1、引言
目前自来水流量的测量，倾向于使用非接触式的电子检测仪表。非接触式流量计大多采用超声技术。目前国内很多厂家推出了超声流量计，它们大多应用了微电脑处理技术，实现了测试的智能化。在国外，日本、德国、瑞士几家公司产品，其性能和原理大致相同。
目前的流量计的基本测量原理和方法有以下三种：①时间差法，②相位差法，③频率差法。现在国内外的大多数非接触式超声流量计使用的都是频差法。例如富士株士会社生产的FLB-1型超声流量计使用的就是这种方法。它提供了可供选择的两种探头安装方法。如图1所示。其中V法适用于小管径的管道，而Z法则适用于2000mm或更大管径的管道。另外，当无法提供合适的安装间距时，宜于采用Z法，因为Z法仅需V法间距的一半，同时，在流体速度很高时，也应选择Z法。当管内壁的污垢很厚时，也不适用反射式的V法而选用Z法。但不论采用哪种方法，都很难排除随机的噪声干扰，造成较大的误差。因此，我们设计了一种新型的相关式超声流量计。
2、测量原理分析
相关检测技术在国内外文献中研究得很多，但在自来水流量测量中付诸实现仍是难的课题，本文所采用的相关检测方法如图2所示。在管道上装有两组传感器，上游传感器和下游传感器，两组传感器之间距离L。相关检测的实质是测出流体通过线性系统时，走过L长的距离所需的时间T。
设上游传感器测得的信号是x(t)，下游传感器测得的信号是y(t)，对这两个信号进行互相关计算：
将系统的输入信号x(t)和输出信号y(t)**间的变化的记录分别看作是随机过程{xt(t)和yt(t)}的一个样本函数。由于系统是线性的，且不考虑噪声干扰的情况下，可以认为{xt(t)}和{yt(t+T)}是完全相似的，只是后者在时间上滞后T。事实上，由于附加噪声的干扰，二者的波形不可能完全相似。为了描述二者的畸变程度，引入差值函数e(t)。
e(t)=x(t)-Ay(t+T) (2)
其中，A是某一常数。显然，如果存在一个常数a使e(t)=0，则有：
x(t)=ay(t+T) (3)
如上所述，由于噪声的存在，常数a是找不到的。为了判断x(t)与y(t+T)波形相似程度，可采用随机函数方差的概念：
作为衡量x(t)和y(t+T)之间波形差异的一个尺度。按*小均方差为判据，D越小，则y(t+T)的波形与x(t)的波形相似程度越高。令dD/dA=0，可以解出D为*小值的A为
将式(5)代入式(4)，化简后可得：
式中，exy(T)是相关系数lxy(T)的估计值，且
由于系统是线性的，系统的输出信号和输入信号**间的变化规律相同，只是它们在时间上相差一个T=To值，此值即为信号在该系统内的传递时间。在作相关运算时，互相关函数的Rxy(T)值将随x(t)与y(t+T)之间的相对延时值T的不同而变化。只有T的取值正好等于信号x(t)在系统中的传递时间To时，y(t+T)与x(t)二者的波形*为相似。此时，在互相关图上Rxy(T)也将出现峰值，如图3所示。
因此，根据Rxy(T)值的位置，可以确定信号x(t)在系统中传递时间To。
3、测试系统的软硬件设计
根据上述测量系统的数学模型，测试系统的硬件包括超声发射电路、传感器、超声接收电路、配用电路以及单片机和显示电路等部分组成，如图4所示。
在本系统中，*为主要的是根据测量方法的数学模型，通过软件在单片机计算出To。因为L是固定的常数，To计算出来之后，即可根据
v=L/To (8)
计算出自来水的流速，进一步根据管径的大小计算出流量值。
