[发明专利]适用于城市供水管道系统的在线无损检测方法及其装置

摘要

本发明公开了一种适用于城市供水管道系统的在线无损检测方法，根据在供水管道内主动产生和测量的高频水力波传播与反射特征信号获得系统频率域响应函数；在系统频率域响应函数抓取若干个周期波峰对应的波峰值和对应的频率值；根据对所述若干个周期波峰对应的波峰值和对应的频率值与无缺陷管道系统理论值进行比较判断管道的缺陷类型，并进一步利用优化拟合后的数据确定管道缺陷物理信息。还公开了一种适用于城市供水管道系统的在线型水力波生成装置，通过本发明能够检测包括管道漏水与堵塞，未知支管以及空气囊的管道缺陷。本发明将通过在线工作的方式，快速地检测出管道系统中潜在的缺陷，以实现准确高效无损型城市供水管道缺陷检测方法体系。

主权项

一种适用于城市供水管道系统的在线无损检测方法，其特征在于，该方法为：步骤101：根据在复杂连接的地下供水管道系统中可供专业人员接近及接触处的可用连接设备与附件上，利用水力波生成装置和与该水力波生成装置连接的控制电脑端，主动产生和测量高频水力波传播与反射特征信号获得系统频率域响应函数；步骤102：在所述系统频率域响应函数抓取若干个周期波峰对应的波峰值和对应的频率值；步骤103：根据对所述若干个周期波峰对应的波峰值和对应的频率值与无缺陷管道系统理论值进行比较判断管道的缺陷类型；步骤104：根据所述管道的缺陷类型，选择相应类型的水力波特征模式作为目标方程进一步优化拟合获得的频率域压力波峰衰减值与对应的频率偏移值，得到具体的管道缺陷物理信息，包括缺陷在管道系统中的位置与缺陷大小；所述步骤103具体为：将测得的高频水力波频率域内若干个周期波峰对应的波峰值和对应的频率值与相应无缺陷管道系统理论值进行比较，获得频率域压力波峰衰减值与对应的频率偏移值,当获得的频率偏移值满足时，确定管道的缺陷类型为管道堵塞或未知连接支管缺陷，其中，δωrf(k)为频率偏移值，ωth0为无损管道系统理论共振频率，ωth0＝πa/2L0，Δ为无损管道系统数值模拟结果与测试数据结果差值，η为最大检测精度或最低数据监测精度；当获得的频率域压力波峰衰减值满足时，确定管道的缺陷类型为管道漏水或管道空气囊缺陷，其中，δPω(k)为频率域压力波峰衰减值，Hω0＝频率域对应的水压波初始值；所述步骤104中所述的相应类型的水力波特征模式具体为：(1)管道漏水模式：δPω(k)＝αcos(2πkλL‑θ)+β其中：δPω(k)为频率域压力波峰衰减值(m)；k为波峰编号；α为漏水面积相关的参数(m)；λL＝无量纲标准化漏水位置参数，并且λL＝x/L；x＝漏水位置与管线上游端点距离(m)；L＝管线总长度(m)；θ＝漏水位置相关的相角；β＝初始压力条件相关参数(m)；(2)管道堵塞模式：δωrf(k)=(-1)k+1ϵbkπsin(λbk2ωrf0)sin[(λbk1-λbr3)ωrf0]]]>其中：δωrf(k)为频率域压力波峰频率偏移值(Hz)；ωrf0＝ωrf0(k)为无损(无堵塞)条件下的波峰频率值(即理论共振频率)(Hz)；εbk＝堵塞截面积相关参数；λbk1,2,3＝与管道堵塞位置与长度相关的参数(s)；(3)管道未知支管模式：δωrf(k)=-2ϵbrπsin(λbr3ωrf0)cos2(λbr2ωrf0)cos(λbr3ωrf0)]]>其中：εbr为未知支管截面积相关参数；λbr1,2,3为与未知支管位置与长度相关的参数(s)；(4)管道空气囊模式：δPω(k)=1-YKωrf0sin(λab2ωrf0)sin(λab1ωrf0)Kωrf0cos(λab2ωrf0)sin(λab1ωrf0)]]>其中：Y为管道水力波传播阻抗参数(m‑2s)，Y＝a/gA；a＝波速(ms‑1)；A＝管道截面积(m2)；g＝重力加速度(ms‑2)；K＝空气初始状态相关的热动力学参数(m2)，K＝VA0/nHA0；VA0＝空气囊初始体积(m3)；n＝空气热能指数，通常条件下n＝1.1～1.8；HA0＝空气囊初始压力水头(m)；λab1,2＝与空气囊位置相关参数(s)；以所述的δPω(k)、δωrf(k)或ωrf0(k)作为已知量，而以管道缺陷信息的物理信息作为未知量，在满足上述管道漏水、管道堵塞、管道未知支管、管道空气囊四种选定缺陷类型的水力特征模式方程条件下，设置目标优化函数如下：其中G＝目标函数适应度；LHS为各特征模式方程等式左边值，即由测量数据转换得到的频率域压力波峰衰减值(δPω(k))或对应的频率偏移值(δωrf(k))；RHS为各特征模式方程等式右边值，即优化计算值；N为各特征模式编号，用以表示所述管道漏水、管道堵塞、管道未知支管、管道空气囊四种不同缺陷类型的特征模式。