专利名称：一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种用于准确定位管道泄漏点位置的光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位方法和系统，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。
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灵敏度高、虚警率低、定位准确的光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位方法和系统。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，本发明是提供一种基于光纤传感的高灵敏度准分布式泄漏事件监测定位方法和系 统，采用高灵敏度传感器使得可以在当管道发生微漏、渗漏等泄漏初级阶段时被及时监测至IJ，并结合泄漏事件信号传播到相邻几个传感器的时间延迟准确计算出泄漏事件发生的位置，该技术方案克服了此前监测技术中的准确性差和安装工艺复杂的不足，定位准确。利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中的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布设在管道上，形成可监测管道泄漏震动的光纤传感系统。利用光源对各个管道泄漏光纤传感器扫描，根据管道泄漏光纤传感器的分布情况对采集的光电转换信号解调、提取，实现各个管道泄漏光纤传感器的振动信息获取，检测分析管道泄漏光纤传感器信号判断是否有管道泄漏事件发生，依据相邻的管道泄漏光纤传感器检测到信号的时延差实现对泄漏点的定位。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研制的适用于天然气管道的光纤泄漏检测装置，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器，提高泄漏点的定位精度。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，可以通过增加传感光纤长度的方式，来增加对泄漏振动的感应灵敏度，干涉仪输出的光强信号经光电转换后可以写成V0 1+νοο8(Φ ,+ Φη+Φ0)+νη(1)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，Φο为干涉仪的初始相位，是个常量，φη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。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η的时间为tn，传播至传感器η+1的时间为tn+1，信号传播至传感器η-l的时间为V1，传播至传感器η+2的时间为tn+2，有下式成立X1 =—[L-vx(tn+l-tJ]Z2 =^[VX(H+1)](2)
权利要求
1.一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位方法，其特征是它利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中的两根光纤分别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并联接在收发传输光纤之间，形成光回路，管道泄漏光纤传感单元均匀布设在管道本体上，形成可监测管道泄漏振动的光纤传感系统；由光源发出激光，经传输光路传输到达每一个传感器附近时，通过分束器分束后，进入安装在管道本体上的传感器，各传感器拾取沿管道传播的泄漏振动信号后，再次经合束器进入传输光路传回至系统的光电探测器部分，对采集的振动信号进行分析处理，获得振动波传播到泄漏点附近四个传感器的时延差，结合振动波在管道本体上的传播速度实现对泄漏点的定位；传感器采用光纤干涉仪结构，为光纤迈克耳逊干涉仪或者光纤马赫曾德干涉仪的形式，其输出的光强信号经光电转换后可以写成 V0 1+Vcos ( Φ s+ Φ η+ Φ O) +Vn 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，Φ O为干涉仪的初始相位，是个常量，φη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和解调技术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延差进行估计，结合振动波沿管道传播的速度V实现对振动波源即泄漏点位置的确定。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位方法，其特征是当泄漏发生时，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η的时间为tn，传播至传感器η+1的时间为tn+1，信号传播至传感器η-l的时间为V1，传播至传感器η+2的时间为tn+2，有下式成立=^[Z_VX(U )]=-[vx(/ _1 -/ +1)] (2) =^--[vx(/ +2 -/ )] =-[L~VX(tn+2~tn-l)] 其中未知参量(tn+1_tn)、(1^-tg)、(tn+2_tn)和(U2-1^1)分别是泄漏振动波到达传感器η和η-l、传感器η+1和η_1、传感器η和η+2、传感器η_1和η+2的时延差,可以通过对对应几个传感器接收到的信号进行相关分析得到，这样就形成了对同一未知量事件发生位置X的四次检测，测量值分别为Xp X2> X3、X4，对这四次测量值取统计平均值，即得到最终的测量值X ;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。
3.一种用于权利要求1所述方法的一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位系统，其特征是它包括有光源、传输光路部分、光纤传感器、光电探测器、信号采集与处理模块；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，各传感器通过传输光路连接到光源和光电探测器，光电探测器输出依次串接信号采集与处理模块中的信号调理单元、信号采集单元和处理单元；处理单元输出有显示终端和外部接口 ；信号采集与处理模块输出通过外部接口接微机； 处理单元对采集单元采集的信号进行解复用和解调获得原始振动波信号，然后在识别电路和定位电路中分别进行泄漏信号的识别和泄漏点的定位。
4.根据权利要求3所述的一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位系统，其特征是所述信号采集与处理模块包括信号调理单元、信号采集单元、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单元输出依次串接信号采集单元和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口 ；所述处理单元包括泄漏信号识别电路和定位电路。
5.根据权利要求4所述的一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位系统，其特征是所述调理单元主要由运算放大器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。
6.根据权利要求4所述的一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位系统，其特征是所述处理单元中的泄漏信号识别电路主要由数字信号处理器UlB及外围电路组成，UlB的NC1-NC15管脚悬空；AVDD、AGND为模拟电源输入，AVDD通过磁珠FERl接1. 3V电源，并在AVDD和AGND间并联3个电容C22、C23、C24进行去耦滤波；DAI1、DAI3、DAI4分别与定位电路数字信号处理器UlO的DROPR1、RSCLKO、RFSO连接用于数据的传输；DAI9_DAI20为扩展接口 ；DPI9、DPI10接外部接口电路。
7.根据权利要求4所述的一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位系统，其特征是所述处理单元内的定位电路主要由数字信号处理器Uio及外围电路和接口组成，UlO的DROPR1、RSCLKO, RFSO分别与识别电路数字信号处理器UlB的DAI1、DAI3、DAI4连接用于接收数据，RX> TX、MOS1、MISO、SCK 接显示终端接口，TCK、TDO、TD1、TMS、TRST#、EMU#为调试接口。
全文摘要
本发明是一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位方法和系统。它将管道泄漏光纤传感器通过光复用技术并联接在收发传输光纤之间，形成光回路，管道泄漏光纤传感器均匀布设在管道本体上；由光源发出激光，经传输光路传输到达每一个传感器附近时，通过分束器分束后，进入安装在管道本体上的传感器，各传感器拾取沿管道传播的泄漏振动信号后，再次经合束器进入传输光路传回至系统的光电探测器部分，对采集的振动信号进行分析处理，获得振动波传播到泄漏点附近四个传感器的时延差，结合振动波在管道本体上的传播速度实现对泄漏点的定位。本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。
文档编号F17D5/02GK102997055SQ201110272440
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, 焦书浩, 曹国瑞, 李 东, 侯志相, 王飞, 刘素杰, 王赢, 赵锋 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局