一种可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置及方法

本发明属于管道泄漏检测装置领域，特别是涉及一种可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置及方法。

背景技术：

1、城市供水管网是现代城市运行的生命线，当前我国供水管网漏损问题依然严峻，2024年全国平均漏损率仍达13.7%，国家明确要求2028年必须降至10%以下，这对管道泄漏检测技术提出了极高要求。水听器法凭借检测距离远、适用性广的优势成为主流技术，而基于人工智能的新一代检测算法更是高度依赖大规模、高质量的标注实验数据集，实验装置的性能直接决定了算法的最终精度和工程应用价值。

2、现有管道泄漏噪声实验装置存在两个核心瓶颈性缺陷：最主要的缺陷是实验段架构设计不合理，目前实验大多采用多泄漏点共存或多实验段串联/并联的结构，每次实验同时存在多个干扰性泄漏点，导致噪声信号相互叠加无法区分，单一变量原则彻底失效，实验数据完全失真，无法建立泄漏特征与检测信号的唯一对应关系；次要缺陷是试件更换方式极其繁琐，全部采用传统法兰或螺纹连接，更换试件时必须排空整个管道系统的积水，单次更换耗时超过25分钟，无法开展大批量多参数对比实验，难以满足机器学习算法对海量数据的需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决现有管道泄漏噪声实验装置普遍采用多泄漏点共存或多实验段串联/并联的架构设计，无法实现严格的单一变量控制，导致多漏点噪声信号相互叠加干扰、实验数据完全失真，最终无法建立泄漏点特征（孔径大小、形状）与水听器检测信号之间的准确定量关系，严重制约了高精度泄漏检测算法的开发与工程应用。本发明提出一种可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置及方法，从根本上解决多泄漏点信号干扰问题，在严格单一变量控制和稳定水力工况条件下，高效获取纯净、可重复的管道泄漏噪声信号，从而建立泄漏点特征（孔径大小、形状）与水听器检测信号之间的准确定量关系。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置，包括依次连接的水池、球阀、离心泵、水流整流器、缓冲器、减压阀、小型缓冲器、入口电磁流量计、第一压力表、上游水听器、实验段、下游水听器、第二压力表、出口电磁流量计和回流阀，所述回流阀的出口与水池入口连接，形成闭环。

3、优选地，所述实验段包括快速可拆卸接头和多种规格的泄漏试件，泄漏试件两端采用卡箍式快速可拆卸接头连接，接头耐压≥1.6mpa。

4、优选地，所述上游水听器布置在实验段上游3-5m处，采集系统本底噪声，用于相干降噪；所述下游水听器布置在实验段下游1-2m处，为主采集通道，获取顺流传播的泄漏噪声。

5、优选地，所述上游水听器和下游水听器采用外贴式压电结构，频率响应范围20hz-20khz，灵敏度≥-180db re 1v/μpa。

6、优选地，所述上游水听器和下游水听器分别与数据采集与处理模块连接。

7、优选地，实验段入口处安装有温度传感器，用于测量实验段入口处水温，测量范围0-50℃，精度±0.1℃。

8、优选地，所述实验段分不同孔径组以及不同形状组。

9、一种可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验方法，采用上述检测实验装置，所述方法包括以下步骤：

10、s1：无泄漏工况设置，安装无孔盲板试件，恢复系统循环运行，采集本底噪声；

11、s2：试件安装与系统恢复，关闭离心泵和入口球阀，排空实验段积水，拆卸当前试件并安装目标泄漏试件，检查密封后恢复循环运行；

12、s3：工况调节与数据采集，调节减压阀和回流阀至目标工况，稳定运行后同步采集所有传感器信号，每个工况重复采集多次；

13、s4：试件更换，完成当前试件所有工况测量后，降压、停泵、排空、更换下一试件，重复步骤s2-s3；

14、s5：实验结束与系统关闭，将变频器频率调至20hz低流量运行后逐步降压、停泵、排空、关闭所有电源，拆卸试件清洗存放。

15、优选地，步骤s3中所述工况调节为先调压力再调流量，反复微调至设定值；每个工况重复采集3次，每次间隔2分钟。

16、优选地，所述方法还包括：

17、实验前用无水乙醇擦拭密封面和密封圈；

18、实验过程中每隔1小时记录一次水温，若水温变化超过1℃则重新进行本底噪声测量；

19、若采集到的信号出现明显异常则立即停止采集并排查原因。

20、与现有技术相比，本发明所述的一种可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置及方法的有益效果是：

21、（1）本发明针对变量控制失效问题，首创单一通用快换实验段架构，所有不同孔径、不同形状的泄漏试件共用同一物理位置，每次实验仅安装一个试件，从物理结构上彻底消除了多漏点信号干扰。

22、（2）本发明针对试件更换方式繁琐、实验效率低的问题，采用卡箍式快速可拆卸接头连接实验段，更换试件时无需排空整个管道系统，仅需排空实验段内约2l的局部积水，单次试件更换时间从现有技术的25分钟以上缩短至5分钟以内，实验效率提升5倍以上，大幅减少了实验等待时间和水资源浪费，能够开展大批量多参数对比实验，满足了人工智能泄漏检测算法对海量标注实验数据的迫切需求，显著降低了实验成本和周期。

23、（3）本发明采用闭式循环水路设计，通过五级稳压整流体系提供高度稳定的水力工况，通过单一通用快换实验段严格执行单一变量原则，通过上下游双水听器阵列获取高信噪比的泄漏噪声信号，通过双电磁流量计差值法实时同步测量漏损流量。

24、（4）本发明配套五级稳压整流体系和上下游双水听器阵列，进一步提升了实验工况稳定性和信号信噪比，能够建立泄漏点特征与水听器检测信号之间的准确定量关系，为高精度泄漏检测算法的开发提供可靠的数据支撑。

25、（5）本发明能够在严格控制的实验条件下，系统研究泄漏点孔径大小、形状等特征对水听器检测信号的影响，建立“泄漏点特征-水力参数-噪声信号特征”之间的准确定量关系，为管道泄漏检测算法的开发和优化提供可靠的实验数据支撑。

26、（6）本发明针对 实验段架构缺陷，变量控制失效的问题，基于单一变量原则的标准化实验方法，所有实验均在同一物理实验位置进行，每次仅安装一个泄漏试件，从根本上杜绝了多泄漏点共存的可能性，彻底消除了多漏点噪声信号相互叠加的干扰，严格满足科学实验的单一变量原则，实验结果仅与当前安装的泄漏试件特征相关，实验数据不再失真，能够真实、准确地反映单一泄漏特征产生的噪声信号特性，解决了现有技术无法建立泄漏点特征与水听器检测信号准确定量关系的核心痛点。

1.一种可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置，其特征在于：包括依次连接的水池（1）、球阀（2）、离心泵（3）、水流整流器（4）、缓冲器（5）、减压阀（6）、小型缓冲器（7）、入口电磁流量计（8）、第一压力表（9）、上游水听器（10）、实验段、下游水听器（11）、第二压力表（12）、出口电磁流量计（13）和回流阀（14），所述回流阀（14）的出口与水池（1）入口连接，形成闭环。

2.根据权利要求1所述的可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置，其特征在于：所述实验段包括快速可拆卸接头和多种规格的泄漏试件，泄漏试件两端采用卡箍式快速可拆卸接头连接，接头耐压≥1.6mpa。

3.根据权利要求1所述的可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置，其特征在于：所述上游水听器（10）布置在实验段上游3-5m处，采集系统本底噪声，用于相干降噪；所述下游水听器（11）布置在实验段下游1-2m处，为主采集通道，获取顺流传播的泄漏噪声。

4.根据权利要求1或3所述的可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置，其特征在于：所述上游水听器（10）和下游水听器（11）采用外贴式压电结构，频率响应范围20hz-20khz，灵敏度≥-180db re 1v/μpa。

5.根据权利要求1或3所述的可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置，其特征在于：所述上游水听器（10）和下游水听器（11）分别与数据采集与处理模块连接。

6.根据权利要求1所述的可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置，其特征在于：实验段入口处安装有温度传感器，用于测量实验段入口处水温，测量范围0-50℃，精度±0.1℃。

7.根据权利要求1所述的可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验装置，其特征在于：所述实验段分不同孔径组以及不同形状组。

8.一种可模拟管道漏孔孔径和形状的检测实验方法，采用如权利要求1-7任一项所述的检测实验装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的检测实验方法，其特征在于，步骤s3中所述工况调节为先调压力再调流量，反复微调至设定值；每个工况重复采集3次，每次间隔2分钟。

10.根据权利要求8所述的检测实验方法，其特征在于，所述方法还包括：