一种基于太赫兹受抑全内反射的管道混油监测系统的制作方法

本发明涉及管道检测领域，尤其涉及一种基于太赫兹受抑全内反射的管道混油监测系统。

背景技术：

随着我国经济总量和经济实力的不断提高，我国对石油资源的需求量稳步攀升。GDP年增长7％至8％年石油需求量就会增加4％至5％。目前我国是全球第一大原油进口国、第二大石油消费国，预计至2020年，我国石油消费需求将达到6亿吨以上。与此同时，国内石油产能有限，供需缺口增大，2017年我国石油资源对外依存度升至65.4％。在此资源局面之下，减少油品在储运过程中的各种事故和损耗，具有重大经济和战略意义。

管道运输具有运量大、占地少、耗能少、成本低，且不受气候影响等优点，是陆上油气大批量长距离运输的最佳方式。截止2016年，我国油气管道长度已超过12万公里。国内外成品油管道普遍采用顺序输送技术，即多种油品在同一条管道中前后依次顺序输送。在此过程中，前行和后行的不同油品会发生扩散混油，进而形成混油段。实际使用的成品油管道中往往同时存在多种油品和多个混油段。全长1740千米的西南成品油管道，全线每个汽柴油混油段均有800～900立方米，每月需要下载进行处理的混油超过2500立方米。全国每年需要处理的混油达到数十万立方米。

管道混油检测的准确性和效率将极大地影响管道运输的成本和损耗，甚至事关生产安全。为了保守起见，管道混油检测的不准确，将迫使更多的油品被当做混油处理，造成油品浪费和成本提升。更重要的是，一旦管道混油检测失误，将会导致储罐被导入错误的油品，造成整个油品储罐污染，损失巨大。

目前国内外常用的管道混油检测方法包括：密度测定法、光学测定法、超声波测定法、示踪原子测定法、电容检测法、光谱色谱检测法等。在国内实际生产中以密度测定法为主，光学测定法为辅。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存下以下缺点和不足：

1、密度测定法对管道中油品进行跟踪检测，是实际生产中实施的主要方法，然而难以区分密度相近的油品，检测分辨率低。

2、光学测定法利用红外等常用光学波段测定油品的透明度和折射率，灵敏度高，但容易受到油品杂质影响，非常不适于国内油品品质较低的实际情况，在国内实际使用中问题较多，稳定性差，维护难度高。

3、超声波测定法检测油品中超声波的传播速度，极易受到超声杂音的影响，检测精度不高。

4、示踪原子测定法通过在油品中掺入放射性同位素的方法进行油品检测，技术门槛高，安全要求高，并会造成油品污染。

5、电容检测法测量油品介电常数，测量精度低，在油品管道中安装带电器件，安全性差。

6、光谱色谱检测法测量油品吸收光谱和色谱指纹图，精度高，但预处理复杂、测量时间长，无法实现在线监测。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于太赫兹受抑全内反射的管道混油监测系统，本发明具有无需参比信号，仅于管道单侧放置光路，检测结构简单，可在管道主管或直径较大支管处进行在线测量，不受管道直径限制等优点，详见下文描述：

一种基于太赫兹受抑全内反射的管道混油监测系统，所述系统包括：太赫兹受抑全内反射棱镜传感器、发射器、接收器、太赫兹窗口、以及太赫兹仪，

太赫兹仪持续输出太赫兹波，始终处于快速实时扫描状态，其采样频率远大于传统管道混油检测频率；

经发射器发射出的太赫兹波经过太赫兹窗口，打到太赫兹受抑全内反射棱镜传感器的左侧入射面，发生折射与反射，折射的部分进入传感器内部；太赫兹波在传感器内部传播的过程中，在传感器与油品接触的表面发生受抑全内反射现象；

从传感器右侧出射面出射的太赫兹波带有油品的特征信息；出射的太赫兹波再次经过太赫兹窗口，被接收器所接收，产生的电信号通过线缆被太赫兹仪获取，进而得到油品的太赫兹受抑全内反射光谱；

根据实时获得的太赫兹受抑全内反射光谱，即可提取太赫兹波光谱的信息；依照管道混油的太赫兹定量分析算法，可对此刻油品的成分和组分的体积分数作出定量分析，形成管道混油成分变化图表。

具体实现时，所述太赫兹受抑全内反射棱镜传感器安装在管道的一侧，且嵌入管道中，一面与管道中的流体接触；

所述太赫兹受抑全内反射棱镜传感器安装在管道支管或主管之上。

进一步地，所述发射器、接收器通过线缆与太赫兹仪相连；发射器和接收器均放置在绝缘层内，不与管道、油品以及太赫兹受抑全内反射棱镜传感器直接接触，仅使太赫兹波透过太赫兹窗口。

其中，所述绝缘层内以及太赫兹受抑全内反射棱镜传感器的周围，处于密封干燥环境，避免空气中水分对于太赫兹波的吸收与干扰。

进一步地，所述系统还包括：混油检测的结果，实时输出到管道SCADA系统中。

具体实现时，所述太赫兹仪为太赫兹时域光谱仪，相应地，所述发射器、接收器分别为：太赫兹发射器、太赫兹接收器。

上述太赫兹时域光谱仪包括：激光器、光学延迟线、锁相放大器及控制器、以及计算机；

激光器采用双路光纤耦合输出，利用保偏光纤连接至太赫兹发射器和太赫兹接收器；

太赫兹发射器、太赫兹接收器通过线缆、与锁相放大器及控制器相连，通过光纤和光学延迟线相连。

进一步地，当太赫兹仪为太赫兹时域光谱仪时，提取太赫兹波光谱的信息具体为：提取时域、频谱、吸收系数和折射率信息。

具体实现时，所述太赫兹仪为单频太赫兹仪，相应地，所述发射器、接收器分别为：单频太赫兹源和太赫兹探测器。

当太赫兹仪为单频太赫兹仪时，提取太赫兹波光谱的信息具体为：提取强度信息。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、该方法基于太赫兹受抑全内反射技术，提出了一整套应用于输油管道的混油监测系统；

2、相对于其他管道混油检测方法，该系统不仅检测精度高，光子能量低、检测过程安全，太赫兹穿透能力强、抗管道油品杂质污染；

3、本发明仅在管道单侧放置太赫兹受抑全内反射光路，无需在管道两侧均放置太赫兹收发装置，检测结构简单，不受管道直径限制，可在输油管道主管或者直径较大的支管进行检测；

4、本发明无需参比光路，整体检测结构简单。

附图说明

图1为一种基于太赫兹受抑全内反射的管道混油监测系统的结构示意图；

图2为一种基于太赫兹受抑全内反射的管道混油监测系统的另一结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于太赫兹受抑全内反射的管道混油监测系统，参见图1，该系统包括：太赫兹受抑全内反射棱镜传感器1、发射器2、接收器3、太赫兹窗口4、以及太赫兹仪5，

太赫兹仪5持续输出太赫兹波，始终处于快速实时扫描状态，其采样频率远大于传统管道混油检测频率；

经发射器2发射出的太赫兹波经过太赫兹窗口4，打到太赫兹受抑全内反射棱镜传感器1的左侧入射面，发生折射与反射，折射的部分进入传感器1内部；太赫兹波在传感器1内部传播的过程中，在传感器1与油品接触的表面发生受抑全内反射现象；

从传感器1右侧出射面出射的太赫兹波带有油品的特征信息；出射的太赫兹波再次经过太赫兹窗口4，被接收器所接收，产生的电信号通过线缆被太赫兹仪5获取，进而得到油品的太赫兹受抑全内反射光谱；

根据实时获得的太赫兹受抑全内反射光谱，即可提取太赫兹波光谱的信息；依照管道混油的太赫兹定量分析算法，可对此刻油品的成分和组分的体积分数作出定量分析，形成管道混油成分变化图表。

具体实现时，太赫兹受抑全内反射棱镜传感器1安装在管道11的一侧，且嵌入管道11中，一面与管道11中的流体接触；太赫兹受抑全内反射棱镜传感器1也可安装在管道11的支管或主管之上。

具体实现时，发射器2和接收器3，可以直接对准太赫兹受抑全内反射棱镜传感器1的太赫兹波进出两侧，使用太赫兹透镜调节太赫兹波光束。

也可以通过在发射器2与太赫兹窗口4之间设置有反射镜6调节太赫兹波光束，该反射镜6的设置根据实际的应用情况和光路结构决定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

实际应用时，发射器2、接收器3通过线缆12与太赫兹仪5相连；发射器2和接收器3均放置在绝缘层14内，不与管道11、油品以及太赫兹受抑全内反射棱镜传感器1直接接触，仅使太赫兹波透过太赫兹窗口4。

绝缘层14内以及太赫兹受抑全内反射棱镜传感器1的周围，处于密封干燥环境，避免空气中水分对于太赫兹波的吸收与干扰。

管道11中以正常输油速度输送油品，顺序输送的前行油品、混油段和后行油品连续经过管道11。不停流动的油品与太赫兹受抑全内反射传感器1嵌入管道11的表面接触。

实际应用时，还可以将混油检测的结果，实时输出到管道11的SCADA系统中，本发明实施例对此不做限制。

综上所述，本发明实施例仅在管道单侧放置太赫兹受抑全内反射光路，无需在管道两侧均放置太赫兹收发装置，检测结构简单，不受管道直径限制，可在输油管道主管或者直径较大的支管进行检测。

实施例2

本发明实施例与实施例1不同的是，太赫兹仪5使用具体的器件代替，下面结合图2对实施例1中的太赫兹仪5进行进一步地介绍，详见下文描述：

具体实现时，太赫兹仪5可以为太赫兹时域光谱仪，相应地，发射器2、接收器3分别为：太赫兹发射器、太赫兹接收器。

参见图2，太赫兹时域光谱仪的型号为MenloSystems TERA K15，包括：激光器7、光学延迟线(Optical Delay)8、锁相放大器及控制器9、计算机10。

激光器7重复率为100MHz，波长为1560nm，采用双路光纤耦合输出，利用保偏光纤连接至太赫兹发射器和太赫兹接收器，激光器7的总平均输出功率大于60mW。太赫兹发射器和太赫兹接收器的频谱范围大于3.5THz，动态范围70dB。锁相放大器及控制器9包含16-Bit数据采集功能，采样速率为250kS/s。

太赫兹发射器、太赫兹接收器通过线缆12、与锁相放大器及控制器9相连，通过光纤13分别与激光器7和光学延迟线8相连。线缆12与光纤13可达数十米长。

实际应用时，设置太赫兹时域光谱仪5的控制室可远离管道1。

当太赫兹仪5为太赫兹时域光谱仪时，提取太赫兹波光谱的信息具体为：提取时域、频谱、吸收系数和折射率信息。

实际应用时，太赫兹时域光谱仪整体保持运行状态，通过锁相放大器及控制器9和线缆12，与太赫兹发射器和太赫兹接收器传递电信号；通过激光器和光学延迟线向太赫兹发射器和太赫兹接收器传递飞秒激光脉冲。

调节锁相放大器及控制器9的时间参数，在计算机10的控制下，光学延迟线8快速反复移动扫描，太赫兹时域光谱有效带宽约1.5THz。时间参数可为300us或1ms，当时间参数为300us时，光学延时线移动速度更快，太赫兹受抑全内反射光谱检测频率更高，太赫兹光谱采样频率可达到1次/秒以上，远大于传统管道混油检测频率(实际生产中常为1次/分钟)，充分满足实际输油管道混油检测需求，能够有效监测流速在1-3m/s的管道。

油品的每一次定量分析结果成为混油成分图表的一个数据点。在计算机10的显示器上以变化的图形曲线实时显示管道11中油品的历史与实时定量分析结果，供管道运行技术人员监视。根据混油定量分析结果，系统可以进一步自动发出警告，提示进行油品切割操作。混油检测的结果，亦可实时输出到管道SCADA系统中。

综上所述，本发明实施例设计的系统，相对于其他管道混油检测方法，该系统不仅检测精度高，光子能量低、检测过程安全，太赫兹穿透能力强、抗管道油品杂质污染。

实施例3

本发明实施例与实施例1不同的是，太赫兹仪5使用具体的器件代替，下面对实施例1中的太赫兹仪5进行进一步地介绍，详见下文描述：

具体实现时，太赫兹仪5为单频太赫兹仪，相应地，发射器2、接收器3分别为：单频太赫兹源和太赫兹探测器。

当太赫兹仪5为单频太赫兹仪时，提取太赫兹波光谱的信息具体为：提取强度信息。

综上所述，本发明实施例设计的系统，相对于其他管道混油检测方法，该系统不仅检测精度高，光子能量低、检测过程安全，太赫兹穿透能力强、抗管道油品杂质污染，而且仅在管道单侧放置太赫兹受抑全内反射光路，不受管道直径限制，无需参比光路，整体检测结构简单。

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。