專利名稱：一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定方法和系統(tǒng)，涉及機械振動的測量、沖擊的測量和管道系統(tǒng)技術領域。
背景技術：
目前，世界上建成的管道總長達到250萬公里，已經(jīng)超過鐵路總里程成為世界能源主要運輸方式，發(fā)達國家和中東產油區(qū)的油品輸運已全部實現(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、縱貫南北、覆蓋全國、連通海外的能源管網(wǎng)大格局，管道運輸成為油氣等戰(zhàn)略能源的調配輸送的主要方式。管道由于跨越地域廣，受自然災害、第三方施工破壞等原因，導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，并引發(fā)大范圍火災，導致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)的管道輸運安全問題也得到越來越多的重視。目前成熟的技術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)測的實時性和漏點定位的準確性，必須在管線上加大傳感器的布設密度，同時增加相應的供電、通信設備，造成系統(tǒng)成本以及安裝維護費用高昂。隨著傳感技術的發(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)，部分產品在國內也申請了專利保護；國內天津大學、清華大學、中國人民解放軍后勤工程學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一根光纜，利用光纜中的光纖組成一個光纖微振動傳感器。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傳感技術的管道泄漏監(jiān)測裝置及方法?！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)實時監(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，同時根據(jù)振動波傳播到相鄰幾個光纖傳感器的時間延遲結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，傳感器輸出的光強信號經(jīng)光電轉換后實現(xiàn)泄漏點的位置的確定。CN1837674A公開了一種基于分布式光纖聲學傳感技術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。上述技術均屬于分布式光纖傳感監(jiān)測方法。但該類技術監(jiān)測泄漏時受到管道周圍所發(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)測方法中的管道泄漏振動波傳播速度測定方法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分布式泄漏振動監(jiān)測系統(tǒng)的天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定方法和系統(tǒng)。鑒于上述幾類泄漏檢測、監(jiān)測技術存在的靈敏度低、虛警率高、易受環(huán)境因素影響等問題，本發(fā)明是用基于準分布式光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，即采用高靈敏度傳感器并結合泄漏事件的時域、頻域特征，對泄漏振動波傳播速度進行測定。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)測方法的基礎上；用天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，選擇某一個已知傳感器點通過敲擊管道等形式模擬管道泄漏引發(fā)振動，依據(jù)工程施工和驗收資料中使用的管道段的數(shù)量，對傳播到兩個相鄰的傳感器的泄漏信號進行時延估計并結合已知的管道長度實現(xiàn)對泄漏振動波速度的測定，準確給出當前測試點距離兩個相鄰的傳感器點的距離，將該模擬測試點位置X代入X = L-[vX (tn+2-tn)]/2,反解出v = 2 (L-X) / (tn+2_tn),實現(xiàn)根據(jù)已知的傳感器間隔距離和測定的信號傳播時間測定振動波沿管道傳播的速度。式中L是兩個相鄰的傳感器點之間的距離；X為距離第一個傳感器點(距離起始點)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器通過光復用技術相互并聯(lián)接在收發(fā)傳輸光纖之間，形成光回路，管道泄露光纖傳感器均勻布設在管道沿線，形成可監(jiān)測管道聲震動的光纖傳感系統(tǒng)。利用光源對各個管道泄露光纖傳感器掃描，根據(jù)管道泄露光纖傳感器的分布情況對采集的光電轉換信號解調、提取，實現(xiàn)各個管道泄露光纖傳感器的振動信息獲取，檢測分析管道泄露光纖傳感器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器檢測到信號的到達時間延遲實現(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)?；诠饫w傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的構成見圖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光纖傳感器，多個光纖傳感器構成一個光纖傳感器組，每個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。經(jīng)信號采集與處理模塊的處理，基于頻分復用方式混合的傳感器組信號實現(xiàn)了傳感器組內各傳感器的解復用，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行泄漏信號解調與識別分析，并對泄漏信號進行時延估計實現(xiàn)對泄漏點的定位。本天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的光路系統(tǒng)(見圖4)主要是基于頻分復用原理而設計，由光路適配器、傳輸光纜和光纖傳感器三部分構成；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；每個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。激光器發(fā)出的探測激光輸入傳輸光纜中的輸入光纖進入傳感器組后到達第一個光路適配器，由該光路適配器的光分束器分為兩束激光一束經(jīng)輸入光纖進入第一個光纖傳感器，另一束光經(jīng)延時光纖傳到下一個光路適配器，再由下一個光路適配器中的光分束器分為兩束激光，一束進入第二個光纖傳感器，另一束再經(jīng)傳輸光纖傳輸?shù)较乱粋€光路適配器，以此類推，直到激光到達最后一個光纖傳感器；每2-10個相鄰的光纖傳感器分為一組，組內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；在傳感器組的最后一個光纖傳感器，激光不再通過光路適配器，直接進入光纖傳感器；而經(jīng)過各光纖傳感器后的光信號，通過各自相應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；管道上相鄰的兩個傳感器之間的發(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，以防止傳感器之間發(fā)生信號串擾。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15進入光路適配器中的分束器II，該分束器Il采用分光比為24 1，其中比例為24的輸出光繼續(xù)沿延時光纖4傳播，直至光路適配器2，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進入第一個傳感器2，傳感器2采用馬赫曾德干涉儀結構，為了保證傳感器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，采用防護罩固定；每個傳感器之間的距離精確測定，根據(jù)光傳播時間控制光源輸出；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光路適配器，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進入第二個傳感器2，該傳感器同樣采用馬赫曾德干涉儀結構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?shù)谝慌c第二個傳感器2之間的管道發(fā)生泄漏時，泄漏引發(fā)的振動波沿管道傳播經(jīng)過一定的時間分別被兩傳感器拾取，通過傳輸光纖5傳入系統(tǒng)光電轉換模塊,最終系統(tǒng)根據(jù)傳感器接收到泄漏信號的時間差并結合振動波在管道中的傳播速度可以實現(xiàn)泄漏點的定位；由監(jiān)測光路返回的光信號首先進入系統(tǒng)的光電探測器中，進行光電轉換，之后進入信號采集處理模塊進行處理，其過程是首先經(jīng)過調理電路進行信號調理，接著經(jīng)過AD集電路采集，然后送入信號處理單元進行信號濾波與解調處理，獲取原始泄漏振動波信號，最后對泄漏信號進行信號識別與定位分析，并將分析結果顯示于終端，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用和調制解調的專用光源系統(tǒng)，由光頻可調的激光器和專用調制信號發(fā)生模塊構成(見圖2);激光器輸出接調制信號發(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)生器有頻率調節(jié)、幅度調節(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制信號類型，調整設置信號幅度和頻率；調制信號作用在激光器，輸出光頻隨調制信號波形同步變化的激光，輸入到傳感光路中，實現(xiàn)傳感器的復用、形成多個傳感器的信號載波；其中激光器采用光頻可調制的半導體激光器，調制信號作用在激光器注入電流上，實現(xiàn)光頻的調制；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傳感器干涉儀之間延遲光纖的要求；其中調制信號發(fā)生模塊采用數(shù)字方式實現(xiàn)，即通過數(shù)字方式根據(jù)波型、信號幅度、頻率參數(shù)計算獲得一個周期的調制信號片斷，然后通過數(shù)模轉換(D/A)方式輸出，輸出的模擬調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制信號類型，可調整設置信號幅度、直流偏置和頻率；調制信號發(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 ;調制后的激光器輸出光頻隨調制信號波形同步變化的激光，輸入到傳感光路中，可實現(xiàn)傳感器的復用、形成多個傳感器的信號載波；其中光源調制電路如圖3所示，它主要由運算放大器U7、DFB激光器U8、運算放大器U9和2個三極管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，同時基極接電容C44到地，同時經(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成見圖6，它包括信號調理器、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 ；其中信號調理器電路如圖7所示，它主要由運算放大器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R 39、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的光纖以及光復用技術實現(xiàn)光纖振動傳感器的信號遠距離傳輸，解決了電傳感器供電及遠距離通信的難題，可以較為密集地布設光纖振動傳感器，多傳感器聯(lián)合進行時延估計，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2光頻可調型光源的調制原理3光源調制電路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光路適配器結構和傳輸光路6信號采集與處理模塊結構7信號采集與處理模塊中信號調理電路圖
具體實施例方式結合附圖和實施例對本發(fā)明進行進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。實施例.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光纖傳感器，多個光纖傳感器構成一個光纖傳感器組，每個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。經(jīng)信號采集與處理模塊的處理，基于頻分復用方式混合的傳感器組信號實現(xiàn)了傳感器組內各傳感器的解復用，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安裝一個光纖傳感器，3個光纖傳感器構成一個光纖傳感器組，每個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。本例的光路系統(tǒng)(見圖4)是基于頻分復用原理而設計，每個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；具體光路由光路適配器、傳輸光纜和光纖傳感器三部分構成；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。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15進入光路適配器中的分束器II,該分束器Il米用分光比為24 :1,其中比例為24的輸出光繼續(xù)沿延時光纖4傳播，直至光路適配器2，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進入第一個傳感器2，傳感器2采用馬赫曾德干涉儀結構，為了保證傳感器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，采用防護罩固定；每個傳感器之間的距離精確測定，根據(jù)光傳播時間控制光源輸出；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光路適配器，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進入第二個傳感器2，該傳感器同樣采用馬赫曾德干涉儀結構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?shù)谝慌c第二個傳感器2之間的管道發(fā)生泄漏時，泄漏引發(fā)的振動波沿管道傳播經(jīng)過一定的時間分別被兩傳感器拾取，通過傳輸光纖5傳入系統(tǒng)光電轉換模塊，最終系統(tǒng)根據(jù)傳感器接收到泄漏信號的時間差并結合振動波在管道中的傳播速度可以實現(xiàn)泄漏點的定位；所述光源是一種包括適合復用和調制解調的專用光源系統(tǒng)，由光頻可調的激光器和專用調制信號發(fā)生模塊構成(見圖2);激光器輸出接調制信號發(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)生器有頻率調節(jié)、幅度調節(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制信號類型，調整設置信號幅度和頻率；調制信號作用在激光器，輸出光頻隨調制信號波形同步變化的激光，輸入到傳感光路中，實現(xiàn)傳感器的復用、形成多個傳感器的信號載波；其中光源調制電路如圖3所示，它主要由運算放大器U7、DFB激光器U8、運算放大器U9和2個三極管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，同時基極接電容C44到地，同時經(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；其中運算放大器U7選AD623 ；激光器U8選內調制半導體光源；運算放大器U9選AD8572 ；三極管Q4、Q5 選 NPN9OH ；所述信號采集與處理模塊的構成見圖6，它包括信號調理器、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 ；其中信號調理器電路如圖7所示，它主要由運算放大器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)連接光纖進入傳感器1，傳感器I采用馬赫曾德干涉儀結構，為了保證傳感器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)連接光纖進入傳感器2，傳感器2同樣采用馬赫曾德干涉儀結構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。當傳感器I和傳感器2之間的管道發(fā)生泄漏時，泄漏引發(fā)的振動波沿管道傳播經(jīng)過一定的時間分別被傳感器I和2拾取，根據(jù)傳感器I和2接收到泄漏信號的時間差并結合振動波在管道中的傳播速度可以實現(xiàn)泄漏點的定位。
在沿管道方向上設置多個傳感點，每個傳感器之間的距離精確測定，根據(jù)光傳播時間控制光源輸出。當傳感器η和傳感器η+1之間的管道發(fā)生泄漏時，泄漏引發(fā)的振動波沿管道傳播經(jīng)過一定的時間分別被傳感器η-1、η、η+1和η+2拾取，根據(jù)相鄰多個傳感器接收到泄漏信號的時間差，就可測定振動波在管道中的傳播速度。用此系統(tǒng)，選擇某一個已知傳感器點通過敲擊管道等形式模擬管道泄漏引發(fā)振動，依據(jù)工程施工和驗收資料中使用的管道段的數(shù)量，對傳播到兩個相鄰的傳感器的泄漏信號進行時延估計并結合已知的管道長度實現(xiàn)對泄漏振動波速度的測定，準確給出當前測試點距離兩個相鄰的傳感器點的距離，將該模擬測試點位置X代入=X =L- [V X (tn+2-tn) ] /2，反解出V = 2 (L-X) / (tn+2-tn)，實現(xiàn)根據(jù)已知的傳感器間隔距離和測定的信號傳播時間測定振動波沿管道傳播的速度V。式中L是兩個相鄰的傳感器點之間的距離；X為距離第一個傳感器點(距離起始點)的距離，V是泄漏振動波的傳播速度。本例經(jīng)多次試驗，通過在管道壁上安裝泄漏振動敏感干涉型傳感器不但能夠實現(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實現(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、準確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響。
權利要求
1.一種天然氣管道泄漏振動波傳播速度測定方法，其特征在于它是建立在光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測方法的基礎上；用天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，選擇某一個已知傳感器點通過敲擊管道等形式模擬管道泄漏引發(fā)振動，依據(jù)工程施工和驗收資料中使用的管道段的數(shù)量，對傳播到兩個相鄰的傳感器的泄漏信號進行時延估計并結合已知的管道長度實現(xiàn)對泄漏振動波速度的測定，準確給出當前測試點距離兩個相鄰的傳感器點的距離L，將該模擬測試點位置X代入x = L-[vX (tn+1-tn)]/2,反解出v = 2(L-X)/(tn+2-tn),實現(xiàn)根據(jù)已知的傳感器間隔距離和測定的信號傳播時間測定振動波沿管道傳播的速度； 式中L是兩個相鄰的傳感器點之間的距離；X為距離起始點的第一個傳感器點的距離，當在傳感器點測試時X取值O，V是泄漏振動波的傳播速度。
2.一種使用權利要求1所述方法的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光纖傳感器，多個光纖傳感器構成一個光纖傳感器組，每個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； 由光源發(fā)出激光，經(jīng)傳輸光路實現(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行泄漏信號解調與識別分析，并對泄漏信號進行時延估計實現(xiàn)對泄漏點的定位。
3.根據(jù)權利要求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)是基于頻分復用原理，由光路適配器、傳輸光纜和光纖傳感器三部分構成；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；每個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。
4.根據(jù)權利要求2或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)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入傳感器組后到達第一個光路適配器，由該光路適配器的光分束器分為兩束激光一束經(jīng)輸入光纖進入第一個光纖傳感器，另一束光經(jīng)延時光纖傳到下一個光路適配器，再由下一個光路適配器中的光分束器分為兩束激光，一束進入第二個光纖傳感器，另一束再經(jīng)傳輸光纖傳輸?shù)较乱粋€光路適配器，以此類推，直到激光到達最后一個光纖傳感器；每2-10個相鄰的光纖傳感器分為一組，組內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；在傳感器組的最后一個光纖傳感器，激光不再通過光路適配器，直接進入光纖傳感器；而經(jīng)過各光纖傳感器后的光信號，通過各自相應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；管道上相鄰的兩個傳感器之間的發(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。
5.根據(jù)權利要求4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)連接光纖進入第一個傳感器(2)，傳感器(2)采用馬赫曾德干涉儀結構，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，采用防護罩固定；每個傳感器之間的距離精確測定，根據(jù)光傳播時間控制光源輸出；光路適配器⑵中的光分束器⑴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光路適配器，而輸出比例為I的輸出光經(jīng)連接光纖進入第二個傳感器(2)，該傳感器同樣采用馬赫曾德干涉儀結構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。
6.根據(jù)權利要求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)，其特征是所述光源是一種包括適合復用和調制解調的專用光源系統(tǒng)，由光頻可調的激光器和專用調制信號發(fā)生模塊構成；激光器輸入接調制信號發(fā)生模塊中的D/Α輸出器，D/Α輸出器接信號發(fā)生器，信號發(fā)生器有頻率調節(jié)、幅度調節(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制信號類型，調整設置信號幅度和頻率；調制信號作用在激光器，輸出光頻隨調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。
7.根據(jù)權利要求6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制信號發(fā)生模塊主要由運算放大器U7、DFB激光器U8、運算放大器U9和2個三極管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，同時基極接電容C44到地，同時經(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。
8.根據(jù)權利要求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)，其特征是所述信號調理器電路主要由運算放大器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方法和系統(tǒng)。它是建立在光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測方法的基礎上；用天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，選擇某一個已知傳感單元點通過敲擊管道等形式模擬管道泄漏引發(fā)振動，依據(jù)工程施工和驗收資料中使用的管道段的數(shù)量，對傳播到兩個相鄰的傳感單元的泄漏信號進行時延估計并結合已知的管道長度實現(xiàn)對泄漏振動波速度的測定，準確給出當前測試點距離兩個相鄰的傳感單元點的距離，將該模擬測試點位置X代入X＝L-[v×(tn+2-tn)]/2，反解出v＝2(L-X)/(tn+2-tn)，實現(xiàn)根據(jù)已知的傳感單元間隔距離和測定的信號傳播時間測定振動波沿管道傳播的速度。它靈敏度和準確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響。
文檔編號F17D5/02GK102997059SQ20111027247
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權日2011年9月14日
發(fā)明者張金權, 王小軍, 李 東, 焦書浩, 王飛, 劉素杰, 趙鋒, 郭戈, 楊文明, 李維 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣管道局