用于城市供水管网泄漏检测定位球及其应用方法与流程

本发明涉及一种用于城市供水管网泄漏检测定位球，具体地说，涉及机械结构之间、机械与电路模块之间的相互连接关系以及检测球的整体配重设计，属于机械结构设计的范畴。

背景技术：

据统计，我国城市供水管网平均漏损率超过15%，水资源浪费严重。如果漏损率每降低1个百分点，可节水至少5亿立方米，相当于30多个西湖的水量。由于城市供水管网存在分布范围广、管线距离长、地下管线错综复杂信息不全等问题，目前仍主要以人工听漏为主进行泄漏点定位，很难以低成本的方式对泄漏点进行精准的空间定位检测。

机械结构设计对于检测球功能的实现具有极其重要的意义。首先，检测球工作在水中，因此对于检测球整体的密封性有很高的要求；其次，要保证检测球在管道内工作过程中减小碰撞和震荡的影响，对保护壳的设计有很高的要求；再次，要保证检测球沿着管道下壁绕单轴滚动，对配重的设计和保护壳的设计有很高的要求；最后，还要保证检测球在管道中长期工作的可靠性，对机械结构整体的设计提出了更高的要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于针对城市供水管网泄漏检测定位球的工作特性，提供一种用于城市供水管网泄漏检测定位球及其应用方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于城市供水管网泄漏检测定位球，泄漏检测定位球机械结构装置包括密封结构、内部模块支架、球形保护壳、配重块和控制单元；

其中，所述密封结构和内部模块支架采用铝合金材料，用于固定检测定位球内部的电路模块，电路模块包括usb通信和充电双功能复用模块、开关模块、主控电路模块、信号调理电路模块、电源模块和水听器模块，其中usb通信和充电双功能复用模块、开关模块和水听器模块用于与外部环境交互，在密封结构上开孔固定，主控电路模块、信号调理电路模块和电源模块用于检测球内部的工作，在密封结构内部通过内部模块支架固定；球形保护壳采用聚氨酯材料，用于包覆密封结构，并在球形保护壳相应的位置设有开孔；控制单元包括开关模块、主控电路模块和信号调理电路模块，用于采集、处理管道中的泄漏特征信号，并实现自主定位；配重块固定在密封结构的内壁，用于保证检测定位球在管道中工作时重力略大于浮力，且竖直向上的y轴转动惯量远小于沿其它两个轴的转动惯量，结合球形保护壳提供的摩擦力保证其在管道中绕y轴单轴滚动，且在垂直上升管道中也能处于重力平衡状态随水流上升从而实现定位。

所述的密封结构由上、下两部分组成，用螺纹旋合并用o型圈密封；在上半部分密封结构左右轴对称开两个孔，分别用于安装usb通信和充电双功能复用模块和开关模块，usb通信和充电双功能复用模块上安装一个堵头用于密封，开关模块自身具有螺纹，在密封结构相应位置设有螺纹并密封；在下半部分密封结构与y轴的交叉点处按水听器模块的结构开孔设有螺纹并密封；对于球壳内部电路模块，在上半部分密封结构凹台面预留8个中心旋转对称的m3的螺纹孔并用内部模块支架与密封结构相连，主控电路模块和信号调理电路模块通过pcb板上预留的通孔和铜柱连接，电源模块通过内部模块支架与上半部分密封结构相连，所有模块最终形成一个整体，并保证整体的密封性。

所述的配重块固定在密封结构的内壁，数量可以增减，位置可调，所述的配重块的设计考虑检测定位球三个轴上的转动惯量，将检测定位球放在三维空间中分析，对于三维空间中任意一参考点o，以此参考点为原点做一个空间直角坐标系oxyz，则检测定位球的惯性张量i由一个对称矩阵表示：

其中，ixx、iyy、izz为绕x、y、z轴的转动惯量；

通过所述的配重块进行配重并计算验证使得检测定位球绕y轴的转动惯量最小且远小于绕其它两轴的转动惯量，取检测球绕y轴的转动惯量最小且小于其它两轴的四分之一。

一种采用所述的检测定位球的应用方法，

step1：将开关模块旋合到上半部分密封结构并用o型圈密封，将usb通信和充电双功能复用模块用螺钉固定到上半部分密封结构，并将该接口用堵头和o型圈密封；

step2：将主控电路模块、信号调理电路模块和电源模块通过内部模块支架、铜柱和螺钉连接到上半部分密封结构；

step3：将水听器模块旋合到下半部分密封结构并用o型圈密封，将配重块放置在密封结构的相应位置；

step4：将上、下部分密封结构通过螺纹旋合并用o型圈密封，将球形保护壳包覆在密封结构上，完成了检测球的组装；

step5：按下检测球的开关模块开关键，将检测球放入城市供水管网中让其随水流滚动，检测球在滚动过程中检测管道内部的信息，并将信息存储到主控电路模块的sd卡中；

step6：在管道终点回收检测球，将检测球外表面的水擦干，旋开金属堵头，将数据以有线的方式通过usb通信和充电双功能复用模块从sd卡中读出用于进一步的分析。

本发明的有益效果：

1、提出了密封结构设计和保护壳设计分离的机械结构设计方法，密封结构在于将所有电路模块组装成一个整体，在水中保证其密封性，保护壳在于检测球工作时的减震与缓冲并提供检测球滚动所需的摩擦力。

2、提出了管道泄漏检测定位球的配重块设计，使检测球整体所受重力略大于浮力，并使检测球绕y轴的转动惯量远小于绕其它两轴的转动惯量，保证检测球在管道中沿下壁随水流单轴滚动，保证了检测球在长期工作过程中的可靠性。

附图说明

图1是用于城市供水管网泄漏检测定位球的一个整体结构示意图；

图2是用于城市供水管网泄漏检测定位球的一个内部模块支架示意图；

图3是用于城市供水管网泄漏检测定位球的一个保护壳示意图；

图4是用于城市供水管网泄漏检测定位球的电路结构示意图；

图5是泄漏检测定位球的配重块示意图。

具体实施方式

参照图1，泄漏检测定位球机械结构装置由密封结构1、内部模块支架2、球形保护壳3、配重块4和控制单元组成；图1中，球形保护壳3为了示意方便，分离了出来，位于密封结构1的下部。

其中，所述密封结构1和内部模块支架2采用铝合金材料，具有抗压、防水、防腐蚀的特点，用于连接检测球内部的各种电路模块，检测球所具有的电路模块包括usb通信和充电双功能复用模块5、开关模块6、主控电路模块7、信号调理电路模块8、电源模块9和水听器模块10，密封结构1和内部模块支架2就是将这些模块结合在一起，使各种电路模块成为一个密封整体以实现检测球的功能，usb通信和充电双功能复用模块5、开关模块6和水听器模块10是检测定位球与外部环境交互的模块，需要在密封结构1上开孔固定，主控电路模块7、信号调理电路模块8和电源模块9是在检测定位球内部工作的模块，在密封结构1内部通过内部模块支架2固定即可；球形保护壳3采用聚氨酯材料，质软、密实且表面粗糙，用于包覆密封结构1，减小检测球在管道中工作时的碰撞和震荡影响，增大检测球与管道内壁的摩擦，起缓冲和减震的功能以及保证其在管道中的滚动运行，并在球形保护壳3对应的位置开孔保证检测球与外界环境的正常交互；控制单元由开关模块6、主控电路模块7和信号调理电路模块8组成，用于采集、处理管道中的泄漏特征信号，并实现自主定位；检测定位球整体配重设计用于保证其在管道中工作时重力略大于浮力，且沿y轴的转动惯量远小于沿其它两个轴的转动惯量，结合球形保护壳3提供的摩擦力保证其在管道中绕单轴滚动，以实现定位算法。

所述机械结构的组装和工作过程具体如下：

step1：将开关模块6旋合到上半部分密封结构并用o型圈密封，将usb通信和充电双功能复用模块5用螺钉13固定到上半部分密封结构，并将该接口用堵头11和o型圈密封；

step2：将主控电路模块7、信号调理电路模块8和电源模块9通过内部模块支架2、铜柱12和螺钉13连接到上半部分密封结构；

step3：将水听器模块10旋合到下半部分密封结构并用o型圈密封，将配重块4放置在密封结构1的相应位置；

step4：将上、下部分密封结构通过螺纹旋合并用o型圈密封，将球形保护壳3包覆在密封结构1上，完成了检测球的组装；

step5：按下检测球的开关模块6开关键，将检测球放入城市供水管网中让其随水流滚动，检测球在滚动过程中检测管道内部的信息，并将信息存储到主控电路模块7的sd卡中；

step6：在管道终点回收检测球，将检测球外表面的水擦干，旋开金属堵头11，将数据以有线的方式通过usb通信和充电双功能复用模块5从sd卡中读出用于进一步的分析。

所述的泄漏检测定位球整体配重设计方法，在检测球配重过程中，考虑其三个轴上的转动惯量，将检测球放在三维空间中分析，对于三维空间中任意一参考点o，以此参考点为原点做一个空间直角坐标系oxyz，则检测球的惯性张量i由一个对称矩阵表示：

其中，ixx、iyy、izz为绕x、y、z轴的转动惯量。

转动惯量用以描述一个物体对于其旋转运动的改变的对抗，是一个物体对于其旋转运动的惯性，转动惯量在旋转力学的角色相当于线性动力学中的质量，转动惯量越大越不容易转动，设计时通过配重并用solidworks软件计算验证使得检测球绕y轴的转动惯量最小且远小于其它两轴的转动惯量，这样检测球绕y轴滚动更不容易对抗旋转的改变，也即更容易绕y轴旋转，且y轴的转动惯量与其它两轴的转动惯量的差距越大，则球体在管道内滚动时越容易围绕y轴稳定滚动，本发明设计时取检测球绕y轴的转动惯量最小且小于其他两轴的四分之一，这样，检测球在管道内会沿着下壁随着水流做绕y轴的单轴滚动。

参照图1，检测球长期工作在水中，因此对检测球整体的密封性、抗压性和抗腐蚀性有很高的要求，基于以上考虑，本发明采用铝合金材料作为检测球密封结构设计的材料。检测球密封结构由上、下两部分组成，上、下两部分靠螺纹旋合并用o型圈密封。上半部分密封结构两个钻有螺纹的通孔分别用于安装usb通信和充电双功能复用模块5和金属开关6，usb通信和充电双功能复用模块5用金属堵头11旋合并用o型圈密封，金属开关6靠螺纹旋合并用o型圈密封。下半部分密封结构钻有螺纹的通孔用于安装水听器模块10并用o型圈密封。

参照图1和图2，泄漏检测定位球的整体结构示意图和内部模块支架示意图。内部模块支架2用于将检测球内部各电路模块连接到密封结构1上，图2四个中心对称的通孔与上半部分密封结构凹台处的八个中心对称的m3螺纹孔对应，用于通过铜柱12和螺钉13将连接件固定在密封结构1上，图2三个凸台的位置与主控电路模块7的pcb板预留通孔相对应，用于通过铜柱12将主控电路模块7的pcb板固定到密封结构1上，信号调理电路模块8的pcb板通过预留的通孔、铜柱12和螺钉13与主控电路模块7的pcb板相连接，电源模块9靠连接线直接与电路模块pcb板连接。

参照图1和图3，泄露检测定位球的整体结构示意图和保护壳示意图。检测球长期工作在管道中，难免会和管道有碰撞，而且保护壳表面要足够粗糙以提供检测球沿管道下壁滚动的摩擦力，因此保护壳的设计尤为关键。本发明中，保护壳的材料采用聚氨酯材料，质软、密实且表面粗糙，质软和密实在于减小检测球在管道中工作时的碰撞和震荡影响，起缓冲和减震的功能，表面粗糙在于提供检测球沿管壁运行时的摩擦力，保证其滚动运行。

参照图1和图4，泄漏检测定位球的整体结构示意图和电路结构示意图。控制单元由开关模块6、主控电路模块7和信号调理电路模块8组成，用于采集、处理管道中的泄漏特征信号，并实现自主定位，开关模块6用于给主控电路模块7启动信号以启动检测球的工作，主控电路模块7集成了惯导模块、电源检测模块、无线通信模块、sd卡存储模块和有线通信模块，用于控制泄漏特征信号的采集和处理，信号调理电路模块8用于对水听器模块10采集到的信号进行调理以供主控电路模块7处理。

参照图1和图5，泄漏检测定位球的整体结构示意图和配重块示意图。检测球配重的目的主要有两个，一是保证检测球整体所受的重力略大于浮力，让检测球贴着管道下壁前进且在垂直上升管道中也能类似于无重力状态地随水流上升；二是保证检测球沿y轴的转动惯量远小于沿其它两轴的转动惯量，让检测球绕y轴单轴转动。本发明设计时取检测球绕y轴的转动惯量最小且小于绕其他两轴的四分之一，这样，检测球在管道内会沿着下壁随着水流做绕y轴的单轴滚动。

本发明针对城市供水管网泄漏检测定位球的工作特性，提供了一种连接各个模块部件最终形成密封球形整体的机械结构设计方法。机械结构设计方法保证了检测球整体的密封性，保证了检测球的减震和缓冲，保证了检测球在管道中运行时始终沿着下壁绕单轴滚动，保证了检测球在长期工作过程中的可靠性。