流体广泛存在于化学工业和能源工业等工业过程中,其参数的有效测量是过程建模、预测、控制和设计的关键。但是,由于流体的流动特性复杂多变,其参数测量是一个具有重大研究意义但仍未得到较好解决的问题。超声波技术具有适应性强、测量范围广、无可动部件等诸多优点,为解决复杂流体的参数测量问题提供了有效的手段,展现出了很好的应用前景,成为近年来流体参数测量领域中的研究热点之一。本论文开展了超声波技术在气体和气液两相流等常见复杂流体参数测量中的应用研究,为解决现有的流体参数测量问题提供新的思路。本文的主要创新点和贡献如下:1.为克服现有的超声波渡越时间测量方法对信号信息利用不全面,难以满足日益增长的工业测量要求等问题,本文引入模型拟合技术和最优化方法,提出了一种基于模型的超声波渡越时间测量新方法。该方法采用多脉冲激励的方式来获得具有更高能量和信噪比的超声波信号。首先,引入零相位滤波器和带参考信号的独立分量分析方法对超声波实测信号进行预处理;然后,建立多脉冲激励模式下的超声波接收信号数学模型,利用改进后的最速下降法实现实测信号与模型信号的拟合并获得渡越时间的全局最优估计;最后,基于获得的顺、逆流渡越时间计算得到气体流量测量值。渡越时间测量实验和气体流量测量动态实验验证了所提出的渡越时间测量新方法的可行性和有效性。在5.0m3/h到50.0m3/h的流量范围内,气体流量测量的最大相对误差和重复性分别为3.27%和1.99%;在50.0m3/h到500.0m3/h的流量段内,气体流量测量的最大相对误差和重复性分别为 1.43%和 0.51%。2.为了克服单一声道布置方式的超声波流量计中流体流速场分布不均以及流体内部扰动会对测量造成不利影响等问题,结合“Z”型和“V”型两种不同的声道布置方式的优点,研发了新型混合构型双声道超声波流量传感器。该传感器通过将“Z”型和“V”型换能器对安装在不同的管道平面上来获取不同的流速剖面信息,以获得更多的流速场分布和流体内部特征信息,提高测量精度。同时,在信号处理方面沿用模型法的思路,寻求适用于混合构型流量传感器的滤波手段和最优化算法,引入Butterworth带通滤波器和混合型高斯牛顿结构的BFGS算法,提出了一种新的基于模型的渡越时间测量方法。基于所研发的传感器和所提出的渡越时间测量方法,研发了新型混合构型双声道超声波气体流量计样机并开展了气体流量测量实验。实验结果表明,该新型混合构型超声波流量传感器的研发是成功的,其相较于单一构型的传感器具有更好的测量性能。在50.0m3/h～500.0m3/h的常规流量段内,未经校正的气体流量测量最大相对误差和重复性分别为1.80%和0.38%。3.针对气液两相流电容耦合电阻层析成像(Capacitively Coupled Electrical Resistance Tomography,CCERT)系统在层状流测量中的不足,引入超声波技术,建立了气液两相层状流相界面测量模型并研究了换能器安装夹角对测量性能的影响。基于超声波技术和CCERT研发了非接触式融合型传感器。通过对超声波渡越时间的测量来获取准确的层状流相界面信息并实现对CCERT图像的校正,弥补气液两相层状流CCERT图像的相界面信息缺失问题,提高相分布图像的重建精度和后续的流态监测以及相含率测量等参数测量性能。在层状流、环状流、段塞流、泡状流等气液两相流典型流型下开展了静态测量实验,通过对比引入超声波技术前后的气液两相流C CERT系统的图像重建效果和相含率测量误差,验证了所研发传感器的有效性,表明了超声波技术的引入可以有效提高气液两相流CCERT系统的整体测量性能。本文针对超声波气体流量测量问题,从信号处理和传感器构型两方面切入,一方面引入模型拟合技术和最优化方法,提出了基于模型的超声波渡越时间测量新方法并验证了该方法在渡越时间和流量测量中的可行性和有效性;另一方面通过对两种具有互补特性的声道布置方式(“Z”型声道布置方式和“V”型声道布置方式)进行结合,研发了一种新型混合构型双声道超声波流量传感器,为克服流速场不均匀和流体内部扰动等问题对测量造成的不利影响提供新的思路。此外,引入超声波技术开展了气液两相流测量相关的拓展研究,针对现有的气液两相流CCERT系统的典型问题,研发了基于超声波技术和CCERT的非接触式融合型传感器,通过建立基于超声波技术的气液两相层状流相界面测量模型弥补了气液两相流CCERT系统在层状流测量中的不足,提高了气液两相流相含率测量的精度,为后续的研究提供借鉴。