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相关仪在长距离管道漏点定位中的应用:时差与声速取值

来源:北京康高特仪器设备有限公司 发布时间:2026-09-28 14:51:19 作者: 浏览次数:2392次 分类:技术文章

文章概述: 长距离管道上先想到相关仪,是因为它不随距离线性增长。两百米管段换听音法要落下一百个测点,相关分析法两端各挂一个传感器便算出位置。代价是从听变成算,误差来源也从耳朵变成三个输入量。 三个量里,管长量差两米结果便偏出一米,时差误差零点一毫秒只带来零点零六米的偏差,声速这一项却不固定。位置偏差的上界等于管段长度乘声速相对误差再除以二,管段越长,声速误差被线性放大。按规程定位误差不大于一米反推,八十米管段要收在百分之二点五以内,两百米收紧到百分之一,这样的精度靠查表达不到。 规程的态度很清楚,它把声速测量写进相关仪必须具备的功能里,却不肯给一张声速表,因为声速取决于水的弹性模量、管材的弹性模量、管道内径与管壁厚度,给一张表反而误导。管材越软声速越低,管径越大、管壁越厚声速也越低,这与布设间距随管径增大而递减是同一个方向。 现场的正解是实测标定。在同一条管道上找两个已知距离的可接触点,通常是阀门或者消火栓,在其中一端敲击产生脉冲,用相关仪测出传播时间,用已知距离除以时间便得到这段管道的声速。标定用的管段与待测管段应当是同一条管道,标完再做一次反向验证。 边界也要守住。布设间距按管材分档,钢二百米、灰口铸铁一百五十米、水泥一百米、球墨铸铁八十米、塑料六十米,且只在管径不大于三百毫米时适用。漏点还要落在两个传感器之间,落到区间以外时相关峰会贴在图的一端,仪器给出的位置只是端点的映射。

一条两百米长的管段,用听音法沿管走一遍,按二点零米的测点步长要落下一百个测点。换相关分析法,两端各挂一个传感器,几分钟便能算出漏点位置。这便是长距离管道上先想到相关仪的原因。

代价是从“听”变成了“算”。一旦进入计算,误差的来源便不再只有耳朵,还有三个输入量:两个传感器之间的管段长度、互相关算出的时间差、声波在管道里的传播速度。三个量里格外容易出岔子的,恰好是那个看起来只需填一下的声速。

CJJ 159-2011《城镇供水管网漏水探测技术规程》在这个问题上的立场很明确,也很容易被忽略:它要求相关仪具备声速测量功能,全篇却没有给出任何一张声速表。

一、三法分工与相关分析法的位置

1、三种方法各管一段

规程把漏水探测的方法分得很清楚。噪声法用来确定漏水异常管段,听音法与相关分析法用来确定漏水异常点。三者的分工写在术语里,后面各章的操作要求也按这个分工铺开。分工先弄清。

噪声法靠噪声记录仪,长期或移动布设,先筛出可疑管段,听音法靠听音杆或电子听漏仪,沿地面逐点听测,把异常点圈出来。相关分析法靠相关仪,两个传感器夹住一段管道,用互相关算出漏点位置。

2、相关分析法解决什么

规程写明,相关分析法可用于漏水点的预定位与准确定位。它的作业条件只有一条硬门槛:管道水压不应小于零点一五兆帕。

这一条与听音法的要求相同,压力不够时漏水声本身便很弱,无论用哪种方法都难有收获。

3、长距离上它为什么划算

听音法的工作量随距离线性增长。金属管道的测点步长不宜大于二点零米,非金属管道不宜大于一点零米,一条两百米的管段走下来便是上百个测点,每个测点还要听够五秒。

相关分析法不随距离线性增长,两个传感器之间的管段一次夹住,无论八十米还是两百米,操作步骤都是一样的。距离越长,这个差别越明显。步数省下来了。

4、三条线是接力关系

实际作业里三种方法是串起来的。先用噪声法把范围收窄到某一段,再用相关分析法把这一段收窄到一个点,末了用听音法在地面复核并做准确定位。

北京康高特(KGT)自研的听澜噪声记录仪处在头一棒,负责按管材分档的布设间距做异常管段筛查。星辰与大海两款智能数字听漏仪处在末一棒,负责地面听音的准确定位。中间这一棒的相关分析,属于另一类设备的工作。

二、定位式子里有三个量

1、式子本身

漏点距较近那个传感器的距离,等于两个传感器之间的管段长度减去声速与时间差的乘积,再除以二。写成式子便是 L 等于 D 减 v 乘 Δt,再除以二。

式子里 D 是两传感器之间的管段长度,v 是声波在这段管道里的传播速度,Δt 是漏水声到达两端的时间差。

2、D 怎么来

规程要求应准确测定两个传感器之间管段的长度,并准确输入管长、管材和管径等信息,再根据管道声波传播速度进行相关分析,确认漏水异常点。

这里的长度是沿管道的实际长度,不是两个传感器在地面上的直线距离,管道转弯、起伏、绕行都要算进去。老旧管段的图纸与现场对不上的情况并不少见,这一项常常是误差的大头。量一遍更稳。

3、Δt 怎么来

时间差由互相关运算给出,相关仪把两端收到的信号做互相关,相关峰所在的位置便是时间差。

这一步是仪器自动完成的,操作者能看到的是相关峰的形状,峰越尖锐时差越可靠。峰被拉宽或者出现多个峰,时差便不可信。

4、v 怎么来

规程在这一项上给的是功能要求而不是数值:相关仪应具备滤波、频率分析、声速测量等功能。

把“声速测量”列为相关仪必须具备的功能,等于表态声速应当实测,可这也是一条容易被跳过的条款,现场更常见的做法是填一个经验值。

三、三个量的误差怎么传到结果上

1、管长这一项

对式子求偏导可以看出,管长量差多少,结果便偏差一半。管长量差两米,漏点位置便偏出一米。

规程对定位误差的要求是不宜大于一米。单是管长这一项,便足以把整条要求吃干净。这不算夸张。

2、时差这一项

时差测量误差带来的位置偏差,等于声速乘时差误差再除以二。声速按一千二百米每秒算,时差误差零点一毫秒,位置偏差只有零点零六米。

时差这一项通常不是瓶颈,前提是相关峰足够尖锐,仪器确实抓到了同一个波。峰要看得准。

时差能分辨到多细,取决于相关运算与信号带宽,规程没有给相关仪的采样率数值,只要求传感器频率响应范围宜为零到五千赫兹。五千赫兹对应的时间尺度在零点二毫秒量级,按一千二百米每秒的声速折算,距离分辨大约为零点一二米。这只是量级估计,实际分辨能力取决于仪器自身的相关算法与信噪比,不能拿它当精度指标。

3、声速这一项

声速误差带来的位置偏差,等于时差乘声速误差再除以二。时差越大,声速误差被放得越大。

时差的上界是管段长度除以声速,即漏点落在一端传感器旁边的情形。把这一情形代进去,位置偏差的上界便等于管段长度乘声速的相对误差再除以二。

4、长距离把声速误差放大

这个关系值得单独说,声速的相对误差固定时,管段越长,位置偏差越大,而且是线性放大。

按规程的定位误差不大于一米来反推:管段长度八十米时,声速的相对误差要控制在百分之二点五以内。管段长度两百米时,要求收紧到百分之一。把算式外推到六百米,便只剩下千分之三,这样的管段长度本身已远超规程给出的间距依据。

声速按一千二百米每秒算,百分之二点五相当于三十米每秒。这个精度靠查表是达不到的。

四、声速取值:规程怎么说,现场怎么办

1、规程给了功能要求,没给数值表

前文已经提到,规程要求相关仪具备声速测量功能。翻遍这一章,找不到任何一处给出声速数值,也没有按管材分档的声速表。

这与它对布设间距的态度正好相反。布设间距给了表六点二点二的五档数值,声速一项却完全留白。留白的原因不难理解:声速受太多因素牵动,给一张表反而误导。留白是有意的。

2、声速取决于什么

在满水管道里,声速由水的弹性模量、管材的弹性模量、管道内径与管壁厚度共同决定。管材越软,声速越低。管径越大、管壁越厚,声速也越低。

这一条与规程对布设间距的规定方向一致。布设间距应随管径的增大而相应递减,管径变大意味着声速变低、信号衰减更快,可覆盖的距离自然要收短。

3、管材这一端

金属管的管壁刚度高,声速高,漏水声传得远,塑料管的管壁材料软,声速明显低,衰减也快。

工程界常引用的参考值大致落在这样的区间:金属管约一千二百到一千五百米每秒,塑料管约三百到五百米每秒。不同来源给出的具体数字有出入,这些数字是长期实践归纳出来的经验值,不是规程给出的规定值。

水温与管内压力同样会影响声速。在自由场条件下,水中声速随温度升高而升高,随压强增大而略有升高。可管道里的水被管壁完整包围,不存在自由场,管壁的弹性与几何尺寸才是主导因素。这便是按水温去修正管网声速的做法并不可靠的原因,实测才是正路。

4、现场标定怎么做

条件允许时应当实测。做法是在同一条管道上找两个已知距离的可接触点,通常是两个阀门或者两个消火栓,在其中一端敲击产生脉冲信号,用相关仪测出脉冲传到另一端的时间,用已知距离除以时间便得到这段管道的实测声速。

这段管道的长度要量准,否则标定本身便带着误差。标定用的管段与待测管段应当是同一条管道,管材、管径、埋设条件一致。

5、标定值怎么复核

标完之后做一次反向验证:把相关仪放在标定管段上,人为在某一已知位置制造信号,看算出来的位置与真值差多少,差得少说明声速可用,差得多说明标定段与待测段不是一回事。

这一步在长距离管道上尤其值得做。前文的反推已经说明,两百米管段要求声速误差在百分之一以内,一次验证的代价远低于一次错误开挖。

五、长距离的边界在哪

1、表六点二点二只覆盖到管径三百毫米

规程写得很清楚:当采用相关分析法探测管径不大于三百毫米的管道时,相邻两个传感器的布设间距宜符合表六点二点二的规定。

这句话的限定条件常常被漏掉,管径大于三百毫米时这张表并不适用,规程也没有另外给数值。

2、间距的两个调整方向

规程给出两条调整原则:布设间距应随管径的增大而相应减小,随水压的增减而增减。

两条都与信号强度有关,管径变大,声速降低、衰减加快。水压升高,漏水声更强,能传得更远。长距离作业要把这两条一起考虑,不能只盯着距离这一项。

3、为什么不能一味拉长间距

间距拉长带来三个问题。一是信号衰减,远端传感器收到的漏水声被背景噪声淹没。二是管件反射,弯头、三通、变径处都会产生反射,互相关图上多出一批假峰。三是跨管段风险,两个传感器之间若混进了别的管道,算出来的结果毫无意义。

三个问题里,跨管段这一条在长距离上格外容易发生。

长距离作业还有一个现实约束:可接触点。相关仪的传感器要装在阀门、消火栓这类管道附件的金属部分上,两端之间能不能找到合适的可接触点,往往决定了间距取多大。找不到点时,与其勉强把间距拉长,不如分段做,或者先用噪声法把范围收得更小一些。

4、表六点二点二的五档值

作为参考,直管段上的间距上限按管材分档为:钢二百米,灰口铸铁一百五十米,水泥一百米,球墨铸铁八十米,塑料六十米。

这是上限,不是推荐值。条件好的管段可以贴近上限布置,条件差的应当主动收短。别顶格用。

六、前提成不成立,长距离上格外容易破

1、规程的原话

传感器的布设有两条规定:应确保传感器放置在同一条管道上,传感器宜竖直放置并确保与管道接触良好。

“同一条管道”这五个字,在长距离作业里是硬约束。两个传感器之间若有支管接入、有连通管跨接、有阀门把两段不同规格的管道连在一起,相关分析的前提便不成立了。这一步先立住。

2、漏点要落在两个传感器之间

定位式子的前提是漏点位于两个传感器之间。漏点落在这个区间内,两端的时差对称分布,互相关峰落在图中间的某个位置。

漏点跑到区间以外,时差便取到边界值,相关峰会贴在图的一端。仪器照样给出一个位置,可这个位置只是端点的映射,并不是漏点的真实位置。

判别办法是看峰位会不会跟着传感器移动。把一端传感器往一侧挪二三十米重测,峰位跟着挪,说明漏点在区间之内。峰位仍贴着端点不动,说明漏点在区间之外,要朝那个方向扩展布设范围。

长距离作业里这一条格外值得警惕。间距拉得越宽,漏点落在区间之外的情形看着越像正常结果,边界值与真实值在相关图上并不容易分辨。

3、图纸与现场对不上

老旧城区的管网图纸常常与现场不符,竣工图上的一条直管,现场可能中途变径、换材质,或者被后来的改管截断改接。

判断办法是沿管逐段核对可接触点,两个传感器之间的每一个阀门、每一个消火栓都要确认属于同一条管子,中间没有分叉。

4、接触与竖直

传感器宜竖直放置,并与管道接触良好。接触面要清理,锈层与泥土会削弱耦合。磁吸式传感器要吸在金属本体上,不能吸在松动的部件上。

耦合不好时,相关图上表现为相关峰低矮、背景起伏大,与信号衰减的表现很像,容易被误判为距离太远。

5、信号传输这一条

规程另有一条要求:发射机与相关仪的信号应能正常传输。

长距离意味着两端相距远,无线通信的可靠性下降。作业前先做一次通话与传输测试,比测到一半发现断联要省事得多。

七、滤波与频段在长距离上的变化

1、规程给出的两条

相关分析法的滤波条款是明确的:应根据管道材质、管径设置相应的滤波器频率范围,金属管道设置的频率下限不宜小于两百赫兹,非金属管道设置的频率上限不宜大于一千赫兹。

这是规程在这一章里给出的两个频率数值,也是相关分析法与听音法在滤波上的分界,这两个数字属于相关分析法,换到听音法上便没有对应的成文依据。

2、长距离把有效频带往下压

漏水声不是单一频率。高频成分在管道里衰减得快,传播距离越长,剩下来的低频成分占比越高。

结果是有效频带随距离整体下移。近距离上还能听到的一千赫兹以上成分,到了几百米外可能只剩噪声。频带要跟着距离往下收,不能沿用近距离的设置。照搬会失效。

3、频带与时差的耦合

不同频率成分在管道里的传播速度并不完全相同,传播距离越长波形被拉得越宽,互相关的峰也跟着变钝。

峰变钝意味着时差的分辨能力下降。这便是长距离上端到端精度变差的一个物理原因,与声速误差叠加在一起。

互相关需要一段足够长的信号。积分时间太短,随机噪声占比高,相关峰不稳定。积分时间太长,管网工况的变化被平均进去,峰反而变钝。现场的做法是固定一个积分时长,重复测三到五次,看峰位是否稳定。峰位来回跳动,说明这一次的结果不可信。

4、传感器本身的要求

规程对相关仪传感器的要求是:频率响应范围宜为零到五千赫兹,电压灵敏度应大于一百毫伏每米每二次方秒。

对比听音法那一侧的电子听漏仪,要求的是加速度拾音器电压灵敏度优于十毫伏每米每二次方秒。前者比后者高一个数量级,因为相关分析要在两个通道上比对波形细节,对灵敏度的要求更高。

八、现行标准依据与判定

1、规程的地位与状态

CJJ 159-2011 由住房和城乡建设部发布,二零一一年一月七日批准、二零一一年十月一日起实施,是城镇供水管网漏水探测的现行行业规程。自 GB 55026-2022《城市给水工程项目规范》于二零二二年十月一日起实施之日起,本规程的部分强制性条文同时废止,其余技术条款仍然有效。

引用时按技术条款处理,不以强制性条文的口径去写。

2、判定的两条数值

规程对探测结果的要求有两条:漏水点定位误差不宜大于一米,漏水点探测的准确率不应小于百分之九十。

这两条是结果指标,不是方法指标。前文用它反推声速精度,属于把结果指标换算成过程控制的做法,规程本身没有这样写。换算只是借用。

3、准确率是统计口径

规程写的准确率不应小于百分之九十,指的是一批探测任务里定位正确的比例,是统计意义上的指标,不是单次作业的成功率承诺。

把这句话读成“这一次测出来便有九成把握是对的”,是常见的误读。单次作业成不成,取决于声速、管长、管段一致性这些具体条件,与上一次准不准并不相干。

对现场的意义在于,单次结果不能靠这条指标给自己背书。复核要走标定与反向验证,靠重复测量看峰位是否稳定,而不是靠规程写了百分之九十这个数字。

4、另两本规程管什么

CJJ 92-2016《城镇供水管网漏损控制及评定标准》管的是漏损率评定与分区计量,不涉及相关分析法。CJJ 207-2013《城镇供水管网运行、维护及安全技术规程》由住房和城乡建设部批准、二零一四年六月一日起实施,在检漏方法选择上直接指向 CJJ 159,本身不另外给方法条款。

三本规程分工不同,写探测方法引 CJJ 159,写漏损评定引 CJJ 92。

九、两类现场情形

1、声速取经验值,一点四米便已越线

某条钢质干管,公称直径三百毫米,两个传感器间距一百六十米,中间没有支管。钢材那一档的上限是二百米,一百六十米并没有越线。作业方按经验值把声速填成一千三百米每秒,相关峰清晰,算出漏点距一端五十八米。

开挖前做了一次标定,在同一条管道的两个消火栓之间量出九十二米,敲击标定得到声速一千二百二十米每秒,与经验值差了百分之六左右。按标定值重算,漏点位置移到五十九米处,两者相差一点四米。

按规程的定位误差不大于一米来卡,这一结果不合格。偏差的来源只有一个,便是声速。盯住这一项。

2、跨了管段,相关峰看着很好却是假的

另一段管道,两个传感器间距约二百二十米,这一数值已经超出表六点二点二各档的上限,中间隔着一处旧管与新管的接口,相关图上出现一个尖锐的峰,时差稳定,重复测三次结果一致。

问题出在核对环节。沿管逐点核对时发现,两传感器之间有一处支管接入,且接口两侧的管径不同。这意味着两个传感器不在同一段等截面管道上,声速沿途并不一致。

把其中一个传感器移到接口同侧,间距收到九十米重测,相关峰位置完全变了。这一例的教训是:相关峰尖锐不等于结果可信,前提是管道本身成立。

十、几个常被问起的问题

1、声速到底填多少

规程不给数值表,所以没有可以照抄的标准答案,条件允许便实测,用已知距离的两个可接触点做标定。实在没有标定条件,按管材类型取工程参考值,同时把间距尽量收短,并在记录里写明声速是估计值。

2、相关峰不清晰怎么办

先看压力够不够零点一五兆帕,再看传感器耦合是否良好,两项都正常再调滤波:把频带往低频收,避开高频噪声。仍不清晰便收短间距,不要靠拉长积分时间去硬凑。

3、算出来的位置总往一侧偏

先看管长量得准不准,这一项格外容易被忽略。管长偏两米,结果偏一米,而且偏移方向固定。再查声速是否偏大或偏小,声速偏大会让结果朝一端系统性偏移。方向是固定的。

4、长距离要不要分段

要。间距超出表六点二点二的上限时,规程已经不再提供依据,此时应当分段测量而不是硬拉长。分段还有一个好处:每段单独标定声速,误差不会被累积。

5、水压不够怎么办

规程要求水压不小于零点一五兆帕,低于这个值相关分析法很难有可靠结果,现场能做的只有调整作业时段,避开用水高峰,或者换用对低压更适应的方法。硬做下去,得到一个看着漂亮却不可复现的结果,代价更大。

结语

相关分析法把漏点定位从听变成算,长距离管道上这份效率是实打实的。可算式里三个量,有两个能靠仪器和尺子解决,剩下一个声速要靠现场标定。规程的态度很明确,它把声速测量写进了相关仪必须具备的功能里,却不肯给一张声速表,因为这张表给不出来。间距拉得越长,声速误差被放大得越厉害,反推下来几百米管段要求的声速精度已经到了百分之一的量级。把声速当成一个只需填一下的参数,是长距离作业里格外容易犯的错。把它当成一项要实测的量,相关仪才真正用得对。

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