一种管道泄漏检测系统设计

赵春平,李志华,赖 华,李亚斌

(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；3.昆明物理研究所能源物业分公司,云南 昆明 650093)

一种管道泄漏检测系统设计

赵春平1,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；3.昆明物理研究所能源物业分公司,云南 昆明 650093)

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(OTDR)的新型分布式光纤传感器网络。该网络系统主要由遇水膨胀橡胶颗粒、光纤、OTDR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，OTDR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，OTDR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，OTDR可以随技术进步不断升级。

供水系统； 检测； 传感器； 光纤； 光时域反射仪； 节能降耗

0 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]。

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。

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。在检测光纤网络终端的光时域反射仪(optical time-domain 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。

1 分布式传感器理论

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)、喇曼(Raman)、布里渊(Brillion)等效应产生背向散射光的变化进行测量,其特点是OTDR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]。OTDR接收到的各种散射信号强度如图1所示。

图1 各种散射信号强度示意图

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]。OTDR发射的检测光信号在尾纤端面的菲涅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涅尔反射信号更适合用OTDR测量。本系统利用OTDR测量光纤的宏弯曲产生的瑞利散射光信号强度突变，以及尾纤端面的菲涅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。

2 检测系统的组成结构

检测系统中，传感光纤沿着检测范围内的自来水管道布放，通过分歧点的光纤耦合分路器形成与自来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。

图2 系统组成结构示意图

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，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，OTDR通过测试光信号强度的突变来确定管道泄漏位置[5]。

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涅耳反射。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。

图3 光纤内光线传播示意图

光纤宏弯曲衰耗计算公式为[6]：

I=ACR-1/2e-UR

(1)

式中：U≈0.705△3/2/λ(2.748-0.996λ/λcf)3,λ为工作波长,λcf为截止波长,△为光纤芯-包层折射率差,△=(n1-n2)/n2，单模光纤的常规△为定值；AC≈30△1/4λ-1/2(λ/λcf)；R为宏弯曲半径。

由式(1)可以得出，光纤的宏弯曲损耗仅与弯曲半径、OTDR的工作波长有关。所以当光纤出现宏弯曲时，可以在OTDR的后向反射曲线上形成台阶式突变。监控室里的OTDR持续作定时或实时扫描时，可以及时发现这个突然出现的衰耗点，并以此确定管道上的泄漏位置。故障排除后,遇水膨胀橡胶颗粒将会失水收缩并逐渐恢复原状，光纤上的宏弯曲也将会逐渐消失并恢复原状，这时OTDR后向反射曲线也会逐渐恢复正常[7]。

3.2 管道终端位置的泄漏检测

在管道的端点或水龙头出水口的侧面安装检测网络的尾纤，在安装时应使尾纤的端面与水龙头内侧壁或管道端点处齐平。这样，当水龙头出水时，光纤尾纤端面的空气被水取代，水的折射率比空气大，会导致反射光强突然变小。网络终点尾纤的菲涅耳反射功率计算公式如下：

(2)

式中：Pin为入射功率；Pr为反射功率；n1和n2分别为光纤和空气的折射率[8]。当尾纤暴露在空气中时，平整的光纤尾纤反射面对入射光的反射功率约为4%；当光纤尾纤端面的空气被水取代时，n1即为水的折射率，水的折射率较大导致了反射功率Pr的减少。因此，可以通过观察OTDR反射曲线末端的菲涅耳反射峰的变化，检测水龙头是否出水。

由于以上两种情况都会造成反射光信号强度突变，故可通过OTDR检测光纤内损耗变化来确定管道中间位置的泄漏并对泄漏定位；检测网络终点处尾纤的菲涅尔反射光信号强度突变，可确定管道终端是否泄漏，并对此类泄漏进行定位。

当检测光纤距离较短(小于10 km)时，以上两种突变在OTDR的反射曲线中会表现得非常明显[9]。如果所要测量的泄漏点距离OTDR非常远，或者测量光纤中部的分光器较多，会导致光纤尾纤端面反射回来的测量信号较弱。此时，可以将尾纤改为光纤液位传感器式的探头，即将光纤尾纤端面改为圆锥体反射器[10]。这样，当检测点无水流出时，光线在圆锥体内发生全内反射并回到OTDR，使反射强度增强数十倍。而当检测位置有水时，由于水的折射率大于空气，尾纤内的全反射被破坏，会有部分光线透射入水中，使得返回到OTDR的光强度明显减少。以上两种方式都是在OTDR测到的返回光信号强度发生突变时，表明检测点出水和管道漏水，并可以根据OTDR上的后向反射曲线突变的位置确定发生故障的具体位置。

另外，当OTDR监控的管道比较多且管道情况复杂时，可以将每条光纤在没有发生管道泄漏时测得的后向反射曲线图像保存起来。在检测时，将当前测得的后向反射曲线与以前所保存的正常后向反射曲线图像进行比较。在以后的检测过程中，OTDR可以通过图像对比及时发现故障点的位置。在具体应用中，光纤网络中会有其他关键位置(如接头、连接器、分光器等)引起后向反射曲线出现突变，但这些都是固定的，不会随时间变化，很容易识别。典型OTDR轨迹图如图4所示。

图4 典型OTDR轨迹图

4 试验验证

为了验证本设计方案，选取贯穿室内、室外和地下的部分城市自来水管道进行试验。试验设备有OTDR(EXPO公司)、光纤熔接机(藤仓40S)、测试裸纤(G.652和G.655长度各为25 km)、尾纤、遇水膨胀橡胶、无源光纤耦合分路器、笔记本计算机等。

系统使用的传感光纤是单芯、单模裸纤，型号为G.652和G.655光纤，OTDR探测器激光波长分别是1 310 nm和1 550 nm。对于架空管道，使用了两种敷设传感光纤的方法。一种方法是将颗粒直径为5 mm左右的遇水膨胀橡胶间隔1 cm均匀分布于管道和光纤之间。光纤的外部用透明胶带沿管道方向覆盖，然后用细铁丝固定。遇水膨胀橡胶颗粒不被完全覆盖，以便接受水浸。另一种方法是在传感光纤和管道之间布放一条用遇水膨胀橡胶和聚乙烯塑料制成的传感带。这种方法使用的遇水膨胀橡胶颗粒是直径小于1 cm的圆柱形，并且圆柱高度方向和传感光纤成十字型交叉，颗粒紧贴布置。

试验时，在距离OTDR 19 km处，人为制造了一个管道泄漏点。在OTDR上能准确地发现泄漏，并能确定泄漏位置大约位于距离测试端18.996 km处，试验结果符合预期。

经过多次测试、实地检查对比，该系统测量误差均在10 m以内，符合设计理论和工程实际的要求。本系统的测量误差主要来源于OTDR本身的测量误差，减小OTDR的脉冲宽度可以提高测量精度。

5 结束语

本系统对建设规模没有限制，能通过接驳光纤使系统随供水管网的扩大而扩大，并通过和现有通信用光纤网络连接来节省成本；各分测试系统也可通过现有的光网络连接为一个较大的网络系统。因为系统的核心检测仪器是OTDR，它是一个智能化的测试仪器，能控制系统自动运行、对测试结果进行对比、存储并对异常现象发出警报，所以检测系统所获取的信息可以很方便地通过城市通信网络无缝连接到全城乃至全国的互联网。管理者可以使用各种固定和移动终端，通过通信网络控制OTDR工作，实现远程管理的目的。此外，随着技术进步和各种高水平光纤传感器成本的不断降低，该系统可以在原有光纤拓扑结构不变的基础上，通过改变尾纤探头、增加特种光纤以及更为先进的OTDR等方法实现技术升级。

基于OTDR的分布式光纤传感器的管道泄漏检测系统技术成熟、成本低廉、结构简单、敷设工程量小且易于升级，是该领域工程实践的理想选择。同时，这种实用、低成本的光纤传感系统，对城市供水系统的安全保障具有重要意义。

[1] 李忠虎，郑欣欣.供水管道泄漏定位检测系统设计[J].制造业自动化，2015，37(14)：54-55，63.

[2] 王友钊,黄静.光纤传感技术[M].西安：西安电子科技大学出版社,2015.

[3] 张小栋，谢思莹，牛杭，等.光纤动态检测技术的研究与进展[J].振动、测试与诊断，2015，35(3)：409-416，585.

[4] 张小丽，陈乐，孙坚，等.一种分布式光纤温度传感器的校准方法[J].自动化仪表，2011，32(12)：32-35.

[5] 张富斌.分布式光纤油气长输管道泄漏检测及预警技术 [J].石化技术，2015(3):36.

[6] 薛梦驰.光纤弯曲损耗的研究与测试[J].电信科学,2009,25(7):57-62.

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[8] 李川.光纤传感技术[M].北京：科学出版社,2012.

[9] 周院芳，万保安，熊茂东.高速公路软基智能信息化监测技术[M].北京：冶金工业出版社,2013.

[10]祝宁华.光纤光学前沿[M].北京：科学出版社,2011.

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

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-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