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管道漏点定位的误差来源:声速、管径与传感器间距

来源:北京康高特仪器设备有限公司 发布时间:2026-09-30 12:55:17 作者: 浏览次数:9259次 分类:技术文章

文章概述: 对定位算式求偏导可以看出,管长的误差原样传一半给位置,时差的误差乘声速再减半,声速的误差乘时差再减半。时差项与管段长度无关,声速项却随时差走,而时差的上界又由管段长度决定,长管段上声速因此成为主导项。声速只能实测。文中给出公称直径三百毫米与一百毫米钢管的声速算例、水击波速式里管径与壁厚的作用、表六点二点二的五档布设间距与三条递减原则、零点一五兆帕压力门槛的物理含义,另附七条现场收误差的做法、可复用的记录模板与常见问题七问。

CJJ 159-2011《城镇供水管网漏水探测技术规程》给漏水探测定的是结果指标: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。它没说这一米由什么构成。现场要把误差控住,得自己把这笔账拆开。

拆账的起点是相关分析法的定位算式。两个传感器夹住一段管道,漏点距某一端的距离等于管段长度减去声速与时差的乘积,再除以二。式子里只有三个输入量:管段长度、声波传播速度、互相关算出的时间差。三个量各自带一项误差,合起来才是报告上那一个数字。

一、先把账拆开:三项误差各占多少

1、定位算式拆出的三项偏导

对算式求偏导,三项误差各自的传递系数便清楚了:管长的误差原样传一半给位置,时差的误差乘声速再减半,声速的误差乘时差再减半。

三条传递系数里藏着一个不对称性:时差项与管段长度无关,声速项却随时差走,而时差的上界是管段长度除以声速。这个不对称决定了后面所有的取舍。

2、管长项:量差两米便吃掉整条指标

管长量差两米,漏点位置便偏出一米。规程给的定位误差上限正是一米,单是这一项便足以把整条要求吃干净。

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。弯头、起伏、绕行都要算进去,老旧管段的图纸与现场对不上并不少见。量出来的长度与真实长度差多少,误差便是多少的一半。

3、时差项:与管段长度无关,通常不是瓶颈

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。

这一项与管段长度没有关系。拉长不吃亏。间距拉长一倍,时差项不会跟着变大。通常不是瓶颈的前提是相关峰足够尖锐,仪器确实抓到了同一个波,峰一旦钝下来,这一项可以迅速冒头。

4、声速项:随漏点位置与管段长度变

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。

漏点落在两个传感器正中时,时差接近零,声速误差几乎传不到结果上。漏点越靠某一端,时差越大,同一档声速误差被放得越厉害。把时差的上界代进去,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。

5、三项怎么合成

三项误差彼此独立,合成时按方和根估算更接近实情,逐项相加得到的则是不利情形的上界。现场判断主导项时不必先算合成,先找出三项里大的那一头,把力气花在它上面。

二、声速误差:来源不止“填错了”

1、管材判错是头一类

金属管的管壁刚度高,声速高,漏水声传得远。塑料管的材料软,声速明显低,衰减也快。工程界常引用的参考值大致是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,不同来源的具体数字有出入,这些是长期实践归纳的经验值,不是规程给出的规定值。

铸铁与球墨铸铁、钢与镀锌钢之间的差别同样不小。管段中途换过管材而图纸未更新的情形,在老旧管网里并不少见。

2、管径与壁厚直接进到声速式里

管道里的声速不是水中声速,而是水与管壁耦合之后的等效波速。工程上估算它常用水击波速式:先由水的体积模量与密度定出基准值,再按管材弹性模量、管径、壁厚三者折算下来。

这条式子把管径与壁厚直接摆了进来。管径越大、壁厚越小、管材弹性模量越低,折算下来的声速越低。规程不肯给声速表,原因正在于此——式子里的弹性模量与壁厚在现场常常拿不准。拿不准便算不准。

3、一组数值感受量级

取水的体积模量约二点二吉帕、密度一千千克每立方米,钢材弹性模量约二百一十吉帕。公称直径三百毫米、壁厚八毫米的钢管代进去,声速约一千二百六十米每秒。同一批钢材、同样壁厚,公称直径换到一百毫米,声速约一千三百九十米每秒。

两档相差约一百三十米每秒,相对差约一成。放到二百米管段、漏点靠近一端的算例里,位置偏出的量级是十米,管径与壁厚不是可以随手带过的输入项。

4、埋设条件同样改声速

覆土性质、管基做法、管内是否满水、局部有没有气囊,都会改变耦合条件。同一条管道穿过道路段与绿化段,实测声速可以不一样。标定段与待测段的埋设条件若差得远,标定值便带不动待测段。标定要同条件。

5、频散这一条容易被忽略

声速随频率变化,这是管道声传播的一个固有性质。滤波档位一改,参与相关运算的频带跟着变,等效声速也跟着动。规程对相关分析法的滤波有明确要求:金属管的滤波下限不宜低于二百赫兹,非金属管的滤波上限不宜超过一千赫兹。

这意味着换了滤波档位,理论上应当重新核声速。现场常常只换档不核声速,误差便是这样一点点攒出来的。攒多了便超标。

三、水压:不在算式里,却决定时差测不测得准

1、水压改的是声幅,不是声速

水压不进定位算式,却决定算式里的时差能不能测出来。漏水声由压力水从破口高速射出产生,射流冲击管壁与周围介质,把动能转成声,压力越高,射流速度越大,声功率越大。压力降下来,同一个漏点发出的声跟着变弱。

声速式里没有压力这一项,这一条要分清:水压变化不会让漏点位置算错,它让相关峰变钝、变浅,峰一钝,时差便读不准。

2、规程给的门槛是零点一五兆帕

规程对相关分析法列了适用条件,其中一条是管道压力不宜低于零点一五兆帕。这条要查。低于这个量级,漏水声太弱,相关运算找不到可靠的主峰。

这条门槛常被当成仪器能不能开机的判据,它其实是时差能不能测准的判据,压力够不代表测得准,压力不够基本测不准。

3、压力不足时仪器照样给峰

有峰不等于找到了漏点。相关运算总要给出一个峰值,噪声占主导时它给出的是噪声的峰,峰形照样出现,位置却与漏点无关。

判断办法是看峰的形状与重复性。真漏点的峰在多次测量里位置稳定、形状尖锐,换了滤波档位仍停在同一时差上。噪声的峰换个时段、换个档位便跑掉。

4、三条递减原则里,水压这一条常被忽略

布设间距随管径增大而递减、随水压降低而递减、随管件增多而递减。现场核间距时,管径与管件看得见、数得出,水压却要查。同一条管道在不同时段压力可以差出不少,白天与夜间的差别尤其明显。

压力这一条与管径一条会叠加。大口径管道本已把间距压到六十至二百米,压力再低一档,间距还得往下收。

5、压力偏低时的替代路径

压力确实上不来时,先收短间距,把声速项与时差项同时压小。也可以先用噪声法把异常管段筛出来,再在短管段上做相关分析。

北京康高特(KGT)自研的听澜噪声记录仪做的是头一步。它按固定安装、流动监测、临时布点三种方式部署在管段上,监测量程二百米,每日定时上报音频数据,先把持续异常的管段圈出来。相关分析不必在一整条长管上硬拉,压力不足的管段也因此更容易被单独处理。

四、管径:同一条管径改三样东西

1、头一样是声速,第二节已经算过

管径进到声速式里,改的是等效波速。这一条与规程对布设间距的态度方向一致:布设间距应随管径的增大而相应减小,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。

2、第二样是衰减与频带,它改的是时差分辨率

管径变大,时差的分辨率跟着退一档。大口径管道传来的漏水声能量分散在更大的截面上,高频成分衰减得更快,到达传感器时剩下的多半是低频。低频意味着波长长、相关峰宽,峰一宽,时差便分辨不细。

这一条把管径与时差项连了起来。管径变大不只是让声速变低,它同时让相关峰变钝,把本来不是瓶颈的时差项推上来。相关分析法在大口径管道上格外吃力,原因便在这里。

3、第三样是间距上限,规程只覆盖到三百毫米

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。表六点二点二按管材分档给出直管段上的间距,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。

管径超过三百毫米,规程便不再提供依据。此时要么按工程判断收短间距,要么改用别的方法配合。同一张表在噪声法与相关分析法里各用一次,这一点值得记住。

4、管件让三条递减原则同时生效

布设间距应随管径增大而递减,随水压降低而递减,随接头、三通等管件增多而递减。三条原则在现场常常一起出现:大口径、低压、管件密集的老旧干管,间距要一收再收。

五、传感器间距:两个方向都有代价

1、拉长的代价是声速项被线性放大

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。管段长度二百米时,要求收紧到百分之一。

声速按一千二百米每秒算,百分之一相当于十二米每秒,这个精度靠查表达不到,靠实测才够得着。

2、拉长还带来衰减与假峰

间距拉长之后,远端传感器收到的漏水声被背景噪声淹没的可能变大。弯头、三通、变径处都会产生反射,互相关图上多出一批假峰,峰挑错了,时差便整个错掉。

3、收短不是没有代价

间距收短,声速项跟着收窄,这是它的好处。代价是漏点落在区间之外的风险上升——区间越窄,漏点原本在区间里的把握越小。覆盖变窄还意味着一条长管线要分更多段、搬更多次传感器。

4、漏点在中点准,靠端差

漏点落在区间正中时误差小,越靠某一端误差越大。这一条常被漏掉,特别不利的情形是漏点正落在某个传感器旁边。算出的漏点若贴着一端,稳妥的做法是挪动传感器,把漏点摆到区间中部再测一次,看两次结果对不对得上。

5、现实间距往往由可接触点决定

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,常常决定了间距实际能取多大。规程要求传感器应确保放置在同一条管道上,宜竖直放置并确保与管道接触良好。接触要实。

找不到可接触点时,与其勉强把间距拉长,不如分段做,把每一段都压到可接触点够得着的范围内。也可以先用噪声法把可疑范围收得更小一些,再在短管段上做相关分析。

六、误差合成与主导项判断

1、先看哪一项大,再决定力气往哪使

三项误差的合成不必一上来急着算。先看哪一头大:管段短、声速又已实测的,管长项往往主导,此时把卷尺用好比什么都强。管段长、声速靠估计值的,声速项主导,误差的九成出在这里。相关峰钝、大口径、低频为主的,时差项被推了上来,收频带与收间距才是对症的。

判断主导项有一个简便办法:把三项分别算一遍,取大的那一项单独压,三项同时压既不现实也不必要。

2、按一米指标反推各分量能分到多少

三项彼此独立时按方和根估算。要在二百米管段上做到定位误差不大于一米,一种可行的分配是:管长项零点五米,声速项零点七米,时差项零点五米,合成约一米。

把这个分配还原成现场要求,各分量的难度分布才显出来。管长项零点五米意味着管段长度要量到一米以内。声速项零点七米,在二百米管段、漏点靠近一端的情形下,要求声速的相对误差不超过千分之七。时差项零点五米,意味着时差要测到零点八毫秒以内。

三项里紧的是声速。这也是规程把声速测量写进相关仪必备功能、却不肯给一张声速表的原因——这张表给不出来,只能实测。

3、误差与准确率是两条指标

规程同时给了定位误差不宜大于一米与准确率不应小于百分之九十两条。前者说的是找到的点准不准,后者说的是这一段有没有找到。相关峰很尖、时差很稳,解决的是前一条。漏点是不是真的在这段管道上、有没有被别的东西骗过去,解决的是后一条。

混淆这两条,是现场把“结果稳定”当成“结果正确”的根源。

七、现场怎么把误差收下来

1、量管长要沿管道实长量

不要用两个传感器在地面上的直线距离代替沿管长度,弯头、起伏、井室绕行都要算进去。图纸与现场对不上时,以现场为准,并把量法记进记录。

2、声速要实测,标定段要挑对

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,在一端敲击产生脉冲,用相关仪测出传到另一端的时间,用已知距离除以时间得到这段管道的实测声速。

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。标定段的长度也要量准,否则标定本身便带着误差。量不准等于没标定。

3、间距先按表,再按三条递减原则收

管径不大于三百毫米时,先按表六点二点二的管材分档取间距。取完之后按三条原则往下收:管径大则减,水压低则减,接头与三通多则减。

4、算出的漏点贴着一端时,挪传感器重测

把漏点摆到区间中部再测一次,两次结果对得上,可信度明显提高,对不上先查声速与管长,别急着开挖。

5、跨变径、跨接口、跨管材的管段要分段

两个传感器之间只要混进了不同的管材或管径,声速便不再是一个数,算式的前提便不成立。分段要切在变径与接口处,切完之后每一段内部保持管材与管径单一。

6、换滤波档位之后重新核声速

金属管的滤波下限不宜低于二百赫兹,非金属管的滤波上限不宜超过一千赫兹。档位一改,参与相关运算的频带跟着变,等效声速也跟着动,条件允许时,换档之后补一次标定。

换档之后要不要重核声速,取决于档位分得有多细。北京康高特(KGT)自研的大海智能数字听漏仪给的是数字与模拟两套滤波,数字侧的高通与低通各有二十余档拐点,模拟侧另有低一百、二百、四百赫兹三档,高侧六百、八百、一千二百赫兹三档。档位分得细,频带变化才估得出量级,重核也才有意义。

7、传感器耦合不直接改时差,却拖低信噪比

两端的传感器灵敏度不一致并不改变时差,这一点与很多人的直觉相反。真正的影响在信噪比:弱的一端掉进背景噪声里,相关峰跟着变钝,时差误差被放大。规程要求传感器宜竖直放置并确保与管道接触良好,落的正是这一环。

增益这一环也要分清。北京康高特(KGT)自研的大海智能数字听漏仪给到四十六分贝增益,拾音器防护等级为 IP67,可在水深一米、三十分钟的条件下工作,井室积水时仍能保证接触与耦合。增益抬高的是弱的一端,噪声跟着一起抬,所以增益救不了钝峰,它只把峰从背景里捞出来。钝峰救不回来。

八、误差账怎么落到记录上

1、报告上只写一个数,等于没算账

只写漏点位于某阀门下游十二米,看不出这一米是松是紧。完整的写法应当把三项的估计值一并记下:管段长度是怎么量来的、声速是实测值还是估计值、相关峰的形状如何。

记下这三项之后,别人拿到报告能自己判断可信度,也能在开挖验证之后反过来核对哪一项估错了。

2、开挖验证才是把误差收紧的办法

算出来的点终归是估计值,开挖结果是真值。每开挖一处,把计算位置与实际位置记在一起,差值回填到台账里。台账不回填便没用。

回填积累到一定数量,便能看出本地管网的系统性偏差:某类管材的声速参考值是不是一贯偏高,某段图纸的管长是不是一贯偏长。这种偏差靠单次测量发现不了,靠长期台账才看得见。

3、一米误差落到施工上是开挖余量

规程的定位误差上限是一米,落到施工上意味着开挖坑要留出对应的余量。给施工方报点时不报一个点,报一个小范围,并说明这个范围是怎么估出来的。误差要说清。

报点的人若把一米说成十厘米,施工按十厘米开挖,找不着漏点便会回头质疑整个方法。误差说清楚,反而更容易取得配合。

4、准确率这条指标要靠台账统计

定位误差说的是找到的点准不准,准确率说的是这一段有没有找到。后者是统计指标,按探明的漏点数除以实际漏点数来算,分母只有开挖之后才知道。

规程给的准确率下限是百分之九十。要判断自己有没有达到,只能靠长期台账,单次的漂亮结果说明不了什么。

5、一个可复用的记录模板

每次相关分析留六项。日期与时段记清楚。管段编号、管材、管径写在前面。量得的管段长度连同量法一并记下。声速的取值与来源单列一行。两个传感器的位置与间距记准。算出的漏点位置附上峰形描述。

六项里声速的取值与来源更要紧。写估计值比写一个看起来的数字强,后者会让后面用这份报告的人误以为它经过标定。

九、常见问题

1、管径超过三百毫米,间距怎么定

规程在这一点上明确留白:表六点二点二的适用范围是管径不大于三百毫米的管道。超出之后没有表可依,应当按工程判断把间距收短,并分段测量。条件允许时,先用噪声法把异常管段收窄,再做相关分析。

2、声速查表行不行

不行。规程没有给声速表,工程界流传的参考值是长期实践归纳的经验值,不是规定值。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,这个区间跨度本身便说明查表满足不了百分之一到千分之七的要求。有标定条件便标定,没有条件便把间距收短,并在记录里写明声速是估计值。

3、相关峰很尖是不是一定准

不一定。峰尖只说明时差这项取得稳,不代表输入量对。声速填错、管长量错、两个传感器不在同一条管道上,都能给出又尖又稳的峰,规程单列的准确率指标管的正是这一类问题。

4、算出的漏点正好落在传感器旁边怎么办

这是误差大的位置,不是好消息。挪动传感器,把漏点摆到区间中部再测一次。若两次结果差得多,先查管长与声速,再考虑漏点是不是在区间之外。

5、两个传感器不在同一条管道上会怎样

算式的前提便不成立了,算出的数字没有意义,规程要求传感器应确保放置在同一条管道上。管网密集、走向不清的地段,先用管线仪或竣工图把走向核清楚再布点。

6、换滤波档位要不要重算

要。声速随频率变化,频带一改,等效声速跟着动。金属管与非金属管的滤波要求本不相同,前者下限不宜低于二百赫兹,后者上限不宜超过一千赫兹,换档之后条件允许便补一次标定。

7、塑料管为什么格外难

难在两头叠加。声速低意味着同样管长下时差大,声速误差被放得更厉害。衰减快意味着高频先掉光,剩下的低频让相关峰变宽,时差分辨率跟着下降。表六点二点二给塑料管的间距只有六十米,正是这两头共同作用的结果。

十、结语

定位误差不是一个笼统的数,它由三项误差合成:管长、声速、时差。三项的传递系数不对称——时差项与管段长度无关,声速项却随时差走,而时差的上界又由管段长度决定。这个结构决定了长管段上声速是紧的那一头。

管径在里头改三样东西:声速、衰减带来的频带变化、间距上限。前一样进算式,第二样改时差分辨率,第三样由规程表六点二点二管着,且只管到三百毫米。传感器间距则两头都有代价,拉长放大声速项,收窄又缩小覆盖,而漏点在中点准、靠端差这一条常被漏掉。

把这一米指标拆成三项分别去压,比笼统地要求“测准一点”有用得多。先判断主导项是哪一个,再决定力气花在卷尺上、标定上,还是收间距上。

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