專利名稱：基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)。涉及涉及機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量、沖擊的測(cè)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(zhǎng)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(guó)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(guó)管道在近年也得到了較快發(fā)展，總長(zhǎng)也超過7萬公里，已初步形成橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、覆蓋全國(guó)、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(guó)外管道安全情況也非常不容樂觀，美國(guó)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(zhǎng)51米、寬9米的大坑。一段長(zhǎng)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(shí)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(duì)于天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)只有聲波監(jiān)測(cè)法較為有效，但為了提高對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)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(guó)外如美國(guó)CS1、ATM0S1、歐洲TER等公司開展了 SCADA泄漏監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，部分產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)也申請(qǐng)了專利保護(hù)；國(guó)內(nèi)天津大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院等單位也對(duì)管道的泄漏監(jiān)測(cè)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(cè)方法及監(jiān)測(cè)裝置。該監(jiān)測(cè)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(dòng)傳感器。專利CN200620119429、CN200610113044. 0均為基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監(jiān)測(cè)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(cè)裝置及方法?！秱鞲衅髋c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(cè)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(cè)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(cè)沿管道本體傳播的振動(dòng)波信號(hào)，對(duì)采集的振動(dòng)波信號(hào)進(jìn)行分析處理，包括類型識(shí)別和振動(dòng)源定位，其中類型識(shí)別為通過對(duì)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)波在管道本體上的傳播速度確定振動(dòng)波源所在的位置，傳感器輸出的光強(qiáng)信號(hào)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(cè)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(cè)裝置及方法。上述技術(shù)均屬于分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)方法。但該類技術(shù)監(jiān)測(cè)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。縱觀國(guó)內(nèi)與國(guó)外的各種管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)，目前普遍使用的負(fù)壓波法，流量平衡法，壓力坡降等輸油管道泄漏檢測(cè)技術(shù)，無法有效的解決氣體管道的泄漏檢測(cè)問題，尤其是對(duì)微小泄漏的識(shí)別與定位。而基于光纖良好的傳感特性，光纖傳感技術(shù)得以快速發(fā)展，其中應(yīng)用較多的是利用一根與管道同溝敷設(shè)的光纜作為氣體泄漏傳感單元，靈敏度雖然比傳統(tǒng)技術(shù)高，但是其定位效果差，不能完全滿足天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求。另一種基于光纖復(fù)用技術(shù)的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)，可有效解決管道氣體微小泄漏的識(shí)別與定位。但是其光纖傳感單元的安裝技術(shù)要求復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，主要是要保證光纖傳感單元檢測(cè)靈敏度足夠高，噪聲隔離性要好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種靈敏度和準(zhǔn)確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響的基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)。本天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用一種具有高靈敏度的準(zhǔn)分布式光纖傳感泄漏振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，它是在具有一定間隔的管道本體上安裝高靈敏度光纖干涉型泄漏光纖傳感器，連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沿管道本體傳播的振動(dòng)波信號(hào)，對(duì)采集的振動(dòng)波信號(hào)進(jìn)行分析處理，包括類型識(shí)別和振動(dòng)源定位，其中類型識(shí)別為通過對(duì)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)波在管道本體上的傳播速度實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)波源所在位置的確定，實(shí)現(xiàn)上述的對(duì)振動(dòng)波信號(hào)分析處理后對(duì)泄漏事件進(jìn)行報(bào)警同時(shí) 提供泄漏點(diǎn)的位置信息。本發(fā)明在采用高靈敏度光纖傳感器提高對(duì)泄漏事件監(jiān)測(cè)靈敏度的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加了光纖傳感器的數(shù)量，擴(kuò)展了可拾取監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻段，并結(jié)合多個(gè)光纖傳感器進(jìn)行的時(shí)延估計(jì)定位方法保證了系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性。在天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感單元是實(shí)現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏激發(fā)的振動(dòng)波將沿管道向泄漏點(diǎn)兩側(cè)傳播。在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)傳感單元，用來監(jiān)測(cè)管道上的泄漏振動(dòng)波。傳感單元采用光纖干涉儀結(jié)構(gòu)，可以為光纖邁克耳遜干涉儀或者光纖馬赫曾德干涉儀作為泄漏振動(dòng)波檢測(cè)傳感單元，為了增加對(duì)泄漏振動(dòng)的感應(yīng)靈敏度可以通過增加傳感光纖長(zhǎng)度的方式，其輸出的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可以寫成V0 l+Vcos(4)s+<i)n+<i)0)+Vn(l)其中，Vtl是輸出的電壓信號(hào)，V是干涉儀的可視度，Vn是電路附加噪聲，^為由泄漏振動(dòng)波引起的相差信號(hào)，即為要探測(cè)的泄漏振動(dòng)波信號(hào)，00為干涉儀的初始相位，是個(gè)常量，為位相差的低頻漂移，是一個(gè)不確定量，隨溫度和外界環(huán)境影響而變化。通過與光源調(diào)制方式相匹配的解復(fù)用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)泄漏振動(dòng)波信號(hào)的獲取，并對(duì)該信號(hào)到達(dá)相應(yīng)的傳感單元的時(shí)間延遲進(jìn)行估計(jì)，結(jié)合振動(dòng)波沿管道傳播的速度V實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)波源即泄漏點(diǎn)位置的確定。該系統(tǒng)中還采用了光纖傳感器復(fù)用/解復(fù)用方法。該方法綜合頻分復(fù)用和空分復(fù)用的方法，采用對(duì)可調(diào)激光器進(jìn)行光頻調(diào)制的方法產(chǎn)生泄漏探測(cè)光，使用邁克耳遜干涉儀作為泄漏傳感器，傳感器的布設(shè)結(jié)構(gòu)是在天然氣管道外壁上每隔一定距離安裝一個(gè)泄漏傳感器，多個(gè)傳感器構(gòu)成一個(gè)傳感器組，每個(gè)傳感器組的光信號(hào)使用一根光纖傳回系統(tǒng)主機(jī)。其中每個(gè)傳感器都制作成光臂差不同的邁克耳遜干涉儀，使每個(gè)泄漏傳感器所產(chǎn)生的傳感光信號(hào)頻率均不相同，由此利用頻分復(fù)用原理可將每組的多個(gè)傳感器不同頻率的光信號(hào)復(fù)用在一根光纖中傳回系統(tǒng)的接收端；而多個(gè)傳感器組之間采用空分復(fù)用方式分別接入系統(tǒng)主機(jī)。接收到的每個(gè)傳感器組的光信號(hào)使用單獨(dú)的光電轉(zhuǎn)換通道實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的傳感信號(hào)使用分頻方式實(shí)現(xiàn)傳感器組內(nèi)各傳感器的解復(fù)用，并采用相位載波技術(shù)解調(diào)出管道泄漏的原始聲波信號(hào)，再經(jīng)過泄漏信號(hào)的識(shí)別和定位分析，最終可準(zhǔn)確獲取管道泄漏點(diǎn)信息。泄漏聲波信號(hào)的相位載波解調(diào)方法是將接收到的干涉信號(hào)，先進(jìn)行帶通濾波，一路輸出與cosOdt)相乘后進(jìn)行低通濾波與微分處理,另一路與SinOdt)相乘后進(jìn)行低通濾波與微分處理；前一路的微分輸出與后一路的低通濾波輸出相乘后，再與后一路的微分輸出與前一低通濾波輸出相乘的結(jié)果相減，之后依次經(jīng)積分、高通濾波處理，最終輸出原始泄漏振動(dòng)波信號(hào)。同時(shí)，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，將管道泄漏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，管道泄漏光纖傳感探頭均勻布設(shè)在管道沿線，形成可監(jiān)測(cè)管道泄漏振動(dòng)的光纖傳感系統(tǒng)。利用光源對(duì)各個(gè)管道泄漏光纖傳感單元掃描，基于法拉第旋轉(zhuǎn)鏡法，實(shí)現(xiàn)傳感器組及組內(nèi)個(gè)傳感器的干涉信號(hào)的抗偏振衰落，提高并穩(wěn)定了傳感器及傳感器組干涉信號(hào)的可視度和信噪比，使用光電轉(zhuǎn)換模塊將各傳感單元組的干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，每個(gè)傳感單元組對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換通道，由信號(hào)采集和處理模塊采集各傳感單元組的干涉信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，并可通過帶通濾波的方法將組內(nèi)各傳感單元的載波信號(hào)徹底分離，通過相位載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)，解調(diào)出原始泄漏振動(dòng)波信號(hào)；分析相鄰幾個(gè)傳感單元檢測(cè)到的泄漏振動(dòng)波信號(hào)的時(shí)延差，結(jié)合振動(dòng)波在管道中傳輸速度，可實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的定位。應(yīng)用多傳感單元復(fù)用調(diào)制解調(diào)技術(shù)從而大大提高了傳感器組內(nèi)傳感器的復(fù)用數(shù)量，減少了光纖的使用數(shù)量，在保持系統(tǒng)檢測(cè)效果的前提下，降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本。為了能準(zhǔn)確定位管道泄漏的位置，該系統(tǒng)采用了一種基于準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)天然氣管道泄漏事件的多傳感單元定位方法，當(dāng)管道泄漏事件發(fā)生時(shí)，泄漏激發(fā)振動(dòng)波并沿管道向兩相反方向傳播，系統(tǒng)根據(jù)泄漏信號(hào)傳播到相鄰幾個(gè)傳感單元的時(shí)延差實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，泄漏激發(fā)管道產(chǎn)生振動(dòng)波，振動(dòng)波以速度V沿管道傳播，其中兩個(gè)相鄰的傳感單元間隔為設(shè)定值L，設(shè)信號(hào)傳播至傳感單元n的時(shí)間為tn，傳播至傳感單元n+1的時(shí)間為tn+1，信號(hào)傳播至傳感單元n-1的時(shí)間為tn_i，傳播至傳感單元n+2的時(shí)間為tn+2，有下式(2)成立X1 = —[L-vx(tn+l-tn)]
-去 XiU(2)
= L~~[vx(tn+2~tny\X4 =-[L-vx(tn+2-tn_1)]其中未知參量(tn+「tn)、(tn_rtn+1)、(tn+2-tn)和(U2-V1)可以通過對(duì)對(duì)應(yīng)幾個(gè)傳感單元接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理得到，這樣就形成了對(duì)事件發(fā)生位置X同一未知量的多次觀測(cè)，聯(lián)合連續(xù)多個(gè)傳感單元接收信號(hào)時(shí)間差，相比僅采用兩個(gè)傳感單元的時(shí)間差測(cè)量方式具有更為準(zhǔn)確的定位效果。該定位方法可以監(jiān)測(cè)突發(fā)或已發(fā)泄漏信號(hào)，具有定位準(zhǔn)確性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1，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到接收端的光源和光電探測(cè)器，光電探測(cè)器輸出接包括泄漏信號(hào)識(shí)別和事件定位功能的信號(hào)采集與處理模塊，所述信號(hào)采集與處理模塊包括信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集、處理單元、終端顯示和外部接口 ；接光電探測(cè)器輸出的信號(hào)調(diào)理輸出依次串接、信號(hào)采集和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口。信號(hào)采集與處理模塊輸出接微機(jī)。經(jīng)信號(hào)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(hào)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(dòng)波信號(hào)。該天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光路系統(tǒng)(見圖2)主要是基于頻分復(fù)用原理而設(shè)計(jì)，由光源、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；在天然氣管道上每隔一定距離貼裝一個(gè)光纖傳感單元，每2-10個(gè)相鄰的傳感單元分為一組，每組傳感單元采用兩根傳輸光纖用于激光和干涉信號(hào)的傳輸(即發(fā)射光纖和回傳光纖)；在這兩根傳輸光纖上按照每個(gè)傳感單元的布設(shè)位置依次串接相應(yīng)的光路適配器，每個(gè)光路適配器分別由兩根光纖與相應(yīng)的光纖傳感單元連通，最終由傳輸光纖中的回傳光纖將干涉信號(hào)傳回系統(tǒng)主機(jī)。整個(gè)光路系統(tǒng)的流程是光源經(jīng)傳輸光纜中的發(fā)射光纖發(fā)出探測(cè)激光，到達(dá)第一個(gè)光路適配器后，由該光路適配器的光分束器分為兩束激光一束經(jīng)發(fā)射光纖進(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)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；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(hào)，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(hào)合束，最后經(jīng)相對(duì)應(yīng)的傳感單元組的回傳光纖傳回至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)接收端。其中所述的光路適配器集合了光分束器和光合束器；發(fā)射光纖與回傳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(zhǎng)度均要大于激光器相干長(zhǎng)度的1/2，以達(dá)到防止傳感單元之間發(fā)生信號(hào)串?dāng)_的目的。所述光源采用光頻可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器，調(diào)制信號(hào)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10-20mW，相干長(zhǎng)度400-500m，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。
其中所述光頻可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器是由調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊輸出接到激光器上，通過參數(shù)配置選擇不同信號(hào)幅度、直流偏置和頻率的鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號(hào)；調(diào)制信號(hào)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(hào)幅度、頻率參數(shù)計(jì)算獲得一個(gè)周期的調(diào)制信號(hào)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(hào)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(hào)類型，可調(diào)整設(shè)置信號(hào)幅度、直流偏置和頻率；調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊輸出的鋸齒波或倒鋸齒波信號(hào)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(hào)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(hào)載波。光源調(diào)制電路如圖6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L 3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。所述傳感單元采用邁克耳遜干涉儀或馬赫曾德干涉儀。每個(gè)光纖傳感單元按照等間距安裝在管道表面；每2-10個(gè)相鄰傳感單元組成一個(gè)傳感單元組，每組中各傳感單元采用并聯(lián)方式連接到傳輸光纖(即發(fā)射光纖和回傳光纖)，各傳感單元與傳輸光纖連接的地方使用1*2耦合器實(shí)現(xiàn)光的分束與合束(即光路適配器)，相鄰兩個(gè)傳感單元之間的傳輸光纖長(zhǎng)度要大于激光器相干長(zhǎng)度的1/2 ;每個(gè)傳感單元組對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的將各傳感單元組的干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換通道。所述光纖傳感器的I型結(jié)構(gòu)見圖4，I型結(jié)構(gòu)是測(cè)管道徑向振動(dòng)信號(hào)的，每個(gè)傳感單元包括彈性圓柱體、光纖干涉儀和尾纖盤纖盒；其中，在彈性圓柱體外周上均勻有序的纏繞光纖干涉儀的干涉臂，并用粘合劑將光纖與圓柱體粘合在一起，纏繞后剩余的光纖干涉儀及其相關(guān)器件將整齊的盤繞在尾纖盤纖盒內(nèi)；尾纖盤纖盒通過粘合劑固定在彈性圓柱體頂部。所述的彈性圓柱體底部?jī)?nèi)凹，且弧度與管道外表面一致。天然氣管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的徑向振動(dòng)讓彈性圓柱體發(fā)生形變，帶動(dòng)彈性圓柱體外周纏繞的光纖干涉儀也發(fā)生形變，由此改變光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獾臓顟B(tài)，以致被泄漏監(jiān)測(cè)設(shè)備檢測(cè)到。另一種用于天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)軸向振動(dòng)信號(hào)的光纖傳感單元II型結(jié)構(gòu)見圖5，該光纖傳感單元由長(zhǎng)方形彈性片、光纖干涉儀以及尾纖盤纖盒組成；具體結(jié)構(gòu)是在長(zhǎng)方形彈性片的上面，將光纖干涉儀的光纖干涉臂以正弦波的形狀均勻布設(shè)，并用粘合劑將光纖緊貼在長(zhǎng)方形彈性片上，剩余的光纖干涉儀及其相關(guān)器件將整齊的盤繞在尾纖盤纖盒內(nèi)；尾纖盤纖盒通過粘合劑固定在長(zhǎng)方形彈性片上面。所述的長(zhǎng)方形彈性片是一個(gè)底部?jī)?nèi)凹且弧度與管道外表面一致的鋼制薄板；天然氣管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的軸向振動(dòng)讓長(zhǎng)方形彈性片發(fā)生形變，帶動(dòng)長(zhǎng)方形彈性片上面盤繞的光纖干涉儀也發(fā)生形變，由此改變光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獾臓顟B(tài)，以致被后端設(shè)備檢測(cè)到。另外，在泄漏監(jiān)測(cè)設(shè)備接收端使用光電轉(zhuǎn)換模塊將各傳感單元組的干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，每個(gè)傳感單元組對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換通道。該發(fā)明專為基于光纖復(fù)用技術(shù)的準(zhǔn)分布式天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，在確保天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常使用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工容易的光路系統(tǒng)。本發(fā)明的效果和優(yōu)點(diǎn)是，基于光纖復(fù)用技術(shù)的準(zhǔn)分布式天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)，使用較少的光纖芯數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)全無源的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、本質(zhì)防暴、定位準(zhǔn)確、節(jié)省光纖資源的優(yōu)點(diǎn)，可為天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)提供有效的監(jiān)測(cè)手段。


圖1光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理2光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)原理圖
圖4光纖傳感器I型結(jié)構(gòu)5光纖傳感器II型結(jié)構(gòu)6光源調(diào)制電路圖其中1-尾纖盤纖盒2_輸入、輸出光纖3_彈性圓柱體4-光纖干涉儀5- 長(zhǎng)方形彈性片In-光分束器2η-傳感單元3η_光合束器
具體實(shí)施例方式實(shí)施例.本例主要是針對(duì)天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的實(shí)施例，故需在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，在管道本體上每隔1. 5km安裝一個(gè)光纖傳感單元，共計(jì)安裝10個(gè)傳感器，前5個(gè)傳感器和后5個(gè)傳感器分別構(gòu)成一個(gè)傳感器組，所有光纖傳感器組共用傳輸光纜中的一根光纖與系統(tǒng)光源連接，作為發(fā)射光纖，同時(shí)每個(gè)光纖傳感器組又獨(dú)自使用傳輸光纜中的一根光纖與系統(tǒng)光電探測(cè)器連接，作為回傳光纖；光電探測(cè)器輸出端接包括泄漏信號(hào)識(shí)別和事件定位功能的信號(hào)采集與處理模塊，所述信號(hào)采集與處理模塊包括信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集器、處理單元、終端顯示和外部接口 ；其中連接光電探測(cè)器輸出端的依次是信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)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(hào)采集器與處理單元輸出接微機(jī)。經(jīng)過信號(hào)采集器與處理單元的處理，基于頻分復(fù)用方式混合的傳感器組信號(hào)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(dòng)波信號(hào)。該系統(tǒng)中光路(見圖2)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光路適配器，所有光路適配器用傳輸光纜依次串接，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；光纖傳感器采用邁克耳遜結(jié)構(gòu)的干涉儀。其中各光器件間的具體聯(lián)系如圖3所示，光源發(fā)出的探測(cè)光經(jīng)過傳輸光纖15進(jìn)入光路適配器中的分束器11，該分束器11采用分光比為9 1，其中比例為9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的輸出光進(jìn)入第一個(gè)傳感器21，傳感器21采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，臂差為5m，將該干涉儀一個(gè)臂上3m長(zhǎng)光纖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；光路適配器2中的分束器12采用8 I的分光比，其中比例為8的輸出光繼續(xù)沿延時(shí)光纖傳播至下一個(gè)光路適配器，而輸出比例為I的輸出光進(jìn)入第二個(gè)傳感器22，該傳感器同樣采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)并且控制干涉儀臂差在7. 5m，將一個(gè)臂上3m長(zhǎng)的光纖繞制在橡膠材料的彈性體上，彈性體緊貼管道壁固定；以此類推，其余傳感器臂長(zhǎng)差分別為10m、12. 5m、15m,相應(yīng)的適配器內(nèi)的分束器分光比分別為7 1、6 1、5 1、4 1、3 1、2 1、1 1，到最后一個(gè)傳感器時(shí)，激光經(jīng)延時(shí)光纖后直接進(jìn)入傳感器；第一個(gè)傳感器組內(nèi)的傳感器21-24的輸出分別與前四個(gè)適配器內(nèi)的合束器與一根回傳光纖連接，4個(gè)合束器的分光比分別是4 : 1、3 : 1、2 : 1、1 :1,各傳感器均與合束器比例為I的輸入端連接，傳感器25輸出連接回傳光纖，然后再連接第四個(gè)適配器內(nèi)的合束器；類似地，第二個(gè)傳感器組內(nèi)的五個(gè)傳感器的臂長(zhǎng)差分別為5m、7. 5m、10m、12. 5m、15m,同樣通過適配器內(nèi)的合束器與另一根回傳光纖連接,合束器分光比分別是4 : 1、3 : 1、2 1、1 I ;兩個(gè)傳感器組共使用兩個(gè)回傳光纖分別與光電轉(zhuǎn)換模塊的兩個(gè)轉(zhuǎn)換通道連接；每個(gè)傳感器之間的距離精確測(cè)定，根據(jù)光傳播時(shí)間控制光源輸出；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)傳感器與第二個(gè)傳感器之間的管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏引發(fā)的振動(dòng)波沿管道傳播經(jīng)過一定的時(shí)間分別被兩傳感器拾取，通過回傳光纖傳入系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換模塊，最終系統(tǒng)根據(jù)傳感器接收到泄漏信號(hào)的時(shí)間差并結(jié)合振動(dòng)波在管道中的傳播速度可以實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的定位。本實(shí)施例中系統(tǒng)光源由光頻可調(diào)的激光器和專用調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊構(gòu)成；光源所加調(diào)制信號(hào)為頻率10kHz、幅度±1. 4V的鋸齒波信號(hào)，第一個(gè)傳感器組輸出的干涉信號(hào)頻譜主要由40kHz、60kHz、80kHz、100kHz、120kHz五條譜線構(gòu)成；分別使用中心頻率為40kHz、60kHz、80kHz、100kHz、120kHz，帶寬均為4. 5kHz的帶通濾波器對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行濾波，得到五個(gè)傳感器的載波信號(hào)，對(duì)應(yīng)的主頻率分別為40kHZ、60kHZ、80kHZ、100kHZ、120kHz ;對(duì)五個(gè)載波信號(hào)使用同頻的余弦和正弦信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得五個(gè)傳感器的泄漏振動(dòng)波信號(hào)。其中光源調(diào)制電路如圖6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C 38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C 34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 ；本例經(jīng)多次試驗(yàn)，通過在管道壁上安裝泄漏振動(dòng)敏感干涉型傳感單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)沿管道傳播的任何擾動(dòng)行為的監(jiān)測(cè)，經(jīng)過對(duì)信號(hào)分析處理以及智能識(shí)別能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)泄漏事件報(bào)警并給出泄漏點(diǎn)位置，系統(tǒng)靈敏度高，通過對(duì)泄漏的智能識(shí)別極大程度上降低了偶發(fā)事件導(dǎo)致的系統(tǒng)虛警率。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)，其特征是它由光源、光路適配器、傳輸光纜和光纖傳感單兀構(gòu)成；光路適配器由光分束器和光合束器組成；在天然氣管道上每隔一定距離貼裝一個(gè)光纖傳感單元，每2-10個(gè)相鄰的傳感單元分為ー組，每組傳感單元采用兩根傳輸光纖用于激光和干渉信號(hào)的傳輸；在這兩根傳輸光纖上按照每個(gè)傳感單元的布設(shè)位置依次串接相應(yīng)的光路適配器，每個(gè)光路適配器分別由兩根光纖與相應(yīng)的光纖傳感單元相連，最終由傳輸光纖中的回傳光纖將干涉信號(hào)傳回系統(tǒng)主機(jī)； 光源經(jīng)傳輸光纜中的發(fā)射光纖發(fā)出探測(cè)激光，到達(dá)第一個(gè)光路適配器后，由該光路適配器的光分束器分為兩束激光一束經(jīng)發(fā)射光纖進(jìn)入第一個(gè)光纖傳感單元，另一束光經(jīng)延時(shí)光纖傳到下ー個(gè)光路適配器，再由下ー個(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)光纖傳輸?shù)较漏`個(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；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)入光纖傳感単元；而經(jīng)過各光纖傳感単元后的光信號(hào)，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(hào)合束，最后經(jīng)相對(duì)應(yīng)的傳感單兀組的回傳光纖傳回至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)接收端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)，其特征是所述光源采用光頻可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器；激光器光功率10-20mW，相干長(zhǎng)度為400-500m ； 所述光頻可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器是由調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊輸出接到激光器上，通過參數(shù)配置選擇不同信號(hào)幅度、直流偏置和頻率的鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號(hào)；調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊輸出的鋸齒波或倒鋸齒波信號(hào)要求幅度最大為±5V，頻率最大為200KHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)，其特征是所述光源調(diào)制電路主要由運(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后與ニ極管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)再接ニ極管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rone，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)ニ極管Dll、D12至Q4的基扱，同時(shí)基極接電容C44到地，同時(shí)經(jīng)ニ極管DlO與電阻R29串聯(lián)也到地，Q4的基極接Q5的基板，而Q4、Q5的發(fā)射極接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)，其特征是所述傳感單元采用邁克耳遜干涉儀或馬赫曾德干涉儀；每個(gè)光纖傳感單元按照等間距安裝在管道表面；每2-10個(gè)相鄰傳感單元組成ー個(gè)傳感單元組，每組中各傳感單元采用并聯(lián)方式連接到包括發(fā)射光纖和回傳光纖的傳輸光纖，各傳感單元與傳輸光纖連接的地方接1*2耦合器構(gòu)成的光路適配器，相鄰兩個(gè)傳感單元之間的傳輸光纖長(zhǎng)度要大于激光器相干長(zhǎng)度的1/2;每個(gè)傳感單元組對(duì)應(yīng)ー個(gè)獨(dú)立的將各傳感單元組的干渉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)，其特征是所述光路適配器集合了光分束器和光合束器；發(fā)射光纖與回傳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)傳感単元之間的發(fā)射光纖和回傳光纖的長(zhǎng)度均要大于激光器相干長(zhǎng)度的1/2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)，其特征是傳感単元包括測(cè)管道徑向振動(dòng)信號(hào)的光纖傳感器的I型結(jié)構(gòu)和測(cè)管道軸向振動(dòng)信號(hào)的光纖傳感器的II型結(jié)構(gòu)兩種，光纖傳感器的I型結(jié)構(gòu)包括彈性圓柱體、光纖干涉儀和尾纖盤纖盒；其中，在彈性圓柱體外周上均勻有序的纏繞光纖干涉儀的干涉臂，并用粘合劑將光纖與圓柱體粘合在一起，纏繞后剰余的光纖干涉儀及其相關(guān)器件將整齊的盤繞在尾纖盤纖盒內(nèi)；尾纖盤纖盒通過粘合劑固定在彈性圓柱體頂部；所述的彈性圓柱體底部?jī)?nèi)凹，且弧度與管道外表面一致；光纖傳感単元II型結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)方形彈性片、光纖干涉儀以及尾纖盤纖盒組成；在長(zhǎng)方形彈性片的上面，將光纖干涉儀的光纖干涉臂以正弦波的形狀均勻布設(shè)，并用粘合劑將光纖緊貼在長(zhǎng)方形彈性片上，剰余的光纖干涉儀及其相關(guān)器件將整齊的盤繞在尾纖盤纖盒內(nèi)；尾纖盤纖盒通過粘合劑固定在長(zhǎng)方形彈性片上面；所述的長(zhǎng)方形弾性片是ー個(gè)底部?jī)?nèi)凹且弧度與管道外表面一致的鋼制薄板。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)光路系統(tǒng)。涉及機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量、沖擊的測(cè)量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。它由光源、光路適配器、傳輸光纜和光纖傳感單元構(gòu)成；光路適配器由光分束器和光合束器組成；在天然氣管道上每隔一定距離貼裝一個(gè)光纖傳感單元，每2-10個(gè)相鄰的傳感單元分為一組，每組傳感單元采用兩根傳輸光纖用于激光和干涉信號(hào)的傳輸(發(fā)射光纖和回傳光纖)；在這兩根傳輸光纖上按照每個(gè)傳感單元的布設(shè)位置依次串接相應(yīng)的光路適配器，每個(gè)光路適配器分別由兩根光纖與相應(yīng)的光纖傳感單元連通，最終由傳輸光纖中的回傳光纖將干涉信號(hào)傳回系統(tǒng)主機(jī)。本發(fā)明靈敏度和準(zhǔn)確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響。
文檔編號(hào)F17D5/02GK103047540SQ20111027244
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)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, 劉素杰, 王贏, 方德學(xué), 趙鋒, 郭戈, 楊依光 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司, 中國(guó)石油天然氣管道局