CN103047541A - 一种光纤传感天然气管道泄漏事件识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种一种光纤传感天然气管道泄漏事件识别装置，涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。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，每个光纤传感器组用一根光纤接一串接在光纤中的分束器后到接收端的光源和光电探测器，光电探测器输出接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，基于频分复用方式混合的传感器组信号实现了传感器组内各传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号。在管道发生泄漏初级阶段时及时监测到信号异常并报警准确率高。

Description

一种光纤传感天然气管道泄漏事件识别装置

技术领域

本发明是一种一种光纤传感天然气管道泄漏事件识别装置，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。

传统基于声传感器的泄漏检测方法，以需供电的压力传感器作为声音信号的拾取装置，通常在管道进出场站或阀室的两端安装两个传感器，在泄漏信号获取上仅仅能够获得一个时间差，对泄漏事件的定位精度较差，且由于获得的信号频道较窄，难于实现泄漏和随机振动干扰的区分，系统误报较多。

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泄漏振动监测系统在管道发生泄漏初级阶段时及时监测到信号异常并报警准确率高的光纤传感天然气管道泄漏事件识别装置。

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，基于准分布式光纤干涉传感技术的天然气管道泄漏监测系统采用高灵敏度传感单元并结合泄漏事件的时域、频域特征有针对性的进行了克服。

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，提高拾取泄漏信号的频谱宽度，增加有效特征信息量。

具有较高泄漏振动传感灵敏度的天然气管道泄漏监测系统是通过增加干涉仪两传感臂的长度和空间距离从而实现了干涉仪对振动信号的感应灵敏度的提高，在对环境随机振动干扰的抑制方面采用了泄漏信号的智能识别技术，有效区分了随机偶发振动和突发性、持续性泄漏信号，并且结合相邻的多个传感单元同时获取的泄漏信号时延，更加准确的实现了泄漏点的定位。

本发明是建立在具有高灵敏度的准分布式光纤传感泄漏振动监测方法的基础之上的，而具有高灵敏度的准分布式光纤传感泄漏振动监测方法是在具有一定间隔的管道本体上安装高灵敏度光纤干涉型泄漏光纤传感器，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实现对振动波源所在位置的确定，实现上述的对振动波信号分析处理后对泄漏事件进行报警同时提供泄漏点的位置信息。本发明在采用高灵敏度光纤传感器提高对泄漏事件监测灵敏度的基础上适当增加了光纤传感器的数量，扩展了可拾取监测信号的频段，并结合多个光纤传感器进行的时延估计定位方法保证了系统定位的准确性。

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单元间隔为设定值L，设信号传播至传感单元n的时间为t_n，传播至传感单元n+1的时间为t_n+1，信号传播至传感单元n-1的时间为t_n-1，传播至传感单元n+2的时间为t_n+2，有下式成立：

$X_1=\frac{1}{2}[L-v\×(t_{n+1}-t_n)]$

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

$X_3=L-\frac{1}{2}[v\×(t_{n+2}-t_n)]$

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

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)可以通过对对应几个传感单元接收到的信号进行相关处理得到，这样就形成了对事件发生位置X同一未知量的多次观测，联合连续多个传感单元接收信号时间差，相比仅采用两个传感单元的时间差测量方式具有更为准确的定位效果。

在基于光纤传感的天然气管道泄漏监测方法的基础上，为了对环境随机振动干扰进行抑制，本发明采用的智能识别方法是：以管道正常运行和泄漏状况信号的时域特征P_t、频域特征P_f和当前管道传播信号的噪声特性P_n并结合波形识别综合进行分析，建立泄漏置信度函数模型：R＝a₁P_t+a₂P_f-a₃P_n，对拾取的振动波信号进行泄漏评估来判断管道是否发生泄漏，根据现场管道特点设置不同算法参数a₁、a₂、a₃调节置信度模型。对泄漏信号进行时域、频域和波形估计是指根据泄漏信号的时变包络特性和突发性、稳定性泄漏事件信号的中心频率分布特性，基于模拟泄漏事件的特征分类，能够准确识别出监测信号是否为泄漏事件。

利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中光纤分别作为收、发传输光纤，将管道泄露光纤传感探头通过光复用技术相互并联接在收发传输光纤之间，形成光回路，管道泄露光纤传感探头均匀布设在管道沿线，形成可监测管道声震动的光纤传感系统。利用光源对各个管道泄露光纤传感探头扫描，根据管道泄露光纤传感探头的分布情况对采集的光电转换信号解调、提取，实现各个管道泄露光纤传感探头的振动信息获取，检测分析管道泄露光纤传感探头信号判断是否有管道泄露事件发生，依据相邻的管道泄露光纤传感探头检测到信号的到达时间延迟实现对泄露点的定位。

一种用于光纤传感监测天然气管道泄漏事件识别装置见图1，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，每个光纤传感器组用一根光纤接一串接在光纤中的分束器后到接收端的光源和光电探测器，光电探测器输出接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，基于频分复用方式混合的传感器组信号实现了传感器组内各传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号。

所述信号采集与处理模块包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口；接光电探测器输出的信号调理输出依次串接信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口；所述处理单元包括泄漏信号识别电路和定位电路。

处理单元内的泄漏信号识别电路如图3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DROPRI、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4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DROPRI、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。

光源发出激光，激光沿传输光路部分传输至安装在管道上的光纤传感器，当管道泄漏事件发生时，泄漏激发振动波并沿管道向两相反方向传播，传感单元拾取到沿管道传播的信号后，再次经过传输光路部分将信号光传回至系统光电探测部分，经光电转换后送到信号分析装置和泄漏信号识别装置中进行分析处理，泄漏信号识别装置对泄漏信号进行时域、频域和波形估计，基于人工智能技术实现对泄漏事件和随机振动事件的有效区分。

本发明是基于泄漏振动准分布式光纤传感的管道泄漏监测装置和方法，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振动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，多光纤传感器联合进行时延估计提高对泄漏点的定位精度；同时能有效区分了随机偶发振动和突发性、持续性泄漏信号，在管道发生泄漏初级阶段时及时监测到信号异常，并报警准确率高。

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光纤传感天然气管道泄漏监测系统识别电路原理图

图4光纤传感天然气管道泄漏监测系统定位电路原理图

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，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，每个光纤传感器组用一根光纤接一串接在光纤中的分束器后到接收端的光源和光电探测器，光电探测器输出接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，基于频分复用方式混合的传感器组信号实现了传感器组内各传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号。

光源采用100kHZ线宽的窄线宽光纤激光器，激光器输出接分束器1，分束器1采用分光比为24∶1，其中比例为24的输出继续沿传输光路传播直至遇到分束器2，分束器1输出比例为1的输出端经连接光纤进入光纤传感器1，光纤传感器采用马赫曾德干涉仪结构，为了保证光纤传感器具有一定的灵敏度控制干涉仪臂差在20m，该干涉仪绕制在橡胶材料的弹性体上，弹性体紧贴管道壁固定。分束器2采用23∶1的分光比，其中比例为23的输出继续沿传输光路传播直至遇到下一个分束器3，分束器2输出比例为1的输出端经连接光纤进入光纤传感器2，光纤传感器同样采用马赫曾德干涉仪结构并且控制干涉仪臂差在20m，绕制在橡胶材料的弹性体上，弹性体紧贴管道壁固定。当光纤传感器1和光纤传感器2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光纤传感器1和2拾取，根据光纤传感器1和2接收到泄漏信号的时间差并结合振动波在管道中的传播速度可以实现泄漏点的定位。

在沿管道方向上设置多个传感点，每个光纤传感器之间的距离精确测定，根据光传播时间控制光源输出。

所述信号采集与处理模块包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口；接光电探测器输出的信号调理输出依次串接信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口；所述处理单元包括泄漏信号识别电路和定位电路。

处理单元内的泄漏信号识别电路如图3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DROPRI、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4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DROPRI、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。

其中元器件的选型如图3和图4所示。

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光纤传感器能够实现对沿管道传播的任何扰动行为的监测，经过对信号分析处理以及智能识别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偶发事件导致的系统虚警率。

Claims (4)

1.一种光纤传感天然气管道泄漏事件识别装置，其特征是它包括有光源、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，每个光纤传感器组用一根光纤接一串接在光纤中的分束器后到接收端的光源和光电探测器，光电探测器输出接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，基于频分复用方式混合的传感器组信号实现了传感器组内各传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号。

2.根据权利要求1所述的一种光纤传感天然气管道泄漏事件识别装置，其特征是所述信号采集与处理模块包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口；接光电探测器输出的信号调理输出依次串接信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口；所述处理单元包括泄漏信号识别电路和定位电路。

3.根据权利要求2所述的一种光纤传感天然气管道泄漏事件识别装置，其特征是所述处理单元中的泄漏信号识别电路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DROPRI、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。

4.根据权利要求2所述的一种光纤传感天然气管道泄漏事件识别方法和装置，其特征是所述处理单元内的定位电路主要由数字信号处理器U10及外围电路和接口组成，U10的DROPRI、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。

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