超声波流量计安装 系统调试及数据结果处理

  在完成了前期的研究设计工作后,对本流量计进行了试验测试,并对实验数据的处理方法进行了研究。下面对于系统的调试和安装校准过程进行详细介绍并对实验结果的处理方法做以分析。

1、系统调试：
  仪表的正确安装调试对超声波流量计的正常工作非常重要。系统的调试过程包括流量计的安装和校验,根据特定的环境安装调试超声波流量计,并进行准确的校验调整,可以更好地体现流量计的精度、可靠性和稳定性方面的优势,便于对数据结果的处理。本系统为外夹装式超声波流量计,其使用方便灵活、测量精度高、无须破坏管道,是非接触测量方法的优先选择。

2、流量计的安装：
  一般,超声波流量计的安装应从以下几个方面来考虑详细了解现场情况确定安装方式选择安装管段计算安装距离,确定探头位置管道表面处理探头安装及接线用示波器观察接收波形,微调并固定探头。
  换能器的安装对于管外换能器的安装,要注意以下几点。
（1）安装前的管壁处理超声波换能器安装时应先将换能器安装处的管壁上的油漆、铁锈打磨干净,在发射器和安装处的管壁上均匀地涂一层祸合剂祸合剂的作用是将发射器与管壁接合处之间的空气排除,将换能器紧密地安装在管壁的侧面。换能器安装后不要随便移动,以免换能器与管壁的接合处产生气泡而影响测量的精度。
（2）正确选择安装地点由于采用管外安装换能器的超声波流量计是通过声波传播途径上流体线平均流速来进行测量的,所以应保证换能器前的流体是沿管轴平行流动。因此,安装地点的选择必须保证换能器前有一定长度的直管段,所需直管段长度与流道上阻力件型式有关,可参考节流装置对直管段的要求。一般,当管道内径为时上游直管段长度应大于,下游大于。当上游有泵、阀门等阻力件时,直管段长度至少应有一,有时甚至要求更高。如果发射器安装位置上、下游存在弯头、异径管、阀、泵或管道内有阻流物等,流体形成横向二次流,流速分布偏离,在直管段长度不够时,测量精度下降,在有旋涡的情况下甚至不能测量。
  此外,还应注意换能器安装地点应避免强电磁场和管道的振动等因素的影响详细了解安装现场周围是否有微波发射台,大功率电台或是否靠近繁忙的公路安装地点是否能保证流体充满管道等情况。此外还应避免振动,且不能安装在管道焊缝或法兰安装处。
（3）处。正确选择安装方式当流体平行于管径流动时,通常可以法安装能够获得较好的精度。但当流体流动方向与管轴不平行,存在半径方向的速度成分时,应采用法,此时,接收换能器与发射换能器之间的距离较小。对于己配置好的流体管道,特别是测量大口径管道流量时,由于上游流动状态的干扰而易于造成测量误差的场合,比较合适的措施是增加测量线,即增加超声波的传播路径,更多地接收传播路径中的流速信息,进行平均,以抵消流体扰动造成的测量误差。
（4）确定安装距离换能器的安装应根据具体的测量方式依据说明书上的步骤惊醒,各种测量方式下的安装方式步骤略有不同,但其原理相似。以法为例一对换能器的安装有个基本原则就是发射换能器与接收换能器应在管道的半圆平分线上对于法,则在同一半圆基线上,并根据实际的管道半径,壁厚及被测流体的性质,参数等核算,确定两换能器之间的轴向距离,保证安装时值的准确。
  对于管道条件不好如由于时间太长,结垢严重,又不知结垢的实际厚度,这时就很难确定安装距离。对于这种情况,可采用渡越时间法安装换能器,这里不加介绍〕。
显示仪表的安装：
  （1）显示仪表的安装地点显示仪表的安装地点应选择振动冲击很小的位置注意避免电磁场的影响,仪表电源应避免引起电压波动环境温度应在仪表适应范围内,,且应在无腐蚀环境中。
  （2）连线长度仪表与换能器之间的连线应用屏蔽线,且长度不应过大。

3、流量计的校验：
  超声波流量计的校验和调整包括对流量显示仪表的电子线路进行调校,对换能器的正确安装进行调校。对换能器的安装进行调校是使得发射换能器的声波信号经流体中的传播以后能正常地被接收换能器所接收。
  超声波流量计的调校因仪表的测量电路不同而异,但一般涉及到以下六个方面,其中零点调整为系统校验的主要部分
  （1）零点调整当实际的流速为零时,仪表的流量也应调整为零。通常,零点的调整共有四种方法静态零点设置、手工零点设置、动态零点设置和校正块校准。校零时,要把流量计安装在管路上,能够正常工作有读数之后进行。如果在流量计收不到信号或输入有误等不正常时,是不能进行校准操作的。***好的校准方法是进行静态零点设置,但只能用于有静态环境的条件下。目的是在安装好之后进行校零,以消除由于管道安装位置参数不同而引起的误差。手工零点设置是不常用的校准办法，适于经验丰富的操作人员在其它校零方法不能使用的场合下。校准的方法是时可叠加一个偏移量与测量值之上，以求得到真值。例如:实际测量值是200m3/H，偏移量为10m3/H，则仪表读数为190m3/H。动态校零用于流动不能停止的环境时仪器进行校零，但必须流量流动稳定，一般波动要小于平均值的士0.5%。校正块校准适于在安装以前进行校零。校零时使用一块校准块，因为上下两束超声波束在该块中的传输时间及时差(=0)是已知的，仪器内部利用这些参数进行校准。
    (2)阻尼设定:适当的阻尼设定可用来地观察测量值的变化过程，或用来获得测量值的平均值。通常，当零点功能起作用时，所获得的响应时间大约是阻尼设定时间的10倍，为了观察测量值的真实变化，或为了以适当阻尼观察测量值时，应设定适合的阻尼时间。       (3)工作参数的设定:包括电流环输出的设定，显示单位的设定，安全流量范围的设定等。本设计的电流环输出范围是4—20mA, 4mA对应于流量数值的零点，这一点需要手动设置，满量程对应于20mA，也需要手动调整。
   (4)在不正常测量情况下的输出设定:当管内无流体或流体中有气泡等不正常情况时，可设定:保持测量值不变;高限度输出;低限度输出;零输出等。
   (5)空探测点的设定:可设定当管道内无流体时输出一个报警信号。
   (6)低流量切除:流量低到一定值时，可设置一切断点切断流量显示。切断点一般可设定在0}0.999m/s之间。当阀门关闭时，由于管内流体有对流现象，这时就显示有流量显示，所以有必要设置低流量切断功能。
   (7)其它:累积输出单位的设定;时间的设定以及状态输出的设定等。

4、流量计测试结果：
   进行正确的安装校验后，对相应的时间间隔进行了测试。由于时间原因，本系统仅仅在实验室进行了初级阶段的调试任务，还没有在工业现场进行大量的实验数据采集，所以，下面仅取其简单单程测量结果进行讨论。    表5.1为在管内径为0.0845m，超声波声速为1482m/:时所进行的单程传输时间的测量。为了便于分析系统前端部分的效果，本表中仅仅提取了未进行处理的10个典型测量结果。由表中可以看到，其测量误差不超过0.1%。

表5测量结果

5、系统误差分析：
   作为一种工业测量仪器，其测量精度是一个比较重要的指标，要使系统具有较高的精度，我们还必须对影响流体流量测量的各种因素进行仔细的分析、研究，然后在正确分析的基础上，采用必要、有效的方式、方法***大可能地减少甚至消除各种可能产生的误差。    由时差法超声波流量计的测量原理我们知道，是系统产生误差的可能因素主要有:声道长度、超声波换能器的安装角度、管道半径的测量精度、非液体传播延迟、信号畸变和丢失、被测流体的温度变化、时间差测量的准确度等[f2al0。
   (1)声道长度:根据声速计算公式2.12，声道长L与声速V成反比关系，因而声道长L是影响声速的一个重要因素。在实际测量中，只要采用千分尺、毫米尺等较高的长度测量仪器测量每一路声道长度，这种误差总能保持小于0.5%。
   (2)超声波换能器的安装角度:由声速计算公式知道，声速V和。os B成反比关系。假设流体沿管道的中心轴平行流动，且声线和管道中心轴的夹角为450，则由相对误差的计算公式可得，对于夹角B1“的测量误差将对流量产生1.7%的偏差。因而。声线和管道中心轴的夹角和超声波换能器的安装直接有关，所以要减小此种误差，就必须要对超声波换能器进行正确的安装。实际中，只要采用一些比较的安装和测量方法，声线和管道中心轴的夹角偏差一般不会小于0.50。则对流体流速的影响误差将小于0.83%。
   (3)管道半径的测量精度:对管道中的流体来说，管径是流体计算的一个因子，因而对它进行测量产生的误差将直接影响流体流量的计算。假设管道为圆形，则管径测量产生的1%的误差将使流体流量的计算产生2%的误差。所以在实际工程测量中除了采用精密仪器测量外，***好采取一些有效的方法对产生的误差进行补偿，以减小由于测量误差对流量计算产生的影响。
   (4)非液体传播延时:声信号的顺、逆向传播时间的测量是影响流体流速的一个很重要的因素，声波信号在非液体中的传播时间主要包括:电路延时、电缆延时、换能器电声转换延时等。对这些声波信号在非液体中的传播时间，虽可以通过理论分析和实际测试进行确定，但还是会产生一定的误差。
（5）被测流体的温度变化:温度变化将可能影响超声波在换能器声楔、管道和被测流体之中的传播速度，当然也有对温度变化不敏感的材料和流体，那样将减少很多麻烦。对于温度的影响，可以通过仪器本身增加温度补偿手段而达到目的，这一点将在第六章详细解释;也可以在仪器设置之中给予较多的考虑，比如通过的给出被测环境的温度和流体温度下，超声波在换能器声楔、管道和流体之中的传播速度。这样，通过仪器本身增加功能或准确的超声波传播速度的设置就可以较好的改善温度对测量精度的影口向。
   (6)信号畸变和丢失:被测的流体介质一般不可能是纯净的，其中都会含有大量的固体颗粒和气泡等杂物。超声波信号在传输过程中不可避免地要收到流体中杂质和管道边界的反射，产生多途效应，使信号发生畸变。对信号检测电路来说，很难保证检测到的畸变信号的个正跳变就是发射信号的个正脉冲，如果信号检测出现差错将直接影响声波传播时间的确定，同时也就会使测得的流速存在误差。为保证信号检测电路正确地检测到信号，我们在流量计中加入了信号有效性检测部分电路，***大可能地减小由于信号畸变引起的系统误差。
（7）时间差测量的准确度:本系统采用了有效的收发电路，和高精度的传播时间测量芯片，以及使用了均值数据滤波，使得时间差测量精度可以达到150ps以内。
   当被测流体为水时，在常温状态下，且管道的管径大于10cm时，仪器测量将会产生不到0.05m/s的流体速度误差，当被测流体的真实流速在1 m/s时，仪器测量的精度能够高于1%。当然如果被测流体的流速较低时，会产生更大的误差(当然也有专门针对低流速流体的测量技术，一般而言，超声波流量仪表都有较低流量切除值，当设置切除值为0.01 m/s，流体的流速低于0.01 m/s时，系统将不予测量。
   在仪器的实际使用时，测量的精度要偏低一些，除了设置管径、超声波传播速度等带来的误差之外，还有对流体流速分布的估算不准确等因素的影响[[29]，在第六章中提出了一些改进方案，将会较好的保证和提高仪器的测量精度。

5. 2、数据处理：
   本系统主要用于工业的现场测试，在实际的环境中，虽然在硬件设计方面己经采取了很多有效地滤波与抗干扰措施，但是直接将硬件系统测得的数据显示出来显然是不现实的，必须对所测得的结果采取数字滤波，软件滤波对于保证仪表精度有着十分重要的作用，能够有效提高仪表的测量精度。    目前，全数字式超声波流量计成为现代超声波流量计的主流，数字滤波技术大大提高了仪表的精度和仪表的一致性、重复性。数字滤波是数字系统中提取逼近真值数据的一种算法。由于软件算法的灵活性、可靠性其效果往往是硬件滤波电路所不能比拟的，因此，数字滤波方法可以进一步提高系统的稳定性和准确度。    对于噪声的处理***常用的方法是滚动滤波，中值滤波和算术平均滤波等，复杂的有小波去噪等，但它们都有各自的有缺点。实践证明单独使用一种方法往往达不到所要求的精度和稳定度。

5. 2. 1、算术平均滤波：
   算术平均滤波法就是连续取N个样值进行算术平均，其数学表达式如下:

   式中，y为N个取样值的算术平均值;y‘为第i个取样值。这种滤波算法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值附近上下波动。信号的平滑程度取决于N，当N较大时，信号的平滑度较高，但是灵敏度降低;当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。N具体取多少须经过大量试验验证。    由于算术平均滤波法存在平滑性和灵敏度矛盾。即采样次数太少，平滑效果差;次数太多，灵敏度下降对参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系，可采用加权平均滤波。对连续N次采样值，分别乘上不同的加权系数之后再求累加和，加权系数一般先小后大，以突出后若干采样的效果，加强系统对参数变化趋势的辩识。各个加权系数均为小于1的小数，且满足总和等于1的约束条件。这样，加权运算之后的累加和即为有效采样值。

5. 2. 2、中值滤波：
   中值滤波是对窗内数据进行大小的排序，取结果的中间项对应值，这样脉冲噪声不起作用，不影响中值结果，在有随机脉冲信号的情况下，能较好地保护原有信号。在有随机脉冲存在的场合，应用中值滤波法效果有显著的影响。其思想是:首先从存储时差值的队列缓冲区取出所有数据进行排序(从大到小)，选取排序队列中处于中部靠前一点的位置作为原始比较对象，然后将队列中所有数据与其比较，当差的值超过设定的阂值时，就该舍弃该数据。这种滤波的方法***大的优点是可以滤除随机干扰，可以提高仪表工作的稳定性，避免仪表读数骤然偏高或偏低。然而计算的时间主要消耗在排序上，当数据很多并且对实时性要求很高时，无论哪种快速排序算法都很难符合要求。为了满足实时性的要求，可以采用一种中值滤波快速算法，这种中值滤波的快速算法，避免了反复对无序序列排序，而只对有序序列进行数据元素的快速查找和内插，实现中值滤波[31]。
    快速算法的基本想法是:原始数据序列上中值滤波的滑窗在移动过程中，只需删除窗内***早的元素，加入窗后的新元素，即成为下一窗的内容。下一窗的中值滤波实现可利用上次排序的结果，用有序序列快速查找算法求得新元素的插入位置，根据它们之间的关系，用一定的算法调整新序列的排序结果，取出新序列的中间值即可实现中值滤波。新元素插入与***早的元素删除的实现采用独特的数据结构，将是新元素覆盖***早的元素，即是插入兼并了删除。
    设中值滤波窗口长度为2N+1，则此算法除了需要((2N+1) x 4个Byte的时差信号的存储空间外，还需要2x (2N+1)个Byte(一般情况2N+1<255，所以1个Byte就可以存储一个0255的数据)的存储单元。    设置2N+1个连续的存储单元{w(0) , w(1) , """"""w(2N)}组成一个按照先进先出的原则组成一个循环序列用于循环存储窗内的数据元素，即新来的元素总是替换当前队列中***早存放的元素。    设置2N+1个连续的存储单元{s (0)，s(1)，…. .S (21}}存放排好序的元素在w序列中的下标，即若规定元素从小到大排序，则w(s(0)) <_w(s(1)) <_w(s(2)) <……‘w (s (2N))。    设置2N+1个连续的存储单元{a(0) }a(1), "wwa(2N)}，依次存储{w(0) , w(1)，……w (2N)}在:序列中的对应的下标值，即若:(n) =i，则a (i) -n，亦即i=s(a(i)),i=0,1,""w",2No    这样设置后:序列某一单元指向w序列中一单元，a序列元素又指向:序列单元，例如由小到大排序后w(15)是第30个元素，这三个序列中有关的元素分别为:s (30) =15,a(15)=300    快速算法如下:    (1)初始化。令w序列中存储单元的值全为零，:序列和a序列的存储单元分别存储各自的下标值，即w (i) -0, s (i) -a (i) -i, i=0,  1,……，2No
    (2)设‘序列中的元素己经按照从小到大的顺序排好，即w(s(0)) <_w(s(1))<_w(s(2)) <……}w(s(2N))。设当前待删除元素的下标为j, j=0,  1,……，2N，用二分法查找新元素x在有序序列中的位置为k, w (j)在有序序列中的位置为。。对于长度为l的基本有序序列的快速查找，二分法是一种速度***快的算法，待查元素至多与1 +1og21个元素比较就能找到新元素在序列中正确的位置。    (3)在w,:、“序列中插入新元素x的有关信息。    若k<n，则将:序列中第n-1到第k个单元的内容顺序移到后一单元，即i=n,n-1, """"""k+l , s (i) -s (i-1);再取出:(i)单元中的内容作为下标m，修改a序列中a(m)存储的内容，即令a (m) =a (m) +1;***后保存有关x的信息，令w (j) x, s (k) j, a }j) -ko    若k>n，则将:序列中第n+1到第k-1个单元的内容顺序移到前一单元，即i=n+1,n+2, ……k_1, s(i-1)=s(i);再取出:(i-1)单元中的内容作为下标m，修改a序列中a(m)存储的内容，即令a(m)=a(m)-1;***后保存有关x的信息，令w(j) x,s(k-1) j,a}j)=k-to    俨)取出w (s洲)的值就是中值滤波的***终结果。

5.2.3、本系统的滤波方法：
   由于时间问题，本系统仅仅在实验室进行了初级阶段的调试任务，还没有在工业现场进行大量的实验数据采集，并且本系统使用的MPU的处理能力有限，其RAM空间也相对较小所以不能采用更加有效的滤波方法。因此，目前暂时采用了均值滚动滤波方法。滚动滤波简而言之就是一个先进先出的队列。队列头放入***新得到的数值，队尾的值被舍弃，这样不断刷新这一队列。这种滤波方法可以增加系统的稳定性，但是队列的长度影响了系统的实时性。
   具体的实现是这样的:在RAM空间留出40个时间差数据存储空间，每次执行时间差测量任务时，采集8组时间差信号，然后将该组数据覆盖存储区中保留时间***长的8个数据，而后计算这40个时间差数据的均值，作为本次时间差值，进行流体流速、流量运算。

6、小结：
   本节详细介绍了流量计的安装和校验方法，对系统测量产生的误差做以分析，并对数字滤波的方法进行了探讨。