CN110243439B - 一种城市地下排水管道分布式水位监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种城市地下排水管道分布式水位监测系统，包括光源、耦合器、一根带若干凹槽的光纤和OTDR；光源用于发射光信号；耦合器用于接收并转发光信号；光纤固定于排水管道内侧，光纤凹槽开口向下，凹槽处设有水位传感器，用于反射所监测位置的光信号，实现排水管道中水位的分布式测量；OTDR用于探测水位传感器反射的光信号并形成距离与光强关系曲线图，水位传感器反射的光信号所用的时间不同在反射谱上形成峰值，峰值所在位置为传感器定位，反射峰峰值的变化则反映了该位置处水位的变化情况。本发明使用简单的装置完成了水位的监测，成本低廉，可大量安装；对排水管道水位的监测具有实时性和较高的准确性，方便城市市政管理。

Description

一种城市地下排水管道分布式水位监测系统
技术领域
本发明属于城市地下水位监测技术领域，具体涉及一种城市地下排水管道分布式水位监测系统。
背景技术
城市地下排水管道一到春夏多雨季节就暴露出严重的排水不畅的问题。近些年来时常出现由于预料之外的大暴雨导致的路面积水，轻则影响每日的交通运输，重则影响广大市民生命财产安全。解决城市下水管道暴雨时水漫溢问题虽然是一个系统工程，涉及部门众多，但若能及时了解地下管道的水位状况，就可以及时派出排涝人员，疏通具体内涝点的积水问题，避免重大事故的发生。
城市地下排水管道常年潮湿，普通电子设备很难长期稳定的使用在这种环境中，石英材质的光纤性能稳定，适合该种环境。其次，排水管道埋于地下，实时监测维护的工作难度大，成本高，铺设光纤水流流速检测系统自动连续监测，节省人工成本，并能对突发情况及时掌握，极大的提高了处理效率。
发明内容
本发明提供了一种城市地下排水管道分布式水位监测系统，具体为一种应用于管道内的特殊光纤结构的分布式水位测量系统。管道内的水位与管道内的水量有关，当管道内水量很大时，光纤内传输的光信号发生改变，由于该结构可产生后向菲涅耳反射，则可以通过在一根光纤上间隔一定距离设置该结构，并把反射的菲涅耳光信号传输到光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)中，从而实现一根光纤在排水管道多点水位的监测。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种城市地下排水管道分布式水位监测系统，包括光源、耦合器、一根带若干凹槽的光纤和OTDR；所述光源用于发射光信号；所述耦合器用于接收并传输光信号；所述光纤固定于排水管道内侧，所述光纤凹槽开口向下，凹槽处设有水位传感器，用于反射所监测位置的光信号，实现排水管道中水位的分布式测量；所述OTDR用于探测水位传感器反射的光信号并形成距离与光强关系曲线图，水位传感器反射的光信号所用的时间不同在反射谱上形成峰值，峰值所在位置为传感器定位，反射峰峰值的变化则反映了该位置处水位的变化情况。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的光源采用半导体激光器，发射红外宽带光信号。
上述的耦合器为三端口定向耦合器，端口分别连接光源、光纤和OTDR；光源发射的光只能输入到与光纤所连接的端口；而从光纤中反向传输的光只能从与OTDR连接的端口输出。
上述的水位传感器包括网状透水固定桶和凸形浮子；所述凸形浮子与网状透水固定桶尺寸相匹配，所述凸形浮子卡于网状透水固定桶内并能够随水位上下浮动；所述凸形浮子设于光纤凹槽正下方，浮子凸起部分的直径小于上方光纤凹槽部分的直径，从而当浮子的凸起部分插入光纤的凹槽内时，在光轴方向上，凹槽和浮子的凸起部分之间形成一个间隙，光纤中传输的光信号经过该间隙时会产生菲涅耳反射，通过测量菲涅耳反射的值，从而监测排水管道中的水位是否超出警戒水位。
上述的OTDR型号为：TFN F4。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明使用简单的装置完成了水位的监测，成本低廉，可大量安装；
2.本发明对排水管道水位的监测具有实时性和较高的准确性，方便城市市政管理；
3.本发明在水中用光纤传输光信号避开了电子设备在水下的高要求的防水处理。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的水位传感器结构示意图；
图3是本发明的排水管道截面图；
图4是本发明实施例中浮子上浮后的光传输图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的一种城市地下排水管道分布式水位监测系统，包括光源、耦合器、一根带若干凹槽的光纤和OTDR；所述光源用于发射光信号；所述耦合器用于接收并传输光信号；所述光纤固定于排水管道内侧，所述光纤凹槽开口向下，凹槽处设有水位传感器，用于反射所监测位置的光信号，实现排水管道中水位的分布式测量；所述OTDR用于探测水位传感器反射的光信号并形成距离与光强关系曲线图，水位传感器反射的光信号所用的时间不同在反射谱上形成峰值，峰值所在位置为传感器定位，反射峰峰值的变化则反映了该位置处水位的变化情况。
如图2和图3所示，实施例中，所述水位传感器包括网状透水固定桶和凸形浮子；所述凸形浮子与网状透水固定桶尺寸相匹配，所述凸形浮子卡于网状透水固定桶内并能够随水位上下浮动；所述凸形浮子设于光纤凹槽正下方，浮子凸起部分的直径小于上方光纤凹槽部分的直径。
当排水管内水量增加时，浮子向上浮动，插入光纤凹槽处，但由于浮子尺寸小，所以在光轴方向上，凹槽的左侧和浮子的左侧有一个间隙，光纤中传输的光经过该间隙时会产生菲涅耳反射，通过测量菲涅耳反射的值，从而监测排水管道中的水位是否超出警戒水位。
浮子上浮后的光路如图4所示。光在折射率不同的交界面传输时的情况，由于交界面是平面，所以会产生菲涅耳反射，反射光满足菲涅耳反射定律，反射率和交界面两侧介质的折射率有关。设光纤纤芯折射率为n1，中间空隙充满水，折射率为n0，则根据菲涅耳定律如果光为正入射，即入射角为零的垂直入射时，反射率公式可以表示为：
Figure GDA0003084554070000031
入射光为自然光时，总反射率是垂直方向和水平方向反射率和的一半，所以总反射率为：
Figure GDA0003084554070000032
则反射光强可以表示为下式：
Figure GDA0003084554070000033
本发明通过在一根光纤设置多个水位传感器，根据OTDR测量反射光强的变化。当某处的浮子浮起，OTDR就可以检测到水位传感器有一个反射率的变化，从而获知水位情况。实际使用中可以先测量当所有浮子都落下时OTDR测量的曲线，把该曲线作为一个参考曲线，而浮子浮起是的反射光强与参考曲线做比较，反射峰值处就表示浮子浮起，水位升高。
实施例中，所述光源采用半导体激光器，发射红外宽带光信号。
实施例中，所述耦合器为三端口定向耦合器，端口分别连接光源、光纤和OTDR；光源发射的光只能输入到与光纤所连接的端口；而从光纤中反向传输的光只能从与OTDR连接的端口输出。
实施例中，所述OTDR型号为：TFN F4。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种城市地下排水管道分布式水位监测系统，其特征在于：包括光源、耦合器、一根带若干凹槽的光纤和OTDR；所述光源用于发射光信号；所述耦合器用于接收并传输光信号；所述光纤固定于排水管道内侧，所述光纤凹槽开口向下，凹槽处设有水位传感器，用于反射所监测位置的光信号，实现排水管道中水位的分布式测量；所述OTDR用于探测水位传感器反射的光信号并形成距离与光强关系曲线图，水位传感器反射的光信号所用的时间不同在反射谱上形成峰值，峰值所在位置为传感器定位，反射峰峰值的变化则反映了该位置处水位的变化情况；
所述水位传感器包括网状透水固定桶和凸形浮子；所述凸形浮子与网状透水固定桶尺寸相匹配，所述凸形浮子卡于网状透水固定桶内并能够随水位上下浮动；所述凸形浮子设于光纤凹槽正下方，浮子凸起部分的直径小于上方光纤凹槽部分的直径，从而当浮子的凸起部分插入光纤的凹槽内时，在光轴方向上，凹槽和浮子的凸起部分之间形成一个间隙，光纤中传输的光信号经过该间隙时会产生菲涅耳反射，通过测量菲涅耳反射的值，从而监测排水管道中的水位是否超出警戒水位。
2.根据权利要求1所述的一种城市地下排水管道分布式水位监测系统，其特征在于：所述光源采用半导体激光器，发射红外宽带光信号。
3.根据权利要求1所述的一种城市地下排水管道分布式水位监测系统，其特征在于：所述耦合器为三端口定向耦合器，端口分别连接光源、光纤和OTDR；光源发射的光只能输入到与光纤所连接的端口；而从光纤中反向传输的光只能从与OTDR连接的端口输出。
4.根据权利要求1所述的一种城市地下排水管道分布式水位监测系统，其特征在于：所述OTDR型号为：TFN F4。
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