[導讀] 論述了專門用于工礦企業自然管道（明渠）污水排放量計量的一種新型明渠流量計量儀表——LMC型超聲波明渠流量計。介紹了該流量計的功能與技術指標、儀表系統構成及測量原理，并給出了程序設計的部分流程圖。
0 引言
長期以來，由于沒有合適的儀表，對上海的工礦企業的污水排放一直投有得到很好的計量。隨著我國乃至全世界對環境保護越來越重視和上海對環境治理與保護的步伐不斷加快，就迫切需要對工礦企業的污水排放加以綜合管理和控制。我們在上海市環保局以及上海市環境監測中心所屬上海市環境監測技術裝備公司等單位的指導和關心下，終于研制出了適合上海地區特點的LMC系列超聲波明渠流量計。
1 任務的提出及目的和意義
根據調查，上海的工礦企業污水排放方式大部分是自然流下，也就是說污水在管路內或渠道內的流動是非滿管的。以這種非滿管狀態流動的水路，即具有自由表面的水路叫做明渠。即使在所謂暗渠的水路中，由于液體是自然流下，故也屬于明渠流動。對于這樣的水路測量流量時，不能使用常規有壓的滿管流量計。
被測量的污水是含有各種雜質，以及其他有機化學成分，雖然在污水排放前，已作了凈化處理，如果使用與污水介質直接接觸的流量計，長期使用后，也難免在流量計內產生結垢或被腐蝕，從而影響測量。所以，作為城市污水排放，特別是工礦企業污水排放的計量儀表，較適宜采用非接觸式測量儀表。為此，上海市環保部門也作了大量的調查研究工作，深入到上海市幾百家工礦企業進行實地調查。經過論證表明，應用非接觸式的超聲波明渠流量計較適宜于本市工礦企業污水排放的計量。
經過調查還發現，由于上海地勢較低，而工廠污水排放口距江、河水位又較近，這樣，當漲潮時，由于下游水位升高，使得安裝在明渠中的流量測量槽內的流動成為“淹沒流”。因此，為適應上海地區的這一特點，要求流量計還具有能在“自由流”和“淹沒流”二種流態下均能正常測量的功能。
根據以上情況，我們進行了LMC系列超聲波明渠流量計的研究。
2 儀表的主要功能與主要技術參數
2.1儀表的主要功能
（1）儀表專門用于工礦企業自然管道（明渠）的污水排放量的計量，并適用于淹沒流測量。
（2）儀表采用內置溫度傳感器的氣介式集成超聲波傳感器進行液位測量，從而實現非接觸測量。
（3）儀表采用了集成溫度傳感器進行溫度補償。傳感器測溫度范圍寬、精度高，易于遠距離傳遞，且具有較強的抗干擾能力。
（4）儀表采用單片微機及大規模CMOS電路，使該儀表智能化程度高，可靠性高，功耗低。
（5）儀表采用了多通道測量技術，即一臺儀表可以連接多達4個超聲波傳感器，可以實現多通道測量。
（6）儀表僅采用6個觸摸鍵即可完成所有操作，故儀表操作非常簡便。
（7）儀表設有RS-232通信接口及DC 0~5V電流輸出端口，使儀表具有與上位計算機通訊的功能。
（8）儀表可將每天、每月及每年的流量值（即污水排放量）保存三年，并可在任意時刻進行查詢、打印。打印包括定時打印、每日趨勢曲線打印、隨時手動打印及查詢打印等。
（9）儀表具有多參數駐留顯示功能，可駐留顯示瞬時流量、總累積流量、溫度、液位及計量時問等5個參數。
2.2 主要技術參數
（1）流量范圍：0.1×10-3 m3/s~93m3/s
（2）測量誤差：自由流<±3%
淹沒流<±5%
（3）顯示分辨率：瞬時流量：0.01m3/h
累積流量：1m3
液位：0.001m
溫度：1℃
計量時問：1h
（4）測量通道：1~4
（5）儀表工作條件：
一次儀表：環境溫度：-25℃~+70℃；
相對濕度：5~100%
介質溫度：0~40℃
二次儀表：環境溫度：-10℃~+55℃
相對濕度：< 85%
（6）超聲波傳感器信號傳送距離：100m（更長需定制）
（7）輸出信號：a）RS232標準通信接口
b）DC 0~5V
（8）電源：交流：220V±10%50Hz±1Hz
直流：12V，6.5Ah（機內自各）
3 儀表系統構成及測量原理
LMC型明渠流量計由帕歇爾槽或薄壁堰槽（包括靜水井、測量筒）、集成超聲波液位傳感器（含溫度傳感器）、微機化測量儀表（內裝面板式微型打印機）等組成。選用不同的測量槽可適合不同的流量測量范圍。
3.1 硬件組成
流量計主要結構和工作原理如圖1所示
流量計信息網內容圖片 src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201207/20/11/03kly532wpo.gif" border=0>
儀表采用大規模CMOS電路，儀表關機或復位時，機內CPU仍由后備電源以“掉電工作方式”運行，并由后備電源對機內數據存儲器實施保持。故儀表開機或復位后，儀表仍掉電或復位前的工作狀態繼續運行。
儀表特別設計了交流失電續測功能。當儀表檢測到交流失電時，由機內蓄電池繼續供電，而不影響測量，但顯示器將被關閉。按“顯示”鍵后，則可重新打開顯示器，約30秒后再次自動關閉。交流失電后，打印機也自動關閉。當恢復供電后，打印機再次自動打開。
儀表正常運行時，機內蓄電池及后備鋰電池通過機內充電電路對其繼續充電。當機內蓄電池充足電后（需在交流供電下，儀表連續運行24小時以上），可依靠機內蓄電池續測50小時以上。
儀表還設計了打印機狀態自動檢涌功能。當打印機被關閉時，儀表自動跳過打印程序，故不會出現“死機”現象。打印機也可以被“軟關閉”，即靠設置關閉打印機。故儀表允許在任意時刻對打印機進行操作，如更換打印紙等。這也是本儀表的特色之一。
3.2 測量原理
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為了測量上、下游水位，我們設計了一臺以8051單片微機為核心的四通道超聲波信號采集系統，該采集系統如圖3所示。
首先由超聲波傳感器在微機的控制下，發出接近100kHz的發射波，超聲波經水面反射，超聲波傳感器再接收回波信號。通過微機計算出發射波與回波的時間差即可以算出水位高度。
hЛ=L-S=L-（1/2）C•T （1）
式中：hЛ——液位高度
L —— 超聲波傳感器的安裝高度（m）；
C —— 超聲波在空氣介質中和測量溫度下的傳播速度（m/s）；
T —— 超聲波的發射波與回波的時間差（s）
這樣由（1）式就可以計算出流量了。
當水槽下游側水位太幅度升高，而形成淹沒流時，需由淹沒流的流量公式計算流量。
儀表通過測量上游水位Ha和下游水位Hb之比，確定流動為自由流動或淹沒流動。將上游水位Ha和下游水位Hb之比稱為淹沒度，用符號σ表示，即：
σ=Ha/Hb （2）
在淹沒流下，流量與下游水位有關，流量公式為
Qs=Q-QE=f（Ha，σ，b） （3）
式中： Qs —— 淹沒流流量；
Q —— 自由流流量；
QE—— 淹沒流折減流量；
σ —— 淹沒度；
b —— 帕歇爾水槽喉部流道寬度；
不同尺寸的帕歇爾水槽形成自由流條件與淹沒度有關，如表1所示。
表1 帕默爾木糟自由誡條件
帕歇爾水槽尺寸（mm） 淹沒度1/ б 25- 76 〈0.5 152- 228 〈0.6 〉305 〈0.7
3.2.1 多通道測量原理
儀表可用于多通道測量。儀表在用于多通道測量時，接收1~4通道的超聲波傳感器信號，并轉換成流量后自動將1~4通道中的流量相加。儀表顯示、儲存相加后的總流量。多通道測量時，每個通道應選用相同規格的堰、槽流量計。多通道測量原理如圖2所示。
流量計信息網內容圖片 src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201207/20/11/1raq5ie1grk.gif" border=0>
儀表在單片微機的控制下，每秒鐘控制超聲波傳感器檢測一次水位，計算出一秒鐘的流量，并進一步累積為時流量、日流量、月流量、年流量和總累積流量。儀表每秒鐘的測量值分辨率達0.00001m3。儀表將測量的散據存入內存，存儲量可達三年（存儲器數據由镲鎘電池保持）。
儀表可以顯示、打印當前測量數據和存儲的數據。儀表每天能自動打印出總流量、總測量時間、日流量及一天的流量變化曲線。每天打印的時刻及時同間隔可由用戶自己設定。
圖3為4通道的超聲波信號采集電路（部分）原理示意圖。從圖中可見，通道的選擇是通過P1.4、P1.5實現的，如表2所示。
表2 微機通道選擇方洼
P1.4 P1.5 通道 0 0 1 0 1 2 1 0 3 1 1 4
3.2.2 溫度傳感器測量原理
本儀表采用了集成溫度傳感器對超聲波在空氣中的傳播速度進行修正。集成溫度傳感器的硬件測量電路原理如圖4所示。
流量計信息網內容圖片 src="http://www.ck365.cn/skin/default/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.ck365.cn/file/upload/201207/20/11/2pkanlhvzxa.gif" border=0>
4 軟件設計
流量計軟件由主程序和若干子程序組成，主程序采用模塊式結構編寫，整個軟件采用MCS-51匯編語言編寫，約7.5KB，全部固化在EPROM2764中。限于篇幅，只給出部分程序流程圖。
4.1 單片微機淹沒流測量軟件框圖（見圖5）
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4.2 兩通道謝量的程序框圖（見圖6）
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多通道（3，4通道）測量原理與2通道測量原理相同。
儀表在進行采樣時，在軟件中分別采用了低通濾波及一階滯后濾波等效字濾波技術，提高了儀表的穩定性和可靠性。
5 結束語
單就上海而言，需進行污水排放計量的工礦企業就達4000多家，根據上海市環保局要求，這些企業都將按要求安裝污水排放檢測儀器。目前，本市尚無同類產品。如選用國外產品，以美國的伊思柯（ISCO）公司為例，其同類型的超聲波明渠流量計的價格為71300元。本成果轉化為產品后，基本價格為17000元左右，低于國外產品約5.4萬元左右。以全市4000家企業計，可以節約資金2億元。
就工礦企業本身而言，安裝了LMC系列超聲波明渠流量計以后，由于它的獨特的存儲、顯示和通信功能，不但使環保人員能及時掌握廢永排放的瞬時值與累積值，而且能使企業上層的決策管理人員及時了解本單位的廢水排放量。結合輸入企業能源信息，及時了解企業的能耗及能源利用情況，為降低產品成本，及時采用合理的工藝手段，以達到最充分地利用能源，從中獲得經濟效益.降低成本，使本單位的產品更具競爭力。該儀器已在上海市多家企業事業單位試用，取得令人滿意的效果