T1T1T2T1T2T2
图2.4 超声波换能器的三种安装方式
平行安装的超声波换能器位于管道轴线上，理论上讲，声波在管道的径向穿过流体截面的次数越多，其测量准确度就越高，但是换能器安装在管道轴向中心一方面会严重扰乱流场的分布，另一方面其测量的流体流速不具有整个流束截面的代表性，所以是不可取的；Z型安装的声传播路程较短，传播时间不易测量，会限制流量计在小管径上的应用；而V型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，因此，两个换能器安装在同一侧对测量的准确度有很大的帮助。
本设计中选用了V型安装方式，在管道同一侧安装了两个相同的超声波换能器，这样不仅可以提高系统的分辨率，而且单通道形式可以消除由于双通道换能器参数不对称等引起的一切附加温度误差，特别是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布不均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中多次反射引起的对测量的干扰。
2.3 时差法测量原理及影响测量的主要因素
2.3.1 Z型安装方式时差法测流量的测量原理
时差法的原理是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，也就可以计算除流体的流量。其基本原理如图2.5所示：
T1v?dT2
图2.5 时差法基本原理示意图
图中为液体管道，其中流有待测量液体，管道两侧装有超声波换能器T1及T2，它们是一对能同时发射和接收超声波的换能器。首先换能器T1发射超声波，超声波顺流传播，传播速度提高，经过时间被换能器T2接收；然后T2发射，超声波逆流传播，传播速度减小，经过时间被T1接收。设超声波信号在被测流体中的声速为，声射线与管轴之间的夹角为，管道内径为，由于换能器布置在管道外，超声波在换能器和管壁中传播需要时间，而且电路也有延迟，总称为延迟时间，远小于超声波在流体中的传播时间，则有：
(2-1)
(2-2) (2-3)
在一般工业测量中，超声波在液体中传播速度比液体的流速大得多，即远大于，所以顺逆流时间差可以简化为：
(2-4) 因此，时差法超声波流量计的基本方程可以写为：
(2-5) (2-6)
由于、和均已知,只要测出就可计算出和来。
2.3.2 影响测量的主要因素
在实际的测量中，测量环境不是一成不变的，有各种因素制约着流量的准确测量，在机械方面，与管段的几何尺寸有关；在物理方面，与来流的速度分布与温度变化有关；电子方面，与时间的测量有关。
在使用超声波流量计进行测量时，通常流场相对稳定，超声波在液体中传播衰减相对较小，对于流体温度对测量的影响，以往的超声流量计均采用压电超声换能器进行测量，只有在被测流体温度较高，超过150℃的情况下，才无法进行测量，而一般情况下的测量，温度在不超过150℃的情况下，精确度是比较高的，因此常温下可不考虑此问题。
在以上三个方面中，前两个因素的制约相对较小，因此，传播时间的测量对整个课题的研究和整机的性能是最关键的问题。另外，超声波换能器的性能，主机中对信号的采集和处理是另一个测量的重要因素。因此，本设计中对超声波流量计的设计和研发主要针对这些问题进行探讨，只有很好地克服和解决这些问题，才能保证流量计的测量精确度，使整机性能达到精确指标。 2.3.3 V型安装方式时差法原理介绍
首先，针对V型安装方式的测量原理对流速测量公式进行推导，原理图如图2.6所示：
T1T2v?d
图2.6 V型安装方式时差法原理示意图
当管道中流体以速度流动时，超声波信号在流体中的顺逆流传播时间分别为、，那么对于V型安装有：
(2-7) (2-8) (2-9)
(2-10)
2.4 多脉冲测量原理
超声波顺逆流发射的传播时间差仅为95ns左右，如果要求系统测量精度为，则测量分辨率至少应达到1ns，那么就需要采用1000MHz的时钟脉冲计数来记时，并且相应的要提高各种门电路开关速度，在现今电子技术发展情况下，这样高的频率时钟电路和计数电路都难以实现，可见极力去精确测量单个纳秒级的时差是不现实的，为了解决这个难题，本设计采用了多脉冲法作为测时方法。
多脉冲测量方法是进入九十年代以来，国外生产厂家首先采用的一种测时方法，但多脉冲仅仅作为一个术语出现在产品介绍，或在产品说明书中一带而过。本设计结合微处理器的特点，对超声波时差流量测量的多脉冲测量方法进行了较深入的研究。多脉冲测量方法不仅能有效的滤除干扰信号获得可靠的超声波传播时间，而且能在流量测量过程中结合多脉冲测量方法的特点，利用概率论和数理统计等相关理论对测量时差法做出了合理估计，从而确保了流量测量的精度。
多脉冲测量方法就是利用超声波的多次发射和接收过程，对某一物理量进行测量的方法，工作示意图见图2.7，首先使一个超声波换能器T1作为发射探头，另一个换能器作为接收探头，如图a所示，然后将触发信号施加在发射探头T1上使其发射超声波。超声波顺流传播被接收探头T2接收并转换为电信号，接收的电信号经放大、整形处理
后又代替触发信号去触发换能器T1第二次发射超声波，如此重复上述的超声波发射、接收过程，就形成了自激的顺流超声波声循环。在完成N次声循环后循环停止，假设这N次顺流声循环所需的时间为，它包括N次固有延迟时间，（i=1、2、3…N）之和以及N个超声波在水中单次顺流传播时间之和，即：
(2-11)
启动启动放大放大T1T2T1T2v?dv?d
图2.7 双换能器交替发射接收示意图
接着使超声波换能器T2作发射探头，T1作接收探头，如图b所示，将触发信号施加在发射探头T2上使之开始发射超声波，接收探头T1接收到超声波后，经放大、整形处理，触发T2第二次发射超声波，这样就形成了逆流超声波声循环，同样可知超声波完成N次逆流声循环后所需的时间包含N次固有延迟之和以及N个超声波在水中单次逆流传播时间之和，即：
(2-12)
当图a和图b中的发射电路、放大电路等采用完全相同的电路而且超声波换能器的发射接收性能稳定一致时，只要N足够大，由于统计效应的出现，上述两次声循环的延时总和是相等的，即：
(2-13)