城镇燃气管道分布式光纤温度传感器实验研究

1 概述

城镇燃气管道如发生燃气泄漏，泄漏点局部燃气突然膨胀产生冷效应，引起泄漏点燃气温度变化

，泄漏点周围土壤温度场也会发生变化。本文在实验室模拟城镇燃气管道，利用分布式光纤温度传感器检测燃气管道泄漏点及周围温度场。基于不同光纤敷设方式及不同压力等条件，探讨分布式光纤温度传感器在城镇燃气管道的适用条件。

2 分布式光纤温度传感器实验设计

城镇燃气管道管材主要是钢管或PE管，钢质管道表面有防腐层

。本文在实验环境下搭建PE管模拟泄漏管道，PE管表面无防腐层。分布式光纤温度传感器对相同温差的升温和降温敏感性一致。考虑到降温的模拟较为困难，利用热源进行可控升温来模拟温度的变化。泄漏的形式包括小孔泄漏和缝隙泄漏，因此采用点热源及线热源模拟泄漏温度变化。此外，考虑到泄漏燃气的扩散作用，采用热风机模拟泄漏温度场的迁移。

实验台主要由1段明设管道、3个支架和拉曼型分布式光纤测温系统组成。管道长约8 m，外直径225 mm，壁厚8.6 mm。环境温度保持在12 ℃左右。电热带和电热棒的布置见图1。定制宽度为3 mm的电热带，最高加热温度可达60 ℃。电热带的长度为2 m。在电热带上布置精密热电偶监测温升情况，模拟缝隙泄漏工况。定制直径为6 mm的电热棒，横截面积为28.26 mm

，符合小孔泄漏的面积需求。电热棒长度为50 mm，采用隔热性能强的工业隔热保温布包裹45 mm棒体，剩余5 mm长度电热棒，通过精密热电偶监测温升情况，模拟小孔泄漏工况。热风机型号为HP8258，热功率为2 200 W，模拟泄漏温度场的迁移。精密热电偶的型号为PT100，测温分度值达到0.1 ℃。分布式光纤采用单通道、三通道和缠绕3种方式敷设。单通道敷设法为将光纤紧贴管道正上方外壁，沿管道方向从头到尾敷设。三通道敷设法为光纤紧贴管道，先沿管壁一侧从头到尾敷设，然后转弯沿管道顶部从尾到头敷设，最后转弯沿管壁另外一侧敷设，剖面图见图2。缠绕敷设即采用一根光纤沿着管道方向紧贴管道以螺旋线形式盘绕敷设，每一圈光纤间隔即螺距约25 cm，螺旋线起点为管道左端的正上方外壁顶点，从左向右看按逆时针方向缠绕。分布式光纤主机和配套的工控机采用求实飞博研发的国产设备，型号为PI-8D10AC和IPC-610-L。

3 分布式光纤感温实验分析

3.1 单通道敷设方式

① 缝隙泄漏工况

采用单通道光纤敷设方式时，光纤和电热带并排敷设在管道正上方，光纤、电热带和管道两两相互紧贴，见图3。

为进一步验证泄漏扩散的情况，选择用热风机来模拟泄漏时的燃气扩散。热风机出风口空气温度维持在100 ℃。热风机与管道的距离、风量、风速、吹风条件与单通道时相同。热风机出风口位于虚拟管道28 m处。光纤检测温度见图11～13。其中，热风机位于上方时光纤检测温度变化最明显，峰值出现了3个；位于侧面次之，峰值出现了2个；位于下方时，光纤也检测到了温度变化。结果说明，与单通道敷设相比，三通道敷设明显扩大了检测范围，基本实现了对管壁的全覆盖。

将电热带的温升控制在20 ℃，即加热到32 ℃并维持稳定。光纤检测温度由12 ℃升至25 ℃，温升13 ℃，延迟时间为1 min。电热带升温至32 ℃时光纤检测温度见图5。

2015年4月2日，财政部、住房城乡建设部、水利部公示了2015年海绵城市建设试点城市名单，池州市名列其中。海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。

② 小孔泄漏工况

考虑到埋地管道现场施工的实际情况，将单通道敷设改为在管道上方和两侧三通道敷设，见图10。实际光纤158～182 m处均敷设在管道上。在软件中设置长度为50 m的虚拟管道作为监测防区，采集实际光纤134～200 m的信号。实际光纤134～158 m的信号对应虚拟管道0～24 m的监测信号，实际光纤158～166 m、166～174 m和174～182 m的3段信号取其中最高值作为虚拟管道24～32 m监测信号，实际光纤182～200 m的信号对应虚拟管道32～50 m的监测信号。

泡菜中的亚硝酸盐含量与泡菜中的pH、乳酸菌含量、亚硝酸盐生成菌含量、含糖量、温度之间相互关联[13,14]。因而通过该实验就是为了探索加入蔗糖这个碳源后对微生物品质(尤其是微生物数量)的影响，以及由此所导致的pH，亚硝酸盐含量和发酵蔬菜品质(尤其是营养)的状态[15]。

采用电热棒模拟点热源。电热棒竖直立在PE管道正上方，裸露端与管道、光纤接触，位于虚拟管道28 m处。电热棒升温至100 ℃。当电热棒加热2 min后，温度几乎不再变化。此时，光纤检测温度变化不大，见图6。分布式光纤的温度采集点间隔是0.5 m，无法实现连续无间隔地检测，所以对小孔泄漏的检测效果不理想。

③ 泄漏扩散工况

用热风机来模拟泄漏时的燃气扩散。热风机风速为11 m/s，风量约0.086 m

/s。热风机出风口与管道外壁距离10～15 cm，出风口位于虚拟管道28 m处。热风机的出风口空气温度维持在100 ℃。热风机吹风条件有3种，分别为：将热风机从光纤的正上方垂直向下开启，出风口中心对准管道中心；将热风机从管道侧方对着管壁水平开启，出风口中心对准管道中心；将热风机从管道下方垂直向上对着管壁开启，出风口中心对准管道中心。光纤检测温度见图7～9。其中，热风机位于光纤上方光纤检测温度变化最明显，温度维持在31 ℃，侧面次之，下方几乎无变化。结果说明，单通道光纤的检测范围不能完全覆盖整个管壁。对于分布式光纤而言，固体间的热传导要比空气对流换热的传热效果好。

3.2 三通道敷设方式

结果说明，对于缝隙泄漏产生的温度变化，光纤能够检测到。光纤检测温度存在延迟和折损,延迟为1 min，折损率约70%。

电热带位于虚拟管道26.5～28.5 m，紧贴管道正上方外壁，与光纤接触。和单通道敷设方式实验作对照，将电热带加热到32 ℃并维持稳定。此时，光纤检测温升仍为13 ℃，并维持稳定。结果表明，对于线热源模拟的缝隙泄漏，相比于单通道敷设，增加光纤的数量并未改善实际的检测效果。

为进一步验证小孔泄漏的情况，采用电热棒模拟点热源。电热棒竖直立于虚拟管道28 m处，裸露端与管道、光纤接触。将电热棒升温到100 ℃，并持续较长一段时间后，光纤检测温度并无变化。结果表明，对于小孔泄漏，相比于单通道敷设，增加光纤的数量并未改善实际的检测效果。

嵌入式实践教学需要向学生详细介绍实验系统的结构图和电路原理，在此基础上介绍软件集成开发环境，并以一个简单的实验引导学生搭建实验环境。教师在学生熟悉开发流程后，应逐渐增加实验的难度，当他们做出正确的阶段性实验结果时，要给予鼓励并提出进一步的需求；当学生在调试过程中遇到困难时，要给予适当的引导和提示，而不是直接告诉答案。对于学有余力的学生，应该鼓励在已有实践基础上开发一些小系统，实现一些具有简单功能的电子设备。在这过程中培养学生独立思考和解决问题的能力。

光纤滚轴的总长度约200 m，管道实际位置在光纤174～182 m处。光纤信号由防区型光纤传感软件进行解调，仅采集实际光纤150～200 m段的信号，软件中设置长度为50 m的虚拟管道作为对应的监测防区。实际光纤150～200 m段的信号对应虚拟管道的0～50 m监测信号。通过软件进行防区标定，设置实际管道位于虚拟管道的24～32 m处。电热带位于虚拟管道26.5～28.5 m处。将电热带加热到43 ℃，并维持恒温稳定。约1 min后，光纤检测温度由12 ℃上升至34 ℃，并维持稳定。可认为当电热带温升在31 ℃时，光纤检测温升为22 ℃，延迟时间为1 min。电热带升温至43 ℃时光纤检测温度见图4。

3.3 缠绕敷设方式

为验证小孔泄漏的情况，选择用点热源来进行实验。电热棒竖直立于虚拟管道28 m处，裸露端与管道、光纤接触。将电热棒升温到100 ℃，并持续较长一段时间后，光纤检测温度并无变化。结果说明，对于小孔泄漏产生的温度变化，相比较单通道、三通道敷设方式，缠绕光纤并未改善实际的检测效果。

帧内编码RS码的编码率RRS能够根据当前链路帧内误比特率Pb进行调整，才能最大程度减小帧内编码带来的冗余，从而最大限度提升吞吐率.经过大量实验得到帧内误比特率Pb与RS码编码率RRS 的关系图，如图7所示，其中每个点代表的是对应帧内误比特率的数据帧完全恢复所对应的最大编码率.将此关系进行最小二乘法线性拟合得到公式4，建立了帧内误比特率与RS码编码率之间的数学关系.

光纤缠绕间隔约25 cm，圈数为32圈，单圈光纤长度约为0.75 m，缠绕在管道上的光纤总长度为24 m，对应实际光纤158～182 m段。在软件中设置长度为50 m的虚拟管道作为监测防区，仅采集实际光纤134～200 m的信号。实际光纤134～158 m的信号对应虚拟管道0～24 m监测信号，实际光纤158～182 m的信号映射为虚拟管道24～32 m监测信号，映射系数为1/3，实际光纤182～200 m的信号对应虚拟管道32～50 m的监测信号。电热带位于虚拟管道26.5～28.5 m处，紧贴管道正上方外壁。和单通道敷设实验作对照，将电热带加热到32 ℃并维持稳定。此时，光纤检测到的温升为20 ℃，延迟时间为1 min，检测到升温的光纤长度明显增大，见图14。结果表明，对于缝隙泄漏产生的温度变化，相比于单通道、三通道敷设，缠绕敷设光纤可实现检测效果的改善。

为验证泄漏扩散的情况，选择用热风机来模拟泄漏时的燃气扩散。热风机出风口位于虚拟管道28 m处。出风口空气温度维持在100 ℃。热风机与管道的距离、风量、风速、吹风条件与单通道时相同。热风机位于上方时光纤检测温度见图15。当热风机位于管道侧面和下方时，光纤检测温度是类似的。结果说明，相比较单通道、三通道敷设方式，缠绕敷设的检测效果更好，实现了对管壁的全覆盖。

4 结论

① 采用电热带模拟缝隙泄漏，结果表明分布式光纤温度传感器对缝隙泄漏的检测效果较好。光纤缠绕敷设的检测效果比单通道敷设好，三通道敷设的检测效果相比于单通道敷设并无明显改善。

② 采用电热棒模拟小孔泄漏，结果表明分布式光纤温度传感器对小孔泄漏的检测效果并不理想。小孔泄漏引起的温度变化范围较小，分布式光纤温度传感器受技术限制，无法实现连续无间隔地检测，3种敷设方式均检测不到温度变化。

(ⅱ) f=ξη。即证对任意x∈X,f(x)=ξη(x)=ξ({x}-)。由Y为T0空间,只需证clY{f(x)}=clY{ξ({x}-)}。注意到clY{ξ({x}-)}=clYf({x}-)。又只需证clY{f(x)}=clYf({x}-)即可。

最严格水资源管理制度下规划水资源论证技术探讨——以岷江下游航电规划为例 …………………… 熊 莹(3.39)

③ 采用热风机对泄漏扩散进行模拟，结果表明单通道敷设光纤的检测范围只能覆盖上方及两侧的壁面，三通道敷设光纤的检测范围可大致覆盖整个管壁，但对下方的检测效果不如上方和两侧，缠绕敷设光纤的检测范围可完全覆盖整个管壁。

[1] 王智勇，缑俊，郭勇，等. 燃气管道泄漏引发的温度变化研究[J]. 电子科技大学学报，2015(2)：306-310.

[2] 侯庆民. 燃气长直管道泄漏检测及定位方法研究(博士学位论文)[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014：15-26.