基于應變電阻的明渠流量自動測量系統研究

楊正宏，翟偉明

(1.山西省水利水電工程建設監理有限公司，山西 太原 030000；2. 山西辛安泉供水工程有限公司，山西 太原 030000)

水資源是促進工業生產、農業生產所必須的基礎物質，在我國的絕大多數地方，由于對地下水資源超負荷的開采以及群眾節約用水觀念的淡薄，造成了水資源的嚴重浪費。為持續提升農業灌溉用水效率，精確計量明渠流量，設計一種精度高、自動化和智能化高同時便于攜帶的水量測流裝置就顯得尤為重要。農業灌區傳統的量水方法有流速儀量水、量水槽、量水堰等幾種，這幾類量水方式對渠道形狀有一定的要求，并且在流量大、口徑大的明渠中安裝較為復雜，測量時也存在諸多不便。

針對傳統測量方式的弊端，本文設計了應變電阻和單片機MSP430相結合的自動流量測試系統。利用壓強隨水流深度變化從而引起應變電阻變化的特點，以及MSP430F149單片機強大的計算、處理、存儲能力和時鐘頻率、時序的控制能力。它不僅能耗低、攜帶方便，同時測量精準度高，實現了水位、流速、流量的實時監測以及自動化測量。

1 測流原理

1.1 明渠測量原理

在實際應用中明渠橫斷面常設計為倒梯形較多，也有矩形、U型等形式的斷面。當輸水明渠達到一定長度、糙率不變、無建筑物干擾、水流為恒定流、流量沿程不變，就形成了均勻流或者近似均勻流，水流流量就能使用均勻流公式進行計算。

(1)

再將曼寧公式與公式(1)相結合，即可得到。

(2)

式中，Q—水流流量，m3/s；R—水利半徑；n—渠道粗糙系數，與渠道材料本身相關；A—渠道過水橫斷面面積，m2；X—渠道濕周長度，m；i—渠道縱坡系數。

從式(2)可以知道，渠道形狀大小、坡降比和糙率在工程設計時都是已知參數，那么渠道中流量值只和水深呈對應關系。通過測得渠道中的水流深度，進行相應計算即可得出渠道水流流量。根據水流壓強公式可知，壓強與水流深度存在正比關系，其變化可以導致應變電阻的阻值變化，阻值變化導致通過電流發生變化，可測得電流與水位高度的關系曲線。將水位高度代入上述公式(2)通過系統自動計算出渠道流量[1]。

式(2)中規則斷面物理參數，對于人工渠道粗糙系數n和水力半徑R以及縱坡系數i，在長期的工程實踐中有大量的數據可供參考，實際應用中n可根據渠道材料的不同參考選取；R則根據斷面形狀的不同代入公式即可，i則通過工程設計資料或實測得到；對于不規則斷面的均勻流，粗糙系數n和縱坡系數i的選取與規則斷面相同，水利半徑R為過水斷面面積A與濕周X的比，在設計上則采用類似于積分形式的分割法，將不規則斷面分割成若干個部分，每個部分根據不規則斷面的形狀近似的相似于矩形、梯形斷面，相應的求出各部分濕周對所劃分面積的影響，得出該部分的水力半徑，總面積的水力半徑用各面積的水力半徑加權平均得到[2]，從而測得整個不規則斷面的實時流量。具體計算過程則通過軟件編程在上位機上自動實現。

1.2 應變電阻的應用原理

應變電阻采用特定的導電材料在受到外部應力時改變自身形態的特點進行研制的，將受力材料上產生的應變力轉為電阻的變化。

明渠中一定深度的水壓強可以用以下公式表示。

p=p0+ρgh

(3)

式中，p—水的壓強，Pa；h—水深，m；P0—大氣壓強，Pa；ρ—水的密度，kg/m3。

應變電阻測量采集部分如圖1所示，兩根引出線分別與電阻應變片兩端相連，導氣孔則采用細塑料管與外界大氣相通，這樣應變電阻向上的一面就是大氣壓；電阻應變片的向下的一面與硅膠環采用膠水連在一起，硅膠環的下部與玻璃基板粘合在一起[3]。水流通過導流孔作用于硅膠環的下表面，水壓強使得硅膠環產生一定的變形，硅膠環的變形實時傳導到電阻片向水的一側。硅膠環的選取則要同時具備彈性好和厚度薄的特點。

圖1 應變電阻測量部分結構圖

此時電阻應變片的上下表面存在的壓強差則為：

Δp=ρgh

式中，Δp—電阻應變片上下表面產生的壓強差，使得電阻片因受力而發生變形，從而導致電阻值發生改變，如圖2所示。

圖2 電阻應變片示意圖

在一個恒定電壓U時，依據歐姆定律，當電阻應變片的電阻改變時，電流也會發生改變，通過實際測得電流的變化與水深的關系，即可通過電流大小信號來表達水深，如圖3所示。

圖3 電流與水位關系圖

2 系統總體結構框架設計

明渠流量自動測量系統結構原理圖[4]如圖4所示。

圖4 結構原理圖

2.1 信號采集和處理模塊

信號采集和處理電路的主要組成部分是一片電流傳感器ACS712ELCTR- 20A芯片和MSP430F149單片機。ACS712ELCTR- 20A是一種監測裝置，能感受到被測電流的信息，然后通過相應的規律，將檢測到的信息轉變成數字信號，從而使得信息具有分析優化、傳輸以及顯示存儲的功能。ACS712ELCTR- 20A芯片具有靈敏度高、溫度適應性強、抗干擾性強、功耗低等特點。MSP430F149單片機最突出的優點就是其超低的功耗[5]，為了提供“單片機”的解決方案，在芯片上集成各種不能功能的數字電路、微處理器、模擬電路等，其電壓需求僅為1.8～3.6V，很適合長時間的電池供電；低功耗的選擇模式有5種，芯片待機電流通常小于1μA，可以支持各種喚醒、中斷的機制，喚醒只需6μS。其包含FLASH存儲器是具有大容量、可點擦寫等特點的數據存儲單元。MSP430F149芯片與上位機的通信有異步串行通訊模塊UART接口和同步串行通訊模塊SPI接口。使用JTAG接口作為調試和下載程序的接口。MSP430F149開發語言采用匯編語言和C語言，信號處理模塊主控制器電路圖如圖5所示。

2.2 信號傳輸模塊

該系統為了能將測得數據遠程傳輸給上位機，供其進行數據監控和處理，采用了RS232通信接口[6]，CH430具有的USB轉串口實現了供電和數據傳輸的雙項功能。接口芯片MAX3232CPE是為RS232設計的標準串口。設計上克服了信號在正負電平間擺動導致通信不正常。該芯片接口簡單、功耗極低，耗電0.3mA，電壓要求3.3V，內置兩路接收器和驅動器，同時外接4個0.1μF電容。經過一定的擴展后，為遠程的無線傳輸預留了迭代可能性。通訊接口電路如圖6所示。

3 軟件開發

軟件的開發主要用于各部分硬件之間的協調工作以及實現對曼寧公式中固定參數的錄入。系統傳感器的編程語言使用C語言，Keil uVision4兼容各種微軟操作系統，其作為本系統語言開發的平臺，把各個功能部分有序組合起來，達到系統整體合一的功能效果。最后把處理完畢的數據傳輸到顯示屏上，同時數據上傳到上位機。上位機軟件的開發使用Visual Basic，它具有面向對象、模塊化、可視化的開發的特性，可在Windows操作系統上進行高級程序的設計。在本系統中主要實現以下功能：①可對矩形、U行、梯形以及不規則斷面形狀的渠道進行選擇；②自動進行不規則明渠截面水力半徑的加權平均；③實現粗糙系數、縱坡系數、渠道寬度等參數的錄入；④計算生成水位、流量的信息、并加以分析，產生記錄日志。

圖5 主控制器電路

圖6 通信電路

4 應用

裝置完成后，為測試系統的可行性，采用當地正常使用的明渠進行測試。明渠斷面為矩形，渠寬4m，邊坡系數1.5，渠道底坡查閱工程資料為1/2000的坡降。同時利用明渠流速儀在相同時間內對渠道進行了5次測量作為對比，流速儀測流則采用了傳統兩點法，換算成流量后與該測流系統的實測值進行比較，相對誤差絕對值均小于3%，試驗數據及其分析見表1。

表1 試驗數據及其分析

5 結語

系統已在各種不同形狀明渠均勻流進行了相關性試驗，證明了該系統的可靠性，該裝置具有低能耗、便于攜帶等特點，測量的精度也有所保證。水位信息采集處理單元、流量的自動計算、LED和上位機的顯示、以及流量數據的傳輸、存儲等功能均達到了預設目標，進一步論證了該測流系統對明渠均勻流的有效測量，可以滿足工農業生產的需要。