CN109882740A - 一种管道内液体流速监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道内液体流速监测系统及方法，所述管道内液体流速监测系统包括云端服务器、光信号收发设备、分布式光纤传感器、发热电缆；所述分布式光纤传感器与所述发热电缆相互接触的设置在所述管道内部，所述光信号收发设备分别与所述分布式光纤传感器与所述发热电缆连接，且与所述云端服务器数据连接。本发明的管道内液体流速监测系统及方法基于分布式光纤传感器和发热电缆配套设置方式，将管道内液体流速参量转化为分布式光纤传感器的温度参量，具有分布式监测性能好等优点，具有良好的实用性。

Description

一种管道内液体流速监测系统及方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感领域，具体涉及到一种管道内液体流 速监测系统及方法。

背景技术

管道运输是液体输送的一种重要方式，在管道网络的铺设中，会 存在一个经济流速。经济流速是指在设计供水管道的管径时使供水的 总成本最低的流速。通过对管道内液体流速的监测，可对管道设计进 行优化，降低使用成本。因此，有必要设计出一种管道内液体流速监 测系统及方法，用于测定管道内液体流速。

发明内容

为了实现管道泄露监测，本发明实施例提供了一种管道泄露监测 系统及方法，该系统及方法基于分布式光纤传感技术实现，具有监测 效果好、监测准确性高等特点。

相应的，本发明实施例提供了一种管道内液体流速监测系统，所 述管道内液体流速监测系统包括云端服务器、光信号收发设备、分布 式光纤传感器、发热电缆；

所述分布式光纤传感器与所述发热电缆相互接触的设置在所述 管道内部，所述光信号收发设备分别与所述分布式光纤传感器与所述 发热电缆连接，且与所述云端服务器数据连接。

可选的实施方式，所述云端服务器包括：

设备通信层：用于基于加密开放端口与所述光信号收发设备形成 连接，供所述光信号收发设备上传反馈信号；

硬件数据层：用于储存光信号收发设备、分布式光纤传感器、发 热电缆的硬件数据；

样本数据层：用于储存管道内液体流速的样本数据；

缓存层：用于以固定地址存放对应光信号收发设备的反馈信号；

处理层：用于从所述缓存层中提取所述反馈信号并基于样本数据 层进行比对，生成管道内液体流速；

信息发布层：用于储存管道内液体流速；

外设接入端口：用于供客户端设备接入并获取所述信息发布层内 的管道内液体流速。

相应的，本发明还提供了一种管道内液体流速监测方法，包括以 下步骤：

将所述发热电缆通电并待所述发热电缆温度区域稳定后，执行下 一步；

所述光信号收发设备生成初始光信号导入至分布式光纤传感器 中，并同步接收来自所述分布式光纤传感器的光调制信号，得到第一 反馈信号f₁(t,s)，其中t为光信号收发设备从导入初始光信号分布式 光纤传感器至接收调制光信号的时间，s为对应时刻的调制光信号值；

基于公式将t转换为L，得到第二反馈信号f₂(L,s)，其 中,L为t时间节点调制光信号值所产生的位置至光信号收发设备的距 离，c为真空中的光速，t为时间节点，IOR为分布式光纤传感器的折 射率；

所述光信号收发设备将所述第二反馈信号f₂(L,s)上传至云端服 务器；

所述云端服务器基于所述第二反馈信号f₂(L,s)得出所述管道内 液体流速。

可选的实施方式，所述云端服务器基于所述第二反馈信号f₂(L,s) 得出所述管道内液体流速包括以下步骤：

云端服务器基于设备通信层获取光信号收发设备、分布式光纤传 感器、发热电缆的配置信息；

云端服务器基于设备通信层获取光信号收发设备的第二反馈信 号f₂(L,s)；

云端服务器基于样本数据层处理所述反馈信号，得到管道内液体 流速并储存在信息发布层；

云端服务器基于外设接入端口供客户端设备接入至所述信息发 布层获取管道状态。

可选的实施方式，所述配置信息包括光信号收发设备型号、分布 式光纤传感器型号、分布式光纤传感器布置结构、发热电缆型号。

可选的实施方式，同一光信号收发设备的第二反馈信号f₂(L,s) 以擦写形式缓存在缓存层的同一位置上。

可选的实施方式，所述云端服务器的处理层从所述缓存层获取所 述光信号收发设备的第二反馈信号f₂(L,s)。

可选的实施方式，所述云端服务器基于样本数据层处理所述反馈 信号，得到管道内液体流速并储存在信息发布层包括以下步骤：

基于公式

将第二反馈信号f₂(L,s)转化为第三反馈信号f3(L,T)，其中， P_S、P_AS分别为Stokes拉曼散射光和Anti－Stokes拉曼散射光功率； α_S、α_AS为Stokes拉曼散射光和Anti－Stokes拉曼散射光的损耗系 数；L为后向散射点到探测端的光纤长度；L'为放置在恒温T0下的 定标光纤长度；h为普朗克常数；k为玻尔兹曼常量；Δv为散射频 移波数；

基于样本数据层与第三反馈信号f3(L,T)进行比对分析，得出分 布式光纤传感器沿长度方向的液体流速分布函数，即第四反馈信号f4(L,b)，b为管道内液体流速；

基于分布式光纤传感器布置结构，将第四反馈信号f4(L,b)转换 为第五反馈信号f5(a,b)，a为分布式光纤传感器在管道上的布置位置。

可选的实施方式，光信号收发设备、分布式光纤传感器、发热电 缆的配置信息记录在所述光信号收发设备上，所述云端服务器基于光 信号收发设备获取所述光信号收发设备、分布式光纤传感器、发热电 缆的配置信息。

可选的实施方式，所述设备通信层具有一加密开放端口，所述子 设备基于相应的秘钥接入至所述设备通信层的加密开放端口。

本发明提供了一种管道内液体流速监测系统及方法，该方法通过 设备通信层的设置，可灵活的进行光信号收发设备的增减，光信号收 发设备的接入更为方便；通过信息发布层的设置，便于液体流速信息 的后续加工和处理；基于分布式光纤传感器和发热电缆配套设置方式， 将管道内液体流速参量转化为分布式光纤传感器的温度参量，具有分 布式监测性能好等优点，具有良好的实用性。

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 将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些 附图获得其它的附图。

图1示出了本发明实施例管道内液体流速监测系统结构示意图；

图2示出了本发明实施例的云端服务器结构示意图；

图3示出了本发明实施例的管道内液体流速监测方法流程图。

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 通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例， 都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例管道内液体流速监测系统结构示意图，

图2示出了本发明实施例的云端服务器结构示意图。本发明实施例提 供了一种管道内液体流速监测系统，该系统包括云端服务器、光信号 收发设备、分布式光纤传感器、发热电缆。

所述分布式光纤传感器和所述发热电缆配合布置在所需要监测 的管道内壁下部，并分别与光信号收发设备形成连接；在使用时，管 道内液体需完全包覆所述发热电缆和分布式光纤传感器，以确保测量 的准确性；所述光信号收发设备与云端服务器之间形成连接，用于数 据上传。

可选的，分布式光纤传感器沿平行于所述管道轴线方向进行设置， 发热电缆缠绕设置在所述分布式光纤传感器上或并排设置在所述分 布式光纤传感器上。

可选的，本发明实施例云端服务器包括：

设备通信层：用于基于加密开放端口与所述光信号收发设备形成 连接，供所述光信号收发设备上传反馈信号；

硬件数据层：用于储存光信号收发设备、分布式光纤传感器、发 热电缆的硬件数据；

样本数据层：用于储存管道内液体流速的样本数据；

缓存层：用于以固定地址存放对应光信号收发设备的反馈信号；

处理层：用于从所述缓存层中提取所述反馈信号并基于样本数据 层进行比对，生成管道内液体流速；

信息发布层：用于储存管道内液体流速；

外设接入端口：用于供客户端设备接入并获取所述信息发布层内 的管道内液体流速。

图3示出了本发明实施例的管道内液体流速监测方法流程图，相 应的，本发明实施例提供了一种管道内液体流速监测方法，该方法包 括以下步骤：

S101:云端服务器基于设备通信层获取光信号收发设备、分布式 光纤传感器、发热电缆的配置信息；

具体的，在光信号收发设备、分布式光纤传感器、发热电缆中， 分布式光纤传感器和发热电缆都是被动元件，因此，分布式光纤传感 器、发热电缆的相关数据需通过光信号收发设备上传至云端服务器， 在该步骤中，与云端服务器发生数据交换的仅为光信号收发设备。

具体实施中，为了便于光信号收发设备的随时接入，可选的，本 发明实施例提供一种光信号收发设备接入云端服务器的设备通信层 方式。具体的，云端服务器设备通信层设置有一加密开放端口，该加 密接入端口是以秘钥验证形式开放的；在光信号收发设备需要添加至 系统中时，通过将相应的秘钥添加至光信号收发设备的通信参数中， 即可将光信号收发设备接入至云端服务器的设备通信层中。

在光信号收发设备接入至设备通信层中后，云端服务器需要获取 光信号收发设备、分布式光纤传感器和发热电缆的配置信息，该信息 包括：光信号收发设备型号、分布式光纤传感器型号、分布式光纤传 感器布置结构、发热电缆型号。

光信号收发设备型号：光信号收发设备型号的选用范围一般为固 定的，云端服务器的硬件数据层中储存有各种光信号收发设备的具体 信息，因此，仅需要判定光信号收发设备型号即可得到光信号收发设 备的所有硬件参数；如果系统需要采用新的光信号收发设备，可在硬 件数据层中添加相关光信号收发设备的硬件参数数据。

分布式光纤传感器型号：同样的，各类型分布式光纤传感器的硬 件参数是记录在硬件数据层中的，云端服务器只需获取到分布式光纤 传感器的型号，即可获取分布式光纤传感器的具体物理参数。

分布式光纤传感器布置结构：分布式光纤传感器布置结构主要包 括两方面内容，分别为长度和分布式光纤传感器与管道位置的对应关 系。

发热电缆型号：同样的，各类型发热电缆型号的硬件参数是记录 在硬件数据层中的，其中包括驱动电压、电阻率等参数，具体实施中， 需要根据不同的发热电缆型号选择不同的样本数据层进行比对。

需要说明的是，分布式光纤传感器的长度是根据实施需求进行设 定的，因此，需要将分布式光纤传感器的长度参数传输至云端服务器， 供云端服务器进行处理。通过分布式光纤传感器的实现原理可知，在 一段分布式光纤传感器的光调制反馈信号中，信号终点或断电即为分 布式光纤传感器的末端所产生的信号，因此，通过判断分布式光纤传 感器的光调制反馈信号的长度，可推导出分布式光纤传感器的长度。

具体实施中，分布式光纤传感器在管道上的铺设方式具有多种， 一般的，当只需沿管道长度方向进行监测时，分布式光纤传感器以平 行于管道轴线方向铺设，分布式光纤传感器的长度与管道的长度比例 为1；此外，分布式光纤还可以螺旋状的铺设在管道上，可实现对管 道表面进行三维的监测，此时，分布式光纤传感器的长度与管道表面 的具体位置相对应；根据分布式光纤传感器在管道上的布置结构，分 布式光纤传感器与管道之间的位置对应关系具有差异性，因此，需要 识别出分布式光纤传感器的布置结构，才能得出分布式光纤传感器与 管道之间的位置对应关系，从而使信号能对应到管道对应的位置上。

可选的，将分布式光纤长度用字母L表示，管道位置用字母a表示， 光信号收发设备所上传的分布式光纤传感器布置结构为L-a函数关系。

相应的，发热电缆可缠绕式的设置在分布式光纤传感器上，也可 与分布式光纤传感器紧贴并排布置。

在该步骤中，云端服务器基于设备通信层获取光信号收发设备、 分布式光纤传感器、发热电缆的配置信息，可得出整个管道网络上硬 件设备的相关硬件参数，为后续的数据处理提供了基础。

S102：云端服务器基于设备通信层获取光信号收发设备的反馈信 号；

由于对管道内液体流速的监测是具有周期性和重复性的，因此， 光信号收发设备可根据设定的周期时间运行并上传反馈数据。

具体的，通过光信号收发设备或其余辅助设备定时或持续驱动发 热电缆，带发热电缆温度趋于稳定时，所述光信号收发设备生成初始 光信号导入至分布式光纤传感器中，分布式光纤传感器会对初始光信 号进行调制，形成调制光信号，所述光信号收发设备在生成初始光信 号的同时，同步开始接收调制光信号，并根据接收调制光信号的时间， 确认调制光信号在分布式光纤传感器上的位置。

需要说明的是，在管道内液体流速在一小段时间内趋于稳定时， 在该时间段内，液体在发热电缆上所带走的热量趋于稳定，发热电缆 自身的热功率恒定，因此，除了刚通电的极小时间段以外，发热电缆 温度会趋于稳定。

实质上，光信号收发设备首先获取的反馈信号为第一反馈信号 f₁(t,s)，第一反馈信号是由光信号收发设备对调制光信号的接收时 间t以及对应的反馈信号值s组成的；为了更直观的识别反馈信号，将 第一反馈信号从t和s的函数关系转换为L和s的函数关系，L为信号值s 在光纤上的距离(距离是指距对应光信号发生设备的距离)。具体的， 首先，将t参数转换为L参数。根据光时域反射原理，可通过时间节点 t对分布式光纤传感器的距离参数L进行计算。

具体的，计算公式为其中,L为t时间节点调制光信号 值所产生的位置至光信号收发设备的距离，c为真空中的光速，t为时 间节点，IOR为分布式光纤传感器的折射率。

通过以上方式，光信号收发设备得到第二反馈信号f₂(L,s)，该 信号包括沿分布式光纤传感器长度方向信号值的分布；光信号收发设 备将该第二反馈信号f₂(L,s)上传至云服务器分析处理。

需要说明的是，云端服务器对光信号收发设备的反馈数据并非是 实时的，设备通信层接收到光信号收发设备的反馈信号后，将同一光 信号收发设备所上传的数据写入至缓存层的同一位置上，即后写入的 反馈信号会覆盖先写入的反馈信号上。

由于本发明实施例的子设备是自由接入设备通信层的(在有秘钥 的情况下)，因此，子设备可基于自身的工作周期频率，周期性的自 动运行，并将相关数据上传至云服务器，暂存于缓存层的一固定位置 上；云服务器根据处理层的处理速度和周期，通过对缓存层的直接调 取，可获取离当前时间最近的子设备的反馈信号。

通过该设置方式，云端服务器对反馈信号的数据处理分析和光信 号收发设备的反馈信号的上传分立进行，云端服务器和光信号收发设 备之间的同步性要求大大降低，增加了系统对光信号收发设备的性能 要求，从而使可选用的光信号收发设备种类大大增加，具有一定的实 用性和经济性。

S103：云端服务器基于样本数据层处理所述反馈信号，得到管道 内液体流速并储存在信息发布层；

样本数据层中所缓存的反馈信号为第二反馈信号f₂(L,s)，需要 将信号值s转化为温度T，才能更好的与样本数据层进行比对。

具体的，当一定能量的激光脉冲注入到光纤中时，在距离注入点 长度L处发生拉曼散射，光纤中的温度与拉曼散射光传播特性之间的 关系可表示为

其中，式中:P_S、P_AS分别为Stokes拉曼散射光和Anti－Stokes拉曼散 射光功率；α_S、α_AS为Stokes拉曼散射光和Anti－Stokes拉曼散射光 的损耗系数；L为后向散射点到探测端的光纤长度；L'为放置在恒温 T0下的定标光纤长度；h为普朗克常数；k为玻尔兹曼常量；Δv为 散射频移波数。

通过以上方式，可将信号值s转换为T，将第二反馈信号f₂(L,s) 转化为第三反馈信号f3(L,T)。

然后，通过云端服务器中预构建的样本数据层，与第三反馈信号 f3(L,T)进行比对分析，得出分布式光纤传感器沿长度方向的液体流 速分布函数，即第四反馈信号f4(L,b)，b为管道内液体流速。

最后，通过步骤101中所确立的L-a之间的函数关系或对照关系， 可将第四反馈信号f4(L,b)转换为第五反馈信号f5(a,b)。

需要说明的是，样本数据层中储存的样本数据通过实验室进行预 测定形成，根据不同的发热光缆类型具有不同的样本数据。

S104：云端服务器基于外设接入端口供客户端设备接入至所述信 息发布层获取管道状态。

具体的，本发明实施例所提供的管道内液体流速监测方法，其基 本目的是为了得到管道内液体流速信息；管道内液体流速信息的后续 处理方法和应用方法有多种，因此，管道状态监测系统的组成应该是 开放的，可供多种客户端设备接入，获取到管道内液体流速信息并进 行后续的信息处理和信息加工。

因此，在本发明实施例中，云端服务器的管道内液体流速信息是 基于信息发布层进行发布的，信息发布层基于外设接口方式供外部的 客户端设备接入，而不是采用信息下发的方式将管道状态传输至客户 端设备。可选的，可采用标准的RESTful，并加入OAuth2.0实现用 户和系统的身份认证，用HTTP和HTTPS进行普通和加密的数据传输， 可跨越平台和开发语言等技术壁垒，无论B/S还是C/S、iOS还是Android、新系统开发还是旧系统接入都能统一支持，具有良好的适 应性。

本发明实施例提供了一种管道内液体流速监测系统及方法，该方 法通过设备通信层的设置，可灵活的进行光信号收发设备的增减，光 信号收发设备的接入更为方便；通过信息发布层的设置，便于液体流 速信息的后续加工和处理；基于分布式光纤传感器和发热电缆配套设 置方式，将管道内液体流速参量转化为分布式光纤传感器的温度参量， 具有分布式监测性能好等优点，具有良好的实用性。

以上对本发明实施例所提供的一种管道内液体流速监测系统及 方法进行了详细介绍，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 (10)

1.一种管道内液体流速监测系统，其特征在于，所述管道内液体流速监测系统包括云端服务器、光信号收发设备、分布式光纤传感器、发热电缆；

所述分布式光纤传感器与所述发热电缆相互接触的设置在所述管道内部，所述光信号收发设备分别与所述分布式光纤传感器与所述发热电缆连接，且与所述云端服务器数据连接。

2.如权利要求1所述的管道内液体流速监测系统，其特征在于，所述云端服务器包括：

设备通信层：用于基于加密开放端口与所述光信号收发设备形成连接，供所述光信号收发设备上传反馈信号；

硬件数据层：用于储存光信号收发设备、分布式光纤传感器、发热电缆的硬件数据；

样本数据层：用于储存管道内液体流速的样本数据；

缓存层：用于以固定地址存放对应光信号收发设备的反馈信号；

处理层：用于从所述缓存层中提取所述反馈信号并基于样本数据层进行比对，生成管道内液体流速；

信息发布层：用于储存管道内液体流速；

外设接入端口：用于供客户端设备接入并获取所述信息发布层内的管道内液体流速。

3.一种管道内液体流速监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述发热电缆通电并待所述发热电缆温度区域稳定后，执行下一步；

所述光信号收发设备生成初始光信号导入至分布式光纤传感器中，并同步接收来自所述分布式光纤传感器的光调制信号，得到第一反馈信号f₁(t,s)，其中t为光信号收发设备从导入初始光信号分布式光纤传感器至接收调制光信号的时间，s为对应时刻的调制光信号值；

基于公式将t转换为L，得到第二反馈信号f₂(L,s)，其中,L为t时间节点调制光信号值所产生的位置至光信号收发设备的距离，c为真空中的光速，t为时间节点，IOR为分布式光纤传感器的折射率；

所述光信号收发设备将所述第二反馈信号f₂(L,s)上传至云端服务器；

所述云端服务器基于所述第二反馈信号f₂(L,s)得出所述管道内液体流速。

4.如权利要求3所述的管道内液体流速监测方法，其特征在于，所述云端服务器基于所述第二反馈信号f₂(L,s)得出所述管道内液体流速包括以下步骤：

云端服务器基于设备通信层获取光信号收发设备、分布式光纤传感器、发热电缆的配置信息；

云端服务器基于设备通信层获取光信号收发设备的第二反馈信号f₂(L,s)；

云端服务器基于样本数据层处理所述反馈信号，得到管道内液体流速并储存在信息发布层；

云端服务器基于外设接入端口供客户端设备接入至所述信息发布层获取管道状态。

5.如权利要求4所述的管道内液体流速监测方法，其特征在于，所述配置信息包括光信号收发设备型号、分布式光纤传感器型号、分布式光纤传感器布置结构、发热电缆型号。

6.如权利要求4所述的管道内液体流速监测方法，其特征在于，同一光信号收发设备的第二反馈信号f₂(L,s)以擦写形式缓存在缓存层的同一位置上。

7.如权利要求6所述的管道内液体流速监测方法，其特征在于，所述云端服务器的处理层从所述缓存层获取所述光信号收发设备的第二反馈信号f₂(L,s)。

8.如权利要求5所述的管道内液体流速监测方法，其特征在于，所述云端服务器基于样本数据层处理所述反馈信号，得到管道内液体流速并储存在信息发布层包括以下步骤：

基于公式

将第二反馈信号f₂(L,s)转化为第三反馈信号f3(L,T)，其中，P_S、P_AS分别为Stokes拉曼散射光和Anti－Stokes拉曼散射光功率；α_S、α_AS为Stokes拉曼散射光和Anti－Stokes拉曼散射光的损耗系数；L为后向散射点到探测端的光纤长度；L'为放置在恒温T0下的定标光纤长度；h为普朗克常数；k为玻尔兹曼常量；Δv为散射频移波数；

基于样本数据层与第三反馈信号f3(L,T)进行比对分析，得出分布式光纤传感器沿长度方向的液体流速分布函数，即第四反馈信号f4(L,b)，b为管道内液体流速；

基于分布式光纤传感器布置结构，将第四反馈信号f4(L,b)转换为第五反馈信号f5(a,b)，a为分布式光纤传感器在管道上的布置位置。

9.如权利要求4所述的管道内液体流速监测方法，其特征在于，光信号收发设备、分布式光纤传感器、发热电缆的配置信息记录在所述光信号收发设备上，所述云端服务器基于光信号收发设备获取所述光信号收发设备、分布式光纤传感器、发热电缆的配置信息。

10.如权利要求4所述的管道内液体流速监测方法，其特征在于，所述设备通信层具有一加密开放端口，所述子设备基于相应的秘钥接入至所述设备通信层的加密开放端口。