專(zhuān)利名稱(chēng)：管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及管道工程滲漏安全防范設(shè)備領(lǐng)域，是一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
管道是能源工業(yè)地下運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，它廣泛用于液體和氣體的運(yùn)輸。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全技術(shù)的要求和測(cè)得的數(shù)據(jù)也有很大的不同。滲漏檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于防止造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染是非常有必需的，當(dāng)管線(xiàn)中的油氣發(fā)生泄漏或在管線(xiàn)附近有機(jī)械施工和人為破壞等事件發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力或沖擊力將改變光纖的特征與損耗，通過(guò)對(duì)光纖背向散射光功率和光纖輸出光功率的測(cè)量，對(duì)損耗大小和頻率的分析，發(fā)現(xiàn)并確定位油氣管線(xiàn)泄漏和外部可能對(duì)管線(xiàn)造成破壞的事件，提高油氣管線(xiàn)的監(jiān)測(cè)水平。而近年的管道泄漏災(zāi)害，直接威脅著人民的生命和安全，且缺乏有效、科學(xué)的監(jiān)測(cè)方法和手段。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是向本領(lǐng)域提供一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感監(jiān)測(cè)裝置，使其可以解決傳感器的油氣管線(xiàn)泄漏智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法尚未完善的技術(shù)問(wèn)題。即在油氣管線(xiàn)附近與油氣管線(xiàn)并行鋪設(shè)一條或幾條光纜，利用光纖作為傳感器，對(duì)油氣管線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在光纖的一端(油氣管線(xiàn)的輸入端或輸出端)，設(shè)置一套DTS主機(jī)，并和計(jì)算機(jī)連接，利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和融合，獲得管線(xiàn)周?chē)臏囟茸兓奶卣餍畔?。?dāng)管線(xiàn)中的油氣發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)的溫度與該處未泄漏時(shí)的溫度不一樣，沿管道鋪設(shè)的光纜溫度信息就發(fā)生了變化，通過(guò)DTS主機(jī)對(duì)光纜中光纖的背向散射光大小的測(cè)量和定位，可以得到整條光纜(被光纜監(jiān)測(cè)管道)的溫度分布曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)整條光纜溫度分布曲線(xiàn)分析或者泄漏前后光纜溫度分布曲線(xiàn)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)并確定油氣管線(xiàn)泄漏所處的位置，從而提高油氣管線(xiàn)的監(jiān)測(cè)水平。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)是將光纖傳感器應(yīng)用于油氣管線(xiàn)的領(lǐng)域，為及時(shí)排除故障提供了科學(xué)依據(jù)。本實(shí)用新型的監(jiān)測(cè)裝置是采用如下設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的
一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感裝置，所述的分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)裝置簡(jiǎn)稱(chēng)為DTS，根據(jù)溫度探測(cè)的滲漏定位DTS裝置，它是由雙向耦合器(BDC)、波分復(fù)用器(OWDD)、光電二極管(SPD)和(AMP)、放大器、采樣平均累加器(SP)、計(jì)算機(jī)(COMPUTER)、驅(qū)動(dòng)器(DRIVER)、激光二極管組件(LD)和傳感光纜所組成，其特征是雙向耦合器(BDC)的一端連接傳感光纜；雙向耦合器(BDC)另一端與波分復(fù)用器(OWDD)、光電二極管、放大器與采樣平均累加器(SP)連接；驅(qū)動(dòng)器(DRIVER)與激光二極管組件(LD)連接，激光二極管組件再與雙向耦合器(BDC)耦合連接。
所述的傳感光纜設(shè)有兩種結(jié)構(gòu)，其一是一般傳感光纜(圖1)，芯部是光纖3，光纖的外層是金屬中心保護(hù)套管4，金屬中心保護(hù)套管的外層是防水絕緣層5，防水絕緣層的外層是芳綸纖維2，芳綸纖維的外層是外保護(hù)層1；其二是加熱傳感光纜(圖2)，在圖1的結(jié)構(gòu)中，即在芳綸纖維2的載體或者中心套管中增設(shè)至少一條的絕緣加熱導(dǎo)電體6。
傳感光纜沿著管線(xiàn)鋪設(shè)，這樣就為長(zhǎng)久監(jiān)控整條管線(xiàn)和管線(xiàn)周邊的溫度提供了科學(xué)依據(jù)。監(jiān)控長(zhǎng)度將長(zhǎng)達(dá)25公里以上。一旦發(fā)生絕緣層損壞或管線(xiàn)泄漏，溫度將明顯變化，這種變化帶動(dòng)了鋪設(shè)在管道周?chē)饫|的溫度變化，用DTS測(cè)量，準(zhǔn)確定位管道滲漏位置(圖7)，定位誤差在3m以?xún)?nèi)，圖中的a、b、c、d分別為四條測(cè)得的溫度與距離的曲線(xiàn)。由于根據(jù)焦耳-湯姆生(絕熱膨脹)效應(yīng)，在氣體管道中高壓氣體在泄漏時(shí)，體積擴(kuò)大，溫度降低，產(chǎn)生局部冷卻，這樣，沿著管路一個(gè)被DTS系統(tǒng)探測(cè)到的局部冷卻點(diǎn)表明存在泄漏。DTS系統(tǒng)探測(cè)液體管道滲漏方法由于管道中流動(dòng)的液體(例如石油)溫度相對(duì)于周?chē)鷾囟容^高，滲漏到溫度較低的光纜上，沿著管路一個(gè)被DTS系統(tǒng)探測(cè)到的局部熱點(diǎn)表明存在泄漏；如果管道中液體溫度與鋪設(shè)光纜的溫度一樣或者接近，可以利用加熱光纜，把光纜溫度升高，滲漏處的溫度比較低，這樣，沿著管路一個(gè)被DTS系統(tǒng)探測(cè)到的局部冷卻點(diǎn)表明存在泄漏。DTS系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)不僅能識(shí)別泄漏存在，而且能準(zhǔn)確定位。利用DTS分析工具，可以從明顯的溫度變化中識(shí)別局部泄漏，提供完整的溫度分布曲線(xiàn)圖，而且通過(guò)設(shè)定來(lái)提供沿探測(cè)光纜用戶(hù)定義區(qū)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。這些區(qū)域根據(jù)最高溫度，最低溫度，平均溫度及溫升/降速率，分別設(shè)置不同的報(bào)警級(jí)別。DTS系統(tǒng)的嵌入式軟件使其能夠獨(dú)立運(yùn)行，通過(guò)預(yù)先編程到DTS中，或在現(xiàn)場(chǎng)連接到一臺(tái)PC機(jī)上，通過(guò)工程師來(lái)設(shè)置，或通過(guò)調(diào)制解調(diào)器連接來(lái)遠(yuǎn)程設(shè)置作為選擇。
當(dāng)管線(xiàn)直埋在地下時(shí)，為了得到較好的結(jié)果，而不產(chǎn)生誤報(bào)，光纜應(yīng)安裝在管線(xiàn)附近對(duì)氣體管線(xiàn)來(lái)說(shuō)，光纜的最好位置是管線(xiàn)的上面10cm處(光纜鋪設(shè)示意圖A見(jiàn)圖3)，由于氣體一般比空氣輕，滲漏氣體向上擴(kuò)散(如圖8、圖9所示)，光纜一般鋪設(shè)在管道上方；在特殊情況下，光纜亦可穿進(jìn)高壓氣體管線(xiàn)中。對(duì)液體管線(xiàn)來(lái)說(shuō)，光纜的最好位置是管線(xiàn)的下面10cm左右處(光纜鋪設(shè)示意圖B見(jiàn)圖4)，由于液體一般比空氣重，滲漏液體向下流動(dòng)，光纜一般鋪設(shè)在管道下面。如果光纜中還包括通訊光纖，多模光纖應(yīng)放在分開(kāi)的管中，并賦予各自的顏色，為了得到較好的結(jié)果，而不產(chǎn)生誤報(bào)，光纜應(yīng)安裝在管線(xiàn)附近，對(duì)氣體管線(xiàn)來(lái)說(shuō)，光纜的最好位置是管線(xiàn)(12點(diǎn)鐘位置)的上面10cm處和日溫浮動(dòng)的滲透深度以下，在特殊情況下，光纜亦可穿進(jìn)高壓氣體管線(xiàn)中。同時(shí)，為了不產(chǎn)生監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，光纜不希望緊貼管道鋪設(shè)，否則管道側(cè)面的滲漏有可能監(jiān)測(cè)不到或者影響監(jiān)測(cè)的靈敏度。光纜的最大輸送長(zhǎng)度通常可長(zhǎng)達(dá)25KM。光纜連接應(yīng)用高質(zhì)量的連接器連接，連接點(diǎn)放在管線(xiàn)的控制范圍內(nèi)。對(duì)那些連接器不能放在可以使用的探孔中，連接處和電纜末段應(yīng)放在一個(gè)特制的連接盒中，以免受到機(jī)械損傷和濕氣。沿著管線(xiàn)的每段光纜的位置和長(zhǎng)度，所有連接點(diǎn)以及光纜與地面的距離都應(yīng)準(zhǔn)確地記錄在案。管道也需要有同樣的說(shuō)明，指出正確的位置。
當(dāng)液體管線(xiàn)在坑道線(xiàn)里，光纜可安裝在坑道底部的混凝板的上面(光纜鋪設(shè)示意圖C見(jiàn)圖5)。
通過(guò)DTS主機(jī)對(duì)光纜中光纖的背向散射光大小的測(cè)量和定位，可以得到整條光纜(被光纜監(jiān)測(cè)管道)的溫度分布曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)整條光纜溫度分布曲線(xiàn)分析或者泄漏前后光纜溫度分布曲線(xiàn)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)并確定液體/油(圖10)、氣(圖8)管線(xiàn)泄漏所處的位置，從而提高油(液體)氣管線(xiàn)的監(jiān)測(cè)水平。
圖7中a曲線(xiàn)為用DTS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的某一段距離的地面溫度，光纜鋪設(shè)在其地下；b曲線(xiàn)為用DTS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的鋪設(shè)在地下同一段距離光纜未滲漏的正常溫度，由于天氣較冷，地下的溫度比地面高；c和d等曲線(xiàn)為用DTS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的同一段光纜不同滲漏時(shí)間的滲漏溫度曲線(xiàn)，隨著滲漏時(shí)間的增加，滲漏溫度和變化范圍也增加。這是滲漏體溫度比光纜鋪設(shè)環(huán)境溫度高的監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)，如果滲漏體溫度比光纜鋪設(shè)環(huán)境溫度低，那么c和d等曲線(xiàn)波峰形狀是向下的。
當(dāng)管道滲漏的液體與鋪設(shè)光纜的環(huán)境溫度相同或者接近時(shí)，采用加熱裝置對(duì)加熱光纜加熱，該方法不受溫度差的條件限制，對(duì)光纖金屬套或特別設(shè)置的導(dǎo)體通電加熱，使光纖周?chē)鷾囟壬?，而滲漏液體的溫度較低，從而產(chǎn)生與其他部位溫度偏差，達(dá)到判斷滲漏位置的效果。加熱導(dǎo)線(xiàn)見(jiàn)(圖2)中的6。
本監(jiān)測(cè)裝置解決了管道泄漏前兆預(yù)測(cè)的技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)方案具有突出的進(jìn)步。


圖1是一般傳感光纜結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是加熱傳感光纜結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是光纜鋪設(shè)示意圖A。
圖4是光纜鋪設(shè)示意圖B。
圖5是光纜鋪設(shè)示意圖C。
圖6是傳感光纜組合設(shè)備方框圖。
圖7是監(jiān)測(cè)到光纖溫度變化曲線(xiàn)其中a地面溫度；b未滲漏的正常溫度；c、d滲漏時(shí)的溫度。
圖8、圖9是管道中氣體滲漏原理。
圖10、圖11是管道中液體滲漏原理。
以上附圖的序號(hào)及名稱(chēng)1、外保護(hù)層，2、芳綸纖維，3、光纖，4、金屬中心保護(hù)套管，5、防水絕緣層，6、加熱導(dǎo)電體，7、光纜，8、管道，9、孔。
具體實(shí)施方式
實(shí)施方式以本監(jiān)測(cè)裝置的基本原理為例。分布光纖溫度傳感器(DTS)系統(tǒng)是由主機(jī)、傳感光纜及其他配置組合而成。主要依據(jù)光纖的光時(shí)域反射(OTDR)和光纖的背向喇曼散射溫度效應(yīng)，一條數(shù)公里乃至數(shù)十公里長(zhǎng)的光纖(光纖或光纜既是傳輸媒體，又是傳感媒體)鋪設(shè)待測(cè)空間，可連續(xù)測(cè)量、準(zhǔn)確定位整條光纖所處空間的溫度，并可通過(guò)光纖上的溫度的變化(圖7)，檢測(cè)出光纖所處環(huán)境中氣體(圖8、圖9)和液體(圖10、圖11)的泄露，因此拓展了其應(yīng)用的領(lǐng)域。
光纖不帶電，抗射頻和電磁干擾，防燃，防爆，抗腐蝕，耐高溫和強(qiáng)電磁場(chǎng)，耐電離輻射，能在有害環(huán)境中安全運(yùn)行。系統(tǒng)具有自標(biāo)定、自校準(zhǔn)和自檢功能，其運(yùn)行和控制是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。將報(bào)警區(qū)域、光纖配置圖等事先輸入計(jì)算機(jī)，自動(dòng)或手動(dòng)實(shí)時(shí)顯示、并結(jié)合到自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)行。
本實(shí)用新型主要依據(jù)光纖的光時(shí)域反射(OTDR)和光纖的背向喇曼散射溫度效應(yīng)。激光脈沖射入光纖內(nèi)部，光子與光纖材料分子在內(nèi)部相互作用，一部分光被反射回來(lái)，反射光攜帶著被散射光子運(yùn)動(dòng)的熱信息。因此，被反射回來(lái)光的光譜攜帶了光纖的溫度信息，測(cè)量沿光纖每一點(diǎn)的溫度。
光譜的分析包括激光在光纖中的傳播速率，通常(像雷達(dá)原理)和光的速度一樣，用很短的時(shí)間間隔(比如1米)去掃描整個(gè)光纖的長(zhǎng)度，根據(jù)這樣沿光纖的溫度分布就可以決定了。需要提出的是所測(cè)得的每一點(diǎn)溫度是一段光纖上的平均溫度。由于光的速度很快，因此一條數(shù)千米長(zhǎng)的光纖即在不到一秒的時(shí)間內(nèi)掃描完畢。
分布光纖溫度傳感技術(shù)設(shè)備包括兩部分傳感光纜和主機(jī)。光纜里面通常有若干根光纖組成，光纖是溫度敏感材料，因此沿著光纖(光纜)將連續(xù)測(cè)量任意一點(diǎn)的溫度。這就是一種研究溫度變化的設(shè)備。
有關(guān)配套附件作如下描述1)加熱傳感光纜選用一條或數(shù)條光纖(作為傳輸和傳感之用)，外包金屬中心保護(hù)套管(保護(hù)光纖不受損壞，同時(shí)也可以作為輔助加熱導(dǎo)體)，金屬中心保護(hù)套管外(內(nèi))至少有一條低阻抗的金屬導(dǎo)體(作為加熱導(dǎo)體的電流進(jìn)出回路，相互絕緣)，再外包PE或其他材料作為外保護(hù)層，外徑控制在20mm之內(nèi)。
2)加熱裝置提供給光纜金屬導(dǎo)體功率，使光纜加熱到一定程度和可調(diào)，功率過(guò)大將把光纜燒壞，功率過(guò)小，則達(dá)不到加熱要求。
3)軟件測(cè)量滲漏專(zhuān)用軟件。
4)其他配套設(shè)備如報(bào)警器、打印機(jī)、機(jī)柜等。
本監(jiān)測(cè)裝置是基于光時(shí)域反射(OTDR)和背向喇曼散射效應(yīng)應(yīng)用于滲漏監(jiān)測(cè)。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光脈沖在沿光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中，時(shí)刻產(chǎn)生各種散射，其中的自發(fā)喇曼散射的強(qiáng)度依賴(lài)于該處光纖的溫度。利用背向喇曼散射的兩個(gè)分量便可以解調(diào)處該處光纖的溫度；另一個(gè)特點(diǎn)就是利用光雷達(dá)的原理，通過(guò)計(jì)算光返回的時(shí)間，就能夠知道產(chǎn)生散射的具體位置?？梢酝瑫r(shí)獲得光纖的溫度和位置信息，也就是說(shuō)采用這種沿光纖長(zhǎng)度分布的溫度曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)整條光纜溫度分布曲線(xiàn)分析或者泄漏前后光纜溫度分布曲線(xiàn)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)并確定液體/油、氣管線(xiàn)泄漏所處的位置，從而提高液體/油、氣管線(xiàn)的監(jiān)測(cè)水平。
權(quán)利要求1.一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)裝置，所述的分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)裝置簡(jiǎn)稱(chēng)為DTS，它是由雙向耦合器(BDC)、波分復(fù)用器(OWDD)、光電二極管(SPD)和(AMP)、放大器、采樣平均累加器(SP)、計(jì)算機(jī)(COMPUTER)、驅(qū)動(dòng)器(DRIVER)、激光二極管組件(LD)和光纜所組成，其特征是雙向耦合器(BDC)的一端連接光纜；雙向耦合器(BDC)另一端與波分復(fù)用器(OWDD)、光電二極管、放大器與采樣平均累加器(SP)連接；驅(qū)動(dòng)器(DRIVER)與激光二極管組件(LD)連接，激光二極管組件再與雙向耦合器(BDC)耦合連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)裝置，其特征是管道滲漏定位DTS的傳感光纜設(shè)有兩種結(jié)構(gòu)，其一是一般傳感光纜芯部是光纖(3)，光纖的外層是金屬中心保護(hù)套管(4)，金屬中心保護(hù)套管的外層是防水絕緣層(5)，防水絕緣層的外層是芳綸纖維(2)，芳綸纖維的外層是外保護(hù)層(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)裝置，其特征是管道滲漏定位DTS的傳感光纜第二結(jié)構(gòu)是加熱傳感光纜是在其一的結(jié)構(gòu)中，即在芳綸纖維(2)的載體中或金屬中心保護(hù)套管(4)內(nèi)至少增設(shè)一條絕緣加熱導(dǎo)電體(6)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及管道工程安全防范設(shè)備領(lǐng)域，是一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)裝置。該裝置的要點(diǎn)是將雙向耦合器、波分復(fù)用器、光電二極管、放大器、采樣平均累加器、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、激光二極管主組件和傳感光纜所連接而構(gòu)成。傳感光纜設(shè)有兩種結(jié)構(gòu)，其一是傳感光纜芯部是光纖，光纖的外層是金屬中心保護(hù)套管、防水絕緣層、芳綸纖維、外保護(hù)層；其二是加熱傳感光纜，在其一的結(jié)構(gòu)中增設(shè)絕緣加熱導(dǎo)電體。它至少一根傳感光纜設(shè)置在平行安裝的管道附近，檢測(cè)光纜溫度分布曲線(xiàn)，判斷管道滲漏位置。該裝置解決了只能實(shí)施離散點(diǎn)監(jiān)測(cè)和目測(cè)滲漏的技術(shù)問(wèn)題，確保管道內(nèi)油或氣安全輸送。
文檔編號(hào)G01K11/00GK2809618SQ20052001296
公開(kāi)日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2005年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月4日
發(fā)明者秦一濤 申請(qǐng)人:秦一濤