專(zhuān)利名稱(chēng)：基于集成的光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于集成的光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)，屬熱流體管道檢漏技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
總體來(lái)說(shuō)，輸油管道檢漏方法主要有三類(lèi)巡視、直接檢漏方法和軟件分析方法。(一 )巡視方法這是一種傳統(tǒng)的泄漏檢測(cè)方法，主要是用人或經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的動(dòng)物(狗)沿管線(xiàn)行走查看管道附件的異常情況、聞管道中釋放出的氣味、聽(tīng)聲音等，這種方法直接準(zhǔn)確，但實(shí)時(shí)性差，耗費(fèi)大量的人力。( 二)直接檢漏方法使用聲傳感器器、氣體檢測(cè)儀器等，如利用溫度傳感器測(cè)定泄漏處的溫度變化，用沿管道鋪設(shè)的多傳感器電纜。聲傳感器是當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)流體流出管道會(huì)發(fā)出聲音，聲波按照管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)決定的速度傳播，聲傳感器檢測(cè)出這種波聲而發(fā)現(xiàn)泄漏。如美國(guó)休斯頓聲學(xué)系統(tǒng)公司(ASI)根據(jù)此原理研制的聲學(xué)檢漏系統(tǒng)(wavealert)，由多組傳感器、 譯碼器、無(wú)線(xiàn)發(fā)射器等組成，天線(xiàn)伸出地面和控制中心聯(lián)系，這種方法受檢測(cè)范圍的限制必須沿管道安裝很多聲音傳感器。氣體檢測(cè)儀則需使用便攜式氣體采樣器沿管道行走，對(duì)泄漏的氣體進(jìn)行檢測(cè)。(三)軟件分析方法它采用由SCADA系統(tǒng)提供的流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，通過(guò)流量或壓力變化、質(zhì)量或體積平衡、動(dòng)力模型和壓力點(diǎn)分析軟件的方法檢測(cè)泄漏。國(guó)外公司非常重視輸油管道的安全運(yùn)行，管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用。如殼牌公司經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出了一種商標(biāo)名稱(chēng)為ATMOS Pine的新型管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，ATMOS Pine是基于統(tǒng)計(jì)分析原理而設(shè)計(jì)出來(lái)的，利用優(yōu)化序列分析法(序列概率比試驗(yàn)法)測(cè)定管道進(jìn)出口流量和壓力總體行為變化以檢測(cè)泄漏，同時(shí)兼有先進(jìn)的圖形識(shí)別功能。該系統(tǒng)能夠檢測(cè)出 1. 6kg/s的泄漏而不發(fā)生誤報(bào)警。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本實(shí)用新型提出了一種基于集成的光纖光柵簇的熱流體(特別是原油)檢漏及定位系統(tǒng)，旨在提供穩(wěn)定、鋪設(shè)方便和低成本的檢漏和定位系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的一種基于集成光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)，包括C波段連續(xù)寬帶光源、 光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、環(huán)形器、光電探測(cè)器、濾波整形電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、集成光纖光柵簇和單片機(jī)，其特征在于C波段連續(xù)寬帶光源后面放置光調(diào)制器，光調(diào)制器后面接環(huán)形器的a 口，環(huán)形器的b 口連接光開(kāi)關(guān)的輸入端，光開(kāi)關(guān)輸出端連接集成光纖光柵簇；環(huán)形器的c 口接光電探測(cè)器，光電探測(cè)器連接到濾波整形電路的輸入端、濾波整形電路的輸出端連接到放大電路，放大電路的輸出端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端經(jīng)單片機(jī)的IO 口和單片機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所得數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理；光調(diào)制器和光開(kāi)關(guān)經(jīng)單片機(jī)的IO 口分別和單片機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行同步控制。所述的光調(diào)制器是快門(mén)或斬波器。所述的C波段連續(xù)寬帶光源是工作波長(zhǎng)為C波段區(qū)域、連續(xù)發(fā)射光的光源，如C波段的ASE(放大自發(fā)輻射)光源。所述的光電探測(cè)器是響應(yīng)時(shí)間較短的光電二極管。所述的集成光纖光柵簇結(jié)構(gòu)如下它是由多根光纖光柵組構(gòu)成，其中每根光纖光柵組是由不同中心反射波長(zhǎng)的光纖光柵經(jīng)連接光纖串連連接而成，每個(gè)光纖光柵和連接光纖的長(zhǎng)度相等；每?jī)筛饫w光柵組組成光纖光柵組對(duì)，光纖光柵組對(duì)中的兩根光纖光柵組彼此的光纖光柵和連接光纖相互交錯(cuò)；將光纖光柵組對(duì)排列呈束狀，各光纖光柵組對(duì)彼此首尾相接排列，使得每一路光纖光柵組中的光纖光柵和其他光纖光柵組中的光纖光柵彼此相互錯(cuò)開(kāi)彼此不相重合，構(gòu)成集成光纖光柵簇。所述集成光纖光柵簇中的光纖光柵組對(duì)為5-600對(duì)。本實(shí)用新型系統(tǒng)在使用時(shí)預(yù)先將集成光纖光柵簇沿輸送熱流體的管道鋪設(shè)，貼于管道絕熱層的外部，C波段連續(xù)寬帶光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光經(jīng)光調(diào)制器調(diào)制得到脈沖光，使其重復(fù)頻率與光開(kāi)關(guān)的切換頻率相同，由環(huán)形器的a 口進(jìn)入環(huán)形器，經(jīng)b 口輸出進(jìn)入光開(kāi)關(guān)及集成光纖光柵簇。由集成光纖光柵簇中的光柵反射回的光經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)返回環(huán)形器的b 口傳輸至c 口，進(jìn)入光電探測(cè)器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(為脈沖電信號(hào))。脈沖電信號(hào)由濾波整形電路、放大電路進(jìn)行處理后，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)中，然后根據(jù)由單片機(jī)得到的噪聲閾值及其他限制，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷出是否發(fā)生熱流體的泄漏及確定泄露位置。處理結(jié)果可以由單片機(jī)輸送到人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)報(bào)警并顯示出位置。本實(shí)用新型系統(tǒng)的具體工作原理如下在單片機(jī)的控制作用下，使光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)保持同步，從而確保光脈沖依次輸入集成光纖光柵的每一路光纖光柵組。每一路光纖光柵組中的光柵將反射回對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光， 形成通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入光電探測(cè)器的脈沖序列。而當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，集成的光纖光柵受熱流體的溫度影響發(fā)生變化，進(jìn)而改變其反射回的光脈沖序列。光脈沖序列被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)濾波整形、放大，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)單片機(jī)提供的預(yù)設(shè)參數(shù)判斷是否發(fā)生了熱流體的泄露。若發(fā)生了泄露，再根據(jù)相應(yīng)脈沖的返回時(shí)間差，可以計(jì)算出泄露處與光入射端面的距離差，而光入射端面的位置既定，便可確定溫度變化處的具體位置。如此實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度變化處的檢測(cè)，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱流體的檢漏和定位。本實(shí)用新型系統(tǒng)中單根光纖光柵組的工作原理為熱流體發(fā)生泄漏時(shí)，其泄露點(diǎn)溫度要比其他地方的溫度高出幾度甚至幾十度。而溫度的變化會(huì)改變其中光纖光柵的周期常數(shù)，進(jìn)而改變其中心波長(zhǎng)。選擇合適波段的光入射到一段長(zhǎng)度較長(zhǎng)(假設(shè)為10m)、以λ為中心波長(zhǎng)的光纖光柵中，入射光中波長(zhǎng)為λ的光在入射光纖光柵端面很小一段距離內(nèi)即被反射回去，其他波長(zhǎng)成分的光繼續(xù)傳播。當(dāng)光纖
4光柵后續(xù)某點(diǎn)的溫度發(fā)生變化(對(duì)應(yīng)流體泄露時(shí)的情況)，該點(diǎn)處的光纖光柵中心波長(zhǎng)變?yōu)棣?’，則波長(zhǎng)為λ，的光將被反射，出現(xiàn)新的反射脈沖(如圖4中對(duì)應(yīng)的λ，處的脈沖信號(hào))。[0022]假設(shè)每根光纖光柵組中布有8個(gè)不同中心反射波長(zhǎng)的光纖光柵，即光纖光柵的工作部分為10m，每個(gè)光纖光柵間的連接光纖的長(zhǎng)度為10m，則在未發(fā)生泄露時(shí)，返回8個(gè)時(shí)間間隔相同的脈沖，否則，便可以斷定出現(xiàn)了泄露。[0023]集成光纖光柵簇的工作原理[0024]當(dāng)光經(jīng)光開(kāi)關(guān)入射到第m路光纖光柵組時(shí)，會(huì)在各段光柵的入射端面的很小距離范圍內(nèi)反射回光，從而得到如附圖3所示的脈沖一時(shí)間信號(hào)。如果在某處(非光柵的入射端面)出現(xiàn)泄露，泄露流體會(huì)使對(duì)應(yīng)點(diǎn)的光纖光柵產(chǎn)生新的脈沖，如附圖4所示；如若泄露處恰好在某一段光柵的入射端面處，則在入射端面處將反射回λ ’(改變后的波長(zhǎng))的光脈沖，在后面不受影響的光柵處將反射回λ (未發(fā)生改變的波長(zhǎng))的光脈沖，其反射脈沖情況也如附圖4所示。所以針對(duì)此種特殊情況需要通過(guò)一定的邏輯推理來(lái)準(zhǔn)確判斷泄露點(diǎn)的位置。在本系統(tǒng)的光纖光柵簇中的光纖光柵組對(duì)中存在兩光柵端面對(duì)應(yīng)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況， 若在某一光柵端面發(fā)生泄露，則該兩路光纖光柵組均應(yīng)得到附圖4所示的脈沖，由此可判斷泄露處恰位于該光柵端面處；如若只有一路光纖光柵組得到附圖4所示的脈沖，而另一路得到附圖3所示的脈沖，則可判斷該泄露處位于非光柵的入射端面。由此可以精確判斷泄露點(diǎn)的位置。[0025]如上所述，便可通過(guò)光纖簇反射回得脈沖信號(hào)判斷出是否發(fā)生了泄露。由于控制電路使入射光、光開(kāi)關(guān)同步，與光電探測(cè)器得到的脈沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)比，便可確定泄露的具體位置。[0026]本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)[0027]采用集成的光纖光柵簇做傳感器，進(jìn)行分布式探測(cè)；以溫差檢漏，巧妙去除了環(huán)境溫度變化引起的干擾，信噪比高；測(cè)量長(zhǎng)度更改靈活，當(dāng)待檢測(cè)管道長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，可采用多個(gè)該系統(tǒng)；應(yīng)用范圍廣泛，適合于多種熱流體輸運(yùn)的檢漏。本實(shí)用新型系統(tǒng)成本低，檢測(cè)準(zhǔn)確率高。


[0028]附圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。[0029]其中1、C波段連續(xù)寬帶光源；2、光調(diào)制器；3、環(huán)形器；4、光開(kāi)關(guān)；5、單片機(jī)；6、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；7、光電探測(cè)器；8、集成光纖光柵簇；9、濾波整形電路；10、放大電路。[0030]附圖2為本實(shí)用新型集成光纖光柵簇結(jié)構(gòu)示意圖。[0031]其中11.光纖光柵組對(duì)，12.光纖光柵組，13.集成光纖光柵簇接入端口，14.光纖光柵，15.連接光纖.。由圖中可以看出本實(shí)用新型光纖光柵簇中光纖光柵組及每路光纖光柵組上光柵的排布情況，其中每路光纖光柵組中的白色部分所示為連接光纖，黑色部分所示為光纖光柵(即檢漏和定位的關(guān)鍵工作部分)。[0032]圖3為無(wú)泄露時(shí)掃描第m路光纖得到的脈沖信號(hào)。[0033]圖4為有泄露時(shí)掃描第m路光纖得到的脈沖信號(hào)。其中λ ’處的脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的熱流體管道的泄露處。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明，但不限于此。實(shí)施例1 本實(shí)用新型實(shí)施例1如附圖1-2所示，包括C波段連續(xù)寬帶光源1、光調(diào)制器2、光開(kāi)關(guān)4、環(huán)形器3、光電探測(cè)器7、濾波整形電路9、放大電路10、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路6、集成光纖光柵簇8和單片機(jī)5，其特征在于C波段連續(xù)寬帶光源1后面放置光調(diào)制器2，光調(diào)制器2后面接環(huán)形器3的a 口，環(huán)形器3的b 口連接光開(kāi)關(guān)4的輸入端，光開(kāi)關(guān)4輸出端連接集成光纖光柵簇8 ；環(huán)形器3的c 口接光電探測(cè)器7，光電探測(cè)器7連接到濾波整形電路9的輸入端、濾波整形電路9的輸出端連接到放大電路10，放大電路10的輸出端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路6的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路6的輸出端經(jīng)單片機(jī)5的IO 口和單片機(jī)5相連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所得數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理；光調(diào)制器2和光開(kāi)關(guān)4經(jīng)單片機(jī)5的IO 口分別和單片機(jī)5相連接， 以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)5對(duì)其進(jìn)行同步控制。所述的光調(diào)制器2是斬波器。所述的C波段連續(xù)寬帶光源1是工作波長(zhǎng)為C波段區(qū)域、連續(xù)發(fā)射光的光源，即C 波段的ASE(放大自發(fā)輻射)光源。所述的光電探測(cè)器7是響應(yīng)時(shí)間較短的光電二極管。所述的集成光纖光柵簇8結(jié)構(gòu)如下它是由多根光纖光柵組12構(gòu)成，其中每根光纖光柵組12是由不同中心反射波長(zhǎng)的光纖光柵14經(jīng)連接光纖15串連連接而成，每個(gè)光纖光柵14和連接光纖15的長(zhǎng)度相等；每?jī)筛饫w光柵組12組成光纖光柵組對(duì)11，光纖光柵組對(duì)11中的兩根光纖光柵組12彼此的光纖光柵14和連接光纖15相互交錯(cuò)；將光纖光柵組對(duì)11排列呈束狀，各光纖光柵組對(duì)11彼此首尾相接排列，使得每一路光纖光柵組12中的光纖光柵14和其他光纖光柵組12中的光纖光柵彼此相互錯(cuò)開(kāi)不相重合，構(gòu)成集成光纖光柵簇。所述集成光纖光柵簇中的光纖光柵組對(duì)為400對(duì)。實(shí)施例2 本實(shí)用新型實(shí)施例2如實(shí)施例1所述相同，只是光調(diào)制器2是快門(mén)；所述集成光纖光柵簇中的光纖光柵組對(duì)為20對(duì)。
權(quán)利要求1 一種基于集成光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)，包括C波段連續(xù)寬帶光源、光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、環(huán)形器、光電探測(cè)器、濾波整形電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、集成光纖光柵簇和單片機(jī)，其特征在于C波段連續(xù)寬帶光源后面放置光調(diào)制器，光調(diào)制器后面接環(huán)形器的a 口，環(huán)形器的b 口連接光開(kāi)關(guān)的輸入端，光開(kāi)關(guān)輸出端連接集成光纖光柵簇；環(huán)形器的c 口接光電探測(cè)器，光電探測(cè)器連接到濾波整形電路的輸入端、濾波整形電路的輸出端連接到放大電路，放大電路的輸出端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端經(jīng)單片機(jī)的IO 口和單片機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所得數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理；光調(diào)制器和光開(kāi)關(guān)經(jīng)單片機(jī)的IO 口分別和單片機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行同步控制。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于集成光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)，其特征在于所述的光調(diào)制器是快門(mén)或斬波器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于集成光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)，其特征在于所述的C波段連續(xù)寬帶光源是工作波長(zhǎng)為C波段區(qū)域、連續(xù)發(fā)射光的光源，即C波段的 ASE光源。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于集成光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)，其特征在于所述的光電探測(cè)器是響應(yīng)時(shí)間較短的光電二極管。
5 如權(quán)利要求1所述的一種基于集成光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)，其特征在于所述的集成光纖光柵簇結(jié)構(gòu)如下它是由多根光纖光柵組構(gòu)成，其中每根光纖光柵組是由不同中心反射波長(zhǎng)的光纖光柵經(jīng)連接光纖串連連接而成，每個(gè)光纖光柵和連接光纖的長(zhǎng)度相等；每?jī)筛饫w光柵組組成光纖光柵組對(duì)，光纖光柵組對(duì)中的兩根光纖光柵組彼此的光纖光柵和連接光纖相互交錯(cuò)；將光纖光柵組對(duì)排列呈束狀，各光纖光柵組對(duì)彼此首尾相接排列，使得每一路光纖光柵組中的光纖光柵和其他光纖光柵組中的光纖光柵彼此相互錯(cuò)開(kāi)彼此不相重合，構(gòu)成集成光纖光柵簇。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于集成光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)，其特征在于所述集成光纖光柵簇中的光纖光柵組對(duì)為5-600對(duì)。
專(zhuān)利摘要基于集成的光纖光柵簇的熱流體檢漏及定位系統(tǒng)，屬熱流體管道檢漏技術(shù)領(lǐng)域，包括C波段連續(xù)寬帶光源、集成光纖光柵簇和單片機(jī)等，其特征在于C波段連續(xù)寬帶光源后面放置光調(diào)制器，光調(diào)制器后面接環(huán)形器的a口，環(huán)形器的b口連接光開(kāi)關(guān)的輸入端，光開(kāi)關(guān)輸出端連接集成光纖光柵簇；環(huán)形器的c口接光電探測(cè)器，光電探測(cè)器連接到濾波整形電路的輸入端、濾波整形電路的輸出端連接到放大電路，放大電路的輸出端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端經(jīng)單片機(jī)的IO口和單片機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所得數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理；光調(diào)制器和光開(kāi)關(guān)經(jīng)單片機(jī)的IO口分別和單片機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行同步控制。本實(shí)用新型系統(tǒng)成本低，檢測(cè)準(zhǔn)確率高。
文檔編號(hào)F17D5/02GK202252874SQ20112038045
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者劉永寧, 孫兆宗, 常軍, 王照勇 申請(qǐng)人:山東大學(xué)