专利名称：一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。
背景技术：
目前，世界上建成的管道总长达到250万公里，已经超过铁路总里程成为世界能源主要运输方式，发达国家和中东产油区的油品输运已全部实现管道化。我国管道在近年也得到了较快发展，总长也超过7万公里，已初步形成横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外的能源管网大格局，管道运输成为油气等战略能源的调配输送的主要方式。管道由于跨越地域广，受自然灾害、第三方施工破坏等原因，导致了较多的管道泄漏事故发生。国外管道安全情况也非常不容乐观，美国2010年9月9日圣布鲁诺市发生天然气管道大爆炸，爆炸在路面造成一个长51米、宽9米的大坑。一段长约8米、直径76厘米的管道被炸上天，飞出大约30米远，并引发大范围火灾，导致4人死亡，3人失踪，至少52人受伤，过火面积4公顷，数十桩房屋被烧毁。近年来人们安全、环保意识显著提升，作为高危行业的管道输运安全问题也得到越来越多的重视。目前成熟的技术中对于天然气管道泄漏监测只有声波监测法较为有效，但为了提高对泄漏监测的实时性和漏点定位的准确性，必须在管线上加大传感器的布设密度，同时增加相应的供电、通信设备，造成系统成本以及安装维护费用高昂。随着传感技术的发展国外如美国CS1、ATM0S1、欧洲TER等公司开展了 SCADA泄漏监测系统研究，Sensornet公司也开发了基于分布式光纤温度传感器的泄漏监测系统，部分产品在国内也申请了专利保护；国内天津大学、清华大学、中国人民解放军后勤工程学院等单位也对管道的泄漏监测方法做了深入研究。专利CN200410020046. 6公开了一种基于干涉原理的分布式光纤油气管道泄漏监测方法及监测装置。该监测系统要求在管道附近沿管道并排铺设一根光缆，利用光缆中的光纤组成一个光纤微振动传感器。专利CN200620119429、CN200610113044. 0均为基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，专利CN200610072879. 6是一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏监测装置及方法。《传感器与微系统》第26卷第7期的“基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法”公开了一种基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测装置和方法，它是在具有一定间隔的管道本体上安装光纤传感器，连续实时监测沿管道本体传播的振动波信号，对采集的振动波信号进行分析处理，包括类型识别和振动源定位，其中类型识别为通过对振动波特征的提取分析判别其是否属于泄漏类型，同时根据振动波传播到相邻几个光纤传感器的时间延迟结合振动波在管道本体上的传播速度确定振动波源所在的位置，传感器输出的光强信号经光电转换后实现泄漏点的位置的确定。CN1837674A公开了一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏检测装置及方法。
US2006/0225507A1公开了一种基于分布式光纤传感器的管道泄漏检测装置及方法。上述技术均属于分布式光纤传感监测方法。但该类技术监测泄漏时受到管道周围所发生的干扰事件的影响，具有很高的系统虚警率，抗干扰能力较差。纵观国内与国外的各种管道泄漏监测技术，目前普遍使用的负压波法，流量平衡法，压力坡降等输油管道泄漏检测技术，无法有效的解决气体管道的泄漏检测问题，尤其是对微小泄漏的识别与定位。而基于光纤良好的传感特性，光纤传感技术得以快速发展，其中应用较多的是利用一根与管道同沟敷设的光缆作为气体泄漏传感器，灵敏度虽然比传统技术高，但是其定位效果差，不能完全满足天然气管道泄漏监测的应用需求。另一种基于光纤复用技术的准分布式光纤传感技术，可有效解决管道气体微小泄漏的识别与定位。但是其·光纤传感器的安装技术要求复杂，设计难度大，主要是要保证光纤传感器检测灵敏度足够高，噪声隔离性要好。
发明内容
本发明的目的是发明一种节省投入、灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响的天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统。该天然气管道泄漏光纤监测系统采用一种具有高灵敏度的准分布式光纤传感泄漏振动监测方法，它是在具有一定间隔的管道本体上安装高灵敏度光纤干涉型泄漏光纤传感器，连续实时监测沿管道本体传播的振动波信号，对采集的振动波信号进行分析处理，包括类型识别和振动源定位，其中类型识别为通过对振动波特征的提取分析判别其是否属于泄漏类型，同时根据振动波传播到相邻几个光纤传感器的时间延迟结合振动波在管道本体上的传播速度实现对振动波源所在位置的确定，实现上述的对振动波信号分析处理后对泄漏事件进行报警同时提供泄漏点的位置信息。本发明在采用高灵敏度光纤传感器提高对泄漏事件监测灵敏度的基础上适当增加了光纤传感器的数量，扩展了可拾取监测信号的频段，并结合多个光纤传感器进行的时延估计定位方法保证了系统定位的准确性。在天然气管道泄漏光纤监测系统中，传感器是实现管道泄漏监测的关键，当管道发生泄漏时，泄漏激发的振动波将沿管道向泄漏点两侧传播。在管道本体上每隔一定距离安装一个传感器，用来监测管道上的泄漏振动波。传感器采用光纤干涉仪结构，可以为光纤迈克耳逊干涉仪或者光纤马赫曾德干涉仪作为泄漏振动波检测传感器，为了增加对泄漏振动的感应灵敏度可以通过增加传感光纤长度的方式，其输出的光强信号经光电转换后可以与成V0 1+Vcos (4) s+ 4)n+ 4) 0) +Vn (I)其中，Vtl是输出的电压信号，V是干涉仪的可视度，Vn是电路附加噪声，^为由泄漏振动波引起的相差信号，即为要探测的泄漏振动波信号，00为干涉仪的初始相位，是个常量，为位相差的低频漂移，是一个不确定量，随温度和外界环境影响而变化。通过与光源调制方式相匹配的解复用技术能够实现泄漏振动波信号的获取，并对该信号到达相应的传感器的时间延迟进行估计，结合振动波沿管道传播的速度V实现了对振动波源即泄漏点位置的确定。为了能准确定位管道泄漏的位置，天然气管道泄漏光纤监测系统采用了一种基于准分布式光纤传感技术天然气管道泄漏事件的多传感器定位方法，当管道泄漏事件发生时，泄漏激发振动波并沿管道向两相反方向传播，系统根据泄漏信号传播到相邻几个传感器的时延差实现对泄漏点的定位。当泄漏发生时，泄漏激发管道产生振动波，振动波以速度V沿管道传播，其中两个相邻的传感器间隔为设定值L，设信号传播至传感器n的时间为tn，传播至传感器n+1的时间为tn+1，信号传播至传感器n-1的时间为tn_i，传播至传感器n+2的时间为tn+2，有下式(2)成立X1 =—[L-vx(tn+l-tJ]Z2 =^[VX(H+1)]
! (2) x3=L--[vx(tn+2-tn)]
X4 =-[L-vx(tn+2-tn_1)]其中未知参量(tn+「tn)、(tn_「tn+1)、(tn+2-tn)和(Wtlri)可以通过对对应几个传感器接收到的信号进行相关处理得到，这样就形成了对事件发生位置X同一未知量的多次观测，联合连续多个传感器接收信号时间差，相比仅采用两个传感器的时间差测量方式具有更为准确的定位效果。该定位方法可以监测突发或已发泄漏信号，具有定位准确性好、性能稳定等优势。本发明采用的光纤传感器复用/解复用方法是综合频分复用和空分复用的方法，采用对可调激光器进行光频调制的方法产生泄漏探测光，使用迈克耳逊干涉仪或马赫曾德干涉仪作为泄漏传感器，传感器的布设结构是在天然气管道外壁上每隔一定距离安装一个泄漏传感器，多个传感器构成一个传感器组，每个传感器组的光信号使用一根光纤传回系统主机。其中每个传感器都制作成臂差不同的迈克耳逊干涉仪或马赫曾德干涉仪，使每个泄漏传感器所产生的传感光信号频率均不相同，由此利用频分复用原理可将每组的多个传感器不同频率的光信号复用在一根光纤中传回系统的接收端；而多个传感器组之间采用空分复用方式分别接入系统主机。接收到的每个传感器组的光信号使用单独的光电转换通道实现光信号到电信号的转换，转换后的传感信号使用带通滤波的分频方式获得传感器组内每个传感器的信号实现解复用，并采用相位载波技术解调出管道泄漏的原始声波信号，再经过泄漏信号的识别和定位分析，最终可准确获取管道泄漏点信息。泄漏声波信号的相位载波解调方法是将接收到的干涉信号，先进行带通滤波，一路输出与coMc^t)相乘后进行低通滤波与微分处理，另一路与Sin ( 4)相乘后进行低通滤波与微分处理；前一路的微分输出与后一路的低通滤波输出相乘后，再与后一路的微分输出与前一低通滤波输出相乘的结果相减，之后依次经积分、高通滤波处理，最终输出原始泄漏振动波信号(见图6)。天然气管道泄漏光纤监测系统的构成见图1，它包括光路复用结构的光路系统和电路两部分。光路系统包括光源和光路。系统方面，在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，各光纤传感器组共用一根发射光纤与光源连接，每个光纤传感器组使用一根回传光纤与光电探测器连接；光电探测器输出接包括泄漏信号识别和事件定位功能的信号采集与处理模块，信号采集与处理模块输出接微机。经信号采集与处理模块的处理，基于频分复用方式混合的传感器组信号实现了传感器组内各传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号。所述信号采集与处理模块包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口 ；光电探测器输出的信号依次串接信号调理、信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口；所述光路系统为调制信号模块发出的调制信号加在激光器上，激光器发出的光频随调制信号变化的激光进入发射光纤，到达每个传感器附近时，通过分束器分束，一束进入传感器，另一束向下一个传感器传输，以此类推，直至达到最后一个传感器，在最后一个传感器，激光不通过分束器，直接进入传感器；相邻的若干个传感器为一组，组内各传感器输出信号通过合束器进入回传光纤，每个传感器组使用一根回传光纤；回传光纤数量与传感器组数量相同。各传感器组的干涉光信号通过独立的回传光纤来传输，通过光电转换模块独立的通道实现信号的光电转换，转换之后的传感器组电信号由信号采集和处理模块采集、解复用，实现传感器组内各传感器信号的分离。其中传感器组的数量至少为I个，各传感器组均由若干个迈克耳逊干涉仪或马赫曾德干涉仪传感器构成，各传感器安装在管道外壁上，相邻两个传感器的间距为50m-2km,每2_10个传感器构成一个传感器组；各传感器的两个干涉臂不等长，存在一个臂长差，且传感器组内的各传感器的臂长不等长。利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中光纤作为发射和回传光纤，将管道泄漏光纤传感器通过光复用技术相互并联接在发射和回传光纤之间，形成光回路，管道泄漏光纤传感器安装在管道本体上，形成可监测管道泄漏振动的光纤传感系统。利用光源对各个管道泄漏光纤传感器扫描，基于法拉第旋转镜法，实现传感器组及组内个传感器的干涉信号的抗偏振衰落，提高并稳定了传感器及传感器组干涉信号的可视度和信噪比，使用光电转换模块将各传感器组的干涉光信号转换为电信号，每个传感器组对应一个独立的光电转换通道，由信号采集和处理模块采集各传感器组的干涉信号为数字信号，并可通过带通滤波的方法将组内各传感器的载波信号彻底分离，通过相位载波调制解调技术，解调出原始泄漏振动波信号；分析相邻几个传感器检测到的泄漏振动波信号的时延差，结合振动波在管道中传输速度，可实现泄漏点的定位。应用多传感器复用调制解调技术从而大大提高了传感器组内传感器的复用数量，减少了光纤的使用数量，在保持系统检测效果的前提下，降低了系统复杂程度和成本。本发明所对应的光路系统(见图2)主要是基于频分复用原理而设计，由光路适配器、传输光缆和光纤传感器三部分构成；光路适配器由光分束器和光合束器组成；光纤传感器采用马赫曾德干涉仪或迈克耳逊干涉仪(结构如图3);每个光纤传感器由两根光纤接光路适配器，所有光路适配器用传输光缆依次串接，由距接收端最近的光路适配器接系统主机。激光器发出的探测激光输入传输光缆中的输入光纤进入传感器组后到达第一个光路适配器，由该光路适配器的光分束器分为两束激光一束经输入光纤进入第一个光纤传感器，另一束光经延时光纤传到下一个光路适配器，再由下一个光路适配器中的光分束器分为两束激光，一束进入第二个光纤传感器，另一束再经传输光纤传输到下一个光路适配器，以此类推，直到激光到达最后一个光纤传感器 ’每2-10个相邻的光纤传感器分为一组，组内各光纤传感器的干涉信号通过光合束器接入回传光纤，传回到系统接收端；在传感器组的最后一个光纤传感器，激光不再通过光路适配器，直接进入光纤传感器；而经过各光纤传感器后的光信号，通过各自相应的光路适配器中的光合束器，与后面传过来的光信号合束，最终经输出光纤传至监测系统的光电转换模块。其中，光路适配器集合了光分束器和光合束器；输入光纤与输出光纤使用的是同一根传输光缆中的两根不同的纤芯；传输光缆将所有光路适配器串联起来；管道上相邻的两个传感器之间的发射光纤和回传光纤的长度均要大于激光器相干长度的1/2，以防止传感器之间发生信号串扰。本发明采用了一种适合光波复用以及调制解调的专用光源系统。该光源系统由光频可调的激光器和专用调制信号发生模块构成(见图4);调制信号发生模块中的产生的信号通过D/A输出，接激光器调制信号输入端；调制信号发生模块输出信号有频率调节、幅度调节和锯齿波/倒锯齿波选择输入，通过编程可选择如锯齿波或倒锯齿波调制信号类型，调整设置信号幅度和频率；调制信号作用在激光器上，可输出光频按照调制信号变化的连续激光。当光频按锯齿波或倒锯齿波规律变化的激光注入后，每个光纤传感器输出的干涉信号为近似单频的余弦信号，此干涉信号作为泄漏声波信号的载波信号，传感器的臂长差 不同，对应的信号载波频率也将不同；另外，调节调制信号的幅度和频率，干涉仪的载波频率也将变化，由此实现传感器的复用、形成多个传感器的信号载波。光源中的激光器采用光频可调制的半导体激光器，调制信号作用在激光器注入电流上，实现光频的调制；激光器光功率10-20mW，相干长度400-500m，可满足传感器干涉仪臂差和相邻两个传感器干涉仪之间延迟光纤的要求；调制信号模块输出到激光器的调制信号为锯齿波信号或倒锯齿波信号，频率不小于待检测泄漏声波信号频率的两倍；在注入锯齿波或倒锯齿波光频调制激光时，各传感器输出的干涉信号为近似单频余弦信号，传感器组输出的干涉光信号为传感器组内各传感器输出的近似单频余弦信号的叠加，其频谱由多个独立的谱线组成，谱线数量与传感器组内传感器数量相同。其中调制信号发生模块采用数字调制电路，即通过数字方式根据波型、信号幅度、频率参数计算获得一个周期的调制信号片断，然后通过数模转换(D/A)方式输出，输出的模拟调制信号连接到激光器上，其中通过参数配置可选择如锯齿波或倒锯齿波调制信号类型，可调整设置信号幅度、直流偏置和频率；调制信号发生模块输出的锯齿波或倒锯齿波信号要求幅度最大为±5V，频率最大为200KHZ ;调制后的激光器输出光频随调制信号波形同步变化的激光，输入到传感光路中，可实现传感器的复用、形成多个传感器的信号载波。光源中调制电路如图5所示，它主要由运算放大器U7、DFB激光器U8、运算放大器U9和2个三极管Q4、Q5组；U7的7端接VDC，6端接电阻R18后与二极管D8、电容C41串联后与电容C38并联的电路再串联，6端接电阻R19后接VDC，同时再接二极管D4、D5、D6、D7的串联到地，4、7、8、9、10端接地，3端经电阻R17后接地，2端与接U8的端；U8的1、14端接地，12端经电容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端经扼流圈L3与电阻R20串联后接三极管Q4的集电极，同时3端经扼流圈L3与电阻R21串联后接三极管Q5的集电极；U9的1、2端之间并联电阻R22和电容C39后由I端接电阻R25到6端，Pdne接电阻R30再串联电阻R27接U9的3端，同时接Pdne的电阻R30与电位器阻R31、电阻R32、电容C43三者并联后串联接地，5端经电阻R24接VREF，7端经电阻R28与8端经电阻R26共接电容C45到地；从电容C45的上端接出经二极管D11、D12至Q4的基极，同时基极接电容C44到地，同时经二极管DlO与电阻R29串联也到地，Q4的基极接Q5的基极，而Q4、Q5的发射极接地。相对该光源系统的调制原理，本系统采用的光纤传感器复用/解复用方法的振动波解调原理框图见图6，干涉信号输出接带通滤波，带通滤波输出一路与coMc^t)相接(相乘)后接第一低通滤波，该低通滤波输出接第一微分电路，另一路与相接，相乘后接第二低通滤波，该低通滤波输出接第二微分电路；第一微分电路输出与第二低通滤波输出相接，相乘后再与第二微分电路输出与第一低通滤波输出相接，相乘后再相接，相减后依次经积分、高通滤波，输出声波信号。所述信号采集与处理模块的构成见图8，它包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口 ；接光电探测器输出的信号依次串接信号调理器、信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口；
其中调理电路如图9所示，它主要由运算放大器U14、光电二级管U15组成；U15的1、5、8端悬空，3、4端接地，2端经电阻R39、电容C60 二者并联后接6端，6端经电阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端悬空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_OUT 口，2端经电阻R42接地，1、2端之间接电阻R40、电容C59 二者的并联；在信号采集和处理模块中，通过带通滤波方法，将传感器组内各传感器的干涉信号从传感器组信号中分离出来，实现解复用；滤波器中心频率为该传感器干涉信号主频率，带宽为锯齿波频率，从传感器组干涉信号中将各传感器的载波信号分离出来，分理出来的载波信号为近似单频余弦信号，使用相位载波调制解调方法可以解调出原始泄漏声波信号，计算相邻两个传感器检测到的泄漏声波信号的时延差，结合泄漏声波在管道上的传播速度，即可获得泄漏位置。本发明的效果和优点是，基于该复用/解复用方法的天然气管道泄漏检测系统，使用较少的光纤芯数，即可实现全无源的天然气管道泄漏检测，具有灵敏度高、传感器无需供电、本质防暴、定位准确、节省光纤资源的优点，可为天然气管道泄漏监测提供有效的监测手段。
图1天然气管道泄漏光纤监测系统图2天然气管道泄漏光纤监测系统的光路结构3迈克耳逊干涉仪结构示意4天然气管道泄漏光纤监测系统的光源系统原理5天然气管道泄漏光纤监测系统的光源调制电路6天然气管道泄漏光纤监测系统振动波解调原理框7光路适配器结构和传输光路8信号采集与处理模块原理框9信号采集与处理模块中信号调理电路图
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。实施例.本例是针对天然气管道泄漏光纤监测系统传感器所设计的实施例，故需在该监测系统实施例的基础上进行。该监测系统构成如图1所示，在管道本体上每隔1. 5km安装一个光纤传感器，共计安装10个传感器，前5个传感器和后5个传感器分别构成一个传感器组，各光纤传感器组共用一根发射光纤与光源连接，每个光纤传感器组使用一根回传光纤与光电探测器连接；光电探测器输出接包括泄漏信号识别和事件定位功能的信号采集与处理模块，所述信号采集与处理模块包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口 ；光电探测器输出的信号依次串接信号调理、信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口。信号采集与处理模块输出接微机。经信号采集与处理模块的处理，基于频分复用方式混合的传感器组信号实现了传感器组内各传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号。该系统光路(见图2)是基于频分复用原理而设计，每个光纤传感器由两根光纤接光路适配器，所有光路适配器用传输光缆依次串接，由距接收端最近的光路适配器接系统主机；具体光路由光路适配器、传输光缆和光纤传感器三部分构成；光路适配器由光分束器和光合束器组成；光纤传感器采用迈克耳逊结构的干涉仪。其中各光器件间的具体联系如图7所示，光源发出的探测光经过传输光纤15进入光路适配器中的分束器11，该分束器11采用分光比为9 1，其中比例为9的输出光继续沿延时光纤4传播，直至光路适配器2，而输出比例为I的输出光进入第一个传感器21，传感器21采用迈克尔逊干涉仪结构，臂差为5m，将该干涉仪一个臂上3m长光纤绕制在橡胶材料的弹性体上，弹性体紧贴管道壁，采用防护罩固定；光路适配器2中的分束器12采用8 I的分光比，其中比例为8的输出光继续沿延时光纤传播至下一个光路适配器，而输出比例为I的输出光进入第二个传感器22，该传感器同样采用迈克尔逊干涉仪结构并且控制干涉仪臂差在7. 5m,将一个臂上3m长的光纤绕制在橡胶材料的弹性体上，弹性体紧贴管道壁固定；以此类推，其余传感器臂长差分别为10m、12. 5m、15m,相应的适配器内的分束器分光比分别为7 1、6 1、5 1、4 1、3 : 1、2 : 1、1 : 1，到最后一个传感器时，激光经延时光纤后直接进入传感器；第一个传感器组内的传感器21-24的输出分别与前四个适配器内的合束器与一根回传光纤连接，4个合束器的分光比分别是4 : 1、3 : 1、2 :1、1:1,各传感器均与合束器比例为I的输入端连接，传感器25输出连接回传光纤，然后再连接第四个适配器内的合束器；类似地，第二个传感器组内的五个传感器的臂长差分别为5m、7. 5m、10m、12. 5m、15m,同样通过适配器内的合束器与另一根回传光纤连接,合束器分光比分别是4 : 1、3 : 1、2 1、1 I ;两个传感器组共使用两个回传光纤分别与光电转换模块的两个转换通道连接；每个传感器之间的距离精确测定，根据光传播时间控制光源输出；当第一个传感器与第二个传感器之间的管道发生泄漏时，泄漏引发的振动波沿管道传播经过一定的时间分别被两传感器拾取，通过回传光纤传入系统光电转换模块，最终系统根据传感器接收到泄漏信号的时间差并结合振动波在管道中的传播速度可以实现泄漏点的定位。本实施例中系统光源由光频可调的激光器和专用调制信号发生模块构成；光源所加调制信号为频率10kHz、幅度±1. 4V的锯齿波信号，第一个传感器组输出的干涉信号频谱主要由40kHz、60kHz、80kHz、100kHz、120kHz五条谱线构成；分别使用中心频率为40kHz、60kHz、80kHz、100kHz、120kHz，带宽均为4. 5kHz的带通滤波器对干涉信号进行滤波，得到五个传感器的载波信号，对应的主频率分别为40kHZ、60kHZ、80kHZ、100kHZ、120kHz ;对五个载波信号使用同频的余弦和正弦信号进行解调，获得五个传感器的泄漏振动波信号。其中光源调制电路如图5所示，它主要由运算放大器U7、DFB激光器U8、运算放大器U9和2个三极管Q4、Q5组;U7的7端接VDC，6端接电阻R18后与二极管D8、电容C41串联后与电容C38并联的电路再串联，6端接电阻R19后接VDC，同时再接二极管D4、D5、D6、D7的串联到地，4、7、8、9、10端接地，3端经电阻R17后接地，2端与接U8的端；U8的1、14端接地，12端经电容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端经扼流圈L3与电阻R20串联后接三极管Q4的集电极，同时3端经扼流圈L3与电阻R21串联后接三极管Q5的集电极；U9的1、2端之间并联电阻R22和电容C39后由I端接电阻R25到6端，Pdne接电阻R30再串联电阻R27接U9的3端，同时接Pdne的电阻R30与电位器阻R31、电阻R32、电容C43三者并联后串联接地，5端经电阻R24接VREF，7端经电阻R28与8端经电阻R26共接电容C45到地；从电容C45的上端接出经二极管D11、D12至Q4的基极，同时基极接电容C44到地，同时经二极管DlO与电阻R29串联也到地，Q4的基极接Q5的基极，而Q4、Q5的发射极接地；信号采集与处理模块的构成见图8，它包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口 ；接光电探测器输出的信号依次串接信号调理器、信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口 ；调理电路如图9所示，其中运算放大器U14选AD8572 ;光电二级管 U15 选 0PA380AID。本例经多次试验，采用光纤监测传感器的复用/解复用方法和系统，以少的投入同样能够实现对沿管道传播的任何扰动行为的监测，经过对信号分析处理以及智能识别能够实现对泄漏事件报警并给出泄漏点位置，系统灵敏度高，通过对泄漏的智能识别极大程度上降低了偶发事件导致的系统虚警率。
权利要求
1.一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，其特征是它包括光路复用结构的光路系统和电路两部分，光路系统包括光源和光路；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，每个传感器通过分束器与发射光纤连接，发射光纤与激光器连接；多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，组内每个传感器通过合束器与一根回传光纤连接，每个传感器组使用一根回传光纤传回光电探测器；光电探测器输出接包括泄漏信号识别和事件定位功能的信号采集与处理模块，信号采集与处理模块输出接微机； 经信号采集与处理模块的处理，基于频分复用方式混合的传感信号实现了传感器组内各传感器信号的解复用和解调，获得原始泄漏振动波信号；再由信号采集与处理模块进行泄漏信号的识别与分析，最终依据泄漏信号的时延估计实现泄漏点的定位。
2.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，其特征是所述光路系统具体是激光器发出的探测激光输入传输光缆中的发射光纤进入传感单元组后到达第一个光路适配器，由该光路适配器的光分束器分为两束激光一束经输入光纤进入第一个光纤传感单元，另一束光经发射光纤传到下一个光路适配器，再由下一个光路适配器中的光分束器分为两束激光，一束进入第二个光纤传感单元，另一束再经发射光纤传输到下一个光路适配器，以此类推，直到激光到达最后一个光纤传感单元，到达最后一个传感单元时，无需光分束器，直接进入光纤传感单元；每2-10个相邻的光纤传感器分为一组，组内各光纤传感器的干涉信号通过各自光路适配器内的光合束器接入回传光纤，与后面传过来的光信号合束，通过传输光路中的回传光纤传回到系统光电探测器； 所述光路适配器集合了光分束器和光合束器；发射光纤与回传光纤使用的是同一根传输光缆中的两根不同的光纤；传输光缆将所有光路适配器串联起来；管道上相邻的两个传感单元之间的发射光纤和回传光纤的长度之和均要大于激光器相干长度的1/2。
3.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，其特征是所述光源是一种包括适合复用和调制解调的专用光源系统，由光频可调的激光器和专用调制信号发生模块构成；调制信号发生模块中的D/A输出接激光器调制出入；调制信号发生模块输出的调制信号具有频率调节、幅度调节和锯齿波/倒锯齿波选择输入功能；调制信号作用在激光器，输出光频随调制信号波形同步变化的激光。
4.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，其特征是所述信号采集和处理模块包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口 ；接光电探测器输出的信号调理输出依次串接信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口； 信号采集和处理模块通过带通滤波方法，将传感器组内各迈克耳逊干涉仪的干涉信号从传感器组信号中分离出来，实现解复用；滤波器中心频率为该传感器干涉信号主频率，带宽为锯齿波频率，从传感器组干涉信号中将各传感器的载波信号分离出来，分理出来的载波信号为近似单频余弦信号，使用相位载波调制解调方法解调出原始泄漏声波信号，计算相邻两个传感器检测到的泄漏声波信号的时延差，结合泄漏声波在管道上的传播速度，即可获得泄漏位置。
5.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，其特征是所述各传感器的两个干涉臂不等长，存在一个臂长差，且传感器组内的各传感器的臂长不等长；所述传感器组的数量至少为I个，各传感器组均由若干个迈克耳逊干涉仪或马赫曾德干涉仪传感器构成，各传感器安装在管道外壁上，相邻两个传感器的间距为50m-2km，每2-10个传感器构成一个传感器组。
6.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，其特征是所述调制信号发生模块采用数字调制电路，调制信号发生模块输出的锯齿波或倒锯齿波信号要求幅度最大为±5V，频率最大为200KHz。
7.根据权利要求3或6所述的一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统，其特征是调制信号发生模块的光源调制电路主要由运算放大器U7、DFB激光器U8、运算放大器U9和2个三极管Q4、Q5组;U7的7端接VDC，6端接电阻R18后与二极管D8、电容C41串联后与电容C38并联的电路再串联，6端接电阻R19后接VDC，同时再接二极管D4、D5、D6、D7的串联到地，4、7、8、9、10端接地，3端经电阻R17后接地，2端与接U8的端；U8的1、14端接地，12端经电容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端经扼流圈L3与电阻R20串联后接三极管Q4的集电极，同时3端经扼流圈L3与电阻R21串联后接三极管Q5的集电极；U9的1、2端之间并联电阻R22和电容C39后由I端接电阻R25到6端，Pdne接电阻R30再串联电阻R27接U9的3端，同时接Pdne的电阻R30与电位器阻R31、电阻R32、电容C43三者并联后串联接地，5端经电阻R24接VREF，7端经电阻R28与8端经电阻R26共接电容C45到地；从电容C45的上端接出经二极管D11、D12至Q4的基极，同时基极接电容C44到地，同时经二极管DlO与电阻R29串联也到地，Q4的基极接Q5的基极，而Q4、Q5的发射极接地。
全文摘要
本发明是一种天然气管道泄漏光纤监测传感器的复用/解复用系统。它包括光路复用结构的光路系统和电路两部分，光路系统包括光源和光路；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，每个传感器通过分束器与发射光纤连接，发射光纤与激光器连接；多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，组内每个传感器通过合束器与一根回传光纤连接，每个传感器组使用一根回传光纤传回光电探测器；光电探测器输出接包括泄漏信号识别和事件定位功能的信号采集与处理模块，信号采集与处理模块输出接微机。它节省投入、灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响。
文档编号F17D5/02GK102997047SQ201110271929
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者张金权, 王小军, 王历军, 王飞, 赵锋, 张俊扬, 谢侃, 沈冰, 索娜, 于震红 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局