CN109681788B - 一种光缆及管道渗漏监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光缆及管道渗漏监测系统，光缆包括：保护层以及相邻设置的加热电缆和感温光纤，且加热电缆和感温光纤均包覆于保护层内；加热电缆，用于产生热量；感温光纤，用于检测现场环境温度。本发明提供的光缆工艺简单、造价低廉的特征，并且，通过主动加热技术对光缆进行主动加热，利用分布式光纤温度解调设备采集光缆全线的温度分布曲线，其中渗漏处表现出局部低温的异常现象，分析沿管道各位置的温度变化特性，判断温度异常的状况和位置，从而实现供水管道渗漏的监测及精准定位。

Description

一种光缆及管道渗漏监测系统

技术领域

本发明涉及供水管道渗漏监测技术领域，特别是涉及一种光缆及管道渗漏监测系统。

背景技术

城市供水管道工程是城市的生命线工程之一，供水管道在长期服役过程中，往往因为管道热胀冷缩、疲劳老化、腐蚀冲刷、环境地基下降、意外挖掘等诸多因素的共同作用下，管道极易出现破裂、漏水、渗水等异常情况。供水管道的渗漏问题不仅对居民正常生活造成了不利的影响，而且直接和间接地造成了巨大的经济损失。因此，对供水管道进行全线渗漏定位监测显得非常重要。

目前对供水管道检漏常用的方法主要有区域检漏法、区域装表法、音听检漏法、相关分析法等。其中区域检漏法主要应用于小区或部分管道中，只能发现是否漏水，而不能确定漏水点；区域装表法只能判断漏水的区域，也不能确定漏水点的位置，适用于分支管网；音听检漏法受外界噪声的干扰大，检漏的效率也主要取决于操作者的经验及素质，对于管道内的压力也有一定的要求：不能小于0.05MPa；相关分析法的探测精度受两传感器之间的距离影响较大且漏水声的传播速度对探测精度也有一定的影响。另外，供水管道通常布设距离长，达几十公里甚至几百公里，无法有效实现全线渗漏定位监测。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明的目的是提供一种光缆及管道渗漏监测系统，实现供水管道渗漏的监测及定位。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光缆，包括：保护层以及相邻设置的加热电缆和感温光纤，且所述加热电缆和所述感温光纤均包覆于所述保护层内；

所述加热电缆，用于产生热量；所述感温光纤，用于检测现场环境温度。

可选的，所述光缆还包括钢丝，所述钢丝包覆于所述保护层内，所述钢丝用于加强光缆的韧性。

可选的，所述保护层的材料为聚氯乙烯或聚乙烯。

可选的，所述加热电缆内设置有加热元件，所述加热元件为合金电阻丝或碳纤维电阻丝。

可选的，所述合金电阻丝为镍铬合金电阻丝或铁铬铝合金电阻丝。

一种管道渗漏监测系统，包括上述所述的光缆、分布式光纤温度解调设备、可编程式电源和上位机；

所述管道正下方设置所述光缆；所述分布式光纤温度解调设备和所述感温光纤连接，所述可编程式电源和所述加热电缆连接，所述分布式光纤温度解调设备和所述可编程式电源均和所述上位机连接，所述上位机利用所述可编程式电源控制所述加热电缆的加热时间、加热功率和/或加热温度；所述上位机利用所述分布式光纤温度解调设备采集所述光缆的温度。

可选的，所述光缆和所述管道的距离小于30厘米。

可选的，所述管道正下方至少设置一条所述光缆。

可选的，所述加热光缆的加热方式为恒功率加热。

可选的，所述加热光缆的加热方式为恒温加热。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的光缆工艺简单、造价低廉的特征，并且，通过主动加热技术对光缆进行主动加热，利用分布式光纤温度解调设备采集光缆全线的温度分布曲线，其中渗漏处表现出局部低温的异常现象，分析沿管道各位置的温度变化特性，判断温度异常的状况和位置，从而实现供水管道渗漏的监测及精准定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种光缆的三维立体示意图；

图2为本发明实施例一种管道渗漏监测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例某处未渗漏和不同渗漏流量情况的温度变化曲线图；

图4为本发明实施例供水管道温度分布曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光缆及管道渗漏监测系统，实现供水管道渗漏的监测及定位。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

图1为本发明实施例一种光缆的三维立体示意图，如图1所示，一种光缆，包括：保护层4以及相邻设置的加热电缆1和感温光纤2，且所述加热电缆1和所述感温光纤2均包覆于所述保护层4内；所述加热电缆1，用于产生热量；所述感温光纤2，用于检测现场环境温度。

具体的，所述感温光纤2根据分布式光纤温度传感原理，所述传感原理是基于光纤Bragg光栅准分布温度传感原理、基于Raman散射效应的分布式光纤温度传感或基于Brillouin散射的分布式光纤温度传感原理。

作为本发明一种实施方式，本发明所述光缆还包括：

钢丝3，所述钢丝3包覆于所述保护层4内，所述钢丝3用于加强光缆的韧性和抗拉性能，避免加热电缆及感温光纤在施工过程中产生拉伸破坏，减少光缆故障率。

优选的，所述保护层4的材料为聚氯乙烯或聚乙烯。

具体的，通过采用其中一种材料使光缆具有良好的耐腐蚀性和良好的导热特性。

优选的，所述加热电缆1内设置有加热元件，所述加热元件为合金电阻丝或碳纤维电阻丝。

优选的，所述合金电阻丝为镍铬合金电阻丝或铁铬铝合金电阻丝。

加热电缆、感温光纤和钢丝共线布置，设置保护层形成具有主动加热并测量温度功能的光缆。

本实施例中的光缆具有工艺简单、造价低廉、响应迅速、精确度高等优点，具有广阔应用前景，为供水管道长期健康运行提供坚实的技术保障。

实施例2：

图2为本发明实施例一种管道渗漏监测系统的结构示意图，如图2所示，本实施例一种管道渗漏监测系统，包括上述所述的光缆5、分布式光纤温度解调设备8、可编程式电源7和上位机9；所述管道6正下方设置所述光缆5；所述分布式光纤温度解调设备8和所述感温光纤连接，所述可编程式电源7和所述加热电缆连接，所述分布式光纤温度解调设备8和所述可编程式电源7均和所述上位机9连接，所述上位机9利用所述可编程式电源7控制所述加热电缆的加热时间、加热功率和/或加热温度；所述上位机9利用所述分布式光纤温度解调设备8采集所述光缆5的温度。

优选的，所述光缆5和所述管道6的距离小于30厘米。

优选的，所述管道6正下方至少设置一条所述光缆5。

优选的，所述加热光缆5的加热方式为恒功率加热。

优选的，所述加热光缆5的加热方式为恒温加热。

本实施例中上位机9为计算机。

具体的，本实施例中将埋设于供水管道下方的光缆理想化为线热源，其周围介质为土壤和管道等固体介质。当供水管道发生渗漏时，渗漏处光缆的周围介质为流动的水，在加热过程中，线热源在土壤介质和水介质呈现出两种不同的传热特性，在土壤介质主要通过热传导传递热量，而在水介质则通过对流换热传递热量。具体表现为光缆全线分布的温度变化曲线呈现出两种不同的趋势，即处于土壤介质的温度以对数的方式一直在增长，而处于水介质的温度很快达到一个稳定值并不再改变。

在土壤介质中光缆主要通过热传导传递热量，固体介质中靠近线热源附近某点的温度随加热时间t的变化关系为

其中，ΔT为土壤介质中温度变化值，γ为欧拉常数即γ＝0.5772；Q为线热源在单位长度和单位时间内产生的热量，r为某一测点距离线热源的垂直距离，α为介质的热量扩散率，α＝λ/ρc，λ为介质的导热系数，ρ为介质的密度；c为介质的比热。

在水介质则通过对流换热传递热量，线热源表面温度在液体介质中随加热时间t的变化关系为

其中，ΔT′为水介质中温度变化值，h为线热源材料的对流换热系数，A为单位长度线热源体的表面积，V为单位长度线热源体的体积，ρ′为线热源体的密度，c′为线热源体的比热。

由公式(1)和公式(2)可知，对所述光缆进行主动加热，处于土壤介质的光缆表面温度以对数的方式一直增长，而渗漏位置处于水介质的光缆表面温度则以指数的方式增长并很快趋于一个定值Q/Ah。通过分析比较沿管道各位置的温度变化曲线，判断局部低温情况和位置，从而实现供水管道渗漏的监测及精准定位。

本实施例解决了供水管道全尺寸、长距离、实时在线的渗漏定位监测技术问题。相比于传统的供水管道渗漏传感技术及监测手段而言，分布式光纤传感技术具有的优势可以总结为：对结构进行全尺寸监测、长距离监测(达到40km)、实时在线监测、抗干扰能力强、重量轻、易于安装、监测精度高等。

具体的，在供水管道正下方铺设一条光缆，加热电缆连接至可编程式电源和上位机，通过自主开发的LabVIEW程序实现加热时间、加热功率和加热温度的控制，感温光纤连接至分布式光纤温度解调设备，并和上位机连接。当供水管道发生渗漏时，水的渗漏改变了渗漏处光缆的热传输特性和参数。具体地讲，在加热过程中，线热源(光缆)在土壤介质和水介质呈现出两种不同的传热特性。在土壤介质主要通过热传导传递热量，而在水介质则通过对流换热传递热量。具体表现为光缆全线分布的温度变化曲线呈现出两种不同的趋势，即处于土壤介质的温度以对数的方式一直在增长，而处于水介质的温度很快达到一个稳定值并不再改变。通过主动加热技术对光缆进行主动加热，利用分布式光纤温度解调设备采集加热光缆全线的温度分布曲线，其中渗漏处表现出局部低温的异常现象。分析沿管道各位置的温度变化特性，判断温度异常的状况和位置，从而实现供水管道渗漏的监测及精准定位。

本实施例中应用具有热流耦合功能的有限元分析软件ANSYS FLUENT对供水管道渗漏监测系统进行了验证。

图3为本发明实施例某处未渗漏和不同渗漏流量情况的温度变化曲线图，如图3所示，当供水管道未发生渗漏，随着加热时间的增长，光缆的温度一直以对数的方式增加；当供水管道发生渗漏时，水流经光缆，渗漏处光缆的温度很快达到一个定值并停止增长。图4为本发明实施例供水管道温度分布曲线图，如图4所示，渗漏处出现局部低温异常的状况。因此，验证了本实施例的供水管道渗漏监测系统的可行性和有效性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种管道渗漏监测系统，其特征在于，包括光缆、分布式光纤温度解调设备、可编程式电源和上位机；

所述光缆包括：保护层(4)以及相邻设置的加热电缆(1)和感温光纤(2)，且所述加热电缆(1)和所述感温光纤(2)均包覆于所述保护层(4)内；

所述加热电缆(1)，用于产生热量；所述感温光纤(2)，用于检测现场环境温度；

所述管道正下方设置所述光缆；所述分布式光纤温度解调设备和所述感温光纤连接，所述可编程式电源和所述加热电缆连接，所述分布式光纤温度解调设备和所述可编程式电源均和所述上位机连接，所述上位机利用所述可编程式电源控制所述加热电缆的加热时间、加热功率和/或加热温度；所述上位机利用所述分布式光纤温度解调设备采集所述光缆的温度；

将埋设于所述管道下方的光缆理想化为线热源，其周围介质为土壤和管道固体介质；当所述管道发生渗漏时，渗漏处光缆的周围介质为流动的水，在加热过程中，线热源在土壤介质和水介质呈现出两种不同的传热特性，在土壤介质主要通过热传导传递热量，而在水介质则通过对流换热传递热量；具体表现为光缆全线分布的温度变化曲线呈现出两种不同的趋势，处于土壤介质的温度以对数的方式一直在增长，而处于水介质的温度很快达到一个稳定值并不再改变；

在土壤介质中光缆主要通过热传导传递热量，固体介质中靠近线热源附近某点的温度随加热时间t的变化关系为：

其中，为土壤介质中温度变化值，/>为欧拉常数，/>；Q为线热源在单位长度和单位时间内产生的热量，r为某一测点距离线热源的垂直距离，/>为介质的热量扩散率，/>，/>为介质的导热系数，/>为介质的密度；c为介质的比热；

在水介质则通过对流换热传递热量，线热源表面温度在液体介质中随加热时间t的变化关系为：

其中，为水介质中温度变化值，h为线热源材料的对流换热系数，A为单位长度线热源体的表面积，V为单位长度线热源体的体积，/>为线热源体的密度，/>为线热源体的比热；

由公式（1）和公式（2）可知，对所述光缆进行主动加热，处于土壤介质的光缆表面温度以对数的方式一直增长，而渗漏位置处于水介质的光缆表面温度则以指数的方式增长并很快趋于一个定值Q/Ah；通过分析比较沿管道各位置的温度变化曲线，判断局部低温情况和位置，从而实现所述管道渗漏的监测及精准定位。

2.根据权利要求1所述的管道渗漏监测系统，其特征在于，所述光缆和所述管道的距离小于30厘米。

3.根据权利要求1或2所述的管道渗漏监测系统，其特征在于，所述管道正下方至少设置一条所述光缆。

4.根据权利要求1所述的管道渗漏监测系统，其特征在于，所述加热电缆的加热方式为恒功率加热。

5.根据权利要求1所述的管道渗漏监测系统，其特征在于，所述加热电缆的加热方式为恒温加热。

6.根据权利要求1所述的管道渗漏监测系统，其特征在于，所述光缆还包括钢丝(3)，所述钢丝(3)包覆于所述保护层(4)内，所述钢丝(3)用于加强光缆的韧性。

7.根据权利要求1或6所述的管道渗漏监测系统，其特征在于，所述保护层(4)的材料为聚氯乙烯或聚乙烯。

8.根据权利要求1所述的管道渗漏监测系统，其特征在于，所述加热电缆(1)内设置有加热元件，所述加热元件为合金电阻丝或碳纤维电阻丝。

9.根据权利要求8所述的管道渗漏监测系统，其特征在于，所述合金电阻丝为镍铬合金电阻丝或铁铬铝合金电阻丝。