兰州理工大学电信学院毕业设计说明书
R vd?Qv?A22?v1?(rR)rdrmax?0?R2?1vmax 2 可知絮流状态下，vd与vmax的关系为：
RQ vd?v?A1n2?v(1?rR)rdrmax?0?R22n2?vmax (2n?1)(n?1) 由以上公式可知，层流时流量修正系数为： K? 絮流时流量修正系数为： K?4 32n?1 2n2.5.2 折射角?的修正
夹装式超声波流量计除了做流速分布修正外，必要时还要对?角进行修正，根据?角随流体中声速C的变化而变化，而C又是流体温度的函数，因此，必须对?角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。 式中，?0 C0sin?0sin?1sin??? C0C1C为超声波在声楔中的入射角； 、C1、C为超声波在声楔、管壁、被测流体中的速度。
?1、?为超声波在管壁、流体中的折射角；
图中所示超声波在流体中的?角不但受到流体声速的影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而因为一般固有材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条件下对测量精确度的影响可以忽略不计但在温度变化范围大的情况下（例如高低温换能器工作温度范围-40～200℃）就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。
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可得关系式：
??arcsin(Csin?0)
C0图10 夹装式超声波传播途径
因为中C0和?0
为已知量，C为超声波在被测流体中的传播速度，是温度的
变量。这样就可以通过修正后的C对?进行修正了。
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第三章 时差法超声波流量计的总体设计
本课题研究的超声波流量计是采用时差法测量原理来进行流量检测的。通过 查阅国内外的有关文献，分析国内外的各种产品，确定实现具有国内外先进水平 的流量测量系统，设计的时差法超声波流量计要求具有测量精度高、操作简便、 安装调试简单、成本低及可靠性高等特点。
3.1 换能器的安装
对于时差法超声波流量计来说，超声换能器在管道上的安装位置通常有三种不同形式：平行式、Z 型、V型。如图11所示：
图11 换能器的不同安装位置
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，是现在国际上流行的两种换能器安装在同一侧的设计。
所以，在本设计中，我们的换能器将采用单通道（即只采用一对探头）V 字型安装，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些附加温度误差，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。
3.2 测量原理
3.3.1声学原理
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如第二章第三节所述，当管道中以速度V流动时，超声波信号在流体中的顺、
逆流传播时间分别为t1、t2，那么对于V型安装有：
t1? t2?2dco?sC?vsin? （3—1）
2dco?s （3—2）
C?vsin?4dvt?g2C2?v2sin? ?t?t1?t2? （3—3）
C2?t v?4dt?g （3—4）
但是，由式（3-4）我们可以看到流体的流速v与超声波速度C有关，而C又受温度、水深等物理参数的影响，如果直接利用式（3-4）进行流量计算势必会造成比较大的误差，因此，可以采用改进型时差法，利用数学变换将影响测量精度的超声波速度C剔除。由式（3-1）、（3-2）可知： C?vsin??C?vsin??2dcos?t12dcos?t2 （3—5）
（3—6）
式（3-5）、（3-6）相减可得： v?t2?t12d? （3—7） t1t2sin2? 式（3-7）与（3-4）相比，消掉了超声波速度C这一项，因此，改进后的时差法公式消除了C对测量结果的影响，从理论模型上提高了流速度测量精度。
图12 基本声学原理图
3.2.2 测时原理
由第二章第四节的分析，时差法超声波流量计的精度与所检测到的传播时间的准确度有关,采用可靠的传播时间测量方法是确保时差法超声波流量测量的关
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键问题。
由式（3-7）可以看出： v?k?t2d ?f(?t,t1,t2),k?t1t2sin2? 由数学知识我们可以知道：
?v?k?t? 2?t1t2t1?v?k?t?2?t1t1t2?vk???tt1t2 （3—9）
由式（3-9）可以看出，k 越小，v 对时间参量要求的精度就越大，也就是说管径越小就越难以测量。根据课题的要求以及计算的方便我们所测管径的最小值为d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度为1450m/s；发射角θ为 450。当流体流速为V=1m/s时：t1=97.484us,t2=97.579us，?t?9.5E?8s 也就是说超声波顺逆流发射的传播时间差?t仅为95ns左右，如果要求系统
测量精度为 1％，则测量分辨率至少应达到1ns，那么就需要采用1000MHz的时钟脉冲计数来计时，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，我们采用多脉冲法作为本课题的测时方法。
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，美国康创公司推出的UNIFLOW流量计以及最近我国深圳晨光科技实业有限公司在引进德国技术的基础上设计的ZCL-15系列时差法流量计均采用了多脉冲法，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。我们通过对以往人们常用的超声波测时方法的分析，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做出了合理估计，从而确保了流量测量的精度。
所谓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其工作示意图见图13，首先使一个超声波换能器T 1作为发射探头，另一个换能器作接收探头，如图13（a）所示，然后将触发信号施加在发射探头T 1上使其发射超声波。超声波顺流传播被接收探头T 2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T 1第二次发射超
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