专利名称：一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统的制作方法
一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统技术领域
本发明是一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统，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. O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。而作为分布式光纤传 感监测系统中的管道泄漏振动波传播速度测定系统同样也是具有很高的系统虚警率，抗干 扰能力较差。发明内容
本发明的目的是发明一种基于光纤传感的高灵敏度准分布式泄漏振动监测系统 的灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响的天然气管道泄漏振动波传播速度 测定系统。
鉴于上述几类泄漏检测、监测技术存在的灵敏度低、虚警率高、易受环境因素影响 等问题，本发明是用基于准分布式光纤干涉传感技术的天然气管道泄漏监测系统，即采用 高灵敏度传感单元并结合泄漏事件的时域、频域特征，对泄漏振动波传播速度进行测定。
本天然气管道泄漏振动波传播速度测定方法是建立在光纤传感的天然气管道泄 漏监测方法的基础上；用天然气管道泄漏监测系统，选择某一个已知传感单元点通过敲击 管道等形式模拟管道泄漏引发振动，依据工程施工和验收资料中使用的管道段的数量，对 传播到两个相邻的传感单元的泄漏信号进行时延估计并结合已知的管道长度实现对泄漏 振动波速度的测定，准确给出当前测试点距离两个相邻的传感单元点的距离，将该模拟测 试点位置X代入x = L-[vX (tn+2-tn)]/2,反解出v = 2(L-X)/(tn+2-tn),实现根据已知的 传感单元间隔距离和测定的信号传播时间测定振动波沿管道传播的速度。式中L是两个相 邻的传感单元点之间的距离；X为距离第一个传感单元点(距离起始点)的距离，V是泄漏 振动波的传播速度。
利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中光纤分别作为收、发传输光纤，将管 道泄露光纤传感探头通过光复用技术相互并联接在收发传输光纤之间，形成光回路，管道 泄露光纤传感探头均匀布设在管道沿线，形成可监测管道声震动的光纤传感系统。利用光 源对各个管道泄露光纤传感探头扫描，根据管道泄露光纤传感探头的分布情况对采集的光 电转换信号解调、提取，实现各个管道泄露光纤传感探头的振动信息获取，检测分析管道泄 露光纤传感探头信号判断是否有管道泄露事件发生，依据相邻的管道泄露光纤传感探头检 测到信号的到达时间延迟实现管道泄漏振动波传播速度的测定。
本天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统是融在基于光纤传感的天然气管道 泄漏监测系统中的。所以，本天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统就是基于光纤传感 的天然气管道泄漏监测系统。
基于光纤传感的天然气管道泄漏监测系统的构成见图1，它包括光路系统和电路 两部分；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感单元，多个光纤传感单元构成一个 光纤传感器组，每个光纤传感器组用一根光纤接一串接在光纤中的分束器后到接收端的光 源和光电探测器，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，所述信号采集与处理模块包括信号调理器、信号采集器、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器输出依次串接信号采集器和处理单元，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。
由光源发出激光，经传输光路实现分束后，部分光被传输到安装在管道壁上的光 纤传感器组，光纤传感器组拾取沿管道传播的泄漏振动信号以及噪声后，再次经传输光路 传回至系统的光电探测器，由信号采集与处理模块进行泄漏信号解调与识别分析，并对泄 漏信号进行时延估计实现对泄漏点的定位。
本天然气管道泄漏监测系统的光路系统(见图4)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单兀三部分构成；光路适配器由光分束器和光合束 器组成；光纤传感单元采用马赫曾德干涉仪或迈克耳逊干涉仪；每个光纤传感器由两根光 纤接一光路适配器，所有光路适配器依次串接，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单元，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光合束器接入回传光纤，传回到系统接收 端；在传感单元组的最后一个光纤传感单元，激光不再通过光路适配器，直接进入光纤传感 单元；而经过各光纤传感单元后的光信号，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 两个传感单元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 传感单元之间发生信号串扰。
所述光路系统中各光器件间的具体连系如图5所示，它由光路适配器、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；光源发出的泄漏探测光经过传输光纤I 5进入光路适配器 中的分束器I 1，该分束器I I采用分光比为24 1，其中比例为24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的输出光经连接光纤进入第一个传感单 元2，传感单元2采用马赫曾德干涉仪结构，为了保证传感单元具有一定的灵敏度控制干涉 仪臂差在20m，该干涉仪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； 每个传感单元之间的距离精确测定，根据光传播时间控制光源输出；光路适配器2中的分 束器I采用23 I的分光比，其中比例为23的输出光继续沿输入光纤传播直至遇到下一 个光路适配器，而输出比例为I的输出光经连接光纤进入第二个传感单元2，该传感单元同 样采用马赫曾德干涉仪结构并且控制干涉仪臂差在20m，绕制在橡胶材料的弹性体上，弹性 体紧贴管道壁固定；当第一与第二个传感单元2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单元拾取，通过传输光纤5传入系统光电转换 模块，最终系统根据传感单元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；
由监测光路返回的光信号首先进入系统的光电探测器中，进行光电转换，之后进 入信号采集处理模块进行处理，其过程是首先经过调理电路进行信号调理，接着经过A/D 集电路采集，然后送入信号处理单元进行信号滤波与解调处理，获取原始泄漏振动波信号， 最后对泄漏信号进行信号识别与定位分析，并将分析结果显示于终端，信号采集处理模块 原理如图6所示；
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(见图2);激光器输入接调制信号发生模块中的D/A输出 器，D/A输出器接信号发生器，信号发生器有频率调节、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，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，实现 传感单元的复用、形成多个传感单元的信号载波；
其中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l_17mW，激光器相干长度大于所有传感器干涉仪臂长 差，但小于相邻两个干涉仪之间发射光纤和回传光纤上的延迟光纤长度之和，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；
其中调制信号发生模块采用数字方式实现，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，可实现传感单元的复用、形成多个传感单元的信号载 波；
其中光源调制电路如图3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L 3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；
所述信号采集与处理模块的构成见图6，它包括信号调理器、信号采集器、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器输出依次串接信号采集器和处 理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口 ；
其中信号调理器电路如图7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_0UT 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；
本发明是基于泄漏振动准分布式光纤传感的管道泄漏监测装置和方法，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 现光纤振动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 为密集地布设光纤振动传感单元，多传感单元联合进行时延估计，提高对天然气管道泄漏 振动波传播速度测定精度。
图1光纤传感天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统原理图
图2光频可调型光源的调制原理图
图3光源调制电路图
图4光纤传感天然气管道泄漏监测系统光路系统
图5光路适配器结构和传输光路图
图6信号采集与处理模块结构图
图7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.本例所用的光纤传感的天然气管道泄漏监测系统的构成见图1，它包括 光路系统和电路两部分；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感单元，多个光纤传 感单元构成一个光纤传感器组，每个光纤传感器组用一根光纤接一串接在光纤中的分束器 后到接收端的光源和光电探测器，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，所述信号采集与处理模块包括信号调理器、信号采集器、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器输出依次串接信号采集器和处理单 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。
本例在管道本体上每隔一定距离如5km安装一个光纤传感器，3个光纤传感器构 成一个光纤传感器组，每个光纤传感器组用一根光纤接到接收端的光源和光电探测器，光 电探测器输出接包括泄漏信号识别装置和事件定位装置的信号采集与处理模块，信号采集 与处理模块输出接微机。
本例的光路系统(见图4)是基于频分复用原理而设计，每个光纤传感器由两根光 纤接一光路适配器，所有光路适配器依次串接，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单元三部分构成；光路适配器由光分束器和 光合束器组成；光纤传感单元采用马赫曾德干涉仪或迈克耳逊干涉仪。
所述光路系统中各光器件间的具体连系如图5所示，光源发出的泄漏探测光经过 传输光纤I 5进入光路适配器中的分束器I I,该分束器I I米用分光比为24 :1,其中比例为24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的输出光经连 接光纤进入第一个传感单元2，传感单元2采用马赫曾德干涉仪结构，为了保证传感单元具 有一定的灵敏度控制干涉仪臂差在20m，该干涉仪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；每个传感单元之间的距离精确测定，根据光传播时间控制光源输 出；光路适配器2中的分束器I采用23 :1的分光比，其中比例为23的输出光继续沿输入 光纤传播直至遇到下一个光路适配器，而输出比例为I的输出光经连接光纤进入第二个传 感单元2，该传感单元同样采用马赫曾德干涉仪结构并且控制干涉仪臂差在20m，绕制在橡 胶材料的弹性体上，弹性体紧贴管道壁固定；当第一与第二个传感单元2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单元拾取，通过传输 光纤5传入系统光电转换模块，最终系统根据传感单元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；
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(见图2);激光器输出接调制信号发生模块中的D/A输出 器，D/A输出器接信号发生器，信号发生器有频率调节、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，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，实现 传感单元的复用、形成多个传感单元的信号载波；
其中光源调制电路如图3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；
其中
运算放大器U7选AD623 ；
激光器U8选内调制半导体光源；
运算放大器U9选AD8572 ；
三极管Q4、Q5 选 NPN9014 ；
所述信号采集与处理模块的构成见图6，它包括信号调理器、信号采集器、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器输出依次串接信号采集器和处 理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口 ；
其中信号调理器电路如图7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_0UT 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；
其中
运算放大器U14选AD8572 ；
光电二级管U15 选 0PA380AID ；
光源采用IOOkHZ线宽的窄线宽光纤激光器，激光器输出接分束器1，分束器I采用分光比为24 1，其中比例为24的输出继续沿传输光路传播直至遇到分束器2，分束器I 输出比例为I的输出端经连接光纤进入传感单元1，传感单元I采用马赫曾德干涉仪结构， 为了保证传感单元具有一定的灵敏度控制干涉仪臂差在20m，该干涉仪绕制在橡胶材料的弹性体上，弹性体紧贴管道壁固定。分束器2采用23 I的分光比，其中比例为23的输出继续沿传输光路传播直至遇到下一个分束器3，分束器2输出比例为I的输出端经连接光纤进入传感单元2，传感单元2同样采用马赫曾德干涉仪结构并且控制干涉仪臂差在20m，绕制在橡胶材料的弹性体上，弹性体紧贴管道壁固定。当传感单元I和传感单元2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传感单元I和2拾取， 根据传感单元I和2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。
在沿管道方向上设置多个传感点，每个传感单元之间的距离精确测定，根据光传播时间控制光源输出。
当传感单元η和传感单元η+1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传感单元η-1、η、η+1和η+2拾取，根据相邻多个传感单元接收到泄漏信号的时间差，就可测定振动波在管道中的传播速度。
用此系统，选择某一个已知传感单元点通过敲击管道等形式模拟管道泄漏引发振动，依据工程施工和验收资料中 使用的管道段的数量，对传播到两个相邻的传感单元的泄漏信号进行时延估计并结合已知的管道长度实现对泄漏振动波速度的测定，准确给出当前测试点距离两个相邻的传感单元点的距离，将该模拟测试点位置X代入Χ = L- [ν X (tn+2-tn) ] /2，反解出V = 2 (L-X) / (tn+2-tn)，实现根据已知的传感单元间隔距离和测定的信号传播时间测定振动波沿管道传播的速度V。式中L是两个相邻的传感单元点之间的距离；X为距离第一个传感单元点(距离起始点)的距离，ν是泄漏振动波的传播速度。
本例经多次试验，通过在管道壁上安装泄漏振动敏感干涉型传感单元不但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天然气管道泄漏振动波传播速度的测定，且系统灵敏度高、准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响。
权利要求
1.一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统，其特征在于它包括光路系统和电路两部分；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感单元，多个光纤传感单元构成一个光纤传感器组，每个光纤传感器组用一根光纤接一串接在光纤中的分束器后到接收端的光源和光电探测器，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，所述信号采集与处理模块包括信号调理器、信号采集器、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器输出依次串接信号采集器和处理单元，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； 由光源发出激光，经传输光路实现分束后，部分光被传输到安装在管道壁上的光纤传感器组，光纤传感器组拾取沿管道传播的泄漏振动信号以及噪声后，再次经传输光路传回至系统的光电探测器，由信号采集与处理模块进行泄漏信号解调与识别分析，并对泄漏信号进行时延估计实现对泄漏点的定位。
2.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统，其特征是所述光路系统是基于频分复用原理，由光路适配器、传输光缆和光纤传感单元三部分构成；光路适配器由光分束器和光合束器组成；光纤传感单元采用马赫曾德干涉仪或迈克耳逊干涉仪；每个光纤传感器由两根光纤接一光路适配器，所有光路适配器依次串接，由距接收端最近的光路适配器接系统主机。
3.根据权利要求1或2所述的一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统，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输入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单元，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光合束器接入回传光纤，传回到系统接收端；在传感单元组的最后一个光纤传感单元，激光不再通过光路适配器，直接进入光纤传感单元；而经过各光纤传感单元后的光信号，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； 所述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单元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。
4.根据权利要求3所述的一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统，其特征是所述光路系统中各光器件间的具体连接为光源发出的泄漏探测光经过传输光纤(5)进入光路适配器中的光分束器(I)，该光分束器(I)采用分光比为24 1，其中比例为24的输出光继续沿延时光纤⑷传播，直至光路适配器(2)，而输出比例为I的输出光经连接光纤进入第一个传感单元(2)，传感单元(2)采用马赫曾德干涉仪结构，控制干涉仪臂差在20m，该干涉仪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；每个传感单元之间的距离精确测定，根据光传播时间控制光源输出；光路适配器⑵中的光分束器⑴采用·23 I的分光比，其中比例为23的输出光继续沿输入光纤传播直至遇到下一个光路适配器，而输出比例为I的输出光经连接光纤进入第二个传感单元(2)，该传感单元同样采用马赫曾德干涉仪结构并且控制干涉仪臂差在20m，绕制在橡胶材料的弹性体上，弹性体紧贴管道壁固定。
5.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统，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；激光器输入接调制信号发生模块中的D/A输出器，D/A输出器接信号发生器，信号发生器有频率调节、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，输出光频随调制信号波形同步变化的激光；激光器光功率l_17mW，激光器相干长度大于所有传感器干涉仪臂长差，但小于相邻两个干涉仪之间发射光纤和回传光纤上的延迟光纤长度之和。
6.根据权利要求5所述的一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统，其特征是所述专用调制信号发生模块主要由运算放大器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端经电阻町7后接地，2端与接现的端；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。
7.根据权利要求1所述的一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统，其特征是所述信号调理器电路主要由运算放大器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。
全文摘要
本发明是一种天然气管道泄漏振动波传播速度测定系统。它包括光路系统和电路两部分；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感单元，多个光纤传感单元构成一个光纤传感器组，每个光纤传感器组用一根光纤接一串接在光纤中的分束器后到接收端的光源和光电探测器，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，所述信号采集与处理模块包括信号调理器、信号采集器、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器输出依次串接信号采集器和处理单元，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。它灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响。
文档编号F17D5/02GK102997053SQ20111027206
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, 李 东, 焦书浩, 王飞, 刘素杰, 赵锋, 郭戈, 杨文明, 闫会朋 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局