一、引言
现存的各种流量仪表中，利用超声技术研制的流量仪表因具有优于其他流量计的优点（如可进行非接触测量，测量精度高等）在测量仪表中占有重要地位，得到了广泛的应用。但在进行流量测量时，顺流、逆流时间差通常在数纳秒至数微秒之间，对测量精度要求非常高，文中主要讨论了利用变频法提高测时精度的方法问题。
二、基本工作原理
超声流量计是通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。接触式超声波流量计测量原理如图1所示：
图 1
A、B为固定在管壁上的相距为L的超声波传感器。当A作为发射端，B作为接收端时，可测得超声波顺流传播时间；当B作为发射端，A作为接收端时，可测得逆流传播时间。设C为超声波在静止液体中的传播速度，为液体的流动速度，为超声波的入射角。则顺流时超声波传播时间：
（1）
逆流时超声波传播时间：
（2）
顺、逆流时间差：
（3）
由于在液体中超声波的传播速度C（水中约为1500m/s）是非常大的，C 远远大于V2sin2θ，故式（3）可写为
（4）
根据测得的流速和所测管道的截面积S，便可得流量
Q=vS （5）
由上式可知，流量计测量的关键就是时间的测量。
三、高精度的测时原理
在测量超声波在液体中的传播时间时，传感器安装好后两传感器之间的距离L就定了，但当发射不同频率的信号或被测流体的流速不同时，发射传感器发射的信号与接收传感器接收到的信号的相位差是一个随机量，在进行时间测量时若不进行相位检测，就会存在最高可达180o的相位误差，如发射超声波信号频率为1MHz，其由相位误差引起的测时误差最高可达500ns，对于流量测量来说，该误差严重的影响了测时精度；另外，在进行直接时间测量时，由于信号发射与接收时间控制的不精确，或控制电路设计精度不够高，也会对时间测量带来不可忽视的随机误差，这些都影响了测时精度的提高。
为此，提出采用变频法提高测时精度的方法。通过控制频率合成器和鉴相器，使发射的超声波频率在经过L长度的传播距离到达接收传感器时，接收信号与发射信号的相位差为零。可测得频率合成器的输出频率为f1；按一定步长增加或降低压控振荡器的输入频率，再根据鉴相器的输出调节频率合成器的合成频率得到另一个可以使发射信号与接收信号之间相位差为零的频率f1'；且f1与f1' 存在如下关系：若以f1频率的超声波信号作为发射信号时，在经过L距离时，从发射到接受这段时间内对其进行计数，计数值为N1；若以f1' 作为发射信号时，经过L距离对它的计数为N1'；且有N1—N1'=1，如图2所示。
图 2
由于从发射到接收信号传播的时间极短，直接对其进行计算显然是不能满足高精度测量的，因而采用了通过测频来测时的方法对其实现高精度测量，即：
（6）
（7）
由式（6）、式（7）可得
（8）
所以，可求得顺流传播时间
（9）
同理，可得逆流超声波传播时间t21，再根据式（3）、式（4）、式（5）便可求得流体的流量。
四、硬件组成
系统原理框图如图3所示，本系统由微处理器，频率合成器，鉴相器，多路选择，滤波放大和A/D转换器几部分构成。其中微处理器用于测频和控制频率合成器变频以及对多路选择器进行控制；频率合成器用于产生不同频率的正弦信号；鉴相器用于比较发射信号与接受信号之间的相差，比较结果以电压信号输出，然后经A/D转换器转换后送微控制器。
图 3
现以顺流为例说明测量过程。首先由微处理器控制频率合成器产生某一频率信号，信号的频率必须在超声波传感器中心频率附近，通过放大器后一路由多路选择器送给超声波传感器，一路加到鉴相器的输入端。接收传感器接收到的信号通过多路选择器切换到接收滤波器的输入端，经过滤波放大后送到鉴相器的另一输入端，鉴相器的输出电压就反映了发射信号与接收信号的相差。待工作稳定后，将鉴相器的输出在微处理器控制下进行A/D转换。
微处理器根据转换结果调节频率合成器的输出频率。调节时，频率步距的设定是比较关键的。频率的步距不能设太大，太大有可能两个频率信号之间相差不止一个波形，就不能运用前面的公式了。步距也不能设太小，太小调节时间很长，测量太费时。
为此，本设计中采用了变步长逼近法，相差比较大时，鉴相器的输出电压也比较大，A/D转换结果也就大，此时就可以进行较大变化：相差比较小时，频率变化步长也应较小。当相差接近零时，应以最小步长调节频率。当测得相差为零时，记录当前信号频率，但还需向同一方向继续调节，看是否相差增大，若相差变大了，便可确认所记录频率为所求频率。找出了一个频率点后，按上述方法继续调节便可找出另一相邻频率点。根据两次调节的结果，便可求出顺流的传播时间。逆流时测量原理与此类似，这里就不再说明了。
五、误差分析
利用频率合成器和鉴相器来实现超声波传播时间的测量，其测时精度的高低主要有频率合成器的调节步长及鉴相器的分辨率高低有关。误差分析如下：
由于
（10）
令A=f—f'
则：
（11）
所以
（12）
由式（12）可以得出：测时精度的高低除了与频率合成器调节步长有关外，还与超声波所测的距离长度有关，距离越长越精确。
若f0=1MHz；调节步长为：△f=0.01Hz；超声波传播速度为：1600m/s；管径为：1m。
则
△t=2×0.01/（1600）2=7.81ns
六、结束语
本文提出的测时方法采用了先进的频率合成技术，避免了常规超声流量计中的因门限设定引入的误差，不直接测时，不要求使用高频计数器，也不需要压控振荡器调节频率，大大降低了流量计的复杂程度。系统的测量精度主要由鉴相器和频率合成器的频率分辨率决定，目前鉴相器和频率合成器均可达相当高的精度，已完全能满足流量的测量的精度要求。
