CN111706789A - 一种用于监测给水管内部腐蚀的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构健康监测技术领域，提供了一种用于监测给水管内部腐蚀的装置，分为左右两部分，均包括圆形强力磁铁、墙形支架、螺栓、支撑底板、激光反射镜片、杆形支架、光纤、陶瓷端头和螺丝，并且左右两部分轴对称。该装置基于非本征型光纤法珀传感技术和给水管内部腐蚀所导致的壁厚减小会引起法‑珀腔长变化的原理，当给水管内部腐蚀所导致的壁厚减小时，光纤中光信号的干涉光谱会发生变化，每一个干涉光谱图像都对应一个腔长δ，通过监测光信号干涉光谱，实现对给水管内部腐蚀的无损、实时在线监测，从而对给水管内部腐蚀损伤及时进行预警维护。本发明制作方便、投入成本低，可以减少人工作业量，易于大规模地进行给水管线监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于基础设施给水管内部腐蚀监测的装置，属于结构健康监测技术领域，特别是一种用于监测给水管内部腐蚀的装置。
背景技术
给水管道作为城镇基础设施的重要组成部分，其数量庞大、使用范围广泛。目前，我国绝大部分给水管道是由铸铁管、球墨铸铁管、钢管等铁质管材制作而成。然而，随着服役时间的增加，铁制给水管道内部会发生不同程度的腐蚀，导致管壁变薄，甚至引起管道破裂泄露，影响给水管道的安全运营，造成资源浪费与经济损失。因此，为及时发现存在安全隐患的给水管道而进行维修决策，确保给水管道的安全运营，对给水管内部腐蚀监测预警是十分必要的。
目前，给水管道的常用监测方法主要有音听检漏法、不间断夜间流量检测法、区域装表法、干管流量分析法、相关仪检测法、瞬态流法等。然而，这些方法大多存在人工成本高、监测准确度低、无法在线、长期实时监测等问题，而且对工作人员的技术经验等依赖性较强。
近年来，由于光纤小巧轻便、抗电磁干扰、测量精度高、可以在线实时监测等优点，其在监测领域受到了高度青睐。非本征型光纤法珀传感技术利用光纤端面与另一外反射面形成法-珀腔，基于法-珀腔长与待测量存在的数学关系，利用干涉光谱进行待测量的感知，该光纤传感技术具有极高的灵敏度、结构简单，在给水管监测领域具有良好的应用前景。
因此，针对给水管内部腐蚀状况的监测，从新的技术角度提供一种操作方便、准确可靠、实时在线的装置是十分有必要的，从而为给水管线的安全运营提供重要保障。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于监测给水管内部腐蚀的装置，其目的是实现对给水管内部腐蚀状态的实时监测，准确地判定给水管的壁厚，从而保障给水管的安全运营。
本发明的技术方案：
一种用于监测给水管内部腐蚀的装置，分为左右两部分，均包括圆形强力磁铁1、墙形支架2、螺栓3、支撑底板4、激光反射镜片5、杆形支架6、光纤7、陶瓷端头8和螺丝9，并且左右两部分轴对称，左右两部分的距离取决于被测给水管的直径；
所述的圆形强力磁铁1放置在墙形支架2上，墙形支架2通过螺栓3紧固在支撑底板4上，所述的激光反射镜片5粘贴在圆形强力磁铁1的外表面；
所述的杆形支架6平行于墙形支架2且与墙形支架2间存在距离，杆形支架6通过螺栓3紧固在支撑底板4上；
所述的光纤7一端安装在陶瓷端头8中，陶瓷端头8插入到杆形支架6预留的贯通孔中，陶瓷端头8经由螺丝9锁紧固定。
所述光纤7的端面和激光反射镜片5的镜面形成法-珀腔，当激光反射镜片5随着圆形强力磁铁1移动时，法-珀腔的腔长随之发生相应的变化。
所述光纤7的端面、激光反射镜片5和圆形强力磁铁1的端面平行、同轴。
所述激光反射镜片5的直径小于圆形强力磁铁1的直径，其反射率大于90％。
所述圆形强力磁铁1的尺寸根据被测给水管的直径来调整。
所述墙形支架2、支撑底板4的尺寸根据被测给水管的直径来调整。
本发明的工作原理：
将本发明左右部分的圆形强力磁铁分别吸附在被测给水管上，依据磁场理论，被测给水管受到左右部分圆形强力磁铁的磁吸力F的挤压作用，被测给水管的横截面发生径向变形Δd，如图5所示。对于铁制给水管，当给水管内部发生腐蚀后，管壁变薄，即管壁厚度t减小，从而引起左右部分的圆形强力磁铁1作用于被测给水管的磁吸力F也发生相应变化。另外，给水管管壁变薄引起给水管截面刚度的减小。同时,上述变化会引起被测给水管的径向变形Δd发生变化，激光反射镜片随着圆形强力磁铁移动，从而引起法-珀腔长δ发生变化，导致其干涉光谱图像也发生相应变化。
本发明装置传感部分的法-珀腔由光纤的端面和激光反射镜片的镜面形成。光纤端面的第一次反射称为参考光反射，与被测给水管的径向变形Δd无关；激光反射镜片的镜面第二次反射称为传感反射，取决于法-珀腔长δ，而腔长δ受被测给水管的径向变形Δd的调制。两次反射光发生干涉，形成干涉光谱。特别需要注意的是，每一个腔长δ都对应一个干涉光谱图像。
干涉光谱中相邻两个峰值对应的波长差，定义为自由光谱范围(FSR)，其关系式为
式中，λa和λb是对应于干涉光谱中相邻两个峰值的波长。
因此，基于干涉光谱，腔长δ可通过关系式(1)来确定，腔长δ的改变量Δδ也由此确定。
因为腔长δ的改变由被测给水管的径向变形Δd引起，而且两者变化一致，所以
Δd＝Δδ(2)
根据有限元分析理论，磁吸力F与被测给水管的径向变形Δd的关系为
式中，α为刚度系数，由有限元数值分析确定。
因此，若已知被测给水管的径向变形Δd，磁吸力F可通过关系式(3)来确定。
依据磁场理论，磁吸力的精确计算需应用数值分析方法，本发明利用数值分析程序进行精确确定磁吸力F与铁制给水管壁厚t的关系：
F＝βt(4)
式中，β为多参量系数，由数值分析确定。
基于关系式(3)得出的磁吸力F，再依据关系式(4)，得出腐蚀后的给水管壁厚t1，给水管腐蚀壁厚
Δt＝t1-t0(5)
式中，t0为未腐蚀的给水管壁厚，t1为腐蚀后的给水管壁厚。
因此，基于上述发明原理，我们通过给水管腐蚀壁厚Δt即可判断出被测给水管的腐蚀程度。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明通过监测光信号的干涉光谱，实现对给水管壁厚腐蚀的定量监测。
(2)本发明对给水管壁厚的微小腐蚀比较灵敏、性能稳定。
(3)本发明能够无损、实时在线的监测给水管内部腐蚀状况，从而对给水管线及时进行预警维护。
(4)本发明制作方便、投入成本低，可以减少人工作业量，易于大规模地进行给水管线监测。
附图说明
图1为本发明用于监测给水管内部腐蚀的结构示意图；
图2为本发明用于监测给水管内部腐蚀的A-A截面剖视图；
图3为本发明用于监测给水管内部腐蚀的B-B截面剖视图；
图4为本发明用于监测给水管内部腐蚀的C-C截面剖视图；
图5为本发明应用于实际给水管内部腐蚀监测的一种放置示意图；
图中：1 圆形强力磁铁；2 墙形支架；3 螺栓；4 支撑底板；5 激光反射镜片；6 杆形支架；7 光纤；8 陶瓷端头；9 螺丝；10 被测给水管。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～5所示，本发明提供的一种用于监测给水管内部腐蚀的装置，分为左右两部分，每一部分均包括圆形强力磁铁1、墙形支架2、螺栓3、支撑底板4、激光反射镜片5、杆形支架6、光纤7、陶瓷端头8和螺丝9，并且左右两部分轴对称，左右两部分的距离取决于被测给水管的直径；
所述的圆形强力磁铁1放置在墙形支架2上，墙形支架2通过两个螺栓3紧固在支撑底板4上，所述的激光反射镜片5粘贴在圆形强力磁铁1的外表面；
所述的杆形支架6平行于墙形支架2且相距于墙形支架2一定距离，杆形支架6通过一个螺栓3紧固在支撑底板4上；
所述的光纤7一端安装在陶瓷端头8中，陶瓷端头8插入到杆形支架6预留的贯通孔中，陶瓷端头8经由螺丝9锁紧固定。
所述光纤7的端面和激光反射镜片5的镜面形成法-珀腔，当激光反射镜片5随着圆形强力磁铁1移动时，法-珀腔的腔长随之发生相应的变化。
所述光纤7的端面、激光反射镜片5和圆形强力磁铁1的端面平行、同轴。
所述激光反射镜片5的反射率大于90％，激光反射镜片5的直径小于圆形强力磁铁1的直径。
所述圆形强力磁铁1的尺寸根据被测给水管的直径来调整。
所述墙形支架2、支撑底板4的具体尺寸根据被测给水管的直径来调整。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，该用于监测给水管内部腐蚀的装置分为左右两部分，均包括圆形强力磁铁(1)、墙形支架(2)、螺栓(3)、支撑底板(4)、激光反射镜片(5)、杆形支架(6)、光纤(7)、陶瓷端头(8)和螺丝(9)，并且左右两部分轴对称，左右两部分的距离取决于被测给水管的直径；
所述的圆形强力磁铁(1)放置在墙形支架(2)上，墙形支架(2)通过螺栓(3)紧固在支撑底板(4)上，所述的激光反射镜片(5)粘贴在圆形强力磁铁(1)的外表面；
所述的杆形支架(6)平行于墙形支架(2)且与墙形支架(2)间存在距离，杆形支架(6)通过螺栓(3)紧固在支撑底板(4)上；
所述的光纤(7)一端安装在陶瓷端头(8)中，陶瓷端头(8)插入到杆形支架(6)预留的贯通孔中，陶瓷端头(8)经由螺丝(9)锁紧固定。
2.根据权利要求1所述的用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，所述光纤(7)的端面和激光反射镜片(5)的镜面形成法-珀腔，当激光反射镜片(5)随着圆形强力磁铁(1)移动时，法-珀腔的腔长随之发生相应的变化。
3.根据权利要求1或2所述的用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，所述光纤(7)的端面、激光反射镜片(5)和圆形强力磁铁(1)的端面平行、同轴。
4.根据权利要求1或2所述的用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，所述激光反射镜片(5)的直径小于圆形强力磁铁(1)的直径，其反射率大于90％。
5.根据权利要求3所述的用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，所述激光反射镜片(5)的直径小于圆形强力磁铁(1)的直径，其反射率大于90％。
6.根据权利要求1、2或5所述的用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，所述圆形强力磁铁(1)的尺寸根据被测给水管的直径来调整。
7.根据权利要求3所述的用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，所述圆形强力磁铁(1)的尺寸根据被测给水管的直径来调整。
8.根据权利要求4所述的用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，所述圆形强力磁铁(1)的尺寸根据被测给水管的直径来调整。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，所述墙形支架(2)、支撑底板(4)的尺寸根据被测给水管的直径来调整。
10.根据权利要求6所述的用于监测给水管内部腐蚀的装置，其特征在于，所述墙形支架(2)、支撑底板(4)的尺寸根据被测给水管的直径来调整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |