一种法兰式流量水压监测系统及其监测方法
技术领域
本发明涉及供水管网监测技术领域，具体涉及一种法兰式流量水压监测系统及其监测方法。
背景技术
现有供水管网流量水压监测技术中，通常采用多产品组合使用的方式监测供水管网，通过安装流量计+压力变送器的方式，实现流量监测以及水压监测。目前，市面上的供水管网监测产品类型繁多。
水压测量产品主要有压力变送器。
流量测量产品主要有V锥流量计、电磁流量计、金属转子流量计、涡街流量计、超声波流量计等。
V锥流量计利用锥体在流场中产生的节流效应，通过检测锥体前后的差压来测量流量。
电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的回导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压，该电压与流体的流速成正答比关系，进而得到流量值。
金属转子流量计,是变面积式流量计的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的,浮子可以在锥管内自由地上升和下降。在流速和浮力作用下上下运动，与浮子重量平衡后，通过磁耦合传到与刻度盘指示流量。
涡街流量计是根据卡门(Karman)涡街原理研究生产的测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。
超声流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的原理开发的流量计，主要由换能器和转换器组成，有多普勒法、速度差法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型。
现有流量监测技术中，V锥流量计、电磁流量计、金属转子流量计、涡街流量计、超声波流量计采用的监测原理导致流量计机械结构复杂，体积庞大，占用硬件、软件资源多，产品功耗大，产品不利于采用电池供电。
现有供水管网流量水压监测技术中，通常采用多产品组合使用的方式监测供水管网，通过安装流量计+压力变送器的方式，实现流量监测以及水压监测。多产品组合的分体结构，产品安装便利度大大降低，并且，安装配件繁多，甚至需要在现场进行焊接，施工难度高。而且，产品大多不具备数据远程传输功能，监测数据不方便、效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种法兰式流量水压监测系统及其监测方法，克服现有技术中流量检测系统结构复杂，检测不方便的缺陷。
作为本发明的第一方面，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种法兰式流量水压监测系统，包括法兰盘、设置于法兰盘上的检测组件、供电组件、处理器及通讯模块，其中，
检测组件包括压力传感器及流量传感器，所述压力传感器及流量传感器分别用于测量通过管道的水流量及水压；
供电组件，用于检测组件、处理器及通讯组件的供电；
通讯模块，用于处理器与服务器之间的通讯连接，实现处理器与服务器之间的联网；
处理器，用于获取并处理检测组件所获取的数据，通过通讯模块与服务器通讯连接，上传数据或接收服务器下发的配置指令，包括采集计算模块、第一判断模块、联网模块、上传模块及配置模块，其中，
采集计算模块，用于获取压力传感器输出的电压值及流量传感器输出的脉冲数字信号数据；并将压力传感器输出的电压值转换为为水压值，以及将流量传感器输出的脉冲数字信号转换为流量值；
第一判断模块，用于判断是否到达配置模块所预设的上传周期阈值，如到达预设的上传周期阈值，则与服务器进行联网；
上传模块，用于将所转换的水压值及流量值上传至服务器；
配置模块，用于接收并执行服务器下发的配置指令，所述配置指令包括但不限于处理器的上传周期阈值、阈值参数范围。
在其中一个实施例中，还包括第二判断模块，所述第二判断模块用于判断所转换的水压值及流量值是否符合配置预设的阈值参数范围，如所转换的水压值或流量值出现数据异常，则与服务器进行联网。
在其中一个实施例中，所述处理器还包括休眠唤醒模块，
休眠唤醒模块，用于使法兰式流量水压监测系统与服务器进行联网之前处于休眠低功耗状态，并在到达上传周期阈值或出现数据异常时退出休眠状态以连接至服务器。
在其中一个实施例中，所述将流量传感器输出的脉冲数字信号转换为流量值包括：
将流量传感器的脉冲数值转换为边缘区域流速；
通过边缘区域流速计算出截面瞬时流量；
基于截面瞬时流量计算累积通过流量。
在其中一个实施例中，所述累积通过流量计算公式为：
其中，所述Q为累积通过流量，t为出水时间，D为管道直径，V2为边缘区域流速，所述V2＝nK，n为流量传感器脉冲数，K为脉冲转换常数。
作为本发明的第二方面，本发明还提供一种上述任一所述的法兰式流量水压监测方法，包括：
获取并处理的检测组件的数据并将其转换为水压值及流量值，所述检测组件的数据包括：压力传感器输出的电压值及流量传感器输出的脉冲数字信号数据；
判断是否到达预设的上传周期阈值，如到达预设的上传周期阈值，则与服务器进行联网；
上传所转换的水压值及流量值至服务器；
接收并执行服务器下发的配置指令，所述配置指令包括但不限于上传周期阈值、阈值参数范围。
在所述方法其中一个实施例中，所述判断是否到达预设的上传周期阈值，如到达预设的上传周期阈值则与服务器进行联网之后，还包括：判断所转换的水压值及流量值是否符合配置预设的阈值参数范围，如所转换的水压值及流量值出现数据异常，则与服务器进行联网。
在所述方法其中一个实施例中，所述法兰式流量水压监测系统与服务器进行联网之前，法兰式流量水压监测系统处于休眠低功耗状态，并在到达上传周期阈值或数据异常时退出休眠状态以连接至服务器。
在所述方法其中一个实施例中，所述流量传感器输出的脉冲数字信号数据转换为流量值具体包括，
将流量传感器的脉冲数值转换为边缘区域流速；
通过边缘区域流速计算出截面瞬时流量；
基于截面瞬时流量计算累积通过流量。
在所述方法其中一个实施例中，所述累积通过流量计算公式为：
其中，所述Q为累积通过流量，t为出水时间，D为管道直径，V2为边缘区域流速，所述V2＝nK，n为流量传感器脉冲数，K为脉冲转换常数。
本发明的有益效果在于，本发明的法兰式流量水压监测系统，通过流量传感器及压力传感器采集管道的水压值和流量值，经过处理器进行换算后，利用通讯模块将数据上传至服务器，通过接收及执行服务器所下发的配置指令实现对法兰式流量水压监测系统的调整，系统结构简单，监测方便快捷。
本发明的法兰式流量水压监测方法，通过获取管道水压值和流量值，并在预设的上传周期阈值到达时周期性上传水压值及流量值至服务器，同时接收并执行服务器下发的配置指令，以实现对系统的调整，方法简单，能有效实现对管道内流体信息的监测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明法兰式流量水压监测系统剖视图；
图2是本发明法兰式流量水压监测系统模块示意图；
图3是本发明法兰式流量水压监测系统结构框图；
图4是本发明处理器流程示意图；
图5是本发明通讯模块联网示意图；
图6是本发明法兰式流量水压监测方法的优选实施例的流程图；
图7是本发明流量计算步骤流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。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。
参照图1及图3所示，其中图1是本发明法兰式流量水压监测系统01的剖面示意图。在本实施例中，所述法兰式流量水压监测系统01包括法兰盘、设置于法兰盘上的检测组件11、供电组件12、处理器10及通讯模块13。其中，法兰式流量水压监测系统01设置于管道与管道之间，流体通过法兰盘的内圆。检测组件11包括压力传感器112及流量传感器111，压力传感器112及流量传感器111分别连通法兰盘的内圆，用于测量通过管道的水流量及水压。供电组件12分别与检测组件11、处理器10及通讯组件电连接，用于法兰式流量水压监测系统01的供电。系统结构简单，成本低，安装方便，并且能同时实现供水管网水压、流量监测。
参照图2所示，图2是本发明法兰式流量水压监测系统01模块示意图。
供电组件12，用于检测组件11、处理器10及通讯组件的供电；检测组件11包括流量传感器111及压力传感器112，处理器10，用于获取并处理检测组件11所获取的数据，通过通讯模块13与服务器03通讯连接，上传数据或接收服务器03下发的配置指令，通讯模块13，用于处理器10与服务器03之间的通讯连接，实现处理器10与服务器03之间的联网；在具体实施例中，采集的水压和流量值，经过处理器10进行处理后，利用通讯模块13将数据发送至基站02，从而将数据传输至远程的服务器03中。
进一步参考图3所示，图3为本发明法兰式流量水压监测系统01的结构框图，所述处理器10包括采集计算模块101、第一判断模块102、上传模块105及配置模块106。
采集计算模块101，用于获取压力传感器112输出的电压值及流量传感器111输出的脉冲数字信号数据；并将压力传感器112输出的电压值转换为水压值，以及将流量传感器111输出的脉冲数字信号转换为流量值。
在本实施例中的，压力传感器112输出为模拟信号，直接采集传感器模拟信号，进行换算即可计算出水压值。流量传感器111采用水轮+霍尔传感器组合监测方式，输出脉冲数字信号。流体通过法兰式流量水压监测系统01过水截面，会带动水轮转动，水轮上安置有钕铁硼磁性物质，使用霍尔元件即可监测水轮转速。水流速越大，水轮转动越快，水流量传感器111输出的脉冲频率越高。
进一步的，所述将流量传感器111输出的脉冲数字信号转换为流量值包括：
用于将流量传感器111的脉冲数值转换为边缘区域流速；
通过边缘区域流速计算出截面瞬时流量；基于截面瞬时流量计算累积通过流量。
在其中一个实施例中，所述累积通过流量计算公式为：
其中，所述Q为累积通过流量，t为出水时间，D为管道直径，V2为边缘区域流速，所述V2＝nK，n为流量传感器脉冲数，K为脉冲转换常数。
具体的，n为所获取的流量传感器111脉冲数；边缘区域流速V2其与单位时间流量传感器111输出脉冲信号数n成正比例关系，此时应有：V2＝nK，K为脉冲转换常数，其取值与所采用的流量传感器型号有关。在本实施例中，法兰式流量水压监测系统的规格为DN100，脉冲转换常数K的取值为3.86。
基于所获取的边缘区域流速计算出截面瞬时流量QS，随后根据截面瞬时流量QS和用水时间t计算累积流量Q。
由于过水截面水流速分布是不均匀的，具有以下特征：
1.中间区域流速大于边缘区域，边缘区域流速关于中心轴线对称，呈抛物线分布，最大流速发生在轴线上；
2.流速越大，中间区域流速V1与边缘区域流速V2的比值KV越小，即两者的差距缩小；
因此，仅测量过水截面边缘流速V2，无法表征过水截面的平均水流速，无法正确计算出过水截面瞬时流量。需要建立抛物线坐标系，设流速分布抛物线函数方程：
V＝aR2+c
D为管道直径，将两点
抛物线函数在过水截面上的积分即为截面瞬时流量QS：
累计流量：
Q＝∫0tQSdt
仅由以上各式，还不能计算瞬时流量和累计流量，还需要计算出V1、V2关系。
为了取得取得V1、V2关系，进行了如下实验修正：
在DN100管道上安装两组流量计，分别用于监测管道中间区域流速V1和边缘区域流速V2，进行多组实验，分析中间区域流速、边缘区域流速以及两者的比值KV的关系。实验数据见下表：
使用表中数据，拟合出KV与V2的函数表达式：
KV＝-0.0065ln(V2)+1.1771
因此
V1＝V2KV＝V2(-0.0065ln(V2)+1.1771)
综合上述各式：
第一判断模块102，用于判断是否到达配置模块106所预设的上传周期阈值，如到达预设的上传周期阈值，则与服务器03进行联网。所述上传周期阈值为设置的法兰式流量监测装置向服务器03上传数据的规定周期。
在其中一个实施例中，处理器10还包括第二判断模块103，所述第二判断模块103用于判断所转换的水压值及流量值是否符合配置预设的阈值参数范围，如所转换的水压值或流量值出现数据异常，则与服务器03进行联网。其中，配置预设的预阈值参数范围包括但不限于水压报警上限、下限，流量报警上限。
在本发明中，优选的，处理器10还包括休眠唤醒模块104，用于使法兰式流量水压监测系统01与服务器03进行联网之前处于休眠低功耗状态，并在到达上传周期阈值或出现数据异常时退出休眠状态以连接至服务器03。即在采集计算模块101工作时，整个流量采集计算过程中，电路始终工作在微功耗模式下完成流量及水压的采集和计算，功耗极低。当到达上传周期阈值时，或者出现数据异常时，才会退出休眠低功耗状态，与服务器03进行联网操作。
上传模块105，用于将所转换的水压值及流量值上传至服务器03；即，在到达上传周期阈值时周期性上传采集计算模块101所转换的水压值及流量值至服务器03，或者，在数据异常时主动联网，将异常数据上传至服务器03，服务器03端通过所上传的数据监测管道中的流体情况，监测更方便快捷。
配置模块106，用于接收并执行服务器03下发的配置指令，所述配置指令包括但不限于处理器10的上传周期阈值、阈值参数范围。基于所上传的水压值及流量值，服务器03端可对上传周期阈值、阈值参数范围进行调整，配置模块106接收调整的配置指令，并对配置指令进行解析，参数设置，参数存储及响应服务器03操作。
进一步的，结合图4及图5做一个具体实例的说明。法兰式流量水压监测系统01的流量传感器111及压力传感器112测量管道中的流量及水压，处理器10的采集计算模块101采集计算对应数据，然后由第一判断模块102判断是否到达上传周期阈值，如到达上传周期阈值则休眠唤醒模块104退出休眠低功耗状态，打开通讯模块13电源，连接基站02，随后连接至服务器03上传数据，如未到达上传周期阈值，则第二判断模块103进一步判断是否有数据异常，如与配置预设的阈值参数范围相比，数据出现异常，则同样退出休眠低功耗状态进行联网操作。
进一步的，本实施例的通讯模块13在连接至服务器03时，如遇到连接服务器03失败，会再次进行响应重新尝试连接，如尝试重连再次失败后则结束连接，表明可能情况为法兰式流量水压监测系统01的电量过低，或者本身发生有故障，需进行检修。
在服务器03接收到上传的流量值及水压值后，下方新的配置指令，处理器10的配置模块106接收并执行配置指令，对法兰式流量水压监测系统01的配置参数进行更新。
本发明的法兰式流量水压监测系统01，通过流量传感器111及压力传感器112采集管道的水压值和流量值，经过处理器10进行换算后，利用通讯模块13将数据上传至服务器03，通过接收及执行服务器03所下发的配置指令实现对检测系统的调整，系统结构简单，监测方便快捷。
本发明还提供了一种法兰式流量水压监测方法，应用于法兰式流量水压监测系统中。参考图6所示，图6是本发明法兰式流量水压监测方法的优选实施例的流程图。在本实施例中，结合图1至图7所示，所述法兰式流量水压监测方法包括如下步骤：
步骤S1:获取并处理的检测组件的数据并将其转换为水压值及流量值，所述检测组件的数据包括：压力传感器输出的电压值及流量传感器输出的脉冲数字信号数据；
步骤S2：判断是否到达预设的上传周期阈值，如到达预设的上传周期阈值，则与服务器进行联网；
步骤S3:上传所转换的水压值及流量值至服务器；
步骤S4：接收并执行服务器下发的配置指令，所述配置指令包括但不限于上传周期阈值、阈值参数范围。
在其中一个实施例中，所述判断是否到达预设的上传周期阈值，如到达预设的上传周期阈值则与服务器进行联网之后，还包括：
步骤S21:判断所转换的水压值及流量值是否符合配置预设的阈值参数范围，如所转换的水压值及流量值出现数据异常，则与服务器进行联网。
在其中一个实施例中，所述法兰式流量水压监测系统与服务器进行联网之前，法兰式流量水压监测系统处于休眠低功耗状态，并在到达上传周期阈值或数据异常时退出休眠状态以连接至服务器。
参考图7所示，在其中一个实施例中，对于步骤S1中所述流量传感器输出的脉冲数字信号数据转换为流量值具体包括，
步骤S11:将流量传感器的脉冲数值转换为边缘区域流速；
步骤S12:通过边缘区域流速计算出截面瞬时流量；
步骤S13:基于截面瞬时流量计算累积通过流量。
在其中一个实施例中，所述累积通过流量计算公式为：
其中，所述D为管道直径，V2为边缘区域流速，所述V2＝nK，n为流量传感器脉冲数，K为脉冲转换常数。
本发明的法兰式流量水压监测方法，通过获取管道水压值和流量值，并在预设周期阈到达时周期性上传水压值及流量值至服务器，同时接收并执行服务器下发的配置指令，以实现对装置的调整，方法简单，能有效实现对管道内流体信息的监测。
本发明系统结构简单，成本低，安装方便，并且能同时实现供水管网水压、流量监测；同时在流量值计算方法上进行了计算的修正，流量计算更准确；电路结构简单，运算量少，使用硬件资源和软件资源极少，功耗极低；支持数据远程传输，监测更方便快捷。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应认为是本说明书记载的范围。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
