CN1932369A - 基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，属于管道泄漏监测领域。本装置主要有信号发射与处理***(1)、分布式光纤传感***(2)、信号分析***(3)。分布式光纤传感***2中的第一传感光纤(C7)、第一法拉第旋转镜(C8)和第二传感光纤(B7)、第二法拉第旋转镜(B8)形成两个干涉仪。信号发射与处理***1中的宽带连续光源(A1)发出的光经第一耦合器(A3)分成两路，分别进入分布式光纤传感***2中的两个Sagnac干涉仪，这两个干涉仪输出的干涉光经信号发射与处理***1传输至信号分析***3中进行处理，确定泄漏点。本***可实时检测管道沿线泄漏情况，具有很高的灵敏度和定位精度，运行可靠。

Description

基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置

技术领域

本发明是一种基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，属于管道泄漏监测领域。

背景技术

管道是现行的五大运输工具之一，在运送液体、气体、浆液等方面具有成本低，节省能源，安全性高及供给稳定的优势，在石油、化工、天然气及城市供水等行业中有着不可替代的作用。随着管道运输业的不断发展，为了维护管道的安全运行，管道运行监测技术也在不断发展。

现有长距离管道泄漏检测技术主要有负压波法、模型法等，存在灵敏度低、响应慢、定位精度差等缺点，在实际应用中难以满足快速、准确的检测管道泄漏的要求。近年来，随着光纤传感技术的发展，长距离分布式光纤传感技术也开始应用于管道泄漏检测，由于光纤传感器的灵敏度高、动态范围大、响应快、传输距离长，可满足长距离、小泄漏管道检测要求。中国发明专利申请200410020046.6采用干涉型分布式光纤微振动传感器进行管道泄漏检测，此传感器是由管道附近沿管道并排铺设的一根三芯单模光缆及相应的光学元件构成，当管道发生泄漏时，产生的泄漏噪声使光纤中传输的光相位被调制，引起干涉光的输出发生变化，进而判断有无泄漏的发生。由于这种传感技术仅用一根单模光缆，当管道直径较大，特别是泄漏口背离光缆方向(即泄漏口所在的管道母线与光缆所在的管道母线沿圆周方向相差180度)，时，很难检测到泄漏发生，因此漏报警率高。

发明内容

本发明的目的在于克服了以上所述缺陷，提出了一种基于分布式光纤传感技术的双直线型管道泄漏监测装置，该装置的优点是通过一套装置形成两个Sagnac干涉仪，可同时将两个干涉仪的传感光纤布放于管道的不同母线上，实现沿管道周向的泄漏监测，且此装置的检测灵敏度高、漏报率低、光功率损耗小、能实现管道长距离小泄漏检测与定位。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案。本装置主要包括有信号发射与处理***1、分布式光纤传感***2、信号分析***3，信号发射与处理***1又包括有宽带连续光源A1、第一耦合器A3、第五耦合器B2、第二耦合器C2、第一光电转换器C9、第二光电转换器B9、第一A/D转换器C10、第二A/D转换器B10组成；分布式光纤传感***2包括有第三耦合器C4、第四耦合器C6、第六耦合器B4、第七耦合器B6、第八耦合器A4、第九耦合器A7、相位调制器A5、延迟线圈A6、第一法拉第旋转镜C8、第二法拉第旋转镜B8；信号分析***3包括有计算机A8；其中，信号发射与处理***1的宽带连续光源A1通过第一单模光纤A2与第一耦合器A3的输入端连接，第一耦合器A3两个输出端分别通过第二单模光纤C1、第三单模光纤B1与第二耦合器C2的一个输出端、第五耦合器B2的一个输出端连接；第二耦合器C2的输入端通过第一引导光纤C3与第三耦合器C4的输入端连接，第二耦合器C2的另一个输出端依次通过第一光电转换器C9、第一A/D转换器C10与计算机A8连接；第五耦合器B2的输入端通过第二引导光纤B3与第六耦合器B4的输入端连接，另一个输出端依次通过第二光电转换器B9、第二A/D转换器B10与计算机A8连接；第三耦合器C4的一个输出端通过第四单模光纤C5与第四耦合器C6的输出端口G连接，另一个输出端与第八耦合器A4的输出端口E连接；第四耦合器C6的输入端与第一传感光纤C7连接，第一传感光纤C7的末端连接第一法拉第旋转镜C8；第六耦合器B4的一个输出端通过第五单模光纤B5与第七耦合器B6的输出端口N连接，另一个输出端与第八耦合器A4的输出端口F连接，第七耦合器B6的输入端与第二传感光纤B7连接，第二传感光纤B7的末端连接第二法拉第旋转镜B8；第八耦合器A4的输入端依次通过相位调制器A5、延迟线圈A6与第九耦合器A7的输入端连接，第九耦合器A7的两个输出端分别与第四耦合器C6的输出端口H、第七耦合器B6的输出端口M连接。

分布式光纤传感***2中由第一传感光纤C7、第一法拉第旋转镜C8和第二传感光纤B7、第二法拉第旋转镜B8形成两个Sagnac干涉仪，且这两个干涉仪共用同一延迟线圈和相位调制器。

本发明的工作原理：由宽带连续光源A1发出的光在本装置的传播过程，具体参见图1，由宽带连续光源A1发出的光经第一单模光纤A2进入第一耦合器A3，第一耦合器A3输出的光按功率1∶1分成两路(形成两个干涉仪)，其中第一路光经第二单模光纤C1进入第二耦合器C2，又经第一引导光纤C3进入第三耦合器C4，第三耦合器C4输出的光按功率1∶1分成两束，其中一束光经第四单模光纤C5和第四耦合器C6传输进入第一传感光纤C7，第一传感光纤C7中传输的光到达第一法拉第旋转镜C8，经第一法拉第旋转镜C8反射后，又沿第一传感光纤C7反向传播到第四耦合器C6，第四耦合器C6的输出按功率1∶1分成两束，其中只有传输到第九耦合器A7的光符合干涉条件(其它光不予考虑)，然后经延迟线圈A6、相位调制器A5传播到第八耦合器A4，同样第八耦合器A4输出的光按功率1∶1分成两束，一束进入第四耦合器C4，另一束进入第六耦合器B4(这束光不符合干涉条件，不予考虑)。另外从第一引导光纤C3进入第三耦合器C4的光被分成两束，其中另一束经第八耦合器A4、相位调制器A5、延迟线圈A6进入第九耦合器A7，第九耦合器A7输出的光按功率1∶1分成两束，一束光进入第七耦合器B6(不符合干涉条件，不予考虑)，另一束光经第四耦合器C6、第一传感光纤C7进入第一法拉第旋转镜C8，经第一法拉第旋转镜C8反射后又沿第一传感光纤C7进入第四耦合器C6，第四耦合器C6输出的光按功率1∶1分成两束，其中进入第九耦合器A7的光不符合干涉条件，因此不予考虑，而另一束光进入第四单模光纤C5并与上述从第一法拉第旋转镜C8反射后回到第三耦合器C4的光在第三耦合器C4处汇合干涉，干涉光经第一引导光纤C3进入第二耦合器C2，第二耦合器C2输出的光经第一光电转换器C9后将光信号转换为电信号，此电信号经第一A/D转换器C10最后进入信号分析***A8。最后在计算机A8中对采集信号进行解调，并做FFT变换，通过分析信号频谱，可实现泄漏报警和定位。

第二路光经第三单模光纤B1进入第五耦合器B2，经第二引导光纤B3进入第六耦合器B4，第六耦合器B4输出的光按功率1∶1分成两束，其中一束光经第五单模光纤B5和第七耦合器B6传输进入第二传感光纤B7，第二传感光纤B7中传输的光到达第二法拉第旋转镜B8，经第二法拉第旋转镜B8反射后又沿第二传感光纤B7反向传播到第七耦合器B6，第七耦合器B6输出的光按功率1∶1分成两束，其中只有传输到第九耦合器A7的光符合干涉条件(其它光不予考虑)，然后经延迟线圈A6、相位调制器A5传播到第八耦合器A4，同样第八耦合器A4输出的光按功率1∶1分成两束，一束进入第六耦合器B4，另一束进入第四耦合器C4(这束光不符合干涉条件，不予考虑)。另外从第二引导光纤B3进入第六耦合器B4的光被分成两束，其中另一束经第八耦合器A4、相位调制器A5、延迟线圈A6进入第九耦合器A7，第九耦合器A7输出的光按功率1∶1分成两束，一束光进入第四耦合器C6(不符合干涉条件，不予考虑)，另一束光经第七耦合器B6、第二传感光纤B7进入第二法拉第旋转镜B8，经第二法拉第旋转镜B8反射后又沿第二传感光纤B7进入第七耦合器B6，第七耦合器B6输出的光按功率1∶1分成两束，其中进入第九耦合器A7的光不符合干涉条件，因此不予考虑，而另一束光进入第五单模光纤B5并与上述从第二法拉第旋转镜B8反射后回到第六耦合器B4的光在第六耦合器B4处汇合干涉，干涉光经第二引导光纤B3进入第五耦合器B2，第五耦合器B2输出的光经第二光电转换器B9后将光信号转换为电信号，此电信号经第二A/D转换器B10最后进入信号分析***A8。同样在计算机A8中对采集信号进行解调，并做FFT变换，通过分析信号频谱，可实现泄漏报警和定位。

该***的管道泄漏监测原理是：当管道某处有泄漏发生时，泄漏流体与泄漏孔壁产生摩擦，在管壁上激发出应力波(即泄漏声发射信号)，此应力波作用到干涉仪的传感光纤上并对传感光纤中传输的光相位进行调制，由于存在延迟线圈，使干涉仪中的两束干涉光经过泄漏点D的时间不同，泄漏声发射信号对两束光的相位调制也不同，两束光间产生相位差，因此两束光发生干涉(无泄漏发生时，两束光相位一致，不产生干涉)。通过实时检测干涉光信号的变化，可实现管道泄漏监测。

泄漏声发射信号对干涉仪中两束干涉光相位调制产生的相位差可表示为

${\mathrm{\φ}}_s\left(t\right)=4\mathrm{\Δ\φ}\cos {\mathrm{\ω}}_{s}t\·\sin {\mathrm{\ω}}_s\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_d}{2}\right)\·\cos \left({\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\τ}}_s\right)\·\·\·\left(1\right)$

此相位差包含了时间信息和泄漏声发射信号的频率信息，其中ω_s为泄漏声发射信号的角频率，τ_d为光经过延迟线圈时间，τ_s为光从泄漏位置传播到法拉第旋转镜所需时间

从式(1)中求出时间τ_s就可根据光在光纤中传播的速度得到泄漏点距法拉第旋转镜的距离。式(1)中， $4\mathrm{\Δ\φ}\sin {\mathrm{\ω}}_s\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_d}{2}\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\τ}}_s\right)$ 与信号的频域幅值成比例，在泄漏声发射信号的宽频范围内总有一频率使 $4\mathrm{\Δ\φ}\sin {\mathrm{\ω}}_s\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_d}{2}\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\τ}}_s\right)=0,$ 而 $\sin {\mathrm{\ω}}_s\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_d}{2}\right)$ 与泄漏位置无关，因此确定延迟线圈长度，保证在泄漏信号的宽频范围内 $\sin {\mathrm{\ω}}_s\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_d}{2}\right)$ 不等于零，这样就有cos(ω_sτ_s)＝0(即 ${\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\τ}}_s=\frac{\mathrm{\π}(1+n)}{2},$ n为偶数)，因此在频域中会出现幅值为零的点，此点对应的频率称为零点频率。在频谱图上找到零点频率后根据 ${\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\τ}}_s=\frac{\mathrm{\π}(1+n)}{2}$ (n为偶数)，计算出光从泄漏点传播到法拉第旋转镜所需时间τ_s。求得τ_s后，根据公式s＝vτ_s(v为光在光纤中的传播速度)计算出泄漏位置到反射镜的距离s。

该***的优点是：本***采用了双直线型分布式光纤声学传感技术对管道进行实时监测，整个传感部分由二根独立的光纤构成(形成两个干涉仪)，可分别布放于管道上相距180度的两条母线位置，解决了使用单根光纤时当管径较大或泄漏口背离光纤方向时，很难检测到泄漏信号的问题，因此不存在漏报警现象。同时由于光纤的低损耗以及对声信号的高敏感性，因此可实现长距离管道的小泄漏检测。另外改变此***中耦合器的分光数量，可以将此结构发展成多条管道同时监测的***。

附图说明

图1本发明***结构图

图2泄漏信号时域波形

图3零点频率图

图1中：A1、宽带连续光源，A2、第一单模光纤，A3、第一耦合器，A4、第八耦合器，A5、相位调制器，A6、延迟线圈，A7、第九耦合器，A8、计算机，B1、第三单模光纤，B2、第五耦合器，B3、第二引导光纤，B4、第六耦合器，B5、第五单模光纤，B6、第七耦合器，B7、第二传感光纤，B8、第二法拉第旋转镜，B9、第二光电转换器，B10、第二A/D转换器，C1、第二单模光纤，C2、第二耦合器，C3、第一引导光纤，C4、第三耦合器，C5、第四单模光纤，C6、第四耦合器，C7、第一传感光纤，C8、第一法拉第旋转镜，C9、第一光电转换器，C10、第一A/D转换器，P、管道，1、信号发射与处理***，2、分布式光纤传感***，3、信号分析***。

具体实施方式

本实施方式的具体结构，参见图1，本实施例主要包括有信号发射与处理***1、分布式光纤传感***2、信号分析***3，信号发射与处理***1又包括有宽带连续光源A1、第一耦合器A3、第五耦合器B2、第二耦合器C2、第一光电转换器C9、第二光电转换器B9、第一A/D转换器C10、第二A/D转换器B10组成；分布式光纤传感***2包括有第三耦合器C4、第四耦合器C6、第六耦合器B4、第七耦合器B6、第八耦合器A4、第九耦合器A7、相位调制器A5、延迟线圈A6、第一法拉第旋转镜C8、第二法拉第旋转镜B8；信号分析***3包括有计算机A8；其中，信号发射与处理***1的宽带连续光源A1通过第一单模光纤A2与第一耦合器A3的输入端连接，第一耦合器A3两个输出端分别通过第二单模光纤C1、第三单模光纤B1与第二耦合器C2的一个输出端、第五耦合器B2的一个输出端连接；第二耦合器C2的输入端通过第一引导光纤C3与第三耦合器C4的输入端连接，另一个输出端依次通过第一光电转换器C9、第一A/D转换器C10与计算机A8连接；第五耦合器B2的输入端通过第二引导光纤B3与第六耦合器B4的输入端连接，另一个输出端依次通过第二光电转换器B9、第二A/D转换器B10与计算机A8连接；第三耦合器C4的一个输出端通过第四单模光纤C5与第四耦合器C6的输出端口G连接，另一个输出端与第八耦合器A4的输出端口E连接；第四耦合器C6的输入端与第一传感光纤C7连接，第一传感光纤C7的末端连接第一法拉第旋转镜C8；第六耦合器B4的一个输出端通过第五单模光纤B5与第七耦合器B6的输出端口N连接，另一个输出端与第八耦合器A4的输出端口F连接，第七耦合器B6的输入端与第二传感光纤B7连接，第二传感光纤B7的末端连接第二法拉第旋转镜B8；第八耦合器A4的输入端依次通过相位调制器A5、延迟线圈A6与第九耦合器A7的输入端连接，第九耦合器A7的两个输出端分别与第四耦合器C6的输出端口H、第七耦合器B6的输出端M连接。本实施例中的耦合器均为1×2耦合器。

如图1所示，本实施方案中管道外径174mm，管道泄漏孔径为3mm，管内水压为0.35MPa，泄漏孔距法拉第旋转镜距离S为4km，传感光纤为康宁单模光纤(SMF-28)，延迟线圈为4km，光源功率20mw，各耦合器分光比均为1∶1。本实施例中测试时泄漏点与第二传感光纤B7在管道的同一母线上，所以只有第二传感光纤B7能感应到泄漏信号，第一传感光纤C7背离泄漏点位置，感应不到泄漏点信号。

图2为经过信号分析***处理后得到的泄漏信号调制光相位得到的时域波形，图3为经过信号分析***处理后显示出的泄漏信号频谱图，图中有一明显的波谷，光标显示此处的最低点频率为12.451kHz，根据公式 ${\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\τ}}_s=\frac{\mathrm{\π}(1+n)}{2}$ (取n＝1)可确定光波从泄漏点传播到法拉第旋转镜所用时间为2.008×10^-5s，光在光纤中传播的速度为2×10⁸m/s，两者相乘就可得到从泄漏点传到法拉第旋转镜的距离为4.016km。绝对误差为16m，相对误差为0.4％。

Claims (1)

1、一种基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，其特征在于：本装置主要包括有信号发射与处理***(1)、分布式光纤传感***(2)、信号分析***(3)，信号发射与处理***(1)又包括有宽带连续光源(A1)、第一耦合器(A3)、第五耦合器(B2)、第二耦合器(C2)、第一光电转换器(C9)、第二光电转换器(B9)、第一A/D转换器(C10)、第二A/D转换器(B10)组成；分布式光纤传感***(2)包括有第三耦合器(C4)、第四耦合器(C6)、第六耦合器(B4)、第七耦合器(B6)、第八耦合器(A4)、第九耦合器(A7)、相位调制器(A5)、延迟线圈(A6)、第一法拉第旋转镜(C8)、第二法拉第旋转镜(B8)；信号分析***(3)包括有计算机(A8)；其中，信号发射与处理***(1)的宽带连续光源(A1)通过第一单模光纤(A2)与第一耦合器(A3)的输入端连接，第一耦合器(A3)的两个输出端分别通过第二单模光纤(C1)、第三单模光纤(B1)与第二耦合器(C2)的一个输出端、第五耦合器(B2)的一个输出端连接；第二耦合器(C2)的输入端通过第一引导光纤(C3)与第三耦合器(C4)的输入端连接，第二耦合器(C2)的另一个输出端依次通过第一光电转换器(C9)、第一A/D转换器(C10)与计算机(A8)连接；第五耦合器(B2)的输入端通过第二引导光纤(B3)与第六耦合器(B4)的输入端连接，第五耦合器(B2)的另一个输出端依次通过第二光电转换器(B9)、第二A/D转换器(B10)与计算机(A8)连接；第三耦合器(C4)的一个输出端通过第四单模光纤(C5)与第四耦合器(C6)的输出端口G连接，另一个输出端与第八耦合器(A4)的输出端口E连接，第四耦合器(C6)的输入端与第一传感光纤(C7)连接，第一传感光纤(C7)的末端连接第一法拉第旋转镜(C8)；第六耦合器(B4)的一个输出端通过第五单模光纤(B5)与第七耦合器(B6)的输出端口N连接，另一个输出端与第八耦合器(A4)的输出端口F连接，第七耦合器(B6)的输入端与第二传感光纤(B7)连接，第二传感光纤(B7)的末端连接第二法拉第旋转镜(B8)；第八耦合器(A4)的输入端依次通过相位调制器(A5)、延迟线圈(A6)与第九耦合器(A7)的输入端连接，第九耦合器(A7)的两个输出端分别与第四耦合器(C6)的输出端口H、第七耦合器(B6)的输出端口M连接。

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