摘 要：超聲波明渠流量計是目前在環保行業檢測水污染用的***多的一種檢測方法。這里提出了一種新的以ARM Cortex-M3為核心，通過利用超聲波的波長和時間相關的向量差的算法，可以精準的算出當前水污染的排水速度和高度，同時通過無線GPRS將該數據實時上傳到服務器，從而達到對監測點水污染實時檢測的目的。通過比較發現，和目前流行的檢測儀方法相比，本文提出的方法精準度可以提高50%左右，而成本下降30%，具有的性價比和市場效益。
1、導言：
工業廢水是水體主要污染源，它面廣、量大、含污染物質多、組成復雜，有的毒性大，處理困難，流量測量一直困擾著工業、市政、水利等領域。盡管許多*技術在流量測量領域中有較廣泛的應用于業績，但在上述測量方面仍進展不大，也缺乏創新。明渠流量檢測作為流量測量的一大分支，隨著電子技術、數字技術和聲楔材料等技術的發展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術發展很快。基于不同原理，適用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現，已廣泛應用于給排水、污水處理等各個行業。工業和共用事業目前應用較多的明渠流量儀是超聲波流量計，其測量方法主要有時差法[ 1 ] 、多普勒效應法[ 2 ] [ 3 ] 、相關法、噪聲法[ 5 ] 、波束偏移法等，其中時差法應用***為普遍。超聲波流量計的時差測量法是基于超聲波在具有流速的媒質里傳播時，其傳播時間(速率)會隨著媒質流速的變化而變化的原理來實現媒質流速測量的方法。
但是利用目前通用的時差法還存在一些問題，其中***突出的問題主要如下：
（1）水的流速和高度的矢量關系無法的算出。
（2）當前的處理器的速度都比較慢，而且沒有采取無線信號傳輸方式來實時檢測。
本文提出了一種新的基于32位ARM Cortex-M3內核和uClinux系統的利用超聲波波長在不同時間段內多次檢測的的向量差，得出水的流速和高度之間的矢量關系，同時將該矢量關系以數組數據方式通過GPRS無線信號實時上傳到服務器，從而解決了通用時差法無法解決的兩個問題。***后的實時數據分析表明，采用本文提出的向量差方法得到的水的高度和速度之間的矢量關系數據比單用時差法要很多。
2、超聲波明渠流量測量原理：
采用波長和時間的向量差的實現原理如上圖1所示。假設當水通過流量槽形成自然流動時，其流量Q與流量槽上流水位H的關系為：
Q=K*Hn （2.1）
式中的K，n分別是流量系數和槽結構的喉部尺寸，實際現場依據不同的情況，不同的尺寸賦予不同的值；H為液位的高度（m）.超聲波傳感器在單片機的控制下，進行超聲波的發送和接收，由超聲波的傳播時間T來計算傳感器和液面之間的距離：
h(t)=(c*t)/2 （2.2）
式中，c為超聲波在空氣介質中得傳播速度（m/s），若傳感
器距流量槽的零液位距離為L，則液位的高度
H(t)=L- h(t) （2.3）
如果我們對上述的數據連續檢測，在時間T 內做一個連續時間上的平均，基本就可以得到在一個周期內的液位高度值：
超聲波傳感器發射電路中的振蕩器產生一定頻率的脈沖信號，作為發射的激勵信號，當超聲波遇到被測液面發射被接收電路接收，由單片機機處理后，算出回波的時間間隔T，由公式 (2.1)、（2.2）、（2.3）和（2.4）***終算出瞬時的流量速度，從而得到水的速度和高度的矢關系。
圖2 系統的結構框圖
3、系統的硬件實現方案：
系統包括超聲波發射電路，接收電路，核心功能模塊單片機控制器，數據的傳輸和上位機的顯示。利用超聲波探頭測得高精度的液位信息，再將液位信息與堰槽的類型尺寸相結合，送入ARM處理算出流量，通過串口，傳輸到上位機，從而完成了污水流量計量體統的設計。
圖2 系統的硬件結構圖
其中超聲波發射電路和接收電路都采用了philip公司的集成芯片TCRT16-40，通過UART接口直接和Cortex M3 CPU連接，在提供2路模擬通道給超聲波探頭完成模數轉換功能,模數轉換采取12位高精度的，電流感應電路。通過一定的放大功能完成信號采集和轉換。電源電路這里采用了National Semi公司的TD1583 雙路DCDC完成高效率，低紋波的電源電平轉換，將輸入的+5V電源，一路給系統3.3V電壓，1.5A電流，然后通過電感完成模擬電源和數字電源隔離，一路給GPRS，4.0V電壓和2.5A電流，GPRS模塊這里采取了SIMCOM公司的SIM900A模塊，集成tcp/ip協議棧，通過5線UART口和ARM Cortex M3 CPU完成數據交互。波特率在115200bps。
4、系統的軟件設計:
系統的軟件設計完成了系統的初始化，模數轉換芯片的參數配置，GPRS協議棧初始化以及算法處理、數據保存和無線傳輸等。整個軟件在uClinux系統上完成，由操作系統內部完成任務調度和轉換，通過一定的優化完成，整個流程如下圖3所示：
5、測試到的數據度分析:
我們將采集到的數據和通用的時差法（傳統算法）得到的數據通過對比，得到了如下數據表格：
從上圖可以看出，采取我們當前的算法更加逼近實際的數據，這個也表明了采用我們的向量差的算法的測試儀數據更加。
6、總結:
| 表1 | 測試到的數據分析 | | |
| | | | | |
| | | / | | |
| 1 | | 0.7, 12 | 0.65, 11.82 | 0.58, 11.32 |
| 8 | | 0.5, 10.5 | 0.47, 10.33 | 0.42, 9.87 |
| 24 | | 0.6, 10.8 | 0.58, 10.45 | 0.46, 10.39 |
| 48 | | 0.6,10.5 | 0.57, 10.29 | 0.52,9.88 |
| 1 | | 0.5, 11 | 0.47, 10.82 | 0.39, 10.12 |
本文提出了一種新的以ARM Cortex-M3為核心，通過利用超聲波的波長和時間相關的向量差的算法，可以精準的算出當前水污染的排水速度和高度，同時通過無線GPRS將該數據實時上傳到服務器，從而達到對監測點水污染實時檢測的目的。從實際情況來看，采用該算法和該系統的測試儀，無論是在成本上，還是在性能上，都比目前市場上的測試儀都要好的多，這個也表明了該算法測試儀具有十分廣闊的市場應用價值。
