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超声波流量计由于其精度高、可靠性好、压力损失小等优点，已经成功地应用在国际天然气贸易计量领域，同时需求量不断扩大，有非常广阔的发展前景。利用超声波时差法测量气体流量，是比较通用的方法，原理虽然简单，测量精度却涉及了多门学科领域，是一个很复杂的系统问题。影响气体测量精度的因素有很多，但是最终可以归纳到两点:流量的计算算法，超声波信号的测量。 流量的计算算法是气体流量测量的基础。理想条件下，一次仪表测量得到的线平均流速，与管道横截面上的面平均流速之间的数学关系，可以直接从理论上推导而得;但实际使用的管道组件，会使流速分布偏离理想情况;此外，高精度测量使用的换能器插入安装方式，破坏了管壁连续性，其影响可能直接作用在声道上;传统计算算法，依据理想条件基础上的加权积分以及实流修正，很难动态适应现场工况，迫切需要更先进的算法。 超声波信号是测量气体流量的直接手段。气体作为介质，对声信号的吸收较大，同时气体的可压缩性又会导致介质不均匀，引起声波的折射与反射，再考虑噪声的影响，都会使得超声波信号幅值与包络形状变得不稳定，增加了信号检测的难度。用于液体计量中成熟的检测方法很难适应气体中的检测，这一问题很难单纯地依靠提高电路稳定性、提高管道制造精度等传统设计思路进行解决。 本文以时差法超声波气体流量计为研究对象，对影响其测量精度的上述两个主要因素进行了研究，探讨了对其进行优化和改进的方法。首先从超声波气体流量测量的原理出发，重点分析了弯管安装效应、换能器安装效应对管内气体流场分布的影响，探讨了对测量结果进行数值积分的方法。然后对超声波信号发射、传播、检测等问题进行了深入的研究，并在此基础上对实验样机进行了标定。本文尝试通过对这些关键技术的研究，探讨气体流量测量中的误差来源，提出降低测量误差、提高检测精度的方法。本文一共分为六章，分别是:第一章是绪论，给出论文的研究背景，调研了国内外对于超声波气体流量计的研究。介绍了研究对象及研究意义，指明了对于流量计测量精度的研究方向及重点内容。 第二章从超声波气体流量计的基本原理和计算公式入手，分析了影响测量精度的因素，以及对各参量测量相应的误差敏感度;建立了多声道流量测量的模型，并通过高斯积分的方法，计算各个声道的参数，以及加权系数，解决流量的计算方法的基础问题。 第三章研究管道结构和换能器安装对流场的影响，并提出相应计算方法。首先，以工业现场常见的弯管为例，在多声道模型的基础上，使用计算流体动力学的原理与方法，系统地分析研究了流量计上游的弯管对流场分布的影响，及相应的测量误差产生机理。其次，对比了换能器采用伸入管道与缩回管壁的两种安装方法，对测量管段气体流场分布的干扰，分析了这种干扰对于流场、测量精度的影响原理与误差，同时研究了换能器安装角度与测量测量误差的关系。最后引入了神经网络方法，用于多声道测量的数值积分以及对误差进行修正，并与传统的Gauss-Legendre方法进行对比。 第四章对于超声波信号发射、传播、检测等问题进行了深入的研究，从超声波的激励、信号的处理与检测技术等方面对时差法超声波气体流量计进行了全面地优化和改进;分别设计比较了两种不同的信号检测动态自适应调节方法:自动增益控制AGC，和自动阈值控制ATC。 第五章在系统地分析了流场影响和安装效应，以及信号处理方法的基础上，设计了多声道超声气体流量计，对其进行了实际检测和标定研究，并研究了测量结果系统误差的校正方法。 第六章为本文的总结及下一步工作的展望。