本發(fā)明涉及一種用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球，具體地說，涉及機械結構之間、機械與電路模塊之間的相互連接關系以及檢測球的整體配重設計，屬于機械結構設計的范疇。

背景技術：

據(jù)統(tǒng)計，我國城市供水管網(wǎng)平均漏損率超過15%，水資源浪費嚴重。如果漏損率每降低1個百分點，可節(jié)水至少5億立方米，相當于30多個西湖的水量。由于城市供水管網(wǎng)存在分布范圍廣、管線距離長、地下管線錯綜復雜信息不全等問題，目前仍主要以人工聽漏為主進行泄漏點定位，很難以低成本的方式對泄漏點進行精準的空間定位檢測。

機械結構設計對于檢測球功能的實現(xiàn)具有極其重要的意義。首先，檢測球工作在水中，因此對于檢測球整體的密封性有很高的要求；其次，要保證檢測球在管道內工作過程中減小碰撞和震蕩的影響，對保護殼的設計有很高的要求；再次，要保證檢測球沿著管道下壁繞單軸滾動，對配重的設計和保護殼的設計有很高的要求；最后，還要保證檢測球在管道中長期工作的可靠性，對機械結構整體的設計提出了更高的要求。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于針對城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的工作特性，提供一種用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球及其應用方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：

一種用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球，泄漏檢測定位球機械結構裝置包括密封結構、內部模塊支架、球形保護殼、配重塊和控制單元；

其中，所述密封結構和內部模塊支架采用鋁合金材料，用于固定檢測定位球內部的電路模塊，電路模塊包括usb通信和充電雙功能復用模塊、開關模塊、主控電路模塊、信號調理電路模塊、電源模塊和水聽器模塊，其中usb通信和充電雙功能復用模塊、開關模塊和水聽器模塊用于與外部環(huán)境交互，在密封結構上開孔固定，主控電路模塊、信號調理電路模塊和電源模塊用于檢測球內部的工作，在密封結構內部通過內部模塊支架固定；球形保護殼采用聚氨酯材料，用于包覆密封結構，并在球形保護殼相應的位置設有開孔；控制單元包括開關模塊、主控電路模塊和信號調理電路模塊，用于采集、處理管道中的泄漏特征信號，并實現(xiàn)自主定位；配重塊固定在密封結構的內壁，用于保證檢測定位球在管道中工作時重力略大于浮力，且豎直向上的y軸轉動慣量遠小于沿其它兩個軸的轉動慣量，結合球形保護殼提供的摩擦力保證其在管道中繞y軸單軸滾動，且在垂直上升管道中也能處于重力平衡狀態(tài)隨水流上升從而實現(xiàn)定位。

所述的密封結構由上、下兩部分組成，用螺紋旋合并用o型圈密封；在上半部分密封結構左右軸對稱開兩個孔，分別用于安裝usb通信和充電雙功能復用模塊和開關模塊，usb通信和充電雙功能復用模塊上安裝一個堵頭用于密封，開關模塊自身具有螺紋，在密封結構相應位置設有螺紋并密封；在下半部分密封結構與y軸的交叉點處按水聽器模塊的結構開孔設有螺紋并密封；對于球殼內部電路模塊，在上半部分密封結構凹臺面預留8個中心旋轉對稱的m3的螺紋孔并用內部模塊支架與密封結構相連，主控電路模塊和信號調理電路模塊通過pcb板上預留的通孔和銅柱連接，電源模塊通過內部模塊支架與上半部分密封結構相連，所有模塊最終形成一個整體，并保證整體的密封性。

所述的配重塊固定在密封結構的內壁，數(shù)量可以增減，位置可調，所述的配重塊的設計考慮檢測定位球三個軸上的轉動慣量，將檢測定位球放在三維空間中分析，對于三維空間中任意一參考點o，以此參考點為原點做一個空間直角坐標系oxyz，則檢測定位球的慣性張量i由一個對稱矩陣表示：

其中，ixx、iyy、izz為繞x、y、z軸的轉動慣量；

通過所述的配重塊進行配重并計算驗證使得檢測定位球繞y軸的轉動慣量最小且遠小于繞其它兩軸的轉動慣量，取檢測球繞y軸的轉動慣量最小且小于其它兩軸的四分之一。

一種采用所述的檢測定位球的應用方法，

step1：將開關模塊旋合到上半部分密封結構并用o型圈密封，將usb通信和充電雙功能復用模塊用螺釘固定到上半部分密封結構，并將該接口用堵頭和o型圈密封；

step2：將主控電路模塊、信號調理電路模塊和電源模塊通過內部模塊支架、銅柱和螺釘連接到上半部分密封結構；

step3：將水聽器模塊旋合到下半部分密封結構并用o型圈密封，將配重塊放置在密封結構的相應位置；

step4：將上、下部分密封結構通過螺紋旋合并用o型圈密封，將球形保護殼包覆在密封結構上，完成了檢測球的組裝；

step5：按下檢測球的開關模塊開關鍵，將檢測球放入城市供水管網(wǎng)中讓其隨水流滾動，檢測球在滾動過程中檢測管道內部的信息，并將信息存儲到主控電路模塊的sd卡中；

step6：在管道終點回收檢測球，將檢測球外表面的水擦干，旋開金屬堵頭，將數(shù)據(jù)以有線的方式通過usb通信和充電雙功能復用模塊從sd卡中讀出用于進一步的分析。

本發(fā)明的有益效果：

1、提出了密封結構設計和保護殼設計分離的機械結構設計方法，密封結構在于將所有電路模塊組裝成一個整體，在水中保證其密封性，保護殼在于檢測球工作時的減震與緩沖并提供檢測球滾動所需的摩擦力。

2、提出了管道泄漏檢測定位球的配重塊設計，使檢測球整體所受重力略大于浮力，并使檢測球繞y軸的轉動慣量遠小于繞其它兩軸的轉動慣量，保證檢測球在管道中沿下壁隨水流單軸滾動，保證了檢測球在長期工作過程中的可靠性。

附圖說明

圖1是用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的一個整體結構示意圖；

圖2是用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的一個內部模塊支架示意圖；

圖3是用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的一個保護殼示意圖；

圖4是用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的電路結構示意圖；

圖5是泄漏檢測定位球的配重塊示意圖。

具體實施方式

參照圖1，泄漏檢測定位球機械結構裝置由密封結構1、內部模塊支架2、球形保護殼3、配重塊4和控制單元組成；圖1中，球形保護殼3為了示意方便，分離了出來，位于密封結構1的下部。

其中，所述密封結構1和內部模塊支架2采用鋁合金材料，具有抗壓、防水、防腐蝕的特點，用于連接檢測球內部的各種電路模塊，檢測球所具有的電路模塊包括usb通信和充電雙功能復用模塊5、開關模塊6、主控電路模塊7、信號調理電路模塊8、電源模塊9和水聽器模塊10，密封結構1和內部模塊支架2就是將這些模塊結合在一起，使各種電路模塊成為一個密封整體以實現(xiàn)檢測球的功能，usb通信和充電雙功能復用模塊5、開關模塊6和水聽器模塊10是檢測定位球與外部環(huán)境交互的模塊，需要在密封結構1上開孔固定，主控電路模塊7、信號調理電路模塊8和電源模塊9是在檢測定位球內部工作的模塊，在密封結構1內部通過內部模塊支架2固定即可；球形保護殼3采用聚氨酯材料，質軟、密實且表面粗糙，用于包覆密封結構1，減小檢測球在管道中工作時的碰撞和震蕩影響，增大檢測球與管道內壁的摩擦，起緩沖和減震的功能以及保證其在管道中的滾動運行，并在球形保護殼3對應的位置開孔保證檢測球與外界環(huán)境的正常交互；控制單元由開關模塊6、主控電路模塊7和信號調理電路模塊8組成，用于采集、處理管道中的泄漏特征信號，并實現(xiàn)自主定位；檢測定位球整體配重設計用于保證其在管道中工作時重力略大于浮力，且沿y軸的轉動慣量遠小于沿其它兩個軸的轉動慣量，結合球形保護殼3提供的摩擦力保證其在管道中繞單軸滾動，以實現(xiàn)定位算法。

所述機械結構的組裝和工作過程具體如下：

step1：將開關模塊6旋合到上半部分密封結構并用o型圈密封，將usb通信和充電雙功能復用模塊5用螺釘13固定到上半部分密封結構，并將該接口用堵頭11和o型圈密封；

step2：將主控電路模塊7、信號調理電路模塊8和電源模塊9通過內部模塊支架2、銅柱12和螺釘13連接到上半部分密封結構；

step3：將水聽器模塊10旋合到下半部分密封結構并用o型圈密封，將配重塊4放置在密封結構1的相應位置；

step4：將上、下部分密封結構通過螺紋旋合并用o型圈密封，將球形保護殼3包覆在密封結構1上，完成了檢測球的組裝；

step5：按下檢測球的開關模塊6開關鍵，將檢測球放入城市供水管網(wǎng)中讓其隨水流滾動，檢測球在滾動過程中檢測管道內部的信息，并將信息存儲到主控電路模塊7的sd卡中；

step6：在管道終點回收檢測球，將檢測球外表面的水擦干，旋開金屬堵頭11，將數(shù)據(jù)以有線的方式通過usb通信和充電雙功能復用模塊5從sd卡中讀出用于進一步的分析。

所述的泄漏檢測定位球整體配重設計方法，在檢測球配重過程中，考慮其三個軸上的轉動慣量，將檢測球放在三維空間中分析，對于三維空間中任意一參考點o，以此參考點為原點做一個空間直角坐標系oxyz，則檢測球的慣性張量i由一個對稱矩陣表示：

其中，ixx、iyy、izz為繞x、y、z軸的轉動慣量。

轉動慣量用以描述一個物體對于其旋轉運動的改變的對抗，是一個物體對于其旋轉運動的慣性，轉動慣量在旋轉力學的角色相當于線性動力學中的質量，轉動慣量越大越不容易轉動，設計時通過配重并用solidworks軟件計算驗證使得檢測球繞y軸的轉動慣量最小且遠小于其它兩軸的轉動慣量，這樣檢測球繞y軸滾動更不容易對抗旋轉的改變，也即更容易繞y軸旋轉，且y軸的轉動慣量與其它兩軸的轉動慣量的差距越大，則球體在管道內滾動時越容易圍繞y軸穩(wěn)定滾動，本發(fā)明設計時取檢測球繞y軸的轉動慣量最小且小于其他兩軸的四分之一，這樣，檢測球在管道內會沿著下壁隨著水流做繞y軸的單軸滾動。

參照圖1，檢測球長期工作在水中，因此對檢測球整體的密封性、抗壓性和抗腐蝕性有很高的要求，基于以上考慮，本發(fā)明采用鋁合金材料作為檢測球密封結構設計的材料。檢測球密封結構由上、下兩部分組成，上、下兩部分靠螺紋旋合并用o型圈密封。上半部分密封結構兩個鉆有螺紋的通孔分別用于安裝usb通信和充電雙功能復用模塊5和金屬開關6，usb通信和充電雙功能復用模塊5用金屬堵頭11旋合并用o型圈密封，金屬開關6靠螺紋旋合并用o型圈密封。下半部分密封結構鉆有螺紋的通孔用于安裝水聽器模塊10并用o型圈密封。

參照圖1和圖2，泄漏檢測定位球的整體結構示意圖和內部模塊支架示意圖。內部模塊支架2用于將檢測球內部各電路模塊連接到密封結構1上，圖2四個中心對稱的通孔與上半部分密封結構凹臺處的八個中心對稱的m3螺紋孔對應，用于通過銅柱12和螺釘13將連接件固定在密封結構1上，圖2三個凸臺的位置與主控電路模塊7的pcb板預留通孔相對應，用于通過銅柱12將主控電路模塊7的pcb板固定到密封結構1上，信號調理電路模塊8的pcb板通過預留的通孔、銅柱12和螺釘13與主控電路模塊7的pcb板相連接，電源模塊9靠連接線直接與電路模塊pcb板連接。

參照圖1和圖3，泄露檢測定位球的整體結構示意圖和保護殼示意圖。檢測球長期工作在管道中，難免會和管道有碰撞，而且保護殼表面要足夠粗糙以提供檢測球沿管道下壁滾動的摩擦力，因此保護殼的設計尤為關鍵。本發(fā)明中，保護殼的材料采用聚氨酯材料，質軟、密實且表面粗糙，質軟和密實在于減小檢測球在管道中工作時的碰撞和震蕩影響，起緩沖和減震的功能，表面粗糙在于提供檢測球沿管壁運行時的摩擦力，保證其滾動運行。

參照圖1和圖4，泄漏檢測定位球的整體結構示意圖和電路結構示意圖?？刂茊卧砷_關模塊6、主控電路模塊7和信號調理電路模塊8組成，用于采集、處理管道中的泄漏特征信號，并實現(xiàn)自主定位，開關模塊6用于給主控電路模塊7啟動信號以啟動檢測球的工作，主控電路模塊7集成了慣導模塊、電源檢測模塊、無線通信模塊、sd卡存儲模塊和有線通信模塊，用于控制泄漏特征信號的采集和處理，信號調理電路模塊8用于對水聽器模塊10采集到的信號進行調理以供主控電路模塊7處理。

參照圖1和圖5，泄漏檢測定位球的整體結構示意圖和配重塊示意圖。檢測球配重的目的主要有兩個，一是保證檢測球整體所受的重力略大于浮力，讓檢測球貼著管道下壁前進且在垂直上升管道中也能類似于無重力狀態(tài)地隨水流上升；二是保證檢測球沿y軸的轉動慣量遠小于沿其它兩軸的轉動慣量，讓檢測球繞y軸單軸轉動。本發(fā)明設計時取檢測球繞y軸的轉動慣量最小且小于繞其他兩軸的四分之一，這樣，檢測球在管道內會沿著下壁隨著水流做繞y軸的單軸滾動。

本發(fā)明針對城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的工作特性，提供了一種連接各個模塊部件最終形成密封球形整體的機械結構設計方法。機械結構設計方法保證了檢測球整體的密封性，保證了檢測球的減震和緩沖，保證了檢測球在管道中運行時始終沿著下壁繞單軸滾動，保證了檢測球在長期工作過程中的可靠性。