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摘要：随着社会的发展，我国的科学技术的发展也越来越迅速。超声波流量计在相关领域中已经获得了十分成功的应用，国外学者对此进行了大量研究。相比较而言，我国对于超声波流量计的研究较少，而超声波流量计存在信号不稳定、信噪比较高等问题，严重制约了其产品发展。因此加强对影响超声波流量计计量精度的研究对于丰富理论研究成果具有现实意义。
关键词：时差法超声波；流量计；流量系数；影响因素分析
引言
影响时差法超声波流量计流量系数的因素有很多，包括:管道口径、壁厚、衬里、材质、测量介质、介质温度、安装方式、安装位置等。为分析因素对流量系数的影响，实际工作中需要先对超声波流量计流量系数进行定义，然后选用两套不同材质的标准装置对超声波流量计进行试验，最后得出各因素对流量系数的影响关系。该工作有利于提高利用超声波流量计现场校准其他流量计的准确度。
1概述
1.1超声波流量计原理
封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有:传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法。传播时间法又包括时差法、相差法和频差法。时差法测量流体流量的原理，是利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点，测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值，从而计算流体流动的速度和流量。
1.2超声波流量计优缺点
时差法超声波流量计的优点有:(1)适用于各种管径流量的测量，流速和管径越大，准确度越高;(2)测量范围(量程比)宽，一般为1∶50;(3)无压力损失，可大大降低长输管道增压的费用;(4)无可动部件，可双向测量。但时差法超声波流量计也存在一些不足，如参数设置比较多，包括:管道口径、壁厚、衬里、材质、测量介质、介质温度、安装方式、安装位置等，其中任意一项参数设置有偏差都可能对超声波流量计的流量系数产生影响。
2超声波流量计研究进展
2.1国外发展现状
当今超声波流量测量技术处于领先水平的国家有：美国、日本、荷兰、德国、英国和加拿大等。它们在超声波流量计方面具有较高的技术，在研制和生产方面具有丰富的经验，占据了很大部分份额的超声流量计市场，主导着超声波流量计的发展趋势。较著名的有荷兰的Daniel、美国的Controlotron和Instromet、德国的Krohnc等，较多的国外产品采用数字信号处理技术，如“同步调制”和FFT技术，同时结合功能强大的DSP技术，实现快速实时地对超声波信号进行处理，并实现一些复杂的测量或数据处理算法。在测量方法方面有的利用改进的算法，来提高系统的测量精度，使得超声波流量计得到更广泛的应用。
2.2国内发展现状
国内生产超声波流量计厂家主要有唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、上海自动化仪表有限公司等。但是我们的产品和国际水平还是存在差距。近年来由于大规模集成电路技术的发展，数字处理技术越来越成熟，DSP芯片的功能日益完善与强大，以其精度高、处理速度快、性价比高等优势，被越来越多的领域所使用，为超声波流量计的发展提供了有利条件，而高精度测时芯片的出现，为时差法超声波流量计的计时精度提供了保证。并结合一些数字信号处理技术来对信号进行处理分析等，来改善超声波流量计的测量精度。
3超声波流量计的工作原理及精度分析
3.1传播速度差法
3.1.1时差法超声波流量计。时差法超声波流量计实际上是将超声波传播速度和液体流速进行矢量叠加为基础的。测量他的顺流传播时间和逆流传播时间的差值，其差值与流速成正比，从而计算流体流量。如果管径较大时，可以增加声道数，分析方法相同。测量精度可达±1.5%。如果是在大口径高流速的情况下使用，时差法的精度相对来说是最高的，测量精度可达±1%，如果要再进一步提高精度就要依照具体情况进行补偿。
3.1.2相位差法超声波流量计。从时差法的分析可看出流速V受声速c的影响大，声速受温度，湿度等的影响。此外△t的量级很小，约为纳秒级，并且测量△t需要复杂的电子仪器。所以常采用测量连续超声波在顺流和逆流传播时接收信号之间的相位差，简称相差法。
3.1.3频差法超声波流量计。频差法超声波流量计是在直接时差法和相差法的基础上发展起来的，在被测流体内由两对超声波发射器组成两个通道，一个通道接顺流方向发射超声波，另一个通道接逆流方向发射超声波。
3.2多普勒超声波流量计
超声波多普勒流量计是基于物理学中的声学的多普勒效应实现对流量测量的。超声波发射器为一固定声源，不断向管道内发射固定频率的超声波，随流体一起运动的示踪粒子（固体颗粒或气泡）与声源之间存在相对运动，它把来自发射器的入射超声波反射回接收器，这样，反射信号与发射信号频率出现差异（即频移△f），称这个差异为多普勒频移。
3.3波束偏移法超声波流量计
波束偏移法是利用超声波束向垂直流体流动的方向入射时，由于流体的流动而使超声波束产生偏移的现象，以偏移量的大小来度量被测流体的流速。此方法的缺点是流体低速时，灵敏度很低，适用性不大。
3.4滑动窗口接收技术
滑动窗口是在接收信号到达的前后才有效的一个时间窗口，窗口之外的信号一概不予处理，这样可以减小噪声的干扰并降低运算量。为保证检测信号的有效性，必须先去掉接收端的干扰，采用窗口和脉宽检测是两个行之有效的方法。测量窗口的初始位置是根据人机对话输入的参数设置的，并通过有效信号的检测位置不断调整窗口到合适的位置。窗口的设置限定了信号的接收范围，在一定程度上消除了噪声的干扰，同时也减少了要处理的信号样本数，降低了运算量。
滑动窗口的设置方法为：单片机根据人机对话输入的参数（管径、壁厚及流体），计算出信号自发射探头到接收探头所需传播时间的近似值，根据该近似值控制数据采样的开始时间，每组数据采集15000个点，由于采集的数据足够多，完全可以保证有用数据能够被采集到。经过AGC电路的调整，当采集到的信号幅度满足要求时便对它们分别进行FIR滤波，再根据幅值找出有用信号的最大值点并进行信号有效性判断，信号确定为有效后再进行滑动窗口调整，将有用信号移动到有效窗口。由于换能器探头的谐振频率为1MHz，采样频率为40MHz，探头发射信号为5个周期，考虑到探头的余波，为了更好地采集接收信号，窗口宽度设定为800个信号点，即20个信号周期。从上面可以看到两组信号，前者幅度小，是超声波沿管壁直接传递而形成的，其传播速度快，传播时间短，后者是超声波沿正常路径传输的结果，幅度较大，也是需要的有用数据。
结语
由超声波体流量计的测量原理可知：影响超声波流量计测量精度的因素多，依然有待于研究，流速分布系数的修正是提高测量精度的主要因素；超声波流量计的声道分布方式，决定了对流速分布系数修正的效果，其正交积分方式也同样决定适合测量什么样的流场分布的流体流量；免在线标定系数的测量方法研究，可解决工程应用上的在线标定流量计，也可解决在线仪器检修的功能；多声道超声波信号的发射和接收处理性能的进一步提高是保证仪器测量稳定性的关键；压缩性介质受压力和温度变化影响极大，声速本身受温度变化也较大，因此多声道超声波流量测量数据的温、压补偿和数据融合处理，是流量测量值修正的不可缺少的环节。
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