本实用新型涉及一种通过对水管路中水流流速进行检测以对水管路的工作状态进行监控的流速监测装置及以该流速监测装置构建的水管路监测系统与消防栓监测系统。
背景技术：
在现有消防栓水压表等仪表中，通常是每间隔一分钟就通过有线方式上传水压数据，以有效地对水压进行监控，但难以对消防栓是否有漏水问题进行有效的监控。此外，由于受限于消防栓现场安装工况及密封安全性等要求，需要采用内置电池替代现有外部电源方式进行供电，以解决仪表现场供电不便及安全性问题，但采用内置电池进行供电后，受限于电池容量有限而需经常更换电池，不利于维护；且随着物联网技术的发展与普及，需在此类消防栓仪表中加入无线传输模块以实现数据网络化，使电池的更换频率进一步加大，导致内置式电池这种安全的供电方式在消防栓仪表等设备中的应用进一步受限。还有，随着电池供电电压的降低而无法满足系统用电需求时，还存在电池电能利用率偏低的问题。
此外，在自来水管道等水管路中也存在上述问题。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的是提供一种通过对水管路中水流流速进行检测以对水管路的工作状态进行监控的流速监测装置；
本实用新型的另一目的是提供一种以上述流速监测装置构建的水管路监测系统；
本实用新型的再一目的是提供一种以上述水管路监测系统构建的消防栓监测系统。
为了实现上述主要目的，本实用新型提供的流速监测装置包括用于输出监测信号的换能器及安装在水管路中用于测量水流流速的涡轮，换能器包括由涡轮带动而绕旋转轴线转动的磁铁块，及位于磁铁块绕旋转轴线转动所形成的环形轨迹侧旁的磁监测器；监测信号为磁监测器输出的磁监测信号。
通过磁铁块与磁簧开关、磁传感器等磁监测器的配合，以利用磁场的非接触式作用，而便于实现水密安装要求，另外，采用涡轮对水管路中水流流速进行感应，能有效地提高对水流流速的检测精度。
为了实现上述另一目的，本实用新型提供的水管路监测系统包括无线传输模块、用于采集该水管路中的水压数据的水压传感器、保护罩及安装在保护罩内的电源连接端子与控制模块；水管路上设有流速监测模块，流速监测模块上述流速监测装置，流速监测装置向控制模块输出磁监测信号；控制模块依据磁监测信号控制无线传输模块发送实时水压数据和/或漏水报告。
基于涡轮对水流流速的精密检测，可检测出水管路中的细微水流，即可很好地检测出水管路中是否有漏水的问题，并以流速数据作为决定发送实时水压数据的时机，与现有技术中的间隔一分钟短时间进行发送，能有效地降低功耗，特别适合使用电池进行安全供电的方式。
为了实现上述再一目的，本实用新型提供的消防栓监测系统包括消防栓及安装在消防栓的水管路上的水管路监测系统，水管路监测系统位于消防栓的侧旁，水管路监测系统为上述水管路监测系统。
附图说明
图1为本实用新型消防栓监测系统实施例1中检测端的结构分解图；
图2为本实用新型消防栓监测系统实施例1中水管接合器、密封圈及隔板的结构分解图；
图3为本实用新型消防栓监测系统实施例1中水密罩、密封圈与安装基板的结构分解图；
图4为本实用新型消防栓监测系统实施例1中感应机芯组件的结构分解图；
图5为本实用新型消防栓仪监测系统实施例1中隔板与换能机芯组件的结构分解图；
图6为本实用新型消防栓监测系统实施例1中安装座上容纳腔的结构示意图；
图7为本实用新型消防栓监测系统实施例1中安装座上水压传感器安装孔的结构示意图；
图8为本实用新型消防栓监测系统实施例1中控制端的结构分解图；
图9为本实用新型消防栓监测系统实施例1中电源管理系统的原理结构框图；
图10为本实用新型消防栓监测系统实施例1中防反接模块的电路图；
图11为本实用新型消防栓监测系统实施例1中升压模块的电路图；
图12为本实用新型消防栓仪监测系统实施例2中感应机芯部分的结构分解图。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本实用新型作进一步说明。
在下述实施例中，主要针对本实用新型消防栓监测系统实施例，由于消防栓监测系统实施例中使用了水管路监测系统实施例与流速监测装置实施例，在消防栓监测系统实施例的说明中已包含了对水管路监测系统实施例与流速监测装置实施例的说明，在本具体实施方式中不在对水管路监测系统实施例与流速监测装置实施例进行赘述。
消防栓仪监测系统实施例1
参见图1至图8，本实用新型消防栓监测系统包括水管路监测系统，该水管路监测系统包括检测端1与控制端2，检测端1构成本实施例中的流速监测装置。
参见图1至图7，检测端1包括水管结合器11、密封圈12、隔板13、感应机芯组件3、密封圈14、水密罩15、换能机芯组件4及密封圈16。
水管接合器11为三通管结构，其两个端口111、112用于消防栓水管路连接而将整个消防栓监测系统串联到消防栓的水管路中，且位于消防栓的侧旁。
如图2所示，隔板13包括通过密封圈12水密地安装第三端口113上的安装基板130及由能透磁材料制成的透磁隔板131，安装基板130上设有用于安装透磁隔板131的安装孔1300，透磁隔板131与安装基板130间压有密封圈132，基于密封圈12与密封圈132的密封功能，使得隔板13与水管接合器11围成一个位于三通管结构内且用于安装感应机芯组件3的腔室，该腔室相对换能机芯组件4部分为水密腔室。
如图4所示，感应机芯组件3包括涡轮安装筒30、同轴且可转动地安装在涡轮安装筒30中的涡轮31；沿水流在涡轮安装筒30内的行进方向，在涡轮安装筒位于涡轮31的上游处固设有多块的前导流板32，每块导流板的导流面沿涡轮安装筒30的径向布置，且将其中一块导流板320通过调节杆321而转角可调地安装在涡轮安装筒30上，以使导流板320的导流面与水流在涡轮安装筒30内的行进方向之间的夹角可调，即在本实施例中，涡轮安装筒30构成导流板安装架。
在涡轮安装筒30的下游处设有与涡轮安装筒30固定连接的后导流机构34，该后导流机构34包括与涡轮安装筒30共轴布置的喇叭状的内筒35，及多块导流面沿涡轮安装筒30的径向布置的后导流板36；内筒35的大径口端朝远离涡轮31的方向布置，后导流板36的内端边缘与内筒35的外筒面对接，从而使相邻两块后导流板36与内筒35的外筒面围成进口与涡轮安装筒30的出水口对接的导流通道37，导流通道37的出口沿涡轮安装筒30的径向朝外布置，从而使水流从导流通道被导流出并从端口112流出。
涡轮31的旋转支轴33可旋转地支撑在涡轮安装筒30内，旋转支轴33的一端可转动地支撑在旋转支座上，该旋转支座由前导流板32的在涡轮安装筒30径向上的内端部相交连接构成的连接部；旋转支轴33的另一端穿过内筒35的内筒而可旋转地支撑在透磁隔板131上，并在该另一端端部上设有两块磁铁块安装座330，从而使两块磁铁块安装于透磁隔板131的侧旁，即两块磁铁块在涡轮通过旋转支轴33带动而绕旋转轴线转动，该旋转轴线为旋转支轴33的中心轴线。
如图3所示，水密罩15的下罩端口与安装基板130间压有密封圈14，从而使水密罩15与隔板13间围成一个只有出口150且用于换能机芯组件4的水密腔室。
如图5所示，换能机芯组件4包括磁簧开关41、密封圈42、安装座43、密封圈44及水压传感器45，其中，磁簧开关41构成本实施例中的磁监测器。
如图5至图7所示，安装座43上设有用于容纳磁簧开关41的容纳腔49及与容纳腔49连通的信号线孔47、48，并在信号线孔47、48中浇注密封胶进行固定与密封。
安装座43上设有水压传感器安装孔46，水压传感器45的检测端与水压传感器安装孔46的上端口间通过密封圈44水密连接，传感器安装孔46的下端口通过设于安装基板130上的过水孔1301与用于安装感应机芯组件3的腔室连通，从而对腔室内的实时水压进行测试。安装座43与安装基板130间压有同时环绕于过水孔1301与传感器安装孔46外的密封圈42，从而防止水流进入用于安装换能机芯组件的水密腔室内。
参见图8及图9，控制端2通过水密罩15的过线孔150将其上磁簧开关41的信号线与水压传感器45的信号线接入控制电路板中。控制端2包括无线传输模块22、保护罩及内置于该保护罩内的电池20与电源管理系统5，电源管理系统5由布置在电路板21上的电路各功能电路构成。电池20构成本实施例中的供电装置，以输出供电电压，为整个监测系统的正常工作提供电能。无线传输模块22用于与远端基站、云平台进行数据交互。
保护罩包括两端敞口且大致为柱形的壳主体50及与两端敞口相配合的密封端盖51、52，在壳主体50的侧壁处固设有接头53，在接头53的相对一侧固设有天线安装台54。接头53用于将整个控制端安装在水密罩15上并与端口150对接，并通过压于二者间的密封圈16进行水密连接。在天线安装台54上设有用于布置天线连接线的线槽540与线孔541，在完成连接线安装后需用封胶进行密封。当然可采用内置天线而取消线槽540与线孔541。
在壳主体50的内腔500内固设有用于安装电池20的电池安装座6，电池安装座6包括盘状主体60及固设在盘状主体60上用卡压在电池20两侧上以卡持电池20的弹性卡爪61，电池安装座6在位于电池20的正负极端子处设有电池连接端子62、63，以将电池20的输出电压供给电源管理系统，以为各功耗负载提供工作所需电能。在壳主体50内安装有用于保护焊在电路板21上的元器件的保护罩7，保护罩7包括一端敞口的筒体结构的罩主体及设于罩主体上的三个弹性条，在弹性条上设有用于卡持电路板21的卡扣。
如图9，电源管理系统5包括防反接模块51、升压模块52、超级电容53、电容电压监测模块54、第一降压模块55、第二降压模块56、控制模块57、电池电压监测模块58、计量模块592、磁监测模块590及电池更换提醒模块59，以将电池20输出的供电电压按需分配给水压传感器45、无线传输模块22、显示模块591等功耗负载，为它们的正常工作提供所需电能。
防反接模块51耦接在电池20与升压模块52之间，用于防止因电池20接反而对后续电路造成破坏，在本实施例中，其具体结构如图10所示，包括场效应管Q1、场效应管Q2与偏置电阻R1，两个场效应管均为P沟道场效应管，场效应管Q1的源极与电池20电连接，漏极与场效应管Q2的漏极电连接；场效应管Q2的源极与升压模块52电连接，两个场效应管的栅极相连后通过偏置电阻R1接地。利用两个场效应管构建成的防反接电路，以利用其内阻低的特点，有效地降低防反接模块所造成的压降。
如图11所示，升压模块52的分压参考网络的两个分压电阻R2、R3通过场效应管Q4接入升压模块52的电压输出端，即场效应管Q4构成整个分压参考网络的通断控制开关；场效应管Q4的源极与升压模块52的电压输出端电连接，漏极与分压电阻R2的一端电连接，并通过三极管Q3以利用控制模块57输出的控制信号，同步地控制场效应管Q4通断，即在升压模块52工作时，分压参考网络通电，而在升压模块52不工作时，分压参考网络断电，从而有效地减少升压模块不工作时消耗超级电容输出的电能。
在升压模块52的输入端与输出端间旁接有续流二极管D1，续流二极管D1的正极与升压模块52的输入端电连接。由于超级电容53未储有电能而无法启动控制模块57，即控制模块57无法向升压模块52输出控制信号而无法启动整个电源管理系统工作；通过在升压模块52的两端旁接续流二极管D1，以在首次启动时，电池20的供电电压可通过该续流二极管D1对超级电容53进行启动充电，以将超级电容53的输出电压充电至高于控制模块57的工作电压，从而供电给控制模块57工作而可控制升压模块52等负载进行工作，从而可启动整个系统进行正常工作；并在超级电容53的输出电压高于电池20的输出电压时，可使续流二极管D1截止而降低功耗。
升压模块52将电池20输出的供电电压升压至高于第一电压的升压输出电压，并施加在超级电容53上以对其进行充电，第一电压被配置为高于控制模块57、无线传输模块22及显示模块591等功耗负载的工作电压，以为它们的正常工作提供保障，比如，在本实施例中，控制模块57与数据采集模块13的工作电压为3.3V，而无线传输模块22的工作电压为3.3V-3.6V，且在3.6V时达到最佳工作状态，将升压模块52的升压输出电压配置为5V。
升压模块52受控制模块57控制地对超级电容53进行充电，每次充电终止条件被配置为充电预定时长、充电至超级电容53的输出电压超过阈值、充电至充电量超过阈值或充电电流小于阈值。其中，充电电量为通过实时监测充电电压与充电电流而计算实时功率而累积计算出充电电量。
第一降压模块55受控制模块57控制地，用于将升压模块52的升压输出电压与超级电容55的输出电压并联后再降压至无线传输模块22的工作电压，以为无线传输模块22的正常工作提供电能，在本实施例中，第一降压模块55的输出电压被配置为3.6V。
第二降压模块56用于将超级电容53的输出电压降压至适配控制模块57、水压传感器45等除了无线传输模块之外的功耗负载的工作电压，控制模块57等除了无线传输模块之外的功耗负载构成本实施例中的“至少一负载”，即在本实施例中的“至少一负载”被配置为除了大启动电流负载之外的其他功耗负载，以为它们的正常工作提供电能，在本实施例中，第二降压模块56的降压输出电压被配置为3.3V，第二降压模块56在整个电池工作周期过程中，始终对超级电容53的输出电压进行降压，以确保控制模块57持续工作及水压传感器45按预定时机进行工作收集实时水压数据。
通过电池电压监测模块58对电池的输出电压进行监测，并向控制模块56输出电压监测信号，控制模块56在电压监测信号表明电池20的输出电压低于设定阈值时，向电池更换提醒模块59输出控制信号，以控制其发送更换提醒信号，更换电池提醒模块59可为蜂鸣器或被配置为通过无线传输模块向云台发送的更换提醒信息、电池电量信息或电池电量低于阈值信息。
通过电容电压监测模块54对超级电容55的输出电压进行监测，并向控制模块56输出电压监测信号，控制模块56在监测信号表明超级电容53的输出电压低于电压阈值时，向升压模块52输出控制信号，以控制升压模块52开启工作并向超级电容53输出电压，以对超级电容53进行补充充电，即将超级电容53的电压充电至高于3.6V的预定电压，即能功耗负载提供工作所需工作电压。
当需要通过无线传输模块22向无线网络上传水压数据时，在本实施例中，上传水压数据的时机被配置为当水压值波动值大于阈值时，或定期进行上传水压数据，或涡轮31有转动时，其中涡轮有转动表明水管接合器11中的水流流速超过阈值；当需要上传水压数据时，控制模块57先向升压模块52输出控制信号，控制其启动工作以对超级电容53进行预充电，其可为预充电预定时长、预充电至电容输出电压高于阈值、充电至充电电量超过阈值或充电电流小于阈值。在完成对超级电容53的预充电后，向第一降压模块55输出控制信号，控制其启动工作，以将升压模块52的升压输出电压与超级电容53的输出电压并联后再降压至无线传输模块22的工作电压，即在电路中，升压模块52的输出端子、超级电容53的连接端子及第一降压模块55的输入端子通过导线相连接，从而在无线传输模块22进行正常工作后，升压模块52继续向超级电容53进行补充充电及向无线传输模块22持续输出工作所需的大电流。
上述电源管理系统5对电池等电源的管理方法包括以下步骤：
第一降压步骤，将超级电容53的输出电压降压至适配至少一个负载并供给该至少一个负载工作。
在本实施例中，上述“至少一负载”被配置为控制模块54与水压传感器45，该降压工作由第二降压模块56完成，其实时地输出电能以确保整个消防栓仪表能够持续且正常的工作，而此时，升压模块52、第一降压模块55均处于不工作状态，能有效地减少电池电能的消耗。
第一判断步骤，判断是否需启动无线传输模块22。
第一升压步骤，若在第一判断步骤中，判断出需启动无线传输模块22时，则将供电电压升压至高于第一电压以对超级电容进行预充电。在本实施例中，通过控制模块57控制升压模块52进行工作而将电池20的输出电压进行升压至5V后，对超级电容53进行预充电，以为大启动无线传输模块工作提供所需的大瞬态电流。
第二降压步骤，将升压后的电压与经预充电后的超级电容53的输出电压并联后，再降压至适配无线传输模块22并供给无线传输模块22工作。
第二判断步骤，判断超级电容53的输出电压是否低于电压阈值。在本实施例中，通过电容电压监测模块54向控制模块57输出电压监测信号，以根据电压监测信号判断超级电容53的输出电压是否低于电压阈值，比如，在本实施例中，该电压阈值被配置为3.3V，即控制模块57等负载的正常工作电压。
第二升压步骤，若在第二判断步骤中，判断出超级电容53的输出电压低于电压阈值时，则将供电电压升压至高于第二电压以对超级电容进行补充充电。在本实施例中，对超级电容53进行预充电与进行补充充电的电压被配置为等值，即升压模块52的升压输出电压为定值，在本实施例中该定值被配置为5V。
第三判断步骤，判断供电电压是否小于第二阈值。在本实施例中，通过电池电压监测模块58向控制模块57输出电压监测信号，以根据电压监测信号判断电池20的输出电压是否低于阈值，即电池20的电能低于阈值，表示其在继续使用预定时长后将难以满足整个仪表的工作所需。
更换电池提醒步骤，若在第三判断步骤中，判断出供电电压小于阈值，则发出提醒信息。此时，控制模块57向更换电池提醒模块输出控制信号，使其进行工作而提醒需更换电池，比如通过无线传输模块22将更换电池提醒信息发送至云平台，以便于对设备进行维护。
在上述电源管理系统中，用于执行第一判断步骤的控制模块57与水压传感器45一起构成本实施例中的第一判断模块，用于执行第二判断步骤的电容电压监测模块54与控制模块57一起构成本实施例中的第二判断模块，用于执行第三判断步骤的电池电压监测模块58与控制模块57一起构成本实施例中的第三判断模块。
保护罩为密封壳体，将端盖42设置成由透明材料制成，在密封壳体内位于端盖42的后方安装有液晶显示屏，在电路板上固设有磁簧开关，磁簧开关向控制模块输出启闭信号。
在实际使用过程中，操作人员想要通过显示屏显示当前水压、电池容量等数据、流速数据时，通过外置的永磁铁靠近磁簧开关所在位置而使磁簧开关闭合，控制模块在接收到磁簧开关输出的闭合信号后，控制显示屏工作预定时长并显示操作人员的期望数据。并在显示预定时长后主动停止显示而节约功耗。或者检修时需上传相关数据，也可通过磁铁激发磁簧开关而进行启动无线传输模块进行上述相关数据。此时，固设在电路板21上的磁簧开关构成本实施例中用于探测其自身安装位置处的磁场变化幅值的磁监测装置，并在监测信号显示磁场变化幅值超过阈值时，控制显示屏工作预定时长或启动无线传输模块上述相关数据。此外，可采用磁传感器替代保护罩中的磁簧开关及位于水密罩15中磁簧开关41以构成本实施例中的磁监测装置。
使用上述消防栓监测系统对安装在其侧旁的消防栓进行监测的过程包括以下步骤：
获取步骤S1，获取水管路中的水压数据与流速数据。
通过水压传感器45向控制模块57输出实时水压数据，及通过磁簧开关41向控制模块57输出表示水流流速数据的启闭信号频率，基于磁簧开关41的启闭信号频率计算当前的水管路中的水流流速大小。
第一发送步骤S2，当水管路中的水流流速超过阈值时，启动无线传输模块发送实时水压数据和/或漏水报告。
控制模块57接收水压传感器45输出的实时水压数据及磁簧开关41输出的流速监测信号，当涡轮31有转动时，表明消防栓中的水流有流动，且该流速超过阈值，若当前该消防栓无消防任务，则存在漏水或偷用消防栓水的问题，若流速较小，则可判断为该消防栓存在漏水问题，而流速较大时，则存在偷水或漏水问题，通过将该两种情况表征为漏水报告而通过无线传输模块发送相关报告，以便于监控中心对各消防栓的工作状态进行监控，以能及时地对消防栓进行检修，确保后续消防使用的安全。
此时，也可以发送水压数据，以便于监控中心判断当前出问题的消防栓的水压是否能满足消防使用要求，确保正在执行消防任务的消防车能够寻找到最近且水压满足要求的消防栓进行供水。
并通过计量模块592基于持续的流速测量数据而计算出耗水量，从而可通过与实际执行任务的时间与用水量相比，判断出对应消防是否存在计划外耗水问题，比如漏水、偷用消防用水问题。
第二发送步骤S3，当水管路中的水流流速低于阈值的持续时间超过预定时长时，按预定周期启动无线传输模块22发送实时水压数据。以确保能够及时地对消防栓中的水压进行监控，确保在消防使用时能够提供期望水压。
第三发送步骤S4，控制模块57在保护罩内的磁簧开关输出的磁监测信号表征被监测位置处的磁场变化幅值超过阈值时，控制无线传输模块22发送实时水压数据和/或漏水报告，或启动显示屏工作预定时长以显示水压数据。便于操作人员在检修过程中进行发回数据的操作。
第四发送步骤S5，当水管路中水压的波动幅度超过阈值时，启动无线传输模块22发送实时水压数据。以防止消防栓中的水压变得过低而无法满足消防使用要求，确保消防栓能正常供水。
消防栓仪监测系统实施例2
作为对本实用新型消防栓仪监测系统实施例1的说明，以下仅对与上述实施例1中的不同之处进行说明，即如图12所示，对感应机芯组件3的结构进行改进。
多个前导流板的内端部相交的连接部为导流罩结构92，涡轮安装筒由可拆卸的筒体301与筒体302组成，导流罩结构92与前导流板均安装在筒体302上，后导流机构安装在筒体301内，转角可调的前导流板320的调节杆321的调节端通过水密结构而伸出隔板外，从而可在壳体外对前导流板320的角度进行调整，以对进入涡轮安装筒内的水流量进行调整。
旋转支轴33的中心轴线与磁铁块的旋转轴线相正交，即中心轴线为旋转轴线的安装转轴91的一端通过减速锥齿轮对与旋转支轴33传动连接，磁铁块固定在安装转轴91的另一端的端部上，且安装转轴91的另一端可转动的支撑在透磁隔板131上。此时，以实施例1中间涡轮的转轴设置成竖向布置不同的是，本实施例中将涡轮的转轴设置成沿水平方向布置，即在实施例1的水管接合器中的水流行进路径为Z字型，而本实施例的水管接合器中水流行进路径为一字型结构。