CN101493186B - 一种地下供水管网漏水探测方法 - Google Patents

Abstract

一种地下供水管网漏水探测方法，它利用多探头相关测试仪，将测试仪探头安装在管网上，采集声波数据，并按照如下步骤进行：a.将探头间隔安装在管网阀门、消火栓或水表上，使探头与管网阀门、消火栓或水表接触紧密；b.采集声波数据；c.对数据进行分析，判断是否发生漏水故障。本发明利用函数相关原理，只要采集两个点的声波数据，即可计算出漏水点位置，定位效率高；一次测试即可完成区域漏水普查，数据易于保存，便于事故分析；数据自动采集、记录和处理，极大地降低了工作强度和人为影响。

Description

一种地下供水管网漏水探测方法

技术领域

本发明涉及一种利用声波测量供水管网漏水点的方法，属测量技术领域。

背景技术

城市供水是城市公用事业中重要的一项内容，每个城市的地下都分布着复杂的供水管网系统，由于年久损坏或意外破坏，管网将不可避免地发生泄漏事故，而如何及时寻找到漏水点，是供水部门主要的业务内容。现今，漏水探测还主要依靠人耳听音，即使用听音棒或电子式听音棒，完全靠人耳的听力判定是否有漏水的声音。因而受人的心理、工作态度、听力及人的工作经验等因素影响较大，其弊病是显而易见的。另外，这种探测灵敏度局限性较大，对大口径、非金属管道、埋深大的管道，往往效果较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服上述现有技术之缺陷而提供一种测量误差小、可操作性强的地下供水管网漏水探测方法。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

一种地下供水管网漏水探测方法，它利用多探头相关测试仪，将测试仪探头安装在管网上，采集声波数据，并按照如下步骤进行：

a.将探头间隔安装在管网阀门、消火栓或水表上，使探头与管网阀门、消火栓或水表接触紧密；

b.采集声波数据

数据采集次数为1～3次，可任选，每次采集时间为1分钟；

数据采集时间间隔为2～60分钟可选，每秒钟采集4864个数据；

c.对数据进行分析，判断是否发生漏水故障

按如下数学公式进行判断：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{y}_n}{\sqrt{\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n^2\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{y}_n^2}}$

式中，x_n，y_n分别为两探头采集到的经过模数转换的声波数据，n为每次参与相关计算的两列声波离散数据的个数，其取值范围为n＝延迟时间τ×采样频率＝±1.5秒×4864＝±7296，则-7296≤n≤+7296，其中(-1.5秒)≤τ≤(+1.5秒)为最大延迟时间，ρ_xy为x_n，y_n的相关系数；

若|ρ_xy|＝1时，Yn与Xn完全线性相关，即称为相关程度最高，判定管网漏水；若|ρ_xy|＝0时，Yn与Xn不存在相关异常，管网无漏水；0＜|ρ_xy|＜1时，存在可能漏水故障。

上述地下供水管网漏水探测方法，利用测距轮测量两异常探头之间距离，按下述公式计算漏水点距离：

$L=\frac{D-V\×\mathrm{\τ}}{2}$

式中：L为漏水点距探头A的管道长度；D为两探头之间的管道长度；V为漏水声波在管道上的传播速度，τ为漏水声波自漏水点传播到两探头的时间差。

上述地下供水管网漏水探测方法，所述时间差τ利用互相关函数求得：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$ (这是一个连续型的函数，而上文公式 ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{n=-\∝}{\overset{+\∝}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n\·y_{n+\mathrm{\τ}}$ 则为离散型)。

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)}{\sqrt{\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n^2\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{y}_n^2}}.$

上述地下供水管网漏水探测方法，所述探头间距按如下原则确定：

对金属管道，其相邻探头间距为200～400米；对非金属管道，其相邻探头间距为20～150米。

本发明利用函数相关原理，只要采集两个点的声波数据，即可计算出漏水点位置，定位效率高；可长时间监测，保证监测精度；具有较高的测量灵敏度，能发现普通声波检测不易发现的漏水，增加检出率，由于可以得到20dB以下声波强度的漏水相关异常信息，从而可以探测出高于传统方法2-3倍的漏水故障；一次测试即可完成区域漏水普查，数据易于保存，便于事故分析，工作效率高；数据自动采集、记录和处理，极大地降低了工作强度和人为影响。

附图说明

图1为本发明漏水点定位示意图；

图2为漏水声波模拟波幅信号图；

图3为一段铸铁管发生漏水时的相关函数γ_xy(τ)波形图；

图4为为x_n和y_n两函数声波强度与频率的关系——频谱图。

图中及文中各标号表示为：A.探头；B.探头；C.漏水点；D.两探头间管道长度；G.管网；L.漏水点距探头A的管道长度；V.漏水声波在管道上的传播速度；τ.漏水声波自漏水点传播到两探头的时间差；γ_xy(τ)为(x_n，y_n)的互相关函数(互相关函数γ_xy(τ)是描述随机信号x_n，y_n在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度)；x_n，y_n分别为两探头采集到的声波数据函数；ρ_xy为x_n，y_n的相关系数。

具体实施方式

本发明利用“多探头相关测试仪”，将测试仪探头安装在管网上，采集声波数据，进而确定漏水位置。多探头相关测试仪可采用Enigma高灵敏度数字多探头相关仪。两个探头即可确定漏点位置，采用多探头可以方便地进行普查，探测效率很高。

探测分为两步，即首先确定是否发生漏水故障，而后确定漏水点具体在何处。

探头可以方便地放置在管道阀门、消火栓和管体上，只要探头在放置位置紧密接触即可。

测试仪使用的探头大体分为两种，即加速度传感器和水中传感器。加速度传感器放置在管道阀门、消火栓、管道表面上，采集的声波频率范围一般为20-5000Hz之间。水中传感器必须与水紧密接触，安装在消火栓、DN40管道内，采集的声波频率范围一般为3-1000Hz。水中传感器运用矢量相关技术，它能提高对超低频率信号的相关功能。滤波后保留的频率范围为3Hz～100Hz，它适用于主干、长距离或塑料管道。

本发明中使用的测距轮用于测量两异常探头之间的距离。测距轮是利用一个定值直径的车轮，通过测量目标之间的转数、再乘以车轮周长，即可求得距离。

探头中设有压电陶瓷传感器，它利用声电转换原理，将漏水的声波数据通过模数转换变成数字信息存储起来。数据采集每个时间段采集1分钟，每秒钟采集4864个数据，采集时间间隔短者为2分钟-5分钟，若有必要，也可在2分钟-60分钟时间之内选取更长时间。

采集的数据可通过红外光传输或电信号传输，传输到计算机上。

数据分析时可调出已保存数据进行再分析，对准确定位大有补益。

判断是否存在漏水故障首先要明确判定标准，分析判断是否出现相关异常，这是存在漏水的依据。对声波图谱的分析需要考虑以下三个方面：

(1)相关程度强弱——相关声波图谱异常陡立而尖细，相关曲线峰值明显，说明异常相关程度高，仅为漏水引起，即存在漏水故障；否则，相关程度低，可能为漏水和其他干扰声波综合作用引起；无相关异常时，则不存在漏水。

(2)相关异常的持续性——无论相关探测多少次，相关异常始终存在，以此对复查结果作出评判。

(3)稳定性——无论何时进行相关探测，相关异常始终不变；两探头声波曲线平直、声波幅值基本不变。

漏水的声波特性为：稳定与连续。普查时，选定单一时间段，发现异常即可。而确定漏水点时，必须排除用水干扰，确定漏水引起异常。通过数据处理去伪存真、确定准确漏点，

判断依据以下计算公式：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{\underset{N=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{y}_n}{\sqrt{\underset{N=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n^2\underset{N=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{y}_n^2}}$

x_n，y_n分别为两探头采集到的声波函数，

ρ_xy为x_n，y_n的相关系数。

当|ρ_xy|＝1时，Yn与Xn完全相似(或完全线性相关)，也即相关程度最高，为所测管道中间(管道半长度)位置漏水所致；而|ρ_xy|＝0时，Yn与Xn不相似，则不存在相关异常，也即不存在漏水；0＜|ρ_xy|＜1时，存在漏水，但|ρ_xy|很小时，则存在干扰声波成分，需要进行滤波。滤波可利用“快速傅里叶变换””将时间域声波函数转换成频率域声波函数，进行频谱分析，或自动滤波或手动滤波，最终剔除干扰噪声，仅剩漏水声波，达到准确确定漏水点的目的。

声波信号异常的两个探头确定后，即可确定发生了漏水故障，而后依据这两个探头确定准确的漏水点。

漏水点定位计算公式 $L=\frac{D-V\×\mathrm{\τ}}{2}$

式中：L为漏水点距某一探头之间的管道长度；D为两探头之间的管道长度；V为漏水声波在管道上的传播速度(由管道材质、管径决定)，τ为漏水声波自漏水点传播到两探头的时间差。

时间差利用互相关函数 ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{n=-\∝}{\overset{+\∝}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n\·y_{n+\mathrm{\τ}}$ 求得。

当相关函数达到最大值时所对应的两探头采集到两列波的时间差即为τ值。计算机在进行相关分析时，输入相关管段的长度、管径、材质(材质、管径决定速度值)，按照上述漏水点定位公式，即刻计算出漏水点的准确位置。

以下举一实例作进一步说明：

图3为相关函数γ_xy(τ)的波形图，图形窄而尖细，两侧无背景曲线，相关性较强；能够很明显地确定漏水点的准确位置；图4的图形为x_n和y_n两声波强度I与频率的关系——频谱图。当存在干扰噪声致使图3中相关图形相关性较差时(即相关函数γ_xy(τ)峰值不明显时)，可滤去干扰噪声，最终显示出漏水点的准确位置。

影响漏水点准确性的因素取决于以下几项：

(1)管道长度——相关异常所在两探头之间的管道长度准确性；

(2)材质——相关异常所在两探头之间所用管道材质与实际管材是否一致；

(3)管径——相关异常所在两探头之间的管道内径与实际管道内径是否一致。

为减少误差，可采集更多的数据量，并选择干扰较小的时段进行，比如选择夜间进行三次数据采集，等等。

Claims (4)

1.一种地下供水管网漏水探测方法，其特征在于，它利用多探头相关测试仪，将测试仪探头安装在管网上，采集声波数据，并按照如下步骤进行：

a.将探头间隔安装在管网阀门、消火栓或水表上，两者紧密接触；

b.采集声波数据

数据采集1～3次，每次采集时间为1分钟；

数据采集时间间隔在2～60分钟内选择，每秒钟采集4864个数据；

C.对数据进行分析，判断是否发生漏水故障

按如下数学公式进行判断：

x_n，y_n分别为两探头采集到的经过模数转换的声波数据，ρ_xy为x_n，y_n的相关系数；

若|ρ_xy|＝1时，Yn与Xn完全线性相关，即称为相关程度最高，判定管网漏水；若|ρ_xy|＝0时，Yn与Xn不存在相关异常，管网无漏水；0＜|ρ_xy|＜1时，存在可能漏水故障。

2.根据权利要求1所述的地下供水管网漏水探测方法，其特征在于，利用测距轮测量两异常探头之间距离，按下述公式计算漏水点距离：

式中：L为漏水点距探头A的管道长度；D为两探头之间的管道长度；V为漏水声波在管道上的传播速度，τ为漏水声波自漏水点传播到两探头的时间差。

3.根据权利要求1或2所述的地下供水管网漏水探测方法，其特征在于，所述时间差τ利用互相关函数求得： 

，

4.根据权利要求3所述的地下供水管网漏水探测方法，其特征在于，所述探头间距按如下原则确定：对为金属管道，其相邻探头间距为200～400米；对非金属管道，其相邻探头间距为20～150米。 

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