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，就不能體現公平合理。而流量計量是儀器儀表制造業重點關注的問題，作為計量科學的組成部分之一，它與人們的日常生活、工業生產、計量科學的研究有著密不可分的關系。實現流量的精確計量，對保證產品質量、提高生產效率、促進科學技術的發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，流量計量在國民經濟中所起到的作用越發的明顯。隨著 DSP(Digital SignalProcessor)、IC(Integrated circuit)和嵌入式等技術的高度發展，流體流量測量技術也朝著智能化、便捷式、多樣性的方向發展，伴隨工藝技術的提高，微處理器的功能越來越強大，數字信號處理技術和高速數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(或能量)的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其平衡位置附近進行的往返運動形式。譬如，鼓面經敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態通過空氣媒質向四面八方傳播，這便是聲波。科學家們將每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻率，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，在物理學上發現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生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發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展，超聲波技術已經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，使其產生一個很大的力，將液體拉裂成空洞，并形成無數細小而密集的氣泡，隨著壓力的增大，氣泡破裂產生巨大的沖擊波，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表面也能得到一定程度的清洗。超聲波技術已在醫療檢查方面獲得普遍應用，例如各個醫院里常見的 B 超技術。B 超是利用超聲波探頭向人體特定的位置發射一組超聲波，按一定的方向進行掃描，再根據監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，最后經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，測量超聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發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 發射超聲波信號，經過反射鏡 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射出超聲波信號，信號經過反射鏡 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。