1.引言

計(jì)量在整個(gè)人類社會(huì)中起著至關(guān)重要的作用，沒有準(zhǔn)確的計(jì)量，就不能體現(xiàn)公平合理。而流量計(jì)量是儀器儀表制造業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題，作為計(jì)量科學(xué)的組成部分之一，它與人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、計(jì)量科學(xué)的研究有著密不可分的關(guān)系。實(shí)現(xiàn)流量的精確計(jì)量，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)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(dāng)今時(shí)代，流量計(jì)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(shù)的高度發(fā)展，流體流量測(cè)量技術(shù)也朝著智能化、便捷式、多樣性的方向發(fā)展，伴隨工藝技術(shù)的提高，微處理器的功能越來越強(qiáng)大，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和高速數(shù)字控制芯片越來越成熟，使得超聲波技術(shù)在流量測(cè)量中得到了很好的應(yīng)用。

2.超聲波及超聲波技術(shù)的應(yīng)用

2.1 超聲波簡(jiǎn)介

聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)(或能量)的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)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(dāng)聲波的振動(dòng)頻率小于 20Hz 或大于 20KHz 時(shí)，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(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，自 19 世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)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(shù)的歷史篇章。一個(gè)多世紀(jì)以來，超聲波已在科學(xué)技術(shù)、社會(huì)生產(chǎn)與生活等各個(gè)領(lǐng)域中獲得了十分廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波技術(shù)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(jì)量的超聲波熱量表。

2.2 超聲波技術(shù)的應(yīng)用

超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)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(duì)許多人工難以清洗的物件進(jìn)行清洗。通過增大在液體中傳播的超聲波的壓強(qiáng)，使其產(chǎn)生一個(gè)很大的力，將液體拉裂成空洞，并形成無數(shù)細(xì)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(dá)到物體清洗的目的，另外，由于超聲
波具有很強(qiáng)的穿透固體的作用，所以這種空化作用對(duì)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(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，例如各個(gè)醫(yī)院里常見的 B 超技術(shù)。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(jìn)行掃描，再根據(jù)監(jiān)測(cè)其回波的延遲時(shí)間和強(qiáng)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(jì)算機(jī)的處理，就形成了可視的 B 超圖像，對(duì)肉眼看不到的人體內(nèi)器官達(dá)到檢查的目的。超聲波技術(shù)還可以用來測(cè)量距離，例如聲納技術(shù)和倒車?yán)走_(dá)等。倒車?yán)走_(dá)利用超聲波在空氣中的傳播速度已知，測(cè)量超聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的實(shí)際距離，達(dá)到倒車時(shí)提醒的效果。同理聲納技術(shù)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(cè)量的原理

超聲波信號(hào)在流體中傳播時(shí)載有流體的流速信息，通過檢測(cè)穿過流體的超聲波信號(hào)就可以檢測(cè)出流體的流速，從而轉(zhuǎn)換成流量。本課題利用超聲波流量測(cè)量方法中的時(shí)差法來測(cè)量流量，采用反射法將超聲波換能器管段式安裝在測(cè)量管道的同一側(cè)。超聲波流量計(jì)流量測(cè)量的原理結(jié)構(gòu)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(cè)，檢測(cè)流量時(shí)，在控制電路作用下：換能器 1 發(fā)射超聲波信號(hào)，經(jīng)過反射鏡 A 和反射鏡 B 將超聲波信號(hào)反射到換能器 2，同時(shí)高精度測(cè)時(shí)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(shí)間T順；換能器 2 接收到上游的超聲波信號(hào)后也發(fā)射出超聲波信號(hào)，信號(hào)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(cè)時(shí)單元記錄下游換能器 2 到上游換能器 1 的傳播時(shí)間T逆 ，由于水流速度的影響，T順 和T逆 不相等，存在一個(gè)時(shí)間差△T，最終通過△T 計(jì)算出流量。