明渠流量的精准测量是提高灌区水资源利用率,助力农业灌溉现代化改革的关键。本课题组近年来一直致力于远程自动计量闸门系统控制及测流技术的相关研究。现行明渠流量测量多采用建筑物测流法和传统流速面积法,前者需专门修筑量水建筑物,不便安装和使用,且测量精度较低;后者没有固定断面,对明渠形制及传感器安装精度要求高,不适宜在不同形制的渠道内使用。本课题针对上述问题,研究提出了一种基于时差法的超声波明渠方筒测流方法,并设计了流量计样机。该流量计自带标准矩形断面,既可独立安装在小型明渠出入口,测量流过方筒的流量,也可安装在平板闸门后部,测量通过闸门的流量。论文研究了超声波流量计的种类和测量原理,根据明渠实际条件,最终选用超声波时差法测流;研究了明渠方筒内的流速分布特征,应用Fluent对满流和非满流状态的方筒进行了流态仿真分析,并根据仿真结果确定了换能器的非均匀布置方案和方筒内流量的分层计算方法。本文设计的流量计硬件电路包括以STM32作为控制器的最小系统电路,应用TDC-GP22计时芯片进行渡越时间测量的计时电路,由场效应管和高频变压器组成用以激发换能器发射超声波的脉冲信号放大电路,应用四阶多路反馈型带通滤波器和运算放大器的回波信号处理电路,以CD4097复用器为核心的声道切换电路,以及温度采集、液位测量和通信模块电路。在完成了硬件电路的设计后,编写了相应的软件程序,包括主程序、初始化配置、时间测量、声道切换、液位测量、数据处理和串口通讯等模块。最后在实验室和模拟灌区现场分别对样机系统进行了一系列测试实验,并对实验结果进行分析,结果表明:(1)系统实现了设计的各项功能任务,能够完成单声道流速测量、超声波液位测量和多声道明渠流量测量。(2)流速测量的绝对误差小于10mm/s,相对误差小于2%,液位测量的绝对误差不高于2mm,相对误差不高于0.3%,完成K系数的校正后,系统总流量测量的相对误差低于5%。(3)系统环境适应性强,可适用于泥沙含量不高于15kg/m~3的水流环境,可连续长时间使用,对野外的复杂环境有较强的适应能力。