專(zhuān)利名稱(chēng)：一種天然氣管道泄漏光纖檢測(cè)系統(tǒng)的抗相位衰落系統(tǒng)的制作方法
一種天然氣管道泄漏光纖檢測(cè)系統(tǒng)的抗相位衰落系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明是一種天然氣管道泄漏光纖檢測(cè)系統(tǒng)的抗相位衰落系統(tǒng)。涉及機(jī)械振動(dòng)的 測(cè)量、沖擊的測(cè)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(zhǎng)達(dá)到250萬(wàn)公里，已經(jīng)超過(guò)鐵路總里程成為世界能 源主要運(yùn)輸方式，發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)管道在近年 也得到了較快發(fā)展，總長(zhǎng)也超過(guò)7萬(wàn)公里，已初步形成橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、覆蓋全國(guó)、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。
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(guó)外管道安全情況也非常不容樂(lè)觀(guān)，美國(guó)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(zhǎng)51米、寬9米的大坑。一段長(zhǎng)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(guò)火面積4公頃，數(shù)十樁房屋被燒毀。近年來(lái)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(wèn)題也得到越來(lái)越多的重視。
目前成熟的技術(shù)中對(duì)于天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)只有聲波監(jiān)測(cè)法較為有效，但為了提 高對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性，必須在管線(xiàn)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。
隨著傳感技術(shù)的發(fā)展國(guó)外如美國(guó)CS1、ATM0S1、歐洲TER等公司開(kāi)展了 SCADA泄漏 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，Sensornet公司也開(kāi)發(fā)了基于分布式光纖溫度傳感器的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，部分 產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)也申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)；國(guó)內(nèi)天津大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院等 單位也對(duì)管道的泄漏監(jiān)測(cè)方法做了深入研究。
專(zhuān)利CN200410020046. 6公開(kāi)了一種基于干涉原理的分布式光纖油氣管道泄漏監(jiān) 測(cè)方法及監(jiān)測(cè)裝置。該監(jiān)測(cè)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(zhuān)利CN200620119429、CN200610113044. O均為基于 Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監(jiān)測(cè)裝置，專(zhuān)利CN200610072879. 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(cè)裝置及方法。
《傳感器與微系統(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(cè)方法”公開(kāi)了一種基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄漏檢測(cè)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(cè)沿管道本體傳播的振動(dòng)波信號(hào)，對(duì) 采集的振動(dòng)波信號(hào)進(jìn)行分析處理，包括類(lèi)型識(shí)別和振動(dòng)源定位，其中類(lèi)型識(shí)別為通過(guò)對(duì)振 動(dòng)波特征的提取分析判別其是否屬于泄漏類(lèi)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。
CN1837674A公開(kāi)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(cè)裝置及方法。
US2006/0225507A1公開(kāi)了一種基于分布式光纖傳感器的管道泄漏檢測(cè)裝置及方法。
上述技術(shù)均屬于分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)方法。但該類(lèi)技術(shù)監(jiān)測(cè)泄漏時(shí)受到管道周?chē)l(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。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種能有效地消除相位衰落引起的靈敏度和信噪比不穩(wěn)定現(xiàn)象、實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏信號(hào)的可靠檢測(cè)的天然氣管道泄漏光纖檢測(cè)系統(tǒng)的抗相位衰落系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖傳感的高靈敏度準(zhǔn)分布式泄漏振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 使得可以在管道發(fā)生微漏、滲漏等泄漏初級(jí)階段時(shí)，可以被及時(shí)監(jiān)測(cè)到并產(chǎn)生報(bào)警，使得相關(guān)維護(hù)人員采取應(yīng)對(duì)措施，避免造成更大的安全事件。
具有較高泄漏振動(dòng)傳感靈敏度的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)增加干涉儀兩傳感臂的長(zhǎng)度和空間距離從而實(shí)現(xiàn)了干涉儀對(duì)振動(dòng)信號(hào)的感應(yīng)靈敏度的提高，在對(duì)環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)干擾的抑制方面采用了泄漏信號(hào)的智能識(shí)別技術(shù)，有效區(qū)分了隨機(jī)偶發(fā)振動(dòng)和突發(fā)性、持續(xù)性泄漏信號(hào)，并且結(jié)合相鄰的多個(gè)傳感器同時(shí)獲取的泄漏信號(hào)時(shí)延，更加準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了泄漏點(diǎn)的定位。
利用與油氣管道同溝敷設(shè)的普通通信光纜中的光纖作為發(fā)射和回傳光纖，將管道泄露光纖傳感器通過(guò)光復(fù)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，管道泄露光纖傳感器安裝在管道上，形成可監(jiān)測(cè)管道泄露聲波的光纖傳感系統(tǒng)。利 用光源對(duì)各個(gè)管道泄露光纖傳感器掃描，根據(jù)管道泄露光纖傳感器的分布情況對(duì)采集的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)解調(diào)、提取，實(shí)現(xiàn)各個(gè)管道泄露光纖傳感器的振動(dòng)信息獲取，檢測(cè)分析管道泄露光纖傳感器信號(hào)判斷是否有管道泄露事件發(fā)生，依據(jù)相鄰的管道泄露光纖傳感器檢測(cè)到信號(hào)的到達(dá)時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)對(duì)泄露點(diǎn)的定位。
天然氣管道泄漏光纖檢測(cè)系統(tǒng)的抗相位衰落方法是在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的傳感器，由若干個(gè)傳感器通過(guò)光分束器和合束器并聯(lián)接在發(fā)射光纖和回傳光纖之間；基于鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制的激光器作為光源，以及不等臂長(zhǎng)的邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為傳感器，在干涉儀信號(hào)中產(chǎn)生近似單頻的余弦信號(hào)載波，使用與載波信號(hào)同頻的余弦和正弦信號(hào)對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到原始泄漏聲波信號(hào)。
采用光纖邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為泄漏聲波檢測(cè)傳感器，其輸出的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可以寫(xiě)成
V0 1+Vcos ( φ s+ φ η+ φ 0) +Vn (I)
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，Φ3為由水聲波引起的相差信號(hào)，即為要探測(cè)的泄漏聲波信號(hào)，Φο為干涉儀的初始相位，是個(gè)常量，Φ 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。
式(I)中，由于低頻干擾(^隨機(jī)變化，且幅度大，受0 變化影響，系統(tǒng)輸出的信噪比在變化，且當(dāng)8 ιΦη = O時(shí)，信號(hào)完全消隱，此即稱(chēng)為干涉儀的相位衰落現(xiàn)象。
為了消除相位衰落現(xiàn)象，采用相位載波技術(shù)來(lái)檢測(cè)泄漏聲波信號(hào)。具體如下
制作邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀時(shí)，使干涉儀兩臂不等長(zhǎng)，兩臂長(zhǎng)差為AL；
將鋸齒波或倒鋸齒波信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，頻率至少為泄漏聲波頻帶寬度的兩倍， 作用到光頻可調(diào)的激光器，激光器輸出光頻按照鋸齒波調(diào)制信號(hào)同步變化的激光，輸入到邁克耳遜干涉儀，由于兩臂不等長(zhǎng)，通過(guò)兩臂的激光將產(chǎn)生時(shí)延差，從而參與干涉的兩束激光除了在鋸齒波下降沿處外，其他時(shí)刻的光頻差均為一個(gè)常數(shù)，因此，干涉儀輸出的干涉信號(hào)為一個(gè)近似單頻的余弦信號(hào)，角頻率Qci與干涉儀兩臂長(zhǎng)差A(yù)L成正比，AL越大，干涉信號(hào)頻率越高；
使用帶通濾波器對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行濾波，濾波器中心頻率為干涉信號(hào)中心頻率，帶寬與鋸齒波調(diào)制信號(hào)頻率相同；濾波之后即可獲得該干涉儀的載波信號(hào)，按照如下方法解調(diào)可消除信號(hào)的相位衰落問(wèn)題，獲得原始泄漏聲波信號(hào)。
傳感器載波信號(hào)的解調(diào)原理見(jiàn)圖6，干涉信號(hào)輸出接帶通濾波，帶通濾波輸出一路與(308((^1:)相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 Sin(Ocit)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(hào)。
本天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)的構(gòu)成見(jiàn)圖1，它包括光源、光路系統(tǒng)和電路部分；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感器，相鄰的多個(gè)光纖傳感器構(gòu)成一個(gè)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(gè)光纖傳感器組使用一根回傳光纖與光電探測(cè)器連接；光電探測(cè)器輸出接包括泄漏信號(hào)識(shí)別電路和事件定位電路的信號(hào)采集與處理模塊，信號(hào)采集與處理模塊輸出通過(guò)外部接口接微機(jī)。
由光源發(fā)出激光，經(jīng)傳輸光路實(shí)現(xiàn)分束后，部分光被傳輸?shù)桨惭b在管道壁上的光纖傳感器組，光纖傳感器組拾取沿管道傳播的泄漏振動(dòng)信號(hào)以及噪聲后，再次經(jīng)傳輸光路傳回至系統(tǒng)的光電探測(cè)器，由信號(hào)采集與處理模塊進(jìn)行泄漏信號(hào)解調(diào)與識(shí)別分析，并對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位。
所述光纖傳感器采用光纖邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀，干涉儀兩臂不等長(zhǎng)，兩臂長(zhǎng)差為AL;
所述信號(hào)采集與處理模塊包括信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元、處理單元、終端顯示和外部接口 ；光電探測(cè)器輸出依次串接信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元和處理單元；
所述光源采用光頻可調(diào)的激光器，使用調(diào)制信號(hào)模塊產(chǎn)生所需的鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號(hào)，施加到激光器上可輸出光頻按照調(diào)制信號(hào)波形規(guī)律變化的連續(xù)激光；
光源由光頻可調(diào)的激光器和專(zhuān)用調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊構(gòu)成(見(jiàn)圖4);調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊中產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)DA輸出，接激光器調(diào)制信號(hào)輸入端；調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊輸出信號(hào)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；
使用調(diào)制信號(hào)模塊產(chǎn)生所需的鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號(hào)，通過(guò)調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊中的D/A輸出，施加到激光器上可輸出光頻按照鋸齒波或倒鋸齒波規(guī)律變化的連續(xù)激光;
其中光源調(diào)制電路如圖5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(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(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(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；
所述光路系統(tǒng)是在管道上每隔一定距離安裝一個(gè)邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德 干涉儀作為管道泄漏聲波傳感器，同時(shí)激光器發(fā)出的激光通過(guò)與管道同溝敷設(shè)光纜內(nèi)的一 根光纖傳輸(稱(chēng)為發(fā)射光纖)，激光到達(dá)每個(gè)傳感器附近時(shí)，通過(guò)光分束器分為兩束，一束 激光注入傳感器輸入端，另一束激光通過(guò)發(fā)射光纖傳到下一個(gè)傳感器，以此類(lèi)推；每2-10 個(gè)相鄰的傳感器分為一組，組內(nèi)各傳感器的干涉信號(hào)通過(guò)光合束器接入回傳光纖，傳回到 設(shè)備接收端；管道上相鄰的兩個(gè)傳感器之間的發(fā)射光纖和回傳光纖的長(zhǎng)度均要大于激光器 相干長(zhǎng)度的1/2，長(zhǎng)度不足的用光纖補(bǔ)足，以防止傳感器之間發(fā)生信號(hào)串?dāng)_；
每個(gè)傳感器組使用一根回傳光纖，這樣整個(gè)傳感光路需要一根發(fā)射光纖，回傳光 纖數(shù)量與傳感器組數(shù)量相同；
由于每組內(nèi)的傳感器的臂長(zhǎng)差不同，相鄰傳感器之間的發(fā)射光纖、回傳光纖長(zhǎng)度 均大于激光器相干長(zhǎng)度的1/2，可保證組內(nèi)各傳感器輸出干涉信號(hào)的頻率各不相同，組內(nèi)傳 感器之間不發(fā)生干涉；
所述信號(hào)采集與處理模塊包括信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元、處理單元、終端顯示 和外部接口 ；光電探測(cè)器輸出的信號(hào)依次串接信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元和處理單元，處 理單元輸出有終端顯示和外部接口 ；其中信號(hào)處理單元主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，事件識(shí)別與定 位等功能。
光電轉(zhuǎn)換模塊將各傳感器組的干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，每個(gè)傳感器組對(duì)應(yīng)一個(gè) 獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換通道；
信號(hào)采集和處理模塊采集各傳感器組的干涉信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，由于組內(nèi)各干涉儀 信號(hào)載波頻率不同，且各干涉儀之間不發(fā)生干涉，也就是各干涉儀信號(hào)之間沒(méi)有串?dāng)_，可通 過(guò)帶通濾波的方法將組內(nèi)各傳感器的載波信號(hào)徹底分離；
帶通濾波獲得各傳感器的載波信號(hào)后，通過(guò)相位載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)，解調(diào)出原始 泄漏聲波信號(hào)；
分析相鄰兩個(gè)傳感器檢測(cè)到的泄漏聲波信號(hào)的時(shí)延差，結(jié)合聲波在管道中傳輸速 度，可實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的定位；
所述信號(hào)采集與處理模塊的構(gòu)成見(jiàn)圖8，它包括信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元、處 理單元、顯示終端和外部接口 ；其中調(diào)理單元電路如圖9所示，它主要由運(yùn)算放大器U14、光 電二級(jí)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_0UT 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)。
其中傳感器載波信號(hào)的解調(diào)原理框圖見(jiàn)圖6，干涉信號(hào)輸出接帶通濾波，帶通濾波輸出一路與(308((^1:)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Sin(COcit)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(hào)。
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發(fā)射和回傳光纖，將管道泄漏光纖傳感器通過(guò)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，管道泄漏光纖傳感器均勻布設(shè)在管道沿線(xiàn)，形成可監(jiān)測(cè)管道泄漏振動(dòng)的光纖傳感系統(tǒng)。利用光源對(duì)各個(gè)管道泄漏光纖傳感器掃描，基于法拉第旋轉(zhuǎn)鏡法，實(shí)現(xiàn)傳感器組及組內(nèi)各傳感器的干涉信號(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)換模塊將各傳感器組的干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，每個(gè)傳感器組對(duì)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器組的干涉信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，并可通過(guò)帶通濾波的方法將組內(nèi)各傳感器的載波信號(hào)徹底分離，通過(guò)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)傳感器檢測(cè)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)用多傳感器復(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(cè)效果的前提下，降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本。
本發(fā)明基于鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制的激光器作為光源，以及不等臂長(zhǎng)的邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為傳感器，在干涉儀信號(hào)中產(chǎn)生近似單頻的余弦信號(hào)載波， 使用與載波信號(hào)同頻的余弦和正弦信號(hào)對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到原始泄漏聲波信號(hào)，可以有效地消除相位衰落引起的靈敏度和信噪比不穩(wěn)定的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏信號(hào)的可靠檢測(cè)。



圖1光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
圖2天然氣管道泄漏檢測(cè)的傳感光路連接示意圖
圖3邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖
圖4光頻可調(diào)型光源的調(diào)制原理圖
圖5光源調(diào)制電路圖
圖6泄漏振動(dòng)波解調(diào)原理框圖
圖7光路適配器結(jié)構(gòu)和傳輸光路圖
圖8信號(hào)采集與處理模塊結(jié)構(gòu)圖
圖9信號(hào)采集與處理模塊中信號(hào)調(diào)理單元電路圖
其中1，1_1，· . .，l-n-光分束器 2，2-1，. . .，2_n-光纖傳感器 3，3-1，...， 3-n-光合束器 4，5，6，7，8，9-延時(shí)光纖具體實(shí)施方式
實(shí)施例本例的構(gòu)成如圖1和圖2所示，它包括光源、光路系統(tǒng)和電路部分；在管道本體上每隔1. 5km安裝一個(gè)光纖傳感器，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，各光纖傳感器組共用一根發(fā)射光纖與光源連接，每個(gè)光纖傳感器組使用一根回傳光纖與光電探測(cè)器連接；光電探測(cè)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)理單元、信號(hào)采集單元、處理單元、終端顯示和外部接口 ；光電探測(cè)器輸出的信號(hào)依次串接信號(hào)調(diào)理單元、 信號(hào)采集單元和處理單元，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通過(guò)外部接口接微機(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)。
傳感器采用邁克耳遜結(jié)構(gòu)的干涉儀，每個(gè)干涉儀使用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角度為45度的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡。本實(shí)施例制作了 10個(gè)邁克耳遜干涉儀傳感器，分為兩組，每組5 個(gè)傳感器，臂長(zhǎng)差分別為5m,7. 5m、10m、12. 5m、15m ；
將兩組傳感器按照?qǐng)D2并聯(lián)接在發(fā)射光纖和回傳光纖之間，兩個(gè)傳感器組共用一根發(fā)射光纖，各獨(dú)立使用一根回傳光纖；
從發(fā)射光纖注入光頻隨鋸齒波變化的激光，從回傳光纖用光電轉(zhuǎn)換模塊接收傳感器組干涉信號(hào)，使用帶通濾波器對(duì)干涉信號(hào)濾波，獲得各傳感器的載波信號(hào)。通過(guò)試驗(yàn)可知，傳感器組和濾波后的傳感器載波信號(hào)幅度穩(wěn)定不變，解調(diào)后的傳感器信號(hào)穩(wěn)定，信噪比聞且保持穩(wěn)定。
所述光源是一種調(diào)制解調(diào)的專(zhuān)用光源系統(tǒng)，由光頻可調(diào)的激光器和專(zhuān)用調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊構(gòu)成(見(jiàn)圖4);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(guò)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(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換Φ/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(guò)參數(shù)配置選擇鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號(hào)類(lèi)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±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)傳感器的復(fù)用、形成多個(gè)傳感器的信號(hào)載波；
其中光源調(diào)制電路如圖5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TOne，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(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(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；
所述信號(hào)采集與處理模塊的構(gòu)成見(jiàn)圖8，它包括信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元、處理單元、顯示終端和外部接口 ；其中調(diào)理單元電路如圖9所示，它主要由運(yùn)算放大器U14、光電二級(jí)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_0UT 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)；其中運(yùn)算放大器U14選AD8572，光電二級(jí)管U15選0PA380AID。
本例光源采用光頻可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器作為光源，所加調(diào)制信號(hào)為頻率10kHz、 幅度±1. 4V的鋸齒波信號(hào)，加到激光器上；傳感光路使用兩組邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)的傳感 器并聯(lián)接在發(fā)射光纖和回傳光纖之間，傳感器組輸出的干涉信號(hào)頻譜主要由40kHz、60kHz、 80kHz、IOOkHz、120kHz五條譜線(xiàn)構(gòu)成；使用上述五個(gè)頻率為中心頻率、帶寬均為IOkHz的 帶通濾波器對(duì)傳感器組信號(hào)進(jìn)行濾波，得到各傳感器的載波信號(hào)，對(duì)應(yīng)的主頻率分別為 40kHz、60kHz、80kHz、IOOkHz、120kHz ;對(duì)各載波信號(hào)分別使用同頻的余弦和正弦信號(hào)進(jìn)行 解調(diào)，獲得各傳感器對(duì)應(yīng)的的原始模擬泄漏聲波信號(hào)；在每個(gè)傳感器的一個(gè)臂上串聯(lián)一個(gè) PZT相位調(diào)制器，施加幅度為O. 5V、頻率為2kHz的余弦信號(hào)作為模擬泄漏聲波信號(hào)，通過(guò) 上述方法解調(diào)出的信號(hào)為2kHz的余弦信號(hào)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，各傳感器解調(diào)的信號(hào)幅度穩(wěn) 定，說(shuō)明本發(fā)明的抗相位衰落方法有效，可以實(shí)現(xiàn)泄漏信號(hào)的穩(wěn)定檢測(cè)。
本例經(jīng)多次試驗(yàn)，證明了本發(fā)明中針對(duì)傳感器組和組內(nèi)傳感器的抗相位衰落技術(shù) 是有效的，大大提高了系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)的靈敏度和穩(wěn)定性，從而也提高了傳感器組內(nèi)傳感器 的復(fù)用數(shù)量，降低了復(fù)用成本。
權(quán)利要求
1.一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是它包括光源、光路系統(tǒng)和電路部分；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感器，相鄰的多個(gè)光纖傳感器構(gòu)成一個(gè)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(gè)光纖傳感器組使用一根回傳光纖與光電探測(cè)器連接；光電探測(cè)器輸出接包括泄漏信號(hào)識(shí)別電路和事件定位電路的信號(hào)采集與處理模塊，信號(hào)采集與處理模塊輸出通過(guò)外部接口接微機(jī)； 由光源發(fā)出激光，經(jīng)傳輸光路實(shí)現(xiàn)分束后，部分光被傳輸?shù)桨惭b在管道壁上的光纖傳感器組，光纖傳感器組拾取沿管道傳播的泄漏振動(dòng)信號(hào)以及噪聲后，再次經(jīng)傳輸光路傳回至系統(tǒng)的光電探測(cè)器，由信號(hào)采集與處理模塊進(jìn)行泄漏信號(hào)解調(diào)與識(shí)別分析，并對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)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檢測(cè)傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是所述光源由光頻可調(diào)的激光器和專(zhuān)用調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊構(gòu)成；調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊通過(guò)D/A輸出接激光器調(diào)制信號(hào)輸入端；調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊輸出信號(hào)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； 使用調(diào)制信號(hào)模塊產(chǎn)生所需的鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號(hào)，通過(guò)調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊中的D/A輸出施加到激光器上，輸出光頻按照鋸齒波或倒鋸齒波規(guī)律變化的連續(xù)激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊的光源調(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(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(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(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所述的一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是所述光路系統(tǒng)是在管道上每隔一定距離安裝一個(gè)邁克耳遜或馬赫-曾德結(jié)構(gòu)的干涉儀作為管道泄漏聲波傳感器，同時(shí)使用與管道同溝敷設(shè)光纜內(nèi)的一根稱(chēng)為發(fā)射光纖的光纖傳輸激光器發(fā)出的激光，激光到達(dá)每個(gè)傳感器附近時(shí)，通過(guò)光分束器分為兩束，一束激光注入傳感器輸入端，另一束激光通過(guò)發(fā)射光纖傳到下一個(gè)傳感器，以此類(lèi)推；管道上多個(gè)相鄰的傳感器分為一組，組內(nèi)各傳感器的干涉信號(hào)通過(guò)光合束器接入回傳光纖，傳回到設(shè)備接收端；管道上相鄰的兩個(gè)傳感器之間的發(fā)射光纖和回傳光纖的長(zhǎng)度均要大于激光器相干長(zhǎng)度的1/2 ； 每個(gè)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是所述信號(hào)采集與處理模塊包括信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元、處理單元、終端顯示和外部接口 ；光電探測(cè)器輸出依次串接信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是所述信號(hào)調(diào)理單元的電路主要由運(yùn)算放大器U14、光電二級(jí)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)。
全文摘要
本發(fā)明是一種天然氣管道泄漏光纖檢測(cè)系統(tǒng)的抗相位衰落系統(tǒng)。涉及機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量、沖擊的測(cè)量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。它包括光源、光路系統(tǒng)和電路部分；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感器，相鄰的多個(gè)光纖傳感器構(gòu)成一個(gè)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(gè)光纖傳感器組使用一根回傳光纖與光電探測(cè)器連接；光電探測(cè)器輸出接包括泄漏信號(hào)識(shí)別電路和事件定位電路的信號(hào)采集與處理模塊，信號(hào)采集與處理模塊輸出通過(guò)外部接口接微機(jī)。本發(fā)明能有效地消除相位衰落引起的靈敏度和信噪比不穩(wěn)定的問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏信號(hào)的可靠檢測(cè)。
文檔編號(hào)F17D5/02GK102997050SQ20111027199
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)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, 焦書(shū)浩, 侯志相, 王贏(yíng), 方德學(xué), 張俊楊, 程云濤, 于立成, 黃現(xiàn)玲 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司, 中國(guó)石油天然氣管道局