CN114413183B - 基于球形内检测器的管道泄漏定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于球形内检测器的管道泄漏定位方法，所采用的球形内检测器，包括水密球壳，至少两个麦克风、麦克风支架、功能电路板、电源模块和信号发射装置，所采用的定位系统包括球形内检测器，GPS模块，信号接收装置和上位机，球形内检测器,包括水密球壳，至少两个麦克风和信号发射装置；在水密球壳的赤道面或赤道面附近设置有配重，使得球形内检测器在管道内滚动时与管道内壁的接触点位于赤道面上；麦克风，有一个位于或靠近水密球壳的赤道的中心，称其为中心麦克风，其他的位于或靠近水密球壳的赤道；所述的管道泄漏定位方法包括：球形内检测器对管网中的泄漏管道段的定位、泄漏点在管网单节管道段的轴向定位两部分。

Description

基于球形内检测器的管道泄漏定位方法

技术领域

本发明涉及一种管道泄漏检测系统。

背景技术

水管道作为城市最大的管网系统之一，遍布城市各处。其供水和排水的稳定性也是满足市民生活质量的重要保证。随着管道的广泛使用，一方面管道数量逐年增加，另一方面管道老化腐蚀严重，泄漏事故时有发生。管道一旦发生泄漏，将造成严重的环境污染、经济损失和人员伤亡。因此，对管道泄漏进行检测，尤其是对早期小泄漏进行检测和定位非常有必要。

声学泄漏检测法是目前管道泄漏检测应用最广泛的方法。人们早期利用突发性大泄漏引起的负压波检测和定位泄漏。但是基于负压波的方法不能检测连续泄漏和小泄漏。非负压波的声学泄漏检测方法的优点是可以检测到连续的泄漏，缺点是能够有效监测的管道很短，因为声波在管道中传播过程中衰减很快、传播距离很短。沿管道密集安装声音传感器是不现实的，成本太高、施工不便。

管道球形内检测器通过增加配重，可以在管道内定轴稳定滚动^[1]，在靠近管壁泄漏点时记录泄漏声音，检测完毕后从管道内取出移动式传感器，下载数据、分析数据、识别泄漏声，即可实现泄漏检测。由于检测时，传感器距离漏点很近，这种方法的检漏灵敏度比较高，并且在管道不易卡堵，收发球方便。

近些年来，国内学者发现，利用球形空气腔共振原理可以提高检测的灵敏度，研究出了基于共振空气腔的新型水听器^[2]，但还未将其应用于球形内检测器以提高城市供水和排水管道泄漏检测的灵敏度。已有的球形内检测器将各种检测设备放置于球形内检测器的球腔内部，不存在空气腔共振^[3]。目前应用于城市供水和排水管道泄漏检测球形内检测器仍存以下两个问题：一是检测灵敏度不够高，不能满足微小泄漏检测需求。二是泄漏点的定位不准，包括管网区间定位不准、单条管道轴向定位不准、某一截面环向角位置定位不准，增加了现场开挖维修的成本。因此，本专利提出一种低成本高灵敏度的管道泄漏检测器及定位装置，可用于管道微小泄漏检测。

参考文献

[1]黄新敬,李赞,封皓,李健,郭霖.一种海底管道竖向弯曲检测方法[P].中国：CN111060058B,2021-04-13.

[2]黄新敬,李赞,李健,封皓,陈世利,王欣.一种基于共振空气腔的新型水听器[P].中国：CN110657880A,2020-01-07.

[3]陈世利,郭世旭,靳世久,李一博,李健.检测输油管道泄漏的球形内检测器[P].中国：CN202361085U,2012-08-01.

发明内容

本发明的目的是提出一种低成本高灵敏度的管道泄漏定位方法。技术方案如下：

一种基于球形内检测器的管道泄漏定位方法，所采用的球形内检测器，包括水密球壳，至少两个麦克风、麦克风支架、功能电路板、电源模块和信号发射装置，所采用的定位系统包括球形内检测器，GPS模块，信号接收装置和上位机，其特征在于，

所述的球形内检测器,包括水密球壳，至少两个麦克风、麦克风支架、功能电路板、电源模块和信号发射装置；水密球壳内部为空气球腔，在水密球壳的赤道面或赤道面附近设置有配重，使得球形内检测器在管道内滚动时与管道内壁的接触点位于赤道面上；麦克风，有一个位于或靠近水密球壳的赤道的中心，称其为中心麦克风，其他的位于或靠近水密球壳的赤道；麦克风支架，用于固定麦克风；功能电路板，包括主MCU、数据采集模块、无线传输模块、加速度计以及磁力计；信号发射装置，包括发射压电陶瓷传感器和信号发生与驱动电路,所述的信号发生与驱动电路包括信号发生部分和驱动部分，信号发生部分用于产生信号源，驱动部分用于将信号源放大；通过无线传输模块将各个麦克风所采集到的声压信号、磁力计所测得的管道磁信号以及加速度计所测得球形内检测器的加速度信号传输到上位机；

GPS模块，用于对信号发射装置和信号接收装置进行时间校准，使二者时钟与GPS时间保持同步；

信号接收装置被置于泄漏管道段的外壁，通过有线或无线通讯方式与上位机连接，信号接收装置包括接收压电陶瓷传感器和信号采集调理电路；经过GPS模块的时间校准后，信号发射装置的信号发生与驱动电路输出的信号源放大信号接入发射压电陶瓷传感器，发射压电陶瓷传感器用于发射超声脉冲信号，实现声信号发射的功能；接收压电陶瓷传感器将接收到的来自发射压电陶瓷传感器的声信号转化为电信号，并通过信号采集调理电路进行放大、滤波再放大的信号处理后，传输到上位机；

所述的管道泄漏定位方法包括：球形内检测器对管网中的泄漏管道段的定位、泄漏点在管网单节管道段的轴向定位两部分，步骤如下：

(一)球形内检测器对管网中的泄漏管道段的定位，方法如下：

第1步：获取管网信息，并将管网中的每个管道段编号；

第2步：计算管网中每个管道段的轴向磁屏蔽系数λ_a和径向磁屏蔽系数λ_r，设有限长度直管道的轴向磁屏蔽系数λ_a为1，利用公式(1)计算有限长度直管道的径向磁屏蔽系数λ_r：

其中，

μ_r为管道材料的相对磁导率，d为管壁厚度，D为管道的截面直径，T为管道长度和截面直径的比值；

第3步：由于配重的存在，球形内检测器在管道内绕赤道面法线方向上通过球心的定轴滚动，设定轴为y轴，利用公式(4)提前出计算管网中每个管道段的磁场B_c并得到y轴磁场分量：

其中，B₀为地磁场，B_c为所计算磁场，θ为管道倾角，为管道的实际方位角。

第4步：将球形内检测器放入管网内，在管道内流体的推动下运行至少一周，磁力计所测得的管道的y轴磁场分量通过无线传输模块将其传输到上位机；同时将各个麦克风所采集到的声压信号也传输到上位机；

第5步：在球形内检测器运行的过程中，若某管道段的管道出现泄漏，上位机根据中心麦克风或其他麦克风所采集到的声压信号检测到泄漏点的存在，得到球形内检测器检测到的泄漏时刻，通过上位机处理磁力计的磁信号得到泄漏时刻磁力计所测得的管道磁信号的y轴磁场分量，将泄漏时刻的管道磁信号的y轴磁场分量与提前计算好的管网中管道段磁信号的y轴磁场分量依次对比，差值最小的即为泄漏管道段，执行下面的步骤(二)；

(二)泄漏点在管网单节管道段的轴向定位，方法如下：

第1步：在将球形内检测器放入泄漏管道段前，用GPS模块输出的秒脉冲信号与球形内检测器信号发射装置和信号接收装置预留的中断通信接口有线连接，进行时间校准，使二者时钟与GPS时间保持同步；

第2步：时间校准后，信号发射装置的信号发生与驱动电路产生信号源，信号源经驱动电路放大信号幅值后接入发射压电陶瓷传感器，发射压电陶瓷传感器每隔一段时间发射一串超声脉冲信号，实现声信号发射的功能；

第3步：将接收压电陶瓷传感器置于泄漏管道段外壁，接收压电陶瓷传感器将接收到的声信号转化为电信号，并通过信号采集调理电路进行放大、滤波再放大的信号初步处理，最终将初步处理的信号上传到上位机

第4步：球形内检测器通过无线传输模块将中心麦克风检测到的声压信号传输到上位机，上位机根据此声压信号的幅值判断是否存在泄漏，确定泄漏信号时刻t，并利用公式(5)计算泄漏信号时刻球形内检测器与接收压电陶瓷传感器之间的距离x，由此定位到泄漏点相对于管道上接收压电陶瓷传感器的轴向位置：

其中，t₁和t₂是接收压电陶瓷传感器接收到相邻两次有效超声脉冲信号的到达时刻，且泄漏信号时刻t处于此两个相邻的到达时刻之间，x1和x2为对应t₁和t₂时刻球形内检测器距离接收压电陶瓷传感器的距离。

进一步地，在水密球壳外层设置有弹性多孔球形包裹壳，在弹性多孔球形包裹壳外表面分布有与外界连通的均匀分布的小球腔，用于在减振的同时增大结构的透声性。

进一步地，在水密球壳的赤道面或赤道面附近分布有用来放置作为配重的金属块的孔洞或凹槽。

进一步地，在水密球壳的赤道面或赤道面附近设置有环形槽，在环形槽内设置有用来作为配重的金属环。

进一步地，所述的球形内检测器整体为椭球形，椭球面由一个圆弧线围绕长轴旋转而形成，圆弧的半径等于管道内半径，长轴为椭球体在管道内滚动时的旋转轴，赤道面位于椭球体的短轴上，椭球体弧面与管道壁贴合，从而使得球形内检测器能够沿着椭球体长轴滚动。

进一步地，麦克风支架包括三个相互成直角且共端部的长条，三个长条的共同端部位于水密球壳的中心或靠近中心的位置，每个长条的另一个端部均分布在赤道面上或赤道面附近；在长条的共同端部设置有麦克风，在每个长条的另一个端部均设置有麦克风，即在球形内检测器的中心或靠近中心处以及x、y、z轴的各端放置有一个麦克风，四个麦克风依次称为所述的中心麦克风、第二、第三和第四麦克风，此种方案，所述的管道泄漏定位方法还可以包括泄漏点在泄漏管道段的管壁上的环向定位，步骤如下：

第1步：记管道的坐标系为O-XYZ，球形内检测器的坐标系为O1-X1Y1Z1，管道坐标系O-XYZ的原点O固定在球形内检测器的原点O1处，球形内检测器的前进方向定为X轴，令Z轴竖直向上，则Y轴根据右手系关系得出；此坐标系不随球形内检测器旋转；球形内检测器内部固定的四个麦克风，中心麦克风在球形内检测器的原点O1处，第二麦克风在X1正方向，第三麦克风在Y1正方向，第四麦克风在Z1正方向；加速度计固定在球形内检测器外部、Y1正方向，记加速度计的坐标系为O2-X2Y2Z2，O2为加速度计的中心，X2、Y2、Z2与X1、Y1、Z1方向相同，由于搭载配重，球形内检测器在管道中能够稳定地绕Y1轴做定轴滚动，且滚动时Y、Y1、Y2轴重合；

第2步：计算声源相对于球形内检测器的位置：第二、第三、第四麦克风处的声压通过无线传输模块传输到上位机，从上位机得到第二、第三、第四麦克风处的声压为A₁、A₂、A₃，在第一阶共振频率的情况下，向量A₁＝(A₁,0,0)、A₂＝(0,A₂,0)、A₃＝(0,0,A₃)的终点与O1位于同一球面上，且此球面球心坐标为(A₁/2,A₂/2,A₃/2)，利用公式(6)计算声源与X1轴、Y1轴、Z1轴夹角α、β、γ分别为

第3步：计算声源相对于管道的位置：设加速度计获得的X2轴和Z2轴的数据分别为a_x和a_z，那么X2轴和X轴的夹角θ＝arctan(a_z/a_x)，也即X1轴与X轴、Z1轴与Z轴的夹角；所以声源与X轴、Y轴、Z轴夹角分别为α+θ、β、β+θ。

附图说明

图1为本发明实施例1的水密球壳内部结构示意图，此结构内部球腔完整，外置金属块

图2为本发明实施例1的水密球壳外观示意图

图3为本发明水密球壳加麦克风支架结构示意图

图4为本发明弹性多孔球形包裹壳结构示意图

图5为本发明GPS同步发射接收时钟示意图

图6为本发明球形内检测器示踪定位原理示意图

图7为本发明球形内检测器在管道内定轴滚动示意图

图8为本发明管道与球形内检测器坐标定义示意图

图9为本发明球形内检测器内部声场示意图

图10为本发明实施例2的水密球壳结构示意图，此结构内部球腔完整，外置金属环

图11为本发明实施例3的水密球壳结构示意图，此结构内部球腔不规则，内置金属块

图12为本发明实施例4的水密球壳结构示意图，

图13为本发明实施例5的水密球壳结构示意图

图中：1-水密球壳一，2-水密球壳结构一内部空气球腔，3-水密球壳二，4-水密球壳一配重方孔，5-配重金属块，6-赤道面凹槽，7-麦克风支架，8-第二圆柱空腔凸台(放置声信标)，9-第一圆柱空腔凸台(放置功能电路板、电源模块)，10-功能电路板，11-电源模块，12-声信标模块发射压电陶瓷传感器，13-半球凸台，14-O型圈槽，15-信号发生与驱动电路，16-凸台端盖，17-弹性多孔球形包裹壳壳内球腔，18-水密球壳三，19-水密球壳二配重方孔，20-环形槽，21-金属环，22-非完整空气球腔，23-弹性多孔球形包裹壳，24-椭球体结构，25-管道，26-椭球体球壳内部水密球壳，27-椭球体球壳壁，28-电路板支架，29-端盖，30-椭球型结构配重，31-硅麦克风，32-第一麦克风，33-第二麦克风，34-第三麦克风，35-第四麦克风

具体实施方法

结合附图对本发明作进一步说明，具体如下：

实施例一

1.球形内检测器设计及元件布局方法

图1中1为该球形内检测器的水密球壳一，该球壳由3D打印的树脂或尼龙半球壳以槽对接并采用UV胶粘和构成。在距水密球壳的赤道面一段距离处有对称分布的若干个方孔4，用来放置配重金属块5，配重金属块的材料可以为铜、钢、钨、铅等。放置金属块的目的一是用来给球形内检测器配重，使得整个球形内检测器的平均密度大于水的密度，在滚动过程中可以沉在管道底部；二是为了提高球形内检测器围绕赤道面法线方向的转动惯量，使球形内检测器在管道内稳定滚动的转轴是沿赤道面法线方向的，并且没有相对管壁的滑动。

水密球壳内部有一空气球腔2，空气球腔赤道处有四个均匀分布的凹槽6，用来固定麦克风支架7。由于球形内检测器具有指向性，当声源频率为空气腔第一阶共振频率时，球形内检测器两极声压最强，球心声压最弱。当声源频率为空气腔第三阶共振频率时，球形内检测器不具有指向性，同一球面上各点的声场大小相同，且球心处声压最强，越靠近球壳声压最弱。所以在设计麦克风支架时，需要考虑麦克风的布局。麦克风支架7包括三个相互成直角且共端部的长条，本实施例的三个长条直接是由电路板构成，三个长条的共同端部位于水密球壳的中心或靠近中心的位置，每个长条的另一个端部分布在赤道面上或赤道面附近，在长条的共同端部，每个长条的另一个端部均设置有麦克风，即在球形内检测器的球心处以及x、y、z轴的各端放置有一个麦克风，四个麦克风依次称为中心麦克风、第二、第三和第四麦克风。麦克风可以采用单个的硅麦克风31，本实施例采用的是硅麦克风31，但为了提高检测精度，还可以在四个位置各配置一个麦克风阵列。

与球形内检测器赤道面垂直的两个端部设有两个圆柱空腔凸台，第一圆柱空腔凸台9内部空腔处设计有电路板支架28，用于固定功能电路板10和电源模块11。功能电路板形状为圆形，固定在球形内检测器外端部或球壳壁内。功能电路板包括主MCU、数据采集模块、无线传输模块、加速度计以及磁力计。第一圆柱空腔凸台通过端盖29密封。

第二圆柱空腔凸台8用于放置声信标模块信号发射装置的发射压电陶瓷传感器12和信号发生与驱动电路板15。声信标模块包括GPS模块、信号发射装置和信号接收装置。GPS模块接收到至少四颗卫星信息后会输出秒脉冲信号，该信号的上升沿与GPS时间中的整秒时刻相对应。球形内检测器声信标模块的信号发射装置和信号接收装置预留有中断通信接口，在球形内检测器放入管道前，用GPS模块输出的秒脉冲信号与球形内检测器声信标模块的信号发射装置和信号接收装置预留的中断通信接口有线连接，进行时间校准，使二者时钟与GPS时间保持同步。信号发射装置安装在球形内检测器的第二圆柱空腔凸台中，包括发射压电陶瓷传感器、信号发生与驱动电路板。信号接收装置安装在管道外壁，由接收压电陶瓷传感器、信号采集调理电路以及上位机构成。接收压电陶瓷传感器与发射压电陶瓷传感器有着相同的尺寸、极化方向和性能参数。最终用凸台端盖16密封。

在水密球壳外层包裹弹性多孔球形包裹壳23，采用TPU弹性橡胶或者橡胶材料制成。弹性多孔球形包裹壳23在整个球壳上分布有与外界连通的均匀分布的若干小球腔17，在减振的同时增大结构的透声性。

2.泄漏检测及定位方法

所提方法主要包括：球形内检测器在管网中运行管道段及泄漏管道段的定位方法、泄漏点在管网单节管道段的轴向定位方法、泄漏点在管壁上的环向定位方法等步骤。

2.1.球形内检测器在管网中运行管道段及泄漏管道段的定位方法

球形内检测器外部声源频率与内部空气腔共振频率相同时，会引发球内空气腔的共振，导致球内声场呈现特定分布。当外部声源为宽频信号并覆盖了多个共振频率时，多个共振模式会同时存在并叠加。当声源频率为空气腔第一阶共振频率时，球形检测器具有指向性，且球的两极声压最强，球心声压最弱。当声源频率为空气腔第三阶共振频率时，球形内检测器不具有指向性，同一球面上各点的声场大小相同，且球心处声压最强，越靠近球壳声压最弱。

当管网内有管道段发生泄漏时，利用球形内检测器的第三阶共振模式和中心麦克风来判断管道段泄漏点的存在。球形内检测器通过无线传输模块将中心麦克风和磁力计的数据传输到上位机，利用上位机对中心麦克风的信号进行处理得到管道段的泄漏时刻，通过定位该时刻球形内检测器所处的管段即可得到泄漏管段。此方法可以判断球形内检测器在城市供水管网中运行一周所经过的具体管道段，并得到具体的泄漏管道段，具体过程如下：

第1步：获取城市管网信息，并将管网中的每个管道段编号；

第2步：计算管网中每个管道段的轴向磁屏蔽系数λ_a和径向磁屏蔽系数λ_r。有限长度直管道的轴向磁屏蔽系数λ_a为1，利用公式(1)计算有限长度直管道的径向磁屏蔽系数λ_r

其中，

μ_r为管道材料的相对磁导率，d为管壁厚度，D为管道的截面直径，T为管道长度和截面直径的比值。

第3步：由于配重的存在，球形内检测器在管道内绕赤道面法线方向上通过球心的定轴滚动，设定轴为y轴，利用公式(4)提前出计算管网中每个管道段的磁场B_c并得到y轴磁场分量：

其中，B₀为地磁场，B_c为所计算磁场，θ为管道倾角，为管道的实际方位角。

第4步：将球形内检测器放入管网内，在管道内流体的推动下运行至少一周，磁力计所测得的管道的y轴磁场分量通过无线传输模块将其传输到上位机；同时将各个麦克风所采集到的声压信号也传输到上位机；

第5步：在球形内检测器运行的过程中，若某管道段的管道出现泄漏，上位机根据中心麦克风或其他麦克风所采集到的声压信号检测到泄漏点的存在，得到球形内检测器检测到的泄漏时刻，通过上位机处理磁力计的磁信号得到泄漏时刻磁力计所测得的管道磁信号的y轴磁场分量，将泄漏时刻的管道磁信号的y轴磁场分量与提前计算好的管网中管道段磁信号的y轴磁场分量依次对比，差值最小的即为泄漏管道段

2.2泄漏点在管网单节管道段的轴向定位方法

本发明利用第三阶共振模式配合第一麦克风判断漏点的存在，当管道发生泄漏时，球形内检测器通过无线传输模块将第一麦克风的信号传输到上位机，在上位机可以观测到泄漏信号最大的时刻。通过定位该时刻球形内检测器在管道中的位置就可以得到泄漏点在单节管道中的轴向位置。具体过程如下：

第1步：GPS模块接收到至少四颗卫星信息后会输出秒脉冲信号，该信号的上升沿与GPS模块时间中的整秒时刻相对应。球形内检测器声信标模块的信号发射装置和信号接收装置预留有中断通信接口。如图5，在球形内检测器放入管道前，用GPS模块输出的秒脉冲信号与球形内检测器声信标模块的信号发射装置和信号接收装置预留的中断通信接口有线连接，进行时间校准，使二者时钟与GPS模块时间保持同步。

第2步：时间校准后，信号发射装置的信号发生与驱动电路输出信号源放大信号接入发射压电陶瓷传感器，发射压电陶瓷传感器每隔一段时间发射一串超声脉冲信号，实现声信号发射的功能；

第3步：在管道段管道的一端外壁安装接收压电陶瓷传感器，如图6，接收压电陶瓷传感器将接收到的来自发射压电陶瓷传感器的声信号转化为电信号，并通过信号采集调理电路进行放大、滤波再放大的信号处理后，传输到上位机；本实施例中，信号接收装置与上位机之间有线连接。也可以在信号接收装置上配置无线通信模块，信号接收装置也上位机也可以通过无线通信方式连接。

第4步：球形内检测器通过无线传输模块将中心麦克风的信号传输到上位机，上位机根据此声压信号的幅值判断是否存在泄漏，确定泄漏信号时刻t，并利用公式(5)计算泄漏信号时刻球形内检测器与接收压电陶瓷传感器之间的距离x，由此定位到泄漏点相对于管道上接收压电陶瓷传感器的轴向位置：

其中，t1和t2是接收压电陶瓷传感器接收到相邻两次有效超声脉冲信号的到达时刻，且泄漏信号时刻t处于此两个相邻的到达时刻之间，x1和x2为对应t1和t2时刻球形内检测器距离接收压电陶瓷传感器的距离；

作为提高泄漏点在管网单节管道段中轴向位置定位精度的一种措施，通过对球形内检测器无线传输到上位机的加速度计信号的处理，也可以得到球形内检测器在管道中的运行距离，并将其与以上四步获得的泄漏点位置数据进行对比，进一步提高定位精度。

2.3泄漏点在管壁上的环向定位方法

利用第一阶共振模式配合第二、第三、第四麦克风对泄漏点在管道上进行环向定位，具体过程如下：

第1步：如图8，记管道的坐标系为O-XYZ，球形内检测器的坐标系为O1-X1Y1Z1。管道坐标系O-XYZ的原点O固定在球形内检测器的原点O1处，球形内检测器的前进方向定为X轴，令Z轴竖直向上，则Y轴可根据右手系关系得出；此坐标系不随球形内检测器旋转；球形内检测器内部固定的四个麦克风，第一麦克风在球形内检测器的原点O1处，第二麦克风在X1正方向，第三麦克风在Y1正方向，第四麦克风在Z1正方向。加速度计固定在球形内检测器外部、Y1正方向。记加速度计的坐标系为O2-X2Y2Z2，O2为加速度计的中心，X2、Y2、Z2与X1、Y1、Z1方向相同，由于搭载了配重，球形内检测器在管道中能够稳定地绕Y1轴做定轴滚动，且滚动时Y、Y1、Y2轴重合。

第2步：计算声源相对于球形内检测器的位置。如图9所示，第二、第三、第四麦克风处的声压通过无线传输模块传输到上位机，从上位机得到第二、第三、第四麦克风处的声压为A₁、A₂、A₃，在第一阶共振频率的情况下，向量A₁＝(A₁,0,0)、A₂＝(0,A₂,0)、A₃＝(0,0,A₃)的终点与O1位于同一球面上，且此球面球心坐标为(A₁/2,A₂/2,A₃/2)。利用公式(6)计算声源与X1轴、Y1轴、Z1轴夹角α、β、γ分别为

第3步：计算声源相对于管道的位置。当麦克风信号未饱和时，麦克风输出的信号幅值与其感受到的声压成正比，因此A₁、A₂、A₃可由第二、第三、第四麦克风测得的第一阶共振频率的幅值代替。假设加速度计获得的X2轴和Z2轴的数据分别为a_x和a_z，那么X2轴和X轴的夹角θ＝arctan(a_z/a_x)，也即X1轴与X轴、Z1轴与Z轴的夹角。所以声源与X轴、Y轴、Z轴夹角分别为α+θ、β、β+θ。

实施例二

如图10，水密球壳二3将实施例一水密球壳上的方孔改为环形槽20，将配重金属块改为金属环21，金属环与水密球壳装配后形成完整的水密球壳。其他结构以及泄漏检测及定位方法相对于实施例一没有变化。

实施例三

如图11，水密球壳三18的水密球壳将方孔19设计在球壁内部的赤道面附近，通过在内部放置金属块实现球形内检测器在管道内定轴滚动。两个半球壳的装配方式改用在半球凸台13上的O形圈槽14放置橡胶O型圈来装配。虽然这种结构的内部空气球腔22不是完整球腔，但并不会对灵敏度造成很大的影响。其他结构以及泄漏检测及定位方法相对于实例一没有变化。

实施例四

如图12，实施例四的球形内检测器整体为椭球形结构24，外部为椭球型弹性多孔球形包裹壳，内部水密球壳26采用与实施例一相同，但配重金属块30大大减少的结构。并且由于椭球型结构的外径与管道25的内径形同，可以与管道完美贴合，不必考虑球形内检测器的密度，实现球形内检测器的定轴滚动。在球壳壁27中可以放置功能电路板、电源模块以及声信标模块。泄漏检测及定位方法与实例一相同。

实施例五

如图13，水密球壳五37相较于实施例一没有了第一、第二圆柱空腔凸台，配重方式可以采用实施例一、二、三的任意一种配重方式。将功能电路板、声信标模块信号发射装置、电源模块封装在一个长方体的封装盒36中，封装盒通过UV胶可以固定在球形内检测器的赤道面边缘。研究表明，当球形内检测器球腔边缘放置封装盒时，球形内检测器在第一共振频率下，封装盒处的声压最大。当声源频率为空气腔第三阶共振频率时，球心处声压最强。与实施例一麦克风布局不同，本实施例仅采用两个硅麦克风(也可以是两个麦克风阵列)。本实施例功能电路板与实施例一相比增设有一个麦克风(也可以是一个麦克风阵列)，并且封装盒上预留有麦克风孔，功能电路板上的麦克风可以通过麦克风孔裸露在球腔中，从而不影响麦克风信号的采集。封装盒与球形内检测器球心连线上有一个长条，本实施例长条由电路板构成。长条边缘的球心处放置有一个麦克风。其他结构与实施例一相同。

从结构上，实施例5进行了简化，实施例5仍然能够实现前两种定位，即球形内检测器在管网中运行管道段的定位、泄漏点在管网单节管道段的轴向定位。由于少了两个麦克风，本实施例不再能实现环向定位的功能。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明所提出的球形内检测器具有很高的灵敏度。首先，球形内检测器内部有一个具有硬声学边界条件的封闭空气腔，会在外部泄漏声的激励下产生不同模式的声共振，每个共振都有其独特的特征频率和声场分布，可以将大部分声波能量聚集到一个或几个小区域形成声斑，从而放大泄漏的声音。由于球腔内只放置了麦克风，所以球腔的声共振模式会十分稳定。将麦克风放置在这些声压较大的区域，从而获得很高的灵敏度。

在球壳设计时，内层水密球壳采用3D打印的光敏树脂或尼龙材料等，利用这些材料制成的水密球相对于铝、铁等材料来说，其检测灵敏度会大大提高。经实验研究表明，光敏树脂水密球相对于铝球来说，灵敏度可以提升十倍。由于3D打印的经济性，加工光敏树脂或尼龙材料水密球的成本会远远小于加工铝、铁等材质的水密球，在重量上也会远远小于铝、铁等材质。在水密球壳外层，会包裹有减振球壳，可以大大减小由于球形内检测器自身滚动产生的滚动噪声，进一步提升整个球形内检测器的灵敏度。

除了在球壳设计上提升球形内检测器的灵敏度，还可以通过增加球形内检测器内部麦克风支架上麦克风的数量，将单个麦克风改为麦克风阵列板，也可以进一步提高球形内检测器的灵敏度。

(2)本发明提出的球形内检测器具有很高的定位精度。在水密球壳赤道面附近增加配重块，使得球形内检测器可以在管道内定轴滚动，从而具有很强的抗扰动能力。并且，无论球形内检测器最终以什么姿态发射，最终都会绕球赤道面法线方向定轴滚动，不会影响最终的定位结果。在单节管道球形内检测器位置定位方面，球形内检测器中声信标模块通过计算发射压电陶瓷所发出的超声脉冲到达接收器的所用时间来计算球形内检测器在管道中位置。另外，球形内检测器安装有加速度计，通过加速度计也可以得到球形内检测器在管道中滚动距离，两者对比，可以进一步提升球形内检测器在管道中定位的精度。

在球形内检测器官网管道段定位中，采用磁力计测得管道定轴处的磁场分量，与提前测得的各段管道磁场分量依次对比，差别最小的一组即为球形内检测器的轨迹管道。由于采用地磁场为参考，这种方法不存在长时间和长距离发散的风险，所以定位精度也不会随着运行时间和距离的增加而降低。

在泄漏点定位方面，利用球形内检测器的内部空腔共振产生的特殊声场分布，将麦克风置于球形内检测器内部空气腔特定频率的声压最大处，去判断漏点的位置，大大增加了定位精度。

Claims (7)

1.一种基于球形内检测器的管道泄漏定位方法，所采用的球形内检测器，包括水密球壳，至少两个麦克风、麦克风支架、功能电路板、电源模块和信号发射装置，所采用的定位系统包括球形内检测器，GPS模块，信号接收装置和上位机，其特征在于，

所述的球形内检测器,包括水密球壳，至少两个麦克风、麦克风支架、功能电路板、电源模块和信号发射装置；水密球壳内部为空气球腔，在水密球壳的赤道面或赤道面附近设置有配重，使得球形内检测器在管道内滚动时与管道内壁的接触点位于赤道面上；麦克风，有一个位于或靠近水密球壳的赤道的中心，称其为中心麦克风，其他的位于或靠近水密球壳的赤道；麦克风支架，用于固定麦克风；功能电路板，包括主MCU、数据采集模块、无线传输模块、加速度计以及磁力计；信号发射装置，包括发射压电陶瓷传感器和信号发生与驱动电路,所述的信号发生与驱动电路包括信号发生部分和驱动部分，信号发生部分用于产生信号源，驱动部分用于将信号源放大；通过无线传输模块将各个麦克风所采集到的声压信号、磁力计所测得的管道磁信号以及加速度计所测得球形内检测器的加速度信号传输到上位机；

GPS模块，用于对信号发射装置和信号接收装置进行时间校准，使二者时钟与GPS时间保持同步；

信号接收装置被置于泄漏管道段的外壁，通过有线或无线通讯方式与上位机连接，信号接收装置包括接收压电陶瓷传感器和信号采集调理电路；经过GPS模块的时间校准后，信号发射装置的信号发生与驱动电路输出的信号源放大信号接入发射压电陶瓷传感器，发射压电陶瓷传感器用于发射超声脉冲信号，实现声信号发射的功能；接收压电陶瓷传感器将接收到的来自发射压电陶瓷传感器的声信号转化为电信号，并通过信号采集调理电路进行放大、滤波再放大的信号处理后，传输到上位机；

所述的管道泄漏定位方法包括：球形内检测器对管网中的泄漏管道段的定位、泄漏点在管网单节管道段的轴向定位两部分，步骤如下：

(一)球形内检测器对管网中的泄漏管道段的定位，方法如下：

第1步：获取管网信息，并将管网中的每个管道段编号；

第2步：计算管网中每个管道段的轴向磁屏蔽系数λ_a和径向磁屏蔽系数λ_r，设有限长度直管道的轴向磁屏蔽系数λ_a为1，利用公式(1)计算有限长度直管道的径向磁屏蔽系数λ_r：

其中，

μ_r为管道材料的相对磁导率，d为管壁厚度，D为管道的截面直径，T为管道长度和截面直径的比值；

第3步：由于配重的存在，球形内检测器在管道内绕赤道面法线方向上通过球心的定轴滚动，设定轴为y轴，利用公式(4)提前出计算管网中每个管道段的磁场B_c并得到y轴磁场分量：

其中，B₀为地磁场，B_c为所计算磁场，θ为管道倾角，为管道的实际方位角;

第4步：将球形内检测器放入管网内，在管道内流体的推动下运行至少一周，磁力计所测得的管道的y轴磁场分量通过无线传输模块将其传输到上位机；同时将各个麦克风所采集到的声压信号也传输到上位机；

第5步：在球形内检测器运行的过程中，若某管道段的管道出现泄漏，上位机根据中心麦克风或其他麦克风所采集到的声压信号检测到泄漏点的存在，得到球形内检测器检测到的泄漏时刻，通过上位机处理磁力计的磁信号得到泄漏时刻磁力计所测得的管道磁信号的y轴磁场分量，将泄漏时刻的管道磁信号的y轴磁场分量与提前计算好的管网中管道段磁信号的y轴磁场分量依次对比，差值最小的即为泄漏管道段，执行下面的步骤(二)；

(二)泄漏点在管网单节管道段的轴向定位，方法如下：

第1步：在将球形内检测器放入泄漏管道段前，用GPS模块输出的秒脉冲信号与球形内检测器信号发射装置和信号接收装置预留的中断通信接口有线连接，进行时间校准，使二者时钟与GPS时间保持同步；

第2步：时间校准后，信号发射装置的信号发生与驱动电路产生信号源，信号源经驱动电路放大信号幅值后接入发射压电陶瓷传感器，发射压电陶瓷传感器每隔一段时间发射一串超声脉冲信号，实现声信号发射的功能；

第3步：将接收压电陶瓷传感器置于泄漏管道段外壁，接收压电陶瓷传感器将接收到的声信号转化为电信号，并通过信号采集调理电路进行放大、滤波再放大的信号初步处理，最终将初步处理的信号上传到上位机;

第4步：球形内检测器通过无线传输模块将中心麦克风检测到的声压信号传输到上位机，上位机根据此声压信号的幅值判断是否存在泄漏，确定泄漏信号时刻t，并利用公式(5)计算泄漏信号时刻球形内检测器与接收压电陶瓷传感器之间的距离x，由此定位到泄漏点相对于管道上接收压电陶瓷传感器的轴向位置：

其中，t₁和t₂是接收压电陶瓷传感器接收到相邻两次有效超声脉冲信号的到达时刻，且泄漏信号时刻t处于此两个相邻的到达时刻之间，x1和x2为对应t₁和t₂时刻球形内检测器距离接收压电陶瓷传感器的距离。

2.根据权利要求1所述的管道泄漏定位方法，其特征在于，在水密球壳外层设置有弹性多孔球形包裹壳，在弹性多孔球形包裹壳外表面分布有与外界连通的均匀分布的小球腔，用于在减振的同时增大结构的透声性。

3.根据权利要求1所述的管道泄漏定位方法，其特征在于，在水密球壳的赤道面或赤道面附近分布有用来放置作为配重的金属块的孔洞或凹槽。

4.根据权利要求1所述的管道泄漏定位方法，其特征在于，在水密球壳的赤道面或赤道面附近设置有环形槽，在环形槽内设置有用来作为配重的金属环。

5.根据权利要求1所述的管道泄漏定位方法，其特征在于，所述的球形内检测器整体为椭球形，椭球面由一个圆弧线围绕长轴旋转而形成，圆弧的半径等于管道内半径，长轴为椭球体在管道内滚动时的旋转轴，赤道面位于椭球体的短轴上，椭球体弧面与管道壁贴合，从而使得球形内检测器能够沿着椭球体长轴滚动。

6.根据权利要求1所述的的管道泄漏定位方法，其特征在于，麦克风支架包括三个相互成直角且共端部的长条，三个长条的共同端部位于水密球壳的中心或靠近中心的位置，每个长条的另一个端部均分布在赤道面上或赤道面附近；在长条的共同端部设置有麦克风，在每个长条的另一个端部均设置有麦克风，即在球形内检测器的中心或靠近中心处以及x、y、z轴的各端放置有一个麦克风，四个麦克风依次称为所述的中心麦克风、第二、第三和第四麦克风。

7.根据权利要求6所述的的管道泄漏定位方法，其特征在于，所述的管道泄漏定位方法还包括泄漏点在泄漏管道段的管壁上的环向定位，步骤如下：

第1步：记管道的坐标系为O-XYZ，球形内检测器的坐标系为O1-X1Y1Z1，管道坐标系O-XYZ的原点O固定在球形内检测器的原点O1处，球形内检测器的前进方向定为X轴，令Z轴竖直向上，则Y轴根据右手系关系得出；此坐标系不随球形内检测器旋转；球形内检测器内部固定的四个麦克风，中心麦克风在球形内检测器的原点O1处，第二麦克风在X1正方向，第三麦克风在Y1正方向，第四麦克风在Z1正方向；加速度计固定在球形内检测器外部、Y1正方向，记加速度计的坐标系为O2-X2Y2Z2，O2为加速度计的中心，X2、Y2、Z2与X1、Y1、Z1方向相同，由于搭载配重，球形内检测器在管道中能够稳定地绕Y1轴做定轴滚动，且滚动时Y、Y1、Y2轴重合；

第2步：计算声源相对于球形内检测器的位置：第二、第三、第四麦克风处的声压通过无线传输模块传输到上位机，从上位机得到第二、第三、第四麦克风处的声压为A₁、A₂、A₃，在第一阶共振频率的情况下，向量A₁＝(A₁,0,0)、A₂＝(0,A₂,0)、A₃＝(0,0,A₃)的终点与O1位于同一球面上，且此球面球心坐标为(A₁/2,A₂/2,A₃/2)，利用公式(6)计算声源与X1轴、Y1轴、Z1轴夹角α、β、γ分别为

第3步：计算声源相对于管道的位置：设加速度计获得的X2轴和Z2轴的数据分别为a_x和a_z，那么X2轴和X轴的夹角θ＝arctan(a_z/a_x)，也即X1轴与X轴、Z1轴与Z轴的夹角；所以声源与X轴、Y轴、Z轴夹角分别为α+θ、β、β+θ。