專利名稱：基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測光路系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測光路系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型是一種基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測光路系統(tǒng)。涉及涉及機(jī)械振動(dòng)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)：
[0002]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。[0003]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(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。[0004]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。[0005]隨著傳感技術(shù)的發(fā)展國外如美國CSI、ATM0SI、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。[0006]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(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)測裝置，專利CN20061007^79. 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。[0007]《傳感器與微系統(tǒng)》第沈卷第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(dòng)波信號(hào)，對采集的振動(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。[0008]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。[0009]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。[0010]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。[0011]縱觀國內(nèi)與國外的各種管道泄漏監(jiān)測技術(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技術(shù)，無法有效的解決氣體管道的泄漏檢測問題，尤其是對微小泄漏的識(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靈敏度足夠高，噪聲隔離性要好。實(shí)用新型內(nèi)容[0012]本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)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)測光路系統(tǒng)。[0013]本天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(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)測沿管道本體傳播的振動(dòng)波信號(hào)，對采集的振動(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)對振動(dòng)波源所在位置的確定，實(shí)現(xiàn)上述的對振動(dòng)波信號(hào)分析處理后對泄漏事件進(jìn)行報(bào)警同時(shí)提供泄漏點(diǎn)的位置信息。本實(shí)用新型在采用高靈敏度光纖傳感器提高對泄漏事件監(jiān)測靈敏度的基礎(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。[0014]在天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感單元是實(shí)現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測的關(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)波檢測傳感單元，為了增加對泄漏振動(dòng)的感應(yīng)靈敏度可以通過增加傳感光纖長度的方式，其輸出的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可以寫成[0015]V0 ο- 1+νοο8(Φ3+Φη+Φ0)+νη (1)[0016]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)，即為要探測的泄漏振動(dòng)波信號(hào)，Φο為干涉儀的初始相位，是個(gè)常量，φη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)φ s的獲取，并對該信號(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)了對振動(dòng)波源即泄漏點(diǎn)位置的確定。[0017]本系統(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，采用對可調(diào)激光器進(jìn)行光頻調(diào)制的方法產(chǎn)生泄漏探測光，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Cos(COcit)相乘后進(jìn)行低通濾波與微分處理，另一路與Sin(Cocit)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)。[0018]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)測管道泄漏振動(dòng)的光纖傳感系統(tǒng)。 利用光源對各個(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)檢測效果的前提下，降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本。[0019]天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(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器，光電探測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)。[0020]本天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(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元三部分構(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)。[0021]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)相對應(yīng)的傳感單元組的回傳光纖傳回至監(jiān)測系統(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度均要大于激光器相干長度的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。[0022]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。[0023]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)要求幅度最大為士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。[0024]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PDne，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1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RM接VREF，7端經(jīng)電阻似8與8端經(jīng)電阻似6 共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管Dll、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。[0025]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 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度要大于激光器相干長度的1/2 ；每個(gè)傳感單元組對應(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。[0026]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內(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)測設(shè)備檢測到。[0027]另一種用于天然氣管道泄漏監(jiān)測軸向振動(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方形彈性片上面。所述的長方形彈性片是一個(gè)底部內(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)讓長方形彈性片發(fā)生形變，帶動(dòng)長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)備檢測到。[0028]另外，在泄漏監(jiān)測設(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)傳感單元組對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換通道。[0029]本實(shí)用新型專為基于光纖復(fù)用技術(shù)的準(zhǔn)分布式天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)而設(shè)計(jì)， 在確保天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)正常使用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單，施工容易的光路系統(tǒng)。[0030]本實(shí)用新型的效果和優(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，具有結(jié)構(gòu)簡單、 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)測提供有效的監(jiān)測手段。


[0031]圖1光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)原理圖[0032]圖2光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[0033]圖3光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測光路系統(tǒng)原理圖[0034]圖4光纖傳感器I型結(jié)構(gòu)圖[0035]圖5光纖傳感器II型結(jié)構(gòu)圖[0036]圖6光源調(diào)制電路圖[0037]其中1-尾纖盤纖盒2-輸入、輸出光纖3-彈性圓柱體[0038]4-光纖干涉儀5-長方形彈性片 In-光分束器[0039]2η-傳感單元 3η-光合束器具體實(shí)施方式
[0040]實(shí)施例.本例主要是針對天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的實(shí)施例，故需在本監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施例的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本監(jiān)測系統(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)光電探測器連接，作為回傳光纖；光電探測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)。[0041]本系統(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。[0042]其中各光器件間的具體聯(lián)系如圖3所示，光源發(fā)出的探測光經(jīng)過傳輸光纖I 5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1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: 長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 1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1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: 長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-M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1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 1 ；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；[0043]每個(gè)傳感器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)?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。[0044]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、幅度士 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)，對應(yīng)的主頻率分別為40kHz、60kHz、80kHz、IOOkHz、120kHz ；對五個(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)。[0045]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C 34接地，5、11端接VDC，4端接PDne，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1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RM接VREF，7端經(jīng)電阻似8與8端經(jīng)電阻似6 共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管Dll、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。[0046]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 ；[0047]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)對沿管道傳播的任何擾動(dòng)行為的監(jiān)測，經(jīng)過對信號(hào)分析處理以及智能識(shí)別能夠?qū)崿F(xiàn)對泄漏事件報(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；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)相對應(yīng)的傳感單元組的回傳光纖傳回至監(jiān)測系統(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)要求幅度最大為士 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PDne，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1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RM接VREF，7端經(jīng)電阻似8與8端經(jīng)電阻似6共接電容C45到地； 從電容C45的上端接出經(jīng)二極管Dll、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。
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 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度要大于激光器相干長度的 1/2;每個(gè)傳感單元組對應(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。
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。
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)測光路系統(tǒng)，其特征是傳感單元包括測管道徑向振動(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內(nèi)凹，且弧度與管道外表面一致；光纖傳感單元II型結(jié)構(gòu)由長方形彈性片、光纖干涉儀以及尾纖盤纖盒組成；在長方形彈性片的上面，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方形彈性片上面；所述的長方形彈性片是一個(gè)底部內(nèi)凹且弧度與管道外表面一致的鋼制薄板。
專利摘要本實(shí)用新型是一種基于光纖傳感的天然氣管道泄漏監(jiān)測光路系統(tǒng)。涉及涉及機(jī)械振動(dòng)的測量、沖擊的測量和管道系統(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)。本實(shí)用新型靈敏度和準(zhǔn)確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響。
文檔編號(hào)F17D5/02GK202252864SQ201120344359
公開日2012年5月30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)明者侯志相, 張俊楊, 張金權(quán), 李 東, 李維, 楊依光, 楊文明, 楊翠華, 王小軍, 閆會(huì)朋 申請人:中國石油天然氣管道局, 中國石油天然氣集團(tuán)公司