本發(fā)明涉及供水管道、管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測設備，具體涉及是一種低強度瞬變流激發(fā)器。

背景技術：

瞬變檢測法是供水管道、管網(wǎng)泄漏檢測中準確性、可靠性較高的一種方法，因為在瞬變條件下，即使微小的泄漏，管道的水壓波形也存在著明顯差別，與其它方法相比(如壓力梯度法、負壓波法等)，利用這一特點可以更好的確定泄漏發(fā)生位置。

在調水或供水工程領域，目前國際上研究的管路系統(tǒng)概化物理模型如圖1所示，該布置型式的泄漏檢測方法具體為：由末端激勵閥門部分關閉/開啟或特殊激勵方式(比如正弦波擾動、偽隨機二進序列壓力信號(prbs)等)制造擾動信號，同時由流量、壓力傳感器記錄閘門和調節(jié)池處流量、壓力和水位的水力瞬變時間歷程；因輸水管道泄漏孔的存在及其位置直接影響著系統(tǒng)壓力波形的畸變和衰減特性，通過對理論模擬的時頻特性和實測時頻特性比較，可以確定泄漏大小和位置。

下面圖1所研究的管道系統(tǒng)為例，對傳統(tǒng)泄漏瞬變檢測方案進行說明，圖1中傳統(tǒng)泄漏瞬變檢測壓力信號激勵方式為：由末端閥門(常見的球閥、蝶閥均可)部分關閉/開啟或特殊激勵方式制造流量擾動信號。當末端閥門小開度快速關閉時(小于2l/a，其中，l為管長，a為水擊波速)，會產生一個水擊升壓波，則閥門前部水擊壓力hv為

其中，hv0為未關閥之前的閥門恒定壓力，q0為未關閥之前的閥門處流量，a為管道過流面積，g為重力加速度，均為已知量。

當管道完好無泄漏和有泄漏時，閥門處的水擊壓力波過程如圖2所示。可見，泄漏會造成瞬變水擊波每一個波峰、波谷處不連續(xù)，有、無泄漏差別很大，因此可利用瞬變水擊波波峰、波谷處表達的泄漏特征信息來進行泄漏的辨識，即通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量閥門前壓力過程，捕捉分析圖2第一個壓力波間斷點的產生時刻及獲得(hmax-h1)大小(如可利用小波分析識別間斷點，hmax為最大升壓，h1為第一個壓力波間斷之后的壓力幅值)，再通過泄漏定位公式和泄漏量公式辨識泄漏參數(shù)，具體方法不在贅述。

上述傳統(tǒng)的閥門激勵方式和泄漏檢測方法已得到理論和實驗驗證，并經(jīng)過國外學者對基于瞬變流數(shù)學模型的時域、頻域泄漏檢測方法研究表明，該法在處理小泄漏孔泄漏或者說緩慢泄漏有其獨特的優(yōu)勢，但實際應用中易產生以下問題：

(1)利用管道末端閥門迅速全關或全開產生流量脈沖或等幅正弦周期擾動、方波擾動在實際設計、運行中不容許。對于現(xiàn)代大型管道調水工程，線路長，管道直徑大，為了減少管道投資，一般采用緩慢的閥門啟閉速度，來減小管道承受的水擊壓力，或者防止管道因瞬時壓力過低發(fā)生液體汽化現(xiàn)象，以保證系統(tǒng)運行安全；而對于管網(wǎng)供水系統(tǒng)，由于各種管材(如鋼管、pe管、鑄鐵管、水泥管等)耐壓不同，閥門快速關閉激勵的壓力太大容易引發(fā)水錘問題，有增大發(fā)生爆管風險的可能，因此這種瞬變流激發(fā)方法不可行。

(2)利用管道末端閥門小開度迅速全關或全開產生流量脈沖在運行中不容易控制。雖然減小閥門開度后管道流量減小，再利用閥門的快速全開或全關激發(fā)的瞬變流壓力相對大開度降低不少，不會對管道安全產生大的影響，但閥門小開度流量系數(shù)不容易確定，而且需要測定閥門關閉規(guī)律，即閥門開度與流量系數(shù)的關系。

(3)管道閥門完全關閉時，閥門流量的變化過程對管道中水力瞬變沒影響不確定，可能會造成最后檢測結果的誤差。當管道閥門完全關閉時間t很短，如t≤l/a(l為管長，a為水擊波速)，則閥門流量的變化可以用脈沖函數(shù)表示，因為閥門流量的變化過程曲線形狀對管道中水力瞬變沒有影響；但是，當閥門關閉較緩慢時(手動快速關閉一般關閥時間也在0.2秒左右)，閥門流量的變化過程曲線形狀對管道中水力瞬變有很大影響，不能用脈沖函數(shù)描述閥門流量的變化，即不能簡單用一個流量脈沖函數(shù)表示，在此情況下，流量變化過程對水力瞬變有較大影響，必須考慮。

綜上所述，為了解決上述問題，提高泄漏瞬變檢測法在實際管道工程的可操作性，亟需設計一種新的、可控的低強度瞬變流激發(fā)裝置替代目前的閥門關閉激勵瞬變流方案。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是設計一種新的、可控的低強度瞬變流激發(fā)裝置替代目前的閥門關閉激勵瞬變流方案，提高泄漏瞬變檢測法在實際管道工程的可操作性的問題。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是提供一種低強度瞬變流激發(fā)器，包括：

蓄能器空氣罐，用于儲存壓縮空氣和水體；

磁致伸縮式液位計，設置在所述蓄能器空氣罐上，用于實時測量所述蓄能器空氣罐內水位降落幅度和速度；

壓力表，設置在所述蓄能器空氣罐頂部，用于實時測量所述蓄能器空氣罐空氣的壓力值；

出水管，一端與所述蓄能器空氣罐底部連接，另一端通過一個控制球閥與管網(wǎng)系統(tǒng)末端管道連接，通過快速開或關所述控制球閥為管網(wǎng)系統(tǒng)提供較高壓的水體，并產生低強度瞬變流。

在上述方案中，所述蓄能器空氣罐為圓柱形。

在上述方案中，所述磁致伸縮式液位計包括浮球、導桿和壓力顯示單元；

所述浮球套裝在由一定的磁致伸縮物質構成的所述導桿上，豎直設置在所述蓄能器空氣罐內部；

所述導桿下端固定在所述蓄能器空氣罐底部，上端穿出所述蓄能器空氣罐與所述壓力顯示單元固定連接；

水位上升或下降時，所述浮球隨其做相應運動，產生電磁脈沖，電磁脈沖沿所述導桿的波導絲傳到所述壓力顯示單元，所述壓力顯示單元根據(jù)電磁脈沖時間差計算液位值，并顯示。

在上述方案中，所述出水管直徑要求小于1cm。

在上述方案中，所述由空氣蓄能器和壓力罐組成；

所述空氣蓄能器頂部設置所述壓力表，底部通過法蘭連接所述壓力罐頂部；

所述壓力罐上設有所述磁致伸縮式液位計，所述磁致伸縮式液位計的導桿豎直設置在所述壓力罐內部，所述導桿下端固定在所述壓力罐底部，上端穿出所述壓力罐與所述磁致伸縮式液位計的壓力顯示單元固定連接。

在上述方案中，還包括一個支座或者可移動的小車，支撐或移動所述蓄能器空氣罐。

在上述方案中，包括以下關鍵設計參數(shù)：

蓄能器空氣罐整體高度h0；

蓄能器空氣罐的直徑dv；

蓄能器空氣罐初始內部水位高度h；

出水管長度l0及直徑d0，反映到綜合流量系數(shù)為cdag。

在上述方案中，在其它參數(shù)不變的情況下：

蓄能器直徑越大，第一個水擊波越平緩；

出水管直徑相對越大，激發(fā)壓力越大；

球閥開啟時間越短，水擊波越不平滑。

在上述方案中，器件選擇和控制標準為蓄能器空氣罐直徑越大、控制球閥開啟時間越短越好。

在上述方案中，關鍵參數(shù)最佳取值范圍為：h0＝1.1-1.3m；dv＝300-500mm，h＝0.9-1.1m；d0＝5-8mm；l0＝1.0-1.5m。

本發(fā)明提供了一種新的、可控的低強度瞬變流激發(fā)裝置替代目前的閥門關閉激勵瞬變流方案，快速開啟球閥后，高壓水柱進入待測管道，由于流量突然變化將產生水擊激勵波，可以得到類似于傳統(tǒng)閥門快速關閉產生水擊壓力波的相同效果，不僅提高泄漏瞬變檢測法在實際管道工程的可操作性，而且具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明激發(fā)產生流量變化相對檢測管道來說較小，得到的水擊壓力波最大壓力值可控，一般控制為小于原管道管網(wǎng)壓力的30％，強度較低，不會對管道本身產生較大影響；

(2)本發(fā)明設備產生的水擊波對控制球閥開啟速度不敏感，便于球閥啟閉控制；

(4)本發(fā)明只需量測四個關鍵參數(shù)，便可依據(jù)理論原理計算出管道系統(tǒng)的水擊壓力波，更容易實現(xiàn)和計算；

(4)本發(fā)明構成簡單、經(jīng)濟、實用，關鍵部件蓄能器空氣罐、磁致伸縮式液位計、壓力表、出水管和控制球閥均是成品，易于實現(xiàn)和批量生產。

附圖說明

圖1為供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)激勵閥門安裝示意圖；

圖2為傳統(tǒng)泄漏瞬變檢測壓力信號激勵方式為末端閥門時，有、無泄漏閥門處的水擊壓力波對比示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的一種低強度瞬變流激發(fā)器的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明提供的低強度瞬變流激發(fā)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)激勵閥門的安裝在管網(wǎng)系統(tǒng)末端的示意圖；

圖5為本發(fā)明的閥前水壓低強度水擊波變化過程圖；

圖6為本發(fā)明閥前低強度水擊波與球閥開度對應關系圖；

圖7為本發(fā)明閥前低強度水擊波與蓄能器空氣罐壓力的對應關系圖；

圖8為本發(fā)明閥前低強度水擊波與空氣罐水位降落的對應關系圖；

圖9為本發(fā)明提供的一種低強度瞬變流激發(fā)器的蓄能器空氣罐為分體式時的結構示意圖；

圖10為本發(fā)明在不同蓄能空氣罐體積下的閥前激發(fā)壓力過程圖；

圖11為本發(fā)明在不同出水管直徑下的閥前激發(fā)壓力過程圖；

圖12為本發(fā)明在不同球閥開啟時間下的閥前激發(fā)壓力過程圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做出詳細的說明。

如圖3所示，本發(fā)明提供了一種低強度瞬變流激發(fā)器，是基于瞬變流的漏損監(jiān)測理論和定位技術的管網(wǎng)瞬變流動壓力激勵設備，可應用于水工、市政管道工程的安全設計和泄漏檢測防控。包括：

蓄能器空氣罐10，用于儲存壓縮空氣和水體，在本發(fā)明中，由于圓柱體受力好，且最常見，蓄能器空氣罐10一般為圓柱形。

磁致伸縮式液位計20，設置在蓄能器空氣罐10上，用于實時測量蓄能器空氣罐10內水位降落幅度和速度；其中，磁致伸縮式液位計20包括浮球21、導桿22和壓力顯示單元23，其中，浮球21套裝在由一定的磁致伸縮物質構成的導桿22上，豎直設置在蓄能器空氣罐10內部，導桿22下端固定在蓄能器空氣罐10底部，上端穿出蓄能器空氣罐10與顯示單元23固定連接；水位上升或下降時，浮球21隨其做相應運動，產生電磁脈沖，電磁脈沖沿導桿22的波導絲傳到壓力顯示單元23，壓力顯示單元23根據(jù)電磁脈沖時間差計算液位值，并顯示。

壓力表30，設置在蓄能器空氣罐10頂部，用于實時測量蓄能器空氣罐10空氣的壓力值，

出水管40，一端與蓄能器空氣罐10底部連接，另一端通過一個密封性好的控制球閥41與管網(wǎng)系統(tǒng)末端管道連接，通過開或關控制球閥41為管網(wǎng)系統(tǒng)提供較高壓的水體，并產生低強度瞬變流，在本發(fā)明中，出水管40的直徑要求較小，一般小于1cm。

圖4所示為本發(fā)明提供的低強度瞬變流激發(fā)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)激勵閥門的安裝在管網(wǎng)系統(tǒng)末端的示意圖，圖中上游水源1水壓恒定，待測管網(wǎng)由第一管道2和第二管道3組成，在管道上有模擬的泄漏孔4，安裝時，關閉原有管網(wǎng)系統(tǒng)管道末端閥門5，將本發(fā)明的出水管40設有控制球閥41的一端接入末端管道或者供水管網(wǎng)消火栓出口。

在安裝前，要做以下準備：

(1)向蓄能器空氣罐10內充入一定體積的水體，一般滿足0.7<h/h0<0.9，其中，h0為蓄能器空氣罐整體高度，h為蓄能器空氣罐初始水位高度(即充入水體的高度)；

(2)利用充氣泵向蓄能器空氣罐10內打入氮氣等氣體，通過壓力表30得到蓄能器空氣罐10內壓縮空氣的壓力；

(3)關閉出水管40上的控制球閥41。

在安裝后，要運行檢測，具體如下：

手動快速打開控制球閥41，使得具有較高壓的水體沿著出水管40進入待檢測管網(wǎng)系統(tǒng)(或管道)，產生流量突變，進而激勵出低強度的瞬變流，利用壓力傳感器6測量瞬變水擊壓力，可以得到類似于傳統(tǒng)閥門快速關閉產生水擊壓力波的相同效果，如圖5、圖6、圖7和圖8分別為本發(fā)明閥前水壓低強度水擊波變化過程圖(已達到圖2實線部分傳統(tǒng)末端閥門快速關閉的效果)、閥前低強度水擊波與球閥開度對應關系圖、閥前低強度水擊波與蓄能器空氣罐壓力的對應關系圖和閥前低強度水擊波與空氣罐水位降落的對應關系圖。

在本發(fā)明中，為了便于拆卸和易于維護；蓄能器空氣罐10還可以設計成分體式，如圖9所示，將蓄能器空氣罐10分為單獨的空氣蓄能器11和壓力罐12；

空氣蓄能器11內部充滿壓縮空氣，頂部設置壓力表30，底部通過法蘭連接壓力罐12頂部；壓力罐12上設有磁致伸縮式液位計20，磁致伸縮式液位計20的導桿22豎直設置在壓力罐12內部，導桿22下端固定在壓力罐12底部，上端穿出壓力罐12與磁致伸縮式液位計20的顯示單元23固定連接。

本發(fā)明還包括一個支座或者可移動的小車50，支撐或移動蓄能器空氣罐10，便于安裝和操作運行。

下面對本發(fā)明的理論原理和數(shù)學基礎進行詳細說明和論述。

對管網(wǎng)系統(tǒng)的管內充分發(fā)展了的流動過程建立瞬變流數(shù)學模型，其動量方程和連續(xù)方程分別可描述為：

其中，x為沿管道中心線方向的距離；t為時間；h為壓頭；v為管道平均流速；g為重力加速度；a為水擊波速；α為管道傾角；js為穩(wěn)態(tài)摩阻；ju為非恒定摩阻，由于非恒定摩阻項ju僅僅影響水擊波第一個波之后的衰減和畸變，本發(fā)明中泄漏檢測瞬變法只考慮激發(fā)器激發(fā)的第一個水擊波，故可忽略該項。而穩(wěn)態(tài)摩阻可表示為：

其中，d為管道直徑；f為darcy-weisbach摩阻系數(shù)。

對于如圖1所示采用末端閥門為激勵信號的傳統(tǒng)系統(tǒng)泄漏瞬變檢測方案，末端閥門快速關閉將產生瞬變水擊波，其整個管路不同斷面位置的壓力波、流量瞬變過程可利用特征線法求解上述方程(2)、(3)得到。

當采用本發(fā)明時(如圖4所示)，關閉的末端閥門被瞬間開啟控制球閥41產生的流量代替，對于圖3所示的激發(fā)器，壓縮空氣體積的增大直接導致蓄能器空氣罐10內水體液位的下降，由流量的定義可得本發(fā)明的激發(fā)器瞬時流量qin,t為：

其中，va0是蓄能器空氣罐的初始水體體積；va1是開閥后經(jīng)過時間δt蓄能器空氣罐內水體的最終體積；δt為蓄能器空氣罐內的水體由初始體積變最終體積經(jīng)歷的時長；

因為本發(fā)明的激發(fā)器水流流量同時也受控制球閥41及出水管40控制，因此有：

其中，cd是出水管球閥綜合流量系數(shù)；ag是出水管直徑；ha,t是蓄能器空氣罐壓力；hv,t是管道閥門前(出水管與末端管道接口)的最大壓力，即激發(fā)器瞬時激發(fā)的水擊波最大壓力值，g為重力加速度。

激發(fā)器瞬時激發(fā)的水擊波最大壓力值hv,t為：

其中，a為水擊波速；a為管道面積；控制球閥開啟為0時刻，經(jīng)過tc快速開啟后再經(jīng)過時間t，蓄能器空氣罐內水位下降值為δz，則有：

δz＝h-ht(8)

其中，h為初始時刻蓄能器空氣罐水位；ht為末了時刻蓄能器空氣罐水位；dv是蓄能器空氣罐直徑。而h、ht為磁致伸縮式液位計實測數(shù)值，為已知的量測量。

則激發(fā)器瞬時激發(fā)的水擊波最大壓力值hv,t為：

由式(10)可知，激發(fā)器瞬時激發(fā)的水擊波最大壓力值hv,t與出水管直徑dv、流量系數(shù)a、蓄能器空氣罐初始體積等有關，上述推論表明本發(fā)明的關鍵設計參數(shù)包括：

(1)蓄能器空氣罐整體高度h0；

(2)蓄能器空氣罐的直徑dv；

(3)蓄能器空氣罐初始內部水位高度h；

(4)出水管長度l0及直徑d0，反映到綜合流量系數(shù)為cdag。

這樣利用公式(10)和特征性法就可以求出開閥之后的管道瞬變流過程。

下面以圖4所示的本發(fā)明與輸水系統(tǒng)安裝方案為具體實施例，對本發(fā)明的參數(shù)設計敏感性進行分析；其中，輸水系統(tǒng)的管路基本參數(shù)如表1所示，依據(jù)本發(fā)明的內容和原理設計管道泄漏檢測低強度瞬變流激發(fā)器關鍵參數(shù)。

表1、輸水系統(tǒng)的管路基本參數(shù)表。

初選的蓄能器空氣罐直徑100mm，高度1.2m，蓄能器空氣罐內初始水位高1.0m，蓄能器空氣罐注入p＝50m的壓縮空氣，出水管管長l0＝1m，管徑d0＝6mm，粗糙度0.01mm；控制球閥在0.2秒時刻經(jīng)過0.1秒手動全開制造流量擾動，以最大激發(fā)壓力小于初始管壓的30％左右考慮。

圖10、圖11和圖12給出了不同蓄能器空氣罐直徑、出水管直徑、球閥開啟時間下的閥前激發(fā)壓力過程?？梢钥闯鲩y前產生了如圖2所示類似的閥門快速關閉產生水擊波的效果，此外，在其它參數(shù)不變的情況下，蓄能器直徑越大，第一個水擊波越平緩；出水管直徑相對越大，激發(fā)壓力越大；球閥開啟時間越短，水擊波越不平滑?？紤]到基于瞬變激勵的管道泄漏檢測主要是捕捉泄漏造成瞬變水擊波的波峰、波谷處的不連續(xù)來識別，因此，空氣罐直徑越大、球閥開啟時間越短更好。

經(jīng)過理論計算和模擬分析，優(yōu)化后的最佳參數(shù)范圍為：h0＝1.1-1.3m；dv＝300-500mm，h＝0.9-1.1m；d0＝5-8mm；l0＝1.0-1.5m。

顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。