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1 概述
管道是油氣(qi)輸送的主要方(fang)式，具(ju)有運量大、不受氣候和(he)地面其他因素限(xian)製、可连續作業以及成本低等優點(dian)，油氣管(guan)道也被(bei)称為“能源血脉”。随着我(wo)國能源(yuan)工業的发展，尤其是石油、天然氣消費速度的增长(zhang)，管(guan)道工程建設迅猛发展(zhan)，管道輸送也(ye)成為(wei)第五大運輸業。我國現有70%的石油和99%的天然(ran)氣是通過管道運輸的，长輸干線管道已經達到8萬公(gong)里，海(hai)上油氣管道近5千(qian)公里。随着中亚诸國和俄羅斯(si)、缅甸、卡塔爾、伊(yi)朗、澳大利亚等境外油氣资源(yuan)的落實(shi)，未來几年將集中建設(she)一批跨國管道(dao)，到“十二五”規劃期末全國长輸(shu)油氣管(guan)道总里程將超過10萬公里。
油氣(qi)管道距离长、且多埋藏於(yu)地下，地質環境复雜；並且在用油氣管道中有相当部分服(fu)役時(shi)間超過20年，东部(bu)部分管網甚至超過30年，已步入事故高发期。油氣管道长期服役后會因(yin)腐蚀、地形沉降、管材及施工(gong)質量、機械施工及人為破坏等原因发生失效(xiao)事故，特別(bie)是近些年因恶(e)意打孔盗油（氣）和非法施工造成的管道(dao)安全事故常有发生(sheng)；另外，如地質塌陷、滑坡、泥石流等地質災害所(suo)造成的(de)安全事故亦時有報道。
近年來，随着我國长輸管道的迅猛发展，因打(da)孔盗油、非法施工等第(di)三方破(po)坏事件，以及如地質塌陷、滑坡、泥石流等地質災害(hai)所造成的安全事故(gu)時有发生，石(shi)油和天然氣本(ben)身的性質決定了它們一旦被破坏，不仅會造成资(zi)源损失和環境污染(ran)，甚至會產(chan)生火(huo)災、爆炸，產生巨大的經濟(ji)损失，更會破(po)坏周围環境和周(zhou)边人身安全。為(wei)此急(ji)需采用高科技的手段，及時(shi)、準確地測出管道安全状(zhuang)態(tai)變化，實現對輸油(you)管道進行實時在線监測尤顯重(zhong)要。保護油氣管道(dao)安全絕不仅仅是保護管道企業的利益，更重(zhong)要的，它保障的是廣大人民群衆的(de)正常(chang)生活和公共安全，保障的(de)是國家的經濟安全和社會稳(wen)定，維護管道安全(quan)任重道远。
2 目前現状
管道在(zai)國民經濟中的地位越(yue)重要管道的安全運行越受重視。對(dui)管道泄漏檢測方法的研(yan)究已有几十年的历史，但由於檢測的复雜性如管道輸送介質的(de)多樣(yang)性管道所處的環境（如地(di)上、管(guan)沟、埋地、海(hai)底）的多樣(yang)性，以(yi)及泄漏(lou)形式的多樣性（渗漏、穿孔、断裂等），使得目前(qian)還没有(you)一種通用的方法解決管道泄漏探測問題。在實际應用中，某一(yi)種泄漏檢測方法或一個檢漏裝置不能同時满足所有(you)要求，常常將几種方法綜合實用。
管道泄漏监測主要是對管道从不漏到(dao)突然发生泄漏的過程的监(jian)測,一般是采用固定的裝(zhuang)置對管道進行實時监測,一旦发生泄漏立即報(bao)警,使(shi)有關人員能够進行及時處理。人工(gong)例行(xing)巡檢、负(fu)壓波以及可燃氣體(ti)监測是天然氣輸送管道监測的常用方法。目前，傳統的监(jian)測方法如(ru)人工巡視、负壓波等方法已經不能適(shi)應分布地域廣(guang)、環境复雜程度和破坏(huai)前報警(jing)的要求，亟需一種工程造价低且能適應大範围监(jian)測要求(qiu)的分布式傳感监測系統。由於管道长度(du)长達几百公里，傳統的電測式傳感(gan)器需要(yao)沿管線布設几千只傳感器，从布點连線到数據采集不(bu)仅复雜且成(cheng)本高，並且受到布點(dian)数量的限(xian)製，无(wu)法全面反映管道的結(jie)構和功能情况。現在國内外應用於管線工程监測的技術和方法正在(zai)从傳統的點式儀器监測向分布式(shi)、自(zi)動化、高精度和(he)远程监測的方向(xiang)发展。
分布式光(guang)纖傳感技術(shu)是一種新興的傳感技術，它直接以管道同沟敷(fu)設的通訊光缆(lan)作為傳感器，其充分利(li)用光(guang)纖空間连續分布的特點，“傳”、“感”合一(yi)，可實現沿光纖分布(bu)任一點的物理(li)參量信息，具有測量信息豐富(fu)、可精確定位(wei)等優點。而且，光纖(xian)傳感技術是以光波為载體，光纖為媒質，與傳(chuan)統電學傳感器相(xiang)比，光纖傳感器(qi)具有測量精度高、抗電磁干扰(rao)、本質安全、小(xiao)巧轻柔、適合远程(cheng)傳輸等優(you)點，尤其適合(he)在電力、石化、交通(tong)、橋(qiao)梁、大坝等领域應用。以下是管道泄漏监測技術的對比情况。
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流量平衡法 |
负壓波技術 |
聲波技術 |
光纖傳感技術 |
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測量原理 |
將管道分成若干部分，每一(yi)部分都安裝(zhuang)超聲波流量計，並測定管道温度和環境(jing)温(wen)度等參数，經熱补偿后對比上游出站流量和下游(you)進站流量是否相等(deng)，進而判断管道是(shi)否泄漏(lou) |
在(zai)管(guan)道兩端裝壓力傳感器，根據上游出站和下游(you)進站的壓(ya)力參数變化判断管道是否发生泄漏。如发生泄漏，根據负壓波在油品中的傳播速度(du)以及傳輸到上下游傳感器的時間(jian)差即可進行定位 |
在管道兩端裝聲音傳感器，当管道发生泄漏時高壓油(you)品外泄與管壁摩擦產生(sheng)聲波信息，根據聲波在油品中的傳播速度以及(ji)傳輸到上(shang)下游傳感器的時間差即可進行定位 |
將(jiang)探測光(guang)纖沿管道線型铺設，實時获得管道沿線每一點的(de)温度實時(shi)信息；当管道(dao)发生泄漏時泄漏處(chu)的光纖的温度會发生變化，从而實現泄(xie)漏判断和位置精確定(ding)位 |
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技術先進度 |
早期成熟技術 |
早期成熟技術 |
成熟技術 |
國际先進成熟技術 |
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測量參量 |
流量 |
壓力 |
聲波 |
温度，應變 |
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測量時間 |
60秒 |
不超過120秒 |
不超過120秒 |
100秒 |
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泄漏檢測灵敏度 |
低 |
中 |
高 |
高 |
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定位精度 |
不能定位 |
300米 |
200米 |
1米以内 |
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误報率 |
高 |
高 |
高 |
低 |
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漏報率 |
高 |
中 |
高 |
低 |
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適應性 |
對较嚴重的管道泄(xie)漏敏感 |
管道正常的启(qi)、停操作和分輸操作易(yi)造成误報 |
對流量低、壓(ya)力高的管道泄漏敏感，管道正常的启(qi)、停操作和分輸操作易(yi)造成误報 |
完全(quan)不受管道启、停操作和分輸操作影響，適應(ying)性(xing)好 |
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抗干扰性 |
易受流量測(ce)量精度影響 |
负壓波傳(chuan)播速度影響因素多，易受電磁干扰 |
聲波傳播速度影響(xiang)因素多，易受電磁干扰 |
本質安全，完(wan)全不受電磁干扰影響 |
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后期維護 |
流量計需定期維護、校準，甚至更换 |
傳感器需定期維護、校準，甚至更换 |
傳感器需定期維護、校準，甚至更换 |
光纖寿命长，基本(ben)无需維護 |
將探測(ce)光缆沿管道同沟或者並行(xing)敷設，可實現(xian)管道沿線(xian)的温度、泄漏等异常(chang)状(zhuang)况實時监測，具有測(ce)量距离远、连續分布(bu)式測(ce)量、可精確(que)定位、安裝簡單、安全可(ke)靠、擴展性強等優點，對管道不會產生任何(he)破坏或影響其正(zheng)常生產，對(dui)已(yi)經稳定的和新发生的泄漏都可以進行识別，尤其適合管道在線监(jian)測應用。
基於業界最先(xian)進的分布式光纖傳感技術，將感(gan)温光缆沿輸氣管道同沟或者並行(xing)敷設，實時监測管(guan)道周围的温度分布(bu)情况，当輸氣管道局部出現温度(du)异常時分布式光纖傳感监測系統能及時捕获这些(xie)异常，並在温(wen)度曲線顯(xian)示出來，並定位出异(yi)常點的位置信息，便(bian)於管道維護人員及時檢修與(yu)處理，避免重大事故发(fa)生(sheng)。設計目標包括：
Ø 實時在線(xian)的温度分布式监測；
Ø 清楚指(zhi)示温(wen)度异常點的位置信息；
Ø 提供管道泄漏的早期探測。
l 《火(huo)災自動報警系統設計規範》 GB50116-98
l 《火災自動報警系統施工及驗收規範》GB50166-2007
l 《火災自動(dong)報警控(kong)製器通用技術条件》（GBJ4717-93）
l 《石油(you)化工企業生(sheng)產裝置電信設計規範》SHJ30-28（2007年版）
l 《線型光纖感温火災探測(ce)器》GB/T21197-2007
l 《火災報警探測器》GB4717-2005
l 《消防聯動控製系統》GB16806-2006
l 《光缆線路(lu)自動监測系統工程設計規範》YD/T5066-2005
l 《长(zhang)途通信光(guang)缆線路工程設計規範》YD5102-2005
l 《通信設備安裝工程工(gong)藝施工监理規範》YD5125-2011
管道出現(xian)泄漏(lou)后，泄漏(lou)點(dian)附近的温度會出現變化，利用BOTDA的分布式温度測量(liang)功能可實現管道泄漏在線监測與定位。
對於埋地油氣輸送管道，管線(xian)正常運行時沿(yan)線的温度場分布均匀；当管壁(bi)因(yin)破损、接头断裂等原因发生泄漏時，泄漏處的温度將发生變化。對於原油管道，需加熱輸送，泄漏處的温(wen)度將升高；對於(yu)天然氣管道，由於焦耳-汤姆逊效應，天然氣經過泄漏孔節流(liu)膨(peng)胀，節流膨胀過程前后的(de)焓(han)不變，在泄漏孔(kong)出口出現温度下降，如下(xia)圖所示。管道(dao)沿線敷設的測温光纖傳感器能及時(shi)捕获这些温度异常，並(bing)在温度分布曲線上實時(shi)顯示出來，通過智能化的(de)報警算(suan)法以及圖形化的專業分析软件，可以實時自(zi)動報警，並精確定位异(yi)常點的位置信息。
管道泄漏對周围温(wen)度影響示意圖
布里渊型分布式光纖測温系統BOTDA是一種超长距(ju)离监(jian)測設備。本項目設置1臺4通道的BOTDA主機，主機放置於(yu)聯合站(zhan)内，通道(dao)1监測聯合站至轉油站1之間的輸油管道（长度約63公里），通道2监測聯合站至轉油站2之間的輸油管道（长度約18公里），另外兩個通道(dao)備用。設備設置如下圖所示：
輸油管道泄漏分布(bu)式光纖(xian)在線监測系統示意圖
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設備配置情况 |
設備放置 |
监測對象 |
监測距离 |
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BOTDA主機（4通道） |
通道1 |
聯合站 |
聯合站—轉油站1區間管道 |
63km |
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通道2 |
聯合站—轉油站2區間管道 |
18km |
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通道3 |
備用 |
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通道4 |
備用 |
/ |
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温度探測光缆(lan)沿管道方(fang)向平行敷設。温(wen)度探測(ce)光缆直接采用與管道同(tong)沟敷設的(de)通信光缆（建議光缆位(wei)於管道上方0.1~0.2m處，以達(da)到理(li)想的监測效果）。
Ø 為获得(de)较(jiao)好的測温效果，管道上方回填沙層厚(hou)度建議(yi)大於0.1米，測温光缆沿管道方向平(ping)行敷(fu)設；
Ø 管道铺設時會(hui)出現分段铺設的情(qing)况，这就导致出現光(guang)缆需(xu)要熔接的情况，光缆熔接后采用光缆(lan)接續盒接續保護。
基於(yu)國际最先進的(de)布里渊型分布式光纖測温技術BOTDA的长輸管道泄漏在(zai)線监測，技術方案先進，在远端60公里處仍可實現±1.5℃的測温精度；感温光缆采用普通單模通信光纖，光缆内冗余的光纖可作(zuo)為(wei)光纖通信路由用，利用設備自(zi)带的软件即可實現全(quan)程温度监測，无需额外的組(zu)網方(fang)案。
1）连續分布式測量
分布(bu)式光(guang)纖傳感器是真正的分布式測量，可以连(lian)續得到沿着測温光缆几(ji)十公里的測量信息，误報和漏報率(lv)大大降低。同時實現實時监測(ce)。
2) 本征安全，防雷
光纖本(ben)身是(shi)由石英材料組成的，完全的電絕缘，傳感器不產生静電，可以抵抗高電壓和(he)高電流的冲擊。
3) 抗電磁干扰
光纖傳感器的信號是以光纖(xian)為媒介、光信(xin)號為载(zai)體，抗電磁干扰(rao)，本(ben)征安全，，在高電磁環境中可以正常的(de)工作。
4) 測量可靠，安裝簡單
光纖本身即為傳感器，傳”、“感”合一(yi)，安裝簡單；由於无需安裝额外的傳感元(yuan)件，傳感光缆中(zhong)間没(mei)有熔接點，可(ke)靠性高。
5 ) 測量(liang)距离远，適於远程监控
光纖的兩個突出優點就是傳輸数據量(liang)大(da)和损耗小，在无需中繼的情况下，可以(yi)實現几十公里的远程监(jian)測。
6) 寿命长，成本低(di)，系(xi)統簡單(dan)
光(guang)纖的材料為(wei)石英玻璃，其具有不腐蚀(shi)、耐火、耐水及(ji)寿命长的特性，通常可以服役30年。綜合考(kao)虑傳感器的自身成本(ben)以及以后的維護費用，使用光纖傳感器可以大大降低整個工程的最終經營成本。
5 產品介紹
布里渊型分布式光纖(xian)傳感器可同時實(shi)現温度與應變測量，其采用(yong)普(pu)通單模通信光纖為傳感器，且測量距离達(da)数十公里，远高於其(qi)它類型的(de)分布式光纖傳感器，是目前最具應用前景的光(guang)纖傳感器之一。
采用國(guo)际上(shang)最新一代的布里渊型分布式光纖傳感技術，可實現长達60km的温度和應變连(lian)續分布式(shi)測量。该系統采(cai)用標準的通信單模光纖(xian)，信息感知與信號傳輸於一體，可實時监測(ce)沿(yan)光纖分布式的温度和應變細微變化，並且精確定位事件位置，在海底光電(dian)复合缆、電力架空線、长輸油氣管道、大坝、橋梁等领(ling)域具有(you)重要應用。
该系統的測量(liang)原理為布里(li)渊光時域分析BOTDA技術，綜合利用了受激布里(li)渊散射效(xiao)應（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）、光時(shi)域反射技術原理。受激布里渊散射是光纖的固有物理(li)特性，是是(shi)光波和聲波在光纖中傳播時相互作用而產生(sheng)的光散射效應。BOTDA技術是从光纖的兩端分別(bie)注入(ru)脉冲光信號（泵浦激光）和连續(xu)光信(xin)號（探(tan)測激光(guang)），当脉冲光與连續光的頻率差與光纖中某個區間(jian)的布(bu)里渊頻移相等時，该區域就會发生受激布里(li)渊放大效(xiao)應，兩束光之間发生能量轉移。根據光纖布里渊(yuan)頻移與光纖應變、温度之(zhi)間的關系，對兩激光的頻率進行连續(xu)的調節(jie)，监測从光纖一端耦合出來的连續(xu)光功率可以確定光(guang)纖各小段區域上能量轉移達到最大時所對應的頻率差，从而(er)得到温(wen)度、應變(bian)信息，實現分布式測量。
系統技術原理
測量主(zhu)機是分布式光纖測温系統的核心。我司的BOTDA基於專利(li)技術設(she)計，集(ji)光(guang)電、硬(ying)件、計算(suan)機(ji)和信息處理等高新技術於一體，技(ji)術指標國际先(xian)進；同時由於采用光信號(hao)為载體，不(bu)受(shou)電磁干扰，本質安全，使用寿命长，適於恶劣環(huan)境下工作。
BOTDA測量主機
我司的布里渊光時域分析儀BOTDA监測系統(tong)具有如下技(ji)術優勢：
l 快速性
系統測温、定位速度非常(chang)高(gao)。為了提高測量時間，浙江(jiang)中欣采用了高速微弱信號處理技術優勢，單(dan)次測量(liang)時間最短為60s（70km測量距离），響應速度快。
l 測量距离长
布(bu)里渊分布式光纖监(jian)測系統最长測量距离可達70km，监測範(fan)围廣，可(ke)實現监測範围内的全方位监測。
l 分布特性
分布式光纖监測系統可提供连續動態(tai)监(jian)測长達70公里範围内每隔0.5米各點的温度變化(hua)信號，可任意設置各級報警值。
l 先進性
该系統在世界上目前(qian)性能指(zhi)標優异、功(gong)能性強、可(ke)靠性高、技術最先(xian)進的分布式光纖监測產品。關(guan)键器(qi)件優選國外進口高性能器件，核心算法經(jing)過嚴格測試。
l 灵活性
系統為實(shi)時在(zai)線监測方式，可以根(gen)據環境不同進行報警點温度參数設定(ding)；具有差(cha)定温多種報警(jing)方式，並且報警參(can)数可按客戶需求進行分區設(she)置，報警方(fang)式灵(ling)活。
l 兼容性
系統主機為開(kai)放通信协議(yi)，提供與(yu)工作站聯接的通信接口(kou)，在中央控製室防災報警工作站以漢化的圖文方(fang)式顯示温度曲線(xian)、報警位置、報警温度等全部信息(xi)；系統可(ke)以通過RS232、RS485、内置繼電器、RJ45或其它工業协(xie)議等輸出形(xing)式與PC、報警系統等其它控製(zhi)設(she)備進行连動信號輸出準確、完整。
l 安全性
探測光(guang)缆本征安全，采(cai)用光信號，不(bu)受(shou)電磁干扰。
如果光纖受损，BOTDA系統可(ke)以即時定位受损點，並通過光(guang)纖熔接機對其進(jin)行熔接，这對於有效的實施在線(xian)监測時非常重要的。
浙江中欣提供(gong)界(jie)面友好、操作簡單(dan)的分布式光纖温度、應變监測應用软件。该软件主(zhu)要包括(kuo)：温度监(jian)測、應變监測、事件報(bao)警、数據分析、可視化(hua)顯示(shi)等功能模块。
l 温度曲線顯示
系統可以顯示實時整個光缆的温(wen)度、應(ying)變分布曲線，当某處温(wen)度或者應變异常的時候通(tong)過曲線可以顯示该處實時信息。
分布式温度/應變顯示曲線
l 历史温度統計
提供历史温度/應變数據統計分析功能，提(ti)供温度變化趨(qu)勢，包括：（1）某時刻(ke)光缆不同位置的温度/應變分布曲線；（2）某時段光缆某點的温度(du)/應變變化曲線。
單點历史(shi)数據變化曲線(xian)
l 事件報警
提供(gong)定值、變化速率、區域(yu)尖峰等多種灵活的報警方式，報警參数可以分級、分(fen)區域設(she)置。当測量数值超過阈值時，系統會自動发出聲音、LED指示燈、文字、圖像等報警信號。如可設定多級報警阈值（如30℃初報警，40℃预報警，50℃采取(qu)措施等），並且可根據環境不(bu)同(tong)進行修正。
分區/分級事件報警設置
l 可視化界面
提供形(xing)象的可視化顯示界面，通過圖形組態模块(kuai)將光纖位置映射到圖(tu)像上，一旦光纖某(mou)點发生泄漏，報(bao)警信息直接顯示在圖(tu)像上，形象直觀。
用戶软件可視化界面
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系統型號 |
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技術性能 |
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光纖類型 |
標準單模光纖 |
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光纖配置 |
雙光纖環路式 |
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測量距离 |
70km |
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測量時間 |
60s |
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温度測量範围 |
-190℃~700℃ (取決於光缆) |
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温度測量精度 |
±1℃（全程） |
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温度分辨率 |
0.1℃ |
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應變測量範围 |
-4000με~6000με |
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應變測量精度 |
±20με（全程） |
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應變分辨率 |
2με |
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采樣間隔 |
0.1~1.25m |
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空間分辨率 |
0.5~5m |
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一般規格 |
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光纖接头 |
FC/APC |
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工作電源 |
220VAC 50Hz，40W |
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操作温度 |
-10℃~50℃ |
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存储温度 |
-20℃~60℃ |
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通信接口 |
Ethernet，USB，RS232 |
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存储空間 |
500GB |
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尺寸 |
482.6×458.4×180mm |
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重量 |
25kg |
光纖由石(shi)英玻璃拉(la)製而成，通過各種(zhong)封裝(zhuang)形成各種特性的光缆。光(guang)缆既是信號傳輸介(jie)質，又是温(wen)度感測(ce)元件。考虑到(dao)現場的(de)恶劣環境，感温探測光缆應具備(bei)良好的抗啮咬、抗震特性。所以感(gan)温探測(ce)光缆應具備坚固的護套，提供良好(hao)的(de)防護特性，但同時感温探測光缆(lan)也應该(gai)提供良好的温度傳导性能，以保證快速的火災探測。
探測光缆結構示意圖
探測光缆技術指標：
Ø 光纖規格： 普通單模通信光纖
Ø 光缆結構： PBT管充油膏+鋼带縱包+鋼丝加強+護套
Ø 最小弯曲半径： 静態10D；動態20D
Ø 拉伸強度： 短期最大3000N；长期最大1000N
Ø 抗壓強度： 短期最大3000N/100mm；长期最大1000N/100mm
Ø 工作温度範围： -40℃到+70℃（短期120℃）
Ø 光缆工作寿命： 大於30年
Ø 防冲擊、反(fan)复弯曲、扭(niu)轉、曲繞、弯折、卷繞、渗水性能等均符合(he)IEC794-1標準。
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序號 |
名称 |
規格型號 |
單位 |
数量 |
備注 |
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1 |
布里渊光時分析儀BOTDA |
NTB-50 |
臺 |
1 |
支持4通道 |
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2 |
用戶软件 |
V1.0 |
套 |
1 |
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3 |
光纖跳線 |
Senko FC/APC |
根 |
8 |
|
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4 |
多通道模块 |
4通道 |
臺 |
1 |
|
|
5 |
液晶顯示器 |
19寸 |
臺 |
1 |
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6 |
測温光缆 |
GYXTW，8芯 |
米 |
— |
芯数及长度满足實际需要 |
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7 |
室外接續盒 |
只 |
— |
满足實际需要 |
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8 |
室外接續盒 |
只 |
— |
满足實际需要 |
注：供(gong)货周期為合同簽订(ding)后2個月。
