集流程。

4 實驗測試及標定

實驗結構框圖如圖10所示，兩個水泵在下面蓄水池向上泵水，到達上面蓄水池后通過一個薄壁三角堰進行液位高度的目視測量，流經超聲波多普勒流量計后下落到底部電磁流量計，最終匯入到下面的蓄水池，形成整個循環流程。搭建完成加工后的實驗平臺如圖11所示，采用耐腐蝕、高透光的2 cm厚亞力克板為基材，數控機床切割而成。

圖10 實驗平臺結構框圖

圖11 實驗平臺示實物圖

實驗選用Endress+Hauser的10L1H系列電磁流量計，內襯PTFE，316 L電極，精度為0.5%，可對液體的雙向流量測量，被測液體最小電導率≥50 μS/cm，工作溫度為-10～+90 ℃，過程壓力可達16 bar(232 psi)，流量量程可達4 700 dm3/min。在同一時刻下，對實驗平臺的三種測量方式進行流量測量并分析誤差。

4.1 三角堰水流量計算

由式(3)知，當堰角θ及堰上水頭K已知，即可求得當前水流量。開啟實驗平臺中的兩臺水泵，等待一段時間后水流穩定時進行三角堰口標尺的讀數。

實驗平臺所用三角堰堰角θ=90°，由圖12可知，在水流穩定時堰上水頭K讀數為0.093 m，代入式(3)求得水流量Q=0.003 70 m3/s。

圖12 液位標尺

4.2 電磁流量計驗證

為了消除液體非滿管帶來的讀數誤差，通過調節電磁流量計進水口前的水閥來實現對流速流量的控制，將水閥旋轉至合適角度即可實驗液體的滿管，等待一段時間水流穩定后對電磁流量計進行讀數。示數如圖13所示，當前水流量為208.77 dm3/min，換算后為0.003 48 m3/s。

圖13 電磁流量計示數

4.3 超聲波多普勒流量計

流量等數據通過GPRS DTU模塊接入云端服務器后顯示在WEB界面上，界面顯示當前節點設備對應的液位、流量、流速、日累計流量及電量信息，頁面左側日期選擇可實現對歷史數據的回查。

在水流穩定時進行讀數，由圖14可得當前的實時流速為0.306 m/s，液面高度為0.08 m，流量為0.003 59 m3/s。

圖14 WEB界面顯示

4.4 結果分析

在不同水流速下，同時記錄多組流量數據，三種方式測量數據如表1所示。

表1 流量記錄與誤差分析

考慮到三角堰實驗平臺因制造工藝產生的偏差，堰上水頭讀數存在0.005 m范圍內的不準確度；平臺管道的粗細變化導致水流流體動力損失[14]；水流落差后產生的氣泡造成電磁流量計的細微非滿管誤差。分析上述存在的誤差，比對表明三角堰測量法偏大，電磁流量計測量計數偏小的情況。用超聲多普勒測得流量數據分別與三角堰和電磁流量計數據做差后再百分率化得到百分比誤差值，兩者百分比誤差值相加后再二等分即為相對平均誤差。最終結合實驗結果，設計測量儀平均誤差范圍在3%以內。

5 結論

為了提高水流量測量的自動化程度和信息的遠程共享，設計了一種基于物聯網的超聲多普勒流量測量儀。為了對測量儀的測量精度進行標定，設計了水槽實驗，利用薄壁三角堰和電磁流量計在滿管和非滿管下對測量儀進行了實驗室標定，得到以下結論。

(1)實驗對比誤差在3%以內，滿足測量精度要求。

(2)測量儀具有液位測量和溫度修正的功能，滿足城市管網排水系統需要。

(3)測量儀監測數據全自動上傳，具有越限報警和實時監測功能，大大節省人力資源成本。

綜上所述，實驗求得的三者測量數據相互印證，證明本測量儀檢測精準且自動化程度高。