CN104456091B - 基于3×3耦合器的光纤干涉仪co2管道泄漏检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3×3耦合器的光纤干涉仪CO₂管道泄漏检测装置。包括信号发射与处理系统、光纤传感系统、信号分析系统、光源、第一单模光纤、第一耦合器、第二单模光纤、光环形器、第三单模光纤、第四单模光纤、第五单模光纤、第二耦合器、第一传感光纤、第二传感光纤、第一光电转换器、第二光电转换器、第一解调模块、第二解调模块、计算机。光信号经光电转换器转换成电信号，再经过解调，进入计算机，确定泄漏状况和泄漏点位置。本装置可检测管道沿线泄漏情况，尤其适合对大管径管道进行检测，对于CO₂这种特殊的运输气体，在泄漏时会伴有大幅度温降，由于光纤工作温度范围大，使装置在温降下仍具有很高的灵敏度和定位精度。

Description

基于3×3耦合器的光纤干涉仪CO2管道泄漏检测装置

技术领域

本发明涉及一种大管径CO₂管道泄漏检测装置，尤其是一种基于3×3耦合器的光纤干涉仪CO₂管道泄漏检测装置。

背景技术

以气候变化为核心的全球环境问题日益严重，削减温室气体的排放已经成为当今国际社会备受关注的热点，由于技术和成本的制约，化石燃料仍将是未来几十年内能源的主要来源，尤其对于中国这样能源消耗量大、有丰富化石能源资源且具有碳储存条件的国家来说。

2013年3月，科技部发布《“十二五”国家碳捕集利用与封存科技发展专项规划》 ，作为CO₂管道输送工程技术中的核心环节，CO₂管道安全控制与泄漏检测技术被列为关键技术之一。

中国发明专利申请200610113044.0基于Sagnac光纤干涉仪进行管道泄漏检测，采用了两根独立光纤形成的两个Sagnac干涉仪构成传感部分，此架构采用了两个法拉第旋转镜以及九个光耦合器，光路部分传感结构复杂，光衰减快，且成本较高，不利于在长输管道上进行布放。

中国发明专利申请201110302312.4基于混合干涉型分布式光纤的水下长输管道泄漏检测装置，光路部分采用了马赫曾德尔和萨格纳克混合干涉架构，虽然解决了水下环境的问题，但是没有解决大管径管道泄漏检测的问题。

目前的大部分技术都是油气管道泄漏检测的技术，对于CO₂这种特殊气体的管道安全控制与泄漏检测的技术相对较少。

发明内容

本发明目的在于克服了以上所述的缺陷，提供了一种基于3×3耦合器的光纤干涉仪CO₂管道泄漏检测装置，本发明光路部分架构简单，成本低，布放简单，有利于检测大管径CO₂管道的泄漏，光功率损耗小，且在CO₂这种特殊气体泄漏产生温降时，装置仍有很高灵敏度及定位精度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于3×3耦合器的光纤干涉仪CO₂管道泄漏检测装置，本装置主要包括信号发射与处理系统、光纤传感系统、信号分析系统，信号发射与处理系统包括光源、第一光电转换器、第二光电转换器、第一解调模块、第二解调模块；光纤传感系统包括第一单模光纤、第一耦合器、第二单模光纤、光环形器、第三单模光纤、第二耦合器、第一传感光纤，第二传感光纤，第四单模光纤，第五单模光纤，其中第二耦合器与第一传感光纤构成萨格纳克环，第一耦合器的I、H端口与第二传感光纤构成萨格纳克环；信号分析系统包括计算机；

所述的信号发射与处理系统的光源通过第一单模光纤与第一耦合器的一个输入端口K连接；第一耦合器的一个输出端口E通过第二单模光纤与光环形器的L端口连接，光环形器的F端口通过第三单模光纤与第二耦合器的输入端口M连接，第二耦合器的输出端口N通过第一传感光纤与第二耦合器输出端口O连接，光环形器的G端口通过第四单模光纤与第一光电转换器的输入端口P连接，第一光电转换器的输出端口Q与第一解调模块的输入端口R连接，第一解调模块的输出端口S与计算机连接；第一耦合器的另一个输出端口H通过第二传感光纤与第一耦合器的输出端口I连接，第一耦合器的输入端口J通过第五单模光纤与第二光电转换器的输入端口T连接，第二光电转换器的输出端口U与第二解调模块的输入端口V连接，第二解调模块的输出端口W与计算机连接。

第二传感光纤与第一传感光纤分别沿管道长度方向的最大截面布置，且第二传感光纤所在平面与第一传感光纤所在平面成垂直交叉。

该装置的优点是：本装置运用了萨格纳克环这种最简单的光学器件，且只运用了两个光耦合器，减小了光信号的衰减，减少了装置的成本，且装置布放方便。传感光纤采用垂直交叉布放方式，有效增加了泄漏检测范围，解决了使用单根光纤很难检测大管径管道以及泄漏口背离光纤方向时信号很弱的问题，不存在漏报警现象，并且通过与计算机连接，实现信息的及时传输，有效及时的发现泄漏现象。对于CO₂这种特殊的气体，在泄漏时会伴有大幅度温降，在绝热瞬时泄漏情况下，温降超过100℃，而光纤工作温度范围很广，其工作温度范围温差可达150℃，对于温降带来的信号衰减较弱，不影响其正常工作，因此本装置可有效检测CO₂气体的泄漏，并且灵敏度高、定位精度高。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置传感光纤布放示意图；

图3为萨格纳克环结构图。

图1中：1、信号发射与处理系统，2、光纤传感系统，3、信号分析系统， A1、光源，A2、第一单模光纤，A3、第一耦合器，A4、第二单模光纤，A5、光环形器，A6、第三单模光纤，A7、第二耦合器，A8、第一传感光纤，A9、第二传感光纤，A10、第四单模光纤，A11、第五单模光纤，B1、第一光电转换器，B2、第二光电转换器，D1、第一解调模块，D2、第二解调模块，C1、计算机。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的实施例，详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种基于3×3耦合器的光纤干涉仪大口径CO₂管道泄漏检测装置，本装置主要包括信号发射与处理系统1、光纤传感系统2、信号分析系统3，信号发射与处理系统1包括光源A1、第一光电转换器B1、第二光电转换器B2、第一解调模块D1、第二解调模块D2；光纤传感系统2包括第一单模光纤A2、第一耦合器A3、第二单模光纤A4、光环形器A5、第三单模光纤A6、第二耦合器A7、第一传感光纤A8，第二传感光纤A9，第四单模光纤A10，第五单模光纤A11，其中第二耦合器A7与第一传感光纤A8构成萨格纳克环，第一耦合器A3的I、H端口与第二传感光纤A9构成萨格纳克环；信号分析系统3包括计算机C1；

所述的信号发射与处理系统1的光源A1通过第一单模光纤A2与第一耦合器A3的一个输入端口K连接；第一耦合器A3的一个输出端口E通过第二单模光纤A4与光环形器A5的L端口连接，光环形器A5的F端口通过第三单模光纤A6与第二耦合器A7的输入端口M连接，第二耦合器A7的输出端口N通过第一传感光纤A8与第二耦合器A7输出端口O连接，光环形器A5的G端口通过第四单模光纤A10与第一光电转换器B1的输入端口P连接，第一光电转换器B1的输出端口Q与第一解调模块D1的输入端口R连接，第一解调模块D1的输出端口S与计算机连接；第一耦合器A3的输出端H口通过第二传感光纤A9与第一耦合器A3的输出端口I连接，第一耦合器A3的输入端口J通过第五单模光纤A11与第二光电转换器B2的输入端口T连接，第二光电转换器B2的输出端口U与第二解调模块D2的输入端口V连接，第二解调模块D2的输出端口W与计算机C1连接。

如图2所示，第二传感光纤A8与第一传感光纤A9分别沿管道长度方向的最大截面布置，且第二传感光纤A8所在平面与第一传感光纤A9所在平面成垂直交叉，有效增加了泄漏检测范围，解决了使用单根光纤很难检测大口径管道以及泄漏口背离光纤方向时信号很弱的问题，不存在漏报警现象。

如图1、图3所示，本发明的工作原理：由光源发出的光在本装置的传播过程，由光源发出的光通过第一单模光纤A2进入第一耦合器A3，第一耦合器A3输出的光按分束比1:1:1分成三路，其中一束光经过第二单模光纤A4与光环形器A5的端口L连接，由于光环形器的单向性，由端口L进入的光会毫无损失的由端口F输出，光不会逆向再由端口F传输到端口L，光再由光环形器端口F通过第三单模光纤A6传输到第二耦合器A7,在第二耦合器A7处，光按分束比1:1被分成两束，一束从第二耦合器A7输出端口O通过第一传感光纤A8传输到第二耦合器A7输出端口N,另一束光从第二耦合器A7输出端口N沿第一传感光纤A8传输到第二耦合器A7输出端口O,两束光在第二耦合器A7处发生干涉，再通过第三单模光纤A6，由光环形器的端口F传输到端口G，由于光环形器的单向性，由端口F进入的光会毫无损失的由端口G输出，光不会逆向再由端口G传输到端口F，光通过第一光电转换器B1，由光信号转化为电信号，电信号再通过第一解调模块D1进行解调处理，最终通过计算机C1进行去噪以及频谱分析，实现泄漏定位和报警。

第一耦合器A3输出的另两束光，一束光从第一耦合器A3端口H通过第二传感光纤A9传输到第一耦合器A3输出端口I,另一束光从第一耦合器A3端口I通过第二传感光纤A9传输到第一耦合器A3输出端口H,两束光在第一耦合器A3处发生干涉，由第一耦合器A3的端口J输出，经过第二光电转换器B2，由光信号转换为电信号，电信号再通过第二解调模块D2进行解调处理，最终通过计算机C1进行去噪以及频谱分析，实现泄漏定位和报警。

该装置的管道泄漏检测与定位原理是：当管道某处发生泄漏时，泄漏气体与泄漏孔壁的摩擦会产生应力波，此应力波会对铺设在管壁夹层的传感光纤产生扰动，此扰动会对传感光纤中传输的光相位进行调制，使得光纤中传输的光相位产生变化，使得在萨格纳克环中沿顺时针方向传播的光和逆时针方向传播的光产生相位差，在回到耦合器时发生干涉，无泄漏发生时，两束光相位一致，不发生干涉。当管道发生单点泄漏时，光在第一耦合器或第二耦合器处有干涉发生，经过解调后，确认泄漏状况和泄漏点位置，实现管道泄漏检测。

Claims (2)

1.一种基于3×3耦合器的光纤干涉仪CO₂管道泄漏检测装置，包括信号发射与处理系统、光纤传感系统、信号分析系统，信号发射与处理系统包括光源、第一光电转换器、第二光电转换器、第一解调模块、第二解调模块；光纤传感系统包括第一单模光纤、第一耦合器、第二单模光纤、光环形器、第三单模光纤、第二耦合器、第一传感光纤，第二传感光纤，第四单模光纤，第五单模光纤，其中第二耦合器与第一传感光纤构成萨格纳克环，第一耦合器的第二输出端口、第三输出端口与第二传感光纤构成萨格纳克环；信号分析系统包括计算机；

其特征在于：所述的信号发射与处理系统的光源通过第一单模光纤与第一耦合器的第一输入端口连接；第一耦合器的第一输出端口通过第二单模光纤与光环形器的输入端口连接，光环形器的第一输出端口通过第三单模光纤与第二耦合器的输入端口连接，第二耦合器的第一输出端口通过第一传感光纤与第二耦合器第二输出端口连接，光环形器的第二输出端口通过第四单模光纤与第一光电转换器的输入端口连接，第一光电转换器的输出端口与第一解调模块的输入端口连接，第一解调模块的输出端口与计算机连接；第一耦合器的第二输出端口通过第二传感光纤与第一耦合器的第三输出端口连接，第一耦合器的第二输入端口通过第五单模光纤与第二光电转换器的输入端口连接，第二光电转换器的输出端口与第二解调模块的输入端口连接，第二解调模块的输出端口与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于3×3耦合器的光纤干涉仪CO₂管道泄漏检测装置，其特征在于：所述的第二传感光纤与第一传感光纤分别沿管道长度方向的最大截面布置，且第二传感光纤所在平面与第一传感光纤所在平面成垂直交叉。