CN108027297B - 用于产生压力信号的系统和方法 - Google Patents

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    • F17D5/06—Preventing, monitoring, or locating loss using electric or acoustic means

Abstract

公开了一种用于产生包含加压流体的管线系统中的压力信号的系统。该系统包括排出阀和电子控制器，排出阀与管线系统的加压流体流体连通以使得来自管线系统的流体可以排出，电子控制器动态地控制排出阀的打开程度以在多个阀打开状态之间选择性地改变排出阀，从而产生管线中的压力信号。

Description

用于产生压力信号的系统和方法
优先权文件
本申请要求2015年7月10日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR GENERATIONOF A PRESSURE SIGNAL”的澳大利亚临时专利申请No.2015902731的优先权，该申请的内容特此整个地通过引用并入。
通过引用的并入
以下出版物在本申请中被引用，并且它们的内容整个地通过引用并入：
Gong,J.、Zecchin,A.C.、Simpson,A.R.和Lambert,M.F.(2014),“Frequencyresponse diagram for pipeline leak detection:comparing the odd and the evenharmonics”,J.Water Resour.Plan.Manage.140(1),65–74；
Gong,J.、Simpson,A.R.、Lambert,M.F.和Zecchin,A.C.(2013b),“Determinationof the linear frequency response of single pipelines using persistenttransient excitation:a numerical investigation”,J.Hydraulic Res.51(6),728-734；以及
Gong,J.、Lambert,M.F.、Zecchin,A.C.和Simpson,A.R.(2011),“Frequencyresponse measurement of pipelines by using inverse-repeat binary sequences”,Proc.Int.Conf.CCWI 2011:Computing and Control for the Water Industry:UrbanWater in Management-Challenges and Opportunities,Exeter,UK,883-888,D.A.Savic,Z.Kapelan,and D.Butler,eds.,University of Exeter,Exeter,UK.
技术领域
本公开涉及管线系统的表征。以具体形式来说，本公开涉及管线系统中的压力信号的产生以帮助表征管线系统。
背景技术
管线系统的表征可以通过以下方式来执行，即，通过在注入瞬态压力信号之后在给定位置处测量压力头部中的波动来确定该系统的瞬态响应。这种类型的分析取决于输入压力信号的形状。对于每种不同类型的输入压力信号事件，即使管线本身的状态没有改变，也将导致在时间上不同的瞬态响应。管线系统的条件的更简洁的定义可以通过其整个系统的响应函数的提取来确定。这些响应函数描述了输入压力信号和所得压力响应之间的关系，并且例示说明了所述系统随着输入信号传播通过所述系统如何修改输入信号。
频域中的系统响应函数(被称为频率响应函数)是特别受关注的，因为它使得可以研究管线系统内的频率相关影响。这些影响可以包括流体结构相互作用、非定常摩擦以及流体填充的管线系统的粘弹性行为。系统响应函数还可以用于检测管线系统中的故障，比如管壁劣化、堵塞和泄漏，并且还可以用于确定一般的管线系统特性，比如管线类别变化或排水管或分支管。与电气系统和机械系统不同，用于从管线系统(比如配水系统)提取频率响应函数的信号的产生由于管线中的高背压和该系统的复杂度，是很困难的。
为了在一个操作中方便地确定若干个频率上的频率响应函数，输入压力信号应由若干个不同的频率组成。可以利用的宽带宽信号的一个例子是通过管线系统中的阀的快速扰动产生的单尖脉冲。然而，由于典型的管线中的背压以及它们的固有的操纵性的限制，典型的机械阀不能进行产生足够尖锐的并且进一步具有合适的高频内容的压力信号所必需的快速致动。即使足够尖锐的脉冲可以被产生，所得的压力扰动也将需要在幅度上是显著的，以便确保不仅在低频分量中、而且还在高频分量中存在足够的能量和合适地高的信噪比来实现适当的带宽。对于入射压力波的这样的高幅度对管线系统的安全操作可能具有负面影响。
产生低振幅的宽带宽连续压力信号的一个尝试是采用伪随机二进制序列(PRBS)。PRBS是具有与单输入脉冲的频谱类似的频谱的预定的周期性两级信号。PRBS常用具有两个不同值的数字序列来表示。该序列中的每个数字在预定时间段内是有效的，并且级之间的切换仅在预定的某些时间点。周期性提供具有更高程度的噪声容限的信号，并且预先确定去除了通常与纯随机性质的信号相关联的统计变化性。连续形式的PBRS还使得信号的能量可以分布在更长的时间帧上，并且信号的振幅可以在保持宽信号带宽的同时很小。
已经有产生管线系统中的伪随机二进制压力信号以便基于侧排出阀布置来表征管线系统的一些尝试，所述侧排出阀布置被致动以基于最大长度(伪随机)二进制序列(MLBS)产生离散脉冲。然而，虽然该方法对于确定管线的系统响应已经导致了一些成功，但是这样的脉冲序列不是真实的PBRS。另外，一直难以在具有足够高的频率内容的基于MLBS的信号内产生尖锐度合适的单个的脉冲。
发明内容
在第一方面中，本公开提供了一种用于产生包含加压流体的管线系统中的压力信号的系统，该系统包括：
排出阀，其与管线系统的加压流体流体连通以使得来自管线系统的流体可以排出；以及
电子控制器，其动态地控制排出阀的打开程度以在多个阀打开状态之间选择性地改变排出阀，从而产生管线中的压力信号。
在另一种形式中，所述多个阀打开状态包括第一阀打开状态和第二阀打开状态，在第一阀打开状态下，排出阀被部分地或完全地关闭，在第二阀打开状态下，排出阀部分地或完全地打开。
在另一种形式中，排出阀根据时变信号被控制以从第一阀打开状态变为第二阀打开状态。
在另一种形式中，时变信号是二进制信号。
在另一种形式中，二进制信号是伪随机二进制序列(PRBS)。
在另一种形式中，伪随机二进制序列是最大长度二进制序列(MLBS)。
在另一种形式中，伪随机二进制序列是逆向重复二进制序列(IRS)。
在另一种形式中，第一阀打开状态和第二阀打开状态之间的差异被控制以限定排出阀的振幅。
在另一种形式中，排出阀被控制以产生多个可选噪声级之间的液压噪声。
在另一种形式中，排出阀根据周期性波形被控制以在多个阀打开状态之间改变。
在第二方面中，本公开提供了一种用于流体管道的排出阀，所述排出阀是可根据控制信号动态地控制以在多个阀打开状态之间改变的，所述排出阀包括：
外体；
在外体内可往复移动的活塞构件，所述活塞构件具有装阀端，所述装阀端可操作来中断流体管道中的流体流动；
致动布置，其根据控制信号来驱动活塞构件，以在第一阀打开状态和第二阀打开状态之间改变排出阀。
在另一种形式中，所述多个阀打开状态包括第一阀打开状态和第二阀打开状态，在第一阀打开状态下，流体管道被部分地或完全地关闭，在第二阀打开状态下，流体管道部分地或完全地打开。
在另一种形式中，致动布置包括第一螺线管和相关联的回位偏置手段以及第二螺线管和相关联的回位偏置手段，第一螺线管和相关联的回位偏置手段将活塞构件驱动到第一阀打开状态，第二螺线管和相关联的回位偏置手段将活塞构件驱动到第二阀打开状态。
在另一种形式中，第一阀打开状态和第二阀打开状态之间的排出阀转变时间为大约3ms。
在另一种形式中，排出阀根据伪随机二进制序列在第一阀打开状态和第二阀打开状态之间转变。
在第三方面中，本公开提供了一种用于确定管线系统的系统响应函数的系统，该系统包括：
排出阀，其与管线系统的加压流体流体连通以使得来自管线系统的流体可以排出；以及
电子控制器，其动态地控制排出阀的打开程度以在多个阀打开状态之间选择性地改变排出阀，从而产生管线中的输入压力信号；
一个或更多个压力测量装置，其测量时变压力响应信号，所述时变压力响应信号是由输入压力信号与管线系统的相互作用得到的；以及
数据采集和处理系统，其基于测得的时变压力响应信号来确定管线系统的系统响应函数。
在另一种形式中，电子控制器控制排出阀在第一阀打开状态和第二阀打开状态之间改变，在第一阀打开状态下，排出阀被部分地或完全地关闭，在第二阀打开状态下，排出阀部分地或完全地打开。
在另一种形式中，电子控制器根据伪随机二进制序列控制排出阀在第一阀打开状态到第二阀打开状态之间改变。
在另一种形式中，数据采集和处理系统确定管线系统的频率响应函数。
在另一种形式中，数据采集和处理系统确定管线系统的脉冲响应函数。
在第四方面中，本公开提供了一种用于产生包含加压流体的管线系统中的输入压力信号的方法，该方法包括：
提供排出阀，所述排出阀与管线系统的加压流体流体连通以使得来自管线系统的流体可以排出；以及
动态地控制排出阀的打开程度以在多个阀打开状态之间选择性地改变排出阀，从而产生管线中的输入压力信号。
附图说明
将参照附图来讨论本公开的实施例，其中：
图1是根据说明性实施例的用于产生管线系统中的压力信号的系统的系统视图；
图2是图1所示的排出阀的放大侧截面图；
图3是示例连续伪随机二进制序列的曲线图，在该图中，圆表示数字值，线表示信号；
图4是图3所示的伪随机二进制序列的功率谱的曲线图；
图5是与根据离散伪随机二进制序列的离散脉冲的产生相对应的阀打开状态变化的曲线图；
图6是来自图5所示的脉冲序列的单个脉冲的脉冲形状的曲线图；
图7是根据振幅(Ain)约为0.5的说明性实施例的阀打开状态或无量纲阀打开位置的变化的曲线图，该变化被指定为与基于连续伪随机二进制信号的连续压力信号的产生相对应的τ扰动；
图8是在其上进行了实验研究的管线系统的示意图；
图9是关于图8所示的管线系统的、对应于图7所示的规范化τ扰动的、测得头部扰动或输出压力信号的曲线图；
图10是图7所示的规范化τ扰动的功率谱的曲线图；
图11是图9所示的测得头部扰动的功率谱的曲线图；
图12是关于图9所示的测得头部扰动的、所确定的频率响应函数(FRF)和理论上的FRF之间的比较的绘图，所确定的频率响应函数是由所产生的逆向重复序列(IRS)和最大长度二进制序列(MLBS)激励信号得到的；
图13是根据Ain≈0.2的说明性实施例的阀打开状态或规范化τ扰动的变化的曲线图，该变化对应于基于连续伪随机二进制序列的压力信号的产生；
图14是关于图8所示的管线系统的、对应于图13所示的规范化τ扰动的、测得头部扰动或输出压力信号的曲线图；
图15是关于图14所示的测得头部扰动的、所确定的FRF和理论上的FRF之间的比较的绘图，所确定的频率响应函数是由所产生的IRS和MLBS激励信号得到的；
图16是根据Ain≈0.06的说明性实施例的阀打开状态或规范化τ扰动的变化的曲线图，该变化对应于基于连续伪随机二进制序列的压力信号的产生；
图17是关于图8所示的管线系统的、对应于图16所示的规范化τ扰动的、测得头部扰动或输出压力信号的曲线图；
图18是关于图17所示的测得头部扰动的、所确定的FRF和理论上的FRF之间的比较的绘图，所确定的频率响应函数是由所产生的IRS和MLBS激励信号得到的；以及
图19是关于图8所示的具有泄漏的管线系统的、所确定的和理论上的FRF的绘图。
具体实施方式
参照图1，示出了根据说明性实施例的用于产生管线系统中的压力信号的系统100。压力信号产生系统100包括排出阀200和电子控制器300，电子控制器300动态地控制排出阀200的打开程度以在多个阀打开状态之间选择性地改变排出阀200，从而产生压力信号。
图1中的截面图所示的排出阀200包括装阀布置290和活塞构件260，装阀布置290为大体圆柱形形状的外体210的形式，活塞构件260可以在外体210内在互补形状的活塞腔体270中往复地移动。外体210在一端成直角连接到端部开口的出口管段220，并且在另一端包括可移除帽215，出口管段220连接到管线系统(未示出)。
管段220通过管道221在标有箭头的方向上运送来自管线系统的流体，管道221从入口段222渐缩以形成阀段223，然后在流体最后排出之前变宽以形成出口段224。在该说明性实施例中，管段220被构造为附连到涉及水的公用事业规模的传输和分配的管线系统并且提供与该管线系统的直径相比直径缩小的阀段223。
以直角与出口管段220的阀段223相交的是装阀通道226，装阀通道226被布置为容纳活塞构件260的装阀端261，在该例子中，装阀端261的移动范围可以从完全从阀段223退出、结果不干扰流体通过管段220排出的能力到完全被插入到装阀通道226中、结果完全阻挡或中断出口管段220以阻止任何流体流动。
在该说明性实施例中，出口管段220是由刚性合适的材料(比如黄铜)形成的以便提供稳定性合适的受活塞构件260的高速移动影响最小的平台。为了容纳活塞构件260的装阀端261，在入口管段220中形成了圆柱孔227，圆柱孔227端接于如前所述的直径缩小的装阀通道226中。
这样，装阀布置290可以通过将装阀端261插入到装阀通道226中并且将装阀布置290的外体210附连到出口管段220(比如通过螺栓连接布置等)而被可移除地附连到出口管段220。如将意识到的，合适的密封手段(比如O形环密封圈和润滑剂)的使用可以用来帮助在排出阀220的各组件之间形成液密密封。
装阀布置290包括致动布置和相关联的回位偏置手段，致动布置包括第一螺线管240，相关联的回位偏置手段为可操作来控制排出阀200的关闭特性的压缩弹簧245的形式。第一螺线管240包括线圈元件241，线圈元件241被构造为环绕活塞构件260的第一柱塞段262，第一柱塞段262包括锥形下端263，锥形下端263邻接活塞腔体270的第一互补锥形邻接部分271以检查活塞构件260的向下关闭运动。
装阀布置290进一步包括第二螺线管250和相关联的回位偏置手段，该回位偏置手段为可操作来控制排出阀200的打开特性的弹簧255的形式。第二螺线管250包括线圈元件251，线圈元件251被构造为环绕活塞构件260的第二柱塞段264，第二柱塞段264通过连接杆265连接到第一柱塞段262。第二柱塞段264包括锥形上端266，锥形上端266邻接活塞腔体270的第二互补锥形邻接部分272以在操作中检查活塞构件260的向上打开运动。
在整个说明书中，术语“管线系统”是指管线和相关联的连接的液压组件和特征。液压组件包括但不限于，各种类型的阀，比如直通阀(被部分地或完全地关闭)、冲刷阀和空气阀；从管线延伸的被关闭的和打开的分支管线段；排水渠；蓄水池；以及水箱(例如，平衡水箱)。液压特征包括但不限于，管线材料、直径或类别的变化。
在该说明性实施例中，压力信号产生系统100还包括用于测量排出阀200的状态的阀打开状态测量装置280。在该例子中，阀打开状态测量装置280是线性电压位移换能器(LVDT)，该LVDT容纳活塞构件260的由合适的铁磁材料形成的上端269。LVDT 280然后用来测量活塞构件260的位移或移动，因此排出阀200的阀打开状态的变化。
现在参照图2，示出了出口管段220的放大截面图，该截面图是在活塞构件260的装阀端261在装阀通道226中垂直移动以中断流过出口管段220的阀段223的流体流动的地方剖分的。在该说明性实施例中，活塞构件260的装阀端261是具有3mm直径的在装阀通道226内可滑动地移动的杆构造，该杆构造与出口管段220的具有2mm直径的阀段223组合具有3mm的直径。
阀在完全打开时的校准后的当量开口(CdAV)为2.7×10-6m2，其中Av是以m2为单位的阀开口的面积，Cd是用于排出阀200的排出系数。该值是通过注意到通过孔口或阀的排出量QV取决于孔口两侧之间的压力差ΔHV、孔口的大小AV以及排出系数Cd。相关的控制方程为
Figure BDA0001590081530000071
所以可以通过用实验方法确定QV和ΔHV来校准或确定量CdAV。
如将意识到的，根据上面的实施例，侧排出阀的开口的大小与典型的市政水管线的截面面积相比一般是非常小的，就像这里的情况一样。这帮助减小排出阀200对正被表征的管线系统的系统响应函数可能具有的影响。
在确定阀开口的大小中可以考虑的一些因素包括但不限于，使阀的阻抗(对于扰动的平均开口来说)保持大于管线的阻抗以使得阀作为高损耗阀用来突出管线系统的共振响应并且减小任何反共振响应。可以考虑的另一个因素是减小阀的排出量以使得其影响与整个管线系统相比很小。与这些考虑相关的进一步的辅助信息可以在Gong,J.、Zecchin,A.C.、Simpson,A.R.和Lambert,M.F.(2014),“Frequency response diagram forpipeline leak detection:comparing the odd and the even harmonics”,J.WaterResour.Plan.Manage.140(1),65–74中找到，该文献的内容整个地通过引用并入本说明书中。
在该说明性实施例中，电子控制器300是定制的电子装置，该电子装置产生启动螺线管240和250以驱动活塞构件260的电信号，并且使活塞构件260保持在与排出阀200的特定的阀打开状态相对应的预定位置处。如下面将讨论的，移动模式在一个实施例中可以是最大长度二进制序列(MLBS)和逆向重复序列(IRS)类型的二进制序列。在一个例子中，二进制序列是使用硬件实现的移位寄存器生成的。在另一个实施例中，二进制序列可以是从可编程芯片产生的，或者可替代地是从由个人计算机或类似物驱动的电子组件产生的。
如将意识到的，控制排出阀200的打开特性和关闭特性这二者的能力使得可以产生更多种类的压力信号。在一个非限制性例子中，可以通过限制活塞构件的最大的向上或打开移动来限定排出阀的打开程度，排出阀的打开程度限定排出阀的打开状态。类似地，可以通过限制活塞构件的最大的向下或关闭移动来限定排出阀的打开程度，排出阀的打开程度限定排出阀的关闭状态。
在一个非限制性例子中，可以根据时变二进制信号来产生压力信号。时变二进制信号由在两种状态之间即刻改变的信号表征。时变二进制信号的一个例子是伪随机二进制序列PRBS。PRBS的例子是由从最后一级和其他级中的一个或多个到第一级具有“异或”(XOR)反馈的n级移位寄存器产生的最大长度二进制序列(MLBS)，其中反馈被选择为实现最大长度N＝2n-1。
MLBS信号的周期为NTc，其中Tc是时钟脉冲的时间间隔。MLBS的(与输出信号的)自相关和互相关性质类似于白噪声的自相关和互相关性质。MLBS信号是宽带信号。虽然其功率的小部分位于频率零处，但是大多数功率遍布于基本频率fc/N及其谐波上，其中fc是时钟的频率(fc＝1/Tc)。功率在产生时钟频率fc及其谐波处朝向零下降。当功率降至最大值(-3dB)的一半时，对应的频率为0.443fc，这通常被定义为MLBS信号的带宽。
现在参照图3，示出了从4级移位寄存器产生的示例MLBS信号的一部分(fc＝1Hz)，其中逻辑输出1和0分别被映射到+1和-1(它们是无量纲的)。在图4中，示出了图3所示的MLBS信号的功率谱。
图5是在早前尝试使用现有技术的排出阀类型布置、根据时变二进制信号产生压力信号时的、当量的无量纲阀打开系数π500(在这里被称为τ扰动)或阀打开状态的随着时间的变化的绘图(例如参见Lee等人,“Valve Design for Extracting ResponseFunctions from Hydraulic Systems Using Pseudorandom Binary Signals”,Journalof Hydraulic Engineering,Vol.134,No.6,June 2008,pp.858-864)。
无量纲阀打开系数π被定义为τ＝CdAV/(CdAV)s，其中下标s表示参考值，并且对应于排出阀200的打开程度。照此，τ扰动由阀打开状态测量装置280确定，阀打开状态测量装置280如前所述是测量活塞构件260的移动的LVDT，活塞构件260的移动对应于正被产生的输入压力信号。
在这种情况下，时变二进制信号是如上所述的MLBS类型的信号，但是不一定对应于图4所示的MLBS信号。如将意识到的，τ扰动500仅对应于如图6中描绘的脉冲形状600所示的、由排出阀在短暂的时间段内被启动而得到的离散脉冲，这些离散脉冲对应于τ扰动序列500的离散脉冲中的每个。
可以看出，图5所示的与早期布置相对应的当量的无量纲阀打开系数τ500或τ扰动的变化是由离散脉冲、而不是真实的MLBS信号组成的序列，如在图3中最佳地所见的，真实的MLBS由于信号在转变之间保持其电平而是连续的。这已经影响了这种类型的离散脉冲压力信号序列的可用性，因为相关的信号处理理论采取连续的MLBS信号，并且离散脉冲序列的频谱和自相关不同于用于系统识别的目的的连续MLBS的频谱和自相关，并且不像用于系统识别的目的的连续MLBS的频谱和自相关一样令人满意。
在另一个例子中，PBRS是逆向重复二进制序列(IRS)。IRS信号可以通过使MLBS信号(比如图3所示的MLBS信号)的每隔一个数字反转来获得。因此，IRS信号的周期是对应的MLBS的长度的两倍，并且在一个周期内，第二半是第一半的负数(反对称)。功率分布在基本频率fc/(2N)(其是对应的MLBS的基本频率的一半)及其奇次谐波处(在fc/2及其奇次谐波处功率额外地降低)。在频率零处没有功率，并且功率在产生频率fc及其谐波处朝向零下降。
IRS信号可以有利地用于抑制管线系统中的由于其反对称性而导致的非线性的影响，这导致在确定系统线性FRF的过程中取消非线性响应的大部分影响。非线性瞬态响应来源于非线性液压现象(比如非定常摩擦)和非线性液压组件(比如漏洞或孔口)。振荡阀类似于孔口，因为由于通过阀的流动和压力损失之间的关系是非线性的，所以它们是非线性液压装置。然而，在使用线性频域技术(比如传递矩阵法)对流体瞬态进行分析时，使用线性化来对振荡阀进行建模。
振荡阀的真实行为和线性化行为之间的差异可以被定义为“线性化误差”，该线性化误差与阀振荡(相对于平均开口)的相对振幅成比例。该“线性化误差”可以影响利用线性系统理论的FRF确定的准确度。这通常将指示阀振荡的相对振幅保持很小以避免显著的“线性化误差”及其在FRF确定中的负面影响。然而，IRS的使用使得阀能够在不一定降低FRF确定的准确度的情况下相对较大地振荡。
在非线性响应显著的情况下，这导致使用IRS进行FRF确定的两个潜在的益处。第一个是由于IRS的反对称性，非线性影响的大部分(包括来自“线性化误差”的那些)在系统线性FRF的确定中被抵消。第二个是关于其他技术可获得的较大的阀振荡将使信噪比增大，结果增强FRF确定。结果，IRS更适合于尤其是管线系统的FRF确定。
这些方面及其应用的进一步的讨论可以在以下文献中找到：Gong,J.、Simpson,A.R.、Lambert,M.F.和Zecchin,A.C.(2013b),“Determination of the linear frequencyresponse of single pipelines using persistent transient excitation:anumerical investigation”,J.Hydraulic Res.51(6),728-734；以及Gong,J.、Lambert,M.F.、Zecchin,A.C.和Simpson,A.R.(2011),“Frequency response measurement ofpipelines by using inverse-repeat binary sequences”,Proc.Int.Conf.CCWI 2011:Computing and Control for the Water Industry:Urban Water in Management-Challenges and Opportunities,Exeter,UK,883-888,D.A.Savic,Z.Kapelan,andD.Butler,eds.,University of Exeter,Exeter,UK，这些文献的内容整个地通过引用并入本说明书中。
现在参照图7，示出了根据说明性实施例的压力信号产生系统(比如图1所示的压力信号产生系统)的规范化或无量纲τ扰动700。在该例子中，规范化τ扰动700是连续IRS信号。如图7中所描绘的，规范化τ扰动被定义为(τ-τ0)/τ0，其中τ0是稳态振荡条件期间的τ的平均值，并且对应于阀的平均开口。照此，(τ-τ0)/τ0对应于激励管线系统的输入信号。规范化τ扰动是LVDT 280在产生压力信号期间从活塞构件260的测得的位移确定的。另外，可以定义阀振荡的规范化振幅Ain＝max(τ-τ0)/τ0。可以通过改变装阀端261的最大位移来调整该参数。
在该说明性实施例中，装阀端261可用螺丝拧紧地连接到活塞构件260，使得装阀端261可以被进一步拧到活塞构件上，结果，调整其有效长度和其最下端的位置，并且改变装阀端261的有效冲程和排出阀移动的振幅。
以图1中描绘的压力信号产生系统100作为例子，第一螺线管240根据来自控制器300的控制信号作用以在关闭阀段223的一个方向上将活塞构件260、继而装阀端261驱动到第一阀打开状态，在第一阀打开状态下，排出阀200处于部分地或完全地关闭的位置上，而第二螺线管250根据来自控制器300的控制信号在相反方向上将活塞构件260驱动到第二阀打开状态，在第二阀打开状态下，排出阀200部分地或完全地打开。在对应于二进制信号(比如图3所示的MLBS信号)的激励信号的产生中，螺线管240、250中只有一个被启动，导致当相应螺线管被启动时二进制状态得以保持。
与提供对排出阀200的打开程度的动态控制以在(在该例子中)基本打开状态到部分关闭状态之间选择性地改变排出阀一样，装阀布置290提供比具有单个回位弹簧的单螺线管系统短得多的响应时间。作为例子，最大响应时间(用于使活塞构件260行进2.5mm的全冲程的时间)大约为3ms，即，排出阀能够在大约3ms的时间内在阀打开状态之间转变。
如前面已经描述的，活塞构件260可以被驱动到完全地或部分地关闭的位置以限定排出阀200的阀打开状态中的一种阀打开状态，并且类似地活塞构件260可以被驱动到完全地或部分地打开的位置以限定排出阀的第二阀打开状态。以这种方式，排出阀移动的振幅可以被改变以改变正被产生的压力信号的振幅。在图7所示的情况下，排出阀200在打开状态到部分关闭状态之间振荡，在打开状态下，排出阀完全打开，在部分关闭状态下，排出阀未被完全关闭。如将意识到的，完全关闭的排出阀200可以根据构造在管线系统中引入增大的压力变化，导致可能从管线系统产生非线性响应。
就二进制信号(比如PRBS或IRS信号)来说，只有当在序列的二进制值中存在移位时，活塞构件260才移动。当二进制序列从1变为0时，螺线管240将阀布置290从完全打开驱动到部分关闭，并且排出阀200一直到二进制值变回到1都保持部分关闭，这触发螺线管250完全打开排出阀200。作为例子，如果二进制序列为“1101”，则排出阀200将在头两个时钟周期保持打开，在第三个时钟周期内变为部分关闭，然后打开并且一直到遇到另一个“0”都保持打开。
如将意识到的，本方法和系统不限于基于二进制信号的激励信号的产生，而是可以被构造为通过以下方式来产生具有各种波形的信号，即，动态地控制排出阀200的打开程度以在多个阀打开状态之间改变排出阀，从而产生具有期望特征的压力波。虽然压力信号产生系统100主要是针对二进制信号的产生，但是不一定需要快速转变的其他实施例可以基于电子线性致动器、步进电机、语音线圈或等同的电子致动装置来改变活塞构件260的位置，结果控制排出阀的打开程度以在多个阀打开状态之间选择性地改变排出阀。
在一个实施例中，可以通过利用与波形上的位置相对应的若干个阀打开状态来产生具有预定频率和振幅的周期性波形。在一个例子中，可以增加阀打开状态的数量以根据需要实现基本上平滑变化的信号。周期性波形的例子包括但不限于，正弦曲线形、三角形、正方形或锯齿形。在另一个例子中，周期性波形可以由重复的不规则形状组成。波形的选择取决于管线系统的应用和性质。在一个非限制性例子中，将选择正弦曲线波来提取特定频率处的频率响应。在另一个例子中，可以设计定制波形来仅激励管线系统的选定的共振频率。
在另一个实施例中，可以产生具有非周期性波形的激励信号，比如啁啾信号。
在又一个实施例中，可以产生再现或对应于在管线系统中通常将遇到的液压噪声的压力信号。部分打开的阀类似于漏洞，并且将在管线系统中引入液压噪声(宽带静止压力信号的形式)。液压噪声可以用于进行管线系统的系统识别。在该例子中，压力信号产生系统100可以被构造为产生对应于不同阀打开状态的多个可选噪声级之间的液压噪声。
本方法和系统可以与位于管线系统上的压力测量装置组合来测量由所产生的激励信号引起的压力变化。在一个例子中，可以基本上在与排出阀200通过使用装配到管线系统的压力换能器而被安置的位置相同的位置处测量管线系统中的所导致的压力变化。
申请人已经进行了若干个实验来验证上面的压力信号产生系统对于表征管线系统的频率响应函数(FRF)的任务的有效性。
现在参照图8，示出了包括管线810的管线系统800的示意图，在该例子中，管线810由铜制成，并且具有37.5m的长度和22mm的内径。管线810在一端以关闭的直通阀830为边界，而在另一端以具有38.50m的头部的加压槽820为边界，从而形成蓄水池-管线-阀(RPV)类型的管线系统。对于RPV系统，阀的上游侧是最佳的激励和观察点。压力信号产生系统100位于关闭的直通阀830的上游145mm处，从而具有高于管线的上游端2.0mm的高度。
管线系统800的头部或压力响应是由压力换能器850在压力信号产生系统100的上游测得的，在该例子中，压力换能器850是通过插入在管系统内的黄铜块而被安装在管线810上的DruckTM PDCR 810压力换能器。压力换能器850的感测表面附连到水，并且与管线810的内管壁齐平。压力换能器850的测得输出连接到数据采集和处理系统1500，在该实施例中，数据采集和处理系统1500包括定制的放大器和数据采集卡(未示出)，在该例子中，数据采集卡是Measurement ComputingTM USB-1608FS。压力信号产生系统100的阀打开状态测量装置或LVDT的输出也被数据采集卡记录。数据采集由安装在膝上型计算机上的LabViewTM软件控制，并且以5kHz的采样频率发生。如将意识到的，可以利用其他定制的数据处理和采集设置。
对管线系统800利用相对无量纲阀扰动或排出阀振幅Ain的振幅范围进行了三个个案研究。在每个个案研究中，既使用MLBS输入信号，又使用IRS输入信号，并且估计管线的实验FRF并将该实验FRF与理论上的线性理论FRF进行比较，理论上的线性理论FRF是从传递矩阵法确定的。重复性可以通过在每个个案研究中进行多个测试得到确认。在该例子中，当压力信号产生系统100的侧排出阀200完全打开时，流过排出阀200的稳态流动为7.4×10-5m3/s，等于大约4268的雷诺数，暗示流动体制对应于平滑管紊流。结果，在数值仿真中使用频域非定常摩擦模型来推导理论FRF。
在所进行的实验研究中，每个单个的试验持续10分钟。头几秒数据是在稳态下测得的(其中排出阀200打开)以观察系统的初始稳态头部变化。然后，开始IRS或MLBS激励信号产生。在该例子中，MLBS是由10级移位寄存器基于100Hz的时钟频率产生的，该时钟频率导致周期为10.23s。IRS是通过使MLBS翻倍并且使每隔一个数字反转以使得IRS的周期为20.46s而获得的。MLBS和IRS的带宽(其中信号的功率降至最大值的一半)都为44.3Hz。
加压槽820中的压力在IRS或MLBS压力信号产生开始大约150s之后变得相对稳定。这是槽上的压力调节器适应排出阀200在生成IRS或MLBS信号中的操作所施加的新条件所需的时间，该压力调节器通过输入和释放压缩空气来使槽中的压力保持为预定义的值。结果，在实验FRF估计的过程中，移除每个测试中的头245.52s的数据(等同于MLBS的24个周期或IRS的12个周期)以确保FRF计算中所用的数据在稳态振荡流动条件下。
个案研究NO.1——输入压力信号振幅Ain≈0.5
排出阀200的排水量是在每个测试期间使用容积法测得的。在该个案研究中，当阀在其最大程度关闭的位置处时的稳态排出量为2.7×10-5m3/s，并且在MLBS或IRS激励期间阀的平均排出量被测得为4.8×10-5m3/s。表征管线流动中的摩擦损失的Darcy-Weisbach摩擦因子通过平均排出量被估计为0.04，并且该数字被用于使用传递矩阵法来确定理论线性FRF。
图7中示出了用于该个案的规范化IRSτ扰动700(即，对应于输入激励信号)，图9中示出了对应的头部扰动(测得的输出压力)900。可以看出，图7中描绘的测得阀扰动700遵循IRS模式，但是由于排出阀200的力学，具有小的变化。这些小的变化被认为是FRF确定中的输入信号的一部分，所以由它们造成的影响并不显著。测得头部响应900示出了时域中的几乎不可见的结果，并且最大幅度大约为±28m。
现在参照图10，示出了规范化τ扰动700的功率谱1000，该功率谱示出了所包括的频率分量和它们的强度。注意，对于IRS信号，理论上，功率在时钟频率的一半处变为零。可以看出，测得功率谱1000在50Hz处非常低(时钟频率为100Hz)，这与理论是一致的。图11示出了测得输出压力900的功率谱1100，并且展示了管线系统800的频率响应在基本频率的奇次谐波处达到峰值，并且进一步展示了头三个谐波处的响应相对较强。
现在参照图12，示出了与理论线性系统FRF 1230相比的管线系统FRF的比较绘图1200，管线系统FRF是使用线性系统理论从在IRS 1210和MLBS 1220实验测得的数据确定的。每个FRF通过将它除以第一共振频率周围的对应的峰值而被规范化。水平轴通过将频率值除以管线系统800的基本频率而被规范化，从提取的FRF被估计为8.94Hz。
从图12显而易见的是，实验FRF结果1210、1220示出了当与平滑理论线性FRF 1230相比时的显著变化。在从MLBS 1220确定的实验FRF中，第三个峰大于第二个峰，而理论FRF示出第三个峰应是最小的一个。这是重要的，因为共振响应的相对大小在基于FRF的管线泄漏或堵塞检测中是重要的。具有这样的变化程度的实验FRF作为结果将预期会降低该设置在故障检测中的有效性。这些变化的主要来源归因于与压力信号产生系统100相关联的非线性。在该个案研究中，规范化τ扰动(Ain)的振幅大约为0.5，这预期会在线性化频域分析中引入显著的线性化误差，因为用于振荡阀的线性化传递矩阵对于小的阀扰动仅仅是一阶准确度，假定Ain远小于1。
通过图12的检查可以确定，从所产生的IRS信号(即，1210)确定的FRF在与使用相同的实验设备和相同的FRF计算算法从所产生的MLBS信号(即，1220)获得的FRF相比时平滑得多。另外，来自IRS信号的FRF中的共振频率更接近于预期的理论共振频率。如前面所讨论的，输入压力信号中的唯一不同之处在于，IRS信号是反对称的，而MLBS不是反对称的。两个实验FRF之间的差异指示输入信号的性质可以影响对管线系统提取的最后的FRF，并且进一步指示在这些情况下IRS信号对于估计管线系统的线性系统FRF来说是更好的。
个案研究NO.2：输入压力信号振幅Ain≈0.2
在第二个个案研究中，减小压力信号产生系统100的排出阀200中的活塞构件260的最大容许位移以使预期非线性影响变小。当排出阀200在其最大程度关闭的位置处时的稳态排出量为5.9×10-5m3/s，并且在稳态振荡流动条件下，阀的平均排出量为6.5×10-5m3/s。Darcy-Weisbach摩擦因子为0.041。图13和14中分别示出了关于该设置的、规范化IRSτ扰动(输入压力信号)1300和头部中的对应的测得变化(输出压力信号)1400。
从图14可以看出，头部扰动1400的最大幅度减小到大约±11m，清楚地指示PRBS激励(比如通过使用输入IRS或MLBS信号)下的头部扰动的幅度可以通过改变Ain的值来控制。因此，Ain是可以被调整以降低损坏正被表征的管线系统的风险的参数。
确定由IRS信号1510和MLBS信号1520诱导的实验FRF，并且在类似于图12的图15所示的比较绘图1500中将该实验FRF与理论线性FRF 1530进行比较。个案研究No.2中的阀振荡的振幅比个案研究No.1中的阀振荡的振幅小得多，并且从理论考虑将预期由排出阀200引入的非线性应更小。如图15所示的个案No.2的结果示出就峰值和共振频率而言两个实验FRF(即，IRS 1510和MLBS 1520)都接近于理论线性结果1530，并且进一步示出它们比如图12所示的个案研究No.1中的那些平滑得多。
该发现确认个案研究No.1中的频率响应的显著变化是由系统的非线性响应引入的。它还提供了排出阀扰动的振幅可以显著地影响FRF估计的准确度的实验验证，因为阀扰动中的较小的振幅得到线性FRF的更好的估计(其中变化较小)。与个案研究No.1一样，使用IRS 1510提取的实验FRF比MLBS 1520引入的FRF一致得多，再次验证基于IRS的压力信号的使用提供与通过使用基于MLBS的压力信号获得的管线系统的线性动态的估计相比得到改进的估计。
个案研究NO.3：输入信号振幅Ain≈0.06
第三个个案研究是在阀扰动的振幅更小(Ain≈0.06)的情况下考虑的。当排出阀200在其最大程度关闭的位置处时的稳态排出量为7.0×10-5m3/s，并且在稳态振荡流动条件下，排出阀200的平均排出量为7.2×10-5m3/s。Darcy-Weisbach摩擦因子为0.04。图16和17中分别示出了该个案研究中的规范化IRSτ扰动(输入压力信号)1600及其对应的头部扰动(输出压力信号)1700。
在第三个个案研究中，如图17所示的头部扰动的最大幅度进一步减小到大约±3m。在图18所示的比较绘图1800中将通过使用IRS信号1810和MLBS信号1820确定的实验FRF与理论FRF 1830进行了比较。
与在如图15所示的个案研究No.2中获得的FRF结果相比，图18所示的两个实验FRF结果1810、1820示出与理论FRF 1830的差异更大。除了在该个案中因为Ain小而相信是轻度的非线性的影响之外，实验FRF中的误差被认为与该设置中的低信噪比(SNR)有关。测量噪声主要来自于管线系统中的由在排出阀200处创建的紊流而导致的背景压力波动。当排出阀200完全打开并且保持完全打开时，通过压力换能器850观察到的背景压力波动在幅度上大约为±1m。在比较中，如图17所示的在个案研究No.3中观察到的测得的瞬态压力波(由排出阀200诱导)仅约为±3m。在由IRS信号1810得到的实验FRF中，在50Hz处观察到尖峰。这是错误响应，该错误响应归因于如图10中所讨论的IRS在该频率处的信号功率低(因此SNR低)。
图8中描绘的在上面的个案研究中测试的管线系统表征设置仅仅是根据上面的实施例的压力信号产生系统可以被有利地利用的一种类型的设置。在该特定设置中，所述三个个案研究的实验结果验证了较大的相对阀扰动对管线系统引入了更大的非线性，并且进一步验证了IRS信号的使用所得到的管线的线性FRF的估计好于使用其中非线性影响显著的MLBS信号。因为线性系统确定的FRF通常是在现有的基于FRF的管线完整性评估技术(比如泄漏、离散堵塞和延伸堵塞的检测)中指示的，所以IRS信号的使用一般是针对提取管线系统的线性系统FRF指示的。IRS信号的反对称性使得管线系统的非线性响应的一部分能够在输入和输出压力信号的互相关函数的计算中被抵消。
泄漏检测的应用
图12、15和18所示的确定的FRF可以用于使用泄漏检测技术来确定泄漏的压力和位置，所述泄漏检测技术利用头三个共振峰的相对大小来确定无量纲泄漏位置。当FRF用第一个共振峰规范化(即，第一个峰被设置为单位一)时，泄漏检测算法可以被写为：
Figure BDA0001590081530000141
其中
Figure BDA0001590081530000142
是无量纲泄漏位置，并且其中
Figure BDA0001590081530000143
和
Figure BDA0001590081530000144
是规范化频率响应在第二个和第三个共振峰(这些共振峰是管线的基本频率的第三个和第五个谐波)处的值。
压力信号产生系统100对于泄漏的检测和定位的应用是使用图8所示的管线系统检查的。具有2mm的直径的自由排出孔口位于槽820下游31.21mm处以模拟泄漏。被定义为泄漏和槽到管线的总长之间的距离比的无量纲泄漏位置被计算为
Figure BDA0001590081530000145
现在参照图19，输入压力信号是基于具有振幅Ain≈0.2的IRS信号产生的，然后确定实验FRF 1910。可以看出，实验FRF 1910接近于如在非定常摩擦的情况下从传递矩阵法推导的理论线性FRF 1920。
通过检查图19，
Figure BDA0001590081530000146
因为
Figure BDA0001590081530000147
所以这指示峰值位置
Figure BDA0001590081530000148
结果，如从上面的方程确定的实验峰位置为0.8115，这在与真实位置0.8316相比时具有0.02的绝对误差。这些结果指示根据上述实施例的压力信号产生系统能够在准确泄漏检测的准确度足够的情况下提取管线系统的线性系统FRF。如将容易意识到的，通过在管线系统中的单个位置处产生并且测量压力信号来检测并且定位管线系统中的泄漏的能力意味着管线系统的详尽检查不是必需的或者可以使管线系统的检查变窄到某个范围的位置。
如将意识到的，FRF是可以被确定的一种类型的系统响应函数。在其他实施例中，脉冲响应函数(IRF)也可以使用系统识别理论从输入信号和输出信号确定。因为输出压力信号等于输入信号和IRF之间的卷积，所以计算IRF的一种可能的方法是采用去卷积过程。因为IRF是FRF的时域表示，所以IRF也可以通过对确定的FRF执行傅立叶逆变换计算得到。
本领域技术人员将进一步意识到，结合本文所公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或指令或这二者的组合。为了清楚地例示说明硬件和软件的这个可交换性，各种说明性组件、块、模块、电路和步骤已经在上面就它们的功能性进行了大体描述。这样的功能性是实现为硬件、还是软件取决于应用和对整个系统施加的设计约束。如将意识到的，所描述的功能性对于每个特定应用可以是不同的方式，但是这样的实现决策不应被解释为引起背离本公开的范围。
在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”及其变型将被理解为暗示包括所陈述的一个整数或一组整数，但不排除任何其他的一个整数或一组整数。
本说明书中对任何现有技术的论述不是，并且不应被看作是，承认这样的现有技术形成公知常识的一部分的任何形式的建议。
本领域技术人员将意识到，本公开在其使用上不限于所描述的特定应用。本发明在其优选实施例中也不受到关于其中所描述的或所描绘的特定元件和/或特征的限制。将意识到，本发明不限于所公开的一个实施例或多个实施例，而是在不脱离权利要求书所阐述和限定的本发明的范围的情况下，能够有许多重排、修改和替换。

Claims (17)

1.一种用于产生包含加压流体的管线系统中的压力信号的系统，包括：
排出阀，所述排出阀与所述管线系统的所述加压流体流体连通，以使得来自所述管线系统的流体能够排出；以及
电子控制器，所述电子控制器动态地控制所述排出阀的打开程度，以在多个阀打开状态之间选择性地改变所述排出阀，从而产生所述管线中的压力信号，其中，所述多个阀打开状态包括第一部分阀打开状态和第二部分阀打开状态，并且其中，所述第一部分阀打开状态与所述第二部分阀打开状态之间的差异被控制以调整排出阀移动的规范化振幅Ain，所述规范化振幅由Ain＝max(τ-τ0)/τ0定义，其中τ和τ0分别是由所述排出阀的打开程度确定的扰动和平均扰动。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述排出阀根据时变信号被控制以从所述第一部分阀打开状态变为所述第二部分阀打开状态。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述时变信号是二进制信号。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述二进制信号是伪随机二进制序列(PRBS)。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述伪随机二进制序列是最大长度二进制序列(MLBS)。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述伪随机二进制序列是逆向重复二进制序列(IRS)。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述排出阀被控制以产生多个可选噪声级之间的液压噪声。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述排出阀根据周期性波形被控制以在所述多个阀打开状态之间改变。
9.一种用于流体管道的排出阀，所述排出阀是可根据控制信号动态地控制以在多个阀打开状态之间改变的，所述排出阀包括：
外体；
在所述外体内可往复移动的活塞构件，所述活塞构件具有装阀端，所述装阀端可操作来中断所述流体管道中的流体流动；
致动布置，所述致动布置根据所述控制信号来驱动所述活塞构件，以在所述多个阀打开状态之间选择性地改变所述排出阀以动态地控制所述排出阀的打开程度，其中，所述多个阀打开状态包括第一部分阀打开状态和第二部分阀打开状态，并且其中，所述第一部分阀打开状态与所述第二部分阀打开状态之间的差异被控制以调整排出阀移动的规范化振幅Ain，所述规范化振幅由Ain＝max(τ-τ0)/τ0定义，其中τ和τ0分别是由所述排出阀的打开程度确定的扰动和平均扰动。
10.如权利要求9所述的排出阀，其中所述致动布置包括第一螺线管和相关联的回位偏置手段以及第二螺线管和相关联的回位偏置手段，所述第一螺线管和相关联的回位偏置手段将所述活塞构件驱动到所述第一部分阀打开状态，所述第二螺线管和相关联的回位偏置手段将所述活塞构件驱动到所述第二部分阀打开状态。
11.如权利要求10所述的排出阀，其中所述第一部分阀打开状态和所述第二部分阀打开状态之间的排出阀转变时间具有3ms的最大值。
12.如权利要求9至11中任一项所述的排出阀，其中所述排出阀根据伪随机二进制序列在所述第一部分阀打开状态和所述第二部分阀打开状态之间转变。
13.一种用于确定管线系统的系统响应函数的系统，包括：
排出阀，所述排出阀与所述管线系统的加压流体流体连通以使得来自所述管线系统的流体可以排出；以及
电子控制器，所述电子控制器动态地控制所述排出阀的打开程度以在多个阀打开状态之间选择性地改变所述排出阀，从而产生所述管线中的输入压力信号，其中，所述多个阀打开状态包括第一部分阀打开状态和第二部分阀打开状态，并且其中，所述第一部分阀打开状态与所述第二部分阀打开状态之间的差异被控制以调整排出阀移动的规范化振幅Ain，所述规范化振幅由Ain＝max(τ-τ0)/τ0定义，其中τ和τ0分别是由所述排出阀的打开程度确定的扰动和平均扰动；
一个或更多个压力测量装置，所述一个或更多个压力测量装置测量时变压力响应信号，所述时变压力响应信号是由所述输入压力信号与所述管线系统的相互作用得到的；以及
数据采集和处理系统，所述数据采集和处理系统基于测得的时变压力响应信号来确定所述管线系统的所述系统响应函数。
14.如权利要求13所述的用于确定管线系统的系统响应函数的系统，其中所述电子控制器根据伪随机二进制序列控制所述排出阀在所述第一部分阀打开状态到所述第二部分阀打开状态之间改变。
15.如权利要求13至14中任一项所述的用于确定管线系统的系统响应函数的系统，其中所述数据采集和处理系统确定所述管线系统的频率响应函数。
16.如权利要求13至14中任一项所述的用于确定管线系统的系统响应函数的系统，其中所述数据采集和处理系统确定所述管线系统的脉冲响应函数。
17.一种用于产生包含加压流体的管线系统中的输入压力信号的方法，包括：
提供排出阀，所述排出阀与所述管线系统的所述加压流体流体连通以使得来自所述管线系统的流体可以排出；以及
动态地控制所述排出阀的打开程度以在多个阀打开状态之间选择性地改变所述排出阀，从而产生所述管线中的输入压力信号，其中，所述多个阀打开状态包括第一部分阀打开状态和第二部分阀打开状态，并且其中，所述第一部分阀打开状态与所述第二部分阀打开状态之间的差异被控制以调整排出阀移动的规范化振幅Ain，所述规范化振幅由Ain＝max(τ-τ0)/τ0定义，其中τ和τ0分别是由所述排出阀的打开程度确定的扰动和平均扰动。
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