一種含固體垃圾汙水流量測量裝置製造方法
2023-09-22 13:30:45
一種含固體垃圾汙水流量測量裝置製造方法
【專利摘要】一種含固體垃圾汙水流量測量裝置，涉及汙水流量測量。設有超聲波發射電路、超聲波發射器、2個超聲波接收傳感器、超聲波接收電路、模數轉換電路和流量計算模塊；超聲波發射電路輸出端接超聲波發射器輸入端，超聲波發射器安裝在汙水排水管道底部，2個超聲波接收傳感器安裝在汙水管道頂部，超聲波接收電路輸入端接2個接收超聲波傳感器輸出端，超聲波接收電路對接收到的超聲波信號進行放大、濾波、包絡檢波處理，超聲波接收電路的輸出端接模數轉換電路輸入端，模數轉換電路的輸出端接流量計算模塊輸入端，流量計算模塊獲取2路接收信號的包絡後進行相關計算獲取相關峰位置，並利用2個超聲波接收傳感器間距離計算汙水流速和汙水流量並輸出。
【專利說明】一種含固體垃圾汙水流量測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及汙水流量測量，尤其是涉及一種含固體垃圾汙水流量測量裝置。
【背景技術】
[0002]極端天氣等突發情況下城市排水系統不足造成的內澇已成為我國關注的問題，各地新建了許多引水、排水泵站工程和汙水處理工廠進行汙水處理。在汙水排放過程中勢必涉及到大口徑、大流量各類汙水的計量問題。
[0003]隨著超聲波期間、電子技術、計算機等技術的迅猛發展，超聲流量計在大口徑、大流量的液體流量測量方面得到廣泛使用，技術日趨成熟和完善。超聲流量計本身良好的性能價格比使得其應用日益廣泛。目前常用的超聲波流量計分為一下兩類(參考文獻I)。
[0004]一為都卜勒式超聲波流量計(參考文獻2):利用安裝在管道兩側的超聲波換能器發射，接收信號，超聲波信號經照射管渠內的懸浮物顆粒及氣泡產生都卜勒頻率偏移，接收端通過計算超聲波都卜勒頻差可測量液體流速，進而測量流量。該類超聲波流量計適用於測量含有適量能給出強反射信號的顆粒和氣泡。其懸浮物含量約在I?5g/L為宜。一般用於工廠排放未處理的汙水和回流汙泥等流量計量。
[0005]二為時差式超聲波流量計(參考文獻3):其測量原理是根據超聲波信號沿水流方向的傳播速度會增大，逆流方向則減小，因此在同一傳播距離的條件下，有著不同的傳播速度和傳播時間；由順向傳播時間和逆向傳播時間可以計算出傳播時間差，然後可計算出平均流速，進而計算流量。時差式超聲流量計測量時，被測液體必須能被聲波穿透，也就是液體中不能含有太高濃度的氣泡、懸浮物顆粒和沉澱物，否則聲波將被折射，影響測量精度。通常時差式超聲流量計測量時，其懸浮物含量限制在I%體積含量以內。
[0006]但是，對於當前頻發的極端天氣條件下城市汙水排澇中，汙水往往高度渾濁且含有大量樹枝、欄杆、雜物、板材等各類城市固體垃圾，由於含有大量各類尺寸不同、材質各異的固體垃圾，汙水水體呈現高度的非均勻性，且對於這類嚴重渾濁、因含有固體垃圾而高度非均勻的汙水，都卜勒式超聲波流量計超聲波信號往往被大量外形不規則、尺寸不一的固體垃圾阻隔而無法形成穩定反射信號進行都卜勒頻偏測量，而時差式超聲波流量計無法很好地穿透含大量固體垃圾的汙水水體。因此，目前常用的兩類超聲波流量測量裝置均無法應用於含大量固體垃圾的汙水，導致在極端天氣導致的城市內澇中泵站等排水系統無法及時獲得排汙管網的準確流量信息。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於針對傳統的超聲波流量測量方法無法應用於含大量固體垃圾汙水的情況，提供一種含固體垃圾汙水流量測量裝置。
[0008]本發明設有超聲波發射電路、超聲波發射器、2個超聲波接收傳感器、超聲波接收電路、模數轉換電路和流量計算模塊；
[0009]所述超聲波發射電路輸出端接超聲波發射器輸入端,超聲波發射器安裝在汙水排水管道底部，2個超聲波接收傳感器安裝在汙水管道頂部，超聲波接收電路輸入端分別連接2個接收超聲波傳感器輸出端，超聲波接收電路對接收到的超聲波信號進行前置放大、帶通濾波、包絡檢波處理，超聲波接收電路的輸出端接模數轉換電路輸入端，模數轉換電路的輸出端接流量計算模塊輸入端，流量計算模塊獲取2路接收信號的包絡後進行相關計算獲取相關峰位置，並利用2個超聲波接收傳感器間距離計算汙水流速，進而計算含大量固體垃圾的汙水流量並進行輸出。
[0010]所述汙水排水管道最好充滿汙水。
[0011]所述2個超聲波接收傳感器可圍繞超聲波發射器安裝點的頂部對應位置沿汙水流動方向對稱安裝。
[0012]本發明分別利用在汙水管底部、頂部位置固定的2個超聲波接收傳感器分別接收超聲波發射器發射的超聲波信號並得到2路接收信號；並通過對2路接收超聲波信號進行前置放大、帶通濾波、包絡提取；同時，在對信號包絡進行模數轉換後進行2路接收信號包絡的相關計算，通過相關計算獲取含固體垃圾汙水的非均勻通過造成的2路信號波動間的相關性，從而獲取含固體垃圾汙水流經2個超聲波接收傳感器的時間，進而結合2個超聲波接收傳感器間距計算出流速，從而進行流量計算。
[0013]本發明針對汙水管道中含大量固體垃圾汙水造成超聲波透射、反射均不均勻從而無法使用傳統超聲波流量計的情況，利用含固體垃圾汙水流過時聲傳播特性的非均勻性變化在2路接收信號上形成的波動進行相關計算，從而獲得汙水流過2個超聲波接收傳感器的時差信息，進行流速和流量計算。本發明採用簡單方便的非均勻性導致的信號波動相關性來獲取含固體垃圾汙水的流量信息，從而避免了目前常用的2類超聲波流量計因需要獲得穩定、均勻的反射或透射信號而無法應用於含大量固體垃圾汙水的問題。
[0014]本發明實現含固體垃圾汙水的相關式超聲波流量測量的具體思路為:首先利用安裝在充滿汙水的汙水管道底部的超聲波發射器發射連續正弦波，以超聲波發射器安裝點為中心並以一定間距對稱安裝在汙水管渠頂部的2個超聲波接收傳感器獲取從底部向頂部傳輸的2路對稱超聲波信號，在2個信號接收通道電路中對信號進行放大、濾波、包絡提取處理後，在相關計算模塊中對2路信號包絡進行相關處理以提取2路信號受含固體垃圾汙水非均勻性影響的造成波動的相關性，根據提取的相關峰時刻可獲得含固體垃圾汙水流經2個超聲波接收傳感器的實際，從而結合2個接收傳感器間距計算流速，進而結合管徑得到流量信息。
[0015]與現有的2類超聲波流量測量方法相比，本發明提出的含固體垃圾汙水的波動相關式超聲波流量測量裝置的突出優點在於:由於利用2路接收信號受非均勻性影響造成波動的相關性進行測量，無需保證穩定的超聲波信號反射或透射，因而可適用於含大量固體垃圾汙水的流量測量。同時本發明提出的相關式超聲波流量測量裝置具有成本低、安裝使用方便的突出優點。
[0016]利用本發明可進行含大量固體垃圾汙水管網流量的準確監測，從而提高排水管網快速、高效處理各類城市汙水阻塞問題的能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例的結構組成示意圖。
[0018]圖2為本發明實施例的超聲波發射電路及與模數轉換模塊的電路組成原理圖。
[0019]圖3為本發明實施例的2路超聲波接收電路的電路組成原理圖。
[0020]圖4為本發明實施例的2路超聲波接收電路與微處理器的模擬數字轉換電路接口電路原理圖。
[0021]圖5為本發明實施例的含固體垃圾汙水管造成超聲波接收信號包絡REl的波動相關特性意圖。
[0022]圖6為本發明實施例的含固體垃圾汙水管造成超聲波接收信號包絡RE2的波動相關特性意圖。
[0023]圖7為本發明實施例的2路超聲波接收傳感器Rl、R2與超聲波發射器Ts的工作原理示意圖。
[0024]圖8為本發明實施例的2路超聲波接收信號包絡RE1、RE2的相關輸出C12曲線圖。
【具體實施方式】
[0025]為了使本發明的技術內容、特徵、優點更加明顯易懂，以下給出本發明含固體垃圾汙水的波動相關式超聲波流量測量裝置實施例並結合附圖的具體說明。
[0026]參見圖1，本發明實施例設有超聲波發射電路1、超聲波發射器2、2個超聲波接收傳感器3、超聲波接收電路4、模數轉換電路5和流量計算模塊6。
[0027]所述超聲波發射電路I輸出端接超聲波發射器2輸入端,超聲波發射器2安裝在汙水排水管道底部，2個超聲波接收傳感器3安裝在汙水管道頂部，超聲波接收電路4輸入端分別連接2個接收超聲波傳感器輸出端，超聲波接收電路4對接收到的超聲波信號進行前置放大、帶通濾波、包絡檢波處理，超聲波接收電路4的輸出端接模數轉換電路5輸入端，模數轉換電路5的輸出端接流量計算模塊6輸入端，流量計算模塊獲取2路接收信號的包絡後進行相關計算獲取相關峰位置，並利用2個超聲波接收傳感器3間距離計算汙水流速，進而計算含大量固體垃圾的汙水流量並進行輸出。
[0028]所述汙水排水管道最好充滿汙水。
[0029]所述2個超聲波接收傳感器3可圍繞超聲波發射器安裝點的頂部對應位置沿汙水流動方向對稱安裝。
[0030]本發明實施例中超聲波發射器和超聲波接收傳感器選用防水型T/R40-16超聲波換能器，其中心頻率為40kHz，防水封裝，指向性角60度。安裝在管渠底部的超聲波發射器發射中心頻率40kHz的連續正弦波超聲波信號，安裝在管渠頂部的超聲波接收傳感器RSI, RS2接收2路超聲波信號，以利用超聲波發射信號在含固體垃圾嚴重非均勻汙水中傳輸造成的信號波動進行2個接收通道的相關性計算。本實施例中流量測量模塊由本領域通用的ARM9S3C2440微處理器組成。
[0031]本實施例中超聲波發射電路由主控模塊ARM9S3C2440微處理器控制4046振蕩電路輸出40kHz連續信號。主控模塊用程序中啟動超聲波發射後，圖2所示由4046晶片構成的壓控振蕩電路由S3C2440的GPBlO埠輸出低電平使能4046晶片輸出中心頻率40kHz的連續振蕩信號，推動超聲波換能器發射40kHz超聲波連續信號。
[0032]本實施例中2路超聲波接收電路由前置晶片NJM2100組成的前置放大電路、MAX274晶片組成的40kHz帶通濾波電路、NE5532晶片組成的包絡檢波電路和S3C2440微處理器的接口電路組成，如圖3所示，接收的2路超聲波信號Rl，R2經過前置放大電路放大、帶通濾波、包絡檢波後得到信號包絡RE1，RE2。
[0033]本實施例中模數轉換由ARM9 S3C2440微處理器通過UDA1341音頻接口晶片對2個接收通道的信號包絡進行模數轉換。具體地，如圖2所示，分別使用3C2440微處理器的GPB7、GPB8、GPB9 埠來連接 UDA1341 晶片的 L3M0DE、L3DATA、L3CL0CK 端進行 I2S 總線控制。並分別在UDA1341晶片的VINL1、VINRl埠連接前置放大電路的包絡輸出RE1，RE2，進行採樣頻率16ksps的2通道模數轉換實現2路接收信號包絡到主控模塊S3C2440微處理器的傳送。
[0034]本實施例中接收含固體垃圾汙水的波動相關式流量計算過程以數位訊號處理編程的形式以軟體進行，採用作為流量計算模塊的ARM9 S3C2440微處理器進行軟體編程實現，模數轉換後的2路超聲波接收信號包絡在S3C2440微處理器中進行去直流、相關運算以及相關峰時刻的提取，並進一步進行流速計算、流量計算、結果輸出。
[0035]本實施例中對2個通道的超聲波連續正弦波接收信號包絡進行波動相關性檢測從而獲取含固體垃圾汙水流量是本發明的關鍵內容，下面結合圖5?7對此過程進行具體描述:
[0036]如圖5?7所示,在本實施例中超聲波發射器2安裝於管渠底部發射40kHz連續正弦波信號，2個超聲波接收傳感器3安裝於管渠頂部對信號進行接收及包絡提取。由於超聲波接收傳感器3圍繞超聲波發射器2中心線以間距d對稱分布，汙水中固體垃圾將造成超聲波接收傳感器3接收到的信號包絡幅度產生波動，由於超聲波接收傳感器3的位置關係這種信號波動具有相關性，超聲波接收信號包絡RE1、RE2進行本領域通用的相關運算獲得的相關峰時刻實際上反映了含固體垃圾汙水流過超聲波接收傳感器3的時間。
[0037]如本實施例中，當管道流過的汙水中含有圖1所示4個大小形狀均不相同的固體垃圾時，隨著4個固體垃圾先後通過超聲波發射器2至超聲波接收傳感器3的超聲波傳播路徑，超聲波發射器2發射並被超聲波接收傳感器3的接收信號指先後經歷了被4個大小不一固體垃圾的遮擋而導致的信號波動，反映在提取的超聲波接收信號包絡RE1、RE2上則呈現出如圖5和6所示的波動相關特性。
[0038]2路超聲波接收信號包絡RE1、RE2經過模擬數字轉換進入流量計算模塊後，只需採用數位訊號中通用的相關計算法對超聲波接收信號包絡RE1、RE2去除直流偏置後進行相關運算，並對如圖8所示獲得的相關輸出C12進行相關峰時刻檢測，即可通過檢測相關峰時刻與起始時刻間的時間獲得含固體垃圾汙水流經超聲波接收傳感器3接收超聲波傳感器的時間t，利用此時間t除以超聲波接收傳感器3間距d即可得到流速。進而利用管道半徑r可利用本領域通用的方法計算出管道中的汙水流量V，如以下公式所示:
「Ii
L0039」
#
[0040]本發明公開的含固體垃圾汙水的波動相關式超聲波流量測量裝置最大的特點在於藉助含固體垃圾汙水流動造成的超聲波連續波接收信號波動相關性實現流量檢測，避免了傳統超聲波流量測量方法需獲得穩定的超聲波反射回波或透射信號在含大量固體垃圾汙水中遇到的問題。因此，適用於處理極端天氣等突發情況下含大量城市固體垃圾汙水的流量測量，同時，系統安裝、使用、維護方便，成本低。
【權利要求】
1.一種含固體垃圾汙水流量測量裝置，其特徵在於設有超聲波發射電路、超聲波發射器、2個超聲波接收傳感器、超聲波接收電路、模數轉換電路和流量計算模塊； 所述超聲波發射電路輸出端接超聲波發射器輸入端，超聲波發射器安裝在汙水排水管道底部，2個超聲波接收傳感器安裝在汙水管道頂部，超聲波接收電路輸入端分別連接2個接收超聲波傳感器輸出端，超聲波接收電路對接收到的超聲波信號進行前置放大、帶通濾波、包絡檢波處理，超聲波接收電路的輸出端接模數轉換電路輸入端，模數轉換電路的輸出端接流量計算模塊輸入端，流量計算模塊獲取2路接收信號的包絡後進行相關計算獲取相關峰位置，並利用2個超聲波接收傳感器間距離計算汙水流速，進而計算含大量固體垃圾的汙水流量並進行輸出。
2.如權利要求1所述一種含固體垃圾汙水流量測量裝置，其特徵在於所述汙水排水管道充滿汙水。
3.如權利要求1所述一種含固體垃圾汙水流量測量裝置，其特徵在於所述2個超聲波接收傳感器圍繞超聲波發射器安裝點的頂部對應位置沿汙水流動方向對稱安裝。
【文檔編號】G01F1/66GK104296814SQ201410628255
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】童峰, 周躍海, 郭子成, 林建光 申請人:廈門大學, 環創(廈門）科技股份有限公司