專利名稱：一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)的制作方法
一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明是一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)，涉及機(jī)械振動的測量、 沖擊的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，世界上建成的管道總長達(dá)到250萬公里，已經(jīng)超過鐵路總里程成為世界能 源主要運(yùn)輸方式，發(fā)達(dá)國家和中東產(chǎn)油區(qū)的油品輸運(yùn)已全部實(shí)現(xiàn)管道化。我國管道在近年 也得到了較快發(fā)展，總長也超過7萬公里，已初步形成橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、覆蓋全國、連通 海外的能源管網(wǎng)大格局，管道運(yùn)輸成為油氣等戰(zhàn)略能源的調(diào)配輸送的主要方式。
管道由于跨越地域廣，受自然災(zāi)害、第三方施工破壞等原因，導(dǎo)致了較多的管道泄 漏事故發(fā)生。國外管道安全情況也非常不容樂觀，美國2010年9月9日圣布魯諾市發(fā)生天 然氣管道大爆炸，爆炸在路面造成一個(gè)長51米、寬9米的大坑。一段長約8米、直徑76厘 米的管道被炸上天，飛出大約30米遠(yuǎn)，并引發(fā)大范圍火災(zāi)，導(dǎo)致4人死亡，3人失蹤，至少52 人受傷，過火面積4公頃，數(shù)十樁房屋被燒毀。近年來人們安全、環(huán)保意識顯著提升，作為高 危行業(yè)的管道輸運(yùn)安全問題也得到越來越多的重視。
目前成熟的技術(shù)中對于天然氣管道泄漏監(jiān)測只有聲波監(jiān)測法較為有效，但為了提 高對泄漏監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性，必須在管線上加大傳感器的布設(shè)密度，同時(shí) 增加相應(yīng)的供電、通信設(shè)備，造成系統(tǒng)成本以及安裝維護(hù)費(fèi)用高昂。
隨著傳感技術(shù)的發(fā)展國外如美國CS1、ATM0S1、歐洲TER等公司開展了 SCADA泄漏 監(jiān)測系統(tǒng)研究，Sensornet公司也開發(fā)了基于分布式光纖溫度傳感器的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，部分 產(chǎn)品在國內(nèi)也申請了專利保護(hù)；國內(nèi)天津大學(xué)、清華大學(xué)、中國人民解放軍后勤工程學(xué)院等 單位也對管道的泄漏監(jiān)測方法做了深入研究。
專利CN200410020046. 6公開了一種基于干涉原理的分布式光纖油氣管道泄漏監(jiān) 測方法及監(jiān)測裝置。該監(jiān)測系統(tǒng)要求在管道附近沿管道并排鋪設(shè)一根光纜，利用光纜中 的光纖組成一個(gè)光纖微振動傳感器。專利CN200620119429、CN200610113044. O均為基于 Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監(jiān)測裝置，專利CN200610072879. 6是一種基于分布式光纖 聲學(xué)傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置及方法。
《傳感器與微系統(tǒng)》第26卷第7期的“基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄漏檢 測方法”公開了一種基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄漏檢測裝置和方法，它是在具有 一定間隔的管道本體上安裝光纖傳感器，連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測沿管道本體傳播的振動波信號，對 采集的振動波信號進(jìn)行分析處理，包括類型識別和振動源定位，其中類型識別為通過對振 動波特征的提取分析判別其是否屬于泄漏類型，同時(shí)根據(jù)振動波傳播到相鄰幾個(gè)光纖傳感 器的時(shí)間延遲結(jié)合振動波在管道本體上的傳播速度確定振動波源所在的位置，傳感器輸出 的光強(qiáng)信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的位置的確定。
CN1837674A公開了一種基于分布式光纖聲學(xué)傳感技術(shù)的管道泄漏檢測裝置及方法。
US2006/0225507A1公開了 一種基于分布式光纖傳感器的管道泄漏檢測裝置及方法。
上述技術(shù)均屬于分布式光纖傳感監(jiān)測方法。但該類技術(shù)監(jiān)測泄漏時(shí)受到管道周圍 所發(fā)生的干擾事件的影響，具有很高的系統(tǒng)虛警率，抗干擾能力較差。而作為分布式光纖傳 感監(jiān)測系統(tǒng)中的管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)同樣也是具有很高的系統(tǒng)虛警率，抗干 擾能力較差。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種基于光纖傳感的高靈敏度準(zhǔn)分布式泄漏振動監(jiān)測系統(tǒng) 的靈敏度和準(zhǔn)確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響的天然氣管道泄漏振動波傳播速度 測定系統(tǒng)。
鑒于上述幾類泄漏檢測、監(jiān)測技術(shù)存在的靈敏度低、虛警率高、易受環(huán)境因素影響 等問題，本發(fā)明是用基于準(zhǔn)分布式光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，即采用 高靈敏度傳感單元并結(jié)合泄漏事件的時(shí)域、頻域特征，對泄漏振動波傳播速度進(jìn)行測定。
本天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定方法是建立在光纖傳感的天然氣管道泄 漏監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上；用天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，選擇某一個(gè)已知傳感單元點(diǎn)通過敲擊 管道等形式模擬管道泄漏引發(fā)振動，依據(jù)工程施工和驗(yàn)收資料中使用的管道段的數(shù)量，對 傳播到兩個(gè)相鄰的傳感單元的泄漏信號進(jìn)行時(shí)延估計(jì)并結(jié)合已知的管道長度實(shí)現(xiàn)對泄漏 振動波速度的測定，準(zhǔn)確給出當(dāng)前測試點(diǎn)距離兩個(gè)相鄰的傳感單元點(diǎn)的距離，將該模擬測 試點(diǎn)位置X代入x = L-[vX (tn+2-tn)]/2,反解出v = 2(L-X)/(tn+2-tn),實(shí)現(xiàn)根據(jù)已知的 傳感單元間隔距離和測定的信號傳播時(shí)間測定振動波沿管道傳播的速度。式中L是兩個(gè)相 鄰的傳感單元點(diǎn)之間的距離；X為距離第一個(gè)傳感單元點(diǎn)(距離起始點(diǎn))的距離，V是泄漏 振動波的傳播速度。
利用與油氣管道同溝敷設(shè)的普通通信光纜中光纖分別作為收、發(fā)傳輸光纖，將管 道泄露光纖傳感探頭通過光復(fù)用技術(shù)相互并聯(lián)接在收發(fā)傳輸光纖之間，形成光回路，管道 泄露光纖傳感探頭均勻布設(shè)在管道沿線，形成可監(jiān)測管道聲震動的光纖傳感系統(tǒng)。利用光 源對各個(gè)管道泄露光纖傳感探頭掃描，根據(jù)管道泄露光纖傳感探頭的分布情況對采集的光 電轉(zhuǎn)換信號解調(diào)、提取，實(shí)現(xiàn)各個(gè)管道泄露光纖傳感探頭的振動信息獲取，檢測分析管道泄 露光纖傳感探頭信號判斷是否有管道泄露事件發(fā)生，依據(jù)相鄰的管道泄露光纖傳感探頭檢 測到信號的到達(dá)時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)管道泄漏振動波傳播速度的測定。
本天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)是融在基于光纖傳感的天然氣管道 泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中的。所以，本天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)就是基于光纖傳感 的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。
基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1，它包括光路系統(tǒng)和電路 兩部分；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感單元，多個(gè)光纖傳感單元構(gòu)成一個(gè) 光纖傳感器組，每個(gè)光纖傳感器組用一根光纖接一串接在光纖中的分束器后到接收端的光 源和光電探測器，光電探測器輸出接包括泄漏信號識別和事件定位功能的信號采集與處理 模塊，所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理器、信號采集器、處理單元、終端顯示和外部 接口 ；接光電探測器輸出的信號調(diào)理器輸出依次串接信號采集器和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口。信號采集與處理模塊輸出接微機(jī)。經(jīng)信號采集與處理模塊的處 理，基于頻分復(fù)用方式混合的傳感器組信號實(shí)現(xiàn)了傳感器組內(nèi)各傳感器的解復(fù)用，獲得原 始泄漏振動波信號。
由光源發(fā)出激光，經(jīng)傳輸光路實(shí)現(xiàn)分束后，部分光被傳輸?shù)桨惭b在管道壁上的光 纖傳感器組，光纖傳感器組拾取沿管道傳播的泄漏振動信號以及噪聲后，再次經(jīng)傳輸光路 傳回至系統(tǒng)的光電探測器，由信號采集與處理模塊進(jìn)行泄漏信號解調(diào)與識別分析，并對泄 漏信號進(jìn)行時(shí)延估計(jì)實(shí)現(xiàn)對泄漏點(diǎn)的定位。
本天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的光路系統(tǒng)(見圖4)主要是基于頻分復(fù)用原理而設(shè) 計(jì)，由光路適配器、傳輸光纜和光纖傳感單兀三部分構(gòu)成；光路適配器由光分束器和光合束 器組成；光纖傳感單元采用馬赫曾德干涉儀或邁克耳遜干涉儀；每個(gè)光纖傳感器由兩根光 纖接一光路適配器，所有光路適配器依次串接，由距接收端最近的光路適配器接系統(tǒng)主機(jī)。
激光器發(fā)出的探測激光輸入傳輸光纜中的輸入光纖進(jìn)入傳感單元組后到達(dá)第一 個(gè)光路適配器，由該光路適配器的光分束器分為兩束激光一束經(jīng)輸入光纖進(jìn)入第一個(gè)光 纖傳感單元，另一束光經(jīng)延時(shí)光纖傳到下一個(gè)光路適配器，再由下一個(gè)光路適配器中的光 分束器分為兩束激光，一束進(jìn)入第二個(gè)光纖傳感單元，另一束再經(jīng)傳輸光纖傳輸?shù)较乱粋€(gè) 光路適配器，以此類推，直到激光到達(dá)最后一個(gè)光纖傳感單元；每2-10個(gè)相鄰的光纖傳感 器分為一組，組內(nèi)各光纖傳感器的干涉信號通過光合束器接入回傳光纖，傳回到系統(tǒng)接收 端；在傳感單元組的最后一個(gè)光纖傳感單元，激光不再通過光路適配器，直接進(jìn)入光纖傳感 單元；而經(jīng)過各光纖傳感單元后的光信號，通過各自相應(yīng)的光路適配器中的光合束器，與后 面?zhèn)鬟^來的光信號合束，最終經(jīng)輸出光纖傳至監(jiān)測系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換模塊。
其中，光路適配器集合了光分束器和光合束器；輸入光纖與輸出光纖使用的是同 一根傳輸光纜中的兩根不同的纖芯；傳輸光纜將所有光路適配器串聯(lián)起來；管道上相鄰的 兩個(gè)傳感單元之間的發(fā)射光纖和回傳光纖的長度均要大于激光器相干長度的1/2，以防止 傳感單元之間發(fā)生信號串?dāng)_。
所述光路系統(tǒng)中各光器件間的具體連系如圖5所示，它由光路適配器、傳輸光纜 和光纖傳感器三部分構(gòu)成；光路適配器由光分束器和光合束器組成；光纖傳感器采用馬赫 曾德干涉儀或邁克耳遜干涉儀；光源發(fā)出的泄漏探測光經(jīng)過傳輸光纖I 5進(jìn)入光路適配器 中的分束器I 1，該分束器I I采用分光比為24 1，其中比例為24的輸出光繼續(xù)沿延時(shí) 光纖4傳播，直至光路適配器2，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進(jìn)入第一個(gè)傳感單 元2，傳感單元2采用馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)，為了保證傳感單元具有一定的靈敏度控制干涉 儀臂差在20m，該干涉儀繞制在橡膠材料的彈性體上，彈性體緊貼管道壁，采用防護(hù)罩固定； 每個(gè)傳感單元之間的距離精確測定，根據(jù)光傳播時(shí)間控制光源輸出；光路適配器2中的分 束器I采用23 I的分光比，其中比例為23的輸出光繼續(xù)沿輸入光纖傳播直至遇到下一 個(gè)光路適配器，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進(jìn)入第二個(gè)傳感單元2，該傳感單元同 樣采用馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)并且控制干涉儀臂差在20m，繞制在橡膠材料的彈性體上，彈性 體緊貼管道壁固定；當(dāng)?shù)谝慌c第二個(gè)傳感單元2之間的管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏引發(fā)的振動 波沿管道傳播經(jīng)過一定的時(shí)間分別被兩傳感單元拾取，通過傳輸光纖5傳入系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換 模塊，最終系統(tǒng)根據(jù)傳感單元接收到泄漏信號的時(shí)間差并結(jié)合振動波在管道中的傳播速度 可以實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的定位；
由監(jiān)測光路返回的光信號首先進(jìn)入系統(tǒng)的光電探測器中，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，之后進(jìn) 入信號采集處理模塊進(jìn)行處理，其過程是首先經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)行信號調(diào)理，接著經(jīng)過A/D 集電路采集，然后送入信號處理單元進(jìn)行信號濾波與解調(diào)處理，獲取原始泄漏振動波信號， 最后對泄漏信號進(jìn)行信號識別與定位分析，并將分析結(jié)果顯示于終端，信號采集處理模塊 原理如圖6所示；
所述光源是一種包括適合復(fù)用和調(diào)制解調(diào)的專用光源系統(tǒng)，由光頻可調(diào)的激光器 和專用調(diào)制信號發(fā)生模塊構(gòu)成(見圖2);激光器輸入接調(diào)制信號發(fā)生模塊中的D/A輸出 器，D/A輸出器接信號發(fā)生器，信號發(fā)生器有頻率調(diào)節(jié)、幅度調(diào)節(jié)和鋸齒波/倒鋸齒波選擇 輸入；通過編程可選擇如鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號類型，調(diào)整設(shè)置信號幅度和頻率；調(diào) 制信號作用在激光器，輸出光頻隨調(diào)制信號波形同步變化的激光，輸入到傳感光路中，實(shí)現(xiàn) 傳感單元的復(fù)用、形成多個(gè)傳感單元的信號載波；
其中激光器采用光頻可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器，調(diào)制信號作用在激光器注入電流 上，實(shí)現(xiàn)光頻的調(diào)制；激光器光功率l_17mW，激光器相干長度大于所有傳感器干涉儀臂長 差，但小于相鄰兩個(gè)干涉儀之間發(fā)射光纖和回傳光纖上的延遲光纖長度之和，可滿足傳感 器干涉儀臂差和相鄰兩個(gè)傳感器干涉儀之間延遲光纖的要求；
其中調(diào)制信號發(fā)生模塊采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，即通過數(shù)字方式根據(jù)波型、信號幅度、 頻率參數(shù)計(jì)算獲得一個(gè)周期的調(diào)制信號片斷，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)方式輸出，輸出的 模擬調(diào)制信號連接到激光器上，其中通過參數(shù)配置可選擇如鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號類 型，可調(diào)整設(shè)置信號幅度、直流偏置和頻率；調(diào)制信號發(fā)生模塊輸出的鋸齒波或倒鋸齒波信 號要求幅度最大為±5V，頻率最大為200KHz ;調(diào)制后的激光器輸出光頻隨調(diào)制信號波形 同步變化的激光，輸入到傳感光路中，可實(shí)現(xiàn)傳感單元的復(fù)用、形成多個(gè)傳感單元的信號載 波；
其中光源調(diào)制電路如圖3所示，它主要由運(yùn)算放大器U7、DFB激光器U8、運(yùn)算放大 器U9和2個(gè)三極管Q4、Q5組;U7的7端接VDC，6端接電阻R18后與二極管D8、電容C41串 聯(lián)后與電容C38并聯(lián)的電路再串聯(lián)，6端接電阻R19后接VDC，同時(shí)再接二極管D4、D5、D6、D7 的串聯(lián)到地，4、7、8、9、10端接地，3端經(jīng)電阻R17后接地，2端與接U8的端；U8的1、14端接 地，12端經(jīng)電容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端經(jīng)扼流圈L 3與電 阻R20串聯(lián)后接三極管Q4的集電極，同時(shí)3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R21串聯(lián)后接三極管Q5 的集電極；U9的1、2端之間并聯(lián)電阻R22和電容C39后由I端接電阻R25到6端，Pdne接 電阻R30再串聯(lián)電阻R27接U9的3端，同時(shí)接Pdne的電阻R30與電位器阻R31、電阻R32、 電容C43三者并聯(lián)后串聯(lián)接地，5端經(jīng)電阻R24接VREF，7端經(jīng)電阻R28與8端經(jīng)電阻R26 共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管D11、D12至Q4的基極，同時(shí)基極接電 容C44到地，同時(shí)經(jīng)二極管DlO與電阻R29串聯(lián)也到地，Q4的基極接Q5的基極，而Q4、Q5 的發(fā)射極接地；
所述信號采集與處理模塊的構(gòu)成見圖6，它包括信號調(diào)理器、信號采集器、處理單 元、終端顯示和外部接口 ；接光電探測器輸出的信號調(diào)理器輸出依次串接信號采集器和處 理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口 ；
其中信號調(diào)理器電路如圖7所示，它主要由運(yùn)算放大器U14、光電二級管U15組成； U15的1、5、8端懸空，3、4端接地，2端經(jīng)電阻R39、電容C60 二者并聯(lián)后接6端，6端經(jīng)電阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端懸空，6、7端共接AD_VINI，I端 接AD_0UT 口，2端經(jīng)電阻R42接地，1、2端之間接電阻R40、電容C59 二者的并聯(lián)；
本發(fā)明是基于泄漏振動準(zhǔn)分布式光纖傳感的管道泄漏監(jiān)測裝置和方法，以無需供 電的光纖傳感器作為泄漏信號的拾取裝置，利用與管道同溝鋪設(shè)的光纖以及光復(fù)用技術(shù)實(shí) 現(xiàn)光纖振動傳感器的信號遠(yuǎn)距離傳輸，解決了電傳感器供電及遠(yuǎn)距離通信的難題，可以較 為密集地布設(shè)光纖振動傳感單元，多傳感單元聯(lián)合進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，提高對天然氣管道泄漏 振動波傳播速度測定精度。


圖1光纖傳感天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)原理圖
圖2光頻可調(diào)型光源的調(diào)制原理圖
圖3光源調(diào)制電路圖
圖4光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)光路系統(tǒng)
圖5光路適配器結(jié)構(gòu)和傳輸光路圖
圖6信號采集與處理模塊結(jié)構(gòu)圖
圖7信號采集與處理模塊中信號調(diào)理電路圖具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例.本例所用的光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1，它包括 光路系統(tǒng)和電路兩部分；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感單元，多個(gè)光纖傳 感單元構(gòu)成一個(gè)光纖傳感器組，每個(gè)光纖傳感器組用一根光纖接一串接在光纖中的分束器 后到接收端的光源和光電探測器，光電探測器輸出接包括泄漏信號識別和事件定位功能的 信號采集與處理模塊，所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理器、信號采集器、處理單元、 終端顯示和外部接口 ；接光電探測器輸出的信號調(diào)理器輸出依次串接信號采集器和處理單 元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口。信號采集與處理模塊輸出接微機(jī)。經(jīng)信號采集 與處理模塊的處理，基于頻分復(fù)用方式混合的傳感器組信號實(shí)現(xiàn)了傳感器組內(nèi)各傳感器的 解復(fù)用，獲得原始泄漏振動波信號。
本例在管道本體上每隔一定距離如5km安裝一個(gè)光纖傳感器，3個(gè)光纖傳感器構(gòu) 成一個(gè)光纖傳感器組，每個(gè)光纖傳感器組用一根光纖接到接收端的光源和光電探測器，光 電探測器輸出接包括泄漏信號識別裝置和事件定位裝置的信號采集與處理模塊，信號采集 與處理模塊輸出接微機(jī)。
本例的光路系統(tǒng)(見圖4)是基于頻分復(fù)用原理而設(shè)計(jì)，每個(gè)光纖傳感器由兩根光 纖接一光路適配器，所有光路適配器依次串接，由距接收端最近的光路適配器接系統(tǒng)主機(jī)； 具體光路由光路適配器、傳輸光纜和光纖傳感單元三部分構(gòu)成；光路適配器由光分束器和 光合束器組成；光纖傳感單元采用馬赫曾德干涉儀或邁克耳遜干涉儀。
所述光路系統(tǒng)中各光器件間的具體連系如圖5所示，光源發(fā)出的泄漏探測光經(jīng)過 傳輸光纖I 5進(jìn)入光路適配器中的分束器I I,該分束器I I米用分光比為24 :1,其中比例為24的輸出光繼續(xù)沿延時(shí)光纖4傳播，直至光路適配器2，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連 接光纖進(jìn)入第一個(gè)傳感單元2，傳感單元2采用馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)，為了保證傳感單元具 有一定的靈敏度控制干涉儀臂差在20m，該干涉儀繞制在橡膠材料的彈性體上，彈性體緊貼 管道壁，采用防護(hù)罩固定；每個(gè)傳感單元之間的距離精確測定，根據(jù)光傳播時(shí)間控制光源輸 出；光路適配器2中的分束器I采用23 :1的分光比，其中比例為23的輸出光繼續(xù)沿輸入 光纖傳播直至遇到下一個(gè)光路適配器，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進(jìn)入第二個(gè)傳 感單元2，該傳感單元同樣采用馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)并且控制干涉儀臂差在20m，繞制在橡 膠材料的彈性體上，彈性體緊貼管道壁固定；當(dāng)?shù)谝慌c第二個(gè)傳感單元2之間的管道發(fā)生 泄漏時(shí)，泄漏引發(fā)的振動波沿管道傳播經(jīng)過一定的時(shí)間分別被兩傳感單元拾取，通過傳輸 光纖5傳入系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換模塊，最終系統(tǒng)根據(jù)傳感單元接收到泄漏信號的時(shí)間差并結(jié)合振 動波在管道中的傳播速度可以實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的定位；
所述光源是一種包括適合復(fù)用和調(diào)制解調(diào)的專用光源系統(tǒng)，由光頻可調(diào)的激光器 和專用調(diào)制信號發(fā)生模塊構(gòu)成(見圖2);激光器輸出接調(diào)制信號發(fā)生模塊中的D/A輸出 器，D/A輸出器接信號發(fā)生器，信號發(fā)生器有頻率調(diào)節(jié)、幅度調(diào)節(jié)和鋸齒波/倒鋸齒波選擇 輸入；通過編程可選擇如鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號類型，調(diào)整設(shè)置信號幅度和頻率；調(diào) 制信號作用在激光器，輸出光頻隨調(diào)制信號波形同步變化的激光，輸入到傳感光路中，實(shí)現(xiàn) 傳感單元的復(fù)用、形成多個(gè)傳感單元的信號載波；
其中光源調(diào)制電路如圖3所示，它主要由運(yùn)算放大器U7、DFB激光器U8、運(yùn)算放大 器U9和2個(gè)三極管Q4、Q5組;U7的7端接VDC，6端接電阻R18后與二極管D8、電容C41串 聯(lián)后與電容C38并聯(lián)的電路再串聯(lián)，6端接電阻R19后接VDC，同時(shí)再接二極管D4、D5、D6、 D7的串聯(lián)到地，4、7、8、9、10端接地，3端經(jīng)電阻R17后接地，2端與接U8的端；U8的1、14端 接地，12端經(jīng)電容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端經(jīng)扼流圈L3與電 阻R20串聯(lián)后接三極管Q4的集電極，同時(shí)3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R21串聯(lián)后接三極管Q5 的集電極；U9的1、2端之間并聯(lián)電阻R22和電容C39后由I端接電阻R25到6端，Pdne接 電阻R30再串聯(lián)電阻R27接U9的3端，同時(shí)接Pdne的電阻R30與電位器阻R31、電阻R32、 電容C43三者并聯(lián)后串聯(lián)接地，5端經(jīng)電阻R24接VREF，7端經(jīng)電阻R28與8端經(jīng)電阻R26 共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管D11、D12至Q4的基極，同時(shí)基極接電 容C44到地，同時(shí)經(jīng)二極管DlO與電阻R29串聯(lián)也到地，Q4的基極接Q5的基極，而Q4、Q5 的發(fā)射極接地；
其中
運(yùn)算放大器U7選AD623 ；
激光器U8選內(nèi)調(diào)制半導(dǎo)體光源；
運(yùn)算放大器U9選AD8572 ；
三極管Q4、Q5 選 NPN9014 ；
所述信號采集與處理模塊的構(gòu)成見圖6，它包括信號調(diào)理器、信號采集器、處理單 元、終端顯示和外部接口 ；接光電探測器輸出的信號調(diào)理器輸出依次串接信號采集器和處 理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口 ；
其中信號調(diào)理器電路如圖7所示，它主要由運(yùn)算放大器U14、光電二級管U15組成； U15的1、5、8端懸空，3、4端接地，2端經(jīng)電阻R39、電容C60 二者并聯(lián)后接6端，6端經(jīng)電阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端懸空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_0UT 口，2端經(jīng)電阻R42接地，1、2端之間接電阻R40、電容C59 二者的并聯(lián)；
其中
運(yùn)算放大器U14選AD8572 ；
光電二級管U15 選 0PA380AID ；
光源采用IOOkHZ線寬的窄線寬光纖激光器，激光器輸出接分束器1，分束器I采用分光比為24 1，其中比例為24的輸出繼續(xù)沿傳輸光路傳播直至遇到分束器2，分束器I 輸出比例為I的輸出端經(jīng)連接光纖進(jìn)入傳感單元1，傳感單元I采用馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)， 為了保證傳感單元具有一定的靈敏度控制干涉儀臂差在20m，該干涉儀繞制在橡膠材料的彈性體上，彈性體緊貼管道壁固定。分束器2采用23 I的分光比，其中比例為23的輸出繼續(xù)沿傳輸光路傳播直至遇到下一個(gè)分束器3，分束器2輸出比例為I的輸出端經(jīng)連接光纖進(jìn)入傳感單元2，傳感單元2同樣采用馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)并且控制干涉儀臂差在20m，繞制在橡膠材料的彈性體上，彈性體緊貼管道壁固定。當(dāng)傳感單元I和傳感單元2之間的管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏引發(fā)的振動波沿管道傳播經(jīng)過一定的時(shí)間分別被傳感單元I和2拾取， 根據(jù)傳感單元I和2接收到泄漏信號的時(shí)間差并結(jié)合振動波在管道中的傳播速度可以實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的定位。
在沿管道方向上設(shè)置多個(gè)傳感點(diǎn)，每個(gè)傳感單元之間的距離精確測定，根據(jù)光傳播時(shí)間控制光源輸出。
當(dāng)傳感單元η和傳感單元η+1之間的管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏引發(fā)的振動波沿管道傳播經(jīng)過一定的時(shí)間分別被傳感單元η-1、η、η+1和η+2拾取，根據(jù)相鄰多個(gè)傳感單元接收到泄漏信號的時(shí)間差，就可測定振動波在管道中的傳播速度。
用此系統(tǒng)，選擇某一個(gè)已知傳感單元點(diǎn)通過敲擊管道等形式模擬管道泄漏引發(fā)振動，依據(jù)工程施工和驗(yàn)收資料中 使用的管道段的數(shù)量，對傳播到兩個(gè)相鄰的傳感單元的泄漏信號進(jìn)行時(shí)延估計(jì)并結(jié)合已知的管道長度實(shí)現(xiàn)對泄漏振動波速度的測定，準(zhǔn)確給出當(dāng)前測試點(diǎn)距離兩個(gè)相鄰的傳感單元點(diǎn)的距離，將該模擬測試點(diǎn)位置X代入Χ = L- [ν X (tn+2-tn) ] /2，反解出V = 2 (L-X) / (tn+2-tn)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)已知的傳感單元間隔距離和測定的信號傳播時(shí)間測定振動波沿管道傳播的速度V。式中L是兩個(gè)相鄰的傳感單元點(diǎn)之間的距離；X為距離第一個(gè)傳感單元點(diǎn)(距離起始點(diǎn))的距離，ν是泄漏振動波的傳播速度。
本例經(jīng)多次試驗(yàn)，通過在管道壁上安裝泄漏振動敏感干涉型傳感單元不但能夠?qū)崿F(xiàn)對沿管道傳播的任何擾動行為的監(jiān)測，經(jīng)過對信號分析處理以及智能識別能夠?qū)崿F(xiàn)對天然氣管道泄漏振動波傳播速度的測定，且系統(tǒng)靈敏度高、準(zhǔn)確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響。
權(quán)利要求
1.一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)，其特征在于它包括光路系統(tǒng)和電路兩部分；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感單元，多個(gè)光纖傳感單元構(gòu)成一個(gè)光纖傳感器組，每個(gè)光纖傳感器組用一根光纖接一串接在光纖中的分束器后到接收端的光源和光電探測器，光電探測器輸出接包括泄漏信號識別和事件定位功能的信號采集與處理模塊，所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理器、信號采集器、處理單元、終端顯示和外部接口 ；接光電探測器輸出的信號調(diào)理器輸出依次串接信號采集器和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口 ；信號采集與處理模塊輸出接微機(jī)； 由光源發(fā)出激光，經(jīng)傳輸光路實(shí)現(xiàn)分束后，部分光被傳輸?shù)桨惭b在管道壁上的光纖傳感器組，光纖傳感器組拾取沿管道傳播的泄漏振動信號以及噪聲后，再次經(jīng)傳輸光路傳回至系統(tǒng)的光電探測器，由信號采集與處理模塊進(jìn)行泄漏信號解調(diào)與識別分析，并對泄漏信號進(jìn)行時(shí)延估計(jì)實(shí)現(xiàn)對泄漏點(diǎn)的定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)，其特征是所述光路系統(tǒng)是基于頻分復(fù)用原理，由光路適配器、傳輸光纜和光纖傳感單元三部分構(gòu)成；光路適配器由光分束器和光合束器組成；光纖傳感單元采用馬赫曾德干涉儀或邁克耳遜干涉儀；每個(gè)光纖傳感器由兩根光纖接一光路適配器，所有光路適配器依次串接，由距接收端最近的光路適配器接系統(tǒng)主機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)，其特征是所述光路系統(tǒng)具體是激光器發(fā)出的探測激光輸入傳輸光纜中的輸入光纖進(jìn)入傳感單元組后到達(dá)第一個(gè)光路適配器，由該光路適配器的光分束器分為兩束激光一束經(jīng)輸入光纖進(jìn)入第一個(gè)光纖傳感單元，另一束光經(jīng)延時(shí)光纖傳到下一個(gè)光路適配器，再由下一個(gè)光路適配器中的光分束器分為兩束激光，一束進(jìn)入第二個(gè)光纖傳感單元，另一束再經(jīng)傳輸光纖傳輸?shù)较乱粋€(gè)光路適配器，以此類推，直到激光到達(dá)最后一個(gè)光纖傳感單元；每2-10個(gè)相鄰的光纖傳感器分為一組，組內(nèi)各光纖傳感器的干涉信號通過光合束器接入回傳光纖，傳回到系統(tǒng)接收端；在傳感單元組的最后一個(gè)光纖傳感單元，激光不再通過光路適配器，直接進(jìn)入光纖傳感單元；而經(jīng)過各光纖傳感單元后的光信號，通過各自相應(yīng)的光路適配器中的光合束器，與后面?zhèn)鬟^來的光信號合束，最終經(jīng)輸出光纖傳至監(jiān)測系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換模塊； 所述光路適配器集合了光分束器和光合束器；輸入光纖與輸出光纖使用的是同一根傳輸光纜中的兩根不同的纖芯；傳輸光纜將所有光路適配器串聯(lián)起來；管道上相鄰的兩個(gè)傳感單元之間的發(fā)射光纖和回傳光纖的長度均要大于激光器相干長度的1/2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)，其特征是所述光路系統(tǒng)中各光器件間的具體連接為光源發(fā)出的泄漏探測光經(jīng)過傳輸光纖(5)進(jìn)入光路適配器中的光分束器(I)，該光分束器(I)采用分光比為24 1，其中比例為24的輸出光繼續(xù)沿延時(shí)光纖⑷傳播，直至光路適配器(2)，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進(jìn)入第一個(gè)傳感單元(2)，傳感單元(2)采用馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)，控制干涉儀臂差在20m，該干涉儀繞制在橡膠材料的彈性體上，彈性體緊貼管道壁，采用防護(hù)罩固定；每個(gè)傳感單元之間的距離精確測定，根據(jù)光傳播時(shí)間控制光源輸出；光路適配器⑵中的光分束器⑴采用·23 I的分光比，其中比例為23的輸出光繼續(xù)沿輸入光纖傳播直至遇到下一個(gè)光路適配器，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進(jìn)入第二個(gè)傳感單元(2)，該傳感單元同樣采用馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)并且控制干涉儀臂差在20m，繞制在橡膠材料的彈性體上，彈性體緊貼管道壁固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)，其特征是所述光源是一種包括適合復(fù)用和調(diào)制解調(diào)的專用光源系統(tǒng)，由光頻可調(diào)的激光器和專用調(diào)制信號發(fā)生模塊構(gòu)成；激光器輸入接調(diào)制信號發(fā)生模塊中的D/A輸出器，D/A輸出器接信號發(fā)生器，信號發(fā)生器有頻率調(diào)節(jié)、幅度調(diào)節(jié)和鋸齒波/倒鋸齒波選擇輸入；通過編程選擇如鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號類型，調(diào)整設(shè)置信號幅度和頻率；調(diào)制信號作用在激光器，輸出光頻隨調(diào)制信號波形同步變化的激光；激光器光功率l_17mW，激光器相干長度大于所有傳感器干涉儀臂長差，但小于相鄰兩個(gè)干涉儀之間發(fā)射光纖和回傳光纖上的延遲光纖長度之和。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)，其特征是所述專用調(diào)制信號發(fā)生模塊主要由運(yùn)算放大器U7、DFB激光器U8、運(yùn)算放大器U9和2個(gè)三極管Q4、Q5組；U7的7端接VDC，6端接電阻R18后與二極管D8、電容C41串聯(lián)后與電容C38并聯(lián)的電路再串聯(lián)，6端接電阻R19后接VDC，同時(shí)再接二極管D4、D5、D6、D7的串聯(lián)到地，4、7、8、9、10端接地，3端經(jīng)電阻町7后接地，2端與接現(xiàn)的端；U8的1、14端接地，12端經(jīng)電容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R20串聯(lián)后接三極管Q4的集電極，同時(shí)3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R21串聯(lián)后接三極管Q5的集電極；U9的1、2端之間并聯(lián)電阻R22和電容C39后由I端接電阻R25到6端，Pdne接電阻R30再串聯(lián)電阻R27接U9的3端，同時(shí)接Pdne的電阻R30與電位器阻R31、電阻R32、電容C43三者并聯(lián)后串聯(lián)接地，5端經(jīng)電阻R24接VREF，7端經(jīng)電阻R28與8端經(jīng)電阻R26共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管D11、D12至Q4的基極，同時(shí)基極接電容C44到地，同時(shí)經(jīng)二極管DlO與電阻R29串聯(lián)也到地，Q4的基極接Q5的基極，而Q4、Q5的發(fā)射極接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)，其特征是所述信號調(diào)理器電路主要由運(yùn)算放大器U14、光電二級管U15組成；U15的1、5、8端懸空，3、4端接地，2端經(jīng)電阻R39、電容C60 二者并聯(lián)后接6端，6端經(jīng)電阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端懸空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_OUT 口，2端經(jīng)電阻R42接地，1、2端之間接電阻R40、電容C59 二者的并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明是一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定系統(tǒng)。它包括光路系統(tǒng)和電路兩部分；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感單元，多個(gè)光纖傳感單元構(gòu)成一個(gè)光纖傳感器組，每個(gè)光纖傳感器組用一根光纖接一串接在光纖中的分束器后到接收端的光源和光電探測器，光電探測器輸出接包括泄漏信號識別和事件定位功能的信號采集與處理模塊，所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理器、信號采集器、處理單元、終端顯示和外部接口；接光電探測器輸出的信號調(diào)理器輸出依次串接信號采集器和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口；信號采集與處理模塊輸出接微機(jī)。它靈敏度和準(zhǔn)確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響。
文檔編號F17D5/02GK102997053SQ20111027206
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者張金權(quán), 王小軍, 李 東, 焦書浩, 王飛, 劉素杰, 趙鋒, 郭戈, 楊文明, 閆會朋 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油天然氣管道局