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基于光纤测温机械系统的填埋场渗漏定位方法研究

日期:2018年01月25日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:929
论文价格:150元/篇 论文编号:lw201710131619507168 论文字数:37485 所属栏目:机械自动化类论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
第 1 章 绪论 

1.1 危险废弃物及其处理处置方式 
我国相关法律法规及业界相关标准指出:危险固体废弃物是指具有腐蚀性、毒性等危险特性并能对环境和生物的生命带来威胁的固态或半固态废弃物[1],根据相关的法律法规和相关鉴别标准制定了国家危险废物名录,并将常见的危险废弃物收录其中。随着工业化水平的不断提高,危险废弃物的产生量日趋增多,伴随而来的就是其对土壤、地下水等生态环境造成的威胁日益增加。据估计,我国每年的危险废弃物的积累量为 1.2 亿吨,且呈现逐年递增的趋势。2012 年,环保部等相关部门联合出台关于危险废弃物污染防治的相关文件指出,在未来的五年到十年内需重点关注危险废弃物的来源、储存与处理处置等相关环节,推进相关人才与设施的建设、推动危险废物处理处置的行业发展[2]。根据规划的要求,需在 2014 年底做好危险废物的摸底工作,为提高对危险废物的管理提供依据。危险废弃物已对环境造成巨大威胁,因此,安全有效的处理危险废弃物,防治发生严重的环境事故,是环保领域亟待解决的关键问题。目前,安全填埋法是固体危险废物处理处置的最常见方式,且也是较为成熟的方法,其次还有固化法、生物化学法、焚烧法[3]。对危险废物进行处置是指将危险废物填充到一个根据相关标准进行设计、建造的填埋场,最后在表面用土壤掩埋以隔绝其与周边环境的接触[41]。危险废物填埋场在处理危险废物时需要做到有效设置覆盖层以减少有害气体的逸出和地表水的渗透,并需要防止污染地下水和土壤的生态平衡。危险废物的处置需要有严格的管理和控制措施,因此需要在各个阶段严格把关,如:填埋场结构设计、场地选择(包括地质地貌、水文地质条件等)、环境评估、环境保护、渗漏检测与修复、封场及环境改造[4]。
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1.2 安全填埋法的研究现状及问题
综合比较以上几种危险废物处理方式可以看出,安全填埋法具有操作简单、投资小、产生再生污染的几率小等优点,因此也成为业界主流方法。相关数据显示:截止 2014 年,我国危险废物处理厂有 802 个,日处置量高达 413127t/d,其中安全填埋场 587 个、焚烧厂 164 个、生物处理厂 58 个,处置能力分别为 253268 t/d、51606 t/d、5386 t/d,其中安全填埋法所占的比例高达到 60%[7],如图 1-1。由于在对危险废弃物进行处理时需要遵循不产生二次污染的原则,因此相关行业标准规定:危险废物填埋场底部必须设有防渗层,以将填埋场中的有毒有害渗滤液与土壤进行隔开,以防止渗滤液对填埋场周围的生态环境造成破坏。根据我国环科院制定的危险废物处理规范的相关内容的规定:(1)在处理毒性较强、可能对自然环境带来较大隐患的危险废弃物时,填埋场底部必须采用双层防渗膜,其中防渗膜一般使用人工合成衬垫层 HDPE 膜(又称土工膜),主防渗层 HDPE 膜厚度在 2mm 以上,次防渗层厚度在 1mm 以上。(2)在主防渗层 HDPE膜上铺设土工布以防止导排层的砾石与防渗膜直接接触而造成不必要的损坏,次防渗层的 HDPE 膜下也需铺设土工布对其进行保护;(3)次防渗层膜下的基础要压实压平,且基础层的渗透系数需不大于 1×10-7m/s[8-9]。危险废弃物填埋场应符合如图 1-2 所示的基本构造。
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第 2 章 基于光纤测温系统的渗漏检测方法研究

近几十年,光纤在当今世界的发展中的作用举足轻重,它不仅在通信行业不可或缺,在传感领域也崭露头角,因为其能够以传感介质的方式对某些物理量进行检测。当激光脉冲在光纤中传播时,光波的一些包括振幅、频率、相位、波长等在内的参数就会受到温度、压力等其它因素的影响[30]。由于外界因素的变化会导致表征光波特征参量的变化,通过信号发生器、光电耦合器、干涉仪等测量系统对信号进行解调分析即可获得待测变量信息。利用光纤进行传感测量时,根据其测量范围的不同可将其分为点式测量和分布式测量两种。点式测量仅能测量某一具体位置点的温度信息;而分布式的测量则能够应用在范围比较大且距离较长的场合。相比于分布式温度测量系统,点式测量系统虽然操作简单、灵敏度高,但是不适用于大范围区域的测量。分布式光纤测温系统通过光时域反射 OTDR 原理及散射光的温度效应以实现对全部光纤的温度进行测量,其检测范围可达到几十千米甚至上百千米。由于激光在光纤中会产生多种散射效应,其中包括拉曼散射和布里渊散射等多种散射效应,根据不同的散射效应可设计不同的测温系统,目前主流的有分布式光纤拉曼测温系统和分布式布里渊测温系统。它们不仅具备分辨率高、精度好等优势,分布式光纤测温系统还具有以下优势:(1)测温范围广。此系统可实现测量一次便能够对整个光缆上各坐标点的温度变化情况做出判断,从而实现分布式、长距离测量,且可以进行实时测量。(2)虽然自身体积精简,但不影响分辨率以及精度,而且还具有抗干扰、防雷防爆等特点[31]。(3)由于垃圾渗滤液中含有酸碱较复杂的 PH 环境,一般金属传感器较易被腐蚀,而光纤成分主要是 Si O2,将光纤应用到危险废物填埋场中,其寿命比一般检测材料的寿命要长。

2.1 拉曼散射理论基础

由于光纤介质的不均匀性,当激光束在光纤中传播时,会出现沿着不同方向传播的光束,这种现象被称为光的散射[32]。换言之,激光束受光纤中的分子或原子的影响,使得入射光的光强的空间分布、偏振态或频率等发生变化[33]。根据散射光的频率的不同,可将其分为:瑞利散射,拉曼散射,布里渊散射[34],如图 2-1所示。其中,拉曼散射是由于入射光子与光纤介质分子发生非弹性碰撞而产生,且频率变化量大于布里渊散射的频率变化量,其最大的特点就是容易与入射光进行分离,拉曼散射频移量和拉曼散射光强度能够反映光纤各个坐标点的温度等信息[35],所以基于拉曼散射的分布式光纤传感技术可以实现测量温度的变化。

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2.2 OTDR 测量原理
OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)即光时域反射仪[43],在 20 世纪60 年代由 Barnoski 提出,OTDR 工作原理类似于一个雷达,通过测量激光从入射到被光电探测器探测到的时间差,由于时间不同则对应的散射点就不同,因此接收器接收到的后向散射光功率就是光纤位置的函数,通过探测各个位置的光功率即可实现了对光纤沿程的温度场的实时的、动态的监测[44]。由于受光纤折射率及结构的不均匀等因素的影响,激光脉冲进入光纤后,会发出朝向四面八方的散射,其中一部光会原路返回,此类光称之为后向拉曼散射光,如图 2-3。
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第 3 章 系统的分辨率及影响因素分析.....23
3.1 分布式光纤测温系统分辨率..........23
3.1.1 温度分辨率....23
3.1.2 空间分辨率....24
3.1.3 时间分辨率.....25
3.2 测量系统的影响因素分析.....25
3.3 本章小结......31
第 4 章 电路与软件的设计.......33
4.1 分布式测温系统的组成.........33
4.2 生成拉曼散射光的前端模块..........34
4.3 检测电路的设计............36
4.4 软件设计......43
4.5 本章小结......50
第 5 章 数字信号去噪处理.......51
5.1 累加算法......51
5.2 小波变换去噪.......54
5.3 加权平均法...........57
5.4 本章小结......61

第 5 章 数字信号去噪处理

由于从分布式光纤测温系统测量的拉曼散射信号非常微弱,将微弱的有用信号从噪声分离出来的方法是目前信号处理领域中的研究重点,是一门前沿技术。由于此检测系统的核心研究对象 Anti-Stokes 散射光信号相当微弱,因此对Anti-Stokes 散射光进行去噪处理提高系统温度分辨率、空间分辨率的有效途径。由于测量到的 Stokes 散射与 Anti-Stokes 信号非常微弱,转换为电信号后也是比较微弱的,因此需要经过放大电路将信号放大之后才能被测量到。在转换与放大的过程中,光电转换和放大的过程中会产生白噪声和瞬时脉冲、外界的干扰噪声通常要比有用信号的幅度大得多,使得本来就很微弱的拉曼散射信号完全被噪声覆盖。在对信号进行放大的过程中,有用的温度信号可以被放大器放大,但于此同时,系统的噪声也被放大相同的倍数,并且还会多产生一些的噪声,因此只靠放大电路是不能达到将微弱信号检测出来的预期目标。为了达到有效的时间、空间及温度分辨率,必须利用微弱信号检测的理论、除去信号中的噪声,只有在有效地消除噪声的干扰、提高信噪比的条件下放大微弱信号,方可得到有效信号。系统中噪声的源头广泛且这些噪声毫无规律,因此,本文将系统中的噪声按白噪声进行处理。由于白噪声具有无规律、零均值的典型特点,因此可通过采用多次累加平均的方式来抑制白噪声,这种方法对周期性良好的信号更为适用。此外,还可以通过小波变换等方法提高信号的信噪比,其中小波变换法是现代学者研究信号处理的最常见方法,其改善信号的处理能力较强。
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结论

本论文结合并以研究生创新项目“基于分布式光纤测温系统的垃圾填埋场渗漏定位研究”、郸市科学技术研究与发展计划重点项目“尾矿库实时渗漏检测系统研制,13211 09084-2”、校青年学术骨干项目“垃圾填埋场渗漏检测传输线模型机理研究”等项目,并以分布式光纤测温系统故障定位为基础,综合拉曼散射、OTDR 技术等多种测试原理,对基于分布式光纤测温系统的新型危险废物填埋场渗漏检测原理进行了分析,初步研究成果如下:
(1)针对目前由 GCL 取代主次防渗层间的黏土