一种供水管道泄漏量估算系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种供水管道泄漏量估算系统及方法，涉及管道泄漏估算技术领域，基于压电传感器测量流体泄漏产生的管壁振动参数，将压电传感器输出的模拟电压信号经采集器采集后，得到振动信号中用于表征信号复杂度的近似熵和表征能量的标准差，根据三元线性回归模型，建立近似熵平均值、标准差平均值、管道内流体压力与泄漏孔径的函数关系，并根据伯努利方程实现对供水管道泄漏量快速估算。该泄漏量估算系统与方法能够快速估算城市供水管道泄漏点大小，从而得到泄漏量，将显著减小计算的复杂性，一定程度上解决我国面临的供水效率低以及城市公共安全隐患问题，有利于实际现场泄漏诊断与抢修作业，避免水资源浪费，具有一定的现实意义和社会意义。

Water supply pipeline leakage amount estimating system and method

The invention discloses a system and a method for estimating the water supply pipeline leakage, pipeline leakage estimation relates to technical field, piezoelectric sensor leakage measurement of fluid pipe wall vibration parameters are generated based on the analog voltage signal output power by sensor acquisition, get the vibration signal for characterization of complex signal standard approximate entropy and characterization the energy difference of three yuan, according to the linear regression model, establish the approximate entropy of the average value and standard deviation, average function relationship between fluid pressure inside the pipeline and leak hole, and according to the Bernoulli equation to achieve rapid estimation of water supply pipeline leakage. With the method of estimation of the amount of the system is able to estimate the leakage of the city water supply pipeline leak size, resulting in leakage, will significantly reduce the computational complexity, to solve China's water supply efficiency is low and the risks facing city public security problems to a certain extent, is conducive to the actual field leakage diagnosis and repair work, can avoid the waste of water resources. A certain practical significance and social significance.

【技术实现步骤摘要】
一种供水管道泄露量估算系统及方法
本专利技术涉及管道泄露估算
，特别是涉及一种供水管道泄露量估算系统及方法。
技术介绍
城市供水管网泄漏是一个全球国家普遍存在的问题，但在我国尤为严重。我国人均水资源占有量仅为世界人均的四分之一，是一个水资源短缺的国家，城市容纳了大量人口，这些人口的生活用水、工业用水都是通过供水管道进行输送的。根据建设部调查，我国供水管网平均漏损率在20％以上，甚至有的中小城市供水效率只有30％多，漏损率高达66％。如此低的供水效率不仅对城市人口的生活工作带了不变，由漏水引发的城市公共安全隐患也逐日增加。伴随着智慧城市的建设目标的提出，各级政府部门都把城市供水管网漏损的目标控制作为一项重要工作，并提出相应的保障措施。因此对供水管网进行实时分布式泄漏监测与定位并快速估算流体管道的泄漏量对分析和预测泄漏事故的损失十分重要。传统流体泄露量的估算中大多只针对气体，且气体的泄露量通常是通过“小孔模型”进行计算。但按照这一模型需要知道小孔的大小，但通常情况下泄露点埋于地下或水下，小孔的大小并不知晓，因此应用这种方法很难对流体泄漏量进行快速估算。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种供水管道泄露量估算系统及方法，可以解决现有技术中存在的问题。一种供水管道泄露量估算系统，所述系统包括压电传感器、压力计、信号采集卡和上位计算机，所述压电传感器和压力计均安装在供水管的外壁上，且所述压电传感器的安装位置与所述供水管上的泄露孔之间的距离为10cm；所述压电传感器采集所述供水管的振动信号，所述压力计采集所述供水管内的压力，所述信号采集卡将所述振动信号和压力上传至所述上位计算机，所述上位计算机对所述振动信号进行处理后得到近似熵平均值和标准差平均值；所述上位计算机将所述根据近似熵平均值和标准差平均值以及压力带入预先计算得到的三元线性回归数学模型，计算获得所述供水管上的泄露孔直径；所述上位计算机根据所述泄露孔直径以及伯努利方程计算所述供水管的泄漏量。优选地，所述压电传感器使用超声耦合剂耦合至所述供水管上。优选地，所述三元线性回归数学模型为：y＝b0+b1x1+b2x2+b3x3其中，y为泄露孔直径，x1为供水管内部压力、x2为近似熵平均值、x3为标准差平均值，b0、b1、b2和b3为各个自变量的系数，通过在实验室测量得到的数据计算获得。优选地，所述伯努利方程为：其中，QL表示液体泄露速度，Cd为液体泄露系数，且Cd介于0.6与0.64之间，A表示泄露孔面积，根据所述泄露孔直径计算得到，ρ表示泄露液体密度，P表示供水管内介质压力，P0表示环境压力，g表示重力加速度，h表示泄露孔之上液位高度。本专利技术还提供了一种供水管道泄露量估算方法，所述方法包括以下步骤：将压电传感器使用超声耦合剂耦合在供水管上距离泄露孔10cm处，同时在所述供水管上的外壁上安装压力计，将所述压电传感器和压力计与信号采集卡连接，同时将所述信号采集卡与上位计算机连接；检测所述供水管上因泄露引起的振动信号，以及所述供水管内的压力，将所述振动信号和压力上传至所述上位计算机；对所述振动信号进行处理获得近似熵平均值和标准差平均值，将所述近似熵平均值和标准差平均值以及压力带入预先计算得到的三元线性回归数学模型，计算获得所述供水管上的泄露孔直径；根据所述泄露孔直径以及伯努利方程计算所述供水管的泄漏量。优选地，所述三元线性回归数学模型为：y＝b0+b1x1+b2x2+b3x3其中，y为泄露孔直径，x1为供水管内部压力、x2为近似熵平均值、x3为标准差平均值，b0、b1、b2和b3为各个自变量的系数，通过在实验室测量得到的数据计算获得。优选地，所述三元线性回归数学模型的具体计算方法为：在实验室中使用所述压电传感器、压力计、信号采集卡和上位计算机测量多组数据，每组数据均包括泄露孔直径、压力、标准差平均值和近似熵平均值；以测量得到的数据做初始矩阵A和B，其中所述初始矩阵A中的数据包括压力、标准差平均值和近似熵平均值，所述初始矩阵B包括泄露孔直径；根据所述初始矩阵A和B计算得到回归系数矩阵b；以所述回归系数矩阵b中的数据作为三元线性回归数学模型的自变量系数b0、b1、b2和b3，建立所述三元线性回归数学模型。优选地，所述伯努利方程为：其中，QL表示液体泄露速度，Cd为液体泄露系数，且Cd介于0.6与0.64之间，A表示泄露孔面积，根据所述泄露孔直径计算得到，ρ表示泄露液体密度，P表示供水管内介质压力，P0表示环境压力，g表示重力加速度，h表示泄露孔之上液位高度。本专利技术实施例中的一种供水管道泄露量估算系统及方法，具体基于新型压力传感器(WSα压电传感器)测量流体泄漏产生的管壁振动参数，将压电传感器输出的模拟电压信号经采集器采集后，得到振动信号中用于表征信号复杂度的近似熵和表征能量的标准差。在此基础上，根据三元线性回归模型，建立近似熵平均值、标准差平均值、管道内流体压力与泄漏孔径的函数关系，并根据伯努利方程，实现对供水管道泄漏量快速估算。该泄漏量估算系统与方法的实现，能够快速估算城市供水管道泄漏点小孔大小，从而得到流体泄漏量，将显著减小计算的复杂性。一定程度上解决我国面临的供水效率低与以此导致的城市公共安全隐患问题，有利于实际现场泄漏诊断与抢修作业，避免水资源浪费，具有一定的现实意义和社会意义。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术供水管道泄漏量估算系统示意图；图2a和图2b分别是本专利技术中直径为5mm泄露孔在两种压力下的标准差与近似熵分布示意图；图3是本专利技术系统及方法根据相关泄漏现象得到的回归结果作残差分析示意图；图4是本专利技术供水管道泄漏量估算方法流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。参照图1，本专利技术实施例中提供的一种供水管道泄露量估算系统，该系统包括压电传感器100、压力计110、信号采集卡120和上位计算机130，所述压电传感器100和压力计110均安装在供水管200的外壁上，且所述压电传感器100的安装位置与所述供水管200上的泄露孔210之间的距离为10cm，所述压电传感器100采集所述供水管200的振动信号，所述压力计110采集所述供水管100内的压力，所述信号采集卡120将所述振动信号和压力上传至所述上位计算机130。所述上位计算机130上安装有信号处理软件，对所述振动信号进行处理后得到用于表征信号复杂度的近似熵平均值和表征能量的标准差平均值。近似熵是一种描述信号复杂性和规律性的非线性动力学方法，它是一种只需较少数据即可测量信号复杂性和统计量化的非线性动力学方法；标准差是一种描述信号能量表征的物理量，标准差是离散数据偏离平均数的距离的平均值，它是方差的算数平均根，反映了数据的离散程度，它本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种供水管道泄露量估算系统，其特征在于，所述系统包括压电传感器、压力计、信号采集卡和上位计算机，所述压电传感器和压力计均安装在供水管的外壁上，且所述压电传感器的安装位置与所述供水管上的泄露孔之间的距离为10cm；所述压电传感器采集所述供水管的振动信号，所述压力计采集所述供水管内的压力，所述信号采集卡将所述振动信号和压力上传至所述上位计算机，所述上位计算机对所述振动信号进行处理后得到近似熵平均值和标准差平均值；所述上位计算机将所述根据近似熵平均值和标准差平均值以及压力带入预先计算得到的三元线性回归数学模型，计算获得所述供水管上的泄露孔直径；所述上位计算机根据所述泄露孔直径以及伯努利方程计算所述供水管的泄漏量。

【技术特征摘要】
1.一种供水管道泄露量估算系统，其特征在于，所述系统包括压电传感器、压力计、信号采集卡和上位计算机，所述压电传感器和压力计均安装在供水管的外壁上，且所述压电传感器的安装位置与所述供水管上的泄露孔之间的距离为10cm；所述压电传感器采集所述供水管的振动信号，所述压力计采集所述供水管内的压力，所述信号采集卡将所述振动信号和压力上传至所述上位计算机，所述上位计算机对所述振动信号进行处理后得到近似熵平均值和标准差平均值；所述上位计算机将所述根据近似熵平均值和标准差平均值以及压力带入预先计算得到的三元线性回归数学模型，计算获得所述供水管上的泄露孔直径；所述上位计算机根据所述泄露孔直径以及伯努利方程计算所述供水管的泄漏量。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压电传感器使用超声耦合剂耦合至所述供水管上。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三元线性回归数学模型为：y＝b0+b1x1+b2x2+b3x3其中，y为泄露孔直径，x1为供水管内部压力、x2为近似熵平均值、x3为标准差平均值，b0、b1、b2和b3为各个自变量的系数，通过在实验室测量得到的数据计算获得。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述伯努利方程为：其中，QL表示液体泄露速度，Cd为液体泄露系数，且Cd介于0.6与0.64之间，A表示泄露孔面积，根据所述泄露孔直径计算得到，ρ表示泄露液体密度，P表示供水管内介质压力，P0表示环境压力，g表示重力加速度，h表示泄露孔之上液位高度。5.一种供水管道泄露量估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将压电传感器使用超声耦合剂耦合在供水管上距离泄露孔10cm处，同时在所述供水管上的外壁上安装压力计，将所述压电传感器和压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨洋，封皓，刘兵，沙洲，贾志宁，李键，杨洋，刘欣，王冠群，徐康泰，
申请(专利权)人：承德石油高等专科学校，天津大学，
类型：发明
国别省市：河北,13