小管径非满管流量和浓度的测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及了一种测量装置和测量方法，特别是一种小管径非满管流量和浓度的测量装置及其测量方法。

背景技术：

小管径多参数是海绵城市建设中进行模型试验中重要的参数指标。实际测量试验中，不仅需要测量满管参数，同时需对非满管的多参数进行测量。目前，水利行业中对管道流量的测量多是满管测量，对管道的非满管测量也局限的大管径上。而针对海绵城市建设中，对直径3~7cm的小管径的非满管多参数测量问题，市场上尚未有解决该问题的产品。

技术实现要素：

本申请的发明目的是解决不能对小管径、非满管水流进行流量的问题，而提供一种小管径的非满管流量及浓度测量装置及其测量方法。

为了完成本发明的发明目的，本发明采用以下技术方案

本发明的一种小管径非满管流量和浓度的测量装置，它包括：测量管、超声测距传感器、连通器、连接管、超声传感器、浮子、防溢挡板、法兰和处理器，在测量管的两端分别装有法兰，其中：在接近测量管底部的径向对称位置处分别装有超声传感器，连通器装在与测量管直径等高的位置处，连接管的一端与测量管底部相连，另一端与连通器的底部相连，在连通器内装有浮子，在连通器的上端装有防溢挡板，超声测距传感器装在连通器的正上方，对准连通器内的浮子，两个超声传感器和超声测距传感器分别通过信息线与处理器相连；

本发明的一种小管径非满管流量和浓度的测量装置，其中：所述连通器的高度大于或等于测量管的内径，测量管内水位的高度与连通器内水位高度相同，连通器的直径远远小于测量管的内径；

本发明的一种小管径非满管流量和浓度的测量装置，其中：所述小管径非满管流量和浓度的测量装置还包括：温度传感器，该温度传感器装在测量管的底部，它通过信息线与处理器相连；

本发明的一种小管径非满管流量和浓度的测量装置，其中：所述小管径非满管流量和浓度的测量装置还包括：固定支架，固定支架固定在测量管上，在固定支架上装有超声测距传感器和连通器；

本发明的一种小管径非满管流量和浓度的测量装置，其中：所述小管径非满管流量和浓度的测量装置还包括：底座，测量管装在底座上；

本发明的流量测量方法，其中：它包括以下步骤：

（a）、用超声测距传感器来测量超声测距传感器到浮子之间的距离l,已知测量管的内壁的半径为r，水在测量管内的高度h=2r-l-d，d为浮子的厚度，水在测量管内占有的面积s=；

（b）、将其中的一个超声传感器以与水平夹角为α的角度发射出沿着水流相反方向的频率为的超声波，另一个超声传感器接收上述发射出的超声波，其接收频率，频率变化，则水在测量管中的流速为，c为水中声速；

（c）将步骤（a）的面积乘以步骤（b）的流速，即为水在测量管内的流量；

本发明的水流量测量方法，其中：一个超声传感器发射出频率为的超声波后，经过时间后被另一个超声传感器接收到频率为的超声波，其中s为两个超声传感器之间的距离,c为水中声速，超声波在水下的速度c与水温相关，在水温为20℃时，c=1492m/s；

本发明的水流量测量方法，其中：所述超声传感器装在距测量管底部0.1r至0.5r的测量管外管壁上；

本发明的水流量测量方法，其中：所述超声传感器将其发射频率、发射角度α和接收频率传递给处理器；温度传感器将检测到的温度信号传递给处理器，处理器根据该信号得到超声波在水中的速度c；超声测距传感器将超声测距传感器到浮子之间的距离l传递给处理器；

本发明的水浓度的测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（i）、在测量管出厂前对其进行标定，在一个超声波传感器发射能量e为恒定值的条件下，配置出从低浓度到高浓度均匀颗粒的n种浓度液体，即c1，c2……cn,将上述n种浓度液体分别装入测量管中，在每种浓度下，测量另一个超声传感器9所接收到的能量e1，并将其作为数据储存在处理器中；

（ii）在实际使用中，操作者用一个超声传感器发射出能量为e的超声波，另一超声传感器接收到上述超声波的反射能量e1，操作者只要在处理器中找到e1所对应的浓度，就可以确定出水中颗粒浓度c，或者根据两个标定的e1之间的比例，更精准地算出水中颗粒浓度c。

本发明的小管径非满管流量和浓度的测量装置采用超声多普勒原理测量非满管的流速，采用超声测距原理测量非满管的水位，采用对水中粒子对超声反射强度的大小测量水中的粒子浓度实现对小管径非满管的流量和浓度的同步测量，对海绵城市建设的研究具有重要的价值。

附图说明

图1为本发明的小管径非满管流量和浓度的测量装置的正向示意图；

图2为图1a-a处的剖面示意图；

图3为超声传感器在测量管内发射和接收的原理立体示意图；

图4为超声传感器在测量管内发射和接收的原理的俯向示意图，在图中的箭头为测量管内的水流方向。

在图1、图2和图3中，标号1为法兰；标号2为测量管；标号3为超声测距传感器；标号4为；标号5为连通器；标号6为底座；标号7为温度传感器；标号8为连接管；标号9为超声传感器；标号10为处理器；标号11为防溢挡板；标号12为浮子。

具体实施方式

如图和图2所示，本发明的小管径非满管流量和浓度的测量装置包括：测量管2、超声测距传感器3、连通器5、连接管8、超声传感器9、浮子12、防溢挡板11、法兰1、处理器10、温度传感器7、固定支架4和底座6，在测量管2的两端分别装有法兰1，在接近测量管2底部的径向对称位置处分别装有超声传感器9，连通器5装在与测量管2直径等高的位置处，连通器5的高度大于或等于测量管2的内径，测量管2内水位的高度与连通器5内水位高度相同，连通器5的直径远远小于测量管2的内径是指连通器5的直径与测量管2的内径之比小于1:10。连接管8的一端与测量管2底部相连，另一端与连通器5的底部相连，在连通器5内装有浮子12，在连通器5的上端装有防溢挡板11，超声测距传感器3装在连通器5的正上方，对准连通器5内的浮子12，固定支架4固定在测量管2上，在固定支架4上装有超声测距传感器3和连通器5，测量管2装在底座6上。温度传感器7装在测量管2的底部，两个超声传感器9、超声测距传感器3和温度传感器7分别通过信息线与处理器10相连，小管径指直径为3～10cm的测量管2。

如图3-图4所示，用图1-2所示的测量装置来测量小管径内流量的测量方法，它包括以下步骤：

（a）、用超声测距传感器3来测量超声测距传感器3到浮子12之间的距离l,已知测量管2的内壁的半径为r，水在测量管2内的高度h=2r-l-d，d为浮子的厚度，水在测量管2内占有的面积；

（b）、将其中的一个超声传感器9以与水平夹角为α的角度发射出沿着水流相反方向的频率为的超声波，在一个超声传感器9发射出频率为的超声波后，经过时间后被另一个超声传感器9接收到频率为的超声波，其中s为两个超声传感器9之间的距离,c为水中声速，其接收频率为，频率变化，则水在测量管2中的流速为，c为水中声速，超声传感器9装在距测量管2底部0.1r至0.5r的测量管2外管壁上；

（c）、将步骤（a）的面积乘以步骤（b）的流速，即为水在测量管2内的流量。

上述超声传感器9将其发射频率、发射角度α和接收频率传递给处理器10；温度传感器7将检测到的温度信号传递给处理器10，处理器10根据该信号得到超声波在水中的速度，超声波在水下的速度c与水温相关，在水温为20℃时，c=1492m/s，在水温不同时，c的数值均是已知的；超声测距传感器3将超声测距传感器3到浮子之间的距离l传递给处理器10。

本发明还可根据一个超声传感器9向水体中发射固定频率的能量为e的超声波，该超声波在测量管2中遇到沙粒后被反射，另一个超声传感器9接收到上述超声波的反射信号，即接收到能量为e1的超声波反射信号。由于水体中粒子的浓度的不同，信号衰减的程度不同，因此接收到的信号强度不同。通过fft算法计算信号强度。不同的强度对应不同的浓度，因此需要进行浓度与信号强度的标定，通过标定的方式，将信号强度转换为水体中含沙浓度，实现水体中含沙浓度的测量，接收到的能量越大，浓度越小，接收到的能量越小，浓度越大。

标定为出厂前对测量管2进行的工作，在发射能量e为恒定值的条件下，配置出从低浓度到高浓度均匀颗粒的n种浓度液体，即c1，c2……cn分别装入测量管2中，在每种浓度下，测量另一个超声传感器9所接收到的能量e1，并将其作为数据储存在处理器10中，在实际使用中，操作者用一个超声传感器9发射出能量为e的超声波，另一超声传感器9接收到上述超声波的反射能量e1，操作者只要在处理器10中找到e1所对应的浓度，就可以测量出水中颗粒浓度c，虽然上述方法的误差较大，但是可以根据差值法来尽量减少误差，即根据两个标定的e1之间的比例，更精准地算出水中颗粒浓度c,例如：出厂前标定e1为50、60、70……，它们所对应的水中的颗粒浓度为6%、5%、3%……，在实际测量时，测得的e1为54，那么可以根据上述方法得到水中颗粒的浓度为5.4%，虽然上述方法存在一定的误差，但是与现有的测量方法相比，精确度已经大大地得到了提高。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。