CN106989283A - 一种城市下水道淤塞监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于市政设备领域，涉及城市下水道淤塞监测系统，本发明针对城市地下排水管道的固有特点，设计了一套基于F‑P腔压力传感器的排水管道淤塞监测系统，包括监测主机、光缆和传感器；传感器设在光缆上并与光缆一同穿设在下水道管道内，传感器将在下水道内监测到的传感信号反馈给监测主机处理，实现对城市下水道淤塞的监测；传感器包括F‑P腔压力传感器、FBG流速传感器和FBG温度传感器；监测主机根据反馈的相邻传感器的压力差值、流速差数值与正常情况下设定的阈值分析比较，利用管道於堵时，堵塞部分前后的内压、流速不同，对管道内的情况进行实时监测，及时发现城市地下排水管道中的淤塞区段，方便开展针对性维护工作。
Description
技术领域
本发明属于市政设备领域，涉及一种城市下水道淤塞监测系统。
背景技术
在市政排水领域，地下排水管道是最常见、最普遍的排水设施，承担着居民生活污水、雨水的汇集、排放功能。但在使用过程中，往往由雨水中夹杂着的杂物（如塑料袋、碎屑）引起排水管道内的淤塞，使城市排水系统无法按照设计的预定容量工作，严重影响城市的排水功能。因此，对于城市排水系统淤塞情况的监检测是必不可少的。
但由于排水管道埋于在地下，潮湿、隐蔽，任何开沟挖槽的电源供应或电信号传输都难以实现，并对管道的安全性、检测系统的稳定性带来不安全因素。目前该领域多是利用数值模拟的方式对淤塞情况进行预测模拟，而现实中存在的诸多干扰会导致预测值与实际情况相差较大。因此，目前急需一种可以防水、防潮、防腐蚀、又能持续稳定运作的淤塞监测系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种城市下水道淤塞监测系统。本发明针对城市地下排水管道的固有特点，设计了一套基于F-P腔压力传感器的排水管道淤塞监测系统，利用管道於堵时，堵塞部分前后的内压、流速不同，对管道内的情况进行实时监测，可以及时发现城市地下排水管道中的淤塞区段，方便有关人员开展针对性维护工作。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种城市下水道淤塞监测系统，包括监测主机、光缆和传感器；传感器设在光缆上并与光缆一同穿设在下水道管道内，传感器将在下水道内监测到的传感信号反馈给监测主机处理，实现对城市下水道淤塞的监测；监测主机安装在泵站等与排水系统管道相连接的工作场所，并由220V市电进行供电；
所述传感器包括压力传感器、流速传感器和FBG温度传感器传感器设在光缆上的具体方式为：
为保证系统正常运转，同时兼顾施工效率，传感器可以按以下方法进行铺设：流速传感器按照一定的间距串联在光缆内的任一条纤芯A上；
FBG温度传感器按照相同的间距串联在光缆中的另一条纤芯B上；压力传感器按照相同的间距串联在光缆中除A、B外的其他纤芯上，每个压力传感器占据一条纤芯上；压力传感器、温度传感器和FBG流速传感器在光缆内的安装起点相同；
监测主机根据反馈的相邻传感器的压力差数值、流速差数值与正常情况下设定的阈值分析比较，发现城市地下排水管道中的淤塞区段，实现对城市下水道淤塞的监测。
监测主机根据反馈的相邻传感器的压力差、流速差数值超过设定正常情况下的阈值（即报警值）时，报警模块报警，发现城市地下排水管道中的淤塞区段，实现对城市下水道淤塞的监测。由于地下排水管道均采取“挖沟—埋管—回填”的方式进行，因此传感器的铺设采取伴管铺设方式，将传感器置于排水管道内部，使其在使用过程中与雨水（或污水）直接接触。
因为光缆中的纤芯非常多，在有限远的距离范围内，一条纤芯数目和长度都是足够的。本发明也主要是有限距离内下水管道的监测。
如果想再延长监测距离可以同时铺设两根光缆，一根测下水管道的前半段，一根测下水管道的后半段。这样就是变相增加纤芯数量。不过要声明的是，无论多少根光缆中，温度传感器及流速传感器总共都是只占2根纤芯。
作为优选的技术方案：
优选的，所述监测主机包括光源模块、采集模块、解调模块和报警模块。
优选的，所述传感器为光纤传感器，其中，压力传感器为F-P腔压力传感器；流速传感器为FBG流速传感器。光纤传感器种类繁多，无法一一列举，只要是光纤传感器，基本都能兼容。
优选的，所述监测主机包括激光光源模块、采集模块、解调模块和报警模块，激光从光源发出后，沿光缆传播至传感器，传感器会根据外界环境的不同将特定波长的激光反射回来，反射光传送回监测主机后，被采集模块转化为电信号，电信号经解调模块解调，还原成流速、压力环境信息。
优选的，监测主机将管道正常使用时监测的相邻传感器间的压力最大差值、流速最大差值设定为正常情况下的阈值。假设在管道刚刚投入使用的一个月内，管道中是不存在淤塞的。因此，可以将这段时间出现监测到的相邻点差值的最大值作为阈值（由于管道会有变径、分支，各个监测点位的阈值可以不同）。若后来在使用过程中，超过此阈值，即可基本认为，该相邻点位之间是存在淤塞的。
优选的，同种功能的相邻的传感器之间的间距为400-600m。
优选的，将光缆裁剪成光缆段，压力传感器和流速传感器及FBG温度传感器连接在各光缆段之间；所述光缆段的长度为400-600m。
优选的，将光缆裁剪成光缆段，F-P腔压力传感器、FBG温度传感器和FBG流速传感器设在各光缆段之间；所述光缆段的长度为400-600m。在铺设管道前，先将光缆裁剪为等长度光缆段。管道铺设过程中，每铺设一段管道，需要在下管阶段，将光缆从起始端向末端穿过该管段，随后正常进行稳管、接口施工、质量检查工作。
优选的，下水道管道内设有拱形保护壳，所述拱形保护壳的拱形面上开有横向狭缝；光缆穿设在拱形保护壳与管道内壁形成的空间内，保护壳的长度略短于所安装的管道段的长度，横向狭缝既能使传感器与污水直接接触，还能在一定程度上保护传感器，在保证传感器的测量精度的同时，增加传感器的使用寿命。
优选的，下水道管道内设有拱形保护壳的数目为4个，上述4个拱形保护壳的中心线位置依次对应在管道内壁12点、9点、6点和3点这四个位置，其中6点位置指的是管道内壁的底部位置。在铺设传感器时，使保护壳对准，再在保护壳与管道内壁形成的区间内穿入光缆。
优选的，光缆穿设在中心线位置对应在管道内壁6点位置的拱形保护壳与管道内壁形成的空间内。为能达到最好的监测效果，选取6点位置的保护壳为佳。
系统调试阶段：待地下排水管道投入使用后，可进行调试阶段。原理如下：激光从光源发出后，沿光缆传播至传感器，传感器会根据外界环境的不同将特定波长的激光反射回来，其余波长的激光继续向前传播，反射光传送回监测主机后，被采集模块转化为电信号，改电信号经解调模块解调，还原成流速、压力等环境信息。由于传感器内的光纤材料热胀冷缩系数较大，流速及压力的检测结果易受温度影响，因此监测到的温度数值只作为压力和流速解调过程中的参数使用。最后根据解调出的相邻监测点间的压力差值、流速差数值，与设定正常情况下的阈值（即报警值）比较，并与报警模块相联动，实现声光报警功能。
有益效果：
本发明可以及时发现地下排水管道的淤塞情况，并对淤塞进行定位，便于相关人员对排水管道进行维护保养，增强城市排水能力，减少城市内涝。
附图说明
图1为本发明的拱形保护壳在下水管道内壁的安装示意图；
图2为本发明的拱形保护壳的结构示意图；
图3为本发明的传感器在光缆上的安装示意图。
其中，1-下水管道，2-拱形保护壳，3-横向狭缝，4-FBG流速传感器，5-FBG温度传感器，6-F-P腔压力传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
1.下管阶段
铺设管道前，先将光缆依次穿过该管段内壁的空间内，随后正常进行稳管、接口施工、质量检查工作。
2.系统调试阶段
本发明的城市下水道淤塞监测系统，包括监测主机、光缆和传感器；传感器设在光缆上并与光缆一同穿设在下水道管道内，传感器将在下水道内监测到的传感信号反馈给监测主机处理，实现对城市下水道淤塞的监测；
传感器包括F-P腔压力传感器6、FBG流速传感器4和FBG温度传感器传感器5设在光缆上的具体方式为，如图3所示：
FBG流速传感器4按照一定的间距串联在光缆内的任一条纤芯A上；
FBG温度传感器5按照相同的间距串联在光缆中的另一条纤芯B上；
F-P腔压力传感器按照相同的间距串联在光缆中除A、B外的其他纤芯上，每个压力传感器占据一条纤芯上；F-P腔压力传感器、FBG温度传感器和FBG流速传感器在光缆内的安装起点相同；同种功能的相邻的传感器之间的间距为400-600m。
监测主机安装在泵站等与排水系统管道相连接的工作场所，并与光缆相连接。监测主机包括激光光源模块、采集模块、解调模块和报警模块，激光从光源发出后，沿光缆传播至传感器，传感器会根据外界环境的不同将特定波长的激光反射回来，反射光传送回监测主机后，被采集模块转化为电信号，电信号经解调模块解调，还原成流速、压力环境信息。待地下排水管道投入使用后，可进行调试阶段，根据正常情况下的流速、压力监测结果设定报警值，监测主机根据反馈的相邻传感器的压力差数值、流速差数值与正常情况下设定的阈值分析比较，发现城市地下排水管道中的淤塞区段，实现对城市下水道淤塞的监测。
实施例2
1.下管阶段
铺设管道前，先将光缆裁剪为等长度的光缆段（长度400-600m）。铺设过程中，将光缆从起始端向末端穿过该管段内壁内，随后正常进行稳管、接口施工、质量检查工作。
2.系统调试阶段
本发明的城市下水道淤塞监测系统，包括监测主机、光缆和传感器；传感器设在光缆上并与光缆一同穿设在下水道管道内，传感器将在下水道内监测到的传感信号反馈给监测主机处理，实现对城市下水道淤塞的监测；
所述传感器包括F-P腔压力传感器、FBG光纤传感器流速传感器和FBG温度传感器传感器设在光缆上的具体方式如图3所示为：
将光缆裁剪成光缆段，压力传感器和流速传感器及FBG温度传感器连接在各光缆段之间；光缆段的长度为400-600m。
流速传感器按照一定的间距串联在光缆内的任一条纤芯A上；
FBG温度传感器按照相同的间距串联在光缆中的另一条纤芯B上；
压力传感器按照相同的间距串联在光缆中除A、B外的其他纤芯上，每个压力传感器占据一条纤芯上。
监测主机安装在泵站等与排水系统管道相连接的工作场所，并与光缆相连接。监测主机包括激光光源模块、采集模块、解调模块和报警模块，激光从光源发出后，沿光缆传播至传感器，传感器会根据外界环境的不同将特定波长的激光反射回来，反射光传送回监测主机后，被采集模块转化为电信号，电信号经解调模块解调，还原成流速、压力环境信息。待地下排水管道投入使用后，可进行调试阶段，根据正常情况下的流速、压力监测结果设定报警值，监测主机根据反馈的相邻传感器的压力差数值、流速差数值与正常情况下设定的阈值分析比较，发现城市地下排水管道中的淤塞区段，实现对城市下水道淤塞的监测。
实施例3
1.预制保护壳
排水管道出厂前，在管道内壁预制4个拱形保护壳，其截面如图1所示，分别固定在管道内壁的12点、9点、6点、3点 这四个位置。保护壳的长度略短于所安装的管道段的长度，其表面有平行排列的横向狭缝3，如图2所示；保护壳与管道采用焊接的方式进行固定，焊点选取在管道两端即可。
2.下管阶段
铺设管道前，先将光缆裁剪为等长度的光缆段（长度400-600m）。铺设过程中，每铺设一段管道，需要旋转管道的角度，使管道内的保护壳位于管道的6点、12点、3点、9点这四个方位，随后将光缆从起始端向末端穿过该管段内壁与6点位置处拱形保护壳形成的空间内，随后正常进行稳管、接口施工、质量检查工作。
3.系统调试阶段
本发明的城市下水道淤塞监测系统，包括监测主机、光缆和传感器；传感器设在光缆上并与光缆一同穿设在下水道管道内，传感器将在下水道内监测到的传感信号反馈给监测主机处理，实现对城市下水道淤塞的监测；
所述传感器包括F-P腔压力传感器、FBG流速传感器和FBG温度传感器传感器设在光缆上的具体方式为：
将光缆裁剪成光缆段，压力传感器和流速传感器及FBG温度传感器连接在各光缆段之间；光缆段的长度为400-600m。
流速传感器按照一定的间距串联在光缆内的任一条纤芯A上；
FBG温度传感器按照相同的间距串联在光缆中的另一条纤芯B上；
压力传感器按照相同的间距串联在光缆中除A、B外的其他纤芯上，每个压力传感器占据一条纤芯上；
监测主机安装在泵站等与排水系统管道相连接的工作场所，并与光缆相连接。监测主机包括激光光源模块、采集模块、解调模块和报警模块，激光从光源发出后，沿光缆传播至传感器，传感器会根据外界环境的不同将特定波长的激光反射回来，反射光传送回监测主机后，被采集模块转化为电信号，电信号经解调模块解调，还原成流速、压力环境信息。待地下排水管道投入使用后，可进行调试阶段，根据正常情况下的流速、压力监测结果设定报警值，监测主机根据反馈的相邻传感器的压力差数值、流速差数值与正常情况下设定的阈值分析比较，发现城市地下排水管道中的淤塞区段，实现对城市下水道淤塞的监测。
如果管道中相临两监测点的流速差值、压力差值比正常值高，那么基本可以说明这两个监测点位之间是有淤塞发生的。假设在管道刚刚投入使用的一段时间内（可以设定为一至两个月），管道中是不存在淤塞的，那我们就以这段时间监测到的相邻点差值的最大值作为阈值（由于管道会有变径、分支的的情况，各个监测点位的阈值可以不同），因此若后来在使用过程中，相邻两点位的差值超过此阈值，即可基本认为，该相邻点位之间是存在淤塞的。另外，还可以将阈值适当地放宽，设定为初始时期最大值的1.5-2倍，减少误报警的概率。
Claims (9)
1.一种城市下水道淤塞监测系统，其特征是：包括监测主机、光缆和传感器；传感器设在光缆上并与光缆一同穿设在下水道管道内，传感器将在下水道内监测到的传感信号反馈给监测主机处理，实现对城市下水道淤塞的监测；
所述传感器包括压力传感器、流速传感器和FBG温度传感器；
传感器设在光缆上的具体方式为：
流速传感器按照一定的间距串联在光缆内的任一条纤芯A上；
FBG温度传感器按照相同的间距串联在光缆中的另一条纤芯B上；
压力传感器按照相同的间距串联在光缆中除A、B外的其他纤芯上，每个压力传感器占据一条纤芯上；
压力传感器、温度传感器和FBG流速传感器在光缆内的安装起点相同；
监测主机根据反馈的相邻传感器的压力差数值、流速差数值与正常情况下设定的阈值分析比较，发现城市地下排水管道中的淤塞区段，实现对城市下水道淤塞的监测。
2.根据权利要求1所述的城市下水道淤塞监测系统，其特征在于：所述传感器为光纤传感器，其中，压力传感器为F-P腔压力传感器；流速传感器为FBG流速传感器。
3.根据权利要求1所述的城市下水道淤塞监测系统，其特征在于：所述监测主机包括激光光源模块、采集模块、解调模块和报警模块，激光从光源发出后，沿光缆传播至传感器，传感器会根据外界环境的不同将特定波长的激光反射回来，反射光传送回监测主机后，被采集模块转化为电信号，电信号经解调模块解调，还原成流速、压力环境信息。
4.根据权利要求3所述的城市下水道淤塞监测系统，其特征在于：监测主机将管道正常使用时监测的相邻传感器间的压力最大差值、流速最大差值设定为正常情况下的阈值。
5.根据权利要求1所述的城市下水道淤塞监测系统，其特征在于：同种功能的相邻的传感器之间的间距为400-600m。
6.根据权利要求1所述的城市下水道淤塞监测系统，其特征在于：将光缆裁剪成光缆段，压力传感器和流速传感器及FBG温度传感器连接在各光缆段之间；所述光缆段的长度为400-600m。
7.根据权利要求1-6任一所述的城市下水道淤塞监测系统，其特征在于：下水道管道内设有拱形保护壳，所述拱形保护壳的拱形面上开有横向狭缝；光缆穿设在拱形保护壳与管道内壁形成的空间内。
8.根据权利要求7所述的城市下水道淤塞监测系统，其特征在于：下水道管道内设有拱形保护壳的数目为4个，上述4个拱形保护壳的中心线位置依次对应在管道内壁12点、9点、6点和3点这四个位置，其中6点位置指的是管道内壁的底部位置。
9.根据权利要求8所述的城市下水道淤塞监测系统，其特征在于：光缆穿设在中心线位置对应在管道内壁6点位置的拱形保护壳与管道内壁形成的空间内。
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