CN107101677B - 流体网中的泥沙控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检测在流体流动网的管道或明渠(14)中的泥沙(32)积累的方法。所述管道或明渠有设有至少一组速度传感器(V1……V8)的系统以测量在预定的水平位置(50……58)上的流速。所述方法包括下述步骤：使用所测量的流速以及用于每个流层的横截面面积计算流量，并且叠加各流量以提供总流量，监测所测量的流速并且存储流速以检测至少最底下的速度传感器(V1)的流速的任何持续下降以提供在管道或明渠中泥沙积累的迹象。

Description

流体网中的泥沙控制
本申请是国际申请日为2013年5月30日、申请号为：201380036050.9、发明名称为：流体网中的泥沙控制的发明专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及流体流动网中的泥沙厚度的检测以及测量。
背景技术
在PCT/AU2010/001052号国际专利申请(出版为WO2011/020143)文献中，其公开了流量计组件以及流量测量的方法，其全文被并入于此。
传统的流量测量技术中(诸如，电磁流量计)，流量通过已知的管道或明渠的横截面面积乘以通过此已知横截面的平均速度来确定。通常，此处有一个流速传感器，并且所述平均速度使用此传感器确定。流量通过所述的管道或明渠的总横截面面积乘以此平均速度得到。此测量的问题是，使用平均速度乘以总横截面面积可能产生显著的误差。遗憾的是，泥沙在管道或明渠中可能累积，减小所述管道或明渠的横截面面积。相对于干净管道或明渠，由于被泥沙堵塞的管道或明渠中流体流动穿过的面积减小，导致在流量测量计算中假设的面积大于流体流动穿过的真实的横截面面积。通过平均速度乘以假设的管道横截面面积，流量持续的被计算。这将导致确定流量时的显著误差。
使用PCT/AU2010/001052号国际专利申请文献中公开的系统，上述问题减少。此系统设置使用“传播时间”声或者“通过时间”方法的流量计以测量穿过流量计的横截面面积的多个片处的多个速度。此系统提供穿过管道或明渠的在多个水平放置的层的速度的多路径分析。计算流量的方法是首先计算在每个离散水平层的速度。之后，在每个层的速度乘以此层的宽度以及高度以确定穿过此层的流量。之后，穿过每层的流量叠加以确定穿过流量计的横截面的总流量。因此，穿过管道的流量是每个离散流层的总和。此类计算使用多个传感器提供了流量的准确测定。
当泥沙累积时，管道的横截面面积改变。在同样的时间，在此横截面的实际速度曲线改变。由于在泥沙-水界面处的流速为零，因此底部路径速度减小。为了保持通过管道或明渠的流量相同，剩余的路径速度必须略微增加。由于在流量计横截面的已知高度进行多个速度的测量，因此实际速度曲线被用于计算流量。相比先前描述的使用单一速度测量计算流量的传统流量测量技术，所计算的流量的误差将减小。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测在流体流动网中泥沙的方法。
本发明的另一目的是在艰苦的条件下提高在流体流动网中流体流动的测量精度。
在一实施例中，本发明提供一种检测在流体流通网的管道或明渠中的泥沙累积的方法，所述管道或明渠有至少一组垂直放置的速度传感器以测量在预定的水平位置处的流速，所述方法包括下述步骤：使用所测量的流速以及每个流层的横截面面积计算流量，并且叠加所述流量以提供在所述至少一组垂直放置的速度传感器处的总流量，监测所述测量的流速并且存储所述流速以检测在选定总流量的情况下在至少最底下的速度传感器的流速的任何持续下降，从而，所述持续下降提供了在所述管道或明渠中泥沙积累的迹象。
本发明还提供了一种测量在流体流动网的管道或明渠中的泥沙累积的方法，所述管道或明渠有设有至少一组垂直放置的速度传感器的系统以测量在预定的水平位置处的流速，所述方法包括下述步骤：监测所述测量流速并且存储所述流速，校准所述系统以提供所述至少一组垂直放置的速度传感器的无泥沙速度曲线以及在预定泥沙厚度处的多个速度曲线使得泥沙厚度与在选定总流量的情况下在至少最底下的速度传感器的流速之间的关系被计算，如所述至少最底下的速度传感器的流速的减小与泥沙的厚度成正比，并且在选定总流量以及所述关系的所述至少最底下的速度传感器的流速的基础上计算泥沙的厚度。
在又一个进一步的实施例中，提供一种测量在流体流动网的管道或明渠中的流体流量的方法，所述管道或明渠有设有至少一组垂直放置的速度传感器的系统以测量在预定的水平位置处的流速，所述方法包括前款的步骤，通过使用所计算的泥沙的厚度减小所计算的最底下的流层的横截面面积，使用所测量的流速以及用于每个流层的横截面面积计算流量，并且叠加所述流量以提供在所述至少一组垂直放置的速度传感器处的总流量。
附图说明
结合附图，从下述详细描述中，本发明的优选实施例的结构以及功能特征将变得更加显而易见，其中
图1是表示当前在管道或明渠中无泥沙时，由管道或明渠的不同高度处的各自速度传感器检测的速度对管道或渠道的深度的图线；
图2是表示与图1中所示的相似的图线，但是其包括示出在管道或明渠中泥沙层效果的附加图；
图3是表示与图1中所示的相似的图线，其示出由本发明的一方面进行的校正，其中对于存在泥沙层的图线已被校正；
图4是在图1以及图3中示出的图线的组合；
图5是表示与图2中所示的相似的图线，但是其示出在不同泥沙厚度时泥沙的效果；
图6是表示为了根据本发明的另一方面确定泥沙厚度，由较高的相邻传感器至最底下的传感器的最底下的传感器的速度的划分对所计算的泥沙厚度的泥沙厚度计算曲线的图线；
图7是PCT/AU2010/001052号国际专利申请文献中详细介绍的流量测量系统的优选实施例的立体图。此优选实施例是具有速度测量的8个水平面的方形界面流量计组件；
图8是在图7中提到的速度测量的8个水平面的流量计组件的侧面剖视图；以及
图9是在图7中提到的流量计组件的俯视剖面图，其示出用于确定在流量计的每个水平速度测量平面内的平均速度的交叉路径声波传输测量技术(cross-path acoustictransit measurement technique)。
具体实施方式
优选的实施例是公开在PCT/AU2010/001052号国际专利申请文献中的发明的增强。为了减少描述的重复，PCT/AU2010/001052号国际专利申请(出版为WO 2011/020143)的全部内容被并入至本说明书中。本发明可以使用在PCT/AU2010/001052号国际专利申请文献中图1至图25以及图28至图47中示出的任何一个实施例。如在PCT说明书中公开的，所使用的速度传感器是优选的多对声学传感器。其他传感器也可以被使用，例如，具有设置在管道或明渠的不同高度的电极的电磁传感器。传感器的类型并不关键，但其必须准确的测量流速。
图7是流量测量系统100的优选实施例的透视图。此优选实施例是有速度测量的8个水平面的方形截面流量计组件，标号为101至108。在本发明中可以使用任意数量的水平测量平面，从最少的2个测量平面到可切实可行的并入至流量计组件中的尽可能多的测量平面。图7示出8个速度传感器V1至V8(图8)，但是本发明并非限制于此数量。能够根据所需的流量测量的环境增加或者减少速度传感器的数量。
图8是图7中示出的速度测量的8个水平面的流量计组件的侧面剖视图，101-108。在101-108的每个测量平面内有一个速度测量传感器，在每个平面内包括4个声学传感器。这些传感器协作以提供在其水平面内的交叉路径声波时间速度测量，如在PCT/AU2010/001052号国际专利申请文献中的详细介绍。在优选的实施例中，每个平面包括4个声学传感器，然而任意数量的传感器可被使用是切实可行的。
图9是在图7中提到的流量计组件的俯视剖面图，其示出交叉路径声波传输测量平面101。可见在此平面内有4个传感器，标记为101a、101b、101c、101d。这些传感器用于测量在如PCT/AU2010/001052号PCT申请文献中的详细介绍的测量平面内的平均流速。
图1是表示在101-108的每个测量平面内所测速度的图线。注意，此示图仅示出底部5个测量平面101-105。每个速度测量平面的高度被绘制在y轴10上，并且在每个各自的平面内所测量的速度被绘制在x轴12上。图1示出当流量计(或安装至其的管道或明渠)的底部或基底14没有泥沙时流量计内一个典型的速度曲线。公知的科学事实是，在边界层的速度为零，即，在管道的底部或基底14以及顶部(未示出)。其在点16处可容易的看出。在距边界偏移的距离处，速度将增加。
图线示出在各自测量平面V1-V5内所感应的速度18-26并且示出由此产生的图形或曲线28。系统设置了穿过管道或明渠在多个水平层50-58的速度的多路径分析。计算流量的方法是首先计算每个离散层的流量(速度乘以横截面面积)。因此，穿过管道或明渠的流量是每个离散流层的总和。由这些速度样品的集成导致的区域(阴影区域48)等于穿过系统的流量计每个单元宽度的流量。此类计算使用多个传感器V1-V8提供流量的准确测定。
图2是与图1中所述的相似的图线，但其有一由厚度34的泥沙层导致的叠加图或曲线30。速度由传感器V1-V4测量并且所述速度示出为点36-42。所述图线示出了在相同流量的情况下泥沙32的出现对速度的影响。对于传感器V1的点36处的速度减小，而在点38-42处的速度增加用以补偿。系统推断在传感器V1的平面内所测量的速度降至流量计或明渠或管道的底面14处的已知的零速度16。通过连接点18以及16的线示出无泥沙时的此推断。通过连接点36以及16的线示出有泥沙时的所述推断。由于泥沙厚度34处以及低于此厚度时的流速为零，因此所述推断将高估了底部测量平面下方的平面速度。不清楚泥沙32是否存在并且因此不清楚在高度34处并且低于此高度的速度是否等于零。在速度推断以及流量测量中的误差由阴影区域46表示，此阴影区域46涵盖点16连接至44(泥沙厚度)的直线、点44连接至36的直线以及点36连接至16的直线。所述误差是有界的，其中泥沙越厚在平面V1上测量的速度越小，并且因此误差区域越小；并且相反的泥沙越浅误差区域越小。因此，在选定总流量的情况下，传感器V1的流速的任何持续减小的检测将提供在所述管道或明渠中的泥沙积累的迹象。流量测量精度仍然保持为泥沙的累积。设备自然的补偿用于测量流量方法的此原因，即，计算每个层的流量，而非获得用于整个横截面的平均速度的传统技术并且之后乘以总面积。当泥沙累积，穿过底层的流量减小，并且因此任何与此测量有关的误差也减小。如果泥沙覆盖了传感器V1，所述系统将仍然提供流量的准确测量。
流动干扰实验已证实对于由泥沙导致的此类干扰，所述系统保持准确度。在所述系统的底面安装0.25米厚度的泥沙层，在这种情况下允许保持准确度。重要的是，无论泥沙或者其他的阻碍覆盖多少测量平面，保持此同样的原理。流量测量的此方法可以与闸门(gate)组合或者不与其组合。
在图1以及图2中示出的实施例允许泥沙的检测并且提供一种在泥沙厚度变化的情况下保持相当准确度的系统。为了进一步增加所述系统的准确度，必须计算泥沙的厚度。为了减少重复的描述，与图1和2类似的部分在图3-图5中使用相同的附图标记。假设泥沙没有覆盖传感器V1，所述系统使用由传感器V1测量的底部路径速度36来确定泥沙34的厚度，泥沙34的厚度在所述系统的底面14上累积。如果泥沙覆盖传感器V1，传感器V2会用于计算泥沙的厚度。在无泥沙情况下，系统的速度曲线作为主校准的结果是已知的，并且其作为曲线28在图4中示出。泥沙的效果是减小底部路径速度低于无泥沙情况下所观察的其值18至所减小的值36，如图2中所示。在传感器V1处底部路径速度的减小正比于所述系统底部14上的泥沙的厚度。通过比较在底部路径50处所测量的速度至在所述系统的路径52-58处所测量的速度，确定由泥沙累积引起的底部速度36的偏差。通过示出所测量的速度在零泥沙厚度的曲线28、在厚度34处的曲线30以及在厚度62处的曲线60，图5示出了所需的校准。从这些校准确定的是能够绘制最底下的传感器V1到相邻传感器V2的传感器速度比V1/V2对泥沙厚度的影响以提供在图6中所示的曲线64。从图6中所示的图线中，使用传感器速度V1以及V2的测量值，曲线64允许计算任意厚度的泥沙。因此，底部路径速度的减小与泥沙厚度之间的关系可确定。此关系是已知的以在所述系统运行情况下穿过全范围的流量保持基本不变。
如果泥沙覆盖了底部速度传感器V1，之后通过比较由传感器V2与由V3所测量的速度来操作泥沙检测运算。同样的，如果泥沙覆盖了速度传感器V2，之后通过比较由传感器V3与由V4所测量的速度来操作泥沙检测运算。泥沙引起隐藏在泥沙之下的速度传感器记录的零读数或零速度测量值，并且此事实用于鉴定哪些速度传感器隐藏在泥沙之下。通过比较置于最高的所隐藏的速度传感器之上的两速度传感器的速度测量的比值，泥沙检测算法测量最高的所隐藏的速度传感器之上的泥沙的厚度。
给定在底部路径速度减小的测量值，可计算泥沙的厚度。之后，所述系统的底面14被设置为等于此泥沙厚度，并且仅在低至泥沙厚度的底面执行速度整合。这意味着仅流动区域整合，并且零流动的泥沙区域从速度整合中排除。因此，所述系统检测泥沙厚度并且从所述系统的内部顶端低至泥沙底面32来整合速度曲线。此整合提供了穿过所述系统的流体流量的高精度测量。因此，所述系统有不受泥沙影响的流量测量准确度。图3示出基于点44的整合曲线66，点44被转移至在泥沙水平处的泥沙厚度34。
图4示出与图1的无泥沙曲线28相比较的图3的曲线66。在图1-图6的实施例中的泥沙检测也能够允许并入至此系统的泥沙报警。通过预定泥沙的水平能够激活报警以警告操作者泥沙的累积。之后，操作者可以在维护制度下采取行动移除泥沙。
对于本领域的技术人员显而易见的是应理解本发明将拥有许多进一步的修改，并且其被视为在较宽的范围内并且在本发明的范围内，通过示例的方式在此已经阐述了本发明广泛的性质以及某些具体的实施例。

Claims (10)

1.一种用于测量管道或通道中的水的流量的流动测量系统，其特征在于，
所述流动测量系统包括至少一组垂直放置的速度传感器，用于测量在预定的水平位置处的流动速度，并且配置成在每一预定的水平位置处的横截面积上执行速度积分以确定所述水的流量；
所述流动测量系统配置成
将底部路径速度与所测量的流动速度中的至少另一个相比较；以及
基于所述底部路径速度相对于所测量的流动速度中的至少另一个的减少来减少每一预定的水平位置处的横截面积，从而消除泥沙累积的影响。
2.根据权利要求1所述的流动测量系统，其中所测量的流动速度的至少另一个是向上相邻于所述底部路径速度的被测量的流动速度。
3.根据权利要求1所述的流动测量系统，其中所述流动测量系统配置成基于底部路径速度相对于所测量的流动速度的向上相邻的流动速度的减少比率减少所述横截面积。
4.根据权利要求1或2或3所述的流动测量系统，其配置成当一个或多个速度传感器被埋没时，通过将在向上相邻于一个或多个被埋没的速度传感器中最高位置处的一个速度传感器的预定的水平位置处所测量的流动速度作为底部路径速度继续操作。
5.根据权利要求1至3其中之一所述的流动测量系统，其包括配置成响应于累积到预定水平处的泥沙发出警报的泥沙警报。
6.一种用于测量管道或通道中的水的流量的方法，其特征在于，该方法包括
测量在预定的水平位置处的流动速度；
在每一预定的水平位置处的横截面积执行速度积分以确定所述水的流量；
将底部路径速度与所测量的流动速度的至少另一个相比较，从而检测与累积在所述管道或通道中的泥沙相关联的底部路径速度的减少；以及
基于以上比较，减少每一预定的水平位置处的横截面积以消除泥沙累积的影响。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所测量的流动速度的至少另一个是向上相邻于所述底部路径速度的被测量的流动速度。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述流动测量系统配置成基于底部路径速度相对于所测量的流动速度的向上相邻的流动速度的减少比率减少所述横截面积。
9.一种用于确定水流管道或水流通道中的泥沙厚度的系统，其特征在于，
所述系统包括至少一组速度传感器，用于测量在预定的水平位置处的流动速度，
所述系统配置成将底部路径速度与所测量的流动速度的至少另一个相比较，从而检测与累积在所述管道或通道中的泥沙相关联的底部路径速度的减少；以及
确定所述泥沙的厚度。
10.根据权利要求9所述的系统，其包括配置成响应于累积到预定水平处的泥沙发出警报的泥沙警报。
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