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

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。

说明书

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CSI、ATMOSI、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、 CN200610113044.0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到，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+Vcos(φ_s+φ_n+φ₀)+V_n(1)

其中，V₀是输出的电压信号，V是干涉仪的可视度，V_n是电路附加噪声，φ_s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，φ₀为干涉仪 的初始相位，是个常量，φ_n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φ_s的获取，并对该信号φ_s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n的时间为t_n，传 播至传感器n+1的时间为t_n+1，信号传播至传感器n-1的时间为t_n-1，传播至传感 器n+2的时间为t_n+2，有下式成立：

$X_1=\frac{1}{2}[L-v\times (t_{n+1}-t_n)]$

$X_2=\frac{1}{2}[v\times (t_{n-1}-t_{n+1})]$

(2)

$X_3=L-\frac{1}{2}[v\times (t_{n+2}-t_n)]$

$X_4=\frac{1}{2}[L-v\times (t_{n+2}-t_{n-1})]$

其中未知参量(t_n+1-t_n)、(t_n-1-t_n+1)、(t_n+2-t_n)和(t_n+2-t_n-1)分别是泄漏振动波到 达传感器n和n-1、传感器n+1和n-1、传感器n和n+2、传感器n-1和n+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X₁、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。

本发明的系统构成见图1和图2，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。

在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，各光纤传感器通过光路 适配器与传输光路连接，传输光路接光源和光电探测器；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，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，基于频分复用方式的传感器实现 了各传感器信号的解复用和解调，获得原始泄漏振动波信号。

所述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 曾德干涉仪的形式；

所述信号采集与处理模块的构成见图3，它包括信号调理单元、信号采集单 元、处理单元、显示终端和外部接口，处理单元包括识别电路和定位电路；光 电探测器输出的信号依次串接信号调理单元、信号采集单元和处理单元，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的识别和泄漏点的定位；处理单元输 出有显示终端和外部接口；

其中调理单元电路如图4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，1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；

处理单元内的识别电路如图5所示，它主要由数字信号处理器U1B及外围 电路组成，U1B的NC1-NC15管脚悬空；AVDD、AGND为模拟电源输入，AVDD通过 磁珠FER1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；DAI 1、DAI 3、DAI 4分别与定位电路数字信号处理器U10的DR0PRI、 RSCLK0、RFS0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；

处理单元内的定位电路如图6所示，它主要由数字信号处理器U10及外围 电路和接口组成，U10的DR0PRI、RSCLK0、RFS0分别与识别电路数字信号处理 器U1B的DAI1、DAI3、DAI4连接用于接收数据，RX、TX、MOSI、MISO、SCK接 显示终端接口，TCK、TDO、TDI、TMS、TRST#、EMU#为调试接口。

本发明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传感器，多传感器联 合进行时延估计提高对泄漏点的定位精度；此外光纤传感器的灵敏度是传统声 传感器的数倍，可以显著提高对天然气管道微小泄漏检测和定位的准确度。

附图说明

图1光纤传感天然气管道泄漏监测系统装置原理图

图2光纤传感天然气管道泄漏定位原理图

图3信号采集与处理模块原理框图

图4信号采集与处理模块中信号调理单元电路图

图5信号采集与处理模块中信号处理单元识别电路图

图6信号采集与处理模块中信号处理单元定位电路图

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.本例的构成如图1所示，是在管道本体上每隔一定距离安装一个光 纤传感器，各光纤传感器通过光路适配器与传输光路连接，传输光路接光源和 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，信号采集与处理模块输出通过外部接口接微机。经信号采集与处 理模块的处理，基于频分复用方式的传感器实现了各传感器信号的解复用和解 调，获得原始泄漏振动波信号。

所述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 曾德干涉仪的形式；

所述信号采集与处理模块的构成见图3，它包括信号调理单元、信号采集单 元、处理单元、终端显示和外部接口，处理单元包括识别电路和定位电路；光 电探测器输出的信号依次串接信号调理单元、信号采集单元和处理单元，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的识别和泄漏点的定位；处理单元输 出有显示终端和外部接口；

其中调理单元电路如图4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，1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。

处理单元内的识别电路如图5所示，它主要由数字信号处理器U1B及外围 电路组成，U1B的NC1-NC15管脚悬空；AVDD、AGND为模拟电源输入，AVDD通过 磁珠FER1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U10的DR0PRI、 RSCLK0、RFS0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；

处理单元内的定位电路如图6所示，它主要由数字信号处理器U10及外围 电路和接口组成，U10的DR0PRI、RSCLK0、RFS0分别与识别电路数字信号处理 器U1B的DAI1、DAI3、DAI4连接用于接收数据，RX、TX、MOSI、MISO、SCK接 显示终端接口，TCK、TDO、TDI、TMS、TRST#、EMU#为调试接口。

调理单元、识别电路、定位电路中的元器件型号和数值见图4-6。

光源采用100kHZ窄线宽光纤激光器，激光器输出接传输光路，管道上各传 感器通过光路适配器内的合分束器与传输光路连接，最远端的合分束器分光比 为1∶1，其它合分束器分光比由远及近依次为2∶1、3∶1、4∶1、......、9∶1， 其中各合分束器比例为1的输出/输入与传感器连接，合分束器另一比例的输出 /输入端通过传输光路与后面的合分束器连接；传感器采用马赫曾德干涉仪结 构，臂长差分别为5m、10m、15m、......、50m，各传感器较长的一个臂绕制在橡 胶材料的弹性体上，弹性体紧贴管道壁固定；

在沿管道方向上设置多个传感器，当传感器n和传感器n+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器n-1、n、 n+1和n+2拾取，根据泄漏点两侧的传感器对检测泄漏振动信号的时延差，即通 过对传感器n-1和n+1、n和n+1、n和n+2、n-1和n+2四对传感器的信号分析 获得四个时延差，进而计算得到4个泄漏位置测量值X₁、X₂、X₃、X₄，对这4 个测量值取统计平均值可以得到准确的泄漏点位置X。

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器能够实现 对沿管道天然气泄漏的监测，经过对信号分析处理能够实现对泄漏事件报警并 给出泄漏点位置，系统灵敏度高，通过对泄漏的智能识别极大程度上降低了管道 沿线震动干扰导致的系统虚警率。