專利名稱：基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種采用干涉型分布式光纖聲學傳感技術(shù)進行管道泄漏監(jiān)測的裝置及方法，屬于管道泄漏監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管道是現(xiàn)行的五大運輸工具之一，在運送液體、氣體、漿液等方面具有成本低，節(jié)省能源，安全性高及供給穩(wěn)定的優(yōu)勢，在石油、化工、天然氣及城市供水等行業(yè)中有著不可替代的作用。隨著管道運輸業(yè)的不斷發(fā)展，為了維護管道的安全運行，管道運行監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展。
近年來，隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，長距離分布式光纖傳感技術(shù)也開始應用于管道泄漏檢測。中國發(fā)明專利申請?zhí)?2145502.3采用光時域反射技術(shù)進行油氣管線泄漏檢測，它是通過檢測光纖中產(chǎn)生的瑞利散射和菲涅爾反射信號來判斷光纖的故障點，主要應用于光纜的故障、光纖長度、光纖的損耗以及光纖接頭損耗等檢測。
中國發(fā)明專利申請200410020046.6采用干涉型分布式光纖微振動傳感器進行管道泄漏檢測，如圖1所示。此傳感器是由在管道附近沿管道并排鋪設的一根三芯單模光纜及相應的光學元件構(gòu)成，其中第二傳感光纖B10和第三傳感光纖B11組成干涉型光纖微振動傳感器，傳輸光纖B12用來傳輸信號。其原理是光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器分光后，其中一束光經(jīng)第二引導光纖B8傳播到第二耦合器A10，并在第二耦合器A10處按功率1∶1分光后分別進入第二傳感光纖B10和第三傳感光纖B11，另一束光經(jīng)第三引導光纖B9、傳輸光纖B12傳播到第三耦合器A11，并在第三耦合器A11處按功率1∶1分光后分別進入第二傳感光纖B10和第三傳感光纖B11，兩束逆向傳輸?shù)墓夥謩e在各自傳輸終端的第三耦合器A11和第二耦合器A10處匯合并發(fā)生干涉，因此實際上形成了兩個干涉儀。當管道發(fā)生泄漏時，產(chǎn)生的泄漏噪聲使光纖中傳輸?shù)墓庀辔槐徽{(diào)制，故干涉信號會發(fā)生變化，實時檢測干涉光信號的變化，可以檢測出光纖微振動傳感器沿途所發(fā)生事件產(chǎn)生的微振動信號，實現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測。其定位原理是在分布式傳感光纖中傳輸?shù)膬墒嫦蚬馐芡皇录绊懞?，由于兩束逆向光從事件發(fā)生處分別傳播到第二耦合器A10和第三耦合器A11所經(jīng)過的光程不同，因此產(chǎn)生一定的時間差，根據(jù)傳感器兩端檢測到同一事件所引起的干涉光信號變化的時間差，就可以確定泄漏位置。此技術(shù)的不足之處是由于此技術(shù)的兩條傳感光纖距離較近，管道沿途的振動可能使兩條傳感光纖產(chǎn)生的相位延遲一致，這時不發(fā)生干涉，即產(chǎn)生互易效應，且泄漏口背離光纜方向時，很難檢測到泄漏發(fā)生。定位方法也有不足，只有捕捉到管道泄漏事件的起始時間才能定位，當泄漏已經(jīng)發(fā)生后，該類檢測技術(shù)不再具有泄漏點定位能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服了以上所述缺陷，提出了一種基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置及方法，該裝置及方法的優(yōu)點是整個泄漏過程中都具有泄漏點定位能力，并且檢測靈敏度高、漏報率低、能實現(xiàn)管道長距離小泄漏檢測與定位。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案，具體結(jié)構(gòu)參見圖2，該裝置主要包括有光路系統(tǒng)1、分布式光纖傳感系統(tǒng)2、檢測系統(tǒng)3，其特征在于該裝置的光路系統(tǒng)1主要包括有寬帶連續(xù)光源A1、光環(huán)行器A2，分布式光纖傳感系統(tǒng)2主要包括有第一耦合器A3、延遲線圈B4，反射鏡A5；其中，寬帶連續(xù)光源A1通過第一單模光纖B1與光環(huán)行器A2連接，光環(huán)行器A2又通過第一引導光纖B2與第一耦合器A3的Port1端口連接，第一耦合器A3的Port2端口通過第二單模光纖B3與延遲線圈B4連接，延遲線圈B4通過第三單模光纖B5與第一耦合器A3的Port3端口連接，第一耦合器A3的Port4端口通過第一傳感光纖B6與反射鏡A5連接，光路系統(tǒng)的光環(huán)行器A2又通過第四單模光纖B7與檢測系統(tǒng)3連接。
所述的檢測系統(tǒng)3主要包括有光電轉(zhuǎn)換器A6、解調(diào)系統(tǒng)A7、A/D轉(zhuǎn)換器A8、計算機A9；第四單模光纖B7與光電轉(zhuǎn)換器A6連接，光電轉(zhuǎn)換器A6通過解調(diào)系統(tǒng)A7、A/D轉(zhuǎn)換器A8與計算機A9連接。
所述的分布式光纖傳感系統(tǒng)2具有直線型結(jié)構(gòu)。
由寬帶連續(xù)光源A1發(fā)出的光在本裝置的傳播過程，具體參見圖2，由寬帶連續(xù)光源A1發(fā)出的光經(jīng)第一單模光纖B1進入光環(huán)行器A2，光環(huán)形器A2輸出的光經(jīng)第一引導光纖B2進入第一耦合器A3的Port1端口并按功率1∶1分為兩束光，其中第一束光從第一耦合器A3的Port1端口直接耦合入Port4端口，并進入第一傳感光纖B6，到達第一傳感光纖B6末端后又經(jīng)反射鏡A5反射回第一傳感光纖B6，再經(jīng)第一傳感光纖B6返回第一耦合器A3的Port4端口，在此端口處，同樣按功率1∶1將傳輸光分為兩束，一束直接耦合入Port1端口并輸出，這路光不與其它光路產(chǎn)生干涉，因此對監(jiān)測系統(tǒng)無影響，不予考慮。另一束光從Port4端口跨接耦合入Port2端口，經(jīng)第二單模光纖B3、延遲線圈B4、第三單模光纖B5進入第一耦合器A3的Port3端口，此端口的光同樣按功率1∶1分光，但只有跨接耦合進入第一耦合器Port1端口的光可與第二束光發(fā)生干涉，而另一束光沒有干涉現(xiàn)象，因此這里不考慮。
第二束光從第一耦合器A3的Port1端口跨接耦合進入Port3端口，經(jīng)第三單模光纖B5、延遲線圈B4、第二單模光纖B3后，進入第一耦合器A3的Port2端口，在此端口處按功率1∶1分光后，其中一束光進入第一耦合器A3的Port3端口按原路徑繼續(xù)沿第三單模光纖B5，延遲線圈B4、第二單模光纖B3傳輸，但由于光源的相干長度較短，因此這束光不會產(chǎn)生干涉，因此不予考慮。而另一束光經(jīng)第一耦合器A3的Port2端口跨接耦合進入Port4端口和第一傳感光纖B6，到達第一傳感光纖B6末端又由反射鏡A5將其反射回第一傳感光纖B6，按原路返回到第一耦合器A3的Port4端口。同樣，該束光在此端口處按功率1∶1分光，一束光直接耦合進入Port1端口，與第一束光匯合，由于第一束光和第二束光具有相同的光程，因此發(fā)生干涉。(而另一束光不與其它光發(fā)生干涉，對監(jiān)測系統(tǒng)無影響，不予考慮。)該干涉光經(jīng)第一引導光纖B2、光環(huán)行器A2和第四單模光纖B7進入光電轉(zhuǎn)換器A6，光電轉(zhuǎn)換器A6將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并由解調(diào)系統(tǒng)A7解調(diào)出干涉信號的相位，解調(diào)的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器A8轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸入到計算機A9，最后在計算機A9中對采集信號進行FFT變換，通過分析信號頻譜，可實現(xiàn)泄漏報警和定位。
該系統(tǒng)的管道泄漏監(jiān)測原理是當管道某處有泄漏發(fā)生時，泄漏流體與泄漏孔壁產(chǎn)生摩擦，在管壁上激發(fā)出應力波(即泄漏聲發(fā)射信號)，此應力波作用到傳感光纖上并對傳感光纖中傳輸?shù)牡谝皇狻⒌诙庀辔贿M行調(diào)制，由于存在延遲線圈，使第一束光和第二束光經(jīng)過泄漏點D的時間不同，泄漏聲發(fā)射信號對兩束光的相位調(diào)制也不同，兩束光間產(chǎn)生相位差，因此兩束光發(fā)生干涉。(無泄漏發(fā)生時，兩束光相位一致，不產(chǎn)生干涉)因此通過實時檢測干涉光信號的變化，可實現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測。基于同樣原理，當管道周圍有施工、人為或自然因素等可能引起管道破壞的事件發(fā)生時，光纖受到擾動，光纖中傳輸?shù)墓庀辔槐徽{(diào)制，因此該系統(tǒng)也可實現(xiàn)對管道周圍可能引起管道發(fā)生損壞的事件進行監(jiān)測。
本發(fā)明提供了一種管道泄漏位置的定位方法，其特征在于從寬帶連續(xù)光源發(fā)出的光，經(jīng)過光路系統(tǒng)和分布式光纖傳感系統(tǒng)后，產(chǎn)生兩束經(jīng)過相同路徑的第一束光、第二束光，這兩束光在第一耦合器A3處匯合并產(chǎn)生干涉。當管道有泄漏點時，泄漏聲發(fā)射信號可由式①表示Aφsinωst①Δφ為泄漏信號的幅值，ωs為泄漏信號的頻率；第一束光第一次經(jīng)過泄漏點D的時間為τ1，第一束光經(jīng)反射鏡反射后第二次經(jīng)過泄漏點D的時間為τ2，第二束光第一次經(jīng)過泄漏點D的時間為τ3，第二束光經(jīng)反射鏡反射后第二次經(jīng)過泄漏點D的時間為τ4，由于這兩束光經(jīng)過泄漏點D的時間不同，因此泄漏聲發(fā)射信號對兩路光的相位調(diào)制不同。兩束光被調(diào)制后的相位變換為
第一束光調(diào)制后的相位變化為Δφ[sinωs(t-τ1)+sinωs(t-τ2)]第二束光調(diào)制后的相位變化為Δφ[sinωs(t-τ3)+sinωs(t-τ4)]因此兩束光之間產(chǎn)生相位差φs(t)=4Δφcosωs(t-τT2)sinωs(τd2)cos(ωsτs)]]>②此相位差包含了時間信息和泄漏聲發(fā)射信號的頻率信息，其中ωs為泄漏聲發(fā)射信號的頻率，τd=τ3-τ2+τ4-τ12]]>為光經(jīng)過延遲線圈時間，τs=τ4-τ3+τ2-τ14]]>為光從泄漏位置到反射鏡所需時間，τT＝τ2+τ3為光從第一耦合器(A3)的port4端口傳輸?shù)椒瓷溏R并經(jīng)反射鏡反射，沿原路徑返回到port4端口，又經(jīng)port2端口、延遲線圈到port3端口的總時間；從式②中求出時間τs就可根據(jù)光在光纖中傳播的速度得到泄漏點距反射鏡的距離。但從式②中無法直接求出τs，對式②作FFT(付立葉)變換，將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域。式②中，4Δφsinωs(τd2)cos(ωsτs)]]>與信號的頻域幅值成比例，泄漏發(fā)生后，在泄漏聲發(fā)射信號的寬頻范圍內(nèi)總有一頻率使4Δφsinωs(τd2)cos(ωsτs)=0,]]>而 與泄漏位置無關(guān)，因此確定延遲線圈長度，保證在泄漏信號的寬頻范圍內(nèi) 不等于零，這樣就有cos(ωsτs)＝0，因此在頻域中會出現(xiàn)幅值為零的點，此點對應的頻率稱為零點頻率。為了確定此零點頻率，將頻域信號以頻譜圖的形式顯示在計算機A9上，則頻譜圖上幅值最低點對應的頻率就是零點頻率。在頻譜圖上找到零點頻率后根據(jù)τs=π(1+n)2ωs]]>(n為偶數(shù))，計算出光從泄漏點傳播到反射鏡所需時間τs。求得τs后，根據(jù)公式s＝vτs(v為光在光纖中的傳播速度)計算出泄漏位置到反射鏡的距離s。
從公式②中也可以發(fā)現(xiàn)，τT、τd均為定值，τs是泄漏位置的函數(shù)，整個信號與發(fā)生泄漏的初始時間無關(guān)，只與泄漏信號的頻率有關(guān)，又因泄漏信號是一連續(xù)信號，因此只要發(fā)生泄漏，此傳感裝置可檢測到任何時刻的泄漏信號，通過對信號做頻譜分析找到零點頻率，便可確定泄漏位置，而無需專利申請200410020046.6那樣要捕獲泄漏發(fā)生的初始時間才可定位。
該系統(tǒng)的優(yōu)點是本系統(tǒng)采用了直線型分布式光纖聲學傳感技術(shù)對管道進行實時監(jiān)測，整個傳感部分由一根光纖構(gòu)成，因此可適應各種復雜管道的檢測。由于傳感器中有一延遲線圈，使兩束光到達泄漏位置的時間不同，因此不會產(chǎn)生互易效應，提高了檢測靈敏度。監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測任何時刻的泄漏信號，因此不存在漏報警現(xiàn)象。同時由于光纖的低損耗以及對聲信號的高敏感性，因此可實現(xiàn)長距離管道的小泄漏檢測。


圖1專利申請200410020046.6的結(jié)構(gòu)2本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中A1、寬帶連續(xù)光源，A2、光環(huán)行器，A3、第一耦合器，A4、管道，A5、反射鏡，A6、光電轉(zhuǎn)換器，A7、解調(diào)系統(tǒng)，A8、A/D轉(zhuǎn)換器，A9、計算機，A10、第二耦合器，A11、第三耦合器，B1、第一單模光纖，B2、第一引導光纖，B3、第二單模光纖，B4、延遲線圈，B5、第三單模光纖，B6、第一傳感光纖，B7、第四單模光纖，B8、第二引導光纖，B9、第三引導光纖，B10、第二傳感光纖，B11、第三傳感光纖，B12、傳輸光纖，1、光路系統(tǒng)，2、分布式光纖傳感系統(tǒng)，3、檢測系統(tǒng)。
具體實施例方式
本實施方式的具體結(jié)構(gòu)，參見圖2，該裝置主要由光路系統(tǒng)1、分布式光纖傳感系統(tǒng)2、檢測系統(tǒng)3組成。光路系統(tǒng)1又由JW-3107型ASE寬帶連續(xù)光源A1、光環(huán)行器A2、第一引導光纖B2組成；分布式光纖傳感系統(tǒng)2由第一耦合器A3、延遲線圈B4、反射鏡A5組成；檢測系統(tǒng)3由1811型光電轉(zhuǎn)換器A6、解調(diào)系統(tǒng)A7、A/D轉(zhuǎn)換器A8、計算機A9組成。其中，光路系統(tǒng)1的ASE寬帶連續(xù)光源A1通過第一單模光纖B1與光環(huán)行器A2連接，光環(huán)行器A2又通過第一引導光纖B2與第一耦合器A3的Port1端口連接，第一耦合器A3的Port2端口通過第二單模光纖B3與延遲線圈B4連接，延遲線圈B4通過第三單模光纖B5與第一耦合器A3的Port3端口連接，第一耦合器A3的Port4端口與分布式光纖傳感系統(tǒng)2的第一傳感光纖B6連接，第一傳感光纖B6的末端設置有反射鏡A5，光路系統(tǒng)1的光環(huán)行器A2又通過第四單模光纖與光電轉(zhuǎn)換器A6連接，光電轉(zhuǎn)換器A6通過解調(diào)系統(tǒng)A7、A/D轉(zhuǎn)換器A8與計算機A9連接。
光路系統(tǒng)1主要用于向分布式光纖傳感系統(tǒng)2中發(fā)射光波，并將分布式光纖傳感系統(tǒng)2中檢測到的信號傳輸?shù)綑z測系統(tǒng)3。而檢測系統(tǒng)3通過光電轉(zhuǎn)換器A6完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，再通過解調(diào)系統(tǒng)A7進行信號處理，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器A8將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并送入計算機A9中進行數(shù)字信號處理和數(shù)據(jù)分析。由于光路系統(tǒng)1和檢測系統(tǒng)3都安裝在監(jiān)控室內(nèi)，而分布式光纖傳感系統(tǒng)2則安裝在管道現(xiàn)場，因此連接光路系統(tǒng)1和分布式光纖傳感系統(tǒng)2的第一引導光纖B2在安裝時必須做好隔離保護，以免損壞。
分布式光纖傳感系統(tǒng)2的第一傳感光纖B6為康寧單模光纖(SMF-28)，將其隨管道埋入地下或管道溝中，并用環(huán)氧樹脂膠將其粘貼在管壁上，第一傳感光纖B6末端的反射鏡A5置于一保護盒中。耦合器按1∶1分光，保證兩束光強度相近，可增加干涉信號的強度，容易檢測。分布式光纖傳感系統(tǒng)2中延遲線圈B4的長度為2Km，由于泄漏聲發(fā)射信號的頻率小于50KHz，則 在0-50KHz頻率范圍內(nèi)的值大于零，因此不會影響零點頻率。
泄漏點的定位是先通過檢測系統(tǒng)3中的解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)出干涉光的相位差，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將相位差的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸入計算機進行數(shù)字信號處理，對解調(diào)信號做FFT變換，頻譜圖上幅值最低點對應的頻率為零點頻率ωs，將光標移到此處可直接讀出零點頻率值。根據(jù)τs=π(1+n)2ωs]]>(n為偶數(shù)，有時在泄漏信號的寬頻范圍內(nèi)出現(xiàn)多個零點頻率，這里僅取頻率最小的零點頻率，此時n值為零)計算出光從泄漏點傳播到反射鏡所需時間τs，再根據(jù)公式s＝vτs(v為光在光纖中的傳播速度)計算出泄漏位置距反射鏡的距離。
權(quán)利要求
1.基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置，該裝置主要包括有光路系統(tǒng)(1)、分布式光纖傳感系統(tǒng)(2)、檢測系統(tǒng)(3)，其特征在于該裝置的光路系統(tǒng)(1)主要包括有寬帶連續(xù)光源(A1)、光環(huán)行器(A2)，分布式光纖傳感系統(tǒng)(2)主要包括有第一耦合器(A3)、延遲線圈(B4)，反射鏡(A5)；其中，寬帶連續(xù)光源(A1)通過第一單模光纖(B1)與光環(huán)行器(A2)連接，光環(huán)行器(A2)又通過第一引導光纖(B2)與第一耦合器(A3)的Port1端口連接，第一耦合器(A3)的Port2端口通過第二單模光纖(B3)與延遲線圈(B4)連接，延遲線圈(B4)通過第三單模光纖(B5)與第一耦合器(A3)的Port3端口連接，第一耦合器(A3)的Port4端口通過第一傳感光纖(B6)與反射鏡(A5)連接，光路系統(tǒng)的光環(huán)行器(A2)又通過第四單模光纖(B7)與檢測系統(tǒng)(3)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置，其特征在于所述的檢測系統(tǒng)(3)主要包括有光電轉(zhuǎn)換器(A6)、解調(diào)系統(tǒng)(A7)、A/D轉(zhuǎn)換器(A8)、計算機(A9)；第四單模光纖(B7)與光電轉(zhuǎn)換器(A6)連接，光電轉(zhuǎn)換器(A6)通過解調(diào)系統(tǒng)(A7)、A/D轉(zhuǎn)換器(A8)與計算機(A9)連接。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置，提出一種對泄漏點定位的方法，其特征在于，該方法是按如下步驟進行泄漏點定位的1)當管道有泄漏點時，泄漏聲發(fā)射信號由式①表示Δφsinωst①Δφ為泄漏信號的幅值，ωs為泄漏信號的頻率；從寬帶連續(xù)光源發(fā)出的光，經(jīng)過光路系統(tǒng)和分布式光纖傳感系統(tǒng)后，產(chǎn)生的兩束互相干涉的第一束光和第二束光之間的相位差為φs(t)=4Δφcosωs(t-τT2)sinωs(τd2)cos(ωsτs)]]>②其中，ωs為泄漏聲發(fā)射信號的頻率，τd=τ3-τ2+τ4-τ12]]>為光經(jīng)過延遲線圈時間，τs=τ4-τ3+τ2-τ14]]>為光從泄漏位置到反射鏡所需時間，τT＝τ2+τ3為光從第一耦合器(A3)的port4端口傳輸?shù)椒瓷溏R并經(jīng)反射鏡反射，沿原路徑返回到port4端口，又經(jīng)port2端口、延遲線圈到port3端口的總時間，τ1為第一束光第一次經(jīng)過泄漏點D的時間，τ2為第一束光經(jīng)反射鏡反射后第二次經(jīng)過泄漏點D的時間，τ3為第二束光第一次經(jīng)過泄漏點D的時間，τ4為第二束光經(jīng)反射鏡反射后第二次經(jīng)過泄漏點D的時間；2)對式②作FFT變換，將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域，確定延遲線圈長度，保證在泄漏信號的寬頻范圍內(nèi) 不等于零；3)在頻域中出現(xiàn)的幅值為零的點對應的頻率稱為零點頻率，該零點頻率滿足cos(ωsτs)＝0；通過計算機A9上顯示的頻譜圖確定該零點頻率，找到零點頻率后根據(jù)τs=π(1+n)2ωs]]>(n為偶數(shù))，計算出光從泄漏點傳播到反射鏡所需時間τs；5)再根據(jù)公式s＝vτs(v為光在光纖中的傳播速度)計算出泄漏位置到反射鏡的距離s。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置及方法，屬于管道泄漏監(jiān)測領(lǐng)域。該裝置包括有光路系統(tǒng)(1)、分布式光纖傳感系統(tǒng)(2)、檢測系統(tǒng)(3)。光路系統(tǒng)包括有寬帶連續(xù)光源A1，光環(huán)行器A2；分布式光纖傳感系統(tǒng)包括有第一耦合器A3，延遲線圈B4、反射鏡A5，檢測系統(tǒng)包括有光電轉(zhuǎn)換器A6，解調(diào)系統(tǒng)A7，A/D轉(zhuǎn)換器A8、計算機A9。寬帶連續(xù)光源通過光環(huán)行器與第一耦合器A3的Port1端口連接，第一耦合器A3的Port2和Port3端口之間連接有延遲線圈，第一耦合器A3的Port4端口通過傳感光纖連接反射鏡，光環(huán)行器與檢測系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器連接。該檢測系統(tǒng)可以檢測任何時刻的的泄漏信號。
文檔編號F17D5/00GK1837674SQ200610072879
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者何存富, 杭利軍, 吳斌 申請人:北京工業(yè)大學