专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
申请号 | CN202410404513.2 | 申请日 | 2024-04-07 |
公开(公告)号 | CN117990184B | 公开(公告)日 | 2024-06-25 |
申请人 | 中国市政工程华北设计研究总院有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
发明人 | 王浩正; 谢志远; 吴凡松; 张良; | 第一发明人 | 王浩正 |
权利人 | 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
当前权利人 | 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
省份 | 当前专利权人所在省份:天津市 | 城市 | 当前专利权人所在城市:天津市南开区 |
具体地址 | 当前专利权人所在详细地址:天津市南开区卫津南路奥体钻石山小区33号楼1521房 | 邮编 | 当前专利权人邮编:300071 |
主IPC国际分类 | G01F23/292 | 所有IPC国际分类 | G01F23/292 ; G01F23/296 ; G01B11/06 ; B08B3/02 |
专利引用数量 | 4 | 专利被引用数量 | 0 |
专利权利要求数量 | 2 | 专利文献类型 | B |
专利代理机构 | 天津盛理知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 董一宁; |
摘要 | 本 发明 公开了一种具有多点位监测功能的高 精度 激光泥位计,该泥位计包括挂架及泥位计枪机,该挂架上 水 平扭转并倾 角 调节 支撑 泥位计枪机;泥位计枪机包括壳体,以及布设在壳体内部的多普勒光学测距单元和气液烘干冲洗单元,其中壳体固设在挂架上,壳体内部的多普勒光学测距单元通过透镜调节激光焦点以识别管道内的泥水分界面,且多普勒光学测距单元的光输出端由气液烘干冲洗单元进行烘干冲洗。该泥位计通过调整激光焦距测量泥/水分界面 位置 ,即测量管道内流速为N的水与流速为0的泥面的交汇面位置,最后通过焦距调整量比例计算管道内泥位厚度,以避免现有泥位计无法测量流动状态液面下泥位厚度的问题。 | ||
权利要求 | 1.一种具有多点位监测功能的高精度激光泥位计,其特征在于:该泥位计包括挂架及泥位计枪机,其中挂架固设在检查井内部,该挂架上水平扭转并倾角调节支撑泥位计枪机; |
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说明书全文 | 一种具有多点位监测功能的高精度激光泥位计技术领域背景技术[0002] 排水管网系统作为城市发展中重要的基础设施建设工程,不仅发挥着收集和输送雨水、城市生活污水及工业废水的重要作用,同时也肩负着城市的水环境污染防治、排涝防洪等重要职责。排水管道系统中几乎所有的问题都与管道内的过流特性息息相关,即水体在排水管道中的输运过程。对于城市排水管道来说,由于历史因素、气候变化和设计成本的原因,不可能将管道设计为管径较大且淤积影响不显著的管道体系,因此在城市排水管道中出现淤积是近期乃至很长一段时间内存在的事实。管道淤积主要有两个原因,一是由雨水径流冲刷进入排水管道的固体颗粒沉积;二是污水管道中悬浮物质的沉降。淤积的存在会降低管道的容量进而减小管道输运能力,甚至可能造成管道的堵塞,管道淤积对管道运行和维护等各方面带来诸多问题,因此,对排水管道淤积情况的摸排与监测工作变得至关重要。 [0003] 泥位计,即用于泥位监测的监测设备,目前行业内多采用雷达泥位计或超声波泥位计,且一般用于污水处理厂的澄清池,设备安装点位环境干扰小,原理是先设定雷达或超声波泥位计距池底高度,再通过雷达或超声波探测污泥与水的界面高度,通过算法运算获得泥位高度。但此种设备并不适用于城市排水管道或渠道等复杂情况下的应用,且排水管道中流动的水体会对雷达或超声波泥位计产生干扰,难以获得准确的泥位数据,传统的测量原理与测量设备均难以适用市政排水管道的泥位监测,我国行业内对排水管网泥位的实时监测技术手段几乎处于空白阶段,尚缺少有效的监测技术措施。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处,提供一种具有多点位监测功能的高精度激光泥位计,该泥位计以多普勒光学流速分析仪为基础,通过调整激光焦距测量泥/水分界面位置,即测量管道内流速为N的水与流速为0的泥面的交汇面位置,最后通过焦距调整量,比例计算管道内泥位厚度,以避免现有泥位计无法测量流动状态液面下泥位厚度的问题;具体发明内容如下: [0006] 泥位计枪机包括壳体,以及布设在壳体内部的多普勒光学测距单元和气液烘干冲洗单元,其中壳体固设在挂架上,壳体内部的多普勒光学测距单元通过透镜调节激光焦点以识别管道内的泥水分界面,且多普勒光学测距单元的光输出端由气液烘干冲洗单元进行烘干冲洗。 [0007] 优选的,多普勒光学测距单元包括光筒,该光筒内部由光输入端向光输出端依次设置有激光发射接收装置、固定凸透镜、活动凸透镜及泥位计外置镜片,且光筒的内部设有调焦电机、调焦齿轮、调焦齿条杆、固定座及活动座; [0008] 调焦电机固设在光筒的光输入端内部,该调焦电机的动力输出端通过调焦齿轮啮合连接调焦齿条杆;调焦齿条杆轴向滑动贴合在光筒的弧面内壁上,该调焦齿条杆的中段滑动穿透固定座,且调焦齿条杆的端部固定连接活动座; [0009] 固定座上固接固定凸透镜;活动座上固接活动凸透镜。 [0010] 优选的,气液烘干冲洗单元包括水冲洗系统及空气烘干系统;水冲洗系统及空气烘干系统的介质输出端分别通过独立的连管向泥位计外置镜片喷淋气液; [0011] 水冲洗系统的介质输入端设有加压水泵,该加压水泵固设在壳体内部,且加压水泵上连通有穿透壳体的加水孔; [0012] 空气烘干系统吸取壳体内部的用电设备散热,并将热空气喷至泥位计外置镜片以进行烘干除雾,该空气烘干系统包括空气泵,该空气泵固设在泥位计枪机的壳体内部,且空气泵的进气端连通有环绕型抽气管,空气泵的排气端连通连管;环绕型抽气管的进气端布设在壳体内部的用电设备外周并抽取带有设备运行热量的空气。 [0013] 优选的,连管内设有加压组件,该加压组件包括内管、外管及弹簧活塞,其中内管一端连通加压水泵或空气泵,外管一端连通有喷头;内管的介质输出端轴向延伸至外管内部并径向开设有多个轴向间隔设置的管道通孔,该内管的内部轴向弹性顶撑连接有弹性封堵多个管道通孔的弹簧活塞。 [0014] 优选的,挂架包括井壁架及枪机架,其中井壁架的一端固设在检查井的内壁上,井壁架的另一端在水平面上旋转挂接枪机架,且枪机架的底部在竖直方向上仰角调节挂载泥位计枪机。 [0016] 优选的,枪机架包括连接盘、转盘、侧向挂杆及翻转挂板,其中连接盘螺栓固接井壁架的固定盘,连接盘的中部轴向穿透并周向旋转连接转盘;转盘的底面上对称固设有多根侧向挂杆,该侧向挂杆的底部旋转挂接翻转挂板。 [0017] 优选的,侧向挂杆的上部固设有水平转向电机,侧向挂杆的下部转动连接有仰角调整齿轮;连接盘的底面上同轴固设有固定齿,该固定齿中部的光轴段周向旋转并轴向限位挂接转盘,且固定齿底部的齿牙段与水平转向电机的动力输出端啮合连接;翻转挂板的两侧设有翻转云台,该翻转云台与仰角调整齿轮啮合连接。 [0018] 优选的,壳体内部还设有控制器、蓄电池及超声波传感器;控制器与超声波传感器、挂架、多普勒光学测距单元及气液烘干冲洗单元电连接;蓄电池为控制器、超声波传感器、挂架、多普勒光学测距单元及气液烘干冲洗单元供电。 [0019] 本发明的优点和技术效果是: [0020] (1)本发明的一种具有多点位监测功能的高精度激光泥位计,通过激光聚焦探测排水管道泥位高度,避免了流动的浑浊水体对设备造成的干扰,监测精度高; [0021] (2)本发明的一种具有多点位监测功能的高精度激光泥位计,可自动调整水平旋转角度与竖直倾角,可通过螺旋发射的激光聚焦点路径监测排水管道内不同高度多个点位的泥位高度,为管道维护部门提供更多的监测数据,从而为淤泥清除与管道疏通工作提供数据支撑; [0022] (3)本发明的一种具有多点位监测功能的高精度激光泥位计,具有镜头水、气双重清洗功能,通过有压水、有压气体的先后冲洗,保障镜头清洁,即使应用于排水管道等复杂环境条件下,依旧可避免激光传输受到污水的干扰; [0023] (4)本发明的一种具有多点位监测功能的高精度激光泥位计,可将控制器与蓄电池运行过程中产生的热量抽提,用于镜头的清洁与加热除雾,不仅可以降低泥位计内部的温度,还可以防止镜头产生水雾,实现了能源的二次利用、低碳环保; [0024] (5)本发明的一种具有多点位监测功能的高精度激光泥位计,还配置了超声波传感器,可测量管道内水流液位,有助于排水管道维护部门结合泥位情况,判断管道内的实际水流流量与液位,功能多样,实用性强。附图说明 [0025] 图1为本发明的泥位计工作状态示意图; [0026] 图2为本发明泥位计的立体结构示意图; [0027] 图3为本发明泥位计的连管结构示意图; [0028] 图4为本发明泥位计中多普勒光学测距单元的测距原理示意图(光路示意图); [0029] 图中:1‑管道;2‑激光焦点路径;3‑管内流体;4‑管道积泥;5‑枪机架;6‑井壁架;7‑泥位计枪机;8‑固定盘;9‑连接盘;10‑固定齿;11‑水平转向电机;12‑转盘;13‑侧向挂杆;14‑支撑杆;15‑固定板;16‑壳体;17‑环绕型抽气管;18‑空气泵;19‑翻转云台;20‑翻转挂板;21‑蓄电池;22‑仰角调整齿轮;23‑控制器;24‑加压水泵;25‑调焦电机;26‑调焦齿条杆; 27‑超声波传感器;28‑光筒;29‑泥位计外置镜片;30‑活动座;31‑活动凸透镜;32‑固定座; 33‑固定凸透镜;34‑激光发射接收装置;35‑喷头;36‑外管;37‑管道通孔;38‑弹簧活塞;39‑内管。 具体实施方式[0030] 为能进一步了解本发明的内容、特点及功效,兹例举以下实施例,并配合附图详细说明如下。需要说明的是,本实施例是描述性的,不是限定性的,不能由此限定本发明的保护范围。 [0031] 一种具有多点位监测功能的高精度激光泥位计,该泥位计包括挂架及泥位计枪机7,其中挂架固设在检查井内部,该挂架上水平扭转并倾角调节支撑泥位计枪机; [0032] 泥位计枪机包括壳体16,以及布设在壳体内部的多普勒光学测距单元和气液烘干冲洗单元,其中壳体固设在挂架上,壳体内部的多普勒光学测距单元通过透镜调节激光焦点以识别管道1内的泥水分界面,且多普勒光学测距单元的光输出端由气液烘干冲洗单元进行烘干冲洗。 [0033] 优选的,多普勒光学测距单元包括光筒28,该光筒内部由光输入端向光输出端依次设置有激光发射接收装置34、固定凸透镜33、活动凸透镜31及泥位计外置镜片29,且光筒的内部设有调焦电机25、调焦齿轮、调焦齿条杆26、固定座32及活动座30; [0034] 调焦电机固设在光筒的光输入端内部,该调焦电机的动力输出端通过调焦齿轮啮合连接调焦齿条杆;调焦齿条杆轴向滑动贴合在光筒的弧面内壁上,该调焦齿条杆的中段滑动穿透固定座,且调焦齿条杆的端部固定连接活动座; [0035] 固定座上固接固定凸透镜;活动座上固接活动凸透镜。 [0036] 优选的,气液烘干冲洗单元包括水冲洗系统及空气烘干系统;水冲洗系统及空气烘干系统的介质输出端分别通过独立的连管向泥位计外置镜片喷淋气液; [0037] 水冲洗系统的介质输入端设有加压水泵24,该加压水泵固设在壳体内部,且加压水泵上连通有穿透壳体的加水孔; [0038] 空气烘干系统吸取壳体内部的用电设备散热,并将热空气喷至泥位计外置镜片以进行烘干除雾,该空气烘干系统包括空气泵18,该空气泵固设在泥位计枪机的壳体内部,且空气泵的进气端连通有环绕型抽气管17,空气泵的排气端连通连管;环绕型抽气管的进气端布设在壳体内部的用电设备外周并抽取带有设备运行热量的空气。 [0039] 优选的,连管内设有加压组件,该加压组件包括内管39、外管36及弹簧活塞28,其中内管一端连通加压水泵或空气泵,外管一端连通有喷头35;内管的介质输出端轴向延伸至外管内部并径向开设有多个轴向间隔设置的管道通孔37,该内管的内部轴向弹性顶撑连接有弹性封堵多个管道通孔的弹簧活塞。 [0040] 优选的,挂架包括井壁架6及枪机架5,其中井壁架的一端固设在检查井的内壁上,井壁架的另一端在水平面上旋转挂接枪机架,且枪机架的底部在竖直方向上仰角调节挂载泥位计枪机。 [0041] 优选的,井壁架包括固定板15、支撑杆14及固定盘8,其中固定板通过膨胀螺栓固定在检查井的井壁上,固定板的一侧沿检查井内径向固设有多根支撑杆;支撑杆的末端以水平姿态固接固定盘。 [0042] 优选的,枪机架包括连接盘9、转盘12、侧向挂杆13及翻转挂板20,其中连接盘螺栓固接井壁架的固定盘,连接盘的中部轴向穿透并周向旋转连接转盘;转盘的底面上对称固设有多根侧向挂杆,该侧向挂杆的底部旋转挂接翻转挂板。 [0043] 优选的,侧向挂杆的上部固设有水平转向电机11,侧向挂杆的下部转动连接有仰角调整齿轮22;连接盘的底面上同轴固设有固定齿10,该固定齿中部的光轴段周向旋转并轴向限位挂接转盘,且固定齿底部的齿牙段与水平转向电机的动力输出端啮合连接;翻转挂板的两侧设有翻转云台19,该翻转云台与仰角调整齿轮啮合连接。 [0044] 优选的,壳体内部还设有控制器23、蓄电池21及超声波传感器27;控制器与超声波传感器、挂架、多普勒光学测距单元及气液烘干冲洗单元电连接;蓄电池为控制器、超声波传感器、挂架、多普勒光学测距单元及气液烘干冲洗单元供电。 [0045] 另外,本发明优选的,控制器以及多普勒光学测距单元中的激光发射接收装置均采用现有技术中的成熟产品; [0046] 其中控制器型号为SRC‑880; [0047] 其中激光发射接收装置为激光多普勒测速仪(LDA),具体型号为MSE‑V‑ONE,其对一维到三维流动速度和粒子浓度进行同步、无接触实时测量,可以对以超音速、几乎静止不动或环流湍流中作反向流动的特性流体进行流速测量。 [0048] 另外,本发明优选的,翻转挂板两侧的翻转云台采用现有技术中的成熟产品。 [0049] 另外,本发明优选的,超声波传感器,可用于排水管道内液位监测,利用液位监测数据与泥位监测数据的换算,即可获得管道内真实污水液位情况。 [0050] 为了更清楚地说明本发明的具体实施方式,下面提供一种实施例: [0051] 本泥位计的监测原理为利用激光的多普勒效应进行监测,当激光光束照到运动的物体上时,被运动物体散射的激光产生多普勒频移,通过监测光频差来确定流体的运动速度,当物体运动速度为0,即激光照射到淤泥或者管壁等不移动的物体时,激光产生的多普勒频移为0。激光发射接收装置、活动凸透镜与固定凸透镜等组件可将激光聚焦到排水管道内的预定焦点,该激光焦点路径2如图1中所示,光束焦点内的激光的一部分从排水管道内的物质反向散射,沿着与发射的光相同的路径返回,并且被聚焦回激光发射接收装置中。获取信号数据的点位可以通过激光束焦点的定位来控制,通过设定激光发射接收装置,使其仅接收来自激光焦点区域的激光多普勒信号。最后通过控制器可控制激光焦点在排水管道内的位置,从而实现多点位的泥位监测,如图1所示。 [0052] 本发明的实施过程为: [0053] 本发明实施在市政排水管网中,用于监测排水管网的泥位、液位等信息。 [0054] 首先,选择本泥位计在排水管网的安装位置,需先清理出一段待监测的点位,点位需是无淤泥、无污水的管段。管道清理完成后,如安装在排水管道顶部,先将固定螺栓插入排水管道顶部,再通过水平仪查看转盘是否水平安装。随后,通过加水孔将清洗水箱充满清洁水,调整泥位计固定底座使泥位计水平仪中的气泡处于中心位置,以上即完成泥位计初始位置的设置。通过电源通讯电缆远程遥控控制器,设定待监测的点位,通过转盘及翻转挂板调整泥位计的水平和竖直角度,通过活动凸透镜调整焦距点位,先监测清洁管道的本底位置信息,以区分无流速的淤泥,待所有监测点位对应的管道本底数据录入完成后,即完成管道初始信息录入;通过设置控制器,控制喷头对泥位计外置镜片的清洗频率,清洗方式为先进行清洗水有压喷射清洗,再进行有压气体喷射清洗;该泥位计可利用蓄电池或者电源通讯电缆提供能源动力。 [0055] 若泥位计需安装在检查井侧壁,则需先通过固定板膨胀螺栓将井壁固定板固定于检查井侧壁,随后的实施过程与前段一致。 [0056] 另外,本发明优选的,本发明的泥位计尤其适用于环境复杂的管道内部泥位监测,一方面排水管道内部日常湿度大,容易形成雾气;另一方面管道内部污水喷溅,导致在泥位计外置镜片上形成光遮挡或折射,降低监测精度。故本发明设计了气液烘干冲洗单元,其工作时先由水冲洗系统进行泥位计外置镜片的脉冲高压水冲洗,再由空气烘干系统吸取壳体内部的用电设备散热,并形成高温高压热气烘干泥位计外置镜片,以此解决因泥位计外置镜片上沾染污物而导致的测量失准的问题。 [0057] 本发明的监测方法为: [0058] 步骤一:标定,先以泥位计监测标准管道(该标准管道管径与待测实际管道相同,且管道内充水但无积泥),焦点路径沿管道内壁轴向延伸,以扫描不同轴向位置管壁与管内水的分界面,定义此面为标准的0积泥面。监测过程中激光焦点落在管壁与管内流体3交汇面的位置,并以此定位活动凸透镜的焦距调整量,以该调整量作为0厚度管道积泥4的初始标定值; [0059] 步骤二:单点位监测,以激光发射接收装置发射激光,依次经固定凸透镜、移动凸透镜及泥位计外置镜片发射聚焦激光,通过激光发射接收装置收集该聚焦激光的焦点反射回的光信号,以此判定该焦点位置的流体流速,当流体流速为N(N≠0)时,判定该激光焦点位于管内流体中部位置;而当流体流速为0时,判定该激光焦点位于管道积泥的泥面位置;通过判定管道流速由N转0的瞬态,定位活动凸透镜的焦距调整量,并与焦距标定值进行对比,以此推算出管道积泥的厚度; [0060] 步骤三:以图1中的激光焦点路径2,控制泥位计枪机水平扭转、竖直翻转并配合活动凸透镜的焦距调节,以轴向分布的螺旋状激光焦点路径监测整体管道内壁多点位的管道积泥、管道破损、管道内陷及管道锈蚀等的管道内壁侵限故障。 [0061] 通过该发明中泥位计的使用使市政排水管道中的泥位、液位等信息得到了准确、实时的监控,本泥位计维护方便,大幅度减少人工维护成本,泥位计采集的数据量充实可靠,为市政排水系统的规划建设与维护提供了一种切实可行的方式、方法。 [0062] 最后,本发明的未述之处均采用现有技术中的成熟产品及成熟技术手段。 |