CN1196122A - 检测管道内的液体特性和对泵进行控制的方法 - Google Patents

Abstract

为了确定流过管子(6)的液体特性,例如通过管子抽出的材料是污水还是液相,使从发生器(16)产生的高频超声波脉冲围绕管子的周壁传播并在管内产生余振,测量余振的特性并在控制器(18)中将其与存储数据进行比较以确定管内液态物质的性质。通过判断所得到的数据表示通过管子的材料是污水还是在隧道效应下穿过污水的液体便可对污水泵(8)进行控制。

Description

检测管道内的液体特性和对泵进行控制的方法

本发明涉及对液体比重和粘稠度变化的检测，更确切地说本发明不仅仅涉及废水处理设备中的污水检测，而且还可响应该检测结果对泵进行控制。

在废水处理中，污水泵仅用于在各级处理过程之间输送这些污水，而且为了正确控制某阶段的处理需要保持正确的污水比重。在静态条件下，倾向于将其分成淤渣相和水相，在从发生这种分离的机体中进行抽吸时，倾向于使液相‘穿过’淤渣并将其先于淤渣泵出。而且在某些情况下，污水的比重还可能过大。这样就很难在指定的容器中保持恰当的污水比重，但是目前我们没有发现任何能从市场上买到的可以可靠检测由污水泵泵出的污水比重之装置。类似的问题还发生在泵出的液体呈混合相或比重可变的领域。

在用声学方法检测污水比重方面已经做出了很多努力，但是由于泵的噪声、无法预测与泵相连的管件对声的响应、以及由普通污水导致的很高的声吸收等原因而使该方法还存在许多问题。

在US4145917中提出了一种用装到容器壁上的传感器向液体发射脉冲式超声波波能量来检测液体特性和根据这些脉冲测出特性曲线的方案。

已经发现用超声波技术可以对与泵相连的管件中之液体性质进行可预测的、可靠的和快速的检测。

按照本发明，提供一种通过向容器施加脉冲式超声波能来检测容器中液体性质变化的方法，其中容器是管件，脉冲施加到管壁上后绕管壁传播，根据这种传播检测管壁的余振效应，分析所说余振效应的至少一个参数从而根据管内液体的性质确定已发生变化的液体的特征，和把由此得到的特征与存储的数据进行比较以确定所说液体的性质，所述超声波能的频率非常高，而其波长与管子的截面尺寸相比则很小并且其波谱处在与泵有关的噪声波谱之上。

本发明还涉及一种对泵抽吸“穿过”之液体时的状态进行控制、或对其它不希望的液相或比重异常状态给出指示的方法。

通过以下参照附图进行的描述将使本发明的其它特征变得更清晰，其中：

图1是表示本发明有代表性的装置的示意图；

图2和3是通过特定装置响应污水液体比重变化得到的响应谱图；和

图4是表示本发明一个实施例中的信号处理的简化流程图。

参照图1，在废水厂中用支撑件10和12将两个高频超声波传感器2和4设置在与泵8相连的输入管6的两个相对侧上，所述高频超声波传感器2和4具有相同的谐振频率，该频率一般为150KHz，可以通过磁铁14或夹紧件把支撑件10和12装到管子上。虽然图中示出了两个分别向管子施加超声波能并拾取响应信号的分离传感器，但是也可以象在其它超声波波领域中采用既发射又接收超声波波的共用传感器那样，使用通过适当地设置把同传感器相连的接收电路与发射电路彼此绝缘而构成的单个传感器。

如下面将要描述的那样，脉冲发生器16向发射传感器2提供脉冲，在图中所示的实例中，发生器产生具有明显间隔且持续时间为1微秒的单向2000伏峰-峰值脉冲以便控制管子产生的余振并提供所需的数据，所述管子与受监视的传感器耦接。实际上，在一个普通的设备中，可以实现每秒钟提供50或更多脉冲，但只需很少的数量例如每秒钟10个脉冲就能提供足够的控制信息。在所示的实施例中，是通过微控制器18来控制脉冲发生器的，所述脉冲发生器可以是能提供所需脉冲幅值和宽度的任何发生器，而所述微控制器18还对从接收传感器4接收到的信号进行信号处理控制，接收传感器4的信号送到前置放大器20并在前置放大器中调成传感器的谐波频率，然后为后序处理提供合适的电平。前置放大器20通常包括用于消除150KHz载波分量和提供输出信号的检测器，所述输出信号是经模数转换器进行过数字化处理的信号。检测器可以是简单的幅值检测器，但优选用相位检测器从信号中提取附加信息，特别是对零交叉位置。可以将模数转换器设在微控制器18中作为与发生器16和继电器22相连的接口，继电器22与泵控制电路24相连。

已经发现，当传感器的谐振频率高到足以避免由泵8产生的噪声而引起的干扰时，管6内的液体性质和比重对接收传感器输出的信号幅值有很大的影响。通常，所产生的几厘米量级的超声波能波长与管子的截面尺寸相比很小，所以管子对超声波能不起波导的作用。在超声波能与管内的物质发生作用的情况下，与管内物质的性质和比重有关的超声波能在很大程度上围绕管壁传播，如图2和图3中的图形所示，这两个图表示从与图1相同的装置中的传感器4输出的前置放大信号。

伴随脉冲(其波峰主要受前置放大器饱和作用控制)形成的初始周期过后(虽然在图2和图3中在每个图形的始端还有最小值)，传感器和与传感器耦接之管子的余振幅值所具有的特征是，虽然在图3中大多数波峰的幅值较大，但是每个图形中以相似形状产生的波峰和波谷的数量与管内液体比重大小有关。应该注意到，各波峰的幅值受影响的程度不同，关键在于包络信号谱线的变化。我们惊奇地发现，就污泥型污水而言，随着污水比重的增大混在其中的液体量减少从而导致出现较大的峰值，但这并不是其它液体的必然特性，而且需要对各图象的特性进行分别标定和选择以便对具有不同性质和比重的特定液体进行最佳分化。

按照下面进一步讨论的方式来分析数字信号，而且，在图示的实例中将数字信号转换成与污水比重成比例的信号，并将其与所存储的与最大和最小允许比重相应的信号进行比较。根据比较结果，启动继电器22以控制与泵8相连的泵电路24。由此便建立起这样一个系统，即，当与液体比重对应的信号超出用存储信号表示的阈值时，泵8处于充液状态。比重下降表示在液体中可能发生穿透效应，泵利用穿透效应将输入其中的液体抽出或有效地将污水泵出。如比重上升到上阈值之上则表示正在抽吸的污水太稠；如果过稠的污水处理起来不太难的话，则不必在所有情况下都监视上阈值。只要较稠的液体比重再次处于阈值内，就可以重新启动所述泵。由于当泵停止工作时不能自动地恢复入口管处的液体比重，所以在经过的时间足以终止穿透效应或类似现象之后微控制器18将控制继电器重新启动所述泵，但是如果在泵连续工作的另一间隔内没有恢复泵入口管内的比重，那么将再度停止泵的工作。通过这种装置，便可极大的地避免抽出不希望得到的低比重液体或高比重污水，而抽出正确比重的污水。

已经发现，虽然因通过弯管处的液流能防止固体堆积在管壁上而优选将传感器的位置设在弯管上，例如进入泵的弯管(如图1所示)上，但是一个或多个传感器与管子耦接的位置对检测的影响并不明显，而且与泵相连的管件的设置对检测的影响也不明显。所述固体的堆积可以通过超声波脉冲本身而避免。

使用时，用与图4中构划出的程序相似的程序控制微控制器。很显然，微控制器还可以控制泵的其它操作，例如水箱上游和/或泵下游的水位，所以图中示出的程序仅是微控制器所有控制程序的一部分。这可以通过例如由一体地装在微控制器中的定时器在所需脉冲重复频率确定的间隔内调出的中断服务程序来实现，应选择所述脉冲重复频率使其达到能响应比重起伏所需的速度。还可以考虑在对多个脉冲响应进行平均的基础上实施比重计算，以便提供更大的噪声/抗扰度，这对相同的响应速度来说又需要更高的重复频率。

图4的程序从触发脉冲发生器16向传感器2发送脉冲开始，然后启动模数转换器进行数字化处理并存储从前置放大器20得到的检测信号，可能的话应除去信号的初始部分以便可以不考虑前置放大器饱和的响应部分。然后对存储的数字信号进行分析由此识别出具有管内液体类型和比重的检测信号分量。

这种分析可以采用各种形式，但是可以认为每一种情况都是对接收到的表示管6内液体性质的特征信号进行识别。在一个简单的技术中，测定紧随第一零交叉点B的检测信号出现的波峰A的幅值(参见图2和图3)；这个峰的幅值在污水比重有较小变化时便出现明显变化，通过将图2和3比较便可以看出这一点，图中示出的分别是对比重为1.031和1.0342的污水的响应情况。用比较复杂的技术可以在响应时检查多个波峰的幅值，或分析响应的频率范围以便测量在检测后的响应过程中不同频率分量的相对幅值。利用相位检测既可以分析响应的实际分量又可以分析二次分量或同时分析这两种分量。另一种方法是，在前置放大器停止饱和状态之后，对在确定间隔上的响应幅值进行积分。在任何特定场合采用的方法应根据所需的数据而定。例如，如果仅需要测定抽出的特定污水的比重是否落入预定的响应比重范围内，那么只要测出波峰A的幅值落在标定相期间测得的特定幅值范围内就足够了。在其它场合，可能需要提取包含更多响应参数的特征(signature)，并把这一特征与在标定相期间存储的一个或多个特征进行比较或进行图形匹配以便确定管内液体的比重或性质，例如这种液体是水还是油。在每一种情况下，都是从测量响应特性或组合特性的角度来研究对不同液体的响应情况，这样能够给出最适合区分待测液体的特征。

在标定时，除了供给管子的液体是已知比重和性质的液体外，均采用了与通常所用程序相类似的程序，并且将所获得的特征存储起来以供进一步比较时使用，而不是将其自身与存储的值相比较。

如上所述，可以用本发明的方法对抽吸管内液体的过程进行控制；图4的程序中包含了这种控制功能的简单形式。

Claims (5)

1.一种检测容器内液体性质的方法，包括：向容器施加脉冲形式的超声波能并检验容器的响应，其特征在于，容器是管子，将脉冲施加到管壁上使其围绕管壁传播，检测管壁响应这种传播时的余振，分析所说余振的至少一个参数以确定随管内液体性质而发生变化的特征，将这样获得的特征与存储数据进行比较以确定所说液体的性质，超声波能的频率极高而它的波长与管子截面尺寸相比则很小而且所述频率高于与抽吸有关的噪声波谱。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在分析之前对余振进行检测、数字化和存储。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该特征是紧随第一零交叉的余振中第一波峰的幅值，而且管内的液体是污水。

4.一种对促使液体流过管子的泵进行控制的方法，其特征在于包括采用权利要求1-3中的任一方法将管内液体的特征与由存储数据确定的阈值相比较，并在该特征超出阈值时使泵停止工作。

5.根据权利要求4所述控制泵的方法，其特征在于，当该特征再次落入阈值内时或在预定时间过去之后，不管这两种情况谁先出现，都使泵重新起动。

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