智能流量測量系統(tǒng)及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種智能流量測量系統(tǒng)及測量方法。所述智能流量測量系統(tǒng)包括控制器、與控制器連接的轉子流速儀和壓力變送器、以及分別連接至所述控制器上的顯示屏、USB芯片和鐵電存儲器芯片；所述鐵電存儲器芯片內包含時鐘模塊和存儲模塊，所述轉子流速儀的轉子每轉動五次便向控制器發(fā)出一次脈沖信號；所述控制器分別獲取來自轉子流速儀和所述壓力變送器的流速數據和水位數據，并計算出流量。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明智能化程度明顯提高，且操作方便，利用壓力變送器、轉子流速儀及控制器等之間的通訊連接，能夠精準的測得明渠的流量，同時能對測試結果通過顯示屏進行展示，更加人性化。
【專利說明】
智能流量測量系統(tǒng)及測量方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及流體測量技術，尤其涉及一種智能流量測量系統(tǒng)及其測量方法。
【背景技術】
[0002]非滿管狀態(tài)流動的水路稱作明渠(OpenChannel)，測量明渠中水流流量的儀表稱作明渠流量計。明渠流通剖面除圓形外，還有U形、梯形、矩形等多種形狀，日常生活中主要的明渠有:城市供水引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)廢水排放以及水利工程和農業(yè)灌溉用渠道，這些明渠是明渠流量計的主要應用場所。目前國內外用于明渠流量測量的儀器仍然是以普通轉子式為主，這種測流方法一般停留在現(xiàn)場人工記錄、人工計算、校核、復核的低水平上，難以適應水文測量快速、準確的巡測要求。隨著計算機技術、電子技術和通信技術的迅猛發(fā)展，尤其是超大規(guī)模集成電路的問世，功能日趨完善，成本不斷降低，使得各種智能化儀器應用越來越多，以單片機為核心的智能流量儀，具有智能化、操作方便、硬件電路簡單的特點，使得現(xiàn)有的轉子式流量測量儀器的劣勢越發(fā)明顯。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種智能流量測量系統(tǒng)及測量方法，以提高智能化程度和使用便捷性。
[0004]為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種智能流量測量系統(tǒng)，其包括控制器、與控制器連接的轉子流速儀和壓力變送器、以及分別連接至所述控制器上的顯示屏、USB芯片和鐵電存儲器芯片;所述鐵電存儲器芯片內包含時鐘模塊和存儲模塊，所述轉子流速儀的轉子每轉動五次便向控制器發(fā)出一次脈沖信號;所述控制器分別獲取來自轉子流速儀和所述壓力變送器的流速數據和水位數據，并計算出流量。
[0005]作為本技術方案的進一步改進，所述壓力變送器和控制器通過RS485接口進行數據通訊，所述控制器將所述壓力變送器傳送過來的水位數據通過所述顯示屏顯示出來。
[0006]作為本技術方案的進一步改進，所述控制器為單片機，其具備看門狗、模數轉換器、數模轉換器、電壓比較器、定時器、以及脈沖寬度調制器;所述USB芯片與外部U盤設備連接。
[0007]本發(fā)明還采用一種智能流量測量方法，其包括如下步驟:
測量明渠寬度，并根據寬度確定需要測量的垂線數量；
用轉子流速儀和壓力變送器測得每條垂線的平均流速；
確定相鄰兩條垂線間截面的流量；
將前述截面的流量相加，得到明渠的流量。
[0008]作為本技術方案的進一步改進，所述明渠寬度與所述垂線數量的關系為:當寬度小于10米時垂線為3條，當寬度為10-20米時，垂線為6條。
[0009]作為本技術方案的進一步改進，用轉子流速儀和壓力變送器測得每條垂線的平均流速，包括:利用壓力變送器測量被測垂線的水位數據，根據該水位數據來確定該垂線上所需測量的測量點；利用轉子流速儀測量每個測量點上的流速，取其平均值得到該被測垂線的平均流速。
[0010]作為本技術方案的進一步改進，根據該水位數據來確定該垂線上所需測量的測量點，具體包括:當垂線的水深為5-10米時，選取三個測量點，其分別位于垂線水深的0.2倍處、0.5倍處、0.8倍處的位置；當垂線水深小于5米時，選取兩個測量點，其分別位于垂線水深的0.3倍處及0.6倍處位置。
[0011 ]作為本技術方案的進一步改進，確定相鄰兩條垂線間截面的流量，具體過程為:根據相鄰兩條垂線的平均流速，取其平均值作為該相鄰兩條垂線間截面的平均流速;將該截面的平均流速乘以該截面的面積，得到該截面的流量。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明智能化程度明顯提高，且操作方便，利用壓力變送器、轉子流速儀及控制器等之間的通訊連接，能夠精準的測得明渠的流量，同時能對測試結果通過顯示屏進行展示，更加人性化。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明所述智能流量測量系統(tǒng)的架構圖。
[0014]圖2為本發(fā)明所述智能流量測量方法的流程圖。
[0015]圖3為本發(fā)明所述智能流量測量方法的應用場景示意圖。
【具體實施方式】
[0016]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種智能流量測量系統(tǒng)，其包括控制器、與控制器連接的轉子流速儀和壓力變送器、以及分別連接至所述控制器上的電源、鍵盤、顯示屏、USB(Universal Serial Bus)芯片和鐵電存儲器芯片。
[0017]在本發(fā)明較佳實施例中，所述控制器優(yōu)選為C8051單片機，其完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(378七6111-011-&-0^?，300，具有與此3-51完全兼容的指令內核，所述08051單片機采用流水線處理(pipe line)技術，不再區(qū)分時鐘周期和機械周期，能在執(zhí)行指令期間預處理下一條指令，提高了指令執(zhí)行效率，而且C8051單片機具備看門狗、模數轉換器(Analog-to-digital converter，ADC)、數模轉換器(Digital-to-analog converter，DAC)、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器、脈沖寬度調制(Pulse Width Modulat1n,PffM)器、定時器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口，包括通用異步收發(fā)傳輸器(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口、串行外設接口(Serial PeripheralInterface，SPI)、系統(tǒng)管理總線(System Management Bus，SMBUS)接口以及控制器局域網總線(Controller Area Network，CAN)接口。另外，所述C8051 單片機米用Flash ROM技術，集成JTAG，支持在線編程。
[0018]所述轉子流速儀用于測量流速，且轉子每轉動5次就發(fā)出一次脈沖信號，因此只需測出脈沖周期即可計算出當前的流速。所述壓力變送器用于測量水深(即水位數據)，其內含壓力傳感器，利用壓力傳感器的原理將液位轉換成電信號顯示出來，為了便于后續(xù)的計算，需要將壓力變送器和單片機進行數據通訊(采用RS485接口連接)，便于單片機控制數據的存儲和顯示，所述單片機需要將所述壓力變送器傳送過來的數據通過顯示屏顯示出來，其中，所述單片機與所述顯示屏內的顯示芯片LM19264通訊連接，所述顯示屏可直觀顯示測量及查詢結果，并可方便的設定參數及修改時間值。
[0019]所述USB芯片優(yōu)選為SL811芯片，用于連接外部的U盤設備，使得單片機能夠實現(xiàn)讀寫U盤的功能，且所述SL811芯片內部有256字節(jié)的存儲器(RAM)，開始的16個RAM用作控制和狀態(tài)寄存器，用來控制SL811的輸入輸出操作，其余的用作數據緩沖(DATA BUFFING)，所述單片機通過寄存器來控制SL811芯片的操作，其中，所述單片機對SL811芯片的訪問分為兩個階段:寫地址和寫/讀數據。
[0020]所述鐵電存儲器芯片優(yōu)選為FM3164，其內包含時鐘模塊和存儲模塊，所述時鐘模塊用于精準顯示當前的時間，所述存儲模塊用于滿足大批量測量數據的存儲，由于兩個模塊的獨立存在，需要由所述單片機編程來控制FM3164芯片的工作模式。
[0021]運行時，所述單片機將采集來的水位、流速信號通過USB芯片(S卩SL811芯片)將數據存入到U盤設備中，USB是一種輪詢方式的總線，其主機控制器將初始化所有的數據傳送并啟動所有的數據傳輸，每次傳送開始，主機控制器將發(fā)送一個描述傳輸動作的種類、方向、U盤設備地址和端口號的USB數據包，由U盤設備從解碼后的數據包中取出屬于自己的數據。在本發(fā)明較佳實施例中，所述SL811芯片對一個接入的U盤設備的啟動過程為:
I )、SL81IHS檢測到有外部U盤設備接入；
2)、對這個U盤設備進行Reset操作，檢測該U盤設備是高速設備還是低速設備，并設置好SL811IE中對應的寄存器位；
3)、通過O號端點讀取該U盤設備的描述符信息如廠商ID產品ID設備類、設備子類、設備協(xié)議；
4)、SL811IE固件驅動程序對該U盤設備進行初始化:讀取該U盤設備的設備描述符，為該設備指定地址，讀取該設備的配置描述符信息、接口描述符信息、端點描述符信息，為該U盤設備設置選擇配置描述符；
5)、對該U盤設備的初始化完成后，按照應用要求與該設備進行通信。
[0022]如圖2所示，本發(fā)明還提供一種智能流量測量方法，其包括如下步驟:
Stepl:測量明渠寬度，并根據寬度確定需要測量的垂線數量；
Step2:用轉子流速儀和壓力變送器測得每條垂線的平均流速；
Step3:確定相鄰兩條垂線間截面的流量；
Step4:將前述截面的流量相加，得到明渠的流量。
[0023]請配合參閱圖3所示，其中，Stepl中所述明渠寬度與所述垂線數量的關系為，寬度小于10米時垂線為3條，寬度為10-20米時，垂線為6條。
[0024]Step2中用轉子流速儀和壓力變送器測得每條垂線(如LI和L2)的平均流速的具體過程為:先用壓力變送器測量被測垂線的水深，根據水深數據來確定該垂線上需要測量的測量點，然后利用轉子流速儀測量每個測量點上的流速，取其平均值得到被測垂線的平均流速。其中，所述測量點一般選取兩點或三點，當垂線的水深H為5-10米時，則所述測量點選取3個點(如A、B、C)，其深度分別為0.2H，0.5H及0.8H，當垂線水深H為小于5米時，則所述測量點選取2個點，其深度分別為0.3H及0.6H。
[0025]Step3中確定相鄰兩條垂線間截面的流量，具體過程為:根據Step2中測得的每條垂線的平均流速Vl和V2，取相鄰兩條垂線平均流速的平均值，得到相鄰兩條垂線間截面的平均流速V=(Vl+V2)/2，然后，將該截面的平均流速V乘以截面的面積S，即可得到該截面的流量Ql =V*S ο以此類推，可計算得到多個截面的流量Q2、Q3、Q4、Q5……。
[0026]本測量方法中，采用壓力變送器和轉子流速儀可分別獲得明渠的垂線的深度及垂線上測量點的流速，并將深度數據和流速數據傳送至控制器，經由控制器在顯示屏上進行展示，并可將數據存儲在所述鐵電存儲器芯片中，利用本方法測得的流量較為精準，且測量過程智能化程度較高，操作也十分方便，在單片機、壓力變送器、轉子流速儀等硬件的配合下，使得測量過程和測量結果更加符合現(xiàn)代化生產的需求。
[0027]以上所述，僅是本發(fā)明的最佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，利用上述揭示的方法內容對本發(fā)明技術方案做出許多可能的變動和修飾，均屬于權利要求書保護的范圍。
【主權項】
1.一種智能流量測量系統(tǒng)，其特征在于，包括控制器、與控制器連接的轉子流速儀和壓力變送器、以及分別連接至所述控制器上的顯示屏、USB芯片和鐵電存儲器芯片；所述鐵電存儲器芯片內包含時鐘模塊和存儲模塊，所述轉子流速儀的轉子每轉動五次便向控制器發(fā)出一次脈沖信號;所述控制器分別獲取來自轉子流速儀和所述壓力變送器的流速數據和水位數據，并計算出流量。2.根據權利要求1所述的智能流量測量系統(tǒng)，其特征在于:所述壓力變送器和控制器通過RS485接口進行數據通訊，所述控制器將所述壓力變送器傳送過來的水位數據通過所述顯示屏顯示出來。3.根據權利要求2所述的智能流量測量系統(tǒng)，其特征在于:所述控制器為單片機，其具備看門狗、模數轉換器、數模轉換器、電壓比較器、定時器、以及脈沖寬度調制器;所述USB芯片與外部U盤設備連接。4.一種智能流量測量方法，其特征在于，包括如下步驟: 測量明渠寬度，并根據寬度確定需要測量的垂線數量； 用轉子流速儀和壓力變送器測得每條垂線的平均流速； 確定相鄰兩條垂線間截面的流量； 將前述截面的流量相加，得到明渠的流量。5.根據權利要求4所述的智能流量測量方法，其特征在于:所述明渠寬度與所述垂線數量的關系為:當寬度小于10米時垂線為3條，當寬度為10-20米時，垂線為6條。6.根據權利要求5所述的智能流量測量方法，其特征在于:用轉子流速儀和壓力變送器測得每條垂線的平均流速，包括:利用壓力變送器測量被測垂線的水位數據，根據該水位數據來確定該垂線上所需測量的測量點；利用轉子流速儀測量每個測量點上的流速，取其平均值得到該被測垂線的平均流速。7.根據權利要求6所述的智能流量測量方法，其特征在于:根據該水位數據來確定該垂線上所需測量的測量點，具體包括:當垂線的水深為5-10米時，選取三個測量點，其分別位于垂線水深的0.2倍處、0.5倍處、0.8倍處的位置；當垂線水深小于5米時，選取兩個測量點，其分別位于垂線水深的0.3倍處及0.6倍處位置。8.根據權利要求7所述的智能流量測量方法，其特征在于:確定相鄰兩條垂線間截面的流量，具體過程為:根據相鄰兩條垂線的平均流速，取其平均值作為該相鄰兩條垂線間截面的平均流速;將該截面的平均流速乘以該截面的面積，得到該截面的流量。
【文檔編號】G05B19/042GK105890676SQ201610188030
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】薛建峰, 曹新宇, 梁萬雷, 趙鵬
【申請人】北華航天工業(yè)學院