CN104296814A - 一种含固体垃圾污水流量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种含固体垃圾污水流量测量装置，涉及污水流量测量。设有超声波发射电路、超声波发射器、2个超声波接收传感器、超声波接收电路、模数转换电路和流量计算模块；超声波发射电路输出端接超声波发射器输入端，超声波发射器安装在污水排水管道底部，2个超声波接收传感器安装在污水管道顶部，超声波接收电路输入端接2个接收超声波传感器输出端，超声波接收电路对接收到的超声波信号进行放大、滤波、包络检波处理，超声波接收电路的输出端接模数转换电路输入端，模数转换电路的输出端接流量计算模块输入端，流量计算模块获取2路接收信号的包络后进行相关计算获取相关峰位置，并利用2个超声波接收传感器间距离计算污水流速和污水流量并输出。

Description

一种含固体垃圾污水流量测量装置

技术领域

本发明涉及污水流量测量，尤其是涉及一种含固体垃圾污水流量测量装置。 

背景技术

极端天气等突发情况下城市排水系统不足造成的内涝已成为我国关注的问题，各地新建了许多引水、排水泵站工程和污水处理工厂进行污水处理。在污水排放过程中势必涉及到大口径、大流量各类污水的计量问题。 

随着超声波期间、电子技术、计算机等技术的迅猛发展,超声流量计在大口径、大流量的液体流量测量方面得到广泛使用,技术日趋成熟和完善。超声流量计本身良好的性能价格比使得其应用日益广泛。目前常用的超声波流量计分为一下两类(参考文献1)。 

一为多普勒式超声波流量计(参考文献2)：利用安装在管道两侧的超声波换能器发射，接收信号,超声波信号经照射管渠内的悬浮物颗粒及气泡产生多普勒频率偏移，接收端通过计算超声波多普勒频差可测量液体流速，进而测量流量。该类超声波流量计适用于测量含有适量能给出强反射信号的颗粒和气泡。其悬浮物含量约在1～5g/L为宜。一般用于工厂排放未处理的污水和回流污泥等流量计量。 

二为时差式超声波流量计(参考文献3)：其测量原理是根据超声波信号沿水流方向的传播速度会增大,逆流方向则减小，因此在同一传播距离的条件下,有着不同的传播速度和传播时间；由顺向传播时间和逆向传播时间可以计算出传播时间差,然后可计算出平均流速，进而计算流量。时差式超声流量计测量时,被测液体必须能被声波穿透,也就是液体中不能含有太高浓度的气泡、悬浮物颗粒和沉淀物,否则声波将被折射,影响测量精度。通常时差式超声流量计测量时,其悬浮物含量限制在1％体积含量以内。 

但是，对于当前频发的极端天气条件下城市污水排涝中，污水往往高度浑浊且含有大量树枝、栏杆、杂物、板材等各类城市固体垃圾，由于含有大量各类尺寸不同、材质各异的固体垃圾，污水水体呈现高度的非均匀性，且对于这类严重浑浊、因含有固体垃圾而高度非均匀的污水，多普勒式超声波流量计超声波信号往往被大量外形不规则、尺寸不一的固体垃圾阻隔而无法形成稳定反射信号进行多普勒频偏测量，而时差式超声波流量计无法很好地穿透含大量固体垃圾的污水水体。因此，目前常用的两类超声波流量测量装置均无法应用于含大 量固体垃圾的污水，导致在极端天气导致的城市内涝中泵站等排水系统无法及时获得排污管网的准确流量信息。 

发明内容

本发明的目的在于针对传统的超声波流量测量方法无法应用于含大量固体垃圾污水的情况，提供一种含固体垃圾污水流量测量装置。 

本发明设有超声波发射电路、超声波发射器、2个超声波接收传感器、超声波接收电路、模数转换电路和流量计算模块； 

所述超声波发射电路输出端接超声波发射器输入端，超声波发射器安装在污水排水管道底部，2个超声波接收传感器安装在污水管道顶部，超声波接收电路输入端分别连接2个接收超声波传感器输出端，超声波接收电路对接收到的超声波信号进行前置放大、带通滤波、包络检波处理，超声波接收电路的输出端接模数转换电路输入端，模数转换电路的输出端接流量计算模块输入端，流量计算模块获取2路接收信号的包络后进行相关计算获取相关峰位置，并利用2个超声波接收传感器间距离计算污水流速，进而计算含大量固体垃圾的污水流量并进行输出。 

所述污水排水管道最好充满污水。 

所述2个超声波接收传感器可围绕超声波发射器安装点的顶部对应位置沿污水流动方向对称安装。 

本发明分别利用在污水管底部、顶部位置固定的2个超声波接收传感器分别接收超声波发射器发射的超声波信号并得到2路接收信号；并通过对2路接收超声波信号进行前置放大、带通滤波、包络提取；同时，在对信号包络进行模数转换后进行2路接收信号包络的相关计算，通过相关计算获取含固体垃圾污水的非均匀通过造成的2路信号波动间的相关性，从而获取含固体垃圾污水流经2个超声波接收传感器的时间，进而结合2个超声波接收传感器间距计算出流速，从而进行流量计算。 

本发明针对污水管道中含大量固体垃圾污水造成超声波透射、反射均不均匀从而无法使用传统超声波流量计的情况，利用含固体垃圾污水流过时声传播特性的非均匀性变化在2路接收信号上形成的波动进行相关计算，从而获得污水流过2个超声波接收传感器的时差信息，进行流速和流量计算。本发明采用简单方便的非均匀性导致的信号波动相关性来获取含固体垃圾污水的流量信息，从而避免了目前常用的2类超声波流量计因需要获得稳定、均匀的反射或透射信号而无法应用于含大量固体垃圾污水的问题。 

本发明实现含固体垃圾污水的相关式超声波流量测量的具体思路为：首先利用安装在充 满污水的污水管道底部的超声波发射器发射连续正弦波，以超声波发射器安装点为中心并以一定间距对称安装在污水管渠顶部的2个超声波接收传感器获取从底部向顶部传输的2路对称超声波信号，在2个信号接收通道电路中对信号进行放大、滤波、包络提取处理后，在相关计算模块中对2路信号包络进行相关处理以提取2路信号受含固体垃圾污水非均匀性影响的造成波动的相关性，根据提取的相关峰时刻可获得含固体垃圾污水流经2个超声波接收传感器的实际，从而结合2个接收传感器间距计算流速，进而结合管径得到流量信息。 

与现有的2类超声波流量测量方法相比，本发明提出的含固体垃圾污水的波动相关式超声波流量测量装置的突出优点在于：由于利用2路接收信号受非均匀性影响造成波动的相关性进行测量，无需保证稳定的超声波信号反射或透射，因而可适用于含大量固体垃圾污水的流量测量。同时本发明提出的相关式超声波流量测量装置具有成本低、安装使用方便的突出优点。 

利用本发明可进行含大量固体垃圾污水管网流量的准确监测，从而提高排水管网快速、高效处理各类城市污水阻塞问题的能力。 

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。 

图2为本发明实施例的超声波发射电路及与模数转换模块的电路组成原理图。 

图3为本发明实施例的2路超声波接收电路的电路组成原理图。 

图4为本发明实施例的2路超声波接收电路与微处理器的模拟数字转换电路接口电路原理图。 

图5为本发明实施例的含固体垃圾污水管造成超声波接收信号包络RE1的波动相关特性示意图。 

图6为本发明实施例的含固体垃圾污水管造成超声波接收信号包络RE2的波动相关特性示意图。 

图7为本发明实施例的2路超声波接收传感器R1、R2与超声波发射器Ts的工作原理示意图。 

图8为本发明实施例的2路超声波接收信号包络RE1、RE2的相关输出C₁₂曲线图。 

具体实施方式

为了使本发明的技术内容、特征、优点更加明显易懂，以下给出本发明含固体垃圾污水的波动相关式超声波流量测量装置实施例并结合附图的具体说明。 

参见图1，本发明实施例设有超声波发射电路1、超声波发射器2、2个超声波接收传感器3、 超声波接收电路4、模数转换电路5和流量计算模块6。 

所述超声波发射电路1输出端接超声波发射器2输入端，超声波发射器2安装在污水排水管道底部，2个超声波接收传感器3安装在污水管道顶部，超声波接收电路4输入端分别连接2个接收超声波传感器输出端，超声波接收电路4对接收到的超声波信号进行前置放大、带通滤波、包络检波处理，超声波接收电路4的输出端接模数转换电路5输入端，模数转换电路5的输出端接流量计算模块6输入端，流量计算模块获取2路接收信号的包络后进行相关计算获取相关峰位置，并利用2个超声波接收传感器3间距离计算污水流速，进而计算含大量固体垃圾的污水流量并进行输出。 

所述污水排水管道最好充满污水。 

所述2个超声波接收传感器3可围绕超声波发射器安装点的顶部对应位置沿污水流动方向对称安装。 

本发明实施例中超声波发射器和超声波接收传感器选用防水型T/R40-16超声波换能器，其中心频率为40kHz，防水封装，指向性角60度。安装在管渠底部的超声波发射器发射中心频率40kHz的连续正弦波超声波信号，安装在管渠顶部的超声波接收传感器RS1,RS2接收2路超声波信号，以利用超声波发射信号在含固体垃圾严重非均匀污水中传输造成的信号波动进行2个接收通道的相关性计算。本实施例中流量测量模块由本领域通用的ARM9S3C2440微处理器组成。 

本实施例中超声波发射电路由主控模块ARM9S3C2440微处理器控制4046振荡电路输出40kHz连续信号。主控模块用程序中启动超声波发射后,图2所示由4046芯片构成的压控振荡电路由S3C2440的GPB10端口输出低电平使能4046芯片输出中心频率40kHz的连续振荡信号，推动超声波换能器发射40kHz超声波连续信号。 

本实施例中2路超声波接收电路由前置芯片NJM2100组成的前置放大电路、MAX274芯片组成的40kHz带通滤波电路、NE5532芯片组成的包络检波电路和S3C2440微处理器的接口电路组成，如图3所示，接收的2路超声波信号R1,R2经过前置放大电路放大、带通滤波、包络检波后得到信号包络RE1,RE2。 

本实施例中模数转换由ARM9 S3C2440微处理器通过UDA1341音频接口芯片对2个接收通道的信号包络进行模数转换。具体地，如图2所示，分别使用3C2440微处理器的GPB7、GPB8、GPB9端口来连接UDA1341芯片的L3MODE、L3DATA、L3CLOCK端进行I2S总线控制。并分别在UDA1341芯片的VINL1、VINR1端口连接前置放大电路的包络输出RE1,RE2，进行采样频率16ksps的2通道模数转换实现2路接收信号包络到主控模块S3C2440微处理器的传送。 

本实施例中接收含固体垃圾污水的波动相关式流量计算过程以数字信号处理编程的形式以软件进行，采用作为流量计算模块的ARM9 S3C2440微处理器进行软件编程实现，模数转换后的2路超声波接收信号包络在S3C2440微处理器中进行去直流、相关运算以及相关峰时刻的提取，并进一步进行流速计算、流量计算、结果输出。 

本实施例中对2个通道的超声波连续正弦波接收信号包络进行波动相关性检测从而获取含固体垃圾污水流量是本发明的关键内容，下面结合图5～7对此过程进行具体描述： 

如图5～7所示，在本实施例中超声波发射器2安装于管渠底部发射40kHz连续正弦波信号，2个超声波接收传感器3安装于管渠顶部对信号进行接收及包络提取。由于超声波接收传感器3围绕超声波发射器2中心线以间距d对称分布，污水中固体垃圾将造成超声波接收传感器3接收到的信号包络幅度产生波动，由于超声波接收传感器3的位置关系这种信号波动具有相关性，超声波接收信号包络RE1、RE2进行本领域通用的相关运算获得的相关峰时刻实际上反映了含固体垃圾污水流过超声波接收传感器3的时间。 

如本实施例中，当管道流过的污水中含有图1所示4个大小形状均不相同的固体垃圾时，随着4个固体垃圾先后通过超声波发射器2至超声波接收传感器3的超声波传播路径，超声波发射器2发射并被超声波接收传感器3的接收信号指先后经历了被4个大小不一固体垃圾的遮挡而导致的信号波动，反映在提取的超声波接收信号包络RE1、RE2上则呈现出如图5和6所示的波动相关特性。 

2路超声波接收信号包络RE1、RE2经过模拟数字转换进入流量计算模块后，只需采用数字信号中通用的相关计算法对超声波接收信号包络RE1、RE2去除直流偏置后进行相关运算，并对如图8所示获得的相关输出C₁₂进行相关峰时刻检测，即可通过检测相关峰时刻与起始时刻间的时间获得含固体垃圾污水流经超声波接收传感器3接收超声波传感器的时间t，利用此时间t除以超声波接收传感器3间距d即可得到流速。进而利用管道半径r可利用本领域通用的方法计算出管道中的污水流量v，如以下公式所示： 

$v=\frac{d}{t}{\mathrm{\πr}}^2$

本发明公开的含固体垃圾污水的波动相关式超声波流量测量装置最大的特点在于借助含固体垃圾污水流动造成的超声波连续波接收信号波动相关性实现流量检测，避免了传统超声波流量测量方法需获得稳定的超声波反射回波或透射信号在含大量固体垃圾污水中遇到的问题。因此，适用于处理极端天气等突发情况下含大量城市固体垃圾污水的流量测量，同时，系统安装、使用、维护方便，成本低。 

Claims (3)

1.一种含固体垃圾污水流量测量装置，其特征在于设有超声波发射电路、超声波发射器、2个超声波接收传感器、超声波接收电路、模数转换电路和流量计算模块；

所述超声波发射电路输出端接超声波发射器输入端，超声波发射器安装在污水排水管道底部，2个超声波接收传感器安装在污水管道顶部，超声波接收电路输入端分别连接2个接收超声波传感器输出端，超声波接收电路对接收到的超声波信号进行前置放大、带通滤波、包络检波处理，超声波接收电路的输出端接模数转换电路输入端，模数转换电路的输出端接流量计算模块输入端，流量计算模块获取2路接收信号的包络后进行相关计算获取相关峰位置，并利用2个超声波接收传感器间距离计算污水流速，进而计算含大量固体垃圾的污水流量并进行输出。

2.如权利要求1所述一种含固体垃圾污水流量测量装置，其特征在于所述污水排水管道充满污水。

3.如权利要求1所述一种含固体垃圾污水流量测量装置，其特征在于所述2个超声波接收传感器围绕超声波发射器安装点的顶部对应位置沿污水流动方向对称安装。