基於光纖拉曼溫度傳感器的自來水管洩漏檢測實驗平臺的製作方法

2024-03-21 01:42:05

本發明屬於無損檢測領域，尤其涉及一種基於光纖拉曼溫度傳感器的自來水管洩漏檢測實驗平臺。

背景技術：

目前，城市自來水管道縱橫交錯，水管道洩漏事件也時常發生，對於城市水循環系統來說，水管的洩漏經常會給人們的生活帶來很大的不便，水管的在線監測和檢測也一直以來都受到人們的重視，在水管洩漏事件中，由於管道之間連接處出現常年失修、損耗等所造成的洩漏事件也時常發生，如果能實現對水管道連接處或者水管易損處實施檢測和在線監測，這樣一旦發生水管洩漏便可以及時做出應對措施，防微杜漸，減少水管洩漏給人們生活帶來的不便，因此本發明基於分布式光纖拉曼溫度傳感器提供了一種可以對水管洩漏實施在線監測和檢測的裝置，對於分布式光纖拉曼溫度傳感器的應用和發展具有重要的意義。隨著分布式光纖拉曼溫度傳感器技術的進一步發展和改進，分布式光纖拉曼溫度傳感器檢測的測溫誤差和空間解析度都已經達到很高的的精度，由於分布式光纖傳感器具有體積小、可嵌入、外形可變、重量輕、成本低、不導電、耐高壓、能在有害的環境中安全運行、反應快、抗腐蝕等特性，目前國內外已有各種類型的分布式光纖傳感器產品應用於電網、鐵路、橋梁等，然而由於水管的洩漏所引起的周圍溫度環境變化並不很明顯，因此對於水管道檢測與在線監測來說基於分布式光纖拉曼溫度傳感器的一系列產品還不能直接應用與水管道的洩漏檢測與在線監測，所以如果能將水洩漏的溫度信號進一步放大這將為分布式光纖溫度傳感器應用於水管道的檢測和在線監測中具有重要意義。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種基於光纖拉曼溫度傳感器的自來水管洩漏檢測實驗平臺。

為實現本發明的目的，採用以下技術方案予以實現：一種基於光纖拉曼溫度傳感器的自來水管洩漏檢測實驗平臺，它用於解決水管洩漏的檢測和在線監測問題，包括水循環系統、信號放大系統和光纖拉曼溫度傳感器；

水循環系統包括儲水缸、動力裝置和檢測管道，該儲水缸與動力裝置通過第一連接管連接，該動力裝置與檢測管道通過第二連接管連接，該檢測管道與儲水缸通過排水管連接；

信號放大系統包括覆蓋在檢測管道檢測部位的轉換層，以及包覆在轉換層外部的隔離層，在該隔離層的外部還設置有環境模擬箱，該轉換層在近地面的一側為反應層，該反應層的內側不漏水，外側可以滲水；

光纖拉曼溫度傳感器包括：雷射發射端，與雷射發射端相連的雙向耦合器，該雙向耦合器與定標光纖一端相連，該定標光纖的另一端連接檢測光纖，該檢測光纖的末端設置有法拉第旋轉鏡裝置，同時，雙向耦合器與光波分復用器相連，該光波分復用器與信號處理器相連接，該信號處理器與顯示器相連；檢測光纖緊貼反應層的內側。

進一步地，所述第一連接管上設置有流速調節閥，所述檢測管道的兩端分別設置有第一連接法蘭和第二連接法蘭，所述檢測管道上設置有可調節的氣孔閥。

進一步地，所述反應層的外側與所述隔離層的底端設定至少1釐米的距離。

進一步地，所述隔離層外部設置的環境模擬箱頂蓋可拆卸。

進一步地，所述檢測光纖既是傳輸光纖也是傳感光纖。

本發明的有益效果是：

1、由於本發明由水缸、動力裝置構成了水循環系統，這樣便可以為模擬檢測水管道洩漏的實驗在實驗室環境下進行創造了條件；

2、由於本發明在檢測管道外布置了轉換層，同時該轉換層的底部設置了反應層，該反應層採用的是特殊介質製成，該特殊介質遇到檢測管道內部液體時會散發大量熱量從而引起周圍環境迅速升溫，這樣當檢測管道內的液體洩漏時就會導致該轉換層釋放大量熱量，引起檢測光纖周圍的溫度場發生顯著變化，由於溫度場的變化會調製光纖在拉曼散射的強度，將液體洩漏信號轉化成明顯的溫度變化信號，這就為檢測提供了很大便利；

3、本發明中所述的轉換層在設置時近地面的一側設置了反應層，該反應層的內側採用不漏水材料製成，該反應層的外側採用可以滲水的材料製成，且該反應層的外側與隔離層的底端設定了至少1釐米的距離，且所述的檢測光纖設置在緊貼上述反應層的內側；

由於在轉換層上設置的反應層設置在近地面一側，無論水管哪一側漏水，由於重力原理都會流至底部與反應層進一步反應；這樣只需布置一根檢測光纖便可以準確檢測出洩漏問題；

由於該反應層的內側不漏水，即使水管道壁由於環境原因(例：夏季空氣遇冷水管導致有水珠附在其表面也不會引起反應層的溫度發生變化，減少了誤判的情況發生；

由於該反應層的外側與上述隔離層的底端設定了至少1釐米的距離，這樣只有當水管的發生洩漏時導致隔離層內底部的水面高度超過該隔離層底端1釐米時才會使得反應層的介質遇水反應發生溫度變化，提高了檢測的準確性；

4、由於在檢測管道外側包裹著上述轉換層和光纖溫度傳感器的隔離層，這就可以防止外界液體滲入帶來的影響，為光纖溫度傳感器採集到的數據的準確性創造了條件；

5、由於在上述隔離層外部還設置了可拆卸的環境模擬箱，這樣便為實驗模擬管道外壁環境創造了條件；同時由於在檢測管道外設置了氣孔閥，不僅可以模仿水管較大流量的洩漏環境，也可調節氣孔閥模仿水管較小流量的滲透環境。

這些對於進一步設計水管洩漏報警系統和改進光纖拉曼溫度傳感器具有重要意義，並為光纖拉曼溫度傳感器的應用創造了條件。

附圖說明

圖1是本發明結構示意圖。

圖2是本發明的檢測系統示意圖。

圖中，1、儲水缸；2、第一連接管；3、流速調節閥；4、動力裝置；5、第二連接管；6、第一連接法蘭；7、環境模擬箱；8、隔離層；9、轉換層；10、氣孔閥；11、反應層；12、定標光纖；13、檢測光纖；14、法拉第旋轉鏡；15、雷射發射端；16、雙向耦合器；17、光波分復用器；18、信號處理器；19、顯示器；20、第二連接法蘭；21、排水管；p、檢測管道。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明提供的一種基於光纖拉曼溫度傳感器的自來水管洩漏檢測實驗平臺，包括水循環系統、信號放大系統和光纖拉曼溫度傳感器；

水循環系統包括儲水缸1、動力裝置4和檢測管道p，以及連接該儲水缸1與動力裝置4的第一連接管2，連接動力裝置4與檢測管道p的第二連接管5，連接檢測管道p與儲水缸1的排水管21。

所述的儲水缸1採用玻璃製成長100釐米、寬50釐米、高50釐米、厚度為1釐米的無蓋立方體儲水缸，動力裝置4採用微型水泵(12v)代替，第一連接管2、第二連接管5、檢測管道p和排水管21的尺寸以及在儲水缸1設置的出水洞孔的孔徑大小根據選用的小型水泵的型號定製，這些對於該技術領域人員並不難，在此不在加以贅述。

信號放大系統包括覆蓋在檢測管道p檢測部位的轉換層9(該轉換層9採用塑性材料製成)，以及包覆在轉換層9外部的隔離層8，在該隔離層8的外部還設置了環境模擬箱7，所述的轉換層9在設置時近地面的一側設置了反應層11，該反應層11的內側採用不漏水的塑料材料製成，該反應層11的外側採用可以滲水的纖維材料製成，且該反應層11的外側與上述隔離層8的底端設定了至少1釐米的距離。

光纖拉曼溫度傳感器包括：雷射發射端15，與雷射發射端15相連的雙向耦合器16，該雙向耦合器16與定標光纖12一端相連，該定標光纖12的另一端連接檢測光纖13，該檢測光纖13的末端設置有法拉第旋轉鏡裝置14，同時，上述雙向耦合器16與光波分復用器17相連，該光波分復用器17與信號處理器18相連接，該信號處理器18與顯示器19相連。

所述的檢測光纖13設置在緊貼上述反應層11的內側，檢測光纖13既是傳輸光纖也是傳感光纖。

在上述的第一連接管5上設置有流速調節閥3，在上述檢測管道p的兩端分別設置了第一連接法蘭6和第二連接法蘭20，所述的檢測管道p上設置有可調節的氣孔閥10。

在上述隔離層8的外部所設置的環境模擬箱7其頂蓋為可拆卸的。

所述的檢測光纖14設置在緊貼上述反應層11的內側，該反應層11內為碳酸鈣質量佔比為百分之九十(或者在不影響光纖正常檢測的前提下選取其它適當的質量佔比)的石灰石或者將市場銷售的小蘇打平鋪置於反應層11內。

雷射發射端15由驅動電源、電子開關、主雷射器、副雷射器組成，主雷射器和副雷射器與第一合波器的輸入端相連，第一合波器的輸出端接到雙向耦合器16的輸入端上；該雙向耦合器16的輸出端連接光波分復用器17，該光波分復用器17有三個輸出埠，第一個輸出埠為拉曼散射的中心波長輸出埠，第二個輸出埠為主雷射器波長的光纖背向瑞利散射波輸出埠，第三個輸出埠為副雷射波長的光纖背向瑞利散射波輸出埠，光纖波分復用器17的第一個輸出埠與直接檢測系統的一個輸入端相連接，光纖波分復用器17的第二個輸出埠和第三個輸出埠分別與第二合波器的兩個輸入端相連，第二合波器的輸出端與直接檢測系統的另一個輸入端相連，直接檢測系統的輸出端與信號採集處理系統的輸入端相連，由直接檢測系統與信號採集處理系統構成的信號處理器18經過分析處理後給出光纖各段的溫度值由顯示器顯示。

光纖檢測實驗定位原理：

當驅動電源驅動光纖開關時分交替輸出同一波段主雷射器的光纖背向反斯託克斯拉曼散射波(波長1550nm、脈寬10ns)與副雷射器的光纖斯託克斯拉曼散射波(波長1450nm、脈寬10ns)通過第一合波器傳至雙向耦合器16，當光信號在檢測光纖傳播遇到法拉第旋轉鏡14後，光信號回傳至雙向耦合器16，由該雙向耦合器16將光信號傳送給光波分復用器17，該光波分復用器17有三個輸出埠，第一個輸出埠為拉曼散射的中心波長輸出埠，第二個輸出埠為主雷射器波長的光纖背向瑞利散射波輸出埠，第三個輸出埠為副雷射波長的光纖背向瑞利散射波輸出埠，光纖波分復用器17的第一個輸出埠與直接檢測系統的一個輸入端相連接，光纖波分復用器17的第二個輸出埠和第三個輸出埠分別與第二合波器的兩個輸入端相連，第二合波器的輸出端與直接檢測系統的另一個輸入端相連，直接檢測系統的輸出端與信號採集處理系統的輸入端相連，信號採集處理系統分別扣除單程主雷射器波長和副雷射器波長的背向瑞利散射光時域反射的影響，採用同一波段單程的雷射器的光纖背向反斯託克斯拉曼散射波與副雷射器的光纖斯託克斯拉曼散射筆光時域反射曲線的強度比，得到光纖各段的溫度信息，並由顯示器顯示。

本實驗裝置的檢測方法如下：

首先對雷射發射端15供電，根據顯示器19顯示的曲線變化檢測裝置是否處於正常狀態(狀態正常則繼續下一步，否則進行調節)；

其次關閉氣孔閥10並啟動水循環系統：調節流速閥3對儲水缸1灌入適量的水，打開動力裝置4，使得水循環系統在實驗室環境下開始運行；

最後調節氣孔閥10，使得處於水循環系統之中的檢測管道p緩慢滲透，通過所測位置與定標光纖的溫度對比經過理論計算得到溫度與拉曼散射強度比的關係，通過後續處理得到滲透處的溫度數據變化曲線；

重複上述實驗，調節氣孔閥10，使得檢測管道p呈現不同程度的洩漏狀態，觀察實驗得到的溫度變化。由於水管滲透需要一定時間，且由於光纖拉曼溫度傳感器的測溫過程每個周期幾秒到幾十秒不等，所以需要反覆測量。

通過實驗測得的洩漏距離與實際距離進行對比分析實驗的準確性，從而驗證本裝置對檢測水管道洩漏的作用，對於進一步設計水管洩漏報警系統和改進光纖拉曼溫度傳感器具有重要意義。

由於光纖價格低廉，使用壽命長，所以本發明的研究對於城市水管道的洩漏檢測與在線監測不僅具有研究意義更具有很高的經濟價值，對於將本發明應用於水管連接處、水管易漏處等，將本發明的信號放大系統反覆設置等均屬於本發明的保護範圍。