專利名稱：一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(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(zhǎng)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。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(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。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)展國外如美國CSI、ATM0SI、歐洲TER等公司開展了 SCADA泄漏監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，部分產(chǎn)品在國內(nèi)也申請(qǐng)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(duì)管道的泄漏監(jiān)測(cè)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(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。專利CN200620119429、CN200610113044. 0均為基于 Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監(jiān)測(cè)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(cè)裝置及方法?！秱鞲衅髋c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(cè)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(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，包括類型識(shí)別和振動(dòng)源定位，其中類型識(shí)別為通過對(duì)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。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(cè)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(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。但該類技術(shù)監(jiān)測(cè)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。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(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檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(tǒng)。鑒于上述幾類泄漏檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的靈敏度低、虛警率高、易受環(huán)境因素影響等問題，本實(shí)用新型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)方法和系統(tǒng)，采用高靈敏度傳感器使得可以在當(dāng)管道發(fā)生微漏、滲漏等泄漏初級(jí)階段時(shí)被及時(shí)監(jiān)測(cè)至IJ，并結(jié)合泄漏事件的時(shí)域、頻域特征有效降低了干擾引發(fā)的系統(tǒng)虛警率，該技術(shù)方案克服了此前監(jiān)測(cè)技術(shù)中的準(zhǔn)確性差和安裝工藝復(fù)雜的不足，使得相關(guān)維護(hù)人員能夠及時(shí)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，管道泄露光纖傳感器安裝在管道上，形成可監(jiān)測(cè)管道聲震動(dòng)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。管道泄漏后會(huì)產(chǎn)生各頻段的聲波，波長(zhǎng)比較短的超聲波在距離聲源不太遠(yuǎn)的位置就逐漸被介質(zhì)吸收了，而且波長(zhǎng)越短，吸收衰減的也越快，只有低頻聲波和次聲波傳播的距離較遠(yuǎn)，能傳播幾千米至幾十千米。目前采用在較長(zhǎng)管道兩端安裝次聲波傳感器的系統(tǒng)由于可用信號(hào)頻段較窄，對(duì)泄漏信號(hào)的定位準(zhǔn)確性效果還不夠。天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落方法是在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)的傳感器，由若干個(gè)邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)的傳感器通過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；邁克耳遜干涉儀的兩臂不等長(zhǎng)，每個(gè)邁克耳遜干涉儀使用兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡，旋轉(zhuǎn)角度為45度，使反射光的偏振態(tài)變化正好抵消入射光的偏振態(tài)變化，從而使干涉儀的可視度保持為最大。采用光纖邁克耳遜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)換后可以寫成V0 1+νοο8(Φ3+Φη+Φ0)+νη(1)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(cè)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(duì)該信號(hào)到達(dá)相應(yīng)的傳感器的時(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ν實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)波源即泄漏點(diǎn)位置的確定。實(shí)際上，邁克耳遜干涉儀光纖中與兩偏振模相應(yīng)的折射率ηχ和ny不相等，同時(shí)由于光纖的微彎、扭曲、環(huán)境溫度的變化使nx和ny隨機(jī)變化，導(dǎo)致光纖輸出偏振態(tài)隨機(jī)變化， 反映在干涉信號(hào)可視度V在0 1之間隨機(jī)變化，此現(xiàn)象即干涉儀的偏振誘導(dǎo)信號(hào)衰落現(xiàn)象。此現(xiàn)象將導(dǎo)致傳感器檢測(cè)靈敏度和信噪比的降低和不穩(wěn)定，為消除偏振衰落，采用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡法，即在普通邁克耳遜干涉儀的兩個(gè)反射鏡前各加一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，旋轉(zhuǎn)角度為45度，使反射光的偏振態(tài)變化正好抵消入射光的偏振態(tài)變化，從而使干涉儀的可視度保持為1。式(1)中，由于低頻干擾Φη隨機(jī)變化，且幅度大，受Φη變化影響，系統(tǒng)輸出的信噪比在變化，且當(dāng)8 Φη = 0時(shí)，信號(hào)完全消隱，此即稱為干涉儀的相位衰落現(xiàn)象。為了消除偏振衰落現(xiàn)象，采用相位載波技術(shù)來檢測(cè)泄漏聲波信號(hào)。具體如下制作邁克耳遜干涉儀時(shí)，使干涉儀兩臂不等長(zhǎng)，兩臂長(zhǎng)差為AL;將鋸齒波信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，頻率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 ’傳感器組輸出的干涉信號(hào)為若干個(gè)近似單頻信號(hào)的線性疊加，其頻譜為若干個(gè)離散的譜線， 譜線幅度穩(wěn)定不變；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)，使用與載波信號(hào)主頻率相同的余弦和正弦信號(hào)解調(diào)，可消除信號(hào)的相位衰落問題，獲得原始泄漏聲波信號(hào)。本天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(tǒng)的構(gòu)成見圖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，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)器輸出接信號(hào)采集與處理模塊，信號(hào)采集與處理模塊輸出通過外部接口接微機(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)。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，作為泄漏聲波檢測(cè)傳感器的邁克耳遜干涉儀在制作時(shí)，使干涉儀兩臂不等長(zhǎng)，兩臂長(zhǎng)差為△ L ；由一個(gè)2 X 2耦合器和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角度為45度的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成；[0029]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 ；處理單元包括泄漏信號(hào)識(shí)別電路和事件定位電路。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(見圖4)，有頻率調(diào)節(jié)、 幅度調(diào)節(jié)和鋸齒波/倒鋸齒波選擇輸入的調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊的D/A輸出接激光器的輸入； 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。當(dāng)光頻按鋸齒波或倒鋸齒波規(guī)律變化的激光注入后，每個(gè)干涉儀輸出的干涉信號(hào)載波為近似單頻的余弦信號(hào)，此干涉信號(hào)作為泄漏聲波信號(hào)的載波信號(hào)，干涉儀的臂長(zhǎng)差不同，對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)載波頻率也將不同，通過濾波方法可以將不同干涉儀的載波信號(hào)分開。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)出的激光通過與管道同溝敷設(shè)光纜內(nèi)的一根光纖傳輸(稱為發(fā)射光纖)，激光到達(dá)每個(gè)傳感器附近時(shí)，通過光分束器分為兩束，一束激光注入傳感器輸入端，另一束激光通過發(fā)射光纖傳到下一個(gè)傳感器，以此類推；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，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；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)之間沒有串?dāng)_，可通過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 ；其中信號(hào)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ADJQNI，1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)。本實(shí)用新型基于法拉第旋轉(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，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。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器通過光復(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，管道泄漏光纖傳感器均勻布設(shè)在管道沿線，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)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。本實(shí)用新型克服了導(dǎo)致邁克耳遜干涉儀傳感器檢測(cè)靈敏度和信噪比降低和不穩(wěn)定的干涉儀偏振誘導(dǎo)信號(hào)衰落現(xiàn)象，使基于光纖傳感的天然氣管道泄漏檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度提高、虛警率降低且不易受環(huán)境因素影響。

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[0049]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
結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。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，信噪比基本不變；而將上述使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的邁克耳遜干涉儀更換為普通邁克耳遜干涉儀獲馬赫-曾德干涉儀，即使只在發(fā)射光纖和回傳光纖之間連接1個(gè)或2個(gè)干涉儀，傳感器組和濾波后的傳感器信號(hào)幅度也都變得不穩(wěn)定。所述光源是一種調(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(hào)發(fā)生模塊構(gòu)成(見圖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)配置選擇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)傳感器的復(fù)用、形成多個(gè)傳感器的信號(hào)載波；[0062]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，1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。本天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落方法是使用專用調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊和具有光頻調(diào)制的激光器構(gòu)成光源，由2 耦合器和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)建邁克爾遜結(jié)構(gòu)的泄漏聲波傳感器；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)該結(jié)構(gòu)的傳感器，相鄰的若干個(gè)傳感器作為一個(gè)傳感器組；各傳感器通過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，所有傳感器組的傳感器均接入到同一根發(fā)射光纖，而不同傳感器組單獨(dú)使用一根回傳光纖；邁克耳遜干涉儀傳感器的兩臂不等長(zhǎng)，每個(gè)傳感器使用兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡，旋轉(zhuǎn)角度為45度，使反射光的偏振態(tài)變化正好抵消入射光的偏振態(tài)變化，從而使傳感器及傳感器組信號(hào)的可視度保持為最大。本例經(jīng)多次試驗(yàn)，證明了本實(shí)用新型中針對(duì)傳感器組和組內(nèi)傳感器的抗偏振衰落技術(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)傳感器組的抗偏振衰落系統(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，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)器輸出接信號(hào)采集與處理模塊，信號(hào)采集與處理模塊輸出通過外部接口接微機(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)傳感器組的抗偏振衰落系統(tǒng)，其特征是所述傳感器采用光纖邁克耳遜結(jié)構(gòu)的干涉儀，干涉儀兩臂不等長(zhǎng)，兩臂長(zhǎng)差為AL ；傳感器組內(nèi)各邁克爾遜干涉儀的臂長(zhǎng)差均不相同，不同傳感器組內(nèi)的邁克爾遜干涉儀的臂長(zhǎng)差相同；光纖邁克耳遜干涉儀由一個(gè)拆2耦合器和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角度為45度的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(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 ；處理單元包括泄漏信號(hào)識(shí)別電路和事件定位電路。
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)傳感器組的抗偏振衰落系統(tǒng)，其特征是所述光源由光頻可調(diào)的激光器和專用調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊構(gòu)成；有頻率調(diào)節(jié)、幅度調(diào)節(jié)和鋸齒波/倒鋸齒波選擇輸入的調(diào)制信號(hào)發(fā)生模塊的D/A輸出接激光器的輸入；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，傳感器組輸出的干涉信號(hào)為幅度穩(wěn)定的多個(gè)近似單頻余弦信號(hào)的疊加。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(tǒng)，其特征是專用調(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R26 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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(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)出的激光通過與管道同溝敷設(shè)光纜內(nèi)的一根稱為發(fā)射光纖的光纖傳輸，激光到達(dá)每個(gè)傳感器附近時(shí)，通過光分束器分為兩束，一束激光注入傳感器輸入端，另一束激光通過發(fā)射光纖傳到下一個(gè)傳感器，以此類推；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，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，整個(gè)傳感光路只有一根發(fā)射光纖，回傳光纖數(shù)量與傳感器組數(shù)量相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(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、顯示終端和外部接口 ；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。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(tǒng)，其特征是所述信號(hào)調(diào)理單元電路主要由運(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，1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)。
專利摘要本實(shí)用新型是一種天然氣管道泄漏檢測(cè)傳感器組的抗偏振衰落系統(tǒng)。在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感器，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)器輸出接信號(hào)采集與處理模塊，信號(hào)采集與處理模塊輸出通過外部接口接微機(jī)。傳感器的兩臂不等長(zhǎng)，每個(gè)傳感器使用兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡，旋轉(zhuǎn)角度為45度，使反射光的偏振態(tài)變化正好抵消入射光的偏振態(tài)變化，從而使傳感器及傳感器組信號(hào)的可視度保持為最大。本實(shí)用新型克服了干涉儀偏振誘導(dǎo)信號(hào)衰落現(xiàn)象，使泄漏檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度提高、虛警率降低且不易受環(huán)境因素影響。
文檔編號(hào)F17D5/02GK202252867SQ20112034487
公開日2012年5月30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)明者任培奎, 侯志相, 吳志平, 張金權(quán), 李剛, 楊文明, 王贏, 趙鋒, 郭戈, 高杰 申請(qǐng)人:中國石油天然氣管道局, 中國石油天然氣集團(tuán)公司