流速测量装置及系统的制作方法

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种流速测量装置及系统。

背景技术：

目前在城市管网与自然水系中流体流速/流量的测量常用方法有：转子式流速仪或电磁式流速仪。转子式流速仪能适应大多数河流的流速流量测验任务，但由于其测流部件为机械结构，在实际使用中还存在一定局限性。电磁流速仪主要应用在小河流或人工渠道的流速流量测量上。

上述流速计均有一个共同点是：必须固定安装才能使用。而在深井管网的环境下，采用以上流速仪会面临以下问题：1)现场环境限制人工无法到达指定地方安装；2)地下管网存在各种垃圾，对于固定安装的设备，时间久了就会有垃圾挂在设备上对探头测量产生干扰，导致产品无法测量；3)常用流体流速/流量的测量产品均固定安装，故一旦损坏或被异物堵塞则必须人工清污维护，导致维护成本远高于产品安装成本。

因此如何实现在深井管网的环境下，以较低成本完成流体流速/流量的测量，是亟待解决的技术问题。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种流速测量装置及系统，旨在解决现有技术中流速/流量测量产品无法在深井管网的环境下使用的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种流速测量装置，所述流速测量装置包括超声波测量模块、姿态测量模块和计算模块，所述计算模块分别与所述超声波测量模块和所述姿态测量模块连接，其中：

所述超声波测量模块，用于发射和接收超声波，并获取发射的超声波与接收的超声波之间的多普勒频移量；

所述姿态测量模块，用于测量所述流速测量装置在待测流体中的倾斜角度；

所述计算模块，用于根据所述多普勒频移量和所述倾斜角度计算所述待测流体的流速。

优选的，所述计算模块，还用于根据所述倾斜角度获取超声波发射方向与流体流速方向的夹角；

所述计算模块，还用于根据根据所述多普勒频移量和所述超声波发射方向与流体流速方向的夹角，通过以下公式计算所述待测流体的流速v：

其中，fd为多普勒频移量，c为声速，fs为发射超声波频率，θ为超声波发射方向与流体流速方向的夹角。

优选的，所述计算模块，还用于获取所述待测流体的过流面积，并根据所述过流面积以及所述待测流体的流速，通过以下公式计算所述待测流体的瞬时流量q：

q＝v×s

其中，v为待测流体的流速，s为过流面积。

优选的，所述姿态测量模块为mpu9250九轴姿态模块。

优选的，所述超声波测量模块包括频率产生电路、超声波发射电路、超声波接收电路、混频电路和控制电路；

所述超声波发射电路与所述频率产生电路连接，所述混频电路分别与所述频率产生电路和所述超声波接收电路连接，所述控制电路与所述混频电路连接，其中：

所述超声波发射电路接收所述频率产生电路产生的第一超声波信号，并将所述第一超声波信号进行发射；

所述超声波接收电路根据接收的第二超声波信号产生第三超声波信号，并将所述第三超声波信号传输至所述混频电路；

所述混频电路对接收的所述第一超声波信号和所述第三超声波信号进行混频，获得混频信号；

所述控制电路根据所述混频信号获得多普勒频移量。

优选的，所述超声波发射电路包括超声波驱动电路和超声波发射模块，所述超声波驱动电路分别与所述超声波发射模块和所述频率产生电路连接；

所述超声波驱动电路接收所述频率产生电路产生的所述第一超声波信号，并驱动所述超声波发射模块发射所述第一超声波信号。

优选的，所述超声波接收电路包括可变增益放大电路、低噪声放大电路和超声波接收模块，所述低噪声放大电路分别与所述可变增益放大电路和所述超声波接收模块连接，所述可变增益放大电路与所述混频电路连接；

所述超声波接收模块接收第二超声波信号，并将所述第二超声波信号传输至所述低噪声放大电路；

所述低噪声放大电路对所述第二超声波信号进行放大，获得第一放大信号，并将所述第一放大信号传输至所述可变增益放大电路；

所述可变增益放大电路对所述第一放大信号进行放大，获得第三超声波信号，并将所述第三超声波信号传输至所述混频电路。

优选的，所述控制电路包括抗叠混滤波器、模/数转换器和数字信号处理器，所述模/数转换器分别与所述抗叠混滤波器和所述数字信号处理器连接，所述抗叠混滤波器与所述混频电路连接；

所述抗叠混滤波器对所述混频信号进行滤波，获得第一滤波信号，并将所述第一滤波信号传输至所述模/数转换器；

所述模/数转换器对所述第一滤波信号进行模数转换，获得第一数字信息，并将所述第一数字信号传输至所述数字信号处理器；

所述数字信号处理器根据所述第一数字信号获得多普勒频移量。

优选的，所述流速测量装置还包括供电模块，所述供电模块为所述流速测量装置提供工作时所需的电能。

为实现上述目的，本发明还提出一种流速测量系统，所述流速测量系统包括如上述的流速测量装置。

本发明通过设置超声波测量模块、姿态测量模块和计算模块组成流速测量装置，所述计算模块分别与超声波测量模块和所述姿态测量模块连接；所述超声波测量模块，用于发射和接收超声波，并获取发射的超声波与接收的超声波之间的多普勒频移量；所述姿态测量模块，用于测量所述流速测量装置在待测流体中的倾斜角度；所述计算模块，用于根据所述多普勒频移量和所述倾斜角度计算所述待测流体的流速。本发明不需要固定安装，只需要浸没或在所测城市管网与自然水系中流体即可精确测量流速/流量，还可自动适应流速方向。同时，维护方便，产品可活动，避免了水体异物在产品上堆积，可大大降低产品维护周期和维护工作量。且适用范围广，可适用于城市地下管网、自然水系、渠道等环境中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明流速测量装置的结构示意图；

图2为本发明超声波测量模块的电路模块示意图；

图3为流体中固体颗粒反射超声波示意图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1，图1为本发明流速测量装置的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，流速测量装置包括超声波测量模块100、姿态测量模块200和计算模块300，所述计算模块300分别与超声波测量模块100和所述姿态测量模块200连接，其中：

所述超声波测量模块100，用于发射和接收超声波，并获取发射的超声波与接收的超声波之间的多普勒频移量。

需要说明的是，所述超声波测量模块100、所述姿态测量模块200和所述计算模块300可以集成在所述流速测量装置内部，并通过电连接的方式进行连接。例如，所述流速测量装置可以为细长形外壳或椭圆形外壳，在流速测量装置最前端安装所述超声波测量模块100，在中部安装所述姿态测量模块200，在另一端安装所述计算模块300。并且在远离所述超声波测量模块100的一端设置有牵引部，用于将所述流速测量装置放置至待测流体中。

需要说明的是，本发明基于多普勒效应，检测发射超声波和接收超声波之间的多普勒频率差以进行流速测量。利用与声源有相对运动的随流体以同速度运动的固体颗粒对超声波进行反射，使所述超声波测量模块100发射的超声波与接收的超声波之间产生频率差，由于所述频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流体流速。

参照图2，图2为本发明超声波测量模块100的电路模块示意图。

在本实施例中，所述超声波测量模块100包括频率产生电路1100、超声波发射电路1200、超声波接收电路1300、混频电路1400和控制电路1500；所述超声波发射电路1200与所述频率产生电路1100连接，所述混频电路1400分别与所述频率产生电路1100和所述超声波接收电路1300连接，所述控制电路1500与所述混频电路1400连接，其中：

所述超声波发射电路1200接收所述频率产生电路1100产生的第一超声波信号，并将所述第一超声波信号进行发射；所述超声波接收电路1300根据接收的第二超声波信号产生第三超声波信号，并将所述第三超声波信号传输至所述混频电路1400；所述混频电路1400对接收的所述第一超声波信号和所述第三超声波信号进行混频，获得混频信号；所述控制电路1500根据所述混频信号获得多普勒频移量。

需要说明的是，所述混频电路1400对所述第一超声波信号和所述第三超声波信号进行混频，将所述第一超声波信号和所述第三超声波信号之差作为获得的混频信号。

在本实施例中，所述超声波发射电路1200包括超声波驱动电路1201和超声波发射模块1202，所述超声波驱动电路1201分别与所述超声波发射模块1202和所述频率产生电路1100连接；所述超声波驱动电路1201接收所述频率产生电路1100产生的所述第一超声波信号，并驱动所述超声波发射模块1202发射所述第一超声波信号。

需要说明的是，所述第一超声波信号即为所述测量装置发射的超声波。所述超声波发射模块1202可为超声波发射探头，超声波驱动电路1201为所述超声波发射探头的驱动电路，以驱动超声波发射探头工作。

在本实施例中，所述超声波接收电路1300包括可变增益放大电路1301、低噪声放大电路1302和超声波接收模块1303，所述低噪声放大电路1302分别与所述可变增益放大电路1301和所述超声波接收模块1303连接，所述可变增益放大电路1301与所述混频电路1400连接；所述超声波接收模块1303接收第二超声波信号，并将所述第二超声波信号传输至所述低噪声放大电路1302；所述低噪声放大电路1302对所述第二超声波信号进行放大，获得第一放大信号，并将所述第一放大信号传输至所述可变增益放大电路1301；所述可变增益放大电路1301对所述第一放大信号进行放大，获得第三超声波信号，并将所述第三超声波信号传输至所述混频电路1400。

需要说明的是，所述第二超声波信号为所述测量装置接收的超声波，由于所述第二超声波信号为微弱信号，因此采用所述低噪声放大电路1302作为前置放大器对所述第二超声波信号进行放大，以减小放大器自身的噪声对信号的干扰，以提高输出的信噪比。所述可变增益放大电路1301用于对所述第一放大信号进行二次放大。

需要说明的是，所述超声波接收模块1303可以为超声波接收探头，所述超声波接收探头与所述超声波发射探头组成换能器，所述超声波驱动电路1201也可为所述换能器的驱动电路，以驱动换能器工作。

在本实施例中，所述控制电路1500包括抗叠混滤波器1501、模/数转换器1502和数字信号处理器1503，所述模/数转换器1502分别与所述抗叠混滤波器1501和所述数字信号处理器1503连接，所述抗叠混滤波器1501与所述混频电路1400连接；所述抗叠混滤波器1501对所述混频信号进行滤波，获得第一滤波信号，并将所述第一滤波信号传输至所述模/数转换器1502；所述模/数转换器1502对所述第一滤波信号进行模数转换，获得第一数字信息，并将所述第一数字信号传输至所述数字信号处理器1503；所述数字信号处理器1503根据所述第一数字信号获得多普勒频移量。

需要说明的是，所述抗叠混滤波器1501用于在模/数转换器1502采样之前，限制重点波段上信号的带宽，降低混叠频率分量，以便于采样。

所述姿态测量模块200，用于测量所述流速测量装置在待测流体中的倾斜角度。

需要说明的是，由于所述流速测量装置为非固定安装，因此在流体中存在倾斜。例如，在没有流速时，流速测量装置可垂直在水中，流体没有流速，流速测量装置与流速之间没有夹角；当有一定流速的水流时，流速测量装置会倾斜形成一定俯仰角，所述姿态测量模块200即可测量得到所述俯仰角。由于超声波探头的安装方向固定，可进一步的推算出超声波发发射方向与流体流速方向的夹角。例如，若所述姿态测量模块200的安装方向与所述超声波探头的安装方向垂直，则所述俯仰角与超声波发发射方向与流体流速方向的夹角之和为90度。

在本实施例中，所述姿态测量模块可为mpu9250九轴姿态模块。所述mpu9250九轴姿态模块在所述流速测量装置发生倾斜时，计算所述俯仰角。可以理解的是，由于所述流速测量装置是在流体流速方向发生倾斜，故所述俯仰角为所述流速测量装置在流体流速方向与水面垂直方向的夹角。

所述计算模块300，用于根据所述多普勒频移量和所述倾斜角度计算所述待测流体的流速。

在本实施例中，所述计算模块，还用于根据所述倾斜角度获取超声波发射方向与流体流速方向的夹角；

所述计算模块，还用于根据根据所述多普勒频移量和所述超声波发射方向与流体流速方向的夹角，通过以下公式计算所述待测流体的流速v：

其中，fd为多普勒频移量，c为声速，fs为发射超声波频率，θ为超声波发射方向与流体流速方向的夹角。

以下基于图3对计算过程进行说明，图3为流体中固体颗粒反射超声波示意图。

设所述第一超声波信号的声波频率为fs；所述第二超声波信号的声波频率为f2，对于流体中颗粒接收的声波频率f1为：

则，颗粒反射回去的超声波，即所述第二超声波信号的声波频率为f2为：

则，多普勒频移量fd为：

其中，v为流体流速，c为声速，fs为发射超声波频率，θ为超声波发射方向与流体流速方向的夹角。

由于c>>vcosθ，则：

以上按单个颗粒考虑时，测得的流体流速和流量。但对于实际含有大量粒群的水流，则应对所有频移信号进行统计处理。换能器接收到的反射信号只能是发射探头和接收探头的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。

平均多普勒频移δf可以表示为：

其中，fi为每一个悬浮粒子产生的多普勒频移，∑ni为产生多普勒频移fi的粒子数。

在本实施例中，所述计算模块，还用于获取所述待测流体的过流面积，并根据所述过流面积以及所述待测流体的流速，通过以下公式计算所述待测流体的瞬时流量q：

q＝v×s

其中，v为待测流体的流速，s为过流面积。

在本实施例中，所述流速测量装置还包括供电模块400，所述供电模块400为所述流速测量装置提供工作时所需的电能。

本发明通过设置超声波测量模块、姿态测量模块和计算模块组成流速测量装置，所述计算模块分别与超声波测量模块和所述姿态测量模块连接；所述超声波测量模块，用于发射和接收超声波，并获取发射的超声波与接收的超声波之间的多普勒频移量；所述姿态测量模块，用于测量所述流速测量装置在待测流体中的倾斜角度；所述计算模块，用于根据所述多普勒频移量和所述倾斜角度计算所述待测流体的流速。本发明不需要固定安装，只需要浸没或在所测城市管网与自然水系中流体即可精确测量流速/流量，还可自动适应流速方向。同时，维护方便，产品可活动，避免了水体异物在产品上堆积，可大大降低产品维护周期和维护工作量。且适用范围广，可适用于城市地下管网、自然水系、渠道等环境中。

为实现上述目的，本发明还提出一种流速测量系统，所述流速测量系统包括如上述的流速测量装置，由于本系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。