CN114198645A

CN114198645A - 一种热力管道泄露监测***

Info

Publication number: CN114198645A
Application number: CN202111550068.3A
Authority: CN
Inventors: 刘柯; 张曼
Original assignee: Tianjin Qiushi Fiber Technologies Co ltd
Current assignee: Tianjin Qiushi Fiber Technologies Co ltd
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2022-03-18

Abstract

本发明公开了一种热力管道泄露监测***，包括激光器、外部触发器、波分复用模块、雪崩二极管、运算放大器、上位机和传感光纤；所述外部触发器、所述激光器、所述波分复用模块和所述传感光纤依次通过光路连接，所述外部触发器由所述上位机控制，所述激光器采用通讯波段的光源，所述传感光纤采用通信光缆，所述传感光纤埋设在热力管道的一侧下方，沿热力管道的全长延伸，所述波分复用模块的正、反斯托克斯光口各与一个所述雪崩二极管连接，两个所述雪崩二极管各通过一个所述运算放大器与所述上位机连接，所述上位机计算温度采集点的温度及其对应物理位置。本发明能够及时、准确地判定热力管道泄露的位置，并且成本低，施工便捷。

Description

一种热力管道泄露监测***

技术领域

本发明属于管道监控、光纤传感及分布式测温技术领域，特别是一种热力管道泄露监测***。

背景技术

随着城市化建设的发展，生活水平的日益提高，冬季城镇为用户提高满意的室内环境温度已提到很高的日程，集中供暖已经越来越普及。集中供暖不但供热效率高、节能效果好，而且能够有效降低大气环境污染。与此同时，热力管道漏损问题变得越来越突出，因为热力管道的漏损，不但会造成能源浪费和供热成本增加，还会影响用户的取暖。热力管道根据不同的布设方式，可分为地上式与地埋式：其中地上式方便监控漏损及抢修，但是占用地面空间，影响城市美观；地埋式可以大大提高城市美观，因此越来越普及，因此需要一种切实有效的管道泄露监控***。现有的管道泄露监控方法主要有两种：一种是传统的电子点式温度传感器；二是基于布里渊散射原理的分布式光纤测温***。

传统的电子点式温度传感器原理简单，采用不同规格的热电偶，置于热力管道内部、管壁或者周边，当热力管道漏损时，热电偶的阻值随着温度变化而变化，然后通过解调仪解析出温度变化值。该方法的缺点在于热电偶为有源器件，每一个热电偶均需要两条信号线连接，如此，随着管道的延长，信号线的数量会越来越多；并且，该方法为点式监控，无法做到分布式温度监控；如果布设点位间隔较远，当出现泄漏时，需要很大的泄漏量才能监控报警，造成能源浪费，如果布设点间隔很近，需要大量的信号线，造成成本的大幅提高。

基于布里渊散射原理的光纤分布式温度监测***中，光在光纤中传播，发生布里渊散射，由于基于一根单模光纤的布里渊光时域分析无法将温度和应力这两个参数的影响区分开，存在交叉敏感问题。一般的，基于布里渊散射的光纤分布式温度监测***采用两种光纤布设方式：一是使用多芯光纤的中间芯与外层芯的布里渊频移对温度和应力的变化存在差异来计算温度计应变变化，该方法采用的多芯光纤成本较高且工艺不成熟，无法大量应用于商业领域；二是采用两路光纤，其中一路添加抗压力保护罩，用以屏蔽压力带来的布里渊频移，另一路用于探测包含温度和压力变化的布里渊频移，通过两路信号变化的对比计算温度，由于管道布设环境复杂，这种方式要求光纤抗压力保护罩强度高、抗腐蚀能力强，所以保护罩成本高，且保护罩与光纤组装工艺复杂，组装后不便于光缆布设，从而导致成本大幅提高，而且抗压力保护罩在屏蔽光纤应力的同时，也会使光纤对温度变化的敏感度降低，导致测温不准确。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种热力管道泄露监测***，能够及时、准确地判定热力管道泄露的位置，并且成本低，施工便捷。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种热力管道泄露监测***，包括激光器、外部触发器、波分复用模块、雪崩二极管、运算放大器、上位机和传感光纤；所述外部触发器、所述激光器、所述波分复用模块和所述传感光纤依次通过光路连接，所述外部触发器由所述上位机控制，所述激光器采用通讯波段的光源，所述传感光纤采用通信光缆，所述传感光纤埋设在热力管道的一侧下方，沿热力管道的全长延伸，所述波分复用模块的正、反斯托克斯光口各与一个所述雪崩二极管连接，两个所述雪崩二极管各通过一个所述运算放大器与所述上位机连接，所述上位机采用以下公式进行温度解析：

其中，T代表光纤上温度采集点的当前监测温度；

Va(T)代表光纤上温度采集点的当前反斯托克斯电压值，上位机实时采集获得；

Vs(T)代表光纤上设定点的当前正斯托克斯电压值，上位机实时采集获得；

T₀代表标定温度，计算前标定时获得，***启用前输入；

Va(T₀)代表光纤上温度采集点标定时的反斯托克斯电压值；

Vs(T0)代表光纤上温度采集点标定时的正斯托克斯电压值；

k代表玻尔兹曼系数，k＝1.380649*Math.Pow(10,-23)；

h代表普朗克常数，h＝6.62607015*Math.Pow(10,-34)；

Δv代表拉曼频移，Δv＝13.2*Math.Pow(10,12)；

所述上位机采用以下公式计算温度采集点的物理位置：

s＝v*t/2

v＝c/n

其中，s为温度点距离光纤起始点的距离，即温度点物理位置；

v为激光在光纤中传输速度；

t为激光在光纤中传输时间；

n为光纤对激光的折射率；

c为激光在真空中传输速度。

所述上位机对正、反斯托克斯光的采集频率为100MHz。

所述传感光纤采用回填细砂埋设。

该***设定阈值温度为35度，当解析温度超过35度时，所述上位机发出管道泄露报警信号。

本发明具有的优点和积极效果是：采用基于拉曼散射原理的分布式传感光纤监测热力管道泄露，可以及时、准确地判定热力管道泄露的位置，以便及时维修，减少能源损失；并且，该***相比于电子点式温度传感器监测***，无需布设大量的电力线缆，可以对整个监控路线上的所有点进行监控，监测分辨率可以达到±1m；相比于基于布里渊散射原理的分布式光纤测温***，无需技术不成熟的多芯光纤和抗压力保护罩，仅需要普通通信光缆，成本低，施工简单。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明的传感光纤布设示意图。

图2中：1为传感光纤，2为回填土层，3为热力管道，4为回填细砂。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1和图2，一种热力管道泄露监测***，包括激光器、外部触发器、波分复用模块、雪崩二极管、运算放大器、上位机和传感光纤；

所述外部触发器、所述激光器、所述波分复用模块和所述传感光纤依次通过光路连接，所述外部触发器由所述上位机控制，

所述激光器采用通讯波段的光源，

所述传感光纤采用通信光缆，

所述传感光纤埋设在热力管道的一侧下方，沿热力管道的全长延伸，

所述波分复用模块的正、反斯托克斯光口各与一个所述雪崩二极管连接，两个所述雪崩二极管各通过一个所述运算放大器与所述上位机连接，

所述上位机采用以下公式进行温度解析：

其中，T代表光纤上温度采集点的当前监测温度；

T₀代表标定温度，计算前标定时获得，***启用前输入；

Va(T₀)代表光纤上温度采集点标定时的反斯托克斯电压值；

Vs(T0)代表光纤上温度采集点标定时的正斯托克斯电压值；

k代表玻尔兹曼系数，k＝1.380649*Math.Pow(10,-23)；

h代表普朗克常数，h＝6.62607015*Math.Pow(10,-34)；

Δv代表拉曼频移，Δv＝13.2*Math.Pow(10,12)；

所述上位机采用以下公式计算温度采集点的物理位置：

s＝v*t/2

v＝c/n

v为激光在光纤中传输速度；

t为激光在光纤中传输时间；

n为光纤对激光的折射率；

c为激光在真空中传输速度。

另外，光速为3*10^8次方，传感光纤折射率为1.5，所以光在传感光纤中的传播速度为：3*10^8/(1.5*2)＝10^8m/s；将***对正、反斯托克斯光的采集频率设定为100MHz，即10^8Hz，达到一个采样点近似代表一米的效果，根据采样点的序号即可计算出当前温度测量点的物理位置，计算简单。

所述传感光纤1采用回填细砂4埋设，当热力管道3泄露时，泄露出的热水会优先沿着细砂流向传感光纤1，有利于***更快的感受到温度变化，从而监测到泄露。比采用回填土4埋设传感光纤1更好。传感光纤1与热力管道3底部的高差为2cm比较适宜。

***设定阈值温度为35度，当管道出现泄露现象时，管道内的热水温度为70度，泄露的热水使传感光纤温度升高，传感光纤监测到温度超过阈值温度35度时，***发出管道泄露报警。

本发明更加具体的说明如下：

激光器采用通讯波段的光源，即1550nm波长的光源，这样可以减小激光在光纤中传输损耗，并且激光器具有外部触发接口，可以根据外部触发信号的有无及时产生对应频率及宽度的脉冲激光；外部触发器用于产生激光器触发信号，其触发信号的频率和宽度可以通过上位机设置；波分复用模块用以区分开回光中的正、反斯托克斯光；雪崩二极管可以将光信号转换为具有光信号特点的幅值特点的电信号；运算放大器可以对电信号进行放大；上位机可以控制外部触发器及接收放大后的电信号并进行分析；传感光纤作为激光传输及反射的路径，根据待测路线上各个位置温度的变化反射回不同的正、反斯托克斯光。

激光在***中的传输路径为：上位机设置触发信号的频率和宽度；外部触发模块根据已设定的频率和宽度，产生对应频率和宽度的触发信号发送给激光器；激光器根据触发信号的频率和宽度产生对应频率和宽度的脉冲激光；脉冲激光发出后，首先通过波分复用模块，沿着通信传感光纤进行传输；在脉冲激光传输的过程中，在光纤全线上的每个位置处，脉冲激光与光纤中的分子均会产生非弹性碰撞，反射回正、反斯托克斯光；反射回的正、反斯托克斯光经过波分复用模块，分离开后，分别进入两个雪崩二极管；两个雪崩二极管分别将正、反斯托克斯光转换为相应幅度的电压信号Vs₀和Va₀；Vs₀和Va₀分别经过两路完全相同的运算放大器放大，放大后的电压信号分别为Vs和Va；最后Vs和Va信号传入上位机进行温度解析；经过以上步骤，在上位机中，针对传感光纤的每个位置，都可获得一对Vs和Va。

标定可在***搭建完成后、启用前进行，标定时，可将传感光纤放置于常温环境中，温度计作T₀，此时上位机记录传感光纤上所有点的正、反斯托克斯光的电压值，即为温度解析公式中的Va(T₀)和Vs(T0)，存入***中。按照此方法，依次对传感光纤上，每隔1m选取一个点进行标定，并将标定数据存入***中，至此，标定完成。

脉冲激光从激光器发出后，经过波分复用器，然后在光纤中传输，与光纤中的分子发生非弹性碰撞，产生的正、反斯托克斯光沿光纤返回，经过波分复用器后，再经过雪崩二极管和运算放大器被上位机采集到，所以脉冲激光在***中传输的距离为非弹性碰撞点到传感光纤的距离的二倍；另外，光速为3*10^8次方，传感光纤折射率为1.5，所以光在传感光纤中的传播速度为：3*10^8/(1.5*2)＝10^8m/s；最后，***对正、反斯托克斯光的采集频率为100MHz，即10^8Hz，达到一个采样点近似代表一米的效果，根据采样点的序号即可计算出当前温度测量点的物理位置。

***在正常运行时，上位机以100MHz的频率采集正、反斯托克斯光的电压信号，解调出当前温度，然后计算出当前正、反斯托克斯光对应的物理位置，通过***不停地计算可以得到传感光缆上各个点的温度，其物理点分辨率达到1m。

***设定阈值温度为35度，当管道出现泄露现象时，管道内的热水温度为70度，泄露的热水使传感光纤温度升高，传感光纤监测到温度超过阈值温度35度时，***发生管道泄露报警。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种热力管道泄露监测***，其特征在于，包括激光器、外部触发器、波分复用模块、雪崩二极管、运算放大器、上位机和传感光纤，所述外部触发器、所述激光器、所述波分复用模块和所述传感光纤依次通过光路连接，所述外部触发器由所述上位机控制，所述激光器采用通讯波段的光源，所述传感光纤采用通信光缆，所述传感光纤埋设在热力管道的一侧下方，沿热力管道的全长延伸，所述波分复用模块的正、反斯托克斯光口各与一个所述雪崩二极管连接，两个所述雪崩二极管各通过一个所述运算放大器与所述上位机连接，所述上位机采用以下公式进行温度解析：

其中，T代表光纤上温度采集点的当前监测温度；

T₀代表标定温度，计算前标定时获得，***启用前输入；

Va(T₀)代表光纤上温度采集点标定时的反斯托克斯电压值；

Vs(T0)代表光纤上温度采集点标定时的正斯托克斯电压值；

k代表玻尔兹曼系数，k＝1.380649*Math.Pow(10,-23)；

h代表普朗克常数，h＝6.62607015*Math.Pow(10,-34)；

Δv代表拉曼频移，Δv＝13.2*Math.Pow(10,12)；

所述上位机采用以下公式计算温度采集点的物理位置：

s＝v*t/2

v＝c/n

v为激光在光纤中传输速度；

t为激光在光纤中传输时间；

n为光纤对激光的折射率；

c为激光在真空中传输速度。

2.根据权利要求1所述的热力管道泄露监测***，其特征在于，所述上位机对正、反斯托克斯光的采集频率为100MHz。

3.根据权利要求1所述的热力管道泄露监测***，其特征在于，所述传感光纤采用回填细砂埋设。

4.根据权利要求1所述的热力管道泄露监测***，其特征在于，该***设定阈值温度为35度，当解析温度超过35度时，所述上位机发出管道泄露报警信号。