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流速仪信号计算机采集系统的设计2002年9月（1） 摘要 分析了采用计算机采集转子式流速仪信号时需要解决的关键问题，介绍了采用硬、软件结合方法设计的流速仪信号计算机采集系统。 关键词 数据采集 计算机采集 流速仪 检定 0 引言 转子式流速仪是专用于明渠水流速度测量的仪器。它广泛地用于水文水资源部门，电力、地质、环保等部门亦有使用。为了保证测量的准确性，流速仪在出厂前或使用了一段时间（一般为1年）之后就要重新对其进行检查检定，以确定仪器转子的转数与水流速度之间的关系，供水文技术工作者测速时查读。 流速仪检定设备主要包括检定水槽槽体和检定系统两大部分。作者在研究、设计检定系统时，将其分为2个子系统：①检定车的计算机调速系统；②流速仪信号计算机数据采集系统。本文主要论述在流速仪信号采集系统设计、调试过程中遇到的主要问题和解决方法。 1 系统需要解决的问题 转子式流速仪主要由旋浆、转子轴承、机械式触点等组成。检定流速仪时，将仪器置入水槽中，检定车以各种稳定的速度牵引流速仪运动，记录一定时间内流速仪转子转过的圈数，计算出转子转速。每架仪器需要采集的速度点为16～18个，在每个速度点上都有与之对应的转子转数、测量时间，从而可以计算出转子转数。根据预定的速度点系列，测得流速仪的转子转速序列，然后用最小二乘法拟合出该架流速仪的“流速－转子转速”曲线，计算该仪器的水力螺距d的值和仪器常数C，从而也就确定仪器转子转数与水流速之间的关系：
式中：v为水流速度，m/s；d为水力螺距，m；n为转子每秒转数,r/s；C为仪器常数，m/s。目前国内使用的流速仪种类多，内部结构差异较大。计算机读取仪器信号时存在以下问题： ①机械式触点动作时存在着抖动现象，且不同型号的仪器抖动程度不同，这会使一次动作引起若干次电平信号变化，使计算机误记信号个数。检测时必须剔除假信号。 ②仪器的转率不同，信号的间隔不同，因而周期、占空比不同，本系统需要处理7种型号流速仪：LS25－1－1，LS25－1－2，LS25－1A，LS25－3A，LS10，LS68，LS1206B，信号频率为0.02~100Hz，变化范围50 000。占空比在5％～20％之间，给信号的滤波带来了困难。 ③检定时仪器置入水中，水电阻对电信号产生影响，直接影响信号转换电路电压、电流的大小。目前与流速仪配套使用的音响器使用中存在着问题，多数在仪器入水后即发出声响，转数信号到来时，声音更响一些而已，非常容易引起误计数。 ④流速仪在水中通电，电流不能太大，超过仪器触点允许电流时，一方面影响仪器触点寿命，另一方面对接线点产生电离作用，造成触点损坏。 ⑤抗干扰问题。检定时仪器置于水中，各种扰动信号会通过流速仪信号线进入电气控制系统；检定车采用变频器构成的交流调速系统，变频器的射频干扰和对电网造成的污染会对流速仪的电信号产生严重的影响。流速仪信号波形如图1所示。 图1 流速仪信号波形 2 系统硬件设计 流速仪信号采集系统由信号调理板和PCL836的16位数字量输入/输出接口组成，其原理框图如图2所示。来自流速仪的触点信号（一架或多架的）送入信号调理板，经过信号转换、隔离、电平转换、滤波和放大后，变换为TTL标准信号，送入数字量输入/输出接口进行硬件数字滤波，之后再提供给计数器计数。 图2 流速仪信号采集系统框图 信号调理板中，信号转换电路将仪器触点的接通/断开转换为电信号，这部分电路元、器件参数的取值尤为重要。取值的基本原则是：考虑水电阻在内，仪器两端的电压在满足与后级光电隔离器件匹配的情况下要尽可能地低，电流信号在小于仪器允许的最大电流限制条件下尽可能地大，这样可以最大限度地抑制由于水电阻变化而引起的电信号的变化，有效地降低干扰信号带来的影响，同时也把电离对仪器造成的损害减至最低水平。高质量的光电隔离蕊片，将流速仪的电信号与计算机系统在电气上完全隔离；硬件滤波电路为滤除高频扰动信号由硬件电路滤波，其它频率的信号由软件滤波。放大电路将电气信号转换为TTL标准信号并送入计算机数字量输入/输出接口PCL836板。信号调理板电路原理如图3所示。 图3 流速仪信号处理电路原理图 |
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