1.引言

計量在整個人類社會中起著至關重要的作用，沒有準確的計量，就不能體現(xiàn)公平合理。而流量計量是儀器儀表制造業(yè)重點關注的問題，作為計量科學的組成部分之一，它與人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、計量科學的研究有著密不可分的關系。實現(xiàn)流量的精確計量，對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進科學技術的發(fā)展都具有重要的作用。尤其是在能源資源極大匱乏，而能源需求量愈來愈大的當今時代，流量計量在國民經(jīng)濟中所起到的作用越發(fā)的明顯。隨著 DSP(Digital SignalProcessor)、IC(Integrated circuit)和嵌入式等技術的高度發(fā)展，流體流量測量技術也朝著智能化、便捷式、多樣性的方向發(fā)展，伴隨工藝技術的提高，微處理器的功能越來越強大，數(shù)字信號處理技術和高速數(shù)字控制芯片越來越成熟，使得超聲波技術在流量測量中得到了很好的應用。

2.超聲波及超聲波技術的應用

2.1 超聲波簡介

聲波是物體機械振動狀態(tài)(或能量)的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波?？茖W家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，單位是赫茲(Hz)。人類耳朵能聽到的聲波頻率為 20Hz～20000Hz.當聲波的振動頻率小于 20Hz 或大于 20KHz 時，人耳便聽不見了。因此，把這種頻率高于 20000 赫茲的聲波稱為超聲波。它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，自 19 世紀末到 20 世紀初，在物理學上發(fā)現(xiàn)了壓電效應與反壓電效應之后，人們解決了利用電子學技術產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術的歷史篇章。一個多世紀以來，超聲波已在科學技術、社會生產(chǎn)與生活等各個領域中獲得了十分廣泛的應用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，超聲波技術已經(jīng)在人們的日常生活中隨處可見，例如家庭用的超聲波水表和北方用于供暖計量的超聲波熱量表。

2.2 超聲波技術的應用

超聲波技術是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎的通用技術之一，它是通過超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的。利用超聲波的空化作用，可以用來對許多人工難以清洗的物件進行清洗。通過增大在液體中傳播的超聲波的壓強，使其產(chǎn)生一個很大的力，將液體拉裂成空洞，并形成無數(shù)細小而密集的氣泡，隨著壓力的增大，氣泡破裂產(chǎn)生巨大的沖擊波，將被清洗物體表面的污物撞擊下來，達到物體清洗的目的，另外，由于超聲
波具有很強的穿透固體的作用，所以這種空化作用對浸入超聲波作用下的液體中物體內(nèi)表面也能得到一定程度的清洗。超聲波技術已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應用，例如各個醫(yī)院里常見的 B 超技術。B 超是利用超聲波探頭向人體特定的位置發(fā)射一組超聲波，按一定的方向進行掃描，再根據(jù)監(jiān)測其回波的延遲時間和強弱就可以判斷臟器的距離及性質(zhì)，最后經(jīng)過電子電路和計算機的處理，就形成了可視的 B 超圖像，對肉眼看不到的人體內(nèi)器官達到檢查的目的。超聲波技術還可以用來測量距離，例如聲納技術和倒車雷達等。倒車雷達利用超聲波在空氣中的傳播速度已知，測量超聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點與障礙物之間的實際距離，達到倒車時提醒的效果。同理聲納技術是在水下利用，用來確定魚群和水中障礙物的位置的。

3.超聲波流量測量的原理

超聲波信號在流體中傳播時載有流體的流速信息，通過檢測穿過流體的超聲波信號就可以檢測出流體的流速，從而轉換成流量。本課題利用超聲波流量測量方法中的時差法來測量流量，采用反射法將超聲波換能器管段式安裝在測量管道的同一側。超聲波流量計流量測量的原理結構圖如圖 1.1 所示，換能器 1、2 被安裝在管道上下游的同一側，檢測流量時，在控制電路作用下：換能器 1 發(fā)射超聲波信號，經(jīng)過反射鏡 A 和反射鏡 B 將超聲波信號反射到換能器 2，同時高精度測時單元記錄下超聲波從上游換能器 1 到下游換能器 2 的傳播時間T順；換能器 2 接收到上游的超聲波信號后也發(fā)射出超聲波信號，信號經(jīng)過反射鏡 B 和反射鏡 A 反射到換能器 1，同理高精度測時單元記錄下游換能器 2 到上游換能器 1 的傳播時間T逆 ，由于水流速度的影響，T順 和T逆 不相等，存在一個時間差△T，最終通過△T 計算出流量。