專利名稱：干涉型分布式光纖管道泄漏實時監(jiān)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體管道泄漏在線實時監(jiān)測、定位方法以及監(jiān)測裝置，尤其是涉及一種基于干涉原理的分布式光纖傳感技術(shù)，屬于管道監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管道運輸作為一種安全、經(jīng)濟的運輸方法已經(jīng)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。隨著管道運輸業(yè)的不斷發(fā)展，為了維護管道的安全運行，管道運行監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展，作為管道監(jiān)控核心的泄漏檢測技術(shù)一直受到各國科技工作的重視。
目前國內(nèi)外已有多種管道泄漏檢測技術(shù)和方法，但大多數(shù)的管道泄漏在線監(jiān)測技術(shù)主要是基于管內(nèi)流體介質(zhì)的流失所造成的管道各運行參數(shù)的變化來檢測管道泄漏的，如通過監(jiān)測管道輸入端和輸出端的壓力、流量等管道運行參數(shù)的變化，可以判斷出管道是否發(fā)生泄漏，同時也可以確定管道泄漏發(fā)生的位置。中國發(fā)明專利申請?zhí)?6121000.1、99107241.3以及中國實用新型專利申請?zhí)?2235420.4等對該類技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)容已經(jīng)作了很詳細的敘述。由于該類技術(shù)受管內(nèi)流體介質(zhì)的特性、管道運行狀況、管道的工藝流程以及檢測儀表的靈敏度和精度等因素的影響，所以該類檢測技術(shù)只能檢測出較大的突發(fā)性管道泄漏，而且定位精度受以上因素影響較大。另外該類技術(shù)只能檢測到已經(jīng)發(fā)生的管道泄漏事件，不能對管道附近施工、人為破壞以及自然災(zāi)害等可能造成管道泄漏的事件進行預(yù)報警。
另外一種檢測方法是通過在輸送管道內(nèi)安放一個管內(nèi)檢測器，使其沿著管道行走，檢測管道內(nèi)壁腐蝕、缺陷以及焊縫等情況，該類檢測方法主要基于漏磁通、超聲波和渦流檢測技術(shù)。此類檢測方法可以獲得較詳細的管道質(zhì)量情況，但檢測費用較高，無法做到實時監(jiān)測。
近年來，隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也開始應(yīng)用于管道泄漏檢測。中國發(fā)明專利申請?zhí)?2145502.3采用OTDR技術(shù)應(yīng)用于油氣管道泄漏檢測，OTDR技術(shù)是光時域反射(Optical Time Domain Reflectometer)技術(shù)的簡稱，它是通過檢測光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射和菲涅爾反射信號來判斷光纖的故障點，主要應(yīng)用于光纜的故障、光纖的長度、光纖的損耗以及光纖接頭損耗等檢測。
其應(yīng)用于管道泄漏檢測主要工作原理為在管道附近沿管道并排鋪設(shè)一條或幾條光纖，當(dāng)光纖附近產(chǎn)生應(yīng)力擾動時，將改變光纖的特性和損耗，使用OTDR技術(shù)可以檢測出該損耗點并定位。由于該管道泄漏檢測技術(shù)采用的是光脈沖，為了保證測試的連續(xù)性，每次只能允許光纖中有一個光脈沖傳播，對該脈沖在沿途各點的連續(xù)散射和反射信號進行測試，為了保證每個測試點的準(zhǔn)確性，還要對每個測試點進行多次測試并進行平均。因而該技術(shù)只能檢測靜態(tài)損耗和變化緩慢的擾動。所以該技術(shù)受以上條件的限制不能實現(xiàn)管道泄漏的實時監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的管道泄漏技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于干涉原理的分布式光纖流體管道泄漏實時監(jiān)測系統(tǒng)。該方法具有很高的泄漏檢測靈敏度和泄漏定位精度，監(jiān)測系統(tǒng)容易實現(xiàn)，而且運行可靠。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)一種基于干涉原理的分布式光纖流體管道泄漏實時監(jiān)測的方法，其特征在于包括以下過程將一束光通過分布式光纖微振動傳感器一端的耦合器按功率1∶1分為兩束光分別進入分布式光纖微振動傳感器中兩條單膜傳感光纖，光沿兩條單膜傳感光纖傳播到分布式光纖微振動傳感器的另一端，在傳感器另一端的耦合器匯合產(chǎn)生干涉光信號。同樣道理，兩束光分別在單膜傳感光纖的傳輸過程中，當(dāng)分布式光纖微振動傳感器中的兩條單膜傳感光纖受到包括管道泄漏噪聲、管道周圍施工、人為破壞(如打孔盜油)以及自然災(zāi)害(如地震、洪水、泥石流以及山體滑坡等)等外界信號擾動時，會造成輸出的干涉光信號發(fā)生變化，實時的檢測干涉光信號的變化，則可以檢測出光纖微振動傳感器沿途所發(fā)生事件產(chǎn)生的微振動信號。從而實現(xiàn)了管道泄漏監(jiān)測乃至可能造成管道破壞的外界事件的實時監(jiān)測。
在上述實時監(jiān)測過程中，實現(xiàn)對管道泄漏點及外界事件破壞點位置的定位方法，其特征在于包括以下過程通過分布式光纖微振動傳感器兩端的耦合器向傳感器中的兩條單膜傳感光纖同時輸入兩束逆向光，則經(jīng)過分布式光纖微振動傳感器兩端的兩個耦合器會分別產(chǎn)生兩個干涉光信號。如果分布式光纖微振動傳感器沿途發(fā)生管道泄漏、管道周圍施工、人為破壞等事件時，將會分別引起分布式光纖傳感器兩端的干涉光信號發(fā)生變化。在分布式傳感光纖中傳播的兩束逆向光受同一事件影響后，由于傳播到兩端的檢測器所進行的路程不同，因此兩個檢測信號之間會產(chǎn)生時間差。根據(jù)分布式光纖微振動傳感器兩端檢測到同一事件所引起的干涉光信號變化的時間差，就可以確定管道泄漏及可能造成管道破壞的外界事件發(fā)生點的位置。
實現(xiàn)完成上述的管道泄漏實時監(jiān)測的裝置，該裝置包括由分布式光纖微振動傳感器、引導(dǎo)光纖及微振動檢測器等構(gòu)成，其特征在于微振動檢測器由半導(dǎo)體激光二極管光源、光隔離器、兩個光電檢測器和兩個信號處理器構(gòu)成。其中兩個信號處理器分別對兩個光電檢測器檢測信號進行信號處理。其包括信號放大、濾波和信號采集功能。
實現(xiàn)完成分布式光纖微振動傳感器與微振動檢測器之間的光波和干涉光信號傳輸?shù)囊龑?dǎo)光纖，其特征在于引導(dǎo)光纜中包含兩條引導(dǎo)光纖，其中的一條引導(dǎo)光纖與分布式光纖微振動傳感器一端的耦合器連接，另一條引導(dǎo)光纖與分布式光纖微振動傳感器中的引導(dǎo)光纖的一端連接，而分布式光纖微振動傳感器中的引導(dǎo)光纖的另一端與分布式光纖微振動傳感器中另一段的耦合器連接。
所述的傳感光纖和引導(dǎo)光纖均為單膜光纖。
本發(fā)明的優(yōu)點在于本監(jiān)測系統(tǒng)采用了分布式光纖檢測技術(shù)，避免了管內(nèi)流體介質(zhì)的特性、管道運行狀況、管道的工藝流程以及檢測儀表的靈敏度和精度等因素的限制，提高了檢測靈敏度和泄漏定位精度。干涉型分布式光纖微振動傳感器反應(yīng)靈敏，反應(yīng)速度快，具有很寬的響應(yīng)帶寬，完全滿足了各種測試信號的要求，從而可以實現(xiàn)管道泄漏分布式光纖真正的實時監(jiān)測。由于引導(dǎo)光纖將敏感的傳感器與外界隔離，很好的解決了受外界干擾的問題，因此抗干擾能力較強。監(jiān)測系統(tǒng)中所采用的各種光電元器件均采用現(xiàn)有的各種元器件的工業(yè)品，可以在正常的工業(yè)環(huán)境中安全、可靠的工作，而且工程造價非常低廉，很容易實現(xiàn)。另外，本監(jiān)測系統(tǒng)所采用的干涉型分布式光纖微振動傳感器具有電絕緣性好、本質(zhì)安全可靠、耐腐蝕等特點，這使它在石油化工等強電磁干擾、易燃、易爆、強腐蝕等環(huán)境中具有更廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖，監(jiān)測系統(tǒng)包括1為傳感光纜、2a和2b為耦合器、3為引導(dǎo)光纜、4為微振動檢測器。
圖2是本發(fā)明的測試系統(tǒng)工作原理框圖，主要包括1a、1b為傳感光纜1中包含了兩條傳感光纖、1c為傳感光纜1中的一條引導(dǎo)光纖、3a和3b為引導(dǎo)光纜3中包含兩條引導(dǎo)光纖、4為微振動檢測器。其中微振動檢測器4中包括5為半導(dǎo)體激光二極管、7為光隔離器、6a和6b為信號傳輸光纖、8、10a和10b為耦合器、9a、9b、9c和9d為信號傳輸光纖、11a和11b為光電檢測器、12a和12b為信號調(diào)理模塊、13a和13b為A/D轉(zhuǎn)換模塊、14為計算機。
圖3是本發(fā)明的定位方式示意圖。
圖4是本發(fā)明用于定位所測試的檢測信號電壓-時間關(guān)系曲線示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明圖1所示為基于干涉原理的分布式光纖流體管道泄漏實時監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖，該監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感光纜1、傳感光纜兩端的耦合器2a和2b、引導(dǎo)光纜3以及微振動檢測器4。
其中在管道附近沿管道鋪設(shè)的傳感光纜1和耦合器2a和2b組成了高靈敏度的分布式光纖微振動傳感器，主要用于檢測沿線的泄漏噪聲以及在管道附近所發(fā)生的可能造成管道泄漏的應(yīng)力變化。引導(dǎo)光纜3為傳輸光纖主要用于傳播光波和檢測信號。微振動檢測器主要用于向干涉型分布式光纖微振動傳感器中發(fā)射光波，同時檢測傳感器傳出的檢測信號，通過光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并進行信號處理，然后進行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)送入計算機中進行數(shù)字信號處理和進行數(shù)據(jù)分析。
圖2所示為本發(fā)明的測試系統(tǒng)工作原理框圖，將進一步說明該檢測系統(tǒng)的工作原理以及各部分的詳細組成情況。首先微振動檢測器4中的光源5為半導(dǎo)體激光二極管，發(fā)出的模擬光波通過單膜光纖6a、隔離器7和單膜光纖6b，進入耦合器8，按功率1∶1分為兩路光波分別通過單膜光纖9a和9b進入耦合器10a和10b。其中一路光波從耦合器10a出來通過引導(dǎo)光纖3a進入耦合器2a再按功率1∶1分為兩路光波分別進入傳感器光纜中的兩條傳感光纖1a和1b中傳播，在耦合器2b中匯合通過引導(dǎo)光纖1c和3b進入耦合器10b，再由耦合器10b出來經(jīng)過單膜光纖9d進入光電檢測器11b將光信號轉(zhuǎn)為電信號。同時另一路光波從耦合器10b出來通過引導(dǎo)光纖3b和1c進入耦合器2b再按功率1∶1分為兩路光波分別進入傳感器光纜中的兩條傳感光纖1a和1b中傳播，在耦合器2a中匯合通過引導(dǎo)光纖3a進入耦合器10a，再由耦合器10a出來經(jīng)過單膜光纖9c進入光電檢測器11a將光信號轉(zhuǎn)為電信號。信號調(diào)理模塊12a和12b對來自光電檢測器11a和11b電信號分別進行放大和濾波，然后通過A/D轉(zhuǎn)化模塊13a和13b將模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入計算機14中進行數(shù)字信號處理和分析，從而可以獲得干涉型分布式光纖微振動傳感器的測試結(jié)果。在計算機中進一步對兩路信號進行分析和判斷，可以獲得分布式光纖傳感器沿線各點的振動的分布特征。當(dāng)流體管道有泄漏、管道附近的施工和人為破壞等事件發(fā)生時，監(jiān)測系統(tǒng)所檢測的信號具有特殊的頻譜特征，通過對信號的分析和對兩個特征信號檢測的時件差的計算，可以迅速發(fā)出報警并能對事件的發(fā)生地點進行準(zhǔn)確的定位。
另外，在圖2所示的測試系統(tǒng)中，引導(dǎo)光纜3中的引導(dǎo)光纖3a和3b的作用是完成分布式光纖微振動傳感器與微振動檢測器之間的光波和干涉光信號傳輸。因此引導(dǎo)光纜對外界的干擾信號不敏感。而反應(yīng)敏感的分布式光纖微振動傳感器隨管道埋入地下或鋪設(shè)在管道溝中，這樣可以有效的減少外界干擾信號對檢測系統(tǒng)的干擾。另外，在傳感光纜1中所包含的一條引導(dǎo)光纖1c不僅具有光波和干涉光信號的傳輸功能，還提供了兩個檢測信號間的一個附加時延，這個時延有助于識別和判斷泄漏事件發(fā)生的位置。
圖3所示為本發(fā)明的定位方式示意圖，其用于定位傳感器所檢測的擾動事件位置的基本原理。當(dāng)光纖中傳播方向相逆的兩束光波受同一事件影響時，該事件的影響因兩束光波傳播路程的不同而使兩檢測端對同一事件的檢測會產(chǎn)生時間差，該技術(shù)主要依賴于分布式光纖微振動傳感器兩端對同一事件檢測的時間差的檢測。如圖3所示，D為分布式傳感光纖發(fā)生擾動的位置，A為傳感光纜的起始點，B為傳感光纜的末端。其中A點到D點兩點間的光纖長度為dx，從A點到B點兩點間的光纖長度為L，L的長度是已知的，D點到B點兩點間的光纖長度為L-dx。其中光波在光纖的傳播速度為v，兩檢測器11a和11b檢測同一事件發(fā)生的起始時間分別為t1和t2，因此時間差為Δt＝t2-t1。通過下面的公式可以計算出發(fā)生事件的位置D到檢測端A的距離dx為dx=L-v(Δt-Lv)2---(1)]]>公式(1)中的光波在光纖的傳播速度v是由c/n決定的，其中c是光在真空中的速度(3×108m/s)，n是光纖的折射率。式中L/v為光波在引導(dǎo)光纖1c中傳輸所需的時間。
同理可知，發(fā)生事件的位置D到檢測末端B的距離的距離L-dx為L-dx=L+v(Δt-Lv)2---(2)]]>由于光在光纖中的傳播速度比較穩(wěn)定，因此如果將時間差檢測到，就可以精確計算出事件發(fā)生的位置。在此應(yīng)該注意的是引導(dǎo)光纖的長度和傳感光纖的長度在系統(tǒng)安裝前可以通過實際測量獲得，或者通過OTDR測量獲得。因而，一旦知道了光纖的長度和時間差，使用公式(1)和(2)就可以獲得精確的事件發(fā)生位置。
圖4所示是通過計算機高速采集的兩個檢測器檢測到的同一事件信號的電壓-時間關(guān)系曲線。其中圖中所示15是光電檢測器11a所檢測到的電壓-時間關(guān)系曲線，16是光電檢測器11b所檢測到的電壓-時間關(guān)系曲線。t1是光電檢測器11a檢測到的事件發(fā)生的起始點時間，t2是光電檢測器11b檢測到同一事件的起始點時間。
在如圖2和圖3所示的分布式光纖監(jiān)測、定位系統(tǒng)中，用于試驗的測試光纖總長為4623m。在光纖傳感器一端的附近施加一個管道泄漏噪聲，兩個測試信號的時間差如圖4所示。從圖4所示的11a和11b兩個光電檢測器輸出的測試信號的電壓-時間曲線特征可以準(zhǔn)確的獲得兩個測試點的時間差。對兩個泄漏噪聲測試信號發(fā)生變化的瞬間進行分析，利用定位公式(1)和(2)可以計算出事件發(fā)生的位置。
權(quán)利要求
1.一種基于干涉原理的分布式光纖流體管道泄漏實時監(jiān)測的方法，其特征在于包括以下過程將一束光通過分布式光纖微振動傳感器一端的耦合器按功率1∶1分為兩束光分別進入分布式光纖微振動傳感器中兩條單膜傳感光纖，光沿兩條單膜傳感光纖傳播到分布式光纖微振動傳感器的另一端，在傳感器另一端的耦合器匯合產(chǎn)生干涉光信號；同樣道理，兩束光分別在單膜傳感光纖的傳輸過程中，當(dāng)分布式光纖微振動傳感器中的兩條單膜傳感光纖受到包括管道泄漏噪聲、管道周圍施工、人為破壞如打孔盜油以及自然災(zāi)害如地震、洪水、泥石流以及山體滑坡等等外界信號擾動時，會造成輸出的干涉光信號發(fā)生變化，實時的檢測干涉光信號的變化，則可以檢測出光纖微振動傳感器沿途所發(fā)生事件產(chǎn)生的微振動信號，從而實現(xiàn)了管道泄漏監(jiān)測乃至可能造成管道破壞的外界事件的實時監(jiān)測。
2.一種實現(xiàn)按權(quán)利要求1所述的基于干涉原理的分布式光纖管道泄漏實時監(jiān)測的裝置，該裝置包括由分布式光纖微振動傳感器、引導(dǎo)光纖及微振動檢測器等構(gòu)成，其特征在于微振動檢測器由半導(dǎo)體激光二極管光源、光隔離器、兩個光電檢測器和兩個信號處理器構(gòu)成，每個信號處理器分別包括由信號放大、濾波和信號采集構(gòu)成。
3.按權(quán)利要求2所述的一種基于干涉原理的分布式光纖管道泄漏實時監(jiān)測的裝置，實現(xiàn)完成分布式光纖微振動傳感器與微振動檢測器之間的光波和干涉光信號傳輸?shù)囊龑?dǎo)光纖，其特征在于引導(dǎo)光纜中包含兩條引導(dǎo)光纖，其中的一條引導(dǎo)光纖與分布式光纖微振動傳感器一端的耦合器連接，另一條引導(dǎo)光纖與分布式光纖微振動傳感器中的引導(dǎo)光纖的一端連接，而分布式光纖微振動傳感器中的引導(dǎo)光纖的另一端與分布式光纖微振動傳感器中另一段的耦合器連接。
全文摘要
本發(fā)明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光纖微振動傳感器。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時會產(chǎn)生泄漏噪聲，通過光纖微振動傳感器可以實時地監(jiān)測出管道周圍的微小振動和應(yīng)力變化，并且能夠迅速、準(zhǔn)確地確定管道泄漏的位置。該裝置包括由分布式光纖微振動傳感器、引導(dǎo)光纖及微振動檢測器等構(gòu)成。該監(jiān)測技術(shù)不僅可以檢測出管道泄漏的發(fā)生，還可以檢測出管道周圍所發(fā)生的可能造成管道泄漏的事件，并能發(fā)出預(yù)報警和準(zhǔn)確定位。該檢測技術(shù)可以實時監(jiān)測管道沿線泄漏情況，具有很高的靈敏度和定位精度，而且抗干擾能力較強，運行可靠。
文檔編號G01M3/00GK1598516SQ20041002004
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月19日
發(fā)明者周琰, 靳世久, 栗大超, 王立坤, 李健 申請人:天津大學(xué)