CN108318092B - 可用于非满管排水管道的流量测量装置 - Google Patents
可用于非满管排水管道的流量测量装置 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种可用于非满管排水管道的流量测量装置，为分体式结构，包括流线型探头和流量计主机，所述流线型探头和流量计主机通过防水电缆相连接，所述流线型探头为全封闭防水结构，其中所述流线型探头的前端并列设有第一水声换能器和第二水声换能器、顶端设有第三水声换能器、底部设有压力变送器和后端设有温度传感器；流量计主机中包括超声多普勒流速测量模块、超声波液位测量模块、压力变送器测量模块、温度测量模块、FPGA运算模块、MCU主控模块、电池和稳压电源模块、GPRS通讯模块和调试接口电路。本发明通过一个集成了5个传感器的流线型探头和主机的分体式结构，简化了流量计的安装维护困难问题。
Description
技术领域
本发明涉及超声多普勒流量测量领域，具体地说，是涉及一种用于测量非满管排水管道的流量测量装置。
背景技术
近些年随着海绵城市概念的提出，越来越多的城市开展了海绵城市的建设，而海绵城市建设首先需要建立在对城市排水数据的分析基础之上，这样对城市排水管道流量监测的需求应运而生。排水管道(指汇集排放污水、废水、雨水的管道)的流量测量一直是流量测量领域的难题，因为排水管道属于重力流管道，就是在没有压力的情况下，依靠排水管的倾斜坡度依靠其自身重力作用而向下流动，这是雨水、污水排放中最为常用的手段，特点是水量小时非满管，特殊条件下(如汛期内涝时)满管，只能由水位高处流向低处。
排水管道一般预埋于城市路面之下，管外侧填土掩埋，每隔一段，留维修井，排水管道非常狭窄，水中含有各种垃圾，有的水流湍急，有的氧气不足或含有可燃气体，安装流量测量装置不可能挖开路面进行施工，只能通过检查井进行作业，施工难度非常大，一般需要雇佣专业人员穿着潜水设备进行安装，所以决定了排水管道的流量测量只能采用管内测量的方法，且测量设备应该安装维护非常简单，否则实际根本无法进行现场应用。
众所周知，满管流量测量手段丰富，技术成熟，如电磁式、涡街式、涡轮式、多种原理的超声波式等常用的就有十几种，但这些方式在非满管道测量时无法应用。而超声波或雷达波测表面流速的方式可以测量河道或明渠等的表面流速，但在排水管道中具有很大的局限性，其一无法测量深度，其二不适合安装于狭小的排水管道内，水量大时将淹没测量设备，使测量无法进行。
因此，亟需提供一种适用于满管和非满管工况、具有安装维护方便、具有较高的实用价值的流量测量装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非满管的排水管道流量测量装置，在排水管道满管和非满管工况下均可实现流量测量，解决由于排水管道现实施工条件决定的现有流量技术难以应用的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可用于非满管排水管道的流量测量装置，为分体式结构，包括流线型探头和流量计主机，所述流线型探头和流量计主机通过防水电缆相连接，其中，
所述流线型探头为全封闭防水结构，其中所述流线型探头的前端并列设有第一水声换能器和第二水声换能器、顶端设有第三水声换能器、底部设有压力变送器和后端设有温度传感器，其中，
所述第一水声换能器和第二水声换能器分别与所述流量计主机相耦接，利用超声多普勒原理，通过测量回波的频率相对发射波频率的偏移量，来计算水流速，其中第一水声换能器用于发送信号、第二水声换能器用于接收信号；
所述第三水声换能器与所述流量计主机相耦接，从水下向水面垂直发射声波，通过测量发射和接收声波的时间间隔来计算液面高度；
所述流线型探头底部的压力变送器与所述流量计主机相耦接，通过测量正面水压和背面大气压的差，来计算液面高度；
所述流线型探头后端的温度传感器与所述流量计主机相耦接，用于水流速和液面高度计算时的温度补偿；
流量计主机中包括超声多普勒流速测量模块、超声波液位测量模块、压力变送器测量模块、温度测量模块、FPGA运算模块、MCU主控模块、电池和稳压电源模块、GPRS通讯模块和调试接口电路，其中，
所述超声多普勒流速测量模块，分别与所述第一水声换能器、第二水声换能器、电池和稳压电源模块和FPGA运算模块相耦接；
所述超声波液位测量模块，分别与所述第三水声换能器、电池和稳压电源模块和FPGA运算模块相耦接；
所述压力变送器测量模块，分别与所述流线型探头底部的压力变送器、电池和稳压电源模块和MCU主控模块相耦接；
所述温度测量模块，分别与所述流线型探头后端的温度传感器、电池和稳压电源模块和MCU主控模块相耦接；
所述FPGA运算模块，分别与所述超声多普勒流速测量模块、超声波液位测量模块、电池和稳压电源模块和MCU主控模块相耦接；
所述电池和稳压电源模块，分别与所述超声多普勒流速测量模块、超声波液位测量模块、压力变送器测量模块、温度测量模块、FPGA运算模块、MCU主控模块、GPRS通讯模块和调试接口电路相耦接；
所述MCU主控模块，分别与所述FPGA运算模块、电池和稳压电源模块、压力变送器测量模块、温度测量模块、GPRS通讯模块和调试接口电路相耦接；
所述GPRS通讯模块，分别与所述MCU主控模块、和电池和稳压电源模块相耦接；
所述调试接口电路，分别与所述MCU主控模块、和电池和稳压电源模块相耦接。
优选地，所述电池和稳压电源模块，进一步为锂亚电池和稳压电源电路，备有大容量锂亚电池，稳压电源电路将电池供电产生一路用于低功耗MCU和调试接口电路用的数字电路供电VDD1，一路可关断的用于FPGA及相关运算的数字电路供电VDD2，一路可关断的用于通讯模块供电的数字电路供电VDD3，一路可关断的用于流速、液位、压力、温度采样的模拟电路供电VCC。
优选地，所述超声多普勒流速测量模块包括用于产生正弦波发射信号的D/A转换电路、驱动电路和用于接收信号的可变增益运放电路、带通滤波电路和A/D转换电路组成，其中，
所述D/A转换电路，分别与所述FPGA运算模块和驱动电路相耦接；
所述驱动电路，分别与所述D/A转换电路和第一水声换能器相耦接；
所述可变增益运放电路，分别与所述第二水声换能器和带通滤波电路相耦接；
所述带通滤波电路，分别与所述可变增益运放电路和A/D转换电路相耦接；
所述A/D转换电路，分别与所述带通滤波电路和FPGA运算模块相耦接。
优选地，所述FPGA运算模块控制D/A转换电路产生频率为f0的正弦波模拟信号，发送至驱动电路差分放大后驱动第一水声换能器，第二水声换能器接收到水中杂质返回的水声回波信号，通过压电效应产生频移后的电信号，通过可变增益运放电路放大，带通滤波电路取出f0频率附近的信号送入A/D转换电路，FPGA运算模块控制A/D转换电路对放大和滤波后的电信号进行采样，转换成一组离散的数字量，进行快速傅里叶变换FFT，将采样的信号从时域转换到频域，并从生成的频谱上取出幅值最大的频率点f1，按照下式根据多普勒频移的原理计算出来水流速，
v＝(f1-f0)×c/(f1+f0)×cosθ,
其中f0为发射频率，f1为回波频率，θ为发射信号平面垂线与管道水平线夹角，c为水中声速。
优选地，所述水中声速c按照下式计算得到：
c＝1557-0.0245×(74-t)2m/s，
其中，t为水温，用于补偿温度变化引起水中声速c的变化。
优选地，所述超声波液位测量模块，包括发射脉冲的驱动电路和接收用的可变增益运放和比较器，FPGA运算模块产生一组PWM激励脉冲，并开始计时，激励脉冲送入的驱动电路，产生差分放大的驱动信号后，驱动第三水声换能器，由下向上发射声波并接收回波，回波声信号通过压电效产生的电信号，经可变增益运放放大后，通过比较器与门限电压进行比较，得到回波信号的触发脉冲，触发FPGA运算模块停止计时，从而得到从发送到接收回波的时间差，根据液位测量的公式为L＝(c×T)/2测量出水面距第三水声换能器表面的距离，第三水声换能器即是流线型探头上表面，根据流线型探头上表面距管底距离d得到水深H＝d+L，其中水中声速c根据下式计算得到：
c＝1557-0.0245×(74-t)2m/s。
优选地，所述压力变送器测量电路与MCU主控模块相耦接，MCU主控模块通过RS485接口经防水电缆读取流线型探头底部压力变送器的水压数据P，压力变送器内部腔体中气室通过导管与外部大气压连通，压力变送器测量的压力值等于水柱产生的压力，根据公式P＝σ×g×h计算出压力变送器距水面的距离h，由于探头厚度为已知常量c,则水面距探头上表面距离L＝h-c，根据探头上表面距管底距离d得到水深H＝d+L。
优选地，防水电缆中含有信号线和导气管，防水电缆的靠近流量计主机端设置一个干燥剂中枢，防水电缆的导气管通过防水插头中的第二气室与干燥剂中枢的导气管相连，防水电缆中剩余的信号线通过防水插头连接至流量计主机的防水接口；
干燥剂中枢为中空结构，内置可更换的干燥剂，用于吸收窨井中潮湿空气的水分，干燥剂中枢具有可拆卸的带气孔底盖。
优选地，在安装配置所述流量测量装置时，将待测管道的形状尺寸D、探头安装位置d、沉积物高度a三个指标配置到流量计主机中，流量计主机根据这三个固定参数和测出的水深H可计算出流水截面积S；当水深H大于管道直径时，则认为是满管，流水截面积S为管道截面减去沉积物面积，
根据面积速度法公式得到排水管道中的流量：
流量Q＝流水截面积S×流速v。
与现有技术相比，本发明所述的可用于非满管排水管道的流量测量装置，达到了如下效果：
通过一个集成了5个传感器的流线型探头和主机的分体式结构，简化了流量计的安装维护困难问题。只需安装一个探头即可测量流速、水深、温度三个指标，满管和非满管工况下均可测量，解决了现有流量测量技术要么在管外无法实现的非满管测量，要么需要在管内安装多个探头，不具施工可行性的问题，具有较高的实用价值；
通过超声多普勒频移的原理，一个探头即可实现流速测量。通过超声波和压力变送器两种深度测量方式，满足了各种复杂现场条件下的水深的测量。通过温度传感器测量的温度补偿了水温对声音在水中传输速度的影响，使深度和流速的测量值更加精确；
流线型探头的设计，减少对水流的影响，且不易受垃圾干扰；
特殊结构的导气电缆，除了能保证探头内部与外界大气压连通的作用外，还具备防潮功能。干燥剂中枢的设计很容易更换，具有很高的实用价值；
通过管道截面的计算模型，和对管道参数的配置，避免了管道沉积物对流量测量的影响；
流量计主机低功耗工作模式的设计，延长了使电池使用时间，使流量计更加适用于现场无供电的安装条件，减少人工维护。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的流量装置在排水管道中的安装示意图；
图2为本发明的流线型探头放大图；
图3为本发明的流量计主机结构示意图；
图4为本发明污水管道截面计算模型图；
图5本实施例4的测量过程流程图；
图6为流线型探头和防水电缆的放大图；
其中：1-流线型探头；2-流量计主机；3-防水电缆；4-检查井；5-污水管道；6-水声换能器；61-第一水声换能器；62-第二水声换能器；7-压力变送器；8-第三水声换能器；9-温度传感器；31-超声多普勒流速测量模块；32-超声波液位测量模块；33-压力变送器测量模块；34-温度测量模块；35-FPGA运算模块；36-MCU主控模块；37-电池和稳压电源模块；38-GPRS通讯模块；39-调试接口电路；12-管底污泥；13-水面；15-第一气室；17-导气管；19-第二气室；20-防水插头；21-防水插座；22-干燥机中枢；23-带气孔底盖。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1：
结合说明书附图1-图6，本实施例提供了一种可用于非满管排水管道的流量测量装置，为分体式结构，包括流线型探头1和流量计主机2，所述流线型探头1和流量计主机2通过防水电缆3相连接，其中，
所述流线型探头1为全封闭防水结构，其中所述流线型探头1的前端并列设有第一水声换能器61和第二水声换能器62、顶端设有第三水声换能器8、底部设有压力变送器7和后端设有温度传感器9，其中，
所述第一水声换能器61和第二水声换能器62分别与所述流量计主机2相耦接，利用超声多普勒原理，通过测量回波的频率相对发射波频率的偏移量，来计算水流速，其中第一水声换能器61用于发送信号、第二水声换能器62用于接收信号；
所述第三水声换能器8与所述流量计主机2相耦接，从水下向水面13垂直发射声波，通过测量发射和接收声波的时间间隔来计算液面高度；
所述流线型探头1底部的压力变送器7与所述流量计主机2相耦接，通过测量正面水压和背面大气压的差，来计算液面高度；
所述流线型探头1后端的温度传感器9与所述流量计主机2相耦接，用于水流速和液面高度计算时的温度补偿；
流量计主机2中包括超声多普勒流速测量模块31、超声波液位测量模块32、压力变送器测量模块33、温度测量模块34、FPGA运算模块35、MCU主控模块36、电池和稳压电源模块37、GPRS通讯模块38和调试接口电路39，其中，
所述超声多普勒流速测量模块31，分别与所述第一水声换能器61、第二水声换能器62、电池和稳压电源模块37和FPGA运算模块35相耦接；
所述超声波液位测量模块32，分别与所述第三水声换能器8、电池和稳压电源模块37和FPGA运算模块35相耦接；
所述压力变送器测量模块33，分别与所述流线型探头1底部的压力变送器7、电池和稳压电源模块37和MCU主控模块36相耦接；
所述温度测量模块34，分别与所述流线型探头1后端的温度传感器9、电池和稳压电源模块37和MCU主控模块36相耦接；
所述FPGA运算模块35，分别与所述超声多普勒流速测量模块31、超声波液位测量模块32、电池和稳压电源模块37和MCU主控模块36相耦接；
所述电池和稳压电源模块37，分别与所述超声多普勒流速测量模块31、超声波液位测量模块32、压力变送器测量模块33、温度测量模块34、FPGA运算模块35、MCU主控模块36、GPRS通讯模块38和调试接口电路39相耦接；
所述MCU主控模块36，分别与所述FPGA运算模块35、电池和稳压电源模块37、压力变送器测量模块33、温度测量模块34、GPRS通讯模块38和调试接口电路39相耦接；
所述GPRS通讯模块38，与所述MCU主控模块36、电池和稳压电源模块37相耦接；GPRS通讯模块38通过2G无线通讯的方式与移动通信运营商的基站互联，实现网络接入，用于将MCU主控模块36采集的流量数据传输到用户的客户端上。
所述调试接口电路39，与所述MCU主控模块36、电池和稳压电源模块37相耦接。调试接口电路39提供给一个对外的RS232调试接口，调试人员使用USB转RS232线将电脑与流量测量装置连接，调试人员使用专用的上位机配置软件将流量管道安装数据等配置到流量流量测量装置中。
所述电池和稳压电源模块37，进一步为锂亚电池和稳压电源电路，备有大容量锂亚电池，稳压电源电路将电池供电产生一路用于低功耗MCU和调试接口电路39用的数字电路供电VDD1，一路可关断的用于FPGA及相关运算的数字电路供电VDD2，一路可关断的用于通讯模块供电的数字电路供电VDD3，一路可关断的用于流速、液位、压力、温度采样的模拟电路供电VCC。
所述超声多普勒流速测量模块31包括用于产生正弦波发射信号的D/A转换电路、驱动电路和用于接收信号的可变增益运放电路、带通滤波电路和A/D转换电路组成。
所述D/A转换电路，分别与所述FPGA运算模块和驱动电路相耦接；
所述驱动电路，分别与所述D/A转换电路和第一水声换能器相耦接；
所述可变增益运放电路，分别与所述第二水声换能器和带通滤波电路相耦接；
所述带通滤波电路，分别与所述可变增益运放电路和A/D转换电路相耦接；
所述A/D转换电路，分别与所述带通滤波电路和FPGA运算模块相耦接。
所述FPGA运算模块35产生的数字信号控制D/A转换电路产生频率为f0的正弦波模拟信号，D/A转换电路模拟输出端口与驱动电路连接，驱动电路将正弦波模拟信号放大后驱动第一水声换能器61。
可变增益运放电路输入口与第二水声换能器相连，可变增益运放电路输出口与带通滤波电路相连。第二水声换能器62接收到水中杂质返回的水声回波信号，通过压电效应产生频移后的电信号，经可变增益运放电路放大送入带通滤波电路，取出f0附近频率的信号，滤除无用频段干扰信号，带通滤波电路与A/D转换电路模拟输入端口相连，A/D转换电路数字输出端口与FPGA运算模块相连，FPGA运算模块35控制A/D转换电路对放大和滤波后的电信号进行采样，转换成一组离散的数字量，进行快速傅里叶变换FFT，将采样的信号从时域转换到频域，并从生成的频谱上取出幅值最大的频率点f1，按照下式根据多普勒频移的原理计算出来水流速。
v＝(f1-f0)×c/(f1+f0)×cosθ,
其中f0为发射频率，f1为回波频率，θ为发射信号平面垂线与管道水平线夹角，c为水中声速，
所述水中声速c按照下式计算得到：
c＝1557-0.0245×(74-t)2m/s，
其中t为水温，用于补偿温度变化引起水中声速c的变化。
所述超声波液位测量模块32，包括发射脉冲的驱动电路和接收用的可变增益运放和比较器，FPGA运算模块35产生一组PWM激励脉冲，并开始计时，激励脉冲送入驱动电路产生差分放大信号后，驱动第三水声换能器8，由下向上发射声波并接收回波，回波声信号通过压电效产生的电信号，经可变增益运放放大后，通过比较器与门限电压进行比较，得到回波信号的触发脉冲，触发FPGA运算模块35停止计时，从而得到从发送到接收回波的时间差，根据液位测量的公式为L＝(c×T)/2测量出水面距第三水声换能器8表面的距离，其中水中声速c根据下式计算得到：
c＝1557-0.0245×(74-t)2m/s。
所述压力变送器7测量电路与MCU主控模块36相耦接，MCU主控模块36通过RS485接口经防水电缆3读取流线型探头1底部压力变送器7的水压数据P，压力变送器7内部腔体中第一气室15通过导管与外部大气压连通，压力变送器7测量的压力值等于水柱产生的压力，根据公式P＝σ×g×h计算出压力变送器7距水面13的距离h，由于探头厚度为已知常量c,则水面距探头上表面距离L＝h-c，根据压力变送器7上表面(也就是探头上表面)距管底距离d得到水深H＝d+L。
防水电缆3中含有信号线和导气管17，防水电缆3的靠近流量计主机2端设置一个干燥剂中枢22，防水电缆3的导气管17通过防水插头20中的第二气室19与干燥剂中枢22的导气管17相连，防水电缆3中剩余的信号线通过防水插头20连接至流量计主机2的防水插座21；
干燥剂中枢22为中空结构，内置可更换的干燥剂，用于吸收窨井中潮湿空气的水分，干燥剂中枢22具有可拆卸的带气孔底盖23。
在安装配置所述流量测量装置时，将待测管道的形状尺寸D、探头安装位置d、沉积物高度a三个指标配置到流量计主机2中，流量计主机2根据这三个固定参数和测出的水深H可计算出流水截面积S，当水深H大于管道直径后，则认为是满管，流水截面积S为管道截面减去沉积物面积，
根据面积速度法公式得到排水管道中的流量：
流量Q＝流水截面积S×流速v。
本实施例中的流量测量装置由一个集成了5个传感器的流线型探头1、一个流量计主机2及一个带干燥剂中枢22的特制防水导气电缆组成。安装在探头正面的一对水声换能器，通过超声多普勒频移的原理来测量来水流速。探头顶部水平安装的水声换能器通过超声波测距原理测量液面高度。探头底部安装的压力变送器7通过水压与外界大气压差来计算液面高度。探头后端内部集成一个温度传感器9，通过测量水温来补偿流速和液位计算时的温度带来的误差。通过面积速度法计算管道流量。
流量计主机2内部划分为流速、压力、液位、温度、电池和电源、无线通讯、调试接口、用于运算的FPGA、MCU主芯片等部分，通过低功耗的MCU控制各功能电路的分时供电和工作，实现电池供电所需的低功耗。
通过对管道截面的计算模型，和管道参数的配置，解决了管底沉积物对流量测量的影响。
实施例2：
本实施例的测量装置采用分体式结构，包括两个组成部分：一个集成了5个传感器的流线型探头1和一个流量计主机2，流线型探头1和流量计主机2间通过特制的防水电缆3连接。
防水电缆3中含有多根信号线和一根导气管17。电缆在靠近流量计主机2部分的地方设置一个干燥剂中枢22，电缆导气管17通过防水插头20中的第二气室19与干燥剂中枢22的导气管17相连，电缆中剩余的信号线通过防水插头20连接至主机防水接口。
干燥剂中枢22为中空结构，内置可更换的干燥剂，用于吸收窨井中潮湿空气中的水分，保证探头和导气管17内干燥，干燥剂中枢22具有可拆卸的带气孔底盖23，干燥剂失效可拧下底盖更换新的干燥剂，如图6。
流线型探头1固定在排水管道的尽量靠近底部的位置，如管道中有淤泥沉积物，则应固定在高于沉积物的位置上。流线型设计既减少了对水流的影响，又不易被水中的垃圾悬浮物蒙住。主机悬挂于检查井壁上，便于维护。
探头为全封闭的防水结构，包括一对水声换能器，安装于探头正面，一个用于发射(代号Y1)，一个用于接收(代号Y2)，角度斜向上方，发射平面垂线与管道水平线夹角为θ。利用超声多普勒原理，通过测量回波的频率相对发射波频率的偏移量，来计算来水流速。
探头顶部水平安装一个用于液位测量的水声换能器(代号Y3)，从水下向水面13垂直发射声波，通过测量发射和接收声波的时间间隔来计算液面高度。
探头底部安装一个压力变送器7通过测量水压来计算液面高度。压力变送器7背面留有第一气室15，第一气室15通过前面所述的导气管17经干燥剂中枢22后，与外界空气接通，保证第一气室15气压等于地面大气压，如图6。
超声波和压力变送器7两种液位测量方式可根据现场条件进行设置启用那种测量方式。由于流水的冲击压力会导致静压式压力变送器7的测量精度不如超声波方式测量的准确，如果现场条件允许探头水平的安装于管道底部，且水中漂浮的大块垃圾较少，则首选采用超声波方式测量，其准确率较高。如果无法保证探头水平或漂浮垃圾较多，则应选用压力变送器7进行液位测量。
探头后端内部集成一个温度传感器9，用于测量水温，用于流速和液位计算时的温度补偿。
流量计主机2包括超声多普勒流速测量电路、超声波液位测量电路、压力变送器7测量电路、温度测量电路、用于运算的FPGA芯片(即FPGA运算模块35)、低功耗的MCU芯片(即MCU主控模块36)、GPRS通讯电路(即GPRS通讯模块38)、调试接口电路39、锂亚电池和稳压电源电路(即电池和稳压电源模块37)等。
由于排水管道检查井中没有供电条件，所以主机备有大容量锂亚电池，稳压电源电路将电池供电产生一路用于低功耗MCU和调试接口电路39用的数字电路供电VDD1,一路可关断的用于FPGA及相关运算的数字电路供电VDD2，一路可关断的用于通讯模块供电的数字电路供电VDD3，一路可关断的用于流速、液位、压力、温度采样的模拟电路供电VCC。
低功耗的MCU芯片比如STM32L系列的单片机作为主控芯片，始终工作，主要作用是协调控制各组成电路工作。设备安装调试时，通过上述调试接口电路39将配置下发到MCU及存储芯片中。正常状态下，MCU工作于休眠状态，MCU内部的实时时钟将按用户配置的采样间隔和上传间隔，周期性的唤醒MCU，控制其它电路完成采样和上传。采样或上传完成后，MCU芯片再次进入低功耗的休眠状态，直到下次采样和上传时间到达。
MCU在唤醒期间，将控制其它几路可关断的供电，让几个功能模块按需工作，以降低系统的功耗。需要采样时，将模拟电路供电VCC1和数字电路VDD2开启，向负责运算的FPGA发送开始测量指令，FPGA完成测量和运算后，再从FPGA中取出运算结果，并关断VCC和VDD2供电。需要上传时，将负责GPRS通讯模块38供电的VDD3开启，并控制GPRS通讯模块38连接指定端口，将流量数据上传到指定服务器的数据库或文件夹中，上传完成后，关断VDD3供电。
温度采样电路测量排水管道中的水温，通过RS485总线读取温度传感器9温度，得到水温t。
超声多普勒流速测量电路由用于产生正弦波发射信号的D/A转换电路、驱动电路和用于接收信号的可变增益运放电路、带通滤波电路和A/D转换电路。
FPGA控制D/A转换芯片产生频率为f0正弦波模拟信号,送入驱动电路产生差分放大后的驱动信号通过电缆驱动防水探头中的发送用的水声换能器(Y1)。
防水探头中接收用的水声换能器(Y2)接收到水中杂质返回的水声回波信号，换能器通过压电效应产生频移后的电信号，通过电缆送入主机中的可变增益运放电路进行放大，带通滤波电路取出f0频率附近的信号送入A/D转换芯片，FPGA控制A/D转换芯片对放大和滤波后的信号进行采样，转换成一组离散的数字量，进行快速傅里叶变换(FFT)，将采样的信号从时域转换到频域，并从生成的频谱上取出幅值最大的频率点f1。FPGA根据发射频率f0、回波频率f1、夹角θ、水温t，根据多普勒频移的原理即可计算出来水流速。公式如下：f1＝f0(c+v×cosθ)/(c-v×cosθ) ①
v＝(f1-f0)×c/(f1+f0)×cosθ ②
其中c为水中声音传播速度，
θ入射角，
f0发射频率，
f1回波频率，
v流速，
由于液体中的声速
其中E为液体的压缩模量
σ为液体密度
水很难被压缩，所以其压缩模量可以认为是常量,水的的密度随温度的变化，因此水中声速的随温度的而变化，根据公式
c＝1557-0.0245×(74-t)2m/s ④
将公式④的结果代入公式②即可，实际为了简化计算，也可以通过查表法查出相应温度对应的声速，代入公式②，从而得到流速v。
超声波液位测量电路包括发射脉冲的驱动电路和接收用的可变增益运放和比较器。
FPGA产生一簇PWM激励脉冲，并开始计时，送驱动电路产生差分放大后的驱动信号，通过电缆驱动防水探头顶部的第三水声换能器(Y3)，由下向上发射声波并接收回波，回波声信号通过压电效产生的电信号通过电缆返回到接收电路，经可变增益运放放大后，通过比较器与一个门限电压进行比较，得到回波信号的触发脉冲，触发FPGA停止计时，从而得到从发送到接收回波的时间差T。根据液位测量的公式L＝(c×T)/2⑤可测量出水面距第三水声换能器表面(即换能器上表面)的距离。
其中L为水面距第三水声换能器表面的距离
c为水中的声速，
T为发射波和回波的时间差值
由于换能器安装位置为固定的已知量，则水深H＝水面距换能器表面的距离L+换能器表面距管底距离d。
另外的水深测量方式是MCU通过RS485接口通过电缆读取探头底部压力变送器7的水压数据P。压力变送器7是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，由于压力变送器7内部腔体中第一气室15通过导管与外部大气压连通，使压力膜片正反两面的大气压里相互抵消，则压力变送器7测量的压力值只是水柱产生的压力，根据公式P＝σ×g×h可计算出换能器距水面13的距离h，由于探头厚度为已知常量c，则换能器上表面距水面距离L＝h-c,根据换能器上表面距管底距离d，得到水深H＝d+L。
其中P为压力变送器7所测压力，
σ为液体密度，即水的密度，
g为重力加速度，
H为液体深度，
如前所述，根据现场情况由用户配置决定采用哪种水深测量方式。
另外，用户在安装配置流量检测装置时，还会将待测管道的形状尺寸D、探头安装位置d、沉积物高度a三个指标配置到流量计主机2中。流量计主机2根据这三个固定参数和测出的水深H可计算出流水的截面积S。当水深H大于管道直径时，则认为是满管,截面积S为管道截面减去沉积物面积。
根据前面计算出的流速v和截面积S，根据面积速度法公式即可得到排水管道中的流量：流量Q＝流水截面积S×流速v。
实施例3：
本申请实施例是应用实施例，上述实施例1中可用于非满管排水管道流量测量装置的安装和配置过程，参见图1。
组成结构为一个流线型探头1固定于管道靠近底部的位置，流量计主机2悬挂于检查井壁上，流量计主机2和流线型探头1之间通过防水电缆3连接。
步骤S301，首先将防水流线型探头1水平固定到管道靠近底部的位置，一般选择正面朝向来水方向，参见图2；如果管道底部有污泥沉积，则必须将防水探头安装在沉积层的上侧；将流量计主机2安装于检查井壁上；
步骤S302，安装探头完毕后，测量并记录安装尺寸，分别是管道底部污泥层厚度a，探头上表面距管道底部安装距离d，排水管道直径D，若是方管则记录宽度和高度，参见图4；
步骤S303，将管道形状，如圆形，方形等在上位机配置工具中设定；填写管道直径或宽、高参数；填写污泥层厚度a，填写探头上表面距管底安装距离d。
步骤S304，根据管道的安装情况选择是否启用超声波液位测量、是否启用压力变送器7液位测量或两者同时启用。当管道中悬浮物较少时首选启用超声波液位测量，如果悬浮物较多或探头无法水平安装，则选择启用压力变送器7方式，也可以二者同时启用，由流量计主机2智能进行比较二者的结果，选择更可信的液位。
步骤S305，配置流量计主机2采样和上传间隔时间等参数；
本实施例的可用于非满管排水管道流量测量装置的安装和配置过程，通过集成了5个传感器的防水流线型探头1，将水下作业的难度最大程度的简化，具有充分的实施可行性。通过配置污泥层厚度a，探头距管道底距离d，排水管道直径D，管道形状等将排水管道截面模型精确的建立起来，排除了污泥层对流量的影响，同时适用于测量非满管和满管情况，使流量计算更加精确。
实施例4：
本实施例提供一种可用于非满管排水管道流量测量装置的工作过程，其流程图参见图5，这里只说明与流量测量有关的过程：
步骤S401，采样定时时间到，MCU从休眠中唤醒，MCU控制供电电路向温度传感器9供电，通过RS485总线读取温度传感器9的温度t，关闭温度传感器9电路供电。
步骤S402，向压力变送器7供电，通过RS485总线读取压力变送器7的压力值P，关闭压力变送器7电路供电。
步骤S403，向FPGA运算模块35电路供电，将上述测量的水温t送入FPGA运算模块35进行运算，根据公式c＝1557-0.0245×(74-t)2m/s计算出当前水温下的声音在水中的传播速度c。
另一种方法是将上述测量的水温t送入FPGA运算模块35，FPGA根据预存的温度-水中声速对应表，通过查表法查出当前水温下的声音在水中的传播速度c。
步骤S404，将上述测量的压力值P送入FPGA运算模块35运算，由于水的密度σ，重力加速度g为已知量，FPGA运算模块35根据公式P＝σ×g×h，计算出换能器距水面13的距离h。由于探头厚度为已知常量c，则换能器上表面距水面距离L＝h-c，计算完成后，FPGA运算模块35向MCU主控模块36给出完成信号，MCU主控模块36从FPGA运算模块35中取出液位测量结果。
步骤S405，MCU主控模块36控制向超声波液位测量电路(也就是超声波液位测量模块32)供电，MCU主控模块36向FPGA运算模块35发送启动液位测量的脉冲信号，FPGA运算模块35产生一簇PWM激励脉冲，频率与使用的水声换能器频率一致，并开始计时，PWM激励脉冲送驱动电路产生差分放大后的驱动信号，通过电缆驱动防水探头顶部的水声换能器，由下向上发射声波并接收回波，回波声信号通过压电效产生的电信号通过电缆返回到接收电路，较弱的回波电信号经可变增益运放放大后，通过比较器与一个门限电压进行比较，门限电压的取值一般为超声波液位测量电路最小量程对应的最大振幅的50％至75％，得到回波信号的触发脉冲，触发FPGA运算模块35停止计时，从而得到从发送到接收回波的时间差T。根据液位测量的公式L＝(c×T)/2，代入步骤S403计算出的水中的传播速度c，可测量出水面距第三水声换能器表面的距离L。计算完成后，FPGA运算模块35向MCU主控模块36给出完成信号，MCU主控模块36控制关断超声波液位测量电路供电，并从FPGA运算模块35中取出液位测量结果。
步骤S402，S404和S405分别是采用压力变送器7测量水深和采用超声波测量水深，实际根据实施例3步骤S304的配置决定是运行步骤S402+S404还是运行步骤S405，还是都运行。
步骤S406，MCU主控模块36控制向超声多普勒流速测量电路供电，MCU主控模块36向FPGA运算模块35发送启动流速测量的脉冲信号，FPGA运算模块35启动一次流速测量过程。首先FPGA运算模块35控制D/A转换芯片产生频率为f0正弦波模拟信号，送入驱动电路产生差分放大后的驱动信号，通过电缆驱动防水探头中的发送用的第一水声换能器61(Y1)，向水中发出超声波，超声波在水中遇到来水中杂质、气泡、泥沙等的发射。
反射波被防水探头中接收用的第二水声换能器62(Y2)接收，换能器通过压电效应产生频移后的电信号，通过电缆送入主机中的可变增益运放电路进行放大，放大后经带通滤波电路取出f0频率附近的信号送入A/D转换芯片，FPGA运算模块35控制A/D转换芯片对放大和滤波后的信号进行采样，转换成一组离散的数字量，进行快速傅里叶变换(FFT)，将采样的信号从时域转换到频域，并从生成的频谱上取出幅值最大的频率点f1。FPGA运算模块35将发射频率f0、回波频率f1、夹角θ、水温t下的水中声速c，代入公式v＝(f1-f0)×c/(f1+f0)×cosθ运算得出当前来水流速v。
计算完成后，FPGA运算模块35向MCU主控模块36给出完成信号，MCU主控模块36从FPGA中取出流速测量结果v，并关断超声多普勒流速测量电路供电。
步骤S207，MCU主控模块36将预先配置的沉积物高度a，探头距管底的安装距离d，管道内直径D和管道形状，如图4，送入FPGA运算模块35，FPGA运算模块35将第三水声换能器8(Y3)距水面13的距离L与探头距管底的安装距离d相加得到管道中的水深H。
FPGA运算模块35通过预存的各种管道形状的平面几何计算模型，计算流水截面积S。
FPGA运算模块35根据前面计算出的流速v和截面积S，根据面积速度法公式流量Q＝流水截面积S×流速v计算得到排水管道中的流量。完成流量测量过程后，FPGA运算模块35向MCU主控模块36给出完成信号，MCU主控模块36从FPGA中取出流量测量结果Q，并关断FPGA运算模块35电路供电，完成流量测量过程。MCU主控模块36进入低功耗的休眠状态，直到下次采样定时时间的到来。
本实施例所述的一种可用于非满管排水管道流量测量装置的工作过程，通过集成了5个传感器的探头、相应的传感器电路、FPGA和主控MCU，通过控制多种传感器分时上电工作完成采集，并发挥FPGA硬件运算能力，配合管道截面模型，完成温度、水深、流速、流量的测量，与现有技术相比，实现了非满管测量、运算速度快、功耗低、流量测量精确等优点，并具备充分的现实施工可行性。
与现有技术相比，本发明所述的可用于非满管排水管道的流量测量装置，达到了如下效果：
通过一个集成了5个传感器的流线型探头和主机的分体式结构，简化了流量计的安装维护困难问题。只需安装一个探头即可测量流速、水深、温度三个指标，满管和非满管工况下均可测量，解决了现有流量测量技术要么在管外无法实现的非满管测量，要么需要在管内安装多个探头，不具施工可行性的问题，具有较高的实用价值；
通过超声多普勒频移的原理，一个探头即可实现流速测量。通过超声波和压力变送器两种深度测量方式，满足了各种复杂现场条件下的水深的测量。通过温度传感器测量的温度补偿了水温对声音在水中传输速度的影响，使深度和流速的测量值更加精确；
流线型探头的设计，减少对水流的影响，且不易受垃圾干扰；
特殊结构的导气电缆，除了能保证探头内部与外界大气压连通的作用外，还具备防潮功能。干燥剂中枢的设计很容易更换，具有很高的实用价值；
通过管道截面的计算模型，和对管道参数的配置，避免了管道沉积物对流量测量的影响；
流量计主机低功耗工作模式的设计，延长了使电池使用时间，使流量计更加适用于现场无供电的安装条件，减少人工维护。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种可用于非满管排水管道的流量测量装置，其特征在于，为分体式结构，包括流线型探头和流量计主机，所述流线型探头和流量计主机通过防水电缆相连接，其中，
所述流线型探头为全封闭防水结构，其中所述流线型探头的前端并列设有第一水声换能器和第二水声换能器、顶端设有第三水声换能器、底部设有压力变送器和后端设有温度传感器，其中，
所述第一水声换能器和第二水声换能器分别与所述流量计主机相耦接，利用超声多普勒原理，通过测量回波的频率相对发射波频率的偏移量，来计算水流速，其中第一水声换能器用于发送信号、第二水声换能器用于接收信号；
所述第三水声换能器与所述流量计主机相耦接，从水下向水面垂直发射声波，通过测量发射和接收声波的时间间隔来计算液面高度；
所述流线型探头底部的压力变送器与所述流量计主机相耦接，通过测量正面水压和背面大气压的差，来计算液面高度；
根据现场条件进行设置启用所述第三水声换能器或所述压力变送器：由于流水的冲击压力会导所述压力变送器的测量精度低于所述第三水声换能器的测量精度，
当现场条件允许所述流线型探头水平安装于管道底部，且水中漂浮的垃圾较少时，则采用所述第三水声换能器方式测量；
当现场条件不允许所述流线型探头水平安装于管道底部，且水中漂浮的垃圾较多时，则采用所述压力变送器方式测量；
所述流线型探头后端的温度传感器与所述流量计主机相耦接，用于水流速和液面高度计算时的温度补偿；
防水电缆中含有信号线和导气管，防水电缆的靠近流量计主机端设置一个干燥剂中枢，防水电缆的导气管通过防水插头中的第二气室与干燥剂中枢的导气管相连，防水电缆中剩余的信号线通过防水插头连接至流量计主机的防水接口；干燥剂中枢为中空结构，内置可更换的干燥剂，用于吸收窨井中潮湿空气的水分，干燥剂中枢具有可拆卸的带气孔底盖；
流量计主机中包括超声多普勒流速测量模块、超声波液位测量模块、压力变送器测量模块、温度测量模块、FPGA运算模块、MCU主控模块、电池和稳压电源模块、GPRS通讯模块和调试接口电路，其中，
所述超声多普勒流速测量模块，分别与所述第一水声换能器、第二水声换能器、电池和稳压电源模块和FPGA运算模块相耦接；
所述超声波液位测量模块，分别与所述第三水声换能器、电池和稳压电源模块和FPGA运算模块相耦接；
所述压力变送器测量模块，分别与所述流线型探头底部的压力变送器、电池和稳压电源模块和MCU主控模块相耦接；
所述压力变送器测量电路与MCU主控模块相耦接，MCU主控模块通过RS485接口经防水电缆读取流线型探头底部压力变送器的水压数据P，压力变送器内部腔体中气室通过导管与外部大气压连通，压力变送器测量的压力值等于水柱产生的压力，根据公式P＝σ×g×h计算出压力变送器距水面的距离h，其中，σ为水的密度，g为重力加速度；由于探头厚度为已知常量c,则水面距探头上表面距离L＝h-c，根据探头上表面距管底距离d得到水深H＝d+L；
在安装配置所述流量测量装置时，将待测管道的形状尺寸D、探头安装位置d、沉积物高度a三个指标配置到流量计主机中，流量计主机根据这三个固定参数和测出的水深H可计算出流水截面积S；当水深H大于管道直径时，则认为是满管，流水截面积S为管道截面减去沉积物面积，
根据面积速度法公式得到排水管道中的流量：
流量Q＝流水截面积S×流速v；
所述温度测量模块，分别与所述流线型探头后端的温度传感器、电池和稳压电源模块和MCU主控模块相耦接；
所述FPGA运算模块，分别与所述超声多普勒流速测量模块、超声波液位测量模块、电池和稳压电源模块和MCU主控模块相耦接；
所述电池和稳压电源模块，分别与所述超声多普勒流速测量模块、超声波液位测量模块、压力变送器测量模块、温度测量模块、FPGA运算模块、MCU主控模块、GPRS通讯模块和调试接口电路相耦接；
所述MCU主控模块，分别与所述FPGA运算模块、电池和稳压电源模块、压力变送器测量模块、温度测量模块、GPRS通讯模块和调试接口电路相耦接；
所述GPRS通讯模块，分别与所述MCU主控模块、和电池和稳压电源模块相耦接；
所述调试接口电路，分别与所述MCU主控模块、和电池和稳压电源模块相耦接。
2.根据权利要求1所述的可用于非满管排水管道的流量测量装置，其特征在于，所述电池和稳压电源模块，进一步为锂亚电池和稳压电源电路，备有大容量锂亚电池，稳压电源电路将电池供电产生一路用于低功耗MCU和调试接口电路用的数字电路供电VDD1，一路可关断的用于FPGA及相关运算的数字电路供电VDD2，一路可关断的用于通讯模块供电的数字电路供电VDD3，一路可关断的用于流速、液位、压力、温度采样的模拟电路供电VCC。
3.根据权利要求1所述的可用于非满管排水管道的流量测量装置，其特征在于，所述超声多普勒流速测量模块包括用于产生正弦波发射信号的D/A转换电路、驱动电路和用于接收信号的可变增益运放电路、带通滤波电路和A/D转换电路组成，其中，
所述D/A转换电路，分别与所述FPGA运算模块和驱动电路相耦接；
所述驱动电路，分别与所述D/A转换电路和第一水声换能器相耦接；
所述可变增益运放电路，分别与所述第二水声换能器和带通滤波电路相耦接；
所述带通滤波电路，分别与所述可变增益运放电路和A/D转换电路相耦接；
所述A/D转换电路，分别与所述带通滤波电路和FPGA运算模块相耦接。
4.根据权利要求1或3所述的可用于非满管排水管道的流量测量装置，其特征在于，所述FPGA运算模块控制D/A转换电路产生频率为f0的正弦波模拟信号，发送至驱动电路差分放大后驱动第一水声换能器，第二水声换能器接收到水中杂质返回的水声回波信号，通过压电效应产生频移后的电信号，通过可变增益运放电路放大，带通滤波电路取出f0频率附近的信号送入A/D转换电路，FPGA运算模块控制A/D转换电路对放大和滤波后的电信号进行采样，转换成一组离散的数字量，进行快速傅里叶变换FFT，将采样的信号从时域转换到频域，并从生成的频谱上取出幅值最大的频率点f1，按照下式根据多普勒频移的原理计算出来水流速，
v＝(f1，f0)×c/(f1+f0)×cosθ，
其中f0为发射频率，f1为回波频率，θ为发射信号平面垂线与管道水平线夹角，c为水中声速。
5.根据权利要求4所述的可用于非满管排水管道的流量测量装置，其特征在于，所述水中声速c按照下式计算得到：
c＝1557-0.0245×(74-t)2m/s，
其中，t为水温，用于补偿温度变化引起水中声速c的变化。
6.根据权利要求1所述的可用于非满管排水管道的流量测量装置，其特征在于，所述超声波液位测量模块，包括发射脉冲的驱动电路和接收用的可变增益运放和比较器，FPGA运算模块产生一组PWM激励脉冲，并开始计时，激励脉冲送入的驱动电路，产生差分放大的驱动信号后，驱动第三水声换能器，由下向上发射声波并接收回波，回波声信号通过压电效产生的电信号，经可变增益运放放大后，通过比较器与门限电压进行比较，得到回波信号的触发脉冲，触发FPGA运算模块停止计时，从而得到从发送到接收回波的时间差，根据液位测量的公式为L＝(c×T)/2测量出水面距第三水声换能器表面的距离，第三水声换能器即是流线型探头上表面，根据流线型探头上表面距管底距离d得到水深H＝d+L，其中水中声速c根据下式计算得到：
c＝1557-0.0245×(74-t)2m/s。
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