CN100578163C

CN100578163C - 一种槽体流量检测板式智能装置

Info

Publication number: CN100578163C
Application number: CN200710139664A
Authority: CN
Inventors: 马珺; 马福昌; 贾秀美
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: CN101149281A

Abstract

一种槽体污水流量检测板式智能装置的制备，属于自动化检测技术领域，具体而言是一种用于污水流量检测的传感器及制备。主要用于城市环保、矿山、冶金、建材、电力、化工等工矿企业的水流量自动化检测、控制和管理。该装置是由明渠流量槽、板式智能传感器两大部分组成，其明渠流量槽是按照明渠流体力学伯努利原理的基本规律设计其板式智能传感器(11)分两大部分，一部分是信号检测部分(18)，另一部分是智能数据处理部分(19)和无线数据变送部分(17)组成；该检测信号具有不受温度、气压等环境条件影响。测量误差小，稳定可靠。接触式，具有不怕泥沙、污物粘连。安装、使用、维护方便。不受安装条件所限制，适用于无人看管的荒野明渠、下水道出口的流量计量。

Description

一种槽体流量检测板式智能装置

一、技术领域

本发明一种槽体污水流量检测板式智能装置属于自动化检测技术领域，具体而言是一种用于污水流量检测的传感器。

二、背景技术

目前国内外在污水流量检测方面采用的技术和产品不少，根据不同的测量条件和测量目的，目前采用的污水流量计主要有以下几种：压差式流量计、容积式流量计、转子式流量计、水轮式流量计、电磁式流量计、超声波式流量计、明渠流量计等。以下分别作一简单介绍：

1.压差式流量计

压差式流量计也叫水头式速度流量计，是通过测量水头差来间接测出流速。属于这一类流量计的主要装置有文丘里流量计、孔板流量计和皮托管流量计。

2.容积式流量计

容积式流量计是在稳定流条件下，高精度测量流量的仪器，其特点是有一个或多个移动的容积部件装在流道上，用于测试流量。属于这一类的流量计有往复活塞式流量计、旋转活塞式流量计、旋转叶片流量计和旋转转盘式流量计。

3.转子式流量计

转子式流量计是一种截面积变化的流量计，它由一个锥形竖直管和浮子构成。液体从下而入，带动浮子上升。浮子用来指示流量，它比流体重，当流体流过锥形管时，浮子上升直到浮子的重力和液体的浮力相平衡时为止。根据浮子的力平衡公式计算出体积流量。转子流量计仅用于清洁的液体，且只能测较小流量。

4.水轮式流量计

水轮式流量计的运行类似于一个水轮，叶轮装在一个有流体流过的工作塞中，由液体冲击叶片表面带动叶轮转动，转子的转动可以直接带动一个记录器，记录工作室内流量增量。

5.电磁式流量计

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体流量的仪表。电磁流量计有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。七八十年代电磁流量计在技术上有重大突破，使它成为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中其使用量百分比不断上升。

6.超声波流量计

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理，超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，近年来也是发展迅速的流量计之一。

7.明渠流量计

以非满水状态流通的水路，即具有自由水面的水路叫做明渠(openchannel)。测量明渠中水流流量的装置称作明渠流量计。明渠流量计除圆形外，还有U字形、梯形、矩形等多种形状。明渠流量计的应用场所有：城市供水引水渠、火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉渠道。

能够检测污水流量的技术不少，但是由于这些现有技术受使用条件等方面的限制，使它们的使用范围受到了很大局限。比如污水排放多在下水道中排放，需在下水道出口处检测，然而现有的检测设备都难以适应在下水道内安装和运行，安装空间狭小、泥沙污物、供电难、维护难等，特别是在荒野之中，无人看护的情况下仪器设备更难以保证安全正常运行。目前在工业应用和城市下水排放监控管理仍难以实现自动化。

随着科学技术的迅猛发展，污水排放监测控制已是现代化建建设中的重要组成部分，建材、化工、矿山、冶金、水利、电力等多方面的工业自动化建设中都急待需要解决准确、可靠的污水排放自动化检测技术。

本发明一种槽体污水流量检测板式智能装置的目的在于：

1、解决现有技术不能解决的问题，如传感器稳定性、可靠性和恶劣条件下使用的广泛适应性。

2、扩大适用范围，解决安装方便、使用维护方便的问题。使之在无人看护职守的荒野、下水道出口，在含泥沙、污物的液流中可靠运行。

3、降低造价，提供一种结构简单，适应性强的，可直接采样的普及通用的数字污水流量传感器。

本发明一种槽体污水流量检测板式智能装置，其特征在于：该装置是由明渠流量槽、板式智能传感器两大部分组成，其明渠流量槽是按照明渠流体力学伯努利原理的基本规律设计，槽体由喉道上游具有水平底面的均匀收缩段9、具有下降坡度底面和侧面宽度狭窄且互相平行的喉道段13和下游具有上升坡度底面的均匀扩散段10三部分组成；在收缩段侧壁上开一个燕尾槽14，使板式智能传感器11可嵌入槽中；其板式智能传感器分两大部分，一部分是信号检测部分18，另一部分是智能数据处理部分19和无线数据变送部分17；其信号检测部分是以感应式检测理论而设计的数字检测电路所组成的点阵检测板构成的，无线数据变送部分由数据逐点检索、统计，由双向通讯的无线收发送模块进行信号变送的电器组件组成，板式智能传感器11内部电路板置于支撑骨架21上，支撑骨架用绝缘材料制成，支撑骨架的正面固定有若干块传感器芯片电路板，每块传感器芯片电路板中由信号取样电路和点阵取样感应点15构成，传感器芯片电路板都固定于支撑骨架21背面上，点阵取样感应点15纵向分辨率为1毫米或按使用要求制造。点阵取样感应点15由耐腐蚀材料制成，板式智能传感器11内部芯片电路板与引线端子、信号元、外壳用绝缘填充材料浇铸后成为一个固态方型板式传感器。

本发明一种槽体污水流量检测板式智能装置的制备，其特征在于：

I、明渠流量槽的设计与制备

A、按照流体力学的基本规律设计一种特定的水流槽体(巴歇尔槽)，使流量与渠宽、流速、时间成为一个固定的函数关系，可变量只有水位；

B、数学模型是：矩形截面的巴歇尔槽遵守以下公式：

q_{v} = {(2 / 3)}^{3 / 2} C_{v} C_{e} \sqrt{g} b h^{3 / 2}

(

式中，C_v为取决于接近流速的流速系数，C_e为取决于受摩擦和涡流影响的流量系数，b为水流槽的宽度，h为水位，在特定的水流槽体中b、C_v、C_e均为常数，只要测得水位，即可算出流量；

II、板式智能传感器的制备分为两部分进行，一部分是电路芯片的制备，另一部分是结构外壳的制备，

A、电路芯片部份的制备，首先选用绝缘材料板制成支撑骨架21，作为点阵取样感应点15和无线数据变送部分17的依托板，支撑骨架用环氧树脂板或其它绝缘材料板做成，而后在依托板的正面固定若干块对水位检测的点阵取样感应点15，详见结构图：图4、图5，点阵取样感应点由非磁耐腐导体材料制成，纵向取样感应点分辨率为1毫米，依托板的背面固定有若干块传感器芯片电路板，其它检测电路和数据检索、统计、变送的电路块根据安装条件穿插固定在依托板的背面，以此电路板实现数字化信号的检测、变送功能；

B、结构外壳用可塑性绝缘材料制成，最后将电路芯片部份与内部电路和结构外壳一起用可塑防水性绝缘材料浇铸成固态方形、圆形、板式或棒式传感器；

C、引线端子用接插式引线端子，该接插件，在接插紧固好后无需做其它防水处理。

III、将板式智能传感器11嵌入I所制备的明渠流量槽的收缩段距侯道段三分之二处部位上开启的燕尾槽14中。

上述支撑骨架21用环氧树脂板制成，取样感应点15由非磁、耐腐、导体材料制成，外壳用环氧树脂、塑料或可塑绝缘材料浇铸而成；引线端子是用塑料、环氧树脂、其它绝缘材料或具有防水全封闭能力的多芯电器接插件制成；电路芯片部份与结构外壳经浇铸后成为一个固态实体，板式智能传感器11的外型尺寸根据不同规格的明渠流量槽设计。

上述一种槽体污水流量检测板式智能装置的使用方法，其特征在于：第一、首先将机内电池供电的供电电路20或外接电源接通，激励电源设计在9-6伏范围内供电，由恒压电路对激励电源进行恒压处理，通讯采取定时和呼唤式待机休眠式工作状态，以此减小信号输送中的损耗，进一步提高通讯待机时间和远传能力；第二、将板式智能传感器11垂直安装于水槽检测部位的燕尾槽14中，当水位上下变化时，相应的水面靠近某个传感元电路，该电路产生触发性翻转，输出信号由“1”变为“0”，当物料面离开某个传感元时输出信号由“0”变为“1”，以此保证若干个传感元电路组成一个水位神经面；第三、再经过微处理器对各取样感应点15进行逐点检索、数字统计、数字变送、无线通讯，从而实现采样、处理、变送，全数字化的流量检测。

发明的主要用途及优点：

1、用途：用于城市环保、矿山、冶金、建材、电力、化工等工矿企业的水流量自动化检测、控制和管理。

2、优点：

a、检测信号具有不受温度、气压等环境条件影响。

b、测量误差小，稳定可靠。

c、接触式，具有不怕泥沙、污物粘连。

d、安装、使用、维护方便。不受安装条件所限制，适用于无人看管的荒野明渠、下水道出口的流量计量。

四、附图说明

图1为槽式流量检测智能传感器原理

图中的标号为：1、恒压电路 2、电源电路 3、无线发送电路 4、智能检测与变送电路 5、检测信号元电路 6、信号取样电路

图2槽式流量检测智能传感器整体结构图

图中的标号为：7、水路 8、整流部 9、收缩段 10、扩散段11、板式智能传感器 12、槽顶 13、喉道

图3为槽式流量检测智能传感器分体结构图

图中标号为：7、水路 8、整流部 9、收缩段 10、扩散段11、板式智能传感器 12、槽顶 13、喉道 14、燕尾插槽

图4为板式智能传感器11正面图

图中标号为：15、点阵取样感应点

图5为板式智能传感器侧剖面图

图中标号为：15、点阵式取样感应点16、信号发送模块17、信号发送天线18、信号检测电路19、智能数据处理电路20、供电电路21、支撑骨架

五、具体实施方式

实施方式1：为焦化厂设计的槽式流量检测智能传感器。是按照明渠流体力学伯努利原理的基本规律设计巴歇尔槽，设计最大流量在250L/S的流量水槽，水槽中流体液位变化在0.03m～0.60m之间。水槽用玻璃钢制成，槽体由喉道上游具有水平底面的均匀收缩段9、具有下降坡度底面和侧面宽度狭窄且互相平行的喉道段13和下游具有上升坡度底面的均匀扩散段10三部分组成；在收缩段距侯道段三分之二处部位开一个燕尾槽14，使板式智能传感器11嵌入槽中，其板式智能传感器11分两大部分，一部分是信号检测部分18，另一部分是智能数据处理部分19和无线数据变送部分17；其信号检测部分18是以感应式检测理论而设计的数字检测电路所组成的点阵检测板构成的，无线数据变送部分17由数据逐点检索、统计，由双向通讯的无线收发送模块进行信号变送的电器组件组成。该板式智能传感器11内部芯片骨架用环氧树脂板做成，板的正面安装有78块MFC7710B检测芯片、1块MFC7720B信号处理芯片、1块nRF401无线发送电路板和1块供电电路板，芯片的背面固定有600个取样感应点。感应点检测的纵向分辨率为1mm，由镍铬合金制成。板式智能传感器11采用塑料外壳，内部用环氧树脂浇铸而成，芯片与外壳经浇铸后成为一个实体，结构外壳用可塑性绝缘材料制成，最后将电路芯片部分与内部电路和结构外壳一起用可塑防水性绝缘材料浇铸成固态方形，引线端子用带有水封的接插式引线端子，该接插件，在接插紧固好后无需做其它防水处理。使用时首先将机内电池供电的供电电路20或外接电源接通，激励电源设计在9-6伏范围内供电，由恒压电路对激励电源进行恒压处理，通讯采取定时和呼唤式待机休眠式工作状态，以此减小信号输送中的损耗，进一步提高通讯待机时间和远传能力；接着将板式智能传感器11垂直安装于水槽检测部位的燕尾槽14中，当水位上下变化时，相应的水面靠近某个传感元电路，该电路产生触发性翻转，输出信号由“1”变为“0”，当物料面离开某个传感元时输出信号由“0”变为“1”，以此保证若干个传感元电路组成一个水位神经面；然后再经过微处理器对各取样感应点15进行逐点检索、数字统计、数字变送、无线通讯，从而实现采样、处理、变送，全数字化的流量检测。

实施方式2：为污水厂设计的槽式流量检测智能传感器。设计最大流量在4000L/S的流量水槽，水槽中流体液位变化在0.08m～0.80m之间。水槽用玻璃纤维不饱和聚酯复合材料制成，传感器结构外壳用可塑性绝缘材料制成，最后将电路芯片部份与内部电路和结构外壳一起用可塑防水性绝缘材料浇铸成板式传感器，板的正面安装有100块MFC7710B检测芯片、1块MFC7720B信号处理芯片、1块nRF401无线发送电路板和1块供电电路板。芯片的背面固定有800个取样感应点，其它同实施方式1。

实施方式3：为灌区设计的槽式流量检测智能传感器。设计最大流量在93040L/S的流量水槽，水槽中流体液位变化在0.09m～1.83m之间。水槽是按照明渠流体力学伯努利原理的基本规律设计巴歇尔槽，用水泥筑成。该板式智能传感器筑在水槽收缩段测壁。传感器内部芯片骨架用环氧树脂板做成。板的正面安装有240块MFC7710B检测芯片、1块MFC7720B信号处理芯片、1块nRF401无线发送电路板和1块供电电路板。芯片的背面固定有1900个取样感应点。感应点检测的纵向分辨率为1mm，由镍铬合金制成。安装时水槽的中心线与渠道的中心线重合，使水流进入巴歇尔槽不出现偏流。巴歇尔槽的上游应有大于5倍渠道宽的平直段，使水流能平稳进入巴歇尔槽。即没有左右偏流，也没有渠道坡降形成的冲力，其它同实施方式1。

实施方式4：为环保局设计的槽式流量检测智能传感器。设计最大流量在5.4L/S的流量水槽，水槽中流体液位变化在0.015m～0.21m之间。水槽用玻璃钢制成。该板式智能传感器内部芯片骨架用环氧树脂板做成。板的正面安装有4块MFC7710B检测芯片、1块MFC7720B信号处理芯片、1块nRF401无线发送电路板和1块供电电路板。芯片的背面固定有30个取样感应点。感应点检测的纵向分辨率为1mm，由镍铬合金制成，其它同实施方式1。

Claims

1、一种槽体污水流量检测板式智能装置，其特征在于：该装置是由明渠流量槽、板式智能传感器两大部分组成，其明渠流量槽是按照明渠流体力学伯努利原理的基本规律设计，槽体由喉道上游具有水平底面的均匀收缩段(9)、具有下降坡度底面和侧面宽度狭窄且互相平行的喉道段(13)和下游具有上升坡度底面的均匀扩散段(10)三部分组成；在收缩段侧壁上开一个燕尾槽(14)，使板式智能传感器(11)嵌入槽中；其板式智能传感器(11)分两大部分，一部分是信号检测部分(18)，另一部分是智能数据处理部分(19)和无线数据变送部分(17)；其信号检测部分(18)是以感应式检测理论而设计的数字检测电路所组成的点阵检测板构成的，无线数据变送部分(17)由数据逐点检索、统计，由双向通讯的无线收发送模块进行信号变送的电器组件组成，板式智能传感器(11)内部电路板置于支撑骨架(21)上，支撑骨架(21)用绝缘材料制成，支撑骨架(21)的正面固定有若干块传感器芯片电路板，每块传感器芯片电路板中由信号取样电路和点阵取样感应点(15)构成，传感器芯片电路板都固定于支撑骨架(21)背面上，取样感应点(15)纵向分辨率为1毫米或按使用要求制造，取样感应点(15)由耐腐蚀材料制成，板式智能传感器(11)内部芯片电路板与引线端子、信号元、外壳用绝缘填充材料浇铸后成为一个固态方型板式传感器。