基于M-BUS的電磁式明渠流量計的設(shè)計，根據(jù)排水設(shè)施的不同，礦井水的流量監(jiān)測分為管道流量監(jiān)測和明渠流量監(jiān)測。相對于管道來說，明渠建造成本較低，清淤相對簡便，維護(hù)費(fèi)用低，適合各種水質(zhì)的礦井水排水，所以礦井普遍使用明渠進(jìn)行井下的排水。但是明渠的流量監(jiān)測設(shè)備種類少，而且設(shè)備的精度普遍較低，穩(wěn)定性較低，給明渠的流量監(jiān)測帶來了困難。因此研制一種高精度的明渠流量計對礦井的安全生產(chǎn)有重大意義。

1 新型明渠流量計測量原理

    針對有規(guī)則矩形斷面的明渠可方便地通過式（1）計算出明渠的流量值。

    QV=V×S=V×H×D   （1）

    式中QV———明渠的實時流量，m3/s；

    V———明渠斷面的平均流速值，m/s；

    S———明渠斷面的截面積，m2；

    H———實測水位高度，m；

    D———明渠斷面的寬度，m。

    從式（1）可以看出，液位和流速是兩個關(guān)鍵測量參數(shù)，下面分別介紹其測量原理。

    1.1 液位的測量原理

    傳統(tǒng)的液位測量方法采用的是電導(dǎo)式液位傳感器，通過測量兩電極之間的液體電導(dǎo)來實現(xiàn)液體液位的測量。但是由于電導(dǎo)式位移傳感器兩極間的電導(dǎo)和被測液體的電導(dǎo)率之間存在函數(shù)關(guān)系，當(dāng)被測液體中存在雜質(zhì)時，液體的電導(dǎo)率將不固定，若仍采用電極電導(dǎo)法測量會導(dǎo)致較大的測量誤差。針對這一問題，設(shè)計采用了一種新型的不受被測液體電導(dǎo)率變化影響的液位測量方法。如圖1所示，液體液位測量傳感器包括兩對電極，分別是設(shè)置在明渠底部電壓激勵電極3、5和相同大小、相互平行且垂直明渠底端的液體液位測量電極7、8。液位測量電極7、8安裝在電壓激勵電極3、5的內(nèi)側(cè)，且到電壓激勵電極3、5的距離是對稱的。通過測量電極7和8之間的電壓差可通過公式推導(dǎo)得到相應(yīng)的液體液位參數(shù)。

    當(dāng)在電壓激勵電極M、N間施加幅值恒定的交流電壓Vi時，液體內(nèi)將產(chǎn)生穩(wěn)定的電場。電壓激勵電極M與N的間距為L，極半徑為a。P、Q間距離為d，a遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于d。

1—液面；2—流速測量激勵電極；3—液位測量激勵電極M；

4—下端勵磁線圈；5—液位測量激勵電極N；6—流速測量激勵電極；7—液位測量電極P；8—液位測量電極Q；

9—上端勵磁線圈；10—處理器；11—傳感器固定裝置

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

    二維電場分析如圖2所示。    

圖2 二維電場分析圖    

    設(shè)液體液面高度為H，取液面和兩測量電極接觸點(diǎn)處為測量點(diǎn)s，t。電壓激勵M至s，t的距離分別為rMs、rMt，電壓激勵電極N至s，t的距離分別為rNs、rNt，。設(shè)電流I饋入點(diǎn)為電壓激勵電極M，饋出點(diǎn)為電壓激勵電極N。則s、t點(diǎn)處電勢為：

    則s，t兩點(diǎn)處的電勢差為：

    又因為兩測量點(diǎn)s，t與電壓激勵電極M，N的距離對稱，則有：

    則s，t兩點(diǎn)處的電勢差可進(jìn)一步表示為：

    由公式（7）可以得到測量點(diǎn)的測量信號與被測液體的液位高度值的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)以上理論分析可得到，液位測量傳感器輸出與傳感器結(jié)構(gòu)、液位高度以及電極位置因素有關(guān)，而與被測液體電導(dǎo)率無關(guān)。

    1.2 流速的測量原理

    設(shè)計仍然采用傳統(tǒng)電磁流量計的液體流速測量方法，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)電液體在垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的均勻磁場中以流速V運(yùn)動時，導(dǎo)電液體就在做切割磁感線運(yùn)動，若在垂直于磁場的兩側(cè)安裝一對電極，兩電極間將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e，且

    e=B×D×V   （8）

    D為明渠斷面的寬度，可得瞬時流速V與比值e成正比。測得感應(yīng)電動勢e，即可得到液體的瞬時流速V。

    2 電磁式明渠流量計的設(shè)計

    2.1 總體設(shè)計

    明渠流量計的原理框圖如圖3所示，該系統(tǒng)以P89LPC936為核心處理器，外圍電路包括信號處理模塊（放大、濾波、采樣等）、勵磁模塊（勵磁信號產(chǎn)生與放大）、鍵盤設(shè)置模塊、液晶顯示屏模塊、傳感器等。

    P89LPC936具有較大的電壓操作范圍，I/O口可承受5V的上拉電壓，單片機(jī)提供了三種節(jié)電模式：空閑模式、掉電模式和完全掉電模式，在完全掉電模式下工作電流為1uA。P89LPC936單片機(jī)的串口在標(biāo)準(zhǔn)的80C51的UART的基礎(chǔ)上增加了幀錯誤檢測以及硬件地址識別功能，通過從機(jī)地址的設(shè)定以及屏蔽字的設(shè)定，可實現(xiàn)多個從機(jī)的廣播操作。當(dāng)P89LPC936單片機(jī)工作在完全掉電狀態(tài)下時，自動地址識別功能依然可以通過設(shè)計電源管理的方式開啟，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有效地址時會將單片機(jī)從完全掉電狀態(tài)下喚醒，這種功能在其他種類的單片機(jī)上極少存在。這樣可簡化系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計。

圖3 明渠流量計的原理框圖    

    P89LPC936雖然在執(zhí)行速度上比AVR的AT90S8515單片機(jī)和MSP430系列單片機(jī)較慢，仍依然6倍于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，可以滿足一般的工業(yè)級的應(yīng)用。因此，該明渠流量計選用P89LPC936。

    由電極獲得的微伏到毫伏的微弱信號通過濾波預(yù)處理、放大、低通濾波、A/D采樣后輸入到處理器進(jìn)行運(yùn)算處理，通過LCD顯示數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)通過M－BUS上傳到通信分站，再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后傳送給主機(jī)。測量數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)頁瀏覽方式實時顯示，歷史記錄可隨時查詢。

    該流量計工作流程分成液位測量和流速測量兩個部分，采用分時上電工作，首先測量液體液位，此時電壓激勵打開而勵磁輸出關(guān)閉。當(dāng)液位測量結(jié)束后則關(guān)閉電壓激勵，再打開勵磁激勵輸出測量液體流速，可防止液位測量和流速測量之間造成相互干擾，影響測量精度。

    2.2 勵磁方式的選擇

    勵磁方式即產(chǎn)生磁場的方式。一般有三種勵磁方式：直流勵磁、交流勵磁和可編程低頻矩形波勵磁。直流勵磁一般在測量非電解質(zhì)流體的情況下才采用這種方式。交流勵磁具有電路簡單、測量反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，還能夠降低電解質(zhì)液體對電極的極化作用，降低漂移的直流干擾和電極間等效內(nèi)阻對測量的影響，但是難以將工頻信號和測量信號區(qū)分出來。可編程低頻矩形波勵磁兼有直流勵磁和工頻正弦波交流勵磁的優(yōu)點(diǎn)，在半個周期內(nèi)磁場是直流磁場，低頻矩形波勵磁有直流勵磁的特點(diǎn)，但從整個過程來看磁場又是處于周期性變化的過程中，低頻矩形波又是一個交變信號，便于放大和處理。

    在本設(shè)計中采用第三種勵磁方式。采用較高的勵磁頻率可以有效降低信號源內(nèi)阻，但隨著勵磁頻率的提高，正交干擾和同相干擾會嚴(yán)重且電極上的渦電流也隨之增大。由實驗分析，當(dāng)勵磁頻率在100～400Hz范圍內(nèi)時流動噪聲和正交干擾最小。因此，最終采用200Hz的低頻矩形波勵磁。勵磁電路包括勵磁信號產(chǎn)生電路和勵磁信號功率放大電路兩部分組成。在勵磁信號產(chǎn)生部分，采用了TI公司的16位串行D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC7731通過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74AHC245與處理器通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵磁信號。本設(shè)計中利用處理器的定時器進(jìn)行分頻，通過軟件編程改變輸出勵磁頻率。

    2.3 硬件電路

    2.3.1 電源模塊設(shè)計

    該系統(tǒng)用到的電源由+24V開關(guān)電源模塊通過LM2674－12轉(zhuǎn)換成12V后，再通過HT7150和HT7130轉(zhuǎn)換成+3V。AD轉(zhuǎn)換供電電源電壓為5V，由LM2674－5轉(zhuǎn)換得到。+24V主要用于勵磁激勵部分，+3V為核心處理器提供電源。

    2.3.2 放大電路設(shè)計

    傳感器輸出的測量信號是一個微弱的交變信號，需要進(jìn)行放大處理。放大電路采用由TI公司生產(chǎn)的精密放大器芯片INA326。INA326可將輸出電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號并進(jìn)行處理，因而可有效抑制共模輸入電壓，且不需要精密匹配的電阻，增益范圍為0.1～10000V/V。信號經(jīng)過放大電路后又經(jīng)過二階高斯低通濾波電路，可消除存在于感應(yīng)電動勢信號中的高頻尖端噪聲。

    2.3.3 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

    AD轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，AD轉(zhuǎn)換電路中采用的是AD7705，16位具有2個全差分輸入通道，它不僅簡化了電路、縮小了面積、提高了分辨率，而且在抗干擾能力上不遜于雙積分式的AD7109；在量程處理和輸入信號的阻抗要求上比逐次逼近式的AD574靈活方便。轉(zhuǎn)換速度其實也是可變的，其滿足精度要求后的速度遠(yuǎn)比AD7109快，足以滿足系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換頻率要求。

圖4 AD轉(zhuǎn)換電路

    2.3.4 M-BUS模塊電路設(shè)計

    M－BUS總線系統(tǒng)中，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)是采用的是改變總線電壓而總線電流保持不變的電壓調(diào)制方式；而從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時采用的是改變總線電流而總線電壓保持不變的電流調(diào)節(jié)方式。從機(jī)接口采用專用芯片TSS721A，主機(jī)接口無產(chǎn)品，自行設(shè)計，已設(shè)計成功，并已經(jīng)申請國家專利。TSS721A具有動態(tài)電平辨識機(jī)制，可檢測總線電壓變化，并從TX端輸出；從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)從RX端輸入，RX為高電平時總線電流維持不變；RX為低電平時，總線電流增大至固定值。當(dāng)智能傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)時，TSS721A需要的工作電流增加，相應(yīng)的電路設(shè)計達(dá)到了增加TSS721A工作電流的目的�？臻e狀態(tài)時電流減小，從而減少功耗。為防止單片機(jī)與通信電路相互干擾，采用光耦6N139將兩者隔離。

    2.4 軟件設(shè)計

    傳感器的主程序流程如圖5所示，單片機(jī)在初始化之后處于掉電工作狀態(tài)，僅僅打開串口。當(dāng)單片機(jī)接收到的地址與自身地址相符時，進(jìn)入全速工作狀態(tài)，再判斷是與設(shè)置器還是通信分站進(jìn)行通信，當(dāng)單片機(jī)的P2.2口電壓為低時，調(diào)用與設(shè)置器通信子程序，并進(jìn)行傳感器標(biāo)定和地址設(shè)置；當(dāng)單片機(jī)的P2.2口電壓為高時，調(diào)用與通信分站通信子程序，進(jìn)行流量測量。    

圖5 主程序流程圖

    3 結(jié)論

    該設(shè)計繼承了傳統(tǒng)的電磁流量計的結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，采用新型的液位測量方法，使液位測量不受液體電導(dǎo)率變化影響，并對液位和流速分時測量，減少了干擾和誤差。同時，設(shè)計采用了自行研制的M－BUS總線的主從機(jī)接口電路，可靈活簡便的組成M－BUS總線網(wǎng)絡(luò)。該流量計不僅可實現(xiàn)對礦井水的精確監(jiān)測，保證礦井開采的安全，還適用于其他具有自由水流的流量的測量，值得推廣應(yīng)用。