CN105387351A - 基于dbr光纤激光器传感器的水下输油管道泄漏监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，提供了一种基于分布布拉格反射式光纤激光器传感器阵列及水下输油管道泄漏监测方法。其特征在于传感器阵列平行于管道截面，环形布放在每个泵站处的输油管道内壁并固定。一旦发生泄漏，传感元件DBR光纤激光器把压力信号转变为输出激光的偏振拍频信号，传递给远程监测终端，实现对泄漏行为的快速判断；漏点两端传感器阵列均能收到泄漏信号，根据两端收到信号的时间差，以及压力波的传播速度，便可计算出漏点的位置，实现对泄漏位置的精准定位。

Description

基于DBR光纤激光器传感器的水下输油管道泄漏监测方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于分布布拉格反射式光纤激光器传感器阵列及水下输油管道泄漏监测方法。

背景技术

输油管道泄漏监测的技术关键有两个方面：一是对泄漏行为的快速判断；二是对泄漏位置的精准定位。目前国内外出现的管道检漏方法有：压力点分析法，流量平衡检漏法，压力梯度法以及负压波法等。这些方法的优点是简单、直观，缺点是对微小泄漏不够敏感，除负压波法能够对泄漏位置定位之外，其他各方法对泄漏点的定位都存在局限性。从公开发表的资料可知，现在国内并没有利用敏感元件为DBR光纤激光器的传感器阵列来监测水下输油管道泄漏的先例。

该方法最明显的优势是灵敏度高，对管道的微小泄漏能够快速判断；并且同负压波法的定位原理一样能够对泄漏位置准确定位。此外光纤传感器本身具有优势：灵敏度高，体积小，耐高温，抗电磁干扰，可分布式监测且易于组网。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于DBR光纤激光器传感器阵列的水下输油管道泄漏监测方法，解决目前对输油管道微小泄漏检测不够灵敏的问题，利用光纤传感器灵敏度高、体积小且抗腐蚀的特点，实现对水下输油管道泄漏行为的快速判断，并对泄漏位置的精准定位的目的。

本发明所采用的技术方案：

一种基于DBR光纤传感器阵列，包括：输油管道、DBR光纤激光器传感器阵列、泵浦源、波分复用装置、信号采集系统、远程监测终端。

四枚同规格DBR光纤激光器，沿管道轴对称封装在一根FRP筋内，制成DBR光纤传感器阵列；该DBR光纤传感器阵列平行于输油管道截面方向，环形固定在每个泵站处的管道内壁上。

泵浦源提供的980nm激光经过波分复用装置(WDM)为DBR光纤激光器提供激励，输出激光沿原环形光路返回到达波分复用装置，经WDM分光得到的1545nm激光经过信号采集系统到达远程监测终端中的频谱分析仪。

石油在管内流动，漏点处的泄漏将油压的改变传递给传感器，当光纤传感器受到侧压力时，光纤产生双折射效应，导致传感器的敏感元件光纤激光器输出的偏振拍频信号发生变化。该发明可对流速大于0.05L/s以上的泄漏行为快速判断并精确定位。

一种基于DBR光纤激光器传感器阵列的水下输油管道泄漏监测方法，是将四枚相同的DBR光纤传感器对称封装到一根纤维增强塑料(FRP)筋内，平行于管道2截面环形布放在每个泵站处的输油管道内壁，并固定。油压的微小改变将对传感器产生侧向的压力作用，DBR光纤传感器阵列4受到侧压力时，传感元件DBR光纤激光器将会把压力信号转变为输出激光的偏振拍频信号，经过信号采集系统7，最终通过远程监测终端的频谱分析仪(RF)监测该信号的变化。一旦管道2发生泄漏，距离漏点3最近的两端传感器均能收到泄漏信号，根据两端收到信号的时间差以及压力波的传播速度，便可计算出漏点的位置，实现对泄漏位置的精准定位。

本发明的效果和益处是与现有的水下输油管道泄漏监测方法相比，具有更高的灵敏度，对于流速大于0.05L/s以上的泄漏行为能快速判断并精确定位。为水下输油管道的安全运行提供保障。

说明书附图

图1是DBR光纤传感器阵列水下输油管道泄漏监测方法示意图。

图中：1石油，2输油管道，3漏点(泄漏位置)，4DBR光纤传感器阵列，5泵浦源，6波分复用装置，7信号采集系统，8远程监测终端。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施步骤如下

(1)图1中DBR光纤传感器阵列4平行于管道2截面方向，环形布放在管道内壁并固定于管壁上；

(2)泵浦源5提供的980nm激光经过波分复用装置(WDM)6为DBR光纤激光器传感器提供激励，输出激光沿原环形光路返回到达波分复用装置，经WDM分光得到的1545nm激光经过信号采集系统7，到达远程监测终端8中的频谱分析仪；

(3)石油1在管内流动，漏点3处的泄漏将油压的改变传递给传感器，当光纤传感器受到侧压力时，光纤产生双折射效应，导致光纤激光器输出的偏振拍频信号发生变化。拍频与压力之间的关系可以根据下列公式得出：

δ(Δν)＝Δν′-Δν＝Kf(1)

其中：

$\begin{array}{c}K=\frac{2{\mathrm{cn}}_0^2(p_{11}-p_{12})(1+v_p)cos\left(2\mathrm{\θ}\right)}{{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{\π}rE}\\ =14.4\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}({\mathrm{mm}}^2\·\mathrm{\μ}m\·GHz)\end{array}---\left(2\right)$

c为真空中光速，n₀为光纤纤芯折射率，p₁₁和p₁₂为光纤的光弹性系数，v_p为其泊松比，θ为压力方向与光纤本身的双折射方向夹角，λ_o为输出激光波长，E为光纤弹性模量，r为光纤半径。δ(Δν)为偏振拍频变化量，f为光纤受到的侧向压力。

从上述公式可以看出，在光纤传感器各参数一定的情况下，偏振拍频信号变化与传感器接收到的压力信号具有良好的线性关系。

具体的，本实施例中光纤激光器泵浦光波长为980nm，输出光波长为1545nm，光纤半径r＝62.5×10^-3mm，θ＝90°，通过测量得到不同压力下的拍频变化量，计算得到本方法可以测得的精度高达0.814×10^-3N。

(4)两相邻泵站(两相邻传感器阵列)间距为L，漏点距离上游泵站X，则漏点位置可有以下公式给出：

$X=\frac{L+\mathrm{\υ}\mathrm{\Δ}t}{2}---\left(3\right)$

式中：Δt-两相邻传感器阵列接收压力波的时间差，s；υ-管输介质中压力波的传播速度，m/s，决定于液体的弹性，液体的密度，管材的弹性。

Claims (2)

1.一种基于DBR光纤传感器阵列，包括输油管道、DBR光纤激光器传感器、泵浦源、波分复用装置、信号采集系统、远程监测终端；其特征在于，

四枚同规格DBR光纤激光器传感器，沿管道轴对称封装在一根FRP筋内，制成DBR光纤传感器阵列(4)；

DBR光纤传感器阵列(4)平行于输油管道(2)截面方向，环形固定在每个泵站处的管道内壁上；

泵浦源(5)提供的980nm激光经过波分复用装置(WDM)(6)为DBR光纤激光器提供激励，输出激光沿原环形光路返回到达波分复用装置，经WDM分光得到的1545nm激光经过信号采集系统(7)，到达远程监测终端(8)中的频谱分析仪。

2.权利要求1所述一种基于DBR光纤传感器阵列的水下输油管道泄漏监测方法，其特征在于以下步骤，

(1)当光纤激光器传感器受到侧压力时，光纤产生双折射效应，导致光纤激光器输出的偏振拍频信号发生变化；拍频与压力之间的关系可以根据下列公式得出：

δ(Δν)＝Δν′-Δν＝Kf(1)

其中：

$\begin{array}{c}K=\frac{2{\mathrm{cn}}_0^2(p_{11}-p_{12})(1+{\mathrm{\ν}}_p)cos\left(2\mathrm{\θ}\right)}{{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{\π}rE}\\ =14.4\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}({\mathrm{mm}}^2\·\mathrm{\μ}m\·GHz)\end{array}---\left(2\right)$

c为真空中光速，n₀为光纤纤芯折射率，p₁₁和p₁₂为光纤的光弹性系数，v_p为其泊松比，θ为压力方向与光纤本身的双折射方向夹角，λ_o为输出激光波长，E为光纤弹性模量，r为光纤半径；δ(Δν)为偏振拍频变化量，f为光纤受到的侧向压力；

从上述公式可以看出，在光纤传感器各参数一定的情况下，偏振拍频信号变化与传感器接收到的压力信号具有良好的线性关系；

具体的，本实施例中光纤激光器泵浦光波长为980nm，输出光波长为1545nm，光纤半径r＝62.5×10^-3mm，θ＝90°，通过测量得到不同压力下的拍频变化量，计算得到本方法可以测得的精度高达0.814×10^-3N；

(2)两相邻泵站(两相邻传感器阵列)间距为L，漏点距离上游泵站X，则漏点位置可有以下公式给出：

$X=\frac{L+\mathrm{\υ}\mathrm{\Δ}t}{2}---\left(3\right)$

式中：Δt-两相邻传感器阵列接收压力波的时间差，s；υ-管输介质中压力波的传播速度，m/s，决定于液体的弹性，液体的密度，管材的弹性。