CN105527456A - 窨井排水状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种窨井排水状态监测系统及方法，包括数据采集箱、监测数据采集单元、浮球开关以及安装支架；其中，数据采集箱电气连接所述浮球开关和所述监测数据采集单元；安装支架的上端用于连接窨井壁，下端延伸至排水管道；所述监测数据采集单元设置在所述安装支架的下端；浮球开关设置在所述窨井壁上；监测数据采集单元用于测量排水管道的排水流速、排水温度以及液位压力信息；所述浮球开关用于当窨井内液位高度升至浮球开关安装位置时向所述数据采集箱发送开关信号。本发明中多普勒超声流速计通过安装支架与窨井壁连接，并非长期浸泡在流体里，因此其物理耐受性得到大大改善，在测量数据的可靠性、减少物理损坏等方面得到根本改善。

Description

窨井排水状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及市政雨污水窨井排水状态监测，具体地，涉及一种窨井排水状态监测系统及方法。

背景技术

市政雨污水窨井排水状态监测，是城市地下排水管网重要的日常项目，也是城市内涝泄洪指挥与建设规划的重要基础数据来源。由于排水管网的庞大和复杂，以及不易观察，因此需要采用自动化的传感手段，对窨井排水状态进行非人工的实时监测。主要指标为窨井排水管道的流速、流量及窨井水位。

现有公知的前述领域方案或技术，对窨井排水状态的监测，主要通过：

明渠流量计等效计算法，具体为，利用超声波液位计探测窨井液位，并结合窨井构造，建立规则容积下，液位与排水流速/流量的数据映射关系，从而根据超声波液位计探测的窨井液位，计算出窨井的排水状态，包括与窨井相连的管道中雨污水的流速、流量。但是具有如下缺点：

1、超声波液位计，根据超声波探测原理对窨井液位进行探测，受窨井内部构造制约，对超声波发射和接收的空间环境非常敏感，往往导致探测数据失真；

2、超声波液位计，受计算模型制约，固有探测盲区，当液位高度，进入盲区后，探测数据无效；

3、超声波探测原理，受温度和湿度，影响大，超声波液位计所采集的数据，无法将环境因子的影响剥离；

4、窨井构造不规范，同时受沉积物、结垢的影响，不能建立统一规范的容积变化模型，因此液位数据无法与流速和流量建模。

雷达液位计等效检测法，具体为，利用雷达电磁波，对窨井雨污水表面进行探测，从而计算出液面的流速，再根据窨井的结构模型，计算出排水流量。但是具有如下缺点：

1、窨井底部流体表面的流速，受窨井结构影响，不能真实反映排水管道中流体的流速，同时由于窨井结构不规范，容积模型也无法准确建立，导致计算出的排水流量对工程应用参考不准确；

2、当窨井水位过高，使雷达液位计被浸泡后，雷达液位计无法正常工作，丧失了窨井排水状态的监测能力，导致关键的工程数据无法获得。

超声多普勒流量检测法，具体为，利用超声多普勒原理，对窨井排水管道的流体进行流速测量，然后再根据窨井排水管道构造，将流速换算成窨井排水流量。但是具有如下缺点：

1、安装在窨井排水管道底部，受沉积物、结垢影响，超声波通道被阻碍的情况经常发生，从而无法获取动态流速信息；

2、安装在窨井排水管道底部，被长期浸泡的工况环境不可避免，因此传感器及连接线缆，受腐蚀，以及传感器结垢，阻塞超声波收发通道的情况不能得到改善；

3、安装在窨井排水管道底部，面临窨井清淤作业时，受到物理损坏的几率高；且维修不便利，从新安装定位需要校准传感器超声波发射通道，是否平行于排水管道中心；当排水管道结垢时，进行校准的工程处理成本高、难度大；

4、安装在窨井底部，当排水管道出水口高于传感器时，水流与传感器超声波收发通道并非垂直，会导致流速计误判；而当传感器高度高于排水口时，支撑传感器的支架必然会在窨井底部占有相当的体积，这就会使得支架在排水管道流体行进通道方向上，增加了隔栏，由此会导致杂物的累积，进而造成管道不通畅甚至阻塞。

传感器与数据采集箱，具体为，现有公知的应用中，前述应用环境，传感与数据采集箱有线方式连接，且数据采集箱安装在窨井壁上。但是具有如下缺点：

1、数据采集箱的防护等级虽然高，但仍然不能避免，在窨井内被浸泡的情况，由设备失效的风险带来的应急指挥时监测数据采集不到，或后续维护高成本、不便利等问题，无法得到根本解决；

2、数据采集箱安装在窨井壁，使本来空间就狭小的窨井，通行能力受到影响，面对人员井下作业，还是清淤作业，数据采集箱容易受到物理损坏。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种窨井排水状态监测系统及方法。

根据本发明一个方面提供的窨井排水状态监测系统，包括数据采集箱、监测数据采集单元、浮球开关以及安装支架；

其中，所述数据采集箱电气连接所述浮球开关和所述监测数据采集单元；所述安装支架的上端用于连接窨井壁，下端延伸至排水管道；所述监测数据采集单元设置在所述安装支架的下端；所述浮球开关设置在所述窨井壁上；

所述监测数据采集单元用于测量排水管道的排水流速、排水温度以及液位压力信息；所述浮球开关用于当窨井内液位高度升至浮球开关安装位置时向所述数据采集箱发送开关信号；所述数据采集箱用于获取所述排水流速、排水温度和液位压力信息，控制所述监测数据采集单元的电源开启或关闭，根据所述开关信号控制所述监测数据采集单元的工作状态。

优选地，所述监测数据采集单元包括流速测量模块、温度补偿模块和液位压力感测模块；

其中，所述流速测量模块用于测量排水管道的排水流速，

所述温度补偿模块用于将采集到的温度作为排水流速的修订系数，重新计算排水流速；

所述液位压力感测模块用于液位压力信息的采集。

优选地，所述数据采集箱包括电源模块、数据处理模块以及通讯模块；

其中，所述电源模块用于为数据处理模块、通讯模块以及监测数据采集单元供电；所述通讯模块用于将所述排水流速、排水温度以及液位压力信息发出。

优选地，所述安装支架包括固定座、支架垂直臂、支架水平臂和传感器夹座；

其中，所述固定座连接所述支架垂直臂的上端，所述支架垂直臂的下端连接所述支架水平臂；所述传感器夹座连接所述支架水平臂；所述固定座在水平方向上的长度小于所述支架水平臂在水平方向上的长度；所述固定座用于连接所述窨井壁，所述传感器夹座用于连接所述监测数据采集单元。

优选地，所述支架水平臂和所述支架垂直臂垂直连接；所述固定座垂直连接所述支架垂直臂；所述传感器夹座垂直连接所述支架水平臂。

优选地，当所述数据采集箱没有收到开关信号时，所述数据采集箱根据设定周期控制所述监测数据采集单元的电源开启或关闭，从而使所述监测数据采集单元根据设定周期在激活状态或无效状态之间转换；

当所述数据采集箱收到开关信号时，所述数据采集箱控制所述监测数据采集单元的电源一直开启，即所述监测数据采集单元一直处于激活状态。

优选地，所述监测数据采集单元采用多普勒超声流速计。

根据本发明另一个方面提供的窨井排水状态监测方法，采用权所述的窨井排水状态监测系统，包括如下步骤：

步骤S1：当所述数据采集箱没有收到开关信号时，所述数据采集箱根据设定周期控制所述监测数据采集单元的电源开启或关闭，从而使所述监测数据采集单元根据设定周期在激活状态或无效状态之间转换；

步骤S2：当所述数据采集箱收到开关信号时，所述数据采集箱控制所述监测数据采集单元的电源一直开启，即所述监测数据采集单元一直处于激活状态。

优选地，在步骤S1中，还包括如下步骤：

所述数据采集箱根据所述监测数据采集单元采集的液位压力信息判断所述监测数据采集单元是否在排水水面上，当监测数据采集单元在排水水面上时，所述数据采集箱放弃存储所述排水流速；

当监测数据采集单元在排水水面下时，所述数据采集箱存储所述排水流速。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中多普勒超声流速计通过安装支架与窨井壁连接，并非长期浸泡在流体里，因此其物理耐受性得到大大改善，在测量数据的可靠性、减少物理损坏等方面得到根本改善；

2、本发明中数据采集箱能够安放在任意合适的位置，如安放于窨井外部，减少了其受物理损坏的可能，同时使得维护更加便利；

3、本发明结构简单，且通过软件进行数据处理，使得工程复制难度降低，综合成本得到有效控制，不仅给检修人员提供了畅通的检修通道，而且在日常清淤作业时，也极大降低了传感设备物理损坏的概率，即便窨井水位过高，甚至出现窨井全部被淹没的情况，本发明仍然可以对排水管道的流量进行监控，不会丢失极端情况时的重要数据。

4、本发明极大程度降低了窨井构造对测量方案受环境因子的限制和影响，使得本发明和排水管道的有效截面内径耦合紧密，而其他前述方案对窨井底部构造，如形状、容积尺寸、容积线性度，以及结垢、沉积物，都进行了解耦，从而本发明在工程实施增加了可行度，并且数据的可信度得到提高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中窨井排水状态监测系统的结构示意图；

图2为本发明中安装支架的结构示意图。

图中

1为窨井盖；

2为地面；

3为数据采集箱；

4为窨井壁；

5为排水管道；

6为浮球开关；

7为安装支架；

8为线缆；

9为多普勒超声流速计；

10为水位；

71为固定座；

72为支架垂直臂；

73为支架水平臂；

74为传感器夹座。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的窨井排水状态监测系统，包括数据采集箱3、监测数据采集单元、浮球开关6以及安装支架7；其中，所述数据采集箱3电气连接所述浮球开关6和所述监测数据采集单元；所述安装支架7的上端用于连接窨井壁4，下端延伸至排水管道5；所述监测数据采集单元设置在所述安装支架7的下端；所述浮球开关6设置在所述窨井壁4上；所述监测数据采集单元用于测量排水管道5的排水流速、排水温度以及液位压力信息；所述浮球开关6用于当窨井内液位高度升至浮球开关6安装位置时向所述数据采集箱3发送开关信号；所述数据采集箱3用于获取所述排水流速、排水温度和液位压力信息，控制所述监测数据采集单元的电源开启或关闭，根据所述开关信号控制所述监测数据采集单元的工作状态。所述监测数据采集单元采用多普勒超声流速计9。多普勒超声流速计9的超声波发射端指向排水管道5背离窨井的方向，即多普勒超声流速计9由安装支架7固定，悬空定位于排水管道5内的上方。

在本实施例中，多普勒超声流速计9将测量到的窨井管道排水流速、排水温度和液位压力信息，通过有线连接方式传输到数据采集箱3内的数据处理模块，具体为，有线连接方式采用RS485的通讯方式。

当所述数据采集箱3没有收到开关信号时，所述数据采集箱3根据设定周期控制所述监测数据采集单元的电源开启或关闭，从而使所述监测数据采集单元根据设定周期在激活状态或无效状态之间转换；当所述数据采集箱3收到开关信号时，所述数据采集箱3控制所述监测数据采集单元的电源一直开启，即所述监测数据采集单元一直处于激活状态。

所述监测数据采集单元包括流速测量模块、温度补偿模块和液位压力感测模块；其中，所述流速测量模块用于测量排水管道5的排水流速，所述温度补偿模块用于将采集到的温度作为排水流速的修订系数，重新计算排水流速；所述液位压力感测模块用于液位压力信息的采用。

所述数据采集箱3包括电源模块、数据处理模块以及通讯模块；其中，所述电源模块用于为数据处理模块、通讯模块以及监测数据采集单元供电；所述通讯模块用于将所述排水流速、排水温度以及液位压力信息发出。所述安装支架7包括固定座71、支架垂直臂72、支架水平臂73和传感器夹座74；其中，所述固定座71连接所述支架垂直臂72的上端，所述支架垂直臂72的下端连接所述支架水平臂73；所述传感器夹座74连接所述支架水平臂73；所述固定座71在水平方向上的长度小于所述支架水平臂73在水平方向上的长度；所述固定座71用于连接所述窨井壁4，所述传感器夹座74用于连接所述监测数据采集单元。所述支架水平臂73和所述支架垂直臂72垂直连接；所述固定座71垂直连接所述支架垂直臂72；所述传感器夹座74垂直连接所述支架水平臂73。所述安装支架7具有一定强度，使得即便在水流冲击作用下，支架垂直臂72与支架水平臂73的延长线仍能保持90度夹角，而不产生形变，同时固定的多普勒超声流速计9仍能保持与排水管道5的水平。

本发明提供的窨井排水状态监测方法，其特征在于，采用所述的窨井排水状态监测系统，包括如下步骤：

步骤S1：当所述数据采集箱3没有收到开关信号时，所述数据采集箱3根据设定周期控制所述监测数据采集单元的电源开启或关闭，从而使所述监测数据采集单元根据设定周期在激活状态或无效状态之间转换；

步骤S2：当所述数据采集箱3收到开关信号时，所述数据采集箱3控制所述监测数据采集单元的电源一直开启，即所述监测数据采集单元一直处于激活状态。

在步骤S1中，所述数据采集箱3根据所述监测数据采集单元采集的液位压力信息判断所述监测数据采集单元是否在排水水面上，当监测数据采集单元在排水水面上时，所述数据采集箱3放弃存储所述排水流速；

当监测数据采集单元在排水水面下时，所述数据采集箱3存储所述排水流速。

更为具体地，当排水管道5里水位较低，此时对应的浮球开关6，处于断开状态，那么定义这种情况窨井水位为安全水位。当窨井水位上升，浮球开关6在浮力作用下闭合，那么定义这种情况窨井水位为预警水位。

当窨井水位在安全水位以下时：

所述数据处理模块定时激活多普勒超声流速计9，获取排水流速、排水温度和液位压力信息，当完成一次成功采集后，切断多普勒超声流速计9供电，使其进入无效状态，并根据设定周期，重复进行。

数据处理模块，将采集到的温度作为排水流速的修正系数，重新计算排水管道5中的流速，并根据液位压力信息，判断该多普勒超声流速计9是否被浸泡，浸泡到多深的液面以下。数据处理模块，借助该液位压力信息，对所述排水流速进行辅助判断，若参考液位压力信息，发现多普勒流速计没有浸泡在液面以下，则说明排水管道5里水位低，这种情况流速信息没有存储意义，可以丢弃；反之，排水流速信息可以进行保留。由于多普勒超声流速计9安装的位置、排水管道5直径以及多普勒超声流速计9被浸泡的液位高度信息可知，数据处理模块能够根据排水管道5圆形截面的几何数据，就可以计算出实际排水管道5中流体在圆形管道截面投影的面积，再辅助多普勒超声流速计9的排水流速，就可以计算出排水管道5内流体的流量。另由于多普勒超声流速计9安装位置、窨井深度已知，数据处理模块即可计算得知当前窨井液位在窨井深度范围内所处位置，是否真正安全。数据处理模块，即可经通讯模块将窨井排水状态，传送至外部系统。

当窨井水位在预警水位或以上时：

数据处理模块，将不再关闭多普勒超声流速计9的供电，而是允许该多普勒超声流速计9持续对排水管道5的流体进行排水流速、排水温度和排水液位压力信息的采集，并将接收到排水流速、排水温度和排水液位压力信息经过通讯模块，向外部系统进行传送。所述多普勒超声流速计9进行数据采集和传输的时间频率，根据现场监测环境要求，在设备出厂前设定即可。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种窨井排水状态监测系统，其特征在于，包括数据采集箱、监测数据采集单元、浮球开关以及安装支架；

其中，所述数据采集箱电气连接所述浮球开关和所述监测数据采集单元；所述安装支架的上端用于连接窨井壁，下端延伸至排水管道；所述监测数据采集单元设置在所述安装支架的下端；所述浮球开关设置在所述窨井壁上；

所述监测数据采集单元用于测量排水管道的排水流速、排水温度以及液位压力信息；所述浮球开关用于当窨井内液位高度升至浮球开关安装位置时向所述数据采集箱发送开关信号；所述数据采集箱用于获取所述排水流速、排水温度和液位压力信息，控制所述监测数据采集单元的电源开启或关闭，根据所述开关信号控制所述监测数据采集单元的工作状态。

2.根据权利要求1所述的窨井排水状态监测系统，其特征在于，所述监测数据采集单元包括流速测量模块、温度补偿模块和液位压力感测模块；

其中，所述流速测量模块用于测量排水管道的排水流速，

所述温度补偿模块用于将采集到的温度作为排水流速的修订系数，重新计算排水流速；

所述液位压力感测模块用于液位压力信息的采集。

3.根据权利要求1所述的窨井排水状态监测系统，其特征在于，所述数据采集箱包括电源模块、数据处理模块以及通讯模块；

其中，所述电源模块用于为数据处理模块、通讯模块以及监测数据采集单元供电；所述通讯模块用于将所述排水流速、排水温度以及液位压力信息发出。

4.根据权利要求1所述的窨井排水状态监测系统，其特征在于，所述安装支架包括固定座、支架垂直臂、支架水平臂和传感器夹座；

其中，所述固定座连接所述支架垂直臂的上端，所述支架垂直臂的下端连接所述支架水平臂；所述传感器夹座连接所述支架水平臂；所述固定座在水平方向上的长度小于所述支架水平臂在水平方向上的长度；所述固定座用于连接所述窨井壁，所述传感器夹座用于连接所述监测数据采集单元。

5.根据权利要求4所述的窨井排水状态监测系统，其特征在于，所述支架水平臂和所述支架垂直臂垂直连接；所述固定座垂直连接所述支架垂直臂；所述传感器夹座垂直连接所述支架水平臂。

6.根据权利要求1所述的窨井排水状态监测系统，其特征在于，当所述数据采集箱没有收到开关信号时，所述数据采集箱根据设定周期控制所述监测数据采集单元的电源开启或关闭，从而使所述监测数据采集单元根据设定周期在激活状态或无效状态之间转换；

当所述数据采集箱收到开关信号时，所述数据采集箱控制所述监测数据采集单元的电源一直开启，即所述监测数据采集单元一直处于激活状态。

7.根据权利要求1所述的窨井排水状态监测系统，其特征在于，所述监测数据采集单元采用多普勒超声流速计。

8.一种窨井排水状态监测方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的窨井排水状态监测系统，包括如下步骤：

步骤S1：当所述数据采集箱没有收到开关信号时，所述数据采集箱根据设定周期控制所述监测数据采集单元的电源开启或关闭，从而使所述监测数据采集单元根据设定周期在激活状态或无效状态之间转换；

步骤S2：当所述数据采集箱收到开关信号时，所述数据采集箱控制所述监测数据采集单元的电源一直开启，即所述监测数据采集单元一直处于激活状态。

9.根据权利要求8所述的窨井排水状态监测系统，其特征在于，在步骤S1中，还包括如下步骤：

所述数据采集箱根据所述监测数据采集单元采集的液位压力信息判断所述监测数据采集单元是否在排水水面上，当监测数据采集单元在排水水面上时，所述数据采集箱放弃存储所述排水流速；

当监测数据采集单元在排水水面下时，所述数据采集箱存储所述排水流速。