CN101684891B - 应力波与光纤传感复式管道安全预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种应力波与光纤传感复式管道安全预警系统。安装在埋于地表(21)下管道(28)外的光纤传感器及固定装置(27)之输出由信号线(26)接振动信号采集及处理装置(25)的输入，接振动信号采集及处理装置(25)的输出由信号线(24)连接卡在管道同沟光缆(22)上的外卡式光缆振动装置(23)的输入；由光纤传感器将测得的振动信号经信号线(26)送入振动信号采集及处理装置(25)，经处理后的信号由信号线(24)输到外卡式光缆振动装置(23)的输入，外卡式光缆振动装置(23)将振动信号作用于光纤传感管道安全预警系统，由光纤传感管道安全预警系统定位并给出报警信息。
Description
技术领域
本发明是一种应力波与光纤传感复式管道安全预警系统。涉及测量应力、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
油气管道作为工业经济的命脉，在国民经济中居于重要位置。近年来，随着我国长输管道的迅猛发展，因非法施工、打孔盗油等第三方破坏事件和自然灾害所造成的管道安全事故时有发生，严重的影响着管道的安全运行。早在上世纪，国内外很多科技人员就致力于油气管道的安全运营防护技术的研究和应用。目前，国内外所采用的方法主要是在管线上安装利用监测流量、压力等物理参数发生变化的泄漏监测系统，常用的方法有压力波法、统计分析法、模型法等。这些方法虽然也能够尽快发现管道泄漏，但只能是管线发生泄漏后才能进行报警和定位，管道安全事故已经发生。那么，如何利用各种相关的新技术，研究出一种经济可行的管道安全预警技术，使得管道在遭受打孔盗油、非法机械开挖等第三方破坏之前能够迅速报警并准确定位，并及时通知相关管理人员，为阻止管道破坏事件的发生赢得宝贵时间，从而避免环境污染、人员伤亡等次生灾害，有着十分重要的意义。
管道安全预警技术是超前研究领域，国外发达国家主要针对意外过失损坏，国内还存在人为故意破坏，目前，国内外所采用的方法还是以人防为主的飞机、汽车巡线、电话报警、设置岗哨等，还都没有经济可行的技术手段。近年出现一种基于对管道破坏所产生的声音和振动信号进行检测和定位的技术，中国实用新型专利号200320100537.2、200720103693.2等对此类技术做了详细的描述，这一技术的原理是依靠实时监测管道上的微振动信号来进行分析和判断，然后远传到报警中心进行综合判断，这些方法虽然也有一定的预警能力，而且报警较为准确，但由于受制于系统的通信和供电等问题而存在很大的局限性。
随着光纤技术的发展，光纤传感也开始应用于安全预警领域，主要有干涉型分布式光纤传感技术以及后向散射型分布式光纤传感技术，干涉型主要代表为中国发明专利申请号200410020046.6，200410016038及专利号ZL99814375.8，散射型主要代表为中国发明专利申请号02145502.3。这些系统虽然可以利用光缆来检测管道埋设周边土壤的振动信号，但这些方法所使用光缆都是利用特制的传感光缆进行试验的。实际上目前与管道同沟铺设的通讯光缆为了保证本身的埋设安全，一方面在成缆形式上采用光缆悬浮于油膏的方式，降低了光纤对外界微振动的敏感性能，另一方面，通讯光缆在埋设过程中，光缆外部都采用金属铠装及穿套硅芯管保护等方式，进一步隔离了外界的振动信号，因此这些依靠光缆进行管道安全预警的系统目前只停留在试验阶段，无法在工业管道现场应用。
发明内容
本发明的目的是发明一种经济实用、性能稳定、灵敏度高的应力波与光纤传感复式管道安全预警系统。
本发明的构成如图1所示，它由光纤传感管道安全预警系统的管道同沟光缆22、外卡式光缆振动装置23、振动信号采集及处理装置25、传感器及固定装置27、信号线组成。安装在埋于地表21下管道28外的传感器及固定装置27之输出由信号线26接振动信号采集及处理装置25的输入，接振动信号采集及处理装置25的输出由信号线24连接卡在管道同沟光缆22上的外卡式光缆振动装置23的输入。由传感器及固定装置27将测得的振动信号经信号线26送入振动信号采集及处理装置25，经处理后的信号由信号线24输到外卡式光缆振动装置23的输入，外卡式光缆振动装置23将振动信号作用于光纤传感管道安全预警系统，由光纤传感管道安全预警系统定位并给出报警信息。
其中振动信号采集及处理装置25的电原理如图3所示，它由传感器、信号调理电路、光缆信号调制模块、单片机、数据存储器、数字信号处理单元、JTAG口及电源模块组成。传感器输出接信号调理电路，信号调理电路输出接单片机的输入；光缆信号调制模块与单片机有输入和输出连接；有JTAG口的数字信号处理单元与数据存储器有输入和输出连接，而数据存储器与单片机也有输入和输出连接；电源模块为单片机、数字信号处理单元供电。
其中：
信号调理电路由电荷放大器、可编程放大器、带通滤波器、A/D转换和单片机组成；
电荷放大器如图4所示，是由运算放大器构成的放大器；
带通滤波器如图5所示，也是由运算放大器构成的；
可编程放大器、A/D转换和单片机选市销产品；
数字信号处理单元包括低功耗的进行系统逻辑控制及初步运算的单片机和实现数字信号处理的DSP处理器组成，单片机和处理器均有市销产品可供选择。
当传感器采集到由于探管、剥离防腐层、敲击、钻孔等破坏事件所导致的信号时，首先进行信号的放大、滤波、整形等处理，然后进行模数转换，进入到单片机进行基本的逻辑判断和处理，如果认为异常，就激活高速度数字信号处理器(DSP)进行精确的分析和判别，当确认是管道威胁信号时便根据所预设的程序控制振动马达，通过专有的装置对传感光缆进行激励。
外卡式光缆振动装置23由振动马达和光缆信号调制模块组成。单片机输出接光缆信号调制模块的EN端，光缆信号调制模块的Vout端接振动马达的电源端。受单片机输出控制的光缆信号调制模块控制加于振动马达的电源通断。
传感器输出信号经信号调理电路处理后输入单片机，单片机、数据存储器及数字信号处理单元将采集的振动信号经处理，一方面存储，另一方面输至光缆信号调制模块，加在光缆上。
传感器及固定装置27按常规振动传感器的安装方式安装固定。
管道安全预警系统的光纤传感部分原理图如图2所示，这是本公司于2007年6月27日申请的“基于相位干涉的分布式光纤管道安全预警系统”的技术。加在传感光缆上的振动信号由光纤传感传回光信号解调系统20，通过光电探测器12c和光电探测器12d两个光电探测器转换为电信号，通过信号调理单元14c、信号调理单元14d的信号调理模块差动输入模数转换模块16b，数字信号输入计算机19进行数字信号处理及分析。
当长输管道上发生打孔盗油事件时，本发明利用声音振动预警方法通过在管壁上固定的振动传感器检测管道遭到破坏时的应力波信号，并通过特别设计的数据采集和分析处理单元对信号进行综合处理，当确定是破坏信号时，通过输出接口激励外卡式振动装置产生特定频率和幅度的微振动，并把这一振动信息利用物理接口传递给通讯光缆，光缆采集这一振动信号后，利用光的干涉原理，经过特定的光路结构及设计的分布式光纤微振动检测系统，进行事件的报警和定位。
该技术在重点区域利用管道微振动检测技术进行打孔盗油等危机管道安全事故的预警，在整个干线区域利用管道通讯光缆进行重型机械开挖的预警以及对振动预警系统的传递和事件定位，从而更好的结合两种方法的优点，既解决振动传感方法中的通信和供电问题，又解决了利用通讯光缆进行分布式光纤传感的灵敏度不足问题。整个系统具有监控距离长、灵敏度高、性能稳定的特点，可实现埋地管道沿线的打孔盗油、机械开挖、等威胁事件的检测和预警。
本发明很好的结合了光纤传感和振动传感的优点，既发挥了光纤传感无源、无中继、单套设备可以实现长达几十公里距离的监控，又弥补了由于铠装、硅管等做了特殊保护的光缆作为光纤传感对于人工挖掘等低强度管道威胁事件的探测所存在的一些问题。本系统可利用分布式光纤技术实现管道沿线的机械开挖预警，又可以利用固定在管道上的振动传感器接收来自管道破坏的声波信号进行预警，然后通过光缆进行定位，从而实现对管道重点区域的监控。
本发明将管道同沟铺设的光缆传感到的管道沿线的土壤振动和紧贴管道的振动传感器采集的管道遭到破坏时的振动结合起来进行综合判断，既可以实现利用分布式光纤系统进行的管道干线的机械开挖预警，又可以对重点管段的打孔盗油等管道威胁事故进行预警，实现了双重预警功能，从而实现在管道遭到实质性破坏之前的开挖和打孔进行提前预警。是一种经济实用、性能稳定、灵敏度高的管道安全预警系统。
附图说明
图1振动与光纤传感相结合的管道安全预警系统
图2光纤传感的管道安全预警系统原理框图
图3振动预警系统电路原理图
图4电荷放大器电路原理图
图5带通滤波器电路原理图
其中1～6—光纤解调系统的接入端口
1a～6a—引导光纤
1b～3b—干线光缆9中的纤芯
7—干线光缆9中的纤芯 8—干线光缆9中的纤芯
9—干线光缆 10—末端控制器
11—首端控制盒 12a～12d—光电探测器
13a～13b—光的偏振态控制器 14a～14d—信号调理单元
15—光纤耦合器 16a～16b—模数转换模块
17—光隔离器 18—激光光源
19—信号处理计算机 20—光信号解调系统
21—地表 22—管道同沟光缆
23—外卡式光缆振动装置 24—信号线
25—振动信号采集及处理装置 26—信号线
27—传感器及固定装置 28—管道
具体实施方式
实施例.本例是一实验样机，其构成如图1-图5所示。
本例中使用的光纤传感系统对传统的Mach—Zhender光纤干涉仪进行了改进，如图3所示，只需要在光缆的一端放置光信号解调设备，另一端为一特殊设计的无源的末端控制器。通过光在光纤中两路传播的时间差进行定位，实现了对外界威胁事件的实时定位。
本例的构成如图1所示，它由光纤传感管道安全预警系统的管道同沟光缆22、外卡式光缆振动装置23、振动信号采集及处理装置25、传感器及固定装置27、信号线组成。安装在埋于地表21下管道28外的传感器及固定装置27之输出由信号线26接振动信号采集及处理装置25的输入，接振动信号采集及处理装置25的输出由信号线24连接卡在管道同沟光缆22上的外卡式光缆振动装置23的输入。由传感器及固定装置27将测得的振动信号经信号线26送入振动信号采集及处理装置25，经处理后的信号由信号线24输到外卡式光缆振动装置23的输入，外卡式光缆振动装置23将振动信号作用于光纤传感管道安全预警系统，由光纤传感管道安全预警系统定位并给出报警信息。
本例使用的振动检测系统的电原理如图3所示，它由传感器、信号调理电路、光缆信号调制模块、单片机、数据存储器、数字信号处理单元、JTAG口及电源模块组成。传感器输出接信号调理电路，信号调理电路输出接单片机的输入；光缆信号调制模块与单片机有输入和输出连接；有JTAG口的数字信号处理单元与数据存储器有输入和输出连接，而数据存储器与单片机也有输入和输出连接；电源模块为单片机、数字信号处理单元供电。
其中：
信号调理电路由电荷放大器、可编程放大器、带通滤波器、A/D转换和单片机组成；数字信号处理单元包括包括低功耗的进行系统逻辑控制及初步运算的单片机和实现数字信号处理的DSP组成。
INV9818传感器的输出端Q接电荷放大器的Q端，电荷放大器的V0端的输入端，电荷放大器的增益控制端接单片机MSP430F149的P1.1、P1.2，输出端Vout接带通滤波器的Vi端，Vo端接有电压基准REF3325的A/D转换ADS8325，A/D转换ADS8325的CS、Dclk端分别接单片机MSP430F149的P1.3、UCLKO端，A/D转换ADS8325的Dout通过SPI接口接SOMIO端；单片机MSP430F149的P2.6接马达电源TPS62110的EN端，马达电源TPS62110的Vout端接振动马达YDM04-CX电源端；单片机MSP430F149的TMS端接JTAG接口；单片机MSP430F149的UTXD1、URXD1分别接DSP处理器TMS320F2812的SCIRXDA、SCITXDA端；单片机MSP430F149的P5.7、P6[0..7]、P4[0..7]分别接FIFO数据交换器IDT72V85的WR、DA[0..7]、DB[0..7]端，数据交换器IDT72V85的RD、QA[0..7]、QB[0..7]端分别接DSP处理器TMS320F2812的XRD、XD[0..7]、XD[8..15]端，数据交换器IDT72V85的QA[0..7]、QB[0..7]端分别接存储器CY711041V33的D[0..7]、D[8..15]端，并存储器CY711041V33的A[0..17]、WE端分别接DSP处理器TMS320F2812的XA[0..17]、XWE端；DSP处理器TMS320F2812的TDI端接JTAG接口；12V蓄电池输出经LM2574、LM2574和TPS62110分别产生3.3VA模拟电源、3.3VD数字电源和马达电源。
电荷放大器如图4所示，是由运算放大器构成的放大器；运算放大器TL081的输入端Q接由输出端V0经电容Cf的反馈后，接电容C1后接输出端V0经电阻Rf的反馈，并经并联的电阻R1、C2接运算放大器TL081的“-”输入端；运算放大器TL081的“+”输入端经电阻R2接地。
带通滤波器如图5所示，也是由运算放大器构成的；输入端Vi经电阻R3接有电阻R4和电容C3并联负反馈第一运算放大器LM358的“-”输入端，第一运算放大器“+”输入端接地，输出经电阻R7接有电阻R8负反馈的第二运算放大器LM358的“-”输入端，第二运算放大器“+”输入端接地；第二运算放大器输出端V0经电阻R6接“+”输入端接地并有电容C4负反馈的第三运算放大器LM358的“-”输入端，第三运算放大器LM358输出经电阻R5至第一运算放大器LM358的“-”输入端。
这里：
传感器选INV9818；
可编程放大器选PGA202；
A/D转换选ADS8325；
数据存储器选CY711041V33；
FIFO数据交换器选IDT72V85；
光缆信号调制模块选TPS62110；
单片机选低功耗MSP430F149；
DSP处理器选TMS320F2812；
电池组选用N70ZMF-1-1 12V 75Ah蓄电池；
R1为2kΩ；
R2为2kΩ；
R3为7.5kΩ；
R4为20kΩ；
R5为10kΩ；
R6为20kΩ；
R7为15kΩ；
R8为15kΩ；
Rf为100MΩ；
C1为0.1uF；
C2为20pF；
C3为0.1uF；
C4为0.1uF；
Cf为1nF。
图2是管道安全预警系统的光纤传感部分原理图。
图中1～6为光纤解调系统的接入端口，1a～6a为引导光纤，1b，2b，3b，7和8为干线光缆9中的纤芯。10为末端控制盒，11为首端控制盒，12a～12d为光电探测器，13a和13b为光的偏振态控制器，14a～14d为信号调理单元，15为光纤耦合器，16a和16b为模数转换器，17光隔离器，18为激光光源，19为信号处理计算机，20为光信号解调系统。
系统的具体实施过程为，激光光源18发出的光，经过光隔离器17被光纤耦合器15分成两束，经过两个偏振态控制器13a和13b转换为同一偏振态，然后分别从光纤解调系统的接入端口3和4进入引导光纤3a和4a。引导光纤4a(以下简称I路)中的光在首端控制器11按功率1:1被分成相等的两束分别进入7、8两条单模光纤构成Mach—Zehnder干涉仪的两臂，在两束光的传输过程中，当发生管道泄漏、管道周围施工、打孔盗油等第三方破坏以及自然灾害(如：地震、洪水、泥石流、崩塌以及山体滑坡)等外界信号扰动时，两束光的光程发生变化，当两束光在末端控制器10汇合时发生干涉，干涉信号通过1，6两条光纤传回光信号解调系统的1、2两个端口被光电探测器12a、12d将光信号转换为电信号。电信号在信号调理单元14a和14d差动输入模数转换模块16a，数字信号输入计算机18进行数字信号处理和事件分析。与此同时引导光纤3a中的光(以下简称II路)进入干线光缆9的干线光缆9中的纤芯3b在末端控制器10被分成两束进入7、8两根单模光纤，在首端控制器11进行干涉，干涉信号通过引导光纤5a、6a传回光信号解调系统20的5、6两个端口，通过光电探测器12c和12d转换为电信号，通过信号调理单元14c、14d差动输入模数转换模块16b，数字信号输入计算机19进行数字信号处理及分析。
使用计算机对I路或II路信号运用数字信号处理理论进行特征分析，可以将不同的破坏、威胁事件进行分类，有效的避免虚警和误报。同时通过I路和II路两路光信号传播到光信号解调系统20的时间差，可以实现对威胁事件的有效定位。光在光纤中的传播速度高达2.0×108km/S，因此系统的响应时间极短，在数毫秒内即可实现对威胁事件的定位。
传感器输出信号经信号调理电路处理后输入单片机，单片机、数据存储器及数字信号处理单元将采集的振动信号经处理，一方面存储，另一方面输至光缆信号调制模块，加在光缆上。光纤传感部分原理图如图2所示，加在传感光缆上的振动信号由光纤传感传回光信号解调系统20，通过光电探测器12c和光电探测器12d两个光电探测器转换为电信号，通过信号调理单元14c、信号调理单元14d的信号调理模块差动输入模数转换模块16b，数字信号输入计算机19进行数字信号处理及分析。
本例使用经过防水处理的振动传感器固定在管道上，接收管道遭遇破坏时的振动信号，通过信号调理和A\D转换后将模拟信号转化为数字信号送入单片机进行初步判断，对于异常信号发给数字信号处理单元进行二次判断，当发现信号为针对管道破坏事件时激活后级的光缆外卡式单元，通过光缆将报警信息发回监控中心。
本系统可以适合于铠装、硅管等任意光缆特性，系统具有双重保护功能，配置灵活，报警准确率高等特点，可广泛应用于油气管道的安全预警领域。
Claims (4)
1.一种应力波与光纤传感复式管道安全预警系统，其特征是它由光纤传感管道安全预警系统的管道同沟光缆（22)、外卡式光缆振动装置（23)、振动信号采集及处理装置（25)、光纤传感器及固定装置（27)、信号线组成；所述外卡式光缆振动装置（23）是由振动马达和光缆信号调制模块组成；安装在埋于地表（21）下管道（28）外的光纤传感器及固定装置（27）之输出由信号线（26）接振动信号采集及处理装置（25）的输入，振动信号采集及处理装置（25）的输出由信号线（24）连接卡在管道同沟光缆（22）上的外卡式光缆振动装置（23）的输入；由光纤传感器及固定装置（27）将测得的振动信号经信号线（26）送入振动信号采集及处理装置（25），经处理后的信号由信号线（24）输到外卡式光缆振动装置（23）的输入，外卡式光缆振动装置（23）将振动信号作用于光纤传感管道安全预警系统，由光纤传感管道安全预警系统定位并给出报警信息。
2.根据权利要求1所述的应力波与光纤传感复式管道安全预警系统，其特征是所述振动信号采集及处理装置（25）由信号调理电路、单片机、数据存储器、数字信号处理单元、JTAG口及电源模块组成；光纤传感器输出接信号调理电路，信号调理电路输出接单片机的输入；有JTAG口的数字信号处理单元与数据存储器有输入和输出连接，而数据存储器与单片机也有输入和输出连接；电源模块为单片机、数字信号处理单元供电；
光纤传感器采集管道（28）上的微震动信号通过电荷放大转换为电压信号，再经过信号调理电路进行信号处理后输入单片机，单片机、数据存储器及数字信号处理单元将采集的振动信号经处理，一方面存储，另一方面加在管道同沟光缆（22）上；如果光纤传感器检测到信号异常，就激活数字信号处理单元进行进一步的分析处理。
3.根据权利要求2所述的应力波与光纤传感复式管道安全预警系统，其特征是所述信号调理电路由电荷放大器、可编程放大器、带通滤波器、A/D转换组成；数字信号处理单元为数字信号处理器。
4.根据权利要求1所述的应力波与光纤传感复式管道安全预警系统，其特征是所述外卡式光缆振动装置（23）是由振动马达和光缆信号调制模块组成；振动信号采集及处理装置（25）输出接光缆信号调制模块的EN端，光缆信号调制模块的Vout端接振动马达的电源端；光缆信号调制模块控制加于振动马达的电源通断。
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