基于光纖光柵的油氣管線泄漏檢測(cè)方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種基于光纖光柵的油氣管線泄漏檢測(cè)方法及裝置，該方法是在管道上等間隔安裝一組以光纖光柵為基元的光纖傳感器，光信號(hào)經(jīng)等長(zhǎng)光纖傳遞至光電探測(cè)器，經(jīng)過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)而傳遞至中央計(jì)算機(jī)。等長(zhǎng)度光纖用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。中央計(jì)算機(jī)對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并利用互相關(guān)算法求出緊鄰泄漏點(diǎn)兩側(cè)的兩路信號(hào)的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)泄露位置的定位。本發(fā)明利用以光纖光柵為基元的傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電學(xué)傳感器，提高了安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)利用等長(zhǎng)光纖實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，避免了GPS授時(shí)的中間基站的引入，極大的簡(jiǎn)化了檢測(cè)系統(tǒng)組成，提高了檢測(cè)靈敏度。
【專利說明】基于光纖光柵的油氣管線泄漏檢測(cè)方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種油氣管線泄漏檢測(cè)方法及裝置。特別是基于以光纖光柵為基元的傳感器的泄露檢測(cè)和一種基于等長(zhǎng)光纖的時(shí)間同步解決方案。
【背景技術(shù)】
[0002]油氣管線是具有特種承壓并且有泄露爆炸危險(xiǎn)的油氣輸送設(shè)備，是能源輸送的大動(dòng)脈，一旦發(fā)生泄漏爆炸，必然將會(huì)造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞和巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。目前，油氣管道在泄露前的有效廉價(jià)的安全監(jiān)測(cè)手段仍是個(gè)世界難題。當(dāng)油氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，如果能及時(shí)準(zhǔn)確的定位出泄露的位置，就能夠把泄露帶來的各種損失降到最小。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)利用應(yīng)力波法、負(fù)壓力等方法進(jìn)行泄露檢測(cè)開展了大量研究，但由于各種測(cè)漏方法對(duì)檢測(cè)信號(hào)的處理尚存不足，使其應(yīng)用不夠理想。目前應(yīng)用最為廣泛的是基于聲表面波的泄露檢測(cè)系統(tǒng)，其多采用電學(xué)傳感器，傳統(tǒng)電學(xué)傳感器有著難以突破的局限性，如檢測(cè)速度慢，抗電磁干擾能力較差，靈敏度不夠高，尤其是在油氣管道這種易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)合有一定的局限性。
[0003]以光纖光柵為基元的傳感器相比傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器有諸多優(yōu)點(diǎn)，如高靈敏度，寬頻帶，動(dòng)態(tài)范圍大，可以根據(jù)實(shí)際需要做成各種形狀，并且便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，還可應(yīng)用于高壓、高溫、強(qiáng)電磁干擾以及易燃易爆等惡劣環(huán)境。
[0004]目前的檢測(cè)系統(tǒng)都是利用GPS授時(shí)儀實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)漏的，但GPS授時(shí)方案要求在管線附近布置基站，提高了系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)存在一定安全隱患，并且同步精度不是很好。利用光纖實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步可以避免基站的引入，并且達(dá)到非常高的同步精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的為解決現(xiàn)有電學(xué)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)存在檢測(cè)速度慢、抗電磁干擾能力較差、靈敏度不夠高，以及GPS授時(shí)儀同步授時(shí)要求在管線附近布置基站，而提高了系統(tǒng)復(fù)雜度，并存在一定安全隱患的問題，提出了一種基于以光纖光柵為基元的傳感器和以等長(zhǎng)光纖實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的油氣管線泄漏檢測(cè)方法及裝置。
[0006]本發(fā)明提供的檢測(cè)方法是通過等間隔安裝在管道的以光纖光柵為基元的光纖傳感器檢測(cè)管道中泄漏引起的沿管線表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌▉砼袛嘈孤⒏鶕?jù)聲表面波傳到鄰近兩端傳感器的時(shí)間差確定泄漏點(diǎn)位置。
[0007]本發(fā)明提供的基于光纖光柵的油氣管線泄漏檢測(cè)方法的具體步驟是:
第1、將一組以光纖光柵為基元的光纖傳感器采用懸梁結(jié)構(gòu)或貼片結(jié)構(gòu)經(jīng)過封裝后，等間隔分別直接與管道相連，用于接收因管內(nèi)流體噴射出時(shí)產(chǎn)生的聲表面波信號(hào)；
第2、將各光纖傳感器的另一端通過等長(zhǎng)光纖分別與對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器連接，由光電探測(cè)器分別將接收的聲表面波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；
第3、將各光電探測(cè)器通過電纜再分別與中央計(jì)算機(jī)連接，并將各光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)分別傳遞至中央計(jì)算機(jī)；
第4、由中央計(jì)算機(jī)計(jì)算緊鄰泄漏點(diǎn)兩側(cè)的光電探測(cè)器接收的兩路泄漏信號(hào)到達(dá)中心計(jì)算機(jī)的時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。
[0008]本發(fā)明的油氣管線泄漏檢測(cè)方法的原理為:
當(dāng)油氣管線發(fā)生泄漏時(shí)，管線內(nèi)外的壓力差瞬間變化，管內(nèi)流體噴射出時(shí)會(huì)引起管壁的震動(dòng)，產(chǎn)生聲表面波。實(shí)驗(yàn)研究表明，聲表面波只能在管線表面附近一個(gè)聲波長(zhǎng)的范圍內(nèi)傳播，其傳播方式為柱面波形式，在傳播過程中低頻成分衰減很小，可沿管線表面?zhèn)鞑ポ^遠(yuǎn)距離。聲表面波具有能量，當(dāng)其傳播到鄰近兩端的以光纖光柵為基元的傳感器上時(shí)，會(huì)引起光柵間隔的變化，從而引起光柵波長(zhǎng)波峰信號(hào)的漂移，光波信號(hào)經(jīng)等長(zhǎng)光纖傳播，在光電探測(cè)器處轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞至中央計(jì)算機(jī)。以光纖光柵為基元的傳感器與光電探測(cè)器之間用等長(zhǎng)的光纖連接，確保兩路信號(hào)傳遞到中央計(jì)算機(jī)的時(shí)間相同，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。經(jīng)過計(jì)算兩路泄漏信號(hào)到達(dá)中心計(jì)算機(jī)的時(shí)間差，便可以計(jì)算出泄漏的準(zhǔn)確位置。
[0009]本發(fā)明還提供了一種具有聞精度，聞靈敏度，防電磁干擾，耐腐蝕和防爆，聞穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種惡劣環(huán)境，能準(zhǔn)確對(duì)泄漏點(diǎn)位置進(jìn)行快速判斷的檢測(cè)裝置。
[0010]本發(fā)明提供的基于光纖光柵的油氣管線泄漏檢測(cè)裝置包括，一組以光纖光柵為基元的光纖傳感器，與光纖傳感器數(shù)量相同的等長(zhǎng)光纖和光電探測(cè)器，以及中央計(jì)算機(jī)；各光纖傳感器采用懸梁結(jié)構(gòu)或貼片結(jié)構(gòu)經(jīng)過封裝后，一端直接與管道等間隔相連，各光纖傳感器的另一端再分別與對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器用等長(zhǎng)光纖相連，各光電探測(cè)器通過電纜再分別與中央計(jì)算機(jī)連接。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
本發(fā)明采用光纖光柵傳感器，避免了傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器存在的安全隱患，并且可以達(dá)到防電磁輻射，防干擾的目的，適應(yīng)于各種惡劣環(huán)境；利用光纖實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步技術(shù)，避免了中間基站的引入，具有更聞的安全性和簡(jiǎn)潔度，并且提聞了同步精度。
[0012]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的油氣管線泄漏檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖。
[0014]圖2是實(shí)驗(yàn)室光纖光柵傳感器(Ia)的采樣數(shù)據(jù)圖。
[0015]圖3是實(shí)驗(yàn)室光纖光柵傳感器(Ib)的采樣數(shù)據(jù)圖。
[0016]圖4是數(shù)據(jù)互相關(guān)圖形。
[0017]la、Ib:以光纖光柵為基兀的光纖傳感器；2a、2b:等長(zhǎng)光纖；3a、3b:光電探測(cè)器；4:中心計(jì)算機(jī)。
[0018]
【具體實(shí)施方式】
[0019]為進(jìn)一步了解本
【發(fā)明內(nèi)容】
，特點(diǎn)以及功效，配合附圖1茲列舉實(shí)驗(yàn)室中的一段實(shí)驗(yàn)管道作為實(shí)例并詳細(xì)說明如下:
一、基于光纖光柵的油氣管線泄漏檢測(cè)裝置
如圖1所示，本發(fā)明提供的基于光纖光柵的油氣管線泄漏檢測(cè)裝置包括，一組以光纖光柵為基兀的光纖傳感器la、lb......(直至In,圖中略),與光纖傳感器數(shù)量相同的等長(zhǎng)光纖
(2a、2b……)和光電探測(cè)器(3a、3b……)，以及中央計(jì)算機(jī)4 ;各光纖傳感器采用懸梁結(jié)構(gòu)或貼片結(jié)構(gòu)經(jīng)過封裝后，一端直接與管道等間隔相連，各光纖傳感器的另一端再分別與對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器用等長(zhǎng)光纖相連，各光電探測(cè)器通過電纜再分別與中央計(jì)算機(jī)連接。
[0020]實(shí)驗(yàn)室中(由于實(shí)驗(yàn)室空間所限，光纖傳感器只安裝兩個(gè)，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)可以安裝更多個(gè))本裝置由相距75米安裝在管道的以光纖光柵為基元的兩個(gè)光纖傳感器(la)、(Ib)為例加以說明。以光纖光柵為基元的兩個(gè)傳感器(la)、(Ib)采用懸梁結(jié)構(gòu)或貼片結(jié)構(gòu)經(jīng)過封裝后，一端直接與管道相連，以光纖光柵為基元的兩個(gè)傳感器(la)、(Ib)的另一端再分別與兩個(gè)光電探測(cè)器(3a)、(3b)用兩根等長(zhǎng)光纖(2a)、(2b)相連，兩個(gè)光電探測(cè)器(3a)、(3b)通過電纜再分別與中央計(jì)算機(jī)(4)連接。
[0021]二、基于光纖光柵的油氣管線泄漏檢測(cè)方法
第1、將一組(本例為兩個(gè))以光纖光柵為基元的光纖傳感器(la)、(Ib)采用懸梁結(jié)構(gòu)或貼片結(jié)構(gòu)經(jīng)過封裝后，分別直接與管道的兩端相連，用于接收因管內(nèi)流體噴射出時(shí)產(chǎn)生的聲表面波信號(hào)；實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)可以安裝η個(gè)光纖傳感器，η > 2，各光纖傳感器間距相等； 第2、將兩個(gè)光纖傳感器(la)、(Ib)的另一端通過兩根等長(zhǎng)光纖(2a)、(2b)分別與兩個(gè)光電探測(cè)器(3a)、(3b)連接，由光電探測(cè)器(3a)、(3b)分別將接收的聲表面波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；
第3、將兩個(gè)光電探測(cè)器(3a)、(3b)通過電纜再分別與中央計(jì)算機(jī)(4)連接，并將兩個(gè)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)分別傳遞至中央計(jì)算機(jī)(4)；
第4、由中央計(jì)算機(jī)(4)計(jì)算緊鄰泄漏點(diǎn)兩側(cè)的兩個(gè)光電探測(cè)器接收的兩路泄漏信號(hào)到達(dá)中心計(jì)算機(jī)的時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。
[0022]未發(fā)生泄漏時(shí)，以光纖光柵為基元的傳感器(la)、(Ib)測(cè)到的峰值波長(zhǎng)不發(fā)生改變；當(dāng)泄漏產(chǎn)生時(shí)，管線內(nèi)外的壓力差瞬間變化，管內(nèi)流體噴射出時(shí)會(huì)引起管壁的震動(dòng)，產(chǎn)生沿管壁傳播的聲表面波，聲表面波作用于光纖光柵時(shí)將引起光柵間隔發(fā)生變化，從而引起光纖光柵傳感器(la)、(Ib)波長(zhǎng)的改變，通過檢測(cè)光柵的波長(zhǎng)的變化可判斷泄露是否發(fā)生。對(duì)泄露點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，緊鄰泄漏點(diǎn)兩側(cè)的兩路傳輸信號(hào)的同步性決定了定位的精度，系統(tǒng)采用等長(zhǎng)光纖(2a)、(2b)將光波信號(hào)傳輸給光電探測(cè)器(3a)、(3b)，再由光電探測(cè)器(3a)、(3b)將信號(hào)傳輸給中心計(jì)算機(jī)(4)，以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)間同步。中心計(jì)算機(jī)(4)將兩路信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算得到時(shí)間差，利用聲波的傳遞速度，即可求出泄漏點(diǎn)的具體位置。
[0023]具體實(shí)驗(yàn)中，在75米長(zhǎng)的管道距光纖光柵傳感器(Ia) 25米處，設(shè)置孔徑為0.45毫米的泄漏口，泄漏信號(hào)傳播到光纖光柵傳感器(Ia)的時(shí)間是^，傳播到光纖光柵傳感器(Ib)的時(shí)間是t2.。實(shí)驗(yàn)室中采用Ikhz頻率采樣，采樣點(diǎn)從-255到+255，分別得到兩個(gè)傳感器處的采樣信號(hào)圖，(圖2，圖3)，經(jīng)過中央計(jì)算機(jī)的算法分析，得到互相關(guān)圖形(圖4)。由圖4可以看出峰值點(diǎn)在84，實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)聲速300m/s，可以算出泄漏點(diǎn)位置距光纖光柵傳感器(Ia)的距離為24.75米，這一結(jié)果與實(shí)際泄漏點(diǎn)基本吻合，考慮到實(shí)際油氣管線的長(zhǎng)距離以及人眼的目視范圍，可以說本裝置精確地實(shí)現(xiàn)了泄漏點(diǎn)的定位。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖光柵的油氣管線泄露檢測(cè)方法，其特征在于該方法的具體步驟是: 第1、將一組以光纖光柵為基元的光纖傳感器采用懸梁結(jié)構(gòu)或貼片結(jié)構(gòu)經(jīng)過封裝后，等間隔分別直接與管道相連，用于接收因管內(nèi)流體噴射出時(shí)產(chǎn)生的聲表面波信號(hào)； 第2、將各光纖傳感器的另一端通過等長(zhǎng)光纖分別與對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器連接，由光電探測(cè)器分別將接收的聲表面波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 第3、將各光電探測(cè)器通過電纜再分別與中央計(jì)算機(jī)連接，并將各光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)分別傳遞至中央計(jì)算機(jī)； 第4、由中央計(jì)算機(jī)計(jì)算緊鄰泄漏點(diǎn)兩側(cè)的光電探測(cè)器接收的兩路泄漏信號(hào)到達(dá)中心計(jì)算機(jī)的時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。
2.一種基于光纖光柵的油氣管線泄漏檢測(cè)裝置，其特征是:包括一組以光纖光柵為基元的光纖傳感器，與光纖傳感器數(shù)量相同的等長(zhǎng)光纖和光電探測(cè)器，以及中央計(jì)算機(jī)；各光纖傳感器采用懸梁結(jié)構(gòu)或貼片結(jié)構(gòu)經(jīng)過封裝后，一端直接與管道等間隔相連，各光纖傳感器的另一端再分別與對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器用等長(zhǎng)光纖相連，各光電探測(cè)器通過電纜再分別與中央計(jì)算機(jī)連接。
【文檔編號(hào)】F17D5/06GK103836348SQ201410108326
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】劉波, 郝赫, 馬松, 王翰文, 劉海鋒, 張福如 申請(qǐng)人:南開大學(xué)