CN108981832B

CN108981832B - 一种废水流量测量电路及装置

Info

Publication number: CN108981832B
Application number: CN201810847811.3A
Authority: CN
Inventors: 杨双华; 丁宇龙; 吴静
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: WO2020020242A1; CN108981832A

Abstract

本发明属于测量技术领域，提供一种废水流量测量电路及装置。所述电路包括：微波收发单元，用于向所述配套管道内发射检测微波信号，并接收返回的回射微波信号；信号处理单元，与所述微波收发单元连接，所述信号处理单元用于对回射微波信号进行信号处理；数模转换单元，与所述信号处理单元连接，将所述信号处理单元输出的信号转换为数字信号；控制单元，与所述微波收发单元以及所述数模转换单元连接，控制所述微波收发单元的信号发射，接收所述数字信号，根据所述数字信号输出废水流量信号；无线通信单元，与所述控制单元连接，用于将所述废水流量信号发送给上位机。

Description

一种废水流量测量电路及装置

技术领域

本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种废水流量测量电路及装置。

背景技术

废水包括生活废水和工业污水，废水的排放缺乏有效计量，废水排放量往往是根据用水量估计的，造成污水排放责任不明，是造成环境污染重要原因之一。由于废水排放成分多样，并且通常是非满管的、间隙性的流动，属于复杂条件下包含固体以及泡沫的多相流动，目前国内外市场没有成本低、精度高且广泛应用的废水流量计产品。

非侵入式废水流量测量是一种使用非破壁的方式检测管道中是否有废水流动并能够计算出管道中废水流量的方法。目前主要用于污水处理厂使用的非侵入式废水流量计包括明渠超声波流量计、电磁废水流量计和超声波废水流量计。明渠超声波流量计，适用于流量较大、水位较高、渠宽较宽的明渠流量计量，不适用于含有大量漂浮物质和易淤积物质的中小流量测量，如不适用与市政废水地下管网的流量测量监控。电磁流量计基于法拉第电磁感应定律而制成的，可以做到非侵入式测量；但探头直接接触被测流体；因此探头易受污染，影响测量精度，增加维护成本；此外测量精度受流体介电常数、导电率等的影响，不适合成分复杂多变的废水；电磁流量计还要求测量管道内完全充满液体，而生活与工业废水在管道内通常是非满管流动，因此不能满足电磁流量计这一基本要求。超声波流量计是以“速度差法”为原理，测量圆管内液体流量的仪表。由于声波在气液界面的反射，含固体以及泡沫的多相介质将大幅降低传感器的灵敏度和精度；此外超声波流量计同样要求测量管道内完全充满液体，因此不适合通常情况下非满管的废水流量计量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种废水流量测量电路及装置，旨在解决传统的技术方案中存在的适用场景条件苛刻，计量精度低等问题。

一种废水流量测量电路，设置于配套管道上，所述电路包括：

微波收发单元，用于向所述配套管道内发射检测微波信号，并接收返回的回射微波信号；

信号处理单元，与所述微波收发单元连接，所述信号处理单元用于对回射微波信号进行信号处理；

数模转换单元，与所述信号处理单元连接，将所述信号处理单元输出的信号转换为数字信号；

控制单元，与所述微波收发单元以及所述数模转换单元连接，控制所述微波收发单元的信号发射，接收所述数字信号，根据所述数字信号输出废水流量信号；

无线通信单元，与所述控制单元连接，用于将所述废水流量信号发送给上位机。

在其中一实施例中，所述微波收发单元包括多个微波收发器，所述多个微波收发器在废水管道延伸方向上阶梯设置。

在其中一实施例中，所述多个微波收发器发射的检测微波信号频率相同，所述多个微波收发器按照固定时序发射检测微波信号。

在其中一实施例中，所述多个微波收发器的各自发射的检测微波信号频率不同，所述多个微波收发器同时发射检测微波信号。

在其中一实施例中，所述配套管道的管壁的内、外表面均匀涂覆有吸波涂料。

在其中一实施例中，所述配套管道的内壁涂覆有固定的涂层，所述涂层的粗糙率恒定，保证内壁的粗糙率不变。

在其中一实施例中，还包括显示单元，所述显示单元与所述控制单元连接，所述显示单元用于显示当前的废水流量数据。

在其中一实施例中，所述配套管道与废水管道成一定的倾斜角，所述倾斜角的范围为0到60度。

此外，还提供了一种废水流量测量装置，所述废水流量测量装置包括：配套管道以及设置于所述配套管道上的上述的废水流量测量电路。

上述的废水流量测量电路，通过在废水管道顶部向底部发射微波信号并接收微波反射信号，根据微波反射信号强度计算微波接发器与废水水面或者微波反射块之间的距离，从而计算废水管道内水面高度，控制单元根据管道管道内水面高度计算出废水流速，最后通过废水流速和液面高度计算出水流量，计算结果无线通信模块将结果传输至远程终端，测量精度高，适用用于多种情形下的废水测量，且可以通过远程监控废水流量情况。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的废水流量测量装置结构示意图；

图2为图1所示的废水流量测量装置中废水流量测量电路的电路结构示意图；

图3为本发明较佳实施例提供的废水流量测量装置剖面示意图；

图4为本发明较佳实施例提供的废水流量测量装置另一剖面示意图；

图5为本发明较佳实施例提供的信号处理单元的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明较佳实施例提供的废水流量测量装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种废水流量测量装置100，该废水流量测量装置100包括：配套管道2以及设置于所述配套管道2上的废水流量测量电路1。该配套管道2一体成型有废水通道以及设于废水通道***的安装腔体，废水流量测量电路1设置于该安装腔体中。

其中，废水流量测量电路1包括：微波收发单元10、信号处理单元20、数模转换单元30、控制单元40和无线通信单元50。

微波收发单元10，用于向所述配套管道2内发射检测微波信号，并接收返回的回射微波信号，利用发射的检测微波信号检测流过配套管道2中的废水流量。具体来说，微波收发单元10包括多个微波收发器，该多个微波收发器在配套管道2延伸方向上阶梯设置。优选的，微波收发单元10包括至少3个微波收发器，以3个微波收发器的方案为例，对于同一高度废水液面将形成对应3个不同的高度d₁、d₂、d₃，即该3个微波收发器与废水液面形成3个不同的反射距离，由于接收信号的强度随着反射距离的增加呈周期性震荡衰减，由此在废水液面上产生3个不同强度的检测微波信号，而该3个不同强度的检测微波信号可以唯一确定一个液面高度值。

同时，由于多个微波收发器发射的检测微波信号频率相同，为了避免微波收发器之间的相互干扰，多个微波收发器按照固定时序发射检测微波信号，这样，同一时间只能同时运行一个微波收发器，不同微波收发器之间不会产生信号干扰。优选的，微波收发器之间的信号发射采用较小的时间间隔，避免液面快速变化造成的误差。在另一优选实施例中，多个微波收发器的各自发射的检测微波信号频率不同，多个微波收发器同时发射检测微波信号，不同的频率的检测微波信号之间不会产生干扰，无需对微波收发器进行精确控制。

信号处理单元20与微波收发单元10连接，信号处理单元20用于对回射微波信号进行信号处理。具体来说，信号处理单元20包括前依次连接的第一放大模块21、混频模块22、滤波模块23和第二放大模块24，第一放大模块21对信号处理单元20接收的回射微波信号进行放大处理，混频模块22用于对第一放大模块21输出的信号进行混频处理，混频模块22输出的信号经过滤波模块23的滤波处理、第二放大模块24的二次放大处理后输出至数模转换单元30。数模转换单元30与信号处理单元20连接，将信号处理单元20输出的信号转换为模拟信号，以供控制单元40对信号的进一步处理。

控制单元40，与微波收发单元10以及数模转换单元30连接，控制微波收发单元10的信号发射，并接收数模转换单元30输出的模拟信号信号，根据模拟信号输出废水流量信号。配套管道2的管壁的内、外表面均匀涂覆有吸波涂料，当配套管道2内无废水流动时，检测微波信号将被配套管道2的管壁吸收，收发器无回波信号，因此仅需一个微波收发器即可确定配套管道2内的废水流动状态。当检测到管道中没有水流时，电路将会进入省电模式，在省电模式下只有一个微波收发器处于工作状态，其他微波收发器将不会开启运行，当第一个微波收发器重新检测到管道中有水流时，电路将开启流量检测模式，所有的微波收发器将会重新启动并在控制单元40的控制下运行。

进一步，无线通信单元50与控制单元40连接，用于将废水流量信号发送给上位机；还包括显示单元和操作模块，显示单元与控制单元40连接，显示单元用于显示当前的废水流量数据，操作模块与所述控制单元40连接，方便管理人员进行维护操作和检修。

可以理解的是，本发明实施例所提供的废水流量测量装置100采用专用的配套管道2，配套管道2与废水管道成一定的倾斜角，具体的，倾斜角的范围为0到60度，以保证测量结果的一致。在实际的应用中，对于正在使用的废水管道，安装时可切除一段管道，并用本发明实施例中的配套管道2替代。配套管道2的内壁涂覆有固定的涂层，涂层的粗糙率恒定，保证内壁的粗糙率不变，以提高测量的精确度。

以下从原理上说明本发明实施例的废水流量测量电路1：

微波收发单元10采用单频微波发生器通过发射天线向废水液面发射特定波长微波。假设微波发射信号的频率、初始相位分别为f₀Φ₀，t为时间，则发射信号V_T、回波信号V_R分别可以表示为：

V_T(t)＝Acos(2πf₀t+Φ₀)

V_R(t)＝ηAcos(2πf₀t+Φ₀-Φ)

式中：A为发射信号的幅度，η为回波信号幅度的衰减系数，与发射天线到反射面的距离相关，Φ为回波信号与发射信号间的相位差。

经过信号处理电路后最终得到的信号为

V_R(t)*V_T(t)＝12ηA*A[cos(4πf₀t+2Φ₀-Φ)+cos(Φ)]

上述公式可进一步化简为：

其中，V_out为接收信号强度，V₀为平均信号强度L为发射天线与反射面(废水表面)的距离，k₁，k₂为待测参数，对于固定结构，该值为常数。

当控制单元40计算得到废水表面高度后，可通过预存的程序计算出废水的水力半径。通过配套管道2的材质可以找出配套管道2所对应的粗糙率，根据倾斜角的角度值可以获得废水水力坡线斜率，通过曼宁公式即可算出当前废水流速。曼宁公式表达式如下：

其中：V为截面的平均速度(m/s)；k是转换系数；n为Gauckler-曼宁系数，为无因次量；R_h为水力半径(m)；S为水力坡线或是线性扬程损失的斜率，若水的深度是一定值，其值等于管道的斜率。n取决于配套管道2的粗糙率，是综合反映管渠壁面粗糙情况对水流影响的一个系数，其值一般由实验数据测得，使用时可查表选用。通过废水平均流速即可计算出废水流量Q：

Q＝v×A

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种废水流量测量电路，设置于配套管道上，其特征在于，所述电路包括：

微波收发单元，用于向所述配套管道内发射检测微波信号，并接收返回的回射微波信号；所述微波收发单元包括多个微波收发器，所述多个微波收发器在废水管道延伸方向上阶梯设置；所述微波收发单元包括至少3个微波收发器；对于同一高度废水液面将形成对应3个不同的高度d₁、d₂、d₃，即该3个微波收发器与废水液面形成3个不同的反射距离，由于接收信号的强度随着反射距离的增加呈周期性震荡衰减，由此在废水液面上产生3个不同强度的检测微波信号，而该3个不同强度的检测所述微波信号可以唯一确定一个液面高度值；

控制单元，与所述微波收发单元以及所述数模转换单元连接，控制所述微波收发单元的信号发射，接收所述数字信号，根据所述数字信号输出废水流量信号；当所述控制单元计算得到废水表面高度后，可通过预存的程序计算出废水的水力半径，通过配套管道的材质找出配套管道所对应的粗糙率，根据倾斜角的角度值获得废水水力坡线斜率，通过曼宁公式算出当前废水流速；

无线通信单元，与所述控制单元连接，用于将所述废水流量信号发送给上位机；

所述配套管道与废水管道成一定的倾斜角，所述倾斜角的范围为0到60度；

所述配套管道的管壁的内、外表面均匀涂覆有吸波涂料。

2.如权利要求1所述的废水流量测量电路，其特征在于，所述多个微波收发器发射的检测微波信号频率相同，所述多个微波收发器按照固定时序发射检测微波信号。

3.如权利要求1所述的废水流量测量电路，其特征在于，所述多个微波收发器的各自发射的检测微波信号频率不同，所述多个微波收发器同时发射检测微波信号。

4.如权利要求1所述的废水流量测量电路，其特征在于，所述配套管道的内壁涂覆有固定的涂层，所述涂层的粗糙率恒定，保证内壁的粗糙率不变。

5.如权利要求1所述的废水流量测量电路，其特征在于，还包括显示单元，所述显示单元与所述控制单元连接，所述显示单元用于显示当前的废水流量数据。

6.一种废水流量测量装置，其特征在于，所述废水流量测量装置包括：配套管道以及设置于所述配套管道上的如权利要求1至5任一项所述的废水流量测量电路。