基于分布式光纤测温的水管泄漏检测与定位

赵 亚,王 强,宋俊俊,范昕炜,谷小红

(1.中国计量大学质量与安全工程学院,浙江 杭州 310018；2.中国计量大学机电工程学院,浙江 杭州 310018)

1 引 言

自来水管道在城市管网系统中占有极其重要的地位,一旦管道发生泄漏,不仅造成水资源的浪费,还严重影响城市交通、卫生以及居民的生活等。传统的水管道泄漏检测方法有水平衡调查法、听音法和相关检漏法[1-3]等；袁荣华[4]等人利用管道泄漏时产生的负压波,提出了基于负压波结构模式识别的改进型供水管网泄漏检测定位方法；张树风[5]等通过分析水泄漏可能引起的介质异常特征,采用探地雷达探测地下自来水管道的泄漏位置。但是,在实际检测中,受管道材质和环境因素的影响,这些方法仅适用于短距离管道区域性泄漏检测,无法对长距离水管道进行实时监测,而且传统的声学设备不适用于非金属管道和大口径管道的静态泄漏,它们的有效性在很大程度上依赖于使用者的经验,并且检漏过程比较耗时。因此,利用传统检测方法检测面临较多问题。

近年来,随着光纤传感技术的发展,分布式光纤测温系统应用较为广泛。其中,R R.Lombera[6]等提出利用布里渊散射原理的分布式光纤测温系统对大口径水管进行泄漏检测；戴国华[7]等设计了适用于海底管道的光纤传感安全监测系统,进行了管道泄漏检测试验；A.Mirzaei[8]等人利用地下输油管道漏油时引起周围环境温度发生的变化,采用基于拉曼散射原理和布里渊散射原理的分布式光纤测温系统进行输油管道的泄漏检测定位；王友松[9]等利用光纤后向拉曼散射温度效应和光时域反射技术,对矿井排水管道泄漏监测预警系统进行研究。考虑到城市供水管道在传统检测中遇到的问题,以及分布式光纤测温系统在管道泄漏检测方面的优越性,提出将基于拉曼散射原理的分布式光纤测温系统应用于长距离自来水管道的在线检测和泄漏定位。

本文首先搭建了基于分布式光纤测温的自来水管道泄漏实验平台,通过实验分析了检测系统的温度分辨率和自来水管道发生泄漏时泄漏点处温度的变化情况,再选取长200 m和700 m的传感光纤,利用该系统对自来水管道进行泄漏检测与定位实验,并对检测信号进行小波变换分析处理,最后统计了水管泄漏检测系统的漏警率。

2 分布式光纤测量系统

2.1 系统组成

如图1所示,该基于拉曼散射和光时域反射技术相结合的分布式光纤传感检测系统主要由激光器、波分复用器、微弱信号探测器、传感光纤和数据采集模块构成[10]。

图1 分布式光纤传感检测系统组成

2.2 检测原理和定位方法

激光器发出的光沿着光纤传播时,会产生三种不同的后向散射光,分别为拉曼散射光、布里渊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光强大于Stokes光强,且对温度更加敏感,因此,利用这一性质,通过测量拉曼散射光的变化来检测外界的温度变化[11]。

光沿着光纤进行传播时,在距离入射端为L的位置,Stokes光子数为[12]:

(1)

Anti-Stokes光子数为：

(kT)]}-1

(2)

式(1)、(2)中,Ks,Ka为与光纤散射截面有关的系数；υa,υs为对应的光子频率；S为光纤的背向散射因子；Nε为光纤入射端的激光光子数；α0,αs,αa分别为入射光、Stokes光和Anti-Stokes光的损耗系数；h表示普朗克常数,h=6.626×10-34J·s；Δυ为光纤中分子振动频率,Δυ=1.32×1013Hz；k为玻尔兹曼常量,k=1.380×10-23J·K-1；T为距离L处的热力学温度。

用Stokes散射光时域反射曲线解调Anti-Stokes散射光时域反射曲线[12]:

(3)

当T=T0时(T0为已知起始温度),式(3)可表示为:

(4)

式(3)除以式(4)可得:

(5)

式(5)可以计算出光纤任意点处的温度值。

2.3 系统温度分辨率

当自来水管道发生泄漏时,泄漏点处温度发生变化,检测系统可通过感知该点温度变化情况来判别管道是否发生泄漏。温度分辨率[13]是指测量系统所能感知的最小温度变化,也是系统对测量信号变化的灵敏度反应。根据测量仪器第一分辨率准则:分辨率是6σ标准偏差的十分之一,则该系统温度分辨率(σT)可表示为[13]:

(6)

2.4 系统漏警率

实际应用中自来水管道所处环境较为复杂,在进行泄漏检测时,复杂的环境会对管道检测带来一定的影响,导致检测系统出现有泄漏判为无泄漏的现象,这种现象称为漏警。系统漏警率(MAR)可表示为[14]:

(7)

式中,NMA为检测漏警次数；NM为真实泄漏次数。

3 实验与分析

3.1 实验装置和条件

本实验采用如图1所示的光纤测量系统,在环境温度为22.0～23.3 ℃的实验室内进行自来水管道泄漏检测和定位实验。采用外径110 mm,壁厚10 mm,长1.2 m,泄漏孔直径4 mm的PE管道；流量4 m3/h,转速2860 r/min的单相自吸水泵；传感光纤选用200 m和700 m长的多模光纤,布放在距离泄漏孔5 mm的实验管道上,通过DTS分布式光纤测温系统进行温度监测。实验装置如图2所示。

图2 分布式光纤自来水管道泄漏检测装置

3.2 泄漏检测和定位分析

以长200 m和700 m测量光纤为例来分析系统的温度分辨率,用测温仪测得布有200 m光纤的管壁某处平均温度为23.7 ℃,再利用分布式光纤测温系统测量该处不同时刻的温度值,分别为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)可算出系统温度分辨率为0.53 ℃,以同样的方法测得光纤长700 m时系统温度分辨率为0.56 ℃。因此,利用长200 m和700 m的传感光纤进行自来水管道泄漏实验时,如果泄漏区域温差在0.53 ℃以上,则该检测系统能够准确识别泄漏情况并进行泄漏定位。

针对自来水管道发生泄漏时泄漏区域温差情况进行实验分析,用测温仪测得室温为23.2 ℃,当管道发生泄漏时,测得10组环境温度和泄漏点温度的值,统计如图3所示。

图3 自来水管道泄漏点处温差情况

从图3中可以看出,当自来水管道发生泄漏时,由于水的流动导致周围介质温度发生变化,测得的泄漏区域温差在0.6～2.6 ℃之间,且随着泄漏时间的增长,温差逐渐变大。因此,可以利用DTS分布式光纤测温系统来监测自来水管道的温度情况,通过温度的变化来判别管道有无泄漏发生。

在实验室环境下利用长200 m和700 m的传感光纤进行自来水管道泄漏定位实验,分别每5 min读取一组测量数据,选其中两组测试结果如图4所示。

图4 自来水管道泄漏检测结果

图4(a)、(c)为采集到的泄漏检测信号,可知,由于泄漏处液体的流动导致周围介质温度发生变化,使得检测信号存在波谷,该波谷所对应的位置即为管道的泄漏位置,但是由于大量噪声干扰,导致波谷识别较为困难。因此,需要对检测信号进行小波变换[15]处理,提高泄漏位置的辨识性。图4(b)、(d)为利用sym5小波,对检测信号进行5层分解处理之后的结果,与(a)、(c)相比,小波变换处理后的信噪比有了较大的提高,因而有效提高了温度变化波谷的辨识性。

用测温仪测得环境温度为23.2 ℃,管道泄漏点21.8 ℃；采用该DTS分布式光纤测温系统检测得到的泄漏点最低温度为20.01 ℃,泄漏导致的温降范围在169.8～170.9 m,真实泄漏位置为170 m,系统定位误差≤1 m。

3.3 漏警率分析

为统计系统漏警率,本实验对长200 m和700 m 的传感光纤分别在10个不同时刻的40组数据进行分析,漏警率统计情况如图5所示。从图5中可以看出,利用该测温系统对自来水管道进行泄漏检测时,漏警率在16%～18%,采用小波变化处理后,得到漏警率在6%～9%。

图5 系统漏警率对比分析

4 结 论

考虑到水管道泄漏时液体流动会引起周围介质温度发生变化,提出采用分布式光纤测温系统对自来水管道进行泄漏检测。实验得到该系统200 m、700 m测量光纤下温度分辨率分别为0.53 ℃和0.56 ℃,水管道泄漏温差在0.6～2.6 ℃。选取长200 m和700 m的传感光纤进行泄漏检测和定位实验,并对检测信号进行小波变换处理。实验结果表明,基于拉曼散射和光时域反射技术相结合的分布式光纤测温系统在自来水管道的泄漏检测中运行稳定,定位精度较高,系统漏警率在6%～9%。