氣體超聲波流量計(jì)的研究已經(jīng)接近百年歷史。***早開始于１９３１年Ｒｕｔｔｅｎ發(fā)表的“利用聲波測量管段流體流量”專利，隨后相位差超聲波流量計(jì)在２０世紀(jì)３０年代出現(xiàn)的商品化未獲成功［１２］；然后基于頻差法的ＭＡＸＳ０Ｎ流量計(jì)的出現(xiàn)，該流量計(jì)是真正是流量計(jì)能進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用中的標(biāo)志。隨后有大批科學(xué)家從事氣體超聲波流量計(jì)這方面的研究［１３］。目前，在氣體超聲波流量計(jì)研究領(lǐng)域，德國、美國和荷蘭等國家走在世界前列。國外單聲道氣體超聲波流量計(jì)的量程比已經(jīng)可以做到１：１００，并且計(jì)量精度還可以達(dá)到１％。
  我國從２０世紀(jì)６０年代開始?xì)怏w超聲波流量計(jì)的研究，在８０年代獲得較大發(fā)展，然而測量精度仍然較低。目前，國內(nèi)從事氣體超聲波流量計(jì)的高校主要包括合肥工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、大連理工大學(xué)、天津大學(xué)等高校，取得了一批研究成果，但是研究水平與國外相比，還有進(jìn)一步提升空間［１４］。
  科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對流量計(jì)量的精度提出了更高的要求，同時(shí)流量計(jì)本身的迅速發(fā)展，也對流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)定方法的提出了新的要求。國際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)《Ａ．Ｇ．ＡＮ０．９：ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＧａｓｂｙＭｕｌｔｉｐａｔｈＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｅｔｅｒｓ》制定并實(shí)施了氣體超聲波流量計(jì)量技術(shù)規(guī)范以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［１６］。而我國相應(yīng)的制定出了《ＪＪＧ１０３０－２００７超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》用于氣體超聲波流量計(jì)的型式評定［１７］。
  我國現(xiàn)有的流量測量產(chǎn)品的規(guī)格、精度和可靠性和國外先進(jìn)水平相比還有較大的差距，目前國內(nèi)處于水平的流量計(jì)標(biāo)定單位有：浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究所擁有一套２０００Ｌ以下動靜態(tài)鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［１８］；上海艾默生過程控制有限公司有一套高精度的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定裝置；重慶工業(yè)自動化儀表研究所曾對渦街流量計(jì)的干標(biāo)定進(jìn)行研究探索ｈ９］。
  國外在流量計(jì)標(biāo)定的研究水平較高，美國流量標(biāo)準(zhǔn)研究所主要研究氣體和液體流量裝置，釆用稱量法，它的檢定裝置是美國***高標(biāo)準(zhǔn)，裝置的精度等級為０．１３級德國物理實(shí)驗(yàn)室建造的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，該裝置的***大的流量為２１００ｍ３／ｈ，且擴(kuò)展不確定度高于０．０２％［２１］，匈牙利ＦＬ０ＭＥＴ公司以科里奧利質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，能夠獲得了高于０．０１％的重復(fù)性［２２１。
  為了提高氣體超聲波流量計(jì)的測量精度，本論文主要從整流器對流場優(yōu)化、濾波算法對噪聲信號的抑制、以及***后儀表系數(shù)修正算法三分方面進(jìn)行研究。
整流器發(fā)展現(xiàn)狀：
  在研究流場優(yōu)化對氣體超聲波流量計(jì)的測量影響方面，目前認(rèn)為主要包括彎曲管道、粗糙壁面條件、管道制造工藝、換能器的安裝角度以及位置等對流場有重要影響［２３］。在實(shí)際的應(yīng)用中，加裝整流器對流場優(yōu)化具有重大意義。整流器對速度分布的校正，主要是解決流場旋渦流、局部二次流以及速度分布剖面的不對稱性等問題ｔ２４１，整流器可以分為以下三類。
（１）孔板式整流器為一塊孔板，主要應(yīng)用一個(gè)多孔網(wǎng)、或者一個(gè)及一個(gè)以上的多孔板，來減弱流場的不對稱性，常用的孔板式整流器的大公司包括Ｅｌｓｔｅｒ、Ｓｉｃｋ、以及Ｄａｎｉｅｌ、以及１＾；等［２５］。如圖１．２，１．３以及１．４所示。

（２）管束式整直器，稱為流動整直器，管束式的形態(tài)為長直型，主要目的是減?。崳娏黧w中的旋渦，常用的管束式整直器包含１９管束流動整直器、ＡＭＣＡ整直器和Ｅｔｏｉｌｅ整直器等［２６］，如圖１．５所示。
（３）第三類整流器的形態(tài)多為組合裝置，將一個(gè)紊流發(fā)生器和一個(gè)多孔網(wǎng)或者多孔板搭配使用，可以形成充分發(fā)展的流速分布形態(tài)。該裝置的特點(diǎn)是將流場強(qiáng)制整理為特定的紊流狀態(tài)，針對特定的紊流進(jìn)行流場分析，用特定的算法來進(jìn)行處理。
  上述整流器都具有各自的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，選用整流器依然缺乏足夠的理論指導(dǎo)。
濾波算法發(fā)展現(xiàn)狀：
  根據(jù)氣體超聲波流量計(jì)工作原理，可知流量計(jì)在運(yùn)行過程中容易受到外界干擾影響。因此非常有必要研究濾波算法對傳輸過程中的信號進(jìn)行過濾，減少流量值的波動。
  目前常用的濾波算法包括中位值濾波、算術(shù)平均濾波、滑動平均濾波算法、粒子濾波算法、小波分析、卡爾曼濾波算法等［２７］。中位值濾波是取多次測量的中間值的方法，能夠有效消除突變干擾因素。算術(shù)平均濾波算法就是取平均值，為了保證濾波效果，難以避免周期過長帶來的結(jié)果滯后?；瑒悠骄鶠V波法又稱為遞推平均濾波法，是一種按照先進(jìn)先出原則，連續(xù)采樣使得隊(duì)列的長度一定，每次將新采樣值加入隊(duì)尾，并舍掉原來隊(duì)首的數(shù)據(jù)，***后將隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，滑動平均濾波算法能較好的抑制周期性干擾，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)，它的不足在于靈敏度低，并且對偶然性的脈沖性干擾的抑制作用不佳，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場合。
  粒子濾波算法適應(yīng)于大量數(shù)據(jù)量的濾波場景，計(jì)算量較大，對處理能力要求非常高，但是能智能處理，擅長于全局尋優(yōu)［２８］。小波分析算法是一種橫跨時(shí)域和頻域進(jìn)行分析的算法，解決了Ｆｏｕｒｉｅｒ變換的困難問題，具備良好的信號降噪能力［２９］。卡爾曼濾波算法是一種基于***優(yōu)估計(jì)值進(jìn)行去噪的算法，具備良好的目標(biāo)跟蹤能力，由于一般的卡爾曼濾波涉及多維信息，含有矩陣運(yùn)算，因此能真正應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理的研究比較缺乏［３°］。
儀表系數(shù)修正方法現(xiàn)狀：
  流量計(jì)在進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定過程中，由于多方面的因素，導(dǎo)致流量計(jì)測得的流量和實(shí)際流量不一致，因此需要對流量計(jì)的中的流量值進(jìn)行修正補(bǔ)償。目前來看，儀表系數(shù)修正方法主要包括以下三種：

1、固定系數(shù)法：
  對于不存在明顯渦流、二次流等較為穩(wěn)定的流場，可采用固定的ｋ值進(jìn)行儀表系數(shù)修正。該方法用于流量計(jì)出廠前，對流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)后，針對流量計(jì)測量范圍進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，分別計(jì)算出多個(gè)流量點(diǎn)的儀表系數(shù)值ｋ，隨后將計(jì)算出的儀表系數(shù)ｋ值重新燒寫進(jìn)流量計(jì)單片機(jī)中，使得流董計(jì)能夠進(jìn)行正確測量，從而完成整個(gè)流量計(jì)標(biāo)定工作。
2、線性插值法：
  線性插值法是指插值函數(shù)為一次多項(xiàng)式的插值法方法，其在各插值節(jié)點(diǎn)上插值的誤差為零，具有簡單、方便的特點(diǎn)，比較適用于流場變化較小的場合，主要用于中小管徑的流量計(jì)中。
  線性插值法的思路是通過選取若干特征流量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，統(tǒng)計(jì)各個(gè)流量計(jì)的流量信息以及儀表系數(shù)信息，線性插值法就是基于相鄰的兩個(gè)流量點(diǎn)及其對應(yīng)的儀表系數(shù)值進(jìn)行線性插值，計(jì)算出相應(yīng)的系數(shù)。該方法能夠反映溫度、壓力變化所帶來的系數(shù)變化，適應(yīng)于流量值波動小的情況。
3、多項(xiàng)式擬合法：
  多項(xiàng)式擬合法是指采用多項(xiàng)式去擬合所測量的儀表系數(shù)的方法，采集的點(diǎn)數(shù)越多，曲線擬合更接近，多項(xiàng)式的次數(shù)越高越收斂，但同時(shí)次數(shù)過高，會帶來多項(xiàng)式變復(fù)雜，計(jì)算量增大，對于運(yùn)行在流量計(jì)中單片機(jī)而言，運(yùn)行時(shí)間邊長和功耗都將變大。另外一方面由于氣體超聲波流量計(jì)在拐點(diǎn)流量前后的儀表系數(shù)變化非常大，但是在整個(gè)流量計(jì)的測量范圍內(nèi)，使用多項(xiàng)式擬合法，能夠很好擬合儀表系數(shù)變化趨勢，對多項(xiàng)式的系數(shù)精度要求非常高。