本文按照超声波流量计的安装条件，设计了测流实验平台，将西安兰特水电测控有限责任公司生产的LCJ型和美国ORE公司生产的7500型g两种超声波流量计做测流精度对比实验。在有压管道中，安装1对超声波传感器时的标定测流精度均为±2%，安装4对超声波传感器时的标定测流精度均为±0.5%，测流管道的长度均需大于10倍管径。
影响超声波流量计计量精度的因素主要有3个方面：① 超声波传感器安装精度（声路长度和声路角的测量误差）；②超声波流量计的流量积分误差；③超声波流量计的测流误差。在这3个影响因素中，对于影响因素①，可以选用精确的安装方法，将测距精度和测角精度保证在允许误差以内。对于影响因素②，可以选用合适的流量积分算法消除误差影响。因素③则是影响超声波流量计计量精度的最主要的因素，如何提高测流精度也是时差法超声波流量计的核心技术。因此，只有具备很高的测流精度才能保证超声波流量计的计量精度。本文对西安兰特水电测控有限责任公司生产的LCJ型超声波流量计和美国ORE公司生产的7500型超声波流量计作了流速测量精度对比实验分析，目的是为工程应用及仪器选型提供可靠的实验依据。
1 时差法测量基本原理
在管道的两侧或明渠的两边斜向安装两个传感器，渠道轴线与声路的夹角为θ，如图1所示。
当传感器A发射，B接收时，声波顺流传播：
t1 = L/（C + Vcosθ） （1）
式中 t1为超声波顺流传播时间（s）；L为两传感器A、B间距离即声路长（m）；C为超声波在静止流体中的传播速度（m/s）；V为被测流体的平均流速（m/s）；θ为渠道轴线与声路的夹角（゜）。
当传感器B发射而A接收时，声波逆流传播：
t2 = L/（C - Vcosθ） （2）
式中 t2为超声波逆流传播时间（s）；其它参数的含意与式（1）中的相同。
声速C受温度的影响也不容忽视，故将式（1）、（2）整理得：
（3）
此式中的L/（2cosθ）为常数，只要测出顺流和逆流传播时间t1和t2就能求出。式（3）就是时差法测流速的基本原理。
2 测流精度对比实验
管道实验平台如图2所示。
实验平台的供水采用循环水系统。整个实验平台由测流段、回水系统、供水系统3部分组成。①测流段。为了保证测流段流态的平稳，实验采用直径60cm、长度10m的水平直段钢管做为测流段，并在水泵出口加装了消能栅，在距出水端3.1m处垂直交叉安装了两对超声波传感器（一对连接7500型流量计，另一对连接LCJ型流量计），声路角45゜，声路长度0.817m。②回水系统。由消力池、回水渠、矩形薄壁堰（堰高522.7mm、堰宽598.5mm）和水池组成。③供水系统，实验平台的供水由一台水泵完成，在水泵的出水端安装了节制阀，以便控制流量变化。水泵的流量范围为0~210L/s。
数据采集系统由计算机、超声波流量计主机和换能器组成，电缆一端接在超声波传感器上，另一端接于超声波流量计主机，两台主机通过RS232串口与计算机相连，测量数据直接进入数据库。
经过对测流平台的初步实验，保证测流段压力流的最小流量为60L/s，受水泵供水能力限制，最大流量定为200L/s。分别对流量为60、80、100、120、140、160、180、200 L/s做3次重复实验，同一流量测流数据的采集时间为30min，获得1组观测数据，共24组数据。在做完3组恒定流量实验后，做了5组变流量实验。
3 实验结果与分析
3.1 小波分析用于信号消噪处理基本原理
运用小波分析进行一维信号消噪处理是小波分析的一个重要应用之一，一个含噪声的一维信号的模型可以表示成如下的形式：
s（i） = f（i） + σe（i）i = 0，1，…，n-1 （4）
式中，f（i）为真实信号，e（i）为噪声，s（i）为含噪声的信号，σ为阈值，i为离散点序号。
上式是一个最简单的噪声模型，认为e（i）为高斯白噪声N（0，1），噪声级（noise leve1）为1。在供水工程中，流量或流速信号通常表现为低频平稳信号，而噪声信号则通常表现为高频信号。
本文采用N=1强制消噪处理，分解过程如图3所示。图中S为采集信号，cA1为平稳信号，噪声部分包含在cD1中。即让高频系数全为零，再重构信号，原信号与重构信号差值即为误差，重构信号即为真实的流速信号。选取LCJ超声波流量计测值（变流量2）消噪处理原信号与重构信号结果见图4，相应的误差序列见图5。
3.2 数据分析
从理论讲，在同一流量下，超声波流量计所得的流速应该是一个稳定的值，但是由于水的波动和超声波流量计检测电路的测量误差及各种环境因素的影响，实际采集的数据是在一定范围内波动的。评价测流精度的高低主要是看该组测量数据的均方差的大小。下面从两个方面对二台流量计实验数据进二行分析，进而对测流精度进行评价。
1）对比实验。对上文的8组代表流量做重复实验，每组流量的重复实验时间为30min，对重复实验数据进行小波去噪处理，重构信号即为真实的流速信号，取其平均值代表该代表流量下的平均流速，所有结果列于表1。
表1 平均流速（定流量）
类别重复实验编号流量/（L/s）60801001201401601802007500型平均流速/（m/s）重10.2210.2970.3830.4390.5090.5950.6510.715重20.1940.2810.3390.4130.4780.5550.6170.759重30.2000.2770.3610.4160.4870.5610.6430.729LCJ型平均流速/（m/s）重10.2020.2820.3690.4250.4960.5860.6450.717重20.1900.2850.3470.4260.4920.5640.6250.743重30.1950.2770.3680.4250.4970.5740.6500.7307500型与LCJ型流速差值/%重11.901.501.401.401.300.900.60-0.20重20.40-0.40-0.80-1.30-1.40-0.90-0.801.60重30.500.00-0.70-0.90-1.00-1.30-0.70-0.10
两种流量计厂方的测流标定精度均为±2%，因此对比实验结果中相同流量下两种流量计的测流差值不超过±4%都算合格，否则有一方不合格。
从表1可看出，流速最大差值小于±2%，因此从对比实验结果完全可以说明，两种流量计测流精度是准确的，可以达到±2%的标称精度。需要说明的是重复实验中的代表流量是按堰流公式大致估计的，各次重复实验中相对都有差异。
2）误差分析。上面是从对比实验的角度分析了流量计的测流精度，下面将从误差序列分析的角度进一步对测流精度进行分析。
从小波分析可知。原信号与重构信号之差为误差序列，这个误差序列实际就代表了测流精度。从图6和图7可以看出，误差序列服从正态分布，也就是说是由水的波动、流态的紊动和各种环境因素造成的。随着流量加大，其分布由窄变宽。
表2 均方差（定流量）
类别重复实验编号流量/（L/s）60801001201401601802007500型的均方差重10.01170.01410.01720.01940.02280.02340.02640.0295重20.01230.01640.01700.02030.02270.02660.03230.0346重30.01200.01380.01680.01870.02250.02460.03000.0339LCJ型的均方差重10.00590.0071
0.0082
0.00930.00960.01150.01460.0148重20.00740.00740.00870.00950.00980.01130.02230.0183重30.00630.00720.00830.00910.00980.01150.01290.01427500型与LCJ型方差误差/%重149.449.652.352.058.052.044.649.9重239.855.049.353.457.157.430.946.9重347.548.051.051.456.553.256.958.1平均50.8
从图8可以看出，同一流量下LCJ型流量计比7500型流量计的误差分布范围要窄；各代表流量下的均方差列于表2。从表2可以看出，相同流量下LCJ型流量计测流误差分析的均方差比7500型流量计平均小50.8%。
图9是两台流量计对比实验的局部放大图，明显可以看出LCJ型流量计测流的分辨率高于7500型流量计。
表3均方差（变流量）
类别变流量1变流量2变流量3变流量4变流量5平均7500型0.02440.02380.04330.02240.02150.0271LCJ型0.01050.01170.00920.00980.00920.0101二者误差/%57.050.878.856.357.262.7
表3列出了两台流量计变流量下的均方差，同样也表明，相同流量下LCJ型流量计测流误差分析的均方差比7500型流量计平均小62.7 。
4 结语
通过在恒定流量和变流量实验研究可知，国产LCJ型超声波流量计比美国ORE公司的7500型超声波流量计有更高的分辨率和测流精度，这对今后超声波流量计性能的改进和精度的提高提供了参考依据。两台超声波流量计的测量精度和重复实验结果都比较稳定。而国产LCJ型超声波流量计有操作简单、价格便宜的优势，在实际工程中有比较大的推广前景。
参考文献
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