(5)因易于实行与测试方法相结合，可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道测量等；
(6)某些传播时间法超声波流量计附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以判断所测液体类别。
超声波流量计由于具有以上的优点，被广泛的应用于工业测量领域[8]。 1.4.3 超声波流量计两种主要测量原理及对比
超声波流量计的测量原理，大致可分为两种：一种是利用超声波的传播速度随流速变化而发生变化的原理来测量的超声波时差法流量计；另一种是利用超声波在有悬浮颗粒或气泡的流体的传播过程中由于悬浮颗粒或气泡的反射使其发生频移的多普勒效应来测量的多普勒流量计。
时差法流量计通过测量出超声波沿顺流方向和逆流方向的时间差来计算流量；多普勒法将超声波射束放射于与流体同一速度流动的微粒子，并接收从微粒子反射回来的反射波，测出多普勒频率来测量流量。对于前者，只要是超声波能够透过的测量对象都能进行测量，但不适宜测量混入非常大的且有妨碍物体（例如大量的杂物和气泡）的流体；而多普勒流量计的测量原理则决定了它只适用于一些杂质颗粒较大的场合[9]。
时差法超声波流量计主要应用于单相液体的测量,而多普勒超声波流量计则用于含有适量的固体颗粒或气泡的多相流体的计量。例如:煤浆、污水、浆体等含固体或杂质较多的液体,通常不适于清洁流体的测量。
因此，时差法比较适合于工业上洁净用水的流量测量，多普勒法适合于杂质较多且分布均匀的流体的流量测量[10]。
第二章 超声波流量计的总体设计
2.1 超声波换能器概述
2.1.1 超声波换能器能量转换原理
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
在发射超声波的过程中，换能器将电能转化为机械能，再转化为声能，如图2.1所示：
电能机械能声能
图2.1 发射超声波过程的能量转化
在接收超声波的过程中，换能器将声能转化为机械能，再转化为电能，如图2.2所示：
声能机械能电能
图2.2 接收超声波过程的能量转化
2.1.2 超声波换能器的类型及主要性能指标
目前常用的超声波换能器有两大类，即电声型与流体动力型。常用超声波换能器有压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁换能器以及电容式换能器等。目前比较常用的是压电超声波换能器。压电超声波换能器主要应用于常温下的检测。
压电换能器属于超声波换能器器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。它的特点是阻抗高且呈容性，还具有结构简单、可靠性高等特点。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，妮酸铿等，属于压电陶瓷的有错钦酸铅，钦酸钡等。其具有下列的特性:把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变;相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声波换能器。
换能器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，这是逆压电效应；当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，这是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者用于超声波的接收。超声波换能器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声波换能器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0 的交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0 。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致，这样，超声波换能器才有较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声波换能器。
超声波换能器结构如图2.3所示：
共振板压电晶片电极
图2.3 超声波换能器结构图
2.2 超声波换能器的选择及设计
2.2.1 超声波换能器的主要参数
(1)中心频率
中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播，用于水流量测量时，超声波频率范围一般为0.5MHz到2MHz。超声波的频率越高，声束扩散角小，能量越集中，方向性越好，分辨力也越好，但是频率越高，超声波衰减越大，而且也会增加电路设计的困难。常见超声波传感器的中心频率有有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。
(2)入射角
这个角度决定了超声波换能器的安装位置。由于超声波入射时在管壁及流体界面处都会发生折射，会转换成两束纵波在流体中传播，为提高探头接收信号的选择性，一般选择入射角大于第一临界面角而小于第二临界角，以保证仅一束超声波被探头接收。
(3)发射强度
由于噪声的影响，接收换能器接收到的信号一般要求在几十毫伏以上，超声波发
射的强度越大，相同距离内接收探头收到的强度也越大，削弱声吸收的影响，所以，要使接收换能器能够可靠地工作，发射探头必须要能发射出足够的能量，以便接收探头分辨处理超声波首波，提高测量精度。
本设计中，选用了中心频率为1MHz的探头，入射角为45°。 (4)工作温度
工作温度是指能使换能器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。 2.2.2 超声波换能器的选择
超声波换能器有多种结构形式，可分成直探头(接收纵波)、斜探头(接收横波)、表面波探头(接收表面波)、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波换能器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上出售的超声波换能器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的换能器，即可发送超声波，又可接受超声波;收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。
本设计中选用的为收发一体式，选用两台材质和结构完全相同的换能器T1和T2进行交替发射接收，以实现顺流和逆流的时间测量。
在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多;频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。 2.2.3 超声波换能器的安装方式及选择
对于时差法超声波流量计来说，超声波换能器在管道上的安装位置通常有三种不同形式，如图2.4所示，分别为：平行式、Z式、V式。