CN113155008A - 一种针对分层介质的厚度检测设备及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的针对分层介质的厚度检测设备及检测方法，该设备包括：检测端和监测终端，所述检测端包括杆状本体，在所述杆状本体内部，等间隔距离设有若干电极，所述电极连接有电阻测量电路，所述电阻测量电路与所述监测终端通信连接；所述电极用于发送调制波形信号，并获取所述调制波形信号通过待测介质后得到的第二波形信号；所述电阻测量电路，用于根据所述调制波形信号以及所述第二波形信号确定所待测介质的电阻；设备可以更好地覆盖全部空间介质，可以适用于流动的水体和淤泥等各种介质，根据介质材料的特征导电率值确定介质的厚度，处理过程高效便捷，实用性高，可广泛应用于具有分层特点的介质厚度检测技术领域。

Description

一种针对分层介质的厚度检测设备及检测方法

技术领域

本发明涉及介质厚度检测技术领域，尤其是一种针对分层介质的厚度检测设备及检测方法。

背景技术

同材料具有不同的电阻率，电阻率是物质的一种物理特性之一。根据电阻率大小可以将物质分为导体、半导体和绝缘体。导体有如下两大类型：

第一类导体，主要是金属，是由一个带有电子层的原子晶格组成。该电子层中的电子可自由地与其原子分离，并可通过晶格传输电流，从而通过整个物体。金属、石墨和一些化合物属于这一类。

第二类导体为离子导体。与第一类导体对比，电流由离子而非由自由移动的电子形成。因此，电解液中的电荷转移始终与物质的传输相关。第二类导体由带电和可移动的离子组成，称作电解液。通过在极性溶剂，例如水中溶解或熔化进行电离。

而在现有技术中，通过一段时间对水体电导率的检测，采用计算机对电导率探头所在位置是否出现测量结果波动作为分析的切入点来实施城市排水管网淤泥厚度监测。但该方法存在的缺陷有：

其一，方法需要在不同时间段，分多次进行测量，但长时间不下雨则雨水管井内水体的水质相对稳定，电导率不会有波动，在此时无法区分流动水体和淤泥等介质的空间状态信息，从而导致此方法失效；

其二，方法使用成品电导率测量模块，灵活性差，只能获得电导率探头上两个电极之间的电导率数据，其测量方法不能很好的覆盖全部空间介质；

其三，方法过分的集中信息和数据处理会增加中央处理器的运行负荷，表现出实时性差，在城市雨季汛期，雨水量多，在带来的泥沙非常重的情况下不能及时地反馈城市排水管网淤堵状态。

发明内容

有鉴于此，为至少部分解决上述技术问题之一，本发明实施例目的在于提供一种配置更为灵活，高效且测量结果更为准确的针对分层介质的厚度检测设备；同时本申请还提供了应用于该设备的针对分层介质的厚度检测方法。

第一方面，本申请的技术方案提供了一种针对分层介质的厚度检测设备，其包括检测端和监测终端，所述检测端包括杆状本体，在所述杆状本体内部，等间隔距离设有若干电极，所述电极连接有电阻测量电路，所述电阻测量电路与所述监测终端通信连接；

其中，所述电极用于发送调制波形信号，并获取所述调制波形信号通过待测介质后得到的第二波形信号；

所述电阻测量电路，用于根据所述调制波形信号以及所述第二波形信号确定所待测介质的电阻。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述监测终端包括密封壳体，所述密封壳体内部设有控制模块和电源模块，所述电源模块连接至所述控制模块，所述控制模块与所述电阻测量电路通信连接。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述检测端的底部设有尖端，所述尖端用于穿透非刚体介质层。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述通信连接的方式包括有线通信和无线通信。

第二方面，本发明的技术方案还提供一种可应用于第一方面中的检测设备的针对分层介质的厚度检测方法，其包括：

通过第一电极发送调制波形信号；

通过第二电极获取第二波形信号，所述第二波形信号是所述调制波形信号通过待测介质后得到的；

确定所述第一电极与所述第二电极的电极间距，确定所述第一电极的电极截面积；

根据所述第二波形信号、电极间距以及电极截面积确定所述待测介质的导电率，根据所述导电率确定所述待测介质的厚度。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述根据所述第二波形信号、电极间距以及电极截面积确定所述待测介质的导电率，根据所述导电率确定所述待测介质的厚度，其包括：

通过检测设备的检测端获取若干所述待测介质的导电率；

根据所述导电率的均值通过分布密度函数确定导电率阈值；

根据所述导电率阈值与所述待测介质的导电率，将所述待测介质划分得到若干介质分层，并确定所述介质分层的厚度。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述根据所述第二波形信号、电极间距以及电极截面积确定所述待测介质的导电率，根据所述导电率确定所述待测介质的厚度，其还包括：

根据所述导电率，确定所述第一电极为起点电极；

根据所述起点电极以及所述电极间距，确定所述待测介质的电阻，根据所述电阻确定所述导电率。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述根据所述导电率阈值与所述待测介质的导电率，将所述待测介质划分得到若干介质分层，并确定所述介质分层的厚度，其包括：

根据所述导电率划分得到若干取值区间，确定所述取值区间内所述电极的数目；

根据所述电极的数目以及所述电极间距，确定所述介质分层的厚度。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：

本申请的技术方案所提供的针对分层介质的厚度检测设备，其检测端上等间隔的电极，通过任意两个电极构成一组测量待测介质电阻的测量电极对，一个发送调制波形信号，另一个接收通过介质后的信号，可以更好地覆盖全部空间介质；根据信号测量并计算出当前介质的电阻，进而根据电阻确定该介质的厚度，可以适用于流动的水体和淤泥能各种介质，根据介质材料的导电率确定介质的厚度，处理过程高效便捷，实用性高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的针对分层介质的厚度检测设备结构示意图；

图2为本发明实施例提供的针对分层介质的厚度检测方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例中莫管道内电导率特征曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本申请技术方案提供的针对分层介质的厚度检测设备，以及应用于该设备的检测方法，可以通过单次测量直接获取待测容器或空间中空气、水和淤泥等介质厚度信息，可实现对整个检测范围内的介质实现电导率测量，并且直接可在监测设备本地进行计算并输出结果，是一种针对城市排水管网淤堵监测的高效方案。

在第一方面，本申请的技术方案提供了一种针对分层介质的厚度检测设备的实施例，该检测设备主要包括检测端和监测终端。实施例中，检测端主要用于置于待测介质的容器或空间内，例如城市的排水管道，而待测介质包括但不限于管道中存在固液混合物、胶体等，例如水，污泥以及泥沙混合物等等。而实施例中的监测终端，主要用于汇总以及处理检测端所采集得到的数据，计算得到该待测介质的厚度，并将最终结果进行可视化展示。

检测端其主要包括杆状本体，该杆状本体内部等间隔距离设置有若干电极，该电极连接有电阻测量电路，电阻测量电路与监测终端通信连接；

其中，杆状本体主要用于承载电极，在杆状本体内部等间隔距离设置的电极，任意两个组合可以构成一组测量电阻的测量电极对，其中一个电极发送调制波形信号，另一个电极接收通过介质后的信号。实施例中电极均连接至电阻测量电路，电阻测量电路用于根据接收到的信号，精确确定当前介质的电阻阻值R。电阻测量电路与监测终端通信连接，将计算确定的电阻阻值R发送至监测终端，由检测终端根据阻值进行分析计算，确定空气、水和淤泥等介质厚度信息，必要时，还可以远程传输至服务器端或用户端，供预警、实时厚度显示等。

在一些可行的实施例中，检测设备的监测终端还包括有密封壳体，该密封壳体用于保护内部的控制电路以及电路元器件。在密封壳体内部设有控制模块和电源模块，其中，电源模块连接至控制模块，用于为控制模块供电，控制模块与电阻测量电路通信连接；控制模块主要用于获取检测端中的电阻测量电路所测量得到的电阻值，并根据电阻值进行分析计算，确定待测介质的导电率，并进一步确定该待测介质的厚度；在一些其他应用场景，控制电路也可以获取相应的用户指令，进行数据其他分析以及可视化显示，或者将计算得到的待测介质的厚度数据上传至服务器或云端。

在一些可行的实施例中，检测端的底部设有尖端，尖端用于穿透非刚体介质层；将检测端的底部设置为有一定锐度的尖端，在城市雨季汛期，雨水量多，带来的泥沙非常重的情况下，也可以较为容易地穿刺待测介质，在一定程度上能够缓解城市排水管网淤堵，达到清理淤泥的效果。

在一些可行的实施例中，通信连接的方式包括但不限于有线通信连接和无线通信连接。采用有线通信，具有受干扰较小、可靠性、保密性强的特点；采用无线通信则设备使用更为灵活、不受连接线的约束。

参照图1，本申请方案中的一个完整的检测设备，其可以包括检测端1以及监测终端2，检测端1包括杆状本体3，本体3上设置有电阻测量电路4、若干电极5，电阻测量电路4与的若干电极进行连接；监测终端2包括通信与控制模块6、电源模块7以及密封壳体8，通信与控制模块6与电源模块7放置于密封壳体8内部，本体3上的若干电极5按照等间距安装在本体3上，本体3底端须有一定锐度，通信与控制模块6与电导率测量电路4通过线缆连接，通信与控制模块6不限定为有线或无线通信功能，其目的为实现数据远程传输。电阻测量电路4通过控制选通两个电极构成一组测量电阻的测量电极对，使用电极对其中一个电极发送调制波形信号，另一个电极接收通过介质后的信号，根据信号测量并计算出当前介质的电阻。监测终端2按照下述的方法进行计算和分析，得出空气、水和淤泥等介质厚度信息，并远程传输至服务器端或用户端，从而提供预警、实时厚度显示等功能。

在第二方面，如图2所示，本申请所提供的一种应用于第一方面中检测设备的针对分层介质的厚度检测方法，其包括步骤S01-S04：

S01、通过第一电极发送调制波形信号；

具体地，通过检测设备的检测端中的电极发送调制波形信号，即发送调制波形信号的电极记为第一电极。

S02、通过第二电极获取第二波形信号，

其中，第二波形信号是调制波形信号通过待测介质后得到的；具体地，通过另一个电极获取调制波形信号通过待测介质后的信号，该信号即为第二波形信号，在测量电阻的测量电极对中，获取信号的电极即为第二电极。

S03、确定第一电极与第二电极的电极间距，确定第一电极的电极截面积；

具体地，在检测设备中电极间距l与电极截面积S是固定的，测得l、S等参数，并根据l、S确定常量Q，

S04、根据第二波形信号、电极间距以及电极截面积确定待测介质的导电率，根据导电率确定待测介质的厚度；

具体地，通过电阻测量电路测量出任意接收电极与发送调制波形信号的电极之间的电阻R_n，并根据电阻R_n计算得到待测介质的电导率K_n：

其中，n表示为发送电极与接收电极之间的间隔距离l倍数。若相邻则n＝1，距离为l，以此类推，每增加一个电极间距则距离增加(D+1)×l，其中(D+1)＝n。

在一些可选的实施例中，根据第二波形信号、电极间距以及电极截面积确定待测介质的导电率，根据导电率确定待测介质的厚度这一步骤S04，其可以进一步细分为步骤S041-S043：

S041、通过检测设备的检测端获取若干待测介质的导电率；

S042、根据导电率的均值通过分布密度函数确定导电率阈值；

S043、根据导电率阈值与待测介质的导电率，将待测介质划分得到若干介质分层，并确定介质分层的厚度。

具体地，在本申请实施例在实施过程中，首先监测终端控制检测端自动测量待测介质不同深度的电导率k_n，计算并得到电导率的均值

以均值

为参考，计算得其分布密度函数，并求解得导电率阈值σ：

依次向下切换单位距离l的电极进行测量和计算R_n，根据R_n可以求得不同间隔电极之间的k_n；再根据k_n和导电率阈值σ进一步将待测介质划分得到若干介质分层，逐一确定各个介质分层的厚度，进而确定整个待测介质的厚度。

在一些可选的实施例中，根据第二波形信号、电极间距以及电极截面积确定待测介质的导电率，根据导电率确定待测介质的厚度这一步骤S04，其还可以步骤S044-S045：

S044、根据导电率，确定第一电极为起点电极；

S045、根据起点电极以及电极间距，确定待测介质的电阻，根据电阻确定导电率。

具体地，在通过监测终端控制检测端自动测量时，可以首先选择最高位置相邻的一对电极，确定检测端上部是否存在空气介质，空气介质为不良导体相对R很大，因此其电导率k几乎为0，以遇到的第一个电导率k≥0.001S/m的电极对为起点。再依次向下切换单位距离l的电极进行测量和计算R_n，根据R_n可以求得不同间隔电极之间的k_n。

在一些可选的实施例中，根据导电率阈值与待测介质的导电率，将待测介质划分得到若干介质分层，并确定介质分层的厚度这一步骤S043，可以进一步细分为步骤S043a-S043b：

S043a、根据导电率划分得到若干取值区间，确定取值区间内电极的数目；

S043b、根据电极的数目以及电极间距，确定介质分层的厚度。

具体地，由于离子受地心引力影响以及缓慢流动水体会有一些离子沉降，从水面往泥水混合面电导率会有微弱增加，且泥水混合界面存在胶体层，按照如下特征区分法进行区分：

同一水体不同深度的水之间电导率k_n差异：

|k_n-k_n-1|≤σ

水与泥分界面胶体与水体电导率k_n关系：

|k_n-k_n-1|≥3σ

不同深度泥之间的电导率k_n关系：

σ<|k_n-k_n-1|<3σ

进一步地，统计电导率k≤0.001S/m的电极个数A_n，可以得到空气的厚度A_t：

A_t＝A_n×l

统计具有相近k_n(|k_n-k_n-1|≤σ)的电极个数W_n，即可以得到水的厚度W_t：

W_t＝W_n×l

统计具有相近k_n(|k_n-k_n-1|≥3σ)的电极个数C_n，即可以得到分界面胶体的厚度C_t；

C_t＝C_n×l

统计具有相近k_n(σ<|k_n-k_n-1|<3σ)的电极个数D_n，即可以得到泥的厚度D_t：

D_t＝D_S×l

用N表示电极对总数，则各变量还应满足以下关系式：

最后，如图3所示，横坐标代表介质厚度(深度)，纵坐标为导电率，监测终端根据检测端测量的R按照上述过程计算，将结果输出至远程服务器或者用户端，以供实时显示或者预警。

从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：

1)本申请的技术方案所提供的针对分层介质的厚度检测设备，其检测端上等间隔的电极，通过任意两个电极构成一组测量待测介质电阻的测量电极对，一个发送调制波形信号，另一个接收通过介质后的信号，可以更好地覆盖全部空间介质；

2)本申请的技术方案根据信号测量并计算出当前介质的电阻，进而根据电阻确定该介质的厚度，可以适用于流动的水体和淤泥能各种介质，根据介质材料的导电率确定介质的厚度，处理过程高效便捷，实用性高；

3)本申请提出的统计分析过程不限于首次安装时执行，在一些场景下，为了提供具有自适应能力的监测系统，可以在系统有需要的任何时刻执行此过程，以便最大化地提高系统适应能力和抗干扰能力。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的设计原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明技术原理的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种针对分层介质的厚度检测设备，包括检测端和监测终端，其特征在于，所述检测端包括杆状本体，所述杆状本体内部等间隔距离设有若干电极，所述电极连接有电阻测量电路，所述电阻测量电路与所述监测终端通信连接；

所述电极用于发送调制波形信号，并获取所述调制波形信号通过待测介质后得到的第二波形信号；

所述电阻测量电路，用于根据所述调制波形信号以及所述第二波形信号确定所待测介质的电阻。

2.根据权利要求1所述的一种针对分层介质的厚度检测设备，其特征在于，所述监测终端包括密封壳体，所述密封壳体内部设有控制模块和电源模块，所述电源模块连接至所述控制模块，所述控制模块与所述电阻测量电路通信连接。

3.根据权利要求1所述的一种针对分层介质的厚度检测设备，其特征在于，所述检测端的底部设有尖端，所述尖端用于穿透非刚体介质层。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种针对分层介质的厚度检测设备，其特征在于，所述通信连接的方式包括有线通信连接和无线通信连接。

5.一种针对分层介质的厚度检测方法，应用于如权利要求1所述的一种针对分层介质的厚度检测设备，其特征在于，包括以下步骤：

通过第一电极发送调制波形信号；

通过第二电极获取第二波形信号，所述第二波形信号是所述调制波形信号通过待测介质后得到的；

确定所述第一电极与所述第二电极的电极间距，确定所述第一电极的电极截面积；

根据所述第二波形信号、所述电极间距以及所述电极截面积确定所述待测介质的导电率，根据所述导电率确定所述待测介质的厚度。

6.根据权利要求5所述的一种针对分层介质的厚度检测方法，其特征在于，所述根据所述第二波形信号、所述电极间距以及所述电极截面积确定所述待测介质的导电率，根据所述导电率确定所述待测介质的厚度，其包括：

通过检测设备的检测端获取若干所述待测介质的导电率；

根据所述导电率的均值通过分布密度函数确定导电率阈值；

根据所述导电率阈值与所述待测介质的导电率，将所述待测介质划分得到若干介质分层，并确定所述介质分层的厚度。

7.根据权利要求5所述的一种针对分层介质的厚度检测方法，其特征在于，所述根据所述第二波形信号、所述电极间距以及所述电极截面积确定所述待测介质的导电率，根据所述导电率确定所述待测介质的厚度，其还包括：

根据所述导电率，确定所述第一电极为起点电极；

根据所述起点电极以及所述电极间距，确定所述待测介质的电阻，根据所述电阻确定所述导电率。

8.根据权利要求6所述的一种针对分层介质的厚度检测方法，其特征在于，所述根据所述导电率阈值与所述待测介质的导电率，将所述待测介质划分得到若干介质分层，并确定所述介质分层的厚度，其包括：

根据所述导电率划分得到若干取值区间，确定所述取值区间内所述电极的数目；

根据所述电极的数目以及所述电极间距，确定所述介质分层的厚度。

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