MLC-1微型流速计数器.docx

1、MLC-1微型流速计数器王丽雅李旺兴（上海河口海岸科学研究中心;武汉大学）摘要：详细介绍了MLC-1微型流速计数器元件组成和工作原理。指出，由于设计科学,MLC-1微型流速计数器成为了野外对渠道流速流量监测及污水流量监测的理想仪器。关键词：流速计数器仪器原理MLC1MicroCurrentCounterWangLiyaLIWangxing(ShanghaiEstuaryandSeaBankScientificResearchCentre,shanghai200002)(WuhanUnivercity,HubeiWuhan430063)Abstract：Thispaperintroducesin

2、detailthecomponentandworkingprincipleoftheMLC-1microcurrentcounter.ItPointsoutthatbecauseofthescientificdesign,theMLC一1currentcounterbecomesanidealinstrumentforfieldworkinmonitoringandmeasuringthecurrentvelocityanddischargeoftheditchorthesewagekeywords:currentcounterinstrumentprinciple1前言旋浆式流速仪量测精度可

3、靠、既可测量清水流速也可测量低浓度浑水流速，在水工及河工模型试验及污水排放量监测中使用很普遍。但传统旋浆流速仪的二次仪表体积大，采用220V市电供电,在模型现场测量及野外污水排放量测量非常不方便。为此我们依据电阻式旋浆流速仪的基本量测原理，采用电容耦合技术、CM0S器件、微功耗运算放大器及液晶显示，重新设计二次电路,研制出一种全新的MLC-1型微型流速计数器,采用电池供电，和电阻式旋浆式流速传感器配合,可方便地进行模型现场流速测量及野外污水排放量测量。2电阻式旋浆流速仪工作原理旋浆流速仪将水流流速动能转为旋浆叶轮转速来测量流速。实验表明，流速V和叶轮转速f为近视线性关系。叶轮转速检出方式分为光

4、电式和电阻式，电阻式使用一对电极检测叶轮转速，结构如图1。由于实验用水或污水含有各种导电杂质，具有导电性，叶轮为有机绝缘材料，叶轮旋转时，叶轮面靠近电极,两电极间导电通路变，电极间电阻增大，反之当轮面远离电极，两电极间导电通路变宽，电极间电阻减小。因此，当叶轮在水流作用下连续旋转时，两电极间电阻将会发生周期性变化，其变化频率f（即叶轮转速）和流速V关系为：V=Kf+B（1）K、B为常数,经率定得到。从式（1）可知，通过检测出电极电阻变化频率f,即可测出流速V。电极采用特制不锈钢材料制作，具有很强的抗腐蚀性，不仅适用于清水模型流速测量,也适用于城市污水和工厂污水排放流量测量。图1传感器结构-1采

5、用如图3所示的电容耦合电路驱动电极,利用电容C大幅度衰减50Hz干扰。图中，R为10kQ,C为0.033凹F。振荡电路产生5KHz幅值为Vm的交流信号，经R、C驱动探头两电极，忽略振荡电路的输出阻抗,A点电压幅值为：3电路工作原理电路由五部分组成，如图2所示。叶轮转速检测电路将电极间电阻周期变化转为TTL电平的电压脉冲,十进制计数电路和计数闸门信号产生电路构成频率测量电路,对转速检测电路输出的电压脉冲的频率进行测量，结果通过显示电路在液晶显示器上显示出来。电源电路将6V或9V层叠电池输出稳定为5V,给其他电路供电。此外还监测电池电压，当电池电压过低时输出电池欠压信号，驱动显示器显示电池欠压标志

6、，提示更换电池。电极电极图2电路原理框图电阻式旋浆流速仪通过测量旋浆两电极间电阻周期变化来测量流速的,两电极和被测水体直接接触，两电极间必然会串入各种干扰，尤以50Hz工频干扰最为严重。如何消除极间50Hz工频干扰，有效降低功率损耗，成为电路设计的关键。下面详细介绍叶轮转速检测电路和计数闸门产生电路的构成用工作原理。3.1叶轮转速检测电路传统流速计数器采用变压器驱动电极，使检测电路和水体隔离，以减小50Hz干扰，这样不能缩小仪器体积、大幅度降低电路功率损耗。MLC图3叶轮转速检测电路原理框图a-R+X”+r"I'其中XC1是C在5KHz时的阻抗，r为两电极间水体电阻。当叶轮旋

7、转时,r发生周期变化,A点的电压幅值随r的变化而变化。通过检波器检出A点电压幅值，放大整形后输出1TL电平脉冲波，频率与叶轮转速相同。电容C一方面起隔直作用，不致使两电极间存在直流电压而产生极化。另一方面，在5KHz时,C的阻抗不到Ik。,对振荡电路输出的信号衰减很小;而对50Hz而言,C的阻抗将近100kQ,对从电极串入的50Hz干扰具有很大抑制作用，忽略振荡电路的输出阻抗，对50Hz干扰衰减倍数为:式中：Xc是C在50Hz处的阻抗，r为内外电极间电阻，通常在几千欧至几十千欧之间。不考虑r对50Hz干扰的衰减竭为11,即C对50Hz干扰衰减11倍。加上水体电阻r对50Hz干扰的衰减,50Hz

8、干扰在进入带通滤波器之前已被大幅度减小。带通滤波器一方面对50Hz、其他低频干扰及高频干扰进行衰减，另一方面对5KHz调制信号进行放大,以增大信噪比，进一步提高电路的抗干扰能力。叶轮转速检测电路由一片TLC2254实现。TLC2254是TI公司先进的LinCMOSI艺制造的四运算放大器，具有低输入失调电压及极低的功率损耗，每一运放仅需要35pA电源电流。由于采用TLC2254并选择合适阻容元件值,使叶轮转速检测电路工作电流低于400piA,MLC-l的功率损耗得到大幅度降低，整体工作电流不到500pAo3.2计数闸门信号产生电路计数闸门信号产生电路产生如图4所示的计数闸门信号和清零信号，闸门信

9、号低电平时间为T”高电平时间为Td。十进制计数器在时间L内对转速检测电路输出的电压脉冲进行计数，在T.时间内停止计数并显示计数值，设L时间内十进制计数器计数值为N,则叶轮转速为：匚佩门信号清零信号一n(4)(4)TdJI图4闸门信号及清除信号在闸门信号的每个下降沿之前产生一个清零脉冲，将十进制计数器清零,准备开始下一次叶轮转速测量。闸门信号产生电路由振荡电路、分频电路、清零信号产生电路等部分组成，传统流速计数器的这几部分电路相对独立，由多片集成电路构成,MLC-1独创性地由一片24级CMOS分频器CD4521完成，降低了仪器功耗、体积和成本。电图5闸门信号产生电路CD4521内部包含一个24级

10、分频计数器、一个非门、一个缓冲器，非门与32768Hz晶振XT、C12、C13、R22、R23组成振荡电路，产生32768Hz方波送至24级分频器输入端。缓冲器、分频器与R18-R21、C1O、C11、D2、D3一起产生闸门信号和清零信号。当闸门信号为低电平时，十进制计数器计数，通过二极管D2使CD4521的IN1和RST输入为低电平，清零信号为低电平；当CD4521分频器Q19输出高电平，闸门信号在保持低电平时间Tc=38=8秒后变为高电平,此时,C10电压很低,INI、RST和清零信号仍为低电平,Q19输出高电平通过R20、R19、R18向C10充电，当CIO电压升高使INI输入达到门限电压,清零信号变为高电平，将十进制计数器清零,并通过D3、R21加速CIO充电，使RST很快达到门限电压，将CD4521内部分频器清零，闸门信号变为低电平，并使INI、RST和清零信号变为低电平,进行下一个测量周期。闸门信号保持高电平时间Td取决于R20、R19、R18及C10组成的RC电路的时间常数，不是一个精确值，取合适元件值使Td保持在3秒左右。4结论通过采用电容耦合技术、高Q带通滤波器检出流速周期信号，独创性地由一片24级CMOS分频器CD4521构成完整闸门信号产生电路