前文《观点讨论：智慧水利和智慧水务底层传感器的异同》中罗列了一些可能使用的流量传感器。因为个人视野和工作内容的局限，没有将水利项目中常用的ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪）和气泡水位计列入此名录，特此补充说明和致歉。2021年5月曾经写过一篇文章《NIVUS互相关流量计是否就是ADCP》，介绍ADCP与互相关流量计的异同。ADCP和气泡水位计有其特点，通常用于相对大型的水利工程，而在城市水系统这个范畴内使用的很少，尤其不适合较浅的城市级别河道的测量。

《观点讨论：智慧水利和智慧水务底层传感器的异同》发表后，有行业大咖让我谈谈智慧水利和智慧水务使用的流量传感器测量精度。这个话题涉及到流量传感器的测量原理、应用场景、影响因素等等，影响因素很多，很难用一篇文章讲清楚。行业内有不同种的流量计，每种流量计都有其适用范围和特点，没有一种产品能解决所有应用场景的测量问题。流量测量行业从业的企业和专家众多，众说纷纭。

这个话题比较敏感。

思考再三，觉得还是有必要抛砖引玉，从纯技术角度做个分析框架，方便行业人士思考和辨别。此文是从多种NIVUS流量计实际使用情况观察得到的一家之言，不代表其他品牌；同样会有遗漏和错误，仅供参考和批评。

一、测量误差的定义

根据ISO 5725-1 (1994) 测试方法与结果的准确度(正确度与精密度) 第1部分:基本原理与定义，随机误差、系统误差、准确性和不准确性有如下关系。

二、影响流量测量的因素

目前智慧水利和智慧水务主流的流量计，包括超声波时差法流量计、超声波多普勒流量计、超声波互相关流量计、雷达流量计和电磁流量计，都是速度面积法流量计。需要同步测量“过流断面的”平均流速和过流断面的面积（如果是非满管流量计，通过实时液位换算），由“过流断面的平均流速”ד过流断面的面积”获得瞬时流量。

                                                                                管道流量测量示意图

                                                                                河道流量测量示意图

●过流断面的面积的测量精度，受到过流断面形状的准确性和液位测量误差的影响。

●智慧水利和智慧水务项目中使用的液位计，主流是静压液位计、雷达液位计或超声波液位计。液位测量精度，受到液位计的测量原理和安装方式的影响。

●对于市政行业，过水断面通常是管道或渠道，尺寸固定；除了特殊情况下，尺寸误差很小或可以忽略。而对于水利行业，过流断面可能是自然河道，过流断面形状准确性的影响更大。

本质上，超声波时差法流量计、超声波多普勒流量计、超声波互相关流量计和雷达流量计都是测量过流断面的“局部的实时流速”，只是这个局部流速的数量和位置不同。比如，超声波时差法流量计测量的是相对两个传感器连线的平均实时流速，超声波多普勒流量计测量的是过流断面中一个点的实时流速，超声波互相关流量计测量的是过流断面16层/每层N个点的实时流速，而雷达流量计测量的是表面某个点的流速。

如果由上述的“局部的实时流速”获得“断面的平均流速”，则需要解决如下问题：

流量计的数学建模是个相当复杂的过程，受以下因素的影响：

此外，需要大量的准确的实验室和现场测量数据进行校核。

根据上面的分析，影响流量测量精度的主要因素包括：

总的来说，液位测量的难度比较小，除非产品质量或安装位置的原因，通常液位测量的精度是可控的。液位测量的误差，不是本文讨论的重点，但值得用另一篇文章详细讨论。

流量计数学建模的质量，与各供应商的“内功”有关，不在本文讨论范围。

进一步的分析，可以发现：

➜ 对于市政行业，流量测量误差的主要影响因素是局部的实时流速的测量方法。

➜ 对于水利行业，流量测量误差的主要影响因素是局部的实时流速的测量方法和过流断面形状的准确性。

本文重点讨论流量计的局部实时流速测量方法的异同。

三、不同流量计测量误差的分析

为了降低本文的篇幅，本节仅对不同流量计的流速测量原理的分析，并未考虑不同流量计的适用性和应用场景等等问题。比如，未考虑ADCP不适合城市级别河道（低流速和低水位）、相对小尺寸的排水管网和箱涵的流量测量；未考虑超声波多普勒流量计和超声波互相关流量计不适合较宽河道或渠道流量测量；未考虑超声波时差法流量计不适合高污染水的流量测量；未考虑雷达流量计不适合满管的流量测量；等等情况。在实际的设备比选中，还需要加上更多的维度进行讨论，请各位读者知晓。

电磁流量计使用法拉第电磁定律来确定管道中的液体流量。在电磁流量计中，会产生磁场并渗透到流经管道的液体中。遵循法拉第定律，导电液体流过磁场会导致电压信号被位于流量管壁上的电极收集。当流体运动得更快时，会产生更多的电压。生成的电压与速度和流量Q成正比。

电磁流量计在高流速情况下的测量精度高，水力阻力小，干扰因素少；但通常不适合非满管运行，低流速（如＜0.3m/s）测量误差比较大，需要切除数据。

超声波多普勒流量计基于多普勒效应进行流速测量。根据水中杂质的反射频率的变化得到过流断面中某个颗粒或气泡的流速；再通过变送器中预设的流态分布曲线，拟合得到断面的平均流速。

超声波多普勒流量计适用于含杂质、矿物质或气泡的水；可以测量过流断面中某个点的流速，但无法获得这个点的位置信息。因此，超声波多普勒流量计的测量误差比较大。

ADCP主要用于大型水利项目；其流速测量方法基于多普勒效应原理，采用脉冲超声波进行流速测量。用声波换能器作为传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出测线范围内若干点流速，采用相关方法计算测线平均流速，必须通过现场率定获得率定测线平均流速与断面平均流速的相关系数，根据现场断面测量获取的水位与断面面积关系计算断面面积和流量。

ADCP适用于含杂质、矿物质或气泡的水；可以测量不同位置的若干点的流速，可以获得测量点的位置信息。因此，ADCP测量误差小于超声波多普勒流量计。

超声波时差法流量计采用声学时差法流速仪测量流速。其原理是与流速方向成一定的夹角（通常45°）安装一组两个流速传感器，两个流速传感器互相发射和接收超声波。检测两个传感器（A和B）之间超声波信号的传播时间。顺着流动方向的传播时间t1比逆着流动方向的t2更短。两者的时间差与沿测量路径的平均速度Vm成正比。通常需要多组传感器（2组、4组或8组等），进行同步测量，以便获得断面的平均流速。

超声波时差法流量计适用于干净或污染程度低的水；可以测量多声道的平均流速，每条声道的流速误差很小。通常，多声道（如8声道）的超声波时差法流量计测量误差小于ADCP。

超声波互相关流量计的流速测量方法是基于超声波反射原理。传感器连续扫描水中多个颗粒或气泡，反射信息存储为图像，基于频率特征的粒子识别，根据脉冲重复频率确定两个脉冲之间的TPRF时差Δt，根据这个时间差和距离间隔得到颗粒或气泡的速度，从而得到这个点的流速。可以把超声波互相关流量计想象为超声波相机：互相关流量计可以记录超声波束内的水平和垂直方向多个颗粒或气泡，如同测量“颗粒云”，并在几毫秒内对颗粒或气泡进行相互比较（两张照片的比对）。

超声波互相关流量计适用于含杂质、矿物质或气泡的水；可以测量过流断面中16层、每层N个点的实时流速。因此，超声波互相关流量计的测量误差小于ADCP，约等于多声道（如8声道）的超声波时差法流量计测量误差。

雷达流量计是基于雷达波反射，多普勒原理的进行流速测量。雷达传感器发出信号，信号由过流断面的表面波浪反射，波的速度影响频移，系统检测波浪的移动，获得过流断面的表面流速。根据预设的数学模型获得过流断面的平均流速和流量。雷达流量计不适合表面含杂质的情况（需要最小波高）、高沉积、回水、坡度变化等应用场景，也容易受风雨、结冰、表面泡沫、驻波等的影响。

雷达流量计为非接触式流量测量，用于非满管的清水和污水测量。雷达流量计的测量误差通常大于超声波多普勒流量计。

经过上述分析，我们可以发现：

➲ 电磁流量计在高流速情况下，测量精度很高；但低流速情况下，测量误差过大，通常会“小流量切除”。从流速测量原理分析，电磁流量计综合测量误差大于多声道（如8声道）的超声波时差法流量计。

➲ 超声波互相流量计在过流断面的测量点数大于多声道（如8声道）的超声波时差法流量计。

不考虑设备适用性、应用场景等其他因素，仅仅从流量计的流速测量原理的一维简单分析，流速测量误差从小到大的次序如下。

再次强调，在实际的设备比选中，还需要加上更多的维度进行讨论。

                                                                                                    四、小节