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CN114485455B - 基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测系统及方法 - Google Patents

基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测系统及方法 Download PDF

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CN114485455B
CN114485455B CN202210387450.5A CN202210387450A CN114485455B CN 114485455 B CN114485455 B CN 114485455B CN 202210387450 A CN202210387450 A CN 202210387450A CN 114485455 B CN114485455 B CN 114485455B
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Abstract

本发明提供了一种基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测系统及方法，通过在子弹罐体表面布设分布式应变、温度光缆，在子弹罐体下方土层中布置压力计，进而实现对子弹罐体表面及周围状态进行监测，检测数据通过采集器汇总后传递至现场控制系统，现场控制系统还分别与数值模拟系统以及中控显示屏进行数据通信。数值模拟系统利用有限元软件对子弹罐体与下方土层进行模拟仿真，确定相应的温度和应力变化范围，传输给现场控制系统，基于此与检测数据进行对比，实现监测预警，同时构建出子弹罐体表面状态的云图，精确定位发生状况的区域，有效解决现有监测方法无法对罐体本身安全隐患进行预防的问题。

Description

基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测系统及方法
技术领域
本发明属于子弹罐应变和温度监测技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测系统及方法。
背景技术
子弹罐指的是卧式覆土LPG压力储罐，用来存储液化石油气，目前子弹罐在国外应用比较广泛，国内还处在推广阶段，主要用来替代球罐，提高本质安全性。
子弹罐是直接坐落在沙床基础上的，罐体表面都用土覆盖，只有沉降监测板、气室、工艺管接口等设施预留在土外，无法从上述设施的状态准确观察到子弹罐的整个运行状态。常见液化烃储存容器“多米诺”事故的主要诱因是爆炸碎片，因此，为了保证相邻的子弹罐不遭到破坏，通常将罐体表面的覆土厚度控制在半米以上，这就无法通过常规方法观察、监测罐体表面的情况，不能对罐体本身的安全隐患进行预防。况且，采用传统方法（沉降监测板）观察子弹罐体沉降，也是粗略地观察，无法做到精确、整体监测。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测系统及方法，通过分布式应变、温度光缆和土压力计对子弹罐体表面及周围状态进行监测，构建出子弹罐体表面状态的云图，精确定位发生状况的区域，实时预警，有效解决现有监测方法无法对罐体本身安全隐患进行预防的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测方法，包括如下步骤：
步骤1：利用数值模拟系统在有限元软件中建立子弹罐体与下方土层1：1仿真模型，并进行不同工况条件下的模拟，确定温度、应力和应变变化范围，作为现场控制系统监测的初始范围；
步骤2：从子弹罐体的封头处开始，呈“米”字型布设分布式应变光缆和分布式温度光缆；在子弹罐体落位位置正下方的20~80cm深度布设多个土压力计，再将完成光缆布设的子弹罐体落位到沙床基础上；
步骤3：分布式温度光缆采集温度数据汇集到温度采集器，分布式应变光缆采集应力应变数据汇集到应变采集器，土压力计采集土压力基础值汇集到土压力采集器；各采集器的数据均传输至现场控制系统中进行比对分析，判断是否在初始范围内；不在初始范围内，则调整现场控制系统的初始范围，修正数值模拟系统的模拟模块；同时，各采集器采集的相关数据均传输到中控显示屏上显示；
步骤4：对子弹罐体进行水压试验，根据应变采集器以及土压力采集器采集的数据，现场控制系统进一步对应变监测范围进行细化修正；同时对子弹罐体内的水温数据与温度采集器采集到的数据进行比对，获取子弹罐内外的温度差，作为后续其他试验的修正值；
步骤5：对子弹罐体进行充装试验，通过分布式温度光缆监测子弹罐体表面温度，并与充装速度建立联系，通过分布式应变光缆监测子弹罐体表面应变情况，并与充装量建立联系，进而建立应变情况的温度补偿关系；
步骤6：进行子弹罐体渗漏模拟试验，在卸料时将阀门控制到最小开合度，观察温度采集器的温度变化情况和应变采集器的应变变化情况；温度采集器和应变采集器的数据未发生变化时，则调整对应采集器的精度，同时调整现场控制系统在渗漏情况下的控制精度；
步骤7：开启现场控制系统的智能识别模式，进行智能监测工作；首先控制各采集器进行试采集，将采集到的数据与现场控制系统内部存储的数据范围进行比对，选择最接近的作为数据采集条件，并向各采集器发出调整为当前条件下采集精度的指令；同时，数值模拟系统根据现场控制系统选取的条件进行对应调整；
调整后的数值模拟系统根据现场控制系统传输的数据形成温度和应变云图，现场控制系统将各项监测数据以及云图数据传输至中控显示屏上显示；现场控制系统将采集到的数据与内部存储的初始范围进行实时比对，当检测数据超出范围时，向中控显示屏传递警告信息；
针对出现渗漏的情况，利用如下公式对渗漏位置进行定位：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示温度；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示分布式温度光缆位置的环境温度；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示子弹罐体的半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示土体的热扩散系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示罐体的热扩散系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示相邻分布式温度光缆的径向距离；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示渗漏点到分布式温度光缆测量点的最短距离或分布式温度光缆测量点到罐体内部的距离。
进一步地，所述步骤7中，首先通过收集分布式温度光缆采集的数据确定最低温度点的位置，模糊确定渗漏点大概位置；然后通过数值模拟系统对最低温度点上下两个测量点的温度值进行比较，选择更接近最低温度的次低温度进行计算，获取最低温度和次低温度的比值关系；最后，根据温度与距离的公式，通过已知的最低温度点与次低温度点间距离和最低温度与次低温度的比值，即可算出渗漏点与最低温度点的距离，从而确定渗漏点的准确位置。
进一步地，所述步骤5中，根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure DEST_PATH_IMAGE020
以及测得的温度值与当前温度下的应变数据，计算出实际应变值，从而建立应变与温度的补偿关系，进而对现场控制系统的监测范围进行针对性地调整，数值模拟系统也随之更新；式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示应变偏差，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示罐体的热膨胀系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
表示分布式应变光缆的热膨胀系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
表示温度变化值，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
表示分布式应变光缆的温度-应变系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
表示分布式应变光缆的灵敏系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
表示实际应变值，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
表示测量得到的应变值。
进一步地，所述步骤2中，布设光缆时，首先利用毛刷在光缆布设路径上涂刷一层环氧树脂底胶粘结剂，以提高光缆粘合度，然后在底胶区域平直布设光缆，避免光缆弯曲，布设完成后，在光缆上部再刷一层面胶粘结剂，使得光缆与子弹罐体充分贴合；待面胶粘结剂固化强度达到50%以上后，在其表面粘贴一层铝箔，防止后期焊渣灼损；对于光缆引线部位，利用钢丝软管保护，防止引线光缆在出线处受到破坏；光缆布设完成后，利用激光发射器检验所布设的分布式应变光缆和分布式温度光缆是否导通；如不通，需要先通过分布式光纤采集器寻找光纤断点（一根光纤上断点不宜超过5个，否则会影响测量数据质量），并去除断点处光纤表面的胶水，再对断点处进行熔接，接着涂抹胶水，最后做好相关防护。
进一步地，所述步骤2中，布设土压力计时，首先对沙床基础进行开槽，并将土压力计固定在龙骨架上，然后将各个土压力计（需要注意：中心波长段的土压力计只能布设一个，以免造成数据干扰）串联熔接，引线固定在龙骨架上，接着将已固定多个土压力计的龙骨架放置到沙床基础中，并将土压力计另一端连接引线引至地表构成回路；最后使用土压力采集器检验土压力计的状态是否完好，确认完好后进行回填，回填结束后对外露的引线进行保护。
进一步地，所述步骤6中，采集器开启内置的测量信号放大器，将放大后的数据传输给现场控制系统，现场控制系统调用数值模拟系统中泄露模拟的数据范围放大同样倍数后进行比较控制。
进一步地，所述步骤7中，对于其他未试验或未模拟的工况条件，现场控制系统进行数据收集并发送给数值模拟系统，数值模拟系统依据现有数据进行模拟，并给出该工况条件下子弹罐体的温度和应变数据范围，反馈给现场控制系统，至此，现场控制系统建立一个新的工况条件监测模式；针对部分光缆出现破坏的情况，分布式应变、温度光缆自动从“回路式”切换到“单向式”，继续进行温度和应变数据的采集。
用于实现上述基于分布式光纤子弹罐应变和温度智能监测方法的监测系统，包括分布式应变光缆、分布式温度光缆、土压力计、温度采集器、应变采集器、土压力采集器、现场控制系统、中控室显示屏以及数值模拟系统；子弹罐体坐落在沙床基础上，表面铺设覆土层；
4条分布式应变光缆、4条分布式温度光缆都均匀布设在子弹罐体表面8个不同的位置，同一组应变和温度光缆平行紧邻布设，整体在子弹罐体封头位置呈“米”字型分布；多个土压力计串联均布在子弹罐体正下方20~80cm深的沙床基础中；
分布式应变光缆均与应变采集器信号连接，分布式温度光缆均与温度采集器信号连接，土压力计均与土压力采集器信号连接；温度采集器、应变采集器、土压力采集器均与现场控制系统信号连接，现场控制系统为数据的接收端和发送端，现场控制系统还与中控室显示屏、数值模拟系统信号连接，进行数据通信；
中控室显示屏显示各采集器采集到的数据信息，同时显示子弹罐体的运行数据；数值模拟系统作为整个智能监测系统的中央处理器，模拟出各种不同工况条件下子弹罐体的温度和应变数据范围，并下发给现场控制系统，同时根据现场控制系统和中控室显示屏的数据比对情况，自主进行温度和应变数据范围的实时更新。
进一步地，所述分布式应变光缆包括微型定点分布式应变传感光缆和碳纤维复合基应变感测光缆，均匀布设在子弹罐体的表面。
进一步地，所述分布式温度光缆均为塑封铠装分布式温度传感光缆，土压力计为光纤光栅土压力计；应变采集器为回路式高精分布应变采集器，通过光的散射与反射原理结合应变与温度的关系，监测不同工作温度下的子弹罐体表面应力应变情况；温度采集器为分布式光纤温度采集仪，通过拉曼散射原理结合光时域反射技术，连续监测子弹罐体表面任意一点的温度；土压力采集器为便携式土压力数据解调器，通过光的波长变化感知压力变化情况，监测子弹罐体下部沙床基础的稳定性。
本发明具有如下有益效果：
（1）相较于仅凭经验在子弹罐罐顶确定几个沉降观测点的方式，本发明利用有限元软件进行子弹罐体在各种条件下的模拟仿真，确定相应的温度和应力变化范围，并有针对性的进行分布式温度和应变光缆的布设，解决了目前对子弹罐体状态观察、监测方式单一的问题，能够全面、整体的监测子弹罐体状态；本发明能够针对不同尺寸的子弹罐在不同条件下进行温度和应变模拟，并进行有针对性的监测，具有广泛的应用前景。
（2）本发明采用布设温度光缆、应变光缆和土压力计的方式对子弹罐进行温度和应力应变监测，实现“三位一体”的监测，同时温度、应变、土压力值等数据间可以互为参考，共同为子弹罐体的状态预警。
（3）本发明在子弹罐体表面布设的各种光缆和传感器都无需通电，本身也不会带电，且对子弹罐体本身无任何影响，完全满足子弹罐体安全的要求，不会对子弹罐的本质安全性造成破坏。
（4）本发明的现场控制系统能够智能识别储罐运行条件，并自主选择温度、应力应变和土压力值的测量频率、控制范围和精度要求，同时将精度要求下达给各项数据采集器，由各项数据采集器自行调整采集精度；采集的数据经现场控制系统传输给数值模拟系统，数值模拟系统形成子弹罐体的温度、应力应变云图；中控显示屏接收到现场控制系统的数据后，交替显示各项数据值和数据云图。
（5）本发明的预警提示同时会在中控显示屏、现场控制系统、数值模拟系统和数据采集器上响起，并且在屏幕上显示罐体上超出预警的位置，且现场控制系统是全屏显示。
（6）通过对傅里叶定律公式进行改进，综合泄漏点、罐内和环境温度的热辐射影响，形成温度与距离的参数方程；根据实际情况限定温度仅与距离相关，提高了泄露点位置的计算精度和计算速度。
附图说明
图1为本发明所述智能监测系统示意图。
图中：1-子弹罐体；2-分布式应变光缆；3-分布式温度光缆；4-土压力计；5-温度采集器；6-应变采集器；7-土压力采集器；8-现场控制系统；9-中控室显示屏；10-数值模拟系统；11-沙床基础；12-覆土层。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“连接”等应做广义理解，例如，可以是一体的连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测系统，包括子弹罐体1、分布式应变光缆2、分布式温度光缆3、土压力计4、温度采集器5、应变采集器6、土压力采集器7、现场控制系统8、中控室显示屏9以及数值模拟系统10。子弹罐体1坐落在沙床基础11上，子弹罐体1表面铺设覆土层12。
如图1所示，4条分布式应变光缆2均匀布设在子弹罐体1表面8个不同位置，分布式应变光缆2包括微型定点分布式应变传感光缆和碳纤维复合基应变感测光缆，均匀布设在子弹罐体1的表面，保证分布式应变光缆2在子弹罐体1封头位置呈“米”字型分布。
如图1所示，4条分布式温度光缆3均为塑封铠装分布式温度传感光缆，均匀布设在子弹罐体1表面8个不同位置，保证分布式温度光缆3在子弹罐体1封头位置呈“米”字型分布。封头位置的每条分布式应变光缆2和分布式温度光缆3都自成回路，即对于同一个点，能够监测出两组数据，后续均通过相应的采集器共同传递到现场控制系统8进行相应的自比对。
如图1所示，子弹罐体1正下方20~80cm深度的沙床基础11中布设有多个土压力计4，该土压力计4为光纤光栅土压力计，通过感知土体应力以及子弹罐体1结构与土体的接触压力变化，反映子弹罐体1下部沙床基础11的稳定性。
所有的分布式应变光缆2均与应变采集器6信号连接，应变采集器6用于收集分布式应变光缆2检测到的应变数据；应变采集器6为回路式高精分布应变采集器，通过光的散射与反射原理结合应变与温度的关系，有效监测不同工作温度下子弹罐体1表面的应变情况。
所有的分布式温度光缆3均与温度采集器5信号连接，温度采集器5用于收集分布式温度光缆3检测到的温度数据；温度采集器5为分布式光纤温度采集仪，通过拉曼散射原理结合光时域反射技术连续监测子弹罐体1表面任意一点的温度，结合分布式温度光缆3形成对子弹罐体1表面的整体温度监测单元。
土压力计4均与土压力采集器7信号连接，土压力采集器7用于收集土压力计4检测到的土体应力以及子弹罐体1结构与土体的接触压力数据；该土压力采集器7为便携式土压力数据解调器，通过光的波长变化感知压力变化情况，监测子弹罐体1下部沙床基础11的稳定性。
如图1所示，所述温度采集器5、应变采集器6、土压力采集器7均与现场控制系统8信号连接，现场控制系统8为数据的接收端和发送端，现场控制系统8还与中控室显示屏9、数值模拟系统10信号连接，进行数据通信。
中控室显示屏9用于显示各种数据采集设备采集到的数据信息，同时显示子弹罐体1的运行数据，从而进行数据核对，便于施工人员监管。
数值模拟系统10作为整个智能监测系统的中央处理器，模拟出各种不同工况条件下子弹罐体1的温度和应变数据范围，并下发给现场控制系统8，同时根据现场控制系统8和中控室显示屏9的数据比对情况，自主进行温度和应变数据范围的实时更新。
利用上述基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测系统进行子弹罐应变和温度智能监测的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：数值模拟系统10根据子弹罐体1的尺寸数据，在有限元软件中建立1：1仿真模型，并对子弹罐体1进行空罐、水压试验、充装试验、地震、渗漏和恶劣天气等条件下的模拟，确定相应的温度、应力和应变变化范围，作为现场控制系统8监测的初始范围；
步骤2：根据有限元软件模拟得到的温度、应力和应变分布情况以及现场监测条件，从子弹罐体1的封头处开始，呈“米”字型布设分布式应变光缆2和分布式温度光缆3，实现对子弹罐体1表面的监测全覆盖；布设光缆时，首先利用毛刷在光缆布设路径上涂刷一层环氧树脂底胶粘结剂，以提高光缆粘合度，然后在底胶区域平直布设光缆，避免光缆弯曲，布设完成后，在光缆上部再刷一层面胶粘结剂，使得光缆与子弹罐体1充分贴合；待面胶粘结剂固化强度达到50%以上后，在其表面粘贴一层铝箔，防止后期焊渣灼损；对于光缆引线部位，利用钢丝软管保护，防止引线光缆在出线处受到破坏。
步骤3：利用激光发射器检验步骤2中所布设的分布式应变光缆2和分布式温度光缆3是否导通；如不通，需要先通过分布式光纤采集器5和6寻找光纤断点（一根光纤上断点不宜超过5个，否则会影响测量数据质量），并去除断点处光纤表面的胶水，再对断点处进行熔接，接着涂抹胶水，最后做好相关防护；然后进入步骤4，否则重新布设；
步骤4：光缆全部布设完成后，在子弹罐体1落位位置正下方的20~80cm深度布设多个土压力计4；布设土压力计4时，首先对沙床基础进行开槽，并将土压力计4固定在龙骨架上，然后将各个土压力计4（需要注意：中心波长段的土压力计只能布设一个，以免造成数据干扰）串联熔接，引线固定在龙骨架上，接着将已固定多个土压力计4的龙骨架放置到沙床基础11中，并将土压力计4另一端连接引线引至地表构成回路；最后使用土压力采集器7检验土压力计4的状态是否完好，确认完好后进行回填，回填结束后对外露的引线进行保护。
步骤5：将完成光缆布设的子弹罐体1落位到沙床基础11上；
步骤6：子弹罐体1落位完成后，通过分布式温度光缆3采集子弹罐体1表面温度汇集到温度采集器5，并对温度采集器5的精度和准度进行修正和校准；通过分布式应变光缆2采集子弹罐体1表面的应变数据汇集到应变采集器6，确定为子弹罐体1表面应变的基础数据，同时对应变采集器6的精度进行调整以降低误报概率，确保满足现场要求；通过土压力计4采集子弹罐体1罐底的土压力基础值汇集到土压力采集器7，作为后续工作的参考值；
步骤7：温度采集器5、应变采集器6、土压力采集器7汇总的数据均通过射频技术传输至现场控制系统8中，由现场控制系统8内置比对模块进行比对分析，判断是否在初始范围内；若不在初始范围内，则调整现场控制系统8的初始范围，并对数值模拟系统10的模拟模块进行修正；同时，各采集器采集的子弹罐体1相关数据均无线传输到中控室显示屏9上进行显示；
步骤8：对子弹罐体1进行实际水压试验，通过应变采集器6采集子弹罐体1的应变数据以及土压力采集器7采集子弹罐体1罐底的土压力数据，现场控制系统8进一步对其内部存储的应变监测范围进行细化修正；同时对子弹罐体1内的水温数据与温度采集器5采集到的数据进行比对，获取子弹罐1内外的温度差，作为后续其他试验的修正值；
步骤9：进行子弹罐体1的实际充装试验，通过分布式温度光缆3监测子弹罐体1表面的温度数据，并将其与充装速度建立联系，通过分布式应变光缆2监测子弹罐体1表面的应变情况，并将其与充装量建立联系，进而建立应变情况的温度补偿关系；
具体地，本发明是根据公式
Figure 470303DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 856285DEST_PATH_IMAGE020
以及测得的温度值与当前温度下的应变数据，推算出实际应变值，从而建立应变与温度的补偿关系，进而对现场控制系统8的监测范围进行针对性地调整，数值模拟系统10也随之更新；式中，
Figure 354131DEST_PATH_IMAGE022
表示应变偏差，
Figure 218182DEST_PATH_IMAGE024
表示罐体的热膨胀系数，
Figure 235816DEST_PATH_IMAGE026
表示分布式应变光缆2的热膨胀系数，
Figure 792700DEST_PATH_IMAGE028
表示温度变化值，
Figure 774912DEST_PATH_IMAGE030
表示分布式应变光缆2的温度-应变系数，
Figure 442654DEST_PATH_IMAGE032
表示分布式应变光缆2的灵敏系数，
Figure 580374DEST_PATH_IMAGE034
表示实际应变值，
Figure 42580DEST_PATH_IMAGE036
表示测量得到的应变值。
步骤10：进行子弹罐体1渗漏模拟试验，在子弹罐体1卸料时，将阀门控制到最小开合度，观察温度采集器5的温度变化情况和应变采集器6的应变变化情况；若温度采集器5和应变采集器6未发生变化，则调整相应采集器的精度，同时调整现场控制系统8在渗漏情况下的控制精度；具体地，采集器会开启内置的测量信号放大器，将放大后的数据传输给现场控制系统8，现场控制系统8会调用数值模拟系统10中泄露模拟的数据范围放大同样倍数后进行比较控制。
步骤11：通过上述试验和模拟后，现场控制系统8对各种条件下的温度和应变监测范围完成确认，数值模拟系统10的温度和应变模拟与实际情况的近似度得到提高，即可开启现场控制系统8的智能识别模式，进行智能监测工作。
步骤12：现场控制系统8首先控制温度采集器5、应变采集器6以及土压力采集器7进行试采集，将采集到的数据与现场控制系统8内部存储的数据范围进行比对，选择最接近的作为数据采集条件，并向各个采集设备发出调整为当前条件下采集精度的指令；各个采集设备接收到相关指令后，自动调整采集精度后正式开始实时采集子弹罐体1各项数据，同时，数值模拟系统10也根据现场控制系统8选取的条件进行对应调整；
调整后的数值模拟系统10根据现场控制系统8传输过来的数据形成子弹罐体1的温度和应变云图，现场控制系统8将各项监测数据以及数值模拟系统10形成的云图数据传输至中控室显示屏9上显示，供现场人员实时查看，便于了解子弹罐体1各项情况。
对于特殊的地质情况和恶劣的天气情况，现场控制系统8选取现有的最极端条件控制各个采集器进行温度和应变数据收集，同时将采集到的数据与内部存储的初始范围进行比对；当检测数据超出范围时，向中控室显示屏9传递警告信息，提醒相关人员注意；
对于其他未试验或未模拟的工况条件，现场控制系统8进行数据收集并发送给数值模拟系统10，数值模拟系统10依据现有数据进行模拟，并给出该工况条件下子弹罐体1的温度和应变数据范围，反馈给现场控制系统8，至此，现场控制系统8建立一个新的工况条件监测模式。
针对部分光缆出现破坏的情况，分布式应变光缆2、分布式温度光缆3自动从“回路式”切换到“单向式”，同样可以进行温度或应变数据的采集。
针对出现渗漏的情况，本发明根据实际情况限定温度不随时间发生变化，简化参数条件，同时对范围和距离进行赋值，并根据实际情况同时考虑罐体和土体对温度的影响，利用如下公式（1）对渗漏位置进行定位：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
（1）
其中，
Figure 718281DEST_PATH_IMAGE004
表示温度；
Figure 189713DEST_PATH_IMAGE006
表示分布式温度光缆3位置的环境温度；
Figure 916361DEST_PATH_IMAGE008
表示子弹罐体1的半径；
Figure 64314DEST_PATH_IMAGE010
表示土体的热扩散系数；
Figure 774781DEST_PATH_IMAGE012
表示罐体的热扩散系数；
Figure 518746DEST_PATH_IMAGE014
表示相邻分布式温度光缆3的径向距离；
Figure 631059DEST_PATH_IMAGE016
表示渗漏点到分布式温度光缆3测量点的最短距离或分布式温度光缆3测量点到罐体内部的距离。
实际应用中，首先通过收集分布式温度光缆3采集的数据确定最低温度点的位置，模糊确定渗漏点大概位置；然后通过数值模拟系统10对最低温度点上下两个测量点的温度值进行比较，选择更接近最低温度的次低温度进行计算，其中，最低温度与次低温度均根据公式（1）计算获得，获取最低温度和次低温度的比值关系；最后，根据温度与距离的公式（1），通过已知的最低温度点与次低温度点间距离和最低温度与次低温度的比值，即可算出渗漏点与最低温度点的距离，从而确定渗漏点的准确位置。
利用本发明所提供的计算方法，根据实际情况限定温度仅与距离相关，提高了泄露点位置的计算精度和计算速度。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用数值模拟系统(10)在有限元软件中建立子弹罐体(1)与下方沙床基础(11)的1∶1仿真模型，并进行不同工况条件下的模拟，确定温度、应力和应变变化范围，作为现场控制系统(8)监测的初始范围；
步骤2：从子弹罐体(1)的封头处开始，呈“米”字型布设分布式应变光缆(2)和分布式温度光缆(3)；在子弹罐体(1)落位位置正下方沙床基础(11)中布设多个土压力计(4)；再将完成光缆布设的子弹罐体(1)落位到沙床基础(11)上；
步骤3：分布式温度光缆(3)采集温度数据汇集到温度采集器(5)，分布式应变光缆(2)采集应变数据汇集到应变采集器(6)，土压力计(4)采集土压力基础值汇集到土压力采集器(7)，同时对各采集器的精度进行修正校准；各采集器的数据均传输至现场控制系统(8)中进行比对分析，判断是否在初始范围内，在初始范围内则进入步骤4，否则调整现场控制系统(8)的初始范围，修正数值模拟系统(10)的模拟模块；
步骤4：对子弹罐体(1)进行水压试验，根据应变采集器(6)以及土压力采集器(7)采集的数据，现场控制系统(8)进一步对应变监测范围进行细化修正，同时比对获取子弹罐体(1)罐内外温度差，作为后续其他试验的修正值；
步骤5：对子弹罐体(1)进行充装试验，通过分布式温度光缆(3)监测子弹罐体(1)表面温度数据，并与充装速度建立联系，通过分布式应变光缆(2)监测子弹罐体(1)表面应变情况，并与充装量建立联系，进而建立应变情况的温度补偿关系；
步骤6：对子弹罐体(1)进行渗漏模拟试验，观察温度采集器(5)和应变采集器(6)的变化情况，据此调整采集器的精度，同时调整现场控制系统(8)的控制精度；
步骤7：开启现场控制系统(8)的智能识别模式，进行智能监测工作；首先控制各采集器进行试采集，将采集到的数据与现场控制系统(8)内部存储的数据范围进行比对，选择最接近的作为数据采集条件，并向各采集器发出调整为当前条件下采集精度的指令；同时，数值模拟系统(10)根据现场控制系统(8)选取的条件进行对应调整；
调整后的数值模拟系统(10)根据现场控制系统(8)传输的数据形成温度和应变云图，现场控制系统(8)将各项监测数据以及云图数据传输至中控室显示屏(9)上显示；现场控制系统(8)将采集到的数据与内部存储的数据范围进行实时比对，当检测数据超出范围时，向中控室显示屏(9)传递警告信息；
针对出现渗漏的情况，利用如下公式对渗漏位置进行定位：
Figure FDA0003653934070000021
其中，T表示温度；TC表示分布式温度光缆(3)位置的环境温度；R表示子弹罐体(1)的半径；α1表示土体的热扩散系数；α2表示罐体的热扩散系数；L表示相邻分布式温度光缆(3)的径向距离；r表示渗漏点到分布式温度光缆(3)测量点的最短距离或分布式温度光缆(3)测量点到罐体内部的距离。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测方法，其特征在于，所述步骤7中，首先通过收集分布式温度光缆(3)采集的数据确定最低温度点的位置，模糊确定渗漏点大概位置；然后通过数值模拟系统(10)对最低温度点上下两个测量点的温度值进行比较，选择更接近最低温度的次低温度进行计算，获取最低温度和次低温度的比值关系；最后，根据温度与距离的公式，通过已知的最低温度点与次低温度点间距离、最低温度与次低温度的比值，算出渗漏点与最低温度点的距离，确定渗漏点的准确位置。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测方法，其特征在于，所述步骤5中，根据公式
Figure FDA0003653934070000022
ε实＝ε测-Δε偏以及测得的温度值与当前温度下的应变数据，计算出实际应变值，从而建立应变与温度的补偿关系，进而对现场控制系统(8)的监测范围进行针对性地调整，数值模拟系统(10)也随之更新；式中，Δε偏表示应变偏差，βj表示罐体的热膨胀系数，βb表示分布式应变光缆(2)的热膨胀系数，Δt表示温度变化值，α表示分布式应变光缆(2)的温度-应变系数，K表示分布式应变光缆(2)的灵敏系数，ε实表示实际应变值，ε测表示测量得到的应变值。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测方法，其特征在于，所述步骤2中，布设光缆时，首先利用毛刷在光缆布设路径上涂刷一层环氧树脂底胶粘结剂，然后在底胶区域平直布设光缆，避免光缆弯曲，布设完成后，在光缆上部再刷一层面胶粘结剂，使得光缆与子弹罐体(1)充分贴合；待面胶粘结剂固化强度达到50％以上后，在其表面粘贴一层铝箔，防止后期焊渣灼损；对于光缆引线部位，利用钢丝软管保护，防止引线光缆在出线处受到破坏；光缆布设完成后，利用激光发射器检验所布设的分布式应变光缆(2)和分布式温度光缆(3)是否导通；光缆不导通时，通过温度采集器(5)和应变采集器(6)寻找光缆断点，并去除断点处光缆表面的胶水，再对断点处进行熔接，接着重新涂抹胶水，最后做好防护。
5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测方法，其特征在于，所述步骤2中，土压力计(4)布设在子弹罐体(1)落位位置正下方20～80cm深度的沙床基础(11)中，布设土压力计(4)时，首先对沙床基础(11)进行开槽，并将土压力计(4)固定在龙骨架上，然后将各个土压力计(4)串联熔接，其中，中心波长段的土压力计只布设一个，防止造成数据干扰，然后将引线固定在龙骨架上，接着将已固定多个土压力计(4)的龙骨架放置到沙床基础(11)中，并将土压力计(4)另一端连接引线引至地表构成回路；最后使用土压力采集器(7)检验土压力计(4)的状态是否完好，确认完好后进行回填，回填结束后对外露的引线进行保护。
6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测方法，其特征在于，所述步骤6中，现场控制系统(8)的控制精度调整方式为：采集器开启内置的测量信号放大器，将放大后的数据传输给现场控制系统(8)，现场控制系统(8)调用数值模拟系统(10)中泄露模拟的数据范围放大同样倍数后进行比较控制。
7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测方法，其特征在于，所述步骤7中，对于其他未试验或未模拟的工况条件，现场控制系统(8)进行数据收集并发送给数值模拟系统(10)，数值模拟系统(10)依据现有数据进行模拟，并给出该工况条件下子弹罐体(1)的温度和应变数据范围，反馈给现场控制系统(8)，现场控制系统(8)建立一个新的工况条件监测模式。
8.用于实现权利要求1至7中任一项所述的基于分布式光纤的子弹罐应变和温度智能监测方法的子弹罐应变和温度智能监测系统，其特征在于，包括分布式应变光缆(2)、分布式温度光缆(3)、土压力计(4)、温度采集器(5)、应变采集器(6)、土压力采集器(7)、现场控制系统(8)、中控室显示屏(9)以及数值模拟系统(10)；子弹罐体(1)坐落在沙床基础(11)上，表面铺设覆土层(12)；
4条分布式应变光缆(2)、4条分布式温度光缆(3)都均匀布设在子弹罐体(1)表面8个不同位置，同一组分布式应变光缆(2)和分布式温度光缆(3)平行紧邻布设，整体在子弹罐体(1)封头位置呈“米”字型分布；多个土压力计(4)串联均布在子弹罐体(1)正下方20～80cm深的沙床基础(11)中；
分布式应变光缆(2)均与应变采集器(6)信号连接，分布式温度光缆(3)均与温度采集器(5)信号连接，土压力计(4)均与土压力采集器(7)信号连接；温度采集器(5)、应变采集器(6)、土压力采集器(7)均与现场控制系统(8)信号连接，现场控制系统(8)为数据的接收端和发送端，现场控制系统(8)还与中控室显示屏(9)、数值模拟系统(10)信号连接，进行数据通信；
中控室显示屏(9)显示各采集器采集到的数据信息，同时显示子弹罐体(1)的运行数据；数值模拟系统(10)作为整个智能监测系统的中央处理器，模拟出各种不同工况条件下子弹罐体(1)的温度和应变数据范围，并下发给现场控制系统(8)，同时根据现场控制系统(8)和中控室显示屏(9)的数据比对情况，自主进行温度和应变数据范围的实时更新。
9.根据权利要求8所述的子弹罐应变和温度智能监测系统，其特征在于，所述分布式应变光缆(2)包括微型定点分布式应变传感光缆和碳纤维复合基应变感测光缆，均匀布设在子弹罐体(1)的表面。
10.根据权利要求8所述的子弹罐应变和温度智能监测系统，其特征在于，所述分布式温度光缆(3)均为塑封铠装分布式温度传感光缆，土压力计(4)为光纤光栅土压力计；应变采集器(6)为回路式高精分布应变采集器，通过光的散射与反射原理结合应变与温度的关系，监测不同工作温度下的子弹罐体(1)表面应变情况；温度采集器(5)为分布式光纤温度采集仪，通过拉曼散射原理结合光时域反射技术，连续监测子弹罐体(1)表面任意一点的温度；土压力采集器(7)为便携式土压力数据解调器，通过光的波长变化感知压力变化情况，监测子弹罐体(1)下部沙床基础(11)的稳定性。
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