【摘 要】
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近年来,超声波技术广泛应用于测流领域,推动了超声波流速仪的发展。超声波流速仪具有安装方便、测量范围广、不影响流体流场等优点,在我国水文勘测领域和工业计量领域发挥着重要作用。目前,我国的超声波流速仪还有很多问题亟待解决,如测量精度低、整体功耗高等问题,这些问题制约着超声波流速仪的发展。针对上述问题,本文在充分了解超声波技术和时差法测流原理的基础上,设计了一种多通道超声波流速仪,对影响测量精度的因素进
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近年来,超声波技术广泛应用于测流领域,推动了超声波流速仪的发展。超声波流速仪具有安装方便、测量范围广、不影响流体流场等优点,在我国水文勘测领域和工业计量领域发挥着重要作用。目前,我国的超声波流速仪还有很多问题亟待解决,如测量精度低、整体功耗高等问题,这些问题制约着超声波流速仪的发展。针对上述问题,本文在充分了解超声波技术和时差法测流原理的基础上,设计了一种多通道超声波流速仪,对影响测量精度的因素进行分析,并提出了新的流速测量算法,该算法能在一定程度上降低温度变化对流速测量精度的影响。同时,通过软件程序对硬件模拟开关进行时序控制,实现了多通道的流速测量,进一步提高了测量精度。对于硬件电路设计部分,本文所采用的单片机、计时芯片和信号强弱指示器等器件均具有精度高、功耗低的特点。具体的实施过程为首先通过模拟开关和推挽驱动电路分别实现了多路选择和换能器驱动,然后运用可调LC选频放大网络对信号进行选频、滤波和放大,接着采用信号强弱指示器和比较器对回波信号进行准确判断,最后使用计时芯片TDC-GP22对超声波传播时间进行高精度测量,实现了精度高、稳定性强、功耗低的硬件电路设计。对于软件程序设计部分,首先通过RS485和SPI实现了PC端与单片机、单片机与计时芯片之间的数据通信,然后通过程序设计实现了测量过程中的通道切换,最后对数据解析程序进行设计,实现了对计时芯片的快速读写。基于硬件电路设计和软件程序设计,本文完成了样机制作,并通过静水实验验证了样机的流速测量功能。同时,针对测量精度和功耗指标,与声学多普勒流速剖面仪进行了对比实验。结果表明,本文设计的多通道超声波流速仪能够实现对流体流速的多层测量,可以在保证高测量精度的同时,具备低功耗、测量速度快的特点,满足预期的设计目标。
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