1、1. .引言引言 研究利用超声波测量流体流量已经有数十年的历史了。1928 年，法国人 0.Rutten 研制成功了世界上第一台超声流量计。但为了使超声波流量计有一定的精度，时差法 超声波流量计要求对时间的测量至少有 10mS，这在当时是很难做到的。1955 年，应 用声循环法的 MAXSON 流量计在美国研制成功，用于航空燃料油流量的测量。50 年 代末期，超声波流量计由理论研究阶段进入工业应用时期。但由于电子线路太复杂而 未占有牢固的地位1。 进入 20 世纪的 70 年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量 成为一件轻而易举的事，再加上高性能、工作非常稳定的锁相技术(PLL
2、)的出现与应 用，使得超声波流量计的可靠性得到了初步的保证，同时为了消除声速变化对测量精 度的影响，出现了频差法超声流量计。锁相频差法测量周期短，响应速度快，而且几 乎完全消除了声速对测量精度的影响，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量 计的主要方案，缺点是测量小管径小流量时精度得不到保证。同一时期，前苏联科技 工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入细致的研究，指出管道内流体流动 存在两种状态：层流状态和紊流状态，并给出了层流状态下的理论计算公式，为超声 波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。至此，超声波流量计的研究和 应用才蓬勃发展起来，超声流量计的种类也越来越多，相继出
3、现了波束偏移法、多普 勒法、相关法及噪声法等。其中波束偏移法是利用超声波在流体中传播时因流体流动 产生的波束的偏移量的大小来测量流量，这种方法灵敏度低，只能用来测量大管径大 流量;多普勒法利用不纯净流体中散射体的多普勒频移来测量流量，特别适用于不纯 净流体的流量测量；相关法利用相关技术来测量流量，测量精度高，适用范围广，但 相关流量计线路复杂，价格昂贵，一般只在要求较高的场合使用；噪声法则通过检测 流体中的噪声来测量流量，这种方法线路简单，价格便宜，但精度低，只能在要求不 高的场合使用。 到了 80 年代中后期，单片机技术的应用使超声流量计向高性能、智能化的方向 发展。由于使用了单片机作中央处
4、理单元，系统不仅可以进行复杂的数学运算和数据 处理、进一步提高了超声波流量计的测量精度，而且还能设计出友好的人机界面，使 系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其他一些辅助功能，大大方便了用户的操 作和使用。 单片机在超声流量计中的应用， 是超声流量计开始真正进入工业测量领域。 2 课题研究背景课题研究背景 2.1 超声波流量计的现状超声波流量计的现状 近 10 年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步，基于新型探 头材料与工艺的研究，基于声道配置及流动力学的研究，超声流量测量技术取得了长 足的进步，显示了它强劲的技术优势，形成了迅猛发展的势头，其潜在的巨大的生命 力是显而易见的。
5、 超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流.体中传播时所载流体的流速信 息来测量流体流量的。超声波流量计一般.由超声波换能器、电子线路及流量显示和 累积系统三部分组成。超声波换能器将电能转换为超声波能量，将其发射并穿过被测 流体，接收换能器接收到超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号， 供显示和积算，这样就实现了流量的检测显示。 在国外，以美国 Controlotron 公司和 Ploysonics 公司为代表的产品较多的采用数 字信号处理技术，如“同步调制”和 FFT 技术，他们广泛的采用以 DSP 为核心的数 字处理电路，从而能够更快实时的处理超声信号，同时能够实现一些复杂的
6、算法，如 Ploysonics 公司的 DDF3088 型是该公司的新一代全数字化便携式多普勒流量计， 它采 用了数字滤波和数字频谱分析技术，能自动识别多普勒信号与噪声信号，抗干扰能力 强，采用了高分别率的液晶显示，可以现场对信号进行多普勒分析。在测量方法方面 有的利用改进的时差法，用以消除速度受温度的影响，还有将时差法与多普勒法的组 合，如 Controlotron 公司研制的 480 型超声流量计，这样使得产品的实用范围更广。 但由于国外的产品的价格比较高（每台约为 510 万元左右） ，所以限制了在国内的 大量使用2。 目前国内的厂家生产的超声波流量计虽然价格比较便宜，但总体性能差，主要用 于测量比较容易的大管径管道中流体的测量。他们多采用的方法是时差法，以单片机 为系统核心进行信号处理。但由于受单片机速度的限制，所以只能进行一些比较简单 的算法， 如通过计数来实现流速的计算。 同时由于一般的时差法受温度的影响比较大， 所以在精度上面就不会很高。如南京亚楠公司生产的 ZLC 系列流量计是国内率先采 用多脉冲发射和接收宽带技术，并带有微机控制的新型超声波时差式流
