本發(fā)明涉及一種用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球，具體地說，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)之間、機(jī)械與電路模塊之間的相互連接關(guān)系以及檢測球的整體配重設(shè)計(jì)，屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范疇。

背景技術(shù)：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國城市供水管網(wǎng)平均漏損率超過15%，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。如果漏損率每降低1個(gè)百分點(diǎn)，可節(jié)水至少5億立方米，相當(dāng)于30多個(gè)西湖的水量。由于城市供水管網(wǎng)存在分布范圍廣、管線距離長、地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜信息不全等問題，目前仍主要以人工聽漏為主進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位，很難以低成本的方式對泄漏點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)的空間定位檢測。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于檢測球功能的實(shí)現(xiàn)具有極其重要的意義。首先，檢測球工作在水中，因此對于檢測球整體的密封性有很高的要求；其次，要保證檢測球在管道內(nèi)工作過程中減小碰撞和震蕩的影響，對保護(hù)殼的設(shè)計(jì)有很高的要求；再次，要保證檢測球沿著管道下壁繞單軸滾動，對配重的設(shè)計(jì)和保護(hù)殼的設(shè)計(jì)有很高的要求；最后，還要保證檢測球在管道中長期工作的可靠性，對機(jī)械結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于針對城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的工作特性，提供一種用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球及其應(yīng)用方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

一種用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球，泄漏檢測定位球機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置包括密封結(jié)構(gòu)、內(nèi)部模塊支架、球形保護(hù)殼、配重塊和控制單元；

其中，所述密封結(jié)構(gòu)和內(nèi)部模塊支架采用鋁合金材料，用于固定檢測定位球內(nèi)部的電路模塊，電路模塊包括usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊、開關(guān)模塊、主控電路模塊、信號調(diào)理電路模塊、電源模塊和水聽器模塊，其中usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊、開關(guān)模塊和水聽器模塊用于與外部環(huán)境交互，在密封結(jié)構(gòu)上開孔固定，主控電路模塊、信號調(diào)理電路模塊和電源模塊用于檢測球內(nèi)部的工作，在密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部通過內(nèi)部模塊支架固定；球形保護(hù)殼采用聚氨酯材料，用于包覆密封結(jié)構(gòu)，并在球形保護(hù)殼相應(yīng)的位置設(shè)有開孔；控制單元包括開關(guān)模塊、主控電路模塊和信號調(diào)理電路模塊，用于采集、處理管道中的泄漏特征信號，并實(shí)現(xiàn)自主定位；配重塊固定在密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁，用于保證檢測定位球在管道中工作時(shí)重力略大于浮力，且豎直向上的y軸轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)小于沿其它兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動慣量，結(jié)合球形保護(hù)殼提供的摩擦力保證其在管道中繞y軸單軸滾動，且在垂直上升管道中也能處于重力平衡狀態(tài)隨水流上升從而實(shí)現(xiàn)定位。

所述的密封結(jié)構(gòu)由上、下兩部分組成，用螺紋旋合并用o型圈密封；在上半部分密封結(jié)構(gòu)左右軸對稱開兩個(gè)孔，分別用于安裝usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊和開關(guān)模塊，usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊上安裝一個(gè)堵頭用于密封，開關(guān)模塊自身具有螺紋，在密封結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置設(shè)有螺紋并密封；在下半部分密封結(jié)構(gòu)與y軸的交叉點(diǎn)處按水聽器模塊的結(jié)構(gòu)開孔設(shè)有螺紋并密封；對于球殼內(nèi)部電路模塊，在上半部分密封結(jié)構(gòu)凹臺面預(yù)留8個(gè)中心旋轉(zhuǎn)對稱的m3的螺紋孔并用內(nèi)部模塊支架與密封結(jié)構(gòu)相連，主控電路模塊和信號調(diào)理電路模塊通過pcb板上預(yù)留的通孔和銅柱連接，電源模塊通過內(nèi)部模塊支架與上半部分密封結(jié)構(gòu)相連，所有模塊最終形成一個(gè)整體，并保證整體的密封性。

所述的配重塊固定在密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁，數(shù)量可以增減，位置可調(diào)，所述的配重塊的設(shè)計(jì)考慮檢測定位球三個(gè)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，將檢測定位球放在三維空間中分析，對于三維空間中任意一參考點(diǎn)o，以此參考點(diǎn)為原點(diǎn)做一個(gè)空間直角坐標(biāo)系oxyz，則檢測定位球的慣性張量i由一個(gè)對稱矩陣表示：

其中，ixx、iyy、izz為繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動慣量；

通過所述的配重塊進(jìn)行配重并計(jì)算驗(yàn)證使得檢測定位球繞y軸的轉(zhuǎn)動慣量最小且遠(yuǎn)小于繞其它兩軸的轉(zhuǎn)動慣量，取檢測球繞y軸的轉(zhuǎn)動慣量最小且小于其它兩軸的四分之一。

一種采用所述的檢測定位球的應(yīng)用方法，

step1：將開關(guān)模塊旋合到上半部分密封結(jié)構(gòu)并用o型圈密封，將usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊用螺釘固定到上半部分密封結(jié)構(gòu)，并將該接口用堵頭和o型圈密封；

step2：將主控電路模塊、信號調(diào)理電路模塊和電源模塊通過內(nèi)部模塊支架、銅柱和螺釘連接到上半部分密封結(jié)構(gòu)；

step3：將水聽器模塊旋合到下半部分密封結(jié)構(gòu)并用o型圈密封，將配重塊放置在密封結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置；

step4：將上、下部分密封結(jié)構(gòu)通過螺紋旋合并用o型圈密封，將球形保護(hù)殼包覆在密封結(jié)構(gòu)上，完成了檢測球的組裝；

step5：按下檢測球的開關(guān)模塊開關(guān)鍵，將檢測球放入城市供水管網(wǎng)中讓其隨水流滾動，檢測球在滾動過程中檢測管道內(nèi)部的信息，并將信息存儲到主控電路模塊的sd卡中；

step6：在管道終點(diǎn)回收檢測球，將檢測球外表面的水擦干，旋開金屬堵頭，將數(shù)據(jù)以有線的方式通過usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊從sd卡中讀出用于進(jìn)一步的分析。

本發(fā)明的有益效果：

1、提出了密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和保護(hù)殼設(shè)計(jì)分離的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，密封結(jié)構(gòu)在于將所有電路模塊組裝成一個(gè)整體，在水中保證其密封性，保護(hù)殼在于檢測球工作時(shí)的減震與緩沖并提供檢測球滾動所需的摩擦力。

2、提出了管道泄漏檢測定位球的配重塊設(shè)計(jì)，使檢測球整體所受重力略大于浮力，并使檢測球繞y軸的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)小于繞其它兩軸的轉(zhuǎn)動慣量，保證檢測球在管道中沿下壁隨水流單軸滾動，保證了檢測球在長期工作過程中的可靠性。

附圖說明

圖1是用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的一個(gè)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的一個(gè)內(nèi)部模塊支架示意圖；

圖3是用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的一個(gè)保護(hù)殼示意圖；

圖4是用于城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是泄漏檢測定位球的配重塊示意圖。

具體實(shí)施方式

參照圖1，泄漏檢測定位球機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置由密封結(jié)構(gòu)1、內(nèi)部模塊支架2、球形保護(hù)殼3、配重塊4和控制單元組成；圖1中，球形保護(hù)殼3為了示意方便，分離了出來，位于密封結(jié)構(gòu)1的下部。

其中，所述密封結(jié)構(gòu)1和內(nèi)部模塊支架2采用鋁合金材料，具有抗壓、防水、防腐蝕的特點(diǎn)，用于連接檢測球內(nèi)部的各種電路模塊，檢測球所具有的電路模塊包括usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊5、開關(guān)模塊6、主控電路模塊7、信號調(diào)理電路模塊8、電源模塊9和水聽器模塊10，密封結(jié)構(gòu)1和內(nèi)部模塊支架2就是將這些模塊結(jié)合在一起，使各種電路模塊成為一個(gè)密封整體以實(shí)現(xiàn)檢測球的功能，usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊5、開關(guān)模塊6和水聽器模塊10是檢測定位球與外部環(huán)境交互的模塊，需要在密封結(jié)構(gòu)1上開孔固定，主控電路模塊7、信號調(diào)理電路模塊8和電源模塊9是在檢測定位球內(nèi)部工作的模塊，在密封結(jié)構(gòu)1內(nèi)部通過內(nèi)部模塊支架2固定即可；球形保護(hù)殼3采用聚氨酯材料，質(zhì)軟、密實(shí)且表面粗糙，用于包覆密封結(jié)構(gòu)1，減小檢測球在管道中工作時(shí)的碰撞和震蕩影響，增大檢測球與管道內(nèi)壁的摩擦，起緩沖和減震的功能以及保證其在管道中的滾動運(yùn)行，并在球形保護(hù)殼3對應(yīng)的位置開孔保證檢測球與外界環(huán)境的正常交互；控制單元由開關(guān)模塊6、主控電路模塊7和信號調(diào)理電路模塊8組成，用于采集、處理管道中的泄漏特征信號，并實(shí)現(xiàn)自主定位；檢測定位球整體配重設(shè)計(jì)用于保證其在管道中工作時(shí)重力略大于浮力，且沿y軸的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)小于沿其它兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動慣量，結(jié)合球形保護(hù)殼3提供的摩擦力保證其在管道中繞單軸滾動，以實(shí)現(xiàn)定位算法。

所述機(jī)械結(jié)構(gòu)的組裝和工作過程具體如下：

step1：將開關(guān)模塊6旋合到上半部分密封結(jié)構(gòu)并用o型圈密封，將usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊5用螺釘13固定到上半部分密封結(jié)構(gòu)，并將該接口用堵頭11和o型圈密封；

step2：將主控電路模塊7、信號調(diào)理電路模塊8和電源模塊9通過內(nèi)部模塊支架2、銅柱12和螺釘13連接到上半部分密封結(jié)構(gòu)；

step3：將水聽器模塊10旋合到下半部分密封結(jié)構(gòu)并用o型圈密封，將配重塊4放置在密封結(jié)構(gòu)1的相應(yīng)位置；

step4：將上、下部分密封結(jié)構(gòu)通過螺紋旋合并用o型圈密封，將球形保護(hù)殼3包覆在密封結(jié)構(gòu)1上，完成了檢測球的組裝；

step5：按下檢測球的開關(guān)模塊6開關(guān)鍵，將檢測球放入城市供水管網(wǎng)中讓其隨水流滾動，檢測球在滾動過程中檢測管道內(nèi)部的信息，并將信息存儲到主控電路模塊7的sd卡中；

step6：在管道終點(diǎn)回收檢測球，將檢測球外表面的水擦干，旋開金屬堵頭11，將數(shù)據(jù)以有線的方式通過usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊5從sd卡中讀出用于進(jìn)一步的分析。

所述的泄漏檢測定位球整體配重設(shè)計(jì)方法，在檢測球配重過程中，考慮其三個(gè)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，將檢測球放在三維空間中分析，對于三維空間中任意一參考點(diǎn)o，以此參考點(diǎn)為原點(diǎn)做一個(gè)空間直角坐標(biāo)系oxyz，則檢測球的慣性張量i由一個(gè)對稱矩陣表示：

其中，ixx、iyy、izz為繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動慣量。

轉(zhuǎn)動慣量用以描述一個(gè)物體對于其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的改變的對抗，是一個(gè)物體對于其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的慣性，轉(zhuǎn)動慣量在旋轉(zhuǎn)力學(xué)的角色相當(dāng)于線性動力學(xué)中的質(zhì)量，轉(zhuǎn)動慣量越大越不容易轉(zhuǎn)動，設(shè)計(jì)時(shí)通過配重并用solidworks軟件計(jì)算驗(yàn)證使得檢測球繞y軸的轉(zhuǎn)動慣量最小且遠(yuǎn)小于其它兩軸的轉(zhuǎn)動慣量，這樣檢測球繞y軸滾動更不容易對抗旋轉(zhuǎn)的改變，也即更容易繞y軸旋轉(zhuǎn)，且y軸的轉(zhuǎn)動慣量與其它兩軸的轉(zhuǎn)動慣量的差距越大，則球體在管道內(nèi)滾動時(shí)越容易圍繞y軸穩(wěn)定滾動，本發(fā)明設(shè)計(jì)時(shí)取檢測球繞y軸的轉(zhuǎn)動慣量最小且小于其他兩軸的四分之一，這樣，檢測球在管道內(nèi)會沿著下壁隨著水流做繞y軸的單軸滾動。

參照圖1，檢測球長期工作在水中，因此對檢測球整體的密封性、抗壓性和抗腐蝕性有很高的要求，基于以上考慮，本發(fā)明采用鋁合金材料作為檢測球密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料。檢測球密封結(jié)構(gòu)由上、下兩部分組成，上、下兩部分靠螺紋旋合并用o型圈密封。上半部分密封結(jié)構(gòu)兩個(gè)鉆有螺紋的通孔分別用于安裝usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊5和金屬開關(guān)6，usb通信和充電雙功能復(fù)用模塊5用金屬堵頭11旋合并用o型圈密封，金屬開關(guān)6靠螺紋旋合并用o型圈密封。下半部分密封結(jié)構(gòu)鉆有螺紋的通孔用于安裝水聽器模塊10并用o型圈密封。

參照圖1和圖2，泄漏檢測定位球的整體結(jié)構(gòu)示意圖和內(nèi)部模塊支架示意圖。內(nèi)部模塊支架2用于將檢測球內(nèi)部各電路模塊連接到密封結(jié)構(gòu)1上，圖2四個(gè)中心對稱的通孔與上半部分密封結(jié)構(gòu)凹臺處的八個(gè)中心對稱的m3螺紋孔對應(yīng)，用于通過銅柱12和螺釘13將連接件固定在密封結(jié)構(gòu)1上，圖2三個(gè)凸臺的位置與主控電路模塊7的pcb板預(yù)留通孔相對應(yīng)，用于通過銅柱12將主控電路模塊7的pcb板固定到密封結(jié)構(gòu)1上，信號調(diào)理電路模塊8的pcb板通過預(yù)留的通孔、銅柱12和螺釘13與主控電路模塊7的pcb板相連接，電源模塊9靠連接線直接與電路模塊pcb板連接。

參照圖1和圖3，泄露檢測定位球的整體結(jié)構(gòu)示意圖和保護(hù)殼示意圖。檢測球長期工作在管道中，難免會和管道有碰撞，而且保護(hù)殼表面要足夠粗糙以提供檢測球沿管道下壁滾動的摩擦力，因此保護(hù)殼的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。本發(fā)明中，保護(hù)殼的材料采用聚氨酯材料，質(zhì)軟、密實(shí)且表面粗糙，質(zhì)軟和密實(shí)在于減小檢測球在管道中工作時(shí)的碰撞和震蕩影響，起緩沖和減震的功能，表面粗糙在于提供檢測球沿管壁運(yùn)行時(shí)的摩擦力，保證其滾動運(yùn)行。

參照圖1和圖4，泄漏檢測定位球的整體結(jié)構(gòu)示意圖和電路結(jié)構(gòu)示意圖。控制單元由開關(guān)模塊6、主控電路模塊7和信號調(diào)理電路模塊8組成，用于采集、處理管道中的泄漏特征信號，并實(shí)現(xiàn)自主定位，開關(guān)模塊6用于給主控電路模塊7啟動信號以啟動檢測球的工作，主控電路模塊7集成了慣導(dǎo)模塊、電源檢測模塊、無線通信模塊、sd卡存儲模塊和有線通信模塊，用于控制泄漏特征信號的采集和處理，信號調(diào)理電路模塊8用于對水聽器模塊10采集到的信號進(jìn)行調(diào)理以供主控電路模塊7處理。

參照圖1和圖5，泄漏檢測定位球的整體結(jié)構(gòu)示意圖和配重塊示意圖。檢測球配重的目的主要有兩個(gè)，一是保證檢測球整體所受的重力略大于浮力，讓檢測球貼著管道下壁前進(jìn)且在垂直上升管道中也能類似于無重力狀態(tài)地隨水流上升；二是保證檢測球沿y軸的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)小于沿其它兩軸的轉(zhuǎn)動慣量，讓檢測球繞y軸單軸轉(zhuǎn)動。本發(fā)明設(shè)計(jì)時(shí)取檢測球繞y軸的轉(zhuǎn)動慣量最小且小于繞其他兩軸的四分之一，這樣，檢測球在管道內(nèi)會沿著下壁隨著水流做繞y軸的單軸滾動。

本發(fā)明針對城市供水管網(wǎng)泄漏檢測定位球的工作特性，提供了一種連接各個(gè)模塊部件最終形成密封球形整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法保證了檢測球整體的密封性，保證了檢測球的減震和緩沖，保證了檢測球在管道中運(yùn)行時(shí)始終沿著下壁繞單軸滾動，保證了檢測球在長期工作過程中的可靠性。