基于M-BUS的電磁式明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)，根據(jù)排水設(shè)施的不同，礦井水的流量監(jiān)測(cè)分為管道流量監(jiān)測(cè)和明渠流量監(jiān)測(cè)。相對(duì)于管道來說，明渠建造成本較低，清淤相對(duì)簡(jiǎn)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(cè)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(cè)帶來了困難。因此研制一種高精度的明渠流量計(jì)對(duì)礦井的安全生產(chǎn)有重大意義。

1 新型明渠流量計(jì)測(cè)量原理

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

    QV=V×S=V×H×D   （1）

    式中QV———明渠的實(shí)時(shí)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(shí)測(cè)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(gè)關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)，下面分別介紹其測(cè)量原理。

    1.1 液位的測(cè)量原理

    傳統(tǒng)的液位測(cè)量方法采用的是電導(dǎo)式液位傳感器，通過測(cè)量?jī)呻姌O之間的液體電導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)液體液位的測(cè)量。但是由于電導(dǎo)式位移傳感器兩極間的電導(dǎo)和被測(cè)液體的電導(dǎo)率之間存在函數(shù)關(guān)系，當(dāng)被測(cè)液體中存在雜質(zhì)時(shí)，液體的電導(dǎo)率將不固定，若仍采用電極電導(dǎo)法測(cè)量會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)采用了一種新型的不受被測(cè)液體電導(dǎo)率變化影響的液位測(cè)量方法。如圖1所示，液體液位測(cè)量傳感器包括兩對(duì)電極，分別是設(shè)置在明渠底部電壓激勵(lì)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(cè)量電極7、8。液位測(cè)量電極7、8安裝在電壓激勵(lì)電極3、5的內(nèi)側(cè)，且到電壓激勵(lì)電極3、5的距離是對(duì)稱的。通過測(cè)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(lì)電極M、N間施加幅值恒定的交流電壓Vi時(shí)，液體內(nèi)將產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)。電壓激勵(lì)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(cè)量激勵(lì)電極；3—液位測(cè)量激勵(lì)電極M；

4—下端勵(lì)磁線圈；5—液位測(cè)量激勵(lì)電極N；6—流速測(cè)量激勵(lì)電極；7—液位測(cè)量電極P；8—液位測(cè)量電極Q；

9—上端勵(lì)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(chǎng)分析如圖2所示。    

圖2 二維電場(chǎng)分析圖    

    設(shè)液體液面高度為H，取液面和兩測(cè)量電極接觸點(diǎn)處為測(cè)量點(diǎn)s，t。電壓激勵(lì)M至s，t的距離分別為rMs、rMt，電壓激勵(lì)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(lì)電極M，饋出點(diǎn)為電壓激勵(lì)電極N。則s、t點(diǎn)處電勢(shì)為：

    則s，t兩點(diǎn)處的電勢(shì)差為：

    又因?yàn)閮蓽y(cè)量點(diǎn)s，t與電壓激勵(lì)電極M，N的距離對(duì)稱，則有：

    則s，t兩點(diǎn)處的電勢(shì)差可進(jìn)一步表示為：

    由公式（7）可以得到測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量信號(hào)與被測(cè)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(cè)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(cè)液體電導(dǎo)率無關(guān)。

    1.2 流速的測(cè)量原理

    設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)電磁流量計(jì)的液體流速測(cè)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(chǎng)中以流速V運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體就在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，若在垂直于磁場(chǎng)的兩側(cè)安裝一對(duì)電極，兩電極間將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，且

    e=B×D×V   （8）

    D為明渠斷面的寬度，可得瞬時(shí)流速V與比值e成正比。測(cè)得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，即可得到液體的瞬時(shí)流速V。

    2 電磁式明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)

    2.1 總體設(shè)計(jì)

    明渠流量計(jì)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(hào)處理模塊（放大、濾波、采樣等）、勵(lì)磁模塊（勵(lì)磁信號(hào)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(cuò)誤檢測(cè)以及硬件地址識(shí)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(shí)現(xiàn)多個(gè)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(shí)，自動(dòng)地址識(shí)別功能依然可以通過設(shè)計(jì)電源管理的方式開啟，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有效地址時(shí)會(huì)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(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。

圖3 明渠流量計(jì)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(jí)的應(yīng)用。因此，該明渠流量計(jì)選用P89LPC936。

    由電極獲得的微伏到毫伏的微弱信號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)頁瀏覽方式實(shí)時(shí)顯示，歷史記錄可隨時(shí)查詢。

    該流量計(jì)工作流程分成液位測(cè)量和流速測(cè)量?jī)蓚�(gè)部分，采用分時(shí)上電工作，首先測(cè)量液體液位，此時(shí)電壓激勵(lì)打開而勵(lì)磁輸出關(guān)閉。當(dāng)液位測(cè)量結(jié)束后則關(guān)閉電壓激勵(lì)，再打開勵(lì)磁激勵(lì)輸出測(cè)量液體流速，可防止液位測(cè)量和流速測(cè)量之間造成相互干擾，影響測(cè)量精度。

    2.2 勵(lì)磁方式的選擇

    勵(lì)磁方式即產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式。一般有三種勵(lì)磁方式：直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁和可編程低頻矩形波勵(lì)磁。直流勵(lì)磁一般在測(cè)量非電解質(zhì)流體的情況下才采用這種方式。交流勵(lì)磁具有電路簡(jiǎn)單、測(cè)量反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，還能夠降低電解質(zhì)液體對(duì)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(duì)測(cè)量的影響，但是難以將工頻信號(hào)和測(cè)量信號(hào)區(qū)分出來�？删幊痰皖l矩形波勵(lì)磁兼有直流勵(lì)磁和工頻正弦波交流勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)，在半個(gè)周期內(nèi)磁場(chǎng)是直流磁場(chǎng)，低頻矩形波勵(lì)磁有直流勵(lì)磁的特點(diǎn)，但從整個(gè)過程來看磁場(chǎng)又是處于周期性變化的過程中，低頻矩形波又是一個(gè)交變信號(hào)，便于放大和處理。

    在本設(shè)計(jì)中采用第三種勵(lì)磁方式。采用較高的勵(lì)磁頻率可以有效降低信號(hào)源內(nèi)阻，但隨著勵(lì)磁頻率的提高，正交干擾和同相干擾會(huì)嚴(yán)重且電極上的渦電流也隨之增大。由實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)勵(lì)磁頻率在100～400Hz范圍內(nèi)時(shí)流動(dòng)噪聲和正交干擾最小。因此，最終采用200Hz的低頻矩形波勵(lì)磁。勵(lì)磁電路包括勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路和勵(lì)磁信號(hào)功率放大電路兩部分組成。在勵(lì)磁信號(hào)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(lì)磁信號(hào)。本設(shè)計(jì)中利用處理器的定時(shí)器進(jìn)行分頻，通過軟件編程改變輸出勵(lì)磁頻率。

    2.3 硬件電路

    2.3.1 電源模塊設(shè)計(jì)

    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(lì)磁激勵(lì)部分，+3V為核心處理器提供電源。

    2.3.2 放大電路設(shè)計(jì)

    傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)是一個(gè)微弱的交變信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)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(hào)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(dòng)勢(shì)信號(hào)中的高頻尖端噪聲。

    2.3.3 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

    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(gè)全差分輸入通道，它不僅簡(jiǎn)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(hào)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(shí)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(jì)

    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(shí)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(jì)，已設(shè)計(jì)成功，并已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家專利。TSS721A具有動(dòng)態(tài)電平辨識(shí)機(jī)制，可檢測(cè)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(shí)總線電流維持不變；RX為低電平時(shí)，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(shí)，TSS721A需要的工作電流增加，相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)達(dá)到了增加TSS721A工作電流的目的�？臻e狀態(tài)時(shí)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(jì)

    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(shí)，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(shí)，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(shí)，調(diào)用與通信分站通信子程序，進(jìn)行流量測(cè)量。    

圖5 主程序流程圖

    3 結(jié)論

    該設(shè)計(jì)繼承了傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，采用新型的液位測(cè)量方法，使液位測(cè)量不受液體電導(dǎo)率變化影響，并對(duì)液位和流速分時(shí)測(cè)量，減少了干擾和誤差。同時(shí)，設(shè)計(jì)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(jiǎn)便的組成M－BUS總線網(wǎng)絡(luò)。該流量計(jì)不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水的精確監(jiān)測(cè)，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(cè)量，值得推廣應(yīng)用。