流体分配系统中管垢的确定的制作方法

背景技术：

公用设备供应商可安装和维护基础设施以为其客户提供公用服务。例如，水公用设备供应商可实施流体分配系统以向其客户分配水。随着时间推移，流体分配系统及其部件(例如，管、阀门、联接器等)的内部会积聚矿物沉淀，造成流体分配系统分配流体不太高效。

附图说明

以下详细说明参考附图，其中：

图1a示出根据本发明的示例确定流体分配系统内的管垢量的环境的简图；

图1b示出根据本发明的示例沿着在径向方向延伸并与纵向方向垂直的平面截取的图1a的流体分配系统的管的横截面图；

图1c示出根据本发明的示例沿着在径向和纵向方向延伸的平面截取的图1a的流体分配系统的管的横截面图；

图2示出根据本发明的示例，确定例如1a的流体分配系统的流体分配系统内的管垢量的计算系统的框图；

图3示出存储确定根据本发明的示例的流体分配系统中的管垢的指令的计算机可读存储介质；

图4示出确定根据本发明的示例的流体分配系统中的管垢的方法的流程图；

图5示出确定根据本发明的示例的流体分配系统中的管垢的方法500的流程图；

图6示出用于根据本发明的示例的管段的声能通量的原理图；

图7示出根据本发明的示例的流体分配系统中的管垢的经验衰减模型的图表700。

具体实施方式

公用设备供应商可利用流体分配系统来向其客户分配例如水或气体的流体。为了有效地向其客户提供流体，公用设备供应商会希望监控流体分配系统的效率和完整性。随着时间流逝，在流体流经流体分配系统时，矿物沉积会在流体分配系统内积聚。被称为管垢的矿物沉积积聚使得流体分配系统的横截面面积减小，不利于经该流体分配系统的高效流体分配。例如，流体分配系统内的管具有流体流经的横截面。随着管垢增加(即，随着矿物在流体分配系统的管或其他部件内积累)，管的横截面减小，从而减小了能够流经该管的流体体积。

因此，希望确定流体分配系统内的管垢量以评估流体分配系统的效率和完整性。另外，从流体分配系统的泄露检测和状态评估的角度，管垢提出某些挑战。例如，矿物沉积是多孔材料，其吸收沿着流体分配系统传播的声能(例如在检测泄露或评估流体分配系统的状态时)。这种吸收负面影响用于泄露检测和/或状态评估的声学信号传递。通过确定流体分配系统内的管垢量，能够更准确地检测泄露，并且能够更准确地确定流体分配系统的状态。

下面通过参考确定流体分配系统中的管垢的若干示例来描述多种实施方案。在根据本发明的一些方案的一个示例性实施方案中，声波发生器在流体分配系统的流体路径内产生声波。第一声学传感器和第二声学传感器感测该声波。声学信号分析模块通过分析感测的声波确定流体分配系统内的管垢量。本文还描述了其他示例。

本发明能够确定流体分配系统内的管垢。例如，流体分配系统维护者(例如水公用设备供应商)可利用本技术来检测水分配系统内管垢的存在和量。通过检测管垢，流体分配系统维护者可评估流体分配系统及其部件的剩余寿命。流体分配系统维护者还能够在例如管垢达到一定阈值时替换流体分配系统的部件或者可采取预防性措施以减少流体分配系统中存在的管垢量。这些和其他好处将从下面的说明变得明白。

图1-3包括根据这里描述的多种示例的特定部件、模块、指令、发动机等。在不同的设施方案中，可根据这里描述的教导使用更多、更少和/或其他部件、模块、指令、发动机、部件/模块/指令/发动机的布置等。另外，这里描述的多种部件、模块、发动机等可实施为存储在计算机可读存储介质、硬件模块、特殊用途硬件(例如，专用硬件、专用集成电路(asic)、嵌入式控制器、固定电路)或者这些的一个或多个某种组合。

总体来说，图1-3涉及计算系统、例如图1a的计算系统120、图2的计算系统220和图3的计算系统320的部件和模块。应当理解，计算系统120、220和320可包括合适类型的计算系统和/计算设备，包括例如智能手机、平板电脑、台式机、手提电脑、工作站、服务器、智能监控器、智能电视、数字标牌、科学仪器、销售设备的零售点、视讯墙、成像设备、外围、网络设备、可佩戴计算设备等。

图1a示出根据本发明的示例确定流体分配系统110内的管垢量的环境100的简图。在示例中，声波发生器130在流体分配系统110的流体路径112内产生声波。第一声学传感器132和第二声学传感器134感测该声波。声学信号分析模块124通过分析感测的声波确定流体分配系统内的管垢量。

如图所示，环境100包括流体分配系统110，其可进一步包括管110a。虽然示出为管110a，但应当理解流体分配系统110可以是连接在一起以形成管110a作为其一部分的流体分配系统110的多个管和其他流体分配系统部件。

总体来说，流体分配系统110可用来向例如公用设备供应商的客户分配例如水的流体。流体分配系统110可包括各种各样和许多部件，例如管(例如管110a)、给水栓、阀门、联接器、分水栓等和其适当组合。在示例中，流体分配系统110可以部分或全部为地下的，或者流体分配系统110的部分可以是地下的，而流体分配系统110的其他部分可以是非地下的(即，在地面上)。例如，例如管110a的管可以部分或全部是地下的，而与管110a连接的给水栓或阀门(未显示)可以部分或全部是非地下的。在其他示例中，管110a可以部分是地下的，因为管110a具有暴露部分，例如以将测试设备(例如，声波发生器130、第一声学传感器132、第二声学传感器134等)连接到管110a。

声波发生器130在流体分配系统110内的流体路径112内产生声波。在示例中，声波发生器130与流体分配系统110内的流体路径112流体连通，声波发生器130产生声波。如图1a所示，声波发生器130连接到流体分配系统110的管110a。在示例中，该连接可以是直接和/或间接的。更具体地，声波发生器130可直接连接到管110a，例如经钻入管110a的壁中的孔，由此造成声波发生器130与流动路径112流体连通。在一些示例中，声波发生器130可部分或全部延伸到流动路径112中，而在其他示例中，声波发生器130可不延伸到流动路径112中。在另一示例中，声波发生器130可间接连接到管110a，例如借助流体分配系统110中的另一部件(例如，给水栓、阀门、联接器、分水栓等)。在其他示例中，声波发生器130和第一及第二声学传感器132和134可借助放气阀连接到水分配系统110或者可以是侧向放置在管(例如管110a)上的水听器。在一些示例中，声波发生器130可包括产生信号的信号发生器、放大该信号的信号放大器和发射经放大信号的声源。

在示例中，第一声学传感器132和第二声学传感器134放置成以一距离分开来实现声波的感测。这种距离可以是分开几百毫米、几百米或甚至是几千米。在一些情况中，第一声学传感器和第二声学传感器可连接到相同管段、例如管110a，但在其他示例中，第一声学传感器132和第二声学传感器134可放置在流体分配系统110的单独部分上。

声波发生器130可以是反向使用的水听器(反向水听器)以产生声波。在另一示例中，声波发生器130可以是扬声器或者产生声波的类似电子设备。能够在流体中产生例如压力波的声波的任何合适设备可以实施为声波发生器130。例如，压力波可以手动(例如通过锤子击打管)形成或者自动(例如通过活塞击打管)形成。除了直接击打管，也可以击打附接到管的部件，例如给水栓、阀门等。在另一示例中，可以一次或多次开闭阀门以在流经管的水内产生声波。应当理解，可以实施其他技术来引起声波。应当理解，术语“声学的”可意为声音和/或振动。

一旦声波发生器130产生声波，第一声学传感器132和第二声学传感器134感测由流动路径112中的压力改变造成的声波。在示例中，第一声学传感器132与流体分配系统110内的流动路径112流体连通，第一声学传感器132感测由声波发生器130产生的声波。第一声学传感器132输出表示该声波的第一声学信号，其可例如在计算系统120处接收。类似地，在示例中，第二声学传感器134与流体分配系统110内的流动路径112流体连通，第二声学传感器134也感测由声波发生器130产生的声波。第二声学传感器134输出表示该声波的第二声学信号，其也可例如在计算系统120处接收。在这种实施方案中，计算系统120接收分别来自第一声学传感器132和第二声学传感器134的第一声学信号和第二声学信号。

第一声学传感器132和第二声学传感器134可分别借助如虚线在图1a中所示的有线或无线网络或其他通信路径向计算系统120发射第一声学信号和第二声学信号。在示例中，例如图1a所示的，声波发生器130和第一及第二声波传感器132和134能够通信地彼此联接并联接到计算系统120。在示例中，声波发生器130和第一声学传感器132和第二声学传感器134可包括收发器，其可在声波发生器130、第一声学传感器132及第二声学传感器134与计算系统120之间连通数据，例如第一和第二声学信号，其可包括用于传送和接收数据的接口(未示出)。收发器可以是用于发送、接收或发送和接收数据的任何合适设备，例如接收器、发射器、发射器-接收器和/或收发器。应当认识，可以实施任何合适的通信技术以在声波发生器130、第一声学传感器132及第二声学传感器134与计算系统120之间发射数据。在示例中，计算系统120可产生信号以引起声波发生器130产生声波。计算系统120可接着接收分别来自第一声学传感器132和第二声学传感器134的第一和第二声学信号。

图1a的虚线示出声波发生器130、第一声学传感器132及第二声学传感器134和计算系统120两者及它们之间的通信路径。这些路径整体表示可包括通过允许共享资源和信息的通信通道互连的硬件部件和计算机的网络。该网络可包括一个或多个缆线、无线、光纤或借助电信链路、红外线路、射频链路的远程连接、或者提供电子通信的任何其他连接器或系统。网络可至少部分包括内联网、互联网或者两者的组合。网络还可包括中间代理、路由器、交换器、负载平衡器等。如图1a描绘的由网络在设备之间遵循的路径表示声波发生器130、第一及第二声学传感器132和134和计算系统120中两者以及这些之间的逻辑通信路径，不必是两者及这些之间的物理路径。

计算系统120可包括处理资源122，其整体代表能够处理数据或解释和执行指令的任何合适类型或形式的一个或多个处理单元。处理资源122可以是一个或多个中央处理单元(cpu)、微处理器和/或适合取回和执行指令的其他硬件设备。指令例如可存储在存储器资源(未示出)，例如图3的计算机可读存储介质330，其可包括任何电子的、磁性的、光学的或者存储可执行指令的其他物理存储设备。因此，存储器资源可以例如是随机存取存储器(ram)、可电擦除可编程只读存储器(epprom)、存储驱动、光盘和存储指令以引起可编程处理器(即，处理资源)执行这里描述的技术的任何其他合适类型的易失性或非易失性存储器。在示例中，存储器资源包括例如在运行期间可存储指令的ram的主存储器和例如存储指令副本的非易失性存储器的辅助存储器。

另外，计算系统120可包括声学信号分析发动机124，其分析第一声学信号和第二声学信号以确定流体分配系统110内的管垢量。在示例中，这里描述的发动机可以是硬件和编程的组合。编程可以是有形存储器上存储的处理器可执行指令，硬件可包括用于执行这些指令的处理资源122。因此，可以说存储器资源(未示出)可存储在被处理资源122执行时实施这里描述的发动机的程序指令。也可使用其他发动机来包括这里的其他示例中描述的其他特征和功能性。

替代或另外，计算系统120可包括专用硬件，例如一个或多个集成电路、专用集成电路(asic)、专用特殊处理器(assp)、场可编程门阵列(fpga)或专用硬件的前述示例的任何组合，以执行这里描述的技术。在一些实施方案中，如果合适，可与多个存储器资源和/或多种存储器资源一起使用多个处理资源(或利用多个处理核的处理资源)。

声学信号分析模块124分析第一声学信号和第二声学信号以确定流体分配系统的管垢量。由第一声学传感器132和第二声学传感器134测量并分别作为第一声学信号和第二声学信号输出的声压力差与流动路径112中的衰减(即，每单位区域或通量液体的流速强度的损失)，包括经过流体分配系统110的管垢部分114和非管垢部分。

在8000hz以下的频率，流体分配系统112内的内部(分子)衰减是可忽略的，主要衰减由流体分配系统110和管垢部分114的声吸收造成。总体上，流体分配系统110内的总测量衰减是声波在流动路径112中和经过水分配系统110(例如经过管110a的壁)的传输损失以及管垢程度的组合。图6中示出了能量通量，其显示了能量经过一段流体分配系统110的方式。通过感测声波和通过针对非管垢部分116施加标准衰减率，能够确定管垢部分114的衰减，由此能够确定管垢量。这在下面关于图6进一步描述。

在示例中，分析感测的声波包括确定在第一声学传感器处感测的声波和在第二声学传感器处感测的声波之间的压力差。即，确定来自声源(例如声波发生器130)的声音的能量消散。在另外示例中，在流体分配系统使用从而流体流经流体分配系统110时执行描述的技术。这可包括正常操作状态，例如在流体(例如水)被输送到流体分配系统110的使用者时，或者在测试状态、例如泄漏检测过程中。

虽然图1a中没有示出，但应认识计算系统120可包括另外部件。例如，计算系统120可包括显示器。显示器可以是或包括监控器、触摸屏、投影设备、和/或触摸/感测显示设备。显示器可显示文本、图像和其他合适的图文内容。计算系统120还可包括网络接口，以借助网络将计算系统120通信联接到收发器111和113或其他计算系统和/或计算设备。计算系统120还可包括任何合适的输入和/或输出设备，例如鼠标、键盘、打印机、外部盘驱动等。

图1b和1c示出图1a的流体分配系统110的管110a的横截面图100b和100c。特别是，图1b示出根据本发明的示例沿着在径向方向延伸并与纵向方向垂直的平面截取的图1a的流体分配系统100的管110a的横截面图100b。管110a沿着管110a的内侧部分在管110a和非管垢部分116之间具有管垢部分114。应当理解，在示例中，流体路径112流经管110a的非管垢部分116并且还至少部分经过管110a的管垢部分114。

第一声学传感器132与流体分配系统110的管110a内的流动路径112流体连通。在示例中，并且如这里描述的，第一声学传感器132可直接或间接连接到管110a或者流体分配系统110的另一部件和/或部分(例如，给水栓、阀门、联接器、分水栓等)。在示例中，可向管110a中钻孔以实现第一声学传感器132与流动路径112的流体连通。在其他示例中，第一声学传感器132可部分或全部容纳在管110a内。

虽然管垢部分114在图1c中显示为是均匀的，但应当认识到在一些示例、例如图1c所示的示例中，管垢部分114可以是不规则的或者是以其他方式不均匀的。特别是，图1c示出根据本发明的示例沿着在径向和纵向方向延伸的平面截取的图1a的流体分配系统110的管110a的横截面图100c。如同图1b中的，管110a沿着管110a的内侧部分在管110a和非管垢部分116之间具有管垢部分114。在示例中，流体路径112流经管110a的非管垢部分116并且还至少部分经过管110a的管垢部分114。

声波发生器130、第一声学传感器132和第二声学传感器134与流体分配系统110的管110a内的流动路径112流体连通。在示例中，并如这里描述的，声波发生器130、第一声学传感器132和第二声学传感器134可直接或间接连接到管110a或者流体分配系统110的另一部件和/或多个部件或部分(例如，给水栓、阀门、联接器、分水栓等)。在示例中，可向管110a中钻孔以实现声波发生器130、第一声学传感器132和第二声学传感器134与流动路径112的流体连通。在其他示例中，声波发生器130、第一声学传感器132和第二声学传感器134可部分或全部容纳在管110a内。

如图1c所示，管垢部分116沿着管110a的长度是不均匀的。不均匀性可能由于例如在管110a的壁中形成坑的腐蚀副产品或者由于微生物生长造成。管110a的壁的腐蚀差异、流动路径112的流速、温度和其他因素都可构成管垢部分114的不均匀性。在其他示例中，随着区域中的管垢量增加，一些管垢会断掉或以其他方式分离，造成管垢部分114的额外不均匀性。

图2示出根据本发明的示例确定例如图1a的流体分配系统110的流体分配系统内的管垢量的计算系统220的框图。计算系统220可包括声波发生器230、第一声学传感器232、第二声学传感器234和声学信号分析模块224。在示例中，这里描述的模块可以是硬件和编程指令的组合。编程指令可以是存储在有形存储资源上的处理器可执行指令，例如计算机可读存储介质或其他存储资源，硬件可包括用于执行这些指令的处理资源。因此，存储资源可以说存储在由处理资源执行时实施这里描述的模块的程序指令。

如将在下面进一步讨论的，在其他示例中也可以利用其它模块。在不同实施方案中，可以根据这里描述的教导使用更多、更少和/或其他部件、模块、指令及其布置。另外，这里描述的多种部件、模块等可以实施为计算机可读指令、硬件模块、特殊目的硬件(例如，专用硬件、专用集成电路(asic等))或者这些的一个或多个某种组合。

如上面就图1a的声波发生器130描述的，声波发生器230在例如图1a的流体分配系统110的流体分配系统内的流体路径112内产生声波。第一声学传感器232和第二声学传感器234接着在其相应位置感测声波并输出代表在第一和第二声学传感器232和234处检测的声波的相应第一和第二声学信号。在示例中，声学传感器可以是水听器或者其他合适的设备，例如具有压电换能器或加速计等的设备。例如，可实施加速计以检测流体分配系统中的振动。在这种示例中，第一声学传感器232和第二声学传感器234可以在流体分配系统的部件上，例如给水栓、阀门等上。

声学信号分析模块224接着分析第一声学信号和第二声学信号以确定流体分配系统内的管垢量。例如，声学信号分析模块224确定在第一声学传感器232处感测的声波与在第二声学传感器234处感测的声波之间的压力差。压力差可用来使用就图6描述的技术和原理计算流体分配系统内的管垢部分(例如图1a的流体分配系统110内的管垢部分114)。

图3示出存储指令332-336以确定根据本发明的示例的流体分配系统中的管垢的计算机可读存储介质330。计算机可读存储介质330是非易失性的，因为其不包含易失性信号而是由能够存储指令332-336的一个或多个存储部件构成。计算机可读存储介质330可以代表存储资源并可存储机器可执行指令332-336，其可结合处理资源322在计算系统上执行，例如在图1a的计算系统120、图2的计算系统220以及图3的计算系统320上。

在图3所示的示例中，指令332-336可包括第一声学信号接收指令332、第二声学信号接收指令334和管垢分析和确定指令336。计算机可读存储介质330的指令332-336可以是可执行的以执行这里描述的技术，包括就图4的方法400描述的功能。

例如，第一声学信号接收指令332可对应于图4的框404。第二声学信号接收指令334可对应于图4的框406。管垢分析和确定指令336可对应于图4的框408。以下参考图4的功能框描述这些指令的功能，但不应解释为如此限制。

特别是，图4示出确定根据本发明的示例的流体分配系统中的管垢的方法400的流程图。方法400可由计算系统或计算设备执行，例如图1a的计算系统120、图2的计算系统220和/或图3的计算系统320。方法400也可作为指令存储在非易失性计算机可读存储介质(例如图3的计算机可读存储介质330)上，该指令在被处理资源(例如图1a的处理资源122和/或图3的处理资源322)执行时引起处理资源执行方法400。

在框402，方法开始并继续到框404。在框404，方法400包括接收第一声学信号。例如，计算系统(例如，图1a的计算系统120、图2的计算系统220和/或图3的计算系统320)接收第一声学传感器(例如第一声学传感器132)基于感测由声波发生器(例如声波发生器130)产生的声波输出的第一声学信号。方法400继续到框406。

在框406，方法400包括接收第二声学信号。例如，计算系统接收第二声学传感器(例如第二声学传感器134)基于感测由声波发生器(例如声波发生器130)产生的声波输出的第二声学信号。方法400继续到框408。

在框408，方法400包括确定管垢量。例如，计算系统通过分析第一声学信号和第二声学信号确定流体分配系统内的管垢量。方法400继续到框410并终止。

也可包括另外的过程，应当理解图4中描绘的过程代表例证，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以添加其他过程或者可以去除、修改或重新布置现有的过程。

图5示出确定根据本发明的示例的流体分配系统中的管垢的方法500的流程图。方法500可由计算系统或计算设备执行，例如图1a的计算系统120、图2的计算系统220和/或图3的计算系统320。方法500也可作为指令存储在非易失性计算机可读存储介质(例如图3的计算机可读存储介质330)，该指令在被处理资源(例如图1a的处理源122和/或图3的处理资源322)执行时引起处理资源执行方法500。

在框502，方法开始并继续到框504。在框504，方法500包括在流体分配系统的流体路径内产生声波。例如，声波发生器(例如图1a的声波发生器130)在流体分配系统(例如图1a的流体分配系统110)的流体路径(例如图1a的流体路径112)内产生声波。方法500继续到框506。

在框506，方法500包括感测声波。例如，第一声学传感器(例如图1a的第一声学传感器132)和第二声学传感器(例如图1a的第二声学传感器134)感测声波。在示例中，第一声学传感器和第二声学传感器放置成以一距离分开来实现声波的感测。在示例中，第一声学传感器和第二声学传感器的至少一个包括水听器，虽然也可利用其他合适的传感器。方法500继续到框508。

在框508，方法500包括通过分析感测的声波确定管垢量。例如，声学信号分析模块(例如图1a的声学信号分析发动机124、图2的声学信号分析模块224)通过分析感测的声波确定流体分配系统(例如图1a的流体分配系统110)内的管垢量。在示例中，分析感测的声波可包括确定在第一声学传感器处感测的声波和在第二声学传感器感测的声波之间的压力差。方法500继续到框512并终止。

也可包括另外的过程，应当理解图5中描绘的过程代表例证，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以添加其他过程或者可以去除、修改或重新布置现有的过程。

图6示出根据本发明的示例的管段110b的声量通量的原理图600。就图6描述的技术可以部分和/或全部通过图1a的声学信号分析发动机124施加、通过图2的声学信号分析模块224施加、和/或通过图3的管垢分析和确定指令336施加。在足够低的频率，声强度(其单位为watts/m²)具有流向方向“i1(x)”(如箭头602所示)和径向分量“i^w(x)”(如箭头604所示)，如下：

方程[1]：πa²i1(x)＝πa²i1(x+dx)+πa²dxiw(x)

方程[1]表示声波在流体分配系统110中的能量守恒声明，其中“a”表示管的半径。对于小“dx”，所以方程[1]归纳为：

方程[2]：

误差项“iw(x)”与“i1(x)”成比例，因为其减小入射能。通常，比例因子“h(f)”取决于频率。带入方程[2]得到一阶线性微分方程：

方程[3]：

接着，方程[3]如下可解：

方程[4]：

结果，已经表明能量在距离上以指数方式衰减。在本示例中，“i1(0)”是参考(或起始)点“x＝0”处(例如图1a的声波发生器130处)的初始能量。变量“x”在声波发生器130产生的声波的与该源(例如声波发生器130)远离的能量传播方向上增加。声波在距离上变小，因为一些能量经过流体分配系统110的部件(例如经过管110a的壁)传播并辐射到周围介质，即使没有管垢。这个贡献是“2hr(f)/a”。然而，流体分配系统110中管垢(即，管垢部分114)的存在如下增加声波发生器130产生的声波的总衰减：

方程[5]：

内管径“a”由于由变量“t”表示的管垢区域114的平均厚度的减小说明能量通量在“x”方向上可用的管110a的减小“自由区域”或非管垢部分116。如图7所示，衰减可以表示为：

方程[6]：

在方程[6]，“l”表示在“a”减“t”的长度(管的半径减管垢部分114)上的衰减(db)。如图7的图表700中，下面的表达是参数“a”和“b”是“t”和“a”的函数的设计曲线的精确表示。

方程[7]：

其中，η＝f/f0且fo＝0.5c/(a-t)，c为声音在水中的速度。同样，a＝22(1-e^-1.3t/a-t)且特别是，图7示出根据本发明的示例的流体分配系统的管垢的经验衰减模型的图表700。

应强调，上面描述的示例仅仅是实施方式的可能示例并是为了清楚理解本发明而阐述的。可以对上面描述的示例进行许多变型和修改，而不实质脱离本发明的精神和原理。此外，本发明的范围意在覆盖上面讨论的所有元件、特征和方面的任何和全部合适组合和子组合。所有这种合适修改和变型都意欲包括在本发明的范围内，且对各个方面或元件或步骤组合的所有可能权利要求意欲由本公开支持。