基于光纤光栅的油气管线泄漏检测方法及装置制造方法
【专利摘要】一种基于光纤光栅的油气管线泄漏检测方法及装置，该方法是在管道上等间隔安装一组以光纤光栅为基元的光纤传感器，光信号经等长光纤传递至光电探测器，经过光电探测器转化为电信号进而传递至中央计算机。等长度光纤用于实现时间同步。中央计算机对泄漏信号进行检测并利用互相关算法求出紧邻泄漏点两侧的两路信号的时间差，实现泄露位置的定位。本发明利用以光纤光栅为基元的传感器代替传统的电学传感器，提高了安全性和稳定性，同时利用等长光纤实现时间同步，避免了GPS授时的中间基站的引入，极大的简化了检测系统组成，提高了检测灵敏度。
【专利说明】基于光纤光栅的油气管线泄漏检测方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感检测【技术领域】，具体涉及一种油气管线泄漏检测方法及装置。特别是基于以光纤光栅为基元的传感器的泄露检测和一种基于等长光纤的时间同步解决方案。
【背景技术】
[0002]油气管线是具有特种承压并且有泄露爆炸危险的油气输送设备，是能源输送的大动脉，一旦发生泄漏爆炸，必然将会造成严重的生态环境破坏和巨大的经济财产损失。目前，油气管道在泄露前的有效廉价的安全监测手段仍是个世界难题。当油气管道发生泄漏时，如果能及时准确的定位出泄露的位置，就能够把泄露带来的各种损失降到最小。长期以来，国内外针对利用应力波法、负压力等方法进行泄露检测开展了大量研究，但由于各种测漏方法对检测信号的处理尚存不足，使其应用不够理想。目前应用最为广泛的是基于声表面波的泄露检测系统，其多采用电学传感器，传统电学传感器有着难以突破的局限性，如检测速度慢，抗电磁干扰能力较差，灵敏度不够高，尤其是在油气管道这种易燃易爆危险场合有一定的局限性。
[0003]以光纤光栅为基元的传感器相比传统的电学传感器有诸多优点，如高灵敏度，宽频带，动态范围大，可以根据实际需要做成各种形状，并且便于与计算机和光纤传输系统相连，还可应用于高压、高温、强电磁干扰以及易燃易爆等恶劣环境。
[0004]目前的检测系统都是利用GPS授时仪实现时间同步进行准确测漏的，但GPS授时方案要求在管线附近布置基站，提高了系统复杂度，同时存在一定安全隐患，并且同步精度不是很好。利用光纤实现时间同步可以避免基站的引入，并且达到非常高的同步精度。
【发明内容】
[0005]本发明目的为解决现有电学传感器检测系统存在检测速度慢、抗电磁干扰能力较差、灵敏度不够高，以及GPS授时仪同步授时要求在管线附近布置基站，而提高了系统复杂度，并存在一定安全隐患的问题，提出了一种基于以光纤光栅为基元的传感器和以等长光纤实现时间同步的油气管线泄漏检测方法及装置。
[0006]本发明提供的检测方法是通过等间隔安装在管道的以光纤光栅为基元的光纤传感器检测管道中泄漏引起的沿管线表面传播的声表面波来判断泄漏，并根据声表面波传到邻近两端传感器的时间差确定泄漏点位置。
[0007]本发明提供的基于光纤光栅的油气管线泄漏检测方法的具体步骤是:
第1、将一组以光纤光栅为基元的光纤传感器采用悬梁结构或贴片结构经过封装后，等间隔分别直接与管道相连，用于接收因管内流体喷射出时产生的声表面波信号；
第2、将各光纤传感器的另一端通过等长光纤分别与对应的光电探测器连接，由光电探测器分别将接收的声表面波信号转化为电信号；
第3、将各光电探测器通过电缆再分别与中央计算机连接，并将各光电探测器转化后的电信号分别传递至中央计算机；
第4、由中央计算机计算紧邻泄漏点两侧的光电探测器接收的两路泄漏信号到达中心计算机的时间差，进而计算出泄漏点的准确位置。
[0008]本发明的油气管线泄漏检测方法的原理为:
当油气管线发生泄漏时，管线内外的压力差瞬间变化，管内流体喷射出时会引起管壁的震动，产生声表面波。实验研究表明，声表面波只能在管线表面附近一个声波长的范围内传播，其传播方式为柱面波形式，在传播过程中低频成分衰减很小，可沿管线表面传播较远距离。声表面波具有能量，当其传播到邻近两端的以光纤光栅为基元的传感器上时，会引起光栅间隔的变化，从而引起光栅波长波峰信号的漂移，光波信号经等长光纤传播，在光电探测器处转化为电信号传递至中央计算机。以光纤光栅为基元的传感器与光电探测器之间用等长的光纤连接，确保两路信号传递到中央计算机的时间相同，实现时间同步。经过计算两路泄漏信号到达中心计算机的时间差，便可以计算出泄漏的准确位置。
[0009]本发明还提供了一种具有闻精度，闻灵敏度，防电磁干扰，耐腐蚀和防爆，闻稳定性等优点，适用于各种恶劣环境，能准确对泄漏点位置进行快速判断的检测装置。
[0010]本发明提供的基于光纤光栅的油气管线泄漏检测装置包括，一组以光纤光栅为基元的光纤传感器，与光纤传感器数量相同的等长光纤和光电探测器，以及中央计算机；各光纤传感器采用悬梁结构或贴片结构经过封装后，一端直接与管道等间隔相连，各光纤传感器的另一端再分别与对应的光电探测器用等长光纤相连，各光电探测器通过电缆再分别与中央计算机连接。
[0011]本发明的优点和积极效果:
本发明采用光纤光栅传感器，避免了传统的电学传感器存在的安全隐患，并且可以达到防电磁辐射，防干扰的目的，适应于各种恶劣环境；利用光纤实现时间同步技术，避免了中间基站的引入，具有更闻的安全性和简洁度，并且提闻了同步精度。
[0012]
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明的油气管线泄漏检测系统原理框图。
[0014]图2是实验室光纤光栅传感器(Ia)的采样数据图。
[0015]图3是实验室光纤光栅传感器(Ib)的采样数据图。
[0016]图4是数据互相关图形。
[0017]la、Ib:以光纤光栅为基兀的光纤传感器；2a、2b:等长光纤；3a、3b:光电探测器；4:中心计算机。
[0018]
【具体实施方式】
[0019]为进一步了解本
【发明内容】
，特点以及功效，配合附图1兹列举实验室中的一段实验管道作为实例并详细说明如下:
一、基于光纤光栅的油气管线泄漏检测装置
如图1所示，本发明提供的基于光纤光栅的油气管线泄漏检测装置包括，一组以光纤光栅为基兀的光纤传感器la、lb......(直至In,图中略),与光纤传感器数量相同的等长光纤
(2a、2b……)和光电探测器(3a、3b……)，以及中央计算机4 ;各光纤传感器采用悬梁结构或贴片结构经过封装后，一端直接与管道等间隔相连，各光纤传感器的另一端再分别与对应的光电探测器用等长光纤相连，各光电探测器通过电缆再分别与中央计算机连接。
[0020]实验室中(由于实验室空间所限，光纤传感器只安装两个，实际现场可以安装更多个)本装置由相距75米安装在管道的以光纤光栅为基元的两个光纤传感器(la)、(Ib)为例加以说明。以光纤光栅为基元的两个传感器(la)、(Ib)采用悬梁结构或贴片结构经过封装后，一端直接与管道相连，以光纤光栅为基元的两个传感器(la)、(Ib)的另一端再分别与两个光电探测器(3a)、(3b)用两根等长光纤(2a)、(2b)相连，两个光电探测器(3a)、(3b)通过电缆再分别与中央计算机(4)连接。
[0021]二、基于光纤光栅的油气管线泄漏检测方法
第1、将一组(本例为两个)以光纤光栅为基元的光纤传感器(la)、(Ib)采用悬梁结构或贴片结构经过封装后，分别直接与管道的两端相连，用于接收因管内流体喷射出时产生的声表面波信号；实际现场可以安装η个光纤传感器，η > 2，各光纤传感器间距相等； 第2、将两个光纤传感器(la)、(Ib)的另一端通过两根等长光纤(2a)、(2b)分别与两个光电探测器(3a)、(3b)连接，由光电探测器(3a)、(3b)分别将接收的声表面波信号转化为电信号；
第3、将两个光电探测器(3a)、(3b)通过电缆再分别与中央计算机(4)连接，并将两个光电探测器转化后的电信号分别传递至中央计算机(4)；
第4、由中央计算机(4)计算紧邻泄漏点两侧的两个光电探测器接收的两路泄漏信号到达中心计算机的时间差，进而计算出泄漏点的准确位置。
[0022]未发生泄漏时，以光纤光栅为基元的传感器(la)、(Ib)测到的峰值波长不发生改变；当泄漏产生时，管线内外的压力差瞬间变化，管内流体喷射出时会引起管壁的震动，产生沿管壁传播的声表面波，声表面波作用于光纤光栅时将引起光栅间隔发生变化，从而引起光纤光栅传感器(la)、(Ib)波长的改变，通过检测光栅的波长的变化可判断泄露是否发生。对泄露点进行定位时，紧邻泄漏点两侧的两路传输信号的同步性决定了定位的精度，系统采用等长光纤(2a)、(2b)将光波信号传输给光电探测器(3a)、(3b)，再由光电探测器(3a)、(3b)将信号传输给中心计算机(4)，以实现严格的时间同步。中心计算机(4)将两路信号做相关运算得到时间差，利用声波的传递速度，即可求出泄漏点的具体位置。
[0023]具体实验中，在75米长的管道距光纤光栅传感器(Ia) 25米处，设置孔径为0.45毫米的泄漏口，泄漏信号传播到光纤光栅传感器(Ia)的时间是^，传播到光纤光栅传感器(Ib)的时间是t2.。实验室中采用Ikhz频率采样，采样点从-255到+255，分别得到两个传感器处的采样信号图，(图2，图3)，经过中央计算机的算法分析，得到互相关图形(图4)。由图4可以看出峰值点在84，实验室实测声速300m/s，可以算出泄漏点位置距光纤光栅传感器(Ia)的距离为24.75米，这一结果与实际泄漏点基本吻合，考虑到实际油气管线的长距离以及人眼的目视范围，可以说本装置精确地实现了泄漏点的定位。
【权利要求】
1.一种基于光纤光栅的油气管线泄露检测方法，其特征在于该方法的具体步骤是: 第1、将一组以光纤光栅为基元的光纤传感器采用悬梁结构或贴片结构经过封装后，等间隔分别直接与管道相连，用于接收因管内流体喷射出时产生的声表面波信号； 第2、将各光纤传感器的另一端通过等长光纤分别与对应的光电探测器连接，由光电探测器分别将接收的声表面波信号转化为电信号； 第3、将各光电探测器通过电缆再分别与中央计算机连接，并将各光电探测器转化后的电信号分别传递至中央计算机； 第4、由中央计算机计算紧邻泄漏点两侧的光电探测器接收的两路泄漏信号到达中心计算机的时间差，进而计算出泄漏点的准确位置。
2.一种基于光纤光栅的油气管线泄漏检测装置，其特征是:包括一组以光纤光栅为基元的光纤传感器，与光纤传感器数量相同的等长光纤和光电探测器，以及中央计算机；各光纤传感器采用悬梁结构或贴片结构经过封装后，一端直接与管道等间隔相连，各光纤传感器的另一端再分别与对应的光电探测器用等长光纤相连，各光电探测器通过电缆再分别与中央计算机连接。
【文档编号】F17D5/06GK103836348SQ201410108326
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】刘波, 郝赫, 马松, 王翰文, 刘海锋, 张福如 申请人:南开大学