基于分布式光纖測(cè)溫的水管泄漏檢測(cè)與定位

趙 亞,王 強(qiáng),宋俊俊,范昕煒,谷小紅

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

1 引 言

自來(lái)水管道在城市管網(wǎng)系統(tǒng)中占有極其重要的地位,一旦管道發(fā)生泄漏,不僅造成水資源的浪費(fèi),還嚴(yán)重影響城市交通、衛(wèi)生以及居民的生活等。傳統(tǒng)的水管道泄漏檢測(cè)方法有水平衡調(diào)查法、聽(tīng)音法和相關(guān)檢漏法[1-3]等；袁榮華[4]等人利用管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓波,提出了基于負(fù)壓波結(jié)構(gòu)模式識(shí)別的改進(jìn)型供水管網(wǎng)泄漏檢測(cè)定位方法；張樹(shù)風(fēng)[5]等通過(guò)分析水泄漏可能引起的介質(zhì)異常特征,采用探地雷達(dá)探測(cè)地下自來(lái)水管道的泄漏位置。但是,在實(shí)際檢測(cè)中,受管道材質(zhì)和環(huán)境因素的影響,這些方法僅適用于短距離管道區(qū)域性泄漏檢測(cè),無(wú)法對(duì)長(zhǎng)距離水管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),而且傳統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)備不適用于非金屬管道和大口徑管道的靜態(tài)泄漏,它們的有效性在很大程度上依賴于使用者的經(jīng)驗(yàn),并且檢漏過(guò)程比較耗時(shí)。因此,利用傳統(tǒng)檢測(cè)方法檢測(cè)面臨較多問(wèn)題。

近年來(lái),隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛。其中,R R.Lombera[6]等提出利用布里淵散射原理的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)大口徑水管進(jìn)行泄漏檢測(cè)；戴國(guó)華[7]等設(shè)計(jì)了適用于海底管道的光纖傳感安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行了管道泄漏檢測(cè)試驗(yàn)；A.Mirzaei[8]等人利用地下輸油管道漏油時(shí)引起周?chē)h(huán)境溫度發(fā)生的變化,采用基于拉曼散射原理和布里淵散射原理的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行輸油管道的泄漏檢測(cè)定位；王友松[9]等利用光纖后向拉曼散射溫度效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù),對(duì)礦井排水管道泄漏監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究?？紤]到城市供水管道在傳統(tǒng)檢測(cè)中遇到的問(wèn)題,以及分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在管道泄漏檢測(cè)方面的優(yōu)越性,提出將基于拉曼散射原理的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用于長(zhǎng)距離自來(lái)水管道的在線檢測(cè)和泄漏定位。

本文首先搭建了基于分布式光纖測(cè)溫的自來(lái)水管道泄漏實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了檢測(cè)系統(tǒng)的溫度分辨率和自來(lái)水管道發(fā)生泄漏時(shí)泄漏點(diǎn)處溫度的變化情況,再選取長(zhǎng)200 m和700 m的傳感光纖,利用該系統(tǒng)對(duì)自來(lái)水管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)與定位實(shí)驗(yàn),并對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波變換分析處理,最后統(tǒng)計(jì)了水管泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的漏警率。

2 分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示,該基于拉曼散射和光時(shí)域反射技術(shù)相結(jié)合的分布式光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光器、波分復(fù)用器、微弱信號(hào)探測(cè)器、傳感光纖和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成[10]。

圖1 分布式光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)組成

2.2 檢測(cè)原理和定位方法

激光器發(fā)出的光沿著光纖傳播時(shí),會(huì)產(chǎn)生三種不同的后向散射光,分別為拉曼散射光、布里淵散射光和瑞利散射光,其中拉曼散射光包含Stokes和Anti-Stokes散射光,Anti-Stokes光強(qiáng)大于Stokes光強(qiáng),且對(duì)溫度更加敏感,因此,利用這一性質(zhì),通過(guò)測(cè)量拉曼散射光的變化來(lái)檢測(cè)外界的溫度變化[11]。

光沿著光纖進(jìn)行傳播時(shí),在距離入射端為L(zhǎng)的位置,Stokes光子數(shù)為[12]:

(1)

Anti-Stokes光子數(shù)為：

(kT)]}-1

(2)

式(1)、(2)中,Ks,Ka為與光纖散射截面有關(guān)的系數(shù)；υa,υs為對(duì)應(yīng)的光子頻率；S為光纖的背向散射因子；Nε為光纖入射端的激光光子數(shù)；α0,αs,αa分別為入射光、Stokes光和Anti-Stokes光的損耗系數(shù)；h表示普朗克常數(shù),h=6.626×10-34J·s；Δυ為光纖中分子振動(dòng)頻率,Δυ=1.32×1013Hz；k為玻爾茲曼常量,k=1.380×10-23J·K-1；T為距離L處的熱力學(xué)溫度。

用Stokes散射光時(shí)域反射曲線解調(diào)Anti-Stokes散射光時(shí)域反射曲線[12]:

(3)

當(dāng)T=T0時(shí)(T0為已知起始溫度),式(3)可表示為:

(4)

式(3)除以式(4)可得:

(5)

式(5)可以計(jì)算出光纖任意點(diǎn)處的溫度值。

2.3 系統(tǒng)溫度分辨率

當(dāng)自來(lái)水管道發(fā)生泄漏時(shí),泄漏點(diǎn)處溫度發(fā)生變化,檢測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)感知該點(diǎn)溫度變化情況來(lái)判別管道是否發(fā)生泄漏。溫度分辨率[13]是指測(cè)量系統(tǒng)所能感知的最小溫度變化,也是系統(tǒng)對(duì)測(cè)量信號(hào)變化的靈敏度反應(yīng)。根據(jù)測(cè)量?jī)x器第一分辨率準(zhǔn)則:分辨率是6σ標(biāo)準(zhǔn)偏差的十分之一,則該系統(tǒng)溫度分辨率(σT)可表示為[13]:

(6)

2.4 系統(tǒng)漏警率

實(shí)際應(yīng)用中自來(lái)水管道所處環(huán)境較為復(fù)雜,在進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí),復(fù)雜的環(huán)境會(huì)對(duì)管道檢測(cè)帶來(lái)一定的影響,導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)有泄漏判為無(wú)泄漏的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為漏警。系統(tǒng)漏警率(MAR)可表示為[14]:

(7)

式中,NMA為檢測(cè)漏警次數(shù)；NM為真實(shí)泄漏次數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置和條件

本實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示的光纖測(cè)量系統(tǒng),在環(huán)境溫度為22.0～23.3 ℃的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行自來(lái)水管道泄漏檢測(cè)和定位實(shí)驗(yàn)。采用外徑110 mm,壁厚10 mm,長(zhǎng)1.2 m,泄漏孔直徑4 mm的PE管道；流量4 m3/h,轉(zhuǎn)速2860 r/min的單相自吸水泵；傳感光纖選用200 m和700 m長(zhǎng)的多模光纖,布放在距離泄漏孔5 mm的實(shí)驗(yàn)管道上,通過(guò)DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 分布式光纖自來(lái)水管道泄漏檢測(cè)裝置

3.2 泄漏檢測(cè)和定位分析

以長(zhǎng)200 m和700 m測(cè)量光纖為例來(lái)分析系統(tǒng)的溫度分辨率,用測(cè)溫儀測(cè)得布有200 m光纖的管壁某處平均溫度為23.7 ℃,再利用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量該處不同時(shí)刻的溫度值,分別為23.10 ℃、22.54 ℃、22.01 ℃、23.47 ℃、23.89 ℃、24.69 ℃、24.03 ℃、22.98 ℃、24.56 ℃和23.44 ℃。代入公式(6)可算出系統(tǒng)溫度分辨率為0.53 ℃,以同樣的方法測(cè)得光纖長(zhǎng)700 m時(shí)系統(tǒng)溫度分辨率為0.56 ℃。因此,利用長(zhǎng)200 m和700 m的傳感光纖進(jìn)行自來(lái)水管道泄漏實(shí)驗(yàn)時(shí),如果泄漏區(qū)域溫差在0.53 ℃以上,則該檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別泄漏情況并進(jìn)行泄漏定位。

針對(duì)自來(lái)水管道發(fā)生泄漏時(shí)泄漏區(qū)域溫差情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,用測(cè)溫儀測(cè)得室溫為23.2 ℃,當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),測(cè)得10組環(huán)境溫度和泄漏點(diǎn)溫度的值,統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 自來(lái)水管道泄漏點(diǎn)處溫差情況

從圖3中可以看出,當(dāng)自來(lái)水管道發(fā)生泄漏時(shí),由于水的流動(dòng)導(dǎo)致周?chē)橘|(zhì)溫度發(fā)生變化,測(cè)得的泄漏區(qū)域溫差在0.6～2.6 ℃之間,且隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng),溫差逐漸變大。因此,可以利用DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)自來(lái)水管道的溫度情況,通過(guò)溫度的變化來(lái)判別管道有無(wú)泄漏發(fā)生。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下利用長(zhǎng)200 m和700 m的傳感光纖進(jìn)行自來(lái)水管道泄漏定位實(shí)驗(yàn),分別每5 min讀取一組測(cè)量數(shù)據(jù),選其中兩組測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 自來(lái)水管道泄漏檢測(cè)結(jié)果

圖4(a)、(c)為采集到的泄漏檢測(cè)信號(hào),可知,由于泄漏處液體的流動(dòng)導(dǎo)致周?chē)橘|(zhì)溫度發(fā)生變化,使得檢測(cè)信號(hào)存在波谷,該波谷所對(duì)應(yīng)的位置即為管道的泄漏位置,但是由于大量噪聲干擾,導(dǎo)致波谷識(shí)別較為困難。因此,需要對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波變換[15]處理,提高泄漏位置的辨識(shí)性。圖4(b)、(d)為利用sym5小波,對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行5層分解處理之后的結(jié)果,與(a)、(c)相比,小波變換處理后的信噪比有了較大的提高,因而有效提高了溫度變化波谷的辨識(shí)性。

用測(cè)溫儀測(cè)得環(huán)境溫度為23.2 ℃,管道泄漏點(diǎn)21.8 ℃；采用該DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)檢測(cè)得到的泄漏點(diǎn)最低溫度為20.01 ℃,泄漏導(dǎo)致的溫降范圍在169.8～170.9 m,真實(shí)泄漏位置為170 m,系統(tǒng)定位誤差≤1 m。

3.3 漏警率分析

為統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)漏警率,本實(shí)驗(yàn)對(duì)長(zhǎng)200 m和700 m 的傳感光纖分別在10個(gè)不同時(shí)刻的40組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,漏警率統(tǒng)計(jì)情況如圖5所示。從圖5中可以看出,利用該測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)自來(lái)水管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí),漏警率在16%～18%,采用小波變化處理后,得到漏警率在6%～9%。

圖5 系統(tǒng)漏警率對(duì)比分析

4 結(jié) 論

考慮到水管道泄漏時(shí)液體流動(dòng)會(huì)引起周?chē)橘|(zhì)溫度發(fā)生變化,提出采用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)自來(lái)水管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)得到該系統(tǒng)200 m、700 m測(cè)量光纖下溫度分辨率分別為0.53 ℃和0.56 ℃,水管道泄漏溫差在0.6～2.6 ℃。選取長(zhǎng)200 m和700 m的傳感光纖進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位實(shí)驗(yàn),并對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波變換處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于拉曼散射和光時(shí)域反射技術(shù)相結(jié)合的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在自來(lái)水管道的泄漏檢測(cè)中運(yùn)行穩(wěn)定,定位精度較高,系統(tǒng)漏警率在6%～9%。