CN110486628A - 一种排水管道高精度液位监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排水管道高精度液位监测系统及方法，该系统包括压强监测装置、压强基准装置和液位确定单元；压强监测装置包括第一压强测量单元和射频通信单元，第一压强测量单元用于按照预设时间间隔测量排水管道内壁所承受的绝对压强，即第一压强，射频通信单元用于向周围广播携带第一压强的第一数据；压强基准装置位于排水管道外，包括第二压强测量单元和无线通信单元，第二压强测量单元用于测量压强监测装置周围的大气压强，即第二压强，无线通信单元用于接收所述射频通信单元广播的第一数据；液位确定单元用于根据第一压强和第二压强确定液面相对于压强监测装置的液位高度。本发明能够摆脱安装限制和环境限制，大幅提高监测精度。

Description

一种排水管道高精度液位监测系统及方法

技术领域

本发明涉及管道液位监测技术领域，特别是涉及一种排水管道高精度液位监测系统及方法。

背景技术

城市排水管网是指汇集和排放污水、废水和雨水的管道及其附属设施所组成的系统，是城市的重要基础设施。随着城市的飞速发展，城市排水已经成为制约城市快速发展的主要瓶颈。在管网运行过程中，由于生活垃圾、泥沙和工业垃圾等进入排水管道，随着时间的积累，在排水管道内逐渐形成淤泥堆积；如不能在淤泥堆积的初期及时发现问题，那么暴雨发生时，将导致污水外溢或者城市内涝，严重威胁到城市的发展和安全。

在排水管网的监测中，排水管道液位监测是非常重要的，因为它可以直观反映排水管网的运行状态。通过排水管道液位监测，可提升城市水务管理部门对排水管网的管理效率，提高城市的预洪、防洪能力。

目前，排水管道液位监测主要依靠超声波液位监测法和投入式压力液位监测法。超声波液位监测法需要在垂直连接排水管道的检修井中设置超声波探头，根据超声波探头发射的超声波的回波来检测液位，然而，超声波探头功耗较大，难以长时间运行，而且垃圾等杂物会造成误检测。

投入式压力液位监测法需要在垂直连接排水管道的检修井中设置监测器，监测器通过线缆将液位计探头吊放至排水管道中，然而，液位计探头的体积过大，液位计探头和线缆均容易缠绕垃圾等杂物，反而容易造成淤堵，而且液位计探头还会随着水流摆动，造成检测精度大幅下降。此外，投入式压力液位监测法无法在两个检修井之间的排水管道布置液位计探头，当两个检修井之间的排水管道长度较大时(有的达到100米)，投入式压力液位监测法无法检测两个检修井之间的排水管道的液位。

因此，超声波液位监测法和投入式压力液位监测法都需要依靠检修井，并不适合安装在排水管道内部，所以无法直观反映排水管道内部的液位及淤堵情况，可靠性均很低。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种排水管道高精度液位监测系统及方法，能够摆脱安装限制和环境限制，大幅提高监测精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种排水管道高精度液位监测系统，包括压强监测装置、压强基准装置和液位确定单元；所述压强监测装置包括第一压强测量单元和射频通信单元，所述压强监测装置安装于排水管道内壁上，其上设有引压孔并引出有金属天线，所述金属天线沿排水管道内周贴设，且到达或接近排水管道内壁顶点，所述第一压强测量单元用于按照预设时间间隔通过引压孔测量第一压强，所述射频通信单元用于通过金属天线向周围广播携带第一压强的第一数据，其中，所述第一压强为排水管道内壁所承受的绝对压强；所述压强基准装置位于排水管道外，所述压强基准装置包括第二压强测量单元和无线通信单元，所述第二压强测量单元用于测量第二压强，所述无线通信单元用于接收所述射频通信单元广播的第一数据，其中，所述第二压强为所述压强监测装置周围的大气压强；所述液位确定单元用于根据所述第一压强和第二压强确定液面相对于压强监测装置的液位高度。

作为本发明的一个优选实施例，所述压强监测装置为多个，所述排水管道高精度液位监测系统还包括后台服务器，所述液位确定单元集成于后台服务器或者压强基准装置，当所述液位确定单元集成于后台服务器时，所述无线通信单元还用于向所述后台服务器发送携带第一数据和第二压强的第二数据；当所述液位确定单元集成于压强基准装置时，所述无线通信单元还用于向所述后台服务器发送携带第一数据、第二压强以及液位高度的第二数据；所述后台服务器用于存储第二数据，以及在相邻两个或多个压强监测装置所对应的液位高度的差值大于预定阈值时，生成淤堵告警信息。

作为本发明的一个优选实施例，所述后台服务器还用于通过所述压强基准装置向压强监测装置发送用户设置的测量间隔调节指令，所述第一压强测量单元还用于根据测量间隔调节指令改变预设时间间隔的大小。

作为本发明的一个优选实施例，所述压强基准装置为多个，所述压强基准装置固定安装于与排水管道垂直连接的检修井的井壁上。

作为本发明的一个优选实施例，所述压强基准装置为便携式移动终端，当所述压强基准装置移动至所述压强监测装置附近时，所述无线通信单元接收第一数据。

作为本发明的一个优选实施例，所述引压孔的孔口朝向与排水管道的水流方向相同。

作为本发明的一个优选实施例，所述压强监测装置相对于排水管道内壁底点的安装高度大于排水管道管径的五分之一。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种排水管道高精度液位监测方法，包括以下步骤：按照预设时间间隔测量排水管道内监测点所处位置的第一压强，其中，所述监测点位于排水管道内壁上，所述第一压强为排水管道内壁所承受的绝对压强；测量排水管道外的第二压强，其中，所述第二压强为所述监测点周围的大气压强；根据所述第一压强和第二压强确定液面相对于监测点的液位高度。

作为本发明的一个优选实施例，所述监测点为多处，所述排水管道高精度液位监测方法还包括：在相邻两个或多个监测点所对应的液位高度的差值大于预定阈值时，生成淤堵告警信息。

作为本发明的一个优选实施例，所述排水管道高精度液位监测方法还包括：根据用户设置的测量间隔调节指令改变预设时间间隔的大小。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

(1)监测精度不受地域影响；

(2)监测精度不受季节或天气影响；

(3)监测精度不受排水管道的铺设坡度影响；

(4)监测精度不受海拔影响；

(5)压强监测装置可在排水管道埋入地下前安装，管径在400毫米以上的排水管道也可在埋入地下后安装，使用方便灵活；

(6)相对于现有技术监测精度更高，甚至能监测2毫米的微小液位变化；

(7)压强监测装置可以浸没在水中，不会受到水流的影响。

附图说明

图1是本发明实施例的排水管道高精度液位监测系统的安装示意图。

图2是图1所示的排水管道的截面示意图。

图3是图1所示的排水管道高精度液位监测系统的压强监测装置的原理框图。

图4是图1所示的排水管道高精度液位监测系统的压强基准装置的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1至图4，本发明实施例的排水管道高精度液位监测系统包括压强监测装置10、压强基准装置20和液位确定单元30；

压强监测装置10包括第一压强测量单元11和射频通信单元12，压强监测装置10安装于排水管道100内壁上，其上设有引压孔13并引出有金属天线14，金属天线14沿排水管道100内周贴设，且到达或接近排水管道100内壁顶点，第一压强测量单元11用于按照预设时间间隔通过引压孔13测量第一压强，射频通信单元12用于通过金属天线14向周围广播携带绝对压强的第一数据，其中，第一压强为排水管道100内壁所承受的绝对压强。

压强监测装置10优选采用电池供电，并固定安装在排水管道100内壁上。对于不同材质的排水管道100，可以采用不用的安装方式，例如通过热熔胶粘贴或者点焊焊接等。压强监测装置10可以通过防水壳体进行封装，且厚度尽量减小，以尽量减小对排水管道100排水的影响。金属天线14可以采用柔性金属材质，例如铜箔，可以与排水管道100的内壁保持贴合，这样，当压强监测装置10被水淹没时，只要金属天线14没有被水淹没，射频通信单元12仍然可以通过金属天线14与外界保持射频通信。考虑到天线需要绝缘、防水、防腐蚀，金属天线14除顶端部分外，其余部分均包裹绝缘防腐层。

压强基准装置20位于排水管道100外，压强基准装置20包括第二压强测量单元21和无线通信单元22，第二压强测量单元21用于测量第二压强，无线通信单元22用于接收射频通信单元12广播的第一数据，其中，第二压强为压强监测装置10周围的大气压强。

压强基准装置20虽然位于排水管道100外，但是距离压强监测装置10很近，可以设定在1-3米之内，这样，第二压强测量单元21测量到的大气压强基本等于压强监测装置10所处位置的大气压强。无线通信单元22由于能够接收射频通信单元12广播的数据，显而易见，其应当具有射频通信功能。

液位确定单元30用于根据绝对压强和大气压强确定液面相对于压强监测装置10的液位高度。根据液体压强的计算公式P＝ρ*g*h+P₀，其中，P为第一压强、ρ为液体密度，对于雨水或污水来说，其密度近似等于1g/cm³、g为重力加速度、h为液面相对于压强监测装置10的液位高度、P₀为第二压强，公式中仅有h为未知，通过计算可以确定h。

在本实施例中，压强监测装置10为多个，排水管道高精度液位监测系统还包括后台服务器40，液位确定单元30集成于后台服务器40或者压强基准装置20，当液位确定单元30集成于后台服务器40时，无线通信单元22还用于向后台服务器40发送携带第一数据和第二压强的第二数据；当液位确定单元30集成于压强基准装置20时，无线通信单元20还用于向后台服务器40发送携带第一数据、第二压强以及液位高度的第二数据。后台服务器40用于存储第二数据，以及在相邻两个或多个压强监测装置10所对应的液位高度的差值大于预定阈值时，生成淤堵告警信息。

排水管网具有的排水管道100不仅长且多，因此需要设置多个压强监测装置10，将这些压强监测装置10间隔布置于排水管道100中，例如间隔20米布置一个压强监测装置10。无线通信单元20由于还需要与后台服务器40进行远程通信，因此，无线通信单元20除了具有射频通信功能外，还应当具有无线通信功能，例如为NB-IoT通信功能或4G通信功能。

对于液位确定单元30，其集成于后台服务器40还是压强基准装置20均不影响确定液面相对于压强监测装置10的液位高度，为了简化压强基准装置20的功能和降低功耗，可以将液位确定单元30集成于后台服务器40，由后台服务器40统一计算每个压强监测装置10的液面相对于压强监测装置10的液位高度，为了提高液位计算的实时性，则可以将液位确定单元30集成于压强基准装置20。

后台服务器40可以根据液位高度发出管道淤堵告警，例如以400毫米管径的排水管道为例，相邻两个压强监测装置10所对应的液位高度相差100毫米，若预设阈值为50毫米，则后台服务器40生成淤堵告警信息，管道维护人员可以根据淤堵告警信息及时到该两个压强监测装置10所在位置进行检修和疏堵，以达到预洪的目的。

第一压强测量单元11的测量间隔为预设时间间隔，在初始化时就已经设定好，然而，在某些情况下，第一压强测量单元11的测量间隔可以适当增大或者减小，例如在旱季时，可以增大第一压强测量单元11的测量间隔，在雨季或者暴雨天气，可以减小第一压强测量单元11的测量间隔，这样，一来可以降低功耗，二来可以提高防洪预警能力。第一压强测量单元11的测量间隔可以由后台服务器40进行远程调节，在本实施例中，后台服务器40还用于通过压强基准装置20向压强监测装置10发送用户设置的测量间隔调节指令，第一压强测量单元11还用于根据测量间隔调节指令改变预设时间间隔的大小。

压强基准装置20作为第一压强的转发装置以及第二压强的测量装置，其可以为固定终端或者便携式移动终端。在本实施例中，压强基准装置20为多个，压强基准装置20固定安装于与排水管道100垂直连接的检修井110的井壁上。在其他一些实施例中，压强基准装置20为便携式移动终端，当压强基准装置20移动至压强监测装置10附近时，无线通信单元22接收第一数据。

压强基准装置20为固定终端还是便携式移动终端取决于管道维护需求，对于不便于人工巡检的路段，压强基准装置20为固定终端，可以在不依靠人工巡检的情况下及时测量第二压强和发送第一压强、第二压强至后台服务器40；对于需要人工巡检的路段，压强基准装置20为便携式移动终端，巡检员手持压强基准装置20沿管道行进，每接近一个压强监测装置10，压强基准装置20接收该压强监测装置10测量到的绝对压强，同时测量第二压强，将第一压强和第二压强发送至后台服务器40。进一步的，压强基准装置20还可以有全球定位功能，压强基准装置20可以进行定位得到定位信息，定位信息可以携带在第二数据中发送给后台服务器40。

需要注意的是，当压强监测装置10为多个时，为了区分这些压强监测装置10，压强监测装置10可以预先绑定唯一识别号，例如为MAC地址，第一数据可以携带唯一识别号，后台服务器40可以根据唯一识别号来区分每个压强监测装置10测量到的第一压强，这属于本领域常见技术。同样的，如果压强基准装置20为多个，压强基准装置20也可以预先绑定唯一识别号，第二数据也可以携带唯一识别号。

由于第一压强测量单元11通过引压孔13测量第一压强，为了避免引压孔13被泥沙等杂物堵塞，在本实施例中，引压孔13的孔口朝向与排水管道100的水流方向相同。

由于排水管道100中会存在泥沙淤积，而通常管道维护标准允许的最大积泥深度不超过管道直径的五分之一，为了避开泥沙的最大积泥深度，因此，压强监测装置20相对于排水管道100内壁底点的安装高度大于排水管道100管径的五分之一，例如压强监测装置20的安装高度为排水管道100管径的四分之一。这样，当压强监测装置20没有被水淹没时，压强监测装置20测量到的第一压强等于压强基准装置10测量到的第二压强，那么液位确定单元30计算到的液位高度为0。

本发明实施例还提供一种排水管道高精度液位监测方法。该方法包括：

步骤一：按照预设时间间隔测量排水管道内监测点所处位置的第一压强，其中，监测点位于排水管道内壁上，第一压强为排水管道内壁所承受的绝对压强；

步骤二：测量排水管道外的第二压强，其中，第二压强为监测点周围的大气压强；

步骤三：根据第一压强和第二压强确定液面相对于监测点的液位高度。

其中，根据液体压强的计算公式P＝ρ*g*h+P₀，其中，P为第一压强、ρ为液体密度，对于雨水或污水来说，其密度近似等于1g/cm³、g为重力加速度、h为液面相对于压强监测装置10的液位高度、P₀为第二压强，公式中仅有h为未知，通过计算可以确定h。

在本实施例中，监测点为多处，排水管道高精度液位监测方法还包括：

步骤四：在相邻两个或多个监测点所对应的液位高度的差值大于预定阈值时，生成淤堵告警信息。

在本实施例中，排水管道高精度液位监测方法还包括：

步骤五：根据用户设置的测量间隔调节指令改变预设时间间隔的大小。

通过上述方式，本发明实施例的排水管道高精度液位监测系统及方法采用压强监测方式来测量管道内的液位，测量结果不会受到管道内其他垃圾杂物的影响，也不会受到水流冲击的影响，从而能够摆脱安装限制和环境限制，大幅提高监测精度。本领域技术人员应当知晓，本发明实施例的排水管道高精度液位监测系统及方法还可以应用于其它任何液位监测领域，在不改变本发明主旨的情况下，均在本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种排水管道高精度液位监测系统，其特征在于，包括压强监测装置、压强基准装置和液位确定单元；

所述压强监测装置包括第一压强测量单元和射频通信单元，所述压强监测装置安装于排水管道内壁上，其上设有引压孔并引出有金属天线，所述金属天线沿排水管道内周贴设，且到达或接近排水管道内壁顶点，所述第一压强测量单元用于按照预设时间间隔通过引压孔测量第一压强，所述射频通信单元用于通过金属天线向周围广播携带第一压强的第一数据，其中，所述第一压强为排水管道内壁所承受的绝对压强；

所述压强基准装置位于排水管道外，所述压强基准装置包括第二压强测量单元和无线通信单元，所述第二压强测量单元用于测量第二压强，所述无线通信单元用于接收所述射频通信单元广播的第一数据，其中，所述第二压强为所述压强监测装置周围的大气压强；

所述液位确定单元用于根据所述第一压强和第二压强确定液面相对于压强监测装置的液位高度。

2.根据权利要求1所述的排水管道高精度液位监测系统，其特征在于，所述压强监测装置为多个，所述排水管道高精度液位监测系统还包括后台服务器，所述液位确定单元集成于后台服务器或者压强基准装置，当所述液位确定单元集成于后台服务器时，所述无线通信单元还用于向所述后台服务器发送携带第一数据和第二压强的第二数据；当所述液位确定单元集成于压强基准装置时，所述无线通信单元还用于向所述后台服务器发送携带第一数据、第二压强以及液位高度的第二数据；

所述后台服务器用于存储第二数据，以及在相邻两个或多个压强监测装置所对应的液位高度的差值大于预定阈值时，生成淤堵告警信息。

3.根据权利要求2所述的排水管道高精度液位监测系统，其特征在于，所述后台服务器还用于通过所述压强基准装置向压强监测装置发送用户设置的测量间隔调节指令，所述第一压强测量单元还用于根据测量间隔调节指令改变预设时间间隔的大小。

4.根据权利要求1或2所述的排水管道高精度液位监测系统，其特征在于，所述压强基准装置为多个，所述压强基准装置固定安装于与排水管道垂直连接的检修井的井壁上。

5.根据权利要求1或2所述的排水管道高精度液位监测系统，其特征在于，所述压强基准装置为便携式移动终端，当所述压强基准装置移动至所述压强监测装置附近时，所述无线通信单元接收第一数据。

6.根据权利要求1所述的排水管道高精度液位监测系统，其特征在于，所述引压孔的孔口朝向与排水管道的水流方向相同。

7.根据权利要求1所述的排水管道高精度液位监测系统，其特征在于，所述压强监测装置相对于排水管道内壁底点的安装高度大于排水管道管径的五分之一。

8.一种排水管道高精度液位监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照预设时间间隔测量排水管道内监测点所处位置的第一压强，其中，所述监测点位于排水管道内壁上，所述第一压强为排水管道内壁所承受的绝对压强；

测量排水管道外的第二压强，其中，所述第二压强为所述监测点周围的大气压强；

根据所述第一压强和第二压强确定液面相对于监测点的液位高度。

9.根据权利要求8所述的排水管道高精度液位监测方法，其特征在于，所述监测点为多处，所述排水管道高精度液位监测方法还包括：

在相邻两个或多个监测点所对应的液位高度的差值大于预定阈值时，生成淤堵告警信息。

10.根据权利要求9所述的排水管道高精度液位监测方法，其特征在于，所述排水管道高精度液位监测方法还包括：

根据用户设置的测量间隔调节指令改变预设时间间隔的大小。