CN104100842A - 一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统，包括管道（21），在管道（21）的监测区域内铺设分布式光纤传感器（22），同时在所述管道（21）的两端、或者在所述管道（21）上分段安装声波传感单元（23），还包括光功率检测模块（24、25）和声波信号接收与处理装置（26），所述管道监测区域为所述管道外、所述管道外壁表面、所述管道外壁内和所述管道内部中的至少一处。本发明将分布式光纤传感技术与声波检测技术进行结合，在判断管道泄漏类型时，综合考虑分布式光纤传感器和声波传感单元的检测结果，两种方式互相互补，实现高可靠性的检测，降低了误报率，提高了定位精度。

Description

一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统

 

技术领域

本发明涉及一种管道监测装置及系统，特别是涉及一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统，用于对管道泄漏情况实时在线监测，实现精确自动预警。

 

背景技术

随着社会经济和人民生活水平的提高，各种建筑物群越来越多，与其配套的水、电、暖、燃气等管道、电线电缆以及通信光缆等管道在地下四处延伸，因此，管道的安全性是城市建设中不可忽视的重要部分。

目前，用于管道泄漏的监测可以使用管外检测法，主要包括负压波检测法和声发射检测法。负压波检测法能够快速地判断管道泄漏的发生并准确定位，但此技术的重要特点是需要产生压力下降，压力下降产生的波动是否能够有效检测也很大程度取决于所采用的仪表精度，如在 1Mpa工况压力下，1/4英寸孔径产生的泄漏在经过20千米管道衰减后产生的压降约为0.001Mpa，一般一个满量程为1Mpa 的压力表，很难有效检测到如此小的压降，虽然有分辨率更高的压力表，但不符合大的压降的检测量程要求，因此负压波检测法对诊断实时性有非常高的要求，即诊断系统必须能及时捕捉泄漏刚发生时产生的负压波信号；声发射检测法是在管道外部安装对泄漏噪声敏感的传感器，通过分析管道应力波信号功率谱的变化即可检测出管内介质的泄漏。例如：公开号为101270853的中国发明专利申请“基于次声波的天然气管道泄漏远程检测装置、方法及系统”中通过在管道上安装次声波传感单元，用于对管道内的泄漏次声波信号进行检测。

如图1所示为基于声波的管道泄漏检测原理示意图，在管道11上每隔一定距离（也可以在管道11的两端）分别设置声波传感单元12、13，相邻两个声波传感单元之间的距离为L，当泄漏点14发生泄漏时，管内流体弹性力量释放，以及泄漏点14的多向湍射流与管壁相互作用后会产生声波，声波以管道内输送介质为媒介，向上下游传播。安装在上、下游的声波传感单元12、13通过采用先进的微弱信号检测技术，提取泄漏声波信号，同时，通过先进的模式识别技术进行波形识别，实现泄漏的准确判断。利用泄漏信号到达上下游传感器的时间差，结合声波在介质中的传播速度和管道的长度，实现泄漏的精确定位，计算公式如下：

其中，X为泄漏点14至声波传感单元12的距离，V为声波在介质中的传播速度，Δt为泄漏声波传播到声波传感单元12和声波传感单元13的时间差。

然而，当一条管道上多个点同时、或先后发生泄漏时，多个泄漏点产生的同向传输的声波会发生混叠，当这些混叠的声波同时到达声波传感单元时，将无法区分该泄漏信号是由单点泄漏产生的，还是由多点泄漏产生的，最终检测结果可能错误地定位到了一个泄漏点上。

为了能够实现管道全线各点、多点的实时、准确监测，分布式光纤传感被应用到管道监测方法中。例如，公开号为1414283的中国发明专利“基于分布式光纤传感器的油气管道泄漏智能在线监测方法”中通过在管道附近与管道并行铺设一条或几条光缆，利用分布式光纤作为传感器，拾取管道周围的压力和振动信号，光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射和菲涅尔反射会出现背向散射光和能量损耗，通过对背向散射光和光纤输出光功率的大小和频谱的测量，获得光纤上各点损耗的特征。也就是说，分布式光纤传感器能够测量光纤所在的任何一点的信号，因此，当管道中的油气发生泄漏或在管道附近有机械工和人为破坏时，产生的应力或冲击力将改变光纤的特性和损耗，从而改变光纤背向散射光功率和/或输出光功率，通过光功率检测模块和计算机完成管道泄漏的判断和准确定位。

然而，虽然分布式光纤可以全线监测，即每一个点都可以进行传感，在跨越地区广泛、施工环境不定的地下管道监测的应用中，但是由于分布式光纤过于敏感的特性很容易导致误报情况的发生，具有很高的系统虚警率，抗干扰能力较差。

 

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统，本装置及系统同时利用分布式光纤传感器和声波传感单元对管道进行实时监测，在判断时综合考虑分布式光纤传感器和声波传感单元的检测结果，实现高可靠性的检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置，包括管道，在所述管道的监测区域内铺设分布式光纤传感器，同时在所述管道的两端、或者在所述管道上分段安装声波传感单元。

进一步地，所述管道监测区域为所述管道外、所述管道外壁表面、所述管道外壁内和所述管道内部中的至少一处。

进一步地，所述声波传感单元为次声传感器。

本发明还公开了一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测系统，包括上述基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置，还包括光功率检测模块和声波信号接收与处理装置。

进一步地，所述的光功率检测模块为设置在分布式光纤传感器输入端的背向散射光检测模块，和/或设置在分布式光纤传感器输出端的输出光功率检测模块。

本发明基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统将分布式光纤传感技术与声波检测技术进行结合，使管道的安全性与检测可靠性得到了很大的提升，既弥补了分布式光纤误报率高的缺点，又弥补了声波检测无法区分单点或多点泄漏的不足，降低了误报率，提高了定位精度。

 

附图说明

    下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细阐述：

图1为本发明基于声波的管道泄漏检测原理示意图；

图2为本发明基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置的结构示意图；

图3为本发明基于分布式光纤传感器和声波的管道监测系统的结构示意图；

图4为本发明基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统的工作流程图；

图5为本发明基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统一种实施方式的其中一种管道泄漏判断情况的示意图；

图6为本发明基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统一种实施方式的其中另一种管道泄漏判断情况的示意图；

图7为本发明基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统一种实施方式的其中另一种管道泄漏判断情况的示意图。

图中：11：管道；12：声波传感单元；13：声波传感单元；14：泄漏点；21、31：管道；22、32：分布式光纤传感器；23、33：声波传感单元；24：背向散射光检测模块；25：输出光功率检测模块；26：声波信号接收与处理装置。

 

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

图2示意性地给出了基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置的结构图，包括管道21，在所述管道21的监测区域铺设分布式光纤传感器22，本实施例选择在管道21的外壁表面并行铺设分布式光纤传感器22，同时在所述管道21的两端设置声波传感单元23。当然，分布式光纤传感器22可以设置在管道外附近区域并行铺设，也可以设置在管道外壁表面上螺旋状铺设，或者埋设在管道外壁内部，甚至于设置在管道内，也可以选择上述几处同时布置分布式光纤传感器22，声波传感单元23也可以在管道21的表面分段设置，本实施例对此不作限制。

所述声波传感单元23可以根据实际应用的需求检测到特定频率的声波，例如可以是次声传感器，从而检测次声波；但需注意的是，频率较高的声波例如超声波由于纵向传输衰减较快，不利于声波传感单元的检测及后期的分析。

实施例2：

图3示意性地给出了基于分布式光纤传感器和声波的管道监测系统的结构图，包括如实施例1中所述的管道21，并行铺设在所述管道21的外壁表面的分布式光纤传感器22，以及设置在所述管道21两端声波传感单元23，本实施例还包括设置在分布式光纤传感器22输入端的背向散射光检测模块24，设置在分布式光纤传感器22输出端的输出光功率检测模块25，以及设置在管道21一端的声波信号接收与处理装置26。背向散射光检测模块24完成分布式光纤传感器上各点的静态和动态损耗的测量和定位，输出光功率检测模块25完成光纤全径总损耗动态变化的测量和故障类型的判定，当然也可以单独设置这两类光功率检测模块中的一种，本实施例对此不作限制。

所述背向散射光检测模块24和输出光功率检测模块25可以是现有技术中的光检测模块，例如公开号为1414283的中国发明专利中所描述的背向散射光检测模块和输出光功率检测模块，本实施方式对此不作限制。所述声波信号接收与处理装置26可以采用现有技术中的声波信号接收与处理装置，包括例如公开号为101270853的中国发明专利中的数据处理单元、时序采集单元、通信接口单元和显示单元等等，或者例如公开号为101832472的中国发明专利“利用次声波实现管道泄漏检测的系统”中的前置滤波放大器、信号采集分析系统、GPRS/CDMA模块、太阳能加蓄电池供电模块等等，本实施方式对此不作限制。

实施例3：

    图4示意性地给出了本发明基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统的工作流程图，过程包括如下步骤：

步骤1：在管道监测区域铺设分布式光纤传感器，同时在该管道的两端、或者在该管道上分段安装声波传感单元，利用分布式光纤传感器和声波传感单元同时对管道进行实时监测；

步骤2：为分布式光纤传感器配置光功率检测模块；并为声波传感单元配置声波信号接收与处理装置；

步骤3：当管道泄漏时，利用分布式光纤传感器和声波传感单元检测泄漏信号，综合分布式光纤传感器检测到的泄漏信号和声波传感单元检测到的泄漏信号判断泄漏类型，主要有以下三种情况：

（1）图5示意性地给出了一种管道泄漏类型判断情况示意图，分布式光纤传感器32并行铺设在管道31外表面，两个声波传感单元33分别设置在管道31的输入端和输出端。当分布式光纤传感器32由于外界干扰检测到至少一个泄漏点如图3中的A点、B点、C点和D点，而声波传感单元33并没有检测到泄漏点时，则作出管道31未发生泄漏的判断，此时分布式光纤传感器32所检测的泄漏点A点、B点、C点和D点均为外界干扰或其他非泄漏原因所导致的虚报；

（2）图6示意性地给出了一种管道泄漏类型判断情况示意图，分布式光纤传感器32并行铺设在管道31外表面，两个声波传感单元33分别设置在管道31的输入端和输出端。当声波传感单元33按单点泄漏进行定位计算出泄漏点如图4中的A点，同时分布式光纤传感器32检测到至少一个泄漏点如图4中的A点、B点、C点和D点，且其中包含声波传感单元检测出的泄漏点即A点时，则作出管道31存在一个泄漏点的判断，且该泄漏点为声波传感单元33检测出的泄漏点即A点，此时分布式光纤传感器32所检测的泄漏点B点、C点和D点均为外界干扰或其他非泄漏原因所导致的虚报；

（3）图7示意性地给出了一种管道泄漏类型判断情况示意图，分布式光纤传感器32并行铺设在管道31外表面，两个声波传感单元33分别设置在管道31的输入端和输出端。当实际泄漏点为A点和B点时，A点和B点的泄漏声波传至两端声波传感单元33的时间分别为ta1、ta2、tb1、tb2，由于AB点距离声波传感器的两端的距离不同，所以两端声波传感单元检测到泄漏声波的时间的先后顺序会不同，根据图5中A点、B点的位置可以判断出，A点的泄漏声波会先被左端的声波传感单元33检测到，而右端的声波传感单元33的则会先检测到B点的泄漏声波，在做计算处理时，Δt会由ta1与tb2的差值计算得出，这样计算出的定位就不会是A点或B点，或者由于A点与B点的同向传输的泄漏声波发生混叠，导致声波传感单元33无法检测到ta2与tb1的时间，只能按照单点定位进行计算，这样计算出的定位就不会是A点或B点，本实施例中假设计算出的定位是E点；同时分布式光纤传感器检测到至少一个泄漏点如图5中的A点、B点、C点和D点，其中不包含声波传感单元检测出的泄漏点即E点时，则作出管道存在多个泄漏点的判断，以分布式光纤传感器检测的至少一个泄漏点如图5中的A点、B点、C点和D点作为参考进行排查。    

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置，包括管道（21），其特征在于：在所述管道（21）的监测区域内铺设分布式光纤传感器（22），同时在所述管道（21）的两端、或者在所述管道（21）上分段安装声波传感单元（23）。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置，其特征在于：所述管道监测区域为所述管道外、所述管道外壁表面、所述管道外壁内和所述管道内部中的至少一处。

3.根据权利要求1或2所述的基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置，其特征在于：所述声波传感单元（23）为次声传感器。

4.一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测系统，包括权利要求1至3任一项所述的基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置，其特征在于：还包括光功率检测模块和声波信号接收与处理装置（26）。

5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感器和声波的管道监测系统，其特征在于：所述的光功率检测模块为设置在分布式光纤传感器（22）输入端的背向散射光检测模块（24），和/或设置在分布式光纤传感器（22）输出端的输出光功率检测模块（25）。