CN206788203U - 排水管网水力参数和水质数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种排水管网水力参数和水质数据采集系统，涉及排水管网检测领域，特别涉及排水管网水深、流速、流量和水质参数的采集。包括采集单元和传输单元，采集单元的传感器安装在采集井内，在排水管网特定的位置设置采集井，采集的数据信号通过数模转换，通过GPRS传输至互联网，再通过互联网传输至排水管网监控中心。监控中心对排水管网的水位、流速、流量、水质等参数分析，得到任意时间的水力参数和水质数据，为分析城市内涝情况和环境监测提供依据。采集单元数据采集可以满足排水管道不同水深的检测要求，实现全时段全天候的排水管网数据采集和远程传输，为排水管网智能管理系统提供一种数据采集的方式。

Description

排水管网水力参数和水质数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及一种排水管网水力参数和水质数据采集系统，涉及排水管网检测领域，特别涉及排水管网水深、流速、流量和水质参数的采集。

背景技术

近几年，随着极端天气现象的加剧，我国许多城市都出现了不同程度的内涝，造成了严重的损失，城市排水系统关系到城市的安全。很多城市都不同程度的存在排水管网管道拥堵、管线沉降、污水偷排等问题。排水管道的水流速度、流量、水深和水质都是排水管网的管理需要检测的主要参数。但传统的监测维护方法往往依靠人工巡视，效率低、成本高。现有技术检测排水管道的流量，主要是在排水检查井内，采用转叶流速仪测定水流速度，再根据水深计算过水断面和流量。这种接触式流速计，是人工将流速计放置在检测的水中检测流速，由于排水管道含有泥砂、悬浮固体等，接触式流速计不适用于排水管道在线监测。排水管道的水位变化较大，内涝发生时可能漫出检查井至地面，电极式的水位计也不适用于排水管网探测水位。人工采集水样分析水质，不能全天候全时段地监测，一些不法企业往往夜间偷排废水，污染环境。

现有技术的超声波流速仪、流量仪和压力式水位探测技术都很成熟，也有许多排水管网在线检测方案。现有技术的超声波流速探测大致可分传播速度差法(时差法)、多普勒法等，时差法超声波流量仪通过超声波探测流体的流速，再通过流速和过流断面积计算流量。超声波流速仪的传感器安装位置和方法都有严格要求的，时差法超声波的发射和接收探头与被测介质之间是对称的，发射传感器发射的超声波通过水被接收传感器接收，再进行流速计算，流速计的精确度较高，换算出的流量精确度也较高。多普勒超声波流速计的发射和接收传感器可以安装在一起，通过超声波被水中的悬浮物等反射接受超声波，可以安装在水面之上用于超声波流速计不被水淹没的河道、排水渠等地方，但排水管道设计中雨水管道是按照满流设计的，很多时候雨量超过了管道的设计能力，会通过检查井溢流到路面形成内涝，内涝在线监测是排水管网智能管理的主要目的之一，安装在管顶的多普勒超声波流速计和液位计，只能探测未达到设计流量时的水位，对排水管网智能管理毫无意义。多普勒超声波流速计也可以安装在排水管道的底部或管道侧壁，但排水管道内的杂质较多，容易堵塞传感器，也影响排水管，因此这种侵入式的安装不适合排水管道的安装。

超声波用于流速检测的传播速度差法，超声波传感器的发射端和接收端成对安装，安装方式分为Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。排水管道的水位不断发生变化，管道呈非满流、满流、超过管顶的压力流几种状态，超声波传感器在排水管道内安装位置对实现排水管道流速检测至关重要。排水管道的流量是流速与有效过水断面面积的乘积，排水管道圆形过水断面面积随着水位呈非线性变化，排水管的水深h与管径D的比值称作充满度，充满度h/D是排水管道设计的一个主要参数，对管道流量影响很大，当水位在管道中心线以下时，水位每增加同样高度，过水断面的增加幅度逐渐加大，流量的增加幅度也逐渐加大；但水位在管道中心线以上时，水位每增加同样高度，过水断面的增加幅度逐渐减小，流量的增加幅度也逐渐减小。由于排水管道的特殊性，传感器的安装位置和方式既不能受水流的影响，也不能影响水流。目前，在水位不断变化的排水管道很少设置固定的传感器采集流速、流量等水力参数，一般只是在排水管道出口排入水体处设置堰板式流量计，在经常出现内涝积水点设置水位传感器监测水位。

现有技术的压力式水深传感器，是一种较好的无电极水深传感器，检测水深幅度大。但这种传感器是一种净水压力传感器，依靠水的不同深度在传感器上产生的不同压力换算出水深。在水流速度较快的排水管道内采用压力式水深传感器，水流速度会对压力产生影响，造成检测数据偏差；水质传感器一般集成多种水质参数检测为一体，被广泛应用于水体的水质监测，但安装位置也需要水流流动小，以减小对检测的影响。

随着现代探测技术和网路技术的发展，排水管网智能管理的需要，寻求适合排水管道内不受水流影响的传感器安装方式和数据传输途径，构建排水管网设置水流参数和水质数据的在线采集及传输系统非常必要。

发明内容

本实用新型的目的是：提供一种排水管网水力参数和水质数据采集系统，包括采集单元和传输单元，采集单元的传感器安装在采集井内，在排水管网特定的位置设置采集井，传感器在采集井内的安装避开水流湍急的流槽，使得水深和水质传感器不受水流动的影响，流速传感器镶嵌在流槽侧壁，不影响水流，也不会缠挂杂物。采集井内的传感器将检测的参数信号通过数模转换，实时在线采集数据并通过GPRS传输至互联网，再通过互联网传输至排水管网监控中心，监控中心通过对排水管网的水位、流速、流量、水质等参数分析，得到任意时间的水力参数和水质数据，并存储在管理系统内，为分析城市内涝情况和环境监测提供依据。传输单元采用太阳能供电，满足排水管网无市电情况下的系统的使用。有益效果是：替代传统的人工巡视、采集水力参数和水质数据，采集单元数据采集可以满足排水管道不同水深的检测要求，实现全时段全天候的排水管网数据采集和远程传输，为排水管网智能管理系统提供一种数据采集和传输的方式。

本实用新型是通过以下技术实现的：排水管网水力参数和水质数据采集系统，包括采集单元10和传输单元20，采集单元10的传感器安装在采集井1内，采集井1设有流槽2，流槽2的两侧为工作台3，两侧的工作台3各设置有水样孔4，流速传感器5设置在流槽2的两侧，水深传感器6设置在一侧的水样孔4内，水质传感器7设置在另外一侧的水样孔4内，流速传感器5、水深传感器6、水质传感器7及连接电缆采用防水封装，电缆通过穿线管8引出采集井1外。采集单元10采集的水力参数包括水深h、流速v和水质常规参数，排水管的流量Q根据流速v和水深h计算。

所述的流槽2呈U形，两侧的水样孔4底与流槽2底平齐，水样孔4采用联通槽9开口锐角朝向水流方向下游与流槽2联通，开口锐角朝向水流方向下游是为了减小水流对传感器的影响。

所述的流速传感器5为二组超声波传感器，采用传播速度差法的Z法安装，顺流传感器发射端T1安装在流槽2一侧的上游，顺流传感器接收端R1安装在流槽2的另一侧的下游，逆流传感器的发射端T2安装在顺流传感器发射端T1同一侧的下游，逆流传感器的接收端R2安装在顺流传感器接收端R1同一侧的上游，四个传感器在流槽2上的安装高度相同，相对于流槽2中心线对称。流速传感器5在流槽2侧壁上的安装高度b距流槽2底1/8～1/2管径D处，流速传感器5在流槽2的安装采用可拆卸的镶嵌方式，流速传感器5的外围与流槽2的安装孔之间设有防水密封胶圈。

所述的水深传感器6为压力式传感器，安装在水样孔4内靠近水流上游的一侧，以减小水流对压力传感器的影响。水深传感器6的连接电缆穿入穿线管8口处设有密封胶圈。所述的水质传感器7安装在水样孔4内靠近水流方向上游的一侧，水质传感器7的连接电缆穿入穿线管8口处设有密封胶圈。

所述的采集井1采用塑料制作，穿线管8内置在采集井1的井壁内。

所述的流速传感器5采集的水流速度v和水深传感器6采集的水深h，流量Q根据有效过流面积A和流速v计算，Q=Av，根据水深h和管径D计算管道的充满度h/D，水位与管道中心的圆心角2α由下列公式计算：

，根据反余弦计算出1/2圆心角α。

所述的效过流面积A，当水深h≤D/2时，

当水深h＞D/2时，

所述的传输单元20包括数据集中器11、信号处理器12、信号调制器13、GPRS模块14、电源系统15。流速传感器5、水深传感器6、水质传感器7采用RS485串口与数据集中器11连接，经过A/D转换，送至信号处理器12，对采集的流速、水深、水质数据信号放大，进行充满度h/D和流量Q计算，处理后的信号经信号调制器13进行调制，信号调制器13通过RS232串口连接GPRS模块14，通过GPRS模块14上传至网络。传输单元20采用太阳能供电，电源系统15包括太阳能电池板和锂电池。

附图说明

图1为本实用新型塑料采集井平面图；

图2为塑料采集井纵向立剖面图（图1的A-A剖面）；

图3为塑料采集井横向立剖面图（图1的B-B剖面）；

图4为砖砌采集井平面图；

图5为砖砌采集井横向立剖面图（图4的C-C剖面）；

图6为传输单元系统图。

图中：10-采集单元、20-传输单元、1-采集井、2-流槽、3-工作台、4-水样孔、5-流速传感器、6-水深传感器、7-水质传感器、8-穿线管、9-联通槽、11-数据集中器、12-信号处理器、13-信号调制器、14- GPRS模块、15-电源系统、16-采集流槽、17-砖砌井体。

具体实施方式

本实用新型用于排水管网的水力参数、水质数据的采用和传输。包括采集单元10和传输单元20，采集单元10的传感器安装在采集井1内，采集井1设有流槽2，流槽2的两侧为工作台3，两侧的工作台3各设置有水样孔4，流速传感器5设置在流槽2的两侧，水深传感器6设置在一侧的水样孔4内，水质传感器7设置在另外一侧的水样孔4内，流速传感器5、水深传感器6、水质传感器7及连接电缆采用防水封装，电缆通过穿线管8引出采集井1外。

实施例一：

采集井1采用塑料制作，穿线管8内置在采集井1的井壁内，适用于新建的排水管道工程。塑料井体采用装配组合，井体外侧设有钢筋混凝土构造柱作为井体的支撑结构，本实用新型的采集井1只涉及数据采集，钢筋混凝土构造柱不在此表述。塑料采集井平面图见图1，纵向立剖面图见图2，图2是图1的A-A剖面，横向立剖面图见图3，图3是图1的B-B剖面。流槽2设置在采集井1的下部，呈U形，两侧的水样孔4底与流槽2底平齐，水样孔4采用联通槽9开口锐角朝向水流方向下游与流槽2联通，见图1。因为水流对压力式水深传感器和水质传感器的测量会产生影响，开口锐角朝向水流方向下游是为了减小水流对传感器的影响。

流速传感器5为二组超声波传感器，一组测定顺水流速度，另一组测定逆水流速度，两组速度之差除以二，即为水流速度。二组超声波传感器测定水流速度，精度高，当一组传感器出现故障，通过修改计算方法，可以改为单组传感器测速。流速传感器5采用传播速度差法的Z法安装，顺流传感器发射端T1安装在流槽2一侧的上游，顺流传感器接收端R1安装在流槽2的另一侧的下游，逆流传感器的发射端T2安装在顺流传感器发射端T1同一侧的下游，逆流传感器的接收端R2安装在顺流传感器接收端R1同一侧的上游，见图1。四个传感器在流槽2上的安装高度相同，相对于流槽2中心线对称。流速传感器5在流槽2侧壁上的安装高度b距流槽2底1/8～1/2管径D处，见图2、图3。流速传感器5在流槽2的安装采用可拆卸的镶嵌方式，流速传感器5的外围与流槽2的安装孔之间设有防水密封胶圈。

水深传感器6为压力式传感器，安装在水样孔4内靠近水流上游的一侧，以减小水流对压力传感器的影响，见图1。水深传感器6的连接电缆穿入穿线管8口处设有密封胶圈。水质传感器7至少包括pH、溶解氧、氨氮三个参数，可根据实际需要增加其他参数。水质传感器7安装在水样孔4内靠近水流方向上游的一侧，见图1。水质传感器7的连接电缆穿入穿线管8口处设有密封胶圈。

实施例二：

采集井1采用传统的砖砌或钢筋混凝土检查井，井底设置采集流槽16，采集流槽16采用塑料制作，适用于采用砖砌或混凝土检查井的新建排水管道工程，也适用于排水管网改造在原有检查井内设置采集系统。砖砌采集井平面图见图4，砖砌采集井横向立剖面图见图5，图5是图4的C-C剖面。井外围是砖砌井体17，井中心为采集流槽16，见图4。采集流槽16的构造与实施例一的流槽2一样，横断面也是U形，流速传感器5安装在采集流槽16的侧面，采集流槽16的两侧设置水样孔4，只是工作台3顶面没有塑料封顶，采集流槽16安装在砖砌井体17的底部，采集流槽16与砖砌井体17之间采用混凝土浇筑，将采集流槽16固定。水深传感器6和水质传感器7的安装同实施例一，穿线管8砌筑在砖砌井体17井壁内。

传输单元20是将采集的水力参数、水质数据处理传送的部分。包括数据集中器11、信号处理器12、信号调制器13、GPRS模块14、电源系统15。流速传感器5、水深传感器6、水质传感器7采用RS485串口与数据集中器11连接，经过A/D转换，送至信号处理器12，对采集的流速、水深、水质数据信号放大，进行充满度h/D和流量Q计算。

采集单元10采集的水力参数包括水深h、流速v和水质常规参数，但不仅限于这些参数，采集的数据送至传输单元20处理。排水管的流量Q根据流速v和水深h计算，流速传感器5采集的水流速度v和水深传感器6采集的水深h，根据水深h和管径D计算管道的充满度h/D，水位与管道中心的圆心角2α见图3、图5。圆心角2α由下列公式计算：

，根据反余弦计算出1/2圆心角α。

管道的流量Q根据有效过流面积A和流速v计算，Q=Av，所述的效过流面积A，当水深h≤D/2时，

当水深h＞D/2时，

处理后的信号经信号调制器13进行调制，信号调制器13通过RS232串口连接GPRS模块14，通过GPRS模块14上传至互联网，监控中心通过互联网接收数据进行分析。传输单元20采用太阳能供电，电源系统15包括太阳能电池板和锂电池。传输单元系统图见图6。

传输单元20放置在防雨的仪器箱内，仪器箱安装在路边的立杆上，太阳能电池板安装在仪器箱上面，采光面朝向正南，太阳能电池板平面与水平的夹角，等于当地的纬度。采集井1内的传感器连接电缆，通过穿线管8引致仪器箱。

本实用新型申请文件所描述的传感器种类及设置方法，仅是排水管网设置数据采集的具体实施例，与本实用新型类似的传感器设置方法都在本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种排水管网水力参数和水质数据采集系统，其特征是：采集单元（10）的传感器安装在采集井（1）内，采集井（1）设有流槽（2），流槽（2）的两侧为工作台（3），两侧的工作台（3）各设置有水样孔（4），流速传感器（5）设置在流槽（2）的两侧，水深传感器（6）设置在一侧的水样孔（4）内，水质传感器（7）设置在另外一侧的水样孔（4）内，流速传感器（5）、水深传感器（6）、水质传感器（7）及连接电缆采用防水封装，电缆通过穿线管（8）引出采集井（1）外。

2.根据权利要求1所述的排水管网水力参数和水质数据采集系统，其特征是：所述的流槽（2）呈U形，两侧的水样孔（4）底与流槽（2）底平齐，水样孔（4）采用联通槽（9）开口锐角朝向水流方向下游与流槽（2）联通。

3.根据权利要求1所述的排水管网水力参数和水质数据采集系统，其特征是：所述的流速传感器（5）为二组超声波传感器，采用传播速度差法的Z法安装，顺流传感器发射端T1安装在流槽（2）一侧的上游，顺流传感器接收端R1安装在流槽（2）的另一侧的下游，逆流传感器的发射端T2安装在顺流传感器发射端T1同一侧的下游，逆流传感器的接收端R2安装在顺流传感器接收端R1同一侧的上游，四个传感器在流槽（2）上的安装高度相同，相对于流槽（2）中心线对称，流速传感器（5）在流槽（2）侧壁上的安装高度b距流槽（2）底1/8～1/2管径D处，流速传感器（5）在流槽（2）的安装采用可拆卸的镶嵌方式，流速传感器（5）的外围与流槽（2）的安装孔之间设有防水密封胶圈。

4.根据权利要求3所述的排水管网水力参数和水质数据采集系统，其特征是：所述的水深传感器（6）为压力式传感器，安装在水样孔（4）内靠近水流方向上游的一侧，水深传感器（6）的连接电缆穿入穿线管（8）口处设有密封胶圈。

5.根据权利要求1所述的排水管网水力参数和水质数据采集系统，其特征是：所述的水质传感器（7）安装在水样孔（4）内靠近水流方向上游的一侧，水质传感器（7）的连接电缆穿入穿线管（8）口处设有密封胶圈。

6.根据权利要求1所述的排水管网水力参数和水质数据采集系统，其特征是：所述的采集井（1）采用塑料制作，穿线管（8）内置在采集井（1）的井壁内。