CN113738560B - 一种排水管道自发电流量液位检测一体化无线装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排水管道自发电流量液位检测一体化无线装置及方法，该装置安装于市政排水管道检查井内，包括叠加式发电检测一体化单元、储供电单元、实时计算与主控通讯单元三个部分。叠加式发电检测一体化单元利用水流带动自下而上叠加的各独立发电组件发电，并将电能输送至储供电单元以便其为装置供电；实时计算与主控通讯单元对从以上各单元收集到的各种参数实施对应的计算方法，获得实时的液位、流量与装置工况等信息，进而调整装置工作模式，最后将所获管道与装置信息实时无线传送至云端。本发明装置及方法实现了发电、检测、通信的一体化，适用于市政排水管道各种流况的液位、流量实时测量，是一种高效且易于操作、维护的新型物联网装置。

Description

一种排水管道自发电流量液位检测一体化无线装置及方法

技术领域

本发明属于水力发电、流量检测与液位检测技术领域，具体涉及一种排水管道自发电流量液位检测一体化无线装置及方法。

背景技术

城市地下水道管网构造庞大且复杂，居民生活污水管道、雨水管道等城市地下排水管道存在着监测方法困难、管理复杂、维护代价高等问题，目前尚未存在一套科学、成熟、简易且有效的方法来实时监控地下水管网的液位、流量等情况以供城市地下排水管道管理者对下水道进行统筹规划、维修改造等工作。

目前，采用大口径的流量测量仪器、液位测量仪器等装置，成本很高，而且由于下水管道的特殊性，水流常常是以重力流和压力流、层流和湍流混合，均匀流和混合流结合的状态在管道内流动，且其会随着一天中不同时段、一年中不同季节、不同天气状况发生波动较大的改变，所以具有极其复杂的测量难度，对测量装置的适应性是一个很大的挑战。

若将测量装置安装于排水管道的内部则会增加安装难度，且复杂的流况极容易对此类仪器造成损坏、遗失，带来更大的运维成本；再之，一般的市政排水管道不需要过于精密的参数测量，所以相对成熟的大口径管道测量装置难以得到广泛运用。

而且，此类仪器如果需要外部供电，则对于市政布线所耗费的工程量极大，增加了布线成本和安装难度；如果使用一次电池供电，则装置会受到电量限制，无法保证全时段的工作，而且更换电池的运维成本高。

另外，在大流量的情况下，排水管道被水充满，水流进入检查井后，流动形式从稳定的层流、均匀的重力流变为不稳定的压力流，此时若仅采用单个流量检测设备，则测得的流量极不稳定，不能反应出准确的流量信息，且由于压差的存在，大流量情况下的检查井液位会高出排水管道顶端，并形成一定的的高度，为此时整体流量的检测也带来了一定的难度。

本发明作为一种新型多检测单元叠加式装置，具有易操作，易安装，集发电、储电、检测、无线传输一体化等特点，拥有独立自适应电量设备管理方案，且具有一种与装置匹配的冗余性、鲁棒性的新型液位和流量检测方法，能在下水道参数的实时检测与通讯中发挥其优势作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有市政排水管道流量液位检测相关技术的不足，提供一种排水管道自发电流量液位检测一体化无线装置及方法，本发明集成度高，无需附加供电与驱动部件，而是利用一种新型叠加式装置来同时实现发电、储电和供电，并进行实时的流量、液位检测，最后将所获管道与装置信息无线传送至云端进行管理。该装置安装方便，可针对不同管径的排水管道做出适应性调整；该装置能适应地下管道复杂且多变的水流状况，并在各种流况下实施液位、流量的实时测量和报警；该装置具有较高的冗余性、鲁棒性，能在部分发电测量元件存在故障的时候修正并继续工作。总而言之，本发明具有较高的实用性价值，是一种高效且易于操作、维护的新型物联网装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种排水管道自发电流量液位检测一体化无线装置，包括叠加式发电检测一体化单元、储供电单元、实时计算与主控通讯单元三个部分，叠加式发电检测一体化单元利用管道水流驱动自下而上叠加的发电组件发电，并将产生的电能输送至储供电单元；储供电单元储存获得的电能为整个装置供电，并收集各发电组件的发电电压参数与蓄电池模组的电量参数，传送至实时计算与主控通讯单元；实时计算与主控通讯单元将获得的参数代入设定的检测计算方法中，计算处理后得到此时排水管道的液位、流量信息，装置工作状况等信息，并根据水流状况与装置状况调整该情况下装置的工作模式，以用于最优化利用装置储存的电能、延长装置的工作时间，最后通过无线通讯模组将管道液位流量信息以及装置工况信息实时传送至市政管理云端。

所述叠加式发电检测一体化单元包括固定底座、导流槽、安装于底座上的若干个同轴可叠加式发电组件、顶盖等组成。

进一步地，所述固定底座上设置有四个气压杆，实现本装置在检查井井底的位置与方向的锁定安装，使得装置不易被水流冲走，且导流槽迎水口始终正对着水流方向。

进一步地，所述固定底座上设置有导流槽，汇集水流使发电组件的叶轮转动更稳定，并使其转动更快速，从而保证充足的发电量，以实现更稳定、高效的储能效果，进而提供整个装置运行所需电量，并为后续的转速检测提供更稳定的电压参数。

进一步地，所述固定底座上设置有发电组件安装槽，用于固定安装位于直立发电检测杆最底端的发电组件。

进一步地，所述发电组件由水驱叶轮和永磁体、防水固定发电线圈、组件连接紧扣装置、信号线缆组成。为适应不同规格排水管道的管径，发电组件以轴体垂直于水平面的方式同轴叠加安装，通常总高度为排水管道直径的1.5倍。相邻发电组件之间通过组件连接紧扣装置连接，各发电组件均可独立工作，且具有唯一的身份信息。所有发电组件的轴体内部均通有信号线缆。正常工作时，这些通信线缆负责传输各发电组件发出的电能以及含有转动信息的电压参数，不同高度的发电组件会随着水流的高度和流速的差异而具有不同的工作状态。

进一步地，所述叠加式发电检测一体化单元的顶盖与位于直立发电检测杆最上端的发电组件相连，并与底座相对锁紧固定，使得所有发电组件高度位置固定，以实现所有部件在井底的相对位置固定。顶盖部分设置有信号线缆出口，引出的信号线缆与储供电单元连接；顶盖部分还设置有压力传感器，以测量水位漫过顶盖时，顶盖受到的压力，并将实时压力数据通过通信线缆传输至实时计算与主控通讯单元。

所述储供电单元通过信号线缆与叠加式发电检测一体化单元连接。储供电单元包括长方体支架，所述长方体支架的四只直立杆通过井盖连接法兰固定在市政排水管道检查井井盖下端。

进一步地，所述长方体支架上设置有线缆接口，可实现储供电单元和叠加式发电检测一体化单元的连接与分离，提升了装置的维修便捷性。

进一步地，所述长方体支架上设置有蓄电池模组，叠加式发电检测一体化单元发出的电能通过信号线缆和二极管隔离单向存入蓄电池模组，以供装置的运行。

进一步地，所述蓄电池模组收集含有未处理信息的各发电组件的电压参数，与自身电量参数一并传送至实时计算与主控通讯单元。

所述实时计算与主控通讯单元同样位于长方体支架上，与储供电单元通过信号导线连接，所述实时计算与主控通讯单元设置有主控芯片模组与无线通讯模组，主控芯片模组收集储供电单元传送的实时数据，分析电压参数，计算得各发电组件的转速与工作状况，并将所获信息代入设定的检测计算方法中获得管道的液位、流量信息，并结合蓄电池模组电量参数设定装置工作模式，使其与当前管道流况匹配。并通过无线通讯模组将所有计算所得信息与报警信息实时传送至市政管理云端。

进一步地，所述实时计算与主控通讯单元包括有金属连接天线，天线沿所述长方体支架直立杆连接无线通讯模组和金属井盖，放大无线传输信号，使得设备与市政管理接收端的无线连接更加稳定。

根据所述装置，本发明还提供了一种排水管道流量液位检测方法，该方法具体为：

当水流通过排水管道检查井时，被水没过的不同高度发电组件以不同转速旋转，与水无接触的发电组件不旋转。旋转的发电组件发出电能，通过信号线缆为储供电单元的蓄电池模组充电，发电组件发电时的电压与其转速成映射关系，储供电单元为装置供电，并且将各发电组件的电压参数和蓄电池模组的电量参数传送给实时计算与主控通讯单元中的主控芯片模组，主控芯片模组读取上述信息并实时进行如下处理：

发电组件的工作状况判断：

某发电组件的正常或故障工作状况仅在该发电组件被水没过的情况下讨论，若发电检测一体化单元顶盖处压力传感器有示数，则代表所有发电组件已被水没过；若某发电组件有电压发出，且其上方没有发出电压的发电组件，则将该发电组件标记为液位标志发电组件，暂时搁置对其工作状况判断，其下方的发电组件均被水没过。

正常工作的发电组件须满足以下条件：a.被水没过，即位于该发电组件上部的发电组件有电压输出；b.工作稳定，即发电电压连续，且变化平滑稳定。满足上述条件的发电组件被标记为正常工况发电组件。

若某发电组件在设定的一段时间内不输出电压，或持续输出不连续电压，或输出往复波动过大的电压，且其上方有输出电压的发电组件的话，则该发电组件会被实时计算与主控通讯单元标记为故障工况发电组件，并记录、传送该发电组件需要维护的信息。

液位检测：

通过读取当前所有发电组件的电压信息，判断它们各自的工作状况。

若顶盖处压力传感器没有示数，则选取当前情况下的液位标志发电组件，记录该组件的位置，取其中间的位置作为此时的液位；

若顶盖处压力传感器输出数值，则代表管道已充满，且漫过发电检测一体化单元，此时液位以下、叠加式发电检测一体化单元以上的水已距横向管道顶端有一定的高度差，故其流动性相对较弱，此时的压强与超出部分的液位高度对应较为准确，此时的液位可由叠加式发电检测一体化单元高度加上由压力传感器输出数值换算得到的液位高度求得。

流量检测：

流量检测以排水管道顶端以上是否有工作的发电组件分为两种情况：

a.没有工作的发电组件，则排水管道未满流；

b.有工作的发电组件，则排水管道满流。

排水管道未满流情况下，管内、井内的水流较为平稳，此时的流况为重力无压流。此时统计所有正常工作的发电组件发电电压，通过映射关系转换为各发电组件的转速，并通过转速流速转换公式换算出重力流平均流速，通过当前液位高度数值计算出管道水流截面积，代入重力流水力计算公式即可求得当前流量。

排水管道满流情况下，管内、井内的水流较急，若水位未漫过叠加式发电检测一体化单元顶盖，即顶盖处压力传感器未输出数值，此时统计所有正常工作的发电组件发电电压，通过映射关系转换为各发电组件的转速，并将各位置的流速代入压力流水力计算公式即可求得当前流量；若水位漫过叠加式发电检测一体化单元的顶盖，即顶盖处压力传感器有数值输出，此时液位以下、叠加式发电检测一体化单元以上的水已距横向管道顶端有一定的高度差，故其流动性相对较弱，将此时各发电组件的转速、顶盖压力传感器所受到的压力数值、压力换算系数与压力附加项代入压力流水力计算公式即可计算得到此时的流量。

发电组件电压修正：

若存在a.故障工况的工作发电组件，或存在b.通过判定公式计算判定，发现某发电组件发电电压与其上、下方发电组件的发电电压相差过大的发电组件，则在相应的计算公式中剔除上述二种发电组件的实际电压数据，并利用其上、下方最接近的各一个正常工作发电组件的发电电压数据进行算法校正得出该发电组件的替代数据，以保证公式能正常计算与准确。并将b类发电组件标记为待确认发电组件，待装置维修时进行维护。

报警信息：

溢流报警：位于顶盖的压力传感器示数若持续超过设定的限位值一定时间，则实时计算与主控通讯单元发出检查井溢流警报。

维修报警：若发电组件维修和报警信息超过一定数量时，则无法进行液位流量计算修正，整个装置的工作信息将会出现较大偏差，无法正常工作，故实时计算与主控通讯单元发出维修报警。

能耗自适应调节：

由于管道的水流的周期性会随着一天中不同时段、一年中不同季节、不同天气状况均会发生波动较大的改变，在水流充沛的时间段，此时需要监控液位流量的需求较大，设备需满负荷运作，增加监控频率；在旱期较小水流或无水流时间段，设备可处于省电节能状态，普通情况下仅显示待机在线即可，间隔较长的时间进行一次数据发送。

装置工作模式分为省电节能模式、正常监控模式和充电高频监控模式。判断条件如下：

装置电量超过20％时：当液位低于横向排水管道管径的1/3，且所有发电组件发电电压均小于电压V_min时，调整实时计算与主控通讯单元的工作周期至最长，使装置进入省电节能模式，低功耗运行；当液位高于横向排水管道管径的2/3，且存在发电组件发电电压大于电压V_max时，调整实时计算与主控通讯单元的工作周期至最短，使装置进入充电高频监控模式；其他情况，实时计算与主控单元的工作周期均为正常周期。

装置电量小于等于20％时，装置进入省电节能模式。

该方法既保证装置能长时稳定工作，又能收集并将计算获得的液位与流量信息、设备工况、报警等信息通过无线模块发送到市政管理云端，进行排水管道参数和检测装置本身的数据与运行状态的管理。

本发明的有益效果是：用累加发电组件的方式，能适应不同的排水管道尺寸，具有较强的适应性；用累加发电组件的方式，集发电、测量液位、测量流量、数据处理、无线传输的方式为一体，具有很高的集成性、独立性；用分体发电组件的方式，能避免单个或少数发电组件出错故障而导致整个设备不能工作的问题，具有一定的冗余性、鲁棒性；发电组件与底座分离，各个发电组件均可单独拆卸，便于装置的维修、节省维修成本；根据水流状况能自适应调节工作周期与频率，实现了低能耗，长时间在线的优势。本装置能够很好地适应井下复杂的工作环境，安装方便、稳定性高、易于维护、成本低，适合市政的普遍使用。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明的叠加式发电检测一体化单元立体示意图；

图3为本发明的叠加式发电检测一体化单元相关参数标注图；

图4为本发明的叠加式发电检测一体化单元中的发电组件立体示意图；

图5为本发明的储供电单元与实时计算与主控通讯单元立体示意图；

图6为本发明的测量方法流程图；

图中：100为发电检测一体化单元；101为固定底座；102为导流槽；103为气压杆；104为发电组件安装槽；105为顶盖；106为压力传感器；110为发电组件；111为水驱叶轮和永磁体；112为防水固定发电线圈；113为组件连接紧扣装置；114为信号线缆；200为储供电单元；201为长方体支架；202为井盖连接法兰；203为线缆接口；204为蓄电池模组；300为实时计算与主控通讯单元；301为主控芯片模组；302为无线通讯模组；303为金属连接天线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种排水管道自发电流量液位检测一体化无线装置，包括叠加式发电检测一体化单元100、储供电单元200和实时计算与主控通讯单元300，叠加式发电检测一体化单元100利用管道水流带动自下而上叠加的发电组件110发电，并将电能输送至储供电单元200；储供电单元200储存获得的电能且为整个装置供电，并收集各发电组件110的发电电压参数和蓄电池模组204的电量参数，传送至实时计算与主控通讯单元300；实时计算与主控通讯单元300计算并得到此时排水管道的液位、流量以及设备状况等信息，根据水流状况调整设备工作模式，最后将管道液位流量信息以及设备工况信息实时无线传送至市政管理云端。

所述叠加式发电检测一体化单元100包括固定底座101、导流槽102、气压杆103、发电组件安装槽104、安装于固定底座上的若干个同轴可叠加式发电组件110、顶盖105、压力传感器106等。

进一步地，所述固定底座101上设置有四个气压杆103，实现本装置在检查井井底的位置与方向的锁定安装，使得装置不易被水流冲走、导流槽102始终正对着水流方向。安装固定底座101时，将其水平地放置在检查井底部，使得最下端的发电组件底部与排水管道最低端处于同一水平位置，且使固定底座101上的导流槽102正对水流方向，打开四个气压杆103气泵开关让其撑脚顶住井壁后锁紧，使得装置无法移动，即完成叠加式发电检测一体化单元100在井内的位置和朝向固定。

进一步地，所述固定底座101上设置有发电组件安装槽104，用于固定位于最底端的发电组件110，使得所有发电组件的轴体不能发生相对转动。

进一步地，所述发电组件110由水驱叶轮和永磁体111、防水固定发电线圈112、组件连接紧扣装置113、信号线缆114组成。为适应不同排水管道的管径，发电组件110以轴体垂直与水平面的方式同轴堆叠安装，形成一个直立发电检测杆，通常其高度为排水管道直径的1.5倍。相邻发电组件之间通过组件连接紧扣装置113连接，各发电组件均可独立工作，且具有唯一的身份信息。所有发电组件的轴体内部均通有信号线缆114。正常工作时，这些通信线缆负责传输各自发电组件发出的电能以及含有转动信息的电压参数，不同高度的发电组件会随着水流的高度和流速差异而具有不同的工作状态。

进一步地，所述叠加式发电检测一体化单元100的顶盖105与位于直立发电检测杆最上端的发电组件110相连，并与底座相对锁紧固定，使得所有发电组件高度位置固定，以实现所有部件在井底的相对位置固定。顶盖105设置有信号线缆出口，使得引出的信号线缆114与储供电单元200连接；顶盖105还设置有压力传感器106，以测量水位漫过顶盖时，顶盖105受到的压力，并将实时压力数据通过通信线缆传输至实时计算与主控通讯单元。

所述储供电单元200通过信号线缆114与叠加式发电检测一体化单元100连接。储供电单元200包括长方体支架201，所述长方体支架的四只直立杆通过井盖连接法兰202固定在市政排水管道检查井井盖下端。

进一步地，所述长方体支架201上设置有线缆接口203，可实现储供电单元200和叠加式发电检测一体化单元100的连接与分离。

进一步地，所述长方体支架201上设置有蓄电池模组204，叠加式发电检测一体化单元100发出的电能通过信号线缆114和二极管隔离单向存入蓄电池模组204，以供装置的运行。

进一步地，所述蓄电池模组204收集具有含有未处理的信息发电组件100的电压参数与自身的电量参数，一并传送至实时计算与主控通讯单元300。

所述实时计算与主控通讯单元300同样位于长方体支架上，与储供电单元200通过信号导线连接，所述实时计算与主控通讯单元300设置有主控芯片模组301与无线通讯模组302，主控芯片模组301收集储供电单元200传送的实时数据，分析电压参数，计算得各发电组件的转速与工作状况，并将所获信息代入设定的检测计算方法中获得管道的液位、流量信息，并结合蓄电池模组电量参数设定装置工作模式，使其与当前管道流况匹配。并通过无线通讯模组将所有计算所得信息与报警信息实时传送至市政管理云端。

进一步地，所述实时计算与主控通讯单元300包括有金属连接天线303，天线沿所述长方体支架201直立杆连接无线通讯模组302和市政排水管道检查井的金属井盖，放大无线传输信号，使得装置与市政管理接收端的无线连接更加稳定。

根据所述装置，本发明还提供了一种排水管道流量液位检测方法，该方法具体为：

当水流通过排水管道检查井时，被水没过的不同高度发电组件以不同转速旋转，与水无接触的发电组件不旋转。旋转的发电组件发出电能，通过信号线缆为储供电单元的蓄电池模组充电，发电组件发电时的电压与其转速成映射关系，储供电单元为装置供电，并且将各发电组件的电压参数和蓄电池模组的电量参数传送给实时计算与主控通讯单元中的主控芯片模组，主控芯片模组读取上述信息并实时进行如下处理(具体参数标注参考图3)：

一般市政排水管道的管径为D，每个发电组件的高度为d，叠加式发电检测一体化单元的高度为H₀。从下至上一共有n个发电组件，编号分别为ZJ₁、ZJ₂，……，ZJ_n。由于下水管道进入、流出检查井的水流存在湍流与压差，管径满流状况下，检查井的液位会高于下水管道最高处，但过高的检测装置在该状态下容易被水流冲坏。故在配置直立发电检测杆高度时以满足公式H_杆＝n×d≈1.5×D为最佳。

对于从下至上第i个发电组件ZJ_i而言，当其正常工作时，具有的转速为r_i r/min，取该转速代表其1/2高度处，即(i–0.5)×d高度的流速v_i，它转动时发出的电压V_i与转速存在以下关系式：r_i＝k₀×V_i，其中，k₀为转换系数。此时，选定的当前高度的流速v_i存在以下关系式：v_i＝k₁×r_i×L₂/L₁。其中，L₁、L₂分别表示导流槽入口、出口的宽度，k₁为转换系数。

发电组件的工作状况判断：

某发电组件的正常或故障工作状况仅在该发电组件被水没过的情况下讨论，若发电检测一体化单元顶盖处压力传感器有示数，则代表所有发电组件已被水没过；若某发电组件有电压发出，且其上方没有发出电压的发电组件，则将该发电组件标记为液位标志发电组件，暂时搁置对其工作状况判断，其下方的发电组件均被水没过。

正常工作的发电组件须满足以下条件：a.被水没过，即位于该发电组件上部的发电组件有电压输出；b.工作稳定，即发电电压连续，且变化平滑稳定。满足上述条件的发电组件被标记为正常工况发电组件。

若某发电组件在设定的一段时间内不输出电压，或持续输出不连续电压，或输出往复波动过大的电压，且其上方有输出电压的发电组件的话，则该发电组件会被实时计算与主控通讯单元标记为故障工况发电组件，并记录、传送该发电组件需要维护的信息。

液位检测：

通过读取当前所有发电组件的电压信息，判断它们各自的工作状况。

若顶盖处压力传感器没有示数，则选取当前情况下的液位标志发电组件ZJ_i，记录该组件的位置，取其中间的位置作为此时的液位，即：

H_i＝(i–0.5)×d

若顶盖处压力传感器输出数值p₀，则代表管道已充满，且漫过发电检测一体化单元，此时液位以下、叠加式发电检测一体化单元以上的水已距横向管道顶端有一定的高度差，故其流动性相对较弱，此时的压强p与超出部分的液位高度h对应较为准确，此时的液位H_j可由叠加式发电检测一体化单元高度H₀加上由压力传感器输出数值p₀换算得到的液位高度h₀求得，即：

式中，ρ为排水管道流体的密度，g为当地的重力加速度。

流量检测：

流量检测以排水管道顶端以上是否有工作的发电组件分为两种情况：

a.没有工作的发电组件，则排水管道未满流；

b.有工作的发电组件，则排水管道满流。

排水管道未满流情况下，管内、井内的水流较为平稳，此时的流况为重力流。此时统计所有正常工作的发电组件发电电压，通过映射关系转换为各发电组件的转速，并通过转速流速转换公式换算出重力流平均流速：

式中，k为当前最高处正常工作的发电组件编号，a₁-a_k为经过仿真与测试拟合后，与管径D匹配的各发电组件的权重系数。

通过当前液位高度数值H_i计算出管道水流截面积A_i，代入重力流水力计算公式即可求得当前流量Q_i，即：

排水管道满流情况下，管内、井内的水流较急，若水位未漫过叠加式发电检测一体化单元顶盖，即顶盖处压力传感器未输出数值，此时统计所有正常工作的发电组件发电电压，通过映射关系转换为各发电组件的转速v₁-v_k，并将各位置的流速代入压力流水力计算公式(未漫过顶盖)即可求得当前流量Q_j：

Q_j＝b₁v₁+b₂v₂+…+b_kv_k

其中，k为当前最高正常工作的发电组件编号，b₁-b_k为经过仿真与测试拟合后，与管径D匹配的各发电组件的换算系数。

若水位漫过叠加式发电检测一体化单元的顶盖，即顶盖处压力传感器有数值p_j输出，此时液位以下、叠加式发电检测一体化单元以上的水已距横向管道顶端有一定的高度差，故其流动性较弱，将此时各发电组件的转速、顶盖压力传感器所受的压力数值、压力换算系数，以及修正偏差的压力附加项代入压力流水力计算公式(漫过顶盖)，即可得此时的流量Q_j，即：

Q_j＝β_jp_j(b₁v₁+b₂v₂+…+b_nv_n)+f(p_j)

其中，β_j为压力换算系数，f(p_j)为以压力p_j为变量的压力附加项。

单个或少量发电组件出现故障时的修正补偿方法：

若存在a.故障工况的发电组件，或b.与其上方(或下方)最相邻发电组件发电电压差值超过该相邻发电组件发电电压的25％的发电组件ZJ_x，则在相应的计算公式中剔除上述发电组件发电电压推出的转速数据，并利用其上、下方最接近的各一个正常工作的发电组件ZJ_x+a和ZJ_x-b以公式v_x’＝c_av_x+a+c_bv_x-b进行算法校正得出该发电组件的替代数据(c_a、c_b为待定系数)，以保证公式能正常计算与准确。并将b类发电组件标记为待确认发电组件，待装置维修时进行维护。

报警信息：

溢流报警：位于顶盖的压力传感器示数p₀若持续超过设定报警值达时间t₁，则实时计算与主控通讯单元发出检查井溢流警报。

维修报警：若发电组件维修和报警信息超过一定数量m时，则整个装置的工作信息将会出现较大偏差，无法正常工作，故实时计算与主控通讯单元发出维修报警。

能耗自适应调节：

由于管道的水流的周期性会随着一天中不同时段、一年中不同季节、不同天气状况均会发生波动较大的改变，在水流充沛的时间段，此时需要监控液位流量的需求较大，设备需满负荷运作，增加监控频率；在旱期较小水流或无水流时间段，设备可处于省电节能状态，普通情况下仅显示待机在线即可，间隔较长的时间进行一次数据发送。

装置工作模式分为省电节能模式、正常监控模式和充电高频监控模式。判断条件如下：

装置电量超过20％时：当液位低于横向排水管道管径的1/3，且所有发电组件发电电压均小于电压V_min时，调整实时计算与主控通讯单元的工作周期至最长，使装置进入省电节能模式，低功耗运行；当液位高于横向排水管道管径的2/3，且存在发电组件发电电压大于电压V_max时，调整实时计算与主控通讯单元的工作周期至最短，使装置进入充电高频监控模式；其他情况，实时计算与主控单元的工作周期均为正常周期。

装置电量小于等于20％时，装置进入省电节能模式。

最终主控芯片模组将各个发电组件模组的电压信息、换算后的液位、流量、报警信息、蓄电池模组剩余电量信息等整合后记录，并一并发送至市政管理接收端。

实施例1

本实施例的排水管道自发电流量液位检测一体化无线装置包括叠加式发电检测一体化单元100、储供电单元200和实时计算与主控通讯单元300三部分。叠加式发电检测一体化单元100安装于市政排水管道检查井井底，在排水管道的排水期收集电能单相送入储供电单元200，储供电单元200给装置非发电单元供电并将叠加式发电检测一体化单元100测得信息和自身电池数据传送给实时计算与主控通讯单元300，实时计算与主控通讯单元300处理相关信息后将获得管道液位流量和装置工作状况信息实时传送至市政管理接收云端。如图2所示，叠加式发电检测一体化单元100包括固定底座101、导流槽102，固定底座101通过可固定气压杆103将叠加式发电检测一体化单元100固定在检查井底部，使得导流槽102正对来水方向，且最下端的发电组件110底部与排水管道底部处于同一水平位置，发电组件最下端安装于位于固定底座101上的发电组件安装槽104上，根据需要测量的管道管径大小设定所需发电组件110的数量以及导流槽102的高度，最终通过顶盖105将所有发电检测一体化单元100的部件相对位置固定。发电组件110如图3所示，其结构包括水驱叶轮和永磁体111、防水固定发电线圈112、组件连接紧扣装置113、信号线缆114。其中，组件连接紧扣装置113连接并扣紧上下两个发电组件110，使得其轴体间和轴体与固定底座101之间不发生相对旋转。

所述的储供电单元200通过信号线缆114与叠加式发电检测一体化单元100连接。储供电单元2位于长方体支架201上，所述长方体支架的四只直立杆通过井盖连接法兰202在市政排水管道检查井井盖下端。所述长方体支架201上设置有线缆接口203，蓄电池模组204。储供电单元为整个装置供电，同时将各发电组件110的发电电压参数以及蓄电池本身的电量参数传送至实时计算与主控通讯单元300。

所述实时计算与主控通讯单元300同样位于长方体支架上，与储供电单元200通过信号导线连接，主控芯片模组301收集储供电单元200传送的各设备参数与信息，分析和计算排水管道的液位、流量、设备工况、报警信息，使装置工作模式与当前管道流况匹配，并通过无线通讯模组302将所有相关信息实时传送至市政管理云端。

实施例2

本实施例的市政排水管道自发电流量液位检测方法如图6所示，包括下列步骤：

步骤1：系统安装

1.1根据管径选择所需要安装的发电组件个数、导流槽高度，并设置好与管径匹配的算法；

1.2检查确认所述的各个单元部件是否能正常工作；

1.3确定好叠加式发电检测一体化单元所需的高度和方向，安装叠加式发电检测一体化单元至井底并锁紧，安装储供电单元至井盖背面，连接通信电缆，盖上井盖；

步骤2：系统测试

2.1使用上位机与装置进行通信，能接收到当前流量、液位和电量、设备运行信息即测试完毕；

步骤三：系统运行

3.1通过判断正在运行的最高位置发电组件之下是否有不转动、异常转动的发电组件信息来判断某一发电组件是否需要维护；

3.2通过确定正在转动的最高发电组件身份信息与压力传感器数值来确定当前液位的高度；

3.3通过收集正在转动的所有发电组件的转速与压力传感器数值来通过算法换算成当前流量的信息；

3.4发送实时液位、流量与维护、电量信息至市政管理接收端；

步骤四：系统报警维护

4.1市政管理接收端收到报警、需要维护信息a.电池寿命问题、b.某发电组件不工作；

4.2开启井盖，断开叠加式发电检测一体化单元和储供电单元；

4.3维修a.更换蓄电池模组，b.解开顶盖锁紧，取出发电组件串，定位出错组件，更换发电组件；

4.4重复步骤1至步骤3。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，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情况下，都可利用上述揭示的方法和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，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种排水管道流量液位检测的方法，其特征在于，该方法是基于排水管道自发电流量液位检测一体化无线装置实现的，该装置包括安装于市政排水管道检查井井底的叠加式发电检测一体化单元（100），以及安装于井盖底部的储供电单元（200）和实时计算与主控通讯单元（300）；

所述叠加式发电检测一体化单元（100）的发电检测部分由自下而上叠加安装的多个同轴发电组件（110）组成，所述发电组件（110）在管道水流冲击下旋转以产生、收集电能；工作时，各发电组件（110）具有不同的身份信息，且均可单独工作，进行独立的发电；所述叠加式发电检测一体化单元（100）设有压力传感器（106），用于测量水位漫过顶盖时，顶盖受到的压力；

所述储供电单元（200）通过信号线缆（114）储存所述发电组件（110）产生的电能，单向存入蓄电池模组（204），为装置供电，并收集未处理的发电组件电压参数，与蓄电池模组的电量参数一并传输至所述实时计算与主控通讯单元（300）；

所述实时计算与主控通讯单元（300）获取储供电单元（200）传输的数据，根据各发电组件电压参数得到各发电组件实时转速和工作状况，从而得到实时管道液位与流量信息，结合蓄电池模组电量参数调整装置工作模式，并通过无线通讯模组（302）将所有信息实时传输至市政管理云端；

该方法包括：

当水流通过排水管道检查井时，被水没过的不同高度发电组件以不同转速旋转，与水无接触的发电组件不旋转；旋转的发电组件发出电能，通过信号线缆为储供电单元中的蓄电池模组充电，发电组件发电电压与转速具有映射关系；

储供电单元为装置供电，并且将未处理的发电组件电压参数和蓄电池模组的电量参数传送给实时计算与主控通讯单元；

实时计算与主控通讯单元读取储供电单元传输的数据，并进行与当前管道流况匹配的计算，获得管道的液位、流量、发电组件工况以及报警信息，根据获得的信息调整装置工作模式，并通过无线通讯模组将所有信息实时传送至市政管理云端；

其中，液位检测如下：

若某发电组件是位于最高处，且有电压发出的发电组件，则将该发电组件标记为液位标志发电组件；

若顶盖处压力传感器没有数值输出，则选取当前情况下的液位标志发电组件，该组件的半高处位置即代表此时的液位；

若顶盖处压力传感器出现数值输出，则此时的液位高度为叠加式发电检测一体化单元高度H ₀与由压力传感器输出数值p换算得到的液位高度h之和；

其中，流量检测如下：

通过判断横向排水管道的顶端以上是否有工作的发电组件以区分排水管道是否满流；

未满流时，统计所有正常工作的发电组件发电电压，通过映射关系转换为各发电组件 的转速，并通过转速流速转换公式换算出重力流平均流速

；通过当前液位高度H与横向排 水管道管径D算出管道水流截面积A，将

，A代入重力流水力计算公式即可求得当前流量Q；

满流时，若水位未漫过叠加式发电检测一体化单元顶盖，则统计所有正常工作的发电组件发电电压，通过映射关系转换为各发电组件的转速，并通过转速流速转换公式换算为各发电组件处的流速，最后将各位置的流速代入压力流水力计算公式即可求得当前流量Q；若水位漫过顶盖，此时顶盖处压力传感器输出数值为p，将各发电组件的转速、压力数值、压力换算系数与压力附加项代入压力流水力计算公式即可求得当前流量Q。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发电组件（110）包括水驱叶轮和永磁体（111）、防水固定发电线圈（112）、组件连接紧扣装置（113）和信号线缆（114）；多个发电组件（110）间通过组件连接紧扣装置（113）连接，形成一个由发电组件叠加而成的直立发电检测杆；所述发电组件（110）的数量根据排水管道直径匹配设置；

所述叠加式发电检测一体化单元（100）还包括固定底座（101）、导流槽（102）和顶盖（105）；所述固定底座（101）周边设置有四个气压杆（103），所述气压杆（103）抵住井壁以锁定装置位置；所述固定底座（101）上设置有正对水流方向，且位于所述发电组件（110）两侧的导流槽（102）；所述导流槽（102）的顶部安装顶盖（105）；所述顶盖（105）上设有压力传感器（106），所述顶盖（105）上还设有信号线缆出口，使得引出的信号线缆（114）与储供电单元（200）连接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述储供电单元（200）包括长方体支架（201），所述长方体支架（201）上表面四个边角设置有四只直立杆，通过直立杆顶部的井盖连接法兰（202）将所述储供电单元（200）固定在市政排水管道检查井井盖底部；所述长方体支架（201）上还布设有蓄电池模组（204）和实时计算与主控通讯单元（300）；

所述实时计算与主控通讯单元（300）包括主控芯片模组（301）与无线通讯模组（302），所述主控芯片模组（301）收集储供电单元（200）传输的数据，分析和计算排水管道的液位、流量、装置工况、报警信息，使装置工作模式与当前管道流况相匹配，并通过无线通讯模组（302）将所有相关信息实时传送至市政管理云端，进行排水管道参数和装置本身数据与运行状态的管理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据发电组件电压参数判断发电组件工况，判断正常工况或故障工况发电组件，具体为：

若某发电组件是液位标志发电组件，暂时搁置对其工作状况的判断；

正常工况需同时满足条件：a.被水没过；b.发电电压变化平滑稳定；

故障工况需同时满足条件：a.被水没过；b.在规定的一段时间内没有电压，或持续出现不连续电压，或输出往复波动过大的异常电压。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对发电组件的发电电压进行修正，具体为：若存在a.故障工况的工作发电组件，或存在b.通过判定公式计算判定发电电压异常的发电组件，则在相应的计算公式中剔除上述二种发电组件的实际电压数据，并取其上、下方最接近的各一个正常工作发电组件的发电电压数据，代入修正公式计算得到该发电组件的替代数据并替换上述二种发电组件的实际电压数据，以保证公式的正常计算与测量数据的准确。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括报警机制，具体为：

位于顶盖的压力传感器示数若超过设定限位值p ₀并超过设定时间t _p，则实时计算与主控通讯单元发出检查井溢流报警；

所有存在故障的发电组件的总数量超过设定故障报警数量时，则实时计算与主控通讯单元发出维修报警。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时计算与主控通讯单元根据获得的信息自适应调整装置工作模式，具体为：

装置工作模式分为省电节能模式、正常监控模式和充电高频监控模式，判断条件如下：

装置电量超过20%时：

当液位低于横向排水管道管径的1/3，且所有发电组件发电电压均小于电压V _min时，调整实时计算与主控通讯单元的工作周期至最长，使装置进入省电节能模式，低功耗运行；

当液位高于横向排水管道管径的2/3，且存在发电组件发电电压大于电压V _max时，调整实时计算与主控通讯单元的工作周期至最短，使装置进入充电高频监控模式；

其他情况，实时计算与主控单元的工作周期均为正常周期；

装置电量小于等于20%时，装置进入省电节能模式。

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