基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪和测速法制造技术

本发明专利技术公开了基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪，包括经无线网络通讯连接的主机和辅机，主机包括控制器以及分别与其连接的FPGA模块、GPS模块、无线通讯模块，还包括用于发射或接收超声波信号的换能器，换能器与FPGA模块连接；辅机的组成结构与主机的组成结构相同。本发明专利技术还公开了采用无线传输超声波流速仪的测速法。本发明专利技术的流速仪主机、辅机经无线网络通讯连接，相比有线电缆连接的方式，不受流体通道宽度的限制，解决了宽水域不能安装的难题，测量流体流速时，易于布置，实用性好；流速仪主机、辅机经GPS信号进行时钟同步，测量精度高。

Wireless transmission ultrasonic current meter and velocity measurement method based on GPS signal synchronization

【技术实现步骤摘要】
基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪和测速法
本专利技术属于流体流速测量领域，具体涉及一种基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪和测速法。
技术介绍
时差法测量河(渠)道端面平均流速，利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点，测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值，从而计算流体流动的速度，如附图1所示。现有的有线超声波流速仪由主机、2根等长度长电缆及1对换能器组成，如附图2所示。换能器A、B通过长电缆接入主机上，以保证流体通道两侧的2个换能器互发、互收时是基于本地同步时钟。设备在河(渠)道部署时需要将连接对岸换能器的长电缆通过沉入水底或空中架设的方式跨过河(渠)道，宽河(渠)道的水流流速测量时设置部署异常困难，水面过宽时基本无法安装，对电缆性能要求高、需求量大，安装成本高，应用面窄，推广困难。
技术实现思路
本专利技术的技术问题是现有的利用时差法的有线超声波流速仪的线缆的跨流体通道的布设增加了部署安装难度，特别是流体通道宽的情况下线缆的布设异常困难甚至无法安装，对电缆性能要求高、需求量大，安装成本高，应用面窄，推广困难。本专利技术的目的是解决上述问题，提供一种基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪和测速法，分别在流体通道两侧布设包含换能器的主机、辅机，主机、辅机经无线网络通讯连接，主机、辅机通过GPS信号进行时钟同步，避免设备线缆的跨通道布设，降低部署难度，提高实用性。本专利技术的技术方案是基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪，包括经无线网络通讯连接的主机和辅机，主机包括控制器以及分别与其连接的FPGA模块、GPS模块、无线通讯模块，还包括用于发射或接收超声波信号的换能器，换能器与FPGA模块连接；辅机的组成结构与主机的组成结构相同；FPGA模块用于信号调制、模数转换和信号处理；GPS模块用于接收卫星的GPS信号。优选地，主机包括多个换能器，换能器分别经多选一选择器与主机的FPGA模块连接。优选地，辅机包括多个换能器，换能器分别经多选一选择器与辅机的FPGA模块连接。进一步地，主机还包括与控制器连接的显示终端。优选地，所述控制器为单片机。利用上述基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪的测速法，将主机的换能器设置在流体通道的一侧，将辅机的换能器设置在流体通道的另一侧，主机的换能器与辅机的换能器的连线和流体的流动方向成一定夹角，流体经主机的换能器流向辅机的换能器，测速法包括以下步骤，步骤1：主机、辅机分别利用GPS信号进行时钟同步；步骤2：主机、辅机根据GPS同步轮流发射超声波信号；步骤3：辅机的换能器接收主机的换能器发射的超声波信号，记录超声波信号的接收时刻；步骤4：主机的换能器接收辅机的换能器发射的超声波信号，记录超声波信号的接收时刻；步骤5：采用时差法，主机按照时差法计算公式计算出流体的流速。相比现有技术，本专利技术的有益效果：1)本专利技术的流速仪主机、辅机经无线网络通讯连接，相比有线电缆连接的方式，不受流体通道宽度的限制，测量流体流速时，易于布置，实用性好；2)本专利技术的流速仪主机、辅机经GPS信号进行时钟同步，测量精度高；3)流速仪的主机、辅机均设置有多个换能器，通过多选一选择器进行选择，提高了流速仪的可靠性。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为时差法测量流体流速的原理示意图。图2为有线连接的超声波流速仪的示意图。图3为本专利技术的超声波流速仪的示意图。图4为本专利技术的超声波流速仪的结构框图。附图标记说明：控制器1、FPGA模块2、换能器3、无线通讯模块4、GPS模块5、多选一选择器6、显示终端7。具体实施方式如图3和图4所示，基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪，用于测量河道的水流流速，包括经无线网络通讯连接的主机和辅机，主机包括控制器1以及分别与其连接的FPGA模块2、GPS模块5、无线通讯模块4，还包括3个用于发射或接收超声波信号的换能器3，换能器3与FPGA模块2连接；辅机的组成结构与主机的组成结构相同；FPGA模块2用于信号调制、模数转换和信号处理；GPS模块5用于接收卫星的GPS信号。一种实施例中，控制器1选用单片机。换能器3分别经多选一选择器6与FPGA模块2连接。显示终端7经数据总线与控制器1连接。主机的无线通讯模块4经无线网络与辅机的无线通讯模块4通讯连接。基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪的测速法，将主机的换能器设置在河道的一侧，将辅机的换能器设置在河道的另一侧，主机的换能器与辅机的换能器的连线和水流的流动方向成一定夹角，水流经主机的换能器流向辅机的换能器，测速法包括以下步骤，步骤1：主机、辅机分别利用GPS信号进行时钟同步；步骤2：主机、辅机根据GPS同步轮流发射超声波信号；步骤3：辅机的换能器接收主机的换能器发射的超声波信号，记录超声波信号的接收时刻；步骤4：主机的换能器接收辅机的换能器发射的超声波信号，记录超声波信号的接收时刻；步骤5：采用时差法，主机按照时差法计算公式计算出流体的流速。如图1所示，时差法依据换能器接收对置的换能器同时发射的超声波信号的时间差Δt，Δt＝t2-t1(1)Vp＝Vcosα(4)其中L为换能器A、换能器B之间的距离，C为流体中的声速，V为流体流速，α为换能器相对于流体通道的安装角度，Vp为流体流速沿换能器方向的速度分量，t1为超声波信号从换能器A到换能器B的传播时间，t2为超声波信号从换能器B到换能器A的传播时间；综合式(1)(2)(3)(4)，可得因流体流速远远小于流体中的声速，即V＜＜C，由式(5)可得经变换，可得步骤6中，利用式(6)即可计算出水流的流速。实施例中，本专利技术的无线传输超声波流速仪，不用架设横跨河道的线缆，减短了电缆长度，安装简单，成本低；不受河道宽度限制，应用面广；测量精度高、实时性好。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪，其特征在于，包括经无线网络通讯连接的主机和辅机，主机包括控制器以及分别与其连接的FPGA模块、GPS模块、无线通讯模块，还包括用于发射或接收超声波信号的换能器，换能器与FPGA模块连接；辅机的组成结构与主机的组成结构相同；FPGA模块用于信号调制、模数转换和信号处理；GPS模块用于接收卫星的GPS信号。/n

【技术特征摘要】
1.基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪，其特征在于，包括经无线网络通讯连接的主机和辅机，主机包括控制器以及分别与其连接的FPGA模块、GPS模块、无线通讯模块，还包括用于发射或接收超声波信号的换能器，换能器与FPGA模块连接；辅机的组成结构与主机的组成结构相同；FPGA模块用于信号调制、模数转换和信号处理；GPS模块用于接收卫星的GPS信号。


2.根据权利要求1所述的基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪，其特征在于，包括多个换能器，换能器分别经多选一选择器与FPGA模块连接。


3.根据权利要求1所述的基于GPS信号同步的无线传输超声波流速仪，其特征在于，主机还包括与控制器连接的显示终端。


4.根据权利要求1所述的基于GPS信号同步...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨忠涛，晏生剑，张天文，
申请(专利权)人：中船重工海声科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42