專利名稱：一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)，涉及機械振動的測量、沖擊的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，世界上建成的管道總長達到250萬公里，已經(jīng)超過鐵路總里程成為世界能源主要運輸方式，發(fā)達國家和中東產(chǎn)油區(qū)的油品輸運已全部實現(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、縱貫南北、覆蓋全國、連通海外的能源管網(wǎng)大格局，管道運輸成為油氣等戰(zhàn)略能源的調(diào)配輸送的主要方式。管道由于跨越地域廣，受自然災害、第三方施工破壞等原因，導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，并引發(fā)大范圍火災，導致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)保意識顯著提升，作為高危行業(yè)的管道輸運安全問題也得到越來越多的重視。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)測的實時性和漏點定位的準確性，必須在管線上加大傳感器的布設密度，同時增加相應的供電、通信設備，造成系統(tǒng)成本以及安裝維護費用高昂。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展國外如美國CS1、ATM0S1、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；國內(nèi)天津大學、清華大學、中國人民解放軍后勤工程學院等單位也對管道的泄漏監(jiān)測方法做了深入研究。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一根光纜，利用光纜中的光纖組成一個光纖微振動傳感器。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CN200610072879. 6是一種基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置及方法?！秱鞲衅髋c微系統(tǒng)》第26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)實時監(jiān)測沿管道本體傳播的振動波信號，對采集的振動波信號進行分析處理，包括類型識別和振動源定位，其中類型識別為通過對振動波特征的提取分析判別其是否屬于泄漏類型，同時根據(jù)振動波傳播到相鄰幾個光纖傳感器的時間延遲結(jié)合振動波在管道本體上的傳播速度確定振動波源所在的位置，傳感器輸出的光強信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后實現(xiàn)泄漏點的位置的確定。CN1837674A公開了一種基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏檢測裝置及方法。
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。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?？v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，其中應用較多的是利用一根與管道同溝敷設的光纜作為氣體泄漏傳感器，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)測的應用需求。另一種基于光纖復用技術(shù)的準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別與定位。但是其·光纖傳感器的安裝技術(shù)要求復雜，設計難度大，主要是要保證光纖傳感器檢測靈敏度足夠高，噪聲隔離性要好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種節(jié)省投入、靈敏度和準確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響的天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)。該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分布式光纖傳感泄漏振動監(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)實時監(jiān)測沿管道本體傳播的振動波信號，對采集的振動波信號進行分析處理，包括類型識別和振動源定位，其中類型識別為通過對振動波特征的提取分析判別其是否屬于泄漏類型，同時根據(jù)振動波傳播到相鄰幾個光纖傳感器的時間延遲結(jié)合振動波在管道本體上的傳播速度實現(xiàn)對振動波源所在位置的確定，實現(xiàn)上述的對振動波信號分析處理后對泄漏事件進行報警同時提供泄漏點的位置信息。本發(fā)明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)上適當增加了光纖傳感器的數(shù)量，擴展了可拾取監(jiān)測信號的頻段，并結(jié)合多個光纖傳感器進行的時延估計定位方法保證了系統(tǒng)定位的準確性。在天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器是實現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測的關(guān)鍵，當管道發(fā)生泄漏時，泄漏激發(fā)的振動波將沿管道向泄漏點兩側(cè)傳播。在管道本體上每隔一定距離安裝一個傳感器，用來監(jiān)測管道上的泄漏振動波。傳感器采用光纖干涉儀結(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波檢測傳感器，為了增加對泄漏振動的感應靈敏度可以通過增加傳感光纖長度的方式，其輸出的光強信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可以與成V0 1+Vcos (4) s+ 4)n+ 4) 0) +Vn (I)其中，Vtl是輸出的電壓信號，V是干涉儀的可視度，Vn是電路附加噪聲，^為由泄漏振動波引起的相差信號，即為要探測的泄漏振動波信號，00為干涉儀的初始相位，是個常量，為位相差的低頻漂移，是一個不確定量，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用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)泄漏振動波信號的獲取，并對該信號到達相應的傳感器的時間延遲進行估計，結(jié)合振動波沿管道傳播的速度V實現(xiàn)了對振動波源即泄漏點位置的確定。為了能準確定位管道泄漏的位置，天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)采用了一種基于準分布式光纖傳感技術(shù)天然氣管道泄漏事件的多傳感器定位方法，當管道泄漏事件發(fā)生時，泄漏激發(fā)振動波并沿管道向兩相反方向傳播，系統(tǒng)根據(jù)泄漏信號傳播到相鄰幾個傳感器的時延差實現(xiàn)對泄漏點的定位。當泄漏發(fā)生時，泄漏激發(fā)管道產(chǎn)生振動波，振動波以速度V沿管道傳播，其中兩個相鄰的傳感器間隔為設定值L，設信號傳播至傳感器n的時間為tn，傳播至傳感器n+1的時間為tn+1，信號傳播至傳感器n-1的時間為tn_i，傳播至傳感器n+2的時間為tn+2，有下式(2)成立X1 =—[L-vx(tn+l-tJ]Z2 =^[VX(H+1)]
! (2) x3=L--[vx(tn+2-tn)]
X4 =-[L-vx(tn+2-tn_1)]其中未知參量(tn+「tn)、(tn_「tn+1)、(tn+2-tn)和(Wtlri)可以通過對對應幾個傳感器接收到的信號進行相關(guān)處理得到，這樣就形成了對事件發(fā)生位置X同一未知量的多次觀測，聯(lián)合連續(xù)多個傳感器接收信號時間差，相比僅采用兩個傳感器的時間差測量方式具有更為準確的定位效果。該定位方法可以監(jiān)測突發(fā)或已發(fā)泄漏信號，具有定位準確性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。本發(fā)明采用的光纖傳感器復用/解復用方法是綜合頻分復用和空分復用的方法，采用對可調(diào)激光器進行光頻調(diào)制的方法產(chǎn)生泄漏探測光，使用邁克耳遜干涉儀或馬赫曾德干涉儀作為泄漏傳感器，傳感器的布設結(jié)構(gòu)是在天然氣管道外壁上每隔一定距離安裝一個泄漏傳感器，多個傳感器構(gòu)成一個傳感器組，每個傳感器組的光信號使用一根光纖傳回系統(tǒng)主機。其中每個傳感器都制作成臂差不同的邁克耳遜干涉儀或馬赫曾德干涉儀，使每個泄漏傳感器所產(chǎn)生的傳感光信號頻率均不相同，由此利用頻分復用原理可將每組的多個傳感器不同頻率的光信號復用在一根光纖中傳回系統(tǒng)的接收端；而多個傳感器組之間采用空分復用方式分別接入系統(tǒng)主機。接收到的每個傳感器組的光信號使用單獨的光電轉(zhuǎn)換通道實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的傳感信號使用帶通濾波的分頻方式獲得傳感器組內(nèi)每個傳感器的信號實現(xiàn)解復用，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，再經(jīng)過泄漏信號的識別和定位分析，最終可準確獲取管道泄漏點信息。泄漏聲波信號的相位載波解調(diào)方法是將接收到的干涉信號，先進行帶通濾波，一路輸出與coMc^t)相乘后進行低通濾波與微分處理，另一路與Sin ( 4)相乘后進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波信號(見圖6)。天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1，它包括光路復用結(jié)構(gòu)的光路系統(tǒng)和電路兩部分。光路系統(tǒng)包括光源和光路。系統(tǒng)方面，在管道本體上每隔一定距離安裝一個光纖傳感器，多個光纖傳感器構(gòu)成一個光纖傳感器組，各光纖傳感器組共用一根發(fā)射光纖與光源連接，每個光纖傳感器組使用一根回傳光纖與光電探測器連接；光電探測器輸出接包括泄漏信號識別和事件定位功能的信號采集與處理模塊，信號采集與處理模塊輸出接微機。經(jīng)信號采集與處理模塊的處理，基于頻分復用方式混合的傳感器組信號實現(xiàn)了傳感器組內(nèi)各傳感器的解復用，獲得原始泄漏振動波信號。所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理、信號采集、處理單元、終端顯示和外部接口 ；光電探測器輸出的信號依次串接信號調(diào)理、信號采集和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口；所述光路系統(tǒng)為調(diào)制信號模塊發(fā)出的調(diào)制信號加在激光器上，激光器發(fā)出的光頻隨調(diào)制信號變化的激光進入發(fā)射光纖，到達每個傳感器附近時，通過分束器分束，一束進入傳感器，另一束向下一個傳感器傳輸，以此類推，直至達到最后一個傳感器，在最后一個傳感器，激光不通過分束器，直接進入傳感器；相鄰的若干個傳感器為一組，組內(nèi)各傳感器輸出信號通過合束器進入回傳光纖，每個傳感器組使用一根回傳光纖；回傳光纖數(shù)量與傳感器組數(shù)量相同。各傳感器組的干涉光信號通過獨立的回傳光纖來傳輸，通過光電轉(zhuǎn)換模塊獨立的通道實現(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后的傳感器組電信號由信號采集和處理模塊采集、解復用，實現(xiàn)傳感器組內(nèi)各傳感器信號的分離。其中傳感器組的數(shù)量至少為I個，各傳感器組均由若干個邁克耳遜干涉儀或馬赫曾德干涉儀傳感器構(gòu)成，各傳感器安裝在管道外壁上，相鄰兩個傳感器的間距為50m-2km,每2_10個傳感器構(gòu)成一個傳感器組；各傳感器的兩個干涉臂不等長，存在一個臂長差，且傳感器組內(nèi)的各傳感器的臂長不等長。利用與油氣管道同溝敷設的普通通信光纜中光纖作為發(fā)射和回傳光纖，將管道泄漏光纖傳感器通過光復用技術(shù)相互并聯(lián)接在發(fā)射和回傳光纖之間，形成光回路，管道泄漏光纖傳感器安裝在管道本體上，形成可監(jiān)測管道泄漏振動的光纖傳感系統(tǒng)。利用光源對各個管道泄漏光纖傳感器掃描，基于法拉第旋轉(zhuǎn)鏡法，實現(xiàn)傳感器組及組內(nèi)個傳感器的干涉信號的抗偏振衰落，提高并穩(wěn)定了傳感器及傳感器組干涉信號的可視度和信噪比，使用光電轉(zhuǎn)換模塊將各傳感器組的干涉光信號轉(zhuǎn)換為電信號，每個傳感器組對應一個獨立的光電轉(zhuǎn)換通道，由信號采集和處理模塊采集各傳感器組的干涉信號為數(shù)字信號，并可通過帶通濾波的方法將組內(nèi)各傳感器的載波信號徹底分離，通過相位載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)，解調(diào)出原始泄漏振動波信號；分析相鄰幾個傳感器檢測到的泄漏振動波信號的時延差，結(jié)合振動波在管道中傳輸速度，可實現(xiàn)泄漏點的定位。應用多傳感器復用調(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)復雜程度和成本。本發(fā)明所對應的光路系統(tǒng)(見圖2)主要是基于頻分復用原理而設計，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；光纖傳感器采用馬赫曾德干涉儀或邁克耳遜干涉儀(結(jié)構(gòu)如圖3);每個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。激光器發(fā)出的探測激光輸入傳輸光纜中的輸入光纖進入傳感器組后到達第一個光路適配器，由該光路適配器的光分束器分為兩束激光一束經(jīng)輸入光纖進入第一個光纖傳感器，另一束光經(jīng)延時光纖傳到下一個光路適配器，再由下一個光路適配器中的光分束器分為兩束激光，一束進入第二個光纖傳感器，另一束再經(jīng)傳輸光纖傳輸?shù)较乱粋€光路適配器，以此類推，直到激光到達最后一個光纖傳感器 ’每2-10個相鄰的光纖傳感器分為一組，組內(nèi)各光纖傳感器的干涉信號通過光合束器接入回傳光纖，傳回到系統(tǒng)接收端；在傳感器組的最后一個光纖傳感器，激光不再通過光路適配器，直接進入光纖傳感器；而經(jīng)過各光纖傳感器后的光信號，通過各自相應的光路適配器中的光合束器，與后面?zhèn)鬟^來的光信號合束，最終經(jīng)輸出光纖傳至監(jiān)測系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換模塊。其中，光路適配器集合了光分束器和光合束器；輸入光纖與輸出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；管道上相鄰的兩個傳感器之間的發(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，以防止傳感器之間發(fā)生信號串擾。本發(fā)明采用了一種適合光波復用以及調(diào)制解調(diào)的專用光源系統(tǒng)。該光源系統(tǒng)由光頻可調(diào)的激光器和專用調(diào)制信號發(fā)生模塊構(gòu)成(見圖4);調(diào)制信號發(fā)生模塊中的產(chǎn)生的信號通過D/A輸出，接激光器調(diào)制信號輸入端；調(diào)制信號發(fā)生模塊輸出信號有頻率調(diào)節(jié)、幅度調(diào)節(jié)和鋸齒波/倒鋸齒波選擇輸入，通過編程可選擇如鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號類型，調(diào)整設置信號幅度和頻率；調(diào)制信號作用在激光器上，可輸出光頻按照調(diào)制信號變化的連續(xù)激光。當光頻按鋸齒波或倒鋸齒波規(guī)律變化的激光注入后，每個光纖傳感器輸出的干涉信號為近似單頻的余弦信號，此干涉信號作為泄漏聲波信號的載波信號，傳感器的臂長差 不同，對應的信號載波頻率也將不同；另外，調(diào)節(jié)調(diào)制信號的幅度和頻率，干涉儀的載波頻率也將變化，由此實現(xiàn)傳感器的復用、形成多個傳感器的信號載波。光源中的激光器采用光頻可調(diào)制的半導體激光器，調(diào)制信號作用在激光器注入電流上，實現(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傳感器干涉儀之間延遲光纖的要求；調(diào)制信號模塊輸出到激光器的調(diào)制信號為鋸齒波信號或倒鋸齒波信號，頻率不小于待檢測泄漏聲波信號頻率的兩倍；在注入鋸齒波或倒鋸齒波光頻調(diào)制激光時，各傳感器輸出的干涉信號為近似單頻余弦信號，傳感器組輸出的干涉光信號為傳感器組內(nèi)各傳感器輸出的近似單頻余弦信號的疊加，其頻譜由多個獨立的譜線組成，譜線數(shù)量與傳感器組內(nèi)傳感器數(shù)量相同。其中調(diào)制信號發(fā)生模塊采用數(shù)字調(diào)制電路，即通過數(shù)字方式根據(jù)波型、信號幅度、頻率參數(shù)計算獲得一個周期的調(diào)制信號片斷，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)制信號類型，可調(diào)整設置信號幅度、直流偏置和頻率；調(diào)制信號發(fā)生模塊輸出的鋸齒波或倒鋸齒波信號要求幅度最大為±5V，頻率最大為200KHZ ;調(diào)制后的激光器輸出光頻隨調(diào)制信號波形同步變化的激光，輸入到傳感光路中，可實現(xiàn)傳感器的復用、形成多個傳感器的信號載波。光源中調(diào)制電路如圖5所示，它主要由運算放大器U7、DFB激光器U8、運算放大器U9和2個三極管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TOne，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I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R24接VREF，7端經(jīng)電阻R28與8端經(jīng)電阻R26共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管D11、D12至Q4的基極，同時基極接電容C44到地，同時經(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。相對該光源系統(tǒng)的調(diào)制原理，本系統(tǒng)采用的光纖傳感器復用/解復用方法的振動波解調(diào)原理框圖見圖6，干涉信號輸出接帶通濾波，帶通濾波輸出一路與coMc^t)相接(相乘)后接第一低通濾波，該低通濾波輸出接第一微分電路，另一路與相接，相乘后接第二低通濾波，該低通濾波輸出接第二微分電路；第一微分電路輸出與第二低通濾波輸出相接，相乘后再與第二微分電路輸出與第一低通濾波輸出相接，相乘后再相接，相減后依次經(jīng)積分、高通濾波，輸出聲波信號。所述信號采集與處理模塊的構(gòu)成見圖8，它包括信號調(diào)理、信號采集、處理單元、終端顯示和外部接口 ；接光電探測器輸出的信號依次串接信號調(diào)理器、信號采集和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口；
其中調(diào)理電路如圖9所示，它主要由運算放大器U14、光電二級管U15組成；U15的1、5、8端懸空，3、4端接地，2端經(jīng)電阻R39、電容C60 二者并聯(lián)后接6端，6端經(jīng)電阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端懸空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_OUT 口，2端經(jīng)電阻R42接地，1、2端之間接電阻R40、電容C59 二者的并聯(lián)；在信號采集和處理模塊中，通過帶通濾波方法，將傳感器組內(nèi)各傳感器的干涉信號從傳感器組信號中分離出來，實現(xiàn)解復用；濾波器中心頻率為該傳感器干涉信號主頻率，帶寬為鋸齒波頻率，從傳感器組干涉信號中將各傳感器的載波信號分離出來，分理出來的載波信號為近似單頻余弦信號，使用相位載波調(diào)制解調(diào)方法可以解調(diào)出原始泄漏聲波信號，計算相鄰兩個傳感器檢測到的泄漏聲波信號的時延差，結(jié)合泄漏聲波在管道上的傳播速度，即可獲得泄漏位置。本發(fā)明的效果和優(yōu)點是，基于該復用/解復用方法的天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)，使用較少的光纖芯數(shù)，即可實現(xiàn)全無源的天然氣管道泄漏檢測，具有靈敏度高、傳感器無需供電、本質(zhì)防暴、定位準確、節(jié)省光纖資源的優(yōu)點，可為天然氣管道泄漏監(jiān)測提供有效的監(jiān)測手段。


圖1天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)圖2天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)3邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)示意4天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)的光源系統(tǒng)原理5天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)的光源調(diào)制電路6天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)振動波解調(diào)原理框7光路適配器結(jié)構(gòu)和傳輸光路8信號采集與處理模塊原理框9信號采集與處理模塊中信號調(diào)理電路圖
具體實施方式
結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。實施例.本例是針對天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)傳感器所設計的實施例，故需在該監(jiān)測系統(tǒng)實施例的基礎(chǔ)上進行。該監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，在管道本體上每隔1. 5km安裝一個光纖傳感器，共計安裝10個傳感器，前5個傳感器和后5個傳感器分別構(gòu)成一個傳感器組，各光纖傳感器組共用一根發(fā)射光纖與光源連接，每個光纖傳感器組使用一根回傳光纖與光電探測器連接；光電探測器輸出接包括泄漏信號識別和事件定位功能的信號采集與處理模塊，所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理、信號采集、處理單元、終端顯示和外部接口 ；光電探測器輸出的信號依次串接信號調(diào)理、信號采集和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口。信號采集與處理模塊輸出接微機。經(jīng)信號采集與處理模塊的處理，基于頻分復用方式混合的傳感器組信號實現(xiàn)了傳感器組內(nèi)各傳感器的解復用，獲得原始泄漏振動波信號。該系統(tǒng)光路(見圖2)是基于頻分復用原理而設計，每個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；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。其中各光器件間的具體聯(lián)系如圖7所示，光源發(fā)出的探測光經(jīng)過傳輸光纖15進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)沿延時光纖4傳播，直至光路適配器2，而輸出比例為I的輸出光進入第一個傳感器21，傳感器21采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，臂差為5m，將該干涉儀一個臂上3m長光纖繞制在橡膠材料的彈性體上，彈性體緊貼管道壁，采用防護罩固定；光路適配器2中的分束器12采用8 I的分光比，其中比例為8的輸出光繼續(xù)沿延時光纖傳播至下一個光路適配器，而輸出比例為I的輸出光進入第二個傳感器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,將一個臂上3m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，到最后一個傳感器時，激光經(jīng)延時光纖后直接進入傳感器；第一個傳感器組內(nèi)的傳感器21-24的輸出分別與前四個適配器內(nèi)的合束器與一根回傳光纖連接，4個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I的輸入端連接，傳感器25輸出連接回傳光纖，然后再連接第四個適配器內(nèi)的合束器；類似地，第二個傳感器組內(nèi)的五個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 I ;兩個傳感器組共使用兩個回傳光纖分別與光電轉(zhuǎn)換模塊的兩個轉(zhuǎn)換通道連接；每個傳感器之間的距離精確測定，根據(jù)光傳播時間控制光源輸出；當?shù)谝粋€傳感器與第二個傳感器之間的管道發(fā)生泄漏時，泄漏引發(fā)的振動波沿管道傳播經(jīng)過一定的時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的時間差并結(jié)合振動波在管道中的傳播速度可以實現(xiàn)泄漏點的定位。本實施例中系統(tǒng)光源由光頻可調(diào)的激光器和專用調(diào)制信號發(fā)生模塊構(gòu)成；光源所加調(diào)制信號為頻率10kHz、幅度±1. 4V的鋸齒波信號，第一個傳感器組輸出的干涉信號頻譜主要由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進行濾波，得到五個傳感器的載波信號，對應的主頻率分別為40kHZ、60kHZ、80kHZ、100kHZ、120kHz ;對五個載波信號使用同頻的余弦和正弦信號進行解調(diào)，獲得五個傳感器的泄漏振動波信號。其中光源調(diào)制電路如圖5所示，它主要由運算放大器U7、DFB激光器U8、運算放大器U9和2個三極管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TOne，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I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R24接VREF，7端經(jīng)電阻R28與8端經(jīng)電阻R26共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管D11、D12至Q4的基極，同時基極接電容C44到地，同時經(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；信號采集與處理模塊的構(gòu)成見圖8，它包括信號調(diào)理、信號采集、處理單元、終端顯示和外部接口 ；接光電探測器輸出的信號依次串接信號調(diào)理器、信號采集和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口 ；調(diào)理電路如圖9所示，其中運算放大器U14選AD8572 ;光電二級管 U15 選 0PA380AID。本例經(jīng)多次試驗，采用光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用方法和系統(tǒng)，以少的投入同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對沿管道傳播的任何擾動行為的監(jiān)測，經(jīng)過對信號分析處理以及智能識別能夠?qū)崿F(xiàn)對泄漏事件報警并給出泄漏點位置，系統(tǒng)靈敏度高，通過對泄漏的智能識別極大程度上降低了偶發(fā)事件導致的系統(tǒng)虛警率。
權(quán)利要求
1.一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)，其特征是它包括光路復用結(jié)構(gòu)的光路系統(tǒng)和電路兩部分，光路系統(tǒng)包括光源和光路；在管道本體上每隔一定距離安裝一個光纖傳感器，每個傳感器通過分束器與發(fā)射光纖連接，發(fā)射光纖與激光器連接；多個光纖傳感器構(gòu)成一個光纖傳感器組，組內(nèi)每個傳感器通過合束器與一根回傳光纖連接，每個傳感器組使用一根回傳光纖傳回光電探測器；光電探測器輸出接包括泄漏信號識別和事件定位功能的信號采集與處理模塊，信號采集與處理模塊輸出接微機； 經(jīng)信號采集與處理模塊的處理，基于頻分復用方式混合的傳感信號實現(xiàn)了傳感器組內(nèi)各傳感器信號的解復用和解調(diào)，獲得原始泄漏振動波信號；再由信號采集與處理模塊進行泄漏信號的識別與分析，最終依據(jù)泄漏信號的時延估計實現(xiàn)泄漏點的定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)，其特征是所述光路系統(tǒng)具體是激光器發(fā)出的探測激光輸入傳輸光纜中的發(fā)射光纖進入傳感單元組后到達第一個光路適配器，由該光路適配器的光分束器分為兩束激光一束經(jīng)輸入光纖進入第一個光纖傳感單元，另一束光經(jīng)發(fā)射光纖傳到下一個光路適配器，再由下一個光路適配器中的光分束器分為兩束激光，一束進入第二個光纖傳感單元，另一束再經(jīng)發(fā)射光纖傳輸?shù)较乱粋€光路適配器，以此類推，直到激光到達最后一個光纖傳感單元，到達最后一個傳感單元時，無需光分束器，直接進入光纖傳感單元；每2-10個相鄰的光纖傳感器分為一組，組內(nèi)各光纖傳感器的干涉信號通過各自光路適配器內(nèi)的光合束器接入回傳光纖，與后面?zhèn)鬟^來的光信號合束，通過傳輸光路中的回傳光纖傳回到系統(tǒng)光電探測器； 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光纖；傳輸光纜將所有光路適配器串聯(lián)起來；管道上相鄰的兩個傳感單元之間的發(fā)射光纖和回傳光纖的長度之和均要大于激光器相干長度的1/2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)，其特征是所述光源是一種包括適合復用和調(diào)制解調(diào)的專用光源系統(tǒng)，由光頻可調(diào)的激光器和專用調(diào)制信號發(fā)生模塊構(gòu)成；調(diào)制信號發(fā)生模塊中的D/A輸出接激光器調(diào)制出入；調(diào)制信號發(fā)生模塊輸出的調(diào)制信號具有頻率調(diào)節(jié)、幅度調(diào)節(jié)和鋸齒波/倒鋸齒波選擇輸入功能；調(diào)制信號作用在激光器，輸出光頻隨調(diào)制信號波形同步變化的激光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)，其特征是所述信號采集和處理模塊包括信號調(diào)理、信號采集、處理單元、終端顯示和外部接口 ；接光電探測器輸出的信號調(diào)理輸出依次串接信號采集和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口； 信號采集和處理模塊通過帶通濾波方法，將傳感器組內(nèi)各邁克耳遜干涉儀的干涉信號從傳感器組信號中分離出來，實現(xiàn)解復用；濾波器中心頻率為該傳感器干涉信號主頻率，帶寬為鋸齒波頻率，從傳感器組干涉信號中將各傳感器的載波信號分離出來，分理出來的載波信號為近似單頻余弦信號，使用相位載波調(diào)制解調(diào)方法解調(diào)出原始泄漏聲波信號，計算相鄰兩個傳感器檢測到的泄漏聲波信號的時延差，結(jié)合泄漏聲波在管道上的傳播速度，即可獲得泄漏位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)，其特征是所述各傳感器的兩個干涉臂不等長，存在一個臂長差，且傳感器組內(nèi)的各傳感器的臂長不等長；所述傳感器組的數(shù)量至少為I個，各傳感器組均由若干個邁克耳遜干涉儀或馬赫曾德干涉儀傳感器構(gòu)成，各傳感器安裝在管道外壁上，相鄰兩個傳感器的間距為50m-2km，每2-10個傳感器構(gòu)成一個傳感器組。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)，其特征是所述調(diào)制信號發(fā)生模塊采用數(shù)字調(diào)制電路，調(diào)制信號發(fā)生模塊輸出的鋸齒波或倒鋸齒波信號要求幅度最大為±5V，頻率最大為200KHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)，其特征是調(diào)制信號發(fā)生模塊的光源調(diào)制電路主要由運算放大器U7、DFB激光器U8、運算放大器U9和2個三極管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TOne，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I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R24接VREF，7端經(jīng)電阻R28與8端經(jīng)電阻R26共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管D11、D12至Q4的基極，同時基極接電容C44到地，同時經(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。
全文摘要
本發(fā)明是一種天然氣管道泄漏光纖監(jiān)測傳感器的復用/解復用系統(tǒng)。它包括光路復用結(jié)構(gòu)的光路系統(tǒng)和電路兩部分，光路系統(tǒng)包括光源和光路；在管道本體上每隔一定距離安裝一個光纖傳感器，每個傳感器通過分束器與發(fā)射光纖連接，發(fā)射光纖與激光器連接；多個光纖傳感器構(gòu)成一個光纖傳感器組，組內(nèi)每個傳感器通過合束器與一根回傳光纖連接，每個傳感器組使用一根回傳光纖傳回光電探測器；光電探測器輸出接包括泄漏信號識別和事件定位功能的信號采集與處理模塊，信號采集與處理模塊輸出接微機。它節(jié)省投入、靈敏度和準確度高、虛警率低、不易受環(huán)境因素影響。
文檔編號F17D5/02GK102997047SQ201110271929
公開日2013年3月27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)明者張金權(quán), 王小軍, 王歷軍, 王飛, 趙鋒, 張俊揚, 謝侃, 沈冰, 索娜, 于震紅 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣管道局