1.引言

计量在整个人类社会中起着至关重要的作用，没有准确的计量，就不能体现公平合理。而流量计量是仪器仪表制造业重点关注的问题，作为计量科学的组成部分之一，它与人们的日常生活、工业生产、计量科学的研究有着密不可分的关系。实现流量的精确计量，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用。尤其是在能源资源极大匮乏，而能源需求量愈来愈大的当今时代，流量计量在国民经济中所起到的作用越发的明显。随着 DSP(Digital SignalProcessor)、IC(Integrated circuit)和嵌入式等技术的高度发展，流体流量测量技术也朝着智能化、便捷式、多样性的方向发展，伴随工艺技术的提高，微处理器的功能越来越强大，数字信号处理技术和高速数字控制芯片越来越成熟，使得超声波技术在流量测量中得到了很好的应用。

2.超声波及超声波技术的应用

2.1 超声波简介

声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹(Hz)。人类耳朵能听到的声波频率为 20Hz～20000Hz.当声波的振动频率小于 20Hz 或大于 20KHz 时，人耳便听不见了。因此，把这种频率高于 20000 赫兹的声波称为超声波。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，自 19 世纪末到 20 世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。一个多世纪以来，超声波已在科学技术、社会生产与生活等各个领域中获得了十分广泛的应用。随着科学技术的不断发展，超声波技术已经在人们的日常生活中随处可见，例如家庭用的超声波水表和北方用于供暖计量的超声波热量表。

2.2 超声波技术的应用

超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一，它是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。利用超声波的空化作用，可以用来对许多人工难以清洗的物件进行清洗。通过增大在液体中传播的超声波的压强，使其产生一个很大的力，将液体拉裂成空洞，并形成无数细小而密集的气泡，随着压力的增大，气泡破裂产生巨大的冲击波，将被清洗物体表面的污物撞击下来，达到物体清洗的目的，另外，由于超声
波具有很强的穿透固体的作用，所以这种空化作用对浸入超声波作用下的液体中物体内表面也能得到一定程度的清洗。超声波技术已在医疗检查方面获得普遍应用，例如各个医院里常见的 B 超技术。B 超是利用超声波探头向人体特定的位置发射一组超声波，按一定的方向进行扫描，再根据监测其回波的延迟时间和强弱就可以判断脏器的距离及性质，最后经过电子电路和计算机的处理，就形成了可视的 B 超图像，对肉眼看不到的人体内器官达到检查的目的。超声波技术还可以用来测量距离，例如声纳技术和倒车雷达等。倒车雷达利用超声波在空气中的传播速度已知，测量超声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点与障碍物之间的实际距离，达到倒车时提醒的效果。同理声纳技术是在水下利用，用来确定鱼群和水中障碍物的位置的。

3.超声波流量测量的原理

超声波信号在流体中传播时载有流体的流速信息，通过检测穿过流体的超声波信号就可以检测出流体的流速，从而转换成流量。本课题利用超声波流量测量方法中的时差法来测量流量，采用反射法将超声波换能器管段式安装在测量管道的同一侧。超声波流量计流量测量的原理结构图如图 1.1 所示，换能器 1、2 被安装在管道上下游的同一侧，检测流量时，在控制电路作用下：换能器 1 发射超声波信号，经过反射镜 A 和反射镜 B 将超声波信号反射到换能器 2，同时高精度测时单元记录下超声波从上游换能器 1 到下游换能器 2 的传播时间T顺；换能器 2 接收到上游的超声波信号后也发射出超声波信号，信号经过反射镜 B 和反射镜 A 反射到换能器 1，同理高精度测时单元记录下游换能器 2 到上游换能器 1 的传播时间T逆 ，由于水流速度的影响，T顺 和T逆 不相等，存在一个时间差△T，最终通过△T 计算出流量。