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0引言
　　隨著水資源的緊缺，許多灌區(qū)開(kāi)始提高用水的測(cè)量和科學(xué)管理。為實(shí)現(xiàn)灌溉用水的、合理調(diào)控和精細(xì)管理，采用先進(jìn)的測(cè)流手段勢(shì)在必行，而超聲波測(cè)流技術(shù)作為一種新興的測(cè)量，具備許多優(yōu)勢(shì)，因此備受關(guān)注上。超聲波傳播速度與水質(zhì)無(wú)關(guān)，且測(cè)量過(guò)程無(wú)需接觸流體，從而避免了傳統(tǒng)方法可能引入的誤差源，提高了測(cè)量的正確性和可靠性。作為一種新興的測(cè)量方法，超聲波測(cè)流技術(shù)在灌區(qū)量水領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。與浮標(biāo)法、流量桿法、流速計(jì)法等傳統(tǒng)測(cè)流方法相比，超聲波測(cè)流技術(shù)具有高測(cè)量正確性、非侵入性測(cè)量、寬測(cè)量范圍和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。目前對(duì)于超聲波流量計(jì)與傳統(tǒng)流速儀之間的測(cè)流研究尚屬有限，但其在測(cè)量明渠渠道流量方面的應(yīng)用潛力巨大。
　　此次通過(guò)對(duì)梯形明渠水槽上安裝時(shí)差法超聲波流量計(jì)與電磁流量計(jì)和旋漿式流速儀測(cè)試不同工況實(shí)驗(yàn)下明渠水槽的輸水流量。針對(duì)流速儀法測(cè)流與超聲波流量計(jì)測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)，從而確定在不同運(yùn)行工況時(shí)的出水流量和檢驗(yàn)超聲波流量計(jì)與現(xiàn)有測(cè)流儀器的正確性、穩(wěn)定性和可靠性。為了加快渠道數(shù)字化和灌區(qū)智能化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)大型灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和現(xiàn)代化管理，進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)流比較研究顯得尤為必要且具有實(shí)際意義重大。通過(guò)對(duì)超聲波流量計(jì)和傳統(tǒng)流速儀的對(duì)比研究，可以全面評(píng)估超聲波流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，并為灌區(qū)水量的精準(zhǔn)測(cè)量提供可靠的依據(jù)。測(cè)流比較能夠幫助優(yōu)化灌溉系統(tǒng)的水資源配置，實(shí)現(xiàn)水的合理利用和節(jié)約。通過(guò)詳細(xì)了解超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)和性能，可以更好地規(guī)劃和管理灌溉系統(tǒng)，減少過(guò)量供水和浪費(fèi)現(xiàn)象，提高灌溉效率，并降低運(yùn)行成本。
1方法和設(shè)計(jì)
1.1裝置和流程
　　采用超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)和旋漿式流速儀共同在水槽中測(cè)量流量。設(shè)備包括:高精度多功能雙變坡玻璃水槽、時(shí)差法超聲波流量計(jì)、旋漿式流速儀和電磁流量計(jì)等。精度高多功能雙變坡玻璃水槽是研究的核心設(shè)備之一，它由水槽主體、變坡控制、流量控制、尾門(mén)控制以及測(cè)控系統(tǒng)組成。該水槽具備較高的自動(dòng)化程度和先進(jìn)的測(cè)控技術(shù)，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的環(huán)境和正確的測(cè)量數(shù)據(jù)。
　　實(shí)驗(yàn)流程通過(guò)收集梯形斷面相關(guān)資料、建立梯形渠道精確量水實(shí)驗(yàn)、對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)水槽改造及設(shè)備安裝調(diào)試、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)及優(yōu)化、整理數(shù)據(jù)并分析等，流程設(shè)計(jì)如圖1所示。
 
1.2數(shù)據(jù)采集
　　將時(shí)差法超聲波流量計(jì)布設(shè)于變坡水槽兩側(cè)緊貼水槽玻璃內(nèi)壁處，將水槽的超聲波探頭置于一組換能器連線(xiàn)中點(diǎn)所在的平面內(nèi)。在流量控制系統(tǒng)中設(shè)定流量，整個(gè)過(guò)程中水槽尾門(mén)全開(kāi)，通過(guò)變坡水槽超聲波流量控制系統(tǒng)測(cè)得水位與流量關(guān)系，計(jì)算得到流速。然后通過(guò)超聲波流量計(jì)測(cè)量的雙層槽內(nèi)水流水位、流速數(shù)據(jù)，根據(jù)流速公式進(jìn)行計(jì)算，得到精確的流量值，如圖2所示。此次采用梯形斷面水槽，流量公式為斷面面積乘流速。平均流量采用多次測(cè)量平均值:`Q=(Q1+Q2+Q3)/3。
 
2結(jié)果與分析
2.1評(píng)估指標(biāo)
　　選擇將電磁流量計(jì)作為正確值的，參考，因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)被普遍認(rèn)可為測(cè)量流體流量最正確的方法。電磁流量計(jì)的精度高和可靠性提供一個(gè)可信賴(lài)的基準(zhǔn)來(lái)評(píng)估其他測(cè)流方式。因此，實(shí)驗(yàn)以電磁流量計(jì)為準(zhǔn)確值參考，并選擇相對(duì)誤差、最大誤差和均方根誤差作為評(píng)估模型性能的指標(biāo)。
1)相對(duì)誤差(RE)，是用來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值之間的偏差程度的一種指標(biāo)。
2)最大誤差，是指預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值之間的最大偏差。最大誤差反映了預(yù)測(cè)模型中最差的情況，幫助了解實(shí)驗(yàn)采樣值在某些特定樣本上的表現(xiàn)。
3)均方根誤差(RMSE)，是評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值之間差異的常用指標(biāo)。它表示預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的平均差異程度，常用于衡量一組預(yù)測(cè)的整體準(zhǔn)確度。RMSE越小，表示預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值整體上的偏差越小。
　　相對(duì)誤差能夠反映預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值的相對(duì)差異，最大誤差則捕捉到了最糟糕的預(yù)測(cè)情況，而均方根誤差則提供了預(yù)測(cè)結(jié)果整體的準(zhǔn)確度信息。綜合考慮這3個(gè)指標(biāo)的結(jié)果，可以更全面地評(píng)估超聲波流量計(jì)在測(cè)流方面的性能表現(xiàn)，并且進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。
2.2不同工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　將實(shí)驗(yàn)分為正常水位工況和加大水位工況，正常水位工況下水位為0.21m，加大水位工況下水位為0.3m。對(duì)兩個(gè)工況下不同坡度的流量進(jìn)行30次測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。
 
　　通過(guò)對(duì)圖3~圖4的觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)，在正常水位工況和加大水位工況下，電磁流量計(jì)和旋漿式流量?jī)x測(cè)得的流量非常接近�？紤]到電磁流量計(jì)在流體流量測(cè)量方面的廣泛應(yīng)用和更高的正確性，決定將電磁流量計(jì)作為實(shí)驗(yàn)的正確值參考。這樣做有助于確保對(duì)超聲波測(cè)流進(jìn)行評(píng)估時(shí)，能夠與實(shí)際情況更為接近，故本次實(shí)驗(yàn)以電磁流量計(jì)為準(zhǔn)。
　　通過(guò)對(duì)多組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，指標(biāo)計(jì)算以電磁流量計(jì)為主要參考，得到超聲波測(cè)流相對(duì)誤差、最大誤差和均方根誤差見(jiàn)表1。
 
　　受限于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地以及設(shè)備等因素，此次超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差基本上處于可控狀態(tài)。由實(shí)驗(yàn)可知，相比于加大水位，正常水位情況下，測(cè)流相對(duì)誤差和最大誤差較小;RMSE也是正常水位小于加大水位，從坡比.上來(lái)看，坡比越小，計(jì)算相對(duì)誤差和RMSE越小。隨著坡比和水位的升高,超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度逐漸減小，因此建議測(cè)流時(shí)選擇合適坡比。
　　取不同坡比下平均值作為最終測(cè)量結(jié)果，探究不同坡比下的測(cè)量準(zhǔn)確情況，如圖5~圖6所示。
 
　　隨著水槽坡比的增大，水槽中的流量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，然而這種增大的趨勢(shì)符合明渠流動(dòng)規(guī)律。在這種情況下，超聲波流量計(jì)對(duì)流量的測(cè)量精度會(huì)逐漸下降。這是因?yàn)殡S著坡比的增大，流體的流動(dòng)情況變得更加復(fù)雜，包括流速分布、湍流現(xiàn)象等，在復(fù)雜的流動(dòng)條件下，超聲波流量計(jì)可能受到以下因素的影響:流動(dòng)的不均勻性、湍流產(chǎn)生的噪聲、回波信號(hào)的反射和干擾等,從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的精度下降。因此，對(duì)于具有較大坡比的水槽，可能需要考慮其他適用的流量測(cè)量方法或綜合使用多種測(cè)量技術(shù)來(lái)提高測(cè)量的正確性和可靠性。
　　然而，盡管對(duì)于超聲波流量計(jì)來(lái)說(shuō)在高坡比條件下測(cè)量的精度有所下降，但對(duì)于工程使用來(lái)說(shuō)，測(cè)量結(jié)果仍然處于可接受的范圍之內(nèi)。此外，超聲波流量計(jì)還具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，使得工程操作和管理更加方便和高效。同時(shí)，對(duì)于需要正確測(cè)量流量的.情況下，可以通過(guò)合理的校準(zhǔn)和調(diào)整來(lái)提高測(cè)量結(jié)果的精度，以滿(mǎn)足工程的實(shí)際需求。
3結(jié)論
　　梯形渠道上超聲波法測(cè)流與流速儀測(cè)流的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
1)此次超聲波法測(cè)流與流速儀法測(cè)流具有相近的測(cè)量精度對(duì)于研究明渠渠道的測(cè)流方法具有重要的參考價(jià)值。
2)測(cè)流中正常水位情況下的測(cè)流相對(duì)誤差、最大誤差和均方根誤差是小于加大水位。從坡比上來(lái)看，隨著坡比和水位的升高，超聲波流量計(jì)的精度逐漸減小，因此建議測(cè)流時(shí)選擇合適坡比。3)隨著坡比的增大，水槽流量在逐漸增大，趨勢(shì)具有明顯的非線(xiàn)性關(guān)系。而超聲波流量計(jì)測(cè)量精度逐漸下降,但對(duì)于工程使用仍處于可接受范圍。

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