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流速儀信號計算機采集系統的設計2002年9月(1)

摘要  分析了采用計算機采集轉子式流速儀信號時需要解決的關鍵問題,介紹了采用硬、軟件結合方法設計的流速儀信號計算機采集系統。

關鍵詞   數據采集   計算機采集   流速儀    檢定

0 引言

   轉子式流速儀是專用于明渠水流速度測量的儀器。它廣泛地用于水文水資源部門,電力、地質、環保等部門亦有使用。為了保證測量的準確性,流速儀在出廠前或使用了一段時間(一般為1年)之后就要重新對其進行檢查檢定,以確定儀器轉子的轉數與水流速度之間的關系,供水文技術工作者測速時查讀。

流速儀檢定設備主要包括檢定水槽槽體和檢定系統兩大部分。作者在研究、設計檢定系統時,將其分為2個子系統:①檢定車的計算機調速系統;②流速儀信號計算機數據采集系統。本文主要論述在流速儀信號采集系統設計、調試過程中遇到的主要問題和解決方法。

1  系統需要解決的問題

   轉子式流速儀主要由旋漿、轉子軸承、機械式觸點等組成。檢定流速儀時,將儀器置入水槽中,檢定車以各種穩定的速度牽引流速儀運動,記錄一定時間內流速儀轉子轉過的圈數,計算出轉子轉速。每架儀器需要采集的速度點為16~18個,在每個速度點上都有與之對應的轉子轉數、測量時間,從而可以計算出轉子轉數。根據預定的速度點系列,測得流速儀的轉子轉速序列,然后用最小二乘法擬合出該架流速儀的“流速-轉子轉速”曲線,計算該儀器的水力螺距d的值和儀器常數C,從而也就確定儀器轉子轉數與水流速之間的關系:

               

式中:v為水流速度,m/s;d為水力螺距,m;n為轉子每秒轉數,r/s;C為儀器常數,m/s。目前國內使用的流速儀種類多,內部結構差異較大。計算機讀取儀器信號時存在以下問題:

①機械式觸點動作時存在著抖動現象,且不同型號的儀器抖動程度不同,這會使一次動作引起若干次電平信號變化,使計算機誤記信號個數。檢測時必須剔除假信號。

②儀器的轉率不同,信號的間隔不同,因而周期、占空比不同,本系統需要處理7種型號流速儀:LS25-1-1,LS25-1-2,LS25-1A,LS25-3A,LS10,LS68,LS1206B,信號頻率為0.02~100Hz,變化范圍50 000。占空比在5%~20%之間,給信號的濾波帶來了困難。

③檢定時儀器置入水中,水電阻對電信號產生影響,直接影響信號轉換電路電壓、電流的大小。目前與流速儀配套使用的音響器使用中存在著問題,多數在儀器入水后即發出聲響,轉數信號到來時,聲音更響一些而已,非常容易引起誤計數。

④流速儀在水中通電,電流不能太大,超過儀器觸點允許電流時,一方面影響儀器觸點壽命,另一方面對接線點產生電離作用,造成觸點損壞。

⑤抗干擾問題。檢定時儀器置于水中,各種擾動信號會通過流速儀信號線進入電氣控制系統;檢定車采用變頻器構成的交流調速系統,變頻器的射頻干擾和對電網造成的污染會對流速儀的電信號產生嚴重的影響。流速儀信號波形如圖1所示。

  圖1  流速儀信號波形

2  系統硬件設計

   流速儀信號采集系統由信號調理板和PCL836的16位數字量輸入/輸出接口組成,其原理框圖如圖2所示。來自流速儀的觸點信號(一架或多架的)送入信號調理板,經過信號轉換、隔離、電平轉換、濾波和放大后,變換為TTL標準信號,送入數字量輸入/輸出接口進行硬件數字濾波,之后再提供給計數器計數。

圖2  流速儀信號采集系統框圖

  信號調理板中,信號轉換電路將儀器觸點的接通/斷開轉換為電信號,這部分電路元、器件參數的取值尤為重要。取值的基本原則是:考慮水電阻在內,儀器兩端的電壓在滿足與后級光電隔離器件匹配的情況下要盡可能地低,電流信號在小于儀器允許的最大電流限制條件下盡可能地大,這樣可以最大限度地抑制由于水電阻變化而引起的電信號的變化,有效地降低干擾信號帶來的影響,同時也把電離對儀器造成的損害減至最低水平。高質量的光電隔離蕊片,將流速儀的電信號與計算機系統在電氣上完全隔離;硬件濾波電路為濾除高頻擾動信號由硬件電路濾波,其它頻率的信號由軟件濾波。放大電路將電氣信號轉換為TTL標準信號并送入計算機數字量輸入/輸出接口PCL836板。信號調理板電路原理如圖3所示。

                   圖3  流速儀信號處理電路原理圖


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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