激光明渠流量计的设计

　　1　引言

　　近年来,激光雷达因具有测量速度快、测程远、测距精度高、方向性好、造价适中等优点而受到广泛重视。激光调制波的强度大,有利于远处目标的距离测量,保证了很好的测距方向。利用激光测距原理简单,即通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离[5],使它成为距离检测的主要手段。近年来,随着工业调节技术和自动控制技术的发展,流量计的应用范围不断扩大。当前国产流量计存在精度不高和重复性差、应用范围有限等问题,为此我们研制出激光明渠流量计,它和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比,可应用在经明渠排放的工业污水流量检测。这种非接触式测量技术将具有更大的应用潜力。

　　2　测量原理

　　明渠流量计是应用激光来测量明渠流量的。明渠流是指流体在地心引力的作用下沿明渠形成的重力流动。其特点是明渠具有自由表面,自由表面上各点压强均为大气压强,相对压强为零。因此明渠流又称为无压流或重力流。测量明渠的流量必需使用专用渠道量(如槽、堰等)。工业和公用事业常用的明渠流量仪表按测量原理大体可分为堰法、测流槽法、流速-水位计算法和电磁流量计法^[2,3,4] 。

　　堰(weir)法:在明渠适当位置装一挡板,水流被阻断,水位升到档板上端堰口,便从堰口流出。水流刚流出的流量小于渠道中原来的流量,水位继续上升,流出流量随之增加,直到流出量等于渠道原流量,水位便稳定在某一高度,测出水位高度便可求取流量。

　　明渠流量计中使用最多是堰式流量计和槽式流量计,通过测出堰槽内堰顶水头高度h,采用流量计算公式(1)、(2)可得到流量。

　　汤姆森公式;

　　适用范围为h=0.05~0.18m,范围较窄。

　　斯特里克兰公式

　　适用范围为

　　则一段时间内的累积流量为:

　　式中Q为流体单位时间的流量,经过积分后求得的为时间t1~t2时间段内的累积流量。

　　激光传感器安装在堰槽上方^[6-7-8] ,如图1所示。AT89C52单片机利用RS232C串行通讯向激光测距传感器(DLS-A15)通过按键发测距命令(“g、n”)。传感器接收此命令向被测液体发射一束光信号,经液面反射回的光信号在传感器内部被转换为一序列号码,若成功返回代码为31..06+xxxxxxxx,然后再经RS232C串行通讯将返回的数据给AT89C52接收。如是3则先让出6个标志位“31..06”,再接收8位数据位,本系统中最大距离是米且精确到1/10mm,所以有效数是从第2位至第6位,通过程序将其分离出来后的4位数(米、分米、厘米、毫米)即为测得的距离值,即传感器到液面的高度H,由公式4即可求得h。