CN115112918A - 一种大口径污水管道多点流速测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大口径污水管道多点流速测量装置和测量方法，装置包括有基座、设置在所述基座上的流速测量探头和与所述流速测量探头连接的控制器，所述基座的上平面和下平面平行，所述上平面短于所述下平面，在连接所述上平面和所述下平面之间的迎流斜面上设置有四个流速测量探头，四个所述流速测量探头呈矩形设置在所述基座迎流斜面上。本发明采用超声多普勒测量原理，利用污水管道中脏水或浆体中的杂质、气泡等对超声波的散射效果进行流速测量，通过设置四个流速测量探头，分别测量污水管道中的主流核心区和低速度区的流速，对不同流速区取的速度值引入权值k，对流速值修正，得到更准确的管道流体流速，可有效提高测量精度。

Description

一种大口径污水管道多点流速测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及流量监测技术领域，具体地说是一种大口径污水管道多点流速测量装置和测量方法。

背景技术

现今我国越来越重视环境保护，全国各地都在大力兴建大口径污水处理工程，对于污水管道的流速、固相浓度及液位等参数的监测至关重要。

现有的污水管道流速的测量方法有超声多普勒法、超声互相关法、粒子图像测速法、电容层析成像法等。

超声多普勒法可实现在线监测，可以精准分析出水的流向流速，不会受水的浑浊度、气泡等杂质的影响，非常适合用于污水管道流速测量，本装置的测速探头正是采用了超声多普勒原理。

超声互相关法是基于随机过程的相关理论的一种流动参数检测技术，这种方法测量精度高，与所测管道的口径、介质的种类及流速关系不大，受环境因素影响较小，但在测量时需要多个探头，设计成本较高，同时也较难应用与明渠等场合。

粒子图像测速法是为了记录流场的粒子的位置而进行多次摄影，分析所拍摄的图像来测定流动的速度的方法。此方法可实现了全流场瞬态测量，容易求得流场的其他物理量，由于得到的是全场的速度信息，后期处理时可运用流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息，但对测量环境要求较高，现今大多用于实验室里。

电容层析成像法价格低廉，安全，结构简单，并且检测过程非侵入，有广泛的工业应用潜能，但ECT中的电容测量属于弱电容测量，且要求分辨率高、数据采集速率快。

现有的污水管道固相浓度的测量方法有超声衰减法和电容法。

超声波衰减法是一种可以根据实际需要选择接触与非接触的测量检测手段，由发射端发出信号，接收端接收信号，由于声波的扩散、散射和吸收，声波能力会受到衰减，传播原理包括声学基础理论、散射衰减、吸收衰减、扩散衰减等，此方法具有很强的穿透性、方向性、耐恶劣环境、节能快速等优点。

电容法测量液固两相流固相浓度的基本原理是:当流体经过电容极板形成敏感电场时，由于液固流体混合物浓度的改变将使得电极电容值产生相应的变化，这样就把测量固相浓度的问题转化为检测电容值大小的问题。电容法具有非侵入式结构，探头不磨损老化，不干扰流场，无辐射等优点，但它的缺点是浓度测量系统的分辨率与稳定性较差。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种大口径污水管道多点流速测量装置，以解决现有装置结构复杂、测量误差大的问题。

本发明的目的之一是这样实现的：一种大口径污水管道多点流速测量装置，包括有基座、设置在所述基座上的流速测量探头和与所述流速测量探头连接的控制器，所述基座的上平面和下平面平行，所述上平面短于所述下平面，在连接所述上平面和所述下平面之间的迎流斜面上设置有四个流速测量探头，四个所述流速测量探头呈矩形设置在所述基座迎流斜面上。

进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：

所述流速测量探头包括有对流体发射超声波信号的超声发射传感器和接收流体内回波信号的超声接收传感器，所述超声发射传感器和超声接收传感器与所述控制器连接。

在所述基座的上平面上设置有与所述控制器连接的固相浓度测量探头。

在所述基座的下平面上设置有与所述控制器连接的超声波清洗模块和液位计。

所述基座迎流斜面与水平面的角度24°＜θ＜48°。

所述基座迎流斜面与水平面的角度θ为35度。

本发明的目的之二是提供一种大口径污水管道多点流速测量测量方法，以解决现有方法较为复杂、且进行多点测量会引起较大测量误差的问题。

本发明的目的之二是这样实现的：一种大口径污水管道多点流速测量方法，其特征是，包括如下步骤：

A、所述大口径污水管道多点流速测量方法方法应用于权利要求6所述的大口径污水管道多点流速测量装置，在待测流体的管道底部安装大口径污水管道多点流速测量装置；

B、管道内的固相颗粒随流体一起以速度u运动，静止流体中的声速为c，超声发射传感器T将连续的正弦超声波信号f_t摄入待测流体中，由于固相颗粒的散射而以回波信号f_r进入超声接收传感器R中；

固相颗粒接收到的信号频率为f_s的表达式为：

则超声接收传感器R接受到的回波信号的频率f_r的表达式为：

将上述两式进行合并，得出回波信号的频率f_r的表达式为：

多普勒频移Δf的表达式为：

固相颗粒运动的速度u远远小于流体中的声速c，近似得出多普勒频移Δf的表达式为：

固相颗粒所在位置流体速度u示的表达式为：

流体瞬时流量q_u的表达式为：

q_u＝Au

式中，A为管道截面积；

C、四个流速测量探头分别算出不同的流体速度，u1、u2、u3、u4，其中，u1、u2取在主流核心区，u3、u4取在低速度区，引入权值k1、k2、k3、k4值后，流体平均速度

为：

此时流体瞬时流量为：

本发明采用超声多普勒测量原理，利用污水管道中脏水或浆体中的杂质、气泡等对超声波的散射效果进行流速测量，通过设置四个流速测量探头，分别测量污水管道中的主流核心区和低速度区的流速，对不同流速区取的速度值引入权值k，对流速值修正，得到更准确的管道流体流速，可有效提高测量精度。液位测量使用超声波测量原理，由对各流速测量探头测得的流体流速进行平均得到的管道中的平均流速与液位(截面积)来计算流量值。本发明可同时测量污水管道流速、固相浓度及液位，将流速测量探头、固相浓度测量探头和液位计设计成一体化装置，能够避免由各换能器分别放置在管道不同位置带来的测量误差，同时可有效避免实际测量中频繁拆装造成的误差，可极大增加测量精度。本发明还可测量地下管道、明渠低水位时各参数的测量要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的使用状态参考图。

图3是污水管的截面图。

图中：1、基座，2、流速测量探头，3、固相浓度测量探头，4、迎流斜面，5、上平面，6、超声波清洗模块，7、液位计，8、污水管道。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，本发明的大口径污水管道8多点流速测量装置，包括有基座1、设置在所述基座1上的流速测量探头2和与所述流速测量探头2连接的控制器，所述基座1的上平面5和下平面平行，所述上平面5短于所述下平面，在连接所述上平面5和所述下平面之间的迎流斜面4上设置有四个流速测量探头2，四个所述流速测量探头2呈矩形设置在所述基座1迎流斜面4上。

所述流速测量探头2包括有对流体发射超声波信号的超声发射传感器和接收流体内回波信号的超声接收传感器，所述超声发射传感器和超声接收传感器与所述控制器连接。

在所述基座1的上平面5上设置有与所述控制器连接的固相浓度测量探头3，采用超声衰减法测量固相浓度。

在所述基座1的下平面上设置有与所述控制器连接的超声波清洗模块6和液位计7。超声波清洗模块6定时发出高频超声波(28kHz-120KHz)清洁探头表面，减轻污水管道8内淤泥、杂质等对装置的腐蚀作用，并提高测量精度，有效减小测量误差。可采用压力式液位计7，内置压力传感器将测得压力值转换成液位值，将测得液位值(截面积)与流速测量探头2测得流速值相乘，即可得出平均流量值，由管道流量值与相浓度值可分析出污水管道8流动情况。

声楔面就是基座1迎流斜面4，流速测量探头2中的超声发射传感器所发射的超声波入射角应大于第一临界角，小于第二临界角。因此，角度θ应大于第一临界角，小于第二临界角，以确保一个超声传感器仅接收到一束超声波，实验室和生活用污水循环管道的材质一般为不锈钢管，分别计算入射纵波从声楔/钢的第一临界角和第二临界角。

c_声楔L＝2424m/s,c_钢L为5900m/s,C_钢s＝3230m/s。

α_钢1为声波在不锈钢管(也就是大口径污水管道8)中传播时的第一临界角，α_钢2为声波在不锈钢管中传播时的第二临界角。c_声楔L为纵波在声楔(也就是基座1)中的声速，c_钢L为纵波在不锈钢管中的声速，c_钢S为横波在不锈钢管中的声速。所述基座1迎流斜面4与水平面的角度24°＜θ＜48°。其中最优值角度θ为35°，此时超声发射传感器的入射波角度液位35°。

在测量中，将此本发明的大口径污水管道8多点流速测量装置固定安装于污水管道8底部，角度θ为35度。还可根据需要增加流速测量探头2的数量，后将各流速测量探头2测得流速值进行平均，得到更精准的平均流速，可有效提高测量精度。

本发明同时测量污水管道8流速、固相浓度及液位，将4种传感器集成设计成一体化装置，能够避免由各换能器分别放置在管道不同位置带来的测量误差，另一大优点为可有效避免实际测量中频繁拆装造成的误差，可极大增加测量精度。在实际加工过程中，应尽量降低基座1厚度，以适应地下管道、明渠低水位时各参数测量的要求。

首先，超声波清洗模块6定时启动、关闭，以达到对装置表面清洁效果，提高测量精度，保护装置。然后，流速测量探头2、固相浓度测量探头3和压力式液位计7启动，开始测量流速、固相浓度及水压值，将信号输出至控制器中的数据处理系统，数据处理后输出各测量结果。最后，将测量结果远传至电脑主机，实现对污水管道8流体各参数的实时监控。

实施例2

本发明的大口径污水管道8多点流速测量方法，包括如下步骤：

A、所述大口径污水管道8多点流速测量方法方法应用于实施例1所述的大口径污水管道8多点流速测量装置，在待测流体的管道内安装大口径污水管道8多点流速测量装置；

B、管道内的固相颗粒随流体一起以速度u运动，静止流体中的声速为c，超声发射传感器T将连续的正弦超声波信号f_t，摄入待测流体中，由于固相颗粒的散射而以回波信号f_r进入超声接收传感器R中；

固相颗粒接收到的信号频率为f_s：

则超声接收传感器R接受到的回波信号的频率f_r为：

将上述两式进行合并，得出回波信号的频率f_r为：

多普勒频移Δf为：

实际测量时固相颗粒或者气泡运动的速度u远远小于流体中的声速c，于是上式近似得出多普勒频移Δf为：

固相颗粒所在位置流体速度u表示为：

流体瞬时流量q_u表示为：

q_u＝Au

A为管道截面积，u为流速；

C、四个流速测量探头2分别算出不同的流体速度，u1、u2、u3、u4，如图3所示，u1、u2取在主流核心区，u3、u4取在低速度区，引入权值k1、k2、k3、k4，k1-4值(初步采用均值，将u1-4平均)后，流体平均速度

为：

此时流体瞬时流量为：

还包括有浓度测量方法，包括如下步骤：

a1、超声发射传感器T将连续的正弦超声波信号f_t发射在待测流体中，超声波在流体中的扩散、散射和吸收，使能量衰减(在不考虑扩散时的平面波)，其衰减系数关系式为:

P(x)＝P₀e^-αx

式中，P0为声压初始振幅(x＝0),P(x)为传输距离x处的振幅，α为衰减系数。

声压比以分贝(dB)表示，定义如下:

在大口径污水管道8中，部分声波能量被污水中介质吸收并转变为热能，还会产生散射形式的另一种损失，因此衰减系数分成两部分：

α＝α_a+α_s

式中，α_a是吸收系数，α_s是散射系数；

吸收主要是由①内部摩擦(粘性)；②弹性迟滞；③热传导；④驰像吸收(与分子结构有关)。在气体和液体中，内部摩擦和热传导是最重要的，驰像吸收是次要的，而弹性迟滞是不存在的；在固体中，内部摩擦和弹性迟滞是主要的，热传导和驰像吸收则可以忽略不计。这些机理都有不同的依从关系，如气体和液体中的吸收系数一般是与频率的平方成正比，而在固体中则通常是线性关系。

式中，ω为超声波的角频率，ω＝2πf，ρ为介质的密度，λ为容积粘度，μ为切变粘度，κ为导热系数，C_p为常压下比热系数；散射是由与波长量纲相当的、特性阻抗与周围材料不同的非均匀质造成的。

式中，C₀为超声波在气体中的传播速度，γ为相对比热值，f_c为气体的散射频率，f为发射信号的频率，F_v为压力比热Cp与容积比热Cv之比，随温度和压力的变化而变化；

在污水管道8中，存在大流量情况，此时加入考虑颗粒与颗粒间的相互作用。因此，超声波的衰减与非均相体系中颗粒粒度、浓度的关系十分复杂，很难用确切的数学模型来描述。然而当声波波长远大于颗粒粒径，也就是符合“长波长理论”时，就可将超声波经过非均相体系后的总衰减系数a简化成:

α＝α_v+α_s+α_t

式中α_v—粘滞衰减系数(由粒径小于波长的细粒的刚性固体粒引起的)；α_t—热力学衰减系数(由软颗粒如溶胶、乳胶粒子引起的)；α_s—散射衰减系数(在固体颗粒粒径大于3μm时有效)。

本发明还包括有液位测量方法，包括如下步骤：

液位测量采用静压测量原理，当本装置被置入到被测管道中时，基座1迎液面受到的压力，通过导气不锈钢将液体的压力引入到压力式液位计7的正压腔，再将液面上的大气压P0与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的P0，使传感器测得压力为：ρgH，通过测取压力P，可以得到液位深度H，后续将液位深度参数远传至计算机，可得到实时液位参数。

其公式为：Ρ＝ρgH+P0

式中：

P：变送器迎液面所受压力；

ρ：被测液体密度；

g：当地重力加速度；

P0：液面上大气压；

H：变送器投入液体的深度。

Claims (7)

1.一种大口径污水管道多点流速测量装置，其特征是，包括有基座、设置在所述基座上的流速测量探头和与所述流速测量探头连接的控制器，所述基座的上平面和下平面平行，所述上平面短于所述下平面，在连接所述上平面和所述下平面之间的迎流斜面上设置有四个流速测量探头，四个所述流速测量探头呈矩形设置在所述基座迎流斜面上。

2.根据权利要求1所述的大口径污水管道多点流速测量装置，其特征是，所述流速测量探头包括有对流体发射超声波信号的超声发射传感器和接收流体内回波信号的超声接收传感器，所述超声发射传感器和超声接收传感器与所述控制器连接。

3.根据权利要求2所述的大口径污水管道多点流速测量装置，其特征是，在所述基座的上平面上设置有与所述控制器连接的固相浓度测量探头。

4.根据权利要求3所述的大口径污水管道多点流速测量装置，其特征是，在所述基座的下平面上设置有与所述控制器连接的超声波清洗模块和液位计。

5.根据权利要求4所述的大口径污水管道多点流速测量装置，其特征是，所述基座迎流斜面与水平面的角度θ24°＜θ＜48°。

6.根据权利要求5所述的大口径污水管道多点流速测量装置，其特征是，所述基座迎流斜面与水平面的角度θ为35度。

7.一种大口径污水管道多点流速测量方法，其特征是，包括如下步骤：

A、所述大口径污水管道多点流速测量方法方法应用于权利要求6所述的大口径污水管道多点流速测量装置，在待测流体的管道底部安装大口径污水管道多点流速测量装置；

B、管道内的固相颗粒随流体一起以速度u运动，静止流体中的声速为c，超声发射传感器T将连续的正弦超声波信号f_t摄入待测流体中，由于固相颗粒的散射而以回波信号f_r进入超声接收传感器R中；

固相颗粒接收到的信号频率为f_s的表达式为：

则超声接收传感器R接受到的回波信号的频率f_r的表达式为：

将上述两式进行合并，得出回波信号的频率f_r的表达式为：

多普勒频移Δf的表达式为：

固相颗粒运动的速度u远远小于流体中的声速c，近似得出多普勒频移Δf的表达式为：

固相颗粒所在位置流体速度u示的表达式为：

流体瞬时流量q_u的表达式为：

q_u＝Au

式中，A为管道截面积；

C、四个流速测量探头分别算出不同的流体速度，u1、u2、u3、u4，其中，u1、u2取在主流核心区，u3、u4取在低速度区，引入权值k1、k2、k3、k4值后，流体平均速度

为：

此时流体瞬时流量为：

。

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