CN104316109B - 城市污水管网多因子监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市污水管网多因子监测方法，其包括如下具体步骤：1）对城市污水管网中的污水进行过滤处理；2）对于经过步骤1）过滤处理后的污水进行多因子监测；所述多因子监测包括有：对于污水流速、污水液位与污水温度的监测；采用上述技术方案的城市污水管网多因子监测方法以及监测系统，可对城市污水管网内的污水流量、污水液位与污水温度等相关信息进行实时监测，从而使得城市污水管网内部的详尽信息可通过数据方式实时反馈至相关工作人员处，其可根据污水管网可能存在的问题进行及时疏导，进而避免污水管网内堵塞等现象对城市环境造成严重影响。

Description

城市污水管网多因子监测方法

技术领域

本发明涉及一种市政工程中的环境监测方法以及相关设备的运用，尤其是一种城市污水管网多因子监测方法。

背景技术

城市污水管网是城市发展的基础，随着城市的扩建，城市污水管网亦需要随之改善；然而，部分城市的污水管网在极端环境下难以实现良好的排水功能，具体体现在污水堵塞，雨水难以下渗等现象；在污水管网建设本身存在一定不足的同时，污水管网内的污水状况难以及时反馈至相关人员，以进行处理亦成为城市污水管网效能不足的重要原因之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种城市污水管网的监测方法，其可在城市污水管网的恶劣工作环境之中，对于污水管网内的污水情况进行实时而精确的监测。

为解决上述技术问题，本发明涉及一种城市污水管网多因子监测方法，其包括如下具体步骤：

1)对城市污水管网中的污水进行过滤处理；

2)对于经过步骤1)过滤处理后的污水进行多因子监测；所述多因子监测包括有：对于污水流速、污水液位与污水温度的监测；

作为本发明的一种改进，所述步骤1)中，对污水进行过滤处理的具体方法为：在污水管网中，所述步骤2)中对污水进行多因子监测的监测位置相对于污水流向的前端对污水进行分流处理。采用上述方案，其可通过对污水的分流处理，使得污水中的杂物通过分流设备得以阻隔，从而避免其直接与相关监测设备接触，造成对监测设备的堵塞甚至损坏。

作为本发明的一种改进，所述步骤2)中，多因子监测包括有对于污水流量的监测，其具体方法为：通过对于污水流速与污水液位的监测获得的流速与液位数据的分析与计算，获取污水流量的数据。采用上述方案，其可通过监测污水流速与污水液位所采集的数据间接获得污水流量，避免额外设置监测设备而形成的成本增加与系统可靠性的降低。

作为本发明的一种改进，对于污水流量的监测的方法包括有，通过步骤2)中对于污水温度监测获取的污水温度数据，对基于污水流速与污水液位的监测获得的流速与液位数据的计算所获取的污水流量数据进行温度补偿。采用上述方案，其可有效避免污水的流量因温度不同而造成的变化，从而更为精确的监测出污水的实际流量。

作为本发明的一种改进，所述步骤2)中，对污水流速进行监测的方法为，通过对污水中携带的固体颗粒与气泡的流动速度进行监测，以获取污水的流速监测数据。采用上述方案，其通过对污水中的固体进行监测，相较于直接测量污水流速可实现更为精确的监测效果。

基于上述城市污水管网多因子监测方法对城市污水管网进行监测的过程中，其采用城市污水管网多因子监测系统，其包括有，用于对污水管网进行监测的监测装置，以及与监测探头彼此电性连接的监测主机；所述监测装置包括有污水流速监测传感器、压力传感器以及温度传感器。

作为本发明的一种改进，所述监测装置包含有监测探头，监测探头中包含有监测端部与安装端部，所述污水流速监测传感器、压力传感器以及温度传感器均安装于监测探头的监测端部之上；所述监测探头的安装端部通过螺纹连接至固定于污水管道内部的安装基座中。

采用上述设计，其可通过监测探头同时实现污水流速、液位与温度的检测，从而使得相关设备的体积与数量均得到简化；同时，监测探头的安装方式中，其可便捷的实现安装与拆卸，并可适用于污水管网内的各个区域，从而有效改善了监测系统的适用性；同时，采用安装基座与监测探头之间的固定连接方式，其亦可确保监测探头的稳定性。

作为本发明的一种改进，所述监测探头中，其监测端部位置设置有两个流速监测面，其均垂直于污水管网轴线所在的竖直平面；两个流速监测面所在平面与监测探头的轴线交点，其均位于监测探头中监测端部的端面与污水管网中，监测探头的安装端面的相对端面之间；两个流速监测面上分别设置有一个超声波换能器。

采用上述设计，其可通过设置于流速监测面上的超声波换能器产生超声波，超声波在污水中的固体颗粒或气泡的影响下发生偏移，从而可通过频率的偏移计算出污水的流速，进而实现对污水流速的精确实时监测。

在监测探头中采用两个不同方向的超声波换能器，其可对污水进出的两个方向上进行监测，从而提高了监测的精度与全面性；流速监测面所采用的斜面设计，其可使得用于流速监测的超声波换能器与污水流动形成一定夹角，从而在一定程度上防止了污水中的杂物覆盖，导致超声波无法对其进行精确监测，亦可消除污水与超声波换能器接触时产生的涡流，进而避免其多超声波换能器的监测造成影响。

作为本发明的一种改进，所述城市污水管网多因子监测系统中，监测装置与污水入口之间设置有污水过滤装置，其由多个彼此平行的过滤隔板构成，每一个过滤隔板均由其于污水管网中的安装端面向污水管网中监测装置轴线所在的径向截面方向进行延伸；所述过滤隔板中的任意位置与，过滤隔板于污水管网的安装端面所在平面之间的最大距离，大于监测探头的轴向长度。

采用上述设计，其可通过污水过滤装置的多个过滤隔板，对污水中的杂物进行阻隔，从而避免其对监测设备造成堵塞甚至损坏；同时，多个平行的过滤隔板设计可避免其对污水的流速造成影响，从而使得监测装置可真实的反应污水管网中的实际流速；过滤隔板的曲面延伸设计，其可避免杂物堆积在过滤隔板之上，并能使其沿多个过滤隔板形成的曲面滑至监测装置后方。

作为本发明的一种改进，相邻两个污水过滤隔板之间的距离为污水过滤隔板宽度的1至2倍。采用上述设计，其可在阻隔污水中的杂物的同时，避免污水的流速受到过大影响。

作为本发明的一种改进，所述城市污水管网多因子监测系统中包含有，正对于污水管网内窨井所在位置进行延伸的红外传感器。采用上述设计，其可通过红外传感器实时监测污水管网中的窨井状态，当窨井丢失或打开时，其可及时向相关人员反馈，以避免行人因其发生意外。

采用上述技术方案的城市污水管网多因子监测方法，可对城市污水管网内的污水流量、污水液位与污水温度等相关信息进行实时监测，从而使得城市污水管网内部的详尽信息可通过数据方式实时反馈至相关工作人员处，其可根据污水管网可能存在的问题进行及时疏导，进而避免污水管网内堵塞等现象对城市环境造成严重影响；同时，上述监测系统通过对监测设备的改进，使得其可避免污水管网内，恶劣环境对监测的影响，故而其具备相当的监测适用性。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明中监测探头示意图；

图3为本发明中过滤装置正视图；

图4为本发明中过滤隔板示意图；

图5为本发明中监测主机控制模块图；

图6为本发明中实施例9内监测示意图；

附图标记列表：

1—监测探头、2—监测主机、3—污水管道、4—窨井管道、5—压力传感器、6—温度传感器、7—多普勒超声波换能器、8—过滤隔板、9—红外传感器、10—安装管体。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1

本发明涉及一种城市污水管网多因子监测方法，其包括如下具体步骤：

1)对城市污水管网中的污水进行过滤处理；

2)对于经过步骤1)过滤处理后的污水进行多因子监测；所述多因子监测包括有：对于污水流速、污水液位与污水温度的监测；

3)通过步骤2)中获得的污水流速、污水液位的数据信息，基于计算与分析获取污水管网中污水流量信息；

4)对于步骤3)中获得的污水流量信息，通过步骤2)中获取的污水温度的监测数据对其进行温度补偿处理，以获取污水管网内的实际流量数据。

作为本发明的一种改进，所述步骤1)中，对污水进行过滤处理的具体方法为：在污水管网中，所述步骤2)中对污水进行多因子监测的监测位置相对于污水流向的前端对污水进行分流处理。采用上述方案，其可通过对污水的分流处理，使得污水中的杂物通过分流设备得以阻隔，从而避免其直接与相关监测设备接触，造成对监测设备的堵塞甚至损坏。

作为本发明的一种改进，所述步骤2)中，对污水流速进行监测的方法为，通过多普勒频移原理，在污水中释放超声波，通过检测超声波信号因污水中携带的固体颗粒与气泡的流动速度不同而产生的不同程度的频率偏移，以获取污水的流速监测数据。

所述步骤2)中，对污水液位进行监测的方法为，通过浸没压力方法，即通过压力传感器在不同液面位置测量到的污水压力的不同，以对污水液面进行实时监测；对污水温度进行监测的方法为，通过温度传感器实时测量污水温度，以对其进行监测。

采用上述方案，其通过对污水中的固体进行监测，相较于直接测量污水流速可实现更为精确的监测效果；同时，通过浸没压力方法与温度传感器，均可精确测量污水的液面与温度，从而提高准确的数据以供后续处理与反馈。

为实现上述城市污水管网多因子监测，本实施例采用如图1所示的城市污水管网多因子监测系统，其包括有，用于对污水管网进行实时监测的监测探头1，以及与监测探头彼此通过电性连接的监测主机2；本发明中，污水管网由污水管道3与窨井管道4构成，所述监测探头1设置于污水管道中，其与窨井管道交汇位置的20米范围内，所述监测主机2通过机架与螺栓(图中未标示)固定安装于窨井管道内部。

为确保监测探头1在污水管道中对污水良好的测量效果，对于污水管道日常处于满管状态地区，所述监测探头1以及相关设备需安装于污水管道的上端面，对于污水管道日常处于非满管状态地区，所述监测探头1以及相关设备需安装于污水管道下端面；本实施例中以满管状态地区中的污水管道进行描述。

如图1与图2所示，所述监测主机2中设置有延伸至监测探头1的安装位置的连接管路，其包括有在污水管道上端面沿水平方向延伸的安装管体10，其构成用于对监测探头1进行安装的安装基座，安装管体10上设置有用于固定在污水管道内壁的挂钩；所述监测探头1中包含有监测端部与安装端部，安装端部通过螺纹连接至安装管体3中；所述监测探头1由其位于污水管道的上端面的安装位置，沿竖直方向向下延伸；所述监测探头1中，监测端部的对应位置安装有污水流速监测传感器、压力传感器5以及温度传感器6，污水流速监测传感器采用多普勒超声波换能器7。

采用上述设计，其通过监测探头的安装方式，使得其可便捷的实现安装与拆卸，并可适用于污水管网内的各个区域，从而有效改善了监测系统的适用性；而监测主机的安装位置则其可避免污水流动时损坏监测主机致使监测工作无法正常运行；同时，监测探头中的多个传感器可通同时实现污水流速、液位与温度的检测，从而在实现对污水的多因子精确监测的同时，使得相关设备的体积与数量均得到简化。

作为本发明的一种改进，所述监测探头1的监测端部位置设置有两个流速监测面，其均垂直于污水管网轴线所在的竖直平面；两个流速监测面所在平面与监测探头的轴线交点，位于监测探头1中，监测端部的端面以下，即两个流速监测面使得监测探头1底端的轴向截面为等腰梯形结构，其上底面长度大于下底面长度，且其中位线平行于污水管道的轴线；两个流速监测面上分别设置有一个多普勒超声波换能器7；所述压力传感器5安装于监测探头1的底端面之上；所述温度传感器6安装于监测探头1的侧端面之上。

采用上述设计，其可通过设置于流速监测面上的超声波换能器产生超声波，超声波在污水中的固体颗粒或气泡的影响下发生偏移，从而可通过频率的偏移计算出污水的流速，进而实现对污水流速的精确实时监测。

在监测探头中采用两个不同方向的超声波换能器，其可对污水进出的两个方向上进行监测，从而提高了监测的精度与全面性；流速监测面所采用的斜面设计，其可使得用于流速监测的超声波换能器与污水流动形成一定夹角，从而在一定程度上防止了污水中的杂物覆盖，导致超声波无法对其进行精确监测，亦可消除污水与超声波换能器接触时产生的涡流，进而避免其多超声波换能器的监测造成影响。

在实际测量过程中，对于污水的流速的测量过程为：

V＝M*fd*V0/(2*cosθ)

其中，fd为多普勒超声波换能器检测到的频移；V0为声音在介质中的传播速度；θ为超声波换能器发射面或接收面同水平面之间的夹角；M为比例校正系数，其由多普勒超声波换能器在出厂前测得。

对于污水的液面的测量过程为：

H＝K(P－P0)+H0

其中，H为液位；P为压力传感器实际测量的压力值；P0为空气中测得的压力零点值；K为比例校正系数，其由压力传感器在出厂前测得；H0为探头安装时距离底部的高度。

基于上述数据，对于污水的流量计算过程为：

当污水管道处于满管时：液位H≥管径D

Q＝πD²/4*V

其中，Q为污水流量；V为污水流速；D为污水管道的管径。

通过多次现场试验数据获知，流体的流速随温度的增加而增加，故此，在上述计算污水流速的过程中，需对污水流速进行温度补偿处理；温度补偿处理的方法为，通过多次试验获得的温度补偿的线性回归方程对污水的流速进行再计算，即：

V＝M*fd*f(t)*V0/(2*cosθ)

f(t)为温度补偿系数，其通过相关监测装置对污水在不同温度环境下的流速的离散值获得，其具体方法为，通过设置多个温度比对点，通过实验测得多个温度比对点处温度系数f(t)的实际数值。

在实际的监测过程中，当温度传感器监测到的污水温度与温度比对点的温度相同，则可直接通过实验数据获得温度系数以进行温度补偿的计算；当温度传感器监测到的污水温度位于两个温度比对点之间时，由于在小范围内，温度系数与温度变化可近似为线性关系，故可通过相邻两个温度对比点的温度系数计算线性回归方程，进而得到实际温度下的温度系数；对于温度对比点的温度系数试验数据见下表：

作为本发明的一种改进，所述城市污水管网多因子监测系统中，监测探头1与污水入口之间，即监测探头1在污水流动方向的前方设置有污水过滤装置，其由多个彼此平行的过滤隔板8构成，其如图3所示。

每一个过滤隔板8的侧端面均平行于，污水管道轴线所在的竖直平面，且其均采用，由污水管道的上端面向污水管道中，监测探头1的轴线所在的径向截面对应方向进行曲面延伸的弧形结构，弧形的弯曲方向背离监测探头1，其如图4所示；每一块过滤隔板8中，其最底位置与污水管道上端面之间的距离，均大于监测探头1的高度。

作为本发明的一种改进，相邻两个过滤隔板8之间的距离与过滤隔板8的宽度相等。

采用上述设计，其可通过污水过滤装置的多个过滤隔板，对污水中的杂物进行阻隔，从而避免其对监测设备造成堵塞甚至损坏；同时，多个平行的过滤隔板设计可避免其对污水的流速造成影响，从而使得监测装置可真实的反应污水管网中的实际流速；过滤隔板的曲面延伸设计，其可避免杂物堆积在过滤隔板之上，并能使其沿多个过滤隔板形成的曲面滑至监测装置后方；同时，过滤隔板之间的距离设置可在阻隔污水中的杂物的同时，避免污水的流速受到过大影响。

作为本发明的一种改进，所述城市污水管网多因子监测系统中包含有，正对于污水管网内窨井所在位置进行延伸的红外传感器9，其安装于监测主机2上方。采用上述设计，其可通过红外传感器实时监测污水管网中的窨井状态，当窨井丢失或打开时，其可及时向相关人员反馈，以避免行人因其发生意外。

采用上述技术方案的城市污水管网多因子监测方法，可对城市污水管网内的污水流量、污水液位与污水温度等相关信息进行实时监测，从而使得城市污水管网内部的详尽信息可通过数据方式实时反馈至相关工作人员处，其可根据污水管网可能存在的问题进行及时疏导，进而避免污水管网内堵塞等现象对城市环境造成严重影响；同时，上述监测系统通过对监测设备的改进，使得其可避免污水管网内，恶劣环境对监测的影响，故而其具备相当的监测适用性。

采用上述城市污水管网多因子监测方法，其实际的监测数据可见下表：

由上表可知，上述城市污水管网多因子监测方法，其可精确监测城市污水管网在各个时间段的流量数据，以形成对城市污水管网的实时监控处理。

实施例2

作为本发明的一种改进，所述监测探头1中，监测探头1的侧端面包覆设置有防水不锈钢壳体，其可有效防止污水对于监测探头内部电子设备的损坏；所述过滤挡板8中，其始端固定于污水管道的上端面，其末端即为过滤挡板8的最低位置，且其末端高度低于监测探头1的底端面高度；过滤挡板的设计可使得其在采用较短的弧形跨度即可实现对污水内杂物的阻隔，以及杂物的导向功能，从而使得相关设备的安装与运输更为简便。

本实施例其余特征与优点均与实施例1相同。

实施例3

作为本发明的一种改进，所述多普勒超声波换能器7中，其采用压电单晶体、压电陶瓷、压电半导体、压电高分子聚合物和复合压电材料中的一种，优选压电陶瓷作为本实施例中的换能器材质，其压电性能优良，同时具有生产与加工便捷等优点。

本实施例其余特征与优点均与实施例2相同。

实施例4

作为本发明的一种改进，所述多普勒超声波换能器7的工作频率采用0.5MHz，其可避免超声波在污水中出现能力衰减现象，从而改善超声波对于污水流速的检测效率。

本实施例其余特征与优点均与实施例3相同。

实施例5

作为本发明的一种改进，所述多普勒超声波换能器7的工作频率采用1MHz，其通过较高的工作频率使得超声波的灵敏度与分辨力均得以提高，并可有效改善超声波的指向性，从而提高了多普勒超声波换能器对于污水流速检测的精度。

本实施例其余特征与优点均与实施例3相同。

实施例6

作为本发明的一种改进，所述多普勒超声波换能器7的直径为2厘米，即构成多普勒超声波换能器的换能器晶片直径为2厘米；其可通过较大的超声波换能器晶片，使得其产生的超声波半扩散角减小，超声波声束的指向性得到改善，同时，其亦可使得超声波辐射的声能得以扩大，并可增加换能器扫查范围。

本实施例其余特征与优点均与实施例5相同。

实施例7

作为本发明的一种改进，所述监测探头的功率为10mW，其可使得监测探头在污水管网内进行长时间的工作，避免频繁更换电源设备导致人力成本的增加。在设备的实际工作过程中，其可通过内部的电池供电下工作6个月。

本实施例其余特征与优点均与实施例6相同。

实施例8

作为本发明的一种改进，所述城市污水管网多因子监测系统中，监测主机2与污水管网中的阀门与排水泵彼此电性连接，以实现监测主机对于污水管网的自动控制，从而更为便捷的根据监测探头所监测到的实际情况对污水管网进行及时处理；监测主机对阀门与排水泵，以及相关监测装置的控制流程如图5所示。

本实施例其余特征与优点均与实施例7相同。

实施例9

对于污水管道日常处于非满管状态地区，监测探头1需安装于污水管道的下端面；针对上述条件，城市污水管网多因子监测系统中，所述监测主机2安装于污水管网中，窨井管道3的内部；监测主机2中设置有延伸至监测探头1的安装位置的连接管路，其包括有由污水管道上端面沿其径向延伸至下端面的安装管体10，其构成用于安装监测探头1的安装基座，其如图6所示；所述监测探头1通过，设置在其安装端部的固定螺纹固定安装于安装管体10之上，其由污水管道的下端面沿其径向向上延伸。

所述监测探头1中，其监测端部位置设置有两个流速监测面，其均垂直于污水管网轴线所在的竖直平面；两个流速监测面所在平面与监测探头的轴线交点，位于监测探头1中，监测端部的端面以上，即两个流速监测面使得监测探头1底端的轴向截面为等腰梯形结构，其上底面长度小于下底面长度，且其中位线平行于污水管道的轴线；两个流速监测面上分别设置有一个多普勒超声波换能器7；所述压力传感器5安装于监测探头1的上端面之上；所述温度传感器6安装于监测探头1的侧端面之上。

在实际的监测过程中，当污水管道处于非满管时：液位H≤管径D

Q＝S*V

其中，S为管道内污水截面积

所述污水过滤装置中，过滤隔板8由污水管的下端面向上延伸；每一个过滤隔板8的侧端面均平行于，污水管道轴线所在的竖直平面，且其均采用，由污水管道的下端面向污水管道中，监测探头1的轴线所在的径向截面对应方向进行曲面延伸的弧形结构，弧形的弯曲方向背离监测探头1；每一块过滤隔板8中，其最高位置与污水管道上端面之间的距离，均大于监测探头1的高度。

本实施例其余特征与优点均与实施例1相同。

Claims (3)

1.一种城市污水管网多因子监测方法，其特征在于，所述城市污水管网多因子监测方法包括如下具体步骤：

1)对城市污水管网中的污水进行过滤处理；

2)对于经过步骤1)过滤处理后的污水进行多因子监测；所述多因子监测包括有：对于污水流速、污水液位与污水温度的监测；

所述步骤1)中，对污水进行过滤处理的具体方法为：在污水管网中，所述步骤2)中对污水进行多因子监测的监测位置相对于污水流向的前端对污水进行分流处理；

所述步骤2)中，多因子监测包括有对于污水流量的监测，其方法包括：通过对于污水流速与污水液位的监测获得的流速与液位数据的分析与计算，获取污水流量的数据；对于污水流量的监测的方法包括有，通过步骤2)中对于污水温度监测获取的污水温度数据，对基于污水流速与污水液位的监测获得的流速与液位数据的计算所获取的污水流量数据进行温度补偿；所述步骤2)中，对污水流速进行监测的方法为，通过对污水中携带的固体颗粒与气泡的流动速度进行监测，以获取污水的流速监测数据；

所述城市污水管网多因子监测方法采用城市污水管网多因子监测系统进行监测；所述城市污水管网多因子监测系统包括有用于对污水管网进行监测的监测装置，以及与监测探头彼此电性连接的监测主机；所述监测装置包括有污水流速监测传感器、压力传感器以及温度传感器；所述监测装置包含有监测探头，监测探头中包含有监测端部与安装端部，所述污水流速监测传感器、压力传感器以及温度传感器均安装于监测探头的监测端部之上；所述监测探头的安装端部通过螺纹连接至固定于污水管道内部的安装基座中；所述监测探头中，其监测端部位置设置有两个流速监测面，其均垂直于污水管网轴线所在的竖直平面；两个流速监测面所在平面与监测探头的轴线交点，其均位于监测探头中监测端部的端面与污水管网中，监测探头的安装端面的相对端面之间；两个流速监测面上分别设置有一个超声波换能器。

2.按照权利要求1所述的城市污水管网多因子监测方法，其特征在于，所述城市污水管网多因子监测系统中，监测装置与污水入口之间设置有污水过滤装置，其由多个彼此平行的过滤隔板构成，每一个过滤隔板均由其于污水管网中的安装端面向污水管网中监测装置轴线所在的径向截面方向进行延伸；所述过滤隔板中的任意位置与，过滤隔板于污水管网的安装端面所在平面之间的最大距离，大于监测探头的轴向长度。

3.按照权利要求2所述的城市污水管网多因子监测方法，其特征在于，所述城市污水管网多因子监测系统中包含有，正对于污水管网内窨井所在位置进行延伸的红外传感器。