CN113932767A - 基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置及方法，在管廊沉降监测点设置静力水准仪，通过分布式振动光纤和分布式感温光纤进行压力和温度信息的监测，将检测到的信号传输至分布式光纤解调仪进行解调，将压力与温度进行匹配，再由计算机进行电力综合管廊沉降值的计算；在计算过程中，依据温度值所对应的液体密度进行修正，并引入压力传导系数。本发明利用分布式光纤进行沉降监测点的压力与温度测量，针对不同温度下液体对应的密度，对计算的粗沉降值进行修正，减小外部环境对沉降值采集精度的影响，并引入压力传导系数，避免液体压力传导损失对监测结果的影响，为电力综合管廊的安全运行提供了有力保障。
Description
技术领域
本发明涉及电力综合管廊沉降监测技术领域，具体涉及一种基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置及方法。
背景技术
电力综合管廊作为智能电网中重要的一个组成部分，通常敷设于地下，将电力线路及各种设备安装于管廊内，电力综合管廊的建设对城市空间合理利用、清洁能源发展以及城市环境改善具有重要的作用。然而，由于不同城市具有不同的地质结构，包括山川、河流、道路、建筑物等因素，对地下综合管廊的建设和安全运营具有重要影响作用。例如，综合管廊经过地质条件复杂多变的地方，管廊隧道受到结构、周围地质及外部道路施工等因素的影响，造成管廊隧道在建设及运行中会出现裂缝、变形等危及管廊安全的病害。受到上覆地层及周围建筑物的负载，以及周围土体扰动、周围工程施工及管廊结构施工等影响，电力综合管廊极易产生变形，造成管廊内径出现水平及垂直方向上的形变。为了保证电力设备安全稳定运行，管廊沉降变形量必须控制在设计要求的范围内。因此，在管廊建设及运营中必须进行实时及长期的变形监测，从而可及时发现存在的安全隐患，确保隧道建设及运营的安全。
现有的管廊沉降监测方式，主要通过静力水准仪进行监测，根据压强和液体深度的关系，判断对应管廊沉降距离，但是此种方式只能粗略进行沉降距离的测量，精度不高，无法提供准确的沉降信息，无法及时发现安全隐患。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置及方法，基于温度补偿对测量的沉降值进行修正，提高监测精度。
本发明采用如下的技术方案。
一种基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置，所述装置包括储液罐，设置在管廊沉降监测点处的静力水准仪，振动传感器，温度传感器，分布式振动光纤，分布式温度光纤，分布式光纤解调仪以及计算机；
静力水准仪通过连通管与储液罐连通，静力水准仪上设置振动传感器、温度传感器，监测静力水准仪的压力和温度，并通过分布式振动光纤和分布式温度光纤将压力信号和温度信号传输至分布式光纤解调仪；
分布式光纤解调仪获取压力信号和温度信号后，进行分析和解调后，由计算机根据测量压力和温度计算沉降值。
进一步地，振动传感器获得沉降监测点的压力信号，并通过分布式振动光纤传播压力波长信号，分布式光纤解调仪解调获取测量压力。
进一步地，温度传感器获得沉降监测点的温度信号，并通过分布式振动光纤传播拉曼散射光波信号，分布式光纤解调仪解调获取实时温度信息。
进一步地，静力水准仪中的液体密度随温度变化规律，静力水准仪中的液体依据电力综合管廊的工作环境选定，液体的冰点低于工作环境的最低温度。
一种基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测方法，所述方法包括步骤：
S01，依据电力综合管廊的长度设计分布式沉降监测点，在各沉降监测点设置静力水准仪；
S02，利用振动传感器通过分布式振动光纤获取综合管廊各沉降监测点静力水准仪的压力变化幅度；
S03，利用温度传感器通过分布式感温光纤获取综合管廊各沉降监测点的温度信息；
S04，将步骤S02和步骤S03中监测点的压力变化幅度与对应的温度相匹配，依据温度与静力水准仪中的液体密度对应关系，将沉降监测点的液体密度修正为温度对应的液体密度，根据压力变化幅度和修正液体密度计算沉降值。
进一步地，步骤S02中，同一监测点处的静力水准仪的压力变化幅度ΔP为：
ΔP＝|P′i-Pi|
其中，P′i为沉降监测点的测量压力，Pi为沉降监测点的初始压力，i＝1，2，3……，n，n与静力水准仪的数量相等。
进一步地，步骤S04中，液体密度和温度对照表事先存储于计算机中。
进一步地，步骤S04中，沉降值计算公式Δh′i：
其中，
为t时刻每一监测点在温度T对应的液体密度，g为重力加速度。
进一步地，步骤S04中，引入压力传导系数k修正沉降值计算公式Δh′i：
进一步地，压力传导系数k，根据不同类型的静力水准仪现场实际安装情况对设备进行实验标定得出。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明利用分布式光纤进行沉降监测点的压力与温度测量，并通过解调仪对测量信号进行解调和匹配，针对不同温度下，液体对应的密度，对计算的粗沉降值进行修正，减小外部环境对沉降值采集精度的影响，为电力综合管廊的安全运行提供了有力保障。
本发明沉降监测液体的选择依据使用环境进行选取，液体的冰点低于工作的最低温度，保证测量系统的正常运行，并引入压力传导系数，避免液体压力传导损失对监测结果的影响。
附图说明
图1为本发明基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置示意图；
图2为本发明基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测方法流程图；
图3为本发明实施例中液体温度与密度对照图。
其中，1-储液罐、2-静力水准仪、3-分布式振动光纤、4-分布式温度光纤、5-分布式光纤解调仪、6-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明所用的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置，包括储液罐1，设置在管廊沉降监测点处的静力水准仪2，振动传感器，温度传感器，分布式振动光纤3，分布式温度光纤4，分布式光纤解调仪5以及计算机6。
静力水准仪2通过连通管与储液罐1连通，静力水准仪2上设置振动传感器、温度传感器，用于监测静力水准仪2的压力和温度，并通过分布式振动光纤3和分布式温度光纤4将压力信号和温度信号传输至分布式光纤解调仪5。
利用连通器原理，当任意一个监测点发生沉降时，静力水准仪2会随之移动，分布式振动光纤3上对应的振动传感器感知到压力变化，将压力信号传递至分布式光纤解调仪5，同时，分布式温度光纤4上对应的温度传感器采集实时温度，将温度信号传递至分布式光纤解调仪5，分布式光纤解调仪5获取压力信号和温度信号后，进行分析和解调后，由计算机根据测量压力和温度计算并显示沉降值。
如图2所示，本发明所述的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测方法，包括步骤：
S01，依据电力综合管廊的长度设计分布式沉降监测点，在各沉降监测点设置静力水准仪，以及安装分布式光纤；
S02，利用振动传感器通过分布式振动光纤获取综合管廊各沉降监测点静力水准仪的压力变化幅度ΔP，计算粗沉降值Δhi；
具体地，振动传感器获得沉降监测点的压力信号，并通过分布式振动光纤传播压力波长信号，分布式光纤解调仪解调获取测量压力。
将各静力水准仪的初始压力记为Pi，i＝1，2，3……，n，n与静力水准仪的数量相等。测量所得的各静力水准仪的测量压力记为P′i，则同一监测点处的静力水准仪的压力变化幅度ΔP为：
ΔP＝|P′i-Pi|＝ρgΔhi
其中，ρ为静力水准仪内液体的密度，g为重力加速度,Δhi为各沉降监测点对应的粗沉降值，P′i为沉降监测点的测量压力，Pi为沉降监测点的初始压力。
由此可得，粗沉降值Δhi：
S03，利用温度传感器通过分布式感温光纤获取综合管廊各沉降监测点的温度信息；
具体地，温度传感器获得沉降监测点的温度信号，并通过分布式振动光纤传播拉曼散射光波信号，分布式光纤解调仪解调获取实时温度信息。
S04，将步骤S02和步骤S03中监测点的压力变化幅度与对应的温度相匹配，依据温度与静力水准仪中的液体密度对应关系，对粗沉降值进行修正，计算精确沉降值。
在管廊沉降监测中，储液罐以及连通管中的填充液必须考虑在长时间应用且能够适合在管廊内部温度内环境下工作。
考虑到不同地区管廊环境温度差异，液体密度随温度变化规律，选取的步静力水准仪中的液体依据电力综合管廊的使用环境选定，液体的冰点低于工作的最低温度，保证能够持续进行沉降监测。
分布式光纤解调仪将分布式振动光纤所采集到的各测量点的压力信号与对应的沉降监测点进行匹配，并通过分布式光纤解调仪对对应沉降监测点的分布式感温光纤所采集到的温度检测结果进行分析解调，然后将该沉降监测点的压力与温度相互匹配，并将沉降监测点的液体密度修正为温度对应的液体密度。
当光纤受外界光束照时，光纤内部窄带具有折射作用，从而形成空间相位光栅，入射光束中一定波长的光波由于纤芯的折射作用被反射回去，进而传递相关信息。根据光纤耦合理论模型，光纤Bragg光栅的谐振方程为：
λB＝2neffΛ
式中，λB为光纤Bragg中心波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。
由上式可以看出，光纤传感器中的有效波长由纤芯的有效折射率和光栅周期共同决定。
光纤光栅技术包含信号传输和解调两部分。信号传输主要指通过外界信号对光纤光栅中心波长的调制来实现，而解调过程相反，解调部分主要包含波分复用和解复用技术。复用技术是指对多个传感器公用同一光源和解调系统，达到简化信号输入和设备复杂性，降低成本等。
当多个传感器反射波长为λ1,λ2,...,λn，不同中心波长的传感器组成信号传输网络阵列，分别感应待测结构沿线分布各点的应力应变，并使它们的反射光波长发生变化；不同的改变的反射光经光纤传入，通过光纤光栅的折射作用，并通过解调器探测器波长改变量的大小，并将它们转换成电信号，在终端，通过解调器解算出各个测点的应力应变大小的变化，从而获取整个待测结构的应力应变分布状况。
具体地，根据某种具体液体的密度和温度对照表进行修正，对照表事先存储于计算机中。
将t时刻每一监测点在温度T对应的液体密度记为
修正后得到的精确沉降值记为Δh′i：
进一步地，本发明还考虑到压力传导对沉降液面的影响，因此引入压力传导系数k进行进一步修正，以保证沉降监测的精度。通过光纤实时感知管廊监测点温度，将此点的温度变化引起的液体密度变化导致的测量误差降到最低。
压力传导系数，对于不同类型液压静力水准仪具有不同的值，需要根据现场实际安装情况和安装对设备进行标定得出。针对本发明使用的静力水准仪型号和现场安装情况，经过实验标定，取值k＝35.79。压力传导系数k的引入，通过对现场精力水准仪设备进行标定实验，可以精确了解光纤信号输入、折射、传输、以及波长变化量与静力水准仪位移的相对关系，使设备测量的信号更加精准的反映沉降量的变化。
依据公式(1)即可对各种电力综合管廊进行沉降监测，以南通市管廊运行为例，管廊内部温度在保持正常通风环境下，管廊内部温度常年通常保持在5℃～到35℃之间，以静力水准仪中的液体为水为例，根据水的密度和温度对照表，如图3所示，将对应的温度和密度预录入计算机内，依据分布式温度光纤采集的温度，自动调取对应温度下水的密度值，利用公式(1)进行计算，避免了环境温度和传导系数对整体系统测量偏差的影响，可以精确求取静力水准仪内部压力等参数的变化，达到对电力综合管廊沉降监测、分析的目的。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明利用分布式光纤进行沉降监测点的压力与温度测量，并通过解调仪对测量信号进行解调和匹配，针对不同温度下，液体对应的密度，对计算的粗沉降值进行修正，减小外部环境对沉降值采集精度的影响，为电力综合管廊的安全运行提供了有力保障。
本发明沉降监测液体的选择依据使用环境进行选取，液体的冰点低于工作的最低温度，保证测量系统的正常运行，并引入压力传导系数，避免液体压力传导损失对监测结果的影响。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置，其特征在于，所述装置包括储液罐，设置在管廊沉降监测点处的静力水准仪，振动传感器，温度传感器，分布式振动光纤，分布式温度光纤，分布式光纤解调仪以及计算机；
静力水准仪通过连通管与储液罐连通，静力水准仪上设置振动传感器、温度传感器，监测静力水准仪的压力和温度，并通过分布式振动光纤和分布式温度光纤将压力信号和温度信号传输至分布式光纤解调仪；
分布式光纤解调仪获取压力信号和温度信号后，进行分析和解调后，由计算机根据测量压力和温度计算沉降值。
2.根据权利要求1所述的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置，其特征在于，
振动传感器获得沉降监测点的压力信号，并通过分布式振动光纤传播压力波长信号，分布式光纤解调仪解调获取测量压力。
3.根据权利要求1所述的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置，其特征在于，
温度传感器获得沉降监测点的温度信号，并通过分布式振动光纤传播拉曼散射光波信号，分布式光纤解调仪解调获取实时温度信息。
4.根据权利要求1所述的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测装置，其特征在于，
静力水准仪中的液体密度随温度变化规律，静力水准仪中的液体依据电力综合管廊的工作环境选定，液体的冰点低于工作环境的最低温度。
5.一种基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S01，依据电力综合管廊的长度设计分布式沉降监测点，在各沉降监测点设置静力水准仪；
S02，利用振动传感器通过分布式振动光纤获取综合管廊各沉降监测点静力水准仪的压力变化幅度；
S03，利用温度传感器通过分布式感温光纤获取综合管廊各沉降监测点的温度信息；
S04，将步骤S02和步骤S03中监测点的压力变化幅度与对应的温度相匹配，依据温度与静力水准仪中的液体密度对应关系，将沉降监测点的液体密度修正为温度对应的液体密度，根据压力变化幅度和修正液体密度计算沉降值。
6.根据权利要求5所述的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测方法，其特征在于，
步骤S02中，同一监测点处的静力水准仪的压力变化幅度ΔP为：
ΔP＝|P′i-Pi|
其中，P′i为沉降监测点的测量压力，Pi为沉降监测点的初始压力，i＝1，2，3……，n，n与静力水准仪的数量相等。
7.根据权利要求5所述的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测方法，其特征在于，
步骤S04中，液体密度和温度对照表事先存储于计算机中。
8.根据权利要求6所述的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测方法，其特征在于，
步骤S04中，沉降值计算公式Δh′i：
其中，
为t时刻每一监测点在温度T对应的液体密度，g为重力加速度。
9.根据权利要求8所述的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测方法，其特征在于，
步骤S04中，引入压力传导系数k修正沉降值计算公式Δh′i：
10.根据权利要求9所述的基于温度补偿的电力综合管廊沉降监测方法，其特征在于，
压力传导系数k，根据不同类型的静力水准仪现场实际安装情况对设备进行实验标定得出。
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