本发明属于流量控制和排水技术领域，具体涉及一种用于管路上的装置及基于该装置的流量控制方法和防倒灌方法。
背景技术：
流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。在现代工业生产过程中，流量是重要的过程参数之一，是衡量设备的效率和经济性的重要指标，是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优化控制；同时为了进行经济核算，也必须知道流过的介质总量。所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程的一项重要任务。
流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多，而且针对不同的应用领域，对于所使用的流量测量方法和仪表的要求也不同，即每种流量测量方法和仪表都具有特定的适用性，也都有它的局限性。
在我国的城市排水工程中的进水和/或出水管路系统中，对于污水流量的控制成为一个重要的研究领域，通过对管路系统中污水流量的控制，随时调控管路系统中的各个阀门及相关组件，实现水体的顺畅排放，避免因雨水过量而排放不及时导致的各种洪涝灾害。
目前的管路系统中，常用的流量控制器为在管路中安装各类流量计，但是其面对如此复杂庞大的管路系统，需要安装的流量计的数量势必也不少，而且多数流量计的结构复杂，体积庞大，安装和调试比较复杂，而且难以维修；大部分仪器仪表只是用于洁净的单相液体，并不适用于管路系统中常见的污水和雨水，可能还有一些固体悬浮物等；多数的管路系统中对于流量的控制不需要特别精确，若使用对精度要求较为严格的流量计，也必然造成采购价格高，投资较大，运行和维护费用较高等多种问题的出现。
再有，现有的流量控制装置的适用面较窄，一般仅能作为流量控制使用，开发具有更多功能的流量控制装置是现有排水系统急需的。
技术实现要素：
为了改善现有技术的不足，本发明提供了一种用于管路上的装置及基于该装置的流量控制方法和防倒灌方法，所述装置可以用于测量流经所述管路的流量，所述装置还可以用于防倒灌，巧妙地将流量控制和防倒灌结合在一个设备中，非常适合现有的排水系统的需求；所述流量控制方法可以精确得到流经管路的流量，完全替代了流量计，其具有操作方便，成本低廉等优点。
本发明提供如下技术方案：
一种用于管路上的装置，所述装置包括第一液位计、第二液位计以及安装在管路上的第一测量管、阀门和第二测量管；
所述第一测量管与第二测量管设置于管路上，且均与所述管路连通；
所述阀门位于所述第一测量管和第二测量管之间的管路上；
所述第一测量管位于所述阀门的入口侧，所述第二测量管位于所述阀门的出口侧；
所述第一液位计，用于检测所述第一测量管内的上游水体的液位高度；
所述第二液位计，用于检测所述第二测量管内的下游水体的液位高度。
根据本发明，所述第一测量管与第二测量管并行设置于所述管路上。
根据本发明，所述装置还包括控制器，所述控制器分别与所述第一液位计、所述第二液位计和阀门信号连接，用于接收所述第一液位计和第二液位计监测的液位信号，并根据所述液位信号控制所述阀门的开度。
根据本发明，所述第一液位计设置在第一测量管中，所述第二液位计设置在第二测量管中。
根据本发明，所述第一液位计和所述第二液位计的安装高度不低于0.5米。所述安装高度是指液位计到管路的垂直高度。
根据本发明，所述第一测量管和所述第二测量管均垂直于所述管路设置。
根据本发明，所述第一测量管和所述第二测量管与所述阀门之间的距离不大于10米。
根据本发明，所述装置还包括一个井体，所述阀门设置于井体中，便于操作和维修。
根据本发明，所述第一测量管可以位于井体中，也可以位于井体上游端，优选位于井体中，便于操作和维修。
根据本发明，所述第二测量管可以位于井体中，也可以位于井体下游端，优选位于井体中，便于操作和维修。
根据本发明，所述阀门选自闸阀、球阀、蝶阀、菱形阀、v形阀、橡胶瓣截流止回阀中的至少一种。
根据本发明，所述阀门的驱动方式可采用电动、液动或气动。
本发明还提供一种管路系统，所述管路系统包括上述的用于管路中的装置。
根据本发明，所述管路系统还包括管路，即安装所述第一测量管、第二测量管及阀门的管路。
本发明还提供上述装置的用途，其用于管路上的防倒灌。
优选地，用于截污管上的防倒灌。
优选地，用于分流井中截污管上的防倒灌。
本发明还提供上述装置的用途，其用于管路上的流量控制。
优选地，用于截污管上的流量控制。
优选地，用于分流井中截污管上的流量控制。
本发明还提供一种用于管路上的双液位流量控制方法，所述方法是基于上述的用于管路上的装置，所述方法包括如下步骤：
1)监测上游水体的液位高度h1和下游水体的液位高度h2；
2)确定上游水体和下游水体的液位差(h1-h2)及阀门开度s与流经管路的流量q的关系式如下：
式中，
s——阀门开度(阀门中的过水面积)(m2)；
h1——第一液位计监测的上游水体的液位高度(m)；
h2——第二液位计监测的下游水体的液位高度(m)；
σs——淹没系数；
g——重力加速度(m/s2)；
m——自由溢流的流量系数，与管道等边界条件有关；
σc——侧收缩系数，反映由于管道的横向收缩，减小有效的过流宽度和增加的局部能量损失对泄流能力的影响；
μ——管道自由出流的流量系数，反映管道与阀门的相对开度对泄流量的影响；
3)基于监测的上游水体和下游水体的液位差以及所述关系式，通过调节阀门开度来实现流经管路的流量的控制。
根据本发明，所述关系式中，σs为淹没系数，与液位差(h1-h2)有关，可以直接查表得到。
根据本发明，所述关系式中，k为集合系数，当液位差(h1-h2)确定后，k也为确定的值。
根据本发明，所述关系式中，所述参数通过查表确定相关系数，并在使用时根据实际情况进行修正；或者，根据实际的测量值，直接利用关系式
根据本发明，所述双液位流量控制方法用于管路的流量控制。
根据本发明，所述双液位流量控制方法用于截污管的流量控制。
根据本发明，所述双液位流量控制方法用于分流井中截污管的流量控制。
根据本发明，所述双液位流量控制方法还包括如下步骤：
根据与截污管相连的下游管道所能处理的最大流量或与截污管相连的下游污水处理厂所能处理的最大流量设定流量q1；
a)晴天时，流经截污管的流量低于设定流量q1时，阀门处于全开状态，旱流污水全部流入截污管中；
b)雨天时，判断此时降雨是初期雨水或是中后期雨水；若是初期雨水，执行下述步骤b-1)；若是中后期雨水，执行下述步骤b-2)；
b-1)初期雨水时，当流经截污管的流量低于设定流量q1时，阀门处于全开状态；
当流经截污管的流量高于设定流量q1时，调节阀门的开度，实现流入截污管中水体的精确控制；
b-2)中后期雨水时，阀门处于全关状态，水体全部流入自然水体中。
本发明中，所述的初期雨水是指含有大量污染物，水质没有达到排放标准的水体，一般为开始下雨时到下雨持续5-30min内的雨水；所述的中后期雨水是指水质达到排放标准的水体。
本发明还提供一种防倒灌的方法，所述方法是基于上述的用于管路上的装置；所述防倒灌方法包括如下步骤：
1)通过第一液位计和第二液位计分别监测阀门入口侧和出口侧的水体液位值，分别记为h1和h2；
2)通过第一液位计监测的水体液位值h1和第二液位计监测的水体液位值h2的大小进行判断：
当h1-h2大于零或h2-h1小于零时，阀门处于全开状态，阀门入口侧的水体流向阀门出口侧；
当h1-h2等于零或h2-h1等于零时，调节阀门的开度至h1-h2大于零或h2-h1等于零，避免阀门出口侧的水体发生倒灌；以及，
当h1-h2小于零或h2-h1大于零时，阀门处于全关状态，避免阀门出口侧的水体发生倒灌。
优选地，所述方法是用于截污管上的防倒灌。
优选地，所述方法是用于分流井中截污管上的防倒灌。
本发明的有益效果：
(1)本发明的用于管路上的装置可以实现管路流量的控制，还可以实现管路防倒灌的监控，其可以整套配置并进行预制，其结构简单，节省建设和设备成本，也大大降低劳动力的投入。
(2)本发明的用于管路上的装置还可以实现远程控制和监测，通过实时监测上游水体和下游水体的液位差来控制阀门的开合大小，可实现双液位流量控制或者防倒灌。
(3)本发明的用于管路上的双液位流量控制是基于在管路中并行设置的第一测量管和第二测量管及安装于其中的第一液位计和第二液位计，通过第一液位计监测的上游水体液位和第二液位计监测的下游水体液位的液位差计算得出流经该管路的流量，而不需要再使用流量计即可实现水体的流量监测。
(4)本发明的用于管路上的双液位流量控制方法简单、易于操作，还可以实现远程控制和监测，通过实时监测双液位的液位差来控制流量控制阀门的开合大小，实现对管路中水体的控制。
附图说明
图1为本发明一个优选实施方式所述的装置的主视图；
其中，1-上游管路、2-第一测量管、3-第一液位计、4-井体、5-第二液位计、6-第二测量管、7-下游管路、8-阀门。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，应理解，在阅读了本发明所记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种用于管路上的装置，所述装置包括第一液位计、第二液位计以及安装在管路上的第一测量管、阀门和第二测量管；
所述第一测量管与第二测量管设置于管路上，且均与所述管路连通；
所述阀门位于所述第一测量管和第二测量管之间的管路上；
所述第一测量管位于所述阀门的入口侧，所述第二测量管位于所述阀门的出口侧；
所述第一液位计，用于检测所述第一测量管内的上游水体的液位高度；
所述第二液位计，用于检测所述第二测量管内的下游水体的液位高度。
在本发明的一个优选实施方式中，所述第一测量管与第二测量管并行设置于所述管路上。
在本发明的一个优选实施方式中，所述装置还包括控制器，所述控制器分别与所述第一液位计、所述第二液位计和阀门信号连接，用于接收所述第一液位计和第二液位计监测的液位信号，并根据所述液位信号控制所述阀门的开度。
在本发明的一个优选实施方式中，所述第一液位计设置在第一测量管中，所述第二液位计设置在第二测量管中。
在本发明的一个优选实施方式中，所述第一液位计和所述第二液位计的安装高度不低于0.5米。所述安装高度是指液位计到管路的垂直高度。
在本发明的一个优选实施方式中，所述第一测量管和所述第二测量管均垂直于所述管路设置。
在本发明的一个优选实施方式中，所述第一测量管和所述第二测量管与所述阀门之间的距离不大于10米。
在本发明的一个优选实施方式中，所述装置还包括一个井体，所述阀门设置于井体中，便于操作和维修。
在本发明的一个优选实施方式中，所述第一测量管可以位于井体中，也可以位于井体上游端，优选位于井体中，便于操作和维修。
在本发明的一个优选实施方式中，所述第二测量管可以位于井体中，也可以位于井体下游端，优选位于井体中，便于操作和维修。
在本发明的一个优选实施方式中，所述阀门选自闸阀、球阀、蝶阀、菱形阀、v形阀、橡胶瓣截流止回阀中的至少一种。所述阀门的驱动方式可采用电动、液动或气动。
本实施例所述的装置可以用于管路上的防倒灌。优选地，用于截污管上的防倒灌。还优选地，用于分流井中截污管上的防倒灌。
本实施例所述的装置可以用于管路上的流量控制。优选地，用于截污管上的流量控制。还优选地，用于分流井中截污管上的流量控制。
实施例2
本实施例提供一种管路系统，所述管路系统包括实施例1所述的用于管路中的装置。
在本发明的一个优选实施方式中，所述管路系统还包括管路，即安装所述第一测量管、第二测量管及阀门的管路。
实施例3
本实施例提供一种用于管路上的双液位流量控制方法，所述方法是基于实施例1所述的用于管路上的装置，所述方法包括如下步骤：
1)监测上游水体的液位高度h1和下游水体的液位高度h2；
2)确定上游水体和下游水体的液位差(h1-h2)及阀门开度s与流经管路的流量q的关系式如下：
式中，
s——阀门开度(阀门中的过水面积)(m2)；
h1——第一液位计监测的上游水体的液位高度(m)；
h2——第二液位计监测的下游水体的液位高度(m)；
σs——淹没系数；
g——重力加速度(m/s2)；
m——自由溢流的流量系数，与管道等边界条件有关；
σc——侧收缩系数，反映由于管道的横向收缩，减小有效的过流宽度和增加的局部能量损失对泄流能力的影响；
μ——管道自由出流的流量系数，反映管道与阀门的相对开度对泄流量的影响；
3)基于监测的上游水体和下游水体的液位差以及所述关系式，通过调节阀门开度来实现流经管路的流量的控制。
在本发明的一个优选实施方式中，所述关系式中，σs为淹没系数，与液位差(h1-h2)有关，可以直接查表得到。
在本发明的一个优选实施方式中，所述关系式中，k为集合系数，当液位差(h1-h2)确定后，k也为确定的值。
在本发明的一个优选实施方式中，所述关系式中，所述参数通过查表确定相关系数，并在使用时根据实际情况进行修正；或者，根据实际的测量值，直接利用关系式
在本发明的一个优选实施方式中，所述双液位流量控制方法用于管路的流量控制。
在本发明的一个优选实施方式中，所述双液位流量控制方法用于截污管的流量控制。
在本发明的一个优选实施方式中，所述双液位流量控制方法用于分流井中截污管的流量控制。
实施例4
本实施例还提供一种双液位流量控制方法，所述双液位流量控制方法还包括如下步骤：
根据与截污管相连的下游管道所能处理的最大流量或与截污管相连的下游污水处理厂所能处理的最大流量设定流量q1；
a)晴天时，流经截污管的流量低于设定流量q1时，阀门处于全开状态，旱流污水全部流入截污管中；
b)雨天时，判断此时降雨是初期雨水或是中后期雨水；若是初期雨水，执行下述步骤b-1)；若是中后期雨水，执行下述步骤b-2)；
b-1)初期雨水时，当流经截污管的流量低于设定流量q1时，阀门处于全开状态；
当流经截污管的流量高于设定流量q1时，调节阀门的开度，实现流入截污管中水体的精确控制；
b-2)中后期雨水时，阀门处于全关状态，水体全部流入自然水体中。
本发明中，所述的初期雨水是指含有大量污染物，水质没有达到排放标准的水体，一般为开始下雨时到下雨持续5-30min内的雨水；所述的中后期雨水是指水质达到排放标准的水体。
实施例5
本实施例提供一种防倒灌的方法，所述方法是基于实施例1所述的用于管路上的装置；所述防倒灌方法包括如下步骤：
1)通过第一液位计和第二液位计分别监测阀门入口侧和出口侧的水体液位值，分别记为h1和h2；
2)通过第一液位计监测的水体液位值h1和第二液位计监测的水体液位值h2的大小进行判断：
当h1-h2大于零或h2-h1小于零时，阀门处于全开状态，阀门入口侧的水体流向阀门出口侧；
当h1-h2等于零或h2-h1等于零时，调节阀门的开度至h1-h2大于零或h2-h1等于零，避免阀门出口侧的水体发生倒灌；以及，
当h1-h2小于零或h2-h1大于零时，阀门处于全关状态，避免阀门出口侧的水体发生倒灌。
优选地，所述方法是用于截污管上的防倒灌。
优选地，所述方法是用于分流井中截污管上的防倒灌。
本发明中，在排水过程中，当下游管路的液位高度高于上游管路的液位高度时，水体会在该管路中发生倒灌现象，即下游水体涌入上游端，导致上游水体不能及时排走而发生内涝；而本发明是利用双液位的控制方法，在阀门的入口侧和出口侧分别安装液位计，通过液位计监测阀门的入口侧和出口侧的水位高度来判断流经该管路的水体是否会发生倒灌现象。当入口侧的水位高度高于出口侧的水位高度时，水体依靠重力作用，向出口侧排走；当入口侧的水位高度低于出口侧的水位高度时，水体依靠重力作用，向入口侧排走，此时需要及时关闭阀门，有效防止出现下游水体的倒灌现象。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。