用于测量位于导管中的自由表面流量和压力流量的非接触式传感器系统和方法与流程

1.本发明涉及用于测量位于导管内的流体流量的装置。更具体地，本发明涉及测量位于地下导管内的自由表面流量和压力流量。


背景技术：

2.一种废水系统包括以下三个部分：(1)收集系统；(2)废水处理厂；以及(3)流出物排放。废水系统的所有者通常向该系统的用户收取费用，以资助运营成本、维护成本和改良性资本支出。随着使用废水系统的人口增长以及工业和商业用水的增加，废水流量也增加，因此需要进行资本改良以扩建废水系统。
3.现代下水道系统在设计上不接收雨水(来自降雨或融雪的地表排水)—这些下水道系统专用于废水(由家庭废水、商业废水和工业废水组成)。这些专用下水道系统可能由于老化或不适当的施工而无意中接收来自管道接头或检修孔处渗透的雨水。此外，美国大约有12％的污水系统由合流制污水系统提供服务，这些合流制下水道系统用单个管道将废水和雨水载送到处理设施。
4.下水道系统用于将家庭废水、商业废水和工业废水传送到处理设施。当雨水进入下水道系统时，存在总流量可能超过下水道或处理设施的容量的风险。当这种情况发生时，溢流可能排到地表水体，诸如湖泊、河流、河口或沿海水域，并使自然水体受到污水的污染。
5.污水溢流包含污染物，这些污染物包含：病原体、需氧污染物、悬浮固体、营养物、有毒物质、以及可漂浮物。流量中污染物的存在可能会导致对地表水的物理特性造成各种不利影响、损害水生生境的生存能力、以及对饮用水供应构成潜在威胁。
6.epa将“潮湿天气流量(wet weather flow)”定义为污水和渗入的雨水的合流。epa要求废水运营商保持足够的容量以适应潮湿天气流量。因此，废水系统的运营商需要知道(1)流入工厂中的总水量和(2)流入截流管和收集管中的总水量，使得运营商能够预测和减轻溢流的风险。
7.了解系统中的流量的另一个益处是当多个实体共同分享废水处理设施和/或收集系统时，建立成本分担的基础。此外，长期实时废水流量监测对于规划处理厂和收集系统的扩建起着重要作用。
8.流量可在瞬时或连续的基础上进行测量。可通过使用一次流量装置获得瞬时流量测量结果。一次流量装置基于通过该装置的流量率产生可预测的水力响应。这类装置的示例包括将水深(水头)与流量联系起来的堰和水槽；将压差与流量联系起来的文丘里和孔板式仪表；以及将感应电压与流量联系起来的磁力计。如果根据既定的标准安装和建造，则这些标准的一次流量装置已被证明是准确的。连续流量测量系统通常由一次流量装置、流量传感器、变送器、流量记录器、以及累加器组成。
9.在现有技术中，巴歇尔槽(parshall flume)是最可靠的废水流量测量装置。巴歇尔槽是被开发用于测量自由表面流量的明渠流量计量装置。在物理学中，自由表面流量用
于描述流体在导管内部分充满地流动的情况，流动的流体表面同时受到零垂直法向应力和平行剪切应力的作用。自由表面流量被设置为固定的水力结构并且用于测量工业排放物、市政污水管道和废水处理厂的流入/流出物中的体积流量率。
10.巴歇尔槽通过收缩平行侧壁和降低位于水槽喉部处的底板来加速流动。在自由流动条件下，位于水槽喉部上游指定位置处的水深可以计算出流速。巴歇尔槽没有申请专利。排放表是可公开获得的信息。
11.如果流量超过水槽的流量容量，则就会发生浸没，并且必须根据由相应制造商提供的因素来调整流量率。如果发生超过制造商指定的限值的浸没，则必须在一级测量点和二级测量点两者处进行点位测量，并且必须对流量方程应用浸没校正。值得注意的是，巴歇尔槽的二级测量点(hb)位于喉部中。测量hb可能很困难，因为水槽喉部中的流量是紊乱的且易受水位波动的影响。90％的调整被认为是可对浸没流进行校正的实际上限。由于巴歇尔槽的几何变化，沉积物可能会积聚并且必须进行清理以获得准确的读数。
12.在现有技术中，巴歇尔槽被认为是最可靠的系统并且广泛用于美国的废水处理厂中。对于在线流量测量(诸如下水道收集系统)，将巴歇尔槽放置在地下室中。此放置方式很麻烦，因为需要频繁地检查和除去沉积物。
13.为了代替手动读取流深，可安装流量传感器来测量一次流量测量装置的水力响应并将这些响应传输到记录系统。通常，传感器包括超声波发射器、浮子、压力变换器、电容探针、差压电池、电磁电池等。传感器信号一般使用机械、电子机械或电子系统转换为直接记录在图表上或传输到数据系统中的流量单位。利用记录器的系统一般都配备有实时显示总流量的流量累加器。
14.许多流量测量装置是接触型连续流量测量系统，这些流量测量系统具有浸没在污水流中的传感器。由于在传感器上积聚的沉积物，这些传感器易于损坏和/或降低可靠性和准确性。因此，这些传感器需要频繁地清洁、维护，甚至维修和更换。
15.除了传统的巴歇尔槽之外，市场上还可获得一些非接触式流量计传感器。这些传感器在检修孔内操作并且包括速度激光传感器和深度传感器。这些传感器通过测量深度(面积)并且与所测量的速度相乘来得出流量率。使用深度-速度流量传感器具有以下一些缺点：
16.(1)由深度-速度流量传感器获得的速度可能不准确并且不等同于导管内污水流的平均速度，
17.(2)深度-速度流量传感器对流量涌增的检修孔不起作用，
18.(3)在维护期间，测量会被中断，
19.(4)维护费用昂贵，以及
20.(5)当传感器安装在开放的腔室和/或检修孔中时，透镜冷凝现象难以减轻。
21.最重要的是，所有现有的流量计都是测量自由表面流量，但不能测量压力流量。


技术实现要素：

22.本发明体现为一种用于测量位于地下流体导管中的自由表面流量或压力流量两者的在线计量站。本发明的部分优势包括：
23.(a)不需要物理接触位于导管中的流体；
24.(b)在层流条件和紊流条件两者下操作；
25.(c)提供连续流量测量；
26.(d)向中央控制室或移动装置提供远程数据传输以用于实时访问；
27.(e)检测管道沉积物；
28.(f)进行计算调整；以及
29.(g)提醒清洁维护。
30.此外，本发明的实施方案不会被下水道管道清洁中断，并且不受下水道流速、流深或弗鲁德数的限制。
31.该优选的系统包括安装在埋入的地下导管的顶部上的一对立管(或“管”)。用于测量传感器与在传感器下方流动的流体的表面之间的距离(“传感器-流体距离”)的测距传感器位于每个立管的顶部。传感器-流体距离可用于找到流深。以这种方式，传感器-流体距离可表明该导管处于自由表面流量状态(导管未充满)。或者，传感器-流体距离可表明该导管处于压力流量状态(导管充满)。知道同一时间点两个位置处的传感器-流体距离是很重要的，因为当与完工条件和本领域的摩擦损失方程相结合时，这两个数据点可用于确定自由表面流量和压力流量。
32.立管优选地被定向成垂直于地下导管的顶点。使测距传感器远离导管是很重要的，以防止在传感器的透镜上形成冷凝水。因此，每个立管优选地为至少有3英尺长。也可以使用可选的除湿机系统。优选的除湿机系统包括湿度传感器、除湿机、以及再循环管道，以防止在传感器的透镜上形成冷凝水。
33.优选地，两个立管位于两个检修孔之间。每个立管应位于靠近检修孔的地方，但保持一定距离，使得没有流量中断和/或没有来自由立管测量的导管区段中的检修孔的回水。通常情况下，此距离为至少100英尺。立管之间没有侧向流入、纵向管道坡度变化、水平方向变化、和/或管道尺寸/材料变化。两个立管应彼此分开，以计算两个立管之间的能量损失。通常情况下，两个立管应间隔导管坡度的倒数的10倍或间隔100英尺，以较长者为准。
34.测距传感器优选地容纳在每个立管顶部的仪表间中。该仪表间还可包括其他感应装置、记录装置、传输装置、以及其他辅助装备。优选地，该系统操作如下：
35.·
数据记录器记录位于两个立管中的每个立管处的传感器-流体距离测量结果，并带有时间戳。
36.·
发射器以无线方式或通过导线连接向可远程定位的数据处理器发送记录数据。
37.·
数据处理器使用从发射器接收的记录数据计算流体的实际流量率和流速。该计算是使用有据可查和经过测试的摩擦损失方程执行的。
38.通过这种方式，优选的系统可提供在不需要接触流的情况下测量导管内的流体流量的自动监测系统。
39.本发明的一个关键益处是在地下导管中长期连续提供流量测量，无论流量的表现如何，无论是自由表面和/或完全浸没。
40.另一个关键益处是，实际流量数据可供市政当局和卫生区(“利益相关者”)使用epa的暴雨洪水管理模型(swmm)来管理他们的下水道系统。从整个污水流域的关键污水管道收集的实际流量数据对于校准swmm和根据人口和发展类型建立全日潮流曲线至关重要。利用更好的建模，利益相关者可标识有缺陷的区域，并为污水管道和废水处理厂的扩建进
行规划。
附图说明
41.参考说明本发明的方法和系统的附图可清晰地理解上文汇总的本发明的关键特征。应当理解，这样的附图描绘了本发明的优选实施方案，因此，对于本发明能够设想的其他实施方案，这样的附图不应被视为对其范围进行限制。因此：
42.图1示出了本发明的具有连接到地下导管的两个立管的优选实施方案。
43.图2示出了具有容纳测距传感器的仪表间的单一立管的实施方案。
44.图3示出了切割穿过导管的顶点的孔并且安装鞍形法兰的实施方案。
45.图4示出了通过鞍形法兰用于接纳立管的开口。
46.图5示出了全管道立管鞍。
47.图6示出了部分管道鞍。
48.图7示出了利用法兰在立管上安装传感器的实施方案。
49.图8示出了测距传感器在立管中的放置的一个实施方案的侧截面视图以及立管直径的重要性。
50.图9示出了测距传感器在立管中的放置的一个实施方案的横截面视图以及立管直径的重要性。
51.图10示出了测距传感器在立管中的放置的另一个实施方案的侧截面视图以及立管直径的重要性，其中将传感器进一步移到立管下方会使导管顶部处的发射光束宽度保持较小。
52.图11示出了测距传感器在立管中的放置的另一个实施方案的横截面视图以及立管直径的重要性，其中将传感器进一步移到立管下方会使导管顶部处的发射光束宽度保持较小。
53.图12示出了容纳隔间的传感器的实施方案。
54.图13示出了容纳隔间的传感器的实施方案的侧截面视图。
55.图14示出了容纳隔间的传感器的横截面视图。
56.图15示出了在水力流量方程中使用的水力符号。
57.图16示出了明渠(自由表面)条件。
58.图17示出了压力流量(管道充满)条件。
59.图18示出了流动连续性条件。
60.图19示出了在位于第一立管和第二立管处的仪表间中的装置、计算机和利益相关者之间的优选的通信流程的实施方案。
61.图20示出了优选除湿机系统。
62.图21示出了污水流量(mgd)对时间(小时)的示例。
63.图22示出了斯内尔定律(snell's law)。
64.图23示出了对飞行路线应用斯内尔定律。
具体实施方式
65.图1中示出了优选系统10的实施方案。广义上，优选系统10包括第一立管20和第二
立管30。在底部(或“远端”)处，第一立管20和第二立管30各自连接到地下导管40。在每个立管20、30的顶部(或“近端”)处是仪表间(或“壳体”)50。
66.仪表间50优选地容纳传感器和处理器，以用于测量、验证、记录和计算每个立管20、30下面的地下导管40中的流深。如先前所述，测距传感器对本发明至关重要。简而言之，测距传感器测量到地下导管40中的液位(自由流量)或到立管20、30中的液位(压力流量)的距离。
67.优选的测距传感器60是光学测量装置，优选地是超准确的激光器或超声波接近测量仪。优选的测距传感器60从其发射传感器发射红外激光，该红外激光可从导管40中的液体表面反射，然后返回到传感器的接收透镜。然后通过比较返回时间(“飞行时间(time of flight)”)和光速常数来计算精确的距离。例如，以trusense商标出售的型号为s-300的光学测量装置已被发现适合此目的。本领域技术人员将认识到其他合适的测量装置。对两者之间的选择是基于必须测量的距离。
68.测距传感器60优选地由耐腐蚀和耐水(诸如ip67防护(在15cm至1米的深度防止进水，持续30分钟))的材料制成。
69.测距传感器60优选地记录光束从光束发射到流表面、从流中反射、以及随后由传感器接收的行进时间(或“飞行时间”)的时间戳。最感兴趣的是以下两个飞行时间。第一个飞行时间是测距传感器60与下面的流体表面之间的飞行时间。最后一个飞行时间是测距传感器60与导管40内的底部或导管40底部的沉积物顶部(以较高者为准)之间的飞行时间。
70.同样，最感兴趣的是以下两个距离。第一光学距离62是从测距传感器60到下面的流体表面的距离(参见图15中的h11)。第二光学距离66是从测量传感器60到流体底部的距离(参见图15中的h10)。如果导管40的底部没有沉积物，则第二光学距离66将等于完工距离66。如果导管40的底部上有沉积物，则第二光学距离66将小于完工距离66。
71.为了获得导管40内的流深64，用户将从完工距离66中减去第一光学距离62。为了获得沉积物的深度，用户将从完工距离66中减去第二光学距离66。沉积物的存在可能需要清洁下水道或调整流深。
72.用于确定流深和沉积物深度的优选步骤：
73.一、将立管的底端连接到地下导管。
74.二、使立管定向成使得该立管垂直于导管的顶点。
75.三、将测量传感器(例如trusense，型号s-300)连接到顶部。
76.四、针对用于wifi传输和通信的rs-232scii命令对传感器的接口软件进行编程，包括对第一次飞行时间和最后一次飞行时间的带时间戳的读数。
77.五、在下水道被清洁后的前72小时，收集连续的第一次和最后一次飞行时间读数。
78.六、对于特定时间戳，第一次飞行时间-最后一次飞行时间＝在水中行进的飞行时间。
79.七、在考虑到特定时间的疲劳反射角的情况下，vw在水中的行进速度＝水深/(在水中行进的时间/2)。
80.八、第一次飞行时间读数是到达流体表面下方并且返回的行进时间(2*(h11)，图15并且该第一次飞行时间读数可根据等式d＝v*t/2计算距离)。
81.九、最后一次飞行时间读数是到达导管内的底部(或导管中沉积物(如果存在的
话)的顶部)并且返回的飞行时间(2*h10)。
82.十、如果(最后一次飞行时间读数
–
第一次飞行时间读数)/(2*vw)小于(h10-h11)，则存在沉积物。沉积物厚度可近似为(h10-h11)-(最后一次飞行时间读数
–
第一次飞行时间读数)/(2*vw)。
83.污水具有固定和已知时期的季节性模式。然而，24小时的污水流量反映了日间比率和时间曲线的密切相似性。(图21)废水流量中存在周期性模式，其中夏季高峰用水与冬季低谷用水之间存在可区分的模式。
84.在清洁立管之间的下水道沉积物后进行的第一次飞行时间读数和最后一次飞行时间读数提供了没有沉积的基线条件。
85.对最后一次飞行时间读数的验证和比较是基于斯内尔定律(图22和图23，也称为斯内尔-笛卡儿定律和折射定律)，当提到穿过诸如水、玻璃或空气的两个不同的各向同性介质的边界的光或其他波时，该斯内尔定律是用于描述入射角与折射角之间关系的公式。因此，基于斯内尔定律的最后一次读数时间包括光束穿透水面，通过空气/水界面发生偏转，从底部反射，通过水/空气界面发生偏转并到达传感器接收器。
86.斯内尔定律指出，入射角和折射角的正弦之比等同于两种介质中的相速度之比，或者等同于折射率之比的倒数：
87.sinθ2/sinθ1＝v2/v1＝n1/n2
88.其中每个θ为从边界的法线测量的角度，v为相应介质中的光速(si单位为米/秒或m/s)，并且n为相应介质的折射率(无单位)。
89.沉积物大多比塑料导管底部更粘稠、更柔软、更不规则且更多孔。最有可能的沉积在底部的沉淀物吸收了大部分光束，几乎没有光束反射。然而，利用光束扩散器，反射会覆盖更大的底部区域，可能会产生足够的反射光束以用于最后一次读数。
90.如图19所示，必要时可收集小到10毫秒的传感器数据，带时间戳的数据可以无线的方式或经由物理连接传输到控制中心进行数据处理，以生成实时流量和流速。数据和所得的计算结果可传输到诸如现场的智能电话的移动装置。以这种方式，利益相关者98可实时接收此实际流量数据，以管理其下水道系统。
91.图3示出了将立管附接到导管的优选方式。如所示出的，标记暴露的导管40的顶点100，并参考相邻检修孔的涵洞管内底标高记录顶点标高。优选地，由经认证的测量师执行这些测量。接下来，选择与立管座尺寸108匹配的岩芯钻头尺寸104。安装岩心钻架，使岩心钻在顶点100处居中。对涵洞进行钻芯并取出涵洞的切出片。测量涵洞切出片的厚度，以确定导管40的厚度。
92.接下来，安装市售的或定制的连接鞍112。这可以是全管道立管鞍(参见图5)或部分管道鞍(图6)。优选的是将鞍附粘到涵洞孔110的硫化氢防腐粘合剂(或其他合适的防水粘合剂)，以将鞍牢牢固定到导管。本领域技术人员将认识到在导管中钻孔并且连接立管的其他方式。
93.图7示出了测距传感器60的优选安装组件。将测距传感器60安装到立管顶部的优选方式是用密封的法兰，使得不会有臭味释放到空气中。
94.返回参考图1，立管20、30被定向成垂直于导管40的顶点，优选地，在与垂直方向+/-3度以内。立管竖直安装在导管40上，使得测距传感器60的光束80(参见图15)与导管40
的坡度垂直。该设置应优化从导管40内的流体流向传感器60接收器的光束反射，以实现对距离的准确测量。
95.立管20、30的直径应被尺寸设定为使得(1)测距传感器的出射激光/超声波光束80不接触立管的内壁(参见图8)以及(2)第一反射光束(与光束80方向相反)可直接行进回到传感器的接收器，以确定测距传感器透镜与流体表面62之间的正确距离(图15)。
96.优选地，每个立管20、30为至少3英尺长。对可能的立管长度没有限制。下水道管道通常埋在地表下面4英尺到30英尺。然而，本发明可用于测量其他重力/压力流量，诸如灌溉水、雨水以及埋入深度从勉强覆盖到600英尺深的原水，诸如从数百英里外运输湖水的纽约市的输水管道。
97.立管20、30的有用长度取决于安装在管中的传感器的准确度。一些传感器可在最大12英寸的距离处以0.01mm的准确度进行测量，而一些传感器可在最大600英尺的距离处以+/-0.4英寸的准确度进行测量。可用管的直径取决于传感器的辐射度。如图8至图11所示，来自测距传感器60的光束宽度随着光束远离光束来源(发射器)而扩大。管的直径必须足够大，这样光束才不会接触管壁。例如，比较图8至图9与图10至图11。该设计应按照传感器制造商的规格相应地设置传感器的标高和立管的直径。
98.可选地，测距传感器60可具有漫射透镜。漫射透镜提供了更广泛的接触区域82，该更广泛的接触区域为第二次返回时间测量和第三次返回时间测量提供更好的地表扰动覆盖。然而，如图8所示，漫射透镜通常会增加光束宽度82。因此，对于可使用漫射透镜的情况，可能需要调整立管直径，以适应相应更宽的光束宽度82。可替代地，如图10至图11所示，测距传感器60可位于地面下方并且更靠近导管，以将光束官渡保持在立管20、30的内径内。
99.使测量传感器60远离导管40是很重要的，以防止在测距传感器60的透镜上形成冷凝水。可选地，可使用除湿系统。如图20所示，优选的除湿系统连接到立管20、30、在测距传感器60附近。优选地，除湿机系统包括两个湿度传感器120、124、除湿机128、以及再循环管道132，以防止在测距传感器的镜片附近形成冷凝水。第一湿度传感器120应放置在距离传感器附近。第二湿度传感器124应放置在再循环管道132的吸气端处。再循环管道132应被放置成吸气端远离传感器并且排气端紧靠测距传感器下方，其中废水滴经由滴水口136被引向仪表间50外的穿孔管140。如图所示，也可使用碳过滤器142和鹅卵石144。
100.仪表间
101.如图12至图14所示，仪表间50优选地是满足监管部门对直接hs-20交通负荷路面安装的要求的水密性公用设施库。除了测距传感器60外，仪表间50优选地还容纳现场处理器90、存储器92、数据库94(参见图19)，以用于使用流深测量的时间戳、已知的管内底标高、坡度、传感器之间的距离、以及导管材料来计算流量。可替代地，仪表间可容纳发射器，将数据传输到远程处理器和数据库。优选的是，通过无线网络96来传输信息，但也可以采用硬线传输。可选地，仪表间50可容纳其他辅助装备。
102.优选地，立管20、30位于两个检修孔22、32之间。每个立管应位于靠近检修孔的地方，但保持一定距离，使得没有流量中断和/或没有来自由立管测量的导管区段中的检修孔的回水。重要的是，在两个立管之间没有侧向流入，没有纵向管道坡度变化，也没有管道尺寸/材料变化。这两个立管20、30应彼此分开，以计算两个立管之间的能量损失。通常情况下，两个立管应间隔至少100英尺或间隔导管坡度的倒数的0.1倍，以较长者为准。优选的
是，两个立管间隔不超过1000英尺。
103.立管20、30之间的距离42(参见图1)可以通过地面测量和/或完工图准确得出。立管20、30与相邻检修孔22、32之间的距离44(也参见图1)必须设置得足够大，使得没有来自检修孔的涡流和/或漩涡可传播到立管。优选地，此距离44为至少5英尺。立管之间不应出现侧向管道变化和/或导管尺寸的变化。这是为了确保纵向摩擦损失是两个立管之间唯一的能量损失形式。
104.在这些条件下，流体在两个立管之间的唯一能量损失来自于摩擦损失。因此，计算摩擦可得出两个立管之间的能量损失。这可以通过使用能量方程和连续方程来完成。摩擦可以用来计算流量。
105.作为示例，对于以全容量运行(压力流量)的管道，可使用基于穆迪图中紊流和层流的达西摩擦因子的雷诺数或海曾-威廉(hazen-williams)经验c值来计算摩擦损失。
106.同样，对于未以全容量运行(自由表面)的管道，可使用柯尔布鲁克公式、用于紊流和层流的基于雷诺的另一个摩擦因子，或用于自由表面均匀流的曼宁n值来计算摩擦损失。
107.对流量测量系统的示例性水力分析
108.注释：图15至图18是描绘了下面记载的详细流量率和流速得出的分析图。
109.使用图15所示的尺寸，在第一立管20处，传感器到导管内底的距离(h10)66可通过对从测距传感器60到导管顶点(h1a)68的距离、导管厚度(t)和导管直径(d)求和得出，如以下等式所示：
110.h10＝h1a+t+d
ꢀꢀ
(等式1)
111.第一立管20处的流深(y1)64可通过从传感器到导管内底的距离(h10)66中减去传感器到水的距离(h11)62来计算，如所示出的y1＝h10-h11
ꢀꢀ
(等式2)
112.类似地，在第二立管30处，
113.h20＝h2a+t+d
ꢀꢀ
(等式3)
114.y2＝h20
–
h21
ꢀꢀ
(等式4)
115.通过由经认证的测量师参考相邻检修孔的涵洞管内底标高记录顶点标高(100)(参见图16)，从图3中得出基准
116.z1＝1号立管处的顶点标高(100)-t-d
117.z2＝2号立管处的顶点标高(100)-t-d
118.得出流量率：
119.流量是基于两个立管(20，30)处的能量方程得出的，这两个立管将由在导管中从第一立管20行进到第二立管30的流摩擦损失来平衡。
120.自由表面流量的摩擦损失(图16)可通过使用曼宁n值、自由表面流的穆迪型图或基于雷诺数的摩擦因子方程(诸如斯瓦米-杰恩方程(swamee-jain equation))来确定。
121.全管道流的摩擦损失(图17)可由诸如涵盖紊流和层流摩擦因子的穆迪图、海曾-威廉c值和其他建立的经验摩擦因子的摩擦因子得出。
122.速度由连续方程q＝v*a得出。
123.计算伯努利方程(computational bernoulli equation)可用于稳定流或非稳定流。例如，第一立管20与第二立管30之间的距离小于600英尺，并且大多数下水道的设计速度在2.75fps与4fps之间，对应的流行进时间小于3.5分钟。应用稳定流方程和非稳定流方
程得出的流量率在记录的时间戳上可能会有细微的差异。然而，在绘制整个24小时的水文图和/或总流量时，该差异不显著。下面展示了通过使用稳定流方程得出流量率，当时间戳间隔小到10毫秒时，这些稳定流方程需要更少的处理时间。尽管如此，如果非稳定流方程为用户提供更好的舒适度，则本发明也可使用非稳定流方程。
124.在y1《d且y2《d的情况下的自由表面流量(明渠)，图16
125.a.利用曼宁n值摩擦的伯努利方程(稳定层流)
126.(等式5)
127.e1＝e2
–
hl
128.e1＝立管30处的能量
129.e2＝立管20处的能量
130.hl＝从立管20到立管30的水头损失
131.(等式6)
132.e1＝基准z1+水力深度(立管30处的y1)+水头速度(立管30处的v1 2
/2g)
133.e2＝基准z2+水力深度(立管20处的y2)+水头速度(立管20处的v1 2
/2g)
134.hl＝长度(从立管20到立管30)*摩擦坡度
135.摩擦坡度可用曼宁n值方程表示。
136.流长度的摩擦坡度是立管20和立管30处的摩擦坡度的平均值。
[0137][0138]
(等式7)将等式6简化为等式左侧的未知数，以进行等式求解。
[0139][0140]
(等式8)通过引入可变水力参数(a1、rh1和rh2)的特定k数来简化等式7，以对等式求解
[0141]
(q/a1)2/(2*g)k1 q2(q/a2)2/(2*g)k2 q2((q/a1)/(1.49/n*rh1
2/3
))2k3 q2((q/a2)/(1.49/n*rh2
2/3
))2k4 q2z2+y2-z1-y1k5
[0142][0143]
[0144][0145]
对以下求解：
[0146][0147][0148][0149]
b.用于立管之间的摩擦损失的达西-魏斯巴赫(darcy
–
weisbach)摩擦因子
[0150]
自由表面存在一种科尔布鲁克-怀特方程的形式。这样的条件可存在于流体部分充满地流动的管道中。对于自由表面流量：其估计自由表面流量中的f，该参数在所有流态(层流、过渡流和紊流)下都是有效的，具体如下：
[0151]
(等式9)
[0152][0153]
其中a为：
[0154][0155]
并且b为：
[0156][0157]
其中reh为雷诺数，其中h为特征水力长度(1d流的水力半径或2d流的水深)，并且rh为水力半径(1d流)或水深(2d流)。兰伯特w函数可如下面所示进行计算。
[0158]
(等式10)等式9中的兰伯特w函数可计算如下：
[0159][0160]
c.斯瓦米和杰恩开发了达西摩擦因子的以下简化方程
[0161]
(等式11)
[0162]
[0163]
其中
[0164]
f 达西摩擦因子
[0165]
e 管道粗糙度
[0166]
d 管道内径
[0167]
re 雷诺数
[0168]
在y1》d且y2》d的情况下的压力流量(管道充满)(图17)
[0169]
a.利用穆迪图以获得立管之间的摩擦损失的达西-魏斯巴赫方程
[0170]
立管1与立管2之间的总损失(dh)为立管2处的总能量(e2)减去立管1处的总能量(e1)，如以下等式所示：
[0171]
dh＝e2-e1
[0172][0173]
摩擦坡度是整个长度的水头损失，如下面的等式所示
[0174][0175]
利用穆迪图以获得摩擦损失的达西-魏斯巴赫方程，如下所示
[0176]
(等式12)
[0177][0178]
(等式13)
[0179][0180]
将等式(11)和(12)组合起来
[0181]
(等式14)
[0182][0183]
在管道材料已知的情况下，绝对粗糙度可从制造商公布的材料绝对粗糙度表中找到。
[0184]
相对粗糙度(k/d)＝(绝对粗糙度/1000/(管道直径*0.3048))
[0185]
从物理性质表中找到用于导管液体比密度和温度的v(运动粘度)
[0186]
假设摩擦系数为f，并且通过等式14求解流量率q
[0187]
从如下所示的方程中找到对应的雷诺数
[0188]
red＝vd/v
[0189]
利用雷诺数从穆迪图中找到对应的摩擦因子f。(图10)
[0190]
重复等式c和d，直到f收敛。
[0191]
流量率(q)＝v(速度)*管道面积
[0192]
流速＝q/a
[0193]
b.利用海曾-威廉c值摩擦的伯努利方程(稳定层流)
[0194]
(等式15)
[0195][0196]
hf＝从2号立管至1号立管的水的摩擦水头损失，以英尺为单位
[0197]
c＝海曾-威廉粗糙度常数
[0198]
q＝体积流量(加仑/分钟)
[0199]
dh＝水力内径(英寸)。
[0200]
实施例1—明渠流量
[0201]
[0202]
明渠-y《管道直径
[0203][0204][0205][0206]
[0207]
求解q
[0208]
z1+y1+(q/a1)2/(2*g)＝z2+y2+(q/a2)2/(2*g)-l*(((q/a1)/(1.49/n*rh1
2/3
))^2+((q/a2)/(1.49/n*rh2
2/3
))^2))/2
[0209]
(q/a1)2/(2*g)-(q/a2)2/(2*g)+l*(((q/a1)/(1.49/n*rh12/3))^2+((q/a2)/(1.49/n*rh22/3))^2))/2＝z2+y
2-z1-y1
[0210]
k1*q^2-k2*q2+l*(k3*q^2+k4*q^2)/2＝k5
[0211]
q^2*(k1-k2+l*(k3+k4)/2)＝k5
[0212]
q^2＝k5/((k1-k2+l*(k3+k4)/2))
[0213]
q＝sqrt(k5/((k1-k2+l*(k3+k4)/2)))
[0214]
求解q方程分解
[0215]
(q/a1)2/(2*g)0.000847351k1 q^2(q/a2)2/(2*g)0.001484212k2 q^2((q/a1)/(1.49/n*rh12/3))^27.09069e-05k3 q^2((q/a2)/(1.49/n*rh22/3))^28.49553e-05k4 q^2z2+y2-z1-y14.65k5q(cfs)11.0144937 q(gpm)4943.66 q(mgd)7.12
ꢀꢀꢀꢀ
v12.57 v23.41 [0216]
实施例2—压力流量
[0217]
[0218][0219]
通过海曾-威廉公式
[0220]
hf＝0.002083x l x(100/c)^1.85x(gpm^1.85/d^4.8655)
[0221]
gpm^1.85＝hf*d^4.8655/(0.002083*l*(100/c)^1.85)1.85＝185/100
[0222][0223]
通过达西-魏斯巴赫
[0224]
s＝dh/l
[0225]
s＝fd*8*q^2/(pi()^2*32.2*管道直径^5)
[0226]
dh/l＝fd*8*q^2/(pi()^2*32.2*管道直径^5)
[0227][0228]
虽然上文已经描述了各个实施方案，但应当理解，这些实施方案仅通过举例而不是限制的方式来呈现。因此，优选实施方案的广度和范围不应受限于任何上述示例性实施方案，而是应当仅根据以下权利要求及其等效物来限定。

技术特征：
1.一种用于测量位于地下导管中的自由表面流量或压力流量的在线计量站，其中，所述在线计量站包括：第一管，所述第一管包括远端和近端，所述第一管的所述远端连接到所述地下导管，所述第一管被定向成垂直于所述地下导管的第一顶点，第二管，所述第二管包括远端和近端，所述第二管的所述远端连接到所述地下导管，所述第二管被定向成垂直于所述地下导管的第二顶点，所述第一管和所述第二管各自具有至少三英尺的长度，第一光学测量装置，所述第一光学测量装置连接到所述第一管的所述近端，所述第一光学测量装置被构造成测量通过所述第一管到达第一液位的第一距离，第二光学测量装置，所述第二光学测量装置连接到所述第二管的所述近端，所述第二光学测量装置被构造成测量通过所述第二管到达第二液位的第二距离，以及所述第一管和所述第二管分开第三距离，所述第三距离为至少100英尺或所述地下导管的坡度倒数的10倍，以较长者为准，其中，所述第一距离、所述第二距离、以及所述第三距离能够与一组完工条件一起使用，以计算在所述地下导管中流动的流体的所述自由表面流量或所述压力流量。2.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述在线计量站还包括仪表间，所述仪表间容纳连接到所述第一光学测量装置和所述第二光学测量装置的通信装置。3.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述在线计量站还包括连接到所述第一管或所述第二管的所述近端的除湿机系统。4.根据权利要求3所述的在线计量站，其中，所述除湿机系统还包括湿度传感器和再循环管道。5.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述第一液位位于所述地下导管内。6.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述第一液位位于所述第一管内。7.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述第一光学测量装置还被构造成测量位于所述地下导管中的所述第一光学测量装置与沉积物水平之间的距离。8.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述第一光学测量装置包括发射的光束，所述发射的光束包括所述地下导管顶部处的宽度，所述宽度小于所述第一管的内径。9.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述在线计量站还包括检修孔，所述检修孔被定位成距离所述第一管第四距离，所述第四距离是距离所述检修孔的所述地下导管的所述直径的至少五倍。10.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述地下导管包括位于所述第一管与所述第二管之间的均匀内径。11.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述地下导管在所述第一管与所述第二管之间没有连接。12.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述地下导管在所述第一管与所述第二管之间没有坡度变化。13.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述地下导管还包括位于所述第一管与所述第二管之间的均匀内表面粗糙度。14.根据权利要求1所述的在线计量站，其中，所述地下导管包括位于所述第一管与所
述第二管之间的直通内径。15.一种测量位于地下导管中的自由表面流量或压力流量的方法，其中，所述方法包括，可选地，测量通过第一管到达第一液位的第一距离，所述第一管包括远端和近端，所述第一管的所述远端连接到所述地下导管，所述第一管被定向成垂直于所述地下导管的第一顶点，可选地，测量通过第二管到达第二液位的第二距离，所述第二管包括远端和近端，所述第二管的所述远端连接到所述地下导管，所述第二管被定向成垂直于所述地下导管的第二顶点，所述第一管和所述第二管各自具有至少三英尺的长度，获得完工条件，所述完工条件包括所述地下导管的坡度、所述地下导管的横截面面积、位于所述两个管之间的使得所述地下导管的坡度为至少100英尺的距离或所述距离为所述地下导管的所述坡度倒数的0.1倍、以及所述导管内的表面材料，计算在所述地下导管中流动的液体的所述自由表面流量或所述压力流量。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法还包括向利益相关者报告所述自由表面流量或所述压力流量。17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法还包括计算位于所述地下导管中的沉积物的深度。

技术总结
本发明体现为一种系统，该系统采用用于进行以下项的在线计量站：在不需要物理接触位于地下导管中的流体的情况下测量位于所述导管中的压力流量和自由表面流量两者；在层流条件和紊流条件下操作；提供连续流量测量；向中央控制室或移动装置提供远程数据传输以用于实时访问；检测管道沉积物；进行计算调整；以及提醒清洁维护。此外，本发明的实施方案不会被下水道管道清洁中断，并且不受下水道流速、流深或弗鲁德数的限制。该优选的系统包括安装在埋入的地下导管的顶部上的一对立管(或“管”)。用于测量传感器与在传感器下方流动的流体的表面之间的距离(“传感器-流体距离”)的传感器位于每个立管的顶部。使用完工条件，该传感器-流体距离可用于找到通过地下导管的实时流深和流速。流速。流速。


技术研发人员：萧时英 萧嘉桓
受保护的技术使用者：萧嘉桓
技术研发日：2021.02.17
技术公布日：2023/9/9