基于光纤光栅温度传感技术的面板坝渗漏监测系统
光纤光栅传感技术在地下水位监测中的应用
光纤光栅传感技术在地下水位监测中的应用地下水位监测是地质勘探、水文学研究和水资源管理中不可或缺的一项工作。
传统的地下水位监测手段主要采用水准点测量和孔隙水压力计测量，但这些方法存在着操作不便、数据稳定性差、成本高等缺点。
随着科技的不断进步，光纤光栅传感技术被应用于地下水位监测中，具有了传感范围广、精度高、反应迅速和自动化程度高等优势，因此受到了广泛关注。
一、光纤光栅传感技术简介光纤光栅传感技术是一种基于光学原理的物理传感技术，利用光纤经过高温等环境后所产生的光致折射率的变化来测量所监测的环境因素。
光纤光栅传感技术具有高灵敏度、高分辨率、高可靠性等特点，在各个领域中都得到了广泛的应用。
其应用的核心是通过对光纤的拉伸、弯曲或其他形变，来测量环境中可能产生的压力、温度和应力等变化。
二、光纤光栅传感技术在地下水位监测中的应用，是通过在地下水位监测井中铺设光纤光栅，然后根据光纤拉伸、弯曲等变化，来实时监测并记录地下水位的变化。
这一技术的应用周期长，且可以自动化记录数据，对于地下水位的长期监测非常适用。
以珠江三角洲区域地下水位监测为例，研究人员采用光纤光栅传感技术对该地区的地下水位进行连续监测。
他们在地下水井的钢管内部和外部各铺设了一根光纤光栅，每天定时读取地下水位的变化。
监测结果显示，该地区的地下水位变化系数较大，但是光纤光栅传感技术可以稳定地记录地下水位的变化，实时监测到地下水位的变化情况，对研究该地区的地下水位变化规律并制定措施具有积极意义。
除了珠江三角洲区域的研究，光纤光栅传感技术在广泛的地下水位监测中也得到了应用。
进一步地，研究人员还将光纤光栅传感技术与无人机技术相结合，实现了对地下水位的实时监测和控制。
无人机搭载可自主感知的光纤光栅传感器，可以在空中实时监测地下水位，随时掌握地下水位的变化情况，为水资源的管理提供了新的思路。
三、结语随着近年来的科技飞速发展，地下水位监测的传递从传统手段向更为先进的技术手段转变。
光纤光栅传感技术在煤矿安全监测系统中的应用
光纤光栅传感技术在煤矿安全监测系统中的应用摘要：煤矿安全生产关系到人民群众的生命和财产安全。
通过利用光纤光栅传感技术对进行煤矿安全管理系统实时监测监控系统具有重要的意义。
本文详细探讨了光纤光栅传感技术在煤矿安全监测系统中的应用，旨在保证煤矿企业的安全办生产。
关键词：光纤光栅传感技术；煤矿；安全监测系统；应用对煤矿潜在的安全隐患进行监测是煤矿安全生产的重要保障手段。
目前我国煤矿安全监测仍是以传统电子、机械方式为主，部分甚至还是靠人工观测信号。
传统电子传感技术在煤矿应用中存在以下问题：① 分布式现场供电难，信号传输难，信号易受干扰；② 系统复杂，每个传感器都配置现场仪表，现场仪表种类繁多；③ 电子器件抗潮湿、腐蚀能力差，使用有效期短，维护费用较高。
基于光纤光栅原理制造的传感器通过测量光的波长来测量外界物理量，具有对恶劣环境适应性强、抗电磁干扰能力强、精度高、灵敏度高、易于传输、无源本质安全、准分布式测量等优点。
光纤光栅优越的内在特性使得传感器在煤矿井下的恶劣环境下能够稳定工作。
因此，将光纤光栅传感技术引入煤矿安全监测中具有重要的意义。
1光纤光栅传感技术概述光纤光栅传感系统使用光纤作为测量元件和信号传输介质，为提高光纤对温度、应力的敏感程度及准确定位能力，采用国际最先进的光纤局部加工技术，在普通单模光纤上制作一系列的温度敏感区——光纤光栅，这些敏感区可以精确、灵敏地探测到周围温度的细微变化，而光纤的其他部分只是用于信号传输，对机械应力和环境干扰不敏感，从而保证整个光纤光栅传感系统的高灵敏性和可靠性。
光纤光栅传感系统主要由光纤光栅温度传感器、应变传感器、位移传感器、压力传感器（渗压计、土压计）、光纤传感分析仪以及信号传输光缆等几部分组成。
其基本原理是利用光纤光栅传感器内部敏感元件——光纤光栅反射的光学频谱对温度和应力变形的敏感特性，通过光纤光栅传感网络分析仪内部各功能模块完成对光纤光栅传感器的输入光源激励/输出光学频谱分析和物理量换算，以数字方式给出各监测点的物理量测量值，并根据预先设定的数据采集、存储、处理机制和通信程式把信息汇集到桥梁、隧道、水利、石化、电力管理系统。
基于光纤光栅的机械设备温度监测系统研究
丁 辉
（ 番 禺珠 江钢 管 （ 连 云港 ） 有 限公司 ， 江苏 连云港 ２ ２ ２ ０ ０ ６ ）
摘
要： 设 计 了一种 基 于光纤 光栅 的机 械设 备温度 监测 系统 ， 并进 行 了测试 ， 结果 表 明 ， 该系 统具有 较 高的实 用性 。
（ １ ）
２
位机 ， 实 现 机 械设 备 温 度 的实 时 监 测 。 当 温度 偏 高 且 高 于 经 验
式中， 为光纤 布拉格光栅的反射光 中心波长 ； ｎ ｅ ｆ ｆ 为纤芯 的有
效折射率 ； 以 为 光栅 的栅 格 周 期 。
值时， 系统就会发 出报警 信息 ， 告警技 术人员 及时发 现温 度超 高 的故障点 ， 及 时排除故障 ， 保证机械设备 的顺利运行 。
光纤布拉格 （ Ｂ ｒ ａ ｇ ｇ ） 光 栅 最 基 本 的作 用 是 对 轴 向应 变 和 温 度 的
传感 。
光 纤 光 栅 的 中心 波 长 满 足 如 下 条 件 ：
一
长与温度 的对应关系 ， 微控制器计算 出当前各点光纤光 栅温度 传感器 的温度 ， 将其显示到液 晶显示屏上 并通过总线传 输给上
监测 。（ ５ ） 监测 系统 的可靠性高 ， 满足现场复杂工况 的需要 ， 能 够稳定而有效地工作 。
机械设备运行正 常与否 的一个 重要参 数 。当机 械设备 出现 故 障时 ， 往往在故障部位会 伴 随着高温 现象 ， 从而 产生破 坏性 的
影响 。温度参数作为机械故障诊 断的指标 简单 明了， 可 以帮助
＋ 悃 园
藏 带 光 环 形器 ／
匡
处理 器 系统 上位 机
基于光纤光栅传感技术的温度测量与控制系统研究
基于光纤光栅传感技术的温度测量与控制系统研究第一章概述随着现代工业技术的不断发展，各种传感器应用已渗透到人们生活和工作的方方面面。
其中，温度传感器是应用最广泛的一种传感器之一。
目前，常见的温度传感技术有热敏电阻、热电偶、红外测温等。
这些技术在一定程度上能够满足工业生产、环境监测、医学等领域对温度测量的需求，但它们都存在着一些局限性。
为了克服传统温度传感技术的缺陷，提高温度测量的准确性和稳定性，光纤光栅传感技术走入人们的视野。
它以其独特的优势，引起了学术界和工业界的广泛关注。
光纤光栅传感技术是利用光纤光栅作为传感元件，通过光纤对物理量的测量，实现对一些特定量的测量和控制。
其中，温度传感是应用最广泛的一项。
本文拟基于光纤光栅传感技术，研究温度测量与控制系统，为传感技术的研究与应用提供一定的参考价值。
第二章光纤光栅传感技术2.1 光纤光栅传感技术原理光纤光栅是一种利用纤维光学原理制成的频率选择性光学反射器。
它将光纤中特定节距处的光强变化转化为光纤中传输的一些存在物理量的变化。
在光源激发下，光信号通过光纤到达光栅，被反射回来。
从反射回来的光强和波长分布来判断光纤光栅的传感量发生了变化。
2.2 光纤光栅传感技术的优点轻量化: 光纤光栅无需外接电源，不受电磁干扰。
因此，它非常适合长距离和大范围温度和应变测量，其安装和移动也非常方便。
灵敏度高: 光纤光栅传感技术具有高的灵敏度。
传感器元件直接嵌入测量系统中，不需要额外的内部装置。
抗干扰性强: 光纤光栅探头可以很好地抵抗机械、电磁和化学干扰，能够在恶劣的环境条件下可靠测量物理量。
稳定性高: 光纤光栅传感技术的稳定性非常高，并且光纤光栅传感技术不受光线强度和斑点等干扰。
第三章基于光纤光栅传感技术温度测量与控制系统研究3.1 光纤光栅温度传感原理光纤光栅温度传感的基本原理是温度的变化引起光栅布拉格波长的变化。
光栅布拉格波长随温度的变化而变化，利用CCD相机捕获反射光谱，通过信号处理器对反射光信号进行处理，实现温度测量。
基于光纤传感技术对天然气储罐泄漏温度场变化的监测
基于光纤传感技术对天然气储罐泄漏温度场变化的监测张水平;张祖昆【摘要】In order to study the temperature variation regularity of the leakage diffusion of vertical natural gas storage tanks, fiber winding arrangement for vertical natural gas storage tanks is simulated based on the positioning principle of distributed optical fiber temperature sensing technology. By transforming the light-electric signal, the change of temperature field around the surface of the vertical natural gas storage tanks is revealed during the leakage period. According to the temperature curve graph, when there is leakage of the liquid gas, the variation regularity of the temperature field of the tank exterior wall is obtained. The results show that, when leakage occurs, the temperature decreases markedly. Gasification and absorption of heat caused by the liquefied natural gas leakage will lead to the decrease of exterior temperature of the storage tank. Therefore, the time and location of the storage tank leakage can be decided according to this temperature curve graph.%为了研究立式天然气储罐的泄漏扩散温度变化规律,基于分布式光纤温度传感技术定位原理,对立式天然气储罐进行模拟光纤缠绕布置.通过光-电信号的转化将泄漏时期立式天然气储罐表面的温度场变化情况展现出来.然后根据温度曲线变化图,得出当储罐中发生液态天然气泄漏时储罐外壁温度场的变化规律.最后进行分析并得出结论:通过光纤监测所得的温度曲线在储罐泄漏时刻出现明显下降.由于只有液化天然气泄漏发生气化吸热,才会导致储罐外壁温度出现明显降低,因此可以判定该时刻立式液化天然气储罐发生泄漏,并且可以准确找出泄漏区域.【期刊名称】《江西理工大学学报》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】6页(P97-102)【关键词】光纤温度传感技术;天然气储罐;温度场分析;泄漏监测【作者】张水平;张祖昆【作者单位】江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州 341000;江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州 341000【正文语种】中文【中图分类】TP212;TE972当今社会，化石能源仍在世界能源分布利用中占主导地位，天然气作为其中的一种低碳能源，发挥着越来越重要的作用.中国已经成为天然气消费增长最快的国家，是世界第三大天然气消费国.近几年来，我国天然气储量与产量双双快速增长，天然气工业进入快车道.由于中国对天然气的需求每年都在增加，天然气的储量每年也在递增，因此建立天然气战略储备已经成为当务之急，战略储备可以使我国的经济和政治稳定，不会受到人为天然气供应的影响.大型储罐已经成为天然气战略储备中最重要的设施.但天然气储罐却是一个潜在的危险源，天然气储罐作为易燃易爆的高危场所，保证它的安全运行对国民经济的发展具有重大意义.罐内温度一旦较高或过高，会造成天然气的能量损失和火灾爆炸危险，罐内的温度较低或过很低可能产生凝罐，因此天然气储罐安全运行的重要性和紧迫性更为突出.必须采用有效的安全监控措施，及时发现安全隐患和最大限度的减少灾害造成的损失[1-2]. 武汉大学姜德生教授曾利用光纤传感技术对大型储油罐的泄漏进行了模拟研究，并且已经取得了一定的成果，可以监测储罐内液位和压力.其所得到的测量结果准确，精确度高，能够将罐中的信息传递出去，给相关部门对储罐内气体或液体泄漏后的人员的疏散和抢修，及对储罐安全的监控提供参考.但由于现在大部分监测手段都不能做到对立式天然气储罐温度场进行实时的在线监测，并且监测化费成本过高，以至于大多中小型企业基于成本的考虑无法接受.文中基于光纤温度传感技术对立式天然气储罐泄漏模型的温度场进行泄漏监测实时数值模拟，通过合理的布置感温光纤，及运用光纤传感技术中光-电信号转化的原理，模拟监测液化天然气储罐的运行状况.一旦储罐发生泄漏事故可以及时并准确的找出其泄漏口区域，得出距离泄漏口不同距离区域的温度曲线变化趋势图.最后由于该技术所需布置的光纤制造成本不高且实用性强，另外该监测技术是通过光纤温度传感技术来进行测温，可以保证整个罐区的监测都是在不带电环境的前提下进行实时泄漏监测.如果可以应用不但可以减少企业的运营成本和投资成本，还可以保证企业的安全生产井然有序，满足广大石化企业对天然气储罐进行实时在线的天然气储罐泄漏监测的需求，并且为采取应急救援措施提供有力的参考依据[3].光纤温度传感技术具有实时监测、定位准确、成本低廉、本质安全、重量轻、体积小、可挠曲、施工简单、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、抗高压、防雷击并且监测覆盖面积大对被测介质影响小等优点.在泄漏监测方面，光纤温度传感技术的优势使其可以在大多数场合下代替传统的安全监测手段.它可以在很多较为恶劣的环境下提供多种参量的新的可靠的监测手段；并且其检测本身属于无电检测，该项技术属于本质安全型.另外光纤温度传感技术对泄漏位子的定位可以精确到±0.5 m左右，在各种测漏方法中定位精度最高，而且系统响应时间在15 s以内；可以及时的提醒安全监测人员及时的处理泄漏事故；最后光纤温度传感技术所检测的温度结果精度高，温度分辨率可达0.1℃；温度精度可达±1℃[4-5].2.1 立式液化天然气储罐监测系统该系统主要包括测温主机电脑、监测软件、立式天然气储罐模型、感温光纤（采用50/125碳纤维内加热多模光纤，外径3 mm）及报警系统[6].整个光纤监测实验系统如图1所示.2.2 液化天然气泄漏模型及边界条件以液化天然气储罐的泄漏口泄漏模式为研究对象，因为泄漏是发生在液相区，故必然是纯液体泄漏（液相泄漏).设定发生泄漏时周围介质场温度保持不变，压力保持不变，泄漏介质为液化天然气，不发生两相对流，且液体处于稳定状态，假定液化天然气储罐不受其他外力作用.假设泄漏口处于储罐顶部以下h处，储罐内的液体表面压力为Pg，g取重力加速度，外界表压为0，外界温度为20℃，流体流速为0；则根据流体力学伯努利方程对其泄漏的瞬时质量流量进行计算[7]：式（1）中，Q：液体的泄漏速率，kg/s；ϑ1：液体泄漏系数，通常取0.6～0.64，文中取0.6；A0为泄漏口面积，泄漏口半径为20 cm，故A0取值为4×10-4πm2；ρ为泄漏液体密度，液化天然气的流体密度为1.1 t/m3；P为储罐内的截止压力，Pa；P0为环境压力，Pa；通常情况下常压液体储罐的内外压一致固有P=P0；g为重力加速度，9.8 m/s；h为泄漏口处上方液位高度，m（因该处罐体内已经注满液化天然气故此处h为泄漏口距离储罐顶部距离）.随着泄漏的不间断发生，储罐内气体逐渐减少，泄漏口上方液体高度不断减小，同时泄漏速率和储罐中的液体的质量流量也会不断减小.当液面低于泄漏口时泄漏便逐渐停止；假设P0为常数，对于恒定的截面积为At、初始高度为h的天然液化气储罐，则在泄漏发生后t时刻储罐内的质量流量为因为在初始时刻hL=h，但在t时刻，储罐泄漏口上方的液面高度为：由式（1）和式（3）即可推出，t时刻泄漏的液化天然气质量为：根据《液化天然气储罐技术手册》设定60 s内为最佳响应报警时间，则需根据t时间内的泄漏量计算t时间内泄漏口处温度场变化范围的大小来合理确定两段光纤的布置间距.因泄漏口形状规则（文中泄漏口为圆形），且泄漏口尺寸以及液化天然气的热力学、物理化学性质和参数可以通过查阅相关参数图表获得，则可以通过流体力学中的有关方程式进行计算.液化天然气泄漏过程中遵循质量守恒，能量守恒和动量守恒方程.质量守恒方程（连续性方程）：动量守恒方程：能量守恒方程：式（7）中：公式（5）中的Sm是从分散的二级相中加入到连续相的质量（比方说由于液滴的汽化蒸发），也可以是任意自定义源项，如果没有源项则Sm取值为0；而E包含了其他的模型相关源相，如多孔介质和自定义源项.Sh包括其他用户所定义的体积热及化学反应热源项.再根据分子聚集理论结合Clausius-Clapeyrom方程得出：其中Δh为气化热，R为气体常数，Tc为转换临界温度Tr（液化天然气发生气化的温度在-160℃）、m，n是与温度及分子聚集现象相关的参数，在此取定值，而f是温度的函数：式（10）中a=1.66，b=0.76；，由汽化放热的热力值决定.表1是液化天然气及其他气液体的常规参数.结合公式（5）～（10）可以算得液化天然气气化潜热为560 J/kg2.3 泄漏发生后口周边温度场的变化及两端光纤之间的距离模型当储罐外壁某位置发生液化天然气泄漏时，其泄漏口周边空气温度场产生的变化如图2所示.将泄漏口周边空气范围看作是半无限大的，并且假定周边空气与泄漏的液化天然气的主要传热方式仅为热传导（如图2所示），那么泄漏口周边空气与液化天然气之间的传热方程可以依照傅里叶fourier导热方程列出[8-10]：式（11）中：kg为空气的热扩散系数，m2/s；Tg为周边空气的温度，K；t为周边空气与泄漏液化天然气接触的时间，这里表示泄漏持续的时间，s；z为泄漏口周边空气与泄漏口的距离.因本次模拟假定周边空气初始温度为T0（20℃，293 K），周边空气和液化天然气间的传热量与空气和液化天然气的温差成正比，因此初始条件可以写成为下列形式：式（12）中：Tg，0为周边空气瞬时温度，K；Tl，or，c为与空气接触的液化天然气冷气云的温度，K；h为液化天然气冷气云与空气间的传热系数，W/（m2·K）;λg为空气的导热系数，W/（m·K）[11].对式（12）采用θ＝Tg－Tl，or，c进行变量变换，并对变量变换后的半无限大传导方程解析求解，得到泄漏口周边空气随着时间变化关系式：由于其中ρg为空气的密度（1.293 g/L）；erec（）为高斯误差补函数；cg为空气的比热容.从实际情况来说，在储罐发生泄漏的时间范围内，与空气接触的液化天然气对周边温度场的影响范围是有限的，不可能是∞[12].就本次液化天然气储罐泄漏模拟所设定的边界条件来看，预定监测信号为60 s，在60 s内发生泄漏的液化天然气其所引起降温的范围也是有限的，本次模拟设定温度变化T℃为报警阈值，故为了加合理的布置光纤，文中涉及计算泄漏60 s内液化天然气气化与空气混合而导致周边温度场下降温度≥T℃的降温半径R，并将2R作为是两段光纤之间的距离，根据引入了泄漏口周边空气瞬时温度Tg，0，可以按照Kunsch等推荐的近式公式来表示[13]：式（17）中Tl，or，v取设定的下降报警阈值温度；T1为光纤上第一个光纤温度传感器所测的实时温度；Tm+1-Tm-1为光纤上距离差一的光纤温度传感器所测的实时温度之差.根据计算所得出的R可以确定两段光纤之间的所隔距离，由于光纤为均匀缠绕在储罐外表面，故由罐高H/2R=N为罐体所需缠绕光纤的圈数；由于每一圈缠绕光纤周长为储罐底面周长L，故M= N×L为所需光纤总长[14].由于液化天然气储罐发生泄漏情况皆属于针孔型泄漏（泄漏面积极小），泄漏面积一旦过大储罐将会发生大面积破裂进而导致储罐失效.文中所选取的泄漏口位置恰好位于两段测温光纤中间，因此无论从泄漏口形状（针孔状)还是泄漏口的位置来考虑都是极具有代表性的.利用Fluent软件对立式液化天然气储罐发生泄漏情况时期的泄漏过程进行数值模拟（模型如图3），数值模拟边界条件设定立式液化天然气储罐模型为规则圆柱体，储罐高H为20 m，储罐半径为6.18 m，底面积S为120 m2，泄漏口为规则圆形，泄漏口面积为10 cm2，泄漏口高度为8.6 m（第5段和第6段光纤中间），故储罐容积V=底面积S×罐高H=2400 m3，将其转化为液化天然气质量为2640 t，环境温度为20℃（293.15 K），计算区域为长40 m，宽30 m，高15 m的长方体区域.进行模拟之前假定泄漏口处及周边的空气在泄漏过程中不与周边空气发生热任何化学反应，只与泄漏的液化天然气发生热交换反应，且在发生泄漏的过程中泄漏口面积恒定不变.由泄漏模型公式可以计算出液化天然气储罐泄漏时的质量流速为0.734 kg/s，两段光纤之间距离2R=0.769×2=1.54 m，共需缠绕13圈，因储罐周长38.81 m，故使用光纤总长为13×38.81=504.5（m），报警阈值温度T1，or，c为15℃.设定为好边界条件好开始进行数值模拟，模拟结果如图4.根据图4可以看出，立式液化天然气储罐在发生泄漏60 s后，泄漏口处热源对周边温度场影响的等温线成球面形状，且距离泄漏口越远温度下降越慢.而从图5和图6可以看出在泄漏发生后泄漏口周边温度场总体呈现下降趋势，但根据距离泄漏口的距离差距其下降趋势有明显不同，在泄漏口处在15 s内温度即下降至0℃以下，并最终稳定在-3.6895℃左右；但在距离泄漏口R处其温度下降就不如泄漏口处剧烈，在60 s内下降温度5℃，并在100 s内趋于稳定状态.由于设定的报警阈值温度Tm+1-Tm-1为5℃，响应时间为60 s，既每60 s内光纤光栅会发出光信号对储罐外壁进行测温，由于泄漏发生后R处温度在60 s内已经下降≥5℃，故该时刻便会其启动报警装置，我们可以根据测温光纤所获得温度变化信息得知是那一段光纤区域发生泄漏.为准确找出泄漏点提出数据参考.当立式液化天然气储罐一旦发生泄漏，监测主机将会立即接收到由通信光纤所传输的光信号，并上传给终端进行解析，此时在用户软件界面将会得到针对泄漏口区域温度场的实时监测图（如图7），并且通过报警系统向安全操作人员发出报警信息，以确保安全工作人员及时对泄漏进行安全处理，避免发生事故.根据数值模拟结果可以看出在储罐发生泄漏后储罐泄漏口的外壁表面温度场发生明显变化，并且温度发生大幅度下降，下降速率较高，因此可以准确的判断出引起储罐外壁温度场产生变化的原因一定是储罐内液化天然气发生泄漏从而导致液化天然气气化吸热所造成储罐外壁温度场下降，而非其他原因.最后根据数值模拟所得结果准确找出泄漏口区域，通过及时发送报警信息为企业安全工作人员及时发现和处理泄漏事故提供数据保障，避免发生安全事故，并且可以提升经济及社会价值.【相关文献】[1]戚文明.光纤分布式测温系统及在火力发电厂中的应用前景[J].吉林电力，2003，12(2):112-115.[2]解家泽.消防领域分布式光纤测温系统的工程运用[J].中国新技术新产品，2010，27(6):19-21.[3]王玲.光纤温度传感器在温度测量中的应用价值[J].价值工程，2011，29(3):154-158.[4]柴敬，袁强，王智贤，等.物理模型实验光纤测试方法应用进展[J].工程地质学报，2015，23(6):41-45.[5]程英.基于分布式光纤的煤矿测温系统的研究[D].沈阳:辽宁工程技术大学，2012.[6]张晓微，刘锦昆，陈童颜，等.基于分布式光纤传感器的管道泄漏监测实验研究[J].水利与建筑工程学报，2016，3(1):1-6.[7]潘旭海，蒋军成.事故泄漏源模型研究与分析[J].南京工业大学学报，2011，24(1):105-110.[8]潘越，郭敬博.国外大型浮顶储罐泄漏性实验技术探讨[J].石油工程建设，2011，35(5):64-67.[9]张瑞华，陈国华，张文海，等.油库储罐泄漏危险程度定量模拟评价应用研究[J].油气储运，2004，23(10):4-7.[10]朱贤生，刘全桢，宫宏.外浮顶储罐系统泄漏源模型研究与分析[J].石油化工安全环保技术，2011，25(2):26-30.[11]NB/T 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基于分布式光纤传感的堤坝安全监测技术及展望
摘 要 及时 、准确地掌握堤坝的性态 ,是保证堤坝安全运行的基础. 因此 ,需要一种实时监测系统对堤坝进行监测. 分析了堤坝健康监测的主要内容 ,介绍了分布式光纤传感技术的工作原理及使用现状 ;探讨了分布式光纤传感技术 在我国堤坝渗流和形变中的应用 ;指出了分布式光纤传感技术在土堤坝使用中存在的问题 ,并给出了新的堤坝长期 安全监测系统设计建议 ,结论有益于指导构建新的基于分布式光纤技术的堤坝安全监测系统. 关键词 分布式光纤传感 ,渗漏和形变 ,监测 ,堤坝 ,温度 中图分类号 TN29 , TV698 文献标识码 A 文章编号 100422903 (2007) 0321001205
散射 ( backward Brillo uin scat tering ,BBS) 的 Bril2
lo uin 频移最大 ,并由下式给出[12 ] :
υ B
= 2 nυA /λ0 ,
(1)
其中 υ, B 为 Brillo uin 频移 , n 为光纤纤芯折射率 ,υA
为声速 ,λ0 为泵浦光的波长. 光纤中 Brillo uin 散射
Abstract Knowing t he operating conditio n of an embankment dam exactly is t he base to guarantee it to operate safe2 ly. There is a growing need fo r real2time monito ring systems fo r embankment dams , due to p roblems of hidden dan2 gers. The main detectio n parameters for healt h monito ring of an embankment dam are analyzed. The p rinciple of op2 erating of a monito ring technology based o n dist ributed fiber sensing fo r embankment dam safety is int roduced. Recent application of t he technology is p resented. The p ro spect of t he applicatio n of t he technology of dist ributed fiber sens2 ing adapted to t he detectio n of seepage flow and movement in China has been discussed. Some weak point s in current safety monito ring inst rument based dist ributed optical fiber sensing technology fo r t he soil embankment dam is p resen2 ted. Helpf ul suggest s are given to design next generation inst rument s , which p rovides a guide to co nst ruct a new safe2 ty mo nitoring system fo r an embankment dam. Keywords dist ributed optical fiber sensing , seepage flow and movement , monitoring , embankment dams , tempera2 t ure
基于光纤传感技术的石油管道泄漏监测系统研究
基于光纤传感技术的石油管道泄漏监测系统研究1.引言石油是世界上最重要的能源之一，而石油管道是石油运输的主要方式。
然而，由于管道老化、不良施工、地质变化等原因，石油管道泄漏问题严重影响了环境和人们的生命财产安全。
因此，发展一种可靠且高效的石油管道泄漏监测系统显得尤为重要。
本文将重点介绍基于光纤传感技术的石油管道泄漏监测系统的研究进展。
2.光纤传感技术的基本原理光纤传感技术是一种通过光纤传输光信号并利用环境参数对光信号的影响来实现物理量测量的技术。
它具有高灵敏度、远距离传输、无电磁干扰等优点，适用于石油管道泄漏监测。
3.光纤传感技术在石油管道泄漏监测中的应用3.1 基于光纤连续反射的泄漏监测光纤连续反射技术是通过光纤传输的信号在石油管道内部发生反射，通过监测反射信号的强度变化来检测管道泄漏。
该技术具有高灵敏度、远传输距离和泄漏点定位准确等特点，可以实时监测石油管道的泄漏情况。
3.2 基于光纤布拉格光栅传感的泄漏监测光纤布拉格光栅传感技术是通过将布拉格光栅写入光纤中，通过监测光纤中布拉格光栅的光谱变化来检测管道泄漏。
该技术具有高灵敏度、可远程传输和光纤多点监测等优点，并且对光纤布拉格光栅的温度和应力具有较好的抗扰性能。
4.基于光纤传感技术的石油管道泄漏监测系统设计4.1 系统组成与工作原理基于光纤传感技术的石油管道泄漏监测系统主要由传感器、信号采集装置、数据处理单元和报警系统组成。
传感器负责接收光信号并将其转换为电信号，信号采集装置负责采集、放大并转换电信号，数据处理单元负责对采集到的信号进行处理和分析，报警系统负责向操作员发出警报。
4.2 系统性能评估系统性能评估是评价基于光纤传感技术的石油管道泄漏监测系统是否可靠和高效的重要手段。
评估内容包括系统的灵敏度、响应时间、泄漏点定位精度和抗干扰性能等。
5.石油管道泄漏监测系统的优势与挑战5.1 优势基于光纤传感技术的石油管道泄漏监测系统具有高灵敏度、远距离传输、光纤多点监测等优点。
基于光纤传感器的给水管网渗漏监控系统研究
基于光纤传感器的给水管网渗漏监控系统研究光纤传感器在给水管网渗漏监控系统中的应用，是一种新兴且有效的监测技术。
本文将对基于光纤传感器的给水管网渗漏监控系统进行研究，探讨其原理、特点以及发展前景。
随着人口的增加和城市化进程的加快，给水管网渗漏问题日益严重，不仅给水资源带来巨大浪费，也增加了给水管网维护的难度和成本。
因此，发展一种能够实时准确监测管网渗漏情况的有效方法，对于水资源的节约和管网的管理至关重要。
光纤传感器作为一种灵敏度高、抗干扰性强的传感器，被广泛应用于工业监测、环境监测等领域。
基于光纤传感器的给水管网渗漏监控系统，利用光纤传感器的敏感材料与水接触后会发生明显变化的特性，实时监测管网中的水渗漏情况，能够提供准确的渗漏信息。
该系统的工作原理是利用光纤传感器经过特殊处理后的纤芯材料对水渗漏引起的温度、压力、振动等信号进行捕捉和转化。
当光纤传感器感知到管网中发生渗漏时，敏感材料会发生形态变化，进而改变光纤传感器的物理性质，通过对这些物理性质的变化进行监测和分析，从而能够准确判断管网渗漏的位置和严重程度。
与传统的管网渗漏监测方法相比，基于光纤传感器的给水管网渗漏监控系统具有以下特点：1. 高灵敏度：光纤传感器可以实现对微小的变化进行监测，能够准确捕捉到管网中发生的渗漏情况，并及时向操作人员发出警报。
2. 大范围覆盖：通过在管网中铺设光纤传感器，可以实现对整个管网的监测，大范围覆盖管道，提高监测效果。
3. 实时监测：基于光纤传感器的监控系统能够实时监测管网的渗漏情况，及时发现并处理渗漏问题，避免了管网受损的进一步恶化，降低了维修成本。
4. 数据准确性：光纤传感器采集到的数据经过处理和分析，能够准确判断渗漏位置和严重程度，为管网的维护和管理提供科学依据。
基于光纤传感器的给水管网渗漏监控系统不仅具有高效性和准确性，而且具有较低的维护成本。
其在工业中已经得到广泛应用，并取得了显著的成果。
然而，由于该技术的相对新颖，许多问题仍需要进一步研究和探索。
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2005年第24卷第9期 传感器技术(Journal of Transducer Technol ogy)基于光纤光栅温度传感技术的面板坝渗漏监测系统3梅加纯,姜德生,范 典,程 健,董 谊(武汉理工大学光纤中心,湖北武汉430070)摘 要:对某些水库渗漏位置的检查一般采用放空水库的办法来进行,这对于严重缺水的工农业生产来说,是一种极大的浪费,采用的基于光纤光栅温度传感技术的面板坝渗漏监测系统对混凝土面板堆石坝面板渗漏能实时、在线、长期可靠监测。
用于传感和信号传输的光缆可以埋置于面板底部或中性面上以及其他需要的位置,不会因机械施工而损伤,具有施工干扰小、抗电磁干扰等特点,试验表明:系统可有效检测大坝渗漏情况。
关键词:光纤光栅;渗漏;面板坝;传感中图分类号:TP212.14 文献标识码:B 文章编号:1000-9787(2005)09-0065-02Pl ate dam leakage mon itor i n g syste m based on fi ber grati n gte mperature2sensi n g technologyME I J ia2chun,J I A NG De2sheng,F AN D ian,CHE NG J ian,DONG Yi (Res Cen ter of F i ber O pti c Sen si n g Tech,W uhan Un i versity of Technology,W uhan430070,Ch i n a)Abstract:The water reservoir f or checking the leakage is had t o e mp ty,which is big wasteful for our industry and agriculture which have a seri ous shortage of water.The syste m of panel da m leakage monit oring based on F BG sensing technique can monit or the dam real ti m e,on line and l ong2ti m e and credible.The sensing and signal2 trans m issi on fiber cable may be p laced in the bott om or m id2layer and other positi on,which can not be da maged in mechanical constructi on.Experi m ental tests p r that the syste m can efficiently ins pect the da m leakage and has an advantage of anti2electr omagnetis m2interference.Key words:fiber grating;leakage;p late da m;sensing0 引 言目前,建有各类水库大坝8.7万余座,堤防25万多公里,多年来,取得了巨大的防洪、供水、灌溉和发电等效益[1]。
但很多工程经历多年运行后,岸坡稳定问题、渗流问题、结构老化等工程隐患及其危害性表现得日益突出,其中,渗漏问题所占的比例达到29.1%。
对现有堤坝工程进行安全评价,加强运行管理和维护、进行隐患根治将是今后工程建设中的一件大事。
因此,迫切需要结合我国堤坝建设的实际,开发先进的堤坝管涌或集中渗漏探测的技术和设备。
这将有利于提高我国堤坝加固设计、建设、监测和管理整体水平的提高。
光纤光栅温度传感测量技术可用于监测堤坝因各种原因造成的渗漏,具有测量精度高、施工干扰小、抗电磁干扰和分布式传感等优点[2,3]。
其主要优点在于可实现大容量分布式传感,一次测量光纤长度可达数公里。
通过对光纤沿线温度场突变区域的捕捉,可以定性地判断出渗漏的位置,从而进行预警。
它克服了常规监测技术的漏检问题。
1 监测原理光纤B ragg光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射B ragg波长光谱的检测,实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量,其传感原理如图1所示。
而光纤B ragg光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff,任何使这2个参量发生改变的物理过程都将引起光栅B ragg波长的漂移[4]。
B ragg波长由下式决定λB=2Λn eff,(1)式中 λB为B ragg波长;neff为纤芯有效折射率;Λ为光栅周期。
由式(1)可知,B ragg波长是随neff和Λ而改变的。
当光栅所处的外界环境发生变化时,可能导致光纤光栅本身的温度发生变化。
由于光纤材料的热光效应,光栅的折射率会发生变化;由于热胀冷缩效应,光栅的周期也会发生变化,从而引起neffΛ的变化,最终,导致光栅B ragg波长λB 的漂移。
漂移的幅度与温度的改变量呈线性关系收稿日期:2005-03-253基金项目:国家自然科学基金资助项目(60477028);国家863计划资助项目(2002AA313140)56 传感器技术(Journal of Transducer Technol ogy ) 2005年第24卷第9期 ΔλB =(α+ζ)ΔT λB ,(2)式中 ΔλB 为温度变化引起的λB 的漂移幅度;α=(1/Λ)・(9Λ/9T )为光纤材料的热膨胀系数;ζ=(1/n eff )(9n eff /9T )为热光系数;ΔT 为温度的变化量。
2 面板坝渗漏模拟试验对裂缝和渗漏的监测原理是建立在渗漏水对渗漏点光纤温度的影响基础之上的,即渗漏位置光纤温度测量值较其他无渗漏区温度分布状态呈现异常(温度升高或降低)。
但对于混凝土面板堆石坝,由于面板直接挡水,且面板很薄,因此,通常情况下,可以认为光纤温度分布测量值与同一高程的水库水温相一致。
这种情况下,面板裂缝和渗漏水不会使光纤温度分布状态在渗漏区呈现异常,达不到监测目的。
为解决这一问题,使用电热脉冲法,通过对光缆保护层的金属铠或特制光缆中的电导体通电,可以对光缆加热。
其周围环境温度的增加与环境的热能和导热系数直接相关,如光缆跨越渗漏区,较低的传导热传输可被效率更高的平流热传输所超越,因此,在加热过程中可以明显看到:渗漏区光纤温度分布出现异常,从而实现裂缝和渗漏监测。
监测系统的组成如图1所示。
图1 监测系统的组成示意图F i g 1 Sche ma ti c d i a gram of structure of sen si n g syste m 图2、图3所示为建在水布垭的人工试验模型平面示意图和断面示意图。
水池长12m 。
试验直接在水布垭大坝填筑面上进行,共布置了30个传感器测点,测点间距50cm。
图2 试验模型平面示意图F i g 2 Pl ane v i ew of test model图3 试验模型断面示意图F i g 3 Cross 2secti ona l v i ew of test m odel 用大坝填筑料填筑50c m,并将表面推平。
在轴线上布置光纤光栅传感器。
上面再填筑100cm,推平后沿轴线挖一宽60c m 左右的储水槽,并在槽内铺设防水彩条布防渗。
通电对测点附近土体加热,启动光纤光栅调制解调器开始对各传感器的温度进行扫描。
将储水槽内充满水,用小刀在槽底随机位置分几点划破彩条布,水流将通过破口向下渗漏。
测定传感器的温度变化,判断渗漏点。
在放水试验前,先通过加热电阻对测点处的土体进行加热,从现场实际测值看,充水前测点处的温度一般可达到40～45℃左右。
水槽中的水是由洒水车供给,水温在19～21℃左右。
图4是某一渗漏区域的6个检测点的试验结果。
从监测结果来看,在割破隔水彩条布的十多秒钟后,附近传感器测点的温度开始下降,但开始降温的时间有先有后。
从本次试验情况来看,水流从破口流出后渗透范围较大,附近的多个测点温度都有程度不同的改变。
而水流渗透不到的检测点,温度没有变化。
图4 检测点温度变化曲线F i g 4 Curve of tem pera ture change3 结束语混凝土面板石坝内的温度场分布测量可以成为工程运行状态评估的有效手段,特别是对渗漏通道的监测更具有特别重要的意义。
把光缆埋设在混凝土面板或周边缝底部以及其他需要监测的位置,可对因混凝土裂缝、接缝止水破坏所引起的渗漏进行监测。
准分布式光纤光栅温度测量系统可以精确实施光纤沿程各点的温度测量,而且,光缆适宜在新建和已建工程中铺设,成本也较低。
该项技术的初步试验和应用的成功为进一步的工程应用打下了坚实的基础。
参考文献:[1] 刘庶华,何国连.株树桥水库大坝渗漏原因初步分析[J ].水力发电,2003,29(2):65-68.[2] Xu M G,Geiger H,Dakin J P .Fiber grating p ressure sens or withenhanced sensitivity using a glass 2tubble housing [J ].Electr on Lett,1996,32(2):128-129.[3] I noue A ,Shigehara M,It o M ,et al .Fabricati on and app licati on offiberB ragg grating 2a revie w [J ].Op t oelectr on Dev Technol,1995,10:30-119.[4] 梅加纯,石 永,姜德生.光纤光栅温度传感实验[J ].物理实验,2004,(7):6-8.作者简介:梅加纯(1966-),男,湖北洪湖人,武汉理工大学光纤中心副教授,硕士,研究方向为光纤光栅及其传感应用。
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