CN107167263B - 基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台，它包括：水循环系统、信号放大系统和光纤拉曼温度传感器，通过水循环系统使得在实验室环境下模拟城市自来水管泄漏情况，并通过在检测管道外部设置的转换层将温度信号进一步放大，以便于光纤拉曼温度传感器的检测，本发明对于进一步设计水管泄漏报警系统和改进光纤拉曼温度传感器具有重要意义，并为光纤拉曼温度传感器的应用创造了条件。

Description

基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台

技术领域

本发明属于无损检测领域，尤其涉及一种基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台。

背景技术

目前，城市自来水管道纵横交错，水管道泄漏事件也时常发生，对于城市水循环系统来说，水管的泄漏经常会给人们的生活带来很大的不便，水管的在线监测和检测也一直以来都受到人们的重视，在水管泄漏事件中，由于管道之间连接处出现常年失修、损耗等所造成的泄漏事件也时常发生，如果能实现对水管道连接处或者水管易损处实施检测和在线监测，这样一旦发生水管泄漏便可以及时做出应对措施，防微杜渐，减少水管泄漏给人们生活带来的不便，因此本发明基于分布式光纤拉曼温度传感器提供了一种可以对水管泄漏实施在线监测和检测的装置，对于分布式光纤拉曼温度传感器的应用和发展具有重要的意义。随着分布式光纤拉曼温度传感器技术的进一步发展和改进，分布式光纤拉曼温度传感器检测的测温误差和空间分辨率都已经达到很高的的精度，由于分布式光纤传感器具有体积小、可嵌入、外形可变、重量轻、成本低、不导电、耐高压、能在有害的环境中安全运行、反应快、抗腐蚀等特性，目前国内外已有各种类型的分布式光纤传感器产品应用于电网、铁路、桥梁等，然而由于水管的泄漏所引起的周围温度环境变化并不很明显，因此对于水管道检测与在线监测来说基于分布式光纤拉曼温度传感器的一系列产品还不能直接应用与水管道的泄漏检测与在线监测，所以如果能将水泄漏的温度信号进一步放大这将为分布式光纤温度传感器应用于水管道的检测和在线监测中具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：一种基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台，它用于解决水管泄漏的检测和在线监测问题，包括水循环系统、信号放大系统和光纤拉曼温度传感器；

水循环系统包括储水缸、动力装置和检测管道，该储水缸与动力装置通过第一连接管连接，该动力装置与检测管道通过第二连接管连接，该检测管道与储水缸通过排水管连接；

信号放大系统包括覆盖在检测管道检测部位的转换层，以及包覆在转换层外部的隔离层，在该隔离层的外部还设置有环境模拟箱，该转换层在近地面的一侧为反应层，该反应层的内侧不漏水，外侧可以渗水；

光纤拉曼温度传感器包括：激光发射端，与激光发射端相连的双向耦合器，该双向耦合器与定标光纤一端相连，该定标光纤的另一端连接检测光纤，该检测光纤的末端设置有法拉第旋转镜装置，同时，双向耦合器与光波分复用器相连，该光波分复用器与信号处理器相连接，该信号处理器与显示器相连；检测光纤紧贴反应层的内侧。

进一步地，所述第一连接管上设置有流速调节阀，所述检测管道的两端分别设置有第一连接法兰和第二连接法兰，所述检测管道上设置有可调节的气孔阀。

进一步地，所述反应层的外侧与所述隔离层的底端设定至少1厘米的距离。

进一步地，所述隔离层外部设置的环境模拟箱顶盖可拆卸。

进一步地，所述检测光纤既是传输光纤也是传感光纤。

本发明的有益效果是：

1、由于本发明由水缸、动力装置构成了水循环系统，这样便可以为模拟检测水管道泄漏的实验在实验室环境下进行创造了条件；

2、由于本发明在检测管道外布置了转换层，同时该转换层的底部设置了反应层，该反应层采用的是特殊介质制成，该特殊介质遇到检测管道内部液体时会散发大量热量从而引起周围环境迅速升温，这样当检测管道内的液体泄漏时就会导致该转换层释放大量热量，引起检测光纤周围的温度场发生显著变化，由于温度场的变化会调制光纤在拉曼散射的强度，将液体泄漏信号转化成明显的温度变化信号，这就为检测提供了很大便利；

3、本发明中所述的转换层在设置时近地面的一侧设置了反应层，该反应层的内侧采用不漏水材料制成，该反应层的外侧采用可以渗水的材料制成，且该反应层的外侧与隔离层的底端设定了至少1厘米的距离，且所述的检测光纤设置在紧贴上述反应层的内侧；

由于在转换层上设置的反应层设置在近地面一侧，无论水管哪一侧漏水，由于重力原理都会流至底部与反应层进一步反应；这样只需布置一根检测光纤便可以准确检测出泄漏问题；

由于该反应层的内侧不漏水，即使水管道壁由于环境原因(例：夏季空气遇冷水管导致有水珠附在其表面也不会引起反应层的温度发生变化，减少了误判的情况发生；

由于该反应层的外侧与上述隔离层的底端设定了至少1厘米的距离，这样只有当水管的发生泄漏时导致隔离层内底部的水面高度超过该隔离层底端1厘米时才会使得反应层的介质遇水反应发生温度变化，提高了检测的准确性；

4、由于在检测管道外侧包裹着上述转换层和光纤温度传感器的隔离层，这就可以防止外界液体渗入带来的影响，为光纤温度传感器采集到的数据的准确性创造了条件；

5、由于在上述隔离层外部还设置了可拆卸的环境模拟箱，这样便为实验模拟管道外壁环境创造了条件；同时由于在检测管道外设置了气孔阀，不仅可以模仿水管较大流量的泄漏环境，也可调节气孔阀模仿水管较小流量的渗透环境。

这些对于进一步设计水管泄漏报警系统和改进光纤拉曼温度传感器具有重要意义，并为光纤拉曼温度传感器的应用创造了条件。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明的检测系统示意图。

图中，1、储水缸；2、第一连接管；3、流速调节阀；4、动力装置；5、第二连接管；6、第一连接法兰；7、环境模拟箱；8、隔离层；9、转换层；10、气孔阀；11、反应层；12、定标光纤；13、检测光纤；14、法拉第旋转镜；15、激光发射端；16、双向耦合器；17、光波分复用器；18、信号处理器；19、显示器；20、第二连接法兰；21、排水管；P、检测管道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台，包括水循环系统、信号放大系统和光纤拉曼温度传感器；

水循环系统包括储水缸1、动力装置4和检测管道P，以及连接该储水缸1与动力装置4的第一连接管2，连接动力装置4与检测管道P的第二连接管5，连接检测管道P与储水缸1的排水管21。

所述的储水缸1采用玻璃制成长100厘米、宽50厘米、高50厘米、厚度为1厘米的无盖立方体储水缸，动力装置4采用微型水泵(12V)代替，第一连接管2、第二连接管5、检测管道P和排水管21的尺寸以及在储水缸1设置的出水洞孔的孔径大小根据选用的小型水泵的型号定制，这些对于该技术领域人员并不难，在此不在加以赘述。

信号放大系统包括覆盖在检测管道P检测部位的转换层9(该转换层9采用塑性材料制成)，以及包覆在转换层9外部的隔离层8，在该隔离层8的外部还设置了环境模拟箱7，所述的转换层9在设置时近地面的一侧设置了反应层11，该反应层11的内侧采用不漏水的塑料材料制成，该反应层11的外侧采用可以渗水的纤维材料制成，且该反应层11的外侧与上述隔离层8的底端设定了至少1厘米的距离。

光纤拉曼温度传感器包括：激光发射端15，与激光发射端15相连的双向耦合器16，该双向耦合器16与定标光纤12一端相连，该定标光纤12的另一端连接检测光纤13，该检测光纤13的末端设置有法拉第旋转镜装置14，同时，上述双向耦合器16与光波分复用器17相连，该光波分复用器17与信号处理器18相连接，该信号处理器18与显示器19相连。

所述的检测光纤13设置在紧贴上述反应层11的内侧，检测光纤13既是传输光纤也是传感光纤。

在上述的第一连接管5上设置有流速调节阀3，在上述检测管道P的两端分别设置了第一连接法兰6和第二连接法兰20，所述的检测管道P上设置有可调节的气孔阀10。

在上述隔离层8的外部所设置的环境模拟箱7其顶盖为可拆卸的。

所述的检测光纤14设置在紧贴上述反应层11的内侧，该反应层11内为碳酸钙质量占比为百分之九十(或者在不影响光纤正常检测的前提下选取其它适当的质量占比)的石灰石或者将市场销售的小苏打平铺置于反应层11内。

激光发射端15由驱动电源、电子开关、主激光器、副激光器组成，主激光器和副激光器与第一合波器的输入端相连，第一合波器的输出端接到双向耦合器16的输入端上；该双向耦合器16的输出端连接光波分复用器17，该光波分复用器17有三个输出端口，第一个输出端口为拉曼散射的中心波长输出端口，第二个输出端口为主激光器波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，第三个输出端口为副激光波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，光纤波分复用器17的第一个输出端口与直接检测系统的一个输入端相连接，光纤波分复用器17的第二个输出端口和第三个输出端口分别与第二合波器的两个输入端相连，第二合波器的输出端与直接检测系统的另一个输入端相连，直接检测系统的输出端与信号采集处理系统的输入端相连，由直接检测系统与信号采集处理系统构成的信号处理器18经过分析处理后给出光纤各段的温度值由显示器显示。

光纤检测实验定位原理：

当驱动电源驱动光纤开关时分交替输出同一波段主激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波(波长1550nm、脉宽10ns)与副激光器的光纤斯托克斯拉曼散射波(波长1450nm、脉宽10ns)通过第一合波器传至双向耦合器16，当光信号在检测光纤传播遇到法拉第旋转镜14后，光信号回传至双向耦合器16，由该双向耦合器16将光信号传送给光波分复用器17，该光波分复用器17有三个输出端口，第一个输出端口为拉曼散射的中心波长输出端口，第二个输出端口为主激光器波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，第三个输出端口为副激光波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，光纤波分复用器17的第一个输出端口与直接检测系统的一个输入端相连接，光纤波分复用器17的第二个输出端口和第三个输出端口分别与第二合波器的两个输入端相连，第二合波器的输出端与直接检测系统的另一个输入端相连，直接检测系统的输出端与信号采集处理系统的输入端相连，信号采集处理系统分别扣除单程主激光器波长和副激光器波长的背向瑞利散射光时域反射的影响，采用同一波段单程的激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波与副激光器的光纤斯托克斯拉曼散射笔光时域反射曲线的强度比，得到光纤各段的温度信息，并由显示器显示。

本实验装置的检测方法如下：

首先对激光发射端15供电，根据显示器19显示的曲线变化检测装置是否处于正常状态(状态正常则继续下一步，否则进行调节)；

其次关闭气孔阀10并启动水循环系统：调节流速阀3对储水缸1灌入适量的水，打开动力装置4，使得水循环系统在实验室环境下开始运行；

最后调节气孔阀10，使得处于水循环系统之中的检测管道P缓慢渗透，通过所测位置与定标光纤的温度对比经过理论计算得到温度与拉曼散射强度比的关系，通过后续处理得到渗透处的温度数据变化曲线；

重复上述实验，调节气孔阀10，使得检测管道P呈现不同程度的泄漏状态，观察实验得到的温度变化。由于水管渗透需要一定时间，且由于光纤拉曼温度传感器的测温过程每个周期几秒到几十秒不等，所以需要反复测量。

通过实验测得的泄漏距离与实际距离进行对比分析实验的准确性，从而验证本装置对检测水管道泄漏的作用，对于进一步设计水管泄漏报警系统和改进光纤拉曼温度传感器具有重要意义。

由于光纤价格低廉，使用寿命长，所以本发明的研究对于城市水管道的泄漏检测与在线监测不仅具有研究意义更具有很高的经济价值，对于将本发明应用于水管连接处、水管易漏处等，将本发明的信号放大系统反复设置等均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台，它用于解决水管泄漏的检测和在线监测问题，包括水循环系统、信号放大系统和光纤拉曼温度传感器，其特征在于：

水循环系统包括储水缸（1）、动力装置（4）和检测管道（P），该储水缸（1）与动力装置（4）通过第一连接管（2）连接，该动力装置（4）与检测管道（P）通过第二连接管（5）连接，该检测管道（P）与储水缸（1）通过排水管（21）连接；

信号放大系统包括覆盖在检测管道（P）检测部位的转换层（9），以及包覆在转换层（9）外部的隔离层（8），在该隔离层（8）的外部还设置有环境模拟箱（7），该转换层（9）在近地面的一侧为反应层（11），该反应层（11）的内侧不漏水，外侧可以渗水；所述隔离层（8）用于防止外界液体渗入；所述反应层（11）内为碳酸钙质量占比为百分之九十的石灰石；

光纤拉曼温度传感器包括：激光发射端（15），与激光发射端（15）相连的双向耦合器（16），该双向耦合器（16）与定标光纤（12）一端相连，该定标光纤（12）的另一端连接检测光纤（13），该检测光纤（13）的末端设置有法拉第旋转镜装置（14），同时，双向耦合器（16）与光波分复用器（17）相连，该光波分复用器（17）与信号处理器（18）相连接，该信号处理器（18）与显示器（19）相连；检测光纤（13）紧贴反应层（11）的内侧，水管发生泄漏时石灰石遇水反应发生温度变化，由于温度变化会调制光纤在拉曼散射的强度，将液体泄漏信号转化成明显的温度变化信号，实现水管泄漏检测。

2.根据权利要求1所述的基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台，其特征在于：所述第一连接管（2）上设置有流速调节阀（3），所述检测管道（P）的两端分别设置有第一连接法兰（6）和第二连接法兰（20），所述检测管道（P）上设置有可调节的气孔阀（10）。

3.根据权利要求1所述的基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台，其特征在于：所述反应层（11）的外侧与所述隔离层（8）的底端设定至少1厘米的距离。

4.根据权利要求1所述的基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台，其特征在于：所述隔离层（8）外部设置的环境模拟箱（7）顶盖可拆卸。

5.根据权利要求1所述的基于光纤拉曼温度传感器的自来水管泄漏检测实验平台，其特征在于：所述检测光纤（13）既是传输光纤也是传感光纤。