CN103858005A

CN103858005A - 超声波流量及浓度共用测量系统

Info

Publication number: CN103858005A
Application number: CN201280049417.6A
Authority: CN
Inventors: 权男元; 金仁洙; 金振佑; 朴钟燮
Original assignee: WESS GLOBAL Inc
Current assignee: WESS GLOBAL Inc
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: WO2013051799A2; CN103858005B; WO2013051799A3; KR101142897B1; US20140238116A1

Abstract

本发明提供超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于，包括：发送用超声波传感器，附着于测量对象流体流过的管道的外壁并透过壁面发送超声波；浓度测量用超声波传感器，透过测量对象流体管道接收上述发送用超声波传感器发送的超声波；流量测量用超声波传感器，按一定时间间隔接收上述发送用超声波传感器发送的超声波；整合信号处理装置，根据上述浓度测量用超声波传感器和流量测量用超声波传感器接收的超声波强度测量浮游固体物（Suspended solid，SS）的浓度/总量，并利用媒介中传递时间差测量流量。因此，本发明利用可同时测量处理水的流量、处理水中的浮游固体物的浓度及总量的传感器及传感器设置结构开发整合浓度计及流量计功能的装置，从而实现作为水处理工艺产物的污泥的定量管理，而且，通过根据SS总量的后续工艺控制及选择最佳负荷极大地提高水处理工艺的效率性，可通过一名管理员即可控制工艺，节省人力费用，从现有技术的被动工艺控制转换为主动工艺控制。

Description

超声波流量及浓度共用测量系统

技术领域

本发明涉及超声波流量及浓度共用测量系统，尤其涉及可同时测量处理水的流量、处理水中的浮游固体物的浓度及总量的超声波流量及浓度共用测量系统。

背景技术

一般而言，超声波浓度测量装置是用于实时测量沉淀于水处理现场——净水厂、污水处理厂、污废水处理厂等或在管道内与液体一起流动的各种污泥浓度的测量仪。

图1为根据现有技术插入管道内部的超声波浓度测量装置的结构图。

如图1所示，现有技术的浓度测量装置10插入管道1内部，而从超声波发送传感器11放射的超声波通过流体（试料水）之后，以被包含于流体中的杂质、异物、浮游物等散射、吸收而被衰减的状态被超声波接收传感器12接收，从而根据所被接收的超声波强度测量浓度。

但是，现有技术的超声波浓度测量装置10在需以维护超声波发送传感器11及超声波接收传感器12（更换或清洗传感器）为目的分离传感器时，需在关闭设置于浓度测量装置10的前后端的阀门并打开旁通阀，以使流体迂回浓度测量装置10之后，才能进行更换。

因此，除浓度测量装置10之外，还需额外设置旁通管道和阀门等，从而不仅增加安装费用，而且，安全空间也受到制约。

另外，因超声波发送传感器11及超声波接收传感器12的前面直接与流过内部的流体接触，因此，在长期流速很低或浓度很高的情况下，根据固体物的种类的特性，在传感器的前面表面出现污泥附着的现象，从而降低传感器效率，带来需周期性地清洗传感器的麻烦。

这是因为在测量对象流体中，除作为浓度测量对象的浮游固体物之外，还包括各种污物，从而提高所插入的超声波发送传感器11及超声波接收传感器12的损毁可能性。

图2为现有技术的超声波时间差液体流量计结构示意图，而图3为现有技术的超声波时间差液体流量计的信号路径示意图。

如图2所示，现有技术的超声波时间差液体流量计将一组超声波传感器13、14沿着流动方向按一定角度相对设置于管道1的两侧面，在上游侧超声波传感器13和下游侧超声波传感器14反复收发，从而利用超声波到达的时间差计算流速并将其换算成体积流量。

一般而言，利用时间差换算流量的超声波时间差流量计的结构及流量计算式如下：

在从上述上游侧超声波传感器13透过测量对象流体向下游侧超声波传感器14发送超声波，或与上述超声波发送过程相反的情况下，通过测量各自的传递时间tup、tdn计算流速。

有流体流动的情况和无流体流动的情况下的传递时间tup、tdn之间的关系可利用如下数学式求得。

<数学式1>

\begin{matrix} t_{up} = \frac{P}{c} & t_{cp} = \frac{P}{c - V \sin θ} \end{matrix}

\begin{matrix} t_{up} = \frac{P}{c} & t_{cp} = \frac{P}{c - V \sin θ} \end{matrix}

△t＝t_up-t_dn＝0 △t＝I_up-t_dn

<无流动的情况，V＝0><有流动的情况V≠0>.

在此，tup=上游侧传递时间，tdn=下游侧传递时间，V=流体流速（flowvelocity），c=流体声速（sound velocity），t=传递时间差（time difference），P=超声波路径长度（path length），a=轴向长度（axial length），θ=超声波传感器的设置角（超声波传递路径和流体流动方向间的角度）。

在有流体流动的情况下，流速V和传递时间tup、tdn之间的关系如下面的

数学式2：

<数学式2>

V = \frac{P^{2}}{2 L} (\frac{1}{t_{dn}} - \frac{1}{t_{up}}) = \frac{P^{2}}{2 L} (\frac{t_{up} - t_{dn}}{t_{dn} \times t_{up}})

通过相乘从上述数学式2求得的流体流速和流体流动的管道的截面面积，可入下面的数学式3那样换算体积流量：

<数学式3>

Q＝V×A

在上述数学式3中，A为管道的截面面积。

如上所述，现有技术的超声波时间差液体刘降级的测量原理的应用不受测量中所用的传感器13、14的安装位置（插入式或外壁附着式）的影响。

另外，如图3所示，在现有技术的超声波时间差液体流量计中，测量上/下游传递时间差的方法中的超声波传递的流经取决于在管道1中设置传感器13、14的设置方式，而一般而言，影响路径的因素有管道材料/大小及测量对象流体的特点。

另外，到目前为止，用于测量污水处理工艺中产生的各种污泥（生污泥、浓缩污泥、回流污泥及剩余污泥）的SS（suspended solid）浓度、总量及含有上述物质的污水流量的装置，组合使用超声波液体流量计和插入式超声波浓度计。

在此，浮游固体物（SS）是指在水处理过程中产生或存在于原水中的异物，而根据浮游固体物的量平价水质。

但是，通过上述超声波液体流量计和插入式超声波浓度计可获得的测量值只有污水的流量和SS浓度，而且，因各测量器的供应商或制造商各不相同，发生在现场难以进行维护的问题。

另外，在测量和处理测量对象的SS浓度及流量的后续工程（污泥移送及脱水）中，大部分现场出现在不了解SS总量的情况下超量使用水泵或脱水机的情况。

因此，需要开发可同时测量污水处理时存在的处理水的流量、处理水呢浮游固体物的浓度及总量的装置，而这样的装置的开发，可实现能成为能够替代化石资源的新能源的作为水处理工艺产物的污泥（sludge）的定量管理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种超声波流量及浓度共用测量系统，其通过可同时测量处理水的流量、处理水内浮游固体物的浓度及总量的传感器及传感器设置结构，实现作为水处理工艺产物的污泥的定量管理，而且，通过测量浮游固体物的总量极大地提高作为后续处理涉笔的脱水机和水泵等的效率并可选择最佳容量，另外，通过开发综合了浓度计及流量计的功能的装置极大地提高工艺运行效率，节省过度的设置投资，节省维护费用。

为达到上述目的，本发明的超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于，包括：发送用超声波传感器，附着于测量对象流体流过的管道的外壁并透过壁面发送超声波；浓度测量用超声波传感器，透过测量对象流体管道接收上述发送用超声波传感器发送的超声波；利用测量用超声波传感器，按一定时间间隔接收上述发送用超声波传感器发送的超声波；整合信号处理装置，根据上述浓度测量用超声波传感器和流量测量用超声波传感器接收的超声波强度测量浮游固体物（Suspended solid，SS）的浓度/总量，并利用媒介中传递时间差测量流量。

此时，上述流量测量用超声波传感器由三个传感器构成，以使传递超声波的路径实现双Z路径（double Z-path）。

另外，上述整合信号处理装置，包括：操作开关，在测量浓度及流量时，通过操作选择运行、菜单设置及结果输出；传感器收发部，通过放大传感器中收发的超声波信号实现高功率发送、高增益接收；控制部，搭载流量测量算法及PCM（Process Condition Monitoring）算法以实现符合现场的浓度流量及测量模式，在判断工艺异常与否的同时，进行与流量及浓度测量相关的操作及控制；电源部，供应上述控制部及传感器收发部所需的电源；外部输出部，将通过上述控制部测得的浓度输出至外部。

在此，上述外部输出部与显示输出、继电器输出、LED输出中的至少一种以上的外部输出连接。

另外，上述PCM算法在确认工艺状态及管道状态、SS的分布均匀度之后，综合各确认结果决定运行状态（run/stop），判断SS的分布均匀度，向管理员提供运行中有效SS浓度测量、工艺运行状态及管道的填充度（Full/Empty）信息。

另外，上述PCM算法的测量模式有根据现场运行模式测量实时浓度变化的RT（Real Time）模式，及根据工艺条件监控（Process Condition Monitoring，PCM）结果，只在工艺运行时自动测量浓度变化的PM（Process Monitoring）模式。

另外，上述整合信号处理装置具备RF传送功能以实现远程测量。

另外，上述流量测量用超声波传感器利用专用时间差（dT）测量用芯片进行了模块化设计。

因此，根据上述超声波流量及浓度共用测量系统，利用可同时测量处理水的流量、处理水中的浮游固体物的浓度及总量的传感器及传感器设置结构开发整合浓度计及流量计功能的装置，从而实现作为水处理工艺产物的污泥的定量管理，而且，通过根据SS总量的后续工艺控制及选择最佳负荷极大地提高水处理工艺的效率性，可通过一名管理员即可控制工艺，节省人力费用，从现有技术的被动工艺控制转换为主动工艺控制。

另外，本发明因整合的浓度计及流量计的功能，可综合开发市场并取得更好的收益，节省水处理工艺运营及维护、人力等费用，为水处理技术的质量提升及水环境改善做出贡献。

附图说明

图1为根据现有技术插入管道内部的超声波浓度测量装置的结构图；

图2为现有技术的超声波时间差液体流量计结构示意图；

图3为现有技术的超声波时间差液体流量计的信号路径示意图；

图4为本发明实施例的超声波流量及浓度共用测量系统的整体结构示意图；

图5为本发明实施例的超声波流量及浓度共用测量系统的信号路径示意图；

图6为本发明实施例的传感器的一体化设置结构示意图；

图7为本发明实施例的整合信号处理装置内部结构示意图。

*附图标记*

50：管道 111、112：流量测量用超声波传感器

120：浓度测量用超声波传感器 130：发送用超声波传感器

200：整合信号处理装置 210：传感器收发部

220：控制部 230：电源部

240：数据储存部 250：外部输出部

260：显示部 270：LED

280：继电器

具体实施方式

本发明可进行各种变形且可有各种实施例，而在下面，将特定实施例示例于附图并进行详细说明。但是，不是把本发明限定在特定事实方式，而需包含属于本发明的思想及技术范围的所有变更、均等物乃至替代物。在附图中，类似的结构采用相同的附图标记。

用于本申请的术语只是说明特定实施例而非限制本发明。在语境中没有明显的区别，则单数的记载包含复数的含义。在本申请中，“包括”或“拥有”等术语表示存在说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、结构、部件或它们的组合，而非预先排除一个或以上的其他特征、数字、步骤、动作、结构、部件或它们的组合的存在或附加可能性。

除非有特别的说明，包括技术或科学术语在内的在此使用的所有术语的意思与本发明所属技术领域的技术人员通常所理解的意思一样。一般使用的与词典中定义的术语相同的术语具有与相关技术的语境中的意思相同的含义，除非有明确的定义，在本申请中不具有理想的或过度的含义。

下面，结合附图对本发明较佳实施例进行详细说明。

如图4所示，本发明实施例的超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于，包括：发送用超声波传感器130，附着于测量对象流体流过的管道50的外壁并透过壁面发送超声波；浓度测量用超声波传感器120，附着于上述管道50的另一侧外壁并透过测量对象流体管道50接收上述发送用超声波传感器130发送的超声波；流量测量用超声波传感器111、112，附着于上述管道50的另一侧外壁并按一定时间间隔接收上述发送用超声波传感器130发送的超声波；整合信号处理装置200，根据上述浓度测量用超声波传感器120和流量测量用超声波传感器111、112接收的超声波强度测量浮游固体物（Suspended solid，SS）的浓度/总量，并利用媒介中传递时间差测量流量。

一般的超声波传感器主要使用PZT压电体在空气中或水中测量所需物理量，但是外壁附着型的上述超声波传感器111、112、120、1300，因具有由发送用传感器130发送的超声波透过管道50→测量对象流体→管道50之后传递至浓度测量用传感器120和流量测量用传感器111、112的特点，而且，构成路径的物质的种类繁多，透过各路径的过程中信号的衰减也很大，因此，为了完成稳定的测量，需要使用高灵敏度或高性能的压电元件或需要传感器收发部210的高灵敏度。

上述超声波传感器111、112、120、130的设置结构，因稳定设置于管道50才能确保测量的可靠性，因此，需具有安装和换装方便，阻断外部噪声传递至传感器，需要防水结构的特点。

尤其是，上述浓度测量用超声波传感器120利用重叠法可将测量浓度范围扩大20%以上。

另外，如图5所示，上述流量测量用超声波传感器111、112由两个传感器111、112构成，以使传递超声波的路径变成对现有技术的Z-path或V-path进行变形的双Z路径（double Z-path）。

因此，与现有技术的超声波液体流量计不同，上述流量测量用超声波传感器111、112以发送/接收专用传感器划分功能，从而减少因传感器特性（Ringing）导致的测量错误，而且，通过构建双Z路径实现一次性测量（one-shotmeasurement），不仅可进行工艺异常/传感器错误监控，且因分开了发送及接收而简化时间测量电路，提高测量可靠性，另外，测量项目也可以从浓度/流量/浓度流量进行各种选择。

另外，上述流量测量用超声波传感器111、112用于采用STMR的管道50以使传感器设置、固定、维护变得容易，而且，因一体化的接收传感器（流量测量用超声波传感器111、112）的设置结构，极大地提高时间差（Transit time）测量的再现性。

另外，上述流量测量用超声波传感器111、112为dT（时间差）测量模块的小型及轻量化，利用专用dT（时间差）测量用芯片简化流量测量电路，测量ps单位的时间差。

如图7所示，上述整合信号处理装置200，包括：操作开关（未图示），在测量浓度及流量时，通过操作选择运行、菜单设置及结果输出；传感器收发部210，通过放大超声波传感器111、112、120、130中收发的超声波信号实现高功率发送、高增益接收；控制部220，搭载流量测量算法及PCM（Process ConditionMonitoring）算法以实现符合现场的浓度流量及测量模式，在判断工艺异常与否的同时，进行与流量及浓度测量相关的操作及控制；电源部230，供应上述控制部220及传感器收发部210所需的电源；外部输出部250，将通过上述控制部220测得的浓度输出至外部；但非限制。

上述整合信号处理装置200包括可进行远程测量的RF传送功能、对在上述超声波传感器111、112、120、130中发送/接收的信号进行放大及过滤的信号放大功能及将最多400天的测量值储存于数据储存部240的数据记录功能。

另外，除流量测量算法和PCM算法之外，上述控制部200还为接收信号定量化搭载能源平均法（EEAM）算法。

另外，上述外部输出部250为将数据加工成使用者所希望的输出形式（模拟输出、数字输出及继电器输出），与超薄膜（TFT）彩色LCD、触摸屏等显示部260、LED270、继电器280中的至少一种以上的外部输出连接。

上述控制部220利用流量测量算法测量流量并用PCM算法测量浓度，而上述流量测量算法与PCM算法相关联以进行更加准确的工艺诊断。

因此，上述PCM算法通过各种过滤器确认所接收的超声波信号和温度信号以判断当前测量的值的有效性与否，只选择性地使用符合标准的值，从而测量符合工艺状态的浓度，极大地提高产品的可靠性和稳定性。

下面，结合附图对本发明实施例的超声波流量及浓度测量系统的动作进行详细说明。

本发明实施例的超声波流量及浓度共用测量系统应用于在SS和液体混合存在的制造/原材料处理工艺中组合使用流量计和浓度计的领域，完成浓度测量（SS的浓度（%、PPM、mg/l、g/l））功能、SS混合液的流量测量功能、测量流动中存在的瞬时SS量或积累SS总量的SS总量测量功能。

此时，上述SS总量测量功能，可用如下的数学式4定量计算出作为水处理工艺的副产物的污泥（sludge）产生量。

<数学式4>

SS＝Q×SS％

在此，SS=污泥量，Q=测得的流量，SS%=测得的浓度。

例如，在当前工艺流量为100m3/hr，测得的浓度值为2%时，若利用上述数学式4计算所产生的污泥量，则如下面的数学式5：

<数学式5>

SS＝100(m³/hr)×2％＝100×10000(mg/l)＝100×10(g/l)＝100×10⁶(cm³/hr)×10(g/l)＝100×10³(l/hr)×10(g/l)＝100×10³(l/hr)×0.11(kg/l)＝1000(kg/hr)

当管理员测量流量时，发送用超声波传感器130发送的超声波通过双Z-path利用媒介中的传递时间差被流量测量用超声波传感器111、112接收，而上述整合信号处理装置200的控制部220基于通过传感器收发部210输入的接收信号实施流量测量算法计算流量。

另外，当管理员测量浓度时，浓度测量用超声波传感器120接收透过壁面传递的超声波并通过传感器收发部210传递给控制部220，而上述控制部220通过实施PCM算法计算SS浓度及总量。

此时，上述PCM算法可与流量测量算法联动，并通过判断工艺的进行与否（Run/Stop），管道的充实程度（满/空），只在工艺进行时测量浓度，从而测得现场所需的可靠的浓度。

如上所述，本发明通过一个整合信号处理装置，利用超声波传感器111、112、120所接收的超声波信号计算SS浓度/总量，流量，即现场所需的浓度/流量（浓度+流量）。

另外，本发明只通过改变超声波传感器111、112、120、130的设置结构即可测量各种物理量。

本发明的超声波流量及浓度共用测量系统适用于在现有技术中使用液体流量计、浓度计的所有领域，具体有对污泥进行生产及搬运处理的水处理领域、进行脱硫工艺及废弃物处理的石油化工领域、进行对食品/饮料原材料的有效性判断及处理和进行废弃物处理的食品/饮料领域、判断预拌混凝土废水第一次处理水的程度的建筑领域、判定原材料的好还与否及进行产品生产工艺的制药领域等。

上述实施例仅用以说明本发明而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改、变形或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

工业实用性

本发明涉及超声波流量及浓度共用测量系统，尤其涉及通过整合了浓度计和流量计的功能的传感器设置结构及整合信号处理装置同时测量处理水的流量、处理水中的浮游固体物的浓度及总量的超声波流量及浓度共用测量系统。

Claims

1.一种超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于，包括：

发送用超声波传感器，附着于测量对象流体流过的管道的外壁并透过壁面发送超声波；

浓度测量用超声波传感器，透过测量对象流体管道接收上述发送用超声波传感器发送的超声波；

流量测量用超声波传感器，按一定时间间隔接收上述发送用超声波传感器发送的超声波；

整合信号处理装置，根据上述浓度测量用超声波传感器和流量测量用超声波传感器接收的超声波强度测量浮游固体物（Suspended solid，SS）的浓度/总量，并利用媒介中传递时间差测量流量。

2.根据权利要求1所述的超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于：上述流量测量用超声波传感器由三个传感器构成，以使传递超声波的路径实现双Z路径（double Z-path）。

3.根据权利要求1所述的超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于：

上述整合信号处理装置，包括：

操作开关，在测量浓度及流量时，通过操作选择运行、菜单设置及结果输出；

传感器收发部，通过放大超声波传感器中收发的超声波信号实现高功率发送、高增益接收；

控制部，搭载流量测量算法及PCM（Process Condition Monitoring）算法以实现符合现场的浓度流量及测量模式，在判断工艺异常与否的同时，进行与流量及浓度测量相关的操作及控制；

电源部，供应上述控制部及传感器收发部所需的电源；

外部输出部，将通过上述控制部测得的浓度输出至外部。

4.根据权利要求3所述的超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于：上述外部输出部与显示输出、继电器输出、LED输出中的至少一种以上的外部输出连接。

5.根据权利要求3所述的超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于：上述PCM算法在确认工艺状态及管道状态、SS的分布均匀度之后，综合各确认结果决定运行状态（run/stop），判断SS的分布均匀度，向管理员提供运行中有效SS浓度测量、工艺运行状态及管道的填充度（Full/Empty）信息。

6.根据权利要求3所述的超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于：上述PCM算法的测量模式有根据现场运行模式测量实时浓度变化的RT（RealTime）模式，及根据工艺条件监控（Process Condition Monitoring，PCM）结果，只在工艺运行时自动测量浓度变化的PM（Process Monitoring）模式。

7.根据权利要求3所述的超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于：上述整合信号处理装置具备RF传送功能以实现远程测量。

8.根据权利要求1所述的超声波流量及浓度共用测量系统，其特征在于：上述流量测量用超声波传感器利用专用时间差（dT）测量用芯片进行了模块化设计。