时差法测流的非均匀流场流速模型及算法实现_曲金秋.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第4期No.42023年2月Feb.2023收稿日期：2021-11-16稿件编号：202111116基金项目：2020年中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（Y520018）；2020年江苏省水利科技项目（2020024）作者简介：曲金秋（1993），女，山东烟台人，硕士，工程师。研究方向：嵌入式系统软硬件设计。时差法测流的非均匀流场流速模型及算法实现曲金秋1，2，宗 泽1，2，褚泽帆1，2，朱健勇1，2，王 猛1，2（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）摘要：针对传统测流设备抗干扰能力差、效率低、超声波时差法测流设备严重依赖进口且误差大等问题，设计了非均匀流场的超声波时差法测流系统。该系统的设计过程分为系统总体方案设计、算法设计、系统硬件设计和软件平台的搭建四部分，明确了由电源转换板、数据处理板、信号处理板和超声波传感器组成的系统结构，设计了可提高测量精度的非均匀流场流速计算模型和可拆分式层级结构的电源转换板、数据处理板、信号处理板，介绍了非均匀流场流速计算算法的软件实现方式和完整的软件结构。将设计系统应用于多个水文站进行运行、试验和比测，结果表明，该系统可实现流速流量测量、数据通信和展示，对明渠和大江大河的流速流量测量误差小于4%。关键词：非均匀流场；时差法；测流；流速中图分类号：TN-9文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）04-0001-06DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.04.001Velocity model and algorithm realization of nonuniform flow field withtimedifference methodQU Jinqiu1，2，ZONG Ze1，2，CHU Zefan1，2，ZHU Jianyong1，2，WANG Meng1，2（1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology，Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China；2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring，Nanjing 210012，China）Abstract:In order to solve the problems of poor antiinterference ability and low efficiency of traditionalflow measurement equipment，the timedifference flow measurement equipment relied heavily on importshas large errors，the ultrasonic timedifference flow measurement system with nonuniform flow field wasdesigned.The design process of this system is divided into four parts:overall scheme design，algorithmdesign，system hardware design and software platform building.The system structure composed of powerconversion board，data processing board，signal processing board and ultrasonic sensor is defined.Thecalculation algorithm of velocity of nonuniform flow field and the detachable hierarchical structure ofpower conversion board，data processing board and signal processing board are designed.The softwareimplementation method of velocity calculation algorithm of nonuniform flow field and complete softwarestructure are introduced.The system was applied to multiple hydrological stations for operation andcomparison.The results showed that the system can realize flow rate measurement，data communicationand data display.This system has an error of less than 4%in measuring the flow velocity of open channelsand large rivers.Keywords:nonuniform flow field；timedifference method；flow measurement；flow velocity-1电子设计工程 2023年第4期我国水安全保障体系和国家水资源监控体系的推进，对流速流量的测量方法和测量精度提出了更高的要求1。时差法测流系统在水利水文河渠流量监测领域中应用广泛，是常用的高精度流量监测仪器之一，为江河湖库流量宏观调控和生态流量管控提供了重要的数据支撑。借助超声波实现水位、流速和流量等水文要素的在线监测是目前主流的研究方向2-4，水文要素的主要测量仪器包含走航式或定点式声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）、超声波测深仪、时差法流量监测系统三种5-7。目前超声波时差法流量在线监测设备严重依赖进口，在实际使用过程中发现，其对于国内水文特征复杂的河流流量监测存在缺陷，运行过程中会出现数据丢失、信号中断等问题8。因此，研发出自动化、适应性强、精度高并具有自主知识产权的超声波时差法测流系统具有重要意义。时差法测流常用的流速计算模型为均匀流假设计算模型9-10，对于管道和小型渠道应用尚可，但对于较宽河渠，由于糙率、摩擦力和势能等共同作用，在不同起点距的流速有较大差异，河道越宽，此现象越明显11-12。因此，文中提出一种非均匀流场流速计算模型，该模型在较宽河道中可解算出更准确的流速。基于该模型的推导，采用任务管理能力强、性价比高的 ARM处理器和并行运算能力强、运行速率高的 FPGA 处理器13-15，设计专用的硬件平台，进行模型算法的开发，并将其在时差法测流系统中做嵌入式应用，取得了良好的效果。1系统总体方案设计文中系统分为主机和从机两部分，分别安装于河流两岸，主机和从机通过射频电台进行数据通信，控制安装于水下的超声波传感器发射和接收声信号，经信号处理和数据模型解算，实现流速、流量的监测，可同时外接水位计、水温传感器等，用于获取水位、定点水温等水文数据。因此，该系统的实现需要设计非均匀流场流速计算模型算法、专用的硬件设备和可实现算法的软件平台。系统总体架构如图 1所示。主机和从机结构近似，包含水上的机箱和水下的超声波传感器，机箱和传感器通过电缆相连，机箱内硬件设备为可拆分式层级结构，由供电装置、数据处理、信号处理、远程通信、显控等几部分构成。非均匀流场流速计算模型算法需在软件平台中实现，然后将此软件平台移植于硬件设备中。在系统开发阶段，将超声波传感器置于 30 m宽的河道两侧的水下 1 m深处，并呈一定夹角，通过对比真实流速和该系统测得的流速验证系统的准确性。在实际应用过程中，河流的流速为非均匀流态，因此为了提高该系统的实用性和准确度，设计了非均匀流场下的流速模型算法，并设计专用的硬件设备，而后搭建软件平台以供算法的实现和数据的解算。硬件设备包含数据处理板、信号处理板、电源转换板和液晶显示器，数据处理板采用 ARM核心模块加底板的结构，信号处理板采用ARM+FPGA核心模块加底板的结构。为了满足该系统的功能要求，底板均划分为多个模块进行设计。设计好的超声波时差法测流系统可用于明渠和大江大河的流速、流量和水位等水文数据的监测，并将监测数据于液晶显示屏或Web界面显示。2算法设计对非均匀流场流速计算模型的推导可建立在均匀流场计算模型的基础上。2.1均匀流场流速模型算法设计在河流上、下游固定点之间，超声波在顺流和逆流传播时产生时间差，测出时间差即可测得水流平均速度16，原理如图2所示。图2超声波时差法测流原理图图1系统总体架构图-2将一对超声波发射/接收传感器分别安装在两岸上下游 A 和 B 处，两个超声波传感器的安装角度为，它们之间的直线距离为L，河道宽度为D。流速不为 0 时，到达超声波接收传感器的超声波信号是超声波波束中与轴线有一定夹角的信号。用 c 表示超声波声速的大小，u 表示河流的速度，假设水流沿着x方向，则流速u?=?ux(y)，流速随着河道位置变化，因而与 y有关。假设 uc，顺流时超声波到达对岸耗时t1，逆流时耗时t2，则根据两者时间差可计算河流平均速度。声线满足的动力学方程为：dr?(t)dt=c2s?1-s?u?+u?（1）s?为慢度矢量，方向为声波的传播方向，大小为速度的倒数，满足的方程为：dsdt=-(1-s?u?)cc-s?(u?)-(s?)u?s?s?=1c2(1-s?u?)2（2）定义两个无量纲的量：ux(y)c,csx（3）超声波收发传感器位于同一水平面，此时声速不随位置变化，即c=0，可得sx=const，sz=0，根据式（2）和（3）可得s的y分量：sy=1c()1-2-2（4）代入式（1），可得：dxdt=c1-+dydt=c 1-2()1-2dzdt=0（5）l为声线在水平方向所走过的距离，对安装角度为45角的情况，l=D，经过积分，利用河道宽度和安装角度等已知量可以确定常数的大小。由式（5）可得出：t=1c0D1-()1-2-2dy（6）超声波收发传感器安装角度满足tan=D/l。若已知00)超声波传输时间t1和逆流时(u00)超声波传输时间t2可以解出河流速度：u0=Dt1t2sin2t（8）式（8）为均匀流场下流速的严格解。2.2非均匀流场流速模型算法设计在非均匀流场情况下，考虑水中声速c为1 500 m/s，水流速度 010 m/s，因此0)超声波运行时间t1和逆流时(ux0)超声波运行时间t2可以计算得到非均匀流场下流体的平均速度：u=4Dsin2t(t1+t2)2（10）3系统硬件设计为了实现非均匀流场下的超声波时差法测流系统设计，且满足其实用性要求，开发了专用的硬件电路平台，并将非均匀流场流速算法代码化和模块化后移植于时差法测流系统中做嵌入式应用。3.1硬件原理图设计该系统硬件包含分别置于河流两岸的主机与从机，主、从机硬件结构一致，均为数据处理板、信号处理板加电源转换板的可拆分式层级结构，具体模块划分如图 3所示。数据处理板主要用于实现主从机通信、数据存储、水位信息采集、与信号处理板通信、液晶显示及模型计算等功能。信号处理板主要用于驱动传感器发送声波、接收处理信号、测量时差、记录波形数据与数据处理板通信等功能。电源转换板主要用于提供各模块所需的不同电压和整机电源管理。数据处理板的ARM核心模块型号为FETMX6UL，信号处理板的ARM+FPGA核心模块型号为MZ7020。