利用分布式光纤检测罐体泄漏的监测系统的制作方法

本发明涉及罐体泄漏检测领域，具体涉及一种利用分布式光纤检测罐体泄漏的监测系统。

背景技术：

大型的LNG(液化天然气)罐体、原油罐体一旦罐体发生破坏或泄漏，极易引发火灾、爆炸及中毒事故，造成人民生命和国家财产的重大损失。因此，对大型的LNG(液化天然气)罐体、原油罐体进行日常监测和预警是非常必要的。

由于LNG(液化天然气)罐体、原油罐体所处的环境易燃易爆，电类传感器因其易于产生电火花会引入新的不安全因素，不适合使用。目前最广泛采用的是声发射检测技术，它利用声发射仪采集信号，从而了解液化气储罐的裂纹和缺陷，显然这种方法难以达到人们对大型液化气储罐泄露的长时期、实时在线监测和预警的要求。还有一种方法是，使用光纤光栅温度传感探头进行泄露检测，但由于罐体庞大的表面积，以及损伤点和泄露点的不确定性，要达到有效监测需要大量的传感探头。

目前，6mm孔径罐体泄漏是世界难题，显然，声发射检测技术和光纤光栅温度传感技术都无法满足如此高精度的定位检测，如何检测如此微小孔径的泄漏是油气储运急需解决问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的利用分布式光纤检测罐体泄漏的监测系统，利用光学时域反射技术，能够对罐体气体的泄漏点进行快速定位，避免重大事故发生。

本发明提供的一种利用分布式光纤检测罐体泄漏的监测系统，包括：激光器、波分复用器、缠绕在罐体外的感应光纤、光电转换模块、信号处理模块和报警模块；所述激光器与所述波分复用器的第一解复用端口连接，所述感应光纤与所述波分复用器的复用端口连接，所述光电转换模块与所述波分复用器的第二解复用端口和第三解复用端口连接，所述光电转换模块与所述信号处理模块连接，所述报警模块与所述信号处理模块连接；所述激光器用于产生脉冲激光；所述波分复用器用于从所述感应光纤反射回的光中分离出斯托克斯光和反斯托克斯光；所述光电转换模块用于将所述波分复用器分离出的斯托克斯光和反斯托克斯光转换为第一电信号和第二电信号；所述信号处理模块用于根据所述第一电信号和所述第二电信号，计算得到温度值和泄漏点的位置信息；所述报警模块用于若信号处理模块检测到泄露，则进行报警。

优选地，所述信号处理模块具体用于：将所述第一电信号和第二电信号进行模数转换得到第一数据和第二数据，所述第一数据对应斯托克斯光的强度，所述第二数据对应反斯托克斯光的强度；根据所述第一数据和所述第二数据的比值，得到温度检测值；将所述温度检测值与温度标准值进行比较，若温度检测值与温度标准值的差值大于温度误差阈值，则根据时间信息，得到泄漏点的位置信息。

优选地，所述根据所述第一数据和所述第二数据的比值，得到温度检测值，包括：根据时间信息计算第一数据对应的第一位置信息，存储在第一位置序列中；根据时间信息计算第二数据对应的第二位置信息；在所述第一位置序列中查找与所述第二位置信息最接近的第一位置信息；根据查找到的第一位置信息和所述第二位置信息的比值，得到温度检测值。

优选地，所述根据时间信息，得到泄漏点的位置信息，包括：根据时间信息从坐标数据库中获取泄漏点的位置信息，所述坐标数据库中预先存储有时间信息与位置信息的关系对应表。

优选地，还包括三维模型匹配模块，所述三维模型匹配模块与所述信号处理模块连接，所述三维模型匹配模块用于在三维模型中找到与所述位置信息匹配的点，标注匹配到的点，通过显示器显示所述三维模型，其中，所述三维模型为根据检测区域预先构建的。

优选地，所述信号处理模块具体用于：若所述第一电信号和第二电信号进行模数转换得到第一数据和第二数据，所述第一数据对应斯托克斯光的强度，所述第二数据对应反斯托克斯光的强度；将所述第一数据偏离第一标准值，且所述第二数偏离第二标准值，则根据时间信息，得到泄漏点的位置信息。

优选地，所述激光器采用光纤激光器。

优选地，所述激光器采用1550纳米激光器。

优选地，所述感应光纤的内层涂层为镀镍层，外层涂层为SiO₂/EA/PUA杂化材料。

优选地，所述光电转换模块包括两个APD雪崩光电二极管和两路放大电路。

附图说明

图1为本发明实施例提供的利用分布式光纤检测罐体泄漏的监测系统的结构框图；

图2为Raman散射原理图；

图3为Raman散射中入射光、反斯托克斯光与斯托克斯光之间的频率关系图；

图4为本发明实施例提供的信号处理模块中一种信号处理方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的信号处理模块中另一种信号处理方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，本发明实施例提供的利用分布式光纤检测罐体泄漏的监测系统，包括：激光器、波分复用器、缠绕在罐体外的感应光纤、光电转换模块、信号处理模块和报警模块。激光器与波分复用器的第一解复用端口连接，感应光纤与波分复用器的复用端口连接，光电转换模块与波分复用器的第二解复用端口和第三解复用端口连接，确保斯托克斯光与反斯托克斯光可以分别从第二解复用端口和第三解复用端口输出，其中，第一解复用端口对应的脉冲激光的工作波长位于斯托克斯光和反斯托克斯光波长的中间。光电转换模块与信号处理模块连接，报警模块与信号处理模块连接。激光器用于产生脉冲激光；波分复用器用于从感应光纤反射回的光中分离出斯托克斯光和反斯托克斯光；光电转换模块用于将波分复用器分离出的斯托克斯光和反斯托克斯光转换为第一电信号和第二电信号；信号处理模块用于根据第一电信号和第二电信号，计算得到温度值和泄漏点的位置信息；报警模块用于若信号处理模块检测到泄露，则进行报警。

其中，感应光纤缠绕的密度根据检测的精度而定，缠绕密度越大，检测精度越高。

光学时域反射技术(OTDR)最初用于评价通信光纤、光缆和耦合器的性能，是检验光纤损耗、光纤故障的手段，其工作机理是向被测光纤发射光脉冲，发生拉曼散射现象，在光纤中形成背向散射光和前向散射光，如图2所示。其中，背向散射光向后传播至光纤的起始端(也就是激光脉冲的注入端)，由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点，因此，根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置，

其中，c是光在感应光纤中的速度，而t是信号发射后到接收到信号的总时间，IOR是光纤折射率。

本实施例主要利用光在光纤中的Raman(拉曼)散射信号，进行温度和位置的测量。Raman散射信号的变化与温度有关，而且Raman散射信号相对容易获取和分析，如图3所示，Raman散射会产生两个不同频率的信号：斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(Anti-Stokes)，斯托克斯光的波长比光源波长长，反斯托克斯光的波长为比光源波长短，例如，如果作为光源的激光器发出的光为1550nm，那么斯托克斯光的波长为1663nm，反斯托克斯光的波长为1450nm。感应光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯光强发生变化，而斯托克斯光受温度的影响较小，所以反斯托克斯光与斯托克斯光的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。通过采集和分析入射光脉冲从光纤的一端(注入端)注入后在光纤内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息，在得知每一点的温度和位置信息后，就可以得到一个关于整根光纤的不同位置的温度曲线。

工作原理如下：监控系统以一个同步信号为起始点，开始工作，激光器接收到同步信号后发射一个脉冲激光，同时，信号处理模块接收到同步信号后开始计时；脉冲激光经波分复用器进入感应光纤后，产生斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光在传播过程中发生反射，反射回的斯托克斯光和反斯托克斯光从波分复用器的复用端口进入后被分离，分别从波分复用器的第二解复用端口和第三解复用端口输出，经光电转换模块转换为电信号后输入信号处理模块，进行模数转换后，根据光学时域反射技术，得到光反射点的温度值和位置信息；当接收到下一个同步信号即开始下一轮的检测。一旦罐体内的气体泄漏，会立刻引起泄漏点温度的变化，引起光纤中的反斯托克斯光的变化，通过光反射点的温度值的变化即可确定是否发生泄漏，再根据采集光的时间(以同步信号为起始时间)和光在光纤中的速度即可得到泄漏点的位置信息。

本实施例的监测系统，利用光学时域反射技术对泄漏点进行定位，使得工作人员能够迅速找到泄漏点进行维修，避免重大事故发生，有效保护人民生命财产安全；发射一次脉冲激光，可同时监测几十公里光纤覆盖的监测点，监测面积广；由于使用光进行检测，不包含任何用电设备，更加安全，可靠性更高，适用于检测LNG(液化天然气)罐体、原油罐体等危险品的泄露。监控中心通过网络与多台监测系统连接，将多台监测系统的数据汇总到监控中心，监控中心即可远程监控多个区域，节省了人员的投入。

其中，如图4所示，信号处理模块中处理信号的步骤具体包括：

步骤S1，将第一电信号和第二电信号进行模数转换得到第一数据和第二数据，第一数据对应斯托克斯光的强度，第二数据对应反斯托克斯光的强度。

步骤S2，根据第一数据和第二数据的比值，得到温度检测值。

其中，计算温度的公式为：

其中，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数；c为真空中的光速；ν为入射光频；T为监测点温度；T₀为参考温度；P_as(T)/P_s(T)为温度T下的两路信号强度的比值；P_as(T₀)/P_s(T₀)为温度T₀下的两路信号强度的比值。

步骤S3，将温度检测值与温度标准值进行比较，若温度检测值与温度标准值的差值大于温度误差阈值，则根据时间信息，得到泄漏点的位置信息。

其中，时间信息是以同步信号为起始时间，接收到反射回的斯托克斯光和反斯托克斯光的时间。

其中，温度标准值为正常状态下光纤的温度，温度标准值可以通过对之前检测的温度值进行统计计算得到。

采用阈值来判断温度的变化，容易受外界环境温度的干扰，为了降低外界环境对监测结果的影响，提高检测精度，步骤S3的优选实施例方式为：记录一段时间内的温度检测值，若单位时间内温度检测值发生突变，则认定为发生泄漏，根据时间信息，得到泄漏点的位置信息。外界引起的温度比较平缓，而泄漏引起的温度变化较为剧烈，因此，根据温度突变来判断泄漏事故的方法抗干扰能力强，有助于降低误警率。

在利用分布式光纤检测罐体泄漏的监测系统中，空间分辨率极其重要，它反映着系统最小能分辨的空间单位，直接决定着系统的空间定位的准确度。空间分辨率越高，空间定位精度就越高。此项指标在实际应用中有重要的意义，比如，在石油管道泄漏监测中，如果泄漏区域比较小，只有小范围的感应光纤能够感应到，如果系统空间分辨率比较低，就不能及时发现泄漏，即使发现也只能确定到一个比较大的范围，増加了维修的难度。同样，在煤矿中也是如此，不能对湿度发生变化的事件位置做出准确的定位和准确预警。因此，提高系统空间分辨率尤为重要。

由于反斯托克斯光和斯托克斯光的波长不同，这会导致在光纤中两束光的传播速度不同。由于模数转换时两路光的采样率相同，反斯托克斯光和斯托克斯光的传播速度不同，那么相同时刻采集的数据将对应着不同光纤位置，这样就降低了系统的空间分辨率，减小了定位精度。随着光纤长度的增加，反斯托克斯光和斯托克斯光的光纤位置差也逐渐增大，当光纤长度为10km时，反斯托克斯光和斯托克斯光的光纤位置差可达到10-20m。为了而解决上述问题，提高定位精度，信号处理模块中的步骤S2进行了优化，如图5所示，具体实现方式为包括：

步骤S21，根据时间信息计算第一数据对应的第一位置信息，存储在第一位置序列中。

其中，第一位置信息为当前时刻采集到的斯托克斯光在光纤中的反射点的位置，第一位置序列存储所有采集到的斯托克斯光对应的第一位置信息。

步骤S22，根据时间信息计算第二数据对应的第二位置信息。

其中，第二位置信息为当前时刻采集到的反斯托克斯光在光纤中的反射点的位置。

步骤S23，在第一位置序列中查找与第二位置信息最接近的第一位置信息。

其中，由于斯托克斯光传播速度快，同一时刻采集到的斯托克斯光的光纤位置要比反斯托克斯光的光纤位置远，比如某一时刻，采集到的反斯托克斯光的光纤位置为9.98km，那么此时采集到的斯托克斯光的光纤位置就可能为10km，因此，选择存储斯托克斯光对应的第一位置信息，可以实时的在第一位置序列中匹配到与第二位置信息最接近的第一位置信息。

步骤S24，根据查找到的第一位置信息和第二位置信息的比值，得到温度检测值。

然后，将温度检测值与温度标准值进行比较，若温度检测值与温度标准值的差值大于温度误差阈值，则第二位置信息对应的点即为泄漏点。

本实施例提供的检测系统能够检测0.5℃的温度变化，空间最小分辨率为0.25米，真正实现分布式监测。

为了快速地得到泄漏点的具体位置，预先构建好时间轴中时间信息与实际物理位置之间的对应关系存储在坐标数据库中，实际物理位置的位置信息包括监测点所处的区域、几号罐体以及罐体的哪个部位，方便监控人员定位，因此，步骤S3具体包括：根据时间信息从坐标数据库中获取泄漏点的位置信息。

由于感应光纤分布的范围比较广，为了更加直观地获得泄露点的具体位置，在安装整个监测设备时，会根据实际监测的区域预先构建三维模型，并根据光纤的分布情况，在三维模型中标注出来。因此，本实施例的监测系统还包括三维模型匹配模块，三维模型匹配模块与信号处理模块连接，三维模型匹配模块用于在三维模型中找到与信号处理模块解算出的位置信息匹配的点，并标注匹配到的点，三维模型通过显示器显示。报警模块发出警报后，显示器中的三维模型会高亮显示检测到的泄漏点，监控人员可以通过显示器快速地获取泄漏点所处的区域，在哪个罐体的具体哪个位置。

由于罐体内外较大的压差，从罐体内泄漏的气体对感应光纤造成扰动，因此，还可以通过检测反射光中是否存在幅值较大的扰动信号来检测泄漏点，其具体检测方法包括：

步骤S10，将第一电信号和第二电信号进行模数转换得到第一数据和第二数据，第一数据对应斯托克斯光的强度，第二数据对应反斯托克斯光的强度。

步骤S20，将第一数据偏离第一标准值，且第二数据偏离第二标准值，则根据时间信息，得到泄漏点的位置信息。

其中，第一标准值为正常情况下斯托克斯光的强度，第二标准值为正常情况下反斯托克斯光的强度。

当然，还可以将扰动信号检测和温度检测结合起来，以提高检测的准确率。

另外，为了提高光纤感应能力，感应光纤采用特殊处理的涂层。感应光纤采用双层涂层工艺，优选地内层涂层为镀镍层，外层涂层为SiO2/EA/PUA(二氧化硅/环氧丙稀酸酯/聚氨酯丙烯酸酯)杂化材料。这种双涂层，使得感应光纤温度灵敏度系数高，对温度具有较好的稳定性，应力灵敏度系数高，提高了温度的测量精度和准确度。

激光器容易受工作温暖和工作电流的影响，导致功率和输出的波长发生改变。当激光器的中心波长发生变化时，在光纤传播时的衰减也会发生变化，在光纤中自发拉曼散射产生的两路散射光的波长也会发生改变，同时导致光纤中的损耗系数会发生变化，由于波分复用器中滤波器的带宽的影响，会使两路光在波分复用器的损耗也会发生变化，这些因素都会使最终的解调的温度产生误差。因此，激光器的输出光的稳定性一定要高。本实施例中的激光器采用光纤激光器。光纤激光器输出的光束质量好、稳定性好、结构简单、体积小、成本低，直接通过光纤输出脉冲激光，减少了输出过程中的光能量的损失。

激光器的波长与Raman散射的强度有一定关系，理论表明：激光器的波长与自发拉曼散射光强度成反比，如果要获得强的自发拉曼散射光的强度可降低激光器的波长，但是波长不是越低越好，波长较低的光在光纤中传输损耗较大，传播距离不是很远，系统的信噪比得不到保证。激光器波长一般选择980nm，1310nm或1550nm，其中，1550nm的激光在光纤的传输距离比较大，传输损耗比较小，本实施例的监测系统中激光器的波长优选为1550nm。

光电探测器在系统主要负责光电信号的转化，其性能的好坏直接与系统信号的信噪比，稳定性有关。分布式光纤拉曼传感系统中的需要检测的斯托克斯光和反斯托克斯光比较微弱，因此需要选用响应度大，增益大的光电探测器。常用的光电探测器主要是PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。其中，APD雪崩光电二极管具有高灵敏度、噪声等效功率低的特点，适合微弱信号的检测。由于斯托克斯光和反斯托克斯光经过光电转化后，电信号还是比较小，还需要添加放大电路，放大器也要满足低噪声、高增益、高带宽和高转换速率的特点。为了提高监测系统的灵敏度和监测距离，本实施例中的光电转换模块采用两个响应度大高增益的APD雪崩光电二极管来分别检测斯托克斯光和反斯托克斯光，并为配有两路放大电路，用于放大APD雪崩光电二极管采集到的信号，放大电路中的放大器优选具备低噪声、高增益、高带宽和高转换速率的放大器。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。