面向明渠灌溉的封闭式超声波液体计的开发

发布时间：2020-06-06 08:51

【摘要】：远程计量闸门控制系统具有远程测控、流量计量与分水控制等功能,是实现灌区全流域高效和科学调水的关键组成部分,能有效地解决人工分水、调水效率低下等问题。远程计量闸门控制系统通过闸门前后的水位监测和闸门开度的控制来实现灌区水资源的科学调度。其中,液位测量传感器是闸门控制系统中的重要元器件,也是实现精确测量的基础。为适应复杂的野外环境,超声波液位计应便于野外环境中的安装与调试,使之具有较强的抗干扰能力,从而能够达到较高的测量精度和较强的稳定性能。论文主要分析了多种明渠液位的测量原理和方法,并总结其优缺点;提出了一种于封闭管道中测量明渠液位的新型测量方案,并详细地分析了超声波在封闭管道中的传播方式,验证了该方案的可行性。封闭式超声波液位计的总体设计主要由硬件电路与软件算法组成,其中硬件电路部分主要进行了电源供电电路、主控芯片最小系统电路、超声波收发电路、温度采集电路和串口通信电路的设计;软件算法部分主要编写了回波信号采集程序、液面回波识别程序、回波前沿判断程序、温度采集子程序、平均滤波算法和串口通讯程序,以实现封闭式超声波液位计的测量与通信功能。完成硬件设计和软件算法的编写后,搭建室内测试平台和实际灌区测试平台,通过室内静水实验、水质泥沙含量影响实验、高低温环境实验和实际灌渠中的测量实验对封闭式超声波液位计进行性能测试。其测试结果表明:封闭式超声波液位计能有效隔绝外界干扰,在0.2m～2.5m的测量范围内,实际灌渠中绝对误差值在3mm以内,相对误差值为1.2‰,其重复性标准差为0.9mm,并且其外形尺寸较小,便于野外环境下的使用和安装,能够很好地实现与现有远程计量闸门系统集成,对环境具有较高的适应能力,达到了预期的设计目标。
【图文】：

量形成反射波并反射回原始介质中，另一部分能量则会穿过界面，在另一种介质逡逑中形成透射波，其反射和透射波都遵循斯涅尔反射和折射定律，其传播示意图如逡逑图２－１所示。逡逑］逡逑＼＼入射线！反射逡逑介质１逦逦逡逑丨＼折射线逡逑！邋＼逡逑｛逡逑图２－１超声波反射、折射示意图逡逑图２－１中“表示入射角，心表示反射角，幻表示折射角。根据反射和折逡逑射定律，有下式：逡逑８逡逑

能和声能之间的相互转化［４３１。在工业上，压电陶瓷具有的压电效应常被用于实现逡逑能量转化，其中压电效应又分为正压电和逆压电效应。超声波换能器的内部结构逡逑图如图２－２所示。逡逑声匹配层＼逦超声波福射面逡逑金属外壳、疆『逡逑屏蔽淋卜、．１逦１１＾＾＾逡逑ｊ逦？Ｓ＇逦逦端子逡逑图２－２超声波换能器结构示意图逡逑当发射电路中的电压脉冲信号传递到压电晶体，通过逆压电效应，，使其产生逡逑与外加交变电信号频率相同且强度成正比的形变，当形变的频率与声匹配层的固逡逑有频率相同时，将会产生共振，并将由机械形变形成的超声波传递到介质中。当逡逑返回的超声波到达超声波辐射面时，由于正压电效应，压电晶体将超声波的振动逡逑信号转变为电信号，最后再通过端子传输到接收电路端，从而完成超声波的整个逡逑收发过程。逡逑２．２．２超声波换能器的性能参数逡逑超声波探头的选择需要考虑中心频率、接收灵敏度、发射角、适用环境、发逡逑１１逡逑
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S277.9

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本文编号：2699444