CN109443997B - 基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，包括实验闭合循环管路***、透明有机玻璃箱组和光声层析成像系，实验闭合循环管路***中储油桶中的油通过抽油泵抽取依次流过截止阀、体积流量计、压力表、第一球阀、第一止回阀后返回储油罐；透明有机玻璃箱组包括有机玻璃箱和泄漏管段，通过管路对储油桶、抽油泵、第二球阀以及透明有机玻璃箱依次连接而成；光声层析成像***包括激光***、透镜组、基于CCD相机的图像采集***。本发明可以进行多种条件下的地下石油类污染物泄漏扩散实验，实验平台安全、性能稳定，是实验室内进行地下石油类污染物泄漏扩散实验的有效工具，将为应急抢险提供重要的理论支持。
Description
技术领域
本发明涉及输油管道泄漏检测技术领域，特别是涉及一种基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台。
背景技术
随着工业建设和管道运输行业的快速发展，人们对石油运输管道的安全运行日益重视。埋地管道是城市的重要基础设施之一，管道失效造成的挥发性有机物泄漏一方面会引起灾难性的环境污染；另一方面会造成经济损失和人员伤亡，对国民经济构成严重威胁。由于埋地管道泄漏常发生在地面以下，不易察觉，泄漏扩散迁移范围难以直观预测，因此如果能够通过实验的方法对地下石油类污染物泄漏扩散迁移进行研究，较为准确预测管道泄漏的污染范围和泄漏量可以为后期制定应急抢险方案提供理论支撑，是建立科学高效的应急管理平台的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种实验方法研究地下石油类污染物泄漏扩散的问题，基于光声层析成像法实现操作便捷、现象清晰的地下石油类污染物泄漏扩散实验平台。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，包括用于模拟石油输送的实验闭合循环管路***，用于模拟管道泄漏的透明有机玻璃箱组以及用于检测管道泄漏情况的光声层析成像***，
其中，所述光声层析成像***包括半导体泵浦固态激光***、第一透镜、透光板、第二透镜、第三透镜、部分吸收相位板、第四透镜、CCD相机、电脑、雷射激光***、第一镜子、光学窗口和第五透镜，来自半导体泵浦固态激光***的脉冲探针激光束通过第一透镜、透光板和第二透镜被准直并扩展成直径φ约35mm的光束，进入透明有机玻璃箱，所述光束与第二透镜的视场大小相匹配；同时，雷射激光***倍频输出用于光声激发的激光脉冲，该激光脉冲通过第一镜子、光学窗口和第五透镜射向透明有机玻璃箱底部，随后从第三透镜出来的激光脉冲由部分吸收相位板、第四透镜和窄带通滤波器组成的傅里叶平台转换为可测量的光强，经过转化的光束由CCD相机拍摄油相分布的快照，并发送至电脑进行图像数据处理，处理后得到污染物的饱和度分布图。
其中，光学窗口可以过滤300—700nm波长范围的激光，第一镜子用于反射与光学窗口尺寸匹配的激光束。第五透镜采用凹透镜，用于将过滤出的雷射激光扩大至与箱体匹配大小的光束，作用于泄漏的范围。
箱体内土壤、油品的折射率不同，光波通过时，波长和振幅并不发生变化，仅相位发生变化，这种相位差人眼无法观察，而光声层析装置根据光学相差显微镜原理通过改变这种相位差，并利用光的衍射和干涉现象，把相差变为振幅差来观察泄漏油品的扩散范围。当两束激光接触后，会产生干涉现象。
探针激光束的非衍射和衍射部分之间的正或负π/2的附加相对相移导致两个部分之间相长干涉或相消干涉，产生正或负相位对比图像，其中，非衍射部分是指接触到的泄漏油品，衍射部分是指接触到的土壤部分。
电脑还与半导体泵浦固态激光***和雷射激光***连接，用于控制激光***。
进一步，所述光声层析成像***通过使用电荷耦合器件CCD相机结合光学相位对比方法，在光声激发之后在限定的延迟时间拍摄成像油相分布的快照；泄漏油品引起的光学相位变化由探测光束路径上y方向上的压力场积分给出：
其中，y方向是指竖直向下的重力方向，
是水的弹光耦合系数，λDet是探测激光束的波长，
是压力分布，下标t和上标α分别表示声波的传播时间和样品的取向；如果沿光轴的积分相位变化，
远小于π的光强分布，成像***的CCD相机处的光强度
近似由线性关系给出：
其中，
指入射进CCD相机且经过前面所述透镜组、光的干涉衍射过程后的光强度，I0是入射且未受干扰的准直探测激光束的均匀分布的光强度，TCS是相位板中心点的强度传递函数，公式中TCS·I0描述了背景照明，即非衍射光，
描述了由空间变化的相位物体引起的图像平面中的光强度的调制。
进一步，所述实验闭合循环管路***包括稳流管路和小孔泄漏管路，其中，稳流管路包括通过管路依次连接的储油桶、抽油泵、截止阀、体积流量计、压力表、第一球阀和第一止回阀，且抽油泵抽取储油桶中的油，依次流过截止阀、体积流量计、压力表、第一球阀和第一止回阀后返回储油桶中形成稳流回路；
小孔泄漏管路包括第二球阀、透明有机玻璃箱组和第二止回阀，透明有机玻璃箱组包括泄漏管段和有机玻璃箱，所述泄漏管段位于所述有机玻璃箱内，泄漏管段部分穿过透明有机玻璃箱，且所述有机玻璃箱上设有两个通孔，分别为中部通孔和上部通孔，用于不同埋深管道的泄漏实验，通过不同埋深的泄漏管段观察地下石油类污染物泄漏扩散迁移现象，所述第二球阀、泄漏管段和第二止回阀通过管路依次串接后，一端通过管路连接储油桶，另一端通过管路连接至压力表和第一球阀之间的管路上，且抽油泵抽取储油桶中的油，依次流过截止阀、体积流量计、压力表、第二球阀、泄漏管段和第二止回阀后返回储油桶中形成泄漏回路。稳流管路及含泄漏管段的管路上设有止回阀，防止管道内介质倒流。
优选的，所述部分吸收相位板为光学玻璃板，表面精度为λ/8，其中，λ指通过光学玻璃板的光束波长，且由SiO2制成的气相沉积圆盘和直径为300μm的Cr布置在光学玻璃板的中心。
具体的，所述半导体泵浦固态激光***发射的脉冲探针激光束的波长为527nm，脉冲持续时间为8ns。
具体的，被准直并扩展的光束直径φ为35mm。
具体的，雷射激光***输出的激光脉冲的波长为532nm，脉冲持续时间为10ns。
进一步，所述CCD相机前设置窄带通滤波器，用于避免受激发激光脉冲的杂散光照射。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，可以进行多种条件下的地下石油类污染物泄漏扩散迁移实验，实验平台安全、性能稳定，是实验室内进行地下石油类污染物泄漏扩散迁移实验的有效工具，将为应急抢险提供重要的理论支持。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所述实验闭合循环管路***的流程示意图；
图2为本发明所述光声层析成像***的结构示意图。
图中：1.储油桶，2.抽油泵，3.截止阀，4.体积流量计，5.压力表，6.第一球阀，7.第一止回阀，8.第二球阀，11.透明有机玻璃箱组，13.第二止回阀，14.半导体泵浦固态激光***，15.第一透镜，16.透光板，17.第二透镜，18.中部通孔，19.上部通孔，20.透明有机玻璃箱，21.第三透镜，22.部分吸收相位板，23.第四透镜，24.窄带通滤波器，25.CCD相机，26.电脑，27.雷射激光***，28.第一镜子，29.光学窗口，30.第五透镜。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明的一种基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，由实验闭合循环管路***、透明有机玻璃箱组11、光声层析成像***组成，实验闭合循环管路***用于模拟石油输送，透明有机玻璃箱组11用于模拟管道泄漏，光声层析成像***用于检测管道泄漏情况。
如图1所示，所述实验闭合循环管路***由并联的稳流管路和小孔泄漏管路组成。所述实验稳流管路是由储油桶1、抽油泵2、截止阀3、体积流量计4、压力表5、第一球阀6和第一止回阀7通过管路依次连接，其中，抽油泵2的进口端与储油桶1的出口端相连接，截止阀3的进口端与抽油泵2的出口端相连接，体积流量计4的进口端与截止阀3的出口端相连接，压力表5的进口端与体积流量计4的出口端相连接，第一球阀6的进口端与压力表5的出口端相连接，第一止回阀7的进口端与第一球阀6的出口端相连接，第一止回阀7的出口端与储油桶1回油端相连接；抽油泵2抽取储油桶1中的油，依次流过截止阀3、体积流量计4、压力表5、第一球阀6和第一止回阀7后返回储油桶1中形成稳流回路；
所述小孔泄漏管路是由第二球阀8、透明有机玻璃箱组11和第二止回阀13通过管路依次连接而成，透明有机玻璃箱组11是由泄漏管段和含有两个通孔的有机玻璃箱组合而成，两个通孔分别为中部通孔18和上部通孔19，用于不同埋深管道的泄漏实验，通过不同埋深的泄漏管段观察地下石油类污染物泄漏扩散迁移现象；第二球阀8的进口端与压力表5的出口端相连接，透明有机玻璃箱组11的进口端与第二球阀8的出口端相连接，第二止回阀13的进口端与透明有机玻璃箱组11的出口端相连接，第二止回阀13的进口端与储油桶1出口端相连接；抽油泵2抽取储油桶1中的油，依次流过截止阀3、体积流量计4、压力表5、第二球阀8、泄漏管段和第二止回阀后返回储油桶1中形成泄漏回路。稳流管路及含泄漏管段的管路上设有止回阀，防止管道内介质倒流。
如图2所示，所述光声层析成像***包括半导体泵浦固态激光***14、第一透镜15、透光板16、第二透镜17、第三透镜21、部分吸收相位板22、第四透镜23、窄带通滤波器24、CCD相机25、电脑26、雷射激光***27、第一镜子28、光学窗口29和第五透镜30连接组成，其中电脑26用于采集并处理实验所得图像。
具体实施过程：向透明有机玻璃箱组11中填满实验所需粒径的均匀沙土；打开截止阀3、第一球阀6和第一止回阀7，开启抽油泵2，调节抽油泵2的扬程至实验所需的输送扬程，开始稳流输送实验，待体积流量计4和压力表5示数稳定后，关闭第一球阀6、第一止回阀7；同时，打开第二球阀8和第二止回阀13以及CCD相机25，储油桶1中的污染物开始流入实验环路，也就是污染物流过带有泄漏口的泄漏管段之后，污染物开始泄漏，光声层析成像***开始工作，半导体泵浦固态激光***14和雷射激光***27几乎同时启动，来自半导体泵浦固态激光***14的波长527nm，脉冲持续时间8ns的脉冲探针激光束通过第一透镜15和透光板16被准直并扩展成约35mm的光束直径，与第二透镜17的视场大小相匹配，与此同时，雷射激光***27倍频输出波长532nm，脉冲持续时间10ns的激光脉冲用于光声激发，激光通过第一镜子28、光学窗口29和第五透镜30射向透明有机玻璃箱20底部，随后从第三透镜21出来的脉冲激光在由部分吸收相位板22、第四透镜23、窄带通滤波器24组成的傅里叶平台中转换为可测量的光强，与光学相差显微镜原理一样，探针激光束的非衍射和衍射部分之间的正或负π/2的附加相对相移导致两个部分之间相长干涉或相消干涉，产生正或负相位对比图像，在CD相机25的上产生相位物体的反转图像，窄带通滤波器24直接放置在CD相机25前面，以避免受激发激光脉冲的杂散光照射，CCD相机25在相对于激发激光脉冲的特定时间延迟下拍摄油相分布的快照，并采集进电脑26进行图像数据处理，处理后可得到污染物的饱和度分布图。
电脑26还与半导体泵浦固态激光***14和雷射激光***27连接，用于控制激光***。
本发明提供的地下石油类污染物泄漏扩散迁移实验平台可以进行不同管道压力、不同管道埋深、不同泄漏口位置以及不同的多孔介质条件下的地下石油类污染物泄漏扩散迁移实验，实验平台安全、性能稳定，是实验室内进行地下石油类污染物泄漏扩散迁移实验的有效工具，将为应急抢险提供重要的理论支持。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，其特征在于：包括用于模拟石油输送的实验闭合循环管路***，用于模拟管道泄漏的透明有机玻璃箱组以及用于检测管道泄漏情况的光声层析成像***，
其中，所述光声层析成像***包括半导体泵浦固态激光***、第一透镜、透光板、第二透镜、第三透镜、部分吸收相位板、第四透镜、CCD相机、电脑、雷射激光***、第一镜子、光学窗口和第五透镜，其中，半导体泵浦固态激光***、CCD相机和雷射激光***均通过光路与透明有机玻璃箱组连接；来自半导体泵浦固态激光***的脉冲探针激光束通过第一透镜、透光板和第二透镜被准直并扩展成直径φ的光束，进入透明有机玻璃箱，所述光束与第二透镜的视场大小相匹配；同时，雷射激光***倍频输出用于光声激发的激光脉冲，该激光脉冲通过第一镜子、光学窗口和第五透镜射向透明有机玻璃箱底部，随后从第三透镜出来的激光脉冲由部分吸收相位板、第四透镜和窄带通滤波器组成的傅里叶平台转换为可测量的光强，经过转化的光束由CCD相机拍摄油相分布的快照，并发送至电脑进行图像数据处理，处理后得到污染物的饱和度分布图；
所述光声层析成像***通过使用电荷耦合器件CCD相机结合光学相位对比方法，在光声激发之后在限定的延迟时间拍摄成像油相分布的快照；泄漏油品引起的光学相位变化由探测光束路径上y方向上的压力场积分给出：
其中，y方向是指竖直向下的重力方向，
是水的弹光耦合系数，λDet是探测激光束的波长，
是压力分布，下标t和上标α分别表示声波的传播时间和样品的取向；如果沿光轴的积分相位变化，
远小于π的光强分布，成像***的CCD相机处的光强度
近似由线性关系给出：
其中，
指入射进CCD相机且经过前面透镜组、光的干涉衍射过程后的光强度，I0是入射且未受干扰的准直探测激光束的均匀分布的光强度，TCS是相位板中心点的强度传递函数，公式中TCS·I0描述了背景照明，即非衍射光，
描述了由空间变化的相位物体引起的图像平面中的光强度的调制。
2.如权利要求1所述的基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，其特征在于：所述实验闭合循环管路***包括稳流管路和小孔泄漏管路，其中，
稳流管路包括通过管路依次连接的储油桶、抽油泵、截止阀、体积流量计、压力表、第一球阀和第一止回阀，且抽油泵抽取储油桶中的油，依次流过截止阀、体积流量计、压力表、第一球阀和第一止回阀后返回储油桶中形成稳流环路；
小孔泄漏管路包括第二球阀、透明有机玻璃箱组和第二止回阀，透明有机玻璃箱组包括泄漏管段和有机玻璃箱，所述泄漏管段位于所述有机玻璃箱内，且所述有机玻璃箱上设有两个通孔，所述第二球阀、泄漏管段和第二止回阀通过管路依次串接后，一端通过管路连接储油桶，另一端通过管路连接至压力表和第一球阀之间的管路上，且抽油泵抽取储油桶中的油，依次流过截止阀、体积流量计、压力表、第二球阀、泄漏管段和第二止回阀后返回储油桶中形成实验环路。
3.如权利要求1所述的基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，其特征在于：所述部分吸收相位板为光学玻璃板，表面精度为λ/8，其中，λ指通过光学玻璃板的光束波长，且由SiO2制成的气相沉积圆盘和直径为300μm的Cr布置在光学玻璃板的中心。
4.如权利要求1所述的基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，其特征在于：所述半导体泵浦固态激光***发射的脉冲探针激光束的波长为527nm，脉冲持续时间为8ns。
5.如权利要求1所述的基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，其特征在于：被准直并扩展的光束直径φ为35mm。
6.如权利要求1所述的基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，其特征在于：雷射激光***输出的激光脉冲的波长为532nm，脉冲持续时间为10ns。
7.如权利要求1所述的基于光声层析成像法的输油管道泄漏扩散实验平台，其特征在于：所述CCD相机前设置窄带通滤波器，用于避免受激发激光脉冲的杂散光照射。
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