趙軍華 ，馮 陽 ，李 叢 ，劉廣山

（1. 深圳市宏電技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518112；2. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市排水管網(wǎng)的長(zhǎng)度快速增長(zhǎng)，雨污水的排放對(duì)城市水環(huán)境造成的影響日益嚴(yán)重，準(zhǔn)確測(cè)量排水流量對(duì)雨污水排放控制、污水處理廠水量水質(zhì)調(diào)度、管網(wǎng)水動(dòng)力模擬、洪澇模擬與預(yù)報(bào)具有重要意義。排水管網(wǎng)的淤積檢測(cè)和維護(hù)耗費(fèi)巨大的人力、物力，若能通過流量計(jì)實(shí)現(xiàn)淤積深度的測(cè)算，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的有效清淤及定期維護(hù)，保障管網(wǎng)的設(shè)計(jì)排水能力，有效支撐汛期的城市排澇工作。

由于排水管道處于非滿管、高濁度、管底淤積、水面油污與漂浮物多、易燃/易爆氣體充斥的惡劣工況，因此流量測(cè)量的難度大。近年來，基于聲學(xué)多普勒原理的流速測(cè)量技術(shù)得到了快速發(fā)展，并陸續(xù)應(yīng)用于流速、流量測(cè)量[1–3]，但聲學(xué)多普勒流速儀在國(guó)內(nèi)應(yīng)用于排水管道流量測(cè)量的案例還比較少，國(guó)外有流速儀設(shè)備供應(yīng)商提供排水管網(wǎng)某時(shí)期流量測(cè)量數(shù)據(jù)服務(wù)（設(shè)備租賃）的案例。電波流速儀雖然測(cè)速時(shí)不受水面漂浮物、水質(zhì)、水流狀態(tài)的影響，但其在排水井中的安裝不易實(shí)施，且發(fā)射功率較高，更適合于作手持式測(cè)流應(yīng)用。轉(zhuǎn)子式流速儀由于轉(zhuǎn)子部件易被排水管中的纖維、布條、雜物等纏繞而無法正常工作，因此不適合用于排水管道的流量在線監(jiān)測(cè)。為適應(yīng)排水管道的惡劣工況，針對(duì)排水流量測(cè)量?jī)x器應(yīng)易于快速安裝部署，不受淤積物的影響，且保證測(cè)量精度等要求，設(shè)計(jì)了新型聲學(xué)多普勒流速儀（以下簡(jiǎn)稱多普勒流速儀）用于排水流量測(cè)量。

1 多普勒流速儀硬件設(shè)計(jì)

多普勒流速儀的硬件電路主要包括超聲波發(fā)射、接收和水位測(cè)量等電路[4]。發(fā)射和接收信號(hào)均由STM32L486 微控制器產(chǎn)生和處理計(jì)算。硬件電路功能框圖如圖1 所示。

1.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

主要包含 PWM 信號(hào)產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)、光耦信號(hào)隔離、功率匹配等電路設(shè)計(jì)。由 STM32L486 產(chǎn)生一個(gè)1MHz 的推挽 PWM 輸出信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸入至驅(qū)動(dòng)電路，增加 PWM 信號(hào)的帶載能力。發(fā)射信號(hào)經(jīng)過功率匹配電路后，可提高超聲波發(fā)射時(shí)的能量轉(zhuǎn)換比[5]。發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路如圖2 所示。

圖1 硬件電路功能框圖

PWM 信號(hào)由 STM32L486 微處理器產(chǎn)生，由于微處理器管腳驅(qū)動(dòng)能力有限，須通過與非門增加帶載能力，再進(jìn)入光耦隔離電路，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路與超聲波發(fā)射電路的隔離，進(jìn)而消除負(fù)載變化對(duì)前端電路的影響。

超聲換能器的能量轉(zhuǎn)換比代表發(fā)射功率的轉(zhuǎn)換效率，通過合理設(shè)計(jì)保證發(fā)射電路的阻抗與換能器匹配，使之處于諧振狀態(tài)，可以最大程度地提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低能耗。

1.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

接收模塊主要包含小信號(hào)放大、帶通濾波、混頻、低通濾波等模擬電路。水中懸浮物散射回來的超聲波信號(hào)是非常微弱的高頻小信號(hào)[6]，幅度只有幾十到幾百微伏，不能直接進(jìn)入混頻電路進(jìn)行降頻處理。而且接收回來的超聲波信號(hào)包含大量的噪聲，需經(jīng)過小信號(hào)放大和帶通濾波后才能進(jìn)行降頻和低通濾波處理。混頻電路如圖3所示。

1.3 水位測(cè)量電路設(shè)計(jì)

為進(jìn)行排水管網(wǎng)斷面流量計(jì)算，除需要水流速度外，計(jì)算測(cè)量斷面面積時(shí)還需要水位高度。由于水位高度和流速儀安裝位置決定流速儀測(cè)量速度值與面等效流速的率定關(guān)系，因此水位的精確測(cè)量在流量計(jì)算中非常重要。本設(shè)計(jì)中水位采用集成的壓力采集模塊測(cè)量（通過 I2 C 接口與嵌入式微控制器通信），此模塊主要基于壓阻式膜片實(shí)現(xiàn)排水管道水位測(cè)量，由于內(nèi)置溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)水位和流速的溫度補(bǔ)償。

圖2 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路圖

圖3 混頻處理電路圖

壓力采集模塊中的壓力膜片屬于表壓式測(cè)量元件，通過線纜內(nèi)的導(dǎo)氣管與井口處大氣壓連通，省去了大氣壓測(cè)量電路，減少了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。由于導(dǎo)氣管內(nèi)置于線纜之中，與線纜中的電源線、通信線一起引到井口的電池處，因此工藝生產(chǎn)上也易實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)排水管道中的淤積問題，壓力采集模塊放置于流速儀底部專門設(shè)計(jì)的安裝孔內(nèi)，壓力膜片透過兩級(jí)保護(hù)隔離層與雨污水接觸，保證膜片不被污染物覆蓋與侵蝕，從而保障水位測(cè)量的精度?？拷鼔毫δて谋Ｗo(hù)層是一片內(nèi)嵌若干細(xì)小針孔的不銹鋼圓片（直徑為 2 cm），接觸污水的保護(hù)層是一片帶有若干稍大圓孔（孔徑為 3 mm）的橡膠塞（直徑為2.5 cm），這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既保證膜片與污染物的隔絕，又便于拔出塞子進(jìn)行清洗維護(hù)。

針對(duì)壓力膜片可能產(chǎn)生的精度漂移，每次安裝前都會(huì)通過配置管理軟件對(duì)流速儀執(zhí)行一次自動(dòng)校準(zhǔn)操作，以保證入水測(cè)量前的大氣壓測(cè)量值的準(zhǔn)確性。對(duì)壓力測(cè)量的溫度漂移，通過壓力采集模塊內(nèi)置的溫度傳感器根據(jù)壓力元件的溫度曲線進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

1.4 流速儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按 IP68 防護(hù)等級(jí)進(jìn)行流速儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用STM32 系列微控制器和 ZoomFFT 選帶傅里葉變換算法，有效保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性并具有毫米級(jí)別的速度分辨率；電路具有過電壓、浪涌電壓及電源極性反接等保護(hù)功能，可避免操作失誤而引起的電氣損壞。尤其適用于濁度 ＞ 20 mg/L 的流體流速、流量測(cè)量，同系列產(chǎn)品也可應(yīng)用于固液兩相流的流速、流量測(cè)量。

安裝到水底的流速儀，避開了表面油污和漂浮物的影響，但會(huì)面臨管底淤積的考驗(yàn)。由于污水中充斥著各類纖維、布條、毛發(fā)、塑料袋等雜物，如果通過機(jī)械清洗裝置進(jìn)行自清理維護(hù)，各類纖維可能會(huì)纏繞住機(jī)械動(dòng)件，為流速儀附帶的清理設(shè)備帶來更大的故障隱患。因此考慮到管道淤積對(duì)超聲換能器的遮擋和覆蓋威脅，流速儀的外殼結(jié)構(gòu)采用流線性設(shè)計(jì)，盡量減少在水中的阻力，降低形成淤積的概率。同時(shí) 2 個(gè)超聲換能器的最優(yōu)間距、2 探頭軸線平行且與安裝底面呈特定夾角的設(shè)計(jì)，除可保證聲波信號(hào)的最佳質(zhì)量外，還可形成渦流沖刷效應(yīng)，從而保證超聲換能器不被污濁物質(zhì)覆蓋。流速儀產(chǎn)品實(shí)物圖如圖4 所示。

流速儀內(nèi)部全部灌封環(huán)氧樹脂膠，固化后殼體結(jié)構(gòu)達(dá)到 IP68 防水等級(jí)，懸掛于井口的電池設(shè)備箱按照 ExiaIICT5 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，整機(jī)裝備滿足排水管道測(cè)量應(yīng)用的防水、防爆等級(jí)要求。

圖4 流速儀產(chǎn)品實(shí)物圖

流速水位一體化的設(shè)計(jì)，以及置于水底的安裝，通過速度面積法可有效測(cè)量排水管道中的非滿管渾濁液體的流量，克服了時(shí)差法超聲波流量計(jì)對(duì)流體滿管、濁度低的苛刻要求。

2 多普勒流速儀嵌入式軟件設(shè)計(jì)

多普勒流速儀嵌入式軟件包括超聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、發(fā)射與接收邏輯時(shí)序控制、溫度與壓力采集計(jì)算、信號(hào)頻譜分析 4 個(gè)部分。嵌入式微處理器STM32 內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)接收到的多普勒頻偏信號(hào)進(jìn)行采樣量化，然后對(duì)離散化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行 ZoomFFT[7]變換，得到頻率變化量，通過以下公式可求水流速度v：

式中：f為測(cè)量的回波頻率；f0為超聲換能器中心頻率；c為超聲波在水中傳播速度；θ為換能器與水流速度之間夾角。

再通過自適應(yīng)中位值平均濾波算法進(jìn)行處理，就可得到相對(duì)精準(zhǔn)的流速值。

2.1 ZoomFFT 算法原理

設(shè)模擬信號(hào)為X(t)，經(jīng)過抗混疊濾波采樣后的序列為

式中：D為細(xì)化倍數(shù)；M為濾波器階數(shù)；N為 FFT頻率分析的點(diǎn)數(shù)。

ZoomFFT 算法實(shí)現(xiàn)流程可概括如下：

1）構(gòu)造復(fù)解析帶通濾波器。

2）選抽濾波。

3）復(fù)調(diào)制移頻。將細(xì)化后的起始頻率移到零頻處，頻移量為 Δf。

4）進(jìn)行 FFT 頻譜分析。直接做N點(diǎn) FFT 頻譜分析時(shí)，頻率分辨率F0與 ADC 的采樣頻率fs有關(guān)，即F0=fs/N，而 ZoomFFT 變換獲得的頻率分辨率F′0=fs/(N×D) =F0/D，因此分辨率提高了D倍。

根據(jù) ZoomFFT 頻譜分析，后頻點(diǎn)i與信號(hào)頻率關(guān)系為

式中：fl為帶通濾波器的下限頻率。

得到此時(shí)回波多普勒頻率f后，可通過公式（1）推導(dǎo)出水流速度 ，再對(duì)v進(jìn)行補(bǔ)償校正，從而得到精確的流速測(cè)量值。

2.2 自適應(yīng)中位值平均濾波算法

對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾，移動(dòng)中位值平均濾波算法可有效地消除脈沖干擾所引起的偏差。若脈沖（干擾值）在空間上出現(xiàn)的概率較大時(shí)，移動(dòng)中位值平均濾波算法則可能導(dǎo)致窗口內(nèi)脈沖值未能濾除；若窗口過大，則會(huì)導(dǎo)致濾波結(jié)果失真且降低計(jì)算速度[8]。為了改善濾波效果，引入自適應(yīng)中位值平均濾波算法，該方法綜合了中位值和算術(shù)平均 2 種濾波法的特性，改變?yōu)V波窗口的大小，在中位值平均濾波算法中引入判斷操作，以判斷窗口內(nèi)的流速值是否為干擾脈沖。

令初始窗口大小值為W0，最大窗口值為Wmax，vi為窗口內(nèi)第i個(gè)流速值，vmid為窗口內(nèi)流速中位值，A為門限閾值，vmin為窗口內(nèi)最小流速值，vmax為窗口內(nèi)最大流速值。則基本濾波過程如下：

1）若vmin＜vmid＜vmax，則轉(zhuǎn)向步驟（2），否則窗口尺寸增加；當(dāng)窗口的尺寸 ≤Wmax時(shí)，重復(fù)判斷（1），否則輸出vmid。

2）若 |vi-vmid| ≤A，則輸出vi，否則輸出vmid。

依上述步驟濾波處理后得到不含脈沖干擾的數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理就可以得到準(zhǔn)確的流速值。

3 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)并優(yōu)化軟件算法，分別進(jìn)行水槽走車和河道流速測(cè)量試驗(yàn)。水槽走車試驗(yàn)的目的是確定相對(duì)理想測(cè)速條件下流速儀內(nèi)部電路和算法等參數(shù)的最優(yōu)值，河道實(shí)驗(yàn)主要解決實(shí)際環(huán)境中紊流、層流交織狀態(tài)給流速濾波算法帶來的困難。

3.1 水槽走車試驗(yàn)

水槽走車試驗(yàn)基于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理設(shè)計(jì)，即水槽中水保持靜止，而走車以設(shè)定的恒定速度帶動(dòng)流速儀在水槽中運(yùn)動(dòng)。由于走車速度可設(shè)定在全量程范圍內(nèi)（本設(shè)計(jì)中自行設(shè)計(jì)制作的走車裝置額定速度為 5 m/s，不銹鋼水槽長(zhǎng)度為 10 m，寬度為 1 m）的任何恒定速度值，為電路和算法的驗(yàn)證帶來便利，對(duì)于低穩(wěn)定流速時(shí)硬件接收電路的信號(hào)靈敏度驗(yàn)證、ZFFT 變換點(diǎn)數(shù)的優(yōu)化尤其有效。通過大量試驗(yàn)，最終確定接收信號(hào)放大電路可調(diào)增益的放大倍數(shù)范圍為 5～20，ZFFT 變換的采樣點(diǎn)數(shù)為 2 048 點(diǎn)。

在華南水文儀器檢測(cè)中心國(guó)家一級(jí)水槽測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，將本款流速儀流速測(cè)量值與走車標(biāo)準(zhǔn)速度進(jìn)行流速對(duì)比測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表 1 所示。流速儀流速測(cè)量值與走車標(biāo)準(zhǔn)速度值的擬合線性度達(dá)到99.99%，擬合曲線如圖5 所示。即本流速儀的流速校正系數(shù)為 1.079 9，線性校正后流速儀流速測(cè)量誤差 ＜ 2%，滿足絕大多數(shù)流量測(cè)量場(chǎng)合對(duì)測(cè)量精度的要求。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù) m/s

圖5 走車標(biāo)準(zhǔn)速度與流速儀測(cè)量值線性度擬合結(jié)果

3.2 河道流速測(cè)量試驗(yàn)

由于河道中水流伴隨著紊流與層流交織的狀態(tài)，更具有實(shí)際應(yīng)用代表性，因此河道試驗(yàn)可驗(yàn)證流速儀的抗干擾性及動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果。在龍崗河龍城廣場(chǎng)段測(cè)量處（此段上下游長(zhǎng)度接近 300 m，覆蓋了各種流態(tài)和斷面）獲取到大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為了便于展示，僅截取某測(cè)量過程中間段的 85 個(gè)測(cè)量值進(jìn)行分析。

圖6 是未經(jīng)過自適應(yīng)中位值濾波算法進(jìn)行平滑的原始測(cè)量值，可見測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)比較大，測(cè)量精度較低，最大與最小值之間的差值也比較大；圖7 是利用綜合濾波法與自適應(yīng)窗口后的效果圖，從對(duì)比結(jié)果看，能有效濾除雜波干擾，使數(shù)據(jù)更加平滑，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度得到大幅提升，濾波效果顯著。

圖6 未經(jīng)濾波平滑處理的數(shù)據(jù)

圖7 經(jīng)過自適應(yīng)濾波處理的數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

多普勒流速儀目前已安裝應(yīng)用于內(nèi)蒙古灌區(qū)信息化工程和部分城市的排水流量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，可適應(yīng)各種復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境和多種測(cè)量斷面形狀的要求，在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量穩(wěn)定，運(yùn)行效果良好，有效支撐了農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的灌溉水量計(jì)量工作。這些應(yīng)用表明采用超聲波多普勒效應(yīng)進(jìn)行流速測(cè)量是一種有效的方法，多普勒效應(yīng)與速度呈現(xiàn)強(qiáng)線性相關(guān)性，易于進(jìn)行流速修正。但在明渠和排水管道流量測(cè)量應(yīng)用中仍無法省略流速標(biāo)定與對(duì)比試驗(yàn)，這源于渠道形狀的不規(guī)則和管道淤積的變動(dòng)性，因此后續(xù)在多普勒流速儀流速測(cè)量功能之外實(shí)現(xiàn)斷面形狀的自動(dòng)測(cè)量具有重要意義。

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