一种排水管道水体速度的测量系统技术方案

本发明专利技术提供一种排水管道水体速度的测量系统，包括：高速处理器和低速处理器，以及受所述高速处理器控制的超声波传感器、可变增益放大器、模拟数字转换器、第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器、功率放大器。本发明专利技术能够稳定高效的测量管道流体的速度，稳定性强、精度高且功耗低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种排水管道水体速度的测量系统，具体的，涉及一种基于超声多普勒原理的排水管道水体速度的测量系统。
技术介绍
近些年，我国多个城市在每年雨季都会发生内涝事件，呈现了发生范围广、积水深度大、积水时间长的特点。内涝事件的发生，不仅给人民群众在雨天出行带来诸多不便，而且导致了个人和公共财产的巨大损失，甚至威胁了人民群众的生命安全，引起了社会各方面的广泛关注。然而，城市内涝事件的成因是多方面的，如极端天气现象频发、城市化后大量不透水地面的增加、排水设施规划设计标准偏低、城市受纳水体调蓄下泄能力不足、排水设施存在阻塞淤积现象等。要解决和应对城市内涝事件，一方面要靠工程措施，通过规划设计提高标准，完善城市排水防涝系统，并对城市地表的不透水地表进行控制，减少源头径流产生量，增加下游受纳水体的蓄排能力；另一方面要靠管理措施，建立排水监测与预警系统，为政府部门提供排水系统运行的动态监测数据，为大众出行提供精细化的及时预警预报信息，以便科学有效应对不同程度的城市内涝事件。目前在管道污水监测中的流量监测设备中，超声多普勒的测速方法应用非常广泛，但是软硬件算法方案的实现上，国产设备的稳定性、测量精度和功耗性能都不能满足在排水系统恶劣环境中长期监测的需求。而进口设备存在价格过高、安装维护流程复杂、设备零配件供货周期长、软硬件系统集成度不高等问题，严重影响了排水监测和预警系统的建设。主要表现如下：(1)软硬件方案不够成熟，高速和低速信号的处理没有分开，导致主机功耗高，电池更换周期较短，且需要每次维护过程打开井盖进行，费时费力；(2)前端模拟信号接收没有增益调节功能，由于复杂的测量环境变化导致模数转换器的过载或者动态范围不足，影响测试的稳定性；(3)算法上受到高能量基频及其频率杂散的干扰，影响速度信号多普勒频偏检测的精度和稳定性。因此，迫切需要开发一种集成度高的管道污水流速测量方法，在软硬件方案上都得到优化。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种稳定性强精度高功耗低的管道污水流速的测量系统。本专利技术采用的技术方案为：本专利技术的实施例提供一种排水管道水体速度的测量系统，包括：高速处理器和低速处理器，以及受所述高速处理器控制的超声波传感器、可变增益放大器、模拟数字转换器、第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器、功率放大器；其中，所述第一数字模拟转换器，与所述高速处理器连接，将所述高速处理器控制发送的超声波数字信号转换为模拟信号，通过超声波传感器向管道的液体发送超声波探测信号；所述第二数字模拟转换器，与所述可变增益放大器连接，所述高速处理器通过调节所述第二数字模拟转换器的输出电压来动态调节所述可变增益放大器的输入电压，进而动态调节所述超声波回传信号的增益；所述功率放大器，一端与所述第一数字模拟转换器连接，另一端与所述超声波传感器连接，用于将所述第一数字模拟转换器转换的模拟信号进行放大，并驱动所述超声波传感器发送所述超声波探测信号；所述可变增益放大器与所述超声波传感器和所述第二数字模拟转换器连接，用于动态增益调节所述超声波传感器接收的超声波回传信号，以将所述超声波回传信号调节至预定的数据区间内；所述模拟数字转换器一端与所述可变增益放大器连接，另一端与所述高速处理器连接，用于以高采样速率采集经所述可变增益放大器调节后的超声波回传信号，生成高速采样信号并发送给所述高速处理器；所述高速处理器与所述低速处理器连接，用于对所述高速采样信号执行高速处理，其中，在所述高速处理过程中，对所述高速采样信号先进行正交调制，即IQ调制后，再经过低通滤波处理以保留调制后的低频信号，并将具有低频率信号发送给所述低速处理器；所述低速处理器用于对所述低速采样信号执行低速处理，以确定管道流体的速度和管道流体的速度方向。本专利技术具有以下优点：(1)将高速采样信号和低速采样信号分别在不同的处理器中进行处理，从而确保了信号处理速度和减少了主机的损耗；(2)对采集的数据进行了动态调节，即对前端模拟信号接收进行了动态增益调节，避免了由于复杂的测量环境变化导致模数转换器的过载或者动态范围不足，确保了测试的稳定性；(3)采用正交IQ两个通道同时调制高速采样信号，有效消除了基频分量频谱的杂散对速度信号的干扰，将同时监测正负速度频谱的算法简化为为监测速度的绝对值。(4)采用产生发射波形的同源时钟来生成解调IQ信号，避免不同源时钟导致的频率偏差对速度多普勒频偏检测的干扰。附图说明为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1本专利技术的一实施例的排水管道水体速度的测量系统的结构示意图。图2是本专利技术的测量方法的流程图。图3是本专利技术的测量方法的详细流程框图。图4是本专利技术的一实施例中对采样数据调整过小的示意图。图5是本专利技术的一实施例中对采样数据调整过大的示意图。图6是本专利技术的一实施例中对采样数据进行合理调整后的示意图。图7是本专利技术的一实施例的混频后的信号频谱示意图。图8是本专利技术的一实施例的低通滤波后的信号频谱示意图。图9是本专利技术的一实施例的下采样后的信号频谱示意图。图10是本专利技术的一实施例的0频点(基频)分量置零后的信号频谱示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述。【排水管道水体速度的测量系统】图1是本专利技术的排水管道水体速度的测量系统的结构示意图。如图1所示，在本专利技术中，本专利技术提供的排水管道水体速度的测量系统，包括：高速处理器和低速处理器，以及受所述高速处理器控制的超声波传感器、可变增益放大器、模拟数字转换器、第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器和功率放大器。其中，所述第一数字模拟转换器与功率放大器连接，并通过超声波传感器向管道的液体发送超声波探测信号，超声波传感器与所述可变增益放大器连接，并接收从所述液体返回的超声波回传信号；所述可变增益放大器与所述超声波传感器和所述第二数字模拟转换器连接，用于动态增益调节所述超声波传感器接收的超声波回传信号，以将所述超声波回传信号调节至预定的数据区间内，例如将超声波回传信号调节至[-20000，20000]的预定的数据空间内；所述模拟数字转换器一端与所述可变增益放大器连接，另一端与所述高速处理器连接，用于以高采样速率采集经所述可变增益放大器调节后的超声波回传信号，生成高速采样信号并发送给所述高速处理器；所述高速处理器与所述低速处理器连接，用于对所述高速采样信号执行高速处理，其中，在所述高速处理过程中，对所述高速采样信号先进行正交调制，即IQ调制后，再经过低通滤波处理以保留调制后的低频信号，并将具有低频率信号发送给所述低速处理器；具体地，所述模拟数字转换器可以16M速率采集经动态调整后的超声波回传信号，采集的高速采样信号分别进入I通道和Q通道后，第一次4比1下变频后为4M信号，然后4M方波混频，经40KHz低通滤波将40KHz以上的高速信号过滤掉之后，再100比1下采样为40KHz信号；所述低速处理器用于对所述低速采样信号执行低速处理，以确定管道流体的速度和管道流体的速度方向；所述第一数字模拟转换器与所述高速处理器连接，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种排水管道水体速度的测量系统，其特征在于，包括：高速处理器和低速处理器，以及受所述高速处理器控制的超声波传感器、可变增益放大器、模拟数字转换器、第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器、功率放大器；其中，所述第一数字模拟转换器，与所述高速处理器连接，将所述高速处理器控制发送的超声波数字信号转换为模拟信号，通过超声波传感器向管道的液体发送超声波探测信号；所述第二数字模拟转换器，与所述可变增益放大器连接，所述高速处理器通过调节所述第二数字模拟转换器的输出电压来动态调节所述可变增益放大器的输入电压，进而动态调节所述超声波回传信号的增益；所述功率放大器，一端与所述第一数字模拟转换器连接，另一端与所述超声波传感器连接，用于将所述第一数字模拟转换器转换的模拟信号进行放大，并驱动所述超声波传感器发送所述超声波探测信号；所述可变增益放大器与所述超声波传感器和所述第二数字模拟转换器连接，用于动态增益调节所述超声波传感器接收的超声波回传信号，以将所述超声波回传信号调节至预定的数据区间内；所述模拟数字转换器一端与所述可变增益放大器连接，另一端与所述高速处理器连接，用于以高采样速率采集经所述可变增益放大器调节后的超声波回传信号，生成高速采样信号并发送给所述高速处理器；所述高速处理器与所述低速处理器连接，用于对所述高速采样信号执行高速处理，其中，在所述高速处理过程中，对所述高速采样信号先进行正交调制，即IQ调制后，再经过低通滤波处理以保留调制后的低频信号，并将具有低频率信号发送给所述低速处理器；所述低速处理器用于对所述低速采样信号执行低速处理，以确定管道流体的速度和管道流体的速度方向。...

【技术特征摘要】
1.一种排水管道水体速度的测量系统，其特征在于，包括：高速处理器和低速处理器，以及受所述高速处理器控制的超声波传感器、可变增益放大器、模拟数字转换器、第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器、功率放大器；其中，所述第一数字模拟转换器，与所述高速处理器连接，将所述高速处理器控制发送的超声波数字信号转换为模拟信号，通过超声波传感器向管道的液体发送超声波探测信号；所述第二数字模拟转换器，与所述可变增益放大器连接，所述高速处理器通过调节所述第二数字模拟转换器的输出电压来动态调节所述可变增益放大器的输入电压，进而动态调节所述超声波回传信号的增益；所述功率放大器，一端与所述第一数字模拟转换器连接，另一端与所述超声波传感器连接，用于将所述第一数字模拟转换器转换的模拟信号进行放大，并驱动所述超声波传感器发送所述超声波探测信号；所述可变增益放大器与所述超声波传感器和所述第二数字模拟转换器连接，用于动态增益调节所述超声波传感器接收的超声波回传信号，以将所述超声波回传信号调节至预定的数据区间内；所述模拟数字转换器一端与所述可变增益放大器连接，另一端与所述高速处理器连接，用于以高采样速率采集经所述可变增益放大器调节后的超声波回传信号，生成高速采样信号并发送给所述高速处理器；所述高速处理器与所述低速处理器连接，用于对所述高速采样信号执行高速处理，其中，在所述高速处理过程中，对所述高速采样信号先进行正交调制，即IQ调制后，再经过低通滤波处理以保留调制后的低频信号，并将具有低频率信号发送给所述低速处理器；所述低速处理器用于对所述低速采样信号执行低速处理，以确定管道流体的速度和管道流体的速度方向。2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述高速处理具体包括：复制两份所述高速采样信号，分别进入I通道和Q通道，依次通过第一次降频处理、混频处理、低通滤波处理和第二次降频处理。3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述模拟数...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：北京清环智慧水务科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11