电阻抗式和分布光纤式相结合的管道监测系统的制作方法

本实用新型涉及管道泄漏监测技术领域，具体涉及电阻抗式和分布光纤式相结合的管道监测系统。

背景技术：

管道运输是一种重要的方式，管道由于长期工作，质量标准低，出现了老化问题，发生泄漏的可能性非常大。现在城市化建设步伐越来越快，地铁、道路及房屋的施工建设也对供水管网存在潜在的威胁。其次，有些施工单位在施工作业过程的时候，没有按照法定的程序办理手续，误伤地下供水管网，造成管道破裂等事故。

管道的泄漏给工业生产和居民生活造成非常大的影响，管道泄漏一方面加大了管道维修、更换和输配的成本，另一方面要开挖道路、破坏配套公共设施，造成了经济损失和资源浪费。当管道出现漏损而长时间没有被发现，则会影响建筑物和路面的交通安全有时甚至会引起路面塌方，造成物质的破坏和人员伤亡。因此，对管道实施有效监测十分重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型要解决的问题是提供电阻抗式和分布光纤式相结合的管道监测系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：电阻抗式和分布光纤式相结合的管道监测系统，包括光源模块、信号采集模块、传感光缆、主控模块以及监控模块，所述光源模块用于发出激光脉冲传输至所述传感光缆，经由所述传感光缆产生反向散射光，所述反向散射光配置有光纤监测点的温度信息，所述反向散射光通过波分复用模块分离成斯托克斯光和反斯托克斯光，所述斯托克斯光和所述反斯托克斯光经由光电探测器捕获信号然后发送给所述信号采集模块，所述信号采集模块将上述信号传输至所述主控模块进行信号处理和分析，最终上传给所述监控模块对各区域管道的运行状态进行分析与监测。

在本实用新型中，优选地，所述监控模块包括主控服务器、报警装置以及显示屏，所述主控服务器用于接收来自所述主控模块处理后的信号，若光纤监测点的温度信息出现异常则向所述报警装置发送告警命令，以使所述报警装置及时执行告警操作指令，并通过所述显示屏实时显示光纤监测点的温度信息。

在本实用新型中，优选地，所述激光脉冲传输到所述传感光缆时，所述光源模块向所述信号采集模块发送同步触发信号，并通过所述主控模块依据接收所述同步触发信号与所述反向散射光的时间点的差值判断并得到所述反向散射光在所述传感光纤上的位置。

在本实用新型中，优选地，所述光电探测器和所述信号采集模块之间还设有信号转换模块，所述信号转换模块用于将所述光电探测器接收的光信号转换为电信号传输给所述信号采集模块。

在本实用新型中，优选地，所述信号转换模块包括升压模块、二极管和信号放大电路，所述升压模块用于为所述二极管提供48v反向偏压，所述二极管用于将光信号转换为电信号，所述信号放大电路用于将信号进行整形并放大。

在本实用新型中，优选地，所述信号转换模块还包括温控模块，所述温控模块用于为所述二极管提供正常工作的温度条件。

在本实用新型中，优选地，所述波分复用模块包括光发送端、光中继放大端、光接收端以及光监控信道，所述光发送端用于将来自不同终端的多路光信号分别通过光转发器转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器放大输出给光纤，所述光中继放大端用于实现对不同波长光信号的相同增益进行放大，所述光接收端用于先经由前置光放大器放大传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号，所述光监控信道用于监控系统内各信道的传输情况。

在本实用新型中，优选地，所述光电探测器采用p-n结型光检测器。

在本实用新型中，优选地，所述光源模块的波长为1550纳米。

在本实用新型中，优选地，所述波分复用模块的透射隔离度大于等于40分贝。

本实用新型具有的优点和积极效果是：通过光源模块、信号采集模块、传感光缆、主控模块和监控模块之间的相互配合，光源模块用于发出激光脉冲传输至传感光缆，经由传感光缆产生反向散射光，反向散射光配置有光纤监测点的温度信息，反向散射光通过波分复用模块分离成斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光经由光电探测器捕获信号然后发送给信号采集模块，信号采集模块将上述信号传输至主控模块进行信号处理和分析，最终上传给监控模块对各区域管道的运行状态进行分析与监测，利用管道电阻值变化对城市热力管网、工业管网进行管道泄漏监控，能够将中央监测设备监测到的信息通过无线网络上传给监控模块，并能实现实时监测以及管网泄漏点的精准定位，将监测获得的定位信息和故障点信息及时记录存储并生成分析结果，使用方便、便于维护。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的电阻抗式和分布光纤式相结合的管道监测系统的电路原理框图；

图2是本实用新型的电阻抗式和分布光纤式相结合的管道监测系统的波分复用模块的原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1和图2所示，本实用新型提供电阻抗式和分布光纤式相结合的管道监测系统，包括光源模块、信号采集模块、传感光缆、主控模块以及监控模块，光源模块用于发出激光脉冲传输至传感光缆，经由传感光缆产生反向散射光，反向散射光配置有光纤监测点的温度信息，反向散射光通过波分复用模块分离成斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光经由光电探测器捕获信号然后发送给信号采集模块，信号采集模块将上述信号传输至主控模块进行信号处理和分析，最终上传给监控模块对各区域管道的运行状态进行分析与监测。系统利用光纤中的反向拉曼散射原理，由斯托克斯光和反斯托克斯光解调出温度信息，通过光学时域反射原理能够对整条光纤进行定位，得到整条传感光纤中的温度信息。具体而言，当激光脉冲进入传感光缆时就开始计时，与此同时给信号采集模块一个同步触发信号，由于传感光缆的纤芯折射率分布是不均匀的，激光脉冲在传感光缆中向前传输的同时不断发生散射，散射信号在不同时间点被信号采集模块接收，接下来主控模块依据同步触发信号与反向散射信号的时间点差值判断并得到反向散射信号在传感光缆中的位置，经过多次采集结果进行累加平均，通过主控模块传输给监控模块进行数据分析和处理得到探测曲线，曲线能够反映光纤中各点反向散射信号的光功率大小，通过该曲线能够判断传感光缆各点是否存在断裂或衰减严重的问题，便于操作人员及时维护，将光信号射入光缆经过反向散射后再返回信号采集模块的时间记录为t，该时间光信号经过的路程记为2l，则2l＝v*t，其中，v为光在光缆中的传播速度，v＝c/n，n表示纤芯的折射率，c表示光在真空中的传播速度，也就是说，只需测量并得到反向散射光到达入射端面的时间t，即可获得定位散射点位置l，从而实现对传感光缆中故障点进行定位。

在本实施例中，进一步地，监控模块包括主控服务器、报警装置以及显示屏，主控服务器用于接收来自主控模块处理后的信号，若光纤监测点的温度信息出现异常则向报警装置发送告警命令，以使报警装置及时执行告警操作指令，并通过显示屏实时显示光纤监测点的温度信息。管道的运行状态数据利用无线技术传输到数据库，通过监控模块中的主控服务器对管道当前运行状态和管道泄漏数据进行比对分析，将分析得到的结果通过显示屏显示方便操作人员实时查看，同时主控服务器根据泄漏点的数据向报警装置发送告警命令，报警装置执行告警指令，报警装置可以采用蜂鸣器、指示灯或二者结合对管道泄漏故障点声光提示告警，以便操作人员及时发现并处理。

在本实施例中，进一步地，激光脉冲传输到传感光缆时，光源模块向信号采集模块发送同步触发信号，并通过主控模块依据接收同步触发信号与反向散射光的时间点的差值判断并得到反向散射光在传感光纤上的位置。

在解调过程中，斯托克斯光和反斯巧克斯光强度都非常弱，直接解调出的温度信息信噪比较差，影响系统性能，如果要获得高性能，必须要对数据进行信号处理，要根据信号的特性选择合适的信号处理方法，只有这样才能有效的提高系统中的信噪比。在本实施例中，进一步地，光电探测器和信号采集模块之间还设有信号转换模块，信号转换模块用于将光电探测器接收的光信号转换为电信号传输给信号采集模块。通过设置信号转换模块能够将光电探测器接收的光信号先转换为电信号，然后传输给信号采集模块，反向散射光通过波分复用模块的反斯托克斯光的信号非常微弱，因此对信号采集模块的采样精度要求相对较高，信号采集模块可采用dts高速数据采集卡用以满足对采样率的实际要求。

在本实施例中，进一步地，信号转换模块包括升压模块、二极管和信号放大电路，升压模块用于为二极管提供48v反向偏压，二极管用于将光信号转换为电信号，信号放大电路用于将信号进行整形并放大。升压模块用于确保二极管的正常工作，二极管可以采用雪崩二极管用于将光信号转换为电信号，信号放大电路用于接收微弱的电信号并对该信号进行放大。

在本实施例中，进一步地，信号转换模块还包括温控模块，温控模块用于为二极管提供正常工作所需的温度条件，用以使得二极管正常工作。

在本实施例中，进一步地，波分复用模块包括光发送端、光中继放大端、光接收端以及光监控信道，光发送端用于将来自不同终端的多路光信号分别通过光转发器转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器放大输出给光纤，光中继放大端用于实现对不同波长光信号的相同增益进行放大，光接收端用于先经由前置光放大器放大传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号，光监控信道用于监控系统内各信道的传输情况。

在本实施例中，进一步地，光电探测器采用p-n结型光检测器，p-n结型光检测器主要利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号进而提高检测的灵敏度，工作时加较大的反向偏置电压，使得其达到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致。p-n结加合适的高反向偏压，使耗尽层中光生载流子受到强电场的加速作用获得足够高的动能，它们与晶格碰撞电离产生新的电子—空穴对，这些载流子又不断引起新的碰撞电离，造成载流子的雪崩倍增，得到电流增益。

在本实施例中，进一步地，光源模块的波长为1550纳米，采用波长为1550纳米的光源模块使得从传感光缆尾部散射回的反斯托克斯光的光功率最大。

在本实施例中，进一步地，波分复用模块的透射隔离度大于等于40分贝，以使波分复用模块长期工作保持自身的稳定性。

本实用新型的工作原理和工作过程如下：通过在聚氨酯泡木层中预埋两根铜线，一根为镀锡铜线，另一根为裸铜线，通过管道电阻值变化对城市热力管网、工业管网进行管道泄漏监控，通过光源模块、信号采集模块、传感光缆、主控模块和监控模块之间的相互配合，光源模块用于发出激光脉冲传输至传感光缆，经由传感光缆产生反向散射光，反向散射光配置有光纤监测点的温度信息，反向散射光通过波分复用模块分离成斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光经由光电探测器捕获信号然后发送给信号采集模块，信号采集模块将上述信号传输至主控模块进行信号处理和分析，最终上传给监控模块对各区域管道的运行状态进行分析与监测。系统利用光纤中的反向拉曼散射原理，由斯托克斯光和反斯托克斯光解调出温度信息，通过光学时域反射原理能够对整条光纤进行定位，得到整条传感光纤中的温度信息。具体而言，当激光脉冲进入传感光缆时就开始计时，与此同时给信号采集模块一个同步触发信号，由于传感光缆的纤芯折射率分布是不均匀的，激光脉冲在传感光缆中向前传输的同时不断发生散射，散射信号在不同时间点被信号采集模块接收，接下来主控模块依据同步触发信号与反向散射信号的时间点差值判断并得到反向散射信号在传感光缆中的位置，经过多次采集结果进行累加平均，通过主控模块传输给监控模块进行数据分析和处理得到探测曲线，曲线能够反映光纤中各点反向散射信号的光功率大小，通过该曲线能够判断传感光缆各点是否存在断裂或衰减严重的问题，便于操作人员及时维护，将光信号射入光缆经过反向散射后再返回信号采集模块的时间记录为t，该时间光信号经过的路程记为2l，则2l＝v*t，其中，v为光在光缆中的传播速度，v＝c/n，n表示纤芯的折射率，c表示光在真空中的传播速度，也就是说，只需测量并得到反向散射光到达入射端面的时间t，即可获得定位散射点位置l，从而实现对传感光缆中故障点进行定位。当泄漏的自来水与光纤周围环境的温度相差1℃及以上时，分布式光纤测温系统能够辨别是否有自来水泄漏现象并且对泄漏的位置进行定位；当同时有两处或两处以上泄漏点且两泄漏点距离1米以上时，分布式测温系统能辨别出泄漏点的数量；当泄漏自来水与传感光纤的接触长度从1m增加到2m时，测温系统探测曲线波形变宽且幅值变大。根据监测输出波形的分析，制定管道泄漏警报系统，并与拉曼测温系统配套应用到管道泄漏的监测中。在功率一定的条件下，随着距离的增加，警报装置需要更大的温差才能识别出自来水管道泄漏点的位置。在同一个位置，随着光源输出平均光功率的增加，警报系统能识别出自来水管道泄漏点的位置所需要的温度降低。当自来水与传感光纤的接触长度变长，分布式光纤拉曼测温系统探测曲线的温度包幅值也随着变大，管道泄漏警报系统能够识别出水与外界介质的温度差变小，能够将中央监测设备监测到的信息通过无线网络上传给监控模块，并能实现实时监测以及管网泄漏点的精准定位，将监测获得的定位信息和故障点信息及时记录存储并生成分析结果，使用方便、便于维护。

一方面，对波分复用模块要抑制瑞利散射光的输出，另一方面要有效滤出反向散射光的斯托克斯光和反斯托克斯光，因此需要对波分复用模块的透射隔离度有一定要求，波分复用模块的透射隔离度大于等于40分贝，用以确保长期使用过程中维持自身的稳定性能，其中，波分复用模块包括光发送端、光中继放大端、光接收端以及光监控信道，光发送端用于将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器放大输出至光纤中传输，光中继放大端用于实现对不同波长光信号的相同增益放大，光接收端用于先经由前置光放大器放大镜传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号，光监控信道用于监控系统内各信道的传输情况。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。