一种天然气管道泄漏检测装置的制作方法

本发明涉及机械震动的测量领域，尤其涉及一种天然气管道泄漏测量装置。

背景技术：

泄漏检测的必要性近几年在全国各地，因燃气管道的泄漏引发的爆炸事故时有发生，泄漏所造成的浪费也是惊人的(个别燃气公司的输差可达40％以上，只能靠收取开户费用勉强维持公司的运转)因而，找到漏点，找准漏点，并及时给予修复，才能降低输差，减少运行成本，并防患于未然。绝大多数燃气管道的管理者对此非常重视，积极采取措施，想了许多办法。但燃气泄漏有其自身的特点，用传统的办法找准漏点很不容易。

泄漏检测的可能性由于燃气质量较轻，从破损处喷出后，会自然而然地向上升起，并窜出地面。但由于回填物密实度不均等原因，燃气窜出地面时自然不会轻轻松松地垂直上升，而是往土质疏松的地方“乱窜”。尤其是在混凝土路面下的泄漏点，燃气要向上垂直升起就更加困难，而是从混凝土接缝处、破裂处和其他诸如绿化带的地方窜出地面。需要强调的是，无论回填物有多么密实，泄出的燃气终究会窜出地面，这就为我们捉住它提供了前提。燃气窜出地面后会立即扩散，使浓度骤然下降。如果泄漏量本就不大，再加之回填土较为密实，从管道上方窜出地面的燃气就会少之又少，用传统的方法(诸如“闻”的方法)非常难以捕捉，这就造成了没有漏气的假象。

查清管道位置采用管道探测仪查清管网的确切位置，这是泄漏检测的前提。由于天然气“乱窜”的特点，往往会在根本没有管道的地方发现它的踪影。如果我们据此来确定漏点位置，就会闹出很多笑话。因而，搞清管道的位置，并引导我们在地面沿着管道路径进行泄漏检测，就可避免因燃气“乱窜”而造成漏点的错误判断。通常情况下，城市地下埋设的管网都较为密集，管道之间不可避免地会发生信号传递和干扰，这显然就增加了将目标管道和非目标管道区别开来的难度，同时，对目标管道的深度测量也难以做到精确、可靠。这就会大大增加对漏点准确定位时的危险性。因而，急需一种天然气管道泄漏检测装置，既具有较高的灵敏度，又能实现漏点的精准定位。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种天然气管道泄漏检测装置，采用多个光纤传感器检测管道泄漏振动信号，连接不同波长光纤滤波器，光纤传感器之间互不干扰，提高检测准确性。

本发明还有另一个目的是，在传输光纤两端设置波分复用器，能够将光源发出的波长不同的光信号合成一束后传输进入传输光纤，简化了传输网络，降低了成本。

本发明的另一个目的是，提供漏点定位计算公式，实现漏点的精准定位。

本发明提供的技术方案为：

一种天然气管道泄漏检测装置，其特征在于，包括：

传输光纤，其表面包覆减震材料，与声场隔离；

多个光纤滤波器，其滤波波长互不相同，等距离并联后连接所述传输光纤；

多个光纤传感器，其铺设于天然气管道一侧，连接所述光纤滤波器，用于检测管道泄漏振动信号；以及

光源，其为多波长宽带连续激光器；

第一波分复用器，其设置在所述光源和所述传输光纤之间，用于将所述光源发出的波长不同的光信号合成一束后传输进入所述传输光纤；

光探测器，其连接所述传输光纤，用于探测所述光纤传感器反射回的管道泄漏振动信号；

第二波分复用器，其连接所述传输光纤和光探测器之间，用于将所述传输光纤的复合光束分成不同波长的光信号；

定位处理器，其连接所述光探测器，用于识别泄漏信号，并根据泄漏信号定位天然气管道泄漏点。

优选的是，还包括光环形器，其连接所述第一波分复用器，第二波分复用器和所述传输光纤。

优选的是，还包括光耦合器，其为1×2光耦合器，连接所述光环形器，用于将光信号分为两束。

优选的是，所述波分复用器为密集型波分复用器。

优选的是，所述光纤传感器为基于sagnac干涉仪或迈克尔逊干涉仪的光纤传感器。

优选的是，所述光探测器为光谱分析仪。

优选的是，所述检测装置的工作过程，如下：

当天然气管道发生泄漏，气体与泄漏孔壁会发生摩擦，使管道震动，从而会有部分声波信号作用到光纤传感器上，导致光纤中传播的光相位被调制，其表达式为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\left(t\right)=2{\mathrm{\φ}}_i{\mathrm{cos\ω}}_i(t-\frac{{\mathrm{\τ}}_2+{\mathrm{\τ}}_1}{2}){\mathrm{sin\ω}}_i\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1}{2}\right)$

其中，Δθ(t)为相位差；φ_i为光波的相位变化幅值，ω_i为泄漏信号的频率，τ₁为光信号从光源正向传播到漏点所需的时间，τ₂为光信号从光源逆向传播到漏点所用时间t为光信号从传输光纤一端传递到另一端所需时间。

优选的是，设所述泄漏点的声波信号传输到传感器n-1的时间为t_n-1，传输到传感器n的时间为t_n，传输到传感器n+1的时间为t_n+1，传输到传感器n+2的时间为t_n+2，则泄漏点与第n个传感器的距离X计算公式为：

$X=\frac{1.07e^{{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\σ}}}{2}ln\[2L-\frac{c}{n}(t_{n+1}-t_n-t_{n-1}+t_{n+2})\]+0.88$

其中，L为两相邻传感器之间的距离，c为光在空气中传播速度，n为光纤折射率，ω_i为声波振动频率，σ为传感器工作波长。

本发明的有益效果

1、本发明以无需供电的光纤传感器作为泄漏信号的拾取装置，利用与管道同沟铺设的光纤以及光复用技术实现光纤传感器的信号远距离传输，解决了电传感器供电及远距离通信的难题，可以较为密集地布设光纤传感器，多传感器联合进行时延估计提高对泄漏点的定位精度；此外光纤传感器的灵敏度是传统声传感器的数倍，可以显著提高对天然气管道微小泄漏检测和定位的准确度。

2、本发明采用多个光纤传感器检测管道泄漏振动信号，连接不同波长光纤滤波器，光纤传感器之间互不干扰，提高检测准确性，在传输光纤两端设置波分复用器，能够将光源发出的波长不同的光信号合成一束后传输进入传输光纤，简化了传输网络，降低了成本。

4、本发明提供漏点定位计算公式，实现漏点的精准定位。

附图说明

图1为本发明所述的天然气管道泄漏检测装置的结构简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供天然气管道泄漏检测装置包括：传输光纤100、光纤滤波器200、光纤传感器300、光源400、第一波分复用器500、第二波分复用器600和光探测器700。

其中，传输光纤100，其为单模光纤，表面包覆减震材料，与声场隔离；

多个光纤滤波器200，其滤波波长互不相同，等距离并联后连接传输光纤100；

多个光纤传感器300，其铺设于天然气管道一侧，连接光纤滤波器200，用于检测管道泄漏振动信号，光纤传感器300为基于sagnac干涉仪或迈克尔逊干涉仪的光纤传感器。

其中，光纤滤波器200波长互不相同，光纤传感器300工作波长互不相同，光纤传感器反馈回传输光纤100的光波长互不相同。

光源400，其为多波长宽带连续激光器；

第一波分复用器500，其设置在光源400和传输光纤100之间，用于将光源400发出的波长不同的光信号合成一束后传输进入传输光纤100；

光探测器700，其连接传输光100纤，用于探测光纤传感器300反射回的管道泄漏振动信号，光探测器700选用光谱分析仪。

第二波分复用器600，其连接传输光纤100和光探测器700之间，用于将传输光纤100的复合光束分成不同波长的光信号；

定位处理器800，其连接光探测器700，用于识别泄漏信号，并根据泄漏信号定位天然气管道泄漏点。

光环形器710，其连接第一波分复用器500，第二波分复用器600和传输光纤100，用于完成正反向传输光的分离任务。

光耦合器，其为1×2光耦合器，连接所述光环形器，用于将光信号分为两束。

作为一种优选，第一波分复用器500和第二波分复用器600为密集型波分复用器。

天然气管道泄漏检测装置的工作过程，如下：

光源400发出的光经过光环形器710，进入光耦合器，输入光在1×2耦合器中分成两束，分别沿光纤传感器300光纤环的顺时针和逆时针方向传播，当天然气管道发生泄漏，气体与泄漏孔壁会发生摩擦，使管道震动，从而会有部分声波信号作用到光纤传感器300上，导致光纤中传播的光相位被调制，其表达式为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\left(t\right)=2{\mathrm{\φ}}_i{\mathrm{cos\ω}}_i(t-\frac{{\mathrm{\τ}}_2+{\mathrm{\τ}}_1}{2}){\mathrm{sin\ω}}_i\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1}{2}\right)$

其中，Δθ(t)为相位差；φ_i为光波的相位变化幅值，ω_i为泄漏信号的频率，τ₁为光信号从光源正向传播到漏点所需的时间，τ₂为光信号从光源逆向传播到漏点所用时间t为光信号从传输光纤一端传递到另一端所需时间。

所述泄漏点的声波信号传输到传感器n-1的时间为t_n-1，传输到传感器n的时间为t_n，传输到传感器n+1的时间为t_n+1，传输到传感器n+2的时间为t_n+2，则泄漏点与第n个传感器的距离X计算公式为：

$X=\frac{1.07e^{{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\σ}}}{2}ln\[2L-\frac{c}{n}(t_{n+1}-t_n-t_{n-1}+t_{n+2})\]+0.88$

其中，L为两相邻传感器之间的距离，c为光在空气中传播速度，n为光纤折射率，ω_i为声波振动频率，σ为传感器工作波长。

实施以天然气管道泄漏检测装置的工作过程为例，作进一步说明

光源400发出的光经过光环形器710，进入光耦合器，输入光在1×2耦合器中分成两束，第一波分复用器500，其设置在光源400和传输光纤100之间，用于将光源400发出的波长不同的光信号合成一束后传输进入传输光纤100，光纤滤波器200波长互不相同，光纤传感器300工作波长互不相同，光纤传感器反馈回传输光纤100的光波长互不相同，天然气管道发生泄漏，气体与泄漏孔壁会发生摩擦，使管道震动，从而会有部分声波信号作用到光纤传感器300上，每个光纤传感器300对应一个工作波长，当有震动信号作用在第N个光纤传感器上，光探测器700接收对应波长的光信号，从而识别对应光纤传感器的位置，根据漏点距离计算公式准确定位漏点。

本发明以无需供电的光纤传感器作为泄漏信号的拾取装置，利用与管道同沟铺设的光纤以及光复用技术实现光纤传感器的信号远距离传输，解决了电传感器供电及远距离通信的难题，可以较为密集地布设光纤传感器，多传感器联合进行时延估计提高对泄漏点的定位精度；此外光纤传感器的灵敏度是传统声传感器的数倍，可以显著提高对天然气管道微小泄漏检测和定位的准确度，采用多个光纤传感器检测管道泄漏振动信号，连接不同波长光纤滤波器，光纤传感器之间互不干扰，提高检测准确性，在传输光纤两端设置波分复用器，能够将光源发出的波长不同的光信号合成一束后传输进入传输光纤，简化了传输网络，降低了成本，提供漏点定位计算公式，实现漏点的精准定位。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。