CN204314458U - 一种污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，包括发射电路、发射换能器、接收换能器、声信号接收电路、模数转换模块和主控模块；通过声信号发射、接收、信号包络提取、非均匀特征提取、获得污水中固体垃圾的有无及尺寸信息并输出结果。本实用新型能够有效地实现对污水管渠中固定垃圾进行在线声纳监测；借助简单、方便的声信号连续波非均匀性探测利用宽指向性实现对狭窄、封闭、水位变化的管渠中固体垃圾的存在及尺寸信息的提取，避免了传统可见光、电磁波、超声波探测方法在该使用环境下的种种缺陷；系统安装、使用、维护方便，成本低，便于与污水粉碎格栅组合构成污水中固体垃圾的自动监测、粉碎处理系统。

Description

一种污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置

技术领域

本实用新型属于污水管道监测技术领域，具体来说是一种污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置。

背景技术

当前随着各类极端天气对社会影响加剧，保证污水管渠排水通畅重要性。特别是城市污水中各类纸板、广告牌、板材、树木等固体垃圾严重影响了泵站排水效率，在泵站设置粉碎格栅对污水管渠中固体垃圾进行及时破碎对保障排水畅通有重要作用。但目前缺乏对污水管渠中固定垃圾进行在线监测的专用装置，泵站中往往依靠定时工作、人工控制等方式来启动粉碎格栅，效率低且无法适应突发状况下固体垃圾造成的污水排水阻塞。申请号为201320053443. 8的中国专利公开了名为“一种城镇污水处理系统”的实用新型专利，申请号201410136363. 8的中国专利公开了名为“一种多功能跟踪采样联动系统“的发明专利，这些专利文献虽然提供了一些城市污水处理及监控的技术方案，但并没有针对以上问题提出可行的技术方案。

研发一种在线监测声纳装置用于进行污水管渠中固体垃圾的在线监测，通过在线探测污水中较大尺寸的固体垃圾控制粉碎格栅启动粉碎作业，提高泵站粉碎格栅快速、高效处理各类污水阻塞问题的能力，成为客观必要。但考虑到污水管渠中污水混有大量的泥沙、杂质、污物等液体、固定颗粒，声阻抗不均匀，严重影响传统的光、电磁波、超声波信号在污水中的传播；同时，在不同排水状态下污水管渠的水位呈现较大的变化（枯水期水位极低，洪涝期溢满），无法保持安装在管渠中的各类探测信号发射、接收探头始终处于污水液面以上或以下，由于空气与液体的传输特性差异，收发探头之间变化液面导致的反射将严重影响光、电磁波、超声波等探测信号的正常接收；另一方面，由于需要探测污水中固体垃圾的大概尺寸以评估是否启动粉碎设备，在狭窄、界面反射严重的污水管渠内形成尖锐指向性波束进行一定空间分辨率的声信号探测也是极其困难的。因此，无法直接利用传统的可见光、电磁波或超声波信号探测方法或装置进行污水管渠中固体垃圾的探测。

发明内容

为解决以上问题，本实用新型提供一种简单方便、可在线监测污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置。

本实用新型的上述目的是通过下列技术方案来实现的：

一种污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，包括发射电路、发射换能器、接收换能器、声信号接收电路、模数转换模块和主控模块；所述发射电路产生发射信号并连接到发射换能器；发射换能器安装在污水管渠的底部，发射声信号；接收换能器安装在污水管渠的顶部，接收发射换能器所发出的声信号；接收电路连接接收换能器，将接收换能器所接收到的声信号经前置放大、增益控制、带通滤波和包络检波处理后传送至模数转换模块，模数转换模块将经接收电路处理后的信号转换为数字信号；主控模块通过数据线连接模数转换模块，将模数转换模块所产生的数字信号进行特征提取，获得污水中固体垃圾的有无及尺寸信息，输出结果。

所述发射换能器和接收换能器选用防水型T/R40-16换能器，其中心频率为40kHz，指向性角60度，防水封装。

所述接收电路由前置芯片NJM2100组成的前置放大电路、AD603芯片组成的增益控制电路和MAX274芯片组成的40kHz带通滤波电路、NE5532芯片组成的包络检波电路和S3C2440微处理器的接口电路组成。

所述主控模块包括ARM9 S3C2440微处理器，发射电路由主控模块ARM9 S3C2440微处理器控制4046振荡电路输出40kHz连续信号。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：1、能够有效地实现对污水管渠中固定垃圾进行声纳在线监测；2、借助简单、方便的声信号连续波非均匀性探测利用宽指向性且具有对称性的特性实现对狭窄、封闭、水位变化的管渠中固体垃圾的存在及尺寸信息的提取，避免了传统可见光、电磁波、超声波探测方法在该使用环境下的种种缺陷；3、系统安装、使用、维护方便，成本低，便于与污水粉碎格栅组合构成污水中固体垃圾的自动监测、粉碎处理系统。

附图说明

图1是本实用新型的系统原理图；

图2是声信号发射电路及与主控模块连接电路图；

图3是声信号接收电路与主控模块连接电路图；

    图4是污水管渠中固体垃圾经过检测系统与接收到的声信号连续信号包络波形示意图。其中：图4(a)为接收信号包络图；图4(b)为超声波发射接收传感器布置方式及在线监测固体垃圾通过的原理图；图4(c)为发射电路采用的40kHz连续正弦波信号波形图。

主要符号说明

1、发射电路

2、发射换能器

3、接收换能器

4、声信号接收电路

5、模数转换模块

6、主控模块

7、污水管渠。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例：一种污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，如图1所示，包括发射电路1、发射换能器2、接收换能器3、声信号接收电路4、模数转换模块5和主控模块6。发射电路1产生发射信号并连接到发射换能器2。发射换能器2安装在污水管渠7的底部，发射声信号。接收换能器3安装在污水管渠7的顶部，接收发射换能器2所发出的声信号。接收电路4连接接收换能器3，将接收换能器3所接收到的声信号经前置放大、增益控制、带通滤波和包络检波处理后传送至模数转换模块5，模数转换模块5将经接收电路4处理后的信号转换为数字信号。主控模块6通过数据线连接模数转换模块5，将模数转换模块5所产生的数字信号进行特征提取，获得污水中固体垃圾的有无及尺寸信息，输出结果。发射换能器2和接收换能器3选用防水型T/R40-16换能器，其中心频率为40kHz，指向性角60度，防水封装。接收电路4由前置芯片NJM2100组成的前置放大电路、AD603芯片组成的增益控制电路和MAX274芯片组成的40kHz带通滤波电路、NE5532芯片组成的包络检波电路和S3C2440微处理器的接口电路组成（如图3所示）。主控模块6包括ARM9 S3C2440微处理器，发射电路由主控模块ARM9 S3C2440微处理器控制4046振荡电路输出40kHz连续信号。

安装在污水管渠7底部的发射换能器2发射中心频率40k Hz的连续正弦波声信号，以利用连续波信号的非均匀特性实现固体垃圾的尺寸信息监测。安装在管渠顶部的接收声信号传感器3接收声信号。由主控模块ARM9 S3C2440微处理器控制4046振荡电路输出40kHz连续信号。主控模块6启动声信号发射后, 图2所示由4046芯片构成的压控振荡电路由S3C2440的GPB10端口输出低电平使能4046芯片输出中心频率40k Hz的连续振荡信号，推动发射换能器TS发射40kHz连续信号。声信号接收电路4接收到的声信号经过前置放大电路放大、增益控制、带通滤波、包络检波后输入8通道模数转换芯片MAX118，S3C2440微处理器通过IO口GPB2,3,4控制MAX118的输入通道端A6、A7，通过定时器输出脚TOUT0、TOUT1控制MAX118的读出/写入端口WR、RD进行采样频率20ksps的模数转换,通过数据线DATA0至DATA7对接收信号包络进行8bit模数转换结果到主控模块S3C2440微处理器的传送。接收声信号的非均匀性检测过程以数字信号处理，采用作为主控模块的ARM9 S3C2440微处理器处理实现，模数转换后的声接收信号包络在S3C2440微处理器中进行非均匀性特征参数的提取，判断，报警输出。

对接收的连续正弦波信号包络进行非均匀性特征检测从而获取污水中固体垃圾信息的过程，下面结合图4进行具体描述：发射换能器2安装于污水管渠7底部发射40kHz连续正弦波信号（如图4（c）所示），接收换能器3安装于污水管渠7底部对信号进行接收及包络提取。由于发射、接收换能器具有的发射、接收指向性波束较宽（本实施例采用的防水型T/R40发射、接收换能器指向性波束角的宽度为60度，如图4(b)中虚线所示）且围绕传感器中心线对称分布，接收换能器3接收到的信号包络幅度实际上反映了在指向性波束宽度区域内的声信号传输特性，当管渠流过的污水中含有固体垃圾时，随着固体垃圾通过发射换能器2、接收换能器3的中轴线（如图4(b)中点划线所示），发射换能器2发射并被接收换能器3接收的信号指向性波束经历了未被遮挡、被部分遮挡、全部遮挡、被部分遮挡、未被遮挡这样一系列具有时间对称性的影响，反映在提取的接收信号包络上则呈现出如图4(a)所示类似倒梯形的非均匀特征。则，包络经过模拟数字转换进入主控模块后，只需采用数字信号处理算法对接收换能器3接收信号包络中倒梯形非均匀性部分的凹陷度k及凹陷宽度w进行参数检测，即可获取污水中固体垃圾有无及其尺寸的信息。凹陷度k及凹陷宽度w分别定义为(如图4(a)所示)：

w=信号幅度低于设定门限v的结束时刻t2 - 信号幅度低于设定门限v的起始时刻t1；

k=t1到t2时刻之间信号幅度最小值；

门限值v根据现场污水、泵站粉碎设备等情况进行设定。

上述各参数的数字信号处理检测算法均可采用本领域通用的算法。经过对接收信号包络非均匀性特征的检测提取，凹陷度k反映了污水中固体垃圾等固体非均匀性造成的声传播被阻隔现象，凹陷宽度w则反映了固体垃圾的尺寸信息，尺寸越大的固体垃圾其对应的w参数越大。由于本实施例采用的是连续波发射、连续波探测及特征提取，利用包络非均匀性特征对污水中固体垃圾尺寸的探测具有较高的精度，同时可实现实时、在线监测。前述由于发射换能器2与接收换能器3之间污水液面出现变化造成的接收信号幅度变化由接收电路中增益控制芯片AD603根据主控模块输出的电压进行自动控制，具体实现过程为：主控处理器接收并判断当前平均信号幅度，并根据当前信号平均幅度从本实施例主控模块的数字模拟输出(DAC)端口AINT2管脚输出适当的控制电压控制AD603芯片的增益(如图3所示)，从而可调整接收信号的幅度在适当的范围，不受管渠中污水液面变化的影响（在污水溢满状态下，发射、接收换能器均浸没于污水中时系统也可正常工作）。

主控模块S3C2440进行包络波形的非均匀性参数凹陷度k及凹陷宽度w检测后，可设定报警门限，一旦非均匀性参数超过报警门限，即可输出报警信号，启动排污泵站的相关粉碎设备进行固体垃圾的及时处理，从而避免堵塞造成的严重后果。由于采用连续波发射及接收处理，可实现对污水中固体垃圾的在线、实时处理。

实现污水管渠中固体垃圾的声纳在线监测的主要步骤可概括为：声信号发射、接收、信号包络提取、非均匀特征提取、判断输出步骤。具体思路为：利用安装在污水管渠7底部的发射换能器2发射连续正弦波，安装在污水管渠顶部的接收换能器3获取从底部向顶部传输的声信号，在信号接收电路中利用增益控制保持幅度基本一致，对信号进行放大、滤波、包络提取处理后，在主控模块中对信号包络的幅度变化及对称性变化特征参数进行提取，根据提取的非均匀性特征参数进行污水中固体垃圾信息判断，实现在线监测。

声信号发射接收步骤分别利用在污水管渠7底部、顶部位置固定的发射换能器2、接收换能器3发射声信号并接收；信号包络提取步骤通过接收声信号并进行前置放大、增益控制、带通滤波、包络提取；非均匀特征提取步骤则在对信号包络进行模数转换后进行包络中表征污水中固体垃圾通过的特征进行提取，获取固体垃圾的有无及尺寸大小信息；判断输出步骤根据提取的非均匀特征进行判断，并输出判断结果以供后续处理。针对污水管渠7中污水杂质、空间封闭狭小、液面变化的复杂情况，采用脉冲信号形式进行探测的各类常规方法及装置难以实现对固体垃圾存在及尺寸的检测。利用通用发射、接收换能器较宽的指向性波束具有的方位对称性进行固体垃圾的尺寸探测，采用简单方便的连续波非均匀特征探测手段来获取污水中固体垃圾的有无及尺寸信息，从而避免了使用复杂、高成本的阵列技术来形成尖锐探测波束；同时，在接收电路4中采用增益控制避免了发射、接收换能器间变化的污水液面造成的接收信号幅度变化对检测造成的影响。

本实用新型公开的污水管渠中固体垃圾在线监测声纳装置最大的特点在于借助简单、方便的声信号连续波非均匀性探测利用宽指向性波束实现对狭窄、封闭、水位变化的污水管渠中固体垃圾的存在及尺寸信息的提取，避免了传统可见光、电磁波、超声波等探测方法在该使用环境下的种种缺陷。同时，系统安装、使用、维护方便，成本低，便于与污水粉碎格栅组合构成污水中固体垃圾的自动监测、粉碎处理系统。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，其特征在于：包括发射电路、发射换能器、接收换能器、声信号接收电路、模数转换模块和主控模块；所述发射电路产生发射信号并连接到发射换能器；发射换能器安装在污水管渠的底部，发射声信号；接收换能器安装在污水管渠的顶部，接收发射换能器所发出的信号；接收电路连接接收换能器，将接收换能器所接收到的声信号经前置放大、增益控制、带通滤波和包络检波处理后传送至模数转换模块，模数转换模块将经接收电路处理后的信号转换为数字信号；主控模块通过数据线连接模数转换模块，将模数转换模块所产生的数字信号进行特征提取，获得污水中固体垃圾的有无及尺寸信息，输出结果。

2.根据权利要求1所述的污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，其特征在于：所述发射换能器和接收换能器选用防水型T/R40-16换能器，其中心频率为40kHz，指向性角60度，防水封装。

3.根据权利要求1所述的污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，其特征在于：所述接收电路由前置芯片NJM2100组成的前置放大电路、AD603芯片组成的增益控制电路和MAX274芯片组成的40kHz带通滤波电路、NE5532芯片组成的包络检波电路和S3C2440微处理器的接口电路组成。

4. 根据权利要求1所述的污水管渠中固体垃圾的在线监测声纳装置，其特征在于：所述主控模块包括ARM9 S3C2440微处理器，发射电路由主控模块ARM9 S3C2440微处理器控制4046振荡电路输出40kHz连续信号。