在完成了前期的研究設計工作后,對本流量計進行了試驗測試,并對實驗數(shù)據(jù)的處理方法進行了研究。下面對于系統(tǒng)的調(diào)試和安裝校準過程進行詳細介紹并對實驗結(jié)果的處理方法做以分析。

1、系統(tǒng)調(diào)試：
  儀表的正確安裝調(diào)試對超聲波流量計的正常工作非常重要。系統(tǒng)的調(diào)試過程包括流量計的安裝和校驗,根據(jù)特定的環(huán)境安裝調(diào)試超聲波流量計,并進行準確的校驗調(diào)整,可以更好地體現(xiàn)流量計的精度、可靠性和穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢,便于對數(shù)據(jù)結(jié)果的處理。本系統(tǒng)為外夾裝式超聲波流量計,其使用方便靈活、測量精度高、無須破壞管道,是非接觸測量方法的優(yōu)先選擇。

2、流量計的安裝：
  一般,超聲波流量計的安裝應從以下幾個方面來考慮詳細了解現(xiàn)場情況確定安裝方式選擇安裝管段計算安裝距離,確定探頭位置管道表面處理探頭安裝及接線用示波器觀察接收波形,微調(diào)并固定探頭。
  換能器的安裝對于管外換能器的安裝,要注意以下幾點。
（1）安裝前的管壁處理超聲波換能器安裝時應先將換能器安裝處的管壁上的油漆、鐵銹打磨干凈,在發(fā)射器和安裝處的管壁上均勻地涂一層禍合劑禍合劑的作用是將發(fā)射器與管壁接合處之間的空氣排除,將換能器緊密地安裝在管壁的側(cè)面。換能器安裝后不要隨便移動,以免換能器與管壁的接合處產(chǎn)生氣泡而影響測量的精度。
（2）正確選擇安裝地點由于采用管外安裝換能器的超聲波流量計是通過聲波傳播途徑上流體線平均流速來進行測量的,所以應保證換能器前的流體是沿管軸平行流動。因此,安裝地點的選擇必須保證換能器前有一定長度的直管段,所需直管段長度與流道上阻力件型式有關(guān),可參考節(jié)流裝置對直管段的要求。一般,當管道內(nèi)徑為時上游直管段長度應大于,下游大于。當上游有泵、閥門等阻力件時,直管段長度至少應有一,有時甚至要求更高。如果發(fā)射器安裝位置上、下游存在彎頭、異徑管、閥、泵或管道內(nèi)有阻流物等,流體形成橫向二次流,流速分布偏離,在直管段長度不夠時,測量精度下降,在有旋渦的情況下甚至不能測量。
  此外,還應注意換能器安裝地點應避免強電磁場和管道的振動等因素的影響詳細了解安裝現(xiàn)場周圍是否有微波發(fā)射臺,大功率電臺或是否靠近繁忙的公路安裝地點是否能保證流體充滿管道等情況。此外還應避免振動,且不能安裝在管道焊縫或法蘭安裝處。
（3）處。正確選擇安裝方式當流體平行于管徑流動時,通?？梢苑ò惭b能夠獲得較好的精度。但當流體流動方向與管軸不平行,存在半徑方向的速度成分時,應采用法,此時,接收換能器與發(fā)射換能器之間的距離較小。對于己配置好的流體管道,特別是測量大口徑管道流量時,由于上游流動狀態(tài)的干擾而易于造成測量誤差的場合,比較合適的措施是增加測量線,即增加超聲波的傳播路徑,更多地接收傳播路徑中的流速信息,進行平均,以抵消流體擾動造成的測量誤差。
（4）確定安裝距離換能器的安裝應根據(jù)具體的測量方式依據(jù)說明書上的步驟驚醒,各種測量方式下的安裝方式步驟略有不同,但其原理相似。以法為例一對換能器的安裝有個基本原則就是發(fā)射換能器與接收換能器應在管道的半圓平分線上對于法,則在同一半圓基線上,并根據(jù)實際的管道半徑,壁厚及被測流體的性質(zhì),參數(shù)等核算,確定兩換能器之間的軸向距離,保證安裝時值的準確。
  對于管道條件不好如由于時間太長,結(jié)垢嚴重,又不知結(jié)垢的實際厚度,這時就很難確定安裝距離。對于這種情況,可采用渡越時間法安裝換能器,這里不加介紹〕。
顯示儀表的安裝：
  （1）顯示儀表的安裝地點顯示儀表的安裝地點應選擇振動沖擊很小的位置注意避免電磁場的影響,儀表電源應避免引起電壓波動環(huán)境溫度應在儀表適應范圍內(nèi),,且應在無腐蝕環(huán)境中。
  （2）連線長度儀表與換能器之間的連線應用屏蔽線,且長度不應過大。

3、流量計的校驗：
  超聲波流量計的校驗和調(diào)整包括對流量顯示儀表的電子線路進行調(diào)校,對換能器的正確安裝進行調(diào)校。對換能器的安裝進行調(diào)校是使得發(fā)射換能器的聲波信號經(jīng)流體中的傳播以后能正常地被接收換能器所接收。
  超聲波流量計的調(diào)校因儀表的測量電路不同而異,但一般涉及到以下六個方面,其中零點調(diào)整為系統(tǒng)校驗的主要部分
  （1）零點調(diào)整當實際的流速為零時,儀表的流量也應調(diào)整為零。通常,零點的調(diào)整共有四種方法靜態(tài)零點設置、手工零點設置、動態(tài)零點設置和校正塊校準。校零時,要把流量計安裝在管路上,能夠正常工作有讀數(shù)之后進行。如果在流量計收不到信號或輸入有誤等不正常時,是不能進行校準操作的。***好的校準方法是進行靜態(tài)零點設置,但只能用于有靜態(tài)環(huán)境的條件下。目的是在安裝好之后進行校零,以消除由于管道安裝位置參數(shù)不同而引起的誤差。手工零點設置是不常用的校準辦法，適于經(jīng)驗豐富的操作人員在其它校零方法不能使用的場合下。校準的方法是時可疊加一個偏移量與測量值之上，以求得到真值。例如:實際測量值是200m3/H，偏移量為10m3/H，則儀表讀數(shù)為190m3/H。動態(tài)校零用于流動不能停止的環(huán)境時儀器進行校零，但必須流量流動穩(wěn)定，一般波動要小于平均值的士0.5%。校正塊校準適于在安裝以前進行校零。校零時使用一塊校準塊，因為上下兩束超聲波束在該塊中的傳輸時間及時差(=0)是已知的，儀器內(nèi)部利用這些參數(shù)進行校準。
    (2)阻尼設定:適當?shù)淖枘嵩O定可用來地觀察測量值的變化過程，或用來獲得測量值的平均值。通常，當零點功能起作用時，所獲得的響應時間大約是阻尼設定時間的10倍，為了觀察測量值的真實變化，或為了以適當阻尼觀察測量值時，應設定適合的阻尼時間。       (3)工作參數(shù)的設定:包括電流環(huán)輸出的設定，顯示單位的設定，安全流量范圍的設定等。本設計的電流環(huán)輸出范圍是4—20mA, 4mA對應于流量數(shù)值的零點，這一點需要手動設置，滿量程對應于20mA，也需要手動調(diào)整。
   (4)在不正常測量情況下的輸出設定:當管內(nèi)無流體或流體中有氣泡等不正常情況時，可設定:保持測量值不變;高限度輸出;低限度輸出;零輸出等。
   (5)空探測點的設定:可設定當管道內(nèi)無流體時輸出一個報警信號。
   (6)低流量切除:流量低到一定值時，可設置一切斷點切斷流量顯示。切斷點一般可設定在0}0.999m/s之間。當閥門關(guān)閉時，由于管內(nèi)流體有對流現(xiàn)象，這時就顯示有流量顯示，所以有必要設置低流量切斷功能。
   (7)其它:累積輸出單位的設定;時間的設定以及狀態(tài)輸出的設定等。

4、流量計測試結(jié)果：
   進行正確的安裝校驗后，對相應的時間間隔進行了測試。由于時間原因，本系統(tǒng)僅僅在實驗室進行了初級階段的調(diào)試任務，還沒有在工業(yè)現(xiàn)場進行大量的實驗數(shù)據(jù)采集，所以，下面僅取其簡單單程測量結(jié)果進行討論。    表5.1為在管內(nèi)徑為0.0845m，超聲波聲速為1482m/:時所進行的單程傳輸時間的測量。為了便于分析系統(tǒng)前端部分的效果，本表中僅僅提取了未進行處理的10個典型測量結(jié)果。由表中可以看到，其測量誤差不超過0.1%。

表5測量結(jié)果

5、系統(tǒng)誤差分析：
   作為一種工業(yè)測量儀器，其測量精度是一個比較重要的指標，要使系統(tǒng)具有較高的精度，我們還必須對影響流體流量測量的各種因素進行仔細的分析、研究，然后在正確分析的基礎上，采用必要、有效的方式、方法***大可能地減少甚至消除各種可能產(chǎn)生的誤差。    由時差法超聲波流量計的測量原理我們知道，是系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的可能因素主要有:聲道長度、超聲波換能器的安裝角度、管道半徑的測量精度、非液體傳播延遲、信號畸變和丟失、被測流體的溫度變化、時間差測量的準確度等[f2al0。
   (1)聲道長度:根據(jù)聲速計算公式2.12，聲道長L與聲速V成反比關(guān)系，因而聲道長L是影響聲速的一個重要因素。在實際測量中，只要采用千分尺、毫米尺等較高的長度測量儀器測量每一路聲道長度，這種誤差總能保持小于0.5%。
   (2)超聲波換能器的安裝角度:由聲速計算公式知道，聲速V和。os B成反比關(guān)系。假設流體沿管道的中心軸平行流動，且聲線和管道中心軸的夾角為450，則由相對誤差的計算公式可得，對于夾角B1“的測量誤差將對流量產(chǎn)生1.7%的偏差。因而。聲線和管道中心軸的夾角和超聲波換能器的安裝直接有關(guān)，所以要減小此種誤差，就必須要對超聲波換能器進行正確的安裝。實際中，只要采用一些比較的安裝和測量方法，聲線和管道中心軸的夾角偏差一般不會小于0.50。則對流體流速的影響誤差將小于0.83%。
   (3)管道半徑的測量精度:對管道中的流體來說，管徑是流體計算的一個因子，因而對它進行測量產(chǎn)生的誤差將直接影響流體流量的計算。假設管道為圓形，則管徑測量產(chǎn)生的1%的誤差將使流體流量的計算產(chǎn)生2%的誤差。所以在實際工程測量中除了采用精密儀器測量外，***好采取一些有效的方法對產(chǎn)生的誤差進行補償，以減小由于測量誤差對流量計算產(chǎn)生的影響。
   (4)非液體傳播延時:聲信號的順、逆向傳播時間的測量是影響流體流速的一個很重要的因素，聲波信號在非液體中的傳播時間主要包括:電路延時、電纜延時、換能器電聲轉(zhuǎn)換延時等。對這些聲波信號在非液體中的傳播時間，雖可以通過理論分析和實際測試進行確定，但還是會產(chǎn)生一定的誤差。
（5）被測流體的溫度變化:溫度變化將可能影響超聲波在換能器聲楔、管道和被測流體之中的傳播速度，當然也有對溫度變化不敏感的材料和流體，那樣將減少很多麻煩。對于溫度的影響，可以通過儀器本身增加溫度補償手段而達到目的，這一點將在第六章詳細解釋;也可以在儀器設置之中給予較多的考慮，比如通過的給出被測環(huán)境的溫度和流體溫度下，超聲波在換能器聲楔、管道和流體之中的傳播速度。這樣，通過儀器本身增加功能或準確的超聲波傳播速度的設置就可以較好的改善溫度對測量精度的影口向。
   (6)信號畸變和丟失:被測的流體介質(zhì)一般不可能是純凈的，其中都會含有大量的固體顆粒和氣泡等雜物。超聲波信號在傳輸過程中不可避免地要收到流體中雜質(zhì)和管道邊界的反射，產(chǎn)生多途效應，使信號發(fā)生畸變。對信號檢測電路來說，很難保證檢測到的畸變信號的個正跳變就是發(fā)射信號的個正脈沖，如果信號檢測出現(xiàn)差錯將直接影響聲波傳播時間的確定，同時也就會使測得的流速存在誤差。為保證信號檢測電路正確地檢測到信號，我們在流量計中加入了信號有效性檢測部分電路，***大可能地減小由于信號畸變引起的系統(tǒng)誤差。
（7）時間差測量的準確度:本系統(tǒng)采用了有效的收發(fā)電路，和高精度的傳播時間測量芯片，以及使用了均值數(shù)據(jù)濾波，使得時間差測量精度可以達到150ps以內(nèi)。
   當被測流體為水時，在常溫狀態(tài)下，且管道的管徑大于10cm時，儀器測量將會產(chǎn)生不到0.05m/s的流體速度誤差，當被測流體的真實流速在1 m/s時，儀器測量的精度能夠高于1%。當然如果被測流體的流速較低時，會產(chǎn)生更大的誤差(當然也有專門針對低流速流體的測量技術(shù)，一般而言，超聲波流量儀表都有較低流量切除值，當設置切除值為0.01 m/s，流體的流速低于0.01 m/s時，系統(tǒng)將不予測量。
   在儀器的實際使用時，測量的精度要偏低一些，除了設置管徑、超聲波傳播速度等帶來的誤差之外，還有對流體流速分布的估算不準確等因素的影響[[29]，在第六章中提出了一些改進方案，將會較好的保證和提高儀器的測量精度。

5. 2、數(shù)據(jù)處理：
   本系統(tǒng)主要用于工業(yè)的現(xiàn)場測試，在實際的環(huán)境中，雖然在硬件設計方面己經(jīng)采取了很多有效地濾波與抗干擾措施，但是直接將硬件系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)顯示出來顯然是不現(xiàn)實的，必須對所測得的結(jié)果采取數(shù)字濾波，軟件濾波對于保證儀表精度有著十分重要的作用，能夠有效提高儀表的測量精度。    目前，全數(shù)字式超聲波流量計成為現(xiàn)代超聲波流量計的主流，數(shù)字濾波技術(shù)大大提高了儀表的精度和儀表的一致性、重復性。數(shù)字濾波是數(shù)字系統(tǒng)中提取逼近真值數(shù)據(jù)的一種算法。由于軟件算法的靈活性、可靠性其效果往往是硬件濾波電路所不能比擬的，因此，數(shù)字濾波方法可以進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確度。    對于噪聲的處理***常用的方法是滾動濾波，中值濾波和算術(shù)平均濾波等，復雜的有小波去噪等，但它們都有各自的有缺點。實踐證明單獨使用一種方法往往達不到所要求的精度和穩(wěn)定度。

5. 2. 1、算術(shù)平均濾波：
   算術(shù)平均濾波法就是連續(xù)取N個樣值進行算術(shù)平均，其數(shù)學表達式如下:

   式中，y為N個取樣值的算術(shù)平均值;y‘為第i個取樣值。這種濾波算法適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，這種信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值附近上下波動。信號的平滑程度取決于N，當N較大時，信號的平滑度較高，但是靈敏度降低;當N較小時，平滑度低，但靈敏度高。N具體取多少須經(jīng)過大量試驗驗證。    由于算術(shù)平均濾波法存在平滑性和靈敏度矛盾。即采樣次數(shù)太少，平滑效果差;次數(shù)太多，靈敏度下降對參數(shù)的變化趨勢不敏感。為協(xié)調(diào)兩者關(guān)系，可采用加權(quán)平均濾波。對連續(xù)N次采樣值，分別乘上不同的加權(quán)系數(shù)之后再求累加和，加權(quán)系數(shù)一般先小后大，以突出后若干采樣的效果，加強系統(tǒng)對參數(shù)變化趨勢的辯識。各個加權(quán)系數(shù)均為小于1的小數(shù)，且滿足總和等于1的約束條件。這樣，加權(quán)運算之后的累加和即為有效采樣值。

5. 2. 2、中值濾波：
   中值濾波是對窗內(nèi)數(shù)據(jù)進行大小的排序，取結(jié)果的中間項對應值，這樣脈沖噪聲不起作用，不影響中值結(jié)果，在有隨機脈沖信號的情況下，能較好地保護原有信號。在有隨機脈沖存在的場合，應用中值濾波法效果有顯著的影響。其思想是:首先從存儲時差值的隊列緩沖區(qū)取出所有數(shù)據(jù)進行排序(從大到小)，選取排序隊列中處于中部靠前一點的位置作為原始比較對象，然后將隊列中所有數(shù)據(jù)與其比較，當差的值超過設定的閡值時，就該舍棄該數(shù)據(jù)。這種濾波的方法***大的優(yōu)點是可以濾除隨機干擾，可以提高儀表工作的穩(wěn)定性，避免儀表讀數(shù)驟然偏高或偏低。然而計算的時間主要消耗在排序上，當數(shù)據(jù)很多并且對實時性要求很高時，無論哪種快速排序算法都很難符合要求。為了滿足實時性的要求，可以采用一種中值濾波快速算法，這種中值濾波的快速算法，避免了反復對無序序列排序，而只對有序序列進行數(shù)據(jù)元素的快速查找和內(nèi)插，實現(xiàn)中值濾波[31]。
    快速算法的基本想法是:原始數(shù)據(jù)序列上中值濾波的滑窗在移動過程中，只需刪除窗內(nèi)***早的元素，加入窗后的新元素，即成為下一窗的內(nèi)容。下一窗的中值濾波實現(xiàn)可利用上次排序的結(jié)果，用有序序列快速查找算法求得新元素的插入位置，根據(jù)它們之間的關(guān)系，用一定的算法調(diào)整新序列的排序結(jié)果，取出新序列的中間值即可實現(xiàn)中值濾波。新元素插入與***早的元素刪除的實現(xiàn)采用獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將是新元素覆蓋***早的元素，即是插入兼并了刪除。
    設中值濾波窗口長度為2N+1，則此算法除了需要((2N+1) x 4個Byte的時差信號的存儲空間外，還需要2x (2N+1)個Byte(一般情況2N+1<255，所以1個Byte就可以存儲一個0255的數(shù)據(jù))的存儲單元。    設置2N+1個連續(xù)的存儲單元{w(0) , w(1) , """"""w(2N)}組成一個按照先進先出的原則組成一個循環(huán)序列用于循環(huán)存儲窗內(nèi)的數(shù)據(jù)元素，即新來的元素總是替換當前隊列中***早存放的元素。    設置2N+1個連續(xù)的存儲單元{s (0)，s(1)，…. .S (21}}存放排好序的元素在w序列中的下標，即若規(guī)定元素從小到大排序，則w(s(0)) <_w(s(1)) <_w(s(2)) <……‘w (s (2N))。    設置2N+1個連續(xù)的存儲單元{a(0) }a(1), "wwa(2N)}，依次存儲{w(0) , w(1)，……w (2N)}在:序列中的對應的下標值，即若:(n) =i，則a (i) -n，亦即i=s(a(i)),i=0,1,""w",2No    這樣設置后:序列某一單元指向w序列中一單元，a序列元素又指向:序列單元，例如由小到大排序后w(15)是第30個元素，這三個序列中有關(guān)的元素分別為:s (30) =15,a(15)=300    快速算法如下:    (1)初始化。令w序列中存儲單元的值全為零，:序列和a序列的存儲單元分別存儲各自的下標值，即w (i) -0, s (i) -a (i) -i, i=0,  1,……，2No
    (2)設‘序列中的元素己經(jīng)按照從小到大的順序排好，即w(s(0)) <_w(s(1))<_w(s(2)) <……}w(s(2N))。設當前待刪除元素的下標為j, j=0,  1,……，2N，用二分法查找新元素x在有序序列中的位置為k, w (j)在有序序列中的位置為。。對于長度為l的基本有序序列的快速查找，二分法是一種速度***快的算法，待查元素至多與1 +1og21個元素比較就能找到新元素在序列中正確的位置。    (3)在w,:、“序列中插入新元素x的有關(guān)信息。    若k<n，則將:序列中第n-1到第k個單元的內(nèi)容順序移到后一單元，即i=n,n-1, """"""k+l , s (i) -s (i-1);再取出:(i)單元中的內(nèi)容作為下標m，修改a序列中a(m)存儲的內(nèi)容，即令a (m) =a (m) +1;***后保存有關(guān)x的信息，令w (j) x, s (k) j, a }j) -ko    若k>n，則將:序列中第n+1到第k-1個單元的內(nèi)容順序移到前一單元，即i=n+1,n+2, ……k_1, s(i-1)=s(i);再取出:(i-1)單元中的內(nèi)容作為下標m，修改a序列中a(m)存儲的內(nèi)容，即令a(m)=a(m)-1;***后保存有關(guān)x的信息，令w(j) x,s(k-1) j,a}j)=k-to    儼)取出w (s洲)的值就是中值濾波的***終結(jié)果。

5.2.3、本系統(tǒng)的濾波方法：
   由于時間問題，本系統(tǒng)僅僅在實驗室進行了初級階段的調(diào)試任務，還沒有在工業(yè)現(xiàn)場進行大量的實驗數(shù)據(jù)采集，并且本系統(tǒng)使用的MPU的處理能力有限，其RAM空間也相對較小所以不能采用更加有效的濾波方法。因此，目前暫時采用了均值滾動濾波方法。滾動濾波簡而言之就是一個先進先出的隊列。隊列頭放入***新得到的數(shù)值，隊尾的值被舍棄，這樣不斷刷新這一隊列。這種濾波方法可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是隊列的長度影響了系統(tǒng)的實時性。
   具體的實現(xiàn)是這樣的:在RAM空間留出40個時間差數(shù)據(jù)存儲空間，每次執(zhí)行時間差測量任務時，采集8組時間差信號，然后將該組數(shù)據(jù)覆蓋存儲區(qū)中保留時間***長的8個數(shù)據(jù)，而后計算這40個時間差數(shù)據(jù)的均值，作為本次時間差值，進行流體流速、流量運算。

6、小結(jié)：
   本節(jié)詳細介紹了流量計的安裝和校驗方法，對系統(tǒng)測量產(chǎn)生的誤差做以分析，并對數(shù)字濾波的方法進行了探討。