趙春平,李志華,賴 華,李亞斌

(1.大理大學(xué)工程學(xué)院，云南 大理 671000；2.昆明理工大學(xué)信息與自動化學(xué)院，云南 昆明 650093；3.昆明物理研究所能源物業(yè)分公司,云南 昆明 650093)

一種管道泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計

趙春平1,李志華2,賴 華2,李亞斌3

(1.大理大學(xué)工程學(xué)院，云南 大理 671000；2.昆明理工大學(xué)信息與自動化學(xué)院，云南 昆明 650093；3.昆明物理研究所能源物業(yè)分公司,云南 昆明 650093)

為了能夠?qū)崟r、低成本地檢測城市供水管網(wǎng)的非正常泄漏情況，設(shè)計了一種基于光時域反射儀(OTDR)的新型分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由遇水膨脹橡膠顆粒、光纖、OTDR等組成。橡膠顆粒因吸收管道泄漏的水而膨脹，導(dǎo)致傳感光纖發(fā)生宏彎曲。光纖宏彎曲效應(yīng)引起傳播光線的瑞利散射突變，OTDR通過檢測這種突變來判斷管道是否發(fā)生泄漏，并計算泄漏點到探測器的距離。試驗結(jié)果表明，這種分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)靈敏度高、實時性好；一旦管道發(fā)生泄漏，OTDR就可以立即檢測到，并計算出泄漏點的位置。該系統(tǒng)不僅適應(yīng)性好，能布放在已有的各種供水管道系統(tǒng)中，而且具有良好的開放性；其拓撲結(jié)構(gòu)能夠隨所需檢測的管網(wǎng)變化，OTDR可以隨技術(shù)進步不斷升級。

供水系統(tǒng)； 檢測； 傳感器； 光纖； 光時域反射儀； 節(jié)能降耗

0 引言

城市供水管道網(wǎng)絡(luò)是使用廣泛的大型地下管網(wǎng)系統(tǒng)，由于長期以來一直缺乏經(jīng)濟、有效的實時檢測方法，致使城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)因跑、冒、滴、漏造成巨大損失。有關(guān)調(diào)查資料表明：水量浪費最多的位置是在沒有關(guān)或沒有關(guān)緊的水龍頭，其次是管道上的小裂縫和突發(fā)外力造成的損傷點。其中，最難檢測到的是供水管道的“暗漏”，即小裂縫造成的長期小流量泄漏[1]。

雖然目前檢測管道泄漏有多種手段，但都存在建設(shè)成本高、施工復(fù)雜、難以全面覆蓋的問題，且所用的傳感器準(zhǔn)確度低、誤差大、抗干擾能力差。因此，如何對以上三種泄漏方式進行實時檢測，是長期以來困擾業(yè)界的難題。

本文利用分布式光纖傳感器和遇水膨脹橡膠相結(jié)合的方式，設(shè)計了一種管道泄漏檢測方法。試驗結(jié)果表明，這種分布式光纖傳感器反應(yīng)靈敏，無論管道發(fā)生什么類型的漏水，漏點處的遇水膨脹橡膠顆粒吸收水份后體積立即膨脹，擠壓檢測光纖使之受力彎曲。在檢測光纖網(wǎng)絡(luò)終端的光時域反射儀(optical time-domain reflectometer,OTDR)可以即時、準(zhǔn)確地檢測到該管道泄漏點的位置，使維護人員可以立即發(fā)現(xiàn)漏水點，極大地節(jié)省了人力、物力。

1 分布式傳感器理論

分布式光纖傳感器是將光纖同時作為感知外部信號的傳感元件和光信號的傳輸元件，對沿光纖分布的被測量泄漏狀況進行連續(xù)測量,將被測信號轉(zhuǎn)換為光信號，以獲取被測量泄漏狀況的空間分布狀態(tài)及其隨時間變化的實時傳感器系統(tǒng)[2]。它的一次測量可以獲取整個光纖網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)被測量的一維分布情況。分布式光纖傳感器是利用光纖在外部擾動作用下發(fā)生瑞利(Rayleigh)、喇曼(Raman)、布里淵(Brillion)等效應(yīng)產(chǎn)生背向散射光的變化進行測量,其特點是OTDR同時作為光信號的輸出端和反射光信號的接收端，采用光時域反射技術(shù)對加載了被測信號的光信號進行測量，確定被測量的有無并進行空間定位[3]。OTDR接收到的各種散射信號強度如圖1所示。

圖1 各種散射信號強度示意圖

由圖1可知：在OTDR接收到的幾種散射信號中，瑞利散射的信號強度最強[4]。OTDR發(fā)射的檢測光信號在尾纖端面的菲涅爾反射光信號強度是瑞利散射光信號強度的幾十倍，所以相對其他散射信號而言，瑞利散射和尾纖斷面的菲涅爾反射信號更適合用OTDR測量。本系統(tǒng)利用OTDR測量光纖的宏彎曲產(chǎn)生的瑞利散射光信號強度突變，以及尾纖端面的菲涅爾反射光信號強度變化，來探測管道網(wǎng)絡(luò)終端是否泄漏(含水龍頭是否關(guān)閉)。該方案對OTDR性能的要求較低，有利于降低設(shè)備成本。

2 檢測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

檢測系統(tǒng)中，傳感光纖沿著檢測范圍內(nèi)的自來水管道布放，通過分歧點的光纖耦合分路器形成與自來水管道相同的光纖拓撲結(jié)構(gòu)，將尾纖和OTDR探測器連接起來。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

3 檢測系統(tǒng)的工作原理

3.1 管道中間位置的泄漏檢測

基于OTDR的分布式光纖傳感器管道探測系統(tǒng)，采用遇水膨脹橡膠作為漏水感應(yīng)元件。吸水后的橡膠體積膨大，使得附近的光纖受擠壓變彎曲，彎曲的光纖會導(dǎo)致光在傳播時發(fā)生泄漏。所以，后向瑞利散射光信號強度急劇下降，OTDR通過測試光信號強度的突變來確定管道泄漏位置[5]。

在管道正常工作時，通過OTDR看到的后向反射曲線是一條向右端下傾的直線，其末端的強反射峰是尾纖端面發(fā)生的菲涅耳反射。當(dāng)附著光纖的管道發(fā)生滲漏時，光纖被膨脹的橡膠顆粒擠壓后呈C形或S形彎曲，會使光纖內(nèi)部產(chǎn)生較大的瑞利散射衰耗點。一般而言，遇水膨脹橡膠顆粒的大小和安裝位置應(yīng)能保證這種彎曲只會增加光纖的局部光損耗，而不會造成光纖產(chǎn)生永久性損傷。光纖的這種彎曲被稱為“光纖的宏彎曲效應(yīng)”，其傳播示意圖如圖3所示。

圖3 光纖內(nèi)光線傳播示意圖

光纖宏彎曲衰耗計算公式為[6]：

I=ACR-1/2e-UR

(1)

式中：U≈0.705△3/2/λ(2.748-0.996λ/λcf)3,λ為工作波長,λcf為截止波長,△為光纖芯-包層折射率差,△=(n1-n2)/n2，單模光纖的常規(guī)△為定值；AC≈30△1/4λ-1/2(λ/λcf)；R為宏彎曲半徑。

由式(1)可以得出，光纖的宏彎曲損耗僅與彎曲半徑、OTDR的工作波長有關(guān)。所以當(dāng)光纖出現(xiàn)宏彎曲時，可以在OTDR的后向反射曲線上形成臺階式突變。監(jiān)控室里的OTDR持續(xù)作定時或?qū)崟r掃描時，可以及時發(fā)現(xiàn)這個突然出現(xiàn)的衰耗點，并以此確定管道上的泄漏位置。故障排除后,遇水膨脹橡膠顆粒將會失水收縮并逐漸恢復(fù)原狀，光纖上的宏彎曲也將會逐漸消失并恢復(fù)原狀，這時OTDR后向反射曲線也會逐漸恢復(fù)正常[7]。

3.2 管道終端位置的泄漏檢測

在管道的端點或水龍頭出水口的側(cè)面安裝檢測網(wǎng)絡(luò)的尾纖，在安裝時應(yīng)使尾纖的端面與水龍頭內(nèi)側(cè)壁或管道端點處齊平。這樣，當(dāng)水龍頭出水時，光纖尾纖端面的空氣被水取代，水的折射率比空氣大，會導(dǎo)致反射光強突然變小。網(wǎng)絡(luò)終點尾纖的菲涅耳反射功率計算公式如下：

(2)

式中：Pin為入射功率；Pr為反射功率；n1和n2分別為光纖和空氣的折射率[8]。當(dāng)尾纖暴露在空氣中時，平整的光纖尾纖反射面對入射光的反射功率約為4%；當(dāng)光纖尾纖端面的空氣被水取代時，n1即為水的折射率，水的折射率較大導(dǎo)致了反射功率Pr的減少。因此，可以通過觀察OTDR反射曲線末端的菲涅耳反射峰的變化，檢測水龍頭是否出水。

由于以上兩種情況都會造成反射光信號強度突變，故可通過OTDR檢測光纖內(nèi)損耗變化來確定管道中間位置的泄漏并對泄漏定位；檢測網(wǎng)絡(luò)終點處尾纖的菲涅爾反射光信號強度突變，可確定管道終端是否泄漏，并對此類泄漏進行定位。

當(dāng)檢測光纖距離較短(小于10 km)時，以上兩種突變在OTDR的反射曲線中會表現(xiàn)得非常明顯[9]。如果所要測量的泄漏點距離OTDR非常遠，或者測量光纖中部的分光器較多，會導(dǎo)致光纖尾纖端面反射回來的測量信號較弱。此時，可以將尾纖改為光纖液位傳感器式的探頭，即將光纖尾纖端面改為圓錐體反射器[10]。這樣，當(dāng)檢測點無水流出時，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射并回到OTDR，使反射強度增強數(shù)十倍。而當(dāng)檢測位置有水時，由于水的折射率大于空氣，尾纖內(nèi)的全反射被破壞，會有部分光線透射入水中，使得返回到OTDR的光強度明顯減少。以上兩種方式都是在OTDR測到的返回光信號強度發(fā)生突變時，表明檢測點出水和管道漏水，并可以根據(jù)OTDR上的后向反射曲線突變的位置確定發(fā)生故障的具體位置。

另外，當(dāng)OTDR監(jiān)控的管道比較多且管道情況復(fù)雜時，可以將每條光纖在沒有發(fā)生管道泄漏時測得的后向反射曲線圖像保存起來。在檢測時，將當(dāng)前測得的后向反射曲線與以前所保存的正常后向反射曲線圖像進行比較。在以后的檢測過程中，OTDR可以通過圖像對比及時發(fā)現(xiàn)故障點的位置。在具體應(yīng)用中，光纖網(wǎng)絡(luò)中會有其他關(guān)鍵位置(如接頭、連接器、分光器等)引起后向反射曲線出現(xiàn)突變，但這些都是固定的，不會隨時間變化，很容易識別。典型OTDR軌跡圖如圖4所示。

圖4 典型OTDR軌跡圖

4 試驗驗證

為了驗證本設(shè)計方案，選取貫穿室內(nèi)、室外和地下的部分城市自來水管道進行試驗。試驗設(shè)備有OTDR(EXPO公司)、光纖熔接機(藤倉40S)、測試裸纖(G.652和G.655長度各為25 km)、尾纖、遇水膨脹橡膠、無源光纖耦合分路器、筆記本計算機等。

系統(tǒng)使用的傳感光纖是單芯、單模裸纖，型號為G.652和G.655光纖，OTDR探測器激光波長分別是1 310 nm和1 550 nm。對于架空管道，使用了兩種敷設(shè)傳感光纖的方法。一種方法是將顆粒直徑為5 mm左右的遇水膨脹橡膠間隔1 cm均勻分布于管道和光纖之間。光纖的外部用透明膠帶沿管道方向覆蓋，然后用細鐵絲固定。遇水膨脹橡膠顆粒不被完全覆蓋，以便接受水浸。另一種方法是在傳感光纖和管道之間布放一條用遇水膨脹橡膠和聚乙烯塑料制成的傳感帶。這種方法使用的遇水膨脹橡膠顆粒是直徑小于1 cm的圓柱形，并且圓柱高度方向和傳感光纖成十字型交叉，顆粒緊貼布置。

試驗時，在距離OTDR 19 km處，人為制造了一個管道泄漏點。在OTDR上能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)泄漏，并能確定泄漏位置大約位于距離測試端18.996 km處，試驗結(jié)果符合預(yù)期。

經(jīng)過多次測試、實地檢查對比，該系統(tǒng)測量誤差均在10 m以內(nèi)，符合設(shè)計理論和工程實際的要求。本系統(tǒng)的測量誤差主要來源于OTDR本身的測量誤差，減小OTDR的脈沖寬度可以提高測量精度。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)對建設(shè)規(guī)模沒有限制，能通過接駁光纖使系統(tǒng)隨供水管網(wǎng)的擴大而擴大，并通過和現(xiàn)有通信用光纖網(wǎng)絡(luò)連接來節(jié)省成本；各分測試系統(tǒng)也可通過現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)連接為一個較大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因為系統(tǒng)的核心檢測儀器是OTDR，它是一個智能化的測試儀器，能控制系統(tǒng)自動運行、對測試結(jié)果進行對比、存儲并對異?，F(xiàn)象發(fā)出警報，所以檢測系統(tǒng)所獲取的信息可以很方便地通過城市通信網(wǎng)絡(luò)無縫連接到全城乃至全國的互聯(lián)網(wǎng)。管理者可以使用各種固定和移動終端，通過通信網(wǎng)絡(luò)控制OTDR工作，實現(xiàn)遠程管理的目的。此外，隨著技術(shù)進步和各種高水平光纖傳感器成本的不斷降低，該系統(tǒng)可以在原有光纖拓撲結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，通過改變尾纖探頭、增加特種光纖以及更為先進的OTDR等方法實現(xiàn)技術(shù)升級。

基于OTDR的分布式光纖傳感器的管道泄漏檢測系統(tǒng)技術(shù)成熟、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、敷設(shè)工程量小且易于升級，是該領(lǐng)域工程實踐的理想選擇。同時，這種實用、低成本的光纖傳感系統(tǒng)，對城市供水系統(tǒng)的安全保障具有重要意義。

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Design of a Pipeline Leakage Detection System

ZHAO Chunping1,LI Zhihua2,LAI Hua2,LI Yabin3

(1.Faculty of Engineering,Dali University,Dali 671000,China; 2.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China; 3.Energy and Property Division,Kunming Institute of Physics,Kunming 650093,China)

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.

Water supply system; Detection; Sensor; Optical fiber; Optical time domain reflectometer; Energy saving

趙春平(1978—)，女，碩士，講師，主要從事自動檢測技術(shù)、儀器儀表的教學(xué)與研究。E-mail：370925515@qq.com。

TH81;TP216.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702026

修改稿收到日期：2016-08-10