基于GPRS的超声波明渠流量计的设计

　　我国属于水资源短缺国家，而在地处西北地区的宁夏回族自治区，该问题尤为突出.这就迫切需要更加合理的利用水资源，而合理利用水资源的一个重要的前提就是要对宁夏的水资源有一个系统的信息化管理. 实现宁夏水利信息化，其关键技术在于水利信息的准确采集和信息的有效传输.长期以来，我区水利信息化建设投入不足，水利信息基础设施薄弱，水利信息采集和传输手段较为落后，至今尚未建成覆盖全区水利系统的信息网络，在涉及国计民生的防洪抗旱、水资源管理、水质监测、水土保持等重要领域还没有形成全区范围的应用系统.

　　GPRS 是通用分组无线业务 (General PacketRadio Service)的英文简称，本课题组提出利用现有的 GPRS 网建立水利数据采集及远程实时监控系统，通过将数据系统与 Internet 相连，达到我区水资源信息化管理的目的. 研究项目涉及数据采集及其传输的理论、传感器和通信领域 GPRS 的技术、数据库的建设和管理以及 Internet 等一系列较先进的实用技术. 本文研究的重点在于前端的数据采集和信息传输，并提出了一种基于 GPRS 的超声波明渠流量计的设计方案.

　　1 时间锁定环路(TLL)的结构

　　本课题研究的超声波流量计是采用时差法测量原理^[1]

　　而设计的，其核心思想是时间锁定环路(TLL)的结构，如图 1 所示.

　　由图 1 所示，在 TLL 环路中设立一个锁相环(PLL)，一个计数器进行时间检测，通过开关来切换顺流和逆流方向. 图 1 中 START80KHZ、START1 和START2 均为测量启动控制信号;SIN 为接收到的频率信号.当切换到顺流方向时，系统开始对锁相环输出频率进行 N 分频，分频后的第 1 个脉冲用来产生顺流方向的发射启动信号，触发发射电路工作产生超声脉冲串. 第 2 个脉冲经过延时 τ _d后送往计数器，声波从发射到接收的时间是 t ₁+τ，经过延时回路的时间信号为 N/F ₁+τ _d. 其中：F ₁为 VCO 的振荡频率，Hz;τd为延迟时间，s. 如果 τ _d=τ，被检测时间是 N/F1-t1，将时间差信号送入积分器将之转换为电压信号，用此电压信号来控制 VCO，可以调节 VCO的振荡频率，直至检测到时间差信号为 0，即 N/F ₁-t ₁=0，这样可以得到顺流时的振荡频率 F ₁. 同理可得，逆流时振荡频率 F ₂.当顺流方向和逆流方向都处于稳定工作状态时，下式成立：

　　其中：c 为超声波在空气中的传播速度，单位为 m/s;v 为水的流速，单位为 m/s;D 为明渠的宽度;θ 为超声波传播方向与水流方向的夹角. 由此可得：