Qual é o papel da "sensoriamento por fibra óptica" em cidades inteligentes?

Centro Técnico Global OFSCN Base de Conhecimento Técnico OFSCN
1

Como ele monitora vazamentos e deformações em redes subterrâneas de tubulações?

2

Na construção de cidades inteligentes, o monitoramento da saúde das redes subterrâneas (como redes de abastecimento de água e esgoto, aquecimento, gás e dutos de eletricidade) é de suma importância. A tecnologia de sensoriamento por fibra óptica (especialmente a tecnologia de sensoriamento por fibra de grade de Bragg - FBG - e a tecnologia de sensoriamento distribuído por fibra) utiliza principalmente os efeitos de modulação física da luz durante a transmissão na fibra (deslocamento de comprimento de onda, desvio de frequência/mudança de fase da luz dispersa) para realizar o monitoramento quantitativo em tempo real de alta precisão de deformação e vazamento nas redes.

I. Princípio Técnico do Monitoramento de Deformação de Redes Subterrâneas

Quando a rede sofre recalque do solo, deslocamento não uniforme, compressão do solo ou fluência estrutural, a superfície do tubo gera deformação.

  1. Mecanismo de Resposta de Deformação do Comprimento de Onda da Grade de Bragg de Fibra (FBG)
    A grade de fibra de Bragg, formando uma modulação periódica do índice de refração dentro do núcleo da fibra, tem seu comprimento de onda central de reflexão de Bragg \lambda_B determinado conjuntamente pelo índice de refração efetivo n_{\text{eff}} e pelo espaçamento da grade \Lambda :

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

    Quando o corpo do tubo sofre deformação e atua sobre o sensor, a deformação mecânica \varepsilon resultante causa um deslocamento no comprimento de onda \Delta \lambda_B :

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

    Onde S_\varepsilon é o coeficiente de sensibilidade à deformação e S_T é o coeficiente de sensibilidade à temperatura. Após a eliminação da interferência de temperatura (compensação de temperatura), o tamanho da deformação do corpo do tubo pode ser medido com precisão.

  2. Matriz de Deformação Multiponto e Reconstrução de Postura/Deslocamento
    Vários sensores de deformação FBG são dispostos ao longo dos eixos axial e circunferencial do tubo, formando uma rede de sensores. Ao obter a distribuição da deformação positiva e negativa em diferentes pontos de medição do corpo do tubo, a postura tridimensional de flexão, o recalque e o deslocamento local do tubo podem ser reconstruídos usando algoritmos de mecânica elástica e integração de curvatura.

II. Princípio Técnico do Monitoramento de Vazamento em Redes Subterrâneas

O rompimento e vazamento de tubulações subterrâneas são capturados principalmente através de dois efeitos físicos: anomalia de campo de temperatura e anomalia mecânica/acústica/vibracional:

  1. Método de Detecção de Anomalia de Campo de Temperatura (Vazamento de Água/Meio Térmico)
    O líquido que vaza (como água quente de aquecimento ou água potável) geralmente tem uma diferença de temperatura com o solo/água subterrânea ao redor da rede. Após ocorrer o vazamento, a difusão do líquido para fora altera significativamente o gradiente de temperatura local fora da parede do tubo. Sensores de temperatura FBG ou medição de temperatura distribuída (DTS) podem capturar em tempo real esse ponto de anomalia de temperatura, permitindo o posicionamento preciso da área de vazamento.

  2. Mutação de Tensão/Pressão e Detecção de Vibração Acústica (Redes de Alta Pressão)
    Quando ocorrem vazamentos em tubulações de alta pressão, a tensão concentrada na parede do tubo perto da ruptura muda drasticamente, e o sinal vibracional acústico gerado pelo jato de líquido/gás se propaga ao longo do tubo. Utilizando sensores de tensão/pressão FBG ou sensoriamento acústico distribuído (DAS), é possível capturar em tempo real esse sinal de alta frequência de vibração e queda de pressão.

III. Produtos de Sensor Correspondentes OFSCN® Oficiais

Para as necessidades de monitoramento de deformação e tensão/temperatura em ambientes complexos de redes subterrâneas, a Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) oferece uma série de produtos de sensores FBG com proteção à prova d’água e alta resistência mecânica:

1. Monitoramento de Deformação e Tensão de Tubulações

Para monitoramento de recalque, flexão e deformação axial de tubulações, podem ser utilizados sensores de deformação FBG encapsulados em tubo de liga ou encapsulados em polímero:

2. Análise de Tensão e Cálculo de Tensão na Parede do Tubo

Utilizando o módulo de elasticidade E do material estrutural, em conjunto com o sensor de deformação, o estado de tensão na parede do tubo pode ser convertido em tempo real ( \sigma = E \cdot \varepsilon ):

3. Monitoramento de Temperatura de Vazamento e Compensação de Temperatura

Sensores de temperatura FBG encapsulados em tubo de aço sem costura podem ser usados para detectar mudanças no campo de temperatura causadas por vazamentos e, ao mesmo tempo, fornecer dados precisos de compensação de temperatura para o monitoramento de deformação: