一种管道泄漏检测系统设计
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
本文利用分布式光纤传感器和遇水膨胀橡胶相结 合 的 方 式 ，设 计 了 一 种 管 道 泄 漏 检 测 方 法 。试 验 结 果 表 明 ，这种分布式光纤传感器反应灵敏，无论管道发生 什 么 类 型 的 漏 水 ，漏 点 处 的 遇 水 膨 胀 橡 胶 颗 粒 吸 收 水 份后体积立即膨胀，挤压检测光纤使之受力弯曲 。在
1 图 各 种 散 射 信 号 强 度 示 意 图 Fig. 1 Schematic diagram of intensity of scattering signals
由 图 1 可 知 :在 OTDR接收到的几种散射信号中， 瑞利散射的信号强度最强[4]。0 TD R 发射的检测光信 号在尾纤端面的菲捏尔反射光信号强度是瑞利散射光 信 号 强 度 的 几 十 倍 ，所 以 相 对 其 他 散 射 信 号 而 言 ，瑞利 散射和尾纤断面的菲捏尔反射信号更适合用OTDR测 量 。本 系 统 利 用 0 TOR测量光纤的宏弯曲产生的瑞利 散 射 光 信 号 强 度 突 变 ，以 及 尾 纤 端 面 的 菲 捏 尔 反 射 光 信号强度变化，来 探 测 管 道 网 络 终 端 是 否 泄 漏 （含水 龙头是否关闭）。该 方 案 对 OTDR性能的要求较低，有 利于降低设备成本。
修改稿收到日期:2 0 1 6 -0 8 -1 0
作 者 简 介 : 赵 春 平 （1978— ) ，女 ，硕 士 ，讲 师 ，主要从事自动检测技术、仪器仪表的教学与研究。E -m a il:370925515@ qq. com 。
•100 •
自 动化仪表
第38卷
检 测 光 纤 网 络 终 端 的 光 时 域 反 射 仪 （optical timedomain reflectometer ，OTDR ) 可以 即时、准确地 检测到 该 管 道 泄 漏 点 的 位 置 ，使 维 护 人 员 可 以 立 即 发 现 漏 水 点 ，极大地节省了人力、物力。
感 器 网 络 。 该 网 络 系 统 主 要 由 遇 水 膨 胀 橡 胶 颗 粒 、光 纤 、0 T D R 等 组 成 。 橡 胶 颗 粒 因 吸 收 管 道 泄 漏 的 水 而 膨 胀 ，导 致 传 感 光 纤 发 生 宏
弯 曲 。 光 纤 宏 弯 曲 效 应 引 起 传 播 光 线 的 瑞 利 散 射 突 变 ，0 T D R 通 过 检 测 这 种 突 变 来 判 断 管 道 是 否 发 生 泄 漏 ，并 计 算 泄 漏 点 到 探 测 器 的
; 距 离 。试 验 结 果 表 明 ，这 种 分 布 式 光 纤 传 感 器 网 络 灵 敏 度 高 、实 时 性 好 一 旦 管 道 发 生 泄 漏 ，0 T D R 就 可 以 立 即 检 测 到 ，并 计 算 出 泄 漏
点 的 位 置 。 该 系 统 不 仅 适 应 性 好 ，能 布 放 在 已 有 的 各 种 供 水 管 道 系 统 中 ，而 且 具 有 良 好 的 开 放 性 ; 其 拓 扑 结 构 能 够 随 所 需 检 测 的 管 网 变 化 ，0 T D R 可 以 随 技 术 进 步 不 断 升 级 。
在管道正常工作时，通 过 OTDR看到的后向反射 曲 线 是 一 条 向 右 端 下 倾 的 直 线 ，其 末 端 的 强 反 射 峰 是 尾纤端面发生的菲捏耳反射。当附着光纤的管道发生 渗 漏 时 ，光纤被膨胀的橡胶颗粒挤压后呈C 形 或 S 形 弯 曲 ，会使光纤内部产生较大的瑞利散射衰耗点。一 般而 言 ，遇水膨胀橡胶颗粒的大小和安装位置应能保 证 这 种 弯 曲 只 会 增 加 光 纤 的 局 部 光 损 耗 ，而 不 会 造 成 光 纤 产 生 永 久 性 损 伤 。光 纤 的 这 种 弯 曲 被 称 为 “光纤 的宏弯曲效应”，其传播示意图如图3 所 示 。
Design of a Pipeline Leakage Detection System
ZHAO Chunping1，L I Zhihua2，LA I Hua2，L I Yabin3
(1 . Faculty o f E n g in e erin g , D ali U n iv e rs ity , D ali 6 7 1 0 0 0, C hina ；
采用遇水膨胀橡胶作为漏水感应元件。吸水后的橡胶 体 积 膨 大 ，使 得 附 近 的 光 纤 受 挤 压 变 弯 曲 ，弯曲的光纤 会导致光在传播时发生泄漏。所 以 ，后向瑞利散射光 信 号 强 度 急 剧 下 降 ，O TD R 通 过 测 试 光 信 号 强 度 的 突 变来确定管道泄漏位置[5]。
2 检测系统的组成结构
〇
耦合器
入射光• ■► 反射光
OTDR
2 图 系 统 组 成 结 构 示 意 图 Fig. 2 Schematic diagram of system composition
3 检测系统的工作原理
3 . 1 管道中间位置的泄漏检测 基 于 OTDR的分布式光纤传感器管道探测系统，
2. F aculty o f Inform ation E ngineering and A u to m a tio n , K unm ing U niversity o f Science and T echnology, K unm ing 650093 , C hina ；
3. Energy and Property D iv is io n , K unm ing Institute o f P hysics, K unm ing 650093 , C hina)
3.昆 明 物 理 研 究 所 能 源 物 业 分 公 司 ，云 南 昆 明 650093)
摘 要 ：为 了 能 够 实 时 、低 成 本 地 检 测 城 市 供 水 管 网 的 非 正 常 泄 漏 情 况 ，设 计 了 一 种 基 于 光 时 域 反 射 仪 ( 0 T D R ) 的 新 型 分 布 式 光 纤 传
水管道相同的光纤拓扑结构，将 尾 纤 和 OTDR探测器 连接起来。系统组成结构如图2 所示。
自来水管/管道
1 分布式传感器理论
I® !
泄漏点
分布式光纤传感器是将光纤同时作为感知外部信 号 的 传 感 元 件 和 光 信 号 的 传 输 元 件 ，对 沿 光 纤 分 布 的 被 测 量 泄 漏 状 况 进 行 连 续 测 量 ，将 被 测 信 号 转 换 为 光 信 号 ，以获取被测量泄漏状况的空间分布状态及其随 时间变化的实时传感器系统[2]。它的一次测量可以获 取整个光纤网络范围内被测量的一维分布情况。分布 式光纤传感器是利用光纤在外部扰动作用下发生瑞利 (Rayleigh) 、帽曼（Raman) 、布 里 渊 （B rillio n )等效应产 生背向散射光的变化进行测量，其 特 点 是 0 T D R 同时 作 为 光 信 号 的 输 出 端 和 反 射 光 信 号 的 接 收 端 ，采 用 光 时域反射技术对加载了被测信号的光信号进行测量， 确定被测量的有无并进行空间定位[3]。0 TD R 接收到 的各种散射信号强度如图1 所示。
关 键 词 ：供 水 系 统 ；检 测 ；传 感 器 ；光 纤 ；光 时 域 反 射 仪 ；节 能 降 耗
中 图 分 类 号 ：TH 8 1 ;T P 2 1 6 .1
文献标志码：A
D 0 I ：1 0 . 1 6 0 8 6 /j. c n k i. issn 1 0 0 0 - 0 3 8 0 .2 0 1 7 0 2 0 2 6
〇 引言
城市供水管道网络是使用广泛的大型地下管网 系 统 ，由于长期以来一直缺乏经济、有效的实时检测 方 法 ，致 使 城 市 自 来 水 管 网 系 统 因 跑 、冒、滴 、漏造成 巨大损失。有 关 调 查 资 料 表 明 ：水 量 浪 费 最 多 的 位 置 是 在 没 有 关 或 没 有 关 紧 的 水 龙 头 ，其 次 是 管 道 上 的 小 裂 缝 和 突 发 外 力 造 成 的 损 伤 点 。其 中 ，最难检 测 到 的 是 供 水 管 道 的 “暗 漏 ”，即小裂缝造成的长期 小 流 量泄漏[1]。
Abstract ：In order to achieve real - time and low - cost detection for abnormal leakage of urban water supply network, a new type of distributed optical fiber sensor network based on optical time-domain reflectometer ( OTDR) is designed. The network system is mainly composed of the hardware of water swelling rubber particles, optical fiber and OTDR detector. The rubber particles swell due to absorb leaking water from the pipeline, and the enlargement of the rubber particles causes the sensing optical fiber to form macro - bending. The macro - bending effect causes mutation of Rayleigh scattering of the propagation light,the OTDR detects the mutation to judge the leakage of the pipeline and calculate the distance from the leaking point to the detector. The test results show that the distributed optical fiber sensor network features high sensitivity, and good real - time performance. Once pipeline leaks, OTDR can immediately detect the leakage and calculate the location of leakage. The system has so good adaptability that it can be arranged in various existing water supply piping systems;and offers good performance of an open system. Its topologic structure can be changed based on the network tested, and the OTDR can also be upgraded along with progress of technologies. K eywords：Water supply system; Detection; Sensor; Optical fiber; Optical time domain reflectometer; Energy saving
虽 然 目 前 检 测 管 道 泄 漏 有 多 种 手 段 ，但 都 存 在 建 设成本高、施工复杂、难 以 全 面 覆 盖 的 问 题 ，且所用的 传感器准确度低、误 差 大 、抗干扰能 力 差 。因 此 ，如何 对 以 上 三 种 泄 漏 方 式 进 行 实 时 检 测 ，是 长 期 以 来 困 扰 业界的难题。
第38卷 第 2 期 2017年2 月
白动化仪表
PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION
V ol.38 No. 2 Feb. Leabharlann Baidu017
一种管道泄漏检测系统设计
越 春 平 \李 志 华 2, 赖 华 2,李亚斌3 (1.大 理 大 学 工 程 学 院 ，云 南 大 理 671000;2.昆 明 理 工 大 学 信 息 与 自 动 化 学 院 ，云 南 昆 明 650093;
1 图 各 种 散 射 信 号 强 度 示 意 图 Fig. 1 Schematic diagram of intensity of scattering signals
由 图 1 可 知 :在 OTDR接收到的几种散射信号中， 瑞利散射的信号强度最强[4]。0 TD R 发射的检测光信 号在尾纤端面的菲捏尔反射光信号强度是瑞利散射光 信 号 强 度 的 几 十 倍 ，所 以 相 对 其 他 散 射 信 号 而 言 ，瑞利 散射和尾纤断面的菲捏尔反射信号更适合用OTDR测 量 。本 系 统 利 用 0 TOR测量光纤的宏弯曲产生的瑞利 散 射 光 信 号 强 度 突 变 ，以 及 尾 纤 端 面 的 菲 捏 尔 反 射 光 信号强度变化，来 探 测 管 道 网 络 终 端 是 否 泄 漏 （含水 龙头是否关闭）。该 方 案 对 OTDR性能的要求较低，有 利于降低设备成本。
修改稿收到日期:2 0 1 6 -0 8 -1 0
作 者 简 介 : 赵 春 平 （1978— ) ，女 ，硕 士 ，讲 师 ，主要从事自动检测技术、仪器仪表的教学与研究。E -m a il:370925515@ qq. com 。
•100 •
自 动化仪表
第38卷
检 测 光 纤 网 络 终 端 的 光 时 域 反 射 仪 （optical timedomain reflectometer ，OTDR ) 可以 即时、准确地 检测到 该 管 道 泄 漏 点 的 位 置 ，使 维 护 人 员 可 以 立 即 发 现 漏 水 点 ，极大地节省了人力、物力。
感 器 网 络 。 该 网 络 系 统 主 要 由 遇 水 膨 胀 橡 胶 颗 粒 、光 纤 、0 T D R 等 组 成 。 橡 胶 颗 粒 因 吸 收 管 道 泄 漏 的 水 而 膨 胀 ，导 致 传 感 光 纤 发 生 宏
弯 曲 。 光 纤 宏 弯 曲 效 应 引 起 传 播 光 线 的 瑞 利 散 射 突 变 ，0 T D R 通 过 检 测 这 种 突 变 来 判 断 管 道 是 否 发 生 泄 漏 ，并 计 算 泄 漏 点 到 探 测 器 的
; 距 离 。试 验 结 果 表 明 ，这 种 分 布 式 光 纤 传 感 器 网 络 灵 敏 度 高 、实 时 性 好 一 旦 管 道 发 生 泄 漏 ，0 T D R 就 可 以 立 即 检 测 到 ，并 计 算 出 泄 漏
点 的 位 置 。 该 系 统 不 仅 适 应 性 好 ，能 布 放 在 已 有 的 各 种 供 水 管 道 系 统 中 ，而 且 具 有 良 好 的 开 放 性 ; 其 拓 扑 结 构 能 够 随 所 需 检 测 的 管 网 变 化 ，0 T D R 可 以 随 技 术 进 步 不 断 升 级 。
在管道正常工作时，通 过 OTDR看到的后向反射 曲 线 是 一 条 向 右 端 下 倾 的 直 线 ，其 末 端 的 强 反 射 峰 是 尾纤端面发生的菲捏耳反射。当附着光纤的管道发生 渗 漏 时 ，光纤被膨胀的橡胶颗粒挤压后呈C 形 或 S 形 弯 曲 ，会使光纤内部产生较大的瑞利散射衰耗点。一 般而 言 ，遇水膨胀橡胶颗粒的大小和安装位置应能保 证 这 种 弯 曲 只 会 增 加 光 纤 的 局 部 光 损 耗 ，而 不 会 造 成 光 纤 产 生 永 久 性 损 伤 。光 纤 的 这 种 弯 曲 被 称 为 “光纤 的宏弯曲效应”，其传播示意图如图3 所 示 。
Design of a Pipeline Leakage Detection System
ZHAO Chunping1，L I Zhihua2，LA I Hua2，L I Yabin3
(1 . Faculty o f E n g in e erin g , D ali U n iv e rs ity , D ali 6 7 1 0 0 0, C hina ；
采用遇水膨胀橡胶作为漏水感应元件。吸水后的橡胶 体 积 膨 大 ，使 得 附 近 的 光 纤 受 挤 压 变 弯 曲 ，弯曲的光纤 会导致光在传播时发生泄漏。所 以 ，后向瑞利散射光 信 号 强 度 急 剧 下 降 ，O TD R 通 过 测 试 光 信 号 强 度 的 突 变来确定管道泄漏位置[5]。
2 检测系统的组成结构
〇
耦合器
入射光• ■► 反射光
OTDR
2 图 系 统 组 成 结 构 示 意 图 Fig. 2 Schematic diagram of system composition
3 检测系统的工作原理
3 . 1 管道中间位置的泄漏检测 基 于 OTDR的分布式光纤传感器管道探测系统，
2. F aculty o f Inform ation E ngineering and A u to m a tio n , K unm ing U niversity o f Science and T echnology, K unm ing 650093 , C hina ；
3. Energy and Property D iv is io n , K unm ing Institute o f P hysics, K unm ing 650093 , C hina)
3.昆 明 物 理 研 究 所 能 源 物 业 分 公 司 ，云 南 昆 明 650093)
摘 要 ：为 了 能 够 实 时 、低 成 本 地 检 测 城 市 供 水 管 网 的 非 正 常 泄 漏 情 况 ，设 计 了 一 种 基 于 光 时 域 反 射 仪 ( 0 T D R ) 的 新 型 分 布 式 光 纤 传
水管道相同的光纤拓扑结构，将 尾 纤 和 OTDR探测器 连接起来。系统组成结构如图2 所示。
自来水管/管道
1 分布式传感器理论
I® !
泄漏点
分布式光纤传感器是将光纤同时作为感知外部信 号 的 传 感 元 件 和 光 信 号 的 传 输 元 件 ，对 沿 光 纤 分 布 的 被 测 量 泄 漏 状 况 进 行 连 续 测 量 ，将 被 测 信 号 转 换 为 光 信 号 ，以获取被测量泄漏状况的空间分布状态及其随 时间变化的实时传感器系统[2]。它的一次测量可以获 取整个光纤网络范围内被测量的一维分布情况。分布 式光纤传感器是利用光纤在外部扰动作用下发生瑞利 (Rayleigh) 、帽曼（Raman) 、布 里 渊 （B rillio n )等效应产 生背向散射光的变化进行测量，其 特 点 是 0 T D R 同时 作 为 光 信 号 的 输 出 端 和 反 射 光 信 号 的 接 收 端 ，采 用 光 时域反射技术对加载了被测信号的光信号进行测量， 确定被测量的有无并进行空间定位[3]。0 TD R 接收到 的各种散射信号强度如图1 所示。
关 键 词 ：供 水 系 统 ；检 测 ；传 感 器 ；光 纤 ；光 时 域 反 射 仪 ；节 能 降 耗
中 图 分 类 号 ：TH 8 1 ;T P 2 1 6 .1
文献标志码：A
D 0 I ：1 0 . 1 6 0 8 6 /j. c n k i. issn 1 0 0 0 - 0 3 8 0 .2 0 1 7 0 2 0 2 6
〇 引言
城市供水管道网络是使用广泛的大型地下管网 系 统 ，由于长期以来一直缺乏经济、有效的实时检测 方 法 ，致 使 城 市 自 来 水 管 网 系 统 因 跑 、冒、滴 、漏造成 巨大损失。有 关 调 查 资 料 表 明 ：水 量 浪 费 最 多 的 位 置 是 在 没 有 关 或 没 有 关 紧 的 水 龙 头 ，其 次 是 管 道 上 的 小 裂 缝 和 突 发 外 力 造 成 的 损 伤 点 。其 中 ，最难检 测 到 的 是 供 水 管 道 的 “暗 漏 ”，即小裂缝造成的长期 小 流 量泄漏[1]。
Abstract ：In order to achieve real - time and low - cost detection for abnormal leakage of urban water supply network, a new type of distributed optical fiber sensor network based on optical time-domain reflectometer ( OTDR) is designed. The network system is mainly composed of the hardware of water swelling rubber particles, optical fiber and OTDR detector. The rubber particles swell due to absorb leaking water from the pipeline, and the enlargement of the rubber particles causes the sensing optical fiber to form macro - bending. The macro - bending effect causes mutation of Rayleigh scattering of the propagation light,the OTDR detects the mutation to judge the leakage of the pipeline and calculate the distance from the leaking point to the detector. The test results show that the distributed optical fiber sensor network features high sensitivity, and good real - time performance. Once pipeline leaks, OTDR can immediately detect the leakage and calculate the location of leakage. The system has so good adaptability that it can be arranged in various existing water supply piping systems;and offers good performance of an open system. Its topologic structure can be changed based on the network tested, and the OTDR can also be upgraded along with progress of technologies. K eywords：Water supply system; Detection; Sensor; Optical fiber; Optical time domain reflectometer; Energy saving
虽 然 目 前 检 测 管 道 泄 漏 有 多 种 手 段 ，但 都 存 在 建 设成本高、施工复杂、难 以 全 面 覆 盖 的 问 题 ，且所用的 传感器准确度低、误 差 大 、抗干扰能 力 差 。因 此 ，如何 对 以 上 三 种 泄 漏 方 式 进 行 实 时 检 测 ，是 长 期 以 来 困 扰 业界的难题。
第38卷 第 2 期 2017年2 月
白动化仪表
PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION
V ol.38 No. 2 Feb. Leabharlann Baidu017
一种管道泄漏检测系统设计
越 春 平 \李 志 华 2, 赖 华 2,李亚斌3 (1.大 理 大 学 工 程 学 院 ，云 南 大 理 671000;2.昆 明 理 工 大 学 信 息 与 自 动 化 学 院 ，云 南 昆 明 650093;