CN101832761B - 高温压力管道的微应变光纤传感在线监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温压力管道的微应变光纤传感在线监测设备。现有的监测设备成本高，操作复杂。本发明包括双波长光源、第一光开关、第二光开关、长周期光纤光栅组、信号解调模块、A/D采样模块、计算机。双波长光源输出端与第一光开关光连接，第二光开关与信号解调模块的输入端光连接，第一光开关与第二光开关之间并行设置有多路长周期光纤光栅组，所述的长周期光纤光栅组由两段不同周期的长周期光纤光栅串接而成。信号解调模块的输出端与A/D采样模块的输入端连接，A/D采样模块的输出端与计算机的输入端信号连接，计算机中的控制单元控制信号解调模块。本发明解决了高温下的传感技术问题，且具有灵敏度高，便于分布等特点。

Description

高温压力管道的微应变光纤传感在线监测设备

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种高温压力管道的微应变光纤传感在线监测设备。

背景技术

在现代社会中，高温压力管道在化工、石油企业和发电厂得到广泛应用，而每年不时有高温管道泄漏和爆炸事故发生。事故的主要原因是高温蠕变和管壁腐蚀减薄，其中管壁失效应变是一个非线性过程，因此需建立一套高温管道实时在线监测系统，能够提供高温管道的动态、实时、在线的失效监测数据，提供预报信息，才能有效避免管道失效爆管事故的发生。

目前我国对超期服役高温管道的失效检测主要采用在停机年检时对管道的蠕变程度进行人工千分尺测量，具体检测规程执行国家发改委于2004年发布的《火力发电厂高温高压管道蠕变监督规程》DL/T441-2004，或者从高温管道上割取一段典型管道进行高温蠕变或持久强度等鉴定试验，由此推断管道的剩余寿命。这种方法缺点很明显，不但需要停机或对管道进行破坏性的切割，而且必须人工测量记录数据，精度不高且工作量大、代价高、试验周期长。

目前国外一些工业发达国家都在尝试采用实时检测的方式对高温高压管道的健康状态进行计算机在线监测，进而对高温管道进行寿命评估及安全监督，这些方案有可能实现长期的在线检测，能够提供高温管道的动态、实时、在线的失效监测数据，提供预报信息，有效避免管道失效爆管事故的发生。

目前高温管道的实时检测技术手段包括：电学传感器检测方法，超声波检测方法和红外热成像检测方法。

电学传感器及其电路通常不能工作于高温条件下，即使采用价格昂贵的高温电传感器，也很难保证电路系统在高温下的工作稳定性，更为关键的是，由于化工企业和石油企业高温管道内部通常为易燃易爆的危险品，任何微弱的电磁信号、电火花都有可能引发燃爆，十分危险。因此电传感器在这种工作环境中是不能采用的。基于同样的原因，应变片技术同样不满足高温管道的在线监测需要。

超声波检测方法基于无损检测理论，虽然避免了电传感器的安全缺陷，但是超声波方法限于工作原理只能检测管道的壁厚和内壁的裂缝以及材料的气泡缺陷等，比较适用于检测管道出厂时的品质检测，而对于高温管道的外壁应变实时检测无能为力。

红外热成像检测方法同样基于无损检测理论，也避免了电传感器的安全缺陷，但红外成像方法目前只能检测内部蚀坑和壁厚减薄缺陷，同样无法检测管道外壁的实时应变状态。

从上述可以看出，目前三种实时检测方法均不能满足高温压力管道的实时在线检测任务的需要。因此建立一套动态、实时、在线的高温压力管道检测系统具有重大的现实意义。我国有许多大学科研院所及公司从事相关技术研发，但国内关于利用光纤传感技术进行高温管道检测的技术方法尚未见报导。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种高温压力管道的微应变光纤传感在线监测设备。

本发明所采取的技术方案为：高温压力管道的微应变光纤传感在线监测设备包括双波长光源、第一光开关、第二光开关、长周期光纤光栅组、信号解调模块、A/D采样模块、计算机。

双波长光源输出端与第一光开关光连接，第二光开关与信号解调模块的输入端光连接，第一光开关与第二光开关之间并行设置有多路长周期光纤光栅组，所述的长周期光纤光栅组由两段不同周期的长周期光纤光栅串接而成。信号解调模块的输出端与A/D采样模块的输入端连接，A/D采样模块的输出端与计算机的输入端信号连接，计算机中的控制单元控制信号解调模块。所述的计算机与中控台信号连接，所述的双波长光源与信号解调模块光连接。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明采用高温长周期光纤光栅(LPFG)做为高温管道的光纤传感器件，克服了普通的布拉格光纤光栅(FBG)无法应用于300摄氏度以上的高温传感环境下的问题。

2、本发明采用双LPFG双波长敏感解耦方法，来解决LPFG对温度交叉敏感的补偿问题。

3、本发明采用低速低成本的空分复用解调技术对系统光纤光栅信号进行解调，使得系统成本更具有竞争优势。

4、本发明采用高温长周期光纤光栅传感技术，具有灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、防爆、便于遥测遥控以及便于分布式传感等优点，克服了目前现有高温管道检测方法的缺点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为一组长周期光纤光栅组在管道上的安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，高温压力管道的微应变光纤传感在线监测设备包括双波长光源1、第一光开关2-1、第二光开关2-2、长周期光纤光栅组3、信号解调模块4、A/D采样模块5、计算机6。

双波长光源1输出端与第一光开关光2-1连接，第二光开关2-2与信号解调模块4的输入端光连接，第一光开关2-1与第二光开关2-2之间并行设置有16路长周期光纤光栅组3，长周期光纤光栅组3由两段不同周期的长周期光纤光栅串接而成。信号解调模块4的输出端与A/D采样模块5的输入端连接，A/D采样模块5的输出端与计算机6的输入端信号连接，计算机6中的控制单元控制信号解调模块4。计算机6与中控台7信号连接，双波长光源1与信号解调模块4光连接，为信号解调模块4提供参考信号，来保证系统的精度。

如图2所示，长周期光纤光栅组3位于上金属片8和下金属片9所形成的月牙形空间内，它的一端固定在上金属片8的居中位置，另一端固定在下金属片9的居中位置，上金属片8和下金属片9两端分别与两个固定块固定设置，固定块可粘贴到相应的待检测管道上。

本发明在线监测过程为：该设备采用空分复用结合耐高温双长周期光纤光栅(LPFG)布局，按照使用要求设定16路通道，每路通道由两个不同周期的LPFG组成，单路通道可完成单点测试和应变温度解耦，计算机对各路光开关进行同步切换控制，并完成信号解调数据的采集处理，最终的检测结果将实时显示和存储，该设备可记录半年以上历史存储数据，并具有可扩充至外部存储设备如光盘等，当存储空间只剩下10％空间时，系统会有相应的提示。当管道微应变超过阈值时，监测系统报警，并通过系统配置的无线发射模块，向值班负责人的手机拨号并发送短信，第一时间通知该负责人。

本发明采用了双波长光源作为工作光源，采用通道切换问询式工作模式，分别对两段匹配波长的LPFG进行敏感探测，两段LPFG的敏感信号输出以光强变化的形式反映应变和温度量，再经过双LPFG对应变和温度的融合算法，实现对应变和温度的解耦，最终实现对高温压力管道的在线监测功能。信号解调电路包括光电探测器及其偏置电路，流-压转换电路、滤波及放大电路、隔离电路等，通过对电信号的转换、滤波及放大，使输出信号有足够高的信噪比(SNR)，隔离电路起到隔离前置放大器和后端的采样电路的作用，驱动后端的采样电路，然后进入计算机进行处理。

本发明中的双波长光源、第一光开关、第二光开关、长周期光纤光栅、信号解调模块、A/D采样模块、计算机均为成熟的产品。

Claims (2)

1.高温压力管道的微应变光纤传感在线监测设备，包括双波长光源、第一光开关、第二光开关、长周期光纤光栅组、信号解调模块、A/D采样模块、计算机，其特征在于：

双波长光源输出端与第一光开关光连接，第二光开关与信号解调模块的输入端光连接，第一光开关与第二光开关之间并行设置有多路长周期光纤光栅组，所述的长周期光纤光栅组由两段不同周期的长周期光纤光栅串接而成；信号解调模块的输出端与A/D采样模块的输入端连接，A/D采样模块的输出端与计算机的输入端信号连接，计算机中的控制单元控制信号解调模块；

所述的计算机采用通道切换问询式工作模式，分别对两段匹配波长的长周期光纤光栅进行敏感探测，两段长周期光纤光栅的敏感信号输出以光强变化的形式反映应变和温度量，再经过双长周期光纤光栅对应变和温度的融合算法，完成对应变和温度的解耦，从而实现对高温压力管道的在线监测。

2.根据权利要求1所述的高温压力管道的微应变光纤传感在线监测设备，其特征在于：所述的计算机与中控台信号连接，所述的双波长光源与信号解调模块光连接。