CN110924476A - 一种带水流量测量功能的智能消火栓及水流量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带水流量测量功能的智能消火栓及水流量测量方法，属于水流量智能测量技术领域，具体结构包括消火栓本体、阀杆总成和消火栓帽，所述阀杆总成安装于所述消火栓本体内，所述消火栓帽安装于所述消火栓本体的上端面，所述阀杆总成中的阀杆上安装有水流测量装置，用于测量消防栓内的水流量；所述水流测量装置包括安装板、反射组件和两个超声波换能器，两个所述超声波换能器通过所述安装板安装于所述阀杆上且沿阀杆轴向方向依次分布，各所述超声波换能器均朝向所述反射组件并朝反射组件发射超声波，并经反射组件将超声波反射而被另一超声波换能器所接收。本发明的整体技术方案具有结构简单、能够测量水流量及压力，且测量简便等优点。

Description

一种带水流量测量功能的智能消火栓及水流量测量方法
技术领域
本发明主要涉及水流量智能测量技术领域，特指一种带水流量测量功能的智能消火栓及水流量测量方法。
背景技术
消火栓是设置在建筑物外的消防给水管网上的供水设施，主要供消防车从市政给水管网或室内消防给水管网取水实施灭火，也可以直接连接水带、水枪出水灭火。因此，室外消火栓系统也是扑救火灾的重要消防设施之一。在城市内消火栓海量存在，分布范围广，维护、管理成本高且难以及时应对突发事件，有效的消防救援，就必须保障消火栓能正常供水且水压正常。而目前通过消火栓非法偷盗用水、阀门破坏、阀门未关严、闷盖丢失、闷盖未拧紧等情况导致漏水的现象较严重，造成了公共水资源浪费。
当前市场上许多针对消火栓进行监测的产品大多围绕消火栓闷盖做研究，但消防栓闷盖易丢失，且无法监测消火栓漏水、消火栓水压等情况，无法满足消防或供水部门的实际需求。如专利CN109024773A描述了一种智能消火栓阀体，但未解决水压测量装置的防水问题，阀体具有水位监测功能，不能应对南北方的气候差异而所采用的消火栓维护工作，如在北方，因冰冻原因，必须要将消火栓内的水放空以杜绝消火栓结冰导致消火栓失效，而在南方，则不强制要求将消火栓内的残余水放空，甚至大部分消火栓没有设置残余水放空阀。同时，对于供水部门，为有效降低供水漏损，需要实时监测消火栓是否漏水，在此方案中无法实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、能够测量水流量并且测量简便的带水流量测量功能的智能消火栓及水流量测量方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种带水流量测量功能的智能消火栓，包括消火栓本体、阀杆总成和消火栓帽，所述阀杆总成安装于所述消火栓本体内，所述消火栓帽安装于所述消火栓本体的上端面，所述阀杆总成中的阀杆上安装有水流测量装置，用于测量消防栓内的水流量；所述水流测量装置包括安装板、反射组件和两个超声波换能器，两个所述超声波换能器通过所述安装板安装于所述阀杆上且沿阀杆轴向方向依次分布，各所述超声波换能器均朝向所述反射组件并朝反射组件发射超声波，并经反射组件将超声波反射而被另一超声波换能器所接收。
作为上述技术方案的进一步改进：
两个所述超声波换能器发射的超声波均垂直于所述阀杆；所述反射组件包括两个反射板，均对应安装于两个所述超声波换能器的正前方，各反射板的反射面均朝向另一超声波换能器且与阀杆的轴向方向呈45度角。
所述安装板通过绑带固定于所述阀杆上。
所述阀杆总成包括阀杆、阀板总成、法兰盘、丝杆和开关手柄；所述法兰盘安装于所述消火栓本体上，所述开关手柄的一端穿过所述法兰盘与所述丝杆螺纹连接，所述丝杆的另一端与所述阀杆的一端相连，所述阀杆的另一端连接阀板总成。
所述阀板总成包括连接部、阀板和密封层；所述连接部的一端与所述阀杆连接，另一端与阀板连接，所述密封层安装于所述阀板的密封面上，所述密封层内安装有绝压传感器。
所述绝压传感器通过树脂胶灌封在所述密封层内且压力感应面与外部环境接触。
所述连接部的一端设有连接孔，所述阀杆置于所述连接孔内并通过连接销固定于连接孔内。
所述消火栓帽内设置有控制器和气压传感器，所述控制器分别与所述气压传感器和绝压传感器相连，用于通过所述气压传感器测量的大气压力与绝压传感器测量得到的绝对压力得到消防供水的表压力。
所述消火栓帽密封安装于所述法兰盘上，所述消火栓帽上安装有气压呼吸阀。
所述法兰盘上设有密封轴承且套设于所述开关手柄上。
本发明还公开了一种基于如上所述的带水流量测量功能的智能消火栓的水流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、各超声波换能器同时朝对应反射组件发射超声波，经反射组件将超声波反射而被另一超声波换能器所接收；
S02、获知两个接收到的超声波传播时间之差，即可得到声道平均流速，从而计算水流速度和水流量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的带水流量测量功能的智能消火栓，通过水流测量装置实现对水流的监控，在水流达到一定值时，则可判断消火栓存在漏水现象；水流测量装置采用两个超声波换能器的方式，结构简单且测量简便。
本发明的带水流量测量功能的智能消火栓，通过绝压传感单元和气压传感单元之间的有机结合，能够实现对消火栓内部压力的精准测量，而且结构简单、易于实现。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中水流测量装置的立体结构示意图。
图3为本发明中水流测量装置的侧视结构示意图。
图4为本发明中阀板总成的结构示意图。
图5为本发明中水流测量原理图。
图6为本发明的控制框图。
图中标号表示：1、消火栓本体；2、阀杆总成；201、阀杆；202、阀板总成；2021、连接部；2022、阀板；2023、密封层；203、法兰盘；204、丝杆；205、开关手柄；3、消火栓帽；4、水流测量装置；401、安装板；402、固定座；403、超声波换能器；404、反射组件；4041、支架；4042、反射板；405、绑带；5、绝压传感器；6、控制器；7、气压传感器。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的带水流量测量功能的智能消火栓，包括消火栓本体1、阀杆总成2和消火栓帽3，阀杆总成2安装于消火栓本体1内，消火栓帽3安装于消火栓本体1的上端面，阀杆总成2中的阀杆201上安装有水流测量装置4，用于测量消防栓内的水流量；水流测量装置4包括安装板401、反射组件404和两个超声波换能器403，两个超声波换能器403通过安装板401安装于阀杆201上且沿阀杆201轴向方向依次分布，各超声波换能器403均朝向反射组件404并朝反射组件404发射超声波，并经反射组件404将超声波反射而被另一超声波换能器403所接收，通过两个超声波换能器403同时从上游和下游两个位置发出超声波脉冲，获知两个超声波脉冲传播时间之差，即可得到声道平均流速，从而计算水流速度和水流量。本实施例的智能消火栓，通过水流测量装置4实现对水流的监控，在水流达到一定值时，则可判断消火栓存在漏水现象；水流测量装置4采用两个超声波换能器403的方式，结构简单且测量简便。
如图2和图3所示，本实施例中，两个超声波换能器403通过固定座402固定于安装板401的两端，发射的超声波均垂直于阀杆201；反射组件404包括两个反射板4042，通过安装板401上的支架4041安装于两个超声波换能器403的正前方，各反射板4042的反射面均朝向另一超声波换能器403且与阀杆201的轴向方向呈45度角，结构简单、易于实现。其中安装板401通过绑带405（如扎带）固定于阀杆201上，拆装简便；当然，在其它实施例中，安装板401也可以通过螺栓等方式紧固在阀杆201上。进一步地，为了保证安装的牢靠性，安装板401的安装面可以做成与阀杆201的表面相匹配的圆弧面。
本发明还公开了一种基于如上所述的带水流量测量功能的智能消火栓的水流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、各超声波换能器403同时朝对应反射组件404发射超声波，经反射组件404将超声波反射而被另一超声波换能器403所接收；
S02、获知两个接收到的超声波传播时间之差，即可得到声道平均流速，从而计算水流速度和水流量。
具体地，两个超声波换能器403为收发一体的探头，分别为A探头和B探头，A探头发出的声波经两个反射板4042反射至被B探头接收。相反的由B探头发出的声波经两个反射板4042反射至被A探头接收。具体测量原理如图5所示，两个反射板4042之间的超声波与水流方向垂直时差为0，因此，顺逆流时差仅体现在两块反射板4042之间。
Figure 659023DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为顺流时所花时间（图5中A-B）；
Figure 763115DEST_PATH_IMAGE003
为逆流时所花时间（图5中B-A）；L为两个超声波换能器403之间的距离，C是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为超声波方向与水流方向夹角（本实施例中
Figure 480535DEST_PATH_IMAGE004
=0）。
Figure 875744DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 690116DEST_PATH_IMAGE002
之间的时间差为：
Figure 215643DEST_PATH_IMAGE005
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
上式简化为：
Figure 482676DEST_PATH_IMAGE007
得水流速度：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
本实施例中，无需精准水流速，将C默认为25度下的声速约1500m/s，代入上式，得水流速度最终计算公式：
V=1125000 *
Figure 619259DEST_PATH_IMAGE009
由上式可见，超声波换能器403之间的距离L越大，所能测量的水流速度越小，同时，还要兼顾大流速上限。因此两个超声波换能器403的距离需要实测后调整到最佳距离。
如图1所示，本实施例中，阀杆总成2包括阀杆201、阀板总成202、法兰盘203、丝杆204和开关手柄205；法兰盘203安装于消火栓本体1上，法兰盘203安装有密封轴承且套设在开关手柄205上，即开关手柄205的一端穿过法兰盘203上的密封轴承后与丝杆204螺纹连接（丝杆204的上端为螺套，开关手柄205的一端为外螺纹，与螺套螺纹连接），丝杆204的另一端与阀杆201的一端相连，阀杆201的另一端连接阀板总成202。如图4所示，阀板总成202包括连接部2021、阀板2022和密封层2023；连接部2021的一端设有连接孔，阀杆201的一端置于连接孔内并通过连接销固定，连接部2021的另一端与阀板2022连接，密封层2023安装于阀板2022的密封面上，用于与消火栓本体1内部的挡圈相配合实现消火栓的开关；密封层2023内安装有绝压传感器5，具体通过树脂胶灌封在密封层2023内且压力感应面与外部环境接触，用于测量供水管网内部的绝对压力。另外，消火栓帽3密封安装于法兰盘203上，消火栓帽3内设置有控制器6和气压传感器7（图中未示出），其中绝压传感器5通过普通的信号电缆与控制器6相连；控制器6通过气压传感器7测量的大气压力与绝压传感器5测量得到的绝对压力得到供水管网内部的表压力，实现供水管网内部压力的精准测量。消火栓帽3上安装有防水透气的气压呼吸阀，用于与外部环境相连通，保证气压传感器7能实时精准的检测到大气压力。当开关手柄205旋转时，在丝杆204的螺套内旋转，带动丝杆204上下升降，使丝杆204下端的阀板2022与消火栓本体1内部的挡圈分离或接触，实现消火栓的开关。
如图6所示，消火栓帽3内还设置有蓄电池、陀螺仪和NB-IOT无线通信模块，均与控制器6相连；其中控制器6采用TI MSP30单片机（MCU）；控制器6留有两路压力传感器电路，一路绝压传感器电路用于连接消火栓阀板2022内的绝压传感器，一路气压传感器电路用于连接外部的气压传感器。另外，控制器6还设有超声波测量电路，采用时间测量芯片（TDS），可测量ps级的时间差，并具有较低的功耗。陀螺仪则用于检测消火栓是否被撞击，是否倾倒等；NB-IOT无线通信模块则使消火栓实现远传数据交互功能。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种带水流量测量功能的智能消火栓，包括消火栓本体（1）、阀杆总成（2）和消火栓帽（3），所述阀杆总成（2）安装于所述消火栓本体（1）内，所述消火栓帽（3）安装于所述消火栓本体（1）的上端面，其特征在于，所述阀杆总成（2）中的阀杆（201）上安装有水流测量装置（4），用于测量消防栓内的水流量；所述水流测量装置（4）包括安装板（401）、反射组件（404）和两个超声波换能器（403），两个所述超声波换能器（403）通过所述安装板（401）安装于所述阀杆（201）上且沿阀杆（201）轴向方向依次分布，各所述超声波换能器（403）均朝向所述反射组件（404）并朝反射组件（404）发射超声波，并经反射组件（404）将超声波反射而被另一超声波换能器（403）所接收。
2.根据权利要求1所述的带水流量测量功能的智能消火栓，其特征在于，两个所述超声波换能器（403）发射的超声波均垂直于所述阀杆（201）；所述反射组件（404）包括两个反射板（4042），均对应安装于两个所述超声波换能器（403）的正前方，各反射板（4042）的反射面均朝向另一超声波换能器（403）且与阀杆（201）的轴向方向呈45度角。
3.根据权利要求1所述的带水流量测量功能的智能消火栓，其特征在于，所述安装板（401）通过绑带（405）固定于所述阀杆（201）上。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的带水流量测量功能的智能消火栓，其特征在于，所述阀杆总成（2）包括阀杆（201）、阀板总成（202）、法兰盘（203）、丝杆（204）和开关手柄（205）；所述法兰盘（203）安装于所述消火栓本体（1）上，所述开关手柄（205）的一端穿过所述法兰盘（203）与所述丝杆（204）螺纹连接，所述丝杆（204）的另一端与所述阀杆（201）的一端相连，所述阀杆（201）的另一端连接阀板总成（202）。
5.根据权利要求4所述的带水流量测量功能的智能消火栓，其特征在于，所述阀板总成（202）包括连接部（2021）、阀板（2022）和密封层（2023）；所述连接部（2021）的一端与所述阀杆（201）连接，另一端与阀板（2022）连接，所述密封层（2023）安装于所述阀板（2022）的密封面上，所述密封层（2023）内安装有绝压传感器（5）。
6.根据权利要求5所述的带水流量测量功能的智能消火栓，其特征在于，所述绝压传感器（5）通过树脂胶灌封在所述密封层（2023）内且压力感应面与外部环境接触。
7.根据权利要求5所述的带水流量测量功能的智能消火栓，其特征在于，所述连接部（2021）的一端设有连接孔，所述阀杆（201）置于所述连接孔内并通过连接销固定于连接孔内。
8.根据权利要求7所述的带水流量测量功能的智能消火栓，其特征在于，所述消火栓帽（3）内设置有控制器（6）和气压传感器（7），所述控制器（6）分别与所述气压传感器（7）和绝压传感器（5）相连，用于通过所述气压传感器（7）测量的大气压力与绝压传感器（5）测量得到的绝对压力得到消防供水的表压力；所述消火栓帽（3）密封安装于所述法兰盘（203）上，所述消火栓帽（3）上安装有气压呼吸阀。
9.根据权利要求4所述的带水流量测量功能的智能消火栓，其特征在于，所述法兰盘（203）上设有密封轴承且套设于所述开关手柄（205）上。
10.一种基于权利要求1至9中任意一项所述的带水流量测量功能的智能消火栓的水流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、各超声波换能器（403）同时朝对应反射组件（404）发射超声波，经反射组件（404）将超声波反射而被另一超声波换能器（403）所接收；
S02、获知两个接收到的超声波传播时间之差，即可得到声道平均流速，从而计算水流速度和水流量。
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