一種非接觸式的排水管道流體流量的測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水、泥漿等液體表面流速測量領(lǐng)域，尤其涉及一種非接觸式的排 水管道流體流量的測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國排水系統(tǒng)的檢測正處于起步階段。排水管網(wǎng)包括雨水收集管網(wǎng)和污水管 網(wǎng)，長期以來，現(xiàn)有方案絕大多數(shù)都沒有在管道內(nèi)進行流體的量化監(jiān)測，目前僅有的幾處管 道內(nèi)的流量測量還都采用接觸式的測量方法，即，將測量傳感器放入液體當中以便獲得流 體的速度和液面高度。這種接觸式方法對設備的安裝有很高的要求，安裝必須深入到管道 底部，必須要有相應資質(zhì)的專業(yè)人員才能夠操作，且排水管道內(nèi)的安裝操作具有一定的危 險性。另外，若測量對象為污水管網(wǎng)中的流體流量，測量傳感器在工作一段時間后，其表面 往往會被淤泥覆蓋，使得測量精度降低甚至是失效，操作人員不得不將設備取出清洗干凈 再重新安裝到管道底部方可繼續(xù)測量。
[0003]有鑒于此，如何設計一種測量排水管道的流體流量的解決方案，以有效改善或消 除上述缺陷，是當前亟待解決的一項課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的基于接觸式的測量傳感器來測量排水管道的流體流量所存在 的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種新穎的、非接觸式的排水管道流體流量的測量系統(tǒng)及方法。
[0005]依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種非接觸式的排水管道流體流量的測量方法， 包括以下步驟：
[0006] 根據(jù)雷達發(fā)射波的頻率以及雷達回波的頻率，結(jié)合所述雷達發(fā)射波入射流體液面 的角度，計算所述流體的表面流速；
[0007] 根據(jù)超聲波脈沖的發(fā)送時刻和接收時刻之間的時間間隔，計算所述流體的液面高 度；
[0008] 根據(jù)所述流體的表面流速和液面高度，計算所述排水管道內(nèi)的流體的平均流速；
[0009] 根據(jù)所述流體的液面高度和所述排水管道的管道半徑，計算所述流體的通流面 積；以及
[0010] 根據(jù)所述平均流速以及所述通流面積，計算所述流體的瞬時流量。
[0011] 在其中的一實施例，所述流體的表面流速V滿足如下關(guān)系式：
[0013] 其中，c為雷達波在空氣中的傳播速度，fd為雷達發(fā)射波f與雷達回波f'之間的 多普勒頻差，其中fd=If_f'I，9為雷達發(fā)射波f入射流體液面的角度。
[0014] 在其中的一實施例，所述流體的液面高度滿足如下關(guān)系式：L=CT/2,其中L表示 流體的液面與超聲波液位計的距離值，C為超聲波的速度，T為超聲波液位計從發(fā)射超聲波 脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間間隔。
[0015] 在其中的一實施例，所述超聲波液位計安裝于所述排水管道的頂部，所述流體的 液面高度h等于所述超聲波液位計的安裝高度D與所述距離值L之差。
[0016] 在其中的一實施例，所述流體的通流面積滿足如下關(guān)系式：
[0018] 其中，h為所述流體的液面高度，R為所述排水管道的管道半徑，S為所述流體的通 流面積。
[0019] 依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種非接觸式的排水管道流體流量的測量系 統(tǒng)，包括：
[0020] -超聲波液位計，安裝于所述排水管道的頂部，其包括一探頭，用于發(fā)射超聲波脈 沖并接收由所述流體表面反射回來的超聲波回波，輸出反映所述排水管道的液面高度的電 壓信號；以及
[0021] -電波流速儀，包括天線板和信號處理板，所述天線板接收天線信號并經(jīng)過放大、 混頻和濾波之后輸出一差頻信號；所述信號處理板與所述天線板相連接，用于對接收到的 差頻信號進行采樣，結(jié)合天線板的傾角角度，確定所述流體的表面流速和流向，并根據(jù)來自 所述超聲波液位計的、反映所述排水管道的液面高度的電壓信號計算得到所述流體的瞬時 流量信息。
[0022] 在其中的一實施例，所述電波流速儀和所述超聲波液位計通過螺釘固定安裝在同 一不銹鋼板上，所述電波流速儀的工作頻率為24GHz，所述超聲波液位計的超聲波脈沖頻率 為 40kHz。
[0023] 在其中的一實施例，所述測量系統(tǒng)還包括一遠程終端單元（RemoteTerminal Unit，RTU)以及一高能鋰電池，所述遠程終端單元與所述電波流速儀、所述高能鋰電池以 及一全向天線相連接，用于接收來自所述全向天線的數(shù)據(jù)并傳送來自所述電波流速儀的數(shù) 據(jù)。
[0024] 在其中的一實施例，遠程終端單元為移動通信終端的S頂卡。
[0025] 在其中的一實施例，所述電波流速儀還包括一機械接口以及一電連接器，所述機 械接口用于安裝固定支架，所述電連接器用于連接所述遠程終端單元。
[0026] 采用本發(fā)明的非接觸式的排水管道流體流量的測量系統(tǒng)及方法，首先根據(jù)雷達發(fā) 射波的頻率、雷達回波的頻率以及雷達發(fā)射波入射流體液面的角度計算得到表面流速，然 后根據(jù)超聲波脈沖的發(fā)送和接收的時間間隔計算得到流體的液面高度，接著根據(jù)流體的表 面流速和液面高度計算出流體的平均流速，再根據(jù)流體的液面高度和排水管道的管道半徑 計算得到流體的通流面積，最后根據(jù)平均流速以及通流面積計算流體的瞬時流量。相比于 現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用非接觸式的測量方法，對管道內(nèi)流體的表面流速和液位進行測量，進 而計算得到流體的瞬時流量，由于是非接觸式測量方式，因而不會帶來淤泥淤積等問題，無 需定期清理。測量裝置主要包括電波流速儀和超聲波液位計，其總重量小于lkg，體積輕便。 此外，測量裝置的總體功耗低，電波流速儀和超聲波液位計的總功耗小于1W。再者，測量裝 置的安裝只需要在窨井口施工，降低了操作人員的施工難度，免除了排水管道內(nèi)部長時間 井下施工的危險性。
【附圖說明】
[0027] 讀者在參照附圖閱讀了本發(fā)明的【具體實施方式】以后，將會更清楚地了解本發(fā)明的 各個方面。其中，
[0028]圖1示出本發(fā)明的非接觸式的排水管道流體流量的測量系統(tǒng)的應用場景示意圖；
[0029] 圖2示出圖1的測量系統(tǒng)的電波流速儀和超聲波液位計的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖3示出圖2的電波流速儀的結(jié)構(gòu)組成示意圖；
[0031] 圖4示出圖1的測量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息交互示意圖；
[0032] 圖5示出圖1的測量系統(tǒng)的流體的液面高度的示意圖；以及
[0033]圖6示出依據(jù)本發(fā)明的一實施方式，非接觸式的排水管道流體流量的測量方法的 流程框圖。
【具體實施方式】
[0034] 為了使本申請所揭示的技術(shù)內(nèi)容更加詳盡與完備，可參照附圖以及本發(fā)明的下述 各種具體實施例，附圖中相同的標記代表相同或相似的組件。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 應當理解，下文中所提供的實施例并非用來限制本發(fā)明所涵蓋的范圍。此外，附圖僅僅用于 示意性地加以說明，并未依照其原尺寸進行繪制。
[0035] 下面參照附圖，對本發(fā)明各個方面的【具體實施方式】作進一步的詳細描述。
[0036]圖1示出本發(fā)明的非接觸式的排水管道流體流量的測量系統(tǒng)的應用場景示意圖。 圖2示出圖1的測量系統(tǒng)的電波流速儀和超聲波液位計的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3示出圖2的電 波流速儀的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖4示出圖1的測量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息交互示意圖。圖5示 出圖1的測量系統(tǒng)的流體的液面高度的示意圖。
[0037] 結(jié)合圖1至圖5,在一示意性實施例中，本發(fā)明的測量系統(tǒng)主要包括超聲波液位計 和電波流速儀。其中，超聲波液位計安裝于排水管道的頂部，其包括一探頭，該探頭用于發(fā) 射超聲波脈沖并接收由流體表面反射回來的超聲波回波，輸出反映排水管道的液面高度的 電壓信號。電波流速儀包括天線板和信號處理板，天線板接收天線信號并經(jīng)過放大、混頻和 濾波之后輸出一差頻信號。信號處理板與天線板相連接，用于對接收到的差頻信號進行采 樣，并結(jié)合天線板的傾角角度，確定流體的表面流速和流向，并根據(jù)來自超聲波液位計的、 反映排水管道的液面高度的電壓信號計算得到流體的瞬時流量信息。
[0038] 如圖2所示，電波流速儀和超聲波液位計通過螺釘固定安裝在同一不銹鋼板上， 不銹鋼板的前后各有4個06通孔，采用螺釘將電波流速儀和超聲波液位計固定至鋼板。 電波流速儀的尾部留有安裝固定支架管材的機械接口，根據(jù)管材的不同直徑具有不同的規(guī) 格。電波流速儀的工作頻率為24GHz，超聲波液位計的超聲波脈沖頻率為40kHz，因而電波 流速儀發(fā)射的雷達波與超聲波液位計發(fā)射的超聲波脈沖并不會彼此形成干擾。
[0039] 在一具體實施例，該測量系統(tǒng)還包括一遠程終端單元（RemoteTerminalUnit， RTU)以及高能鋰電池。遠程終端單元與電波流速儀、高能鋰電池以及全向天線相連接，用 于接收來自全向天線的數(shù)據(jù)并傳送來自電波流速儀的數(shù)據(jù)，如圖4所示。例如，遠程終端單 元為移動通信終端的S頂卡。遠程終端單元將手機信號通過