（检测技术与自动化装置专业论文）基于gprs的城市雨污水管网流量监测系统的设计.pdf

独创性声明 渊船17 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：宇够铬 叫年莎月压日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 l 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名： 宁雠 仍l 年石刖p 日 指导教师弥怨i 参臻 i 一 伤- 年易其j 蟹日 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展以及工业步伐的加快，我国工业污水的排放量日趋增长，而且 国内大多数城市排水采用雨污水合流制管网，导致了自然水体污染严重，因此，必 须加强对城市雨污水排放量的监督管理。目前国内雨污水流量的监测方法主要有两 种方式：一是人工监测，测量工作花费的时间长，人力物力投入较大；二是采用计 量雨污水流量的设备，主要以渠道的节流或在渠道的一段装入槽的测量方法为主， 对于粘度高、腐蚀性强、污染性强的雨污水，这种接触型测量仪表具有寿命较短， 容易堵塞等缺点。除此之外，城市雨污水排放管道一般为非满管状态，管网在整个 城市分布范围广，位置分散，如何利用现代传感技术提高流量检测精度和利用无线 网络技术将数据集中到城市雨污水环保监测部门进行统一监督管理，是实现城市雨 污水管网流量的监测的关键。 基于以上分析，设计了基于g p r s 无线传输技术的城市雨污水管网流量监测系 统，研究工作主要分为传感器采集、二次仪表、g p r s 数据传输和监测中心4 部分。 基于雨污水腐蚀性较强和漂污物较多的实际，利用超声波实现无接触测量，具有对 介质几乎无要求，精度高的特点，解决了城市雨污水大管径、大流量及各类明渠、 暗渠测量困难的问题。鉴于非满管的流量测量需要液位和流速两个参数，基于超声 波测距原理和多普勒效应，分别设计了超声波液位传感器和超声波流速传感器。考 虑到超声波的传播速度受温度影响较大，采用温度补偿的方法加以校正，提高了测 量精度。超声波液位测量与温度补偿实验结果表明，温度补偿后超声波测量误差较 小，明显提高了系统的测量精度。 二次仪表主要完成对采集数据的信号处理以及整个仪表的控制功能，它是由单 片机a t 8 9 s 5 2 和时钟电路等外围电路构成，保证系统运行的可靠性。单片机通过 r s 2 3 2 串口与g p r s 模块相连接，利用a t 指令向t c p i p 协议栈发送数据。 单片机处理的数据需要通过远程网络传输到监控中心，利用g p r s 网络速度快， 与i n t e r n e t 网的无缝连接的特点，采用高性能、高稳定的g p r s 无线模块g t m 9 0 0 ， 使用s i m 卡登录到移动网络，通过t c p i p 协议实现与远程监测中心上位机的连接。 远程监测中心实现数据显示、存储和查询功能，软件采用v i s u a lb a s i c6 0 平台， 利用w i n s o c k 控件来接收i n t e m e t 网络的数据，通过数据控件a d o d c 来实现对数 江苏大学硕士学位论文 据库的存储和查询访问，监测中心主界面具有显示城市雨污水流速：液位、瞬时流 量、累积流量、当前温度和g p r s 通信状态等功能。 通过对城市雨污水管网流量监测系统的设计，充分利用信息传感技术和远程监 测技术，提高了雨污水流量的检测精度，城市各区域雨污水管网流量数据可以远程 传输到上一级环保监测中心，增加了管网流量监测的自动化程度，满足了我国城市 发展对雨污水排放监督管理的要求。 关键词：雨污水管网，流量测量，超声波，非满管，二次仪表，g p r s u 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n da c c e l e r a t e dp a c eo fi n d u s t r y , d o m e s t i c i n d u s t r i a lw a s t e w a t e re m i s s i o ni sg r o w i n ge v e r y d a y , a n dt h ed r a i n a g eo fd o m e s t i c m o s tc i t i e su s e sp i p en e t w o r kb o t hf o rs t o r ma n ds e w a g e ，w h i c hl e a d st os e r i o u s p o l l u t i o no fn a t u r a lw a t e r , t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t r e n g t h e nt h es u p e r v i s i o no f t h ea m o u n to fd i s c h a r g e so fs t o r ms e w a g e a tp r e s e n t ，t h e r ea r et w om a i nw a y st o m o n i t o rs t o r ms e w a g ef l o w ：f i r s t l y , m a n u a lm o n i t o r i n g ，w h i c ht a k e sal o n gt i m e ，m o r e h u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ；t h es e c o n di su s i n gs t o r ms e w a g ef l o wm e a s u r e m e n t e q u i p m e n t ，m a i n l yi nt h et h r o t t l ec h a n n e lo ral o a d e dt a n ki nc h a n n e l s ，f o rt h es t o r m s e w a g ew i t hh i 2 9 hv i s c o s i t y , c o r r o s i o na n dp o l l u t i o n ，s u c hac o n t a c t - t y p em e a s u r i n g i n s t r u m e n th a st h es h o r t c o m i n g so fs h o r t - l i v i n ga n de a s yt op l u g i na d d i t i o n ，u r b a n s t o r ms e w a g ep i p e sa r eg e n e r a l l yi nt h es t a t eo fn o n f u l l ，t h ep i p en e t w o r ka r ew i d e d i s t r i b u t i o n t h r o u g h o u t t h e c i t y a n ds c a t t e r e d l o c a t i o n s ，h o wt o u s em o d e m m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ef l o wa c c u r a c ya n du s et h ew i r e l e s sn e t w o r kt o c e n t r a l i z ed a t ai n t oe n v i r o n m e n t a ls t o r ms e w a g ef l o wm o n i t o r i n gd e p a r t m e n tf o r u n i f i e ds u p e r v i s i o ni st h ek e yt oa c h i e v eu r b a ns t o r ms e w e rn e t w o r kf l o wm o n i t o r i n g b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h ed e s i g no fu r b a ns t o r ms e w a g ep i p en e t w o r k f l o wm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r sw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi s p r o p o s e d ，t h er e s e a r c hw o r kc a nb ed i v i d e di n t os e n s o ra c q u i s i t i o n ，s e c o n d a r y i n s t r u m e n t ，g p r sd a t at r a n s m i s s i o na n dm o n i t o r i n gc e n t e r b a s e do nt h er e a l i t yt h a t s t o r ms e w a g ei sq u i t ec o r r o s i v ea n dt h e r ea r et o om u c hd r i f td i r t ，u s i n gt h eu l t r a s o u n d c h a r a c t e r i s t i c so fn o n c o n t a c t i n gm e a s u r e m e n t ，n or e q u i r e m e n t so nt h em e d i u ma n d h i g ha c c u r a c yt os o l v et h ep r o b l e mo fl a r g ed i a m e t e ra n df l o wo fu r b a ns t o r ms e w a g e p i p ea n dd i f f i c u l t yf o rv a r i o u sc h a n n e la n dc u l v e r t sm e a s u r i n g s i n c ed e t e c t i n g n o n - f u l lp i p ef l o wn e e dt w op a r a m e t e r s w a t e rl e v e la n df l o wr a t e ，aw a t e rl e v e ls e n s o r a n daf l o wr a t es e n s o ra r ed e s i g n e ds e p a r a t e l yb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i c d i s t a n c ea n dt h ed o p p l e re f f e c t t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h ep r o p a g a t i o nv e l o c i t yo f u l t r a s o n i ci n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e ，t h e p a p e ru s e s t h ew a yo ft e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o nt oc o r r e c t ，w h i c hi m p r o v e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h ew a t e rl e v e l m e a s u r e m e n tw i t ht e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a tt h eu l t r a s o n i c m e a s u r e m e n te r r o ra f t e rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni sq u i t es m a l l ，w h i c hs i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h ea c c u r a c yo fs y s t e m t h ea i mo fs e c o n di n s t r u m e n ti sc o m p l e t e l yf o rs i g n a lp r o c e s s i n go fc o l l e c t e d 1 1 1 d a t aa n dt h ec 。n t r o lf u n c t i 。n s 。ft h ei n s t r u m e n t ，w h i c h c 。n s t i t u t e 。fa t 8 9 s 5 2 ，c l o c k t h et c p i pp r o t o c o ls t a c k t h ed a t ap r o c e s s e db ym c u n e e d st ob es e n dt ot h em o n i t o r i n gc e n t e rb y r e m o t e n e t w o r k ，u s e st h ep e r f o m a n c et h a tg p r sn e t w o r k i sf a s t ，s e a m l e s sc o a n e c t l o nw i t h t h ei n t e m e tn e t w o r k ，u s e sah i g h p e r f o r m a n c e ，h i g hs t a b i l i t y g p r sw i r e l e s sm o d u j e g t m 9 0 0 ，w h i c hl o g g e do n t ot h em o b i l en e t w o r k t h r o u g h t h es l mc a r d , c o n n e c tw l t h t h er e m o t em o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g h t c p i pp r o t o c 0 1 r e m o t em o n i t o r i n gc e n t e ra c h i e v e sd a t ad i s p l a y i n g ，s t o r a g e a n dq u e r yf u n c t i o n s , t h es o r w a r eu s e sv i s u a lb a s i c 6 0p l a t f o r m ，u s e sw i n s o c kc o n t r o lt o r e c e l v ed a t a 觚mi n t e m e t ，a c h i e v e sd a t as t o r ea n dq u e r yt h ed a t a b a s et h r o u g h t h ed a t ac o n t m j a d o d c ，m o n i t o r i n gc e n t e rm a i ni n t e r f a c eh a s t h ef u n c t i o n so fd i s p l a y i n gt h es t o 肌 s e w a 2 en o w ，w a t e rl e v e l ，i n s t a n t a n e o u sf l o w , c u m u l a t i v ef l o w , t h e c u r r e n tt e m p e r a t l l r e a n dt h es t a t u so fg p r sc o m m u n i c a t i o n md e s i 2 no fu r b a j ls t o r ms e w a g ep i p en e t w o r kf l o wm o n i t o r i n gs y s t e mm a k e s 如l lu s eo fi n f o m a t i o ns e n s i n gt e c h n o l o g ya n dr e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y ，w h l c h i m p r o v e st h ed e t e c t i o na c c u r a c yo f t h er a i ns e w a g ef l o w , c i t ) ，r e g i o n a ls t o r ms e w a g e p i p e n e t w o r kf l o wd a t a c a l lb er e m o t e l yt r a n s m i t t e d t ot h e a b o v el e v e lo f e n v i r o 肿e n t a lp r o t e c t i o nm o n i t o r i n gc e n t e r , t h em e t h o d i n c r e a s e st h ea u t o m a t m no f p i p en e t w o r kn o wm o n i t o r i n g ，a n dm e e t st h er e q u i r e m e n t s o fd o m e s t i cu r b a i ls t o m l s e w a g ee m i s s i o n ss u p e r v i s i o n k e yw o r d s ：r a i ns e w a g ep i p en e t w o r k ，f l o wm e a s u r e m e n t ，u l t r a s o n i c ，n 。n 。f i l l e d t u b e ，s e c o n d a r yi n s t r u m e n t ，g p r s i v m 沁 w 协 b 妇： 吼熬 m 吾 眦肌 叫 h r d a n 醛 缸 吣驴耐 e a w 心 哪 弦 o 甜 b 辩毳眺 越 r 时幽 一姗 盯 k 毗甜 心 m 甜 s 一g葚恤 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 目勇乏。v 第一章绪论l 1 1 研究的目的和意义1 1 2 污水流量测量的特点2 1 3 污水流量远程监测研究的现状3 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 第三章 3 1 3 2 3 4 3 6 3 7 1 3 1污水流量测量研究现状3 1 3 2 远程监测技术研究现状5 课题来源6 本文工作一6 系统总体方案设计9 系统方案概述9 系统的总体设计9 系统的功能_ 1 0 系统硬件的总体设计1 0 系统软件的总体设计1 1 本章小结1 2 超声波流量传感器测量原理和电路设计1 3 超声波流量测量概况o 1 3 超声波流速传感器1 4 3 2 1 超声波流速传感器介绍1 4 3 2 2 多普勒超声波流速传感器测量原理1 5 3 2 3 传感器的构成1 8 3 2 4 多普勒流速传感器的特点1 8 3 2 5 应用中需要注意的问题1 9 超声波流速传感器电路的设计1 9 3 3 1超声波流速传感器发射电路2 0 3 3 2 超声波流速传感器接收调理电路2 0 超声波液位传感器2 2 3 4 1 超声波液位传感器介绍2 2 3 4 2 超声波液位传感器测量原理2 3 3 4 3 影响超声波测距精度的因素2 4 超声波液位传感器电路的设计2 5 3 5 1 超声波液位传感器发射电路2 5 3 5 2 超声波液位传感器接收调理电路2 6 温度补偿电路的设计一2 8 本章小结2 9 v 江苏大学硕士学位论丈 第四章系统二次仪表的设计3 0 4 1a t 8 9 s 5 2 单片机简介3 0 4 2 二次仪表电路的设计3 l 4 2 1a d 转换电路设计3l 4 2 2 时钟电路的设计3 4 4 2 3 存储电路的设计3 6 4 2 4 复位和看门狗电路的设计3 8 4 2 5电源电路的设计3 9 4 3 本章小结4 0 第五章g p r s 远程数据传输系统的设计一4 1 5 1g p r s 技术的介绍4l 5 1 1 g p r s 的基本原理一4 1 5 1 2g p r s 功能单元与接口一4 1 5 1 3 g p r s 的特点一4 3 5 2g p r s 远程数据传输原理4 3 5 3g p r s 无线通信模块4 5 5 3 1g t m 9 0 0 模块介绍。4 5 5 3 2g t m 9 0 0 与a t 8 9 s 5 2 接口电路4 7 5 3 3g t m 9 0 0 模块与s i m 卡接口4 7 5 4 本章小结4 8 第六章系统软件设计与调试实验4 9 6 1 二次仪表软件设计4 9 6 2g p r s 模块程序设计5 0 6 3 远程监测中心软件设计一5 3 6 3 1 w i n s o c k 简介5 3 6 - 3 2g p r s 通信程序的设计5 3 6 3 3v i s u a lb a s i c 与数据库的连接5 4 6 3 4 远程监测系统程序的设计5 5 6 4g p r s 模块通信实验5 6 6 5 液位测量与温度补偿实验5 7 6 6 远程监测中心运行界面5 8 6 7 本章小结5 9 第七章总结与展望6 1 7 1 本文主要研究工作和结论6 1 7 2 展望。6 2 7 3 本文的创新点6 3 参考文献。6 4 至殳 谢一6 7 读研期间参加的科研工作与发表的论文一6 8 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1研究的目的和意义 第一章绪论 随着经济的发展以及工业步伐的加快，我国工业污水的排放量日趋增长，导 致自然水体污染严重。它制约着我国经济的发展，威胁到人民群众的生命安全。 1 9 9 6 年统计资料显示，全国6 6 6 个市级城市中只有1 3 4 个城市建有污水处理厂， 且城市污水处理总量仅为4 4 6 亿立方米，有7 7 4 的城市污水未经任何处理直接 排入自然水体。1 9 9 7 年污水排放量高达4 1 6 亿立方米，其中工业污水排放量为2 2 7 亿立方米，市政污水排放量为l8 9 亿立方米。排放的工业污水和生活污水不断地 增多，给居民生活和城市发展带来了严重影响【1 1 。 我国城镇污水处理的现状不容乐观：许多城镇企业的产业结构都不合理，技 术含量低，环保意识薄弱，直接导致工业废水排放量的快速增长；又因为资源的 缺乏，许多污水治理设施都没有安装，即使安装的单位，只考虑到眼前的经济利 益，很多都不运行或者运行不正常，偷偷排放污水的现象相当严重。城镇管网建 设滞后、污水处理工艺技术与设备落后，也间接导致污水处理率偏低。据统计， 2 0 0 2 年全国污水排放量达4 3 9 5 亿立方米，而全国的污水处理率仅为3 4 2 3 ，与 发达国家相比，我国污水处理厂的建没严重滞后 2 1 。水污染治理的相对滞后、受污 染的水体逐年增加，水环境问题己经成为影响社会经济发展的重要因素。因此， 实施工业污水排放的监测，抵制非法排放污水，严格控制污水的排放量刻不容缓。 在污水治理和水生态环境监测与研究等领域中，流量测量尤为重要，为政府 实施雨污水控制及监督管理提供重要依据；此外，水资源的综合规划、保护计划 以及水安全规划，都需要实时准确的流量信息。因此，开展城市雨污水管网流量 测量的相关技术研究势在必行。 随着计算机技术、网络技术、控制技术的发展，实时监测己成为当今各省市 一级环境保护部门迫切希望解决的问题。远程监测是集计算机、网络、控制技术 为一体的高新技术产品，具有可靠性高、操作简单和监控功能强等特点，基于g p r s 的远程监控系统已经成为当今监控系统的发展趋势。基于g p r s 的远程监测系统 可以实现城市污水排放总量的监测，有效地解决了当前排污计量测量过程中的很 江苏大学硕士学位论文 多困难，如位置相对分散、远距离监督难、数据处理能力弱、实时性差等f 3 1 。 1 2 污水流量测量的特点 雨污水分为雨水和污水，一般以污水为主。污水通常是指受一定程度污染的 废弃水，主要有生活污水、工业废水等，携带了大量的污染物，比如病原体污染 物、耗氧污染物、植物营养物、有毒污染物等。 流量是指单位时间内流过管道的横截面或明渠横断面的流体量。目前主要的 水流量测量仪表有电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计和涡轮流量计等，对 于不同的水质和流量特点，选择的流量计也不同。 由于城市雨污水流量的测量较为复杂，雨污水流量主要有以下特点： 1 分布复杂。由于污水泵站、处理厂大都处于市区，其建筑面积有限，因而 安装流量计所需的直线管段的长度遭到限制，很难满足常规的要求。 2 雨污水管道的直径大，又都处于地下，不太可能做成很大的仪表井以安装 流量计及配套的截断阀。 3 污水，特别是未经过处理的原生污水，不仅具有强腐蚀性，并含有大量的 泥沙、塑料布片等其他漂污物，且具有一定的导电性，使得很多类型的流量计不 适合在污水中使用。 4 流量变化范围比较大，排水高峰与低谷、下雨与晴天的流量差异很大。 目前，在市政排水、农用灌溉、污水处理等领域广泛采用铺设管道作为流体 通过的水路。水路按其不同的形态分为满水管路、部分满水管路和非满管渠道三 大类，各形态如图1 1 所示。满水管为封闭管道，水体是在水泵压力或高位槽位能 作用下的强迫流动。部分满水管流是在非满水管系中局部场所作满水管流动。非 满管是靠水路本身坡度形成的自由表面流动，根据水力学理论，非满管流具有自 由表面液面，自由液面上相对压强为零，故又称为无压流。非满管状态流动的水 路称作明渠渠道，包括敞口明渠和暗明渠，流通剖面有圆形、u 形、梯形、矩形 等多种形状1 4 1 。 2 江苏大学硕士学位论文 图1 1 水路的各种形态 针对夜间污水流量较小、白天污水流量较大、暴雨时期污水流量更大的实际 情况，管道系统设计时通常要给未预见的水量留有足够的余地，尽量减小对铺设 管道进行改动。因此铺设的管道多数采用大口径管道，具有液体流量变化大的特 点，一般情况下呈现非满管状态。管道的截面尺寸、底坡、粗糙率等因素的变化， 都会使水断面、液位、流速等发生相应的变化，从而使流量测量具有一定程度的 困难1 5 。因此，本文将封闭圆形管道的非满管流量测量作为研究对象，需要对污水 的流速和液位两个参数进行测量。 1 3 污水流量远程监测研究的现状 l 。3 1污水流量测量研究现状 关于流量测量的发展，可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马时 代已经利用孔板来测量居民的饮用水水量，古埃及通过堰法来测量尼罗河的流量， 而我国都江堰水利工程观测水量是采用宝瓶口水位来实现的。1 7 世纪t o r r i c e l l i ( 托 里拆利) 奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量史上的里程碑。从此，1 8 、 1 9 世纪许多类型的流量测量仪表的雏形开始形成，如堰、皮托管、文丘里管、涡 轮及靶式流量计等。2 0 世纪，已有的流量测量技术已不能满足城市公用事业、过 程工业的需求，而微电子技术和计算机技术的飞跃发展又促使仪表的迅速发展， 涌现出大批的新型流量计 6 1 。 相对于国外，我国开展流量测量技术的研究工作比较晚。早期所需要的流量 仪表均从国外进口，直到出现光华精密机械厂( 上海光华仪表厂的前身) 所生产 的家用水表，随后有了新成仪表厂( 上海仪表厂的前身) 所制造的文丘里管流量 计，而后开始生产了电磁流量计、涡轮。至今，我国己形成了具有一定规模的从 事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业，从事流量仪表的研究和生产的单 位超过2 3 0 家1 6 l 。 江苏大学硕士学位论文 近3 0 年来，先后研制并成功投入使用的流量计有几十种新型流量计，常用的 有以下几种1 4 j ： 1 差压式流量计。差压式流量计是利用安装在管道中的流量检测件产生的差 压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来推算出流鼍的。根据检测件的 作用原理可分为：节流式、离心式、水力阻力式、动压头式、射流式及动压增益 式，其中应用较多的是节流式和动压头式。它的使用量居流量仪表的首位，随着 各种新型流量计的相继问世，使用量逐渐下降，然而仍然是最重要的一类流量计。 2 容积式流量计。容积式流量计通过机械测量元件把被测流体分割成单个己 知体积的流体，根据测量室逐次、重复地充满和排放该体积部分的流体次数来测 量流体的体积总量。容积式流量计常用于昂贵介质的总量测量，如油品、天然气 及化工产品等。 3 浮子流量计。在一根从下向上逐渐扩大的垂直锥管中，流体动力承受圆形 横截面的浮子的重力，于是浮子在锥管内可以自由的上升、下降，流量的大小与 浮子的位置相对应。浮子流量计的应用范围仅次于差压式流量计，并且在小、微 流量测量方面有着及其重要的作用。 4 涡轮流量计。涡轮流量计通过多叶片涡轮感受流体的平均流速推导出流量。 转子的旋转运动可由磁感应、机械、电子方式或光学方式检出并由读出装置显示 或记录。一般它由传感器和显示仪两部分组成，也可做成整体式。 5 电磁流量计。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种用于导电 性液体测量的仪表。当导电流体在磁场中作切割磁力线方向运动时，会感应产生 一个感应电动势，其方向与磁场方向及流体流动方向相垂直，其值与磁感应强度 及流体运动速度成正比。电磁流量计诸多优良特性，可以解决其他流量计不易应 用的问题。2 0 世纪7 0 、8 0 年代电磁流量计在技术上有了重大突破，使它成为使用 广泛的一类流量计，其用量的百分数不断上升。 6 超声流量计。超声流量计是利用检测流体流动对超声脉冲( 或超声束) 的 作用来实现流量测量的一类仪表。它和电磁流量计一样，因其流通通道未设置阻 碍件，均属于无阻碍流量计，适用于解决流量测量困难问题，尤其大口径流量测 量时有着较为突出的优点，是近年来发展较快的流量计之一。 根据污水管道具有流量变化大，污水含有杂质、腐蚀性大、有一定的导电能 4 江苏大学硕士学位论文 力等特性，在进行工业污水的流量测量时，超声波流量计是一个很好的选择。超 声波流量计在大口径流量测量方面也有较突出的特点；能测量大多数液体和气体 的介质；测量精度高，所测流量与温度、粘度、压力和导电率等因素无关；测量 的线性特性好；管道截面无需缩小；管道中无阻挡物，无附加的压力损耗等特点， 因此在污水处理行业得到了广泛的应用。 1 3 2 远程监测技术研究现状 远程监测是本地计算机通过网络系统如i n t e m e t i n t r a n e t ，对远端进行监视和控 制，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能。通常把能够实现 远程监测的通信媒体、计算机软件、硬件系统称为远程监测系统1 7 1 。远程监测所实 现的功能如下1 8 1 ： 1 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样 和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生 产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况； 2 监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令 和入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历 史数据加以存储； 3 管理功能：利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊 断、险晴预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警； 4 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成 控制输出，直接作用于生产过程。 远程监测是当前研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。国外，1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监测诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学 院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会，主要讨论了有关 远程监测系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并 对未来的技术发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发的基于 i n t e m e t 的下一代远程监测诊断示范系统，这项工作同时也得到了计算机业、制造 业和仪器仪表业的s u n 、b o e i n g 、h p 、f o r d 、i n t e l 等1 2 家大公司的热情支持与通 力配合。之后，这些公司共同合作并推出了一个实验性的系统t e s t b e d 【9 1 。此外， 许多著名的国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e n 5 江苏大学硕士学位论文 s y s t e ma l l i a n c e ) 、s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、 c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络 进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了相关的信息交换格式和 标准。许多大公司也在他们的产品中加入i n t e m e t 的功能，b e n t l y 公司的计算机在 线设备运行监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( y e td d e ) 的 方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它 的产品l a b w i n d o w s c v i 以及l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块，因而可以通 过w w w 、f t p 、e 2 m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送；法国“a l a r m ” 研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行 了应用【1 0 1 。 对于远程监测技术，国内也开展了积极的研究。目前，华中科技大学、西安 交通大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校己取得了较为先进的研究成果， 如华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d ”、西安交通大学研 制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d 、哈尔滨工业 大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s 掣】。 将远程监测技术应用于雨污水流量监控系统，在国外有悠久的历史，已经形 成了较为完善的技术理论，并研制了相应的污水流量计。但在国内，基于远程监 测技术的污水流量监测的研究还刚刚起步，因此，对雨污水管网流量远程监测系 统的研究和设计就至关重要，可以弥补国内城市雨污水管网流量检测系统的不足， 缩短与国际先进水平的差距。 1 4 课题来源 本课题来自于国家水体污染控制与治理科技重大专项“高截污率城市雨污水 管网建设、改造和运行调控技术研究与工程示范”( 课题编号：2 0 0 8 z x 0 7 3 1 7 0 0 1 ) 的子项目“城市管网污水检测与运行调控技术研究 。本文的重点是城市雨污水管 网流量的监测研究。 1 5 本文工作 鉴于目前污水流量的测量方法还局限在利用渠道的节流或在渠道的一段装入 6 江苏大学硕士学位论文 槽的方法，本文依托先进的信息传感技术和远程监测技术，结合我国城市雨污水 流量的特点，设计了城市雨污水管网流量监测系统，能够加强对城市雨污水排放 量的监督管理。在系统中，完成了超声波液位传感器和超声波流速传感器的设计， 并通过单片机进行相应的数据处理，得出城市雨污水的液位、流速、瞬时流量、 累积流量等信息，经g p r s 网络传输到城市雨污水流量监测中心，本文各章节安 排如下： 第一章为绪论，阐述了城市雨污水流量监测在城市发展过程中的重要性，研 究了我国城市雨污水流量测量和远程监测技术的研究现状和发展趋势，并总结传 统流量测量方法的特点，提出了利用传感技术和远程监测技术相结合的方法解决 城市雨污水流量监测的统一监管问题。 第二章叙述了城市雨污水管网流量远程监测系统的核心设计思想，给出了系 统总体设计思路，并列举了系统拟实现的功能，介绍了系统软硬件具体的设计方 案。 。 第三章详细研究了超声波流量传感器原理以及电路设计，文章从超声波无接 触测量，具有对介质几乎无要求和精度高的特点出发，依据超声波测距原理和多 普勒效应，分别设计了超声波液位和流速传感器。鉴于超声波的传播速度受温度 影响较大，设计温度补偿电路加以校正，提高了超声波测量精度。 第四章为二次仪表没计部分，实现数据处理和整个仪表的控制功能。二次仪 表以单片机a t 8 9 s 5 2 为核心器件，分别完成了a d 转换电路、时钟电路、存储器 扩展电路、复位与看门狗电路和电源电路的设计。在二次仪表中，单片机通过 r s 2 3 2 串口与g p r s 模块相