專利名稱：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)：
總體來說，輸油管道檢漏方法主要有三類巡視、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)的泄漏檢測方法，主要是用人或經(jīng)過訓(xùn)練的動物(狗)沿管線行走查看管道附件的異常情況、聞管道中釋放出的氣味、聽聲音等，這種方法直接準確，但實時性差，耗費大量的人力。( 二)直接檢漏方法使用聲傳感器器、氣體檢測儀器等，如利用溫度傳感器測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)生時流體流出管道會發(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，聲傳感器檢測出這種波聲而發(fā)現(xiàn)泄漏。如美國休斯頓聲學(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、無線發(fā)射器等組成，天線伸出地面和控制中心聯(lián)系，這種方法受檢測范圍的限制必須沿管道安裝很多聲音傳感器。氣體檢測儀則需使用便攜式氣體采樣器沿管道行走，對泄漏的氣體進行檢測。(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)，通過流量或壓力變化、質(zhì)量或體積平衡、動力模型和壓力點分析軟件的方法檢測泄漏。國外公司非常重視輸油管道的安全運行，管道泄漏監(jiān)測技術(shù)比較成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用。如殼牌公司經(jīng)過長期的研究開發(fā)生產(chǎn)出了一種商標(biāo)名稱為ATMOS Pine的新型管道泄漏檢測系統(tǒng)，ATMOS Pine是基于統(tǒng)計分析原理而設(shè)計出來的，利用優(yōu)化序列分析法(序列概率比試驗法)測定管道進出口流量和壓力總體行為變化以檢測泄漏，同時兼有先進的圖形識別功能。該系統(tǒng)能夠檢測出 1. 6kg/s的泄漏而不發(fā)生誤報警。
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)。本實用新型的技術(shù)方案是按以下方式實現(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、光開關(guān)、環(huán)形器、光電探測器、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，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 口連接光開關(guān)的輸入端，光開關(guān)輸出端連接集成光纖光柵簇；環(huán)形器的c 口接光電探測器，光電探測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)單片機的IO 口和單片機相連接，以實現(xiàn)對所得數(shù)字信號進行處理；光調(diào)制器和光開關(guān)經(jīng)單片機的IO 口分別和單片機相連接，以實現(xiàn)單片機對其進行同步控制。所述的光調(diào)制器是快門或斬波器。所述的C波段連續(xù)寬帶光源是工作波長為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。所述的光電探測器是響應(yīng)時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的光纖光柵經(jīng)連接光纖串連連接而成，每個光纖光柵和連接光纖的長度相等；每兩根光纖光柵組組成光纖光柵組對，光纖光柵組對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；將光纖光柵組對排列呈束狀，各光纖光柵組對彼此首尾相接排列，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開彼此不相重合，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為5-600對。本實用新型系統(tǒng)在使用時預(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)頻率與光開關(guān)的切換頻率相同，由環(huán)形器的a 口進入環(huán)形器，經(jīng)b 口輸出進入光開關(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)過光開關(guān)返回環(huán)形器的b 口傳輸至c 口，進入光電探測器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換為電信號(為脈沖電信號)。脈沖電信號由濾波整形電路、放大電路進行處理后，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)送入單片機中，然后根據(jù)由單片機得到的噪聲閾值及其他限制，進行數(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)果可以由單片機輸送到人機界面，實現(xiàn)報警并顯示出位置。本實用新型系統(tǒng)的具體工作原理如下在單片機的控制作用下，使光調(diào)制器、光開關(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應(yīng)波長的光， 形成通過環(huán)形器進入光電探測器的脈沖序列。而當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，集成的光纖光柵受熱流體的溫度影響發(fā)生變化，進而改變其反射回的光脈沖序列。光脈沖序列被光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)濾波整形、放大，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及單片機進行數(shù)據(jù)處理，通過單片機提供的預(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)脈沖的返回時間差，可以計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。如此實現(xiàn)了對溫度變化處的檢測，即實現(xiàn)了對熱流體的檢漏和定位。本實用新型系統(tǒng)中單根光纖光柵組的工作原理為熱流體發(fā)生泄漏時，其泄露點溫度要比其他地方的溫度高出幾度甚至幾十度。而溫度的變化會改變其中光纖光柵的周期常數(shù)，進而改變其中心波長。選擇合適波段的光入射到一段長度較長(假設(shè)為10m)、以λ為中心波長的光纖光柵中，入射光中波長為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，其他波長成分的光繼續(xù)傳播。當(dāng)光纖
4光柵后續(xù)某點的溫度發(fā)生變化(對應(yīng)流體泄露時的情況)，該點處的光纖光柵中心波長變?yōu)棣?’，則波長為λ，的光將被反射，出現(xiàn)新的反射脈沖(如圖4中對應(yīng)的λ，處的脈沖信號)。[0022]假設(shè)每根光纖光柵組中布有8個不同中心反射波長的光纖光柵，即光纖光柵的工作部分為10m，每個光纖光柵間的連接光纖的長度為10m，則在未發(fā)生泄露時，返回8個時間間隔相同的脈沖，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)光開關(guān)入射到第m路光纖光柵組時，會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所示的脈沖一時間信號。如果在某處(非光柵的入射端面)出現(xiàn)泄露，泄露流體會使對應(yīng)點的光纖光柵產(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)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)的光脈沖，其反射脈沖情況也如附圖4所示。所以針對此種特殊情況需要通過一定的邏輯推理來準確判斷泄露點的位置。在本系統(tǒng)的光纖光柵簇中的光纖光柵組對中存在兩光柵端面對應(yīng)同一監(jiān)測點的情況， 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的位置。[0025]如上所述，便可通過光纖簇反射回得脈沖信號判斷出是否發(fā)生了泄露。由于控制電路使入射光、光開關(guān)同步，與光電探測器得到的脈沖信號進行時間對比，便可確定泄露的具體位置。[0026]本實用新型具有如下優(yōu)點[0027]采用集成的光纖光柵簇做傳感器，進行分布式探測；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；測量長度更改靈活，當(dāng)待檢測管道長度過長時，可采用多個該系統(tǒng)；應(yīng)用范圍廣泛，適合于多種熱流體輸運的檢漏。本實用新型系統(tǒng)成本低，檢測準確率高。


[0028]附圖1為本實用新型結(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、光開關(guān)；5、單片機；6、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；7、光電探測器；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，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為無泄露時掃描第m路光纖得到的脈沖信號。[0033]圖4為有泄露時掃描第m路光纖得到的脈沖信號。其中λ ’處的脈沖信號對應(yīng)的熱流體管道的泄露處。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明，但不限于此。實施例1 本實用新型實施例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、光開關(guān)4、環(huán)形器3、光電探測器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 口連接光開關(guān)4的輸入端，光開關(guān)4輸出端連接集成光纖光柵簇8 ；環(huán)形器3的c 口接光電探測器7，光電探測器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5的IO 口和單片機5相連接，以實現(xiàn)對所得數(shù)字信號進行處理；光調(diào)制器2和光開關(guān)4經(jīng)單片機5的IO 口分別和單片機5相連接， 以實現(xiàn)單片機5對其進行同步控制。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。所述的光電探測器7是響應(yīng)時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的光纖光柵14經(jīng)連接光纖15串連連接而成，每個光纖光柵14和連接光纖15的長度相等；每兩根光纖光柵組12組成光纖光柵組對11，光纖光柵組對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；將光纖光柵組對11排列呈束狀，各光纖光柵組對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開不相重合，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為400對。實施例2 本實用新型實施例2如實施例1所述相同，只是光調(diào)制器2是快門；所述集成光纖光柵簇中的光纖光柵組對為20對。
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、光開關(guān)、環(huán)形器、光電探測器、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，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 口連接光開關(guān)的輸入端，光開關(guān)輸出端連接集成光纖光柵簇；環(huán)形器的c 口接光電探測器，光電探測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)單片機的IO 口和單片機相連接，以實現(xiàn)對所得數(shù)字信號進行處理；光調(diào)制器和光開關(guān)經(jīng)單片機的IO 口分別和單片機相連接，以實現(xiàn)單片機對其進行同步控制。
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器是響應(yīng)時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的光纖光柵經(jīng)連接光纖串連連接而成，每個光纖光柵和連接光纖的長度相等；每兩根光纖光柵組組成光纖光柵組對，光纖光柵組對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；將光纖光柵組對排列呈束狀，各光纖光柵組對彼此首尾相接排列，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開彼此不相重合，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為5-600對。
專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口連接光開關(guān)的輸入端，光開關(guān)輸出端連接集成光纖光柵簇；環(huán)形器的c口接光電探測器，光電探測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)單片機的IO口和單片機相連接，以實現(xiàn)對所得數(shù)字信號進行處理；光調(diào)制器和光開關(guān)經(jīng)單片機的IO口分別和單片機相連接，以實現(xiàn)單片機對其進行同步控制。本實用新型系統(tǒng)成本低，檢測準確率高。
文檔編號F17D5/02GK202252874SQ20112038045
公開日2012年5月30日 申請日期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 申請人:山東大學(xué)