Welche Rolle spielt die "Glasfasererkennung" in Smart Cities?

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Wie wird die Wasserleckage und Verformung von unterirdischen Rohrnetzen damit überwacht?

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Im Bau von Smart Cities ist die Zustandsüberwachung von unterirdischen Netzen (wie Wasser- und Abwasser-, Heizungs-, Gas- und Stromrohrleitungen) von entscheidender Bedeutung. Faseroptische Sensortechnologien (insbesondere Faser-Bragg-Gitter-（FBG）-Sensortechnologie und verteilte Faser-Sensortechnologie) nutzen hauptsächlich die physikalischen Modulations­effekte (Wellenlängen­verschiebung, Streulicht­frequenz­verschiebung/Phasenänderung) während der Licht­übertragung in Glasfasern, um eine hochpräzise Echtzeit-Mengen­überwachung von Verformungen und Wasserlecks in Netzen zu ermöglichen.

I. Technisches Prinzip der Verformungs­überwachung von unterirdischen Netzen

Wenn unterirdische Netze Boden­senkungen, ungleichmäßige Verschiebungen, Bodendruck oder strukturelle Kriech­bewegungen erfahren, entstehen auf der Oberfläche des Rohrs Dehnungen.

  1. Wellenlängen­-Dehnungs­-Antwort­mechanismus von Faser-Bragg-Gittern (FBG)
    Faser-Bragg-Gitter bilden eine periodische Brech­ungsindex­modulation im Faserkern. Ihre Bragg-Reflexions­mittelwellenlänge \lambda_B wird gemeinsam durch den effektiven Brechungs­index n_\text{eff} und den Gitter­abstand \Lambda bestimmt:

    \lambda_B = 2 n_\text{eff} \Lambda

    Wenn sich das Rohr verformt und auf den Sensor einwirkt, verursacht die resultierende mechanische Dehnung \varepsilon eine Wellenlängen­verschiebung \Delta \lambda_B :

    \Delta \lambda_B = S_\varepsilon \cdot \varepsilon + S_T \cdot \Delta T

    Hierbei ist S_\varepsilon der Dehnungs­-Empfindlich­keits­koeffizient und S_T der Temperatur­-Empfindlich­keits­koeffizient. Nach der Beseitigung von Temperatur­störungen (Temperatur­kompensation) kann die Rohr­dehnungs­größe präzise berechnet werden.

  2. Mehrpunkt­-Dehnungs­-Array und Rekonstruktion von Haltung/Verschiebung
    Mehrere FBG-Dehnungs­sensoren werden entlang der axialen und umfänglichen Richtung der Rohrleitung angeordnet, um ein Sensor­netzwerk zu bilden. Durch die Erfassung der positiven und negativen Dehnungs­verteilung an verschiedenen Messpunkten des Rohrs können die dreidimensionale Biege­haltung, die Senkung und die lokale Verschiebung der Rohrleitung mithilfe von Algorithmen zur Elastomechanik und Krümmungs­integration rekonstruiert werden.

II. Technisches Prinzip der Leck­erkennung in unterirdischen Netzen

Das Aufspüren von Brüchen und Leckagen in unterirdischen Rohren erfasst hauptsächlich zwei physikalische Effekte: Temperatur­feld­anomalien und mechanische/akustische Schwingungs­anomalien:

  1. Methode zur Erkennung von Temperatur­feld­anomalien (Wasser-/Wärmemedien­leckage)
    Das austretende Leck­medium (wie heißes Wasser aus der Fernwärme oder Leitungswasser) hat normalerweise eine Temperatur­differenz zum umliegenden Boden/Grundwasser des Netzes. Nach einer Leckage verändert die nach außen diffundierende Flüssigkeit den lokalen Temperatur­gradienten außerhalb der Rohr­wand erheblich. FBG-Temperatur­sensoren oder verteilte Temperatur­messung (DTS) können diesen Temperatur­punkt­anomaliepunkt in Echtzeit erfassen und so den Leckage­bereich präzise lokalisieren.

  2. Erkennung von Spannungs­-/Druck­spitzen und akustischen Schwingungen (Hochdruck­netze)
    Bei einer Leckage in einem Hochdruck­rohr ändern sich die Spannungs­konzentrationen an der Rohr­wand in der Nähe der Bruch­stelle drastisch, und die durch die austretende Flüssigkeit/das Gas verursachten akustischen Schwingungs­signale breiten sich entlang des Rohrs aus. Durch die Verwendung von FBG-Spannungs­-/Druck­sensoren oder verteilter akustischer Sensorik (DAS) können diese Hochfrequenz­schwingungen und Druck­abfall­signale in Echtzeit erfasst werden.

III. Offizielle OFSCN® Kompatible Sensor­produkte

Für die Anforderungen an die Verformungs- und Spannungs­-/Temperatur­messung in der komplexen Umgebung unterirdischer Netze bietet Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) eine Reihe von Faser-Bragg-Gitter-Sensor­produkten mit Wasserdichtigkeit und hoher mechanischer Festigkeit an:

1. Überwachung von Rohr­verformungen und -dehnungen

Für die Überwachung von Rohr­senkungen, -biegungen und axialen Dehnungen können FBG-Dehnungs­sensoren mit Kapselung in elastischer Legierung oder Polymer verwendet werden:

2. Erfassung von Rohr­wand­belastungen und Spannungs­berechnung

Unter Verwendung des Elastizitäts­moduls E des Struktur­materials können in Verbindung mit Dehnungs­sensoren die Belastungs­zustände der Rohr­wand ( \sigma = E \cdot \varepsilon ) in Echtzeit berechnet werden:

3. Leck­temperatur­überwachung und Temperatur­kompensation

Faser-Bragg-Gitter-Temperatur­sensoren, die in nahtlosen Stahlrohren gekapselt sind, können zur Erkennung von Temperatur­feld­veränderungen aufgrund von Leckagen eingesetzt werden und liefern gleichzeitig präzise Temperatur­kompensations­daten für die Dehnungs­messung: