在污水管道内安装流量液位在线监测设备,可对管道内水流情况进行精确监测,提高排水系统改造决策的科学性与系统的运行管理水平。目前各种传统的流量检测方法(如明渠流量计、电磁流量计、浮子流量计)存在以下问题^[1]:1安装问题:污水管道,特别是城市的排水管道大部分埋在地下,安装非常不便,目前主要安装在污水泵站,无法对整个污水管网进行监测;2测量干扰问题:污水管网中情况比较复杂,存在大量涡流、湍流等情况,测量精度无法保证。

　　 针对上述问题,本文提出了将浸入式双束多普勒流量计应用于污水管网流量监测。通过污水管网的窨井,可以方便地将浸入式双束多普勒流量计探头安装在污水管道中,并采用两个独立的同频的多普勒信号分别向两个相反方向测量流速。由于在一个较短的距离内,可以假设两个多普勒信号受到的干扰相同,通过算法处理,大大提高测量的精度。

　　 浸入式双波束多普勒流量计由两套独立的超声波发射和接收装置,压力传感器以及一个中央处理控制器(MCU)组成,系统组成如图1所示。

　　 超声波装置是探头的核心装置,用于测量多普勒信号。中央处理器产生一个测试信号,经功率放大后,经换能器转换成超声波信号发射到污水中。超声波信号遇到污水中的颗粒反射,接收装置接收到信号后,通过换能装置转换成电信,处理后传输给中央处理器,进行分析处理。再利用压力传感器测量液面高度,最终计算出相应的流速和流量^[2~4]。数据通过485总线传给一个无线传输模块,通过无线的方式将数据上传到后台服务器,从而实现对污水管道的全面监测。与其他类型的流量计相比,超声波流量计运行能耗极小,通过自带电池,将探头安装在污水管网的窨井中,可独立工作3月,无需外接电源。

　　 与传统的多普勒流量计不同,浸入式双束多普勒流量计采用两套多普勒信号的发射和接收装置,安装方向相反,分别监测管道中污水的流量。通过算法设计,可有效地去除管道内的干扰,提高测量精度。其基本原理如下:

　　 管道内的污水流速V在以发射声源为原点、管道方向为Z轴的圆柱坐标系中可分解为:沿管道方向(Z轴)的流速V_z、管道径向的流速V_r、绕Z轴旋转流速V_φ,如图2所示。

　　 对于污水的流速测量,主要是测量沿管道方向的流速V_z。对于V_φ,由于该运动对于声源的位置没有变化(声源是坐标轴的原点),根据多普勒测速的原理,该运动对超声波的频移没有任何影响。因此在测量过程中,可以假设V_φ=0。

　　 取管道的一个纵向截面,分析多普勒频移与流速的关系,如图3所示。

　　 多普勒信号测量安装在流量计探头的两侧,入射的波束,与管道的轴线夹角为θ₁(θ₁′),假设污水的运动速度速为u,与管道的走向的夹角为 θ₀(θ₀′),发射多普勒信号的频率为f₀,接收到的频率分别为f₁、f₂,超声波在水中的传播速度为c。根据多普勒效应可知^[5],两路超声波发送、接收装置测量得到的多普勒频移Δf₁、Δf₂分别为:

　　 由于两个多普勒信号的发送装置和接收装置对称安装在探头两侧,则:θ₁′=π-θ₁,且在一个较短的距离内,假设污水的流速、流向相同,则:θ₀′=θ₀,代入公式(2)得:

　　 定义:

　　 将cos(θ₁+θ₀)和cos(θ₁-θ₀)展开后代入式(4)得:

　　 管道中的污水沿管道方向的流速为:

　　 式(6)中Δf₁和Δf₂分别由探头上的两个多普勒检测装置测量得到,通过计算可以得到污水在管道内的流速,而去除了污水在管道内径向流动对管道内污水流速、流量测量的干扰。

　　 与普通的管道流量计相比,由于城市污水管道中液位往往发生变化,需要在探头增加一个压力传感器,通过测量水压确定液位高度,再利用事先存储在探头主机内的管道截面信息,计算出水流截面。最后可以获得管道内的污水流量。

　　 探头开始工作时,由中央处理器生成一串固定频率信号,经放大后激励超声波换能器,发射超声波信号。接收部件接收反射的超声信号,经初步放大后分别进行多谱勒频移信号检测和超声波声强检测。重复上述过程10次,然后,将接收的信号相加,取平均值,用于降低信号的高斯白噪声。中央处理器通过对经平均化处理后的回波信号样本的自相关计算,得出多普勒频移。根据频移信号,以及波束与管道方向夹角,可以计算出流速,由压力传感器获得液位信息,并根据事先存储的管道截面信息,计算出流量。

　　 测量时必须保证两个超声波源的连线与管道的走向平行,否则测量会出现误差,如图4 所示。

　　 理论需要测量的流速是:

　　 式中V ———污水在管道中的理论流速;

　　 V_z———污水沿管道方向的流速;

　　 θ———污水流向与管道方向的夹角。

　　 而实际的测量得到的是:

　　 式中V_z′ ———测量得到的流速;

　　 β———污水流向与探头安装方向的夹角。

　　 则误差为:

　　 式中α———管道走向与探头安装方向的夹角。

　　 由上可见,当安装出现误差时,流速与轴向的夹角越大,误差越大,因此,应该尽量避免安装在污水径向流速较大的地方,如管道拐角处等。

　　 浸入式双束多普勒污水管道流量计在安徽某市的城市污水管理信息系统中布点试用。使用时,整个监测设备安装固定在略低于窨井井盖的位置,探头以浸入方式安装固定于污水管道中,如图5所示。

　　 图6为在试用过程中,污水管网实际测到的流速、流量变化曲线,可以反映管道内污水排放一周的变化情况,曲线前半段液位升高,流量和流速相对较小时,污水管道中出现淤堵现象。当淤堵被排除后,流量和流速迅速上升,液位下降。

　　 根据相邻两个流量计的流量、液位等情况的变化,就可以判断出污水管道是否出现故障,并能准确定位故障点。当某个监测点出现液位降低,而相邻监测点液位升高、流速降低,说明这两个监测点之间出现堵塞;相邻监测点液位、流速没有明显变化时,说明这两个监测点之间出现污水泄漏。当某个监测点出现液位上升、流量增加,而上游监测点流量没有变化时,说明两个监测点之间出现了入流、入渗。

　　 依据国内城市管网的情况,浸入式双束多普勒污水管道流量计具有可直接插入窨井中进行在线监测,安装及维护方便的特点。流量计采用双束多普勒信号,独立测量多普勒频移,从而可以有效去除涡流、湍流的干扰,提高了测量的精度。